생체신호 인터페이스 및 재활보행로봇에의 적용기술

재활로봇으로 고령화 시대 준비!

생체신호 인터페이스 및 재활보행로봇에의 적용기술

재활치료의 효과는 재활훈련의 강도와 환자의 집중도에 의한 영향이 크다. 최근에는 유럽을 중심으로 의도 감지에 의한 재활 효과 규명에 관한 연구가 활발히 진행 중으로, 기존의 단순 반복 재활운동 치료인 Bottom-up Approach에서, 환자의 보행의도에 응답하는 Top-down Approach로 패러다임이 변화되고 있다. 본문은 유럽을 중심으로 활발하게 진행되고 있는 생체신호 인터페이스와 로봇을 결합한 재활로봇기술 연구에 관한 최신 동향을 정리한 내용이다.

 

개요

 

1. 대상기술의 정의
재활이란 장애인에게 신체적, 심리적, 사회적 생활능력을 회복시켜 개인의 독립생활을 할 수 있도록 하는 것이며 상지, 하지, 인지 재활로 이루어진다. 생체신호란 생체에서 측정할 수 있는 다양한 전기, 물리, 운동량 등이지만, 재활로봇에서는 주로 의도감지를 목적으로 뇌신호, 근육신호 및 운동신호로 구분한다.
재활로봇은 물리치료사의 치료와 유사하게 환자 측에 적절한 운동을 보조해주는 역할을 하며, 위에서 언급했듯이 주로 상지, 하지 재활로봇으로 나누어지고 손 재활 로봇도 있다.

2. 기술의 필요성
세계적 추세인 고령화시대를 맞아 뇌졸중, 치매 등 노인성 질환이 함께 증가하고 있으며 이들의 재활치료는 인력 손실, 국가복지, 간병관련 사회비용 등의 관점에서 매우 중요하다.
뇌졸중은 뇌혈관이 막히거나(뇌경색) 파열되어(뇌출혈) 뇌 손상을 일으키는 질병으로, 사망(18%), 정상회복(9%), 만성장애(73%) 등의 결과를 초래한다. 2012년도 건강보험심사평가원이 발표한 심뇌혈관 질환 평가 결과에 따르면 최근 5년 사이 뇌졸중의 연도별수진자수는 11.2%(555,323명) 증가했고, 이에 따른 진료비는 26.7%(1조 200억 원) 증가했다.
뇌졸중 환자의 경우 발병 후 병원 치료 및 회복기(급성기, 1~2주)를 거쳐 재활치료가 시작되며(아급성기, 약 6개월) 재활에 차도가 없게 되면 퇴원하여 일상생활에 복귀하게 된다(만성기).
재활로봇 적용을 통해 크게 향상된 재활효과(재활시점, 회복정도, 만성기 재활효과 등)에 대한 임상결과는 발표되지 않고 있으나, 재활로봇의 필요성은 높다고 할 수 있다.
아울러 최근에는 기존의 단순반복 재활 운동 방법치료에서 발전하여, 환자의 의도에 따른 재활운동 효과를 규명하는 연구가 활발하다.

국내·외 제품 및 기술 동향

 

1. 제품 동향
사업화는 주로 스위스의 호코마가 주도하고 있으며, Lokomat의 경우 2006년 출시 이후 전 세계에 약 300대 이상 판매(한국 5대)되어 재활 효과에 대한 다양한 임상이 진행되었다. 한국에서는 피엔에스 미캐닉스에서 워크봇을 개발하여 로봇시범사업으로 일부 병원에 설치하여 운영 중에 있다.
한편, 착용형 보행재활로봇 제품도 소개되고 있으며, 미국의 Exo는 미국 FDA의 승인을 통해 약 10대가 미국 병원에 설치되어 운영 중이며, 이스라엘의 ReWalk도 유럽을 중심으로 시판 중에 있다.
재활로봇 제품의 기술개발 동향은 다음과 같이 정리할 수 있다.

2. 연구개발 동향
재활치료의 효과는 재활훈련의 강도와 환자의 집중도에 의한 영향이 크며 이를 로봇시스템에 구현했으나, 최근에는 유럽을 중심으로 의도감지에 의한 재활 효과 규명에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
즉, 보행재활로봇 기술은 보행의도와 무관한 단순 반복 중심의 재활운동 치료인 Bottom-up 방식에서, 환자의 보행의도에 응답하는 Top-down 방식으로 패러다임이 변화되고 있으며 BrainComputer Interface(BCI) 기술 접목과 착용형 재활로봇을 활용한 지상보행(Overground) 타입의 로봇 시스템을 특징으로 하고 있다.
유럽에서 진행 중인 대표적인 생체신호 인터페이스 적용 재활로봇 과제는 다음과 같다.

보행 의도는 뇌에서 발생하여 운동신경을 통해 근육에 전해져 동작을 일으키게 되며, 각각 사용되는 센서의 종류, 부착 위치, 추출 정보는 아래의 [표]와 같다.

시사점 및 정책 제안

 

1. 시사점
세계적인 고령화 시대를 맞아 뇌졸중, 치매 등 고령질환도 함께 증가하는 추세이며, 이로 인한 재활치료 관련 시장도 커지고 있다. 특히, 고령질환의 후유증으로 인한 간병 비용 등은 국가 복지, 사회적 의료비용 등의 면에서도 사회적 이슈가 될 것이다. 또한 재활의 범위는 일반고령자의 일상기능 상실에 대한 생활보조까지 확대될 수 있으며, 재활치료의 범위가 가정으로 확산되는 추세로 향후 시장성장이 가속화 될 것으로 예상된다.
최근 주로 물리치료사에 의존했던 재활치료분야에 외골격로봇이 접목되어 다양한 재활로봇이 개발 및 제품화되고 있다. 재활치료 효과는 강도 높은 재활운동과 환자의 집중도에 의해 크게 좌우된다고 알려져 있으며, 이러한 면에서 로봇기술의 강점을 잘 활용할 수 있는 분야 중 하나라 할 수 있다. 특히 재활로봇의 경우는 정형화된 재활치료, 재활운동 상태 측정 등으로 인해 균질한 수준의 재활치료가 가능하다. 최근에 BCI 기술을 접목한 새로운 재활로봇 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 뇌졸중의 경우 뇌손상으로 인해 편마비 장애가 발생하는데, 상하지의 반복적인 운동은 뇌신경을 자극하여 일부 뇌기능이 회복(Bottom-up Approach)된다고 추정하고 있다. 새로운 접근 방법은 직접적인 뇌 신호를 활용한 재활치료로(Top-down Approach) 뇌 운동을 통한 뇌기능 향상 효과에 관한 연구 방향이다. 예를 들어 상하지의 운동에 관한 환자의 의도를 감지하여(뇌, 근육, 운동 신호로 추출) 이를 로봇에 전달해 재활운동을 시켜주는 방법 등이다.

 

2. 정책제안
재활로봇은 산업적인 측면과 국가 복지 및 사회의료 비용의 차원에서 검토되어야 한다. 대표적인 재활로봇인 스위스 Hocoma사의 Lokomat이 최근 1~2년 사이 국내에 5대가 도입되었고, 국내 제품인 Walkbot도 로봇시범사업을 통해 시범사용 중이다. 재활로봇에 대한 국내의 연구개발은 해외 선진국에 비해 많이 뒤쳐져 있는 것이 현실이며, 향후 고령화 시대에 대비하기 위한 최소한의 복지정책의 일환으로 본격적인 정부의 지원이 절실하다.
재활로봇은 환자를 대상으로 연구가 이루어져야 하기에 로봇공학자 단독으로 이루어질 수 없으며, 임상관련 내용은 의사와의 공동 연구가 필수적이다. 또한 수요자가 환자 외에 물리치료사, 재활과 의사 등 다양하며 요구내용이 전문적이어서 제품개발 초기부터 이들의 요구조건을 반영하는 것이 매우 중요하다. 현실적으로 이러한 연구조건을 갖추는 것이 비용 및 시간 측면에서 쉬운 일은 아니다. 최근에 해결책의 하나로 국립재활원에서 재활로봇 중개기술 사업을 시작했으며, 향후 지속적인 정부의 지원이 요구된다.
한편 재활로봇은 현재 분류상 의료기기에 속하기 때문에 식약청의 승인을 얻어야 한다. 또한 환자를 대상으로 한 연구이기에 연구 윤리도 준수되어야 한다. 현재의 규정에서는 연구개발용 재활로봇에 대해서도 식약청의 인증이 필요한데, 몇 가지 문제를 안고 있다.
우선 시제품 제작에 GMP가 전제 조건이나, 연구주체가 정부출연 연구소 혹은 대학일 경우 이를 충족하기가 어렵다. 인증 기준이 최종 제품에 대한 것으로 되어 있어 연구개발의 시제품 단계에서는 관련 증빙자료 준비가 쉽지 않다. 많은 부분이 시험을 통해 정해지고 또한 변경될 수 있기 때문이다.
재활로봇 산업화에 있어 중요한 요소는 의료수가 반영문제이다. 재활로봇을 적용한 치료가 기존 치료대비 유효한 효과가 입증되어야 재활로봇 투자비용에 대한 인정을 받을 수 있기 때문이다. 또한 이를 입증하는데 많은 시간과 비용을 수반하는 임상시험을 거쳐야 하는 애로사항도 있다.
따라서 재활로봇에 대한 신기술 인정 기준 및 임상시험 관련 정부 기술개발 자금 지원 등 다각적인 검토가 필요하다.

결론

 

본문은 재활로봇 관련 사회적 환경, 기술개발 동향, 연구개발 및 시장도입의 문제점 등을 정리했다. 외골격 로봇기술의 발전으로 시작된 재활로봇은 최근 BCI 기술 접목을 통해 새로운 재활치료 수단을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 재활치료는 환자는 물론 고령자 일상생활 지원에 이르는 광범위한 시장이며, 향후 가정용 제품이 도입되면 하나의 산업으로 자리 잡을 것으로 예상된다. 사회 전반적으로 로봇 기술개발을 추진해온 우리나라로서는 그 강점을 충분히 발휘할 수 있는 분야이다.
최근 다양한 재활로봇 기술개발과 시범사업에 대한 정부 지원이 이루어지고 있으며, 관련 분야 의사, 로봇공학자, 병원, 연구소, 대학, 기업 등 연구기관 간 및 연구자 간 교류가 활발하게 이루어지고 있다. 각자의 강점과 협력을 통해 재활로봇 연구개발, 산업의 활성화를 이루고 국가복지, 고령화 시대 준비 등에 많은 역할을 할 수 있게 되기를 기대한다.
한국산업기술평가관리원  www.keit.re.kr

필자 KEIT 로봇PD실 이상무 PD, 한국생산기술연구원 박현섭 수석연구원

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 생체신호 인터페이스 및 재활보행로봇에의 적용기술