[첨단 헬로티]

가상현실(VR: Virtual reality, 가상현실)은 그 사용자가 비디오 디스플레이를 통해 제공되는 3차원 컴퓨터 그래픽스(3D-CG)로 그려진 가상 공간 내에서 시각뿐만 아니라, 청각이나 촉각(촉각용 디바이스가 더욱 필요) 등 복수의 감각 환경을 실시간으로 경험할 수 있는 기술이다.

또한, 실재 공간 내에 가상 오브젝트를 보여주는 증강현실(AR: Augmented reality) 외에도, 가상현실 공간과 실재 공간의 정보를 겹쳐서 보여주는 복합현실(MR: Mixed reality), 과거의 현실 공간과 현재의 현실 공간을 겹쳐서 보여주고, 과거 정보를 현재 경험하고 있는 것처럼 보여주는 대체현실(SR: Substitutional reality)로 발전을 거듭해 왔으며, 이들을 총칭해서 XR(Extended reality) 기술이라고 부른다.

XR 기술은 인지신경과학 연구뿐만 아니라, 다양한 의료 응용이 시작되고 있으며, 그 중에서도 VR이 임상 현장에서 가장 많이 사용되고 있다. 필자 등은 VR 기술을 사지 절단 후 등의 환상 사지통 치료에 응용하고 있는데, 뇌경색이나 척수 손상 후의 운동마비뿐만 아니라, 정신질환 등으로도 확대되고 있다.

이외에 VR을 이용해 뇌혈관이나 복강내 장관 등을 입체적으로 보여주어 수술 기법을 사전에 시뮬레이션하는 활용이나 VR 내에서 의료 건축(수술실 등)을 시뮬레이션해 건축 계획이나 의료기기의 설치 계획을 검토하는 시도, 의료 안전 문제 장면을 재현해 보다 상세하게 의료 안전상의 개선책을 검토하는 시도에도 활용되고 있다. 이 글에서는 급속하게 의료계에서 임상 응용이 추진되고 있는 VR의 실제 사례를 소개한다. 

사지 절단 후 환상 사지통의 대뇌 유래의 발증 기전

사지 절단 후 환자의 80% 이상은 상실한 사지가 존재하는 것 같은 착각(phantom limb awareness)과 상실한 사지가 존재하고 있던 공간에 온랭감이나 저림감 등의 감각(phantomsensation)을 지각, 이들의 감각 경험을 환상 사지라고 총칭한다. 환상 사지에 합병되는 병적 통증(환상 사지통 : phantom limbpain)의 발증 빈도는 사지 절단 환자의 50～80%로 여겨지며, 그 장기 예후는 보고에 따라 다르지만 대부분 환자는 몇 년이 지나도 환상 사지통을 동반하고 있다.

환상 사지통의 발증 기전에 대해서는 인간 환상 사지통 환자를 대상으로 한 인지신경과학 연구에서 대뇌를 중심으로 한 중추신경계의 기능 재구축(reorganization), 특히 사지의 운동 정보와 그에 따른 감각 정보 피드백의 파탄이 발증 기반으로 논의되고 있다. 구체적으로는 신경장애에 걸린 신체 부위에 대응한 1차 체성감각야(S1)를 중심으로 시상, 2차 체성감각야의 신체 부위 재현지도의 축소가 일어나고, 그 영역의 상하좌우에 분포하는 신체 부위가 확대된다.

예를 들면 상지 절단 후, 환상 사지통 환자는 손의 신체 부위 재현지도가 없어지고, 대신에 손의 신체 부위 재현지도 옆에 있는 안면의 신체 부위 재현지도가 확대된다(그림 1). 이와 같은 변화는 하지 절단 후 환상 사지통이나 척수 손상 후 동통 환자에서도 관찰되며, 하지의 신체 부위 재현지도가 상실되어 몸통․안면의 영역이 확대되고 있다. 그리고 이 신체 부위 재현지도의 축소가 신경장애성 동통 환자가 호소하는 동통 강도와 관련 있다는 것도 밝혀져 있으며, S1이 동통의 식별에 관련되어 있다고 하는 생리학적 지견과 일치한다. 더구나 운동계에서도 기능 재구축이 밝혀져 있다.

대뇌의 신경생리학적인 기능 구축과 함께, 뇌계산 이론에서도 환상 사지통의 발증 기전은 논의되고 있다. 인간의 사지운동 시에는 뇌(1차 운동야 M1)에서 근육으로 보내는 운동 지령에 이어서 사지운동 후에는 감각 정보가 뇌로 피드백(팔의 위치 등)되는데, 이 운동 지령에 따라 적절한 감각 정보가 피드백되지 않는 경우에 통증이 생긴다고 한다. 사지운동에 따른 일련의 운동계와 감각계의 정보 전달은 항상 중추신경계에서 모니터되고 있으며, 지각-운동 루프(sensori-motor loop)라고 부른다.

정상적인 상태에서는 자기 신체 부위의 각각에 대해 감각-운동 루프가 정합되어 있는 상태(sensori-motor integration이라고 한다)에서는 인간은 그 신체 부위를 자신의 신체 일부로 인지할 수 있다. 이러한 자기 신체 인지에 관한 지각-운동 루프는 체성감각뿐만 아니라 다감각 정보를 통합해 제어되고 있는데, 신체 부위의 시각 정보가 가장 중요하다는 것도 밝혀져 있다. 반대로 말하면 어떤 신체 부위에 관해 시각 등을 통합해 정합되는 지각-운동 루프가 파탄되면, 인간은 그 신체 부위를 자기 신체의 일부라고 인지할 수 없다. 정상인이라도 상지의 시각적인 운동 감각과 체성감각적인 운동 감각을 분리시키고 상지의 지각-운동 루프를 파탄시키면, 병적 동통이나 손의 상실감을 비롯한 이상 감각이 생긴다는 것이 보고되어 있다. ‘통증’은 원래 신체의 이상을 알리기 위한 경고 신호이기 때문에 지각–운동 루프가 신경 손상이나 사지 절단 등으로 인해 파탄됐을 때에는 사지의 이상을 알리는 알람으로 동통(환상 사지통)이 일어난다고 생각된다.

신경장애성 동통에 대한 신경 리허빌리테이션 치료 메커니즘 : sensorimotor integration설

지각–운동 루프의 파탄에 대한 리허빌리테이션 이론에서는 ‘기능이 손상된 상태에서 재학습’이 중요하며, 중추신경계의 가소성 변화를 촉진하는 리허빌리를 특히 신경 리허빌리라고 부르며 권장되고 있다. 신경 리허빌리에서는 효율적으로 중추신경계의 가소성 변화가 촉진되도록 ‘과제 지향형 리허빌리로 구성되어 있을 것’, ‘다감각 피드백을 줄 것’, ‘높은 동기부여를 유지할 것’, ‘최적의 리허빌리 난이도가 설정되어 있을 것’ 등을 중요 사항으로 들고 있다.

필자 등은 지금까지 환상 사지통에 대한 신경 리허빌리로서 거울을 이용한 치료법(거울치료)를 실시해 왔다(그림 2). 이 때 환상 사지 수의운동을 획득한 환자의 동통 감소율은 유의미하게 컸으며, 또한 통증의 성질마다 유효성을 평가하면 심부 감각에 관련된 동통은 거울치료에 의해 개선됐다(피부 표재 감각에 관련된 동통은 개선되지 않았다)(그림 3). 

환상 사지의 운동 표상에 대해서 보다 정량적으로 평가하는 것을 목적으로, 인간의 양손 협조운동은 단일운동 패턴으로 수렴되어 버리는 것(예 : 오른손으로 △를 그리면서 왼손으로 〇를 그리면, 오른손도 〇를 그리게 된다)을 이용한 계측을 했다. 즉, 환상 사지를 수의하게 운동할 수 있는 환자에서는 정상 사지운동 패턴이 환상 사지운동에 수렴되어 가는 것을 이용해, 정상 사지운동을 평가함으로써 환상 사지의 수의운동과 그 운동량을 정량적으로 평가하는 기법을 개발했다. 그 결과, 환상 사지의 수의운동이 불가능한 환자에서는 사지의 이상을 알리는 알람인 환상 사지통이 보다 강하고, 반대로 환상 사지를 수의하게 운동할 수 있어 보다 운동량이 큰 환자일수록 환상 사지통이 약했다(그림 4)．

아픈 사지의 운동 감각을 시각적으로 학습했을 때에는 1차 운동야, 운동전야, 보충운동야가 활성화하는 것이 보고되어 있으며, 환상 사지의 강도 및 거울치료에 의한 진통 효과가 환상 사지의 운동 감각 유무와 크기에 관련되어 있는 것으로부터 거울치료의 치료 기전은 ‘절단 사지(혹은 신경 손상 사지)가 운동하고 있는 것 같은 거울의 시각 정보는 사지 절단(혹은 신경 손상)으로 인한 자기 수용 감각의 결손을 보상하고 중추신경계에 운동 감각을 피드백, 그 결과 절단 사지(신경 손상 사지)의 지각-운동 루프가 재통합되어 병적 통증이 완화된다’고 생각할 수 있다.

Virtual reality를 이용한 치료장치의 개발

거울치료보다 강력한 치료법을 개발할 목적으로 체성 감각과 시각을 이용하고, 또한 사지에 관한 올바른 시각 정보(영상)을 입력해 지각-운동 루프의 협응 관계를 재통합할 수 있으며, 나아가 실험적 조작이 간편한 VR(그림 5)을 이용한 환상 사지통의 신경 리허빌리테이션 치료에 대응하고 있다.

VR 치료에서는 3차원 적외선 카메라로 정상 사지의 관절 정보를 취득, 그 정보를 좌우 반전시켜 VR 공간에 환상 사지의 영상을 비춘다. 실재 공간의 정상 사지와 VR 공간의 환상 사지를 동일한 운동을 실시함으로써 좌우 상지의 감각 정보는 뇌에서 통합되어 하나의 감각 표상을 형성하고 운동계로 정보 전달이 이루어져 환상 사지의 지각-운동 협응이 재통합됨으로써 환상 사지통이 완화된다. 실제로 거울치료의 결과와 마찬가지로 VR 치료에 의한 환상 사지의 수의운동이 출현, 그 운동량이 클수록 환상 사지통이 개선됐다. 또한, 환상 사지통뿐만 아니라, 시상 출혈이나 경색 후에 한쪽 팔이나 다리에 통증이 생기는 시상통에서도 동일한 진통 효과를 얻을 수 있었다.

VR 치료는 가상현실 공간에서 작업을 임의로 설정할 수 있는 것이 거울치료와 큰 차이이며, 신경 리허빌리에서 중요한 ‘과제 지향형 리허빌리로 구성되어 있을 것’, ‘높은 동기부여가 유지될 것’, ‘최적의 리허빌리 난이도가 설정되어 있을 것’을 만족시켜, 거울치료를 상회하는 치료 효과를 기대할 수 있을 것으로 여겨진다.

XR 기술을 이용한 신경 리허빌리 치료의 장래 발전

환상 사지통에서 관찰되는 신체 부위 재현지도의 재구축은 사지 절단 등에 따라 수족의 신체 부위 재현지도가 완전히 소실된 것이 아니라, 정상 신체 부위의 재현지도에 의해 ‘덧쓰기’된 상태이다. 잃은 손발의 신체 부위 재현지도가 잔존해 있는 것은 임상적으로 환상 사지통 환자에서 안면이나 절단 끝을 만지면 잃은 손가락에 대한 촉각 감각이 생긴다는 것으로부터 알 수 있다(그림 6). 

VR 치료와 같은 시각 정보를 통한 환상 사지 운동학습을 거쳐 환상 사지 수의운동이 재획득된 경우에는 S1/M1에서 아픈 사지 신체 부위 재현지도가 확대되는 것도 밝혀져 있지만, 필자 등은 잔존하는 신체 부위 재현지도에 대한 체성 감각 피드백을 강화해 환상 사지 신체 부위 재현지도 재획득을 목적으로 한 발전적 개발도 해왔다.

VR 공간에서 풍선 터트리기 작업을 할 때, VR 환상 사지로 풍선을 터트렸을 때에 정상 사지 혹은 아픈 측 안면에 진동 자극을 주었다. 특히, 아픈 측 안면에 대한 진동 자극의 동시 입력에서는 진통 효과가 강화됐다. 이것은 신경 리허빌리의 필요 요건인 ‘다감각 피드백을 줄 것’에 해당되며, VR 치료를 넘어선 MR로서 앞으로 응용 발전을 기대할 수 있는 것이다.

결론

이 글에서는 필자 등이 대응하고 있는 환상 사지통에 대한 VR 치료를 XR 기술의 성공 사례로서 다루고, 그 이론 배경을 설명했다. 현재 다양한 임상 분야에서 응용이 진행되는 XR 기술의 치료 효과에 대해서는 ‘임상 현장에서 개선하고자 하는 증상(감각장애나 운동마비 등)’과 ‘XR 기술로 표현 제시할 수 있는 작업’이 일치하는가, 그 리허빌리 효과가 유용한가를 신중하게 모니터링해야 한다.

건강한 사람에서도 시각 정보를 수식하는 것에 의한 운동학습은 일어나며, 이것은 현실 공간에서는 운동을 바르게 수행하는 능력의 저하․상실을 의미하게 된다. 따라서 기술적 시즈를 전제로 한 XR 기술의 임상 응용이 아니라, 환자(와 치료자)의 요구에 따른 치료 작업을 제공할 수 있는 유연성 있는 XR 기술이 요구된다. 이것을 달성하기 위해서는 공학계 기술자와 신경 리허빌리 의료자(의사와 물리·작업치료사)가 유기적으로 연계하는 것이 필요하다.

住谷 瑞穂, 카미오기념병원

大住 倫弘, 키오대학 뉴로리허빌리테이션 연구센터

住谷 昌彦, 도쿄대학 의학부 부속병원 완화케어진료부