문인석 연세대학교 의과대학 이비인후과 교수 - 청신경종양 맞춤형 치료 위한 세계 최초 AI 기반 수술 결과 예측 시스템 개발
문인석 연세대학교 의과대학 이비인후과 교수 - 청신경종양 맞춤형 치료 위한 세계 최초 AI 기반 수술 결과 예측 시스템 개발
  • 유지연
  • 승인 2020.11.25 09:47
  • 댓글 2
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Medical & Health
연세대학교 의과대학 이비인후과 문인석 교수 Ⓒ유지연 기자

우리나라에서 연간 발생하는 23만여 명의 암 환자 중 청신경종양은 1000명 정도 발생하는 드문 종양이다. 두개저 부위의 복잡성이나 그 위험도로 인해 숙련된 의사를 찾기가 쉽지 않으며, 수술 후 후유증이 발생하는 등 치료가 어려운 질환이기도 하다. 청신경종양 분야 세계적인 권위자로 손꼽히는 연세대학교 의과대학 이비인후과 문인석 교수는 최근 청신경종양 환자들을 대상으로 수술 전 청력 보존 여부를 예측할 수 있는 시스템을 개발하며 환자 맞춤형 치료 시대를 열었다.

 

 

청신경종양 환자 위한 맞춤형 치료의 길 열렸다

전세계 최고의 IT기업인 구글이 최근 최고헬스담당임원이 라는 직책을 신설했고, 국내 최고의 IT기업인 네이버에서 미래의 플래폼 의료시스템 구축을 위해 내년 상반기에 사내병원을 개원할 예정이다. 이렇듯 의료는 미래산업의 핵심으로 부상하고 있으며 특히 빅데이터 및 인공지능을 활용하여 맞춤형 치료를 설계하는 것은 현대와 미래 의료의 가장 중요한 부분으로 자리 잡아가고 있다. 최근 인공지능 딥러닝을 이용하여 청신경종양 환자들 수술 후 청력보존 여부를 예측할 수 있는 시스템이 개발됐다. 연세대학교 의과대학 이비인후과 문인석 교수 연구팀이 해당 시스템 설계에 성공한 것이다. 이번 연구는 SCI급 저널 사이언티픽 리포트(Scientific Reports, IF 4.01)’ 최신호에 게재됐다. 향후 환자들 개개인의 수술 후 결과를 딥러닝 시스템을 통해 미리 예측 자료를 토대로 보다 효과적인 치료방법을 결정할 수 있을 것이라 기대된다.

청신경종양은 청각전정신경에서 발생해 소뇌 쪽으로 자라는 뇌신경종양이다. 일반적으로 40~50대에 많이 발생하며, 난청과 어지럼증 등 청신경 압박에 의한 증상이 나타나 삶의 질을 크게 떨어뜨리며 진행될 경우 뇌간을 압박해 심각한 장애를 초래하기도 한다.

현재까지는 청신경종양에 있어 수술이 가장 좋은 치료법으로 꼽힌다. 그러나 수술의 위험성이나 복잡도로 인해 시행할 수 있는 의사가 드물며, 후유증이 발생하는 경우도 있다. 최근에는 내시경을 이용한 절개 없는 최소 침습 수술도 시행되고 있지만, 이 역시 청각보존 여부를 정확히 예측할 수는 없었다. 수술 이외에 감마나이프 방사선을 이용한 치료가 많이 시도되었으나 치료 효과나 청력보존, 그리고 후유증 감소 측면에서 수술보다 우수하다고 말하긴 어렵다. 마땅한 약물치료가 있으면 좋겠지만 아직까지 효과가 입증된 약물은 없으며 현재 하버드대학 등에서 약물개발 연구를 시행하여 Aspirin, Mifepristone, Sulforaphane 등의 약물이 동물실험에서 좋은 효과를 나타내어 임상시험을 준비 중이다. 이러한 약물개발 당시 문 교수 또한, 하버드대학에서 연구 강사로 재직하며 해당 프로젝트에 참여했었고 현재까지도 협력 연구를 이어 나가고 있다.

이번에 개발된 시스템은 2007년부터 2017년까지 10년간 세브란스병원에서 청신경종양으로 수술받은 317명의 환자 중 청력 보존술을 받은 환자들의 데이터를 이용하여 인공지능 딥러닝 방법으로 수술 후 청력보존 여부를 예측하는 것이다. 수술 전 시행한 청력검사 및 평형기능검사, 자기공명영상(MRI)에서 얻은 수술 전 종양의 크기, 위치, 청력, 어지럼 정도, 주치의의 수술법 등을 입력하면 이 딥러닝 시스템이 수술 후 청력 보존 여부를 예측해 주는 것이다.

청력 손상의 유무를 판단하는 것이 치료법 결정의 중요한 지표입니다. 과거에는 환자들의 생존률을 높이는 것이 가장 중요한 목표였다면 의학 지식과 기술, 장비 등이 발전한 현재에는 생존률은 물론이고 환자들의 삶의 질을 높이는 치료가 중요해지고 있죠. 보다 정확한 근거와 예후 예측을 바탕으로 환자에게 가장 적합한 치료법을 결정할 수 있으리라 기대됩니다.”

연구팀은 서포트벡터머신, 랜덤 포레스트, 부스팅, 딥러닝 기반의 다양한 모델들의 시스템을 설계했다. 이 중 딥러닝 기반 모델은 90%에 달하는 높은 정확도로 수술 후 청력보존 여부를 관측한다. 예측에 있어 환자의 단어 인식 점수, 전정유 발근전위 비대칭 정도, 종양의 크기 등이 중요한 요소로 나타났다. 예측 결과 수술 후 청력보존이 불가능한 것으로 판단되는 경우 뇌에 악영향을 미치기 전까지 수술을 보류하는 전략을 세우거나 반대로 선제적인 종양 제거와 함께 청력을 회복시키는 청각 임플란트 수술을 동시에 고려하는 등의 대책을 수립할 수 있다. 이번 예측 모델 개발로 환자 맞춤형 치료법을 제시할 수 있게 되었으며, 최근 의학계에서 다양하게 활용되고 있는 머신러닝을 이용한 연구도 국제적으로 선도해 나갈 수 있을 것으로 기대한다.

 

국내·아시아·세계 최초 업적 쌓아온 청신경종양 분야 권위자

두개저란 뇌를 둘러싸고 있는 두개골과 눈, , , 귀 등의 기관이 있는 얼굴뼈 사이의 공간을 말하는 것으로 두개골의 바닥이라는 뜻으로 두개저라 칭한다. 여기에는 중요한 감각기 관과 혈관, 신경, 뇌의 일부가 모여 있는데, 매우 복잡하고 중요한 기관들이 좁은 공간에 촘촘히 모여 있기에 이 부위에 질환 발생시 여러가지 복합장애가 발생하거나 생명을 위협하게 되는 경우가 많다. 또한, 이러한 중요 구조물을 외부 충격으로부터 보호하고자 단단한 뼈로 둘러싸고 있는데 평상시는 보호벽이 되어주던 단단한 뼈들이 이곳에 종양이 생겼을 때는 오히려 치료를 위한 접근을 복잡하고 어렵게 만드는 방해물이 되어버린다. 이러한 수술의 어려움과 위험성 때문에 많은 의사들이 수술을 어렵게 생각하고 과거에는 no man’s land( 인간은 접근할 수 없는 곳)이라고 불리기도 했었다.

문인석 교수는 두개저질환 중에서도 청신경종양 분야의 권위자로 손꼽힌다. 청신경종양은 발병 초기에는 증상이 없다가 병이 진행되면 청각, 평형기능, 맛 감각 등 기능이 떨어지기 시작하고 안면마비와 보행실조 등으로 진행하게 된다. 증상을 느끼기 시작했을 때에는 이미 병이 진행된 경우가 많다. 문 교수에게는 다른 대학병원에서 의뢰되거나 외국의 유수한 병원에서 의뢰되어 오는 환자가 유독 많은데, 이 분야를 전문으로 하는 의사가 드문데다가 그간 그가 보여온 놀라운 업적들로 인해 많은 대학교수나 외국의 유명한 의사들이 그에게 높은 신뢰를 가지고 있기 때문이다. 그는 국내 최초로 청신경종양 환자에서 청성뇌간이식술을, 아시아 최초로 절개 없이 내시경을 이용하여 청신경종양제거수술을 성공시킨데 이어 세계 최초로 인공지능을 이용한 치료 예측 프로그램을 개발하는 등 해당 분야를 이끌어왔다.

 

문 교수는 지난 2015년 국내 최초로 제2형 신경섬유종증 환자에서 청성뇌간이식술을 성공시키며 뇌종양으로 청력을 소실한 환자에게 소리를 되돌려주었다. 양측에 발생한 청신경종양이 이미 청각신경을 모두 파괴하여 청력이 소실되었으며 소뇌까지 침범한 환자에서 세브란스병원 장진우, 최재영, 장원석 교수와 함께 뇌종양 제거술과 청성 뇌간이식술을 동시 시행하여 종양으로부터 해방됨과 동시에 청각까지 되돌려준 것이었다. 미세 현미경을 통해 종양을 제거하고 동전 크기의 수신기와 새끼손톱보다 작은 금속자극기 등을 소리를 담당하는 뇌간 부위에 삽입하고, 귀 위에 소리신호처리기를 부착하여 성공적인 결과를 얻어내었다. 인공와우 이식 수술로도 청력을 회복할 수 없는 신경섬유종증 뇌종양 환자에서 이러한 치료방법은 유일한 희망이며 이러한 연유로 인해 이러한 치료방법은 2015년부터 국민건강보험의 요양급여 적용까지도 받을 수 있게 되었고 현재도 왕성히 수술을 진해하고 있다.

이듬해 문 교수는 말레이시아로 날아가 현지에서도 청성 뇌간이식술에 성공했다. 말레이시아 사라왁 종합병원 측으로부터 제2형 신경섬유종증으로 양측 청신경종양이 발생해 청력을 소실한 남성 환자 2명 대한 청선뇌간이식술을 의뢰받아 현지에서 수술을 진행한 것이다. 양측청각신경에 종양이 발생했고 일반적인 청신경종양보다 더욱 신경파괴적이서 기존의 인공 와우 수술로는 청력 회복이 불가능한 상태였기에 청성 뇌간이식술만이 유일한 대안이었다. 현역으로 활동 중인 의사들 중 아시아에서는 유일하게 문 교수만이 이 수술에 경험이 있어 현지에서 수소문 끝에 초빙한 것이었다. 수술 끝에 오랜 기간 소리를 듣지 못했던 환자가 종양으로부터도 해방이 되고 소리를 들을 수 있는 길이 열렸다.

 

아시아 최초 청신경종양 내시경 수술 성공

문인석 교수는 20166월 아시아 최초로 내시경을 이용한 절개없는 청신경종양 제거수술을 성공시키며 그 결과를 두개저수술의 가이드 역할을 하는 국제학술지 신경외과학 저널 B파트-두개저(Journal of Neurological Surgery Part B : Skull Base)’에 게재했다. 문 교수는 청신경종양 환자를 대상으로 내시경을 이용한 전정신경초종 절제술로 종양을 제거한 결과 기존 개두술에 비해 수술시간과 회복 기간을 줄였으며, 환자의 만족도 또한 높게 나타났다고 설명했다.

내시경 수술은 기존 개두술이나 귀 뒷부분을 절개하는 수술과 달리 귓구멍으로 내시경을 넣어 진행된다. 고막 절개창을 이용해 내이도까지 내시경 수술 기구가 들어가 종양을 제거한다. 문 교수는 20166월부터 20176월까지 1년간 종양의 크기가 작은 Koos Grade /의 청신경종양 환자 7명을 대상으로 내시경만을 이용한 제거 수술을 시행한 결과 모두 안면신경 마비 없이 종양이 완전히 제거됐다고 밝혔다. 수술을 받은 환자들의 평균 수술시간은 194분으로 기존의 수술 방법 (351.6)에 비해 짧았고, 입원기간 또한 7.4일로 전통적인 방법으로 수술(9)했을 때보다 줄었다. 환자 대상 설문조사 결과 수술 상처가 보이지 않으며 후유증이 적어 기존의 방법(69.8/100)에 비해 수술 만족도가 높은 것으로 나타났다 (86.5/100). 해당 수술은 세계에서 두 번째, 아시아 최초로 성공한 것이기에 더욱 의미가 크다. 문 교수는 내시경 수술이 개두술과 피부절개 없이 종양을 제거할 수 있게 된 만큼 환자에게 부담이 미용적인 측면에서도 환자의 만족도를 높일 수 있다고 했다. 아직은 큰 종양에서는 적용이 어려워 한계가 있으나 향후 기술과 장비가 발전함에 따라 적응증이 넓어질 것으로 기대한다고 전했다.

 

국제적으로 인정받는 의사, 전세계에서 배우러 오는 의사

문인석 교수는 위와 같은 연구와 2018년 제28회 북미두개저학회 정기학술대회 (29th Annual meeting of North American Scull Base Society)에서 최우수 논문상을 수상하였으며 하버드대학에서 연구강사(research fellow)로 재직 중 미국이과학회(American Otologic Society)로 부터 강사 연구비 수혜자로 선정되기도 했다. 2017년부터 아시아태평양 내시경귀수술학회(Pan-Asian Working Group of Endoscopic Ear Surgery), 2018년부터 국제 내시경 귀수술학회(International Working Group of Endoscopic Ear Surgery)의 상임이사(baoard member)로 선임되었다. 2016년 하반기부터 각종 국제 학회나 세계 유수의 대학에서 초청을 받아 연간 15회 이상의 해외 Keynote lecture, 시범수술, 해부실습지도 등을 시행중이다. 올해부터는 인도네시아의 Arilangga 대학의 겸임교수(Adjunctive professor)로 임용되어 국내와 해외 두 개 대학에서 제자를 가르치게 되었다.

2016년 하반기부터 외국에서 문 교수의 수술이나 연구를 배우러 많은 의사들이 연수를 오고 있다. 이 연수생들은 학생이나 전공의가 아니라 거의 대부분이 각국의 이비인후과 전문의들이고 그 중 1/3은 그 나라의 이비인후과 교수들이다. 현재까지 10개국에서 15명의 의사들이 6개월 이상 연수를 다녀갔다. 쇄도하는 외국의 연수신청을 감당하기 어려워 올해 110~12일 문 교수가 개최한 연세 청신경종양 및 내시경귀 수술 심포지엄(Yonsei Acoustic Tumor & Endoscopic Ear Surgery Symposium)에는 17개국 38명의 의사들이 1천불이라는 고액의 등록비와 항공, 숙박비를 자비로 충당하며 참가하였다. 의료계의 작은 한류라 할 수 있는 성과이며 교수를 가르치는 교수로 활동하고 있다.

 

연세대학교 의과대학 이비인후과 문인석 교수 Ⓒ유지연 기자

절박함과 사명감으로 임한 두개저질환 전문의의 길, 환자에게 희망 주길 바라

문인석 교수가 다소 희귀한 질환이라 할 수 있는 두개저질환 이라는 길을 택하게 된 데에는 남다른 사연이 담겨 있다. 이원상 교수는 문 교수의 은사로 1990년대 초 국내에 관련 수술이 소개되던 시기 이 분야를 개척한 분이다. 두개저수술의 대가였던 이원상 교수가 갑자기 20141월 심장마비로 소천하면서 국내 두개저질환 환자에 대한 치료가 요원해지는 상황이 발생한 것이다. 당시 이 교수에게 수술 예약을 하고 치료를 기다리던 환자들의 경우 길게는 1년이 넘는 대기기간이 있었던 상태였다. 누군가는 이 환자분들의 질환을 해결해야 하는 상황이여서 문 교수는 본인이 환자분들을 해결해야 한다는 사명감에 이 분야에 집중하게 되었다. 미처 준비가 완료되기 전 마주하게 된 상황이었지만 스스로 수술법을 익히고 연구해 나갔다.

그 당시에 이미 교수 6년차라서 은사님의 수술을 오랜기간 보고, 보조했고, 그리고 제 수술 경험 역시 어느 정도는 축적이 된 상태였음에도 워낙 어려운 수술이다 보니 부족함이 있었습니다. 당장 누군가는 환자들을 치료해야 했고 마땅한 대안이 될만한 의사들이 드물었기 때문에 제가 환자분들을 수술해 드리기로 했습니다. 부족한 경험과 실력은 수술전 철저한 준비를 통해서 극복했습니다. 처음 해보거나 한두번 밖에 안해본 수술을 하게 되면 두려움이 너무 커서 도망가고 싶었습니다. 그러나 환자들에게는 대안이 없었고, 극복해야 한다고 생각했어요. 일단 예정 수술에 해당하는 수술방법을 2주 전부터 교과서나 논문으로 공부하고, 일주일 전부터 동일한 수술이 녹화된 은사님의 수술 비디오를 보며 실제 수술 술기를 머릿속에 넣은 뒤, 수술 2~3일 전 수술 해부센터에 가서 기증된 시신으로 미리 시뮬레이션 수술을 했습니다. 그리고 수술 전날 환자의 CTMRI를 보면서 머릿속으로 반복해서 수술하고 그것을 마지막으로 글과 그림으로 기록해 봅니다. 그런 과정을 거친 뒤 수술 당일, 두려움은 자신감으로 바뀌고 해낼 수 있을지 의심했던 수술들을 능숙하게 진행하고 있는 나 자신을 보게 되었습니다. 이러한 과정을 1년 반 동안 거의 20회 이상 반복하다 보니 어느 순간 더이상 못해보거나 경험이 부족한 수술이 없어졌습니다. 스스로의 수술에 대한 확신을 얻었습니다. 전통적인 수술방법을 익힌 뒤에는 최신 수술방법이나 새로 시도되는 수술을 배우기 위해서 2015년부터 약 1년 반 동안 벨기에, 프랑스, 이탈리아, 미국 등 전 세계 전문가들을 찾아가서 그들의 수술을 배우고 토론하였습니다. 그러한 과정을 거치고 나서부터는 제가 하는 수술 하나하나가 아시아 최초 또는 세계 최초의 시도가 되고 있습니다.”

문 교수는 위험하고 어려운 도전을 이어가다보면 좋지 못한 결과들을 만날 수도 있지만 반드시 필요한 길이라면 누군가는 걸어가야 한다며, 앞으로도 환자들을 위해 고민하며 자신만의 길을 나아가겠다고 다짐했다. 환자를 대할 때에는 생각은 깊고 행동은 바르게라는 신조로 항상 이 결정이 환자에게 최선의 방법일까라는 관점에서 결정을 내리고 있다고 한다. 연구 역시 연구 자체를 위한 연구보다는 질환을 보면서 얻은 아쉬움과 부족함을 해결할 수 있는 실전적 목표를 가지고 행하고 있다.

많은 의사를 가르치는 스승으로서의 문 교수는 사회에 진 빚을 갚아야 한다는 사명감을 가지고 있었다. “현재 우리나라에서 가장 우수한 학생들은 모두 의대로 진학을 합니다. 좋은 인재들을 가르치고 있는 만큼 그들의 역량을 극대화해 바이오 산업 및 의학이 우리나라의 미래를 견인할 수 있도록 만들어야 해요. 이 우수한 인재들이 우리나라의 미래를 책임지지 못한다면 그것은 저희들의 잘못입니다.”

그는 시대별로 토목, 중화학공업, 전자와 기계 등이 우리나라 경제를 책임져왔듯 향후 바이오와 의학 분야가 국가의 새로운 성장 동력이 되는데 힘을 보태겠다고 말했다. 결코 쉽지 않았던 길, 기꺼이 개척자를 자처하며 환자들을 위한 희망을 만들어가는 그의 발걸음에 응원의 박수를 보낸다.

 

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모선생 2020-11-25 10:16:19
청신경 종양 환자분들에게 희망이 되어 주시는 교수님 존경합니다!!

박*진 2020-12-08 18:19:38
멋지십니다~~~!
응원할께요!!!!!!

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