의공학
1) 의공학의 소개
의공학은 의학과 공학의 협동적인 학문 분야이다. 공학적 원리와 방법을 의학 분야에 적용하여 의학 분야에서의 새로운 현상및 사실을 탐구하고 이를 임상적 진료에까지 응용한다. 한편으로 생체 및 인체 시스템의 원리를 공학분야에 활용하는 학문 분야라고 할수 있다.
의학은 기초의학( 해부학, 생리학, 병리학등), 임상의학( 내과학, 외과학, 안과학등), 사회의학(공중위생학, 법의학등)등 그 자체로도 광범위한 학문적 범위를 포함하고 있다. 의공학은 이러한 의학의 여러분야에 걸쳐서, 질병의 조기발견, 정확한 진단, 적정한 치료, 그리고 치료후 상태의 명확한 판단을 위하여 활용되고 있다. 또한 의료 시스템의 구축을 통한 병원 업무의 능률화, 업무 및 정보 유통의 원활화, 의료의 질적 향상 및 고도화, 의료시혜의 지역차 해소등의 여러가지 의학 분야의 발전에 공헌하고 있다. 최근의 소득수준의 향상에 따라서 건강과 복지에 관한 관심이 증가하는 사회 여건에 힘입어, 앞으로도 지속적인 발전이 기대되고 있다.
한편, 공학의 입장에서는 의공학을 다른 관점에서 볼수 있다. 인체를 포함한 생체는 수천년, 수만년의 오랜 기간을 통하여 진화의 과정을 거쳐서 개선된, 최적화된 시스템으로 볼수 있는 것이다. 즉, 생체내에서의 정보처리, 기억능력, 자동제어 기전등은 공학분야에 아주 좋은 본보기 역할을 해주고 있다는 것이다. 생체에서의 에너지의 활용등 의학분야의 연구에서 밝혀진 생체의 기능들이 공학분야에서 최적의 모델로 이용될수 있다.
의공학을 영어로 표기하는 경우에는 "Biomedical Engineering", "Medical Engineering", "Medical & Biological Engineering" "등으로 표기하는데, 그 의미와 포함되는 영역이 다소 다를 수 있지만 우리가 의공학이라고 번역할수 있을 정도의 학문분야를 나타낸다고 할수 있다. 단지 " Bioengineering"이라고 하는 경우에는 의공학을 포함한 보다 광범위한 생물공학의 범위를 다루는것이기 때문에 의공학을 나타내는 것이라고 하기 어렵다. 요즈음 새로이 언급되고 있는 "Clinical Engineering"은 병원등의 임상적 환경에서 발생하는 각종 의료기기의 관리및 보수등을 주 관심분야로 하기 때문에 우리가 언급하고자하는 의공학과는 다소 성격이 다르다.
국내에서도 의공학이 "의용생체 공학", "의학공학", "의료공학" , "의료전자공학"등 여러가지 이름으로도 언급되고 있으나, 각기 부분적 특성에 비중을 두어 강조하거나, 관련된 인접분야와의 상호관계등에 의하여 그 이름이 다소 다를 뿐이지 실제적으로 관심을 갖고 다루는 분야는 이책이 다루는 범위에서 크게 차이나지 않는다고 할수 있다.
의공학의 경우에는 공학적 기술이 의학분야로 응용되는 학문 분야를 나타낸다. 즉, 전자 산업및 컴퓨터기술의 발전은 초음파,CT,MRI등 첨단 의료기기의 개발로 이어져서 의학분야에 활발하게 이용되고 있는데, 이것을 의공학의 대표적인 예로 들수있다. 이것 이외에도 기계공학, 재료공학등 공학의 거의 모든 학문분야가 의학에 이용될수 세부분야를 형성하고 있다. 한편 생체공학이라고 하는경우에는 그 지식의 근원을 생체나 인체에서 찾는 경우라고 할수 있다. 의용공학의 경우와는 반대로 의학적 지식이 공학에 유입되어 활용되고, 이것이 다시 의학 분야등에 활용되는 경우라고 할수 있다. 생체 및 인체의 특성을 고려한 인공재료분야를 이 범주에 포함시키고 있으며, 소프트웨어적으로 생체의 기능을 모방하기 위한 시뮬레이션도 이러한 범주에 포함 시킬수있다. 또한 생체의 전기적, 기계적 특성을 분석한후 이를 대신하여주는 bionics 및 인공장기등이 이 범위에 속한다고 할 수 있다.
2) 의공학의 역사
공학적 기술이 의료와 결합하여 응용된 역사를 거슬러 올라 가보면, 기원전의 이집트나, 그리스에서도 간단한 기계적 기구가 치료에 사용된 적이 있는 것을 볼 수 있다. 중세에 들어와서도, 제약용 기구들이 광범위하게 응용된 것을 볼 수 있다. 근세에 들어와서 새로이 개발되는 의료 기구들은 몇몇 용기 있는 의료진들에 의하여 이용되어 왔다.
그러나, 공학적 기술이 본격적으로 의학 분야에 이용되기 시작한 것은 이차 대전후라고 할 수 있다. 특히 전쟁을 치루는 동안에 괄목하게 발전된 전자 기술등은 의료기기의 개발에도 직접적인 영향을 미쳤다. 이와 함께 전후에 활성화 되기 시작한 컴퓨터, 재료, 방사선학등의 기간 산업 및 기술의 발전은 의학분야에 차례차례 도입되어 응용되기 시작하였다. 의용생체공학 역사의 주요한 사건들을 아래에 나타내었다.
병원의 수술실 또는 중환자 관리실등에 가보면 바로 느낄 수 있듯이, 현대의 의료는 공학적 기술이 없이는 성립하기 어렵다고 할수 있다. 현대에서의 의료기술은 약제를 이용한 치료를 중심으로 하는 내과적 부분과, 수기적 기술을 요구하는 수술 등의 외과적인 부분, 그리고 공학적 기술의 지원을 받아서, 진단정보를 제공하여주고 치료를 가능하게 하여주는 공학적 기술 지원부분의 세 부분으로 크게 나누어 볼 수 있다.
* 의공학 역사의 주요한 사건들
- 18세기: Fahrenheit(네덜랜드) 온도계 발명
- 1819년: Laennec(프랑스) 청진기(stethoscope)발명
- 19세기 중반: Helmholz(독일) 검안경(ophthalmoscope) 발명
- 1895년: Roentgen(독일) X선발견(1901년 제1회 노벨 물리학상 수상)
- 1903년: Einthoven(네덜란드) 심전계(ECG)개발(1924년 제19회 노벨 의학상 수상)
- 1910년: Gullstrand(스웨덴) 안과 광학 이론의 개척( 제11회 노벨 의학상 수상 )
- 1924년: Berger(독일) 뇌파계(EEG) 개발
- 1928년: Bovie(미국) 전기수술기구 개발
- 1938년: Wiles 최초의 "total hip" 이식
- 1944년: Kolff 인공신장기의 개발
- 1956년: Defibrillator의 최초 임상 이용
- 1956년: Cournand(미국), 심장 카테터방법의 개발과 임상 응용 ,Forssmann(독일) ( 제 47회 노벨상 의학상 수상)
- 1957년: Houry 초음파의 최초의 임상적 응용
- 1958년: Anger 감마선 카메라의 개발
- 1958년: 국제의용생체공학회(IFMBE)발족
- 1960년: Chardack Pacemaker를 최초로 사람에게 이식
- 1960년: Star, Edward 임상적 이용가능한 인공판막의 개발
- 1961년: Bekesey(헝가리) 내이 와우각내 자극 현상 발견 ,(제 51회 노벨 의학상 수상)
- 1963년: Huxley(영국) 신경막 전위의 측정에 관한 연구 ,Hodgikin(영국) (제 54회 노벨 의학상 수상)
- 1972년: Hounsfield(영국) X선 CT 개발 ,Cormack(미국) (1979년: 제70회 노벨 의학상 수상)
- 1979년: 대한 의용생체 공학회 창립
- 1982년: Kolff(미국) 인공심장을 사람에게 최초로 이식
3) 의공학의 분류
의공학은 공학의 여러분야가 의학의 여러분야에 응용되는 것이기때문에 보는 관점에 따라서 여러가지로 분류할수 있다. 공학적 관점에서는 적용되는 공학적 기술에 따라서 분류하는 경향이 있으며, 의학적 관점에서는 그 기술이 의학의 어떠한 분야에 응용되는가에 따라서 분류하고 있다. 여기에서는 의학적 관점에서의 분류는 일반적으로 의학의 분류와 비슷하므로, 의공학분야에서 응용되고 있는 기술을 중심으로 하여 분류한다.
(1) 생체신호처리
생체에서 발생하는 여러가지 형태의 신호를 검출하여, 이를 처리하고 분석하여서 진단에 유용한 정보를 제공한다. 생체에서 측정되는 신호의 종류는 심전도, 뇌전도 등의 전기적인 신호, 혈류속도, 유량등의 기계적인 신호, 산소포화도, 폐하등의 화학적인 변수등 여러가지가 있을수 있다. 일차적으로는 이 측정변수들을 얼마나 정확하고 쉽게 측정하는가에 대한 연구와, 측정된 결과로부터 유용한 결과를 얻기 위하여 어떠한 신호의 처리 및 분석의 방법이 적용되어야 하는가에 대하여 연구한다. 측정하는 방법및 처리 분석하는 방법들이 발전되어 의료기기 형태로 의학의 임상 분야에 사용될수 있다. 생체 계측공학이라고도 할수 있는 분야이다.
(2) 의학 영상 처리및 분석
최근의 컴퓨터의 의학에로의 이용이 활발하여 지면서 출현한 초음파, X선영상, MRI영상, 핵의학 영상및 현미경 영상등의 의학분야의 영상에 대하여 새로운 영상 촬영방법, 처리 방법 및 분석 방법등에 관하여 연구하는 분야이다. 생체신호 처리의 경우와 달리, 취급하는 데이터가 2차원적, 때로는 3차원적이라는 특성이 있다.
(3) 의료기기
의용생체공학적인 기술들을 임상적인 응용의 목적으로 기기화하여 개발하는 분야이다. 의료기기의 핵심적인 기술이외에 안전성, 신뢰성, 경제성등이 고려되어 임상적인 활용도가 높은 시스템으로 개발되어야 한다.
(4) 모델링및 시뮬레이션
생체내의 여러가지 현상에 대하여서 그 특성을 분석하기 위하여, 알려져있는 사실과 관측된 결과를 이용하여서 모델을 설정하고, 그 모델의 타당성을 입증한다. 타당성이 입증된 모델을 이용하여서, 실제의 상황에서는 구현이 불가능하거나, 어려운 여러가지 조건에 대하여 시스템의 반응과 결과를 분석하여 실제 생체 시스템의 결과를 예측한다.
(5) 생체 역학
생체내의 유체및 고체에 대하여서 역학적인 분석을 시도한다. 생체내 유체 흐름에서의 압력,속도,유량의 상호 상관관계 및 이들의 기계학적 특성을 연구한다. 유체이외의 뼈등의 고체에 가해지는 기계적인 스트레스의 추정을 통하여서 인공 관절등의 설계에 이용할수 있는 결과를 도출한다.
(6) 생체재료
생체내에서 생체의 연조직 및 경조직을 대신하여 사용하거나, 생체에 삽입하는 기구의 생체내의 접합성을 증가 시키기 위하여 생체조직과 접하는 부위에 사용할 목적의 인공적인 재료의 개발에 관하여 연구한다. 전반적인 생체내의 인공재료에 관하여 연구한다.
(7) 재활공학
질병이나 사고로 인하여 기능이 정지된 인체의 기능을 회복 시켜주기 위하여 시도하는 여러가지 형태의 연구이다. 근육마비 환자에게 전기자극을 주어서 그 기능을 회복해주는 경우및 절단된 팔이나 다리의 기능을 대행해주는 의수및 의족에 대한 연구를 예로 들수 있다.
(8) 인공장기
기능이 저하되거나 상실된 장기에 대하여서, 다른 어떠한 방법으로도 그 기능의 회복이 불가능한 경우에 그 기관을 제거하고, 그 기관의 기능을 대신할수 있는 인공적인 생체장기를 이식한다. 인공심장, 인공판막, 인공신장등의 여러가지 인공장기에 관한 연구가 진행되고 있다.
(9) 의료정보
병원등 의료 환경에서 발생하는 의료정보의 체계적인 관리와 처리를 위하여 시스템을 구성하고, 이를 이용하여서 발생되는 의료정보를 분석적으로 활용할수 있게 한다. 컴퓨터의 의학분야에의 활용도가 높아 지면서 더욱 많은 정보가 발생되고 있으며, 이들 의학 정보에 대한 분석적 방법의 적용의 필요성이 점차 높아져 가고 있다.
(10) 진단 보조 시스템
컴퓨터 기술의 발전으로 인하여서, 전문가 시스템, 자동 진단 시스템등 컴퓨터의 논리를 이용한 진단 시스템을 개발하고 이것을 의학의 진단에 보조적인 방법으로 사용한다. 특히 단체검사등의 대용량의 데이터의 분석과, 장시간의 데이터 분석에 기본적인 보조 진단 방법으로 유용하게 이용할수 있는 노력을 시도하고 있다.
(11) 기타
앞에서 언급한 의공학의 분야이외도, 의공학의 교육에 관한 분야, 안전성및 신뢰도에 관한 분야, 의료기기의 규격에 관한 분야등이 있다
