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], [병리학]등), 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.
4) 의공학의 특성
의공학은 일반공학분야와는 뚜렷하게 다른 몇가지 특성을 지니고 있다. 이러한 특성은 의용생체공학의 여러분야에서 연구와 개발을 수행하는 동안 일반적으로 적용된다고 할수 있다. 그 주요한 특성은 다음과 같다.
(1) 생체 시스템은 고유의 가변적 특성을 갖고 있다.
공학적관점에서 일반적으로 다루는 시스템에서는 특성이 시간에 따라서 변화하지 않는 경우가 일반적인 것과는 다르게, 생체 시스템의 경우에는 시스템의 특성이 시간에 따라서 수시로 변화하는 시변 시스템이다. 시간에 대하여 변화하는 시스템의 특성은 여러가지 요인에 의하여 기인한다고 볼수 있다.
첫번째로 생체시스템은 고유의 가변성을 갖고 있다. 이러한 가변성은 작게는 분자수준에서 부터 크게는 심장, 폐등의 기관의 수준에서까지 나타나고 있다.
두번째로 이러한 시스템의 특성은 생체 시스템 고유의 feedback에 의한다고 할수 있다. 이 feedback의 루프에는 신경계및 호르몬계가 관련되어 있으며, 여기에 정신적 상태가 영향을 줄수 있다.
세번째로 외부로 부터 입력되는 여러가지 형태의 자극들이 생체 시스템에 영향을 주어서 그 상태및 특성을 변화 시킨다. 생체 시스템의 정확한 측정을 위하여서 이러한 자극들을 차단하거나 분리 하려는 노력을 시도하여도 그 영향을 완전히 제거하기가 어렵다.
즉, 생체 시스템은 고유의 가변성을 갖고 있으며, 이것은 생체 시스템의 계측을 어렵게 만드는 가장 큰 요인이라고 할수 있다. 여러번 반복적 측정을하는 경우에 그 재현성이 결여되어 있고, 각 측정치마다 측정된 값의 차이를 보이는 경우가 많다. 이러한 특성을 갖고 측정된 값들을 분석하기 위하여서는 통계학적 분석, 신호처리등의 후속적인 분석방법들이 이용되기도한다.
(2) 인체와 접속되어 사용하기 때문에 고도의 안전성이 요구된다.
의료기기등 의공학 관련된 장비들은 대부분 인체와 직접 접촉이 되어서 사용된다. 따라서 다른 분야의 기기들과는 달리 유별나게, 신뢰성과 안전성이 요구된다. 즉 접속된 기기를 사용하는 동안의 불의의 사고를 당할 위험성이 없어야 하겠다.
특히 의료기기의 경우에는 이에 접속된 사람들이 정상인의 경우보다 훨씬 신체적인 저항력이 약화된 사람들이기 때문에 안전성이 더욱 중요시 요구되고 있는것이다. 또한 병원등 환자가 진료받는 환경은 혈액, 체액및 각종 진료 치료제등의 액체성 물질과 접할 기회가 많고 이러한 것들이 기기내로 흘러 들어가게 되면 전기적 전도 특성에 의하여 회로내의 누전 현상을 일으킬 수 있다.
실제로 병원등에서 의료기기를 통한 환자의 감전사의 경우가 상당수 있는것으로 분석되고 있어서, 의료기기등에서는 이에 대한 안전 대책이 절대적으로 요구되고 있다. 병원등 의료시설의 건축시에도 각 진료실, 입원실 별로의 안정적인 접지점의 설치등이 중요하게 고려되어야한다.
접속되는 기기의 안전성은 전기적 관점에서 뿐만 아니라, 기타 화학적인 관점, 기계적인 관점등 여러가지 각도에서도 신중하게 고려 되어야한다.안정성과 함께 신뢰성도 크게 요구된다. 치료를 위한 기기들이 치료의 중요한 순간에 제대로 동작을 안한다면, 환자의 생명에 직접 영향을 줄수 있기 때문에 항상 정확하게 동작할수 있는 상태로 준비 되어 있어야 하고, 동작시에 요구된 정확한 기능을 발휘할수 있는 신뢰성을 갖고 있어야한다.
진단에 사용되는 기기의 경우에도, 이 기기의 출력이 환자에 대한 치료및 차후의 조치에 직접 영향을 주는 것이므로 신뢰성있는 출력을 발생 시켜 주지 못하는 경우에 환자의 치료에 치명적인 영향을 줄수 있게된다. 이와같이 요구되는 고신뢰성 때문에 대부분의 경우 의료기기에 사용되는 부품및 소자들은 최고의 신뢰도를 나타내는것들을 선택하여 사용하고 있으며, 이것이 결과적으로 의료기기의 가격을 높이는 한 요인으로 작용하고 있다.
(3) 측정대상이 대부분 신체의 내부이다.
의공학에서 관심을 갖고 측정하려는 대상은 대부분 신체 내부의 현상들이다. 신체 내부의 현상을 직접 정확하게 측정하는 것이 가장 바람직하겠지만, 이를 위하여서는 수술등의 관혈적방법(invasive)을 사용하지 않고는 어렵다. 이러한 방법을 사용할수 있는 경우라고 하더도, 측정하고자하는 생체 시스템의 특성을 변화 시키지 않고 정확하게 측정하여 내기란 매우 어려운 일이다. 즉, 일반적인 시스템인 경우에는 측정하고자는 변수를 정확하게 측정하게 위하여서 측정대상이 아닌 일부 기능의 활동을 정지 시키는 형태등으로 그 기능을 분리 하는것이 가능하나, 생체 시스템인 경우에는 이것이 전혀 불가능 하므로 측정의 커다란 제한적 요인이 된다.
따라서, 의공학적 측정에 요구되는 것은 측정하려는 신체에 고통이나, 변화요인을 주지 않거나, 이것이 불가피한 경우에는 최소로 하면서, 원하는 생체내의 변수를 측정하여 내는 것이라고 할수 있다. 대부분 직접적인 측정이 곤란하기 때문에 간접적인 방법을 사용하게 되는데, 이러한 경우에는 측정과정에서 영향을 미친 요소들의 효과가 결과에서 제거되어야 한다.
즉 생체내부의 현상을 측정하는 과정에서 첫번째로 요구되는것은 측정하는 그 자체의 과정이 측정하고자하는 생체 시스템의 특성을 변화시켜서는 안된다는 것이다. 그리고 두번째로는 가능한한 한자에게 고통을 주지않으면서 측정이 되어야 한다는 것이다.
이와같이 생체 시스템에 요구되는 특성을 비침습적 또는 비관혈적(noninvasive) 특성이라고한다. 예를 들어서 심장의 기능을 측정하려는 경우를 생각하여 보자. 심장의 기능 및 이상을 진단하는 방법은 환자의 증상에 따라 여러가지 각도에서 접근할수 있으나, 가능한 방법들을 열거하면 다음과 같다.
첫번째로 청진기를이용한 환자의 심음을 청진하는것을 들수 있다. 이것은 환자에게 불편을 주지않고 심장의 기능을 우선적으로 측정할수 있는 방법으로 볼수 있다. 가장 간단하고, 비침습적이라고 할수 있으나, 알고자하는 환자의 정보를 모두 정확하게 얻기는 어렵다.
두번째로는 심장의 전기적인 특성을 측정하기 위한 심전도 검사를 들수 있겠다. 이것은 환자의 몸에 심전도를 측정하기 위한 전극만을 접속하면 쉽게 측정이 가능한 것이기 때문에 환자에게 고통을 주거나, 커다란 거부감을 준다고 볼수 없다. 단지 청진기로 심음을 측정하는 경우보다는 다소 불편하고, 거부감이 있을수도 있다. 세번째 방법으로 초음파를 이용하여서 심장판막의 운동상태등을 분석하여 볼수 있다. 이 방법은 인체에 무해한 초음파를 이용하여 진단하는 것이기때문에, 비 침습적이라고 할수 있다. 환자가 느끼는 고통은 없으나, 환자의 몸에 접촉을 증가 시키기위한 기름을 바른다든지, 검사시간이 다소 걸린다든지 하는 검사의 복잡함이 다소 환자에게 거부감을 줄수 있으며, 검사 비용등이 앞의 검사들보다는 비싸서 환자에게 부담스러울수도 있다.
네번째의 방법으로 MRI등의 고가의 영상 진단장비를 이용하는 경우를 들수 있겠다. 이 방법 역시 자기장을 이용하는 것이기 때문에 환자에게 유해하다는 보고는 없지만, 검사 비용이 고가이고, 커다란 의료기기에 환자가 들어가게 되어 앞의 방법들과 비교하여서는 불편함이 크다고 할수 있다.
다섯번째의 방법은 X선의 혈관 촬영술을 이용하는것이다. 우선 X선의 경우에는 임상적으로 사용되는 진단의 범위에서는 크게 문제되는것이 없으나, 인체에게 조사되는 선량이 많은 경우에는 여러가지 형태로 영향을 줄수 있다는 것이 보고 되었기 때문에 앞의 방법들과 비교하여서는 침습적이라고 할수 있다. 이것이 임산부나, 유아의 경우에는 특히 사용을 제한하는 이유이기도하다. 또한 혈관 촬영술의 경우에는 혈관의 영상을 얻기 위하여 인체내에 조영제를 투입한다. 이 조영제는 일반적으로 환자에게 전혀 해가 없다고 이야기 하기는 어렵기 때문에 이 단계의 검사를 신중하게 고려해야 하는 한 이유가 되고 있다. 혈관내의 조영제의 투입을 정맥내를 통하여 시도하는경우도 있으나, 심장의 이상을 보다 정확하게 보기 위하여서는 가느다란 관을 허벅지의 혈관으로 부터 거꾸로 삽입하여 심장내에 도달하게 한후, 이관을 통하여 조영제를 투입하고 그때의 심장의 영상을 선명도가 높게 촬영한다. 심장의 기능을 측정하기 위하여 간단한 수술을 하게 되는것인데, 환자에게 어느정도의 위험성도 있고, 고통도 따르게 된다. 이 방법은 앞의 방법들과는 달리 침습적인 정도가 높다고 할수 있다. 따라서 앞의 여러가지 방법들을 이용하여서 확인하기 어려운 경우에만 사용하게 되는것이다.
이와 같이 심장의 기능을 측정하는 방법은 여러가지가 있으나, 각각의 방법이 그 침습적 정도가 다르다. 따라서 환자의 진료의 과정에서는 되도록이면 비침습적인 진단의 방법에서부터 진단을 시작하는것이 효율적이라고 할수 있겠다.
(4) 측정되는 신호의 진폭이 작고 낮은 주파수 특성을 갖고 있다.
일반적으로 생체에서 발생되는 신호는 그 신호의 진폭이 매우 작다. 생체에서 발생되는 전기적인 신호인 경우 진폭이 대개 mV 내지 uV의 범위에 속하고 있다.이것은 우리 주변의 전기적인 신호와 비교하여서는 그 진폭이 매우 작은것으로 실제로 관찰할수 있을 정도로 크게 하기 위하여서는 증폭기가 필요하게 된다.
생체에서 발생하는 신호의 또하나의 특성은 그 주파수 범위가 매우 낮다는 것이다. 주파수가 대개의 경우 거의 직류성분의 신호에서 부터 수백 Hz이하의 매우 낮은 대역대에 분포 되어 있다는 특성이 있다. 이것은 생체 신호의 변화 속도가 그다지 높지 않다는 것을 의미하기 때문에 , 펜 레코더등의 주파수 특성이 좋지않은 기계적 기록장치를 이용하여서 그 결과를 충분히 표시할수 있다.
그러나, 이러한 신호의 특성은 측정을 어렵게 하는 요인으로 작용하고 있으며, 특히 이 범위의 외부신호 또는 잡음과 혼합되는 경우에는 더욱 신호의 측정을 어렵게 만든다. 이러한 신호의 특성은 미세한 신호를 증폭하는 증폭기나, 잡음을 제거하기 위한 필터의 설계에 반영되어야한다.
(5)생체 시스템은 이물질에 대한 거부 반응이 있다.
생체시스템은 생체내에 들어온 물질에 대하여 거부반응을 보이는 특성을 갖고 있다. 이러한 특성 때문에 생체내에 삽입되는 각종 기구등에 대하여서는 이에 대한 대비가 충분히 고려되어야한다.
(6) 생체시스템의 변화에 대한 요인을 정확하게 파악하기가 어렵다.
생체에서 발생하는 여러가지 현상을 측정하는것과는 달리, 그 측정된 현상의 원인을 파악하는것은 더욱 어렵다. 생체시스템내의 주요변수들에 대한 인과관계들은 여러가지 연구를 통하여서 어느 정도는 알려져 있으나. 어느 부분도 완전하게 파악 되어 있는것이 없다.
또한 부분적인 시스템들이 다른 시스템과 완전히 분리되어 기능하는 것이 아니기때문에, 그 원인을 규명하기 어렵다. 심혈관계, 호흡계, 신경계등을 독립적으로 분리하여 분석하는것이 어느정도의 범위 까지는 타당하나, 생체에서 발생되는 여러가지 상황에 대하여 설명을 하기 위하여서는 이들 시스템이 종합되어 분석되어야 하기도하고, 여기에 외부로부터의 입력등도 고려되어야 한다.
또한 생체 시스템이 시간에 따라서 변화하는 특성이 있기때문에 일반적인 시스템에서 쉽게 가정으로 인정하는 stationarity가 성립되지 않는 경우가 많아서, 그 원인의 분석을 어렵게 만들고 있다. 생체 시스템의 원인 규명및 각 변수의 영향등을 분석하기 위하여서, 시뮬레이션의 방법이 많이 활용되고 있다.
(7) 측정 데이터의 수치화및 정보화가 어렵다.
앞에서 언급한 여러가지의 이유때문에 생체에서 측정한 데이터를 취급하는데에는 별도의 어려움이 따른다. 즉 생체내의 가변성 때문에, 신호를 반복적으로 측정하여 통계적 방법을 적용하기도하며, 간접적인 방법으로 측정된 신호에서 원하는 측정 변수를 도출하기 위하여 분석적방법이 이용되어야한다. 특히 생체내에서의 정보의 처리 방식이 컴퓨터내에서의 정보의 처리 방식과 다르기 때문에, 생체내에서의 정보의 처리특성을 고려한 신경회로망이론, 퍼지(Fuzzy)이론, 비선형 역학이론을 이용한 방법들이 최근들어와서 활발하게 응용되고있다
5) 의공학의 필요성
의공학은 의공학을 전공으로 하는 사람이외에도 의학을 전공으로하는 사람에게도 필요하다. 그 이유를 열거하면 다음과 같다.
(1)의공학은 임상적 진료의 과정에 필수적이다.
의공학적 기술의 지원이 의학의 세가지의 중심 기둥중에서 한부분을 차지한다는것은 이미 앞에서도 언급한바이다. 현대에서의 진료라는것은 진단 정보를 제공하여주는 의료기기를 제외하고는 생각하기 어렵다. 진료를 위하여서는 여러가지 종류의 의료기구 또는 의료기기를 이용하여야만한다.
이것은 간단하게는 체온계와 청진기에서부터, 크게는 자기공명 영상장치와 양전자 방출 단층촬영기등의 대형 첨단의료기기에 이르기 까지 그 종류가 다양하고 폭이 넓다. 환자에 대한 진료는 의사에게 제공된 정보들에 대하여, 의사가 최종적으로 그 정보들을 종합하여 진단을 내리고 치료 계획을 세우는 것이라고 할수 있다.
즉 제공된 진단 결과로 부터 수동적인 판단을 내리는것이 아니라, 검사된 결과를 종합하고, 환자의 여러가지 임상적 소견등과 종합하여 판단을 하는 것이기때문에 제공된 정보에 대한 정확한 평가능력을 갖고 있어야한다.
각각의 검사방법 또는 의료기기의 진단원리 및 특성을 정확하게 알고 있지 않는 경우에는 이러한 검사 결과에 대한 정확한 평가는 불가능하다고 볼수 있다. 환자의 소견에 따라서 적합한 검사를 처방하고, 그 결과를 정확하게 판단하기 위하여서는, 진단방법의 개념및 동작원리의 이해, 정상적인 검사결과의 범위, 가능한 오차의 범위와 실수등을 구별할수 있는 능력이 있어야하겠다.
(2) 발생된 정보의 처리및 분석능력이 필요하다.
발생되는 진단 정보는 점차 그 양이 많아지고, 형태도 다양해지고 있다. 이러한 환자의 데이터가 한사람의 것이 아니고 여러사람의 것인 경우에는 점차 취급하기 어려워지게 된다. 이 경우에는 데이터 베이스를 구축하여서 체계적이고 효율적으로 데이터를 관리하는것이 절대적으로 요구된다.
이러한 관점에서 컴퓨터가 의학 분야에 여러각도에서 적용되고 있으며 점차 그 응용의 폭을 넓혀가고 있다. 기본적으로는 병원내의 행정업무및 회계업무등에서 시작하였지만, 환자의 데이터 관리, 처방전의 관리등 점차 의학적 데이터의 관리로 체계적으로 발전하고 있다.
소규모의 환자그룹에 대하여서는 PC등에서 사용가능한 데이터 베이스 응용 프로그램을 이용하여서 쉽게 필요한 프로그램을 개발할수 있다. 의료정보에 대한 처리와 분석은 의료정보의 체계적인 관리뿐만아니라, 자동진단의 방법을 이용한 진단 보조장비의 개발, 의료 정보의 교환을 위한 정보교환및 통신시스템의 도입으로 점차 발전하여 가고 있다.
컴퓨터에서 취급할수 있는 모든 정보들을 입력, 출력, 처리, 분석하고 종합하여 관리할 수 있는 진단용 워크스테이션이 개발되고 있으며, 이 워크스테이션이 통신망과 접속되어 병원내의 부서 사이의 각종 의료정보를 교환하기도하고 또는 병원 외부의 의학관련 기관과 교환하는 방향으로 응용하고 있기도하다.
이것은 환자에 대한 정보의 신속한 교환을 통한 진료의 질을 향상 시키는 방향으로 추진되고 있으며, 의료 정보학이라는 분야로 활성화 되어가고 있기도 하다.
(3) 의학의 연구에 필요하다
의학의 발전은 여러가지 각도에서 이루어 질수 있으나, 이에 가장 중요한 역할을 담당하는것은 의학 분야에 종사하는 사람들이라고 할수 있다. 의학적 연구에는 많은 실험적 방법이 요구되고 있으며, 발생된 결과의 처리및 분석이 요구된다. 직접적인 실험이 불가능하거나, 실험전에 미리 실험의 범위를 정하거나, 대강의 정보를 얻기 위하여서는 모델링이나 시뮬레이션 방법등이 효과적으로 사용될수 있다. 임상적 경험과 지식을 바탕으로 새로운 진단 방법과 의료기기를 개발할수 있으며, 인체의 기능을 대행해주는 인공장기등의 개발을 주도할수 있다.
이러한 모든 분야가 바로 공학의 학문 분야에서 다루어지는 것이므로 의학의 발전에 능동적인 역할을 할 의학인에게는 의공학은 필수적이라고 할수 있다
6) 의공학의 발전방향
의학이 발전하기 위하여서는 많은 공학적 기술이 새로 도입되어야한다. 새로운 기술의 도입은 여러가지 각도에서 이루어 질수 있으나, 바람직한 패턴은 의학분야에서 그동안의 경험을 바탕으로 어떠한 "NEED"를 발생 시켜 주는것이다.
즉, "이러한 기능을 갖는 진단방법 또는 의료기기가 있었으면 좋겠다"하는 필요성과 요구사항을 발생 시켜 이것을 공학측에 넘겨주면 공학측에서는 이것을 "SEED"로 하여서 요구된 사항을 만족시키는 개발을 추진하는것이다. 개발된 결과를 다시 의학측에 넘겨서 그 성능을 확인하여보고 추가적인 부분을 보완하는 형태로 발전시키는것이다. 이러한 "NEED"에 근거하여 출발하지 않은 경우에는 개발내지 연구 그 자체의 머무르고 마는 경우가 많다. "
이렇게 의학과 공학간의 협조에 의하여서 의공학적인 발전을 이루기 위하여서는 서로 상대방을 어느정도 이해하고 있어야한다.
다음과 같은 실패 사례를 들어보자. 임상에서의 새로운 생체 신호를 측정하기 위하여서 그 요구사항을 공학측의 연구진에게 넘기는 경우에 공학측에서는 몇가지 중요한 조건에 대하여 물어볼 것이다. 예를들어서, " 이 측정 시스템은 어느정도 정확해야 합니까? "하고 묻는 질문에, " 되도록 정확하면 좋습니다. 아!, 정확할수록 좋죠!"하는 형태의 답변을 했다면, 공학측에서 이것을 개발하는 연구진들은 현재의 기술로 가능한 최고의 정확도를 갖는 시스템으로 개발할것이다. 실제로 이정도의 정확성이 요구되는 경우라면 문제가 없겠지만, 이것이 필요 이상의 정확성을 갖는경우에는 개발된 의료기기의 가격을 상승시키고 결과적으로 효용성이 없는 시스템으로 전락하고 말것이다.
반대로 공학측에서 접근하는 경우에도 인체의 특성등 의학적인 상황에 대하여 충분한 지식을 갖고 있어야한다. 철판의 결함의 검사에 이용되는 초음파 시스템을 마찬가지 원리로 인체에 적용하여서, 신체내의 이상을 찾아낼수 있다는 생각을 할수 있다.
일견 타당성이 있는 생각으로 간주 될수 있으나,인체내의 특성은 고려하지 않은 상황이라고 할수 있다. 철판의 경우에는 균일한 물질로 구성되어서 그 결함의 부위를 쉽게 찾을수 있다고 할수 있으나, 인체의 경우에는 불균일한 물질로 구성되어 있기 때문에 어느 부위에 이상이 있어도 이것이 측정되는 신호에서 쉽게 눈에 띄지는 않을것이다.
즉 별도의 신호처리등의 복잡한 후속 과정 없이는 그 결과를 분석하기 어렵다. 즉 의학적 환경에 적합한 시스템을 개발하기 위하여서는 공학적인 기술을 의학적 상황에 적용하여서 효과를 발휘할수 있게 할수 있는정도의 충분한 의학적 지식을 습득하고 있는것이 바람직하다.
즉 의공학의 발전을 위하여서는 의학과 공학간의 긴밀한 협동관계가 이루어져야하며, 이것은 상대방의 상황과 필요한지식을 습득하는데에서 부터 출발한다고 할수있다.