높은 수준의 맞춤식 건강 관리를 제공하고 개인의 건강 니즈와 이벤트를 예측하기 위해 과학적 발견에서 고성능 컴퓨팅의 중요성은 나날이 증가하고 있습니다.

그중 하나는 유전체학과 단백질 정보학의 빅데이터 분석입니다. 또 다른 분야는 계산 의학과 질병 진행 시뮬레이션입니다.

의사들이 특정 질환을 가진 환자를 진료할 때는 여러 가지 지표를 사용합니다. 가족력, 의료 영상, 혈액 검사와 더불어 최근에는 유전자를 살펴보는 비중이 커지고 있습니다. 앞으로는 예상 계산 모델이 진단의 일부로 사용되어 개인 맞춤식 치료를 향상시킬 것입니다.

이를 위해서 과학적 측면에서는 상대적으로 새롭게 성장하는 분야인 시뮬레이션과 모델링이 필요합니다.

시뮬레이션 프로세스란 무엇인가

간단히 말하면 생체 역학 시뮬레이션(예: 혈류)은 궁극적으로 특정 문제에 뉴턴의 운동 제2 법칙을 적용하는 것입니다. 저자가 활동하는 분야인 심혈관 질환 연구에서는 맥관 구조 내 환부에 언제 어떻게 혈전이 형성되는지, 심혈관 질환이 발생할 수 있는 유전자 변이가 있는 사람은 언제 치료가 필요하며 언제 건강 문제를 경험할지 예상하는 방법 등을 연구하고 있습니다.

대동맥이 어떻게 변형되는지 또는 혈압이 가해졌을 때 탄성 에너지를 어떻게 저장하는지 이해하고자 할 때 시뮬레이션이 도움이 될 수 있습니다. 이를 시뮬레이션하려면 다음의 정보가 필요합니다.

• 기하학적 구조 – 의료 영상을 통해 수집할 수 있는 혈관 형태와 치수 정보를 이해할 필요가 있습니다.
• 가해진 부하 – 혈류에 영향을 미치는 혈압과 혈관 외부 인자가 가해졌을 때의 힘을 예측합니다.
• 물질 특성 또는 구성 – 기본적으로 대동맥의 강성과 강도를 살펴볼 필요가 있습니다. 유전자 변이가 존재한다는 것을 알게 되면 조직 구성과 속성이 달라집니다.

이와 같은 세 가지 정보를 가지고 있으면 혈전이 형성되는 경우 또는 대동맥이 과도하게 팽창되는 경우 등 단기 또는 장기에 걸쳐 인체에 발생할 수 있는 상황을 시뮬레이션하는 것이 가능합니다. 이는 의료진이 특정 환자에게 언제 치료를 제공해야 하는지 예측할 수 있다는 의미입니다.

이것이 어떻게 건강 관리를 바꾸는가?

어떤 측면에서는 계산과 시뮬레이션이 이미 건강 관리를 개선하고 있습니다. 이러한 시뮬레이션과 모델링은 수술 설계 및 의료 기기 설계 분야에서 사용되고 있습니다. 이들은 수술 절차 또는 의료 기기가 혈류와 혈압에 어떤 영향을 미칠지 예상하여 결과적으로는 장기간에 걸쳐 환자에게 미치는 영향을 예상할 수 있습니다.

이와 더불어 시뮬레이션은 생물 역학 및 생물 면역 분야의 기본적인 요소들을 이해하는 데 도움을 주고 있습니다. 혈관이 기계적 자극과 화학적 자극에 어떻게 반응하는지 이해하는 것과 세포들이 주변 환경에 어떻게 대응하는지 이해하는 것은 건강과 질병을 이해하는 데 있어 매우 중요합니다.

이 중 가장 중요한 발견은 바로 생물학적 측면에서 개인별 차이입니다. 이는 의료진들의 예상을 뛰어넘는 결과를 가져왔습니다. 인간의 세포는 같은 질병이나 같은 치료에 다르게 행동하고 대응합니다. 동일한 유전자 구성과 유사한 환경 인자를 가지는 형제 간에도 유전자 변이에 완전히 다르게 대응합니다. 형제 중 한 명은 20대에 치료가 필요한 반면, 다른 형제는 50대가 되어 치료가 필요한 경우 등이 발생합니다.

이러한 생물학적 다양성으로 인해 시뮬레이션에 고도의 복잡성이 더해집니다.

어떤 관점에서는 수많은 과학적 발견과 마찬가지로, 답변보다는 질문이 더 많이 형성되고 있는 상황입니다. 그럼에도 불구하고, 의학은 평균 인구를 기반으로 하는 것이 아니라 개인에게 맞춰진 정밀 의학으로 발전해야 합니다.

시뮬레이션은 개인에게 맞는 치료법을 약속할 뿐만 아니라 응급 상황에서 치료 방법을 선택하는 것이 아닌 환자에게 더 적합한 결과를 만들어내는 궁극의 목표를 추구합니다.

이는 의학과 엔지니어링을 접목시킨다는 놀라운 도전과제이자, 두 분야가 단독으로는 해결할 수 없었던 문제들을 해결하려는 노력입니다.

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