배터리나 연결 선 없이 패치처럼 부착해 만성 통증을 관리하는 패치형 자극기가 개발돼 관심을 끌고 있다.

침습적인 수술은 물론 배터리와 연결 선으로 인한 감염 등의 문제를 한번에 해결한 것으로 통증 관리의 새 지평을 열었다는 평가를 받고 있다.

현지시각으로 25일 국제학술지 네이쳐(Nature Electronics)에는 만성 통증 관리를 위한 초소형 웨어러블 전기 자극기 개발 연구 결과가 공개됐다(10.1038/s41928-025-01374-6).

만성 통증은 말 그대로 지속적으로 신체에 통증이 느껴지는 질환으로 미국에서만 5100만명의 환자가 있을 정도로 유병률이 증가하고 있다.

문제는 대다수 만성 통증 질환자들이 마약성 진통제(오피오이드) 계열 약물에 의존한다는 점에서 중독 위험은 물론 심각한 부작용이 속출하고 있다는 점이다.

이를 막기 위해 개발된 것이 바로 경피적 전기 자극기(TENS)다. 통증이 일어날때마다 전기 자극을 통해 뇌에 이 신호가 전달되는 것을 차단하는 것이 이 기기의 핵심.

하지만 기기 삽입을 위해서는 침습적 행위가 들어가야 하는데다 배터리와 전선 등이 신체 안으로 들어가야 한다는 점에서 이 또한 감염 등의 부작용이 생기는 것이 문제다.

또한 배터리 용량을 줄이다보니 이를 자주 교체하기 위해 지속적으로 침습 행위가 필요하다는 한계도 있었다.

남부 캘리포니아대 알프레드 E. 만(Alfred E. Mann) 교수가 이러한 한계를 극복한 패치형 자극기 개발에 나선 배경도 여기에 있다.

이 단점만 극복한다면 마약성 진통제 의존도도 줄이고 경피적 전기 자극기의 불편을 최소화할 수 있다는 판단에서다.

이에 따라 연구진은 초음파 유도 무선 이식형 자극기(UIWI)라는 새로운 모델을 개발하고 이에 대한 검증을 실시했다.

이 기기의 핵심은 바로 무선 전원 공급이다. 과거 경피적 전기 자극기가 크기가 크고 배터리에 직접 연결돼 문제가 있었다는 점에서 배터리를 외부로 빼버린 것이다.

이에 따라 이 자극기는 외부 웨어러블 초음파 송신기(WUT)로 부터 전원을 공급받도록 설계돼 반복적으로 침습 행위가 필요했던 부피가 큰 배터리와 복잡한 유선 인터페이스를 모두 없앴다.

특히 이 기기는 유입되는 초음파 에너지를 자극에 필요한 전력으로 변환하는 고효율 소재인 티탄산 지르콘산납(PZT)으로 제작된 소형 압전 소자라는 점도 차별화되는 부분이다.

이를 통해 신체의 움직임에 따라 휘어진다는 점에서 다양한 위치에 부착이 가능하기 때문이다.

하지만 성능은 과거 경피적 전기 자극기에 비해 떨어지지 않는다. 특히 환자의 통증 수준을 반영하는 뇌파(EEG) 신호를 실시간으로 모니터링하는 인공지능이 들어가 더욱 섬세한 자극이 가능하다.

ResNet-18이라는 신경망 기반의 정교한 머신러닝 모델은 이러한 뇌 신호를 분석하고 통증을 경미한 통증, 중간 정도의 통증, 극심한 통증의 세 가지 수준으로 분류해 이에 맞춘 전기 자극을 시행한다.

검증 연구에서 이 AI 알고리즘은 통증 상태를 구분하는 데 있어 94.8%의 정확도를 기록한 상황. 이에 맞춰 기계적 자극(핀 찌르기 등)과 급성 열 자극(적외선 열)으로 인한 만성 신경병적 통증을 성공적으로 완화하는 효과를 입증했다.

알프레드 만 교수는 "과거 경피적 전기 자극기의 성능을 그대로 유지하면서도 기기의 한계였던 배터리와 침습 문제를 모두 해결했다"며 "특히 유연한 설계와 정교한 인공지능 설계로 인해 개인의 특성에 따른 맞춤 치료가 가능해졌다"고 밝혔다.