포항공과대학교 연구팀, 인공췌장 자동화 혈당 관리 AI 알고리즘 개발

포항공과대학교 연구팀, 인공췌장 자동화 혈당 관리 AI 알고리즘 개발: 이예담 / 기사승인 : 2021-02-17 15:33:47

최근, 당뇨병 환자가 급증하고 있다. 당뇨병은 인슐린 분비의 문제로 혈당 조절이 되지 않아, 각종 합병증을 일으키는 병이다. 당뇨병은 유전적인 영향을 받을 뿐만 아니라 평생 완치가 되지 않는 질병이기에 꾸준히 관리해야 한다.

제1형 당뇨병 환자는 체내에서 인슐린이 거의 분비되지 않아 인슐린을 매일 주사해야 한다. 특히, 섭취하는 음식 속의 탄수화물 양을 매번 확인해 그에 맞는 인슐린양을 계산하고, 식사 전 미리 주사를 해야 하는 번거로움이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 췌장 이식에 대한 연구가 오랜 시간 이루어졌지만, 면역억제제를 투여하거나 줄기세포 이식으로 인해 발생하는 부작용 때문에 직접 적용하기에는 문제가 있었다.

생체물질이 췌장을 대체하지 못해 기계가 이를 대신하기 위해 '인공췌장 시스템'이 등장했다. 인공췌장 시스템은 실제 췌장의 베타세포가 하는 역할과 동일하게 포도당 농도를 감지하고 이에 따라 자동으로 인슐린을 체내에 주입하는 시스템으로, 미국식품의약국(FDA)에서 세계 최초로 인공췌장 기기가 2016년에 승인받았다. 하지만, 기존의 인공췌장 기기는 식사 정보를 매번 입력해야 하는 한계가 있었다.

이에, 포항공과대학교 창의IT융합공학과 박성민 교수 연구팀은 인공지능의 강화학습을 활용해, 당뇨 환자에게 맞는 인슐린양을 계산해 자동으로 주입해주는 AI 알고리즘을 개발했다.

연구팀은 기존의 인공췌장 기기에서 식사 정보를 매번 입력해야 했던 번거로움을 해결하기 위해 알파고의 알고리즘으로도 잘 알려진 강화학습에 약리학 개념을 추가했다. 이 덕분에 당뇨병 관리를 돕기 위해 연속 혈당 데이터를 바탕으로 인슐린을 혈중에 주입해주는 인공췌장이 더 똑똑해졌다.

이렇게 개발된 AI 알고리즘의 학습 결과, 미국 FDA 승인 가상 제1형 당뇨병 환자에서 하루 평균 89.56%의 정상 혈당 범위를 유지하는것을 확인했다. 이는 식사량을 입력하는 기존 인공췌장 알고리즘에 버금가는 성능으로, 식사 정보 없이도 개인화와 자동화 측면에서 높은 혈당 관리 성능을 보이는 것으로 나타났다.

연구팀은 “완전 자율화된 인공췌장은 의료분야에서의 자율주행과 같다”며 “이번에 개발된 AI 알고리즘은 식사량을 따로 입력하는 번거로움 없이 완전히 자동화된 개인맞춤형 혈당 관리를 가능하게 하며, 현재 동물실험을 진행 중이다”라고 말했다. 또한, “이 알고리즘은 약물을 기반으로 한 다른 치료에도 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

[IEEE JBHI]

한편, AI 알고리즘을 통한 인공췌장 시스템 연구의 성과는 의료정보학 분야의 권위있는 국제학술지 ‘IEEE JBHI(IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics)’ 최신호에 특집 논문(Featured Article)로 게재됐다.