10월호 신진연구자 “톡”

인공지능과 만난 생체신호,
인간을 더 행복하게!

고려대학교 전자 및 정보공학과
황한정 조교수

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생체신호와 인공지능의 결합, 일상에서는 낯설게 느껴지지만 SF영화에서는 단골 소재로 등장하고 있습니다. 영화 <아이언맨>의 나노슈트를 떠올려 보세요. 주인공 토니의 다양한 생체신호를 측정하고 인공지능으로 분석하여 최상의 공격과 수비의 해법을 내놓는 일등공신입니다. 이미 현실에서도 생체신호를 모니터링하고 분석하여 질병을 예측·예방하고 치료효과를 높이는 인공지능이 의료현장의 새로운 패러다임으로 주목받고 있습니다. 고려대학교 지능형신경공학연구실 황한정 조교수는 인공지능 기술과 생체신호처리 기술을 기반으로 신체에 물리적, 기능적 손상을 입은 환자들의 일상생활과 재활을 돕는 다양한 의료 및 재활 관련 연구를 수행하는 젊은 과학자입니다. 뇌공학에 기반을 둔 그의 연구는 뇌파와 근전도, 심전도 등 다양한 생체정보를 이용한 일련의 연구과제를 수행하며 인간의 삶의 질 향상에 기여하고 있습니다. 컴퓨터공학과 뇌공학, 의료와 재활의 다양한 경계를 허물고 자신의 길을 개척해온 고려대학교 지능형신경공학연구실 황한정 교수를 만났습니다.

이렇게 걸어왔습니다.

컴퓨터와 뇌공학, 의료와 재활의 융합에서

길을 찾는 신경공학자

사람의 생체신호와 인공지능 기술을 결합한 새로운 시도로 신경공학과 재활의료의 지평을 넓혀오셨습니다. 교수님이 추구하는 지능형신경공학을 소개해주세요.

제 연구를 한 문장으로 요약하면 사람의 생체신호를 측정하고, 이를 인공지능 기술로 분석하여 진단, 치료에 활용하는 것입니다. 저는 넓은 의미의 의료공학자이자 좁게는 신경공학자, 더 좁게는 뇌공학자라 할 수 있어요. 뇌과학자는 뇌가 어떻게 작동하는지 그 기전을 규명한다면, 저는 그 기전을 바탕으로 뇌질환의 진단, 치료 및 기능증진에 도움을 줄 수 있는 공학적인 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 흔히들 ‘인간은 죽을 때 까지 본인의 뇌 능력을 10%도 사용하지 못 한다’고 말해요. 맞는 말인지 아직까지 과학적으로 규명된 것은 없지만 그 만큼 사람의 잠재력은 무궁무진하다는 뜻이기도 하며, 또한 뇌는 아직까지 많은 부분이 연구되지 않은 미지의 영역이라는 뜻이기도 한 것 같습니다. 뇌는 사람의 모든 생각과 행동의 근간이지만 독립적으로 작동할 수 없습니다. 인체 모든 기관은 뇌의 신호에 반응하여 다양한 기능을 수행하기 때문에 뇌를 잘 알아야 다양한 의료기술이 발전할 수 있습니다. 뇌공학을 비롯해, 컴퓨터, 전자정보, 의료 등 다양한 학문 분야 전문가들과의 융합 연구를 통해 의미 있는 결실을 찾고자 합니다.

대학원 과정부터 인공지능과 그 사용자인 인간의 인터랙션을 주제로 사람의 뇌파, 근전도, 심전도 등 생체 신호를 활용하여 다양한 연구를 수행해 오셨죠?

사실 인공지능은 오랫동안 연구 되어온 분야인데 우리나라에서는 알파고 이후 사회적으로 많은 관심을 받고 있습니다. 과거에는 머신러닝이라 불리는 기계학습 기반의 인공지능 기술이 발달했다면 현재는 인공신경망을 이용해 스스로 학습하는 딥러닝 중심의 인공지능 기술이 발달하고 있습니다. 제 연구에서 인공지능 기술은 주로 생체신호로부터 사람의 의도를 읽어내는데 활용하고 있습니다. 대학원과정 연구는 사람의 뇌파를 측정해 사람의 의도를 인공지능 기술로 읽어내는 것이었어요. 몸이 마비돼 움직이지 못하고 대화가 어려운 사람들과의 소통도 가능하게 하죠. 박사후연구원 때는 사고로 팔을 잃은 사람의 근육에서 신호를 읽어 로봇팔을 움직이는 전자의수를 연구했어요. 최근에는 심전도 연구를 시작했는데요. 인공지능으로 심장마비의 전조증상을 예측하여 환자의 골든타임을 확보하고자 합니다. 특히 올 한해 전 세계가 코로나19 팬데믹을 경험하며 언택트, 뉴노멀이 화두입니다. 생체신호는 원격진료의 핵심기술 중 하나이기도 합니다. 연구내용은 다양하지만 궁극적 목표는 생체신호를 인공지능으로 분석하여 진단과 함께 적합한 치료 방법을 효과적으로 제시하는 데 있습니다.

미국의 브레인 이니셔티브, 우리나라의 치매국가치료제 등 세계적으로 뇌 연구에 높아진 관심을 확인할 수 있는데요. 뇌연구의 중요성에 대해서도 설명해주세요.

미국은 2013년 오바마 대통령이 신경과학 기술을 통해 두뇌의 뉴런활동 지도를 만들겠다는 목표를 천명하며 ‘브레인 이니셔티브(BRAIN Initiative)’를 출범했습니다. 10년간 약 50조 원을 지원하는 뇌과학 연구 프로젝트죠. 우리나라도 치매를 국가적 아젠다로 삼아 대응하는 ‘치매국가치료제’를 중심으로 뇌연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이처럼 적극적으로 뇌연구가 진행되는 이유 중 하나는 세계적으로 뇌 건강에 위험신호가 켜졌기 때문입니다. 특히 우리나라는 세계에서 유례를 볼 수 없을 정도로 고령화 속도가 빠릅니다. 2025년에는 65세 이상의 노인인구 비율이 20%를 넘는 초고령사회로 진입하리란 전망이 있습니다. 고령화에 따라 뇌졸중, 치매와 같은 뇌 기능 관련 질환도 증가하고 있어요. 또한 현대사회는 핵가족화되고 경쟁이 치열해지며 젊은 층의 정신질환 유병률도 높아지는 추세입니다. 이 역시 뇌 건강과 관련한 문제로 개인의 고통은 물론 가족과 사회의 고통도 커지게 됩니다. 뇌의 기능을 이해하고 건강을 증진하는 연구는 인간의 건강과 삶의 질 향상에 많은 기여를 할 수 있습니다.

(왼) IEEE EMBS 학회 발표 (오) 국내 BCI 연구자들과의 연구 교류회에서 발표하는 모습

연구재단의 학문균형발전 지원사업을 통해 신경생리학적 근거 기반 인지 및 운동 기능 향상을 목표로 교류 전기를 이용한 뇌 연구를 시작하셨어요.

지금까지는 주로 뇌의 신호를 읽고 해독하는 연구를 진행해왔다면, 이번 연구는 반대로 뇌에 전기자극을 주어서 뇌질환의 치료 및 뇌기능을 향상시키는 것이 목적입니다. 특히 뇌졸중과 같은 질환은 치료 후에도 손발의 움직임이 부자연스럽거나 말이 어눌해지는 등의 후유증이 뒤따릅니다. 따라서 전통적인 재활과 더불어 뇌손상 부분에 전기자극을 주면 재활효과를 극대화할 수 있지 않을까 생각합니다. 이번 연구 결과는 나아가 일반인의 인지와 운동 효과향상에도 활용 가능할 것으로 기대됩니다.

(왼) 실험 중 (오) 국제 BCI 학회 참석 당시 참여자들과 함께 뇌파 측정 및 분석에 대해 토의하는 모습

올해 2차 년도 연구가 진행 중 인데요. 연구의 주요 내용을 소개해 주세요.

뇌의 신경세포인 뉴런은 인간이 깨어있건 잠들어있건 어떤 상황에서도 끊임없이 전기신호를 내보냅니다. 특히, 어떤 생각이나 행위를 할 때 뉴런은 특정 주파수를 가진 전기적인 신호를 발생합니다. 신호의 주파수가 8∼13 Hz 구간을 알파파라고 부르는데요. 알파파는 사람이 안정 상태에 있을 때 많이 나타난다고 알려져 있습니다. 지난해에는 실험을 통해 전기자극을 잘 인가하면 알파파의 세기를 조절할 수 있음을 확인했습니다. 올해는 2차 년도 연구로 인지기능 향상을 테스트하고 있습니다. 먼저 피험자에게 암산을 시켜 정확도와 속도를 기준으로 인지기능을 정량화 합니다. 그리고 해당 피험자가 암산을 수행할 때 가장 유의미하게 변화하는 뇌파의 주파수에 맞춰서 뇌에 교류 전기자극을 인가하게 됩니다. 이를 통해 뇌파의 해당 주파수 성분을 조절하고, 궁극적으로 암산 기능이 향상되는 것을 기대하고 있습니다. 해당 연구는 암산이 아니라도 다른 인지기능 개선효과에도 일반적으로 활용이 가능할 것으로 기대하고 있습니다.

세계적으로 다양한 뇌전기자극 연구가 진행되고 있는데요. 교수님의 연구가 기존 연구와 차별되는 특징은 무엇인가요?

초기 뇌전기자극 연구에서는 주파수가 없는 직류 전기를 사용했다면, 이후 특정 주파수 대역을 이용한 교류 전기로 실험이 진행됐습니다. 하지만, 동일한 주파수의 교류자극을 인가하더라도 피험자마다 나타나는 반응이 다릅니다. 의료현장에서도 맞춤형 진료와 치료가 화두인 것처럼, 이번 연구는 실험마다 사용하는 교류자극 주파수를 개인별 특성에 맞춰 진행함으로써 뇌전기자극의 긍정적인 효과를 극대화하려고 합니다. 또한 기존의 실험에서는 ‘전기자극을 주었더니 암산이 빨라졌다’처럼 실험 전후 변화한 인지기능 변화에 초점을 두었습니다. 반면 이번 실험은 이러한 인지기능 결과 변화와 더불어 뇌전기자극 전후의 뇌파가 어떻게 변했는지를 함께 관찰하고자 합니다. 즉, 지금까지는 뇌전기자극이 결과론적으로 인지기능 향상에 긍정적인 영향을 미쳤다는 연구는 많이 수행되었지만, 이러한 변화가 일어나게 된 궁극적인 기전에 대한 연구는 많지 않았습니다. 이번 연구에서는 해당 기전에 대해 뇌전기자극 이후의 뇌파 변화를 관찰하면서 그 연결고리를 찾고자 합니다. 이를 위해 1차 년도에는 알파파, 2차 년도에는 인지기능, 3차 년도에는 운동기능 향상을 목표로 연구를 진행하고자 합니다.

더불어 올해 연구재단 기초연구실지원사업으로 생체신호 기반 감성만족도 평가 프레임워크 및 이를 활용한 사용자 감응형 VUI 인터랙션도 연구를 시작하셨어요.

산업공학, 컴퓨터 공학, 전자공학, 의공학 등 4개 분야의 전공자가 모여서 기획한 연구인데요. 시작한지 3개월 정도됐지만 사실 준비는 2년 전부터 했어요. 작년 평가에서 한 번의 고배를 마시고 재수에 성공했죠.(웃음) 생활 전반에서 인공지능이 많이 언급되지만 일반인들의 삶에 와 닿는 인공지능 기반 상용제품은 ‘알렉사’, ‘기가지니’, ‘카카오미니’ 등 인공지능 스피커 정도인 것 같아요. 사용해 보신 분들은 알겠지만 아직 이들 기기들은 사용자의 음성을 제대로 인식하지 못하는 경우가 있어요. 또 질문마다 응답이 일률적으로 프로그램 돼 있기 때문에 “오늘 날씨는 어때”라고 어린아이가 묻든, 할아버지가 묻든 “맑아요”라고 똑같이 대답해요. 하지만 사용자에 따라서는 오늘 날씨가 단순히 맑기만 한 게 아니라 기상청에 따르면 온습도와 바람의 세기는 어떤지 구체적으로 근거를 제시할 때 신뢰성이 높다고 평가하기도 하죠. 지금의 인공지능은 일방향 소통이 가능했다면, 새로운 인공지능시스템은 사용자의 생체신호를 분석해서 그가 좋아하는 스타일로 대답할 수 있으리라 생각해요. 즉 사람을 인공지능에 맞추는 게 아니라 인공지능이 사람의 감성에 맞춰 진화하면서 개인화된 서비스 개발의 단초를 마련하고자 합니다.

㈜소소의 초청으로 중국 칭와대 기술교류

백화점식 융합연구는 NO, 창조적 혁신가의 길을 찾다

학부에서는 컴퓨터공학을 전공하고 지금은 신경공학을 연구하는 독특한 경력이 눈에 띕니다. 또 청소년기에는 소설가가 꿈이셨다고요?

고등학교 때는 문학책도 많이 읽고 소설가가 꿈인 문과생이었어요.(웃음) 대학에 진학하며 가정 형편과 향후 취업 같은 현실적인 문제 등을 고려해 이공계 교차 지원을 했어요. 선생님의 추천과 컴퓨터 사이언스의 발전 가능성을 보고 전공을 택했는데 다행히 적성에 맞았습니다. 하지만 대학원 진학을 앞두고 내가 좋아하는 분야와 내가 잘 할 수 있는 분야가 무엇인지에 대해 많은 고민을 했어요. 당시 고령화가 사회문제로 대두되었고, 전통적 의미의 의학과 신경공학이 전자와 반도체, 컴퓨터와 같은 다양한 첨단 기술을 만나 진단과 치료의 개념이 확장되고 있었습니다. 특히 고령화 사회가 직면한 다양한 케어 기술, 재활의학 등에 관심을 갖고 대학원에서는 의료공학을, 그 중에서도 뇌공학을 전공하였습니다. 덧붙이면 지금 다른 대학에 있는 20년 지기 친구가 생체공학 전공 대학원에 먼저 진학하여 관련 연구를 하는 것을 보며 그 친구의 영향도 받았습니다.

관련 연구를 수행하려면 컴퓨터공학부터 인간 심리까지 학문별 경계를 허무는 융복합연구가 중요할 것 같아요. 협업의 미를 살리는 노하가 있나요?

올해 시작한 연구재단 과제의 경우 첫해 과제 평가에서 탈락했는데 오히려 약이 된 것 같아요. 과제에 탈락하고 4명의 연구자가 함께 어떤 점이 미진했는지 어떻게 보완하면 좋을지 논의를 했어요. 재미있는 건 연구를 기획하고 제안서를 작성할 때는 모두가 의견 일치를 보았다고 생각했는데 이야기 하다 보니 서로 다르게 이해 한 부분이 있음을 알게 됐어요. 전공이 달라 이해의 배경도 달랐던 거죠. 이때 많은 이야기를 나누며 실질적인 공동연구의 물고를 튼 것 같아요. 제 경우 이번 과제 외에도 연구의 특성상 임상현장의 의사들과도 이야기할 기회가 많은데요. 가장 중요한 건 아무리 사소한 것이라도 연구자들이 함께 이야기하고 논의해야 한다는 사실입니다.

(왼) 뇌파측정 실험 장비 본사의 기술 지원 당시, 연구실 학생들과 함께 (오) 연구실 학생들과 학회 참석 단체사진

연구자로서 즐거울 때, 보람을 느낄 때는 언제인가요?

90%까지 순조롭게 진행되던 연구가 한동안 꽉 막혀있다 한순간 뚫릴 때, 그때야 말로 가장 기분이 좋아요. 그렇게 연구가 잘 마무리되어 논문으로 발표되고 학회에서 발표할 때 즐겁고 보람되고요. 최근에는 제자들과 함께 연구하다 보니 학생들이 발전하는 모습을 보는 것도 큰 보람입니다.

박사후학문후속세대를 비롯해 생애첫연구사업 등을 통해 연구재단과 인연을 맺으셨습니다. 신진연구자에게 연구재단은 어떤 의미일까요? 연구재단의 지원사업에 대해 평소 생각하시는 바 또는 연구재단에 대한 당부의 말씀도 부탁드립니다.

연구자의 길을 선택하고 독립된 연구 발판을 마련할 수 있는 마중물 같은 도움을 받았습니다. 이공계대학원연구장학생부터 박사후학문후속세대와 같은 재단의 지원이 없었다면 저는 학위를 시작하고 지속하지 못했을 거예요. 올해 고려대로 자리를 옮기며 차폐실험실 등 연구 환경을 갖춘 것도 재단의 지원이 있어 가능했습니다. 개인적으로는 신진에서 중견으로 성장해야 하는 단계인데요. 신진연구자와 함께 신진에서 중견으로 전환시기에 있는 연구자들이 도약할 수 있는 기회도 많이 제공 되었으면 좋겠습니다.

교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표도 들려주세요.

뇌와 생체신호 분야에서 각각 이루고 싶은 목표가 있습니다. 먼저 뇌와 관련된 것으로 기존에는 뇌파를 측정해서 사람생각을 읽는 연구에 집중했는데, 앞으로는 뇌전기자극과 같은 기술을 활용해 생각과 지식을 뇌로 전달하여 양방향으로 읽고 쓰는 뇌의 기전을 밝혀 뇌질환 환자의 진단과 치료기법 개발에 기여하고자 합니다. 더불어 사람의 머리에서 발생하는 신호와 팔·다리, 심장, 근육 등에서 발생한 신호가 각기 다 다른 것 같지만 이들은 서로 상관관계가 있습니다. 이러한 생체 신호들을 복합적으로 이해해야 각 장기에 대한 이해도도 깊어지며, 생체신호 기반의 연구에서 혁신적인 연구 성과를 얻을 수 있을 거라 생각해요. 생체 신호를 종합적으로 이해하여 의료 발전은 물론 일반 대중에게 적용 가능한 실용적 기술도 개발하고 싶습니다.

연구 신호등

추천하는 연구자의 마인드는?

목표는 높게, 실천은 꾸준히, 그리고 동료와 함께해야 합니다. 연구는 한순간에 완성되는 것도 혼자서 할 수 있는 것도 없습니다.
특히나 분야의 경계가 허물어지고 있는 융복합 시대에는 더더욱 말이죠. 개인적으로는 목표를 달성하기 위해 끊임없이 문제의 해결책을 강구하고, 이를 동료들과 공유하고 선의의 경쟁을 통해 서로 성장하여 높은 목표를 달성해야 합니다.

좌절했을 때 극복법은?

가장 크게는 꿈을 이룬 나의 모습, 즉 궁극적으로 연구를 수행해서 얻고자 하는 최종 목표를 이루었을 때의 모습을 상상하곤 해요. 단기적으로는 해당 연구의 성공적인 수행, 장기적으로는 대학 교수가 되어 내 연구실을 셋업하고 학생들을 지도하는 모습을 상상하면서 흔들리는 마음을 극복하곤 했습니다.

꼭 피해야 하는 습관은?

늘 새로운 것을 접하고 공부해야 하는 연구자로서 해보지 않은 것, 익숙하지 않은 것을 접했을 때 해당 일을 자꾸 미루는 습관을 버리세요. 언젠가는 본인 발전을 위해서 해야 할 일인 만큼 이런 일일수록 빨리 하는 게 좋습니다.

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