서울성모병원 등 공동연구팀, 국제 양자의료 알고리즘 개발 프로젝트 선정

서울성모병원, 서울시립대, 한국과학기술연구원 공동연구팀

美 클리블랜드 클리닉 '양자 혁신 캐털라이저 프로그램' 선정

심장 혈류 유체역학 시뮬레이션 도식. ⓒ서울성모병원

복잡한 생의학 난제를 해결할 양자컴퓨팅 기술 기반의 혁신적 알고리즘을 개발하는 국제 프로젝트에 국내 연구팀이 참여한다.

가톨릭대학교 서울성모병원은 서울시립대, 한국과학기술원(KIST)과 구성한 공동연구팀이 미국 클리블랜드 클리닉(Cleveland Clinic)과 글로벌 투자사 K5 글로벌(K5 Global)이 공동 주관하는 국제 바이오·메디컬 양자 알고리즘 개발 프로젝트 ‘퀀텀 이노베이션 캐털라이저 프로그램(Quantum Innovation Catalyzer Program)’에 한국에서 유일하게 최종 선정됐다고 15일 밝혔다.

이번 연구는 서울성모병원 영상의학과 정정임·장수연 교수, 순환기내과 윤종찬·최영·승재호 교수, 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 한경림 박사, 서울시립대 안도열 명예석좌교수(연구책임자) 등 국내 연구진과 미국의 양자기술 전문기업 싱귤래리티 퀀텀(Singularity Quantum)의 협업으로 수행됐으며, 미국 메릴랜드대학교 국립양자연구소(Q-Lab)와 아마존 웹서비스(AWS), 핀란드의 양자컴퓨터 기업 IQM의 기술지원을 받았다.

연구팀은 서울성모병원 영상의학과의 심혈관 CT 분석 역량과 순환기내과의 중재시술·심장 구조학적 임상 경험, KIST 뇌과학연구소의 신호처리·데이터 분석 전문성이 서울시립대를 중심으로 하는 양자 알고리즘 개발과 맞물려, 기초-임상을 아우르는 실질적 다학제 연구 구조가 완성됐다고 밝혔다.

퀀텀 이노베이션 캐털라이저 프로그램은 심장병 분야에서 세계 최고 수준으로 평가받는 클리블랜드 클리닉이 IBM과의 10년 공동연구 파트너십을 기반으로 2023년 출범시킨 프로그램으로, 양자컴퓨팅 기술로 기존 방식으로는 풀기 어려운 복잡한 생의학 난제를 해결할 혁신적 알고리즘 개발을 목표로 한다.

주요 연구 분야는 ▲의료·생명과학 ▲디지털 헬스 ▲신약 발견·개발 ▲단백질 구조 예측 등이며, 선정 팀에게는 12개월간 클리블랜드 클리닉 전문 연구진의 자문과 함께 헬스케어·생명과학 연구 전용으로는 최초의 양자 컴퓨터인 IBM 퀀텀 시스템 원(IBM Quantum System One)에 대한 접근권이 주어진다.

연구 과제명은 '심혈관 CT-FFR 시뮬레이션 및 종양 미세순환 모델링을 위한 양자 알고리즘'으로, 양자 기반의 새로운 유체역학 접근을 통해 기존의 침습적인 검사를 비침습적인 CT 영상으로 대체하며, 나아가 이를 응용해 종양 내부 미세혈관망의 혈류 분포와 항암제 전달 동역학 시뮬레이션까지 수행한다는 목표다.

양자 기반 전산 유체역학 방정식 해 구하기. ⓒ서울성모병원

기존의 혈류 분획 예비력(FFR, Fractional Flow Reserve) 검사는 환자의 관상동맥 협착이 실제로 심근 허혈을 유발하는지 수치화할 수 있는 중요한 역할을 담당해왔으나, 카테터를 관상동맥에 직접 삽입하는 침습적인 방식으로 진행돼 출혈·혈관 손상·부정맥 등의 위험이 따랐다. 이를 CT 영상으로 대체하려는 연구가 꾸준히 시도돼 왔으나, 기존의 전산 유체역학(Computational Fluid Dynamics) 분석은 방대한 연산량이 요구되어 임상 현장에서의 실시간 적용에는 한계가 있었다.

연구팀은 이 지점을 양자 알고리즘으로 돌파해 환자별 맞춤형 실시간 위험도 분석을 현실화하는 동시에, 구현된 '혈류 해석 플랫폼'을 종양 내 미세순환 분석으로까지 확장해 정밀 종양학으로의 플랫폼 확장도 기대하고 있다.

고전 컴퓨터가 0 또는 1의 상태를 순차적으로 처리하는 것과 달리, 양자 컴퓨터의 연산소자인 큐비트(qubit)는 두 상태를 동시에 처리하는 양자 중첩(superposition)을 활용해 압도적인 병렬 연산이 가능하다. 이 특성을 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식 기반 유체역학 시뮬레이션에 적용하면, 기존 슈퍼컴퓨터로는 구현하기 어려웠던 수준의 혈류 유동 모델을 고정밀·고속으로 개발할 수 있게 된다.

이번 연구에 참여한 서울성모병원 영상의학과 정정임 교수는 "CT 영상만으로 혈류 분획 예비력 결과를 실시간 예측할 수 있는 양자 기반 플랫폼이 구현된다면, 침습적 시술 부담 없이도 더욱 정밀한 심혈관 치료 전략 수립이 가능해질 것"이라 밝혔다.

순환기내과 윤종찬 교수는 "혈류 유동 모델링 방법론이 종양 내 미세혈관을 통한 혈류 분포와 항암제 전달 경로 분석에도 적용 가능하다는 점에서, 심혈관 분야를 넘어 정밀 종양학 영역에서도 새로운 임상적 가치를 만들어낼 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다.

한편 이번 성과는 지난해 6월 미국 국립보건원 산하 국립전환과학진흥센터가 주관한 총 130만 달러 규모의 양자컴퓨팅 챌린지에 이은 연속적인 국제 무대 선정이라는 점에서 주목된다.

당시 서울성모병원-서울시립대 공동연구팀은 국내 유일하게 선정된 바 있으며, 이번 프로그램에서는 한국과학기술연구원이 합류하며 한국 양자의료 분야 연구의 글로벌 위상을 한층 높이게 됐다.