DGIST, AI 기반 뇌 자극 홀로그램 기술 개발 ‘초음파 렌즈 하나로 뇌 질환 정밀 타격’

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 황재윤 교수 연구팀이 GIST 의생명공학과 정의헌·권혁상 교수 연구팀과 공동으로, 3D 프린팅 렌즈의 두께를 직접 최적화해 뇌의 여러 영역을 동시에 정밀 자극하는 '인공지능 기반 두께 전용 음향 홀로그램(TOAH)' 기술을 개발했다. 이 기술은 렌즈를 통해 음파의 위상과 진폭을 세밀하게 조절하여 원하는 형태의 3차원 초음파 초점을 만들어내는 것이 특징이다.

기존 초음파 뇌 자극 기술은 초음파가 단단하고 불규칙한 두개골을 통과할 때 초점이 흐트러지고, 여러 표적에 전달되는 에너지가 불균일해지는 치명적 한계가 있었다. 이를 극복하려면 수많은 초음파 발생기가 달린 복잡하고 값비싼 다채널 장비가 필요했다.

황재윤 교수 연구팀은 인공지능(AI)과 물리 기반 최적화 기술을 결합해 이 문제를 획기적으로 해결했다. 초음파가 두개골 굴절을 넘어 뇌의 여러 표적에 정확히 도달할 수 있도록, 실제 3D 프린터로 제작될 렌즈의 3차원 두께 구조를 AI가 직접 설계하여 오차를 대폭 줄인 것이다.

이 기술 핵심은 얇은 3D 프린팅 렌즈 단 하나와 단일 초음파 소자만으로 다중 뇌 자극이 가능하다는 점이다. 고가의 장비 없이도 초음파를 여러 뇌 영역에 동시에, 그리고 고르게 집중시킬 수 있다.

실제 쥐의 두개골 실험과 시뮬레이션 결과, 새로 개발된 기술(TOAH)은 기존 방식보다 초점을 훨씬 정확하게 형성하고 여러 표적에 에너지를 균일하게 전달했다. 또한, 두개골에 불필요하게 집중되는 에너지를 줄여 두개골 발열 부작용을 억제하는 성능도 크게 높였다. 나아가 신경병증성 통증을 앓는 쥐의 뇌(양측 시상 부위)를 이 기술로 동시에 자극한 결과, 과도한 신경 활동이 감소하며 통증 반응이 뚜렷하게 개선되는 효과도 입증했다. 사람의 두개골 데이터를 이용한 시뮬레이션에서도 초점 정확도와 다중 표적 에너지 균형이 동일하게 향상됨을 확인했다.

황재윤 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 교수는 “AI가 렌즈의 구조를 직접 설계해 두개골 너머 여러 뇌 영역에 초음파를 정확하게 전달할 수 있게 된 것이 핵심”이라며, “단일 초음파 소자와 3D 프린팅 렌즈만으로 정밀한 다중 뇌 자극을 구현해, 향후 통증은 물론 퇴행성 뇌 질환과 정신·신경계 질환에 대해 수술이나 절개 없이 안전하게 에너지를 전달하는 환자 맞춤형 비침습 치료 플랫폼으로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 '미래유망융합기술파이오니어사업'과 '중견연구지원사업' 지원을 받아 수행됐다. DGIST 이문환 박사(독일 막스플랑크연구소 재직)가 제1저자로, DGIST 황재윤 교수와 GIST 정의헌·권혁상 교수가 교신저자로 참여한 연구 결과는 뇌 자극 분야 국제 저명 학술지인 'Brain Stimulation'에 2026년 7월 게재됐다.