서울성모병원, 양자컴퓨팅으로 심장 혈류 분석한다…25억 국책과제 선정

[더파워 이설아 기자] 가톨릭대학교 서울성모병원이 서울시립대학교, 플로우닉스와 함께 양자컴퓨팅을 활용해 심혈관질환 환자의 혈류를 분석하는 연구에 나선다.

단순히 양자알고리듬을 개발하는 데 그치지 않고 실제 의료현장에서 기존 컴퓨터보다 어느 조건에서 성능상 이점이 나타나는지를 수치로 검증하는 것이 목표다.

서울성모병원은 공동연구팀이 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘2026년도 양자컴퓨팅 기반 양자이득 도전연구사업’ 신규과제에 선정됐다고 25일 밝혔다.

연구는 2028년까지 2년6개월간 진행되며 국책연구비 25억원을 지원받는다.

서울성모병원에서는 영상의학과 정정임·백경민·장수연 교수와 심뇌혈관병원 순환기내과 윤종찬·최영·승재호 교수가 참여한다. 윤종찬 교수가 연구책임자를 맡는다.

서울시립대학교에서는 안도열 명예석좌교수, 플로우닉스에서는 하호진 대표와 이규한 연구소장이 연구에 참여한다.

연구의 핵심은 심혈관질환 분석에 사용하는 전산유체역학(CFD)에 양자알고리듬을 적용하는 것이다.

CFD는 CT나 MRI 등 해부학적 영상을 바탕으로 혈류의 속도와 압력, 혈관 벽에 작용하는 벽전단응력 등을 계산하는 기술이다. 혈관의 모양뿐 아니라 혈액이 실제로 어떻게 흐르는지 분석할 수 있다는 장점이 있다.

다만 계산 정밀도를 높이기 위해 격자 수를 늘리거나 복잡한 비선형 문제와 경계조건을 처리하면 연산량이 증가해 계산 시간이 길어질 수 있다.

연구팀은 이 과정에 양자알고리듬을 적용해 어느 수준에서 기존 방식보다 계산상 이득을 얻을 수 있는지 확인할 계획이다.

현재 양자컴퓨터는 잡음이 많은 중규모 양자장치인 ‘NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)’ 단계인 만큼 단순 연산 속도뿐 아니라 오류와 회로 자원, 측정 횟수까지 함께 평가한다.

연구는 먼저 심장과 좌심방, 대동맥을 자동으로 구분하는 3차원 딥러닝 영역화 모델을 구축하는 것에서 시작한다. 이후 양자 기반 혈류역학 모델을 개발하고 실제 환자 데이터를 이용해 결과를 검증한다.

임상 검증에는 4D Flow MRI를 활용한다. 최종적으로 기존 고전적 CFD와 비교해 양자 기반 CFD의 정밀도를 95% 이상 확보하는 것이 연구 목표다.

첫 적용 질환은 심방세동이다. 연구팀은 심방세동을 대상으로 분석체계를 구축한 뒤 다른 심장질환으로 연구 범위를 확대할 계획이다.

연산 과정에는 변분양자알고리듬(VQA), 크릴로프 부분공간 탐색, 고전적 섀도우 측정, 비마르코프 양자오류완화 등 네 가지 기법을 결합한다.

변분양자알고리듬은 양자컴퓨터가 후보 해를 제시하면 고전 컴퓨터가 오차를 계산하고 이를 다시 양자컴퓨터에 반영하는 과정을 반복하는 방식이다. 크릴로프 부분공간은 해답 가능성이 높은 영역을 중심으로 탐색해 계산 범위를 줄이는 데 사용한다.

고전적 섀도우 기법은 여러 물리량을 동시에 추정하는 데 활용하며, 비마르코프 양자오류완화는 양자컴퓨터의 잡음 영향을 줄이는 역할을 맡는다.

세 기관은 역할도 나눴다.

서울성모병원은 CT 영상과 임상 경과·예후 자료 확보, 환자 추적과 4D Flow MRI를 이용한 검증을 담당한다. 서울시립대학교는 양자알고리듬과 양자 해법을 개발하고 실제 ‘양자이득’ 여부를 판단할 성능지표를 만든다.

플로우닉스는 자체 개발한 4D Flow MRI 기반 혈류 분석 자동화 플랫폼 ‘플로우닉스 스트림라이너(Flonics-Streamliner)’를 이용해 양자 CFD의 정확도를 검증한다.

연구책임자인 윤종찬 서울성모병원 순환기내과 교수는 “계산 비용이 가장 큰 CFD Solver 단계에 양자알고리듬과 오류완화 기법을 적용해 실제 임상에서 양자이득이 나타나는 조건을 확인하고자 한다”고 말했다.

안도열 교수는 “양자알고리듬의 이론적 가능성에 그치지 않고 목표 정확도를 유지하면서 회로 자원과 측정 횟수를 얼마나 줄일 수 있는지 수치로 규명할 것”이라고 설명했다.

연구팀은 향후 검증 결과를 토대로 적용 범위를 다른 심혈관질환으로 넓히고, 뇌혈관질환이나 의료영상 기반 진단 분야 등으로 확장할 가능성도 살펴볼 계획이다.

이설아 더파워 기자 seolnews@thepowernews.co.kr