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텍스트 | 아미노 관찰

다음 레오나르도 다빈치는 누구인가? 이는 의료계가 가장 주목하고 있는 문제일 것이다.

다빈치 수술로봇은 독보적인 혁신적인 기술로 수술로봇의 대명사가 되었습니다. 그러나 광범위한 수술 적용 시나리오와 많은 문제점을 고려할 때 시장은 다양한 시나리오에서 수술 로봇에 대한 높은 기대를 갖고 있습니다.

현재 미세수술 로봇은 차세대 기술 고지대일 뿐만 아니라 차세대 폭발 분야이기도 합니다. 수십 년간의 탐구 끝에 이 분야는 '특이점' 순간에 점점 더 가까워지고 있습니다.

올해 2월 해외 미세수술 로봇 분야의 스타 기업인 메디컬 마이크로인스트루먼츠(Medical Microinstruments)가 1억1천만 달러라는 막대한 자금을 지원받았다.

국내에서는 Angtech Microelectronics, Dishi Medical 등의 기업이 이미 계획을 수립하고 진행 속도를 높이기 위해 계속해서 자금 지원을 받고 있습니다. 예를 들어, Dishi Medical은 눈 수술을 진입점으로 삼고 있으며 현재 중국에서 확증적인 임상 시험을 실시했습니다.

그렇다면 미세수술 로봇 분야에서는 차세대 레오나르도 다빈치가 탄생할 수 있을까?

/ 01/ '사람'이 해결할 수 없는 과제

수술 분야에서 미세수술은 의심할 여지 없이 기술적 우위를 점하고 있습니다. 소위 미세수술은 광학 확대 장비와 미세수술 장비를 사용하여 매우 작은 범위에서 복잡하고 정밀한 수술을 수행하는 것을 말합니다.

전통적인 미세수술에서 의사는 현미경을 사용하여 1밀리미터 또는 심지어 10분의 1밀리미터에 불과한 혈관과 신경을 탐색하고 찾은 다음 미크론 단위로 측정되고 거미줄만큼 얇은 봉합사를 사용하여 정확하게 수리해야 합니다. 모든 중요한 혈관과 신경을 봉합합니다.

미세수술의 시야는 보통 2~3cm에 불과하기 때문에 의사의 손이 조금만 흔들려도 수술의 성공 여부에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 이를 위해서는 미세외과 의사의 기술이 꾸준하고 정확하며 정확하고 숙련되어야 합니다.

현재는 현미경과 장비의 발전 덕분에 미세외과 의사들이 직경 0.3~0.8mm 사이의 혈관을 연결해 슈퍼미세수술을 시행할 수 있게 됐다.

미세수술의 독특한 장점을 바탕으로 안과, 이비인후과, 신경외과, 성형외과, 비뇨기과 등 다양한 외과 전문 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

급속한 발전에도 불구하고 미세수술에는 한계가 있습니다.

첫째, 실수할 확률이 여전히 높다. 미세수술은 오류가 발생할 여지가 거의 없는 극도의 정밀성을 요구하며, 아주 작은 떨림이라도 불필요한 해를 끼칠 수 있습니다. 이론적으로는 이러한 부상을 피해야 하지만 수술의 복잡성으로 인해 여전히 어려운 점이 많습니다. 임상적으로 다양한 합병증이 나타나게 되며 그 비율도 낮지 않습니다. 데이터에 따르면 망막앞막 박리 수술의 합병증 발생률은 2~30%입니다.

둘째, 장기 수술은 쉽게 더 많은 불확실성을 가져올 수 있습니다. 환자의 상태에 따라 미세수술 수술은 몇 시간에서 10시간, 심지어는 30시간 이상 지속될 수 있습니다. 그러므로 모든 수술은 의사의 기술과 인내력에 대한 궁극적인 도전입니다. 게다가 이는 피로를 유발하고 의도하지 않은 오류의 위험을 증가시킬 수 있습니다.

셋째, 임상실습에 있어서 가장 제한적인 점이기도 하다. 외과의사의 훈련은 어렵고 시간도 매우 오래 걸린다. 미세수술은 외과의사의 높은 수술 기술을 요구하고 외과의사가 그러한 수술을 임상적으로 수행하기 전에 광범위한 훈련이 필요하기 때문입니다. 한편으로는 의사의 재능과 인내가 필요하지만, 다른 한편으로는 장기적인 훈련도 필요합니다. 절단된 손가락 이식 수술(미세수술의 대표적인 기술)을 완료할 수 있는 미세외과 의사는 일반적으로 3년의 훈련이 필요하며, 전체 훈련 주기는 10년 이상이 걸릴 수도 있습니다.

따라서 다양한 제약 속에서도 전 세계 의료계에서는 미세수술에 로봇 기술을 적용하는 방안을 모색하고 다양한 미세수술로봇(MSR) 시스템을 개발해 왔다.

열기가 점점 더 높아지고 있습니다. 2000년부터 2022년까지 매년 발표된 MSR 관련 논문 수는 구글 학술검색에서 다양한 키워드를 검색하여 구하였다. 그림에서 알 수 있듯이 MSR 관련 연구는 전반적으로 증가하는 추세이다.

MSR 시스템이 미세수술 분야에 큰 영향을 미칠 수 있다는 다양한 징후가 있습니다.

/ 02/ 체인지메이커의 지속적인 등장

심오한 문제점을 바탕으로 전 세계 많은 기업들이 이 분야에 집중하고 있으며, 탐색 과정에서 다양한 기술 아이디어가 등장했습니다.

하나는 휴대용 로봇 시스템이다.

휴대용 로봇 시스템에서는 수술 도구 자체가 "로봇 도구"라고 불리는 작은 로봇 시스템으로 수정됩니다. 외과 의사는 수술 절차를 수행하기 위해 이를 조작합니다. 로봇 도구는 떨림 제거, 깊이 잠금 등의 기능을 제공하므로 "안정된 손"이라고도 합니다.

'마이크론'이 대표적인 예다. 손에 쥐는 조작기를 통해 자신의 움직임을 감지하고 손떨림 등 잘못된 움직임을 선택적으로 걸러내는 것이 핵심이다. 그런 다음 로봇은 활성 오류 보상을 통해 공구 팁에서 안정적인 동작을 생성합니다. Micron 로봇은 작동하기 쉽고 홀더에 쉽게 장착되고 기존 수술용 현미경과 호환되는 실제 미세수술 기구를 고정하는 암이 장착되어 있습니다.

둘째, 원격제어 로봇시스템이다.

원격 조작 로봇 시스템에서 외과 의사는 마스터 모듈을 조작하여 슬레이브 모듈을 제어하고, 슬레이브 모듈은 외과 의사의 손을 대체하여 수술 도구를 조작합니다. 이 시스템은 서보 알고리즘을 통해 모션 스케일링과 떨림 필터링을 통합합니다. 또한 수술 도구 끝에 촉각 피드백이나 깊이 감지 알고리즘을 통합하여 3차원 인식을 가능하게 합니다.

대표적인 예로는 컴퓨터, 입력 모션 컨트롤러, 기구 조작기 및 수술대 장착형 머리 받침대로 구성된 "Preceyes 수술 시스템"이 있습니다. 최적의 성능을 위해 설계된 이 시스템은 기계적 RCM, 정전 보호 및 최소화된 조인트 토크를 제공하는 평행사변형 연결 장치와 조정 가능한 균형추를 갖추고 있습니다. PSS는 동적 스케일링을 사용하여 거친 동작을 기구 팁의 정확한 4축 동작으로 변환합니다. 또한 OCT 기반 거리 경계를 활용하여 의도하지 않은 움직임을 방지하고 떨림 필터링을 통합하여 의원성 망막 외상을 줄입니다. 다른 기능으로는 촉각 피드백, 자동 기구 교체, 망막에 가까운 청각 피드백, 사고 발생 시 즉각적인 프로브 제거를 위한 향상된 후퇴 메커니즘 등이 있습니다. 이러한 기능은 정밀도와 안전성을 높이고 우발적인 조직 손상 위험을 줄입니다.

셋째, 공동으로 운영되는 로봇시스템이다.

공동 조작 로봇 시스템에서는 외과의사와 로봇이 동시에 수술 도구를 조작합니다. 외과의사가 수술 도구를 수동으로 직접 조작하여 움직임을 제어하고, 로봇이 보조 역할을 하여 손 떨림에 대한 보조 보상을 제공하고 수술 도구가 장기간 고정될 수 있도록 합니다.

DiShi Medical의 DiShi Weifeng 안과 수술 로봇이 대표적인 예입니다. 이 수술 시스템에서는 마스터 핸드가 의사이고, 슬레이브 핸드가 로봇으로 의사의 의도에 따라 움직인다. 전체 주입 과정은 먼저 의사가 로봇 짐벌을 제어하여 안구 내 위치를 지정한 다음 핸들을 제어하여 점차적으로 끝 부분을 망막 병변 부위에 가깝게 만듭니다. 망막하 위치에 약물을 주입해야 하는 경우 로봇은 움직이지 않고 인간의 손이 더 이상 개입하지 않으며 약 3분이 소요됩니다. 약액 200 마이크로리터를 주입하는 경우, 로봇이 천천히 주입하는 과정에서 의사는 주입 후 시간, 속도, 유속만 모니터링하면 된다. 항상 의사의 감독하에 있으며 의사결정도 의사가 합니다.

넷째, 부분 자동화된 로봇 시스템입니다.

부분적으로 자동화된 로봇 시스템에서는 특정 절차나 절차 단계가 로봇에 의해 자동으로 수행됩니다. 로봇은 수술 도구의 움직임을 직접 조작하고 제어합니다. 처리된 영상정보는 피드백과 안내로 로봇에 제공됩니다. 시각적 정보가 동시에 외과의사에게 전송되며 외과의사는 부분 자동화 수술을 감독하기 위해 언제든지 무시 명령을 내릴 수 있습니다.

이 분야에서는 'IRISS' 시스템이 대표적인 예이다. 'IRISS' 시스템을 기반으로 외과의사는 한 쌍의 맞춤형 마스터 컨트롤러를 통해 슬레이브 매니퓰레이터를 원격으로 작동하고, 헤드업 모니터를 통해 수술 중 3D 시각적 피드백을 관찰하여 시각적 정보를 얻습니다. 또한 시스템은 로봇 수술의 제어 성능과 안전성을 향상시키기 위해 떨림 필터링 및 모션 스케일링 기능을 제공합니다. IRISS의 성능은 격리된 돼지 눈에서 검증되었으며, 외과 의사들은 전수정체낭절제술, 유리체절제술, 망막정맥 삽입술 및 기타 복잡한 수술을 포함하여 IRISS를 사용하여 일련의 유리체망막수술을 성공적으로 수행했습니다.

그러나 탐색하는 플레이어가 많지만 객관적으로 말하면 대부분의 기업은 아직 탐색 초기 단계에 있습니다. 따라서 이 분야의 폭발은 여전히 ​​특이점 순간이 도래할 때까지 기다려야 합니다.

/ 03/ 특이점의 순간을 기다리며

이러한 기술 혁신이 성공하려면 먼저 일련의 복잡한 문제를 해결해야 합니다.

첫째, 임상 및 공학 영역의 문제를 효과적으로 해결하기 위한 학제간 접근이 필요합니다. 기능의 논리적 위치 지정은 매우 명확하지만(정확한 위치 지정 및 지터 방지) 적절한 하드웨어를 먼저 개발해야 합니다. 예를 들어, 일부 로봇에는 기존 로봇 팔이 이러한 고정밀 요구 사항을 충족할 수 없는 기능이 필요할 수 있습니다. 따라서 기본부터 시작하여 제어 시스템의 구축과 전체 기계 구조의 설계를 포함하여 완전히 독립적으로 설계해야 합니다.

동시에 임상 사용 요구 사항을 충족하기 위해 이러한 고정밀 부품을 조립하는 과정도 상당히 복잡합니다. 예를 들어 DiShi Medical은 왼쪽 눈에 수술이 필요한 경우 기계를 왼쪽에 배치하고, 오른쪽 눈에 수술이 필요한 경우 프로토타입을 오른쪽에 배치한다고 언급했습니다. 실제 사용에서는 모바일 로봇이 상황을 복잡하게 만듭니다. 문제는 로봇의 동작 스트로크가 동공 간 거리가 1만큼 증가한다는 것입니다. 불과 몇 센티미터에 불과하지만 기계 구조의 변화로 인해 무게가 변화하고 이에 상응하는 모터의 부하도 변경됩니다. 많은 핵심 구성 요소와 기계 장치가 있습니다. 구조를 재설계해야 합니다.

둘째, 로봇의 디자인은 의사의 수술 조건을 충족해야 합니다. 로봇은 고립되어 존재하지 않습니다. 의사의 요구 사항과 문제점을 깊이 이해하는 것이 핵심 노하우입니다. 따라서 기업에는 풍부한 의사 자원이 필요하며, 전문 엔지니어는 외과 의사와 긴밀히 협력하여 효과적인 상호 작용을 완료해야 하며 동시에 임상 요구 사항을 충족하지 않는 일부 기능도 제거해야 합니다. 의료기기 관련 표준을 보유하고 있으며, 지속적으로 반복할 수 있는 능력을 보유하고 있습니다.

제품 개발이 성공하더라도 후속 상용화에는 의사 교육 등 많은 문제가 따른다. 근본적으로 로봇은 의사 교육 과정을 예를 들어 10년에서 5년으로 단축할 수 있다. 그러나 임상의와 환자의 신뢰를 얻기 위해서는 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다.

전체적으로 제품 성능은 '1', 의사 교육 등의 이슈는 '0'이다. 현재 미세수술 로봇의 핵심 임무는 '1' 문제를 해결하는 것이며, 그래야만 다중 '0'의 축적에 대해 이야기할 수 있는 자격을 얻을 수 있습니다.