특별기획 03 - 비침습 수술을 향한 의료용 로봇의 진화
▲ 권동수 교수 KAIST 기계공학과 kwonds@kaist.ac.kr
▲ 이현영 박사과정 KAIST 기계공학과 leehy@robot.kaist.ac.kr
최근 수술은 미용적 장점과 수술 후 부작용을 최소화하는 단일통로복강경 수술과 자연개구부를 통한 비절개 수술의 방향으로 발전하고 있다.
이와 같은 수술법 개발흐름에 발맞추어, 수술에 로봇을 접목시킨 원격 수술로봇 시스템 또한 빠르게 진화하고 있다.
수술로봇 시스템은 수술자의 피로도를 최소화하는 원격 시스템으로 개발되고 있으며, 직관적인 움직임을 형성하는 수술도구와 최적화된 복강 내 영상 시스템, 그리고 인체공학적 마스터 시스템으로 구성된다.
수술로봇 시스템을 통한 로봇수술의 타당성은 이미 수년간에 걸쳐 입증되었으며, 점차 다양한 수술 분야로 그 적용이 확대되고 있다.
개복 수술의 단점을 보완한 복강경 수술
흔히 ‘수술’을 떠올리면 복부에 큰 절개부위 흉터자국이 남아있을 듯한 외과 개복수술을 자연스럽게 머릿속에 떠올리게 된다.
이러한 개복수술은 자칫하면 심한 통증과 발열 반응으로 이어질 수 있는 수술 절개 부위의 염증, 체내 거부반응, 장기 유착 등의 여러 수술 후유증이 뒤따를 가능성이 있다.
적절한 치료와 회복단계를 거치면 위와 같은 수술 후유증을 최소화 할 수는 있지만, 절개부위로 인해 생긴 복부의 커다란 흉터는 환자가 평생 안고 가야 할 큰 심리적 스트레스 요인이 된다.
이러한 개복 수술의 여러 부작용과 단점을 보완할 수 있는 새로운 방법의 수술이 바로 복강경 수술이다.
복강경 수술은 최소 침습 수술(MIS, Minimally Invasive Surgery)의 한 형태로, 기존의 큰 절개부위를 생성하는 개복 수술과는 달리 복부에 수술 도구와 내시경 삽입을 위한 최소 개수의 절개창을 통해 진행하는 수술을 의미한다.
복강경 수술의 개발 발전 초기인 1980~1990년대에는 그 적용이 충수 절제술(Appendectomy)과 담낭절제술(Cholecystectomy) 정도의 분야 정도로, 그 수술이 상당히 한정적으로 이루어졌다.
하지만 현대 의료 기술의 급격한 발전에 힘입어 복강경 수술의 적용 분야 또한 점차적으로 확대되었으며, 현재에는 전 세계적으로 비뇨기과, 산부인과, 그리고 소화기내과 등 거의 모든 외과수술 영역의 각 분과별로 크게 확장, 적용되고 있다.
우리나라의 경우, 복강경 수술은 1990년대 초반, 복강경 담낭절제술의 도입을 시작으로 빠른 속도로 발전되어 담낭절제술의 표준 술식으로 자리 잡았을 뿐 아니라, 약 20년이 지난 오늘날에는 이미 아시아 최고에 달하는 수준의 쾌거를 이루어냈다.
복강경 수술의 특징과 수술법
복강경 수술시 각 절개창은 환부의 크기와 수술의 난이도에 따라 수술시 요구되는 최소 개수로 하는 것이 보통이다.
때문에 환자의 주요 심리적 스트레스 유발 요인인 미용적 측면에서 가장 큰 장점을 보인다.
또한 절개부위의 최소화에 따른 감염과 통증의 최소화, 회복 시간의 단축 등이 기존의 개복수술의 한계점을 극복한 가장 큰 차별화된 특징이라 할 수 있다.
복강경 수술은 그 절개창의 개수에 따라 다공법 복강경 수술(Mult - port Laparoscopic Surgery)과 하나의 절개창만을 이용하는 단일통로 복강경 수술(SPLS, Single-Port Laparoscopic Surgery)로 그 분류가 가능하다.
전형적인 복강경 수술인 다공법 복강경 수술의 경우, 복부에는 평균 0.5~1.5㎝의 크기를 가진 약 3~6개의 절개창을 형성하며, 각 절개창에 복강경 카메라와 수술도구가 삽입된다.
단일통로 복강경 수술은 다공법 복강경 수술에서의 다수의 절개창과는 다르게 배꼽 또는 복벽을 중심으로 단일 절개창만을 형성하는 수술법을 의미한다.
거의 대부분의 단일통로 복강경 수술은 배꼽부위의 절개를 통하여 이루어지며, 다공법 복강경 수술에 비해 더 우수한 치유효과와 무흉에 가까운 미용적 이점을 가진다( 그림 1 참조).
위와 같은 복강경 수술은 공통적으로 환자에게 미용적인 이점과 빠른 회복시간, 그리고 최소화된 수술 후유증을 제공함으로써 각광을 받고 있는 것이 사실이다.
하지만 장시간의 복강경 수술이 지속될 경우, 수술자의 근육 피로도의 급격한 증가에 따른 손떨림(Tremer)의 증가와 이에 따른 수술 정밀도의 하락을 유발할 수 있다.
특히 단일통로 복강경 수술의 경우, 다공법 복강경 수술에 비해 더욱 제한적인 조건으로 수술이 이루어지므로 더 높은 난이도의 기술과 시간이 요구되며, 단일통로를 통한 복강경 카메라와 다수의 기구 삽입에 따른 기구 사이의 충돌 문제 또한 쉽게 해결되기 어려운 중요한 문제점으로 지적된다.
결과적으로, 이와 같은 전통적인 수동 복강경 수술에서의 단점을 해결하기 위해 수술에 로봇을 접목시킨 수술 로봇 플랫폼 개발 연구가 시작되었다.
복강경 로봇 시스템 구성
수술에 로봇을 접목시킴에 있어 기대할 수 있는 큰 이점은 수술도구의 수동 조작시 정확도를 높이고 미세 조작을 가능케 하는 수술의 성능 향상과 수술자의 작업 피로도(Work Load) 최소화에 있다.
대부분의 수술로봇 시스템은 공통적으로 마스터-슬레이브(Master-Slave System)로 이루어진 원격 조종(Tele- Operation) 시스템의 기본 형태를 가진다.
마스터-슬레이브 시스템은 마스터 조종장치의 움직임에 따른 입력 값을 컴퓨터를 통하여 최종 제어 대상인 슬레이브 시스템의 출력 값으로 변환하여 움직임을 구현하는 시스템을 뜻한다.
따라서 로봇 수술시, 수술자는 마스터 입력 장치의 조작을 통해 슬레이브인 수술도구의 움직임을 원격으로 제어하며 전통적인 복강경 수술시의 직접적인 도구의 조작을 대체한다.
위와 같은 원격 조종 로봇 시스템은 앞서 언급한 수술자의 작업 피로도 감소 구현과 동시에 수술 성능 향상의 이점을 동시에 구현할 수 있다.
복강경 로봇 시스템의 슬레이브 시스템은 수술도구와 내시경, 그리고 이들의 대략적인 초기화 위치를 결정하고 동력을 전달해주는 역할을 하는 다수의 외부 팔로 구성된다.
로봇 수술 전용 수술도구는 원격으로 의사가 수술을 진행한다는 점에서 개복 수술 또는 복강경 수술에서 쓰이는 복강경 수술도구와는 차별화된 구조를 가질 수밖에 없다.
로봇 수술시, 수술도구의 움직임은 개복 수술에서 수술자의 손동작을 대신한다는 점에 있어 그 직관성을 고려한 구조 개발이 매우 중요하다. 개복 수술의 경우, 수술자는 복강 내에서 자유롭게 손동작을 사용하여 수술을 진행하게 된다.
따라서 전형적인 대부분의 복강경 수술로봇 전용 수술도구는 개복 수술시 수술자의 손목 움직임을 복강 내에서 동일하게 구현 가능토록 하는 손목관절(Wrist Joint)을 가짐으로써 수술도구를 통한 다양한 움직임 형성이 가능하도록 개발되었다.
마스터 시스템은 슬레이브의 움직임을 직접 조종하는 마스터 장치와 마스터 장치의 위치 조종, 복강경 카메라의 움직임 조종, 그리고 소작기 제어를 위한 다수의 발 클러치, 마지막으로 복강경 카메라 영상의 비전 시스템으로 나눌 수 있다.
복강경 로봇 시스템 제품
전 세계적으로 개발된 복강경 수술 로봇 중 가장 대표적인 시스템으로는 독일 DLR에서 개발된 MiroSurge, 폴란드의 TUE의 Robin Heart, 미국의 워싱턴 대학에서 개발된 Raven 시스템, Intuitive Surgical사의 da Vinci 등이 있다( 그림 2 참조).
이 중 전 세계적으로 유일하게 상용화에 성공한 수술 로봇 시스템으로는 Intuitive Surgical사의 da Vinci가 유일하다( 그림 3 참조).
da Vinci는 복강경 수술 로봇 시스템으로 최초로 2000년대에 미국 FDA 승인을 거쳐 본격적인 상용화를 시작, 현재까지 다수의 제품 개선을 거쳐 최근 da Vinci Xi 시스템을 개발·상용화하였다.
da Vinci 시스템은 인체공학적 마스터 시스템과 복강경 카메라 영상의 입체적인 구현으로 기존의 복강경 수술의 단점을 극복하였으며, 신뢰성 높은 시스템의 구현 및 동작을 바탕으로 로봇 수술에 대한 안정성과 신뢰성을 세계 적으로 입증한 최초의 시스템이다.
결과적으로 da Vinci 시스템의 성공적인 의료 수술 시장의 진입은 수술 로봇 분야 연구를 더욱 활성화시킴과 동시에 이와 기능적, 분야적 차별성을 둔 다양한 제품의 개발이 더욱 활발해지는 계기가 되었다.
최근 KAIST에서도 기존의 수술로봇의 한계를 극복한 차세대 최소 침습 로봇 시스템인 APOLLON이 개발되었다( 그림 4 참조).
APOLLON은 다공법 복강경 수술에만 한정되었던 기존의 로봇 시스템들의 적용 분야를 단일통로 복강경 수술까지 확장시킨 최소침습 수술로봇 시스템으로, da Vinci 시스템의 높은 가격과 큰 시스템 부피 측면에서의 차별성을 꾀한 소형·경량의 다자유도 수술로봇 시스템이다.
새로이 개발된 APOLLON 시스템의 수술도구는 전형적인 손목 관절의 움직임만을 가진 로봇 수술 전용 수술도구에 추가적인 움직임을 구현하기 위한 팔꿈치 관절(Elbow Joint)을 가짐으로써 복강 내 수술도구의 움직임과 작업 영역의 확보를 실현한 것이 다른 시스템들과의 가장 큰 차별점이다.
따라서 단일통로 복강경 수술에서의 제한된 절개창을 통한 수술도구의 삽입에도 불구하고 병변으로의 접근이 상당히 용이한 점에 큰 장점이 있다.
또한 수술도구 자체적인 작업 영역의 확장을 통해 기존의 로봇 시스템에서 이와 같은 역할을 하던 외부 팔의 부피를 소형화함으로써 전체적인 시스템의 소형화가 이루어졌고, 이와 동시에 저가의 시스템 개발이 가능해졌다.
APOLLON은 다양한 성능 테스트와 임상실험, 그리고 지속적인 기술적 발전을 통하여 제2의 da Vinci 로봇으로서의 상용화를 꿈꾸고 있다.
자연 개구부내시경 시스템
한편, 최소침습수술과는 또 다른 개념의 수술 분야로 자연 개구공내시경수술(NOTES, Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery)이 존재한다.
이는 앞서 언급한 복강에서의 최소 침습을 통한 수술과는 차별화되는 방법으로, 입, 항문, 질 등의 자연 개구부를 통해 카메라와 수술도구가 모두 삽입되어 진행되는 수술을 의미한다.
자연 개구부를 통한 삽입이기 때문에 외부의 절개상처는 생성되지 않으며, 최소 침습 수술과 동일하게 수술에 따른 부작용과 감염이 최소화된다는 장점이 존재한다.
자연 개구부내시경 수술에서는 하나의 자연 개구부를 통해 여러 수술 기구와 카메라의 삽입이 이루어져야 한다.
따라서 자연 개구내시경수술에 로봇을 접목시킨 수술 시스템은 이를 동시에 병변까지 이르게 하는 가이드 역할의 오버튜브(Overtube)와 오버튜브 내부에 삽입되는 연성의 관절 구조를 가지는 수술도구, 그리고 초소형의 카메라로 구성된 슬레이브와 이를 조종하는 마스터 장치로 구성된다.
자연 개구공내시경 수술로봇 시스템 또한 위와 같은 공통된 플랫폼으로 전 세계적으로 활발하게 개발되어 왔다.
KAIST에서도 2008년부터 2012년까지, 총 5년에 걸쳐 K-NOTES(KAIST-NOTES)를 개발, 충남대학교 수의대학병원과 함께 3차례에 걸친 동물 실험으로 시스템의 사용 가능성을 검증한 바 있다( 그림 5 참조).
자연 개구부내시경 시스템은 공통적으로 최소침습 수술로봇 시스템에 비교하여 더 많은 공간적, 크기적 제약을 가지기 때문에 그 구현이 비교적 까다로울 뿐만 아니라, 크기의 제한에 따른 높은 화질과 넓은 시야를 가진 고성능의 카메라가 적용되기 어렵다는 단점이 존재한다.
하지만 이러한 기술적 한계점이 존재함에도 불구하고 로봇을 적용시킨 NOTES 수술은 현재까지 다수의 동물 임상실험으로 그 실현 가능성이 충분히 증명되었으며, 앞으로의 꾸준한 발전과 실험을 통한 상용화가 시작될 날을 기대해 볼 수 있을 것이다.