의료분야에 적용되는 햅틱(Haptic) 기술

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의료분야에 적용되는 햅틱(Haptic) 기술

|작성 : 이 창 환|

•• 햅틱 기술이란?

•• 햅틱 기술의 구성과 응용

•• 의료분야에서의 햅틱 기술 활용 현황

•• 의료분야에서의 햅틱 기술의 향후 전망

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의료분야에 적용되는 햅틱(Haptic) 기술

∙ 햅틱스는 가상환경 또는 조종기와 로봇 등을 이용하여 원격으로 물체를 만지는 환경에서 사용자에게 촉각정보를 전달하는 방법과 관련된 연구의 총칭이다.

∙ 햅틱장치는 크게 ‘힘 피드백’과 ‘촉각 피드백’의 두 영역으로 나뉘는데, ‘힘

피드백’은 기계적 인터페이스를 이용해 사용자에게 힘과 운동감을 느끼도록

하는 기술로 이미 일상생활에서 쉽게 경험할 수 있다. ‘촉각 피드백’이 가장 많이 활용되는 곳은 의학 분야이다. 컴퓨터 화면에 3차원 해부학적 구조를 보면서 환부를 직접 시술할 수 있는 3차원 영상이 실시간으로 컴퓨터 화면에 나타난다.

여기에 압축 공기나 전기 등으로 움직이는 작은 핀과 같은 기구를 이용하여, 실제로 피부 조직 등을 만지는 것 같은 촉감이 전달되어 실제 상황과 거의 비슷한 환경을 구현하게 된다.

∙ 햅틱 인터페이스의 기술에는 역감제시장치로는 Sensable사의 Phantom, Force Dimension사의 Omega 그리고 Immersion사의 Cyber Force 등이 개발되었고, 질감제시장치로는 구동기에 따라 전기촉감제시장치, 공기촉감제시장치, 진동 촉감제시장치, 촉감제시장치 등이 개발되어있다.

∙ 향후 햅틱제어기술은 사용자가 마치 실제의 환경을 직접 만지고 조작하는 것처럼 느껴지게끔 높은 몰입감 및 사실성을 제공하는 쪽으로 발전해 나갈 것이다. 또한, 단순한 강체뿐 아니라 변형체 및 점탄성체, 혹은 국소적으로 강성이 변하는 객체 등 매우 다양한 객체에 대하여 그리고 다자유도 상호작용, 매우 불확실한 원격조작에서도 안정적이고 투명한 상호작용이 이루어지도록 진행될 것이다.

∙ 의료분야에서 햅틱기술을 사용함으로써 가상공간에서 실제감을 느끼게 해주게 되는데, 의료용 훈련기인 의료 시뮬레이터, 세포조작기, 재활장비 등에서 주로

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이용되고 있다.

∙ 마취나 시침 등의 바늘을 이용한 시술의 의료 시뮬레이션은 생체의 변형을 시뮬레이션 하는데 계산의 복잡도가 적어서 햅틱 시뮬레이션이 비교적 수월 하다는 장점이 있다. 도관 삽입법, 내시경 검사법, 경막외 마취법, 척추 생검법 등의 시술을 위한 시뮬레이터들이 개발되어 있다.

∙ 복강경 기반의 의료용 시뮬레이터는 컴퓨터 모니터와 자체 개발된 햅틱 장비를 이용하여 훈련자에게 시술에서 일어나는 시각, 촉각적인 감각을 습득할 수 있다.

Immersion사의 복강경용 훈련기, Simbionix사의 랩멘토, Haptica사의 프로미스 등이 개발되어 있다.

∙ 햅틱 기술의 도입으로 줄기세포나 정자주입술 등과 같이 기계를 이용하여 세포를 직접 조작하는 세포수술에서 세포 변형에 따른 힘제어가 가능하여 세포에 적절한 힘이 가해져서 세포변형이 방지됨으로써 세포수술의 성공률이 높아지게 되었다.

∙ 재활공학에서는 햅틱기술이 도입되어 환자의 운동감각과 균형감각의 향상을 위한 훈련에 적절한 촉각자극을 이용한 요법이 적용되고 있다. 또한, 다양한 가상환경을 구현하고 조종할 수 있는 재활치료에 활용되고 있다.

∙ 수술 로봇의 급격한 보급 확대로 향후 의료분야에서의 햅틱 기술은 보다 광범위하게 적용될 것으로 예상된다. 그리고 햅틱장비의 출력을 증강하기 위하여 압전형 구동기나 형상기억합금 등의 지능형 구동기술 등으로의 발전과 고출력 고안전 햅틱 장비를 설계하는 기술에서는 지속적인 개선이 예상된다.

햅틱 렌더링 기술에서, 실제 생체에 기반을 둔 시뮬레이션 알고리즘 개발과 다양한 형태의 충돌검사 기법의 개발이 중점적으로 이루어질 것이다. 햅틱장비 개발 및 프로그래밍 등에 있어서 표준화작업도 관심을 가져야 할 것이다.

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햅틱 기술이란?

햅틱기술의 정의 및 유래

∙ 햅틱(Haptic)이라는 단어의 어원은 ‘만지다’라는 의미의 그리스어 ‘Haptesthai’에서 유래되었다.

사람의 촉각을 구체적으로 표현하는 단어 중 손가락과 팔 등의 근감각을 통해서 만지는 환경을 느끼는 ‘kinethetic’과 피부의 직접적 접촉을 통해 접촉 환경을 느끼는 과정을 의미하는 ‘tactile’

이라는 단어가 있는데 ‘kinethetic’은 가상객체의 강성, 무게, 관성과 관련 있으며 ‘tactile’은 가상객체의 표면거칠기, 온도 등과 관련 있다. ‘haptic’은 ‘kinethetic’과 ‘tactile’ 단어의 의미를 포함하여 촉각과 관련된 모든 감각을 합쳐서 부르는 일반적인 용어로 사용되고 있다.

∙ 햅틱스는 가상환경 또는 조종기와 로봇 등을 이용하여 원격으로 물체를 만지는 환경에서 사용자에게 촉각정보를 전달하는 방법과 관련된 연구의 총칭이다. 햅틱스는 대표적인 학제간 연구의 하나로, 인간이 촉감 및 역감을 인지하는 생물학적 과정을 연구하는 신경 생리학, 심리학적 과정을 연구하는 인지 심리학, 촉감 및 역감을 생성하는 장치를 설계하고 제작하는 기계공학 및 전자공학, 촉감 생성장치를 이용하여 촉감을 만드는 과정을 모델링하고 그 알고리즘을 연구하는 컴퓨터 공학 등 다양한 분야의 지식과 연구 결과가 종합적으로 활용되는 분야이다.

∙ 햅틱기술은 1950년대 원자로 작업로봇의 원격제어를 위한 원격조작기술(teleoperation)에서 시작 되어 1970∼80년대에서는 로보틱스 분야에서 많이 활용되다가 1990년대 초반 미국 MIT의 Touch Lab과 AI Lab을 중심으로 본격적 연구가 시작되었다. 유럽, 캐나다, 일본, 한국 등에서도 활발한 연구가 이루어지고 있는 가운데, 2000년대에 들어 햅틱 커뮤니티와 국제 햅틱스 학회가 결성되어 활발한 정보 교환이 이루어지고 있다.

<햅틱장치의 예 : 촉감 장갑>

자료 : 동아일보 2003.7.1, http://www.donga.com/news/print_web.php?n=200307010252

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햅틱 기술의 구성과 응용

햅틱 인터페이스의 구성

∙ 햅틱 기술을 이용한 시뮬레이터를 만들려면 햅틱 장치와 햅틱 렌더링, 컴퓨터 그래픽스 기술이 필요하다.

∙ 햅틱 장치는 일종의 로봇팔과 같은 기계적 장치로, 사람과 가상환경과의 상호 작용을 위해 고안된 것이다. 사람은 햅틱 장치를 통해 가상 환경에 명령을 내리고 가상환경에서 오는 촉감이나 힘을 느끼게 된다.

∙ 햅틱장치는 크게 ‘힘 피드백’과 ‘촉각 피드백’의 두 영역으로 나뉘는데, 이 가운데 ‘힘 피드백’은 기계적 인터페이스를 이용해 사용자에게 힘과 운동감을 느끼도록 하는 기술로 이미 일상생활에서 쉽게 경험할 수 있다. 예를 들어 놀이동산에서 상영되는 다이내믹한 영화에서는 화면이 움직이는 대로 의자가 움직여 속도감이나 충돌감을 전달해 관객 자신이 그 장면 속에 있는 듯한 느낌을 주게한다. 이것이 햅틱스의 힘 피드백을 활용한 예이다. 또한 게임 기계에서 총을 쏘면 실제로 조이스틱이 흔들리고, 웹에서 마우스 커서가 버튼을 건드리면 그것을 손끝으로 느끼게 하는 경우도 힘 피드백 영역이다.

<햅틱인터페이스의 구성>

자료 : 경기욱, 박준석, 햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망, 전자통신경향분석, 21(5), pp.93~108, 2006.10.

∙ ‘촉각 피드백’이 가장 많이 활용되는 곳은 의학 분야이다. 컴퓨터 화면에 3차원 해부학적 구조를 보면서 가상의 환자를 대상으로 환부를 직접 시술할 수 있는 3차원 영상이 실시간으로 컴퓨터 화면에 뜬다. 여기에 압축 공기나 전기 등으로 움직이는 작은 핀과 같은 기구를 이용하여, 실제로 피부 조직 등을 만지는 것 같은 촉감이 전달되어 실제 상황과 거의 비슷한 환경을 구현하게

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된다. 한의사가 진맥을 통한 진동을 손끝의 햅틱 센서를 이용하여 환자의 건강, 임신 유무 등을 판단하는 것이 햅틱 장치에 의한 의료 기술의 단적이 예라 할 수 있다.

∙ 햅틱 인터페이스가 주어지면 이를 제어하고 컴퓨터 그래픽에서처럼 가상물체를 생성하는 소프트웨어 처리 과정이 필요한데, 이를 햅틱 렌더링이라 부른다. 햅틱 렌더링은 입출력과정과 상당히 복잡한 형태의 계산과정으로 이루어진다. 가상물체의 모델링, 햅틱인터페이스와 가상물체와의 접촉감지, 물리학에 바탕을 둔, 반응 힘 및 변위계산, 가상물체를 움직이기 위한 동역학적 계산 등의 과정이 포함된다.

햅틱 인터페이스의 기술 동향

∙ 역감 제시 장치

역감제시장치는 힘과 위치정보를 매개로 하는 입출력장치로서 로보틱스 기술을 바탕으로 사용자 에게 원격지 혹은 가상환경에 존재하는 객체의 물리적 특성을 역감을 통해 느끼게 하는 장치로 자유도, 작업공간, 힘의 크기, 대여폭 등을 고려한다.

<역감제시장치>

(a) Phantom (b) Omega (c) Cyber Force 자료 : 류제하, 촉감기술의 핵심요소기술 및 응용, 기계저널, 47(2), pp.44~49, 2007

- Phantom(Sensable사) : 직렬형 6자유도 햅틱장치로 넓은 작업 공간을 갖지만 최대 출력이 작고 표현할 수 있는 힘의 대역폭이 작다.

- Omega(Force Dimension사) : 병렬형 3자유도 햅틱장치로 작업공간은 작지만 넓은 대역폭의 큰 힘을 사용자에게 제공한다.

- Cyber Force(Immersion사) : 손가락 하나하나에 독립적으로 역감을 제시하며 손으로 가상객체를 조작할 수 있다. 경량화 설계, 미끄럼 마찰의 최소화, 탈부착 용이화 등의 설계가 요구된다.

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∙ 질감 제시 장치

구동기에 따라 전기촉감제시장치, 공기촉감제시장치, 진동촉감제시장치, 촉감제시장치로 구분한다

<질감제시장치>

(a) 전기촉감제시장치 (b) 공기촉감제시장치 (c) 진동촉감제시장치 (d) 촉감제시장치 자료 : 류제하, 촉감기술의 핵심요소기술 및 응용, 기계저널, 47(2), pp.44~49, 2007

- 전기촉감제시장치 : 피부와 접촉하여 피부의 촉감 수용기에 1mA의 작은 전류를 직접 흘려 질감을 느끼도록 하는 장치이다.

- 공기촉감제시장치 : 공기의 압력을 조절하여 피부에 촉감을 주는 장치

- 진동촉감제시장치 : 코일을 이용한 진동자와 편심추를 이용한 진동자를 이용하여 회로 구성을 단순화함으로써 제어를 비교적 쉽게 하는 장치이다.

- 촉감제시장치 : 변위를 발생시키는 여러개의 핀을 배열하고 각각의 핀 위치를 제어하여 핀에 접촉하고 있는 피부의 수직 또는 수평 방향의 변형을 통하여 촉감을 제공하는 장치이다.

햅틱 인터페이스의 응용 분야

∙ 원격조작 및 의료 분야

- 원격조작 분야에서 햅틱 인터페이스는 현실감 제공이라는 측면에서 1950년대부터 그 필요성이 부각되어 왔다. 원격 조작에 있어서 원격 현실감(tele-presency)은 조작성능에 지대한 영향을 미친다. 카메라나 음성 정보만으로는 원격 장치에서 발생하는 조작력을 알 수 없기 때문에, 시청각에 의한 현실감에는 한계가 있다. 이의 극복을 위해 힘 정보 표현이 가능한 햅틱 인터페이스의 활용은 원격조작에 있어서 필수의 기술 요소가 되었다.

- 의료 분야에서는 주로 진료와 수술 분야에서 활용 가능성이 있으며, 최소절개 수술 등 미세한 조작이 필요한 수술의 경우에 로봇을 사용하는 기술이 최근 들어 개발되고 있으나, 원격조작과 마찬가지로 로봇과 대상물체(인체) 간의 작용력에 대한 정보를 로봇 조작자에게 전달시켜 주지 못할 경우, 시술의 속도 및 정확성에 한계가 있어, 햅틱 인터페이스를 수술로봇의 조작 장치로 개발 활용하고 있다.

∙ 교육 분야

- 실습이 필요한 대부분의 학습은 재료적인 측면에서 소모적 금전 부담을 동반하고 있는

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경우가 많고, 일부 특수한 경우는 실습이라는 것이 위험을 안고 있는 상황이 많다. 운전 교육의 경우, 실습시의 실수는 금전적 신체적 손상의 위험이 있고, 보다 특수한 예로 의사의 봉합수술, 간호사는 정맥 주사의 경우, 인체와 비슷한 재료로 많은 실습을 하지만, 실제의 경우와는 차이가 있기 때문에 학습에는 한계가 있다. 이런 작업들은 모두 힘반영을 제공하는 햅틱 인터페이스와 가상환경 구축을 통해 실제와 거의 비슷한 학습 상황을 재현할 수 있고, 이를 통한 학습은 교육의 속도와 질을 높을 수 있다. 파일럿 교육을 위한 모의 비행 환경 구축은 이미 현장에 적용된 상태이며, 다양한 교육 분야에서 관련 햅틱 인터페이스의 개발이 진행 중에 있다.

∙ 엔터테인먼트 분야

- 햅틱 인터페이스는 촉감이라는 새로운 미디어 수단을 제공할 수 있으며, 새로운 미디어는 엔터테인먼트 분야에서 가장 먼저 상용화의 길로 진행한다. 시청각 미디어인 TV, 라디오 등의 발전은 정보 전달의 개념보다는 엔터테인먼트를 위한 콘텐츠로 현재의 발전이 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. 햅틱 인터페이스도 미국 로지텍사 등에서 게임 인터페이스로 다양하게 개발되어 시판 중이다.

∙ 기타 분야

- 컴퓨터상에서 가상 조각을 활용한 3차원 제품 설계 도구, 착용형 햅틱 인터페이스를 이용한 재활훈련장치, 미세 세포 조작 등을 위한 micro manipulation 및 바이오 산업 등에 응용될 것으로 판단된다. 또한, 가장 커다란 산업 분야 중의 하나인 자동차 분야에서도 햅틱 인터페이스 기능이 추가된 운전 조작 장치의 개발로 안전운전을 위한 보조 수단으로서 활용도가 증대될 것으로 판단된다.

- 또한 컴퓨터의 터치스크린 등에도 이용되는 기술이며, 이밖에 햅틱 장치와 햅틱 렌더링은 의료 시뮬레이터와 항공기 및 전투기 시뮬레이터, 차량 시뮬레이터, 게임 시뮬레이터를 비롯한 여러 분야에 폭넓게 응용될 수 있다.

햅틱 인터페이스의 향후 전망

∙ 향후 햅틱 제어기술은 사용자가 마치 실제의 환경을 직접 만지고 조작하는 것처럼 높은 몰입감 및 사실성을 제공하는 쪽으로 발전해 나갈 것이다. 또한, 단순한 강체뿐 아니라 변형체 및 점탄성체, 혹은 국소적으로 강성이 변하는 객체 등 매우 다양한 객체에 대하여 그리고 다자유도 상호작용, 매우 불확실한 원격조작에서도 안정적이고 투명한 상호작용이 이루어지도록 진행될 것이다.

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의료분야에서의 햅틱 기술 활용 현황

수술용 로봇 기술 현황

∙ 의료계에는 어려운 수술 작업에 사람 대신 로봇을 활용하는 사례가 확산되고 있다. 이른바 로봇 닥터 또는 수술용 로봇으로 불리는 로봇은 대부분 의사가 원격 조정하는 형태로 작동되는데 특히 뇌나 심장, 뼈 조직을 파고드는 정형화된 수술에서 인간보다 훨씬 뛰어난 장점을 지닌다. 수술용 로봇을 사용하면 의사가 몇 시간씩 수술대에서 작업을 해도 신체적 피로에 전혀 영향을 받지 않고 항시 고도의 정밀성을 유지할 뿐만 아니라 절개부위를 최소화시키고 수술부위에 흉한 칼자국을 거의 남기지 않아 환자 회복에도 매우 유리하다.

<수술 로봇의 예>

자료 : 메디칼투데이 2006.11.15,

http://www.mdtoday.co.kr/mdtoday/index.html?no=13724&cate=&sub=&page=1080

∙ 복부 수술 로봇

컴퓨터모션사(Computer Motion, Inc, Santa Barbara, CA, U.S.A.)에서 개발한 이솝(AESOP), 제우스 (ZEUS), 헤르메스(HERMES) 등이 있으며, Frederic Moll이 설립한 인튜티브사(Intuitive Surgical, Inc., CA USA)에서 개발한 마스터 슬레이브형 수술지원 로봇인 ‘다빈치 원격로봇 수술 시스템(the da Vinci Telerobotic Surgical System)’ 등이 있다. 최근에는 ‘다빈치’를 생산하는 인튜티브사가 컴퓨터모션사를 합병하여 독점 공급체제를 유지하고 있다.

- 이솝 (AESOP)

1994년에 개발된 이솝(AESOP)은 복강경수술에 있어 복강경카메라를 고정해 주고 상・하・

좌・우 및 원근을 자유롭게 조절할 수 있으며, 최근에는 수술자의 목소리를 인식하여 작동 하는 장치로까지 개발되었다. 의료비 중 인건비의 비중이 큰 구미에서는 의료비의 절감과 내구성 및 안정성이 우수해 많이 사용하고 있고, 이미 10만회 이상의 수술에서 사용되고 있으며, 이후에 개발된 ZEUS 로봇 수술시스템의 기초가 된다.

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<이솝(AESOP)>

자료 : 보건타임즈 2008.01.01, hhttp://bktimes.net/detail.php?number=5537&thread=16

국내에서도 1996년 연세대 병원에서 복강경적 담낭절제술 및 충수돌기절제술을 보조 수술자 없이 복강경 카메라 조정로봇인 이솝(AESOP)의 도움으로 성공적으로 실시하였다. 우리나라에 약 7대 정도의 장비가 도입이 되어 사용되고 있는데, 우리나라의 경우 의료비 중 인건비가 차지하는 비율이 낮아 고가의 의료기구의 도입이 활발히 이루어지지 않기 때문이다.

- 제우스(ZEUS)

제우스는 이솝을 바탕으로 하는 발전된 수술용 로봇으로 개발하였다. 이는 5자유도를 가진 복강경 조종 로봇팔을 가지고 있으며, 시술자의 양손을 로봇이 대신하여 수술 기구를 잡아주고 의사의 시술 동작을 로봇이 따라 하도록 개발하여 최초의 수술용 로봇으로 중요한 의미를 가지게 되었다.

하지만 제우스의 경우 단순히 복강경 기구를 잡아 주는 역할만 가능하였고 입체적 영상 전달이 불가능하고 이후에 개발된 다빈치 로봇에 비해 손처럼 자유자재로 움직일 수 있는 능력이 없어 단지 원격 수술의 가능성만을 제시한 체 실제 의료에 큰 역할을 하지 못하고, 제품의 생산과 사용이 중단되었다.

<제우스(ZEUS)>

자료 : http://www.roboticsurgery.or.kr

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- 다빈치(da Vinci)

1997년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 다빈치 로봇은 세부분으로 이루어져 있다. 로봇 카트, 수술 콘솔, 복강경 부분으로 나누어진다. 로봇카트는 실제 수술이 이루어지는 로봇 팔부분으로 환자 옆에 위치한다. 복강경 카메라를 고정 및 조정하는 팔이 가운데 있으며 수술용 기구가 작동되는 팔이 3개가 더 있다. 이 기구로 수술 콘솔에서 의사에 의해 시행되는 동작이 전달되어 작동되는 것이다. 수술용 팔은 7자유도를 구현함으로써 수술자의 손동작을 거의 그대로 전달할 수 있다. 수술콘솔은 입체영상을 볼 수 있는 화면이 있으며, 기구를 작동하는 컴퓨터 장치가 있다. 수술용 기구를 조정하는 마스터 기구조정장치가 있으며 의사는 조정장치 앞에 앉아서 편안히 손을 얹어 놓고 기구를 작동하면 그 동작이 콘솔에서 로봇카트로 전달되어 수술용 기구가 작동하게 된다.

<다빈치(da Vinci)>

자료 : 시사저널 1029호 2009. 7.8,

http://www.sisapress.com/news/articleView.html?idxno=49519

다빈치는 전립선암, 위암, 대장암, 부인암, 식도암, 갑상선암, 간암 등 대부분의 암수술에 적용 된다. 수술시간과 회복기간이 단축되어 후유증 감소효과가 탁월하다. 특히 전립선암의 경우 대표적 후유증인 요실금과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 나타났다.

다빈치는 전 세계적으로 약 600대 이상이 판매되었으며, 동양에도 이미 30여대가 보급되었다.

우리나라의 경우 연세대병원에 2005년에 도입되어 첫 수술(담낭절제술, 전립선 암 수술)을 시행하였으며, 이어 위암수술, 담도낭종수술도 시행하였다. 2007년 8월 말까지 460여 건의 수술(외과, 비뇨기과, 흉부외과, 산부인과)이 시행되었으며 점차 증가하고 있는 추세다. 문제는 고가의 장비(약 25억) 및 기구의 사용으로 인해 고가의 수술비용에 비해 의료보험의 혜택을 받을 수 없어 환자부담이 크다는 것이다.

∙ 관절수술로봇

고관절 혹은 무릎관절 수술은 외상이나 염증 등으로 인하여 손상된 관절을 인공관절로 대체하는 수술인데, 인공관절을 삽입할 부위를 로봇이 가공함으로써, 시간을 단축하고 정확성을 높인다.

미국 ISS사의 ROBODOC, 독일 Orto Maquet사의 CASPAR, 영국 Imperial College의 ACROBOT,

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KAIST에서 개발한 ARTH ROBOT 등이 있다.

<로보닥>

자료 : 조선일보 2009.5.11

http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2009/05/10/2009051000565.html

- 로보닥

로봇이 외과용 수술도구로서 임상적으로 적용된 최초의 사례는 1992년 인공 고관절 수술에 로보닥(RoboDoc system) 장비가 적용된 것이다. 미국 ISS(Integrated Surgical System)사에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적 으로 높였다. 현재, 로보닥은 한국과 EU의 판매승인을 획득했고, 2007년 로보닥을 만든 미국 ISS사의 모든 기술특허와 산업재산권 24건을 한국의 큐렉스사에서 보유하고 있다.

의료분야 햅틱 기술 활용 현황

의료분야에서 햅틱기술은 의료용 훈련기로 불리는 의료 시뮬레이터, 세포조작기, 재활장비 등에서 주로 이용되어 가상공간에서 실제감을 느끼게 해줌으로써 의료 기술 수준을 한 차원 높이는 견인차 역할을 하고 있다.

∙ 의료 시뮬레이션

의료 시뮬레이션은 수술 등의 각종 의료 활동을 실시간 혹은 비실시간으로 시뮬레이션 함으로써 안전하고 객관적인 교육을 목적으로 하고 있으며, 이러한 시뮬레이션내에서 실제와 유사한 햅틱 재현은 매우 중요하게 여겨지고 있다. 특히 미국에서는 의사들에게 가상환경에서의 수술훈련을 의무화하려는 움직임이 있다.

∙ 바늘시술 의료 시뮬레이션

- 마취나 시침 등의 바늘을 이용한 시술의 의료 시뮬레이션은 생체의 변형을 시뮬레이션하는데 계산의 복잡도가 적어서 햅틱 시뮬레이션이 비교적 수월하다는 장점이 있다. 도관 삽입법, 내시경 검사법, 경막외 마취법, 척추 생검법 등의 시술을 위한 시뮬레이터들이 개발되어 있다.

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- 미국 MIT에서는 경막외 마취법 훈련을 위한 시뮬레이터를 개발하였는데 근육막을 점탄성모델로 모델링하여 각 근육(피부-극간인대-황색인대)에서 느끼는 힘과 변형 커브로 표현되는 실제 촉감을 느낄 수 있도록 하였다.

<경막외 마취법 훈련용 의료 시뮬레이터>

자료 : 김정, 의생명분야에서의 햅틱 활용, 기계저널, 47(2), pp.63~68, 2007

- 이 시뮬레이터는 미국의 YantricTM사에서 상용화 추진중이며 햅틱장비로는 SensAble 테크놀로지사의 PHANTOM 장비를 마네킹내부에 설치하였다.

∙ 복강경 시술 의료 시뮬레이션

- 복강경 수술로 대표되는 최소 침습술은 최소 절개로 인한 적은 출혈, 빠른 회복, 적은 입원비용 등의 장점으로 최근 선호도가 급격히 증가하고 있다. 복강경 기반의 의료용 시뮬레이터는 컴퓨터 모니터와 자체 개발된 햅틱 장비를 이용하여 훈련자에게 시술에서 일어나는 시각, 촉각적인 감각을 습득할 수 있도록 하고 있다.

- Immersion사의 복강경용 훈련기는 담낭절제술, 자궁관결찰술, 자궁결제술, 자궁내막진단술, 식도질환시술 등을 시뮬레이션 할 수 있으며, Simbionix사의 랩멘토는 직장결장시술, 비만 치료술, 부인과진찰시술 등에서 활용되고 있다. 또, Haptica사의 프로미스는 자궁내막절제술을 시뮬레이션할 수 있도록 설계되었다.

<상용화된 복강경 수술용 의료시뮬레이터>

(a) Immersion사의 복강경용 훈련기 (b) Simbionix사의 랩멘토 (c) Haptica사의 프로미스 자료 : 김정, 의생명분야에서의 햅틱 활용, 기계저널, 47(2), pp.63~68, 2007

햅틱 기술이란? \ 햅틱 기술의 구성과 응용 \ 의료분야에서의 햅틱 기술 활용 현황 \ 의료분야에서의 햅틱 기술의 향후 전망

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- 캐나다 캘거리 대학과 캘거리 지역건강발전시스템은 5년간 2,700만 달러의 개발비를 들여 MRI 스캐너 안에서 수술을 할 수 있는 최초의 외과용 로봇 손인 ‘뉴로 암(neuroArm)’을 선보였다. 실시간 영상 제공 장치와 초정밀 외과기구가 결합된 뉴로 암을 사용하면 대부분의 의사들이 1~2mm 단위의 정밀한 수술을 할 수 있다. 뉴로 암은 사람 머리카락 직경의 절반 정도에 불과한 50마이크론 크기의 절개도 가능하다.

- 뉴로 암을 사용하는 의사는 환자와 같은 수술실에 들어갈 필요가 없다. 현미경에 부착된 고해상도 카메라 2대가 의사의 통제 스테이션으로 영상을 전송해준다. 통제 시스템은 촉각 시스템을 사용해 의사에게 촉각적인 느낌을 전해주는 동시에 손의 떨림 같은 것은 모두 없애준다. 특히 촉각 시스템은 만약의 사고 가능성도 없애준다. 시신경과 경동맥 사이에 공간을 설정해 두면 뉴로 암은 그 두 곳을 건드리지 않고 수술을 할 수 있도록 해 준다.

<뉴로 암 (neuroArm)>

(a) (b) (a) 소독장비, 미세 해부기구, 흡입관, 미세 가위 봉합바늘을 갖춘 뉴로암 (b) 여러 대의 모니터를 사용해 뉴로암을 사용하여 수술하는 외과의사 자료 : 기술과 미래 2008년 1/2월호 pp.12-15

∙ 세포조작기

- 햅틱 기술의 도입으로 세포수술의 성공률이 높아지게 되었다. 줄기세포나 정자주입술 등과 같이 기계를 이용하여 세포를 직접 조작하는 세포수술은 조작자의 손기술에 의존하기 때문에 수율(success rate)이 30% 정도로 낮은 것이 큰 문제점이다. 세포 변형에 따른 힘의 정도를 사용자가 제어할 수 없기 때문에 과도한 힘이 가해져서 쉽게 세포가 변형되어 세포 손상을 야기시켜 실험 생산성을 저하시킨다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 햅틱 인터페이스를 추가 하여 힘을 적절히 제어할 수 있도록 하였다.

- 프랑스에서는 사용자에게 조작의 현실감을 제공하기 위하여 실사 영상으로부터 영상처리를 통해 세포모델을 구현하고 이 모델에서부터 조작기에 의해 힘을 계산하여 사용자에게 전달 한다. 이렇게 전달된 가상 촉감을 통해 사용자는 세포에 가하는 힘을 적절하게 제어하고 있다.

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<햅틱 인터페이스를 적용한 세포 조작기>

(a) 실제 세포조작 영상 (b) 햅틱인터페이스를 적용한 모델 자료 : 김정, 의생명분야에서의 햅틱 활용, 기계저널, 47(2), pp.63~68, 2007

- 미네소타 대학에서는 힘을 구현하는데 있어 조작기에 부착된 힘센서로 세포에 가해지는 힘을 측정하고, 이를 통해 측정된 세포 조작시에 발생한 힘을 사용자에게 적합한 크기로 증폭해 실시간으로 사용자에게 전달함으로써 햅틱 인터페이스를 구현하였다.

∙ 재활 시뮬레이션

- 재활공학에서도 환자의 운동감각과 균형감각의 향상을 위한 훈련에 적절한 촉각자극을 이용한 요법에 적용되고 있다. 햅틱 기술을 재활시스템에 도입함으로써 다양한 가상환경을 구현하고 조종할 수 있어 재활치료에 활용될 수 있다. 사람의 햅틱 감각은 온몸에 분포되어 있으므로 감각기능이 집중되어 손상될 경우 해당 감각기능의 상실로 이어지는 시각, 청각에 비해 감각 상실 가능성이 적으므로 재활과 장애인 보조 기술에 사용될 여지가 많다 할 수 있다.

- 미국에서는 뇌졸중 후 마비환자들의 손기능 회복을 위하여 햅틱을 사용한 가상 환경 재활 시스템이 개발되었다. 환자는 손에 착용하는 햅틱 장치를 사용하여 물체를 쫓고, 그림을 지우고, 피아노 건반을 누르는 등의 간단한 비디오 게임을 하듯이 훈련에 임하게 된다. 여기에 훈련의 질을 높이고 환자의 몰입감과 동기 부여를 위하여 훈련성과에 따라 착용한 햅틱 장치를 통하여 힘 피드백이 전달된다.

- 그리스에서는 시각장애인들의 재활훈련을 위한 착용형 햅틱 장치를 개발하여 넓은 공간을 움직이며 훈련할 수 있게 되었다. 시각장애자가 착용형 햅틱 장치를 입고 움직이게 되면 장치에 부착된 모션 트랙커 (motion tracker)를 통해 사용자의 손의 방향과 위치, 움직임에 따라 계산된 힘 피드백이 환자에게 작용한다. 피험자의 특성상, 시각적인 피드백이 없이 가상환경과 접하게 되며, 여러 상황에 맞게 구현된 가상 환경 내에서 시각 장애인들은 가상의 물체와 반응하고 공간감을 느끼게 된다.

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<착용형 햅틱장치>

자료 : 김정, 의생명분야에서의 햅틱 활용, 기계저널, 47(2), pp.63~68, 2007

의료분야에서의 햅틱 기술의 향후 전망

멀지 않아 수술할 부위를 미리 3차원 시뮬레이션으로 보여주는 수술로봇이 나올 것이며, 2010년대 중반까지 원격수술도 가능해질 것이라 예측되고 있다. 또 사람의 도움없이 혼자 수술을 집도하는 로봇의사도 2020년대 후반에는 실용화될 것으로 전망하고 있다. 향후 의료분야에서 햅틱기술이 적용되려면 많은 보완이 필요하다.

∙ 기존의 DC모터 등의 구동기술이 아직은 크기나 복잡한 케이블 등으로 인해 정교하며 신체를 구속하지 않는 수준의 햅틱 장비를 구성하기에 적합하지 못하다. 앞으로는 압전형 구동기나 형상기억합금 등의 지능형 구동기술 등에서 출력을 증강하는 기술의 보완이 필요하다.

∙ 햅틱 장비의 제작과 설계에도 아직 많은 제약이 있다. 팬텀으로 대표되는 시판형 햅틱장비가 아직은 고가이며 성능 또한 만족스럽지 못한 약점이 있다. 6축의 햅틱 피드백을 제공하는 전용 햅틱 장비의 설계와 제작에서 많은 성능 개선과 가격하락이 기대되며, 고출력의 안전한 햅틱 장비를 설계하는 기술도 크게 발전할 것으로 전망된다.

∙ 햅틱 렌더링 기술 역시 발전이 요구된다. 기존의 응용사례는 대부분 도구의 끝을 하나의 점으로 모델링하고 이를 렌더링하게 되는데 이 경우 실제에서는 볼 수 없는 이상한 현상이 관측된다.

예를 들면, 시판중인 의료 시뮬레이션 장비의 경우, 과다하게 가상의 생체에 변형을 가하게 되면 실제와 다른 이상한 거동을 목격할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 유한요소법 등의 실제

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생체에 기반을 둔 시뮬레이션 알고리즘 개발과 다양한 형태의 충돌검사 기법의 개발이 요구된다.

∙ 햅틱 장비의 개발과 프로그래밍 등에 있어서 표준화에 대한 작업이 요구된다. 햅틱을 기존의 장비에 부가할 경우 시스템의 복잡도는 급격히 증가하는 경향이 있으며 초기 개발의 시간과 비용이 많이 요구된다. 또한 문제가 발생할 경우 적용분야의 작업자가 해결할 수 있는 문제가 아닌 경우가 많기 때문에 더욱 다양한 분야의 햅틱 적용에 제약이 되고 있다. 따라서, 비전문가도 쉽게 접근 할 수 있도록 Tool Box 형태와 데이터의 표준화 등에 대한 작업이 요구된다.

∙ 세계 로봇시장의 규모는 2010년에는 247억 5백만 달러에서, 2020년에는 717억 7천만 달러에 이를 것으로 보고 있으며, 연평균 10.7%의 증가율을 예상하고 있다. 그 중에서 의료용 로봇 시장은 2005년 18.5억 달러에서 2010년 2,849억달러의 시장이 형성될 것으로 예측되고, 이중에서 햅틱기술은 13%이상을 차지할 것으로 예상된다.

∙ 의료용 로봇은 부품개발보다는 시스템 개발에 강한 우리나라 특성에 적합하다고 볼 수 있다.

이는 의료용 로봇의 특성상 부품가격보다는 신뢰성을 확보한 제품이 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있기 때문이다. 그러나 우선 신뢰성을 중요시하는 수요자인 병원 의료진이 해외 브랜드를 선호 한다는 것과 의료기기 개발과 국제공인을 얻는데 필요한 막대한 자본과 경험이 부족하다는 장벽을 극복해야만 할 것이다.

∙ 의료용 로봇 분야에서는 선두주자인 미국의 기술력을 100이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70정도이며, 2015년이 지나야 100에 도달할 것으로 전망된다. 그러나 로봇랜드 조성과 로봇펀드의 발생 등 정부차원에서의 노력이 다각적으로 이루어지고 있어 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된다.

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참고문헌

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16. 제형곤, 이용직, 정성호, 정재승, 강필제, 주석중, 송현, 정철현, 이재원, “다빈치 수술로봇을 이용한 심장수술 20예 보고 - 단일 기관 보고 -”, 대한흉부외과학회지, 41(4), pp.423~429, 2008.8.

17. 김대준, “식도암 환자에서 다빈치 수술 로봇을 이용한 식도절제술”, 대한기관식도과학회지, 13(2), pp.5~

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MEMO

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