로봇 활용 뇌 수술을 위한 영상 유도 기술 기반 수술 안전성에 대한 연구

Abstract

본 논문은 원격 로봇 시스템을 이용한 뇌 수술시에 영상 유도 기술을 이용하여 안전성을 확보하는 방법을 주요 내용으로 하고 있다. 안전성을 확보하기 위해서는 로봇이 안전 수술 영역 내에서만 작동되어야 한다. 안전 수술 영역을 지정 (define) 하기 위해서는 적절한 image segmenation 기술이 선행되어야 하며, 환자 공간에 위치 (mapping) 시키기 위해서는 registration 기술이 선행되어야 한다. 또한, 로봇의 위치를 감시하는 방법으로서 안전 수술 영역과 로봇간의 충돌 검출 기술의 구현은 필수적이다. 본 논문에서는 image segmentation 기술과 registration 기술의 확보를 통해 수술 안전성 알고리즘을 제시하였고 이를 뇌 종양 제거술을 위한 원격 수술 로봇 시스템 (endoscopic tele-surgical robot system, ETSRS) 에 적용하였다.

ETSRS는 2개의 말단 장치와 1개의 스테레오 내시경으로 구성되어 있는 통합 모듈, 통합 모듈의 자세를 제어하는 로봇 암, 말단 장치를 추적하는 광학 측정 장치 (optical tracking system, OTS)와 수술 항법 소프트웨어로 구성된다. 수술 전 영상과 환자와의 registration은 OTS를 이용하여 수행하였고, 이를 통해 말단 장치와 환부의 위치가 그래픽 공간에서 실시간으로 확인하였다. Registration 정보를 바탕으로 환부의 위치 정보를 입력하면 로봇 암이 자동으로 정렬되어 통합 모듈이 환부에 접근할 수 있도록 알고리즘을 개발하였다. 안전한 수술을 위해 말단 장치가 침범하지 않아야 할 영역을 가상 벽으로 지정하여 말단 장치와 가상 벽간의 충돌을 실시간으로 감시하도록 수술 항법 소프트웨어를 구현하였다. 말단 장치가 가상 벽을 침범하여 정상 조직에 해를 줄 수 있는 경우에는 움직임을 제한하고, 청각 및 시각적 경고를 집도의에게 제공하며, 조종기에는 최대 반력을 인가한다. 또한, 수술 중에 말단장치가 환부로 침투하는 정도에 따라 집도의가 긴장감을 느낄 수 있도록 적절한 반력을 조종기에 인가한다.

구현된 기능들을 평가하기 위해 팬텀을 이용한 실험을 수행하였다. 안전성 확보 알고리즘의 실행 속도 측정과 함께 말단 장치가 환부에 침투하는 정도에 비례하는 반력이 적절하게 인가되는지 측정하였고 조종기와 말단 장치의 궤적을 분석하여 말단 장치의 가상 벽 침범 여부도 관찰하였다. 또한 신경외과 전문의 4 명을 대상으로 시스템 전반에 대하여 9가지 항목의 만족도 평가를 실시하였다.

실험 수행 결과 말단 장치는 가상 벽 외부로 침범하지 않았으며, 반력 생성도 적절했던 것으로 나타났다. 말단 장치가 가상 벽에 도달 할 때마다 경고 신호가 발생했으며 사용자는 그 상황을 충분히 인지할 수 있었다. 만족도 평가에서는 전 항목에서 80 \% 이상의 만족도를 보였다. 본 연구에서는 영상 유도 수술의 요소 기술들을 적절하게 융합하여 수술의 안전성이 확보될 수 있음을 제시하였다. 수술 중 환부의 변형 또는 위치 변경 때문에 발생할 수 있는 오차는 실시간 영상 장비 (iMRI, iCT, etc.) 를 통해 가상벽을 갱신함으로서 안전성을 유지 할 수 있다.

안전성 알고리즘이 구현된 수술 시스템이 보다 안정적이고 실용적으로 적용되기 위해서는 낮은 비용으로 환부를 확인 할 수 있는 내시경 또는 초음파 영상 장치를 이용한 가상 벽 생성 방법에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 한다. 더불어 환부의 종류에 따른 다양한 의료 영상에 최적화된 image segmenation 방법들을 정립하여 그래픽 공간 상에서 환부를 정밀하게 표현하기 위한 연구와, brain shift로 인한 병변의 형태와 위치의 변화에도 정확하게 병변 모델을 환자 공간에 매핑시킬 수 있는 deformable registation 기술에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 한다. 차후에는 동물 및 사체 실험을 통해 ETSRS의 안전성을 신뢰할 수 있도록 보완 및 개량을 진행해 나갈 것이다.