신경외과 수술 로봇을 위한 통합 영상 유도 시스템 기술의 연구

Abstract

현대 의료 환경에서는 의료 영상의 중요성이 증대되고 있다. 새로운 의료 영상 기술의 개발은 과거 진단이 불가능하였던 질병을 진단하고, 아주 미세한 종양 등을 발견하게 함으로써 진단 기술에 획기적인 발전을 가져왔다. 이러한 진단 기술의 발전은 타 분야에 영향을 미쳐 진단 이외의 치료 및 수술 기술의 발전에 대한 수요를 증가시키고 이를 위한 연구가 활성화 되는 계기를 마련하였다. 진단 기술의 발전을 기반으로 치료 및 수술 기술을 발전 시키는데 핵심은 영상 유도 기술이라 할 수 있다. 영상 유도 기술은 발전된 의료 영상 기술을 이용하여 병변의 위치를 파악하고 그 위치를 정확하게 제시하여 침생검이나 병변의 절제술 등에 응용하는 기술을 말한다. 이런 기술의 핵심은 영상과 환자의 정합 기술 (Registration) 이며, 이 기술을 활용하여 영상 유도 수술 네비게이션 시스템이 개발되어 임상에서 활용되고 있다. BrainLab社의 VectorVision, Medtronics社의 StealthStation이 대표적인 상용화 제품으로 여러 수술 분야에 걸쳐 임상에 적용되고 있다. 단순히 정확한 병변의 위치를 파악하고 치료나 수술이 이루어 질 수 있도록 유도하는 것 이상으로, 정확하고 정교한 시술에 대한 요구 또한 높다. 이런 요구에 부응하기 위하여 수술 로봇에 대한 연구도 최근 활발하게 이루어지고 있는데, 수술 로봇은 크게 내시경 영상 기반의 수술 로봇과 영상 유도 기술 기반의 수술 로봇으로 나눌 수 있다. 내시경 영상 기반의 수술 로봇은 Intuitive Surgical社의 다빈치 수술 시스템 (da Vinci Surgical System) 이 대표적인데, 이는 내시경 영상을 통해 체내의 병변을 확인하면서 의사가 Master 로봇을 통하여 수술을 수행하고, 이 움직임을 추종하여 Slave 로봇이 실제 수술을 수행하는 구조로 되어 있다. 이런 수술 로봇의 장점은 미세한 절개로 체내를 효과적으로 수술할 수 있다는 데 있다. 한편, 영상 유도 기술 기반의 수술 로봇으로는 Reinshaw社의 NeuroMate가 대표적인데 이는 앞서 살펴 본 영상 유도 네비게이션 시스템 기술에 로봇 기술을 적용한 것으로 설명할 수 있다. 수술 네비게이션 시스템을 통하여 파악된 병변의 위치 정보를 활용하여 수술 로봇이 병변에 접근하고 수술을 행하게 하는 구조로 단순히 내시경 영상 정보를 활용하여 시술을 수행하는 것과는 분명히 구분된다고 할 수 있다. 본 논문은 신경외과 로봇 수술을 위한 영상 유도 기술을 제안하고 이를 활용하여 영상 유도 수술 네비게이션 시스템과 수술 로봇 메니퓰레이터로 구성된 미세 침습 수술을 위한 양방향 방사선 투시기 기반 수술로봇 시스템 (Biplane Fluoroscopy guided Robot System, BFRS)을 개발한 것을 주요 내용으로 하고 있다. 먼저, 수술실에서 가장 많이 사용되고 있는 실시간 영상 촬영기인 C-arm을 양방향의 방사선 영상 촬영이 가능한 O-arm으로 개선하여 이를 단순한 모니터링 장비로만 사용한 것이 아니라, 획득된 영상을 통하여 위치 정보를 추출하여 3차원 좌표화 함으로써 수술 계획 시스템으로의 활용 가능성을 열었다. 또한 두 장의 방사선 단면 영상과 3차원의 CT 혹은 MR 데이터를 정합 (2D/3D Registration) 하는 과정을 거쳐 수술 전 영상 데이터와 수술 중의 영상 데이터를 융합하여 수술 중에 수술 전에 촬영된 3차원 영상을 이용하여 수술 계획을 세워 그 결과를 2차원의 방사선 영상에 중첩 제시할 수 있어 3차원의 수술 전 영상과 2차원의 수술 중 영상을 개별적으로 이용하는 고식적인 수술에 비해 수술이 효과적으로 이루어 질 수 있도록 하였다. 이러한 선행 연구 기술들을 활용하여 양방향 방사선 투시기 기반의 수술 로봇 시스템 (Biplane Fluoroscopy guided Robot System, BFRS) 을 개발하였다. 본 연구를 통하여 개발된 BFRS 시스템은 양방향의 방사선 투시기 (O-arm), 수술 계획 및 구동 시스템 (Surgical Planning and Operating System, SPOS) 그리고 5자유도의 수술 보조 로봇으로 구성되었으며, 이들 각 모듈은 경피적 척추경 나사못 삽입술을 위한 정해진 임무를 수행한다. 특히 SPOS의 경우, 선행 연구를 통해 개발된 2차원 방사선 영상을 이용한 수술 계획, 3차원의 수술 전 영상과 2차원의 수술 중 영상을 이용한 영상 정합 기술 그리고 수술 로봇의 제어와 관련된 여러 모듈을 하나로 통합하여 수술 시스템으로의 역할을 수행할 수 있도록 설계되고 구성되었다. 또한 SPOS의 각 모듈은 독립된 프로세스를 형성하면서도 하나의 목표인 경피적 척추경 나사못 시술을 위해 정해진 작업을 수행하게 함으로써 혹시 모를 응급 상태에 대비하면서 효과적으로 시스템이 구동될 수 있도록 고안되었다. BFRS는 시술자를 지원하여 의사의 능력을 대신하는 것이 아니라 의사의 능력을 배가 시키는 협업에 초점을 맞추어 시스템이 설계되고 구성되어 시술자인 의사와 로봇 간의 협업을 통하여 척추경 나사못 삽입술이 효과적으로 이루어지도록 하였다. 이들의 협업은 수술 로봇 시스템이 향상된 수술 계획 그리고 수술 전과 수술 중의 영상 정보를 활용한 수술 네비게이션 기술을 제공하고, 의사는 임상 경험과 수술 로봇이 제공하는 정보를 이용하여 실제 시술을 행함으로써 고식적인 방식의 수술 이상의 효과를 거둘 수 있다. BFRS의 성능을 평가하기 위하여 각 모듈의 정확도 평가 실험을 수행하하였으며 BFRS 시스템 전체의 안정성과 정확성 그리고 실제 임상 가능성을 평가하기 위하여 사체 실험을 수행하였다. 사체 실험은 2회 실시하였으며 각 실험 시 사체의 흉추에서 요추에 이르는 7레벨에 경피적으로 척추경 나사못 삽입술을 수행하였다. 사체 실험을 수행한 결과는 나사못에 의한 척추경의 관통은 없었으며 척수 신경의 손상 가능성이 있는 척주관으로의 관통도 없어 전체적으로 척추경 내에 나사못이 정확하게 삽입된 것으로 나타났다. 두 번의 사체 실험을 통하여 각 모듈의 정확도가 경피적 척추경 나사못 시술을 위하여 적합하다는 것을 확인함은 물론이고 시스템 전체의 정확도와 안정성 그리고 임상 적용 가능성 또한 목표로 한 수술을 위해 적합한 수준임을 확인할 수 있었다. 영상 유도 기술의 연구와 이들 기술을 활용한 수술 로봇의 개발은 현대는 물론이고 미래 의학을 위해 필수적이라 할 수 있다. 본 논문을 통하여 제안된 영상 유도 기술과 수술 로봇을 위한 통합 기술을 활용하여 다른 여러 임상 분야에 적용할 계획이다. 그리고 BFRS는 협업을 위한 시스템으로 툴의 위치를 실시간으로 파악하는 것을 의사의 영역으로 남겨 두었다. 그렇지만 본 시스템을 통한 안전한 시술을 위해서는 시스템을 통해 툴의 위치를 실시간으로 파악하고 정확한 피드백을 제공하는 기능을 추가하는 것이 반드시 필요할 것이라 생각된다. 또한 추가적인 연구를 통하여 내시경 수술 로봇 시스템에 영상 유도 기술을 활용하여 내시경과 내시경 수술용 툴의 정확한 위치 파악과 치료 및 수술을 위한 유도를 함은 물론이고 증강 현실 기술을 내시경 영상에 적용하여 병변의 위치 정보를 함께 제시하여 정확한 시술을 지원하는 시스템으로 확장하여 개발할 계획이다.