[Chiron] Laparoscopic surgery Manipulator 설계 및 제작 (의뢰처: 국립암센터)

위드로봇에서는 국립암센터와 함께 복강경 로봇의 국산화 작업을 2008년에 일부 공동 진행하였습니다. 진작에 그 결과물을 홈페이지에 소개했어야 했는데, 이일 저일로 미루다보니 1년이 훨씬 넘은 이제서야 그 결과물을 공개하게 되네요.
복강경 로봇(laparoscopic robot)이라고 하면 로봇 전공자들도 조금은 생소해 할 것 같습니다. 수술용 로봇 분야 중 하나인데 아마도 가장 널리 알려진 수술용 로봇은 Intuitive Surgical 사에서 제작한 다빈치(Davinci) 일 것입니다. 많이 알고 계신 다빈치는 아래 사진처럼 생겼습니다.

연세 세브란스 병원에서 도입된 이후 메스컴에서 자주 기사화가 되다보니 많은 병원에서 ‘의료의 선진화’라는 명목으로 도입이 많이 되었습니다. 연세대 이우정 교수님 허락하에 실제 다빈치 로봇 수술하는 장면을 참관할 수 있었는데요, 매우 충격적이였습니다. 수술실하면 어두운 환경에서 피가 튀고 매우 진중한 분위기를 상상하겠지만, 로봇 수술실은 정 반대였습니다. 밝은 공간에 MP3 음악이 크게 틀어져 있고, 집도의는 마스터 조작기를 마치 게임하듯이 조작하고 있었죠. 위 사진처럼 환자 주변에 아무도 없는 것은 아니고 어시스트가 최소 1명 이상 붙어 있으면서 모니터로 수술 부위를 지속적으로 모니터링합니다.

로봇 수술을 하면 절개 부위를 최소화(minimal invasive surgery) 할 수 있기 때문에 환자의 회복이 빠르다는 장점이 있습니다. 하지만 시스템이 고가이고, 로봇 팔 끝단에 부착하는 수술도구들은 카운터가 내장되어 있어 일정 횟수 이상 사용하면 무조건 교체하게 되어 있습니다. 이른바 잉크젯 프린터의 잉크통처럼 일정 사용 횟수 후 교체를 해야 한다는 것이죠. 이 부분으로 소비되는 외화도 만만치 않고 환자에게 부담되는 비용도 꽤 큽니다.꼭 위에서처럼 tele-surgery 개념을 도입한 robotic surgery가 아니더라도 로봇이 수술 분야에서 활용될 수 있는 예는 많습니다. 대표적으로 지금은 회사 자체가 다빈치를 만들 회사에 흡수 합병되어 단종되버린 이솝과 제우스라는 복강경 로봇이죠. 아래 사진은 제우스의 모습입니다. Intuitive Surgical 사는 조금이라도 싹수가 있어보이는 수술 로봇 회사는 흡수 합병뒤 단종시켜 버리는 전략을 취하고 있습니다. 아래 로봇도 꽤 쓰임새가 있었는데 단종시켜버리는 바람에 사라진 경우입니다.
위드로봇에서는 암센터와 함께 제우스, 이솝과 유사한, 아니 좀 더 개선한 복강경 수술 로봇을 설계하고 제작하였습니다. 각 축은 DC 모터를 사용하였으며, 필요 이상으로 토크가 크게 설계되어 있습니다. 기어비도 그렇구요. 추후 위드로봇에서 설계할 일이 있다면 이보다 훨씬 더 가벼운 복강경 로봇을 만들 수 있을 것 같습니다. 그 뒤 제작된 로봇에 제어기를 설계하고, 이 제어기를 통해 visual servoing을 구현하는 일까지 담당했습니다.

암센터의 연구진 요구에 따라 visual servoing은 MATLAB에서 동작할 수 있도록 하였고, 사실 실시간 영상 처리에 MATLAB이 그다지 적절한 플랫폼은 아닙니다만, 우여곡절 끝에 성공했습니다.
Image based visual servoing 방식으로 움직이며, 데모는 손바닥에 특정 패치를 붙이고, 이 패치가 카메라에 미리 정해놓은 위치대로 투영되도록 manipulator를 제어하는 형식입니다. position based visual servoing이 아니기에 kinematics에 오류가 있어도 goal 에 수렴하는 것을 확인할 수 있습니다. 아래 동영상을 보시죠.

이 기능을 이용하여 수술 시술자가 수술하는 동안 수술 도구 끝을 자동으로 추적하여 최적의 위치에서 영상을 보여주는 시스템이 구현될 예정입니다. 위드로봇의 역할은 일단 visual servoing을 할 수 있는 플랫폼을 제공하는 부분까지였습니다. 이번 과제에서는 MATLAB에서 모든 기능을 구현한 image based visual servoing을 아마도 세계 최초(?)로 했다는 점에 의의를 두려고 합니다. 2008년 당시에 MATLAB 플랫폼에서 image based visual servoing을 직접 시연한 논문이나 동영상은 찾아 볼 수가 없었거든요. 해당 기술이 잘 활용되어 성능은 뛰어나면서 저렴한 국산화 장비가 많이 개발되었으면 합니다.

2009년 에 올린 글 태그됨: , , , , ,