흩어져 있는 로봇공학 능력과 기술
‘한국형 의료로봇’으로 경쟁력 키우자
정부의 지원과 기대에 비해 성장이 더딘 로봇산업 속에서도 시간이 지날수록 이슈를 낳고 있는 분야가 있다.
이는 바로 ‘의료로봇’으로, 의료기술을 접목한 의료용 로봇의 성장 가능성이 높다는 핑크빛 전망이 쏟아지자 로봇업계의 관심이 쏠리고 있는 것이다.
때마침 첫 의료로봇으로 개발된 ‘로보닥’을 한국기업이 인수하고, 로봇과 의학을 접목한 ‘대한의료로봇학회’가 창립되어 올 한해 이로 인한 성장이 어느 정도일지 가늠하는 재미 또한 쏠쏠한 상황이다.
이에 본지에서는 로봇산업에서 전문 서비스용 로봇으로써 의료용 로봇이 차지하는 위상과 기술 현황 및 적용사례를 통해 향후 차세대 신성장 동력으로써의 비전을 살펴보고 의료용 로봇 기술개발을 위한 유용한 시사점을 제시하고자 한다.
* 자료 : 한국과학기술정보연구원 이재춘 전문연구위원(jacelee@reseat.re.kr), 한국과학기술정보연구원 박완희 전문연구위원(pwh412@reseat.re.kr), 연세대학교 이우정 교수(wjlee@yuhs.ac), (주)유비테크놀로지스 CEO 손대일(sdinet@chol.com)
의료용 로봇의 개념
의료용 로봇은 일반적인 지능형 로봇과는 분명 차이가 있다.
지능형 로봇은 주위의 상황을 인식하여 스스로 어떠한 행동을 할 것인지 판단하여 행동하는데 반해 의료용 로봇은 자체적인 판단의 범위가 아주 제한적이며 의사에게 적절한 정보제공 및 수술을 보조하는 기능을 맡기 때문이다.
로봇이 수술에 이용되는 목적으로는 수술로 인한 신체손상을 최소화하고 수술시간을 단축해 마취에 대한 환자의 노출을 줄이며, 수술 중 출혈 및 수혈 최소화, 수술 후 환자의 통증이나 불편함 해소, 상처 감염의 노출 기회를 줄여 퇴원을 앞당김으로써 최대한 빠른 시간 내에 사회활동으로 복귀시키고자 하는 데 있다.
따라서 현재 외과의가 시행하는 큰 수술이 로봇을 이용하면 작은 수술로 변화할 수 있으므로 환자가 수술에 대한 두려움을 줄일 수 있으며 적극적으로 치료에 협조할 수 있다는 측면에서는 상당히 효과적이라 할 수 있다.
집도의의 측면에서는 로봇이 수술시 정확한 부위를 정확하게 제거할 수 있도록 도우며 미세하고 정교한 수술을 대신해 눈으로 볼 수 없는 부위의 수술도 가능하게 하여 의사의 피로도 줄이고 환자에게 덜 피해를 주면서 최대한의 수술효과를 얻을 수 있다.
또한 경험이 없는 의사도 로봇을 이용하면 경험 많은 의사의 수술 방법을 쉽게 터득할 수 있고 원거리에서 경험 많은 의사의 도움을 받아 수술을 무사히 마칠 수 있도록 로봇이 도울 수도 있다.
이러한 수술로봇의 발달은 현재의 외과의들의 수술의 패러다임을 바꾸는 효과를 가져 올 것이다.
의료용 로봇의 개념은 시스템이다.
즉 로봇 단독으로 수술을 하는 것이 아니라 의사에게 다양한 정보를 제공하고 의사의 지시에 따라 작동하며, 이를 위해서는 시스템의 구성이 필요하다는 뜻이다.
이러한 개념은 미국 존스 홉킨스대학의 Taylor 교수의 제안이 현재 전반적으로 받아들여지는 추세다.
그는 ‘로보닥(Robodoc)’ 개발에 참여했던 교수로, 그의 제안은 다음과 같다.
수술 전 환자의 영상 및 다양한 정보를 입력하여 기존의 데이터베이스 자료를 중심으로 환자에 적합한 수술계획을 세운다.
이렇게 가공된 데이터는 수술실의 로봇으로 옮겨지며 수술실에서는 환자의 환부를 로봇 내 내장된 데이터와 일치화 작업을 거친다.
이후 의사의 확인에 따라 의사의 지시대로 로봇을 이용하여 수술을 하고, 수술 중 환부의 변화에 따른 정보는 실시간으로 로봇에 입력되어 재가공하여 의사의 판단에 따라 수술을 진행한다.
수술시 일련의 다양한 정보는 보관한 후 수술 후 검증 작업을 통하여 전반적인 검토를 시행하여 이를 다시 다음 수술에 이용하는 데이터로 이용하게 된다.
의료용 로봇 기술개발동향
의료용 로봇의 연구개발 분야는 크게 네 분야로 나누어 진행되고 있다.
수술실에서 집도의사의 명령에 따라 수술을 보조하는 수술보조 로봇, 의사를 대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사를 대신하거나 의사와 함께 수술 작업을 하는 수술로봇, MRI나 CT 등을 이용하여 가상의 환자와 촉감장치를 이용한 수술 시뮬레이터, 장애자나 노인층의 독립적인 활동을 가능하게 해주는 재활로봇의 분야가 그것이다.
의료용 로봇의 개발은 미국, 독일, 일본 등의 선진국을 중심으로 연구되어 오다가 그 실현가능성과 상업적 가치가 검증되면서 최근 들어 점차 확대되고 있다.
의료용 로봇에 대한 현재의 개발수준은 초기단계이나 특정분야에서는 이미 상용화되었거나 실용화를 위한 임상평가단계에 있다.
수술보조 로봇
수술보조 로봇으로서 대표적인 것은 미국의 Computer Motion사의 AESOP와 영국 Armstrong Healthcare사의 Assist가 있고, 영국 Imperial 대학에서 개발한 ROBOSCOPE가 현재 연구 중에 있다.
원격수술 로봇으로서 대표적인 것은 미국의 NASAJPL의 RAMS, Computer Motion사의 ZEUS 시스템, Intuitive Surgical System사의 daVinch 시스템이 있으며, 각국의 대학에서 원격수술 로봇 시스템의 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
국내의 의료용 로봇 시스템에 관한 연구는 아직 초보단계에 있지만 KAIST의 텔레로보틱스 및 제어연구실의 미세수술용 원격수술 로봇시스템을 개발했고, 고관절전치환 수술을 위한 ARTH ROBOT도 개발되었다.
세계적으로 로봇에 의한 집도혁명이 일어나고 있는 가운데 국내에서도 이러한 수술 로봇 시스템을 도입하여 시술하고 있는 병원들이 많이 있다.
서울 아산병원에서 음성인식 로봇 시스템으로 심장 수술을 하였고, 수원에 있는 이춘택 병원에서 세계 최초로 로봇 인공관절 재수술에 성공하였다.
기존의 의료 환경을 개선하고 국민 의료복지중진에도 기여하면서 의료로봇 시장을 확보할 수 있는 우수한 의료전문가와 로봇 관련 전문가의 적극적인 상호협력이 요구된다.
수술보조 로봇 시스템으로서 대표되는 가장 포괄적인 로봇 시스템은 Computer Motion사의 제우스(ZEUS) 시스템과 Intuitive Surgical System사의 daVinch 시스템이다. 이 두 시스템은 카메라의 운동과 2차원 렌더링(Rendering)의 문제를 다르게 취급하고 있다 .
제우스 시스템은 카메라의 움직임을 위해 자동 내시경 시스템(AEOP) 카메라 제어시스템을 사용한다.
여기서 AEOP란 의사의 수술영역과 시각 사이에 존재하는 어느 정도의 간격을 제거시켜 주는 장치로서, 이 장치는 지시 명령에 따라 의사가 원하는 장소에 정확하게 복강경 카메라를 움직여주는 역할을 수행한다.
다빈치 시스템을 이용한 외과의사는 눈의 역할을 하는 2개의 독립된 모니터가 설치된 콘솔(Console) 위에 그의 이마를 놓는데, 이것은 외과의사에게 수술장 안에 몰입되는 느낌을 주게 하며, 일단 수술기구로부터 분리되면 손으로 카메라의 초점과 줌(zoom)을 조절한다.
지금까지 다빈치 시스템을 이용하여 10,000건 이상의 수술이 실시되었는데, 일반외과 의사, 비뇨기과 의사, 흉부외과 의사, 심혈관외과 의사, 산부인과 의사, 혈관외과 의사 모두가 이 시스템을 사용하고 있다.
따라서 이 로봇을 사용할 수 있는 범위는 간단한 담낭 제거수술로부터 아주 복잡한 승모판(Mitral Valve) 수술까지 그 범위가 넓다.
미국 연방 식품의약국(FDA) 승인 이전에 Intuitive Surgical System사는 미국 병원 5군데에 다빈치 시스템을 설치하였고, 비공식 통계에 의하면 미국에는 대략 70시스템이, 유럽에는 30시스템이, 아시아에는 3시스템만이 임상용으로 설치되어 있다.
그 후 다빈치 시스템은 모든 복강경 시술을 위해 FDA의 승인을 받았고, 심장 부분에서 승모판 수술을 위한 다빈치 시스템이 곧 승인될 것이다.
그리고 제우스 시스템은 유럽에서 널리 사용되고 있는데, 미국에서는 FDA가 이 시스템을 외과수술 보조기기로 승인하였다.
미래 의료용 로봇의 향방
현재 다빈치 로봇의 단점은 의사가 주 로봇에서 손잡이를 움직일 때 실제로 종 로봇의 팔에서는 이 움직임을 느끼지 못 한다. 종 로봇의 말단 수술팔의 작동시 발생되는 힘을 주 로봇의 손잡이에 반영하여 실제 감을 느끼게 해 주는 햅틱 시스템이 다양한 각도에서 개발 중에 이어 향후 의사가 수술시 직접 환부를 만지는 기분을 느끼면서 수술을 할 수 있을 것이다.
로봇과 의사 그리고 수술실 내의 다른 장비와의 공간 내 배치 및 편의성과 안정성을 고려하여 로봇의 소형화 및 정밀화가 진행 중이다. 또한 최근 수술실 내에 MRI 이용이 증가 되어 자기장 내에서도 작동하는 로봇의 개발도 진행 중이다 .
소형 로봇으로 내시경을 대신하는 캡슐형 로봇보다 소형화 하여 혈관 내에 주사한 후 스스로 이동하여 병변에서 활동할 수 있는 마이크로 로봇의 개발에도 많은 노력을 하고 있다.
이러한 로봇의 개발 사업은 대체적으로 하드웨어 분야에서는 일본이 경쟁력이 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서 나가고 있다. 독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구개발 능력을 보유하고 있다.
앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇시장의 핵심 주자로 나설 것으로 예상된다.
그에 비해 국내에서는 활발한 연구가 진행되기 어려운 실정이다. 의료용 로봇의 개발비가 많이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반기업의 참여가 아주 저조하다.
따라서 국제 의료시장을 겨냥한 적극적인 개발의지를 보이는 기업의 출현과 국가적 차원에서 연구지원이 국내의료용 로봇의 연구개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.
바이오 로봇 기술
생체공학의 총아 바이오로봇기술_ 인공장기 개발은 바이오와 기계·시스템공학의 결합을 통한 바이오로봇(Bio Robot) 기술의 개가다. 바이오로봇은 인간, 곤충 등 생체모방이나 수술보조, 재활서비스, 진단검사 등 의료 및 생명분야에서의 이용을 목적으로 하는 로봇이다.
또 연골·뼈 재생 등 조직공학을 활용한 바이오 로봇시스템도 포함된다.
맞춤형 인공신장 경우 환자의 신장세포를 채취, 신장모양의 뼈대에서 배양되고 있는 신장 세포에 영양분을 공급해 완전히 장기 형태를 갖추면 환자에게 이식하는 것이다.
현재 인공심장, 인공방광, 인공망막 등이 개발돼 있지만 인체거부 반응을 줄여야하는 기술적 과제와 상용화까지는 시간이 좀 더 필요하다.
사이보그형 바이오로봇으로 발전_ 미국 매사추세츠에 거주하는 척수마비 20대 청년 매튜 네이글은 1999년 칼에 찔려 척수가 절단되는 사고를 당해 전신이 마비됐다.
2005년에 로드아일랜드 병원에서 ‘뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI; Brain Computer Interface) 연구전문기업 사이버키네틱스 뉴로테크놀로지 시스템스사가 개발한 신경 인터페이스 시스템 ‘브레인게이트(Brain Gate)’를 이식받아 손발을 움직일 수 있게 됐다.
이 시스템은 100개의 마이크로미터 단위 미소 전극을 포함한 4㎜ 정도의 알약 크기 센서로 이뤄졌다. 뇌에서 운동기능을 명령하는 운동피질 표면에 이식돼 환자의 의지를 전송신호로 받아 컴퓨터에 연결, 원하는 동작을 이끌어낸다.
매튜 네이글은 ‘허리를 펴라 굽혀라’ ‘두 손을 벌려라, 모아라’ 등 16가지 동작을 상상만으로 취할 수 있다.
‘인공근육(Artificial Muscles)’을 이용한 로봇 팔도 개발됐다.
미 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)는 적은 양의 전기에 재빠르게 반응해 인체 근육처럼 늘었다 줄어드는 인공 근육을 개발, 구동장치가 없는 로봇에 적용했다. 팔과 다리를 절단한 장애인에게 인공근육이 이식되는 날이 올 것이다.
나노 로봇 기술
미국 펜실베이니아주 피츠버그에 위치한 카네기멜론대의 카메론 리비에어 교수 연구팀은 21세기판 ‘약용 거머리(Medicinal Leech)’ 라고 부를 수 있는 로봇 장치를 개발하고 있다.
애벌레를 닮은 이 로봇 장치는 조만간 심장병 환자의 가슴 속에서 뛰고 있는 심장의 표면을 기어 다니며 큰 수술을 시행할 필요 없이 치료를 수행할 것이다.
하트랜더(Heart lander)라고 불리는 이 로봇 장치는 최소 침습의 열쇠구멍 수술(Keyhole Surgery)을 통해 삽입될 수 있다. 일단 내부에 위치하게 되면 하트랜더는 심장 외부 표면을 기어 다니기 시작하면서 약을 주사하거나 치료 장치를 부착한다.
살아있는 돼지에 대해 수행한 시험에서 하트랜더는 인공 심박동기 유도(Pacemaker Lead)를 설치하고 염료를 심장에 주사한 바 있다.
유럽 연합의 캡슐형 로봇
유럽연합의 연구자들은 암 탐색 목적으로 입으로 삼켜서 몸속을 이동해 다니는 캡슐형 로봇을 개발하고 있다.
알약 크기의 이 캡슐형 로봇은 시험을 통해 신체 내부의 종양을 찾고 그 결과를 즉시 컴퓨터로 전송할 수 있게 된다.
이 캡슐형 로봇은 장 전체에 대해 40,000여 장의 이미지를 포착할 수 있는 초소형 비디오카메라를 갖추게 된다.
이 카메라 이미지는 즉시 개인용 컴퓨터로 전송되기 때문에 이 로봇을 회수할 필요가 없다.
로봇은 자연스러운 생리 작용을 통해 화장실에서 배출된다.
유럽연합으로부터 약 180만 파운드(약 33억 원)의 자금을 지원받는 이 새로운 캡슐형 로봇은 캡슐형 내시경인 필캠의 카메라 기술에 기초하고 있다.
이 로봇은 단순히 사진을 찍는 기능을 넘어 위와 장 내부에서 건강한 정상 조직과 암 조직을 구별해내기 위한 시험을 수행하게 될 것이다.
시험결과는 의사에게 전송되며, 많은 경우 수술이 불필요해질 것이다.
일본의 마이크로 체내 로봇
일본 리츠메이칸대(Ritsumeikan University)와 시가의대(Shiga University of Medical Science)의 연구자들도 미소한 절개부를 통해 일단 몸속에 삽입되면 의학적 치료를 수행하고 병에 걸린 부위에 대한 이미지를 촬영할 수 있도록 자유롭게 제어될 수 있는 마이크로 체내 로봇 시작품을 완성하여 지난 2007년 2월 26일에 공개했다.
플라스틱 케이스를 가진 이 마이크로 체내 로봇은 길이가 2cm이고, 지름이 1cm인 원통형 형상을 하고 있다.
몸속에 있는 마이크로 체내 로봇은 환자 근처에서 외부 자기장을 인가하여 제어될 수 있다.
연구자들은 이미지 촬영 기능, 약 전달 시스템, 조직 표본을 채취하기 위한 소형 핀셋 등의 특징을 갖춘 서로 다른 5가지 시작품들을 개발하고 있다.
사전에 환자에 대해 촬영한 자기공명 영상(MRI)은 마이크로 체내 로봇을 주행하기 위한 지도로 사이처럼 인체 내부에서 각종 검사 및 치료를 수행할 수 있는 소형 로봇들은 절개나 내시경에 따르는 고통 없이 위와 장에 대한 암 검사를 손쉽게 시행할 수 있어 암의 조기 진단을 가능하게 한다.
한국의 로봇수술 경쟁력
로봇수술의 경쟁력은 의학적 또는 의료서비스 입장에서의 경쟁력과 산업적 측면에서의 경쟁력의 두 가지로 구별할 수 있다.
의학적 또는 의료서비스 입장
먼저 의학적 또는 의료서비스 입장에서는 조금 늦기는 했지만 곧 발전할 것이라는 의견이 많다.
즉, 1990년대 말에 시작에서 2000년대 초에 선풍적인 보급이 되어 현재는 미국에 500여대, 유럽에 150여대, 아시아에 40여대 등이 보급되어 있으며 수술건수도 폭발적으로 증가하고 있기 때문이다.
미국의 경우 각 과별로, 과에서도 경우에 따라 질병별로 미국 FDA 인증이 되고 있는데, 이들은 산부인과에서 로봇수술이 최근에 시작되어 얼마 전부터는 비뇨기과 수술보다도 산부인과 로봇수술이 더 많이 이루어지고 있다고 한다.
특히 미국을 포함하여 유럽에서는 의료보험의 혜택을 받을 수 있는 경우가 점차 늘어나고 있어 전망은 아주 밝다고 할 수 있다.
한국의 경우는 아시아에서도 13번째로 다빈치 로봇이 도입(2005년 4월)되어 비교적 늦었으며, 한국 FDA 인증이 예상보다 오래 걸려(2005년 7월 13일) 실제로 첫 수술은 2005년 7월 15일 이루어졌다.
초기에는 국민의 인지도 부족 및 로봇수술에 대한 신뢰부족, 그리고 특히 고가의 수술비(700만원~1500만원) 부담으로 인해 로봇수술이 활성화되지 못했다.
그것도 첫 6개월간 20례를 시행했을 뿐이었다.
그러나 점차 활성화되어 100례 돌파는 물론 1000례도 빠르게 돌파해버렸다.
로봇수술과 직접 관련된 사망사고는 한례도 없었으며, 합병증도 미미하였다.
그리고 2007년 7월부터는 연세의료원뿐 아니라 고대병원, 서울 아산병원, 한림대학 강남성심병원, 분당서울대병원, 부산동아대병원, 서울삼성병원, 서울대병원 등에서도 신형다빈치를 도입하여 수술을 시작하였다.
그리고 몇 대학에서 추가로 장비도입을 준비하고 있다.
우리나라가 이렇게 성공을 거둔 이유는 비교적 복강경 수술의 기초가 잘 구축되어 있었으면서 첨단수술에 대한 지속적인 관심과 연구에 힘입어 쉽고 빠르게 발전시킬 수 있었던 것으로 보인다.
의료서비스 입장에서는 어서 한국도 다른 선진국과 마찬가지고 로봇수술을 의료보험의 제도권으로 받아들여 수술 받는 환자의 부담을 줄여주는 일일 것이다.
물론 한국이 아직 선진국처럼 많은 의료비를 쓸 수 없는 상태이지만, 국가의 재정이 좋아지고, 국민이 더욱 노력하여 빨리 선진국으로 진입하게 되면 당연히 되어야 할 일일 것이다.
물론 여기서 한 가지 꼭 언급할 것은 현재는 고가의 장비 및 소모품을 다 외국 특히 미국에서 수입하여 사용하고 있는데, 한시 빨리 로봇장비 및 소모품을 국산화를 하면 비용을 훨씬 줄일 수 있으며, 더욱 빨리 의료보험의 혜택을 줄 수 있을 것이다.
로봇산업 측면에서의 경쟁력
한국은 미국, 일본 등에 이어 자타가 공인하는 로봇강국이다.
그러나 이것은 산업용 또는 공업용 로봇의 경우이다.
국내의 의료 로봇시스템에 관한 연구 및 개발은 아직 초보단계에 있다고 볼 수 있다.
비교적 많은 공학자가 로봇산업에 종사하고 있지만, 주로 산업용 로봇에 종사하고 있으며, 의료로봇에 종사하는 사람을 그렇게 많지 않다.
1999년부터 KAIST(한국과학기술원)에서 HWRS(인간친화형 로봇연구센터)가 발족이 되어 KAIST의 기계공학과 변증남 교수를 주축으로 의료로봇을 연구하고 있으며, 복강경 로봇의 개발도 많이 진척되었으나 구미의 수준에 비하면 아직 많은 격차가 있다고 할 수 있다.
이와 관련해 2006년부터 산업자원부가 의료로봇의 중요성을 인식하여 의료로봇의 개발에 약간의 연구비를 지급하고 있고, 2007년부터는 의료로봇의 중요성을 확실히 인식하고 의료로봇 개발연구팀을 구성하여 앞으로의 발전계획을 수립하고 있으며, 연구비의 증액을 통해 자연스럽게 좀 더 많은 공학자가 의료로봇에 기여할 수 있도록 유도하고 있다.
그러나 공학적으로 뭉쳐진 힘을 발휘하지 못하고 있어 아쉬움을 남기고 있는데, 국가에서 좀 더 주도적으로 흩어져 있는 능력과 기술을 뭉쳐 의료로봇의 발전에 힘쓰면 곧 세계적인 수준이 될 수 있을 것이다.
