의료로봇 기술 트렌드
더 까다로운 조건 요구하는 의료로봇, 덩달아 발전하는 로봇기술
최근 수술 중 의료용 화상 등의 정보를 이용하여 진단하거나 이를 기초로 침습치료를 하는 장치를 포함한 로봇시스템이, 의료의 한 분야로 범위를 넓히며 관련 연구개발이 다양하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 수술 지원기기에서의 로봇 응용은 종래의 산업 응용과 달리 특별한 기계적 특성을 요구하고 있다. 대표적으로 생체조직에 직접 접하는 장치에 있어서는 청결, 멸균·소독성이 있고, 한정된 수술실 공간 내에 의사나 조수가 공존하면서 수술을 하기 때문에 사이즈, 운반성, 설치성 등이 중요해지는 것이다. 새로운 시장, 의료분야에 진출하는 로봇으로 더욱 발전하는 로봇기술을 다음 내용을 통해 확인해보자.
수술 장치의 기구적 연구
최근 수술 중 의료용 화상 등의 정보를 이용하여 진단이나 이를 기초하여 저침습 치료를 하는 장치를 포함한 「컴퓨터 외과」 분야가 의료분야의 한 분야로 범위를 넓혀 생명에 직접 관계되는 연구개발이 성행 중이다. 본 내용에서는 수술 장치 기구에 초점을 맞추었다. 의료, 복지를 목적으로 한 시스템에서는 산업용에는 없는 엄격한 리스크 관리를 요구하고 있기 때문이다. 기계나 로봇 시스템의 의료 응용을 생각할 때 중요한 것은 환자·의료종사자의 장치 도입에 의한 리스크의 저감에 있다. 특히 의료로봇은 환자에 직접 작용해서 처음으로 효과를 발휘하기 때문에 기구적인 연구의 역할이 지대하다. 환자에 직접 접촉하는 부분이나 주변의 부품은 환자의 체액이나, 혈액이 부착되기 때문에 멸균·세정이 가능한 연구도 필요하다.
심장외과, 복부외과, 비뇨기외과에 있어서 로봇으로는 다빈치(DaVinchi)가 대표적으로, 내시경 하에서 수술에서 내시경이나 장겸자(의료용 가위)는 극력 환자와의 접촉을 피해서 체내에 삽입해야 한다. 표면상의 삽입구명을 중심으로 피봇 운동이 되도록 평행 링크를 이용한 RCM(Remote Center of Motion)기구가 문헌(A telerobotic assistant for laparoscopic surgery)을 최초로 많이 채용하고 있다. 개방형 MRI의 보급에 따라 동경여자대학의 Muragaki씨는 뇌종양적출수술에 있어서 MRI환경 하에 실시하여 종양 적출률을 향상한 실증의 성과를 올리게 되었다. 그러나 MRI 내는 협소한 공간으로 촬영과 치료를 별도의 장소에서 실행하였다. 화상정보를 즉시에 사용하기 위해서는 이 공간 내에서 치밀하게 동작하는 MR 대응 로봇이 필요하게 된다.
MR 대응성을 만족하는 로봇의 구동원으로 비자성 초음파 모터가 일반적으로 사용되나 엄밀한 자기 씰드의 필요성, 촬상 중심에서 거리를 두기 위해 멀리서 동력을 전달하는 기구가 필요하고 전자기의 상호작용의 배제가 어렵다는 문제점이 있다. 향후 치료용 MRI 고자장화가 상정되어 단순히 비자성체 라는 것뿐만 아닌 비금속·비도전성 로봇이 필요하게 된다. MRI 환경 하에서의 사용을 목적한 것은 아니지만 금속제의 공압식 스테핑 액추에이터로서는 Uzuka씨 등이 치수(齒數)가 다른 기어를 서로 물려서 회전시킴으로써 높은 감속이 가능한 공압식 스테핑 모터가 보고되었다. 여기서 완전한 스텝 동작이 가능한 비자성 공압식의 스테핑 액추에이터가 개발되었다. 회전형 액추에이터의 경우 동작에 필요한 기어는 하나의 Rotation Gear와 3개의 Direct Acting Gear(DA)로 구성되었다.
직동형 요동 나선치 액추에이터는 직경이 다른 두 개의 원 가운데 직경이 적은 원이 큰 원 속에서 내접한 상태로 회전할 경우 접촉 위치가 원주의 차이만큼 벗어난다. 대경원과 소경원이 각각 원통형상으로 구성되었고 각각의 표면에 나선형의 치를 가공하게 되면 벗어난 차이만큼 직동방향으로 동작하는 것이 가능하게 된다. 공압 액추에이터에 의해서 비자성 2자유도 천자침유도 로봇의 개발을 실행하였다. MRI 화상정보에 따라 위치를 결정하지만 여기서는 RCM 기구와 링크 기구를 채용하였다. 하측에 있는 암 선단에 구면조인트를 자입점으로 하여 환자에게 접촉시켜 목표 위치를 화상에서 읽음으로서 목표점과 자입점의 위치 관계를 알게 되며 상단의 암 위치를 결정하여 자입 방향이 결정된다. 시술자는 자입점 확보를 함으로써 작업공간이 좁은 공간에서 유용한 기구라고 할 수 있다.
복잡한 작업을 하는 로봇을 도입하려고 할 경우 먼저 기구에 의한 리스크를 회피하도록 노력해야 한다. 리스크에는 환자·시술자의 과도한 간섭뿐만 아니라 멸균 세정성이라는 특유의 문제가 있다. 또한 로봇이 체내에서 활동하지 않으면 안 되는 경우 로봇에 후진 동작 기능을 부여하는 문제와 액추에이터를 수동으로 변환하는 연구도 필요하다.
수술지원 로봇에 패럴렐 기구의 응용
패럴렐 기구는 앤드 이펙터(파지수, 把持手)가 복수의 독립된 암에 접속되고 이들 암이 폐(閉)루프로 구성하는 기구라고 정의하고 있다. 1980년대에 로봇의 산업 응용이 활발하게 됨에 따라 패럴렐 기구를 많이 활용하게 되었다. Clavel의 DELTA(1988), Pierrot의 HEXA(1991) 등은 현재도 왕성하게 산업용 로봇에 응용되고 있다. 일본에서도 1980년 이후 활발하게 연구되고 있으며 많은 연구자들이 이 분야에서 공헌하고 있다. 패럴렐 기구의 이점으로는 엔드 이펙터가 복수의 암에 의해 지지되기 위해 부하를 분산하고 강성을 얻기 쉬운 고부하·고강성이 있다. 복수의 암에 의해 앤드 이펙터의 오차를 평균화하기 위해 종래의 시리얼 형 매니퓰레이터와 비교하면 오차의 누적이 없고 고정도이다. 모든 액추에이터가 기저부의 고정부에 고정되기 때문에 앤드 이펙터는 경량이면서 고속 동작성(動作性)을 가지게 된다.
수술 지원기기에서 로봇 응용은 종래의 산업 응용과 달리 기계적 특성을 요구하고 있다. 대표적인 례로 생체조직에 직접 접하는 장치에 있어서는 청결, 멸균·소독성이 있고, 또한 한정된 수술실 공간 내에 의사나 조수가 공존하면서 수술을 하기 때문에 사이즈, 운반성, 설치성이 중요하다. 더욱이 저침습 수술지원 로봇과 같이 체내에 삽입해서 구동하는 로봇에서는 소형으로 다자유도의 기구가 필요하게 된다. 패럴렐 기구에서는 모터를 환부에서 원격에 설치해서 청결성, 멸균·소독성을 확보할 수 있으며, 수술에 필요한 특수 동작을 거울삼아 기구설계를 시행하는 것은 매우 중요하다. 예를 들면 평행 4절 링크에 의한 부동점기구는 대표적인 연구이다. 많은 저침습 수술을 대상으로 한 수술지원 로봇에 관한 연구에 있어서 이 방식에 의해 환자체표상의 수술 툴 삽입 점에 RCM(Remote Center of Motion)을 구성하여 안전 동작을 실현하고 있다.
패럴렐 기구는 특이한 특징을 가지고 있으며 향후에도 수술지원 로봇에 대표되는 특수 요구 스펙에 분화·특화된 연구개발이 기대되는 한편 보다 일반적 관점에서는 패럴렐 기구는 운동학이 다소 복잡하게 되기 쉽고 특히 다자유도의 경우 종래의 시리얼 기구에 비교해서 경원되는 느낌이다. 향후 여러 연구자가 패럴렐 기구의 매력적인 동작에 착안해서 응용이 일층 활발해지기를 기원한다.
