The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy Room B KAIST 의 NOTES 용유연내시경로봇의개발 이민석 1 ㆍ권동수 2 1 KAIST 로봇공학학제전공, 미래의료로봇연구단, 2 KAIST 기계공학과, 미래의료로봇연구단장 Flexible Endoscopic Robot System for NOTES Developed in KAIST Min-Seok Lee, M.D. 1 and Dong-Soo Kwon, M.D. 2 1 Department of Robotics Program, KAIST, Center for Future Medical Robotics, 2 Department of Mechanical Engineering, KAIST, Director, Center for Future Medical Robotics, Deajeon, Korea 서론기존의개복수술에서발생하는세균감염, 유착, 탈장등의문제를극복하기위하여 1980년대중반복강경수술이나타났다. 복강경수술은개복수술에비하여복부절개부위의크기가상대적으로작아개복수술에서발생하는문제들이개선되었다. 하지만여전히복부절개에대한문제들은복강경수술에서도남아복부에전혀절개부위를남기지않는무침습수술방법등새로운수술기법이요구되고있다. 무침습수술방법으로는대표적으로자연개구부내시경수술 (NOTES, Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery) 이있다. Kalloo 등은돼지를이용하여 Transgastric NOTES를수행하여 NOTES의가능성을확인하였으며 1 다른집도의들도다양한수술에서다양한방법으로 NOTES를활용하고자노력하였다. 하지만 NOTES는수술이난해하다고평가되며앞서언급한환자에대한장점에도불구하고 NOTES 활용의한계가있다. 본논문에서는현재까지나타난 NOTES의한계를분석하고이를극복하기위한해결방안을제시한다. NOTES 의문제점및개발현황 1. 의사관점에서의 NOTES NOTES용플랫폼이개발되기이전많은집도의들은기존에장기관측, 침생검, 내시경수술등에사용되는내시경플랫폼으로 NOTES를수행하였다. 점차 NOTES가각광을받으며보다 NOTES에특화된플랫폼의요구가증가하었다. 기존의내시경플랫폼을사용한 NOTES의문제점은 Table 1 에제시하였다. 크게수술방법론의개선과수술플랫폼의개발로나눈다. 집도의들은복강내합병증, 압박증후군, 예상치못한사건등을수술방법론의개선으로극복해야한다고느끼며병변접근의어려움, 봉합및수술의어려움등은새로운수 술플랫폼에서개선해야하는요소로느끼고있다. 이러한요소를개선하는플랫폼을연구하는공학자는공학의입장에서 NOTES의개선방향을분석해야한다. 2. 공학관점에서의 NOTES 집도의가제시한문제점을해결하는플랫폼개발을위하여공학적인관점에서의 NOTES 플랫폼에대한개선방향을정의하고자한다. 먼저수술도구에대한입장을공학적요소로전환할수있다. 복강경수술및내시경수술에서수술의난해함은공학적관점에서크게네가지로분류할수있다. 첫번째가자유도의관점이고두번째가직관성의관점이며세번째가수술도구가버티는충분한힘의관점이고네번째가작업공간의관점이다. 수술도구등의구동부가복잡한운동을할수있는정도에대한논의는자유도로정의된다. 자유도는물체가공간상에배치될때의다양성을의미한다. 복강경수술도구는집게를포 Table 1. 의사의관점에서바라본 NOTES 의장벽 2 의사의관점에서바라본 NOTES의장벽복막으로의접근 (Access to peritoneal cavity) 위의봉합 (Gastric (intestinal) closure) 세균감염의방지 (Prevention of infection) 봉합툴의개발 (Development of suturing device) 수술도구의개발 (Development of anastomotic (nonsuturing device)) 공간방위 (Spatial orientation) 멀티태스킹플랫폼의개발 (Development of a multitasking platform to accomplish procedure) 복강내출혈제어 (Control of intraperitoneal hemorrhage) 복강내합병증제어 (Management of iatrogenic intraperitoneal complications) 예상치못한사건 (Physiologic untoward events) 압박증후군 (Compression syndromes) 다른집도의의훈련 (Training other providers) 140 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy
함하여 5자유도에불과하지만복강경수술로봇인 Intuitive Surgical 사의 davinci 의경우각수술도구에모터 7개를장착하여 7자유도로구성되어있다. NOTES용수술플랫폼인 R-scpoe 는각수술도구가 3자유도로구성되어있다. 3 일반적으로자유도가높아지면복잡한작업을수행하는데용이하다. 두번째는직관적인움직임관점의분석이다. 직관성은수술자의직관적인생각의움직임이수술도구에반영되는정도를의미한다. 복강경수술의경우 Fig. 1에나타내었듯이 Fulcrum 효과에의하여팔을좌로움직이면수술도구는우측으로움직이며움직임의크기도달라지게된다. 이는직관성을떨어뜨리는요인이다. 내시경의경우수술도구를좌우로움직이기위하여레버를돌리는등의방법을사용하지만이역시직관성을떨어뜨리는요소이다. 세번째는수술도구힘의한계에관한관점이다. 복강경수술을살펴보면수술을위해서는최소 10 N 이상의힘이지속되어야가능하다. 4 10 N의크기는 1 kg을드는힘으로크지않다고생각할수있지만내시경수술로접근하여회전력의관점으로생각하면구동부와지지단이수술도구의지름에비하여 크기때문에거리가구동부의힘은크게증가한다. 5 마지막으로작업공간 (workspace) 에관한분석이다. 로봇공학에서작업공간이란구동부에의하여작업단이미칠수있는공간을의미한다. 개복수술은작업공간이크기때문에수술이용이하지만복강경수술및 NOTES는작업공간이작아개복수술에비하여수술의어려움을느낀다. 수술도구외에내시경의한계에의하여나타나는어려움이있다. 내시경이제공하는시야로는현재수술도구의몸내부에서절대위치를알기어려우며수술과정에서도시야의제약을느낀다. 3. 현재의 NOTES 용플랫폼및극복방안 자유도를늘리며직관적인움직임을위한방안으로조종기로구동하는 NOTES 로봇플랫폼이있다. NOTES 로봇플랫폼으로는싱가포르 Nanyang 대학에서개발한 MASTER와 6,7 Perdue 대학에서개발한 ViaCath, 8 그리고 Nebraska 대학에서개발한 Miniature robot이있다. 9,10 이로봇들은각팔마다 ViaCath의 9자유도, MASTER의 9자유도, Miniature Robot의 5 자유도를두어자연스러운움직임을보이고자하였으며다른조종기와수술도구단의다른구동메커니즘하에서 Motorize를통하여동일한움직임을보일수있도록구현할수있었다. 힘의한계극복방안으로는 USGI 및 Nebraska 대학에서제시한방법이있다. USGI에서개발한오버튜브는다수의링을강하게밀착하여유연상태에서강성상태로변환가능하도록형상고정장치를적용하였다 (Fig. 2). Nebraska 대학에서개발한 Miniature robot은외부의자기장을통하여복부상단에밀착시켜힘의고정점을수술위치에가까이하고큰힘을발휘할수있도록하였다 (Fig. 3). 4. KAIST 에서제안하는 NOTES 플랫폼 Figure 1. 수술에서의 Fulcrum 효과. KAIST에서는자유도를늘리며직관적인움직임을개선하고자 NOTES용로봇플랫폼개발을목표로하여다섯분야로나누어개발을진행하였다. 수술로봇의기본플랫폼인마스터조종기와수술도구를개발하고자하였으며수술도구를감싸는 Figure 2. USGI 의 Overtube. Figure 3. Nebraska 대학의 Miniature Robot. Vol. 41 (Suppl 1), 2010 (140-144) 141
오버튜브의개발을진행하였고위치의혼돈문제를개선하고자 NOTES로봇플랫폼에네비게이션을장착하였다. 또한빠른수술과정도입을위하여진단을곧바로할수있는 NOTES를위한진단내시경을장착하였다. Fig. 4에서 KAIST에서목표로하고있는유연내시경수술로봇의최종목표를나타내었다. KAIST에서개발하는플랫폼역시 USGI와유사하게오버튜브에형상고정메커니즘을적용하여내시경수술도구를지지한다. USGI에서형상고정메커니즘을제안하였지만 11 NOTES 용로봇을위해서는보다큰안정성이요구된다. 이를위하여 KAIST에서는새로운메커니즘을제안하였다. 제안하는형상고정메커니즘은슬라이더 / 스토퍼방식이다. 오버튜브에충분한내경및외경을확보하기위하여공간을최소화하고자와이어를이용하였으며 NOTES에서요구하는힘을견디기위하여슬라이더와스토퍼의물리는부위의너비, 높이, 개수등을정하였다. 12 Fig. 5에 KAIST에서제안하는형상고정메커니즘의원리를나타내었다. 좌측와이어를당겼을때스토 퍼가좌측으로힘을받아슬라이더와멀어지며양링크가부드럽게움직이고우측와이어를당기면슬라이더와스토퍼가맞물리며링크를강하게묶어형상이고정된다. 이를다수연결하면긴내시경하에서형상이강하게고정되었다가자유롭게움직이는것을반복할수있다. 실험을통하여제안한시스템이 NOTES용오버튜브에활용될수있음을확인하였다 (Fig. 6,7). 수술도구는각 5자유도로구성을하였다. 히스테리시스를줄이기위하여와이어의개수를 10개로최소화하였다. 타시스템의경우수술시야를확보하기위한 triangulation에 2자유도를적용하는데본시스템은여분의수동메커니즘으로구현하여추가자유도를줄여다른구동부분에무리가없도록구성하였다. 각자유도의움직임구현을완벽하게하는것을목표로하여연구를진행하였다. 유연한관절은링크로구성하여정확도를높였다. 프로토타입실험을통해곡률 60 cm의 S형태채널을통과하여구동하는것을확인하였다 (Fig. 8). 타시스템에비하여적은자유도를오버튜브에서보충하였다. 오버튜브의추가적인 2자유도는병변의위치를잡아주는역할을하여집도의가수술하는동안불편함을겪지않도록하며수술도구와독립적인자유도를갖기때문에계산속도가줄 Figure 4. KAIST 가추구하는유연내시경로봇. Figure 6. 오버튜브프로토타입의강성및유연성측정. Figure 5. 슬라이더 / 스토퍼를이용한형상고정메커니즘. Figure 7. NOTES 용오버튜브. 142 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy
어빠르게반응하여보다직관적인움직임을보인다. ViaCath 등의시스템은기존의복강경수술로봇에사용되었던마스터시스템을그대로활용하였다. 하지만 NOTES를위한마스터시스템은복강경수술로봇에사용되었던마스터와다른환경에놓여있다. 자유도가상대적으로적을뿐더러수술환경역시매우다르다. 따라서 NOTES에걸맞은집도의에게편한수술환경을제공하기위한마스터플랫폼개발이필요하다. KAIST에서는 NOTES 시뮬레이션시스템을통하여수술과비슷한업무를수행하였을때신진대사에너지소모를분석하고이를최소화할수있는마스터시스템을개발하였다. 13 세가지프로토타입을제안하고가상의화면을통하여신진대사에너지소모경향을분석하였다. Fig. 9에실험모습을나타내었다. 장기내에서내시경의위치를판단하기위하여네비게이션시스템이장착되었다. 네비게이션을위한위치센서는광학센서, 전자기센서, 초음파센서그리고기계링크를사용하는방법 Figure 8. NOTES 수술도구구동실험. 등이있다. 각센서는장단점을갖고있다. 광학센서는수신기와발신기사이에벽이존재하면오류를발생하며전자기센서는외부전자기시스템을이용할때간섭문제가나타날수있다. 초음파센서는거리가매우가까워야하며정확도가낮아지는문제가발생할수있으며기계링크는자유도및작업공간의크기가제한되는단점이있다. KAIST에서는 NOTES용로봇플랫폼에적용되는센서로써정확도가높은전자기센서를채택하였다. 전자기센서는외부모터에서발생하는전자기에영향을받을수있지만모터가구동되는수술과정이아닌삽입중필요한요소이므로모터와의간섭은피할수있다. NOTES를위한공초점내시경은매우작은직경을갖고있다. 본로봇플랫폼에서는 5 mm 직경을갖는공초점내시경을개발하여오버튜브채널에장착가능하도록하였다. 요약 NOTES에서나타나는문제점을집도의의관점에서먼저살펴보았으며이러한문제를해결하기위하여공학적인요소로정의하였다. 현재 KAIST에서는 NOTES용로봇플랫폼을공학적인관점을토대로개발하였다. 개복수술에서복강경수술, 단일포트수술, 무침습수술에이르며복부절개의크기는점차작아지고절개부위에서수술부위의거리는점차멀어지고있다. 공학적관점에서이것은수술을점차난해하게하는요인으로기존의수술플랫폼으로는환자의요구를따라가기어렵다. 개복수술에서는집도의의자유도와힘이충분하기때문에 Figure 9. NOTES 용마스터조종기의동작신진대사에너지소모분석. Vol. 41 (Suppl 1), 2010 (140-144) 143
로봇을필요로하지않았다. 하지만복강경수술로발전함에따라수술시발생하는자유도의제약및힘의제약에의하여복강경수술에서수술로봇이도입되었고집도의에게편리함을가져다줄수있었다. 단일포트수술및무침습수술은이보다더극한상황이라고평가된다. 현재단일포트수술용이나 NOTES용플랫폼이개발되고있지만로봇플랫폼이아닌매뉴얼플랫폼에는시스템의한계가나타날수밖에없다. 자유도의제한및힘의제약을넘어설수있는플랫폼은궁극적으로수술로봇플랫폼으로발전할수밖에없다. 이러한로봇플랫폼개발을위하여 KAIST에서는오버튜브, 수술도구, 마스터콘솔, 네비게이션및공초점현미경다섯분야로나누어 NOTES용유연내시경수술로봇개발을진행하였다. 형상고정장치가가능한 NOTES용오버튜브를개발하였으며각팔에그리퍼를포함하여 6자유도의수술도구를개발하였다. 신진대사에너지소모경향을분석하여마스터조종기를개발하였고전자기센서를이용한네비게이션시스템을개발하였다. 진단을위한공초점내시경이장착된다. 이러한수술로봇개발을통하여 NOTES에서보인한계를극복하는시스템이될것으로기대한다. 국문초록기존의개복수술과복강경수술은복부절개에대한문제와더불어통증, 세균감염등의여러문제를지닌다. 이를극복하기위한방법으로자연개구부내시경수술 (NOTES, Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery) 이제안되었다. 현재기존의진단및침생검을위한내시경을이용하여 NOTES가수행되고있지만내시경의한계때문에보다효율적인시스템이요구된다. 이를위해 KAIST에서는새로운 NOTES를위한로봇플랫폼을개발하였다. NOTES를위한로봇플랫폼은수술을가능케할수있는수술도구끝단의힘이보장되어야하며수술을위한작업공간이보장되며자연개구부를통과할수있는직경을유지하는등많은제약조건을만족해야한다. 이러한제약조건을만족하는 NOTES용로봇플랫폼을개발하기위하여 KAIST에서는다양한방법론을제시하며연구를진행하였다. Acknowledgement 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국과학재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2010-0000779). 본 NOTES용유연내시경로봇을위해도움을주신 KAIST 윤용산교수님, 이정주교수님, 권대갑교수님, 김정교수님모두에게감사의말씀을전합니다. 참고문헌 1. Kalloo A, Singh V, Jagannath S, et al. Flexible transgastric peritoneoscopy: a novel approach to diagnostic and therapeutic interventions. Gastrointest Endosc 2004;60:114-117. 2. Rattner D, Kalloo A. ASGE/SAGES Working Group on Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery. Surgical Endoscopy 2006;20:329-333. 3. Neuhaus H, Costamagna G, Devière J, Fockens P, Ponchon T, Rösch T. Endoscopic submucosal dissection (ESD) of early neoplastic gastric lesions using a new double-channel endoscope (the R-scope). Endoscopy 2006;38:1016-1023. 4. Madhani A, Niemeyer G, Salisbury J Jr. The black falcon: a teleoperated surgical instrument for minimally invasive surgery, intl. Conference on Intelligent Robots and Systems. Canada: Victoria, B.C., 1998:936-944. 5. Beer F, Johnston E, Clausen W. Vector Mechanics for Engineers 8/e, McGrawHill. 6. Phee SJ, Low SC, Sun ZL, Ho KY, Huang WM, Thant ZM. Robotic system for no-scar gastrointestinal surgery. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery 2008;4:15-22. 7. Phee SJ, Kencana AP, Huynh VA, et al. Design of a master and slave transluminal endoscopic robot for natural orifice transluminal endoscopic surgery, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C. Journal of Mechanical Engineering Science 2010;224:1495-1503. 8. Abbott DJ, Becke C, Rothstein RI, Peine WJ. Peine, Design of an Endoluminal NOTES Robotic System, IEEE International Conference - IROS, San Diego 2007;410-416. 9. Lehman AC, Wood NA, Dumpert J, Oleynikov D, Farritor SM. Robotic Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery. IEEE International Conferrence on Robotics and Automation 2008;2969-2974. 10. Lehman A, Dumpert J, Wood N, et al. Natural orifice cholecystectomy using a miniature robot. Surgical Endoscopy 2009; 23:260-266. 11. Swain P, Kosarek R, Pasricha PJ, et al. The development and testing of a new multichannel, Shape-Locking guide with tip and mid body articulation for intragastric endosurgery. Gastrointest Endosc 2005;61:AB183. 12. 이민석, 신원호, 권동수. NOTES를위한 Overtube의기어물림방식메커니즘제안. 제2차대한의료로봇학회, 2009. 13. Park SH, Lim KB, Jeong JM, Yoon YS. Design of Master Console Robot for Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery. ICROS-SICE International Joint Conference, 2009. 144 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy