출처 : 일본로봇학회지 Vol.39 213~217p

 

여기에서는 용도별로 나누어 세계의 수술 로봇 제품을 소개한다. 전체 목록은 표와 같다.

 

1.1 복강경 수술 로봇

 

복강경 수술은 건강한 부분인 복벽을 절개하지 않고 수 [mm]의 작은 구멍으로 환자의 복부 장기에 접근함으로써 침습을 최소화하는 수술이다. 5~10[mm] 정도 지름의 얇고 긴 카메라와 매직 핸드와 같은 수술 도구(겸자)를 사용한다. 체외로부터 얇고 긴 도구를 카메라 너머로 조작하는 일은 쉽지 않다. 여기서 소개하는 로봇은 모두 디스플레이 내의 엔드 이펙터의 이동 방향이 조작하는 사람의 손과 같아지도록 좌표를 변환하여, 얇고 긴 겸자의 체내에 있는 엔드 이펙터를 직접 잡고 조작하는 것과 같은 조작 환경을 제공하는 마스터 슬레이브 로봇이다. 동작 스케일링을 1:1에서 1:5 정도까지 축소할 수 있기 때문에, 미세한 조작이 가능하다. 공간 내에서 자유롭게 움직이려면 엔드 이펙터를 잡는 1자유도를 제외하면 6자유도가 필요한데, 기존의 겸자는 손목 회전 2축이 빠진 4자유도였다. 여기서 소개하는 로봇은 대부분 손목 2자유도가 추가된 6자유도를 가진다. 대표적인 로봇은 da Vinci(Intuitive Surgical Inc., 미국)인데, 이미 20년의 역사를 보유하고 있으며, 현재 세계적으로 5,600대가 가동되고 있다. Senhance Surgical System(TransEnterix, Inc., 미국)은 2018년에 시중에 나왔으며, 집필 시점에는 전 세계에서 30대가 가동되고 있다. da Vinci와 달리 손목 2자유도가 없다. 역각 제시 기능 및 시선에 의한 카메라 조작 기능을 가지고 있다는 것이 특징이다. Vercius(CMR Surgical Limited, 영국)는 2019년에 시중에 나왔고, 풋프린트가 작은 독자적인 암이 특징이다. 수술 로봇은 대부분 스타트업 기업에 의해 제품화되어 왔지만, 최근에는 대형 의료기기 회사가 진입하였는데, 예를 들면 GE가 CMR에 출자하고 있다. avatera system (avateramedical GmbH, 독일)은 2019년에 유럽의 CE 마크를 취득했고 출시를 준비하는 중이다. da Vinci의 겸자는 제한된 회수 안에서 세정 · 재사용되지만, 이 제품은 일회용이다. 스위스에서도 Dexter(Distalmotion SA)가 개발되고 있다. 세계적인 의료기기 기업 Medtronic도 독자적인 로봇을 시판하기 직전임을 공표하였다. 마찬가지로 대기업인 Jonson & Jonson은 Google의 자회사(Verily Life Sciences)와의 합병회사인 Verb Surgical을 설립하고(후에 본체에 흡수된다), 수술 로봇에 고도의 컴퓨터 기술을 도입하는 시스템 Ottava를 개발하고 있다.

 

일본에서는 2020년에 메디칼로이드가 Hinotori를 출시하고, 리버필드가 공기압 구동형 로봇 겸자 시스템을 개발하고 있다. 중국, 한국에서도 각각 독자적으로 개발하고 있는데, 한국에서는 2018년에 Revo-i(meerecom- pany)를 출시했고, 중국에서는 Toumai(MicroPort Scientific Corporation)가, 그리고 기업의 관여가 있는지는 확실하지 않지만 톈진대학교에 의한 Micro Hand S가 각각 인간 임상 단계에 이르렀다.

 

지금까지는 da Vinci와 비슷한 종류의 로봇을 소개했다. 복강경 수술은 일반적으로 장기를 잘라내는 사람(집도의)과 잘라내기 쉽도록 주변 부위를 잡아주는 사람(조수)과 카메라를 가진 스코피스트의 협력 하에 이루어진다. da Vinci는 이들 모두의 기능을 가진 로봇인데, 일본 국내 기업의 A-Traction은 조수의 역할에 특화된 독특한 로봇을 개발했다. 또한 스코피스트에 특화된 로봇은 다수의 제품이 있는데 ViKY(Endo-control, 프랑스) 및 FreeHand 시스템(Freehand 2010 Ltd., 영국) 그리고 일본의 Emaro(리버필드 주식회사) 등이 있다. 또한 최초의 수술 로봇 제품은 국내외를 불문하고 스코피스트 타입이었으며, Aesop(Computermotion, Inc., 미국), Naviot(히타치제작소)가 출시된 지금은 중지되었다.

 

<표> 본 글에서 소개하는 수술 로봇의 제품 일람

 

1.2 복강경 수술 로봇(싱글포트)

 

앞에서 소개한 로봇은 카메라 1대와 겸자 3개를, 서로 다른 구멍을 통해 체내로 삽입하기 때문에 몸에 5~10[mm]의 구멍이 최소 4개는 생긴다. 이를 통틀어 하나의 구멍으로 삽입하는 술식을 싱글포트 서저리라고 하며, 이는 더욱 침습률이 낮고 외견성이 뛰어나다. 구멍의 지름은 2~30[mm]로 더 크지만, 배꼽을 통하면 수술 후 상처를 감출 수 있기 때문에 이 정도 크기의 구멍은 뚫어도 괜찮다. 또한 복벽뿐 아니라 인두, 경항문, 경질 접근방식을 적용할 수 있을 가능성이 있다. 앞서 소개한 로봇의 겸자는 신체 표면의 삽입점을 부동점으로 삼아, 샤프트의 기단을 체외에서 돌림으로써 위치 3자유도와 회전 1자유도를 실현하는데, 싱글포트용 겸자는 이를 합친 것이므로 돌릴 수 없다. 그래서 견관절에 상응하는 2자유도를 체내 측에 추가해야 한다. 손목에 비해 견관절은 모멘트 암이 크기 때문에, 수술에 필요한 힘을 발생시키는 것이 기술적인 과제다. 이러한 로봇으로는 da Vinci SP(Intuitive Surgical Inc., 미국)가 이미 출시되었으며, Hominis(Memic Innovative Surgery Ltd., 이스라엘), Enos(Titan Medical Inc., 캐나다)가 개발되고 있다. 또한 MIRA platform(Virtual Incision Corporation, 미국)은 손으로 쥘 수 있을 만큼 작은 로봇 본체에 카메라와 액츄에이터가 내장된 2개의 팔이 달려 있다.

 

1.3 연성 내시경 수술 로봇

 

앞의 두 절에서 소개한 로봇의 카메라 및 겸자는 딱딱한 샤프트로 되어 있어 ‘강성 내시경’이라고 한다. 이에 반해 유연한 튜브로 이루어진 ‘연성 내시경’을 사용하는 것이 연성 내시경 수술 로봇이다. 패시브로 휘어지는 얇고 긴 튜브 끝에 능동 굴곡부가 있고, 그 끝에 카메라가 달려 있다. 또한 툴 채널을 갖고 있어, 체외에서 얇고 긴 유연한 겸자 등을 삽입하여 환부까지 도달할 수 있다. 강성 내시경 수술은 정상 부위인 피부를 절개하지 않을 수 없지만, 연성 내시경 수술은 입이나 항문을 통해 환부에 직접 접근하기 때문에 더욱 침습률이 낮다. 위 · 식도 · 십이지장 · 대장 · 직장 · 인두의 조기암에서 적용할 수 있다. 연성 내시경의 동력 전달은 경로가 유연하게 휘어지기 때문에 사관 와이어를 사용하는 것이 일반적이다. 인두 및 항문을 통과시키기 위해 전체의 길이는 십 수 [mm] 안으로 맞추어야 하며, 여기에 자유도를 많이 주기 위해 지름을 줄이는 것이 기술적인 과제이다. 연성 내시경의 끝부분에 2개의 지름이 작은 연성 겸자가 달린 로봇으로서 Flex system(Medrobotics, 미국)이 이미 시판되었고, Endomaster(EndoMaster Medical, 싱가포르), K-Flex(Easyendo surgical, 한국)가 개발되고 있다. Flex system은 첨단 능동 굴곡부의 궤적을 따라 동체(胴體) 튜브가 굳어진 것이 특징이다.

 

1.4 카테터 로봇

 

이번에는 얇고 긴 유연한 튜브로 이우러진 로봇 중에서 앞 절과 같이 본체 하나와 팔 2개를 가지고 있는 것이 아니라 지름이 작은 본체 하나로 이루어진 것을 모아보았다. 와이어로 구동하는 첨단 굴곡 자유도를 가지고 있다. Ion(Intuitive Surgical Inc., 미국)과 Monarch(Auris Health, Inc., 미국)는 모두 끝부분에 능동 굴곡 자유도를 가진 지름이 작은 기관지 내시경이다. 내비게이션 기능을 겸비하고 있으며, 폐 검사를 목적으로 한다. 모두 판매되고 있다. 이들은 경쟁 상대지만 동일한 창업자에 의해 설립되었다. Auris Health는 의료기기 기업인 Johnson & Johnson에 매수되었다. Roboflex Avicenna(ELMED Medical Systems, 터키)는 끝부분에 능동 굴곡 자유도를 가진 지름이 작은 뇨관 내시경이며, 결석을 파괴하는 것을 목적으로 한다.

 

혈관 카테터는 혈관 내에 튜브 및 와이어를 삽입하여 환부에 도달하고, 협착부를 넓히거나 심장을 치료한다. X레이로 촬영하면서 작업한다. 로봇은 수술하는 사람의 피폭을 줄이고, 카테터에 능동 굴곡부를 추가하여 삽입하기 쉽게 하는 것을 목적으로 한다. Sensei, Magelan(Hansen Medical, 미국)은 끝부분에 여러 개의 굴곡 자유도를 가지며, 원격 조작으로 진퇴, 회전, 굴곡 등의 조작을 할 수 있는 지름이 작은 카테터였다. 2007년부터 판매되고 있는데, 현재는 판매를 중지하였다. 2016년에 Auris Health에 매수되었다. CorPath(Corindus, Inc., 미국), Amigo Remote Catheter System(Catheter Robotics, Inc., 미국), R-One(Robocath, Inc., 프랑스)도 비슷한 혈관 카테터 로봇이다. Corindus는 2019년에 Siemens Healthineers가 매수했다.

 

Niobe ES(Stereotaxis Inc., 미국), CGCI(Mag- netecs Corporation, 미국)는 마찬가지로 심혈관용 카테터를 삽입하기 위한 로봇인데, 와이어로 구동하는 것이 아니라 카테터의 끝부분에 부착된 자성체를 체외에서 강력한 자장으로 유도한다.

 

1.5 정형외과

 

ROBODOC(Integrated Surgical Systems, 미국) 및 Mako(Stryker, 미국)는 다리 관절뼈를 인공물로 치환하는 수술에서 뼈를 정확하기 깎아내기 위한 로봇이다. 전자는 미리 CT 사진을 바탕으로 프로그래밍하면 산업용 NC 머신처럼 자동으로 정확하게 깎아내는 로봇이다. 오랜 역사를 갖고 있으며 1980면에 IBM과 캘리포니아 대학교에서 개발되어 임상 응용되었지만 보급되지는 못하고, 지금까지 임상 시험이 계속되고 있다. 후자는 패시브로 제어하는 6축 로봇의 끝부분에 절삭 공구가 붙어 있다. 미리 CT 사진을 바탕으로 절삭 범위를 프로그래밍하는데, 깎아내는 것은 로봇이 아니라 수술하는 사람이며, 로봇은 사람이 지정된 궤도에서 벗어났을 때 가상의 벽을 제시한다. 미국의 MAKO Surgical Corp.가 제품화하였고, 대형 의료기기 기업인 Stryker가 2013년에 매수했다. 가동 대수는 2019년 시점에 650대였고, 2020년에는 1,000대 이상으로 늘었으며, 시장에 널리 받아들여지고 있는 것으로 보인다. 영국의 임페리얼 칼리지에서 1990년대에 개발한 Acrobot과 비슷한 로봇이다.

 

반사 마커와 스테레오 카메라로 이루어진 광학식 3D 위치 센서로 수술 도구 및 환부의 위치를 제시하는 내비게이션 시스템은 수술에서 오랫동안 사용되고 있는데, 내비게이션 시스템과 연동되는 로봇이 수술 도구의 위치 자세를 제시하는 시스템이 최근 다수 등장하여, 척추에 나사를 박는 수술 등에 사용되고 있다. Mazor X(Medtronic plc, 아일랜드), Rosa(Zimmer Biomet, 미국), Excelsius GPS(Globus Medical, 미국) 등을 들 수 있다.

 

1.6 방사선과

 

CyberKnife(Accuray Incorporated, 미국)는 대형 산업용 6축 로봇의 끝부분에 X선원을 탑재한 형태를 띠고 있으며, 다양한 방향에서 체내의 환부 한 곳에 X선 빔을 집중시켜 조사(照射)하는 방사선 치료 로봇이다.

 

1.7 안과

 

안구저에 있는 망막 위의 얇은 막을 현미경 아래에서 지름이 0.5[mm] 정도인 얇은 겸자로 잡아 벗기는 수술을 목적으로 하는 PRECEYES(Preceyes B.V., 네덜란드)가 2019년에 유럽에서 인가받았다. 복강경 수술 로봇과 마찬가지로 안구상의 삽입점을 부동점으로 하여 겸자를 조작하는 마스터 슬레이브 로봇이다. 손목 관절은 없으며 미세한 작업에 특화된 로봇이다.

 

1.8 마이크로 서저리

 

주로 성형외과에서 재건 수술을 할 때 발생하는 미소관(예 : 지름 1[mm] 이하)의 문합 등을 현미경을 통해 수행하기 위한 로봇이다. MUSA(MicroSure, 네덜란드)는 시판 중인 겸자 및 핀셋을 그대로 장착하여 엔드 이펙터로 이용할 수 있다는 것이 특징이다. 2020년부터 시판되고 있다. Symani(Medical Microinstruments, 이탈리아)는 복강경 수술 로봇의 겸자와 마찬가지로 7자유도를 가진 채 3[mm]로 지름을 줄였다. 모션 스케일링 범위는, da Vinci는 1:1~1.5인데 반해 Symani는 1:7~1:20이다.

 

일본에서는 2015년에 덴소 주식회사가 iArmS를 상품화하였다(현재는 도호 테크놀로지 주식회사에 기술을 이관함). 이 로봇은 머니퓰레이터가 아니라, 수술하는 사람의 손을 두기 위한 받침대가 손의 위치가 바뀔 때마다 따라다니는 로봇이다.

 

1.9 MRI 대응 로봇

 

MRI로 장기 내부를 촬영하면서 수술하는 로봇은 강한 자장에서도 작동하며 촬영에 영향을 미치지 않는 비자성 재료로 구성되어야 한다. 뇌신경외과용 MRI 대응 로봇 머니퓰레이터인 NeuroArm을 캘거리대학교가 개발하여, SIMBYS(IMRIS, Deerfield Imaging, Inc., 미국)로서 제품화되고 있는 중이다. 그런데 2015년에 미국에서 인증을 받은 후 소식이 없다.

 

1.10 미용

 

ARTAS(Venus Concept Inc., 미국)는 모발이 짙은 곳에서부터 엷은 곳으로 모근을 이식하는 작업을, 모발을 화상 인식함으로써 자동으로 수행하는 식모 로봇이다. Intuitive Surgical과 창업자가 같다.

 

 

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