인공지능(AI)을 활용한 수술로봇 알아보기

최근 의료 분야에서는 인공지능 기술 활용으로 각종 로봇을 이용한 수술이 이루어지고 있습니다. 세밀하고 정교한 수술이 필요한 상황에서 수술로봇은 뛰어난 실력을 발휘하기 때문에 더욱 각광받고 있습니다.

 

수술로봇은 수술의 전 과정 또는 일부 과정에서 의사를 대신하거나, 함께 작업을 하고, 수술자를 위한 각종 기능적, 정보적 보조기능을 수행하는 로봇입니다. 현재는 스마트 수술실 구축과 함께 글로벌 수술 패러다임을 선도하고 있습니다. 또한, 최소침습수술(복강경수술), 뇌수술, 척추수술, 인공관절수술 등 고도의 정밀도와 정확도가 요구되는 특수 수술 영역에서 사용이 확대되고 있는 추세입니다.

 

이러한 영향으로 세계 수술로봇 시장 규모는 2018년에 14억6300만 달러였으며, 연평균 성장률 21.4%로 성장해 2026년에는 68억7510만 달러에 달할 것으로 예상되고 있습니다.

 

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스마트 조직 자율로봇을 이용한 장문합 복강경 수술

미국 존스홉킨스대 기계공학과 교수 연구팀은 ‘스마트 조직 자율로봇(STAR)’을 개발해 돼지의 장을 봉합하는 장문합 복강경 수술을 인간만큼 정확히 수행하는 데 성공했습니다. 문합술은 실과 바늘로 장기의 두 부분을 연결하는 수술입니다. 수술 중 손이 떨리거나 바늘로 잘못 찔러 장 누출이 발생하게 되면 환자는 치명적인 합병증을 일으키게 됩니다.

 

STAR는 2016년 처음 돼지를 상대로 한 장문합 수술 시도에 성공했습니다. 다만 당시에는 복강경 대신 개복이 필요했고, 인간의 지도 없이는 어려움을 겪는 수준이었지만, 현재는 STAR에 특수 봉합 도구와 영상 시스템을 추가로 장착하여 한층 고도화되고 정밀해졌다고 합니다. 3차원 내시경과 AI 추적 알고리즘 활용으로 매 시간 모양이 바뀌는 장 조직을 촬영하고 판단해 바늘을 찌를 정확한 위치 찾기가 가능하고, 3차원 AI 시각 시스템으로 어두운 복강경에서도 안전하도록 만들었습니다. STAR는 인간보다 정교한 손놀림을 선보였다고 합니다.

 

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인공지능 로봇 활용 무릎 인공관절 치환 수술

관절 사이 충격을 흡수하는 연골 손상으로 심한 통증과 기능장애가 발생하는 퇴행성관절염은 일반적으로 고령 환자에게 많이 발생합니다. 우리나라는 고령화가 세계에서 가장 빠른 속도로 이루어지고 있어 퇴행성관절염 환자는 매년 10% 이상 증가하고 있습니다. 또한 좌식 생활을 하는 한국인들은 퇴행성 관절염에 더욱 취약합니다. 이 때문에 한국에서는 인공관절 치환술이 흔하게 이루어지고 있습니다. 국내 한 정형외과에서 무릎 퇴행성관절염을 앓는 70대 환자를 대상으로 한 수술로봇 활용 인공관절 치환술에 성공했습니다.

 

인공관절 치환술은 사전에 환부를 정확히 계측한 뒤 인공관절 삽입물 크기에 맞도록 의료진이 환부를 절삭 하는 과정이 반드시 필요한 수술입니다. 이때 절삭 부위의 오류, 크기 조절 실패, 정상 조직 손상, 인대, 근육, 신경 손상, 출혈 등이 발생할 수 있습니다.

 

영국에서 개발된 인공관절 치환술에 활용되는 한 수술로봇은 인공지능 기계 학습, 증강현실, 해부학, 영상 융합 등 최신 ICT 기술을 갖추었다고 합니다. 또한, ‘이미지 프리 플랫폼’ 탑재로, 인공관절 치환술을 받는 환자라면 반드시 필요했던 별도의 컴퓨터 단층촬영(CT) 이미지도 필요 없습니다. 자외선 카메라가 10여 개의 센서와 상호작용을 통해 의료진의 미세한 움직임과 환부를 면밀히 분석하고, 실시간 정보를 증강현실 기술로 제공합니다. 이렇게 쌓인 정보는 사전 시뮬레이션 결과와 비교되며, 의료진이 정확한 각도와 크기로 수술을 하고 있는지 실시간으로 알려줍니다.

 

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뼈 내시경 AI 수술로봇

뼈도 내시경 시술이 가능하게 되고, 초음파를 이용해 뼈 위치를 좌표화하는 기술이 개발돼 뼈에 생긴 종양이나 골절 수술방법이 개발됐습니다. 이 기술은 인공지능을 활용하여 환자와 의료진의 방사선 피폭을 최소화하는 로봇 수술법입니다.

뼈 안팎에 발생한 종양의 진단 및 치료에는 정확한 피부 절개 부위 선정이 가장 중요하고, 골절 수술에서는 부러진 뼈를 본래 위치로 되돌리는 과정, 즉 정복(reduction)이 필수적입니다.

 

뼈 내시경 수술 인공지능 로봇 시스템은 ‘인공지능 수술 항법 시스템’과 ‘뼈 내시경 수술 로봇시스템’이 결합해야 합니다. 여기엔 수술 경로 유도장치, 인공지능 플랫폼, 엔드이펙터, 로봇임, 로봇 조종기가 필요합니다. 수술계획 및 확인 과정에서 수술 경로 유도장치와 인공지능을 이용해 영상을 확인하고 분석함으로써 수술 정확도를 높입니다.

로봇 수술에서는 뼈 질환 제거 엔드이펙터가 설치된 로봇과 연성 내시경이 설치된 로봇의 실시간 영상을 확인하며 혈관성 뼈 질환을 제거해 수술 안정성과 편의성이 향상됩니다.

 

현재 뼈 내시경 수술용 로봇은 개발이 완료되어 상용화를 준비 중이며, 골절 수술용 로봇은 내년 초 식품의약품안전처 품목허가 후 상용화 직전 단계라고 합니다. 해당 로봇을 수술에 활용한다면 방사선 피폭을 줄이고, 정복 정확도를 획기적으로 높이면서도 수술 시간과 의료전문 인력을 감축할 수 있을 것으로 보입니다.

 

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AI 기술의 발전과 함께 수술로봇 자율성이 높아진다면 외과 의사의 훈련과 무관한 수술 절차가 표준화될 것이며, 재수술 발생률이 줄어 의사들의 업무량도 줄어들 것으로 전망됩니다.

 

[출처]

- “ 10번 중 8번은 알아서 꿰맸다… ‘로봇 외과의사’ 더 정교해졌네 ”, <동아일보>, 2022.02.04.

- “길병원, 인공지능 로봇으로 무릎 인공관절 수술 성공 ”, <연합뉴스>, 2019.11.26.

- “수술실 녹아든 AI 기술…수술 패러다임 변화 예고”,<메디컬타임즈>, 2022.02.03.

- “"당뇨병·암·심장병 위험, AI로 초기에 잡자"...만성질환 해결사로 떠오른 인공지능“, <ai타임즈>, 2021.12.26.

- ”에어스, '뼈 내시경 AI 수술로봇', 경북대·대학병원과 내놓는다“, <한국경제tv>, 2021.10.20.