로봇 수술 비전 시스템 조명 설계 최적화: 고화질 3D 복강경 사례

로봇공학과 로봇 보조 수술의 목표는 외과의가 이전엔 불가능했던 복잡한 수술을 더 높은 정밀도로 수행하게 해 수술·회복 시간 단축과 환자 위험 감소를 이루는 것입니다. 로봇 수술은 전립선절제술, 신장절제술, 자궁절제술, 대장직장 수술 등 많은 애플리케이션에서 큰 영향을 미쳤습니다. 최근 기술 발전으로 그 어느 때보다 더 많은 로봇 애플리케이션이 개발 중입니다.

수술 워크플로·현장 접근·회복 시간 개선

수술 로봇 아키텍처의 모든 서브시스템에서 수술 워크플로, 현장 접근, 회복 시간 개선을 위한 새로운 혁신들이 등장하고 있습니다. 정확하고 일관된 시각화로 이미지 품질을 개선하면 외과의가 수술 중 더 정보에 입각한 수술 결정을 내릴 수 있습니다. 수술 비전 시스템은 광시야각 카메라와 광섬유 또는 LED 조명 구성요소를 매칭합니다. 그러나 제품 개발에서 조명 시스템의 성능 요구사항과 설계는 카메라보다 훨씬 적은 시간과 자원이 할당되는 경우가 많습니다.

성공적 제품을 위한 조명 서브시스템 고려사항

성공적인 제품을 위해 고품질 조명을 제공하는 데 필요한 모든 서브시스템을 고려해야 합니다. 구체적 예로 칩온팁 카메라를 이용한 고해상도 3D 복강경을 들 수 있습니다.

3D 수술 비전 시스템 4대 핵심 서브시스템

1. 조명 시스템: 수술 대상에 빛 전달
2. 카메라(렌즈와 CMOS 센서): 조직에서 반사된 빛 포착
3. 펌웨어: 이미지 품질과 지연시간 제어
4. 디스플레이 시스템(2D·3D 디스플레이 조합)

각 서브시스템마다 설계팀이 고려해야 할 핵심 질문이 있습니다.

임상 애플리케이션 이해

견고한 조명 시스템 설계 전, 설계 엔지니어는 주어진 수술 절차에 대한 임상팀 목표를 포괄적으로 이해해야 합니다. 종종 '고객의 소리' 역할을 하는 제품 매니저가 기준 장치를 지정하고 '최고 이미지 품질'을 요청합니다. R&D 팀은 이 요청을 정량적 요구사항으로 변환해야 하며, 이미징 양식과 FOV, 해상도, 색 정확도, 이미지 대비 등 수치적 한계를 식별해 결국 완전한 제품 요구사항으로 이어집니다. 이 글에서는 카메라 시야각 80°, 작동 거리 5~100mm인 3D 복강경용 광원을 고려합니다. 주로 백색광 애플리케이션을 고려하지만 형광 고려사항도 논의합니다.

이를 명확히 하기 위해, '자본 장비'(vision tower) 일부로 제한된 장비 하우징에 설치된 LED 라이트 엔진이 있는 광섬유 기반 조명 시스템 설계를 고려합니다. 자본 장비는 수술 플랫폼의 비전 및 추가 제어 시스템을 일반적으로 수용하는 카트를 포함합니다. 수술 시스템 의도 아키텍처는 로봇 수술 시스템용 경성 스테레오 복강경입니다. 일정, 안전, 형광이나 기타 광원 의존 이미징의 미래 사용자 니즈 통합 리스크를 줄이기 위해 광섬유 기반 솔루션을 고려합니다. 저자는 LED의 크기와 효율성 지속적 발전을 인정하며 글 마지막에서 설계 공간을 다룰 것입니다.

로봇 수술용 조명 고려사항

그림 1은 로봇 수술 플랫폼 조명 시스템 주요 시스템 아키텍처를 강조합니다. 스코프에 빛을 전달하기 위해 조명 소스(이 경우 라이트 엔진)가 필요합니다. 라이트 엔진은 필요시 파이버 테이퍼에 빛을 결합한 후 팁으로 빛을 전달할 파이버에 전달합니다.

라이트 엔진은 자본 장비에 설치된 광원입니다. 이 소스들에 다양한 아키텍처가 있지만 두 가지 주요 유형으로 요약됩니다. 일부 라이트 엔진은 단일 광대역 소스를 사용하고, 다른 것들은 좁은 대역 LED들을 혼합해 광대역 소스를 만듭니다. 단일 광대역 LED는 청색 LED로 형광체를 활성화하는 백색 LED 아키텍처로 인해 청색광 보정 필요 위험이 있습니다. 적색 조직이 청색광을 많이 흡수합니다. 스펙트럼의 높은 청색 신호는 색조정 단계에서 과제를 일으키고, 잠재적으로 너무 디지털화되거나 '가짜 같은' 이미지를 초래할 수 있습니다. 혼합 RGB LED 접근법은 과도한 청색광 이슈를 제거하지만 세 소스를 시스템에 결합하기 위해 라이트 엔진에 더 복잡한 광학이 필요합니다. 시스템이 근적외선(NIR) 조명을 필요로 하면 NIR LED도 라이트 엔진에 설치돼 설계를 콤팩트하게 만듭니다.

RGB와 NIR LED를 같은 하우징에 두면 광원들이 스코프 팁으로 빛을 전달하는 같은 파이버를 공유할 수 있습니다. 이는 내시경 조명 시스템 효율을 극대화합니다. 라이트 엔진에서 내시경 팁으로 빛을 전송하려면 고개구수(NA) 광섬유와 소스에서 팁으로 빛을 중계하는 광학 시스템이 필요합니다. 파이버 각도 출력을 설명하는 용어가 개구수(NA)입니다. NA가 높을수록 파이버 각도 출력이 높습니다. NA는 파이버에 입사·출사 가능한 최고 각도의 사인값과 같습니다. 파이버 NA는 파이버 코어와 클래딩 굴절률에 의해 결정됩니다. NA가 높을수록 빛이 더 높은 각도로 파이버에서 나와 시야각 더 높은 비율을 조명합니다.

광섬유 케이블 최고 성능을 위해 설계팀은 라이트 엔진 출력과 광섬유 케이블 간 관계를 고려해야 합니다. 일반적인 솔루션은 내시경에 들어가는 빛 각도를 증가시키기 위해 파이버 테이퍼를 사용하는 것입니다. 파이버 테이퍼는 일반적으로 라이트 케이블이 연결되는 내시경 근위단에 설치됩니다. 파이버 테이퍼는 라이트 엔진의 큰 면적 저각도 출력을 작은 면적 고각도 출력으로 변환합니다.

라이트 박스에서 나가는 빛 NA는 통상 0.5 NA 정도이나, 수술 로봇 관련 각도는 0.87 NA 이상에 도달할 수 있습니다. 라이트 박스에 연결되는 파이버는 라이트 박스 출구 NA와 같아야 합니다. 테이퍼는 저각도 빛을 고각도 빛으로 변환해 가장 넓은 조명 각도를 달성합니다. 그림 2는 빛 빔이 테이퍼에 입사하고 출사할 때 일어나는 일을 보여줍니다.

내시경 팁에서 나가는 빛을 퍼뜨리기 위해 렌즈를 설계하는 것은 테이퍼를 사용해 높은 출력 각도에 도달하는 대안입니다. 렌즈 보조 조명 시스템은 더 높은 출력 각도를 허용해 체내 사용 가능한 더 높은 FOV 카메라를 가능하게 하지만, 덜 콤팩트한 설계라는 비용이 듭니다.

빛이 복강경 광섬유로 전송되면, 파이버들은 그림 3과 같이 팁에서 빛을 출력하도록 패키징됩니다. 이는 단일 빛 출력 면을 갖는 것보다 두 가지 이유에서 더 유익합니다. 첫째, 파이버를 스코프에 더 쉽게 통합할 수 있고, 둘째 수술 도구로 인한 원치 않는 그림자가 이미지에 영향을 주는 것을 방지합니다.

보정 및 테스트 고려사항

광원 설계 시 팀은 포착된 이미지를 변환해 수술팀을 위한 고해상도 2D·3D 모니터에 표시할 이미지 신호 파이프라인(ISP)도 고려해야 합니다. ISP에는 이미지 센서 다크 신호 불균일성, 광응답 불균일성, 색보정, 화이트밸런스 등 다양한 보정이 적용될 수 있습니다. 이 보정들은 고품질 이미지를 생성하는 보정을 허용하지만, ISP가 보정에 너무 많이 의존하면 이미지가 과도하게 처리돼 보여 수술팀에 방해가 될 수 있습니다.

ISP에는 단위별 보정이 필요한 블록들이 있습니다. 보정 데이터는 일반적으로 내시경에 설치된 메모리에 저장됩니다. 보정 프로세스 정의를 일찍 시작하고 ISP 개발 엔지니어와 조율하면 후기 개발 이슈 리스크를 줄일 수 있습니다. ISP와 보정을 일찍 고려하면 제품 출시 전 광원과 펌웨어 다중 리비전이 가능합니다. 보정엔 한계가 있고, 조명 시스템이 의도된 수술 용도에 가깝게 설계되면 개발 과정에서 보정 트러블슈팅이 덜 필요합니다.

조명 소스 관련 보정 예로는 광응답 불균일성(PRNU), 화이트밸런스, 색보정이 있습니다. 이 보정들은 모두 조명 소스 자체가 열등한 설계라면 효과가 제한됩니다. 보정에 의존해 조명 소스 설계를 '수정'하려 하면 생성된 이미지가 과도하게 처리돼 보일 수 있습니다. 또한 ISP가 보정에 메모리를 할당해야 하면 비전 시스템 지연시간 증가 리스크가 있어 로봇 성능을 제한할 수 있습니다.

마지막으로 라이트 엔진, 조명, 이미징 광학, 카메라 펌웨어 설계 후 적절한 테스트가 필요합니다. 종종 조명 시스템 구성요소는 자본 장비와 복강경의 소스에 대한 100% 검사와 보정이 필요합니다. 이 테스트들은 색 정확도, 균일도, 전력 출력을 측정하기 위해 특수 타겟을 사용해 테스트 대상 장치를 다양한 조건에서 작동시키는 것을 요구합니다. 이러한 테스트를 자동화하는 시스템 설계는 부품 간, 테스터 간 변동성 리스크를 줄여 현장에서 제품 표준 유지를 보장합니다. 이 테스트 스테이션들은 제조 현장에서 성공적 배치를 보장하기 위해 상세한 기계, 시스템, 소프트웨어 설계가 필요합니다.

내시경이나 유연 스코프 애플리케이션엔 다른 고려사항도 있습니다. 이들 장치는 조명용 가용 공간에 더 많은 제약이 있고, 2D 이미징만 가능하거나, 일회용이거나, 이 글에서 제시된 파라미터와 관련 없는 다른 주의사항이 있을 수 있습니다. 소구경·일회용 장치엔 플라스틱 파이버, 팁 내장 LED 등 더 콤팩트한 솔루션이 다른 설계 고려사항과 리스크 완화로 성공적 제품을 가능하게 할 수 있습니다.

요약하면, 로봇 수술 시스템 조명 구성요소 개발은 복잡한 과정입니다. 임상 애플리케이션에 대한 완전한 이해에서 시작해 그 이해를 바탕으로 구축해야 합니다. 백색광과 NIR 애플리케이션용 로봇 시스템 설계 시, 자본 장비에 설치된 라이트 엔진과 고NA 파이버 활용 기반 설계를 권장합니다. 장치 팁으로 빛을 전달하기 위해 고NA 파이버 사용으로 가장 넓은 조명 각도 달성을 권장합니다. 이는 과도하게 복잡한 설계를 피하는 가장 간결한 설계 접근법입니다. 다른 솔루션은 기능 간극을 초래해 우회 설계로 이어질 수 있습니다.

이 기사는 그레이 옵틱스(포틀랜드, ME) 광학 시스템 엔지니어 조나단 브랜드와 닐 앤더슨 박사(VP 영업·마케팅)가 작성했습니다. 자세한 정보는 닐 앤더슨(이메일: 스팸봇 보호 중, 자바스크립트 필요)에게 연락하거나 여기를 방문하세요.