조이스틱 제어 로봇, 원격 뇌졸중 수술의 새 지평 열다

MIT 엔지니어들이 뇌졸중이나 동맥류 환자를 신속하고 원격으로 치료할 수 있는 원격 로봇 시스템을 개발했습니다. 수정된 조이스틱을 이용해 한 병원의 외과의사가 다른 위치의 로봇 팔을 제어하여, 환자의 생명을 구하고 뇌 기능을 보존할 수 있는 결정적인 '골든 아워' 동안 안전하게 수술할 수 있게 되었습니다.

자기장 기반 정밀 제어 시스템

이 로봇 시스템은 자석을 통해 움직임을 제어하며, 혈전으로 인한 뇌졸중을 치료하는 응급 시술인 혈관내 중재 시술을 원격으로 지원하도록 설계되었습니다. 기존 시술에서는 외과의사가 가는 와이어를 수동으로 조종해 혈전까지 도달시킨 후, 물리적으로 막힌 혈관을 뚫거나 약물을 투여해 혈전을 녹여야 했습니다.

접근성 문제 해결

이러한 시술의 가장 큰 한계는 접근성입니다. 뇌혈관 전문의는 주로 대형 병원에 근무하므로, 특히 뇌졸중 발병 후 치료가 가장 중요한 '골든 아워' 동안 원거리 환자가 제때 치료를 받기 어렵습니다.

MIT 연구팀은 이 로봇 시스템을 중소 병원에 설치하고, 대형 의료 센터의 숙련된 외과의사가 원격으로 조종하는 방식을 구상하고 있습니다. 시스템은 손목에 자석이 부착된 의료용 로봇 팔로 구성되며, 조이스틱과 실시간 영상을 통해 조작자가 자석의 방향을 조정하고 팔을 움직여 부드럽고 가는 자기 와이어를 동맥과 혈관을 통해 안내합니다.

임상 검증 결과

연구팀은 뇌의 복잡한 동맥을 재현한 투명한 모델인 '팬텀'에서 시스템을 시연했습니다. 단 1시간의 교육만으로 신경외과 의사들이 로봇 팔을 원격 제어하여 복잡한 혈관 미로를 통과해 목표 지점까지 와이어를 도달시키는 데 성공했습니다.

"환자를 시골 지역에서 대도시로 이송하는 대신, 지역 병원에서 간호사가 이 시스템을 준비하고 대형 의료 센터의 신경외과 의사가 환자의 실시간 영상을 보며 골든 아워 동안 수술할 수 있게 될 것입니다. 이것이 우리의 미래 비전입니다."

라고 MIT 기계공학 및 토목환경공학 교수인 자오 쉬안허(Xuanhe Zhao)는 말했습니다. 이 연구 결과는 Science Robotics에 게재되었습니다.

혈관내 수술의 난제 극복

혈관내 수술은 얇은 의료용 와이어를 몸의 동맥과 혈관을 통해 목표 위치까지 조심스럽게 비틀고 안내하여 혈관 벽을 손상시키지 않는 고도로 전문화된 최소 침습 시술입니다. 이 시술을 마스터하려면 일반적으로 수년간의 훈련이 필요합니다.

로봇 시스템이 혈관내 수술의 보조 기술로 연구되어 왔으나, 기존 시스템은 주로 모터 구동 방식으로 와이어를 전진/후진시키며 비틀어 체내 혈관을 통과시키는 방식이었습니다.

"외과의사 수준의 정교함으로 로봇이 와이어를 비틀게 하는 것은 어렵습니다."

주저자인 김윤호(Yoonho Kim) 박사는 말합니다. "우리 시스템은 근본적으로 다른 메커니즘을 기반으로 합니다."

자기장 유도 방식의 혁신

연구팀의 새로운 시스템은 2019년 연구를 기반으로 합니다. 당시에는 수프 캔 크기의 휴대용 자석을 손으로 조작하여 실리콘 뇌혈관 모델에서 자기 제어 나사산을 조종했습니다. 이제는 이 자석을 의료용 로봇 팔 끝에 부착하여, 마우스의 작은 조이스틱 노브로 조향할 수 있게 했습니다. 조이스틱을 기울이면 자석의 방향이 기울어지고, 자기 와이어는 이를 따라갑니다. 마우스의 버튼은 모터 구동 선형 드라이브를 제어하여 와이어를 전진/후진시킵니다.

이 와이어는 기존 신경혈관 가이드 와이어만큼 얇고 유연하며, 자기장에 따라 구부러지고 따라가는 부드러운 자기 반응성 팁을 가지고 있습니다.

실제 임상 환경에서의 검증

팀은 매사추세츠 종합병원의 카테터 랩(혈관내 시술에 사용되는 표준 의료 영상 장비를 갖춘 수술실)에서 시스템을 테스트했습니다. 로봇 팔을 랩에 설치하고 실물 크기의 실리콘 혈관 모델을 배치했으며, 조이스틱과 모델의 실시간 영상을 보여주는 모니터를 통제실에 두었습니다. 조작자는 영상을 보며 조이스틱으로 와이어를 원격 조종했습니다.

신경외과 의사 그룹을 대상으로 1시간 교육 후 테스트한 결과, 모든 의사가 복잡한 혈관을 수동 가이드 와이어로 탐색하기 어려운 경로에서도 성공적으로 와이어를 안내했습니다.

시뮬레이션 혈전 제거 시연

팀은 로봇 시스템으로 모델 내 접근하기 어려운 부위의 시뮬레이션 혈전 제거에도 성공했습니다. 급격한 굴곡을 지나 혈전 위치까지 가이드 와이어를 안내한 후, 표준 혈관내 방식으로 마이크로카테터를 와이어를 따라 혈전 부위까지 밀어넣고 와이어를 제거한 뒤 카테터로 혈전을 성공적으로 제거했습니다.

"자기 가이드 와이어의 주 목적은 표준 장치인 마이크로카테터가 치료제를 전달할 수 있도록 목표 위치에 빠르고 안전하게 도달하는 것입니다. 우리 시스템은 일종의 '길잡이' 역할을 합니다."

김 박사는 설명합니다. 이 원격 조작 시스템이 더 많은 환자가 시간 중요 치료를 받을 수 있도록 돕고, 방사선 노출 없이 다른 방이나 도시에서도 수술할 수 있게 함으로써 외과의사에게도 혜택을 줄 것으로 기대됩니다.