자율 로봇 외과의사 STAR, 연조직 수술서 인간 전문의 능가

다음 수술이 로봇에 의해 계획되고 수행된다면? 존스홉킨스대학 연구진이 이 아이디어를 현실로 만들고 있습니다.

로봇 수술의 진화: 원격 제어에서 자율 수술로

로봇 보조 수술 개념은 새롭지 않습니다. 다빈치 수술 시스템처럼 외과의사가 원격 조종하는 로봇 팔로 구성된 복강경 장치 등 여러 시스템이 이미 환자 치료에 사용되고 있습니다. 하지만 이 시스템은 자율적이지 않습니다—로봇이 어떤 수술 작업도 독립적으로 수행하지 않습니다.

TSolution One®처럼 로봇이 미리 정해진 계획에 따라 뼈를 정밀하게 절단하는 더 높은 자율성의 로봇 시스템도 개발되었으나, 기존 자율 로봇 시스템은 주로 고관절이나 무릎 임플란트를 위한 뼈 드릴링 등 경조직 수술에 사용되어 왔습니다. 연조직 수술은 환자 호흡에 따른 예측 불가능한 조직 움직임, 수술 도구의 크기 제한 등 독특한 과제가 있어 자율 수술에 적용되지 못했습니다.

NIBIB 지원 STAR 시스템: 최초의 자율 복강경 연조직 수술

이제 NIBIB(국립생체의공학영상연구소) 지원 연구진이 외과의사의 최소한의 도움으로 장 수술을 수행할 수 있는 자율 로봇을 개발했습니다. 더욱이 이 로봇은 사전 임상 모델에서 전문 외과의사와 직접 비교했을 때 더 뛰어난 성능을 보였습니다. 이 로봇 개발을 다룬 연구는 Science Robotics에 최근 게재되었습니다.

"수술 결과는 외과의사의 기술과 경험에 크게 의존하며, 장 수술에서 단 한 땀의 실수라도 내부 누출과 감염으로 이어질 수 있습니다. 이 사전 임상 연구는 외과의사와 무관하게 인간 환자에게 향상된 효능과 안전성을 제공할 수 있는 연조직 자율 로봇 수술로 향한 중요한 발걸음입니다."

NIBIB 디스커버리 사이언스 & 테크놀로지 부문 프로그램 디렉터 모리아 비트만(Moria Bittmann) 박사는 말합니다.

STAR 시스템의 작동 원리

STAR(Smart Tissue Autonomous Robot)는 존스홉킨스대학의 악셀 크리거(Axel Krieger) 박사팀이 개발했습니다. 현재까지 장문합술(두 개의 소장 조각을 꿰매어 하나의 연속된 구간으로 만드는 수술)을 외과의사의 감독 하에 수행하도록 개발되었습니다.

크리거 박사는 절차 설명: 외과의사가 수동으로 조직 가장자리를 노출시키면, STAR가 영상을 촬영하고 조직의 모양과 두께를 기반으로 봉합 배치 계획을 수립합니다. 인간 조작자가 계획을 승인하면 STAR가 독립적으로 조직을 꿰맵니다. 조직이 변형되거나 설정된 임계값 이상으로 움직이면, STAR는 외과의사에게 새로운 수술 계획 수립이 필요한지 묻습니다. 이 과정은 로봇이 전체 절차를 완료할 때까지 반복됩니다.

"새로운 봉합 도구, 영상 시스템, 머신러닝 알고리즘, 로봇 제어를 통합함으로써 STAR 시스템은 자율 복강경 연조직 수술의 과제를 극복할 수 있게 되었습니다. STAR는 수술 장면을 시각화하고, 수술 계획을 생성하고, 높은 정확도와 정밀도로 계획을 실행할 수 있습니다."

크리거 박사는 말하면서도, STAR가 외과의사를 대체하기 위한 것이 아님을 강조했습니다. "STAR 같은 자율 로봇은 외과의사와 함께 수술 워크플로에 통합되어 정밀하고 반복적인 작업의 수행을 향상시키고, 궁극적으로 환자 간 수술 일관성을 개선하도록 설계되었습니다."

전문 외과의사와의 비교 실험

연구진은 '팬텀' 장 조직을 모델 시스템으로 사용하여 STAR와 전문 외과의사의 성과를 비교했습니다. 합성 소장을 선형 스테이지에 장착해 앞뒤로 움직이게 프로그래밍하여 수술 중 발생하는 호흡 움직임을 시뮬레이션했습니다. 실험 중 팬텀 조직이 무작위로 회전하고 변형되어 STAR나 외과의사가 중단하고 재정비한 후 절차를 완료해야 했습니다. STAR는 팬텀 조직에서 5회 시술을 수행했고, 4명의 외과의사가 기존 수동 복강경과 다른 로봇 보조 시스템 두 가지 방식으로 각각 2회씩 시술했습니다.

우수한 결과

전문 외과의사와 비교했을 때 STAR는 실수가 더 적었고, 봉합 간격과 깊이가 더 일관적이었습니다. 또한 연구진이 절제된 팬텀 장을 통해 점성 액체를 흐르게 했을 때, STAR가 재건한 조직에서 흐름이 가장 층류(부드럽고 매끄러움)적이었으며, 이는 전문 외과의사가 수행한 것보다 더 높은 품질의 문합임을 나타냅니다.

대형 동물 모델 검증

마지막으로 5마리의 돼지를 대상으로 대형 동물 모델에서 평가했습니다. 4마리는 STAR로, 1마리는 기존 수동 복강경으로 장문합술을 수행했습니다. 팬텀 실험과 유사하게 STAR가 전문 외과의사보다 실수가 적었습니다. 또한 수술 7일 후 절제된 장의 치유 정도를 분석한 결과, 두 수술 방법 간 상처 치유에 관찰 가능한 차이가 없었습니다.

"우리의 결과는 STAR가 봉합 작업 수행 시 전문 외과의사보다 더 일관되고 정확함을 보여줍니다. 이 발견은 자율 수술 로봇이 수술 치료를 민주화할 잠재력을 보여주며, 더 예측 가능하고 일관된 환자 결과로 이어질 수 있습니다."

크리거 박사는 말합니다. "많은 이들이 전통적으로 인간이 수행하던 전문 작업을 기계가 수행하는 것을 주저할 수 있지만, 로봇 시스템은 의료 환경에서 환자 결과를 개선할 잠재력이 있습니다. 대중이 자동차의 크루즈 컨트롤, 차선 유지, 자동 주차 기능의 점진적 도입을 받아들여 결국 자율주행차로 이어진 것처럼, 의료 로봇 분야에서도 유사한 진전을 보게 될 것이라 생각합니다."