더 작고, 더 정밀하게! 소형 로봇보조수술 시스템 ‘MIRA’
로봇보조수술(RAS, Robotic-Assisted Surgery) 시스템의 발전으로 인해 외과 의사는 부피가 크고 번거로운 외부 플랫폼과 도크가 없이도 소형 로봇을 사용하여 복부 전체 영역에 접근할 수 있게 됐다.
RAS 시스템 설계는 더 작은 절개를 통해 수술을 수행하는 방향으로 계속 발전하고 있다. 이는 외과의가 로봇 팔과 카메라를 정밀 하게 제어할 수 있도록 함으로써 이루어진다. RAS의 목표는 최소 침습 로봇 수술을 통해 환자의 통증을 줄이고 입원 기간을 단축하는 등의 혜택을 제공하는 것이다.
RAS에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 의료 기관들은 RAS 프로그램의 확대를 가속화할 방법을 모색하고 있다. 미국 네바다 주에 본사를 둔 Virtual Incision은 세계 최초의 소형 로봇 보조 수술 시스템인 ‘MIRA’를 개발했다. MIRA는 쉽게 운반 및 설치할 수있어 어느 수술실에서도 사용할 수 있다.
이 시스템은 로봇 팔을 완전히 제어하고 실시간 내시경 영상을 제공하는 수술 콘솔, 그리고 장비의 이동을 용이하게 하는 보조 카트로 구성된다. 또한 설치가 간편한 것이 특징이다. MIRA의 목표는 현재 RAS 시스템을 보유하지 않은 90%의 수술실에서도 이를 사용할 수 있도록 하여 더 많은 환자를 치료할 수 있도록 돕는 것이다.
MIRA의 설계 단계에서 Virtual Incision은 주요 과제를 파악했 다. 그것은 소형이면서도 휴대가 가능하고 사용이 간편한 제품을 개발하는 동시에, 대장 절제술과 같은 고난도 수술을 수행할 수있는 강도를 유지하는 것이었다.
이 기기는 연구용 의료기기 면제 (IDE)에서 성공적으로 사용되었으며, FDA의 마케팅 승인을 받고 올해 초 결장직장 수술을 위한 상업적 사용 승인을 획득했다.또한, Virtual Incision은 수술 후 쉽게 세척 및 멸균이 가능하도록 설계하여, 대부분의 기존 시스템에서 필수적으로 요구되는 드레이핑(draping) 절차를 없애고자 했다. 드레이핑은 수술 간 소독 및 준비 시간을 증가시키므로, 이 과정을 제거하면 더 많은 환자를 치료할 수 있도록 수술 회전율을 높일 수 있다.
MIRA는 설치 공간이 크고 휴대성이 떨어지는 붐(boom) 또는 받침대(pedestal) 기반 시스템인 메인프레임과 차별화된다. 기존 시스템은 설치 공간이 크고 이동이 불편하며, 넓은 공간을 갖춘 수술실에서만 사용 가능하다. 또한 설치 과정이 번거로울 뿐만 아니라, 수술을 돕는 의료진의 시야와 이동을 방해하여 수술실의 워크플로우에 지장을 초래할 수 있다.
▲ MIRA의 세 가지 구성 요소는 설치가 간편하며, 어떤 수술실에서도 사용할 수 있다.
모션 구성 요소
MIRA의 설계 과정에서 Virtual Incision은 Maxon과 협력하여 RAS 시스템에 최초로 통합된 관절형 카메라를 적용하기로 결정했 다. RAS 시스템의 높은 속도와 토크는 까다로운 요구 사항을 필요로 한다. Maxon은 광범위한 모터 제품군과 전 세계적으로 인정받는 기술력을 바탕으로 Virtual Incision의 설계를 지원했다
MIRA 시스템을 구성하는 부분 조립체(subassembly)의 신뢰성과 일관성은 철저한 테스트 및 검증을 통해 보장되며, Maxon은 MIRA 개발 과정에서 큰 도움을 주었다. 또한, Virtual Incision은 기기의 소형화 및 성능 최적화를 위해 하드웨어, 펌웨어, 소프트 웨어를 자체적으로 개발했다.이를 통해 시스템의 효율성을 높이고 각 관절의 출력 성능을 극대 화할 수 있었다. 이 설계 덕분에 MIRA는 무게가 1kg 미만임에도 불구하고 강력한 성능을 유지하며, 고속과 높은 기동성을 발휘할수 있다.
특별한 접근법
기존 메인프레임형 RAS 시스템은 장치에 충분한 강도를 제공하기 위해 모터를 붐(boom) 또는 받침대(pedestal) 외부에 배치한 다. 반면, MIRA는 모터를 본체 내부에 배치하여, 소형이면서도 충분한 강도를 확보하는 혁신적인 설계를 적용했다.내부 모터를 탑재한 견고한 로봇 팔은 필요한 강도를 제공하는 동시에, 카메라와 수술 기구의 삼각 배열(triangulation)을 가능하게 한다.
또한 이 장치는 장 절제술(Intestinal Resection)과 같은 임상 수술에서 사용된 바있으며, RAS 시스템의 모터가 실제로 인체 내부에서 작동한 것은 이번이 최초이다.수술에서는 강도와 속도가 모두 중요하다. MIRA는 가장 효율적인 모터를 사용하여, 대장과 같은 크고 무거운 장기를 조작할 수있도록 특별히 설계됐다. RAS 시스템이 신속하게 반응하려면 외과의의 움직임을 실시간으로모방할 수 있어야 한다.
대장 수술은 높은 강도를 요구할 뿐만 아니라, RAS 시스템이 복부의 여러 사분면, 경우에 따라 모든 사분면에 도달할 수 있어야 한다. 기존 멀티포트 메인프레임 시스템은 외부 로봇 팔 간의 충돌을 방지하기 위해 신중한 포트 배치 및 동작 설계가 필요하다.
반면, MIRA는 소형의 독립형 설계로, 외부 로봇 팔 간 충돌 위험 없이 완전한 해부학적 접근을 제공한다. 또한, 관절형 카메라 설계를 통해 어떤 수술 상황에서도 기구와 카메라 사이의 올바른 삼각 배열이 유지된다.의료 기기인 MIRA의 설계에는 멸균 처리, 생체 적합성, 전기 안전성, 전기소작(electrocautery) 등의 의료 기기 요건을 특별히 고려하여 이루어졌다.
▲ 내부 모터를 갖춘 견고한 로봇 팔은 필요한 강도를 제공하면서도 카메라와 수술 기구의 삼각 측량을 가능하게 한다.
결론
Virtual Incision 관계자는 “혁신을 실현하는 가장 효과적이고 생산적인 방법이 ‘구현(implementation)’이라는 신념 아래 제품을 개발하고 광범위한 테스트를 거친 후 ‘build and improve’ 접근법을 적용했다”며 “이러한 접근 방식 덕분에 Virtual Incision 은 짧은 시간 내에 여러 차례의 설계 개선을 이룰 수 있었으며, 소형 RAS 기기 개발과 같은 기술의 한계를 뛰어넘는 성과를 이루었 다”고 말했다.
Maxon은 단순한 기술 파트너를 넘어, Virtual Incision의 다양한 혁신적 시도에 적극적으로 참여하며 전문 기술력을 제공해 온 것으로 알려졌다. 그 결과, MIRA는 세계 최초의 소형 로봇 보조 수술 시스템으로 탄생했다.
MIRA는 작지만 강력하며, 어떤 수술실 에서도 신속하게 설치할 수 있다. 뿐만 아니라, MIRA는 우주에 서도 설치 및 사용이 가능하다. 실제로 2024년 국제우주정거장 (ISS)에서 MIRA의 테스트가 진행되었으며, 지상에 있는 외과의가 원격으로 콘솔을 통해 장치를 제어하면서, 가상의 조직 절단및 소형 물체 조작 등 수술 동작을 성공적으로 수행한 바 있다.
자료제공: Maxon(www.maxongroup.com)
