[논문]기능성 대장 내시경 로봇 시스템

임헌영; 정연구; 김병규; 박종현; 박종오

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.6.954

문제 정의

그러나, 이러한 대장 내시경 로봇은 이동기능에만 치중하여 내시경으로서 필수적인 여러 기능들을 통합하지 못했다는단점이 있었다. 따라서 본 논문에서는 이동기능을 가지며 내시경으로서 요구되는 기본기능인 카메라, 조향장치, 생검장치, 물 분사장치 등이 통합된 새로운 기능성 대장 내시경 로봇을 기술하고자 한다. 본 기능성 대장 내시경 로봇을 사용하면, 의사는 내시경 조작에 큰 신경을 쓰지 않고 병변의 판단 및 치료에만 집중할 수 있어 내시경 시술기술이 한단계 높아질 것으로 예상된다.
的 그러나 이동 중 몸체의 길이가 수축과 신장을 반복하며 변화하기 때문에 내시경으로서 필요로 하는 기본 장치인 카메 라, 방향전환장礼 생 검장치 등을 통합하기는 어려움이 있다. 따라서 이동성능에 해를 끼치지 않으면서 내시경으로서 필요로 하는 요소들을 통합하기 위한 구조로 가운데가 비 어있는 중공형 몸체를 제안하고자 한다.
본 논문에서는 유연하고 미끄러우며 이물질이 많은 대장 환경에서 이동, 진단 및 치료를 위한 기능성 대장 내시경 로봇을 제시하여 제작 및 실험을 수행하였다. 이 로봇은 중공형 몸체를 가진 자벌레형 이동 메커니즘으로 조향장치, 카메라, 광원 장치, 생검장치, 물 분사장치와 같은 기존 대장내시경의 기능을 모두 갖추고 있다.

제안 방법

1은 본 기능성 대장 내시경 로봇의 구성 및 내부 구조를 보여주는 개념도이다. 개발된 기능성 내시경 로봇의 성능을 검증하기 위해 죽은 돼지의 대장(In vitro) 및 살아있는 돼지의 대장(In vivo)에서 실험을 수행하였다.
3 bar의 공압을 인가하였다. 고정을 위한 대장 흡입 시간은 머리 및 꼬리부에 각각 12초 및 8초로 설정하였다. 로봇이 이동하는데 필요한 총 사이클 시간은 48초로 몸체부의 122 mm의 행정길이를 고려해보면 약 2.
동물 실험 종료 후, 고정장치로 인한 돼지 대장의 손상 정도를 알아보기 위하여 기존 대장 내시경을 삽입한 후 대장의 상태를 검사하였다. 검사를 수행 해본 결과, 대장의 상처는 거의 찾아 볼 수 없었으며, 다만 대장 고정을 위한 대장 흡입과정에서 생긴 자국(Suction mark)을 확인할 수 있었다.
확인하였다. 또한 사람 대장에서의 유용성을 알아보고자 살아있는 돼지의 대장에서 본 내시경 시스템의 이동, 진단 및 치료기능을 검증하였다.
수행하였다. 로봇을 돼지 항문에 삽입한 후 앞서 수행한 여러 환경에서의 실험과 동일한 구동 조건을 사용하여 대장 내에서 이동시켰다.
로봇은 머리부, 조향부, 몸체부, 고정부로 크게 4가지로 구분된다. 로봇의 중량은 48 g이며 항문을 통한 삽입이 가능하도록 외경을 24 mm로제작 하였으며, 정지 시 생검기능과 이동 시 흡입 및 물 분사기능을 위하여 로봇 몸체에 3 mm의 중공을 형성하였다. 전체 길이는 수축과 인장 시 각각 137 mm와 269 mm로 약 100 %의 높은 신장률을 가지고 있다.
마취되어 있는 35 kg의 돼지에 내시경 로봇을 삽입하여 이동성능과 검사 및 치료기능에 대한 실험을 수행하였다. 로봇을 돼지 항문에 삽입한 후 앞서 수행한 여러 환경에서의 실험과 동일한 구동 조건을 사용하여 대장 내에서 이동시켰다.
본 논문에서 제안한 로봇의 성능평가 실험을 위해 죽은 돼지 대장을 이용하여 다양한 환경에서 이동성능을 확인하였다. 또한 사람 대장에서의 유용성을 알아보고자 살아있는 돼지의 대장에서 본 내시경 시스템의 이동, 진단 및 치료기능을 검증하였다.
또한 의사가 관찰하고자 하는 방향으로 카메라의 시점(Viewpoint)을 변화하기 위해서도 본 장치가 필요하다. 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 벨로우즈를 이용한 조향장치 구조를 사용하였다. 이러한 구조는 간단하고, 소형화가 가능하며, 반응속도가 빠르다는 장점을 가지고 있어 마이크로 액추에이터(9)등에 많이 적용되고 있다.
4.1 다양한 환경에서의 실험

실제 대장과 비슷한 환경에서 제작된 로봇의 이동 능력과 최적의 로봇 구동 변수을 찾아내기 위하여 다양한 형상의 환경에서 이동성능 실험을 반복 수행하였다. 최종 실험에 사용된 로봇의 구동 조건은 신장 시 0.
제작되어야 한다. 이를 위하여 생체 적합성 고무와 생체 적합성 재료인 Peek를 사용하여 몸체를 제작하였다.
7은 로봇의 조향부와 머리부를 보여준다. 조향부는 몸체부와 머리부 사이에 직경 7 mm의 실리콘 벨로우즈를 120° 간격으로 평행하게 연결하였다. 각각의 벨로우즈에 동일한 압력을 인가하게 되면 로봇의 머리는 몸체의 길이방향으로 움직이고 수축과 인장 시 각각 13 mm, 24 mm의 길이를 갖는다.

대상 데이터

12에서 로봇 머리에 부착된 카메라가 생검 장치로 대장 내의 조직을 채취하는 것을 보여준다. 로봇에 장착된 소형 CMOS 카메라는 대장 내부를 선명하게 촬영할 수 있었으며, 생검 채널을 통하여 삽입된 생검은 머리부의 조향 장치를 이용하여 원하는 위치의 대장조직을 채취할 수 있었다. 이로써, 로봇이 대장 내에서 이동, 진단 및 치료에 관한 기능을 성공적으로 수행할 수 있음을 검증하였다.
로봇은 높은 신장률과 조향장치로 대장 내의 곡선 등을 효율적으로 통과하여 약 60 cm를 이동하였다. Fig.
6은 본 논문에서 제안한 중공형 대장 내시경 로봇의 성능 시험을 위하여 제작된 로봇을 보여 준다. 로봇은 머리부, 조향부, 몸체부, 고정부로 크게 4가지로 구분된다. 로봇의 중량은 48 g이며 항문을 통한 삽입이 가능하도록 외경을 24 mm로제작 하였으며, 정지 시 생검기능과 이동 시 흡입 및 물 분사기능을 위하여 로봇 몸체에 3 mm의 중공을 형성하였다.
전체 길이는 수축과 인장 시 각각 137 mm와 269 mm로 약 100 %의 높은 신장률을 가지고 있다. 로봇의 이동기능을 담당하는 몸체부는 유연한 벨로우즈를 사용하였으며, 벨로우즈의 유효단면적을 고려하여 볼 때 0.2 bar의 공압을 인가하면 약 8.28 N의 길이방향 추력이 발생하게 된다. 로봇의 머리 및 꼬리에 위치한 고정장치는 실리콘 튜브로 감싸 대장 고정 시 상처를 최소화 하도록 고안되어 있다.

성능/효과

검사를 수행 해본 결과, 대장의 상처는 거의 찾아 볼 수 없었으며, 다만 대장 고정을 위한 대장 흡입과정에서 생긴 자국(Suction mark)을 확인할 수 있었다. 그러나 이러한 흡입에 의한 자국은 기존의 내시경에서도 발생하는 것으로서 의료진의 소견상 그리 심각하지 않은 것으로 평가되었다.
본 결과에서 알 수 있듯이 로봇의 높은 신장률로 인하여 직선구간을 이론속도와 거의 동일한 속도로 이동하였다. 곡선을 포함한 구간에서의 이동속도는 이론속도의 평균 55%로 다소 낮지만 조향장치로 인하여 부드럽고 안정적으로 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 이때 이동 효율이 떨어지는 요인은 곡선부분에서 몸체 수축 시 벨로우즈에 가해지는 진공압으로 인하여 몸체의 강성이 높아져 머리부 고정장치 효율이 떨어지고, 몸체의 길이 변화에 따라 대장의 길이 변화가 크게 유발되어 이동 성능을 낮추고 있기 때문이다.
자율 주행형 내시경을 위하여 링크 구조,(1) 방 사형 바퀴,。공압 구동기,。) 강선(Tendon)과 고정 장치®를 이용한 이동 메커니즘과 자벌레형 이동 메커니즘(対)등이 선행연구 되어왔다. 그 중 자벌 레형 이동 메커니즘은 몸체의 길이방향으로 수축 및 신장이 가능한 유연한 몸체와 대장벽에 고정할 수 있는 장치로 구성되어 있으며, 대장과 같이 유연하고 미끄러운 환경에서 이동 가능성을 보여주었다. 최근 Dario⑺가 흡입 및 기계적 고정장치를 이용한 자벌레형 이동 로봇을 개발하여 동물 실험에서 장내 이동을 성공한 바 있다.
이 로봇은 중공형 몸체를 가진 자벌레형 이동 메커니즘으로 조향장치, 카메라, 광원 장치, 생검장치, 물 분사장치와 같은 기존 대장내시경의 기능을 모두 갖추고 있다. 또한 로봇을 마취되어 있는 돼지에 삽입하여 실험한 결과 대장내에서 안정된 이동과 검사 및 치료기능을 확인할 수 있었다.
Table 2는 다양한 환경에서 로봇의 이동거리 및 속도, 그리고 효율이 정리되어있다. 본 결과에서 알 수 있듯이 로봇의 높은 신장률로 인하여 직선구간을 이론속도와 거의 동일한 속도로 이동하였다. 곡선을 포함한 구간에서의 이동속도는 이론속도의 평균 55%로 다소 낮지만 조향장치로 인하여 부드럽고 안정적으로 통과하는 것을 확인할 수 있었다.
로봇에 장착된 소형 CMOS 카메라는 대장 내부를 선명하게 촬영할 수 있었으며, 생검 채널을 통하여 삽입된 생검은 머리부의 조향 장치를 이용하여 원하는 위치의 대장조직을 채취할 수 있었다. 이로써, 로봇이 대장 내에서 이동, 진단 및 치료에 관한 기능을 성공적으로 수행할 수 있음을 검증하였다.

후속연구

이러한 생검용 집게는 강선(tendon)을 이용하여 작동되며 굵은 직경에 단단한 재질로 만들어져 내시경 로봇에 통합하는데 어려움이 있다. 그러나 본 논문에서 제안한 로봇은 내부가 비어있기 때문에 이러한 생검 장치의 사용이 가능하다. 진단을 위해가장 중요한 장치인 카메라는 Fig.
향후, 로봇의 행정시간을 단축하여 속도를 향상하고, 고정장치의 재질 및 구조를 개선하여 상처를 최소화 하고, 인간 친화적인 조작장치가 추가될 예정이다.

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