Since the beginning of the 21st century, emergence of innovative technologies in robotic and telepresence surgery has revolutionized minimally access surgery and continually has advanced them till recent years. One of such surgeries is endoscopic surgery, in which endoscope and endoscopic instrument...
Since the beginning of the 21st century, emergence of innovative technologies in robotic and telepresence surgery has revolutionized minimally access surgery and continually has advanced them till recent years. One of such surgeries is endoscopic surgery, in which endoscope and endoscopic instruments are inserted into the body through small incision or natural openings, surgical operations being carried out by a laparoscopic procedure. Due to a vast amount of developments in this technology, this review article describes only a technological state-of-the arts and trend of endoscopic robots, being further limited to the aspects of key components, their functional requirements and operational procedure in surgery. In particular, it first describes technological limitations in developments of key components and then focuses on the description of the performance required for their functions, which include position control, tracking, navigation, and manipulation of the flexible endoscope body and its end effector as well, and so on. In spite of these rapid developments in functional components, endoscopic surgical robots should be much smaller, less expensive, easier to operate, and should seamlessly integrate emerging technologies for their intelligent vision and dexterous hands not only from the points of the view of surgical, ergonomic but also from safety. We believe that in these respects a medical robotic technology related to endoscopic surgery continues to be revolutionized in the near future, sufficient enough to replace almost all kinds of current endoscopic surgery. This issue remains to be addressed elsewhere in some other review articles.
Since the beginning of the 21st century, emergence of innovative technologies in robotic and telepresence surgery has revolutionized minimally access surgery and continually has advanced them till recent years. One of such surgeries is endoscopic surgery, in which endoscope and endoscopic instruments are inserted into the body through small incision or natural openings, surgical operations being carried out by a laparoscopic procedure. Due to a vast amount of developments in this technology, this review article describes only a technological state-of-the arts and trend of endoscopic robots, being further limited to the aspects of key components, their functional requirements and operational procedure in surgery. In particular, it first describes technological limitations in developments of key components and then focuses on the description of the performance required for their functions, which include position control, tracking, navigation, and manipulation of the flexible endoscope body and its end effector as well, and so on. In spite of these rapid developments in functional components, endoscopic surgical robots should be much smaller, less expensive, easier to operate, and should seamlessly integrate emerging technologies for their intelligent vision and dexterous hands not only from the points of the view of surgical, ergonomic but also from safety. We believe that in these respects a medical robotic technology related to endoscopic surgery continues to be revolutionized in the near future, sufficient enough to replace almost all kinds of current endoscopic surgery. This issue remains to be addressed elsewhere in some other review articles.
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문제 정의
II 장에서는 내시경 로봇의 역사에 대해 소개하고, III 장에서는 내시경 로봇의 핵심 기술 요소, 그리고, IV 장에서는 수술응용을 위한 최근 시스템 사례를 살펴보고자 한다. 끝으로 V 장에서 본 논문의 결론과 함께 미래 내시경 로봇의 기술적 과제를 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 수술용 로봇의 최전선에 있는 내시경 로봇의 기술적 특징과 동향을 기술하고자 한다. 현재 da Vinci 로봇으로 대표되는 복강경 원격 수술로봇에 사용되는 강체 형태의 복강경과 로봇 매니퓰레이터를 제외한 유연한 형태의 내시경 로봇과 캡슐 내시경 로봇을 본 논문에서는 다루기로 한다.
본 논문에서는 수술용 로봇의 최전선에 있는 내시경 로봇의 기술적 특징과 동향을 기술하고자 한다. 현재 da Vinci 로봇으로 대표되는 복강경 원격 수술로봇에 사용되는 강체 형태의 복강경과 로봇 매니퓰레이터를 제외한 유연한 형태의 내시경 로봇과 캡슐 내시경 로봇을 본 논문에서는 다루기로 한다. II 장에서는 내시경 로봇의 역사에 대해 소개하고, III 장에서는 내시경 로봇의 핵심 기술 요소, 그리고, IV 장에서는 수술응용을 위한 최근 시스템 사례를 살펴보고자 한다.
제안 방법
첫째 Miniature Robot은 외부에 장착되는 자석의 힘을 이용하여 로봇을 장기 내부에서 고정시키고 수술 및 진단 관측을 수행한다. 둘째 Viacath robot system과 Master system은 원격 내시경 기반의 굴곡형 로봇을 이용하여 수술 및 관측을 수행한다.
그림 14는 수술 툴 매니퓰레이터의 제어 계통도의 사례[59]를 보여주고 있다. 먼저, 인터페이스를 통해 의료진에 의해 로봇에 내려지는 구동 명령이 제어 컴퓨터로 입력되고, 제어루프의 궤환 신호인 구동기 센서 정보가 입력되어, 두 신호의 비교를 통해 만들어지는 컴퓨터 제어 출력이 수술툴 매니퓰레이터의 구동기로 입력되어 수술 툴을 최종 구동시킨다. 매니퓰레이터로는 슬라이더형 링크 타입[60], 와이어형 링크 타입[61], 직접 모터구동 타입[62]등이 연구되어오고 있으며, 내시경 로봇의 방향 회전의 토크를 증대시키기 위해 웜기어와 모터가 임베디드되는 연구가 진행되고 있다[63].
특히, 1966년 광섬유의 등장으로, 내시경의 기술 개발[22]은 가속화 되었으며, 섬유의 굴절에도 빛을 전달하는 특성을 이용하여, 인체 내에서 자유자재로 굴곡 가능한 내시경으로 발전하게끔 하였고, 이러한 혁신적인 기술 형태는 기존의 강체형 광학내시경 시장[23]을 급속히 대체시키는 효과를 주었다. 초소형 카메라(CCD)를 내시경 앞쪽에 장착함으로써 직접 영상을 모니터에 전달하는 전자내시경을 가능하게 하였다. 이는 영상이 깨끗하고 반영구적인 장점을 가지고 있으나, CCD의 크기 때문에 몸 안에 들어가는 내시경 굵기를 줄이지 못해 소아용 등에선 아직 광학내시경이 사용되고 있다.
성능/효과
개발되는 능동형 내시경 로봇 플랫폼은 모두 III 장 2절에 설명된 인간-로봇 상호작용 기능으로 원격 제어형을 선택하고 있으며, 고해상도 영상획득기능, 다양한 수술 툴, 다자유도 로봇 매니퓰레이터의 기능을 기본적으로 보유하고 있다. 관측 진단 및 시술을 위한 수술 매니퓰레이터와 수술 툴은 각기 다른 모양과 기법을 선택하고 있다.
후속연구
현재 국내 내시경 기술의 원천 연구개발을 위해 HD급 3D 내시경에 대한 개발이 산학연 컨소시엄을 통해 2012년부터 개발되고 있으며, 초소형 의료용 이미지 센서, 광 MEMS 소자 기반 초소형 광학계, 스펙트럼 가변을 이용한 LED광원을 핵심기술을 개발하고 있는 단계이다. 개발이 완료되면 직경 8mm 이하의 단일 센서를 이용한 검진용 삽입관의 입체 영상 획득이 가능할 것으로 예상된다.
매니퓰레이터 메커니즘의 정교화와 소형화, 이동 및 변형의 용이성, 센서 정보 융합, 고기능 센서, 고기능 구동기, 구동제어 정도, 신개념 항법, 인간-로봇 상호작용, 안정성 등의 측면에서 로봇 기술의 발전이 IT기술의 융합과 함께 더욱 고도화 및 가속화 되고 있으므로, 검진 단계에서의 인체 내부 검사와 의료 수술 현장에서의 내시경 로봇의 점진적 확대가 기대되는 바이다.
표 3에는 NOTES 용으로 개발되고 있는 플랫폼의 최근 개발 현황을 정리하였다. 상용화된 내시경 플랫폼은 수동형의 로봇 메커니즘을 가지고 있지만, 능동형의 로봇 시스템을 활용한 내시경 로봇 플랫폼의 연구가 활발히 수행되고 있는 중에 있으므로, 가까운 미래에 원격제어가 가능한 내시경 로봇 플랫폼이 출현할 수 있을 것이다.
진단내시경의 큰 변화를 가져온 캡슐내시경의 경우, 배터리, 영상획득, 중력이나 장 연동운동에 의해 자의적으로 이동할 수 없는 점들에 대한 보완이 지속적으로 연구 중이다. 추가로 영상전송 후 판독시간을 단축할 수 있는 프로그램 개발 문제가 해결된다면, 식도에서 항문까지 전장의 진단 내시경은 캡슐 내시경을 한번 삼키는 것으로 간편하게 받을 수 있을 것이다. 최근 치료내시경 분야에서 화두가 되고 있는 NOTES는 복벽을 절개하지 않고 입, 항문, 질구, 요도 등 자연 개구부를 통하여 복강내 장기를 수술하는 방법으로 입원 기간 단축, 수술 후 통증 완화, 정신적, 미용적 측면에서 보았을 때, 현재 질병의 치료 흐름이 비침습적으로 발전되는 동향과 함께, 개복 수술이나 복강경 수술을 대체할 만한 시술법이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내시경 로봇 기술의 궁극적 목표는 무엇인가?
내시경 로봇 기술의 궁극적 목표는 다음과 같다. 첫째, 의료진이 일반 내시경을 직접 조작하여 내시경의 위치와 주시 방향을 조절하듯이, 내시경 로봇에서도 마찬가지로 로봇의 자세 및 위치를 자유자재로 의료진이 조정한다. 둘째, 내시경 로봇이 사전 의료 영상으로부터 계획된 안정 경로와 장애물 회피경로를 따라 움직이거나, 구동 기능을 갖춘 캡슐 내시경이 의료진의 원격 조정을 받아 해당 타켓 위치로 움직인다. 셋째, 특화된 내시경 로봇 수술 도구를 이용하여 해당 타켓 조직의 채취 및 검사 혹은 수술 치료를 포함하는 정해진 의료 임무를 수행하도록 하는 것이다. 이때 기존의 내시경 수술을 내시경 로봇이 풀어야 하는 문제점은 1) 플랫폼 안정성: 다양한 수술도구 및 내시경과 함께 유연성 및 고정 안정성 확보 2) Retraction: 조직을 당기고 봉합하고 클립을 가하기 위한 도구 강직성 확보, 3) Triangulation: 독립적인 시야 매니퓰레이션과 수술 툴간의 매니퓰레이션, 4) 크기: 다양한 수술 도구들을 갖고 소형의 크기유지, 5) 이미지: 내시경 영상의의도하지 않은 영상 회전 등이다[29].
내시경이란?
내시경은 의료목적으로 신체의 내부를 살펴보기 위한 기구를 가리키며, 내시경 기술의 발달 및 로봇 기술의 발달은 NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery) [14-16] 및 마이크로 로봇[17-21]을 포함하는 유연한 내시경 로봇의 개발을 가능하게 하였다. 특히, 1966년 광섬유의 등장으로, 내시경의 기술 개발[22]은 가속화 되었으며, 섬유의 굴절에도 빛을 전달하는 특성을 이용하여, 인체 내에서 자유자재로 굴곡 가능한 내시경으로 발전하게끔 하였고, 이러한 혁신적인 기술 형태는 기존의 강체형 광학내시경 시장[23]을 급속히 대체시키는 효과를 주었다.
내시경 로봇 시스템은 무엇으로 구성되는가?
내시경 수술 로봇 기술의 기능적 블록 다이어그램은 아래와 같다(그림 3). 내시경 로봇 시스템은 로봇 시각과 손을 보유하고 수술을 담당하는 내시경 로봇, 사전에 획득한 의료영상, 실시간 환자 및 내시경 수술 툴을 추적하는 추적센서, 영상 기반 항법 시스템, 그리고 인간-로봇 상호작용 도구로 구성된다. 내시경 로봇 시스템은 지능적 시각과 지능적 수술 도구가 핵심 기능을 수행한다.
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