초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
본 연구에서는 기존 CTO 시술을 위한 가이드와이어 및 카테터 삽입술의 한계와 문제점을 극복하기 위하여 자기장에 의해 제어되는 마이크로로봇 및 자기장 제어 시스템 기술을 개발하고자 함. 또한 이러한 마이크로로봇의 위치확인을 위한 bi-planer X-ray 시스템 기술을 개발하여, 자기장 제어 시스템과 X-ray 시스템을 통합하고자 함. 통합된 프로토타입을 이용 기반으로 동물실험을 진행하여 개발된 통합 시스템의 CTO 치료율 성능 향상 가능성을 확인하고자 함.

이러한 목적을 달

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
본 연구에서는 기존 CTO 시술을 위한 가이드와이어 및 카테터 삽입술의 한계와 문제점을 극복하기 위하여 자기장에 의해 제어되는 마이크로로봇 및 자기장 제어 시스템 기술을 개발하고자 함. 또한 이러한 마이크로로봇의 위치확인을 위한 bi-planer X-ray 시스템 기술을 개발하여, 자기장 제어 시스템과 X-ray 시스템을 통합하고자 함. 통합된 프로토타입을 이용 기반으로 동물실험을 진행하여 개발된 통합 시스템의 CTO 치료율 성능 향상 가능성을 확인하고자 함.

이러한 목적을 달성하기 위한 세부 기술별 최종 목표로는 아래와 같음

세부기술 요소:
1. 마이크로로봇 기술
- CTO 드릴링 및 약물전달 기능을 가지는 자기장 제어가 가능한 다양한 독립형 마이크로로봇 및 구속형 마이크로로봇 설계 및 제작 기술
- 독립형 마이크로로봇, 구속형 마이크로로봇의 위치와 방향을 제어하기 위한 자기장 제어용 코일 시스템 설계 및 제어 기술
- 자기장 제어용 코일 시스템을 이용한 자기장 제어 기술 및 user interface 소프트웨어 기술
- 부착형 마이크로로봇의 원격 제어를 위한 마스터/슬레이브 로봇 기술

2. 3D 의료영상기술
- 두 개의 X-ray 영상을 확보하기 위한 bi-planer X-ray 시스템 기술
- X-ray 피폭을 최소화 하는 가상 C-arm 기술
- 심혈관 내 심장박동 하에서의 영상 안정화 기술
- 3차원 의료영상과 마이크로로봇의 정합기술을 통한 3차원 영상유도 및 증강현실 기반 내비게이션 시스템 기술
- 혈관내 근접 영상 정보 확보를 위한 혈관 초음파 (Intravascular ultrasound, IVUS) 시스템 기술

3. 통합기술
- 마이크로로봇, 자기장 코일 시스템, bi-planer X-ray 시스템, X-ray 영상 기반 수술 내비게이션 시스템 등의 각 요소 기술들을 통합한 마이크로로봇 시스템 기술
- 대동물 실험을 통해 개발된 통합 마이크로로봇 시스템의 성능 평가 기술
- 마이크로의료로봇 시스템의 국내 표준화 안 도출

□ 개발내용 및 결과
1. 가이드와이어 기반 마이크로로봇: (2019년 제네바 국제 발명 전시회에서 금상 수상)
- 가이드와이어 끝단에 부착되어 자기장을 통해 방향 제어가 가능한 가이드와이어 부착형 유연 마이크로로봇 설계 및 제작
- 변형 시뮬레이션 진행, 실제 실험결과와의 비교 검증 진행 및 시뮬레이션 결과를 통한 피드포워드 제어 진행
- 개발한 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 이용해 3차원 혈관 팬텀 및 실제 돼지 심혈관에서 조향 및 이동하는데 성공

2. CTO 제거용 드릴링 마이크로로봇:
- 가이드와이어·카테터 기반 드릴링 마이크로로봇을 제작하고 3차원 혈관 팬텀 및 실제 돼지 심혈관에서 추진 실험을 진행
- 혈전을 제거하는 독립형 자성 드릴링 마이크로로봇을 개발하여 인공 혈전을 제거하는데 성공

3. 대형 자기장 및 X-ray 영상 통합 시스템: (2019년 제네바 국제 발명전시회에서 제네바주 정부 상 수상 및 금상 수상)
- 자기장 코일 시스템과 결합이 가능한 심혈관 질환 치료용 bi-planer X-ray 시스템 디자인 및 제작
- 마이크로로봇 제어를 위한 자기장 제어를 위한 전자기석 기반 코일 시스템 디자인 및 제작
- 정밀 자기장 제어 및 user interface를 위한 소프트웨어인 MARODA를 개발하고, 상용 소프트웨어 수준의 기능구현 및 저작권 등록
- bi-planer X-ray 및 코일 시스템을 통합한 프로토타입으로 가이드와이어 마이크로로봇, 독립형 마이크로로봇을 사용하여 동물(돼지)실험을 수행

4. 약물 및 세포 전달용 마이크로로봇: (캡슐형 마이크로로봇 특허로 2019년 제네바 국제 발명전시회에서 금상 수상)
- 3차원 정밀 마이크로로봇을 설계 및 제작하고 이를 이용한 약물·세포전달가능성 제시
- 체내외 환경에서 마이크로로봇 기반 약물·세포 전달 실험 성공적으로 수행
- 생분해성 재료를 기반으로 마이크로로봇 제작 및 공정 기술 개발, 열치료 (hyperthermia therapy) 가능성 제시

5. 마이크로로봇 제어기:
- 마이크로로봇 추진 속도, 마이크로로봇 자세의 분산식 제어를 통한 독립형 마이크로로봇의 위치 제어
- 원통 형태의 독립형 마이크로로봇의 강인 제어 알고리즘 개발 및 세계적 수준의 제어 연구 결과를 상회하는 제어 성능 확보
- 헤리컬 형태의 독립형 마이크로로봇 제어 성능을 향상시키는 제어 알고리즘 개발 및 향상된 제어 성능 제시

6. 영상유도 전방주시 IVUS 변환자 및 초음파 송수신 시스템:
- CTO 병변을 영상화 할 수 있는 영상유도 전방주시 IVUS 변환자 제작
- IVUS를 이용한 체내외 실험을 진행하여 임상에 적용 가능성 보임

7. 통합 마이크로로봇 내비게이션 시스템 및 Bi-planar X-ray 기반 심장영상정합 기술:
- 양방향 X-ray 기반 심장 영상정합 기법 개발 및 심장박동을 고려한 영상 안정화 기술 개발
- 마이크로로봇을 이용한 심혈관 수술 내비게이션을 위한 프레임워크 개발 및 내비게이션과 관련된 기반 기술 라이브러리화

8. 마스터-슬레이브 시스템:
- 가이드와이어 및 카테터 구동 및 조향을 가능하게 하는 원격 마스터-슬레이브 시스템 설계 및 제작
- 대형 자기장 및 X-ray 영상 통합 시스템과 결합하여, 3차원 팬텀 및 돼지 심혈관 내 마이크로로봇 위치 제어를 진행

9. 마이크로로봇을 위한 생체적합성/생분해성 재료 개발:
- 탄화규소계 세라믹 및 실크 피브로인을 이용하여 마이크로미터 스케일의 구조물 제작 및 구동 테스트

10. 개발된 마이크로로봇 및 통합 마이크로로봇 제어 시스템 성능평가를 위한 3차원 팬텀 및 돼지를 이용한 동물 모델 개발
- 실제 환자의 CT 영상을 이용한 다양한 심혈관 팬텀 제작
- 돼지 관상동맥을 막아 CTO 동물모델을 제작하여 생존하는 것을 확인하고 동물실험에 활용

□ 기술개발 배경
CTO는 심장 관상동맥이 오랜 기간에 걸쳐 동맥경화가 진행되면서 완전히 막힌 지 한 달 이상이 경과한 병변임. 따라서 급성심장질환은 아니지만 혈관이 막혀 혈류가 차단되면 기능 장애 및 심장마비, 뇌졸중을 초래하고 높은 사망률을 보이기 때문에 적극적인 치료가 필요함. 하지만 CTO 시술은 높은 실패율과 기술적 복잡성으로 인해 협심증상이 있더라도 재관류 없이 남겨두는 경우가 빈번하며 대부분은 관상동맥우회술을 시행 받고 약 7-15%만이 관상동맥중재술을 시행 받음. 동맥경화가 심할 경우, 관상동맥중재술로 CTO를 제거 해야만 함. 모든 혈관중재시술은 가이드와이어 및 카테터가 병변에 도착한 이후에야 시술이 가능함. 기존 가이드와이어·카테터 기반 CTO 개통시술은 2차원 투영 영상만을 참고하므로 시술이 어렵고, 시술의 성공률 또한 시술자의 경험 및 감각에 의존하므로 혈관손상, 합병증 등의 한계점이 존재함. 이와 더불어, 시술자 및 환자 모두 긴 시술시간에 따른 방사선 피폭량으로 인한 피해가 크며, 과량의 조영제 사용으로 인한 부작용이 존재함.

본 연구에서는 인체에 무해한 자기장에 의해 구동되는 독립형 마이크로로봇 및 가이드와이어·카테터 끝에 부착되어 있는 종속형 마이크로로봇을 개발하여 CTO 시술을 보다 정확하고 직관적으로 수행하고 기존 CTO 시술의 한계와 문제점의 극복을 통해 CTO 치료율을 높이고자 함. 이를 위해, 마이크로로봇의 자기장 제어를 위한 자기장 코일 시스템, bi-planer X-ray 시스템, X-ray 영상을 통합한 영상 내비게이션 시스템의 개발도 필요함. 또한 마스트/슬레이브 시스템, 혈관 초음파 영상 기술 (IVUS), 팬텀 및 동물모델의 개발을 진행함.

□ 핵심개발 기술의 의의
자기장 기반으로 조향되는 가이드와이어·카테터 (마이크로로봇) 연구는 과거 해외에서 시도된 적이 있음. 그러나 자기 구동 카테터 기반의 기술은 높은 세기의 자기장 및 대형 자석을 요구하여 현실화에 어려움이 있었음. 그 예로는 스위스 Aeon Phocus, Magnetecs, Epoch solution 등이 있음. 영구자석 기반의 자기장 시스템은 시술시 자기장의 신속 정밀한 제어의 어려움이 존재하였으며, 다른 기타 마이크로로봇 운영 자기장 시스템의 경우, 거대한 사이즈로 인해 치료중 환자에게 접근이 불가능하고 응급상황에서의 대처 능력이 떨어져 상용화에 실패하였음. 무엇보다도 일반 가이드와이어를 이용한 기존의 시술에 비해 시술 시간이나 방사선 피폭량을 줄이지 못하여 임상적 효용성을 입증하지 못하였음.
따라서, 본 연구의 핵심은 실제로 혈관중재시술 시술시간 및 방사선 피폭량을 줄일 수 있는 실용성 있는 자기장 및 통합의료 시스템을 개발하는데 있었으며, 연구팀은 과거에 시도되었던 카테터 마이크로로봇 및 자기장 의료시스템의 한계를 개선 및 극복하고 실제 의료 현장에서 사용 될 가능성이 높은 마이크로로봇시스템을 개발하고자 하였음. 세계적으로 아직 마이크로로봇시스템을 통합하고 상용화 한 업체 및 시장이 미미하므로, 본 연구에서 개발한 통합 마이크로로봇 시스템은 향후 상용화 및 수출을 통해 높은 경쟁력과 시장 점유율을 확보할 수 있을 것으로 판단됨.
한편, 혈관시술에서 사용되는 관상동맥 가이드와이어의 경우, 해외 기술력 및 제품이 국내에 비해 압도적인 실정임. 본 과제에서는 실제 의료현장에서 많이 사용되는 검증 및 상용화된 가이드와이어를 사용하여 가이드와이어 마이크로로봇을 개발하였음. 또한 독립적 마이크로로봇을 이용하여 마이크로로봇을 이용한 혈관치료의 기술적 가능성을 제시하였음.

□ 적용 분야
본 연구에서 개발한 마이크로로봇 및 마이크로의료시스템은 인체 내에서 자기장으로 구동되어 다양한 질병의 진단 및 치료에 사용 될 수 있으며 가이드와이어 마이크로로봇의 경우, 기존의 시술법보다 빠르고 안전하게 심혈관 내 CTO와 같은 병변에 도달하는데 사용이 될 수 있음. 병변 도달 후, 드릴링 마이크로로봇을 사용하여 혈전과 같이 혈관을 막고 있는 물질을 개통 할 수 있음. 가이드와이어 및 드릴링 마이크로로봇은 혈류가 매우 빠른 심장 부근에서 사용될 수 있다는 가능성을 동물 실험을 통해 보여주었으므로, 하지 혈관과 같이 혈류가 비교적 더 느린 기타 다른 신체 부위에서의 적용 및 성공 가능성은 더 높을 것으로 판단됨. 또한 동일한 기술은 뇌혈관 질환, 요도 질환, 폐 혈관 질환, 간 혈관 질환 등에도 활용이 가능할 것으로 임상의와 회의를 통하여 논의됨.
특히 본 과제에서 개발한 마이크로로봇 시스템은 질병의 정밀 진단, 표적지향성 치료제(약물, 세포, 열에너지 등) 전달을 통한 질병 치료뿐만 아니라, 신체내 검출 및 모니터링 등 응용 가능한 분야가 많음. 그러므로 본 연구를 통해 개발된 마이크로로봇 기술과 마이크로로봇 제어시스템, 영상 기술 등은 다양한 바이오의료 분야에서 기초 및 응용 연구를 위해서 폭넓게 응용될 수 있으며, 많은 새로운 선진의료기술 및 신산업을 창출해 내고, 마이크로의료로봇 기반 정밀의학 기술 실용화 촉진에 기여할 것으로 기대됨. 현재 다양한 분야의 임상의와 협의를 통하여 응용 연구 분야를 논의하고 있음.

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 23
• 목차 ... 81
• 제 1 장 서론 ... 82
• 제 1 절 과제의 개요 ... 82
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 83
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 83
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 89
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 94
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 116
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 116
• 제 3 장 결과 ... 118
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 118
• - 연구개발 추진 일정 ... 118
• - 연구개발 추진 실적 ... 127
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 158
• - 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 158
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 160
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 161
• 제 4 장 사업화 계획 ... 172
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 172
• 제 2 절 사업화 계획 ... 174
• - 사업화 소요기간, 예상 매출 규모, 시장 점유율, 마케팅 계획 등을 기재 ... 174
• 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등 ... 179
• 끝페이지 ... 202