협업형 XR 기반 3D 수술 계획 및 시각화 프로토타입

초록

본 논문은 수술 전 3차원 해부학 데이터를 XR 환경에서 직관적으로 탐색하고, 클라우드 기반으로 데이터를 관리·공유하며, 안경 없이 입체 시각을 제공하는 스테레오 3D 디스플레이와 연동하는 협업 시스템을 제안한다. 간단한 간절제 사례를 통해 사용성 평가(SUS)와 만족도 조사를 수행했으며, 기존 데스크톱 기반 툴 대비 사용성 점수가 크게 향상된 것을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 의료 XR 분야에서 흔히 목격되는 데이터 파이프라인 단절, 실시간 협업 부재, 전용 디스플레이의 높은 진입 장벽을 동시에 해소하려는 시도로 평가할 수 있다. 첫 번째 모듈인 MR 헤드셋 기반 수술 계획 환경은 메쉬 형태의 CT/MRI 데이터를 실시간으로 렌더링하고, 자유형 손동작을 통해 절제면을 정의한다. 여기서 중요한 점은 절제면과 혈관·간엽 분절 사이의 교차점을 즉시 시각화하고, 잔여 간 용적(리먼 볼륨)과 같은 안전 지표를 실시간으로 계산해 제공한다는 것이다. 이는 기존 3D Slicer와 같은 데스크톱 툴이 제공하지 못하는 ‘즉시 피드백’ 메커니즘을 구현한다는 의미다.

두 번째 모듈인 클라우드 데이터 관리 시스템은 ThinkPHP 프레임워크 위에 역할 기반 접근 제어(RBAC)를 적용해 의료 데이터의 보안성을 확보한다. 데이터는 구조화된 메타데이터와 함께 클라우드에 저장되며, 여러 사용자(외과 의사, 엔지니어, 환자)가 권한에 따라 실시간으로 최신 플랜을 조회·수정할 수 있다. 이는 협업 시 발생하는 버전 충돌 문제를 최소화하고, 원격 진료·교육 시나리오에 적합한 인프라를 제공한다.

세 번째 모듈은 안경 없이 입체감을 제공하는 라이트필드 3D 디스플레이와 스테레오 패널을 결합한 ‘코디네이티드 스테레오 시각화 플랫폼’이다. 패널은 사용자 시점 추적(viewpoint tracking)을 통해 개별 관찰자에게 최적화된 고해상도 영상을 제공하고, 스탠딩 스크린은 양안 시차와 모션 패럴랙스를 동시에 구현한다. Unity 기반 애플리케이션이 두 디스플레이 간 동기화를 담당해, 한 장치에서의 인터랙션이 다른 장치에 즉시 반영된다. 이는 다중 사용자가 동일한 3D 모델을 동시에 조작하면서도 각자의 시점에서 최적의 시각 정보를 얻을 수 있게 한다.

사용자 연구는 두 가지 측면에서 진행되었다. 외과 의사 8명을 대상으로 한 XR 수술 계획 실험에서는 SUS 점수가 38.44 → 76.25로 98 % 상승했으며, 전반적인 만족도도 4.75/5에 달했다. 이는 XR 환경이 복잡한 해부학적 관계를 직관적으로 파악하게 함으로써 인지 부하를 크게 감소시킨 결과로 해석된다. 두 번째 실험에서는 엔지니어링 대학원생 10명을 대상으로 데스크톱, 3D 패널, 코디네이티드 플랫폼을 순차적으로 사용하게 하였고, 코디네이티드 플랫폼이 가장 높은 SUS(81.0)와 만족도(4.2)를 기록했다. 통계적으로도 F(2,18)=4.119, p=0.034으로 유의미한 차이를 보였으며, 사후 검증에서 코디네이티드 플랫폼이 데스크톱 대비 유의하게 우수했다.

기술적 강점에도 불구하고 몇 가지 한계가 존재한다. 현재 시스템은 MR 헤드셋과 라이트필드 디스플레이라는 고가 장비에 의존하고 있어 보급성이 낮다. 또한, 클라우드 백엔드가 ThinkPHP에 국한돼 있어 대규모 병원 시스템과의 연동 표준(예: HL7/FHIR) 적용이 미비하다. 사용자 연구의 표본이 제한적이며, 실제 임상 환경에서의 장시간 사용에 대한 피로도나 오류율 평가가 부족하다. 향후 연구에서는 저비용 AR 디바이스와 웹 기반 시각화 레이어를 도입해 접근성을 높이고, AI 기반 자동 절제면 제안 및 위험도 예측 모델을 통합함으로써 계획 단계의 자동화를 목표로 해야 할 것이다.