다관절 로봇식 내시경 폐동맥 혈전제거용 초소형 절제기

초록

본 논문은 3.5 mm 직경의 초소형 로봇 절제기를 제안한다. concentric push/pull robot(CPPR) 구조를 이용해 두 개의 구간을 독립적으로 굽혀 폐동맥의 얇은 분지까지 접근 가능하게 하였으며, 내시경 카메라·관개·흡입 채널을 통합하였다. 최적화 기반 기구학 모델과 오픈‑루프 제어로 2 mm 이하의 팁 위치 정확도를 달성하고, 돼지 폐 조직 실험을 통해 기계적 강성·정밀도·조작성 등을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 만성 폐동맥 혈전색전증 환자에게 시행되는 폐동맥 혈전제거술(PTE)의 한계를 극복하기 위해 설계된 초소형 로봇 절제기에 대한 심층적인 기술 분석을 제공한다. 기존의 강직하고 직선적인 절제기는 폐동맥의 복잡한 굴곡과 얇은 3차 분지에 접근하기 어려워 수술 효율과 안전성을 저해한다. 저자는 이러한 문제를 해결하기 위해 concentric push/pull robot(CPPR) 구조를 채택하였다. CPPR은 동축으로 배치된 내부·외부 튜브를 상대적으로 밀고 당김으로써 튜브 사이에 형성된 슬릿(tenon‑mortise) 형태가 상호 잠금하면서 굽힘을 발생시키는 메커니즘이다. 슬릿을 ‘I’형으로 설계하고, tenon‑mortise 패턴을 적용함으로써 굽힘 각도가 증가할수록 단면 2차 모멘트(I)가 크게 증가해 기존의 정사각형 혹은 다이아몬드 슬릿 대비 강성이 현저히 향상된다. 특히, 슬릿 간격·폭·각도 등을 수식(1)~(5)으로 정량화하여 설계 변수와 굽힘 반경·각도 사이의 관계를 명시함으로써 설계 최적화를 가능하게 했다.

기구학 모델은 제한된 자유도(6 DoF)와 다중 구간(두 개의 굽힘 구간)으로 구성된 과잉제어 문제를 비선형 최적화 형태로 정의하였다. 이를 통해 각 구간의 추진·당김 변위와 회전 각도를 입력으로 받아 목표 팁 위치와 자세를 최소 오차로 매핑한다. 제어는 오픈‑루프 방식이지만, 실험에서 60 mm 길이의 팁 툴에 대해 2 mm 이하의 위치 오차를 기록했으며, 이는 내시경 기반 수술에서 허용 가능한 정밀도 수준이다.

기계적 성능 평가는 강성, 정밀도, 조작성 세 축으로 진행되었다. 강성 시험에서는 최대 1.5 N의 팁 전단력을 견디며 변형이 0.2 mm 이하로 제한되었고, 이는 혈관 내벽을 손상시키지 않을 정도의 강성을 의미한다. 정밀도 시험에서는 5 mm·s⁻¹의 속도로 연속 굽힘·펴기를 반복했을 때 평균 위치 오차가 1.8 mm, 표준편차 0.4 mm로 측정되었다. 조작성은 3 D‑프린팅으로 제작된 1.3 mm 직경의 초소형 카메라와 0.8 mm·1.2 mm 관개·흡입 채널을 통합함으로써 실시간 시각 피드백과 혈액 제거가 가능하도록 설계되었다.

임상 전 단계인 돼지 폐 조직 시뮬레이션에서는 혈전 모형을 삽입한 후 로봇 절제기로 접근, 관개·흡입·그리퍼를 이용해 혈전을 성공적으로 제거하였다. 기존 강직 절제기에 비해 접근 경로가 30 % 짧아졌으며, 혈전 제거 성공률이 92 %에서 98 %로 향상되었다.

한계점으로는 현재 오픈‑루프 제어에 의존하고 있어 외부 힘(혈류·조직 저항) 변화에 대한 실시간 보상이 부족하다는 점이다. 또한, 전동 구동부가 손잡이 외부에 위치해 무게가 250 g 정도로, 장시간 사용 시 피로도가 증가할 가능성이 있다. 향후 연구에서는 폐쇄‑루프 제어(힘 센서·위치 센서 통합)와 경량화된 구동 메커니즘(마이크로 모터·스마트 소재) 도입을 통해 임상 적용성을 높일 필요가 있다.