협동 로봇을 활용한 경추 수술 드릴링 정확도 실험 평가

초록

본 연구는 프랑카 엠리카 판다 협동 로봇을 이용해 8명의 숙련 외과의가 15회 성공적인 경추( C2‑C7) 드릴링을 수행하면서, 계획된 궤적 대비 위치·방향 오차를 정량화하였다. OptiTrack 모션 캡처와 자체 센서를 통해 수집된 데이터는 평균 위치 오차가 0.1 mm 이하, 평균 방향 오차가 0.5° 이하임을 보여, 임상적으로 허용 가능한 수준임을 확인하였다. 다만 X축에서 회전 강성이 낮아 방향 오차가 상대적으로 크게 나타났으며, 향후 시스템 강성 개선 및 수동 대비 비교 실험이 필요하다.

상세 분석

이 논문은 경추 수술에서 pedicle screw 삽입을 위한 전동 드릴링 작업을 보조하는 협동 로봇 시스템의 정확성을 실험적으로 검증한다. 실험 장치는 7자유도 프랑카 엠리카 판다 로봇, 3 mm 직경 드릴, PC‑ABS 재질로 3D 프린트된 C2‑C7 경추 모델, 그리고 120 Hz 샘플링이 가능한 OptiTrack V120 모션 캡처 시스템으로 구성된다. 로봇은 외과의가 지정한 진입점과 출구점을 기반으로 자동 정렬한 뒤, 외과의가 미세하게 진입점을 조정하도록 허용하고, 이후 드릴링 축을 제외한 모든 자유도를 고정한다.

오차 측정은 두 단계로 나뉜다. 첫째, 위치 오차는 실제 드릴 팁 위치와 목표 궤적 사이의 수직 거리(유클리드 거리)로 정의되며, 이는 드릴링 과정 중 재료 저항과 외과의의 힘에 의해 발생하는 변위를 정확히 포착한다. 둘째, 방향 오차는 목표 방향과 실제 방향 사이의 회전 차이를 쿼터니언으로 표현하고, 그 스큐‑대칭 행렬을 이용해 회전 각도와 축을 추출한다. 이러한 수학적 정의는 고정밀 로봇 공학에서 표준적으로 사용되는 방법이며, 실험 데이터와의 일관성을 보장한다.

실험 결과 15개의 유효 드릴링에서 X축 위치 오차는 평균 –0.1 mm 정도의 작은 음의 편향을 보였으며, Y축은 거의 0 mm에 가깝고, Z축은 0.2 mm 수준으로 중간 정도였다. 방향 오차는 전체적으로 0.5° 정도였지만, X축에서 회전 토크가 가장 크게 측정되어 회전 강성이 상대적으로 낮음을 시사한다. 이는 협동 로봇이 설계상 높은 순응성을 가지면서도 축 방향 강성은 충분히 확보된 구조임을 의미한다. 외부 힘과 토크 분석에서도 X축이 가장 큰 선형 힘을 받았지만 위치 오차는 작고, 반대로 Y축은 힘이 작음에도 위치 오차가 다소 커지는 패턴이 관찰되었다. 이러한 비대칭 특성은 로봇의 기구적 설계와 제어 전략이 축별로 다른 동적 응답을 보이기 때문으로 해석된다.

임상적 관점에서, 0.1 mm 이하의 위치 오차와 0.5° 이하의 방향 오차는 pedicle screw 삽입 시 허용되는 오차 범위(통상 1–2 mm, 2–3°) 내에 있다. 따라서 현재 시스템은 외과의의 손떨림을 효과적으로 억제하고, 목표 궤적을 유지하는 데 충분히 신뢰할 수 있다. 그러나 X축 회전 강성 부족은 특히 좁은 해부학적 공간에서 미세 각도 조정이 요구될 때 위험 요인이 될 수 있다. 향후 연구에서는 로봇 관절의 강성 보강, 고속 피드백 제어, 그리고 실제 환자 해부 모델을 이용한 검증이 필요하다. 또한, 수동 드릴링과의 직접 비교를 통해 로봇 보조가 실제 수술 시간, 방사선 노출, 그리고 신경·혈관 손상 위험을 얼마나 감소시키는지 정량화해야 한다.

요약하면, 본 실험은 협동 로봇 기반 경추 드릴링 보조 시스템이 임상적으로 허용 가능한 정밀도를 제공함을 입증했으며, 축별 강성 특성에 대한 이해를 바탕으로 향후 시스템 최적화와 임상 적용 확대를 위한 구체적인 로드맵을 제시한다.