의료 자동화 로봇 연구실 (Healthcare Electronics, Automation, and Robot Technology Lab, HEART lab)
지도교수: 최재순, 문영진
연구실 소개 및 연구분야
서울아산병원 의공학연구소 HEART lab은 로봇, 메카트로닉스, 모델링 및 시뮬레이션, 세포 및 생체 조직, 의료기기 등과 관련된 기술을 의료분야에 적용하는 연구를 수행하고 있으며, 영문약어와 같이 의료분야에 필수적이고 핵심적인 기술개발을 목표로 한다.
구체적으로는 수술 및 중재시술과 관련된 로봇 시스템의 개발, 로봇 시스템 및 메카트로닉스 기반 의료기기 등의 정밀제어 및 원격제어 알고리듬 개발 및 적용, 수술 등 의료 작업에서 의료기기와 생체조직의 접촉 등에 의한 상호작용 모델에 기반한 디지털 트윈 기술 개발, 기구적 의료기기의 요구 작업모션에 대한 최적화 설계, 재활로봇 응용을 위한 환자 생체신호 및 영상데이터의 처리 및 제어 시스템에의 적용, 재활훈련용 로봇 디바이스의 기구적 설계 및 개발, 재활훈련을 위한 VR, AR 기반의 컨텐츠 개발, 병원 내에서 요구되는 다양한 작업을 위한 원내 서비스 로봇의 개발 등에 관심을 가지고 연구를 수행하고 있다.
연구실은 지도교수 2인과 박사후 연구원을 포함한 연구원 13인, 대학원생 3인이 같이하고 있으며 연구개발에 필요한 각종 실험 설비를 포함한 연구공간은 풍납동빌딩 3층에 자리하고 있다. 원내에서는 심장내과, 재활의학과, 이비인후과, 성형외과, 마취통증의학과, 신경과, 비뇨의학과, 정형외과, 소아외과 등의 다양한 임상분야 연구자들과 공동 연구를 수행하고 있으며 또한 연구소 내 재생의학, 광학, 인공지능 분야의 공학 연구자들과도 협업하고 있다. 외부와는 KIST, KIMM 등의 국가출연연구소, 엘엔로보틱스, 한양디지텍, 리모 등의 기업, DGIST, KAIST, 서강대, 전남대 등의 학교와도 공동연구를 수행 또는 추진하거나 인력 교류 등으로 긴밀한 관계를 맺고 있다.
주요 연구
원격제어 심혈관 중재시술 로봇
관상동맥 조영술, 관상동맥 중재술과 같은 심혈관 중재시술에서 방사선 기반 영상장비의 사용으로 인한 방사능 피폭을 줄이고 시술도구 제어의 정확도를 높여 시술결과의 질적 향상을 목표로 원격제어 방식의 로봇 시스템을 개발하고 있다. 시스템은 의료진이 원격위치에서 환자측에 있는 로봇의 동작을 지령하기 위한 햅틱 인터페이스 및 마스터 콘솔과 시술기구를 핸들링할 수 있는 로봇 엔드이펙터, 매니퓰레이터와 제어 베이스를 포함하는 슬레이브 로봇 시스템으로 구성된다. 원격제어 알고리듬과 인공지능을 활용한 혈관 내 가이드와이어 네비게이션, 작업단위 자율성을 구현하는 자동화 등의 중점기술도 적용하거나 개발중이다. 몇 차례의 국가과제를 통해서 축적된 기술을 바탕으로 2019년에는 2인의 환자를 대상으로 탐색임상시험을 성공적으로 수행하였고 해당 기술은 기업으로 이전되어 상업화가 진행되고 있으며 연구실 내에서는 또 다른 핵심원천기술의 발굴 및 연구를 수행하는 중이다.
▲ 로봇 시스템
▲ 햅틱 인터페이스
병원 내 서비스를 위한 텔레프레즌스 로봇 & 스마트 휠체어
텔레프레즌스 로봇과 스마트 휠체어는 응급실, 외래, 병동, 수술장 등 병원 내 기능 구역별로 특화된 모바일 로봇이라 할 수 있다. 텔레프레즌스 로봇은 3D 라이다 카메라를 이용하여 3차원 주변인식을 하고 매니퓰레이터를 이용하여 필요한 작업을 수행하고, 스마트 휠체어는 응급실 중심으로 환자 이송을 위한 모빌리티의 역할을 수행하도록 리프팅과 리클라이너가 구비되어 있으며 좁은 복도 등의 환경적 요인을 고려하여 홀로노믹 구속으로 임의의 방향 회전이 가능한 메카넘 휠로 동작한다. 로봇 시스템의 구조적 개발과 기능 구현 및 임상환경에서의 서비스를 위한 시나리오 개발 등이 병행되고 있다.
▲ 텔레프레즌스 로봇
▲ 스마트 휠체어
파킨슨병 환자 등의 재활훈련을 위한 재활로봇 및 제어
뇌졸중, 파킨슨병, 부상 등으로 인해 상지에 손상을 입은 환자의 원격 재활운동을 지원하는 엔드-이펙터형 상지 재활 로봇 시스템을 개발하고 있다. 시스템은 치료사가 조종하는 마스터 로봇과 환자가 상지에 보조력을 받을 수 있는 슬레이브 로봇으로 구성되며, 원격제어를 기반으로 한 알고리듬을 통해, 치료사는 로봇과 상호작용하면서 환자의 운동범위, 근력 등을 평가하며 환자에게 보조력을 부여하는 방식으로 재활치료를 할 수 있다. 최근에는, 인간의 상지 근육 모델로 디지털 트윈 기술을 구현한 원격 재활 및 진단 시스템을 개발하고 있다.
▲ 상지재활로봇 모델
▲ 디지털 트윈 기술을 적용한 상지재활로봇 제어 알고리듬
횡격막 탈장 치료용 근육 패치 개발 및 근육세포 기반의 바이오액츄에이터 연구
선천성 횡격막 탈장질환을 가지고 태어나는 환자의 결손 부위를 치료 혹은 대체하기 위한 근육 패치 연구를 목표로 하고 있다. 결손된 횡격막을 대체할 경우, 호흡시 유연하게 움직일수 있는 탄력성과 환자의 성장시에도 강도유지가 가능한 근육 패치의 연구를 조직공학적 접근법을 통해, 근육 세포와 생체분해가 가능한 재료를 사용하여, 연구 중에 있으며, 원내 소아외과 의료진과의 협업을 통해 보다 임상적으로 접근이 가능하도록 연구를 진행중이다.
다른 한편으로는, 근육 세포 기반의 기초 연구를 진행중이며, 그중 바이오액츄에이터란 살아있는 바이오시스템과 유연한 재료가 결합하여 외부의 자극을 받았을 때 움직이는 구조물로, 본 연구실에서는 근육 세포를 기반으로 하여 이동이 가능한 마이크로 사이즈의 구조물을 생성하고 이를 기반으로 자극에 의해 움직임이 가능한 구조물의 연구를 수행중이다.
장애인 일상생활 보조 디바이스
안내견 및 지팡이에 의존해서 생활하는 시각장애인의 불편을 해소하고 시각장애인의 독립적 생활을 목표로 하는 전방시야 인지가 가능한 시각대체 햅틱 디바이스를 개발하고 있다. 시스템은 전방시야를 캡쳐하는 카메라 및 해당 이미지를 진동으로 변환하기 위한 각종 영상처리 파트 및 변환된 진동을 사용자의 피부에 전달하기 위한 햅틱 디바이스 파트로 크게 구분된다. 영상처리 파트는 image segmentation, edge masking 등을 이용한 hand tracking을 구현하고 이미지의 설명을 위한 음성안내 기능 및 선택적 포커싱 기능을 위한 음성인식 기능 등의 기술을 추가로 구현하기 위해 연구 중이며, 햅틱 디바이스 파트는 실험을 통한 설계 변경, 보완을 지속 진행 중이다.
▲ 영상처리 파트 시작품
▲ 리니어 액츄에이터 사용 시작품 구조도
의료기기 해석 및 시뮬레이션
다양한 과제에 연관된 의료기기 모듈 등의 시뮬레이션을 수행하고 있다. 카테터 작동 시 fpcb부분 좌굴로 인한 비선형 형상 해석, 시술기구 관련 힘 적용 시 비선형 형상 변형 해석 등을 수행하고 있으며, 연속 메커니즘의 와이어 거동으로 인한 메커니즘 형상 변형 예측 및 카테터 fpcb부분 좌굴 발생 시 눌림에 의한 변형 예측 등을 수행할 예정이다. 해당 시뮬레이션 결과들은 최적화 또는 수치해석 등의 수학적 해석 결과와 비교 분석한다.
▲ 카테타 fpcb 비선형 좌굴해석
▲ 전두동골절 수술기구 비선형해석
▲ 연속 메커니즘 비선형해석
단일통로 기반의 경구강 수술 로봇 시스템 요소기술 개발
구강으로 접근하여 편도, 혀뿌리 등 구강 내부의 질환을 수술적으로 치료하기 위한 단일통로 기반의 경구강 로봇 시스템을 본원 이비인후과, 기업, 연구소 등 다기관의 컨소시엄으로 구성하여 개발 중이며, 이 시스템 중 본 연구팀은 유연내시경 로봇과 마스터 햅틱 인터페이스를 담당하고 있다. 유연내시경 로봇은 이산적 연속체 메커니즘으로 제어용 와이어와 초탄성 와이어에 의해 지지되며 병변부 도달을 위한 유연한 동작과 도달 이후 수동형 수술기구를 지지하기 위한 강성 유지라는 트레이드 오프에 대해 적합한 볼-소켓 조인트형 세그먼트가 기본 단위로 구성된다. 마스터 햅틱 인터페이스는 유연 내시경 로봇의 다 자유도 동작을 지령하기 위한 사용자의 손동작을 센싱하고 필요한 경우 내시경 측에서 측정되는 정보로부터 햅틱 렌더링을 위한 구성을 가지고 있다. 통합 시스템에 대해 수 차례 동물실험을 수행하였으며 탐색 임상시험을 앞두고 있다. 이와 별도로 구강/비강을 대상으로 하는 경구강/경비 수술로봇 연구도 슬레이브 로봇, GUI 구성에 대해 수동으로 슬레이브 로봇의 위치를 조정하고 GUI를 이용하여 정밀 제어하는 형태로 수행중이다.
▲ 유연 내시경 로봇
▲ 마스터 햅틱 인터페이스
연속체 메커니즘 기반 굴곡형 로봇
인체의 해부학적 구조에 따라 형태를 변화시킬 수 있는 연속체 메커니즘을 새롭게 개발하고 있다. 그에 대한 한 사례로 다양한 의료응용 분야에서 요구하는 기능과 특성을 강화하기 위해 두 가지의 안정한 상태를 가지고 사용자의 입력에 의해 상 변화를 할 수 있는 쌍안정 메커니즘을 설계하고 제어하는 연구를 수행한다. 이 메커니즘에 대한 설계의 기본은 내부의 탄성 멤버가 변형될 때 에너지를 저장하고 이 에너지를 활용하여 한 상태에서 다른 상태로 전환할 수 있는 원리이다. 관련된 특성 및 기능과 장치 설계를 위한 방법론을 체계화하는 작업을 수행하고 있으며 이를 통해 몇 가지 설계 예를 도출하여 그 유용성에 대해 검증을 할 계획이다. 또한 이산적 연속체 메커니즘에서 와이어링하는 기법을 변화함에 따라 굴곡의 패턴을 다양화할 수 있는 연구도 수행 중이다.
▲ 쌍안정 메커니즘 설계
▲ 비대칭 메커니즘 시뮬레이션
수술 맞춤형 수술기구 설계
성형외과와 공동으로 전두동 골절, 안와 골절, 비골 골절 등 다양한 안면부 골절수술에 대해 전용으로 사용될 수 있는 수술기구를 설계하여 시작품을 제작하여 팬텀환경 등에서 적용가능성을 시험하고 있다. 이 외에도 골절 수술에서 요구되는 다른 미충족 수요를 해결할 방안들을 모색중이며 제작된 기구들의 임상적용을 위한 절차를 추진 중에 있다.
▲ 전두동 골절 수술기구
▲ 안와 골절 수술기구
▲ 비골 골절 수술기구
인체 모션 데이터 분석
재활의학과와 환자, 노약자 등을 위한 재활로봇 및 재활 기구에 대한 연구와 병행으로 인체의 모션을 측정하고 데이터를 분석하여 동작 특성을 기구학적으로 해석하는 연구를 수행하고 있다. 기존 평면 보행 기능만 보유한 보행재활 로봇 시스템의 개선을 위해 계단 보행 모드를 추가하고자 하여, 모션캡쳐 시스템으로 비장애인 대상으로 획득한 데이터를 로봇의 순환적 보행 궤적을 생성하였다. 아동의 발달상태를 조기예측하기 위하여 신생아의 모션을 관성센서로 측정하고 데이터를 기반으로 동작의 패턴을 파악하고 특이한 이벤트를 추출하는 연구도 수행 중이다.
▲ 계단보행 궤적
▲ 신생아 모션 분석
컴팩트 로보틱스 기반 애플리케이션
컴팩트 로봇은 의료분야에 사용될 수 있는 로봇 시스템에 대해 수술 또는 중재시술 시에 공간활용을 극대화하고 사용을 위한 설치 및 준비과정을 간소화하고 이동성을 높이기 위한 로봇 시스템의 설계측면에서의 소형화와 관련이 있다. 이러한 개념을 긴 이동플랫폼이 필요한 부정맥 시술용 로봇, RCM 구현을 위해 넓은 공간을 차지하는 내시경 홀더 등의 문제를 해결하기 위해 시술기구 또는 내시경과 같은 기기를 롤링시키는 방안 등을 이용하여 소형화를 구현하고 있다.
▲ 컴팩트 부정맥 시술 로봇
▲ 컴팩트 내시경 홀더
