새로운 의료기기 설계를 위한 3차원 수술 시뮬레이션

손에 굳은살이 생기듯이 목소리도 과도하게 사용하면 성대에 단단한 비암성 종양이 발생할 수 있습니다. 목소리에 의존하는 배우와 가수에게는 이러한 결절을 즉각 제거하여 성대의 기능을 보존하는 것이 매우 중요합니다. 양성 결절과 일부 희귀 암성 종양을 제거하는 기존의 방법은 병원 수술실에서 수술을 하는 것이었습니다.

최근 몇 년 사이에는 진료실에서 레이저를 사용하여 이러한 병변을 제거하는 방법이 인기를 얻고 있습니다. 이 시술에서는 성대 종양을 레이저 펄스로 타격하여 종양을 파괴하거나 축소합니다. 이는 전신 마취가 불필요한 간단한 외래 수술이 될 수 있습니다.

“이러한 기기는 제조하는 데 많은 비용과 시간이 소요됩니다.” Fichera가 말합니다. “MATLAB에서 시뮬레이션을 사용함으로써 수십 가지의 다양한 설계를 실제로 만들지 않고도 신속하게 평가할 수 있습니다. 어떤 구성이 유망한지, 어떤 구성을 프로토타입으로 만들어야 할지를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 프로토타이핑 시간을 단축하여 비용 효율성을 대폭 높일 수 있습니다. 설계의 복잡성에 따라 이제 3주~2개월 정도면 설계와 프로토타이핑의 각 사이클을 완료할 수 있습니다.”

가상 후두

최근 연구 결과, 다양한 각도로 빛을 조사하는 테이퍼드형 광섬유 팁을 사용하면 의사가 후두의 도달하기 어려운 공간을 치료할 수 있는 것으로 나타났습니다. Fichera는 Harvard Medical School 및 보스턴의 Brigham and Women’s Hospital과 협력하여 이러한 각진 광섬유의 효과를 평가했습니다. 이들은 시뮬레이션 기반의 연구를 통해 기존 전방 지향 광섬유와 각각 45°, 70°, 90° 각도로 빛을 방출하는 측면 조사 광섬유 3개의 다양한 유형의 광섬유를 비교했습니다.

상용 방사선 소프트웨어는 의료 영상에서 3차원 형상을 복원할 수 있습니다. 하지만 이 소프트웨어는 다루기 어렵고, Fichera와 그의 동료들에게 필요한 STL 형식으로 데이터를 내보낼 수 없는 경우가 많습니다. 팀은 CT 스캔을 3차원 후두 렌더링으로 변환하는 코드를 일주일 동안 작성했습니다.

“Medical Imaging Toolbox를 통해 몇 번의 클릭만으로 전체 데이터셋을 불러오고 3차원 렌더링을 만들 수 있습니다. 이 기능과 데이터를 내보낼 수 있는 기능이 있다는 것이 중요합니다. 즉, 각각의 새로운 설계에서 처음부터 시작할 필요가 없습니다. 표준이며 효과적임을 이미 알고 있는 것을 활용할 수 있습니다. 덕분에 각각의 새 설계에서 몇 주의 시간을 절약할 수 있습니다.”라고 Fichera는 말합니다.

수술 로봇에 대한 교육과정에서 Fichera의 대학원학생들도 Medical Imaging Toolbox™를 사용합니다. 과거에 학생들은 방사선 소프트웨어를 사용하여 3차원 복원을 연습했습니다. “학생들이 더 이상 방사선 소프트웨어를 사용할 필요가 없습니다.” Fichera가 말합니다. “학생들에게 이를 위해 MATLAB을 사용하라고 권유합니다.”

수술 시뮬레이션

레이캐스팅은 계산량이 많으므로 연구원들은 속도를 높이기 위해 Parallel Computing Toolbox™를 사용했습니다. “수천 개의 시점을 거치면서 광선을 하나씩 투영하는 대신, 최대한 많은 지점에서 동시에 병렬로 레이캐스팅을 실행한 다음 모든 결과를 집계했습니다. Parallel Computing Toolbox에서 시뮬레이션을 실행하는 데는 약 7시간이 소요됩니다. 병렬 연산이 없다면 훨씬 더 오래, 아마도 며칠 정도 걸릴 것입니다.”

연구원들은 45°, 70°, 90° 각진 광섬유가 접근 및 치료 가능한 총 후두 조직을 각각 50%, 74%, 84% 늘려준다는 사실을 발견했습니다. 

차세대 내시경 설계

Fichera와 그의 동료들은 데이터를 사용하여 보조금을 신청하고 그 자금을 사용하여 완전히 새로운 기기를 개발할 계획입니다. “현재 사용되는 내시경을 우리 버전의 기기로 대체하자는 아이디어를 갖고 있습니다. 어떤 설계를 구상하든, 실제 기기를 만들거나 손대기 전에 먼저 MATLAB에서 시뮬레이션을 수행하고 예상한 기능을 수행하는지 확인한 다음 프로토타이핑으로 진행할 수 있습니다.”