새로운 의료기기 설계를 위한 3차원 수술 시뮬레이션
진료실 내 로봇 수술의 가상 검증
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.
하지만 현재 시술에 사용되는 내시경 기기의 기술에는 한계가 있습니다. “효과적입니다. 좋은 소식입니다.” WPI(Worcester Polytechnic Institute)의 로보틱스 공학부 교수 Loris Fichera는 말합니다. “나쁜 소식은 내시경 기기의 경우 빛의 방향을 조절하는 방식이 매우 제한적이기 때문에 후두의 특정 부분에는 도달하기가 어려울 수 있다는 점입니다.”
새로운 광섬유 설계와 내시경 구성으로 이 한계를 극복할 수 있을 것으로 보입니다. Fichera와 그의 동료들은 MATLAB®을 사용한 시뮬레이션을 통해 현재 사용되는 평면 팁 대신 각진 팁이 달린 광섬유가 사람 후두의 고해상도 3차원 모델에서 효과적으로 작동하는 것을 확인했습니다. 연구원들은 이 의료기기를 시뮬레이션하여 먼저 카데바로 테스트한 다음 병원에서 테스트해야 하는 실물 프로토타입을 만드는 데 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대합니다. 시뮬레이션은 향후 더 효과적인 광섬유 및 내시경 기기를 개발 과정에서 검증 기능을 제공할 수 있습니다.
a) 파란색 원뿔은 내시경 카메라의 시야를 나타내며, 종양을 볼 수 있습니다. 빨간색 파선은 레이저 섬유 가시선을 나타냅니다. b) 성대 아래의 종양은 전방을 향하는 레이저 섬유가 접근하기 어렵습니다. (이미지 출처: Carla Dipasquale Illustration, Loris Fichera의 허락 하에 게재)
“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
병원에서 실시되는 후두 수술에서는 카메라와 광섬유가 달린 가늘고 유연한 내시경을 목구멍으로 집어넣습니다. 현재의 광섬유는 끝단이 평평하며 전방의 표적 조직을 향해 빛을 방출하므로, 직접적인 가시선에 있지 않은 성대의 밑면 또는 가장자리에는 도달할 수 없습니다.
“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.”
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.
WPI 팀은 후두 표본의 microCT(마이크로컴퓨터 단층촬영) 스캔 영상을 모아 Image Processing Toolbox™로 처리하여 인체 후두의 3차원 해부학적 모델 7개를 구축했습니다.
CT 스캔은 각 픽셀이 한 위치의 조직 밀도를 나타내는 일련의 고해상도 회색조 2차원 영상입니다. 각 영상은 다음 영상의 조각으로부터 몇 마이크로미터 떨어진 거리에 있는 조직의 한 조각을 나타냅니다. “다양한 높이에서 사진을 촬영하는 것과 비슷합니다.” Fichera가 말합니다. “이러한 영상을 처리해서 3차원 형상을 복원합니다. 이 영상의 출력은 3D 프린팅에 일반적으로 사용되는 것과 같은 형식인 광조형, 즉 STL 파일입니다.”
90° 측면 조사 광섬유는 이전에는 도달할 수 없었던 후두 영역에 접근할 수 있습니다. (이미지 출처: Loris Fichera)
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
WPI 팀은 가상 후두 모델을 만든 다음 File Exchange의 오픈 소스 MATLAB 코드를 사용하여 일반적으로 사용되는 상용 내시경의 모델을 만들었습니다. 이 내시경에는 오른쪽 성대 위에 위치하는 카메라 팁과 왼쪽에 위치하는 레이저 광섬유 팁이 있습니다. 내시경은 3자유도로 움직입니다.
“Parallel Computing Toolbox에서 시뮬레이션을 실행하는 데는 약 7시간이 소요됩니다. 병렬 연산이 없다면 훨씬 더 오래, 아마도 며칠 정도 걸릴 것입니다.”
팀은 모션 계획 알고리즘을 사용하여 후두의 내시경 삽입과 모션을 시뮬레이션하기 위한 프로그램을 만들었습니다. 연구원들은 서로 다른 광섬유를 탑재한 가상 내시경을 7개 후두 모델에 배치했습니다. 이 프로그램은 기기가 도달할 수 있는 후두의 모든 위치를 나타내는 포인트 클라우드를 생성했습니다.
다음으로, 연구원들은 레이캐스팅(게임 개발자들이 3차원 가상 장면에서 조명을 시뮬레이션하기 위해 광범위하게 사용하는 연산 기법)을 사용하여 광섬유 팁에서 방출되는 레이저 빔을 모방했습니다. 이들은 레이-삼각형 교차 알고리즘을 사용하여 레이저 빔이 도달한 후두 조직을 감지했습니다. “기본적으로 우리는 모든 클라우드 포인트를 하나하나 살펴보면서, ‘좋아, 레이저 광섬유가 여기에 있고 이 위치에서 빛을 비추면 어느 조직에 도달할 수 있을까?’를 질문했습니다.”
광섬유의 자유도를 보여주는 내시경 모델. (이미지 출처: Loris Fichera)
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
이 연구는 측면 조사 광섬유가 로봇 후두 수술을 개선할 수 있다는 증거를 제공하는 것 외에, 오늘날 사용되는 내시경의 근본적인 한계도 밝혀냈습니다. 수술 시뮬레이션에서는 오른쪽 성대 가까운 곳의 포인트 클라우드에서 눈에 띄는 간극이 나타났습니다. “소프트웨어에 나온 결과는 후두에 접근이 매우 어려운 지점이 있다는 것입니다.” Fichera가 말합니다. “따라서 이 지점에 종양이 있는 환자인 경우 치료를 할 수 없습니다. 이는 전혀 납득할 수 없었기 때문에, 우리가 실수했을 것이라는 생각이 가장 먼저 들었습니다.”
“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.”
수술 시뮬레이션 결과 오른쪽 성대 근처의 포인트 클라우드에서 현재의 내시경으로는 접근할 수 없는 간극이 파악되었습니다. (이미지 출처: Loris Fichera)
놀랍게도 Fichera의 의사 동료들은 실제로 오른쪽 성대에 접근할 수 없는 상황을 경험하고 있다고 확인해 주었습니다. Fichera의 팀은 컴퓨터 프로그램으로 돌아와 이 간극의 원인이 한쪽에 카메라가 있고 다른 한쪽에 광섬유가 달린 내시경의 특이한 설계, 그리고 외과의가 내시경을 360° 완전히 회전하기 어렵기 때문이라는 것을 파악했습니다.
Fichera에 따르면, 현재 후두 수술에 사용되는 내시경은 후두 수술용으로 최적화된 것이 아니라 다른 용도의 설계를 기반으로 합니다. WPI 팀은 이 연구를 새로운 내시경 의료기기 개발을 위한 기반으로 활용할 계획입니다.
“새로운 광섬유만 개발하면 동일한 기기를 계속 사용할 수 있다는 생각으로 이 연구를 시작했습니다." Fichera는 말합니다. “하지만 궁극적으로 이러한 결과가 말해주는 것은 내시경의 설계에 대해서도 다시 생각해야 한다는 것입니다.”
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.”
