Preceyes - 모델 기반 설계를 사용한 세계 최초 안과 수술 로봇 개발 가속화 사례
“MATLAB 및 Simulink는 전체 워크플로와 저희 로봇 시스템에 필요한 전체 컴포넌트 및 프로토콜을 지원하는 단일 플랫폼이 되어 주었습니다. 이를 바탕으로 임상조사에 사용할 수 있는 안전한 실시간 장치를 빠르게 개발할 수 있었습니다.”
과제
인체의 안구 내에서 수행하는 로봇 보조 수술을 위한 실시간 제어 시스템 개발
솔루션
MATLAB 및 Simulink로 모델 기반 설계를 사용하여 제어 시스템 모델링 및 시뮬레이션, Simulink Coder 및 Simulink Real-Time을 사용하여 실시간 타겟으로 배포
결과
- 한 명의 엔지니어로 핵심 제어기 개발
- 환자 안전 보장
- 산업화로 가는 로드맵 수립
PRECEYES 수술 시스템. 이 시스템은 안구로 진입하는 기기를 조작하며, 왼쪽의 모션 제어기를 사용하여 제어됩니다. 외과의는 다른 손으로 수작업으로 조작합니다. 이미지 저작권 및 제공: Preceyes.
안구 내에서 수행되는 유리체절제술에는 사람의 손으로 유지하기에는 극히 어려운 수준의 정밀도와 안정성이 필요합니다. 인구 고령화와 밀접하게 관련된 유리체망막 질환의 큰 증가에 대처하기 위해 새로운 치료법을 개발해야 하며 이를 위해서는 더욱 높은 수준의 정밀도가 필요합니다. 예를 들어, 망막정맥폐쇄증에 대한 새로운 잠재적 치료법은 사람의 머리카락만큼 가는 정맥에 바늘을 삽입한 채로 약 10분 동안 유지해야 하는데, 가장 숙련된 의사라 해도 사실상 불가능한 일입니다.
영국 옥스포드에 소재한 John Radcliffe Hospital의 외과의들은 2016년 세계 최초로 로봇 보조 유리체절제술을 집도했습니다. 이 수술에서는 외과의의 움직임을 확장하고 손의 떨림을 필터링하여 전례 없는 안정성과 정밀도를 실현하는 로봇 어시스턴트인 PRECEYES 수술 시스템이 사용되었습니다.
최근 Preceyes는 Rotterdam Eye Hospital에서 임상시험을 시작했습니다. Preceyes는 새로 개발한 거리 센서를 로봇에 성공적으로 통합하고 로봇 센서 조합을 검증했습니다. 센서는 안구 내의 망막에서 기기까지의 거리를 측정합니다. 센서 기반의 안전과 안내 기능을 제공하는 이 접근법은 까다로운 망막 수술 중에 안전과 성능 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 또한 훈련과 평가를 위한 소중한 데이터 소스의 역할도 할 수 있습니다. Preceyes의 엔지니어들은 MATLAB®, Simulink® 및 Simulink Real-Time™으로 모델 기반 설계를 사용하여 로봇의 제어 시스템을 설계하고 구현했습니다.
“린 스타트업인 우리에게는 최종 제품을 설계하기 전에 임상 피드백을 얻고 증거를 구축하기 위해 안전에 대한 타협 없이 신속하게 첫 출시를 달성하는 것이 중요했습니다.” Preceyes의 공동 창립자 겸 통합 관리자 Maarten Beelen의 설명입니다. “Simulink와 Simulink Real-Time을 사용함으로써 신속하게 제어기를 설계하고 검증하며 실시간 시스템에 구현하고 사용자들과 함께 테스트할 수 있었습니다. 기존 소프트웨어 개발 워크플로였다면 훨씬 더 오랜 시간이 소요되었을 것입니다.”
과제
Preceyes는 수술 시스템과 관련하여 원대한 목표를 세웠습니다. 향상된 정밀도를 통해 새로운 수술이 가능할 뿐만 아니라 망막의 막 박리, 안액 치환술 같은 기존 수술도 개선할 수 있습니다. Preceyes 팀은 이러한 목표를 향해 나아가면서 두 가지에 우선 순위를 두었습니다. 하나는 환자의 안전 보장, 다른 하나는 최대한 효율적으로 작동하는 임상조사 기기 생산입니다.
개발 일정과 안전 제약 조건 내에서 설계 목표를 달성하기 위해 Preceyes 엔지니어들은 여러 산업 전반의 다른 안전 필수 응용 분야에서 사용되고 있는 모델링 및 시뮬레이션 기술을 활용해야 했습니다. 구체적으로, 복잡한 제어 논리를 모델링한 다음 먼저 시뮬레이션을 통해 설계에 대한 기능 검증을 수행한 후 실제 로봇에서 실시간 테스트를 통해 검증을 수행해야 했습니다. 팀은 실시간 제어 소프트웨어 외에 의사가 수술 전과 수술 도중에 설정을 구성하는 데 사용할 수 있는, PC에서 실행되는 인터페이스를 갖춘 비실시간 애플리케이션도 개발해야 했습니다.
솔루션
Preceyes는 MATLAB, Simulink 및 Simulink Real-Time을 사용함으로써 PRECEYES 수술 시스템을 위한 모델 기반 설계를 적용한 실시간 제어 시스템의 개발을 가속화했습니다.
Preceyes 엔지니어들은 로봇의 기구학 및 동역학 기본 모델을 구축하는 동안 시스템 식별 테스트를 수행하면서 Simulink Real-Time을 사용하여 로봇의 11개 전기 모터에 대한 가진 신호를 생산한 후 11자유도 각각에 대한 응답을 측정했습니다.
MATLAB에서 측정 데이터를 분석하고 피팅한 후 그 결과를 사용해서 적용된 힘에 반응하여 로봇이 어떻게 움직이는지를 설명하는 Simulink 플랜트 모델을 개발했습니다.
팀은 시스템의 조이스틱과 약 60개의 센서(광학 및 자기 인코더 포함)에서 오는 입력을 처리하고, 의사의 움직임에 반응하여 툴 팁을 움직이기 위해 필요한 모터 신호를 생성하는 제어기 모델을 개발했습니다. 팀은 이 모델 내에서 로봇의 EtherCAT 네트워크에 있는 노드와 연동하기 위해 Simulink Real-Time의 EtherCAT 블록을 통합했습니다.
그리고 Stateflow®를 사용하여 보정, 초기화, 자체 검증을 포함한 시스템의 다양한 작동 모드에 대한 순차 논리를 모델링했습니다.
엔지니어들은 시뮬레이션을 통해 제어기와 제어 논리의 기본적인 작동을 검증한 다음 Simulink Coder™를 사용하여 모델에서 코드를 생성하고, Simulink Real-Time을 실행하는 실시간 타겟 컴퓨터에 컴파일된 코드를 배포했습니다. 이 컴퓨터는 EtherCAT 네트워크를 통해 로봇의 센서와 모터에 연결되었습니다.
팀은 제어기를 미세 조정하고 강화하기 위해 모델을 개선하고 시뮬레이션을 통해 확인한 다음 실제 로봇에서 Simulink Real-Time 설정을 사용하여 테스트했습니다.
엔지니어들은 MATLAB UI 개발 툴인 GUIDE를 사용하여 의사가 수술 설정을 변경하고 수술 중 시각 및 음향 피드백을 받는 터치스크린 애플리케이션 소프트웨어를 개발했습니다.
PRECEYES 수술 시스템의 안전성과 효능은 14회의 수술을 통해 입증되었습니다. 추가적인 시연은 Rotterdam Eye Hospital과의 2개년 협업을 포함하여 최고 수준의 수술 현장에서 예정되어 있습니다. Preceyes는 CE 등록을 위해 노력하고 있으며 대량 생산을 위한 차세대 제품도 개발 중입니다.
Rotterdam Eye Hospital의 수술 전 PRECEYES 수술 시스템. 이미지 저작권 및 제공: Preceyes.
결과
- 한 명의 엔지니어로 핵심 제어기 개발. “MATLAB 및 Simulink 덕분에 저는 컨트롤러의 하위수준 아키텍처를 직접 프로그래밍할 필요가 없었습니다. 첫 번째 릴리스를 개발한 유일한 소프트웨어 엔지니어인 저에게 이 기능은 큰 이점이 되었습니다. 사실, 다른 방법을 사용했다면 한 명의 엔지니어로 이 작업을 수행할 수 없었을 것입니다.” Beelen의 말입니다. “이 소프트웨어는 컨설턴트들의 광범위한 검토를 거쳤는데, Simulink 제품의 가독성, 요구사항 추적성, 리포트 생성 기능 덕분에 이 과정은 매우 쉬웠습니다.”
- 환자 안전 보장. “저는 항상 나 자신이나 가족에게 안심하고 사용할 만큼의 확신이 없으면 시장에 기기를 출시하지 않겠다는 말을 했습니다.” Beelen의 말입니다. “Simulink에서 구현한 안전 메커니즘을 통해 소프트웨어에 문제가 없을 것임을 100% 확신할 수 있었습니다.”
- 산업화로 가는 로드맵 수립. “시스템의 산업용 릴리스 개발과 관련하여 우리는 Embedded Coder를 사용하여 임베디드 프로세서를 타겟팅해 기존 제어기 모델에서 코드를 생성함으로써 시간을 절약할 것 입니다.” Beelen의 말입니다. “더 공식적인 개발 및 테스트 워크플로에 따르면서 수정 제어를 개선하고 더 큰 규모의 개발 팀을 통해 Simulink의 모델 기반 테스트, 검증 및 확인 기능을 사용할 것입니다.”
