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위내시경은 상부 위장관의 내부를 비침습적 방식으로 실시간으로 관찰하는 주요 진단 및 치료 도구로서 의료 분야에서 그 중요성과 효과성이 널리 인정받아 왔다. 기존 기계식 연성 위내시경은 유연한 삽입관의 끝부분에 카메라와 조명장치를 장착하여식도, 위, 및 십이지장과 같은 위장관의 내부 구조를 선명하게 시각화하는 방식으로 작동한다. 이러한 방식은 수십 년 동안 의료 진단 및 치료의 표준 절차로 활용되어 왔으나 여전히 장치 자체에는 고질적인 문제가 존재한다.

기존의 기계식 내시경 장비는 무거운 무게와 복잡한 제어 방식으로 인해 의료진에게 근골격계 질환을 유발하며, 조작 방식 또한 직관적이지 않아 사용자가 숙달되기까지는 상당한 훈련 시간과경험이 요구된다^1-3. 이러한 전통적인 내시경의 문제들은 의료진이 내부 부피가 큰 위장관의 전체 영역을 철저히 검사하는 데 어려움을 줄 수 있으며 사용자의 숙련도나 경험에 따라 검사의 품질이나 결과에 일관성이 없을 수 있다는 한계점을 가지고 있다⁴.

의료기술 분야는 끊임없이 발전하고 있으며 로봇 공학의 발전과 함께 로봇을 활용한 의료 기술 또한 주목받게 되었다. 수술 로봇부터 재활 로봇까지 지난 수십 년 동안 의료 기술과 로봇 기술을 융합하려는 다양한 시도가 있었으며 이를 통해 로봇이 의료절차에 정밀도를 향상시키고 인간의 실수를 줄이며 치료의 효과를 개선한다는 다양한 연구가 진행되어 왔고, 로봇 기반 연성 내시경 기술 또한 기존 내시경의 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되었다^5-9.

로봇 기반 연성 내시경은 의료진의 작업 부담을 감소시키며 사용자 친화적인 방식으로 더욱 정밀하고 안정적인 검사를 가능하게 하는 다양한 장점을 제공하며 이로 인해 의료진 간의 기술적 편차를 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다¹⁰. 현재 시장에 출시된 로봇 기반 연성 내시경에는 Intuitive Surgical, Inc.의 기관지경 Ion Endoluminal System, ROEN Surgical의 신장결석 수술로봇인 Zamenix™ R100이 있으며, 소화기 내시경 분야에서는 Synthetics Medical의 일회용 식도경 E.G. Scan™ II system, GI-View의 일회용 대장 내시경 AER-O-Scope, ERA Endoscopy Srl.의 일회용 대장 내시경 Endotics System이 있다. 이처럼 다양한 연구와 개발의 결과로 로봇 기반 연성 내시경이 상용화의 단계에 이르렀음에도 불구하고 소화기 분과에서는주로 일회용 내시경만 개발되었다. 그러나 일회용 내시경은 일회용 제품의 특성상 화질, 제어 등 품질이 제한적이다. 특히 진단분야에서 암의 조기 진단은 환자의 생명과 직결되기 때문에 고품질의 내시경 장비의 필요성이 대두되고 있다¹¹.

따라서 우리는 전동화 기반 고성능 연성 위내시경을 개발하고자 한다. 이를 달성하기 위해 모터 제어 기술, 광학 기술, 신호처리 및 영상처리 기술 등 다양한 기술들이 요구된다. 본 연구의 목적은 전동화 기반 위내시경 선단부의 제어 검증을 통하여 내시경의 안정성과 정확성을 극대화한 고성능 전동화 기반 연성 위내시경 시스템을 제작할 수 있는 길을 제공하는 것이다.

Hardware 시스템 구성

본 연구에서는 고정밀 모터를 활용하여 내시경 선단부의 정밀한 움직임을 제어하는 시스템을 구축하였다(Fig. 1). 정밀한 위치 제어를 위해 위치 인코더가 내장된 고정밀 모터(Maxon International Ltd., Sachseln, Switzerland)를 채택하여 선단부의 정밀한 움직임을 가능하게 하였다. 모터는 디지털 위치 제어기(Maxon International Ltd.)에 연결되어 있으며 이러한 제어기는 PC와 USB to CAN 인터페이스(Kvaser, Kowloon, Hong Kong)를 통해 CAN 통신 프로토콜로 통신한다. 또한 선단부의움직임을 더욱 정밀하게 측정하기 위해 전자기장 생성기(Northern Digital Inc., Ontario, Canada)와 함께 고정밀 초소형 6축(x, y, z, roll, pitch, yaw) 센서(Northern Digital Inc.)를 사용하여 선단부의 굴곡 각도를 측정하였다. 전자기장 생성기와 6축 센서는 센서 제어 유닛(Northern Digital Inc.)에 연결되었고 센서 제어 유닛은 PC와 연결되어 센서 값을 전달한다. 선단부의 끝부분만 움직일 수 있게 시작 부분은 움직이지 않도록 고정했으며 6축 센서는 내시경 스코프의 선단부 끝부분에 정확하게 위치시키고 고정하였다.

Figure 1. Hardware system schematics. DOF: degree-of-freedom.

Software 시스템 구성 및 알고리즘

본 연구에서는 선단부의 움직임 제어를 위한 제어 알고리즘은 Maxon International Ltd.에서 제공되는 EPOS Linux 라이브러리를 응용하여 Linux 기반 운영체제 환경(Canonical Ltd., London, UK) 내에서 C++ 프로그래밍 언어를 사용하여 개발하였으며, 모터 드라이버의 속도 및 가속도 프로파일 값을 조정하여 움직임의 안정성과 반응성을 최적화하였다.

데이터 출력은 처리 시간과 함께 6축 센서를 통해 산출된 선단부의 각도의 값을 쿼터니언 형식으로 제공한다. 모터의 위치 인코더 값은 선단부의 실제 각도를 직접적으로 나타내는 것이 아닌 모터 축의 위치 값을 표현한 값이므로, 해당 값은 6축 센서를 통해 표시되는 선단부의 굴곡 각도 값의 차이에 대해 3차 함수로 맵핑을 진행하여 모터 인코더 값으로부터 계산된 선단부의 각도 값으로 표시하도록 하였다. 모든 데이터는 2 ms의 간격으로 실시간으로 업데이트되어 터미널에 출력되며 후속 분석을 위해 해당 데이터는 로그 파일로 저장될 수 있도록 설계하였다.

검증 및 분석

이 연구에서는 모터 기반 연성 위내시경 시스템의 선단부의 각도 제어에 대한 검증을 위해 선단부의 각도 제어 속도에 따라 출력되는 고성능 6축 센서의 굴곡 각도 값과 모터 인코더로부터 계산된 선단부의 각도 값을 비교하는 실험을 진행하였다. 실험은총 6개의 속도로 나누어 진행했다.

각 모터 속도에 의해 센서를 통해 얻어진 선단부의 각도 값과 모터 인코더로부터 산출된 각도 값으로부터 전체 데이터에 대해 통신 시간 오차 0.6초를 고려한 각도 값의 평균 오차 및 평균 절대오차를 기록하였다.

본 연구에서는 선단부 굴곡 각도의 정확성을 측정하기 위해 6개의 제어 속도에 대한 실험을 수행하였다. 각 제어 속도에 대해 고정밀 6축 센서로부터 측정된 선단부의 굴곡 각도와 모터 인코더로부터 산출된 선단부의 굴곡 각도 값이 높은 일치율을 보였으며(Fig. 2), 각 속도별 실험을 통해 저장된 전체 각도 값들의 전체 평균 오차 –1.11° 및 평균 절대오차 1.55°의 결과를 Table 1과 같이 정리하였다.

Table 1 . Comparison of mean average error angle between 6 degree of freedom sensor and calculated distal-tip angle from motor encoder.

RPM	Mean error (°)	Mean absolute error (°)
–17	1.3	1.3
–15	–0.01	0.01
–13	–1.97	1.97
–10	–3.12	3.12
–7	–1.73	1.73
–5	–1.14	1.14
Average	–1.11	1.55

RPM: rotation per minute..

Figure 2. The angle of the bending section obtained from the high-precision sensor and estimated bending angle from the motor encoder according to motor speed. RPM: rotation per minute.

본 연구에서는 내시경의 선단부를 모터로 제어하여 전동화 기반 연성 위내시경의 선단부 제어의 가능성에 대해 검토하였다. Table 1의 각속도 제어에 대한 굴곡 각도의 평균 절대오차 값은 본 실험이 전동화 기반 연성 위내시경의 정밀한 선단부 제어의가능성을 충분히 증명한 것으로 사료된다. 이는 단일 모터만을활용하여도 연결부, 조작부, 삽입부를 지나 선단부의 제어가 가능하다는 점을 보여주었다. 이러한 가능성은 실제 의료 현장에서도 해당 기술의 안전성과 신뢰성을 바탕으로 진단의 효율과 정확도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 시사한다. 따라서 이러한 연구 결과를 참고하여 의료 전문가들은 모터 기반 연성 위내시경을 더욱 안심하고 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

향후 탈 부착이 가능한 스코프와 광원 장치 간 동력 전달 시스템을 구현하는 것에 초점을 맞추고 제어 알고리즘을 최적화하여 상/하 움직임에 이어 좌/우 각도의 제어 기능을 추가 및 실제 진단에 활용되는 각도까지 확장하여 실제 내시경과 같은 조건으로 실험 및 검증을 진행할 예정이다.

이 연구를 통해 얻은 결과는 모터 기반 연성 위내시경의 선단부 각도 제어의 정확성과 효율성에 대한 중요한 통찰을 얻을 수 있었다. 모터 기반 내시경은 사용자의 조작에 편의를 제공하여내시경의 조작을 보다 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 예상되며 이로 인해 전통적인 내시경과 비교하여 의료진의 숙련도에 따른 검사 결과의 편차가 감소할 것으로 기대된다. 본 모터 기반 위내시경 시스템은 아직 초기 개발 단계에 있으나 지속적인 연구와 발전을 통해 내시경 검사의 정확성, 안전성, 그리고 환자의 편의성을 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

None.

The authors thank Senior Researcher Geono Kim of MedInTech Inc. for his assistance in the experiment.