Research
가이드와이어 부착형 마이크로로봇으로 심혈관 질환 정복한다
가이드와이어 부착형 마이크로로봇으로 심혈관 질환 정복한다
- DGIST 최홍수 교수팀, 복잡한 혈관 내에서 원하는 방향으로 조향 및 이동 가능한 가이드와이어 부착형 마이크로로봇 개발해
- 심혈관 질환 시술 시간 단축하고, 정확도 높여 심장질환 치료 성공률 높이는데 기여할 것으로 기대 모아
▲가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 개발한 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수(가운데)와 전성웅 박사과정 학생(왼쪽), 김강호 석사과정 학생(오른쪽)
DGIST 연구팀이 복잡한 혈관 내에서 원하는 방향으로 조향(操向)과 이동이 가능해 만성완전폐쇄병변(CTO)1)과 같은 심혈관 질환이 발생한 부위까지 정확하게 도달할 수 있는 마이크로로봇 개발에 성공했다. 이번 연구를 통해 심혈관 질환 시술 시간을 단축시키고 성공률을 높일 것으로 기대된다.
DGIST(총장직무대행 배영찬)는 로봇공학전공 최홍수 교수팀이 한양대 이병주 교수팀, 스위스취리히연방공대(ETH) 브래들리 넬슨(Bradley J. Nelson) 교수팀과의 공동연구를 통해 심근경색 가운데 만성완전폐쇄병변의 치료 성공률을 향상시킬 수 있는 ‘가이드와이어 부착형 마이크로로봇’을 개발했다고 27일(수) 밝혔다.
지금까지 막힌 혈관을 뚫어주는 관상동맥 중재술2)에 사용되던 가이드와이어는 시술자가 수동으로 방향과 위치를 제어하기 때문에 시술의 성공률과 속도는 시술자의 숙련도에 의존해왔다. 시술자가 복잡한 혈관이나 분지관(分枝管)에서 끝단이 구부러진 가이드와이어를 수동으로 방향을 잡아 밀어주다보니 정확한 방향과 위치 제어가 어렵다는 점이 한계로 지적돼왔다.
최홍수 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 유연하면서도 생체에 적합한 폴리머와 외부 자기장으로 방향과 위치를 제어할 수 있는 네오디듐 자석을 이용해 지름 500마이크로미터(㎛, 100만 분의 1m), 길이 4밀리미터(mm) 크기의 원통형의 마이크로로봇을 만들어 가이드와이어 끝부분에 부착했다. 외부 자기장 시스템으로 마이크로로봇을 제어해 원하는 방향으로 가이드와이어 조종이 가능하고, 마스터-슬레이브 시스템(Master-Slave System)3)을 통해 직선운동이 가능한 가이드와이어 부착형 소프트 마이크로로봇으로 개발했다.
연구팀은 마이크로로봇의 비선형적으로 변형되는 유연한 움직임을 구현하기 위해 마이크로로봇의 움직임을 수학적으로 계산해 예측하고 그 결과를 제어하는 피드포워드(Feedforward) 방식으로 복잡한 혈관을 통과하는 실험에 성공했다. 또한, 심장의 관상동맥을 모사한 3차원 혈관 모형에서 원하는 부위에 도달하는 실험도 성공했으며 세포 생존 실험을 통한 마이크로로봇의 생체적합성도 확인했다.
연구팀이 개발한 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 자기장에 의한 정밀한 제어와 마스터-슬레이브 시스템을 통한 직선운동이 가능해 복잡한 혈관 속 원하는 부위에 빠르게 도달할 수 있어 기존의 관상동맥 중재술의 한계를 극복하고 시술의 성공률과 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존 방법에 비해 신속하게 질병 부위에 도달할 수 있어 환자와 시술자의 엑스레이에 의한 방사선 피폭량을 줄이고, 환자의 혈관 손상도 줄일 수 있다.
DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 이용하면 시술자의 경험에 의존하던 기존 방법과 비교해 질병의 원인인 부분을 정확하고 빠르게 찾아 안정적으로 시술할 수 있어 심장 질환 시술 시간을 단축시키고 성공률을 높일 수 있다”며 “앞으로 연구팀은 관련 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용할 수 있는 제품 개발에 노력하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 로봇연구 분야 최고 국제학술지 ‘소프트 로보틱스(Soft Robotics)’ 13일자 표지논문으로 게재됐으며 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐다.
1) 만성완전폐쇄병변(CTO, Chronic Total Occlusion) : 혈전 등에 의해 혈관이 3개월 이상 막혀있는 증상으로 서서히 발생함. 심장에서 발생하는 경우 심근경색 등 심혈관 질환의 원인 가운데 하나.
2) 관상동맥 중재술 : 막힌 혈관을 뚫는 시술로 팔이나 다리의 혈관을 통해 가이드와이어를 삽입한 후 이를 따라 카테터를 투입해 혈관을 확장하거나 병변을 제거하는 시술. 시술자의 숙련도에 따라 시술 성공 편차가 크며, 시술 중 조영제를 투입해 엑스레이를 참고하며 시술하기 때문에 방사선 피폭량이 증가할 수 있음.
3) 마스터-슬레이브 시스템(Master-Slave System) : 시술 주체가 이용하는 주(主) 제어 장치(핸들)를 마스터라고 부르고, 원격으로 마스터의 움직임이나 지시에 따라 종속적으로 움직이는 장치(바퀴)를 슬레이브라고 일컬음.
◆연구결과개요◆
A Magnetically Controlled Soft Microrobot Steering a Guidewire in a Three-Dimensional Phantom Vascular Network
Sungwoong Jeon, Ali Kafash Hoshiar, Kangho Kim, Seungmin Lee, Eunhee Kim, Sunkey Lee, Jin‐young Kim, Bradley J. Nelson, Hyo-Jeong Cha, Byung-Ju Yi, Hongsoo Choi
(Soft Robotics, Vol. 6, Issue 1, Feb 13th 2019)
유연하고 생체적합한 물질과 높은 자화율(磁化率)을 가지는 네오디늄 자석으로 제작한 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 외부 자기장 토크에 의해 변형돼 원하는 방향으로 조향이 가능하고, 마스터-슬레이브 시스템을 이용해 직선운동이 가능하다. 이미 상용화된 가이드와이어에 부착해 복잡한 혈관 내 조향이 가능하므로 정확하고 빠르게 혈관 내 병변에 도달해 관상동맥 중재술의 성공률을 높일 수 있다.
이러한 가이드와이어 부착형 소프트 마이크로로봇은 유연하고 생체적합한 폴리머와 2개의 네오디늄 자석, 가이드와이어와의 연결부인 마이크로스프링으로 구성돼있다. 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 8개의 전자기 코일(Electromagnetic coil)로 이루어져 있으며 5 자유도 자기장 제어가 가능한 자기장 제어 시스템을 이용해 방향을 제어하며 마스터-슬레이브 시스템으로 직선으로 움직여 원하는 곳까지 도달하게 된다.
자기장의 세기와 방향에 따라 비선형으로 변형되는 마이크로로봇의 움직임을 유한요소해석 소프트웨어를 이용해 예측했으며 실험 결과와 비교·분석을 통해 시뮬레이션 결과를 검증했다. 시뮬레이션에서 예측한 결과를 이용해 마이크로로봇의 움직임을 피드포워드 제어(Feedforward control)해 복잡한 혈관을 통과한다. 앞선 결과를 바탕으로 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 이용해 3차원 관상동맥 모형에서 원하는 부위까지 도달하는 실험을 진행해 성공했다..
이번 연구를 통해 기존 시술자가 수동으로 제어하는 가이드와이어에 비해 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 빠르고 정확하게 혈관 내 원하는 위치에 도달할 수 있어 기존의 관상동맥 중재술의 성공률을 높이고 시술자와 환자의 방사선 피폭량을 감소시킬 수 있을 것으로 예상한다.
◆연구결과문답◆
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
혈관 시술에 사용되고 있는 가이드와이어의 경우 시술자가 손으로 방향과 위치를 제어했기 때문에 시술 시간과 성공률이 시술자의 숙련도에 의존해왔다. 기존의 가이드와이어는 끝단이 구부러져 있어 시술자가 혈관의 분지관에서 가이드와이어를 돌려가며 각 혈관을 향해 조향했으며, 가이드와이어 이동을 위해 수동으로 가이드와이어를 밀어줬다. 이에 따라 복잡하고 다양한 각도를 가진 혈관에서 한 방향으로만 변형돼 있는 기존의 가이드와이어를 사용할 경우 원하는 혈관 방향으로 조향하기 어렵고, 가이드와이어를 수동으로 조작하기 때문에 정확한 위치 제어에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 PDMS 레플리카 몰딩 프로세스로 지름 500 마이크로미터의 마이크로로봇을 제작했으며, 로봇을 생체적합하며 유연한 재료 및 자기장에 반응하는 자성체로 제작해 복잡한 혈관 속 원하는 위치까지 도달할 수 있으며 임상에도 사용할 수 있을 것으로 예상한다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
연구팀이 개발한 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 빠르고 정밀한 관상동맥 중재술을 위해 개발됐다. 기존의 가이드와이어를 이용한 관상동맥 중재술은 가이드와이어 조향 및 이동을 시술자 경험에 의존하기 때문에 오랜 시간이 소요될 수 있어 시술자 및 환자의 방사선 피폭량이 증가할 수 있다. 가이드와이어 부착형 마이크로로봇은 외부 자기장으로 방향이 제어돼 원하는 혈관으로 조향되고 마스터 슬레이브 시스템으로 직선운동해 빠르고 정확하게 원하는 위치에 도달할 수 있다. 관상동맥 중재술뿐만 아니라 다양한 혈관치료 분야에 응용할 수 있다.
Q. 실용화까지 필요한 시간은?
앞으로 관상동맥 중재술에 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 활용할 예정이다. 다양한 혈관 중재술 응용 가능성을 추가로 확인해 가이드와이어 부착형 마이크로로봇의 실용화 방안을 고민할 것이다. 현재 동물실험을 진행 중이며 추후 임상시험까지 성공적으로 수행하면 실용화할 수 있을 것으로 기대한다.
Q. 실용화를 위한 과제는?
이번 연구에서 사용한 가이드와이어는 실제 병원에서 사용되는 것으로, 제작된 로봇을 기존 가이드와이어에 부착할 수 있고, 기술적으로는 상용화가 가능한 수준이다. 상용화를 위해 제작 수율을 높이기 위한 연구가 필요하다. 또한, 환자 몸속과 같이 로봇에게는 복잡하고 열악한 환경에서 제어 가능성을 확인하기 위해 동물실험을 진행하고 있다. 만성완전폐쇄병변이 있는 동물 모델에 이번에 개발한 로봇을 이용해 빠르고 정밀한 트랙킹 실험에 성공하면, 다음 단계로 임상실험을 진행할 계획이다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
심근경색 중 만성완전폐쇄병변은 혈관이 혈전으로 막혀있는 경우로 가이드와이어 시술을 통해 재개통할 수 있지만, 시술 기법과 장치의 한계로 시술 성공률을 높이는데 한계가 있다. 관상동맥 내에서 자유롭게 움직일 수 있도록 고안된 가이드와이어 부착형 소프트 마이크로로봇의 경우 복잡한 혈관 네트워크나 석회화된 혈전을 자기장 제어로 접근 및 개통이 가능할 것으로 예상했다. 기존의 관상동맥 중재술의 한계를 극복해 안전하고 정밀한 시술로 시술 시간 단축 및 방사선 피폭량 감소를 위해 생체적합하고 유연한 재료 및 자성체를 사용해 소프트 마이크로로봇을 제작했다. 유한요소해석 시뮬레이션 결과를 통해 자기장 토크에 의한 마이크로로봇 변형을 예측하고, 실험 결과와 비교를 통해 이를 검증했다. 또한, 피드포워드 제어를 통해 혈관 모형에서 원하는 위치에 빠르고 정확하게 도달할 수 있음을 증명했다. 다양한 기능성 실험과 의공학적 적용을 위해 생체적합성 실험 등을 수행했다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
연구팀이 개발하고자 하는 심근경색 중 만성완전폐쇄병변 시술을 위한 가이드와이어 기반 소프트 마이크로로봇 제작, 제어, 응용 기술은 ICT, BT, NT, RT 등 첨단기술 복합체로 원천기술 획득이 가능하며, 고령화 사회를 대비해 인류 복지에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 추가 연구를 수행해 창의적이고 혁신적인 마이크로의료로봇 시술을 통해 기존 기술의 한계를 극복해 시술 시간을 단축하고 시술 정밀도를 높여 시술자와 환자의 방사선 피폭량을 줄이고 시술 성공률을 높일 것으로 기대한다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
기존 가이드와이어 시술의 한계를 극복해 자기장 제어를 통해 시술자가 원하는 방향과 위치로 빠르게 가이드와이어를 도달시켜 혈전에 의해 막혀있는 혈관을 빠르고 정확하게 재개통할 수 있기를 바란다. 연구팀의 연구 결과가 의료 현장에서 실제로 활용돼 시술 성공률을 높이고, 시술 시간 단축을 통해 환자와 시술자의 방사선 피폭량을 감소시켜 인류 복지에 이바지 할 수 있기를 바란다. 현재 수행 중인 산업통상자원부 연구 과제 후속으로 보건복지부 과제를 신청하려고 준비 중인데, 꼭 선정되어 계속 연구를 수행할 수 있기를 바란다.
◆그림설명◆
[그림 1] 가이드와이어 부착 마이크로봇의 개념도
[그림 2] 가이드와이어 부착형 마이크로로봇의 제작 공정과 움직임 개념도. 실제 제작된 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 현미경으로 관찰한 모습
[그림 3] 심혈관 질환 시술에 활용할 수 있는 가이드와이어 부착형 마이크로로봇의 전체 시스템(좌)과 가이드와이어 부착형 마이크로로봇의 직선운동 제어를 위한 마스터-슬레이브 시스템(우)
[그림 4] 자기장 제어 시스템을 통해 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 제어하는 모습. 자기장 방향에 따라 각도를 다양하게 조절하며 혈관 속 원하는 부위로 조향 및 이동이 가능함
