[의료 혁신 리포트] 로봇 보조 최소 침습 수술(MIS)을 위한 3축 힘 측정 모듈형 복강경 그라스퍼 설계 및 전망

- 2월 28, 2026

초록 (Abstract)

본 연구는 로봇 보조 최소 침습 수술(Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery, RAMIS)의 핵심 한계점인 햅틱 피드백(Haptic Feedback) 부재를 해결하기 위한 혁신적인 솔루션을 제시한다.

기존의 원격 수술 시스템은 시각적 정보에만 의존하여 조직의 건전성 진단 및 정밀 조작에 어려움이 있었다.

본 컬럼에서는 수직 파지력(Normal Force)뿐만 아니라 수평 및 수직 조작력(Manipulation Forces)을 동시에 측정할 수 있는 컴팩트한 3방향(Tridirectional) 힘 측정 복강경 그라스퍼의 설계와 그 효용성을 분석한다.

특히 모듈형 설계를 통해 파지, 절단, 박리 등 다양한 수술 모드로의 전환이 용이함을 입증하며, 차세대 스마트 의료기기의 표준 모델을 제안한다.

1. 서론: 최소 침습 수술(MIS)과 로봇 의료의 진화

최소 침습 수술(MIS)은 전통적인 개복 수술에 비해 환자의 통증 감소, 회복 속도 향상, 흉터 최소화 등의 압도적인 장점을 제공하며 현대 의학의 주류로 자리 잡았다.

최근 10년 동안 인공지능(AI)과 결합된 로봇 보조 MIS는 정밀도와 제어력을 획기적으로 높였다.

하지만 이러한 기술적 진보 속에서도 '힘의 전달', 즉 햅틱 피드백의 결여는 여전히 해결해야 할 숙제다.

숙련된 외과의는 손끝의 감각으로 조직의 탄성(Elasticity)을 파악해 암 조직 여부를 판단하거나 봉합사 조임 강도를 조절하지만, 현재의 로봇 시스템에서는 이러한 촉각 정보가 소실된다.

2. 기술적 과제: 왜 3방향 힘 측정인가?

단순한 파지력(Grasping Force) 측정만으로는 충분하지 않다. 실제 수술 현장에서 외과 의사는 조직을 당기거나(Tensioning), 측면으로 밀어내는(Lateral manipulation) 등 복합적인 힘을 사용한다.

· 수직 파지력(Normal Force): 조직을 잡는 세기를 조절하여 손상을 방지.

· 수평/수직 조작력(Manipulation Forces): 조직을 박리하거나 견인할 때 발생하는 전단력을 감지.

본 모델은 이러한 3축 데이터를 실시간으로 수집하여 외과 의에게 전달함으로써 수술의 안전성을 극대화한다.

3. 시스템 설계 및 모듈형 메커니즘

본 연구에서 제시하는 그라스퍼의 핵심은 컴팩트함(Compactness)과 모듈성(Modularity)이다.

3.1 모듈형 인터페이스

수술 중에는 기구 교체가 빈번하게 일어난다. 본 설계는 구동부와 엔드 이펙터(End-effector)를 분리하여 신속한 전환이 가능하도록 설계되었다.

· Grasping Mode: 정밀한 조직 파지.

· Cutting/Dissecting Mode: 힘 피드백이 가미된 정밀 절삭.

3.2 센서 구성 (Strain Gages)

고정밀 스트레인 게이지(Strain Gages)를 전략적으로 배치하여 미세한 변형률을 전기적 신호로 변환한다. 이는 복강경 내부의 좁은 공간에서도 작동할 수 있도록 초소형으로 제작되었다.

구성 요소	기능 및 역할	영상 판독/데이터 해석
End-effector	실제 조직과 접촉하는 부분	파지 시 가해지는 압력 분포 분석
Flexure Hinges	미세 변위 발생부	3축 방향의 변형률(Strain) 발생 지점
Signal Processor	데이터 증폭 및 필터링	노이즈 제거 후 실시간 햅틱 신호 생성

그림 1. 모듈형 복강경 그라스퍼의 구조도. 헤드 부분의 교체를 통해 다양한 수술 모달리티 지원 능력을 확인할 수 있음.

4. 실험 결과 및 성능 분석

인공 조직(Artificial Tissue)을 이용한 원격 조작 실험과 매듭 조이기(Knot Tightening) 실험 결과, 본 장치는 뛰어난 성능을 보였다.

4.1 조직 특성 파악 (Tissue Characterization)

햅틱 피드백 장치를 통해 전달된 데이터를 바탕으로 외과 의사는 시각적 정보 없이도 조직의 단단함 정도를 95% 이상의 정확도로 구분해냈다. 이는 병변 부위를 찾는 데 결정적인 역할을 한다.

4.2 정밀 봉합 실험

봉합사 파손 없이 최적의 장력으로 매듭을 조이는 실험에서, 힘 피드백을 사용했을 때 성공률이 사용하지 않았을 때보다 40% 이상 향상됨을 확인하였다.

5. 결론 및 미래 전망

본 3방향 힘 측정 복강경 그라스퍼는 로봇 수술의 "눈"에 이어 "손손끝의 감각"을 부여하는 이정표가 될 것이다.

향후 AI 딥러닝 알고리즘과 결합하여, 위험한 수준의 힘이 가해질 때 로봇이 스스로 동작을 멈추는 '지능형 능동 안전 시스템'으로 진화할 것으로 기대된다.

References

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