1980년대부터 국내외에서 적용되기 시작한 최소절개수술법(Minimal Invasive Surgery, MIS)인 복강경 수술은 초기 진단의 단계를 거쳐 수술 등으로 확대 되었다.^1,2,13 한편 복강경 수술과 같은 미세 침습 수술은 빠른 회복과 상처흔적감소 등 여러 장점을 갖고 있지만 단점도 가지고 있다. 복강경에 사용되는 수술기구들의 특성상 촉각을 느끼기 어렵고, 트로커(Fig. 1(c))를 힌지점으로하는 지렛대효과는 잇점도 있으나, 손과 눈의 자연스런 협조적 운동이 힘들어 수술에 어려움을 주고 장시간경과시 피로감을 증가시킨다. 또한 수술자의 생리적인 떨림 현상이 긴 수술 기구를 통하여 전달되는 문제가 있다.^3,4,13 이러한 한계를 극복하기 위하여 개발된 로봇 수술 시스템(예> da Vinci)은 수술자의 생리적인 떨림 현상을 하드웨어와 소프트웨어를 통해 여과할 수 있으며, 조정 손잡이(마스터)의 상대적으로 큰 움직임을 로봇 팔의 섬세한 움직임으로 전환시킬 수 있다. 하지만, 고가의 초기구입비 및 유지보수비용 등으로 인해 복강경 수술기구의 사용이 아직도 큰 비중을 차지하고 있다.¹³

Fig. 1 
Laparoscopic surgery and instruments: (a) Instrument¹³ used in our study, (b) Various end effector types, (c) Surgical environment with a instrument and a laparoscope

복강경 수술기구 설계의 핵심은 다양한 수술동작(절개, 봉합, 소작 등)이 가능한 말단동작(툴팁그리퍼)부(Jaw Gripper or Endeffector) (Fig. 1(b))가 원활히 움직일 수 있도록 충분한 자유도와 관절각범위를 주는 것이다. 또한, 복부등의 절개크기를 작게하는 샤프트직경 소형화, 그리고 사용자의 피로도를 줄이기 위한 경량화 및 인간공학적설계(Ergonomic Design)가 중요하다.^4-7,13 수동식의 경우, 보통 인체외부의 핸드그립부 쪽에서 힘을 주어 동작을 발생시키고 이를 중간기구부를 통해 환자인 체내의 말단툴부에 전달한다.^4,6,7,8,9,13 탄성체(Flexure Hinge)를 수 mm에서 수십 mm 구간에 걸쳐 휘거나 구부리며 관절이 회전하는 것과 같은 효과를 내고 이를 말단작동부에 전달하는 것이다. 기존의 경우, 수술기구 핸들부를 손으로 굽혀 고정(Lock) 또는 비고정상태로 말단부 관절(Jaw-Joint)을 작동하여 여러가지 수술동작(절개, 잡아채기제거, 전기소작 등)을 수행한다. 이때, 핸들부가 꺽이는 방향과 말단부 관절이 꺽이는 방향은 툴샤프트기준으로 같은 방향이거나 반대방향인 두종류가 있으며 메이커별로 다르다.^9,10 말단부 관절을 임의의 굽힘방향으로 일정 크기의 굽힘각으로 설정하기위해 핸들부를 꺾는 동작이 자주반복되거나, 굽힘각이 큰 경우, 또는 장시간 굽힘 Lock 기능을 사용하지 않고 사용할 경우, 사용자가 느끼는 피로도는 증가하며, 사용자의 신체조건이나 숙련도에 따라 다를 것이다.

본 연구에서는 주(1차) 벤딩(Primary Bending) 변형을 수동이 아닌 모터구동으로 하여 사용자의 피로도를 줄이고자 한다. 이를 위해 3가지 방식으로 수술기구 모터구동화를 위한 메커니즘을 설계 제작하여 기본적인 말단부 관절의 굽힘 동작특성을 비교 분석하였다. 논문의 구성으로 2장에서는 기존 수동식 복강경수술기구의 구성에 대해 설명하고, 3장에서는 3가지 방식의 모터구동에 의한 벤딩 생성 및 전달메커니즘에 대해 설명한다. 4장에서는 실험을 통한 3가지 메커니즘의 성능과 특성을 비교 분석하고, 마지막 5장에서는 3가지 모터구동방식에 대한 결론 및 향후 제품화를 위해 필요한 사항을 서술한다.

본 연구에서는 수동형 복강경 수술기구의 모터구동화를 위해 3가지 방식의 메커니즘(MTPS, MBDG, MPDG)을 제안하고, 프로토타입을 제작하여 성능을 비교 평가하였다.

(1) MTPS 방식은 응답속도가 빠르고 부품수가 적어 원가 및 경량화에 유리하다. 반면에 4개 와이어의 대각선방향으로 굽힘 시 부하가 급증하고 동작이 경색할 가능성이 있다. 굽힘방향별 균일성과 굽힘각 평균치도 제일 작게 나타났다.

(2) MBDG 방식은 굽힘성능(굽힘각 평균치, 균일성)은 3방식 중 중간정도이나, 응답속도가 느리고, 부품수가 많은 단점이 있다.

(3) MPDG 방식은 굽힘성능(굽힘각 평균치, 균일성)은 3방식 중 가장 우수하나, 피동디스크의 굽힘각이 커질 때 구동디스크가 피동디스크를 타고 올라가는 불안정 현상이 나타나는 단점이 있다.

결과적으로 3가지 방식중 모든 면에서 우수한 타입은 없으며 각각의 장점과 단점을 가지고 있음을 확인하였다. 한편, MPDG타입에대해 말단부 관절의 동작유형별로 중간 짐벌메커니즘 및 모터구동부의 관계를 도시하였다. 위 3가지 이외에도 더 적합한 메커니즘이 있을 것이며, 제품화를 위해서는 경량화, 소형화 등과 의료분야와의 협업 등 많은 노력이 더 필요하다고 판단된다. 모터구동화시 가장 큰 제약은 수술기구의 1) 기존대비 질량의 증가 최소화 2) 기존대비 부피의 증가 최소화 3) 비용 증가의 최소화 4) 오작동 방지 등 안정성 및 신뢰성 확보 등을 극복해야하며, 1단계 > 기구부설계(구동기, 센서 등 포함) 2단계 > 제어부(센서계측 및 동작프로그래밍) 3단계 > 사용자 평가 및 제품화단계 4단계> 제품인증단계 등으로, 본 연구는 주로 1단계에 대한 것으로 볼 수 있다.