포스트 코로나 시대 수술 로봇의 역할 및 발전 방향에 관한 전망

1. 서 론

세계보건기구(WHO)는 지난 2020년 1월 30일, 코로나 바이러스 감염병(COVID-19)의 급격한 확산으로 전 세계 “팬데믹”을 공식 선언했다. 2019년 12월 중국 우한에서 처음 확인된 COVID-19은 전염성이 매우 높은 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)에 의한 질병으로, 주로 비말로 전염되어 개인의 마스크 착용과 집단 모임 자제를 비롯 다양한 사회적 거리두기 방안이 권고되었다^[1,2]. 최근 연구에 의하면 비말보다 작은 에어로졸을 통한 광범위한 공기 중 확산도 가능하여 밀폐된 공간에서 집단 감염 위험이 높은 것으로 우려되며, 미국 질병예방통제센터(CDC)와 WHO도 이를 인정하고 있다^[3-5].

이번 팬데믹은 사스(SARS-CoV)와 메르스(MERS-CoV)바이러스에 이어 지난 20년 간 국제적으로 발생한 세 번째 코로나 바이러스 사태로, 상황이 1년 이상 장기화되면서 전세계적으로 심각한 사회경제적 악영향을 끼치고 있다. 감염 위험을 최소화하면서 일상 생활을 유지하기 위해 교육, 경제, 산업 전반에 걸쳐 비대면 서비스와 기술을 중심으로 변화가 시작되었다. 병원과 같은 의료기관은 스마트 병원으로의 진화를 가속화하는 계기가 됨에 따라 2027년까지 관련 시장의 규모는 1조 289억 달러로 가파르게 성장할 것으로 예측된다^[6]. 스마트 병원은 의료정보의 수집, 관리 및 분석에 첨단기술을 적용하여 의료작업의 자동화와 최적화를 통한 진료 품질의 향상을 목표로 한다. 예를 들어 IoT 기술로 환자의 상태를 실시간 측정 및 분석하여 응급 상황에 대비하거나, 의료 인력의 움직임을 추적하고 위생을 감시하여 감염을 예방하기도 한다^[7]. 팬데믹의 영향으로, 원내 전염병의 확산 방지를 위한 음압격리치료시설 및 원격 진단의 도입도 고려하고 있다^[8,9].

인공지능과 로봇공학 기술은 이러한 스마트 병원으로의 진화 과정에 있어 진료 인력의 부분적 보조부터 완전한 대체까지 다양한 측면에서 비대면화를 위한 핵심 역할을 담당할 것으로 여겨진다^[10,11]. 의료진의 의학적 판단을 보조하거나 대체하기 위해서는 인공지능 기술이 성공적으로 접목되고 있다. 반면 비대면의 핵심인 의료진의 물리적 역할을 보조하거나 대체하기 위한 유일한 수단은 로봇이다. 로봇이 진단, 청소, 소독, 의약품 및 식품 제공, 환자 이송 등에 이용될 경우 의료진의 감염 위험을 크게 낮출 수 있으므로, 전염병의 확산에 따라 그 잠재력은 더욱 명확하다^[12,13].

한편, 비대면 의료를 위한 로봇의 역할은 수술에서 가장 두드러진다. COVID-19 팬데믹의 영향으로 의료진 감염이 우려되면서 수술을 진행하기가 어려워졌고 시급한 수술만이 선택적으로 진행됨에 따라^[14,15] 수술 건수는 전세계적으로 대폭 감소하였다^[16]. 하지만 수술 시기가 중요하거나 위급한 환자는 감염 위험과 상관없이 수술을 반드시 진행해야 한다. 이러한 경우, 진단 또는 비수술적 치료와 달리 절개를 포함한 물리적 상호작용이 불가피하고 수술 과정에서 의료진이 환자의 지척에서 장시간동안 머물러야 하기 때문에 COVID-19를 포함한 감염의 위험이 높아질 수밖에 없다. 비록 최근 일부 병원에서 수술실 내 의료장비와 정보의 디지털 통합 관리 시스템을 구축한 스마트 수술실을 설치했으나^[17], 이런 감염병에 대응하기에는 한계가 있다. 또한 COVID-19 발생 초기에는 위와 같은 위급한 수술에 대한 안전 지침이 제대로 마련되지 않아 환자와 의료진 모두를 불안하게 했고, 지침이 마련된 이후에도 감염 위험을 이유로 수술이 중단되거나 연기되는 경우가 발생하면서 비대면 원격 수술을 가능케 하는 로봇 수술이 근본적인 해결책으로 주목을 받고 있다. 따라서 이제 뉴노멀 시대의 요구사항을 반영하는 로봇 수술에 대한 재평가가 필요하다.

본 논문에서는 팬데믹 상황을 고려하여 새로 정비된 수술 지침을 분석하고 이에 근거하여 현재의 로봇 수술이 가진 장단점을 재평가한다. 이를 바탕으로 현존하는 로봇 수술 중 가장 일반적인 복강경 기반의 수술 로봇 시스템이 비대면 중심의 포스트 코로나 시대에 재고해야 할 문제점을 파악하고 향후 발전 방향을 제시한다.

2. 본 론

2.1 감염병 위험에 대비한 수술 지침과 로봇 수술

COVID-19 확산에 따른 의료진의 감염 위험에 대한 불안도가 높아짐에 따라 학회 및 관련 기관의 주도 하에 다양한 수술 지침이 확립되었다. 응급 수술 이외의 수술은 중단되며, 비수술적인 치료나 관리가 효과가 있다고 판단될 경우 팬데믹의 진행 양상에 따라 우선적으로 고려할 수 있다. 수술은 환자의 상태에 따라 우선 순위가 정해져 선택적으로 진행되는데, 그 어떠한 경우에도 소독된 개인 보호 장비(Personal Protective Equipment, PPE)의 착용과 잦은 소독 및 환기(시간당 25번 이상)가 권고된다^[18].

SARS-CoV-2 감염이 확정되었거나 의심되는 환자를 수술하는 경우, 지정된 음압 수술실에서만 이루어져야 한다. 이 수술실은 병원의 구석에 있는 것이 적절하며 HEPA (high-efficiency particulate air) 필터를 통해 환기되어야 한다. 추가적인 CO₂ 가압이 필요한 내시경 수술은 피한다. 또한, 펠로우 교육은 중단하며 최소한의 의료진으로만 진행하고 수술실 내 불필요한 이동은 금지한다. 주변의 음압 격리실이 수술실을 오염시키지 않도록 주의가 필요하다. 수술 사이에는 최소한 1시간의 청소 및 소독을 위한 시간을 둔다^[19,20].

수술 과정에 대한 주요 지침들은 [Table 1]으로 요약되며, 주로 복강경, 내시경, 또는 로봇을 이용한 최소침습수술 과정에서 에어로졸 및 수술연기(Surgical Smoke)의 발생과 확산을 최소화하여 수술실 내 잠재적인 감염 위험을 줄이는 것에 초점을 두고 있다. 비록 수술실 환기에 관한 지침이 있고 에어로졸 및 수술연기를 통한 감염에 대해서 여전히 많은 논의들이 이루어지고 있으나, 밀폐된 수술실에서 일시적으로 그리고 국부적으로 감염 위험이 증가하기 때문으로 사료된다. 대표적으로 CO₂ 가압시 낮은 압력 유지(10 mmHg 이하)와 수술의 모든 과정이 끝나고 모든 가스 배입구를 닫는 것을 기본 지침으로 하고 있다. 이외에도 전기 소작기 또는 초음파 절단기 사용을 절제하거나 낮은 전력을 사용하는 등, 에너지 기기의 파워 또는 트로카와 절개부의 크기와 수를 최소화하고 주의 깊게 사용할 것을 요구한다.

[Table 1]

Summary of the selected recommendations for laparoscopic or robot-assisted minimally invasive surgery during the COVID-19 pandemic[18]

이러한 지침에 따르면, 공기 중 확산이 가능한 바이러스가 의심되는 경우 로봇 수술은 다른 수술에 비해 의료진과 환자간 감염 위험을 낮출 수 있는 분명한 장점이 있다. 체내 가스 배입구 관리가 가능하므로 개복 수술에 비해서 수술연기에 직접 노출될 가능성이 매우 낮고^[26], 복강경 수술과 달리 의사가 원거리에서 수술을 진행할 수 있어 바이러스에 대한 의사의 직접적인 노출을 근본적으로 감소시킬 수 있기 때문이다. 코로나 상황에서 실질적으로 비율이 늘어난 수술 분야 역시 복강경 또는 로봇 수술에 해당되는 서혜부 탈장 수술, 복벽 탈장 수술, 결장 절제술 등인 것으로 미루어 보아^[27], 개복 수술 대비 복강경 및 로봇 수술이 상대적으로 안전하게 여겨지는 것으로 추측할 수 있다.

2.3 포스트 코로나 시대 수술 로봇 시스템 발전 방향

현재 복강경 수술 로봇이 제한된 수술 영역에서만 사용되며 불완전한 비대면 수술을 할 수밖에 없다는 문제는 로봇 수술이 포스트 코로나 시대 비대면화라는 새로운 기준을 충족시키기 위해 반드시 해결되어야 하는 부분이다. 이에 기반하여 향후 수술 로봇의 발전 방향을 다음과 같이 크게 세 가지로 정리한다. 감염병 대응을 위한 완전한 비대면 로봇 수술이 구현된 가상의 스마트 로봇 수술실은 [Fig. 1]로 표현하였다.

[Fig. 1]

Schematics of a smart robotic operating room for fully non-contact surgery in infectious diseases: Both surgeons and surgical assistants operate the system remotely, outside a dedicated, negative pressure operating room, through robotic technology. Assistive tasks will be performed autonomously or through teleoperation, depending on the required safety level and technical limitations. Such tasks include tool-change, surgical waste treatment, and coordination between the patient, robot arm, instrument, and surgical port. Surgical instruments for the platform are not limited to conventional laparoscopic procedures but extended to the others that have not been considered for robotic surgery. Disinfection robots will enable immediate intervention by surgical staff in emergencies. An interactive augmented-reality display and integrated management system will help a lead surgeon to manage all instruments, medical information, and tasks (both surgical and assistive) for achieving higher efficiency of fully non-contact robotic surgery

2.3.1 보조 작업의 비대면화를 통한 완전한 비대면화

현재 수술 보조 인력은 환자의 지척에서 수술 로봇 및 도구의 세팅에서부터 수술 전 과정에 걸쳐 도구를 교체하거나, 보조 도구를 이용하여 체내 조직을 조작하거나 생성된 수술 부산물을 처리한다. 로봇 팔이 올바른 위치를 향할 수 있도록 도구를 적절하게 배치 및 조정하고, 환자의 근육 및 조직의 손상과 압박을 최소화하기 위해 환자가 수술에 최적화된 위치에 있을 수 있도록 수시로 점검한다. 수술 이후 트로카를 제거하고 가스 배출구를 봉합하는 것도 담당한다^[34]. 대면이 불가피한 이러한 작업 중 보조 인력이 에어로졸이나 수술 연기로 인해 감염될 위험이 상당하다. 그럼에도 불구하고 아직 보조 인력을 위해서는 로봇 기술이 적용되지 않고 있으며 이는 로봇 수술의 완전한 비대면화에 있어 현존하는 가장 큰 걸림돌이라고 할 수 있다.

[Fig. 1]에서 볼 수 있듯이, 자율제어나 원격/공동제어 수술 보조 로봇을 이용하면 보조 작업의 비대면화가 가능하다. 주로 환자의 체내에서 작업해야 하는 과정(체내 조직 조작 및 수술 부산물 제거 등)은 수술 보조 인력이 수술실 밖에서 원격/공동제어 수술 보조 로봇을 사용하여 해결할 수 있고, 그 외의 과정(로봇 팔의 수술 도구 교체, 체외 수술 부산물의 안전한 처리 등)은 자율제어 로봇을 적용할 수 있다. 수술대에 모바일 로봇 기술을 적용하면 로봇과 환자의 상대적인 위치 및 자세를 정밀하게 조정할 수 있다. 수술 직후 삽입된 기구를 제거하고 절개를 봉합하는 것도 로봇이 담당한다면 인력의 감염 부담이 줄어든다. 서비스 로봇이 수술실 내부의 소독을 담당하면 수술 중 예상치 못한 위급 상황 등의 경우 의료진이 감염 우려 없이 출입할 수 있을 것이다. 상기된 기술을 현실화한다면 수술실이 완전히 비대면화됨에 따라 감염 위험을 최소화할 수 있다.

2.3.2 도구의 다양화를 통한 로봇 수술 영역의 확대

다빈치 로봇 시스템은 복수의 로봇 팔로 구성된 플랫폼에 체내로 삽입되어 직접 수술 작업을 하는 도구를 장착하는 방식이다. 수술의 특성에 맞춰 도구를 교체하며, 필요한 경우 복수의 도구를 동시에 사용한다. 현재 많이 이루어지는 주요 수술 중 로봇 기술이 적용되지 않는 수술이 많은데, 그러한 분야에 특화된 도구를 개발한다면 범용 로봇 플랫폼에 장착하여 활용할 수 있다. 로봇 플랫폼이 이미 많이 공급되어 있는 현황을 고려하면 새로운 도구의 개발로 수술 로봇의 적용 영역을 단기간에 획기적으로 확대하는 것도 가능하다. 이는 포스트 코로나 시대에 병원 내 비대면 수술의 일반화로 한 발 더 다가서는 데 도움이 될 것이다.

[Table 2]에 따르면 현재 유럽에서 가장 많이 시행되는 수술은 백내장 수술, 제왕절개 수술, 관상동맥 혈관확장술 순이다. 카테터를 이용하는 관상동맥 혈관확장술의 경우, 현재 상용화된 로봇 카테터에^[35] 비대면화된 수술 보조 작업을 추가하면 완전한 비대면 수술이 가능할 것이다. 하지만 백내장 수술과 제왕절개 수술의 경우, 아직 비대면 수술이 가능한 상용화된 로봇 시스템이 없다. 안구를 대상으로 한 독자적인 수술 로봇 시스템과 산모의 빠른 회복을 위한 수술 로봇이 별도로 개발 중이지만, 범용 로봇 플랫폼에 장착하여 각 수술을 적절하게 수행할 수 있는 로봇 도구의 개발이 미흡하기 때문이다. 백내장 수술은 미세한 힘을 측정하고 정교한 작업이 가능하도록 지능화 및 소형화된 도구가, 제왕절개 수술은 복벽과 자궁벽을 절개하면서 동시에 태아를 섬세하고 안전하게 다룰 수 있는 도구가 필요하다. 예를 들면 소프트 로봇 기술이 제왕절개용 도구 개발에 활용될 수 있을 것이다. 수술실에서 일어날 수 있는 여러 문제 상황에 의료진이 한층 더 직관적으로 민첩하게 대응할 수 있게 돕기 위해서는 이러한 각각의 수술 도구의 특성에 적합한 의사-로봇 인터페이스의 개발도 병행되어야 한다.

[Table 2]

Surgical operations and procedures performed in hospitals-top 5, 2018 (per 100,000 inhabitants)[36]

2.3.3 스마트 수술실과의 통합 운영을 통한 효율화

수술을 완전히 비대면화하기 위해 수술 보조 인력까지 로봇을 사용하면 집도의가 수술 과정을 전반적으로 관리하는 것이 한층 더 중요해진다. 완전한 비대면 수술을 구현하는 로봇 시스템을 기존의 스마트 수술실에 결합하여 “스마트 로봇 수술실”로 발전시키면 수술 과정을 관리하는 것이 용이해지면서 의료진의 편의를 돕고 수술 결과와 효율성을 제고할 수 있다. “스마트 로봇 수술실”에 도입할 디지털 통합 관리 시스템은 수술실 내 의료 장비와 정보뿐만 아니라 각 인력이 수행하는 수술 관련 작업까지 총괄하여 편리하게 관리할 수 있도록 한다. 이러한 수단을 통해 로봇 수술 시스템의 효율성을 제고하면 꾸준히 지적되어 온 단점인 비용과 시간의 문제를 해결할 수 있을 것이다.

[Fig. 1]에서 보듯이, 수술 과정에서 필요한 모든 정보는 수술이 이루어지는 원격 수술실의 화면에 표시되어 이를 의사와 보조 인력, 필요에 따라 외부의 의료진까지 동시에 공유할 수 있게 함으로써 비대면이면서 효율적으로 진행될 수 있도록 지원한다. 이 스마트 화면은 터치 또는 음성으로 제어될 수 있고 5G 통신과 증강현실 기술을 적용하거나 작업에 몰입할 경우 HMD (Head-mounted display)를 사용할 수도 있다.

다양한 영역으로 완전한 비대면 로봇 수술이 확대되고 스마트 로봇 수술실이 효율적으로 사용되기 위해서는 수술을 집도하는 의사뿐만 아니라 수술 보조 인력들의 충분한 로봇 교육이 뒷받침되어야 한다. 기존에 필요한 해부학, 생리학, 병리학 등에 기반한 환자의 의학적 상태, 또는 복강경 및 로봇을 사용한 최소침습수술에 대한 이해와 더불어 특히 원격제어를 사용하는 경우에는 로봇의 작동 원리 및 기능에 대한 이해도 필수적이다. 보조 작업을 위한 로봇과 다양한 영역에 필요한 수술 로봇 도구의 개발과 함께, 로봇 공학자들과 의료 인력 간의 긴밀한 협업을 통해서 효과적인 훈련 프로그램이 개발된다면 수술 성과를 제고할 수 있을 것이다.

3. 결 론

전례 없는 COVID-19 팬데믹은 세계적으로 많은 파장을 일으키고 있고, 이에 사회의 다양한 분야가 비대면 서비스와 기술을 중심으로 재편되고 있다. COVID-19 환자를 치료함과 동시에 감염에 취약한 환자들이 대부분일 수밖에 없는 병원은 그 변화의 중심에 있으며 스마트 병원으로의 전환은 팬데믹을 계기로 가속화되고 있다. 인공지능과 로봇 기술을 통해 진단과 환자 관리의 자동화 및 작업의 효율화는 진행 중이나 물리적 상호 작용이 불가피한 현재의 수술적 치료는 비대면이라는 뉴노멀 시대의 요구 사항을 충족시키기 어렵다. 감염 위험으로부터 상대적으로 자유로운 로봇 수술이 그 해결책으로 주목을 받고 있으나, 현재의 수술 로봇 시스템으로는 여전히 포스트 코로나 시대를 효과적으로 대응하기에 한계가 있고, 이는 로봇 수술의 비효율적인 면과도 연관이 있다. 이에 따라 본 논문에서는 수술 보조 작업에 로봇을 도입함으로써 로봇 수술의 완전한 비대면화를 도모하고, 그동안 로봇 수술이 적용되지 않았던 분야에 적합한 다양한 수술 도구 및 의사-로봇 인터페이스를 개발하여 비대면 로봇 수술의 영역을 확대할 것을 제안한다. 또한, 이러한 시스템을 사용하는 로봇 수술 과정을 통합적이고 체계적으로 관리할 수 있게 하는 스마트 로봇 수술실을 만들고 효과적인 의료 인력 훈련 프로그램 개발을 병행한다면, 포스트 코로나 시대 상업적 성공과 스마트 병원으로의 진화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgments

This project was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. 2021R1A2C2011854) and the Brain Korea-21 Four Program

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