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혈관 속에서 자유자재 소프트로봇 개발

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2019년 02월 27일 13:32 프린트하기

가이드와이어 부착 마이크로봇의 개념도. 학술지 ′소프트로보틱스′의 표지에도 실렸다. 사진 제공 DGIST
가이드와이어 부착 마이크로봇의 개념도. 학술지 '소프트로보틱스'의 표지에도 실렸다. 사진 제공 DGIST

심혈관질환이 발생했을 때 혈관을 타고 원하는 부위에 정확히 도착해 시술 시간을 줄여주는 초소형 로봇을 국내 연구팀이 개발했다.


대구경북과학기술원(DGIST) 은 전성웅, 김강호, 알리 카파시 호시아 DGIST 로봇공학전공 연구원과 최홍수 교수팀이 심근경색의 일종인 ‘만성완전폐쇄병변’의 치료 성공률을 높일 수 있는 초소형 로봇(마이크로로봇)을 개발했다고 27일 밝혔다. 


만성완전폐쇄병변은 혈전 등에 의해 혈관이 3개월 이상 막혀 있는 증상이다. 서서히 발생하기 때문에 인지가 어렵지만, 심장에서 발생할 경우 심근경색을 일으키는 주요 원인이 된다. 이를 치료하기 위해서는 팔이나 다리의 혈관을 통해 ‘가이드와이어’라는 선을 넣은 뒤 관(호스) 모양의 장치인 ‘카테터’를 투입해 혈관을 확장하거나 질환 부위를 제거한다.

 

하지만 의사의 숙련도에 따라 성공도에 차이가 나고, 시술 중 확인을 위해 엑스선 촬영을 반복해야 해 방사선 피폭이 늘어난다는 문제가 있었다. 특히 복잡한 혈관을 대상으로 시술할 때는 끝이 구부러진 가이드와이어를 이용해 수동으로 방향을 바꾸다 보니 방향을 정확히 제어하기가 어려웠다.


최 교수팀은 길이 4mm, 지름 0.5mm로 쌀알보다 작은 원통형 마이크로로봇을 만들어 이 문제를 해결했다. 연구팀은 생체에 해가 없으면서 잘 휘어지는 고분자 물질과 자성 물질인 네오디듐을 이용한 자석 두 개, 그리고 8개의 전자기 코일을 이용해 원통형의 자유롭게 구부러질 수 있는 초소형 스포트로봇 본체를 만들었다. 이 로봇은 세포에 접촉시켜 생존하는지 실험하는 생체적합성 실험을 통과해 인체에 해가 없다는 사실을 입증했다.

 

자기장 제어 시스템을 통해 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 제어하는 모습을 연속으로 찍었다. 자기장 방향에 따라 방향을 다양하게 휠 수 있다. 최대 170도까지 휠 수 있어 복잡한 혈관도 지나갈 수 있다. 사진 제공 DGIST
자기장 제어 시스템을 통해 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 제어하는 모습을 연속으로 찍었다. 자기장 방향에 따라 방향을 다양하게 휠 수 있다. 최대 170도까지 휠 수 있어 복잡한 혈관도 지나갈 수 있다. 사진 제공 DGIST


연구팀은 이 로봇을 가이드와이어 끝 부분에 달고 혈관 안에 이 로봇을 넣었다. 그 뒤 펜처럼 생긴 긴 막대 조종기를 이용해 상하좌우 및 전진 후퇴 등의 움직임을 명령하고, 이 명령을 읽은 기기가 환자의 몸에 자기장을 변화시키도록 로봇 원격조종 시스템을 만들었다. 연구팀은 이 시스템으로 몸 속에 삽입된 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 자유자재로 움직이게 하는 데 성공했다.  …


연구팀은 마이크로로봇이 복잡한 혈관을 통과할 수 있도록 로봇의 움직임을 수학적으로 계산해 예측하는 방식을 도입했다. 또 로봇이 몸을 170도까지 구부릴 수 있게 해 아주 예리한 각도로 휜 혈관도 통과할 수 있게 했다. 이를 이용해 복잡한 심장의 관상동맥을 모사한 3차원 혈관 모형에서 원하는 부위에 도달하는 실험에 성공했다.


최 교수는 “시술자의 경험에 의존하던 기존 방법에 비해 질병의 원인을 빠르고 안정적으로 찾아 시술 시간을 줄이고 성공률을 높일 수 있다”며 “시술자의 엑스선 피폭량도 줄이고 환자의 혈관 손상도 줄일 수 있다”고 말했다. 연구팀은 기업과 후속 연구를 해 제품화할 계획이다. 이 연구 결과는 로봇 분야 국제학술지 ‘소프트로보틱스’ 13일자에 발표됐다.
 

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