국내외 공동 연구진이 복잡한 혈관 내에서 원하는 방향으로 조향(操向)과 이동이 가능해 만성완전폐쇄병변(CTO)과 같은 심혈관 질환이 발생한 부위까지 정확하게 도달할 수 있는 마이크로 로봇 개발에 성공했다. 이번 연구를 통해 심혈관 질환 시술 시간을 단축하고 성공률을 높일 것으로 기대된다.

DGIST는 로봇공학 전공 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 마이크로 로봇’을 개발했다고 27일 밝혔다.

지금까지 막힌 혈관을 뚫어주는 관상동맥 중재술에 사용되던 가이드와이어는 시술자가 수동으로 방향과 위치를 제어하기 때문에 시술의 성공률과 속도는 시술자의 숙련도에 의존해 왔다. 시술자가 복잡한 혈관이나 분지관(分枝管)에서 끝단이 구부러진 가이드와이어를 수동으로 방향을 잡아 밀어주다 보니 정확한 방향과 위치 제어가 어렵다는 점이 한계로 지적돼 왔다.

최홍수 교수팀은 이런 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 원통형 마이크로 로봇을 만들어 가이드와이어 끝부분에 부착했다. 외부 자기장 시스템으로 마이크로 로봇을 제어해 원하는 방향으로 가이드와이어 조종이 가능하고 마스터-슬레이브 시스템(Master-Slave System)을 통해 직선운동이 가능한 가이드와이어 부착형 소프트 마이크로 로봇으로 개발했다.

연구팀은 비선형적으로 변형되는 유연한 움직임을 구현하기 위해 마이크로 로봇의 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 마이크로 로봇의 생체적합성도 확인했다.

연구팀이 개발한 가이드와이어 부착형 마이크로 로봇은 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 전망된다. 아울러 기존 방법에 비해 신속하게 질병 부위에 도달할 수 있어 환자와 시술자의 엑스레이에 의한 방사선 피폭량을 줄이고 환자의 혈관 손상도 줄일 수 있다.

최홍수 교수는 “가이드와이어 부착형 마이크로 로봇을 이용하면 시술자의 경험에 의존하던 기존 방법과 비교해 질병의 원인 부분을 정확하고 빠르게 찾아 안정적으로 시술할 수 있기 때문에 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)’ 지난 13일자 표지논문으로 게재됐으며 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐다.