■ 인공관절 로봇이 미래 수술 패러다임 바꾼다

인공관절 로봇 개발 및 제작회사 큐렉소가 개발한 인공관절 수로봇 로보닥(ROBODOC)은 로봇(Robot)과 닥터(Doctor)의 합성어로, 첨단 의료서비스를 제공하는 로봇의사라는 의미다. 로보닥은 정형외과영역에서 무릎 또는 엉덩이뼈 인공관절수술에 사용되고 있다. 제품가격은 20억원에 달한다.

1986년에 Howard Paul 박사와 William Bargar박사의 아이디어인 수술용 인공관절 로봇 ‘로보닥(ROBODOC)’을 2009년 큐렉소가 정부의 자금지원을 받아 재해석, 2011년 국산화를 완료해 로보닥 1.5버젼으로 재탄생됐다. 현재 CE 및 FDA인증을 기다리고 있다.

인공관절로봇 국산화 참여기업으로는 산업용 분야에 오랜 경험과 지식이 축적되어 있던 현대중공업연구소가 5자유도 로봇 암을, 로봇베이스 부분에 삼지전자, 임상 및 어플리케이션분야에 삼성의료원, 학계에서는 BMM요소기술 개발에 전남대 로봇연구소가 참여했다. 그리고 주관기관인 큐렉소 연구소가 수술 기법 개발 및 시스템 통합을 맡아 종래의 방법보다 최소 침습(MIS)방법과 수술시간을 단축하기 위한 HW, SW 개선 및 새로운 임상 어플리케이션 개발에 초점을 뒀다.

현재 인공관절 수술용 로봇 원천특허는 유일하게 큐렉소가 보유하고 있으며 개발 과정에서 획득한 3차원 감시 장치 및 경로정보 시스템을 국내 및 미국에 특허 출원 중에 있다.

로보닥은 주로 인공관절 수술에 활용될 것으로 보이며, 향후 척추, 발목 등 다양한 관절수술 분야로 확대될 전망이다. 현재 전세계 수요량은 24,250대 정도이고 우리나라는 688대가 설치 가능한 것으로 추정되고 있다.

▲ 로보닥을 이용한 수술 모습.

◇ 협력 통한 융복합으로 개발 성공

의료용 로봇은 융합기술이다. 프로젝트에 참여한 기업 모두가 각자의 역할과 상호협조가 이뤄지지 않는다면 성공하지 못했을 것이다. 특히 현대중공업의 로봇 암(arm)이 의료용 로봇이 요구하는 재현성, 정밀도 및 안전성면에서 만족할만한 수준을 달성, 성공의 결정적 요인으로 작용했다.

현재 현대중공업 등 다른 협력업체들과의 협업을 통해 생산을 다원화함으로써 신뢰할만한 제품을 지속적으로 납품받을 수 있는 공급망을 확보했다. 이런 대기업 등과의 상생전략을 통한 기술 개발은 미래의 기술균형발전 및 생산력을 증진시킬 것으로 전망되고 있다.

향후 인공관절 로봇인 로보닥 v1.5 관련 기술 및 새로운 어플리케이션 개발을 통해 미래의 수술 패러다임을 주도한다는 계획이다.

◇ 부품 국산화 미흡·복잡한 허가절차 발목 잡아

해당분야 전문기술을 보유한 연구 인력들을 구하기 어렵고, 해당기술에 대한 표준이 없어 기존 기술을 통한 최적화에 많은 시간이 필요했다. 의료용 기구는 임상을 통한 상용화에 걸리는 시간이 길어 제한된 시간 안에 개선작업 및 사용자 만족도를 높이기가 어려웠다. 따라서 지속적 지원을 통한 연구기관 및 임상기관과의 보완기술개발을 위한 공동협력 필요하다.
현재 국제규격에 적합한 부품의 국산화가 미흡해, 소량주문에 의존하는 모터, 센서 등 품질을 보장할 수 있는 중요한 부품에 국가적인 지원이 필요한 시점이다.

또한 상업화에 성공하더라도 보건복지부에서 임상적용 유효성을 입증해 보험코드 및 수가 산정에 이르기까지 오랜 시간이 걸리기 때문에 사업초기 시장진입에 어려움이 많다. 유효성이 입증되더라도 만족스럽지 못한 수가 때문에 병원에서는 수익성이 없는 제품을 구매를 기피하는 경향이 있어 판매 전략을 수립하는데 어려움이 있는 것으로 전해지고 있다.

의료용은 허가관련 규정이 복잡하고 기간이 많이 걸린다. 현재의 시스템은 정부의 지원 단계부터 개발이 완료될 때까지 평가 기관 및 자문 평가단기관 만이 참여한다. 이렇게 될 경우 관련허가 및 임상시험에 걸리는 시간이 많이 걸린다. 정부 계획 단계부터 식품의약청 또는 보험관련 기관들과 개발주체들이 단계별 업무 진행과정에서 상호공조를 통해 개발완성 단계에서 상업화를 빠르게 진행할 수 있도록 제도적 개선이 필요한 것으로 보인다.

◇ 주요 소재부품 및 기술

로보닥은 로봇암, 로봇 베이스, 디지타이저, 뼈 움직임 감지 센서 및 기구, 하부 콘트롤 제어기 등을 주요 부품으로 구성하고 있다.

핵심 부품인 로봇암은 현대중공업에서 현재 공급하고 있다. 이에 따라 5자유도 매니플레션 등 의료용 안전기준에 적합한 로봇 암 및 제어기술의 국산화된 상태다.

로보닥, 2만4,250대 규모 세계시장 형성

보행기능 회복 로봇, 1천만불 시장 기대

▲ 워크봇은 힘든 재활과정에 있어 사람들에게 많은 도움이 되고 잇다..

■ 보행기능 회복의 꿈을 실현하는 ‘워크봇’

재활운동 치료기 제작·판매하는 피앤에스미캐닉스는 2010년 성인용 Walkbot_S와 지난해 아동용 Walkbot_K를 출시했다.

워크봇(Walkbot)은 체중탈부하 방식을 채용하고 로봇구동 하지 보조기가 트레드밀(Treadmill)과 연동하는 장치다. 뇌졸중, 외상성뇌손상, 척수손상, 뇌성마비, 다발성경화증, 파킨슨병 등 신경학적 손상이나 근골격계 질환에 따른 보행장애환자를 대상으로 근력 및 관절 가동범위를 증진하며 운동신경망의 재구성을 통한 보행기능 회복시키는 데 활용되고 있다.

경쟁사인 Swiss Hocoma사(Lokomat 기종)에 이어 세계 두 번째 개발에 성공한 로봇은 식약청의 품목허가 및 제조허가 취득을 완료했다. 특히 워크봇은 관절의 길이 자동 조정이 가능하고 족관절 구동 기능을 갖춰 고관절 및 슬관절만 구동만 가능한 경쟁사에 비해 기술적 우위에 있다. 가격은 약 3억8,000만원이다.

2010년 KIMES에서 출시했고, 이후 2011년 3월 식약청에서 품목 및 제조허가를 취득했다.
향후 세계 최소 50개국 이상 진출, 연간 1,000만 달러 이상의 외화 획득이 가능할 것으로 전망되고 있다.

▲ 워크봇을 구성하고 있는 주요 부품.

◇장기간 기술·신뢰성 확보

지난 10여년 간에 걸친 KIST 로봇과제를 수행하면서 기술역량을 축적했고, 국내 재활의학과 의료진의 관심 및 조언 속에 국내병원에서 장기간 시범 운영을 해 제품의 신뢰성 제고했다.

보건복지부 지정 6개 권역별 재활거점 병원을 중심으로 활발한 영업이 진행됐고, 중국 등 국외 시장 공략을 위해 적극적 해외마케팅 실시 중인 것으로 전해지고 있다.

◇ 인증비용·시간 ‘걸림돌’

SCI급 논문을 필두로 경쟁사는 200여건 상당의 임상논문을 발표했고, 이에 따른 신뢰도 확보했다. 하지만, 국내에서의 임상은 중소기업이 감당하기 어려운 고가의 비용이 소요되어 추진에 난항을 겪고 있다.

세계시장 진출을 위해서는 CE, FDA등 막대한 비용과 시간 소요가 예상되는 인증이 필수적이므로 적극적 시장개척에 걸림돌로 작용할 것으로 보여 정부의 지원이 필요한 상태다.
향후 각 병원에서 피드백되는 개선 및 개발 사항을 반영해 제품 경쟁력 강화하면서 수출위한 국제특허 취득 강화에 주력해야 할 것으로 보인다.

◇ 주요 소재부품 및 기술

로봇 시스템을 구성하는 주요부품은 수술 패널(Operating Pannel) 트레드밀(Treadmill) 역하중 시스템, 로봇 본체, 시스템 SW 등이다.

정밀제어 기술을 통해 환자의 운동 패턴에 맞추어 회전각도 속도에 대한 정밀한 센싱과 제어를 통한 가관절의 DOF 제어 모터와 트레드밀 하중지지대 등을 동기화한다. 구조응력 진동감쇄 강도해석 진동응답 해석에 기반한 인체역학적인 안정적이고 경량화된 다관절 기구 설계기술이 있다. 또한 다양한 환자의 상태를 분석해 보행 행태를 추출하고 환자의 동작에 최적화된 보행 알고리즘을 실행한다.