Cross-platform integration of robotic intraoperative ultrasound using system-agnostic drop-in probes: technical feasibility and workflow standardization

기술 요약: 로봇 보조 수술 중 초음파의 교차 플랫폼 통합

문제 정의
수술 중 초음파(Intraoperative Ultrasound, IOUS)는 최소 침습 수술에서 실시간 영상 유도를 위한 핵심적인 도구이지만, 로봇 워크플로우 내에서의 통합은 여전히 파편화되어 있다. 현재의 솔루션들은 종종 독점적이고 특정 플랫폼에 종속된 프로브에 의존하며, 이는 확장성을 제한하고 서로 다른 로봇 시스템 간의 기술 전수를 방해한다. 전통적인 복강경 초음파 프로브의 경직된 샤프트는 획득 각도를 제한하고 체내 조작을 어렵게 만든다. 반면, 유연한 케이블과 로봇 그리서(grasper)용 클립을 특징으로 하는 "드롭인(drop-in)" 프로브는 하나의 해결책을 제시하지만, 다양한 로봇 아키텍처 전반에 걸쳐 표준화되고 시스템에 구애받지 않는(system-agnostic) 워크플로우의 부재는 로봇 보술 중 초음파(Robotic Intraoperative Ultrasound, RIOUS)의 광범위한 도입에 장벽이 되고 있다. 따라서 단일한 절차적 프레임워크가 시스템에 구애받지 않는 하드웨어를 사용하여 서로 구조적으로 다른 다포트 로봇 플랫폼들에 성공적으로 적용될 수 있는지 결정할 필요가 있다.

방법론
본 기술적 타당성 연구는 프랑스 스트라스부르에 위치한 IRCAD 연구 및 교육 센터에서 수행되었으며, 복부 초음파 팬텀을 사용한 비임상적 실험 환경에서 진행되었다. 본 연구는 표준화된 6단계 RIOUS 워크플로우의 재현성을 네 가지 서로 다른 다포트 로봇 수술 시스템에서 평가하였다:

1. da Vinci Xi (Intuitive Surgical)
2. Hugo™ RAS (Medtronic)
3. Toumai (MicroPort® MedBot™)
4. hinotori™ (Medicaroid Corporation)

장비 및 프로토콜:

• 초음파 시스템: ARIETTA 750VE (FUJIFILM Healthcare Corporation).
• 프로브: 두 종류의 시스템 불가지론적 드롭인 선형 프로브가 테스트되었다: L43K (12–2 MHz, 26 mm footprint)와 L51K (15–3 MHz, 13 mm footprint). 두 모델 모두 표준 로봇 그리서에 장착할 수 있도록 설계된 유연한 케이블과 클립을 갖추고 있다.
• 팬텀: 실제 트로카 구성 및 해부학적 구조를 시뮬레이션하기 위해 박스 트레이너 안에 배치된 검증된 US-3 IOUSFAN 복부 팬텀.
• 워크플로우: 동일한 구조의 6단계 프로토콜이 모든 플랫폼에 동일하게 적용되었다:
  1. 로봇 카트 및 콘솔에 대한 초음파 기기 배치.
  2. 사전 활성화 안전 점검 (프로브 부착, 케이블 라우팅, 암 간섭 확인).
  3. 트로카 구성 (추가적인 12-mm 액세서리 트로카 활용).
  4. 직접 내시경 시야 하에서의 프로브 삽입.
  5. 콘솔 구성 및 영상 디스플레이 통합.
  6. 표준 로봇 그리서를 이용한 기구 선택 및 프로브 조작.

주요 결과
본 연구는 표준화된 RIOUS 워크플로우가 평가된 네 가지 플랫폼 모두에서 실행 가능하며 재현 가능하다는 것을 성공적으로 입증하였다.

• 하드웨어 통합: 두 종류의 드롭인 프로브 모두 모든 시스템에서 프로브 탈락, 케이블 엉킴 또는 로봇 암 간섭 없이 체내에 삽서 및 조작되었다. 더 작은 L51K 프로브는 좁은 공간에서 이점을 제공하였고, L43K는 더 큰 구조물에 대해 우수한 영상 품질을 제공하였다.
• 영상 디스플레이: 모든 시스템에서 실시간 B-모드 영상이 외과의 콘솔에 성공적으로 표시되었으나, 통합 방식은 서로 달랐다:
  • da Vinci Xi: 동시 분할 뷰 디스플레이를 위해 네이티브 TilePro™를 활용하였다.
  • Hugo™ RAS: 콘솔 인접 보조 모니터로 신호를 전송하기 위해 Touch Surgery™ DS1 생태계를 사용하는 외부 워크플로우가 필요하였다.
  • Toumai: 내시경 뷰 위에 초음파를 오버레이하는 네이티브 Picture-in-Picture (PiP) 기능을 사용하였다.
  • hinotori™: 시스템 타워 연결을 통한 분할 뷰 또는 트리플 뷰 기능을 활용하였다.
• 기구 활용: 모든 플랫폼에서 표준 로봇 기구를 사용하여 안정적인 파지와 조작이 이루어졌다. 특정 선호 그리서는 시스템마다 차이가 있었으나 (예: da Vinci Xi의 경우 Maryland bipolar forceps, Hugo RAS 및 Toumai의 경우 Cadiere forceps), 클립 파지 안정성 측면에서 두 프로브 모델 간의 유의미한 차이는 관찰되지 않았다.
• 일관성: 핵심 절차 단계(기기 배치, 트로카 전략, 프로브 삽입)는 모든 시스템에서 일관되게 유지되었으며, 차이점은 실내 배치, 시각화 방식, 특정 기구 선호도에 국한되었다.

주요 기여

1. 최초의 다중 플랫폼 시연: 본 연구는 네 가지 구조적으로 상이한 로봇 시스템에서 동일한 실험 조건하에 수행된 최초의 RIOUS 워크플로우 기술 시연이다.
2. 표준화된 프로토콜: 본 연구는 각 시스템의 기술적 특수성을 다루면서도 공통된 절차적 프레임워크를 유지하는 재현 가능한 시스템 불가지론적 6단계 프로토콜을 확립하였다.
3. 시스템 불가지론적 생존 가능성: 본 연구는 시스템 불가지론적 드롭인 프로브가 플랫폼 간 기술 전수를 촉진하여, 각 로봇 제조사를 위한 독점적 하드웨어 개발의 경제적, 기술적 부담을 줄일 수 있음을 검증하였다.
4. 교육 자원: 본 연구는 각 플랫폼에 대한 전체 워크플로우를 기록한 네 가지 구조화된 비디오 기반 참조 자료를 생성하였으며, 이는 외과의 훈련 및 RIOUS의 로봇 수술 커리큘럼 통합을 지원하기 위한 목적이다.

의의 및 주장
본 논문은 재현 가능한 플랫폼 불가지론적 RIOUS 워크플로우가 기술적으로 가능하다는 점을 주장하며, 이는 로봇 초음파 조작 숙련도가 완전히 별개의 학습 커리큘럼 없이도 서로 다른 로봇 시스템 간에 전이될 수 있음을 시사한다. 이러한 발견은 현장의 중요한 공백을 메우며, RIOUS의 도입을 제한하는 "플랫폼별 고립(platform-specific silos)" 현상을 방지할 수 있다.

저자들은 이 작업이 원격 운영자가 영상 유도 하에 드롭인 프로브를 조작하면서 주 수술자가 수술을 수행할 수 있는 원격 수술(telesurgery) 및 **원격 멘토링(tele-mentoring)**의 미래 적용을 위한 절차적 토대를 마련한다고 강조한다. 또한, 본 연구는 RIOUS가 조직 특성 파악 및 병변 국소화를 위한 추가적인 시각 정보를 제공함으로써 로봇 수술의 햅틱 피드백 부재를 부분적으로 보완할 수 있다고 상정한다.

저자들은 본 연구가 팬텀 모델에 국한되었으며 단일 포트 시스템이나 공식적인 원격 수술 시뮬레이션을 포함하지 않았음을 인정하며, 자신들의 주장에 대해 겸허한 태도를 유지한다. 그들은 절차적 프레임워크는 전이 가능하지만, 초음파 판독 기술의 교차 플랫폼 전이 가능성에 대해서는 추가적인 공식 조사가 필요함을 강조한다. 결론적으로, 표준화된 비디오 문서화와 시스템 불가지론적 하드웨어는 협력적이고 영상 유도되는 로봇 수술을 향한 실질적인 단계이다.