현재 수술 로봇 시장의 지배자 daVinci 다빈치 로봇

 아마 뭐 제가 로봇 시장 전체를 다 알진 않지만, 제가 알기로는 아직은 로봇으로 돈 버는(^^) 시장이 형성되어 있는 곳이 별로 없습니다. 그 중에서 가장 규모가 큰 시장이라고 하면 기존의 산업용 로봇과 함께 바로 수술용 로봇 시장과 군사용 로봇 시장일 겁니다. 아주 아주 어쩌다가 그냥 뒷걸음질 치면서 바닥을 기는 수준이었지만, 예전에 저는 군사용 로봇을 아~주 잠시 했었습니다.[바로가기] 뭐 시장 진입도 못하고 그저 장난감 수준이었습니다.ㅠㅠ. 그리고 지금은 수술용 로봇 분야에 살짝 몸을 담고 있네요. 그러다 보니 두 시장(다시 말씀드리지만 그저 허접떼기 구경만 한 수준이라는 것을 계속 기억해주어야합니다.)을 비교하는 것도 또 한 재미있는 일입니다. 뭐 여하튼 수술용 로봇 시장에서는 지배자라고 불러도 괜찮을 독점적 일등 기업의 제품이 있습니다. 바로 Intuitive Surgical의 daVinci입니다. 오늘은 그 다빈치에 대한 이야기를 좀 해볼까 합니다.^^. 그리고 미리 말씀드리지만, 제가 적는 글이 다~ 그렇지만(ㅠㅠ) 이 글 또한 단지 관심을 가지고 인터넷만 두드리면 나오는 자료를 그냥 이리저리 편집한 글로서 뭐 사료나 기술적인 부분으로서의 가치를 가지는 글은 절~대 아닙니다.

수술 로봇 다빈치(daVinci)의 역사

 얼마전에 SRI International이라는 괴물(^^)같은 회사를 한 번 소개했었는데요.[바로가기] 그 글에서도 이야기를 했지만, daVinci를 만든 Intuitive Surgical은 SRI International의 수술용 로봇에서 시작되었습니다. Frederic Moll, John Freund, Robert Yunge라는 분들이 SRI International에서 수술용 로봇의 지재권을 가져와서 회사를 설립(당시에는 Intuitive Surgical Device, Inc.라는 이름)했다고 합니다^[각주:1]. 1980년대 부터 SRI가 개발하던 로봇의 기술과 지재권을 받아 1995년에 설립된 Intuitive Surgical이 미국 FDA 승인을 받은게 2000년이라고 합니다. FDA 승인에 걸린 시간이 상당히 짧은데 아마 그건 수술용 로봇의 컨셉이 처음 잡히던 시절이라 승인 절차가 간소했던게 아닐까 합니다. (깊이를 가늠할 수 없는 초박형 지식이라 그저 추측일 뿐입니다.^^)

1990년대에는 오히려 시장 1위였던 Computer Motion의 Zeus 시스템(좌)과 현재 시장 1위인 Intuitive Surgical의 daVinci(우). 사진 출처 : SurgRob Report

 사실 지금 Intuitive Surgical의 daVinci는 경쟁자가 없어보입니다. 그러나 처음 FDA 승인을 받던 2000년, 혹은 처음 유럽에서 수술에 적용되던 1999년에는 분명 경쟁자가 있었습니다. 바로 ZEUS와 Aesop 시스템을 개발한 Computer Motion이었습니다. 뭐 daVinci와 Zeus의 싸움이었지요. 4년 정도의 긴~ 특허 전쟁이었다고 합니다. 모르긴 몰라도 아마 의사들 사이에서는 인본주의(르네상스)와 신(제우스)과의 싸움이라고 농담하는 사람도 있었겠죠^^. 아무튼 이 싸움에는 두 회사만 있는 건 아니었습니다. Aesop 시스템에는 음성인식을 통한 로봇 제어 기능이 있었는데요. 이 기능에 대해 IBM이 특허 소송을 걸어두고 있었습니다. 소송 직전만 해도 Zeus 시스템 vs daVinci의 판매량은 50 vs 90 정도로 Computer Motion이 Intuitive Surgical에 밀리고 있었던 모양인데요. 그래서 이 특허 전쟁은 신들(Zeus)이 먼저 시작한 모양입니다. 물론 이 전쟁은 Intuitive Surgical이 Computer Motion을 합병하면서 끝났죠.^[각주:2] 그리고 그냥 주워들은 이야기입니다만, 당시 Intuitive Surgical이 Computer Motion에 승리할 수 있었던 이유는 너무나 자본력이 거대했던 IBM과의 특허 전쟁에서 Computer Motion의 자금력이 부족했기 때문이었다고 하네요. 결국 두 회사의 장점을 살려서 지금의 daVinci의 주요 3대 개념이 나타납니다. 바로 Surgical Robotics, Tele-surgery, Operating Room Intergration입니다. 

심장 수술에 관련된 Computer Motion의 기본 특허. US 6244809 B1 2004.11.18일자로 Intuitive Surgical로 특허의 주인이 바뀐다. 그나저나 확실히 daVinci의 개념과 참 비슷하다^^.

 1990년대에 의료용 로봇과 각 종 시스템으로 시장을 리드하던 Computer Motion을 2000년대에 들어오면서 합병하고 난 후에는 사실 경쟁자가 없었습니다. 결국 Intuitive Surgical의 daVinci는 classic, S, Si에 이어서 Xi라는 최신 버젼을 발표하죠. 이미 세계 시장에서는 경쟁자가 없습니다. 사실 복강경 수술 로봇 중 FDA 승인까지 받아서 실제 판매되고 있는 로봇도 daVinci 뿐이다라고 해도 과언이 아닙니다. 아래 표에 나온 2015년 1,2,3월 3개월간 다빈치라는 로봇을 팔아서 141밀리언달러, 즉. 1600억원, 인스트루먼트와 액세사리등으로 277.2밀리언달러, 즉, 3100억원. 그리고 (뭔진 잘 모르겠지만) Services로 1300억원 정도... 결국 2015년 3월까지 3개월간 번 돈이 무려 우리나라 돈으로 6천억원^[각주:3]정도입니다. 뭐 단순 계산하면 2조 4천억원 정도를 2015년 한해동안 벌 예정이군요^^.

출처 : Intuitive Surgical 홈페이지. 단위가 밀리언 달러다. 그것도 3개월 동안.ㅠㅠ.

daVinci 다빈치를 기준으로 본 로봇 수술의 기본 개념

daVinci Classic 모델로 초창기 모델이며, 의사가 조종하는 장치와 환자에게 수술하는 장치가 있다. 또 3D 카메라를 이용하여 수술 부위를 관촬한다. 출처 : http://www.davincisurgery.com/

 다빈치를 이용한 수술 장면의 전형적인 모습입니다. 수술할 환자의 몸에 Surgical Robot의 팔(Arm)이 들어갑니다. 그 팔 중 하나는 3D 카메라이며, 비젼 장치를 통해 의사에게 그 모습을 보여줍니다. 그리고 그 영상을 보면서 의사는 별도의 원격 조종 장치를 통해 수술을 진행합니다.

출처 : Johns Hopkins Medicine의 Robotic Surgery 문서 중

 위에 나타난 일반적인 개념도를 보면 의사가 Console에서 조종간을 움직입니다. 그러면 그 조종간은 Patient-Side Cart에 있는 로봇암과 그 암에 장착되어있는 EndoWrist라는 인스트루먼트(instrument)를 구동하게 됩니다. 그리고 암 중에 하나에 달려있는 카메라에서 찍은 영상이 3D로 비젼 처리되어 다시 의사에게 전달되는 구조입니다. 상당히 쉽게 구동되는 원리인듯 하지만, 역시 여러가지 기술적 난점이 있습니다만... 일단 그건 뭐 넘어가고 이렇게 수술하면 뭐가 장점이 되는 것이며 또 꼭 필요한 개념은 어떤건지 이야기를 해보아야 할 듯 합니다.^^.

daVinci와 같은 수술용 로봇의 장점 - 높은 자유도의 Instrument

 일단 로봇 수술말고 일반적인 복강경 수술에 대해 좀 알아둘 필요가 있네요. 복강경 수술은 개복 수술과는 달리 카메라와 인스트루먼트(instrument)라고 하는 수술용 도구가 들어가는 최소 절개만 해서 수술하는 것을 이야기합니다.

딱 맞는 그림은 아니지만 복강경 수술의 개념을 잘 표현한듯 하다. 출처 : Laparoscopic Surgery For Uterine Fibroids (http://blog.credihealth.com/)

음...  그림으로 보면 뭐 살짝 문제없어 보이지만...

그러나 복강경은 인스투르먼트의 자유도에 한계가 있다. 출처 http://www.surginno.com/

실제 수술은 위 사진처럼 상당히 불편합니다. 일단 집도하는 의사들의 불편함이 엄청난데요. 이유는 손목을 구현할 수 없기 때문입니다. 저렇게 손으로 인스트루먼트를 움직이면 환자의 몸속에 있는 기구의 끝단에 많은 자유도를 줄 수가 없거든요. 

Surgical Instrument의 예

 그러나 daVinci와 같은 수술용 로봇들은 그 자유도를 충분히 줄 수 있습니다. 마치 의사가 손을 직접 환자의 몸속에 넣은것 처럼 말이죠.

출처 : http://www.davincirobotikcerrahi.com/

실제 다빈치의 조종간과 그에 따른 환자 몸속에서 움직이는 인스트루먼트 끝단의 움직임. 출처 : http://www.davincirobotikcerrahi.com/

 위 그림처럼 로봇의 조종간이 아주 복잡하고 정교하게 또 손의 움직임을 잘 추종할 듯이 보이죠?^^. 그에 따라 인스트루먼트가 아주 자연스럽게 움직이게 되는 거죠.

그래서 다빈치는 한때 손목과 인스트루먼트를 비교하는 이런 사진을 광고용으로 사용했다. 출처 : http://www.davincirobotikcerrahi.com/

 위 그림을 보면 무슨 이야기인지 알 수 있습니다. 의사가 손으로 직접하는 복강경 수술보다 로봇 수술이 확실히 더 많은 자유도를 가지고 쉽게 진행될 수 있다는 것이지요. 이것으로 인해 수술용 로봇의 장점이 모두 나타납니다. 당연하지만 복강경 수술의 장점을 포함해서 말이죠. 그게 결국은 최소침습수술이 구현되고, 그럼에도 불구하고 집도하는 의사가 불편함 없이 수술을 수행할 수 있으며 심지어 여러가지 안전장치와 기능들로 환자의 수술 성공률을 높이는 장점들이 따라오게 되는거죠.

daVinci와 같은 형태의 수술용 로봇의 불안정한 상태를 보완해 주는 개념 Remote Center of Motion

위 동영상을 보면 특이한 움직임이 보일겁니다. 바로 제일 우측 보라색 구동부가 움직이면 나머지는 평행사변형의 링크 구조로 되어 있어서 추가적인 구동원이 없는 상태에서 우측의 구모양의 표면에 있는 점을 기준으로 구동되는 것입니다. 즉, 움직임(motion)의 중심(center)을 이동시킨(remote)거죠. 이런 것을 Remote center of motion (RCM)이라고 합니다. 이 RCM을 사용하는데 있어서의 장점은 환자 몸에 삽입되는 최소한의 통로만 확보하고, 환자와 로봇간의 충격을 최소화하며, 기구학적 문제를 풀때 심플한 솔루션을 제공할 수 있기 때문입니다.

 RCM (Remote Center of motion)의 개념의 유용성을 가장 잘 설명할 수 있는 동영상 중에 하나라고 생각되는걸 위에 공유합니다. 아주 쉽게 이야기하면 움직이지않는 고정점을 가상으로 구현하고, 그 점으로 부터 다시 움직임이 구현되는 것이지요.

다빈치를 조종하는 의사는 위에 보이듯 작은 화면안만 볼 수 밖에 없다. 이는 수술중 다른 장기를 건드릴 수 있는 위험이 있다.

 위에 보이듯이 의사가 console 장치에 앉아서 조종간을 움직일때 보는 3D 화면은 인스트루먼트가 화면안에 들어와 있는 장면입니다. 그러나 만약 저 인스트루먼트가 의사가 보는 바깥범위에서 예상치 못하는 움직임을 가지면 수술 자체가 위험해 질 수 있습니다. 실제로 다빈치로 수술할때도 많은 어시스턴트가 필요한데 이때 의사들이 하는 말은 "난 화면만 보니까 다른 움직임이나 보조 행동을 잘 해줘요~~~"라는 말입니다. 이럴때 RCM은 최소한의 안전장치가 되는 거죠. 물론 환자의 피부도 최소절개 상태로 다시 최소한의 흉터로 복구되는 중요한 부분이지만요.

한번 언급한 적이 있는 SRI와 함께 무서운 일을 많이 한 IBM의 왓슨연구소에서 일하던 Taylor라는 아저씨가 1992년에 출원한 RCM 특허이다.

위 특허는 Russel H. Taylor라는 분이 IBM 왓슨 연구소에서 출원한 RCM 특허로 제목은 Remote Center of Motion Robot for Surgery라는 무서운 이름의 1992년도 특허^[각주:4]입니다. IBM의 특허와 비슷한 시기에 SRI International[바로가기]에서도 특허를 출원합니다.

SRI International에서는 Remote Center of Motion이라는 용어가 아니라, Remote Center of Rotation^[각주:5]입니다만, 뭐 아무튼 비슷한 이야기입니다. 그리고, 또 뭐 당연하지만, 비슷한 특허들이 엄청 많죠~~~ Intuitive Surgical도 가지고 있습니다.

Intuitive Surgical의 RCM 특허중 일부

Intuitive Surgical이 가지고 있는 RCM관련 특허중 일부^[각주:6]입니다. 아 위에 언급한 세 개의 특허는 그냥 검색이 쉽게 되서 언능 인용한 것이지 뭐 원천 특허니 아니니할 주제는 아닙니다.^^. 아래의 동영상에는 비록 최신 다빈치 버젼인 daVinci Xi는 아니지만, 위에서 이야기한 인스트루먼트와 RCM과 수술 중 동작등이 잘 나타나 있어서 보여드립니다.

daVinci Xi

흠.. 겨우 다빈치(daVinci Xi)의 새로운 버젼을 직접볼 기회가 있어서 그걸보고 그에 대해 멋지더라~~는 이야기를 할려는것 뿐이였는데 이렇게 글이 길어졌네요.ㅠㅠ. Intuitive Surgical은 작년(2014년)에 새로운 버젼의 다빈치를 출시합니다. 지금까지 나온 3번의 모델에서 엄청나게 진화하여 나온 모델인데요. 사실 수술용 로봇을 개발하는 엔지니어로서 이번 Xi를 보면서 전의를 상실했다고 해야하나요?? 아무튼.. 그랬습니다.ㅠㅠ. 그정도로 좋아보이더군요. 뭐 그래도 어쩌겠습니다. 출발선상이 달랐던 것을 말이죠^^.

daVinci Xi의 모델 컷. 솔직히 같은 엔지니어로서 이 사진 한 장에서 전율을 느낀다.ㅠ ㅠ. 출처 : Intuitive Surgical 홈페이지

위 사진은 daVinci Xi의 모델 컷입니다. 저 사진하나로도 저는 일종의 위압감을 느끼는데요. 이전 버젼에 비해 정~~말 멋지게 생긴 외모를 가졌으며, 각 암(arm)들은 모두 샤프해지고 이뻐졌습니다. 실제로 저 팔이 너무 가늘면 인체에 들어가서 무거운 장기를 들어올리기도 해야하는데 그런 동작들 중에 진동이 심해질 수 있으며, 또 인스트루먼트를 구동하는 모터와 많은 센서를 구동하기 위한 여러 신호 및 전력선들이 배치될 공간이 너무 작어져서 전력선과 신호선간의 간섭등으로 인한 노이즈등의 문제가 생길 수 있거든요. 그래서 기술적 난이도가 아주아주 필요하죠. 그런데 저렇게 완성한 것을 보면 그들의 노력에 박수를 보낼 수 밖에 없어요^ㅛ^.

짧은 동영상이니 daVinci Xi를 한 번 보시죠^^. 이정도 멋진 로봇은 몇 분의 시간을 투자해서 구경할 필요가 있습니다.^^.

이런 웅장한 로봇을 조종하는 쾌감은 아직... 의사 면허가 있어야만 가능하다. 아니면 직접 만들든지.....^^ 출처 : Intuitive Surgical 홈페이지

이번에 확 바뀐것은 인스트루먼트를 구동하는 와이어(wire)시스템을 버린 것입니다. 그것을 위해 인스트루먼트의 구동 휠의 방향이 90도로 바뀐것이지요. 그리고 카메라를 네 개의 암 중에서 어디든 다 연결할 수 있게 되었습니다.

위 동영상을 보시면, 이번의 신 버젼의 특징을 잘 알 수 있습니다. 현재 다빈치를 따라잡을려는 움직임이 많이 있습니다. 이탈리아, 캐나다, 프랑스, 독일, 일본, 중국, 물론 우리나라도 말이죠. 그러나 다빈치의 가장 무서운 점은 바로 이미 의료진에게 익숙한 시스템이라는 것입니다. 이런 몇 십억짜리 장비를 구비하기위해, 또 환자의 생명과 직결되는 문제를 가진 로봇을 선택할때 이미 시장의 지배적 위치에 있다는 것은 아주 유리한 점입니다. 또한 너~무 촘촘한 특허망을 빠져나가거나 대응하는 것이 문제입니다. 뭐 그렇든 말든... 오랜만에 좀 긴글을 올렸네요.. 언제나 그렇듯 두서 없이 말이죠^^

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Intuitive_Surgical [본문으로]
2. Report on the historical Intuitive Surgical vs. Computer Motion case [본문으로]
3. http://investor.intuitivesurgical.com/phoenix.zhtml?c=122359&p=irol-IRHome [본문으로]
4. 미국 특허 US5397323 A [본문으로]
5. US5931832 A [본문으로]
6. US6246200 B1 [본문으로]