탐 크루즈스티븐 스필버그가 공동 제작한 것으로 유명한 영화 <마이너리티 리포트>는 2054년의 미래의 워싱턴을 배경으로 다양한 미래사회의 모습을 보여준다.

원작자는 <블레이드 러너>, <토탈리콜>로도 잘 알려진 SF소설의 거장 필립 K. 딕(Philip K. Dick)으로, SF영화가 보여준 미래의 모습들은 이제 차츰 현실화되고 있으며 그 변화의 흐름에 있어 의학 분야 역시 예외가 아니다.

이 영화의 주인공 존 앤더튼(톰 크루즈)은 범죄가 일어나기 전 범죄를 예측해 범죄자를 단죄하는 최첨단 치안 시스템 프리크라임의 팀장이다. 존 앤더튼은 천부적인 감각으로 미래의 범죄자를 추적해내는 능력을 가졌는데, 프리크라임 시스템에서 믿을 수 없는 살인이 예견된다. 그것은 바로 앤더튼 자신이 누군가를 살해하는 범행 장면으로, 이 때부터 앤더튼은 무엇인가 모르는 음모를 파헤치고, 미래를 바꾸기 위해 직접 미래의 피살자를 찾아 나선다는 줄거리이다.

영화는 감각적인 연출과 뛰어난 영상, 그리고 정교한 세트와 설정에 있어 최고의 수작으로 꼽히고 있다.

특히 홍채를 인식하여 신원을 알아내는 시스템을 피하기 위해 안구이식을 받고, 급박하게 전개되는 상황 속에서 거미처럼 생긴 로봇이 수술 직후의 주인공을 추적해서 검사하는 장면은 가장 긴박하고도 재미를 느낄 수 있는 대목이다.

SF영화에서 빠지지 않는 소재가 바로 이 로봇이다.  단순한 산업용 로봇에서부터 I-Robot의 인간의 감정과 양심까지 느끼는 정교한 인간형 로봇까지, 최근 개봉한 많은 SF영화들이 다양한 로봇을 등장시키고 있는데, 로봇과 의학의 만남은 이미 현재진행형이다.




로봇을 이용한 수술은 인간의 손보다 뛰어난 정밀도로 다른 신체조직을 다치게 하지 않고 수술을 해내는 장점이 있다.  로봇이 외과용 수술도구로서 임상적으로 적용된 최초의 사례는 1992년 인공고관절 수술에 로보닥(RoboDoc system) 장비가 적용된 것이다.

미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 높였다.  현재 이 기술을 개발한 회사가 한국 모기업에 의해 인수가 되어 국내에서도 활발하게 시술되고 있다.  복강경을 이용한 수술기법을 대체하기 위해 1997년 미국 인튜티브 서지컬다빈치(Da Vinci)라는 네 개의 로봇 팔을 가진 수술시스템을 개발했다.  다빈치를 이용한 전립선암 수술이 대성공을 거두면서 전 세계 종합병원에서 수 백대나 팔려 나갔으며, 국내에서도 여러 대학병원에서 이 로봇 시스템을 도입해서 운용을 하고 있다.

더 나아가서는 이제 더이상 칼이나 가위와 같은 기계적인 수술법이 아닌, 컴퓨터로 수술계획을 만들면 정교하게 움직이는 로봇팔에 의해 실과 같은 방사선 빔을 조사해서 수술을 하는 방사선수술로봇도 개발되었다.  대표적인 로봇이 사이버나이프인데, 가장 최신의 4세대 사이버나이프가 국내에서도 우리들병원, 인하대병원, 순천향대병원 등에 도입되어 암 치료에 적극적으로 이용되고 있다. 




이와 같이 영화속에서 등장하는 다양한 로봇의 기술들을 병원에서 만나보는 것이 이제는 더 이상 신기하기만 한 것이 아니게 되었다.  국내의 로봇기술은 세계적인 수준으로 지나치게 고가인 현재의 외국장비들이 머지 않은 장래에 국내 로봇기술로 개발된 우수하면서도 저렴한 첨단 로봇수술장비들로 대체될 날을 기대해본다.


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하이컨셉
미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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외과의사들이 본격적으로 의학에 큰 영향을 미치게 된 것은, 앞선 포스트에서 설명한 1차 수술혁명에 의해 현대적인 수술방법이 도입된 이후의 일입니다.  현대의 수술을 있게 한 1차 수술혁명인 마취법과 멸균법의 개발, 항생제의 발명과 X-ray의 발견, 그리고 수혈방법의 정립에 의해 심각하게 손상을 입은 장기나 조직으로 접근해서 이를 절제하고, 남은 부분을 최대한 이용하여 최소한의 기능 손상만을 남기도록 하는 여러가지 수술방법이 만들어졌다고 할 수 있습니다.

사실 수술이라는 것이 말은 거창하게 들릴 수 있지만, 실상 하는 일의 원칙은 어느 수술이나 동일합니다.  이를 정리하면,


1.  병든 조직을 제거한다 (대부분 메스나 가위 등을 이용함)
2.  병든 조직에 접근할 때까지 최대한 정상조직을 상하지 않도록 한다.
3.  어쩔 수 없거나, 또는 의도적으로 혈관 등을 건드렸을 경우 지혈을 한다.
4.  병든 조직을 제거하고 남은 조직들이 최대한 정상적으로 남아 있을 수 있도록 뒷처리를 한다
    (바늘과 실로 꼬매거나, 정상적으로 지나가야할 통로를 잘라낸 경우 이를 통하게 하거나 - 
     위를 잘라내면 식도와 장을 연결, 혈관을 잘랐으면 혈관의 아래와 위를 연결하는 등의 일)
5.  마지막으로 상처를 봉합한다.


어찌보면 옷이나 기계 같은 것을 수리할 때 이용되는 여러 도구들이 그대로 이용된다는 점에서 일반인들이 생각하는 그런 환상적인 일과는 거리가 좀 있다고 할 수 있습니다.

20세기 후반의 생명과학 및 공학 기술의 발전은 이러한 1차 수술혁명에서 진일보한 '2차 수술혁명'을 가능하게 만들고 있습니다.  사실 "2차 수술혁명"이라는 용어 자체는 최근의 급격한 수술환경의 변화를 총체적으로 표현하기 위해서 필자가 부르기 시작한 용어입니다만, 그 정도의 혁명적인 변화가 시작되었다고 봅니다.  

2차 수술혁명은 환자의 질병이나 손상이 있는 부위를 최소침습적인(minimally invasive) 방법으로 정확하게(accurate) 절개하고 제거한 뒤에 제거한 조직이나 기관의 기능을 정상에 가깝게 기능하도록 복원(restoration)하는 것까지를 목표로 하고 있습니다.  이를 위해 수 많은 공학 기술이 이미 도입되고 있으며, 앞으로도 2차 수술혁명에 필요한 새로운 공학 기술의 발전이 필요하게 될 것이라고 봅니다.  수술공학(surgical engineering)은 이러한 2차 수술혁명을 가능하게 하는 기반기술이라고 할 수 있겠습니다.

2차 수술혁명을 위한 수술공학의 근본적인 목표를 세분화해서 정리하면 다음과 같은 4가지 요소로 정리해볼 수 있습니다.



최소침습시술/수술 (Minimally Invasive Procedure/Surgery)

최소침습시술 또는 수술은 의학적인 시술이나 수술을 가능한 최소한의 피부절개나 작은 구멍을 뚫거나, 해부학적으로 깊숙히 접근 가능한 우리 몸의 구조(구강, 비강, 항문 등)를 최대한 활용하여 질병이 있거나 손상이 있는 부위에 접근하여 치료를 하는 것을 말합니다. 최소침습수술은 환자에게 수술과정에서 생기는 손상을 최소화하기 때문에 통증도 적고, 상대적으로 병원에 입원해 있는 기간이 짧아지게 되며, 회복과 비용의 측면에서도 훨씬 유리합니다. 또한, 흉터나 큰 수술로 인한 부작용의 발생가능성도 적어지지요.

최소침습시술을 가능하게 만든 가장 큰 공헌자는 광섬유 케이블과 초소형 비디오 카메라, 그리고 최첨단 광학기술로 무장한 첨단 내시경/복강경의 개발입니다. 이러한 내시경/복강경을 이용하여 최소한의 상처만을 내고도 질병 부위에 접근할 수 있게 되었고, 이를 통한 여러 가지 수술방법들이 개발되었습니다.  여기에 최근에는 로봇 수술이나 의학영상 기술이 접목되어 보다 정확한 수술이 가능해지고 있습니다.  또한 초정밀수술과의 결합도 시도되고 있으며, 독자적으로 움직이는 수술로봇이나 무선조종이 가능한 캡슐내시경과 같은 형태로의 개발도 이루어지고 있습니다.


한국의 기술이 세계 최고 수준으로 평가받는 내시경을 이용한 침습 척추수술 장면
의사들의 기술도 중요하겠지만, 이를 가능하게 만든 내시경, 레이저 등의 기술개발이 있었기에 가능해짐


초정밀수술 (Hyper-Accurate Surgery)

초정밀수술은 인간의 눈과 손의 능력만으로는 하기 힘든 매우 작은 단위의 수술적 처치를 말하는 것으로, 쌍안현미경을 수술방에 도입하여 작은 혈관을 잇는 데에서 출발한 미세현미경수술(microsurgery)이 그 발전의 시발점이라고 할 수 있습니다. 보통 1mm 정도에 불과한 미세혈관접합술은 잘려진 수지를 접합하거나 우리 몸의 일부를 이식하는 과정에서 매우 중요한 수술로 역사적으로 많은 외과의사들이 그 기술을 조금씩 발달시켜 왔습니다다. 처음으로 현미경을 미세혈관수술에 도입한 것은 버몽대학(University of Vermont)의 J. 제이콥슨(J. Jacobson)이라는 혈관의사로 1960년 이비인후과에서 이용하는 현미경을 이용해서 1.4mm 정도 직경의 혈관을 접합하는 수술을 하였으며, 이 때 미세현미경수술(microsurgery)이라는 용어를 처음으로 사용하였습니다. 

최근의 의공학 기술의 발달로 초정밀수술도 여러가지 형태로 발전하고 있습니다. 대표적인 것으로는 기존의 미세현미경수술과 최소침습수술 기법의 결합, 보다 정밀한 컨트롤이 가능하도록 도와주는 수술장비의 개발, 최첨단 레이저 기술을 이용하여 세포수준의 조작이 가능해진 나노수술(nanosurgery), 컴퓨터를 이용하여 비침습적인 방사선 조사로 질병이 있는 조직을 선별적으로 제거하는 사이버나이프(cyber-knife) 기술을 이용한 수술 등을 들 수 있겠습니다.



수술용 현미경을 이용한 수술장면 (UCLA 메디컬 센터의 뇌하수체 선종 수술)
from http://neurosurgery.ucla.edu/body.cfm?id=431
 


인공조직 및 장기 (Artificial Tissue and Organ)

전통적인 수술의 목적이 질병이 있거나 손상된 조직이나 장기를 제거하고, 제거된 조직이나 장기의 기능 훼손을 최소화할 수 있도록 주변의 정상 조직과 이어 붙이거나 연결하는 것에 있었습니다.  그렇기 때문에, 제거를 하고 나면 생명에 위협을 줄 수 있는 필수 조직이나 장기에 질병이나 손상이 있는 경우에는 수술을 하지 못하거나, 일부분에 대한 수술만 시행할 수 있었지요.  이러한 한계를 극복하기 시작한 것이 장기 또는 조직이식(organ/tissue transplantation)을 통해서 입니다. 이식이란 파손된 기능을 대체할 목적으로 원래 존재하는 장소에서 다른 장소로 조직 또는 장기를 옮기는 것을 말하는 것으로 자기 자신의 조직 ·장기의 위치를 옮기는 자가이식, 타인의 것을 옮기는 동종이식, 종류를 달리하는 동물로부터 옮기는 이종이식 등이 있을 수 있습니다.

이식이라는 것 자체는 피부나 골절에 대한 결손을 복원할 목적으로 19세기 중반부터 행해진 오랜 역사를 가지고 있지만, 현대 수술의 역사에서 장기이식의 획을 그은 사건은 1945년 E. K. 란트슈타인과 C.A. 후프나겔이 일란성 쌍생아로부터 신장이식을 한 것이라 할 수 있습니다.  이를 시작으로 현대에는 동종이식의 경우 심장, 간, 폐, 골수 등 대부분의 핵심장기의 이식이 가능해 졌으며, 현재 임상외과 분야에서 가장 활발한 연구와 수술방법이 연구되고 있는 분야가 되고 있습니다.

이러한, 동종이식에 기반을 둔 이식의 경우 가장 문제가 되는 것은 필요로 하는 장기나 조직의 공급입니다.  뇌사자들의 기증에 의존하고 있는 현재의 공급 시스템으로서는 이식을 필요로 하는 수 많은 환자들의 수요를 충족시키는 것은 사실상 불가능합니다. 그렇기 때문에, 필요한 조직이나 장기를 인공적으로 만들어내거나 체외에서 그 기능을 대체하도록 하는 인공조직 및 장기기술은 의공학 및 수술공학에서 가장 중요한 역할을 가진 분야 중의 하나라고 할 수 있습니다. 인공신장 및 인공심폐장치를 필두로 인공혈관이나 관절, 식도와 혈액에 이르기까지 거의 인체 조직과 장기 전부분에 대한 연구들이 진행되고 있으며, 최근에는 조직공학(tissue engineering) 기술을 바탕으로 줄기세포나 자가세포에 바탕을 둔 재생의학( regenerative medicine)적인 접근도 많이 시도 되고 있습니다.

 

미래의 수술방 환경 (Operating Room of the Future)

앞서 언급한 여러 요소들이 최첨단 수술을 위한 새로운 수술도구나 기계, 영상기술 등에 대한 개발 필요성을 강조한 것이라면, 이러한 요소기술의 발전에 따른 수술절차의 질을 높이고 효율성 증진시키기 위한 통합기술의 중요성도 점점 증가하게 됩니다. 이런 목적으로 2004년 미래의 수술방 환경에 대한 워크샵이 조지타운대학에서 100 여명의 권위있는 의사 및 과학자들의 참여 속에 열렸으며, 여기에서 다음과 같은 5개의 세부분과를 구성하였습니다.


1. 수술 효율성과 워크플로우 (Operational Efficiency and Workflow)
2. 시스템 통합과 기술표준 (System Integration and Technical Standards)
3. 수술 로봇학 (Surgical Robotics)
4. 수술내 진단과 영상 (Intraoperative Diagnosis and Imaging)
5. 수술정보학 (Surgical Informatics)


이 중에서 3, 4번 세부분과는 앞서서 언급한 수술공학의 요소들과 중복되는 부분들이 있으나, 나머지 3개 분과의 내용은 주로 컴퓨터과학(Computer Scinece)과 산업공학(Industrial Engineering)적인 관점에서 미래의 수술방 환경에 대한 접근을 한 것으로 그 나름대로의 독특한 영역으로 구축되고 있으며, 의료정보학 연구와도 밀접한 관계가 있습니다.

현대의 기술발전이 앞으로 수술환경을 얼마나 많이 바꾸게 될 지 기대되지 않으십니까?   다음부터는 이 포스트에 소개된 여러 기술들과 현재 개발되고 있는 첨단 수술공학 관련 제품 및 연구들을 각각 소개하도록 하겠습니다.



참고문헌


1. Morris, PJ. Transplantation — A Medical Miracle of the 20th Century. N Engl J Med 2004;351:2678-80
2. Homepage of American Society for Artificial Internal Organ (http://www.asaio.com/)
3. OR2020 - The Operating Room of the Futre, Worksho Report, 2004 (http://or2020.org/OR2020_REPORT/Report_Files/)


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