미니 롤링 로봇이 가상 생체검사를 실시한다

연구자들은 신체 깊은 곳의 3D 스캔을 할 수 있는 작은 자기 로봇을 개발했는데, 이는 조기 암 발견에 혁명을 일으킬 수 있을 것입니다.

리즈 대학의 엔지니어가 이끄는 연구팀은 위장관(장) 내부 깊숙한 곳에 있는 탐침에서 고해상도의 3차원 초음파 이미지를 생성한 것은 이번이 처음이라고 밝혔습니다.

이 기술은 '가상 생검'을 가능하게 함으로써 여러 형태의 암에 대한 진단과 치료에 혁명을 가져올 길을 열었습니다. 가상 생검은 비침습적 검사를 통해 즉각적인 진단 데이터를 제공하고, 의사가 단일 시술로 병변을 발견하고, 병기를 결정하고, 잠재적으로 치료할 수 있게 해줍니다. 물리적 생검의 필요성을 없애줍니다.

팀의 성공에서 놀라울 수도 있는 열쇠는 잘 알려지지 않은 3D 형태인 올로이드를 사용한 것이었습니다. 올로이드 덕분에 자기 의료 로봇은 이전에는 불가능했던 범위(롤)의 동작이 가능해졌습니다. 이는 신체 내부의 정밀한 탐색과 영상 촬영에 필수적입니다.

오늘(3월 26일) Science Robotics 에 게재된 논문은 팀이 올로이드 모양과 독특한 롤링 동작을 새로운 자기 유연 내시경(MFE)에 통합한 방법을 설명합니다. 그들은 내부 조직의 자세한 3D 이미지를 캡처하기 위해 소형 고주파 이미징 장치를 장착했습니다.

이 기술은 Leeds 대학, Glasgow 대학, Edinburgh 대학의 엔지니어, 과학자, 임상의의 협업을 통해 개발되었습니다. Leeds는 프로브의 로봇 개발 및 통합을 주도했고, Glasgow와 Edinburgh는 초음파 프로브를 제공하고 이미징 구성 요소를 주도했습니다.

로봇공학 및 자율 시스템 분야의 교수이자 학과장이자 STORM 연구실의 책임자인 피에트로 발다스트리는 이 논문의 연구를 조정했습니다. 그는 "이 연구를 통해 처음으로 장 깊숙한 곳의 프로브에서 촬영한 3D 초음파 이미지를 재구성할 수 있게 되었습니다. 이는 이전에 한 번도 시도된 적이 없는 일입니다.

"이 접근 방식은 즉각적인 결과를 얻을 수 있는 대장암의 조직 분석 및 진단을 가능하게 합니다. 현재 대장암 진단 과정에는 조직 샘플을 제거한 다음 실험실로 보내야 하며, 결과는 1~3주가 걸립니다."

영상 장치(28MHz 마이크로 초음파 어레이)는 스캔하는 영역의 고해상도 3D 재구성을 생성합니다. 이 가상 재구성을 통해 임상의는 표준 생검에서 생성된 것과 유사한 단면 영상을 만들 수 있습니다. 표준 생검에서는 조직 샘플을 얇은 층으로 자르고 슬라이드에 올려 현미경으로 검사합니다.

고주파 또는 고해상도 초음파는 우리 대부분이 익숙한 초음파와 다릅니다. 이 초음파는 태아나 내부 장기를 보는 데 사용됩니다. 이 연구에서 사용된 고주파/고해상도 초음파 프로브는 사용자가 미세한 수준에서 조직 층 수준의 세부 사항까지 특징을 볼 수 있게 해줍니다.

3D 초음파는 이미 혈관과 직장에서 시행할 수 있지만, 이 연구를 통해 위장관에서 더 깊은 곳까지 3D 스캔을 시행할 가능성이 열렸습니다.

Leeds의 전자 및 전기 공학과 STORM 연구실의 일원인 대학원 연구원 Nikita Greenidge가 이 논문의 주저자입니다. 그녀는 "첨단 로봇 기술과 의료용 초음파 영상을 결합함으로써 우리는 이 혁신을 전통적인 대장내시경보다 한 걸음 앞서서 의사가 단일 시술로 진단하고 치료할 수 있게 함으로써 진단과 개입 사이의 대기 시간을 없앨 수 있습니다. 이를 통해 환자가 더 편안하게 시술을 받을 수 있을 뿐만 아니라 대기 시간을 줄이고 반복 시술을 최소화하며 잠재적인 암 결과를 기다리는 불안을 완화할 수 있습니다."라고 말했습니다.

그녀는 "대장암은 영국과 전 세계적으로 암 관련 사망의 주요 원인 중 하나이지만, 조기에 발견하면 치료 가능성이 매우 높습니다. 이 연구는 최소 침습적 접근 방식으로 조기 진단을 크게 개선할 수 있는 새로운 접근 방식을 제시하며, 앞으로는 더 효과적인 치료를 위해 초음파로 트리거되는 표적 약물 전달을 용이하게 할 수도 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구는 UKRI 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC), 유럽 위원회(EC), 유럽 연구 위원회(ERC) 및 NIHR 리즈 생물 의학 연구 센터의 자금 지원을 받았습니다. 이 연구에서는 두 개의 교차하는 수직 원으로 형성된 모양인 올로이드를 사용하면 자기 유연 내시경과 자기 의료 로봇의 손재주, 진단 기능 및 자율성이 전반적으로 크게 향상된다는 것을 발견했습니다.

올로이드 자기 내시경(OME)은 수지로 3D로 인쇄되었으며, 직경이 21mm에 불과했습니다. 1펜스 동전 크기였습니다. 즉, 로봇은 여전히 ​​굴릴 수 있지만 대장내시경과 같은 임상적 응용 분야에 실용적인 크기와 디자인이었습니다. 그 움직임은 대장, 식도, 위의 구조를 시뮬레이션하는 다양한 표면에서 테스트되었습니다.

이 기술을 인체 실험으로 발전시키기 위해, 연구팀은 먼저 인공 대장에서 시험을 실시한 다음, 돼지에서 연구를 실시했습니다. 이는 의료 기기 승인에 대한 규제 요건을 충족하는 데 필요한 단계였습니다. 그들은 Leeds에서 이전에 개발한 플랫폼인 로봇 제어 외부 영구 자석을 사용하여 조이스틱과 OME의 자율 제어를 모두 가능하게 했습니다. 내비게이션은 내장 카메라의 이미지와 자기 위치 추적 시스템의 도움을 받았습니다. 결과는 이 시스템이 다음을 수행할 수 있음을 보여주었습니다.

• 대장 내에서 조절된 굴리기 및 쓸기 동작을 성공적으로 수행합니다.
• 정확한 진단을 위해 고해상도 3D 초음파 스캔을 생성합니다.
• 위장관 조직의 병변을 식별하여 첨단 의료 영상 및 조기 질병 감지에 대한 잠재력을 보여줍니다.

그리니지 씨는 이 연구는 대장에서 수행되었지만 올로이드 모양의 구르는 특성은 다양한 자기 의료 로봇에 적용될 수 있으며, 잠재적으로 신체의 다른 부위로 적용 범위를 확대할 수 있다고 말했습니다.

연구팀은 이제 2026년에 시작될 수 있기를 바라며 인체 실험을 실시하는 데 필요한 모든 데이터를 수집할 예정입니다. 초음파 기능이 없는 로봇 대장내시경을 위한 리즈 플랫폼은 이미 인체 실험을 거치고 있으며, STORM 연구소에서 분리된 리즈 소재 회사인 Atlas Endoscopy에서 상용화하고 있습니다.

자기 로봇의 과학

자기장은 인체 조직을 무해하게 통과하여 작은 수술 로봇의 원격 조작을 가능하게 하므로 의료 응용 분야에 이상적입니다. 제어된 롤링 및 스위핑 동작은 신체 내부의 정밀한 탐색 및 이미징에 필수적입니다. 그러나 외부 자기장을 사용하여 원통형 로봇을 롤링하는 것은 불가능합니다.

원통형 자기 로봇은 5개의 자유도(물체가 움직일 수 있는 방식)만 달성할 수 있습니다. 이는 한계로 여겨졌습니다. 롤링 모션 없이는 3D 스캔이 불가능했기 때문입니다. 중력은 원통이나 구가 경사면을 따라 굴러가게 하지만, 외부 자기력을 사용하여 굴리게 하는 것은 불가능합니다.

올로이드를 활용하면 고유한 기하학이 자연스럽게 구르는 롤링 모션을 용이하게 하여 롤을 상하좌우 회전과 결합하기 때문에 이 문제가 해결되었습니다. 올로이드는 중심 축을 중심으로 대칭이 아니기 때문에 외부 자석이 바디 내부에 두 방향으로 토크(또는 비틀림 힘)를 가하여 롤링 모션을 일으킬 수 있습니다.

그리니지 여사는 "저희의 연구 결과는 의료 로봇에 대한 학제간 접근 방식에 새로운 가능성을 제시하며, 간단한 기하학과 같은 수학적 원리가 실제 의료 문제를 해결할 수 있는 방법을 보여줍니다."라고 말했습니다.

연구의 초음파 부분을 이끈 글래스고 대학의 의료 및 산업용 초음파 센터 샌디 코크런 교수는 "초음파 영상은 안전하고 저렴하며 필요한 곳에 정확히 배치할 수 있습니다. 의료용 초음파 영상과 최첨단 로봇공학을 연결하는 이 협력적 접근 방식을 통해 암 진단, 치료 및 환자 관리에 획기적인 변화를 가져오는 데 도움이 되기를 바랍니다."라고 말했습니다.

연구팀은 자신들이 이룬 발전이 내시경 검사에 근본적인 변화를 가져올 수 있다고 믿고 있습니다. 내시경 검사자는 자율 시스템이 일상적인 탐색 및 작업을 처리하는 동안 중요한 진단 및 치료 결정에 집중할 수 있게 됩니다.

또한 그들은 OME의 향상된 손재주와 진단 능력이 대장내시경 검사의 성별 불균형을 해소하는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다. 왜냐하면 표준 유연 내시경 검사는 일반적으로 여성에게 더 어렵고, 이로 인해 불완전한 검사 비율이 높아지는 경향이 있기 때문입니다.

EPSRC 연구부문 이사인 제인 니콜슨은 "첨단 기술 개발의 진전으로 암 진단과 치료에 혁명을 일으킬 수 있는 빠르고 비침습적 솔루션이 개발되고 있습니다.

"대장암과 같은 고발병률 암에 대한 시술의 정확도와 통제력을 개선함으로써 이 학제간 팀의 노력은 암 탐지 및 치료에 있어서 상당한 진전을 가져올 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250326154441.htm