초고화질 수술용 현미경의 기술적 발전과 임상적 응용

 

수술용 현미경현대 의학 분야, 특히 신경외과, 안과, 이비인후과, 최소 침습 수술과 같은 고정밀 분야에서 매우 중요한 역할을 하며, 필수적인 기본 장비로 자리 잡았습니다. 고배율 기능을 갖춘수술용 현미경현미경은 자세한 시야를 제공하여 외과의가 신경 섬유, 혈관, 조직층 등 육안으로는 보이지 않는 세부적인 부분까지 관찰할 수 있도록 하여 수술 중 건강한 조직의 손상을 방지하는 데 도움을 줍니다. 특히 신경외과에서 고배율 현미경은 종양이나 병변 조직의 정확한 위치를 파악하여 절제 경계를 명확하게 하고 중요 신경 손상을 방지하여 환자의 수술 후 회복을 향상시킵니다.

기존의 수술용 현미경은 일반적으로 표준 해상도의 디스플레이 시스템을 갖추고 있어 복잡한 수술 요구를 충족하는 데 충분한 시각 정보를 제공합니다. 그러나 의료 기술의 급속한 발전, 특히 시각 기술 분야의 획기적인 발전으로 인해 수술용 현미경의 영상 품질은 수술 정밀도 향상에 중요한 요소로 점차 자리 잡았습니다. 초고화질 현미경은 기존 수술용 현미경에 비해 더욱 세부적인 정보를 제공할 수 있습니다. 4K, 8K 또는 그 이상의 해상도를 갖춘 디스플레이 및 영상 시스템을 도입함으로써 초고화질 수술용 현미경은 외과의가 미세 병변과 해부학적 구조를 더욱 정확하게 식별하고 조작할 수 있도록 하여 수술의 정밀도와 안전성을 크게 향상시킵니다. 이미지 처리 기술, 인공지능, 가상 현실의 지속적인 통합을 통해 초고화질 수술용 현미경은 영상 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 수술에 대한 더욱 지능적인 지원을 제공하여 수술 과정을 더욱 정밀하고 위험도를 낮추는 방향으로 이끌고 있습니다.

 

초고화질 현미경의 임상적용

영상 기술의 끊임없는 혁신으로 초고화질 현미경은 매우 높은 해상도, 뛰어난 영상 품질, 실시간 동적 관찰 기능 덕분에 점차 임상 응용 분야에서 중추적인 역할을 하고 있습니다.

안과학

안과 수술은 정밀한 수술이 필요하므로 높은 기술 기준이 요구됩니다.안과 수술 현미경예를 들어, 펨토초 레이저 각막 절개술에서 수술용 현미경은 고배율을 제공하여 전방, 안구 중앙 절개를 관찰하고 절개 위치를 확인할 수 있습니다. 안과 수술에서는 조명이 매우 중요합니다. 현미경은 낮은 광량으로 최적의 시각 효과를 제공할 뿐만 아니라 특수한 적색광 반사를 생성하여 전체 백내장 수술 과정에 도움을 줍니다. 또한, 광간섭단층촬영(OCT)은 안과 수술에서 표면하 시각화를 위해 널리 사용됩니다. OCT는 단면 영상을 제공하여 정면 관찰로 인해 미세 조직을 볼 수 없는 현미경 자체의 한계를 극복할 수 있습니다. 예를 들어, Kapeller 등은 4K-3D 디스플레이와 태블릿 컴퓨터를 사용하여 현미경 일체형 OCT(miOCT)(4D-miOCT)의 효과 다이어그램을 자동으로 입체적으로 표시했습니다. 사용자 주관적 피드백, 정량적 성능 평가 및 다양한 정량적 측정을 기반으로, 백색광 현미경에서 4D-miOCT를 대체하는 4K-3D 디스플레이 사용의 타당성을 입증했습니다. 또한, Lata 등의 연구에서는 선천성 녹내장과 함께 황반변성을 동반한 16명의 환자 사례를 수집하여 miOCT 기능이 있는 현미경을 사용하여 수술 과정을 실시간으로 관찰했습니다. 수술 전 매개변수, 수술 세부 사항, 수술 후 합병증, 최종 시력 및 각막 두께와 같은 주요 데이터를 평가함으로써, miOCT가 의사가 조직 구조를 파악하고 수술을 최적화하며 수술 중 합병증 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있음을 궁극적으로 보여주었습니다. 그러나 OCT가 유리체망막 수술, 특히 복잡한 증례와 새로운 수술(예: 유전자 치료)에서 점차 강력한 보조 도구가 되고 있음에도 불구하고, 일부 의사는 높은 비용과 긴 학습 곡선으로 인해 임상 효율성을 진정으로 향상시킬 수 있는지 의문을 제기합니다.

이비인후과

이비인후과 수술은 수술용 현미경을 활용하는 또 다른 외과 분야입니다. 얼굴 특징에는 깊은 구멍과 섬세한 구조가 존재하기 때문에 확대 및 조명은 수술 결과에 매우 중요합니다. 내시경을 사용하면 좁은 수술 부위를 더 잘 볼 수 있는 경우도 있지만,초고화질 수술용 현미경깊이 인식을 제공하여 달팽이관과 부비동과 같은 좁은 해부학적 영역을 확대하여 중이염이나 비용종과 같은 질환을 치료하는 의사를 지원합니다. 예를 들어, Dundar 등은 2010년에서 2020년 사이에 이경화증으로 진단받고 수술을 받은 84명의 환자를 대상으로 등자 수술에 대한 현미경 및 내시경 방법의 효과를 비교했습니다. 수술 전후의 기도-골전도 차이의 변화를 측정 지표로 사용한 최종 결과는 두 방법 모두 청력 향상에 유사한 효과를 보였지만, 수술용 현미경이 조작이 더 쉽고 학습 곡선이 더 짧다는 것을 보여주었습니다. 마찬가지로 Ashfaq 등이 수행한 전향적 연구에서 연구팀은 2020년에서 2023년 사이에 이하선 종양 환자 70명을 대상으로 현미경 보조 이하선 절제술을 시행하여 안면 신경 식별 및 보호에 있어 현미경의 역할을 평가하는 데 중점을 두었습니다. 연구 결과에 따르면, 현미경은 수술 시야 선명도 향상, 안면신경의 주요 줄기와 가지의 정확한 식별, 신경 견인 감소 및 지혈에 상당한 이점을 제공하여 안면신경 보존률 향상에 중요한 도구로 활용될 수 있습니다. 또한, 수술이 점점 더 복잡하고 정밀해짐에 따라, 증강현실(AR) 및 다양한 영상 모드와 수술 현미경의 통합을 통해 영상 유도 수술을 가능하게 합니다.

신경외과

초고화질 적용신경외과 수술 현미경영어: 전통적인 광학 관찰에서 디지털화, 증강 현실(AR), 지능형 지원으로 전환되었습니다. 예를 들어 Draxinger 등은 자체 개발한 MHz-OCT 시스템과 결합된 현미경을 활용하여 1.6MHz 스캐닝 주파수를 통해 고해상도 3차원 이미지를 제공하고 외과의가 종양과 건강한 조직을 실시간으로 구별하고 수술 정밀도를 향상시키는 데 성공적으로 도움을 주었습니다. Hafez 등은 실험적 뇌혈관 우회 수술에서 전통적인 현미경과 초고화질 미세수술 영상 시스템(Exoscope)의 성능을 비교하여 현미경이 봉합 시간이 더 짧았지만(P<0.001), Exoscope가 봉합사 분포 측면에서 더 나은 성능을 보였다는 것을 발견했습니다(P=0.001). 또한 Exoscope는 더 편안한 수술 자세와 공유된 시야를 제공하여 교육적 이점을 제공했습니다. 마찬가지로 Calloni 등은 신경외과 레지던트 교육에서 Exoscope와 전통적인 수술 현미경의 적용을 비교했습니다. 16명의 레지던트가 두 기기를 모두 사용하여 두개골 모형에서 반복적인 구조 인식 작업을 수행했습니다. 그 결과, 두 기기 간의 전체 수술 시간에는 유의미한 차이가 없었지만, 엑소스코프가 심부 구조 식별에 더 우수한 성능을 보였고, 대부분의 참가자들이 더 직관적이고 편안하다고 인식했으며, 향후 주류로 자리 잡을 가능성이 있음을 보여주었습니다. 4K 고화질 디스플레이를 탑재한 초고화질 수술 현미경은 모든 참가자에게 더 나은 품질의 3D 수술 영상을 제공하여 수술 의사소통, 정보 전달, 교육 효율성 향상을 지원할 수 있습니다.

척추 수술

초고화질수술용 현미경척추 수술 분야에서 중추적인 역할을 합니다. 고해상도 3차원 영상을 제공함으로써 외과의는 신경, 혈관, 뼈 조직과 같은 미묘한 부분을 포함하여 척추의 복잡한 해부학적 구조를 더욱 명확하게 관찰할 수 있어 수술의 정확도와 안전성을 향상시킵니다. 척추측만증 교정 측면에서 수술 현미경은 수술 시야의 선명도와 미세 조작 능력을 향상시켜 의사가 좁은 척추관 내의 신경 구조와 질환 조직을 정확하게 식별하고 감압 및 안정화 수술을 안전하고 효과적으로 완료할 수 있도록 도와줍니다.

Sun 등은 경추 후방 종인대 골화증 치료에서 현미경 보조 전방 경추 수술과 전통적인 개방 수술의 효능과 안전성을 비교했습니다.60명의 환자를 현미경 보조군(30건)과 전통적인 수술군(30건)으로 나누었습니다.결과에 따르면 현미경 보조군은 전통적인 수술군에 비해 수술 중 출혈량, 입원 기간, 수술 후 통증 점수가 우수했고 합병증 발생률은 현미경 보조군이 낮았습니다.마찬가지로 척추 융합 수술에서 Singhatanadgige 등은 최소 침습적 경추간공 요추 융합술에서 정형외과 수술 현미경과 수술용 돋보기의 적용 효과를 비교했습니다.이 연구에는 100명의 환자가 포함되었으며 수술 후 통증 완화, 기능 개선, 척추관 확장, 융합률, 합병증 측면에서 두 군 간에 유의한 차이가 없었지만 현미경이 더 나은 시야를 제공했습니다. 또한, 증강현실(AR) 기술과 결합된 현미경은 척추 수술에서 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, Carl 등은 수술용 현미경의 헤드 마운트 디스플레이를 사용하여 10명의 환자에게 증강현실 기술을 적용했습니다. 그 결과, 증강현실은 척추 퇴행성 수술, 특히 복잡한 해부학적 상황과 레지던트 교육에 큰 응용 가능성을 보여주었습니다.

 

요약 및 전망

기존 수술용 현미경과 비교했을 때, 초고화질 수술용 현미경은 다양한 배율 옵션, 안정적이고 밝은 조명, 정밀한 광학 시스템, 긴 작업 거리, 인체공학적으로 설계된 안정적인 스탠드 등 수많은 장점을 제공합니다. 또한, 다양한 이미징 모드 및 증강현실(AR) 기술과의 통합을 비롯한 고해상도 시각화 옵션은 영상 유도 수술을 효과적으로 지원합니다.

수술용 현미경은 수많은 장점에도 불구하고 여전히 상당한 난관에 직면해 있습니다. 초고화질 수술용 현미경은 크기가 커서 수술실 간 이동 및 수술 중 위치 선정에 어려움을 겪으며, 이는 수술의 연속성과 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 최근 현미경의 구조 설계가 크게 최적화되어 광학 캐리어와 양안 렌즈 배럴이 다양한 기울기 및 회전 조정을 지원하게 되었습니다. 이는 장비의 작동 유연성을 크게 향상시키고, 수술자가 더욱 자연스럽고 편안한 자세로 관찰하고 수술을 진행할 수 있도록 해줍니다. 또한, 웨어러블 디스플레이 기술의 지속적인 발전은 미세 수술 중 수술자에게 더욱 인체공학적인 시각 지원을 제공하여 수술 피로를 완화하고 수술 정확도와 수술 수행 능력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 그러나 지지 구조가 부족하여 잦은 초점 조정이 필요하기 때문에 웨어러블 디스플레이 기술의 안정성은 기존 수술용 현미경에 비해 떨어집니다. 또 다른 해결책은 다양한 수술 시나리오에 더욱 유연하게 대응할 수 있도록 장비 구조를 소형화 및 모듈화하는 것입니다. 그러나 볼륨을 줄이는 데는 정밀 가공 공정과 고비용의 통합 광학 구성 요소가 필요한 경우가 많아 장비의 실제 제조 비용이 높아집니다.

초고화질 수술 현미경의 또 다른 과제는 고출력 조명으로 인한 피부 화상입니다. 특히 여러 명의 관찰자나 카메라가 있는 상황에서 밝은 시각 효과를 제공하기 위해서는 광원이 강한 빛을 방출해야 하며, 이는 환자의 조직에 화상을 입힐 수 있습니다. 안과 수술 현미경은 안구 표면과 눈물막에 광독성을 유발하여 안구 세포 기능 저하를 초래할 수 있다는 보고도 있습니다. 따라서 배율과 작동 거리에 따라 스팟 크기와 광 강도를 조절하고 광 관리를 최적화하는 것은 수술 현미경에 특히 중요합니다. 미래에는 광학 이미징에 파노라마 이미징과 3차원 재구성 기술이 도입되어 시야를 확장하고 수술 부위의 3차원 레이아웃을 정확하게 복원할 수 있을 것입니다. 이를 통해 의사는 수술 부위의 전반적인 상황을 더 잘 이해하고 중요한 정보를 놓치는 것을 방지할 수 있습니다. 그러나 파노라마 이미징과 3차원 재구성은 고해상도 이미지의 실시간 수집, 등록 및 재구성을 수반하며, 막대한 양의 데이터를 생성합니다. 특히 실시간 성능이 매우 중요한 수술 시에는 이미지 처리 알고리즘, 하드웨어 컴퓨팅 성능, 저장 시스템의 효율성에 대한 요구가 매우 높아져 이러한 과제가 더욱 두드러지게 됩니다.

의료 영상, 인공지능, 계산 광학 등 기술의 급속한 발전으로 초고화질 수술 현미경은 수술 정밀도, 안전성, 수술 경험 향상에 큰 잠재력을 보여주었습니다. 앞으로 초고화질 수술 현미경은 다음 네 가지 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다. (1) 장비 제조 측면에서 소형화 및 모듈화를 통해 더 낮은 비용으로 대규모 임상 적용이 가능해야 합니다. (2) 장시간 수술로 인한 빛 손상 문제를 해결하기 위해 더욱 발전된 조명 관리 모드를 개발해야 합니다. (3) 장비의 계산 성능 요구 사항을 충족하는 정밀하면서도 가벼운 지능형 보조 알고리즘을 설계해야 합니다. (4) AR과 로봇 수술 시스템을 심층적으로 통합하여 원격 협업, 정밀한 수술, 자동화된 프로세스를 위한 플랫폼 지원을 제공해야 합니다. 요약하자면, 초고화질 수술 현미경은 이미지 향상, 지능형 인식, 상호작용 피드백을 통합하는 포괄적인 수술 지원 시스템으로 발전하여 미래 수술을 위한 디지털 생태계 구축에 기여할 것입니다.

본 논문은 초고화질 수술 현미경의 공통 핵심 기술 발전에 대한 개요를 제공하며, 특히 수술 과정에서의 응용 및 개발에 중점을 두고 있습니다. 해상도 향상으로 초고화질 현미경은 신경외과, 안과, 이비인후과, 척추 수술 등의 분야에서 중추적인 역할을 수행하고 있습니다. 특히 최소 침습 수술에 수술 중 정밀 내비게이션 기술을 접목함으로써 이러한 수술의 정밀도와 안전성이 향상되었습니다. 앞으로 인공지능과 로봇 기술이 발전함에 따라 초고화질 현미경은 더욱 효율적이고 지능적인 수술 지원을 제공하여 최소 침습 수술과 원격 협업의 발전을 촉진하고, 수술 안전성과 효율성을 더욱 향상시킬 것입니다.