의료 진단용 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 개발

김덕준 연구원, 한국생산기술연구원

"연구팀은 NI 플랫폼을 이용하여 이동식 영상 진단 시스템을 성공적으로 개발했습니다. "

- 김덕준 연구원, 한국생산기술연구원

과제:

높은 안전성으로 복합 시스템을 제어할 수 있고 의료기기 규정을 충족하는 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 (개폐형 이동식 CT) 개발

솔루션:

NI LabVIEW와 하드웨어를 이용하여 안정성이 뛰어난 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 구축

필자:

지상훈 선임연구원 - 한국생산기술연구원
김덕준 연구원 - 한국생산기술연구원
이광희 연구원 - 한국생산기술연구원

 

사용 제품:

LabVIEW 2011, RT Module, FPGA Module, Softmotion Module, Touch Panel Module, Robotics Module, CompactRIO, NI 9144, NI 9505, NI 9401, NI 9472, NI 9421, NI 9871, NI PCI 1424, SEA WLAN (타사 제품)

 

해결과제:

높은 안전성으로 복합 시스템을 제어할 수 있고 의료기기 규정을 충족하는 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 (개폐형 이동식 CT) 개발

 

솔루션:

NI LabVIEW와 하드웨어를 이용하여 안정성이 뛰어난 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 구축

 

소개:

투시 진단 이미지 모드와 3D CT 이미지 모드를 제공하는 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 정형외과 및 신경학 수술실에서 사용할 수 있습니다. 투시 진단 영상 진단 모드는 환자를 다양한 여러 각도에서 리얼타임 이미지를 제공하기 때문에 환자의 상태를 확인하면서 정밀하게 수술을 진행할 수 있습니다. 3D CT 이미지 모드는 환자를 이동시키지 않고 수술실에서 바로 환자의 상태를 확인할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 기존에 환자의 상태를 확인하려면 수술을 마치고 CT 스캐닝룸에서 환자의 상태를 확인해야 했습니다. 따라서 이 시스템을 이용하면 수술 결과를 확인하는 데 드는 시간을 줄일 수 있고 수술의 반복을 피할 수 있습니다. 또한 3D CT 이미지 모드는 내비게이션 시스템과 함께 상호 운용되기 때문에 3D CT 이미지에서 수술 장비의 정확한 위치를 확인할 수 있습니다. 이 시스템은 이동형으로 제작되어 모든 수술실에 CT 혹은 투시 진단 시스템을 설치하지 않아도 되어 비용이 절감됩니다. 또한 이 시스템은 환자를 스캔한 후 수술대로부터 이동시킬 수 있기 때문에 수술 시 공간도 확보해줍니다. 연구팀이 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 개발에 LabVIEW 소프트웨어와 NI 하드웨어를 사용하기로 결정한 이유는 NI CompactRIO의 확장성 때문이었습니다. 복잡한 시스템을 개발하려면 여러 개의 센서와 하드웨어 및 컨트롤러가 필요하지만, NI CompactRIO 시스템을 이용하면 필요한 모듈만 추가하면 되기 때문에 구성을 간단하게 수행할 수 있습니다.

 

의료 로봇 시스템의 시뮬레이션

개발된 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 갠트리 (gantry), 매니퓰레이터, 모바일 시스템 세 부분으로 구성되어 있습니다. 갠트리 시스템에는 엑스레이 소스와 감지기가 포함되어 있으며 무게는 약 300kg이고, 여러 각도에서 스캔하기 위해 갠트리 위치를 결정하는 매니퓰레이터의 무게는 약 500kg입니다. 무게가 많이 나가기 때문에 모션 프로파일의 설계와 검증, 컨트롤 알고리즘, 컨트롤 시퀀스 등이 안전과 비용 문제로 인해 부담이 되었습니다. Solidworks에서 시스템의 3D 기계 구조를 드로윙하고 NI LabVIEW를 이용하여 컨트롤 프로그램과 모션을 안전하게 설계, 시뮬레이션 및 검증할 수 있었습니다. 또한 설계된 코드는 추가적인 수정 작업 없이 실제 시스템에 구현되었기 때문에 많은 시간을 절감할 수 있었습니다.

 

모바일 엑스레이 영상 진단 장비의 의료 로봇 시스템

갠트리는 여러 각도에서 다축 매니퓰레이터가 위치를 정할 수 있고 모터 구동 시스템에 의해 엑스레이 모듈이 회전하여 3D CT 이미지를 수집하기 때문에 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 로봇 시스템이라고 할 수 있습니다.

 

엑스레이 영상 진단 시스템의 여러 움직임을 높은 정밀도와 고속 통신으로 제어하기 위해 LabVIEW 소프트웨어, NI CompactRIO 및 NI 9514가 사용되었습니다. 이 시스템은 절대치 타입 엔코더와 함께 총 7개의 모터를 갖추고 있어 모든 축의 위치는 전력 소스에 관계없이 추적됩니다. 절대치 엔코더의 초기 정보를 수집하기 위해 모터 드라이버에 연결하는데 총 7개의 시리얼 컨버터가 필요합니다. 하지만 단 하나의 고속 디지털 모듈인 NI 9401을 사용하고 LabVIEW FPGA로 프로그래밍하여 7개의 시리얼 데이터를 동시에 처리하였다. 따라서 절대치 타입 엔코더를 이용한 로봇 시스템은 특정 거리를 이동한 후 다시 원위치로 돌아올 필요가 없으며 리밋 센서도 필요하지 않았습니다.

 

갠트리 시스템은 3D CT 이미지 모드 상태에서 12초 동안 360도로 엑스레이 모듈을 회전시키며 고품질의 3D 재건 이미지를 얻기 위해서는 일정한 속도로 회전하는 것이 중요합니다. 동일한 간격으로 여러 이미지를 수집하는 것이 가능한 일정 속도 모션 프로파일의 구현에는 속도 제어 모드가 있는 NI 9514를 이용했다. 또한 LabVIEW FPGA로 프로그래밍하여 높은 샘플링 속도로 갠트리 위치를 파악하였기 때문에 NI 9401을 통해 FPGA가 엑스레이 모듈을 트리거링하여 원하는 각도로 정확히 여러 엑스레이 이미지를 수집할 수 있었습니다. 시스템에서 가장 눈에 띄는 특징 중 하나는 갠트리 시스템에 도어 모듈이 있어 설치를 위해 개폐가 가능하다는 것이다. 이 도어 모듈 시퀀스는 NI 9472를 통해 제어되며, 갠트리 시스템은 여러 센서가 모니터링하여 시퀀스를 열고 닫는 동안 NI 9421을 통해 NI CompactRIO로 보내집니다.

 

갠트리의 위치를 정하는 매니퓰레이션 시스템은 5 자유도를 갖추고 있습니다. 시스템을 수술대에 설치하거나 수술대로부터 떨어뜨려 공간 확보를 하기 위해 각 단일 축들을 조그(jog) 방식으로 움직일 수 있습니다. 앞에서 언급한 단일축 모션 개발 외에도 FOV (Field of View) 또는 ROI (Region of Interest)와 같은 여러 서비스를 제공하기 위해 보다 복합적인 모션을 개발했습니다. 이 기능에는 매니퓰레이터의 다축 동기화 제어가 필요하기 때문에 LabVIEW에서 역운동학을 정의하고 LabVIEW SoftMotion과 NI 9514를 이용하여 다축 동기 모션을 생성했습니다. 전반적인 실험을 거친 후 시스템이 수용가능한 동기화 에러로 제어되는지 확인했습니다.

 

시스템을 여러 수술실에서 사용하기 위해 모바일 매커니즘이 제작되었으며, 이 매커니즘은 NI 9505와 LabVIEW Robotics Module로 구동됩니다. LabVIEW Robotics Module을 이용하여 장애물을 쉽게 감지하고 사용자 친화적 조종 장치를 구현할 수 있었습니다. 모바일 매커니즘 제작 시, NI CompactRIO의 뛰어난 전원 공급 시스템이 활용되었습니다. NI CompactRIO 시스템은 듀얼 파워 서플라이 입력이 포함되어 있어 파워 서플라이 구성에 안정성과 유연성을 제공합니다. 따라서 시스템이 벽 전원과 배터리 전원을 둘 다 사용할 수 있도록 제작하였습니다. 따라서 이 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 벽 전원 공급 없이도 수술실 외부로 이동이 가능합니다.

 

LabVIEW Touch Panel Module과 17인치 터치 패널 LCD는 사용자 친화적인 MMI (Man- Machine Interface)를 제공하기 위해 사용됩니다. 사용자들은 방사선 노출을 피하기 위해 터치 패널 디바이스뿐 아니라 원격 디바이스의 사용을 선호합니다. NI CompactRIO와 원격 디바이스간의 직접 무선 통신을 위해 타사 모듈인 SEA WLAN 모듈을 이용하였고, 시스템을 제어하고 모니터링할 수 있는 아이폰/아이패드 앱을 개발했습니다.

 

엑스레이 이미지 수집

엑스레이 수집 시스템은 엑스레이 튜브, 감지기 그리고 고주파수 생성기 (HFG)로 구성되어 있습니다. HFG는 빠른 주파수와 함께 고전압 전력을 공급하고 엑스레이 튜브에 제공됩니다. 엑스레이 튜브는 엑스레이 빔을 생성하고, 감지기는 엑스레이 이미지를 캡쳐합니다. 환자 분석, 환자 신체 크기, 이미지 품질 및 기타 등 엑스레이 파라미터들은 변경이 필요합니다. 엑스레이 파라미터는 시리얼 통신을 이용하여 HFG에서 명령 신호를 CompactRIO로 전송하여 제어됩니다. 감지기에서 캡쳐한 엑스레이 이미지의 비가공 데이터는 NI PCI 1424 프레임 그래버가 있는 이미지 서버로 전송됩니다. 이미지 서버는 최대 30 fps에서 엑스레이 이미지를 수집하고 3D CT 이미지를 재건합니다.

 

결론

연구팀은 NI 플랫폼을 이용하여 이동식 영상 진단 시스템을 성공적으로 개발했습니다. 하지만 의료기기에는 높은 안정성과 안전성이 필요하며 전기 규정은 매우 엄격합니다. 연구팀은 이 규정을 충족시키기 위해 NI LabVIEW, NI CompactRIO, NI 비전을 사용했습니다. 그래픽 기반 프로그래밍과 FPGA 기반 고성능 임베디드 컨트롤러를 이용하여 3개월 만에 시스템을 개발할 수 있었고, 안정성과 확장성 및 사용 편리성을 구현할 수 있었습니다. 또한 CompactRIO와 NI 비전을 통해 정밀한 제어가 가능했고 선명한 엑스레이 이미지를 얻을 수 있었습니다. 향후에도 NI 소프트웨어 검증 제품군인 NI Requirements Gateway, Unit Test Framework, VI Analyzer, TestStand를 이용하여 KFDA와 FDA 등의 의료 승인을 허가 받을 예정입니다.

 

필자 정보:

지상훈 선임연구원
한국생산기술연구원