이동식 엑스레이 영상 진단 시스템(개폐형 이동식 CT) 개발

저자: 김덕준 / 이광희 / 지상훈
소속: 한국생산기술연구원
제공: 한국내쇼날인스트루먼트

사용한 NI 제품
CompactRIO, NI 9144, NI 9514, NI 9505, NI 9401, NI 9472, NI 9421, LabVIEW 2010, RT Module, FPGA Module, SoftMotion Module, Touch Panel Module, Robotics Module, 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
대량의 산업용 컴퓨터를 대체하는 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템을 위한 뛰어난 안정성의 컨트롤 시스템 구축

본문
투시 진단 이미지 모드와 3D CT (Computed Tomography) 이미지 모드를 제공하는 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 정형외과 및 신경학 수술실에서 사용 가능하다. 기존에 환자의 상태를 확인하려면 수술을 마치고 CT 스캐닝 룸에서 환자의 상태를 확인해야 했다. 하지만, 3D CT 이미지 모드를 이용하면 환자를 이동시키지 않고 수술실에서 바로 환자의 상태를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 이 시스템을 이용하면 수술 결과를 확인하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있고 수술의 반복을 피할 수 있다.

또한 3D CT 이미지 모드는 내비게이션 시스템과 함께 상호 운용되기 때문에 GPS 유도 시스템을 이용하여 수술 장비의 정확한 위치를 확인할 수 있어 정밀 절개가 가능하다.또한 이 시스템은 이동형으로 제작되어 모든 수술실에 CT나 투시 진단 시스템을 설치하지 않아도 되기 때문에 비용이 절감된다. 또한 이 시스템은 환자를 스캔한 후 수술대로부터 이동시킬 수 있기 때문에 수술 시 공간을 확보해준다.

연구팀이 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템 개발에 NI LabVIEW 소프트웨어와 NI 하드웨어를 사용하기로 결정한 이유는 CompactRIO의 확장성 때문이었다. 복잡한 시스템을 개발하려면 여러 센서, 하드웨어 및 컨트롤러가 필요하지만, CompactRIO 시스템을 이용하면 필요한 모듈만 추가하면 되기 때문에 시스템 구성을 간단하게 수행할 수 있다.

시뮬레이션

개발된 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 갠트리 (gantry), 매니퓰레이터, 모바일 시스템의 3부분으로 나눌 수 있다. 갠트리 시스템에는 엑스레이 소스와 감지기가 포함되어 있으며 무게는 약 300kg이다. 여러 각도에서 스캔하기 위해 갠트리 위치를 결정하는 매니퓰레이터의 무게는 약 500kg이다. 무게가 많이 나가는 점 때문에 모션 프로파일의 설계와 검증, 컨트롤 알고리즘, 컨트롤 시퀀스 등이 안전과 비용 문제로 인해 부담이 됐다. Solidworks에서 시스템의 3D 기계 구조, 그리고 LabVIEW NI SoftMotion for Solidworks와 Solidworks Motion Simulation을 이용하여 컨트롤 프로그램과 모션을 안전하게 설계, 시뮬레이션 및 검증할 수 있었다. 설계된 코드는 추가적인 수정 작업 없이 실제 시스템에 구현되었기 때문에 많은 시간을 절감할 수 있었다.

이동식 엑스레이 영상 진단 시스템
갠트리는 여러 각도에서 다축 매니퓰레이터가 위치를 정할 수 있고 모터 구동 시스템에 의해 엑스레이 모듈이 회전하여 3D CT 이미지를 수집한다. 그렇기 때문에 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 로봇 시스템이라고 할 수 있다.
엑스레이 영상 진단 시스템의 여러 움직임을 높은 정밀도와 고속 통신으로 제어하기 위해 LabVIEW 소프트웨어, NI CompactRIO 및 NI 9514가 사용됐다. 이 시스템은 절대치 타입 엔코더와 함께 총 7개의 모터를 갖추고 있어 모든 축의 위치는 전력 소스에 관계없이 추적된다. 절대치 엔코더의 초기 정보를 수집하기 위해 모터 드라이버에 연결하는데 총 7개의 시리얼 컨버터가 필요하다.

하지만 한국NI는 단 하나의 고속 디지털 모듈인 NI 9401을 사용하고 LabVIEW FPGA를 프로그래밍하여 7개의 시리얼 데이터를 동시에 처리했다. 따라서 절대치 타입 엔코더를 이용한 로봇 시스템은 특정 거리를 이동 한 후 다시 원위치로 돌아올 필요가 없으며 리밋 센서도 필요하지 않았다. 갠트리 시스템은 3D CT 이미지 모드 상태에서 12초 동안 360도로 엑스레이 모듈을 회전시키며 고품질의 3D 재건 이미지를 얻기 위해 일정한 속도로 회전하는 것이 중요하다. 동일한 간격으로 여러 이미지를 수집하는 것이 가능한 일정 속도 모션 프로파일의 구현에는 속도 제어 모드가 있는 NI 9514를 이용했다.

또한 LabVIEW FPGA를 프로그래밍하여 높은 샘플링 속도로 갠트리 위치를 파악하였기 때문에 NI 9401을 통해 FPGA가 엑스레이 모듈을 트리거링하여 원하는 각도로 정확히 여러 엑스레이 이미지를 수집할 수 있다. 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 CompactRIO로 보내진다.갠트리의 위치를 정하는 매니퓰레이션 시스템은 5 자유도를 갖추고 있다. 시스템을 수술대에 설치하거나 수술대로부터 떨어뜨려 공간 확보를 하기 위해 각 단일 축들을 조그 (jog) 방식으로 움직일 수 있다.

앞에서 언급한 단일축 모션 개발 외에도 FOV 또는 ROI와 같은 여러 서비스를 제공하기 위해 보다 복합적인 모션을 개발했다. 이 기능에는 갠트리 시스템의 다축 매니퓰레이션이 필요하기 때문에 LabVIEW에서 역운동학을 정의하고 LabVIEW SoftMotion과 NI 9514를 이용하여 다축 동기 모션을 생성했다. 전반적인 실험을 거친 후 시스템이 수용가능한 동기화 에러로 제어되는지 확인했다.시스템을 여러 수술실에서 사용하기 위해 모바일 매커니즘이 제작되었으며, 이 매커니즘은 NI 9505와 LabVIEW Robotics Module로 구동된다. LabVIEW Robotics Module을 이용하여 장애물을 쉽게 감지하고 사용자 친화적 조종 장치를 구현할 수 있었다.

모바일 매커니즘 제작 시 NI CompactRIO의 뛰어난 전원 공급 시스템이 활용되었다. NI CompactRIO 시스템은 듀얼 파워 서플라이 입력이 포함되어 있어 파워 서플라이 구성에 안정성과 유연성을 제공한다. 따라서 시스템이 벽 전원과 배터리 전원을 둘 다 사용할 수 있도록 제작했다. 따라서 이 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템은 벽 전원 공급 없이도 수술실 외부로 이동이 가능하다.

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

결론
의료기기에는 높은 안정성과 안전성이 필요하며 전기 규정은 매우 엄격하다. 연구팀은 이 규정을 충족시키기 위해 NI CompactRIO를 이용하여 이동식 엑스레이 영상 진단 시스템을 개발했다. 그래픽 기반 프로그래밍과 FPGA 기반 고성능 임베디드 컨트롤러를 이용하여 3개월 만에 시스템을 개발할 수 있었고, 안정성과 확장성 및 사용 편리성을 구현할 수 있었다. 또한 사용자 친화적 인터페이스와 3D CAD 설계 시스템과의 상호운용 제공은 개발 시간을 줄이고 시스템의 핵심 기술 개발에 기여했다. NI 기술은 적은 시간에 시스템을 상용화할 수 있는 기회를 제공했다.

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