KOREAN

Current Issue

Korean Journal of Dental Materials - Vol. 47 , No. 4

[ Original Article ]
Korean Journal of Dental Materials - Vol. 47, No. 4, pp.169-180
Abbreviation: Kor J Dent Mater
ISSN: 2384-4434 (Print) 2384-3268 (Online)
Print publication date 29 Dec 2020
Received 24 Aug 2020 Revised 22 Sep 2020 Accepted 03 Nov 2020
DOI: https://doi.org/10.14815/kjdm.2020.47.4.169

치과진료보조로봇의 연구 및 개발
백인규1, 2 ; 안진수2, *
1서울센트리얼치과병원
2서울대학교 치의학대학원 치과생체재료과학교실

Research and development of dental assistant robot
In-gyu Baek1, 2 ; Jin-soo Ahn2, *
1Seoul Centreal Dental Hospital, Incheon, Republic of Korea
2Department of Dental Biomaterials Science, School of Dentistry, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea
Correspondence to : *Jin-soo Ahn101 Daehak-ro, Jongno-gu, Seoul 03080, Republic of Korea Affiliation: Department of Dental Biomaterials Science, School of Dentistry, Seoul National University, Seoul, Republic of KoreaTel: +82-2-740-8691, Fax: +82-2-2072-3859, Email: ahnjin@snu.ac.kr


초록

COVID-19 사태로 인해 치과 내 공기매개전염병의 위험성이 날로 고조되고 있다. 또한 치과병의원은 여러 이유로 인해 진료보조인력의 수급에 큰 어려움을 겪고있다. 이를 해결하기 위해 환자 구강으로부터 뿜어져 나오는 에어로졸을 효과적으로 차단하고, 진료보조인력의 단순업무를 대신할 수 있는 치과진료보조로봇의 프로토타입을 연구 개발하였다. 궁극적으로 구현하고자 하는 기능의 구체적인 목표로는 “치과의사 혼자 하악 대구치의 프랩을 가능하게 하는 것”으로 하였다. 1차 프로토타입으로도 목표 달성은 가능했으나, 효율성과 안정성을 높이기 위해서는 개선이 필요하다. 지속적인 개선 및 개발을 통해 치과진료보조로봇이 환자와 진료보조인력, 그리고 치과의사에게 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

Abstract

COVID-19 situation has raised the risk of air-borne diseases in dental offices, while dental clinic and hospitals are facing difficulties hiring dental assistants for many reasons. To solve this problem, a prototype of dental assistant robot that can effectively block aerosols from the patient’s mouth and replace simple tasks of the dental assistants was researched and developed. The ultimate specific goal of the function intended to be implemented was “to enable preparations of lower molar teeth by dentist alone.” Although it was possible to achieve the goal with the first prototype, improvements are needed to improve efficiency and stability. Through continuous improvement and development, dental assistant robots are expected to be of great help to patients, medical assistants, and dentists.


Keywords: Clinic assistant, Assistant robot, COVID-19
키워드: 진료보조인력, 진료보조로봇, 코로나 바이러스

서 론

COVID-19 창궐 전과 후의 시대는 같을 수 없다. 공기매개전염병인 COVID-19으로 인해 우리는 가급적 타인과 사회적 거리를 두고, 비대면으로 업무를 처리하는 것을 선호하게 되었다. 이러한 경향은 4차 산업의 기조와 부합하여 급격히 심화되고 있으며 보수적인 의료계에서도 비대면 진료를 위한 법적 논의가 활발히 진행되고 있다(1).

환자의 구강을 치료하는 치과진료는 공기매개전염병에 취약한 진료영역이다. 환자의 구강을 마스크로 가린 채 진료한다는 것은 불가능한 일이며, 입 안을 직접 치료해야하는 특성상 비대면 진료도 불가능하다. 치과진료 시 사용하는 압축공기는 환자 구강 내부의 감염성 물질을 에어로졸 형태로 구강 밖으로 분출시키므로 이로 인해 환자의 구강에 근접하여 진료행위를 하는 치과의료진은 공기매개전염병의 감염 위험에 상당히 크게 노출될 수밖에 없다(2). 만약 공기매개전염병을 해결할 특단의 대책을 찾지 못한다면 치과의료사업은 상당한 난항을 겪을 수 밖에 없다.

또한, 치과병의원은 이미 진료보조인력의 수급에 큰 어려움을 겪고 있다. 현재 치과위생사의 평균 직업수명은 3년으로 조사되며, 전체의 50% 이상이 치과에 근무하고 있지 않다(3). 치과진료보조업무에는 지나치게 단순한 업무가 많으며(4), 환자의 협소한 구강내의 진료행위를 보조해야 하는 근본적인 문제로 인해 시야가 닿지 않거나 근골격계에 무리한 영향을 주는 불편한 자세를 취해야 하는 경우가 많다. 이러한 문제는 근로자의 의욕을 꺾고, 성취감 및 직무만족도를 경감시키며 삶의 만족도 또한 떨어뜨린다. 결국 근로자의 이직 고민 및 퇴사로 귀결되는 경우가 많다(5).

그러나 숙련된 직원의 잦은 이직 및 퇴사는 치과병의원의 경영에 심각한 악역향을 끼칠 뿐 아니라 의료서비스질의 향상에도 큰 걸림돌이 된다(6). 결국 이는 전체 국민의 구강건강에 심각한 손해를 초래하게 되는 것이다(7).

따라서, 공기 매개 전염병의 위험을 획기적으로 낮추기 위해 환자의 구강에서 분출되는 에어로졸을 구강 내부와 외부에서 신속 확실하게 흡인할 방법이 필요하며, 또한 기존 치과진료보조인력이 무기력하게 해왔던 단순한 보조업무들을 대신 수행하여 치과보조인력이 보다 더 높은 차원의 업무에 집중할 수 있도록 도와주는 치과진료보조로봇을 개발하는 것은 치과계와 전체 국민을 위한 시대적 사명이라 할 수 있다.

이번 연구개발을 통해 치과진료보조업무 중 환자의 구강 내 석션, 구강 외 석션, 연조직 리트렉션, 라이트 조절의 기능을 로봇을 활용하여 효율적으로 구현하는 방법을 고찰해보고, 실제 프로토타입(가칭 “윌리”)을 제작해보았다.

본 로봇이 추구하는 궁극적인 기능을 한 문장으로 표현해보면 다음과 같이 표현할 수 있다. “기존보다 더욱 안전한 환경에서, 기존보다 더욱 뛰어난 효율로, 보조인력의 도움 없이 치과의사 혼자 하악 대구치의 크라운 프랩을 가능하게 한다.” 혀의 방해, 물 고임, 시야 부족 등의 문제로 다른 치아보다 하악 대구치의 프랩 난이도가 높다. 본 로봇이 하악 대구치의 프랩을 잘 보조할 수 있다면, 상대적으로 수월한 다른 치아의 치료에도 쉽게 적용될 수 있을 것이다.

본 로봇의 기본적인 요구사항은 다음과 같다. 1) 안전성: 치과진료보조 기능을 구현할 때 환자에게 불편감이 가중되지 않아야 하며, 위해를 가하지 않도록 모든 움직임은 부드러워야 하는 등 안전성이 반드시 확보되어야 한다. 2) 편리성: 이미 유니트체어가 설치된 기존 치과에도 간편히 적용될 수 있어야 하며, 설치 및 작동을 위해 진료인력의 업무가 가중되지 않아야 한다. 3) 생체적합성: 환자와 접촉하는 파트는 완벽한 멸균소독이 가능해야 하며, 교차감염의 가능성이 없어야 한다.

궁극적 목표 달성을 위한 첫 단계로 프로토타입을 제작해보고, 실전에 배치할 수 있는 완벽한 로봇의 실현 가능성을 확인해보는 것이 본 연구개발 논문의 목적이다.


재료 및 방법

요구사항을 만족하는 로봇의 전체 개념도는 Figure 1과 같다.


Figure 1. 
Overall concept.

1. 구강 내, 외 석션

가능한 부위는 3D 프린팅을 하였으나, 정밀성을 요하는 기어 및 체결 부분은 알루미늄 CNC 가공을 하였다. 입 안으로 들어가는 1회용 석션팁은 기존의 석션팁을 활용할 수 있게 하여 범용성을 높였다.

2. 다목적 리트렉터

멸균소독을 위해 오토클레이브를 돌려야 하고, 매끄럽고 정밀한 움직임을 요하므로 알루미늄 CNC 가공을 하였다. 혀 리트렉터는 광섬유를 활용한 면발광을 의도했으므로, 투명한 레진을 활용하여 3D 프린팅 하였다. 가급적 기성의 바이트 블록을 활용할 수 있게 하여 범용성을 높였다.

3. 베이스

무게중심의 역할을 하므로, 알루미늄 CNC 가공과 스테인레스 스틸 CNC 가공을 하였다. 흡인 능력 증대를 위한 진공펌프 DC 모터 및 구강 외 석션을 위한 AC 모터의 진동과 소음을 줄이기 위해 흡음재 등을 사용하였다.

4. 패시브 암

첫 번째 프로토타입을 위해서는 기성의 3관절 arm을 사용하였다.

5. 회로 구성

기능구현을 위해 설계한 회로의 개념 및 제작 후 모습은 Figure 2와 같다.


Figure 2. 
Circuit configuration.

사용한 부품의 세부 사항은 Figure 3과 같다.


Figure 3. 
Detailed specification of electronic parts.


Figure 4. 
Conceptual design and prototype of suction part.


Figure 5. 
Conceptual design and prototype of retraction part.


결 과
1. 구강 내, 외 석션

구강 내 석션은 기성 플라스틱 석션팁을 활용하여 범용성을 높였다. 뺨, 혀 등의 연조직이 팁 안으로 빨려 들어가 흡인 능력이 사라지는 경우가 빈번히 발생하므로, 압력 센서를 연결하여 흡인력이 떨어지는 경우는 석션팁이 미세하게 움직이도록 하였다. 이는 실제 진료환경에서 진료보조자가 연조직이 흡인될 시 석션팁을 살짝 들어 올려 연조직을 팁으로부터 분리시키는 행동을 모방한 것이다.

구강 외 석션은 흡입구 간격 및 각도를 조정할 수 있게 고안하여 구강 밖으로 뿜어져 나오는 에어로졸을 각 상황에 맞게 효과적으로 제거할 수 있도록 하였다. 진료부위에 따라 구강 외 석션의 위치도 달라져야 하므로, 가변적인 상황에 대응할 수 있도록 부가적인 회전 등이 가능하도록 관절을 형성하였다.

2. 다목적 리트렉터

개구기를 사용하여 환자들이 편하게 입을 벌린 상태를 유지할 수 있게 하면서, 혀를 보호하는 리트렉터 부위에 보조 조명 및 보조 석션 기능을 추가하였다. 이로 인해 환자의 고개가 어느 쪽으로 기울더라도 안정적인 타액 흡인이 가능하게 되었다.

보다 좋은 치료 결과를 얻기 위해, 인산, 불산, NaOCl 등 불가피하게 생체독성이 있는 재료를 사용하는 경우가 있다(8). 입 안 연조직에 이러한 독성이 있는 재료가 접촉하는 경우 큰 문제가 될 수 있으므로, 어느 상황에서든 완벽한 석션 기능을 유지하는 것은 매우 중요한 일이다. 또한 환자의 구강 사이즈, 형태, 치료 위치에 따라 리트렉터 부위의 길이 및 회전 각도를 조절할 수 있게 하였다.

실제 제작 시에는, 환자의 구강내로 직접 들어가는 파트이기에, 완벽한 멸균소독이 가능하고 생체적합한 재료를 사용하여야 한다.

구강 내, 외 석션과 리트렉터 부위의 보조 석션은 Figure 6과 같은 연결구조를 가진다. 흡인물은 치과의 기존 석션배관을 통해 처리되며, 흡인력을 강화시키기 위해 석션 모터를 추가한다.


Figure 6. 
Connection structure of suction line.

3. 베이스

기존 유니트체어와 공간 간섭 없이 설치 가능하되, 안정적인 작동을 위해 무게 중심을 최대한 아래에 둔다. 석션모터의 소음이 진료환경에 불편을 초래하지 않도록 Figure 7과 같이 방음처리를 한다.


Figure 7. 
Assembly and structure of base part.

4. 패시브 암

작업단의 위치와 방향을 확정하기 위하여 Figure 8과 같이 6-자유도의 로봇팔로 구성한다(9). 로봇팔을 접었을 때 공간을 최소화할 수 있도록 링크에 평행 오프셋을 추가 후, 각 링크의 길이는 모델 상에서 적절하다고 생각되는 길이로 우선 설정하여, 추후 설계 변화 시 조정할 수 있게 하였다(10). 각각의 관절에는 Figure 11과 같이 로터리 댐퍼 등으로 관절의 위치가 적절히 고정되도록 하였다.


Figure 8. 
Diagram of passive arm.

Matlab으로 10만 번 무작위로 동작을 시뮬레이션하여 패시브 암이 커버 가능한 영역을 분석하였다(11).

Figure 9, Figure 10과 같이 패시브 암 스탠드로부터 환자 방향으로 0.83 m, 상하 방향으로 0.36~1.4 m 영역에서 다양한 각도로 자유롭게 움직이는 것이 가능하였다.


Figure 9. 
Arm reach area simulated by Matlab.


Figure 10. 
Arm positioning simulation.


Figure 11. 
Rotary damper.

5. 프로토타입

Figure 12와 같이 1차 프로토타입에서는 패시브 암을 기성품으로 대체하였다. 1차 프로토타입임에도 불구하고 상당히 세련된 디자인을 가지며, 모든 기능이 구현되었다. 치과진료보조로봇이 고도화될수록 관절부위에 모터를 장착하여 전기제어 방식으로 작동하게 할 수 있다.


Figure 12. 
1st prototype, “Willi.”


고 찰

이번 프로토타입 연구 개발을 통해 치과진료보조로봇으로서 요구되는 최소한의 하드웨어적인 기능은 합리적인 비용으로 충분히 구현 가능한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 하드웨어의 “최적화”를 이루고 진료보조로봇을 실전 배치하기 위해서는 추가적인 개선이 필요하다.

1. 구강 내, 외 석션

부스팅 펌프와 구강 외 석션 모터를 추가하여 각각의 흡입력이 독립적으로 조절되게 함으로써 흡입력은 충분한 세기를 유지할 수 있었으나, 다양한 각도에서 구강 외 이물질을 흡인할 수 있도록 구강 외 석션부의 형태 및 구동 방식을 개선할 필요가 있다.

2. 다목적 리트렉터

환자의 고개를 좌, 우로 기울이는 것에 관계없이 구강 내 석션이 만족스럽게 유지되었으나, 환자 불편감을 최소화 하기 위해 크기의 소형화가 필요하다. 길이 및 각도 조절이 꼭 필요한지 다양한 증례에서 추가적인 테스트를 해 본 다음, 추가 조절이 필요 없는 최적의 구조를 찾아낸다면 혁신적으로 크기를 줄일 수 있을 것이다.

3. 베이스

술자와 어시스트의 공간을 방해하지 않고, 방음이 잘 되는 형태가 필요하다. 공간상으로는 타구대 하방의 공간이 가장 적절할 것으로 사료된다.

4. 패시브 암

암의 길이가 길어질수록 작업단에서의 안정성이 떨어진다. 또한 정교한 움직임을 구현할 경우 제작 비용이 지나치게 상승하게 된다. 다양한 측면을 고려하여, 암 형태가 최적의 형태인지, 아니면 더 좋은 다른 적절한 형태가 있을지 추가적인 연구가 필요하다.


결 론

본 연구를 통하여 제작된 치과진료보조로봇의 프로토타입은 어시스트 자리에서 술자를 보조하는 기존 진료보조인력의 모습을 최대한 모방하여 기획하였다. 보조자의 팔을 패시브 암으로 대체하고, 보조자의 손을 구강 내, 외 석션과 다목적 리트렉터로 구현한 것이다. 그러나 서론에서 언급한 진료보조로봇의 궁극적인 목표와 요구 사항을 달성하려면 추가적으로 많은 연구 및 개선이 필요하다.

후속연구를 진행해나갈 때, 기존처럼 사람의 모습을 모방하는 한계에 머물지 않고, 외형을 탈바꿈하여, 더 효율적인 방법으로 진료보조로봇의 목표와 요구사항을 달성할 수 있는 혁신을 이뤄낸다면, 가까운 미래에 치과진료 환경에서 진료보조로봇을 만날 수 있을 것으로 기대된다.


Acknowledgments

치과진료로봇 프로토타입의 제작은 저자가 서울과학기술대학교 산학협력단에 의뢰하여 진행하였다. 본 논문에 사용된 이미지들은 연구보고서의 내용을 인용하였다.


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