캐나다의 정형외과 의사인 로버트 솔터(Robert Salter)는 1970년대 초에 지속적인 수동 운동(CPM : Continuous Passive Motion) 치료법을 고안해냈다. 2018년에 이르러 CPM 시장은 6억 5천만 달러 규모를 넘어섰다. 전자 장치의 통합 및 제어 기술이 발전하면서 비용 및 성능은 개선되고, 이제는 AI(Artificial Intelligence)가 설계에 접목되면서 환자 개개인의 치료 효과를 극대화한다.

CPM 요법은 치료법에서 정의한 운동 범위 내에서(수동적인 환자를 대신해) 팔과 다리를 지탱하고, 움직이는 방식으로 이뤄진다. 무릎 수술 환자의 경우, CPM은 정상적인 인간 관절의 운동학에 따라 기계적으로 하퇴부를 움직여 관절의 유연성을 회복하도록 돕는다. 부드러운 움직임을 통해 손상된 부위로 혈액과 영양분의 원활한 공급을 촉진하고, 장기적인 통증을 줄이는데 도움을 주며, 흉터 조직을 감소시키는 것으로 나타났다.

CPM 요법에 대한 의학적 연구는 무릎과 엉덩이, 어깨, 팔꿈치와 같은 관절 치료에 먼저 시도되었다. 로버트 솔터를 비롯한 의료진은 “CPM이 손상된 조직의 재생을 촉진하고, 관절의 강직을 예방하며, 회복 중인 환자가 적극적으로 관절 운동에 참여하지 않더라도 관절의 조기 회복을 촉진한다”고 말했다.

CPM 시장 현황

의료진들은 화상 환자나 뇌졸증으로 인한 신경 손상, 뇌 및 척수 손상 환자들을 치료하기 위해 CPM 요법을 도입한다. 운동선수들은 이 기술을 이용해 경증의 부상에서 신속하게 회복하고(최고의 경기력을 회복하고), 복귀에 도움을 받는다.

그랜드 뷰 리서치(Grand View Research)의 시장 분석에 따르면 2018년 CPM 시장은 전 세계적으로 6억 5천만 달러에 이르렀으며, 매년 6% 이상 성장하고 있는 것으로 나타났다. 특히 이 기술의 원래 목표인 수술 후 재활 치료 시장이 장기적인 성장세를 보이면서 증가세를 이어간다.

OECD(Organisation for Economic Cooperation and Development) 30여 개 회원국의 고관절 치환 수술 건수는 2007년부터 2017년까지 30% 증가했다. 또 무릎 수술은 40% 성장했다. 일부 예측 자료에 따르면, 2022년에서 2030년까지 미국의 무릎 인공관절 수술 건수는 6배 가량 증가할 전망이다.

전자 장치 및 임베디드 컴퓨팅 기술이 발전함에 따라 개인화된 재활 프로그램도 개발된다. CPM 장치는 의사의 판단과 함께 측정 및 분석 결과를 이용해 치료 단계마다 이용자에게 적합한 특정 운동 패턴을 지원한다. 또 CPM은 수동 물리치료 및 기타 치료와 관련된 치료법에도 종종 사용된다.

특히 치료의 후반부에는 병원 리소스에 대한 부담을 경감시키기 위해 환자가 집에서 시스템을 사용한다. 경제적인 휴대용 설계가 개발되면서 이러한 흐름은 가속화될 것이다. 물리치료용 CPM 장치 구현은 저렴한 비용으로 부품을 구할 수 있다 하더라도, 전자 장치와 소프트웨어 개발, 관련 의료 표준 및 규정에 대한(충분한 이해가 요구되는) 복잡한 프로젝트이다.

 
설계의 핵심 고려 사항 이해

CPM 설계에서는 안전한 작동이 가장 중요하다. 상당히 복잡한 구조의 무릎 관절은 뼈와 근육 조직의 결합으로 병진 및 회전 운동이 가능하다. 또 원치 않는 관절을 조작하고, 부상을 유발하지 않으면서도 치유를 촉진하는 제어 알고리즘 개발 작업이 복잡해진다. 그러나 무릎 아래에 배치된 단일축 관절과 같이 조작 가동 범위를 제한하는 기계적 구조를 이용해 안전한 제어를 보조할 수 있다.

CPM 시스템은 무릎에 특화되었고, 일반적인 전기기계 설계는 리드 나사를 통해 회전 접합부의 각도를 변경시키는 슬라이더에 모터를 결합하는 것이다. 기계적 접합부를 정밀하고, 점진적으로 제어하기 위해 스테퍼 모터가 설계에 일반적으로 사용된다. 첨단 모터 제어 알고리즘을 이용하면, 스테퍼 모터 대신 브러시리스 모터를 사용할 수 있고, CPM에 필요한 운동 동작을 미세하게 조정할 수 있다.

스펙터 모터 제어는 마이크로컨트롤러(MCU)에서 실행되는 펌웨어에 의해 구현되며, 적합한 모터 드라이버 회로와 인터페이스 한다. 스테퍼 모터에 적합한 회로는 많은 전력반도체 전문 기업들이 생산하고 있는 디바이스 유형인 통합 듀얼 풀 브리지(Full-Bridge) 드라이버에 기반한다.

대부분 제어 루프는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 알고리즘을 이용해 안정성을 제공한다. 일반적으로 마지막 운동 명령 이후, 하나 이상의 위치 센서를 통해 액추에이터가 얼마나 멀리 이동했는지를 보고한다. 로터리 인코더(Rotary Encoder)는 정확한 데이터를 제공하지만, 정교한 시스템에는 거리 또는 위치 센서가 추가로 사용될 수 있다.

초음파나 적외선 반사를 이용하면 조립체가 공간에서 어떻게 움직이는지 알 수 있고, 측정하는데 도움이 된다. 설계자들은 정확한 토크가 인가되는지 확인하기 위해 힘 센서(Force Sensor)를 이용할 수 있다. 환자가 외골격 움직임을 막고자 한다면 작동을 중지시켜야 한다.

정상적인 조건에서 PID 알고리즘은 센서 입력을 이용해 모터에 적용되는 토크와 속도를 조정한다. 하지만 예상치 못한 변화들이 비정상적인 위치 판독값에 반영되거나, 극단적인 경우에는 안전 센서가 장치의 작동 범위를 벗어나는 움직임을 감지할 수 있다. 이 경우 펌웨어는 환자가 부상을 입지 않도록 예측 가능한 방식으로(안정적으로) 작동을 중단시켜야 한다.

이 시스템은 신뢰할 수 있는 안전한 작동이 요구되기 때문에 머신이 안전 작동 영역을 벗어나 동작하면, MCU 기능을 우회하여 작동을 일시 중단할 수 있는 하드웨어 인터로크(Hardware Interlock)를 포함할 수 있다.

센서 피드백을 이용해
CPM에서 AI 지원

CPM 장치는 예측 가능한 회복 속도를 가정하고, 몇 주 간에 걸쳐 설정된(일련의 작동 순서를 따르는) 재활 프로그램을 이용한다. OEM 업체들은 모터 관련 센서뿐만 아니라 생리학 센서의 실시간 피드백을 제어 알고리즘에 통합할 수 있으며, 피드백은 머신러닝 기법과도 결합될 수 있다.

모션 제어에 머신러닝이 도입된 초기 사례는 모션 프로파일을 조정 및 최적화하기 위해 PID 제어 루프에 ILC(Iterative Learning Control)를 적용한 것이다. ILC 프로세스는 회전 및 선형 요소 간의 복잡한 연결을 비롯해 전기기계 시스템에서 발생할 수 있는 비선형성 및 기타 문제를 기본 PID 제어로 해결할 수가 있다.

CPM 설계자들은 다양한 요구 사항을 지원하기 위해 머신러닝을 추가한다. 또 일부 애플리케이션은 오프라인 상태에서도 세션 간의 기록된 데이터를 분석하는 모델을 통해 치료가 잘 진행되는지, 다음 세션에서 어떤 설정을 사용해야 하는지를 결정할 수가 있다.

딥러닝과 같은 첨단 AI 알고리즘은 숙련된 치료사가 없는 가정에서 시스템을 사용하고, 실시간으로 행동을 제어하는데 도움을 준다. 이러한 시스템은 안전을 위해 센서 입력을 모니터링할 수 있다. 예를 들어 팔다리를 장치에 올바르게 장착하지 못하면 비정상적인 동작이 발생할 수 있으며, 기존의 센서 분석 알고리즘으로 감지하기 어려울 수 있다. 또 적절한 센서 입력을 통해 대상 근육에 대한 과도한 운동으로부터 야기될 수 있는 지나친 부종과 같은 상태를 감지하도록 트레이닝할 수 있다.

비정상적인 부종이나 근육 활동과 같은 상태를 감지하려면 치료 중 환자가 착용하는 다양한 센서와 머신에 직접 장착되는 위치 측정 센서의 연동이 이뤄져야 한다. 팔다리에 착용하는 스트랩의 압력 센서는 온도 센서와 함께 부종을 감지하는데 도움을 준다.

생리학적 변화를 감지하기 위해 사용되는 또 다른 중요한 센서는 표면 근전도이다. 근육의 전기 신호는 (능동 물리치료에 비해) 수동 운동 치료 주기에는 강도가 낮지만, 신호를 통해 영향을 받은 부위를 중심으로 회복 경과를 관찰하는데 유용한 데이터이다.

의료 장비의 인터페이스 구현

CPM 기반의 치료법을 제어하는데 사용되는 핵심 전자 장치 및 소프트웨어 그리고 HMI(Human-Machine Interface)는 전체 설계에서 매우 중요한 요소이다. 인터페이스는 의료 전문가들이 원하는 파라미터를 미세하게 조정할 수 있도록 지원되어야 하고, 가정용 시스템의 경우에는 의료진의 감독 없이도 쉽게 사용할 수 있어야 한다.

설계자들은 접근이 용이한 방식으로 더 많은 양의 유용한 정보를 제공하는 그래픽 터치스크린 인터페이스로 눈을 돌리고 있다. 또 터치스크린을 이용하면 치료 시 다양한 세그먼트를 제어할 수 있고, 치료 중 발생할 수 있는 문제를 쉽게 확인할 수 있다.

인터넷 연결 또한 점차 중요한 요소로 부각된다. 새롭게 연결된 장치들은 HIPAA(Health Insurance Portability and Accountability Act)와 같은 규정을 준수하고, 필수적으로 데이터 보안을 지원해야 한다. 임상용 의료 장비와 마찬가지로, 설계 팀은 시장에 진입하기 전에 의료 전문가의 컨설팅과 법률 자문을 구해야 한다.