하이브리드 시뮬레이터 HySim: 시각적·촉각적 실감으로 차세대 수술 훈련 혁신
서론: 왜 ‘하이브리드 시뮬레이터’인가?
최소침습 수술 교육의 한계
현대 외과 분야에서는 최소침습 수술(로봇수술·복강경수술)이 환자 회복 시간 단축과 합병증 감소라는 명확한 이점을 제공하지만, 이를 위해 요구되는 정교한 수술 기법의 습득은 쉽지 않다.
- 기존 박스 트레이너(Box trainer): 실물 모형을 이용해 촉각(feedback)을 익히는 데는 유리하나, 수술 시야의 시각적 사실감이 떨어진다.
- VR 시뮬레이터: 현실감 있는 수술 장면을 제공하나, 촉각적 피드백이 부족해 실제 조직의 탄력·저항감을 체득하기 어렵다.
HySim 개요
HySim이란?
HySim은 “Hybrid Simulation”의 약자로, 실제 물리 조직(실리콘 펜텀)과 가상 조직(3D 메쉬)을 하나의 수술 시야에 통합함으로써 양쪽의 장점을 모두 살린 시뮬레이션 프레임워크다.
- 시각적 실감: VR 기반 가상 조직을 고해상도로 렌더링하여 실제 수술 장면과 유사한 시야 제공
- 촉각적 실감: 실리콘 조직을 이용해 바늘 꿰기·봉합 등 실제 조직의 저항감·탄력성을 체험
- 스코프 추적: 광학 트래킹 시스템으로 내시경 스코프와 시뮬레이터 박스의 위치를 실시간 동기화
HySim의 핵심 구성
1) 하드웨어 구성
- 복강경 박스 트레이너
- 실리콘 펜텀 조직
- 광학 트래킹 카메라(V120:Trio)
- 내시경 스코프(da Vinci Xi 호환)
2) 소프트웨어 모듈
- 비디오 모듈: 스코프 영상 획득 및 크로마키 처리
- 트래킹 모듈: 4×4 변환 행렬로 스코프·박스 위치 계산
- 렌더링 모듈: VTK 기반 혼합 현실 장면 생성
- GUI 모듈: 사용자 설정 및 가상 조직 배치 지원.
이들 모듈 간 멀티스레딩(parallel processing)을 통해 실시간 렌더링과 피드백이 가능하도록 구현되었다.
사용자 평가: 실제 수술자 관점
| 평가 항목 | 박스 트레이너 | VR 시뮬레이터 | HySim |
|---|---|---|---|
| 수술 시야의 사실감 | ✗ | ◯ | ✓ (p=0.042) |
| 촉각 피드백(도구-조직 상호작용) | ◯ | ✗ | ✓ (p=0.022) |
| 조직 행동·변형 표현 | ◯ | ◯ | ✓ (p=0.004) |
| 학습 유용성 | ◯ | ◯ | ✓ (p=0.042) |
| 도입 의향 | ◯ | ◯ | ◯ (유의차 없음) |
해석 및 시사점
HySim은 기존 박스·VR 방식보다 시각·촉각 모두에서 유의미하게 높은 점수를 획득했다. 다만 ‘도입 의향’은 세 방식 모두 비슷하게 평가되어, 사용자 편의성·비용 측면 추가 연구 필요.
기술적 성능: 정렬 정확도
스코프 기울기·팬 동작 시 물리 조직과 가상 조직의 오버레이 정렬 정확도를 평가한 결과, 10°/s 이하 속도에서는 눈에 띄는 미스얼라인먼트가 관찰되지 않았다. 이는 실제 수술 중 스코프 조작 속도(보통 15°/s 이하)가 빠르지 않다는 점을 고려할 때, 실제 수술 훈련 환경에서도 충분히 활용 가능함을 시사한다.
비판적 고찰 및 향후 과제
1. 표본 크기 한계
n=10 전문가만 참여, 전공 분야가 편중됨(비뇨기). 향후 다학제·다기관 연구로 결과 일반화 필요.
2. 객관적 성능 검증 부재
현재는 주관적 설문 평가만 실시. 숙련도 향상, 수술 실전 이행율 등을 객관적으로 측정하는 RCT 설계 권장.
3. 가상 조직 사실감 개선
현재는 MRI 기반 메쉬에 수술 영상 텍스처 적용. 향후 실제 수술 영상에서 텍스처 추출·경계 부드럽게 처리하여 더욱 몰입도 강화 가능.
4. 환자 맞춤형 시뮬레이션
3D 프린팅 금형에 실리콘 조직 캐스팅 후, 환자별 해부학적 특성 반영. 수술 전 리허설(preoperative rehearsal) 플랫폼으로 확장 연구 필요.
결론
HySim은 기존 박스 트레이너와 VR 시뮬레이터의 장점을 결합하여 시각적 실감과 촉각적 실감을 동시에 제공하는 혁신적인 hybrid simulator다.
- 시각적 사실감: VR 조직 렌더링 → 실제 수술 장면 유사.
- 촉각적 실감: 실리콘 펜텀 조직 → 도구-조직 상호작용 학습.
- 실제 사용자 평가: 기존 방식 대비 유의미한 우수성 입증.
향후 객관적 성능 검증과 환자 맞춤형 적용 연구를 통해, 복강경 수술 훈련·로봇 수술 훈련의 새로운 표준으로 자리매김할 잠재력이 크다.
출처논문:
Navkar, N. V., Palliyali, W., Hamza, H., Paul, S., Baig, A., Al-Ansari, A., Aboumarzouk, O., Deng, Z., & Navkar, N. V. (2025). HySim: towards development of a hybrid simulation framework with improved visual and tactile realism for minimally invasive surgeries. Virtual Reality, 29, 111. https://doi.org/10.1007/s10055-025-01193-2