안과 수술에서의 3D 디스플레이 시스템

한눈에 보는 핵심 포인트

1. 안과 수술에서 3D 디스플레이 시스템이란?

안과 수술용 3D 디스플레이 시스템은 기존의 양안 현미경을 대체하는 새로운 수술 시각화 기술입니다. 외과의는 접안렌즈를 들여다보는 대신 3D 카메라가 촬영한 영상을 대형 모니터에서 실시간으로 관찰하며 수술을 진행합니다. 이 수술 방식을 ‘헤즈업 서저리(heads-up surgery)‘라고 합니다.

배경 및 개발 경위

3D 디스플레이 기술은 처음에 항공 및 군사용으로 개발되었습니다. 이후 기술 혁신을 통해 수술실에 도입되었습니다. 안과 분야에서는 TrueVision 3D 현미경 수술용 시각화 시스템의 등장 이후 널리 보급되었습니다.

기존 현미경 수술에서는 외과의가 장시간 앞으로 숙인 자세를 유지해야 하므로 경추, 등, 허리에 부담이 되는 문제가 있었습니다. 안과 의사의 목, 상체, 허리 증상 유병률이 62%에 달한다는 보고도 있습니다. 3D 시스템은 이 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다.

액티브 방식과 패시브 방식

액티브 방식(Active systems)

작동 원리: 좌우 눈에 대해 고속으로 교차 연속 이미지 표시

안경: 전자 제어 셔터식 안경이 한쪽 눈씩 능동적으로 차단

특징: 높은 입체감. 크로스토크(고스트)가 발생할 수 있음

패시브 방식(Passive systems)

원리: 두 이미지를 수평으로 혼합하여 출력

안경: 편광 3D 안경으로 수동 분리

특징: 비용이 낮음. NGENUITY 등에서 채택. 크로스토크 없음

Q 헤즈업 서저리(Heads-up Surgery)란 무엇인가요?

현미경 접안렌즈를 들여다보지 않고 3D 카메라가 포착한 영상을 대형 디스플레이로 보면서 수술하는 방식입니다. 술자는 고개를 든(헤즈업) 자연스러운 자세로 수술할 수 있어 경추와 허리에 가해지는 부담을 크게 줄일 수 있습니다. 여러 직원이 동일한 영상을 실시간으로 공유할 수 있어 교육 효과도 높은 시스템입니다.

2. 주요 시스템 및 기능

TrueVision 3D 시스템 (TrueVision Systems Inc., Santa Barbara, CA, USA)

안과에서 헤즈업 백내장 수술은 2010년 Weinstock에 의해 처음 보고되었습니다. TrueVision 3D 시스템은 표준 수술 현미경에 부착하는 카메라 유닛으로, 스테레오 이미지와 비디오를 3D HD 대형 모니터로 전송합니다.

미국 FDA는 3D 그래픽 오버레이를 제공하는 ‘TrueVision Refractive Cataract Toolset’을 승인했습니다. 또한 ‘TrueGuide’ 및 ‘TruePlan’ 애플리케이션을 통해 토릭 IOL 사용을 포함한 수술 계획 지원이 가능해졌습니다.

전안부 수술로의 적용도 확대되고 있습니다. 양막 이식 및 각막 수술에서도 헤즈업 시스템이 사용됩니다. Mohamed YH 등은 헤즈업 시스템을 사용한 각막 수술(비데스메막 박리 자동 각막 내피 이식술: nDSAEK)의 첫 증례를 보고했습니다.

NGENUITY® 3D 시각화 시스템(Alcon, TX, USA)

NGENUITY®는 세계 최초로 HDR(High Dynamic Range) 비디오 카메라를 탑재한 안과용 실시간 영상 시스템입니다. 사시 수술, 백내장 수술, 녹내장 수술, 유리체 망막 수술 등 안과 수술 전반에 널리 사용됩니다.

항목	사양
디스플레이	55인치 4K Ultra HD OLED
3D 안경	수동식 원편광 안경
이미지 처리	HDR(High Dynamic Range)

HDR 기술은 과다 노출 없는 밝은 시야를 보장하여 깊은 초점 심도로 안전한 수술을 가능하게 합니다. 망막 주변부까지 육안과 유사한 영상을 재현할 수 있으며, 증식막 등을 디지털 필터 기능으로 강조 표시할 수도 있습니다.

주요 장점:

기존 현미경과 비교하여 수술 시간 및 합병증 발생률이 동등함
안내 조명의 출력을 낮추어 광독성을 감소시킴
심한 척추 후만증 등 특수 체형에서도 사용하기 쉬움
유리체 트리암시놀론 염색의 필요성을 줄임
수술 전 정보와 광간섭단층촬영(OCT) 이미지를 실시간으로 오버레이할 수 있습니다.
외과의와 간호사의 만족도 점수가 높습니다.

보고된 한계점:

물류상의 어려움과 비용.
보조자의 불편감.
환자의 갑작스러운 머리 움직임에 대응하기 어려움.
중간 투명체 혼탁이 있는 경우 시야 저하

Q NGENUITY®의 'HDR'은 어떤 기술인가요?

HDR(High Dynamic Range)은 너무 밝은 부분과 너무 어두운 부분을 동시에 적절하게 표현할 수 있는 영상 기술입니다. 기존 수술 현미경에서는 흰색 번짐이 발생하기 쉬웠던 망막 주변부까지 육안과 유사한 영상을 재현할 수 있습니다. 또한 광량을 줄일 수 있어 장시간 수술 시 망막에 대한 광독성 감소에도 도움이 됩니다.

기타 헤즈업 3D 시각화 시스템

안과에서 사용되는 주요 시스템은 다음과 같습니다.

소니 HD 의료용 디스플레이 시스템(소니, 도쿄, 일본)
MKC 700 HD 및 CFA 3DL1 (이케가미 통신기, 도쿄, 일본)
Artevo 800 (자이스, 독일)
Panoramic RUV 시청 시스템 (라이카, 베츨러, 독일): 유리체망막 수술용

3. 유리체망막 수술에의 응용

망막 분야에서의 헤즈업 수술은 Eckardt와 Paulo에 의해 도입되었습니다. 3D HDR 카메라와 HD LCD 디스플레이를 사용한 헤즈업 유리체망막 수술을 평가한 연구에서는 다음과 같은 결과가 얻어졌습니다.

주요 이점은 우수한 인체공학입니다.
기술적 난이도는 기존 방법과 동등함
카메라 신호를 전자적으로 증폭하여 기존 방법보다 높은 휘도 구현
유리체 출혈, 중간 투명체 혼탁, 색소가 짙은 안저 등의 증례에서 유리함

수술 중 OCT와의 결합으로 황반원공의 유무 확인 및 내경계막(ILM) 박리 상태 확인이 가능합니다. 역전 내경계막 플랩 기법 시 수기 확인에도 유효합니다. DMEK(Descemet막 각막내피이식술) 및 DSAEK 등의 각막 수술에서는 공여자 이식편의 위치 확인에 유용한 것으로 알려져 있습니다.

최근 보고에 따르면, 기존 현미경과 NGENUITY®와 같은 3D 시각화 시스템을 비교한 황반원공 수술의 체계적 검토에서 3D 시스템이 망막에 대한 광노출을 줄이고 술자의 편안함이 높은 것으로 나타났습니다.

4. 헤드마운트 시스템(HMS)

헤드마운트 시스템(head-mounted systems; HMS)은 대형 모니터 대신 수술자가 머리에 착용하는 디스플레이를 사용하는 방식입니다. 이는 안과에서 새로운 개념으로 주목받고 있습니다.

헤즈업 시스템(대형 모니터)

시청 방법: 방 전체에서 공유할 수 있는 대형 모니터

3D 안경: 편광 안경을 착용하여 관찰

교육 효과: 여러 명이 동시에 같은 영상을 관찰 가능

헤드마운트 시스템(HMD)

시청 방법: 수술자가 머리에 착용하는 디스플레이

독립 표시: 좌우 눈에 독립적인 영상을 동시에 표시

크로스토크: 액티브 셔터 방식의 고스트 현상 방지

Sony HMS-3000MT

소니는 헤드마운트 디스플레이 분야의 선구자로, 2012년에 처음 수술실에 진출했습니다. HMS-3000MT는 Haag-Streit Surgical사의 현미경(HS Hi-R NEO 900)과 함께 사용됩니다.

시스템 구성:

HMI-3000MT: 이미지 처리 장치
HMM-3000MT 헤드 마운트 디스플레이: 입체시 제공
MCC-3000 MT: 3D 풀 HD 수술용 카메라 시스템

해상도는 1280×720의 입체 영상이며, 두 개의 독립적인 OLED 패널을 사용한 이중 비디오 입력으로 각 눈에 완전히 독립적인 신호를 제공합니다. 45도의 넓은 수평 시야각으로 자연스러운 시각 경험이 가능합니다.

HMS의 역사적 배경

1960년대 Ivan Sutherland의 초기 실험이 HMS 개발로 이어졌습니다. HMS의 주요 용도는 군사, 경찰, 소방 및 민간 상업(비디오 게임, 스포츠 등)이었습니다. 안과에서의 HMS 사용은 Dutra-Medeiros 등의 그룹에 의해 처음 보고되었습니다.

HMS 적용 수술 예시(Dutra-Medeiros 등 보고)

평면부 유리체절제술(단독 또는 초음파 백내장 수술+IOL 삽입과 병용)
아탈구 IOL 적출술
망막전막 박리술
내경계막 박리술
안내 레이저 광응고술
실리콘 오일 또는 육불화황 가스에 의한 탐포네이드

Q 헤드마운트 시스템의 장점은 무엇입니까?

헤드마운트 시스템(HMS)은 좌우 눈에 독립적인 영상을 동시에 표시하여 능동 3D 시스템에서 발생하는 고스트(크로스토크)를 방지합니다. 45도의 넓은 수평 시야각으로 자연스러운 시각 경험을 제공하며, 뛰어난 깊이 지각과 공간 파악이 가능합니다. 또한 두 번째 HMD를 연결하면 수술 스태프도 동시에 입체시할 수 있어 수술 교육 도구로서의 가능성도 기대됩니다.

5. 표준 치료에의 응용과 적응

적응 수술법 개요

수술 종류	주요 시스템	특기 사항
백내장 수술	NGENUITY, TrueVision	IOL 가이던스와 연동 가능
유리체망막 수술	NGENUITY, Artevo	광독성 감소 효과 있음
각막 수술(DMEK/DSAEK)	헤즈업형 일반	이식편 위치 확인에 유용
사시 수술	NGENUITY	여러 직원 공유
녹내장 수술	헤즈업형 일반	션트 배치의 시각화

영상 강화 기능

최신 시스템에서는 디지털 영상 처리를 통한 다음 기능이 구현되어 있습니다.

컬러 채널: 내경계막(ILM) 등 미세 조직의 시각화 향상
디지털 필터: 증식막의 강조 표시
오버레이 기능: 수술 전 계획 정보와 OCT 이미지의 실시간 중첩 표시
전자 줌: 카메라 신호 증폭을 통한 밝기 향상 (혼탁한 안저에서 시인성 개선)

6. 병태생리학 및 상세 발병 기전

기존 현미경의 인간공학적 문제

기존 쌍안 현미경을 사용한 안과 수술에서 수술자는 접안렌즈를 보기 위해 앞으로 숙인 자세를 유지해야 합니다. 이로 인해 경추, 흉추, 요추에 만성적인 부담이 발생합니다. 안과 의사의 62%가 목, 상체, 허리 관련 증상을 경험한 것으로 보고되며, 근골격계 장애는 외과의사의 수명을 단축시키는 요인이 되어 왔습니다.

입체시의 원리

3D 디스플레이 시스템에서 깊이 지각(depth perception)을 위해서는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 서로 다른 이미지를 받아야 합니다.

액티브 셔터 방식은 전자 셔터의 고속 전환으로 좌우를 분리하지만, 잔상으로 인한 크로스토크(고스트 현상)가 발생할 수 있습니다. 패시브 방식은 편광 필터로 분리하여 크로스토크가 적습니다. HMS는 독립된 두 개의 OLED 패널을 사용하여 각 눈에 완전히 독립적인 신호를 제공하므로 크로스토크가 발생하지 않습니다.

디지털 이미지 처리의 의의

카메라로 촬영한 영상을 디지털 처리함으로써 인간의 눈으로 직접 볼 수 없었던 정보를 시각화할 수 있습니다. HDR 기술은 명암 차이가 큰 수술 시야에서도 세부를 표현하고, 디지털 필터는 특정 조직의 식별성을 높입니다. 전자적 휘도 증폭을 통해 광량을 줄이면서(광독성 경감) 높은 시인성을 동시에 달성할 수 있습니다.

7. 최신 연구 및 향후 전망

안과 분야의 3D 디스플레이 시스템은 앞으로도 더욱 기술 혁신이 기대됩니다.

해상도 향상: 2K 해상도의 부족 문제는 4K·8K로의 진화를 통해 해결되고 있습니다. 미래에는 기존 광학 현미경으로는 인간의 눈에 보이지 않았던 구조가 시각화될 가능성이 있습니다.

AI 통합: 실시간 영상 분석, 수술 중 내비게이션, 수술 계획 지원과의 통합이 진전될 것으로 보입니다. TrueGuide 및 TruePlan과 같은 애플리케이션이 이미 그 선두주자입니다.

HMS의 발전: 새로운 헤드마운트 시스템(Avegant Glyph 망막 프로젝션 시스템, Beyeonics Surgical Clarity™ 등)이 등장했으며, 더욱 소형화·경량화가 기대됩니다.

교육·협업 용도의 확대: 라이브 수술 스트리밍 및 원격 수술 훈련에의 응용이 검토되고 있습니다. 여러 직원이 동시에 입체 시청할 수 있는 특성은 차세대 수술 교육 도구로서의 가능성을 지닙니다.

8. 참고 문헌

National Institute for Health and Care Excellence (NICE). Clinical guideline on idiopathic full-thickness macular holes. DRAFT; 2024.
Muecke TP, Casson RJ. Three-Dimensional Heads-up Display in Cataract Surgery: A Review. Asia Pac J Ophthalmol (Phila). 2022;11(6):549-553. PMID: 36417680.
Razavi P, Cakir B, Baldwin G, D’Amico DJ, Miller JB. Heads-Up Three-Dimensional Viewing Systems in Vitreoretinal Surgery: An Updated Perspective. Clin Ophthalmol. 2023;17:2539-2552. PMID: 37662647.