안과 수술에서의 3D 디스플레이 시스템

한눈에 보는 포인트

이 기술의 요점

• 헤즈업 수술은 현미경을 직접 보지 않고 대형 3D 모니터로 수술 시야를 관찰하는 수술 방식입니다.
• 안과 의사의 62%가 목 증상을 가지고 있으며, 인체공학적 개선이 주요 도입 동기입니다.
• 3D 디스플레이 시스템은 기존 광학 현미경과 동등한 효과를 보이며, 망막 광 노출을 줄이고 술자의 편안함을 향상시킵니다¹⁾.
• 백내장, 유리체망막 수술, 각막 수술, 녹내장 수술 등 다양한 수술에 적용 가능합니다.
• 대표적인 시스템으로는 NGENUITY(Alcon), TrueVision(TrueVision 3D Surgical), Sony HMS-3000MT의 세 가지가 있습니다.
• 디지털 이미지 처리를 통해 HDR, 노이즈 감소, 색조 보정, 디지털 필터를 사용할 수 있습니다.

1. 3D 디스플레이 시스템이란?

안과 수술에서 3D 디스플레이 시스템(헤즈업 수술 / 3D 디지털 현미경)은 수술 현미경의 광학계를 카메라로 촬영하여 대형 3D 디스플레이에 영상을 표시하고, 술자가 모니터를 보면서 수술을 진행하는 방식입니다. 술자는 현미경의 접안렌즈를 직접 보지 않고, 편광 또는 액정 셔터 방식의 3D 안경을 착용하고 모니터를 보면서 수술을 진행합니다.

역사적 배경: 헤즈업 수술의 개념은 2010년 Weinstock 등에 의해 처음 보고되었습니다. 이후 유리체망막 수술에의 적용은 Eckardt와 Paulo에 의해 보고되었으며, 안과 영역 전반으로 보급되었습니다.

기존의 광학 현미경 수술에서는 술자가 접안렌즈에 눈을 가까이 대고 장시간 앞으로 숙인 자세를 유지해야 했습니다. 3D 디스플레이 시스템은 이러한 자세 부담을 근본적으로 해소하는 기술 혁신입니다.

Q 헤즈업 수술은 무엇이 달라지나요?

A

기존 현미경 수술에서는 접안렌즈에 눈을 가까이 대고 앞으로 숙인 자세를 유지하지만, 헤즈업 수술에서는 술자가 머리를 든 자연스러운 자세로 대형 3D 모니터를 보면서 수술을 진행합니다. 이로 인해 목과 허리의 자세 부담이 줄어들고, 교육 목적으로 여러 사람이 동시에 관찰하기도 쉬워집니다.

2. 주요 특징 및 장점

3D 디스플레이 시스템이 기존 광학 현미경에 비해 제공하는 주요 장점은 다음과 같습니다.

인체공학(자세 개선): 안과 의사의 62%가 경부 증상을 가지고 있어, 수술자의 건강 유지가 심각한 과제입니다. 3D 디스플레이 시스템을 통해 수술자는 머리를 든 자연스러운 앉은 자세로 수술을 수행할 수 있어 목과 허리에 가해지는 부담이 크게 줄어듭니다.

교육 및 협업 기여: 수술 시야 영상을 여러 모니터에 동시 출력할 수 있습니다. 지도 의사와 연수 의사가 동일한 영상을 공유하며 수술을 진행할 수 있어 교육 효율이 향상됩니다. 방문 관찰자나 수술실 직원도 동일한 시야로 수술 중 상황을 확인할 수 있습니다.

디지털 이미지 강화: 카메라로 획득한 디지털 영상에 실시간 처리를 적용할 수 있습니다. 대비 강화, 노이즈 감소, 디지털 필터, 색조 보정을 수술 중에 적용할 수 있으며, 내경계막(ILM) 염색의 가시성 향상 등에 사용됩니다.

망막 광 노출 감소: 3D 디스플레이 시스템은 저조도에서 수술을 가능하게 하여 기존 현미경보다 망막에 대한 광 노출을 줄입니다¹⁾. 이는 광독성에 의한 망막 손상 위험을 줄이는 데 중요한 특성입니다.

수술자 편의성 향상: 장시간 수술에서 수술자의 피로가 줄어들고 집중력 유지가 기대됩니다¹⁾.

3D 디스플레이 시스템과 기존 광학 현미경의 주요 특성을 비교합니다.

특성	3D 디스플레이 시스템	기존 현미경
수술자 자세	헤즈업(자연 자세)	전경(접안렌즈 직시)
광 노출	감소1)	표준
이미지 처리	디지털 강화 가능	광학계만

Q 3D 시스템이 수술 성적에 영향을 미치는가?

A

3D 디스플레이 시스템은 기존 광학 현미경과 동등한 유효성을 보이는 것으로 확인되었습니다¹⁾. 수술 성적(시력 회복 및 해부학적 결과)에서 기존 광학 현미경에 뒤지지 않으며, 인체공학, 광 노출 감소, 디지털 이미지 강화 측면에서 우수한 특성을 가지고 있습니다.

3. 대상 수술

3D 디스플레이 시스템은 안과의 다양한 수술 방식에 적용 가능합니다.

백내장 수술: TrueVision 시스템은 3D 헤즈업 백내장 수술의 선구적 플랫폼으로 개발되었습니다. 수정체핵 분할, 초음파 유화 흡인, IOL 삽입을 모두 3D 영상 하에 수행할 수 있습니다.

망막 유리체 수술: 헤즈업 수술이 가장 널리 평가되는 분야입니다. 황반원공 수술에서 3D 디스플레이 시스템은 기존 현미경과 동등한 유효성을 가지며, 망막 광 노출 감소가 확인되었습니다¹⁾. 유리체 절제, 막 박리, 레이저 광응고도 3D 영상 하에 수행 가능합니다.

각막 수술: DSAEK(각막 내피 이식술)에 대한 응용으로 nDSAEK(초박형 DSAEK)의 보고가 있습니다. 초박형 이식편 조작 및 기포 주입을 디지털 영상 하에 정밀하게 수행할 수 있습니다.

녹내장 수술: 섬유주 절개술 및 여과 수술 등 전안부 수술에의 적용도 보고되었으며, 적응 수술 범위가 확대되고 있습니다.

4. 주요 시스템

현재 실용화된 대표적인 3D 디스플레이 시스템을 제시합니다.

NGENUITY

제조사: 알콘(Alcon)

디스플레이: 4K OLED 3D 모니터

입체시 방식: 편광 방식

특징: 망막유리체 수술용으로 설계. 수술 중 OCT 통합 옵션 있음. 디지털 필터 및 대비 강조 기능 탑재. 현재 가장 널리 보급된 상용 시스템.

TrueVision

제조사: TrueVision 3D Surgical

대상 수술: 백내장 수술 및 전안부 수술

입체시 방식: 능동 셔터 방식

특징: heads-up 수술의 선구적 플랫폼. 백내장 수술에서 디지털 3D 시각화를 초기부터 실현. ORA(수술 중 수차 측정)와의 통합도 가능.

Sony HMS-3000MT

제조사: Sony

형식: HMD(헤드 마운트 디스플레이) 방식

입체시 방식: HMS(Head-Mounted System)

특징: 수술자가 착용하는 HMD에 영상 제공. 모니터 불필요하며 개인차에 대응하기 쉬움. 수동적이 아닌 능동적인 입체시 경험을 제공하는 형식의 예.

주요 3개 시스템의 사양을 비교합니다.

시스템	해상도	입체시
NGENUITY	4K	편광 방식
TrueVision	HD~4K	능동 셔터
HMS-3000MT	HD	HMD 방식

5. 기술적 특징

3D 디스플레이 시스템에 탑재된 주요 기술을 설명한다.

HDR(하이 다이내믹 레인지) 디스플레이: 고휘도에서 저휘도까지 넓은 대비를 재현한다. 어두운 유리체강과 밝은 조명광의 차이를 자연스럽게 표시하여 조직의 가시성을 높인다.

4K~8K 고해상도: 현재 주류는 4K 해상도(3840×2160 픽셀)이며, 차세대는 8K 지원이 개발 중이다. 고해상도로 내경계막과 미세한 망막 구조의 가시성이 향상된다.

디지털 필터: 수술 중 실시간으로 필터 처리를 적용할 수 있다. 내경계막 염색(브릴리언트 블루 G 등)의 색조 강조, 대비 보정, 유사 색상 표시 등을 이용할 수 있다.

수술 중 OCT 통합: 광간섭단층촬영(OCT)을 수술 현미경에 통합하여 단층상을 실시간으로 3D 모니터에 중첩 표시하는 기술이 개발되었다¹⁾. 황반원공 폐쇄 확인이나 막 박리 평가를 수술 중에 수행할 수 있다.

신호 증폭 및 저조도 촬영: 카메라 센서의 고감도화로 조명 광량을 줄이면서 고품질 영상을 획득할 수 있습니다. 이것이 망막 광노출 감소의 주요 메커니즘입니다.

6. 원리와 메커니즘

입체시 생성 방법

3D 디스플레이 시스템을 통한 입체시는 좌우 눈에 독립적인 영상을 제시하여 깊이 지각을 생성합니다. 주로 두 가지 방식이 사용됩니다.

능동적 입체시(액티브 방식): 액정 셔터가 달린 안경을 사용합니다. 안경이 좌우 렌즈를 교대로 고속으로 차단하고, 모니터와 동기화하여 프레임마다 왼쪽 눈용과 오른쪽 눈용 영상을 전환합니다. TrueVision 시스템에 채택되었습니다.

수동적 입체시(패시브 방식): 편광 필터를 사용한 안경을 사용합니다. 모니터에 수평 편광 및 수직 편광 영상을 동시에 표시하고, 해당 편광 안경으로 좌우를 분리합니다. NGENUITY 시스템에 채택되었습니다. 가볍고 전원이 필요 없는 안경이 장점입니다.

HMS(헤드마운트) 방식: 수술자가 착용하는 HMD에 직접 영상을 표시합니다. 모니터를 거치지 않고 수술자 눈앞에 영상을 제시하므로 개인의 동공 간 거리 적응이 용이합니다. Sony HMS-3000MT가 이 방식을 채택합니다.

디지털 카메라와 신호 처리

수술 현미경의 빔 스플리터를 통해 카메라 유닛이 빛을 획득합니다. CMOS 센서로 촬영한 영상을 실시간으로 처리하여 3D 영상으로 출력합니다. 지연(레이턴시) 최소화가 수술 정밀도 유지의 중요한 과제이며, 현재 시스템에서는 인지되기 어려운 수준으로 억제되어 있습니다.

Q 3D 안경을 착용하면서 수술 정밀도가 떨어지지 않습니까?

A

편광 방식과 셔터 방식 모두 레이턴시(영상 지연)가 인지되기 어려운 수준으로 억제되어 있으며, 수술자의 수술 정밀도에 미치는 영향은 최소한으로 간주됩니다. 또한 3D 디스플레이 시스템은 기존 현미경과 동등한 유효성이 확인되었습니다¹⁾. 적응 문제로 도입 초기에 학습 곡선이 있다는 것은 인식되고 있습니다.

7. 최신 연구와 향후 전망

환자분께: 반드시 읽어 주십시오

다음 내용은 현재 연구 단계 또는 개발 중인 것으로, 일반 병원에서 표준적으로 제공되는 기술과 다를 수 있습니다. 향후 의료 발전에 관한 전문가용 참고 정보입니다.

8K 초고해상도: 현재 4K 해상도의 차세대로 8K 대응 시스템 개발이 진행 중입니다. 8K 해상도(7680×4320 픽셀)를 통해 내경계막의 미세 구조나 망막 혈관의 세부 사항을 기존보다 더 높은 정밀도로 관찰할 수 있을 것으로 기대됩니다.

HMS(헤드마운트 시스템)의 발전: 개인의 시특성(동공간 거리, 굴절 교정)에 완전히 적합한 HMD의 개선이 계속되고 있습니다. 수술용으로 특화된 고휘도, 저지연의 차세대 HMD가 개발 단계에 있습니다.

증강현실(AR)과의 융합: 수술 중 OCT 이미지, 형광 조영, 환자 정보 등을 수술 영상에 실시간으로 중첩 표시하는 AR 수술 시스템 연구가 진행 중입니다. 술자가 시선을 돌리지 않고 다양한 정보에 접근할 수 있는 환경 구현이 목표입니다.

세극등에 대한 헤즈업 적용: 수술 현미경뿐만 아니라 외래 진료에 사용되는 세극등 현미경에도 3D 헤즈업 방식을 도입하려는 시도가 보고되었습니다. 진료 시 인체공학 개선과 이미지 기록 용이성이 장점으로 꼽힙니다.

AI 이미지 분석과의 통합: 획득한 실시간 영상을 인공지능(AI)으로 실시간 분석하여 조직 식별 및 박리 지원을 수행하는 시스템 개발이 진행 중입니다. 수술 지원 로봇과의 조합도 연구되고 있습니다.

Q 3D 디스플레이 시스템이 앞으로 표준 장비가 될까요?

A

기술 비용 절감과 임상 증거 축적이 진행됨에 따라 3D 디스플레이 시스템의 보급이 확대되고 있습니다. 술자의 인체공학 개선, 광 노출 감소, 디지털 이미지 처리 등 여러 장점이 평가되어, 특히 대규모 시설에서 채택이 증가하고 있습니다. 향후 수술 중 OCT 및 AR과의 통합이 진행되어 더욱 고기능 플랫폼으로 발전할 것으로 예측됩니다.

8. 참고문헌

1. The Royal College of Ophthalmologists. DRAFT clinical guideline on idiopathic full-thickness macular holes. 2023.