How should a flexible endoscopic surgery robot be designed to be used effectively? Surgical instruments should be able to move freely within the narrow gastrointestinal tract while exerting enough force to perform the surgical operation. Especially, if a surgical instrument which is capable of suturing that conventional endoscopy cannot be performed is developed, it can be expected that advanced endoscopic operation such as gastrointestinal perforation suture and bleeding hemostasis are possible, and stable surgical performance can be improved.
In this dissertation, flexible surgical instrument and ergonomic master device, which are the core parts of flexible endoscopic surgery robot. were proposed. First of all, the requirements of the proposed surgical instrument were derived by analyzing the endoscopic submucosal dissection (ESD) which is most generally performed in endoscopic surgery and the suture process, which is an advanced technique. After that, a surgical instrument with asymmetric rolling joint was proposed to exert high payload in dominant direction which is required for performing ESD and suturing task. To compensate for the asymmetric hysteresis caused by the asymmetric rolling joint, a control method that can change the kinematics of the actuating wire depending on the bending angle of the surgical instrument is presented. Furthermore, an intuitive and ergonomic master device with redundant joint were proposed for manipulating flexible endoscopic instrument. The performance of the proposed master device was quantitatively evaluated through an experiment simulating endoscopic surgery. An end-effector to stably grasp tissue and needles and a triangulation mechanism to secure a workspace and field of view were designed, and an orientation mapping was applied between the master device and the surgical instrument to perform a stitching motion during suturing task. Endoscopic submucosal dissection and suturing were performed on the excised organs using an integrated flexible endoscopic surgery robot system, and the surgical performance was evaluated.
It is hoped that this study will help to design a small surgical instrument with high payload and an intuitive and ergonomic control device, and to get ideas on how to evaluate the performance of the integrated system.
유연 내시경 수술 로봇이 효과적으로 사용되기 위해서는 어떻게 설계되어야 할까? 수술 도구는 좁은 위장관 내에서 자유롭게 움직이면서도 수술을 수행하기 위해 충분한 힘을 낼 수 있어야 한다. 특히 기존의 내시경이 수행할 수 없는 봉합이 가능한 수술 도구가 개발된다면, 기초적인 내시경 시술에서 벗어나 위장관 천공 봉합, 출혈 지혈 등 고난이도 내시경 시술 및 안정적인 수술 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한 무겁고 비직관적인 노브를 사용하는 기존의 내시경과 달리 직관적으로 수술도구를 조종할 수 있고 인체공학적인 조종장치가 개발된다면, 수술 시간 감소는 물론 시술자의 수술 성능이 크게 향상될 것이다.
본 학위논문에서는 유연 내시경 수술 로봇의 핵심 기술인 유연 수술 도구와 인체공학적인 조종장치를 제안한다. 먼저 내시경 시술에서 주로 수행되는 내시경적 점막하 박리술과 고난이도 술기인 봉합 과정을 분석하여 제안하는 수술도구의 요구조건을 분석하였다. 이후, 비대칭 구름관절을 이용하여 내시경적 점막하 박리술과 봉합 과정에서 큰 힘이 주로 필요한 방향으로 큰 힘을 낼 수 있는 수술 도구 설계 가이드라인과 수술도구의 강성을 높일 수 있는 방법을 제시하였다. 비대칭 구름 관절에 의해 발생하는 비대칭 히스테리시스를 보상하기 위해, 수술 도구의 굽힘 각도에 따라 구동 와이어의 기구학을 바꿀 수 있는 제어 방법을 제시하였다. 또한 유연 내시경 도구를 조작하기 위한 여자유도를 추가하여 직관적이면서 동시에 인체공학적인 조종장치 개발 과정을 제시하였다. 내시경 수술을 모사한 실험을 통하여 제안한 조종장치의 성능을 정량적으로 평가하였다. 장기 조직과 수술 바늘을 안정적으로 파지하기 위한 엔드 이펙터와 수술 공간과 시야를 확보하기 위한 트라이앵귤레이션 메커니즘이 설계되었고, 봉합 과정을 용이하게 수행 할 수 있도록 조종장치와 수술도구 사이에 방위각을 이용한 사상 방법을 적용하였다. 통합된 유연 내시경 수술 로봇 시스템을 이용하여 적출된 장기에서 내시경적 점막하 절제술과 봉합을 진행하였고, 수술 성능이 평가되었다.
본 연구를 통하여 작지만 큰 힘을 낼 수 있는 수술도구와 직관적이고 인체공학적인 조종 장치를 설계하고 이를 통합한 시스템의 성능을 평가하는 방법에 대한 아이디어를 얻는데 도움이 되기를 바란다.
