Recently, robotic surgery and computer assisted surgery are suggested to improve the accuracy of operation results, and total arthroplasty is one of the most active fields of robotic surgery in orthopaedics. The main job of orthopaedic surgery robot is bone cutting with milling cutter. This process may cause the bone temperature increment and thermal damage. During the bone cutting, the maximum temperature occurs at the point of contact between the bone and the cutting tool. However, this temperature is difficult to measure. Besides the thermal damage, the operation time of robot system is important. A long operation time may impose an ill effect on a patient such as loss of blood and late recovery.
In this study, prediction models for cutting force and thermal damages during the orthopaedic robotic surgery have been developed. A reliable method for predicting cutting forces and bone temperature as a function of the bone resection parameters can be used to design more intelligent systems. By expanding orthogonal bone cutting, force prediction model was proposed. Using energy balancing method and moving heat source theory, the temperature distribution prediction model was proposed. The models were verified with fresh bovine femurs. Using the proposed models, the fuzzy control method was proposed for reducing operation time and thermal damage. By force and feedrate feedback, the proposed fuzzy controller controls the optimal feedrate and cutting depth in accordance with cutting conditions. The system was verified with fresh bovine femurs and showed the improvement of operation time and thermal damages.
최근 로봇을 이용한 수술 및 컴퓨터를 응용한 수술이 수술의 결과를 향상시키기 위해 시도되고 있다. 인공관절전치환술은 정형외과 분야에서 로봇이 가장 활발하게 활용되고 있는 분야중의 하나이다. 정형외과 수술로봇의 주된 작업은 밀링커터를 이용한 뼈의 절삭이며 이 과정은 뼈의 온도를 상승시켜 뼈의 열손상을 유발할 수 있다. 뼈의 절삭과정 중 최대온도는 뼈와 공구의 접촉 점에서 발생하며 측정하기가 어려운 값이다. 열손상 이외에도 수술시간의 단축이 중요하다. 긴 수술시간은 환자의 혈액손실이나 회복지연과 같은 부작용을 초래한다.
이 연구에서는 정형외과 수술로봇의 작업 중 절삭력과 열손상을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 뼈 절삭의 조건, 절삭력 및 뼈의 온도를 예측하는 모델은 더 효과적이고 지능적인 시스템을 구축하는데 사용될 수 있다. 직교절삭모델을 확장하여 작업 중 절삭력을 예측할 수 있는 모델이 제시되었다. 또한 에너지 평형기법과 이동열원이론을 사용하여 뼈의 온도분포를 예측하는 모델이 제안되었다. 제안된 모델을 이용하여 수술시간 및 열손상을 감소시키기 위한 퍼지제어기가 제안되었다. 힘과 이송속도 귀환제어를 사용하여 제안된 퍼지 제어기는 절삭조건의 변화에 따라 최적의 이송속도와 절삭깊이를 조절하도록 고안되었다. 제안된 시스템을 소 뼈를 사용하여 검증하였으며 작업시간의 단축과 열손상의 감소를 확인할 수 있었다.
