This thesis presents a newly developed haptic interface for gastrointestinal endoscopy simulation. Gastrointestinal endoscopy is a procedure in which the organs of a patient are treated and diagnosed using a long and flexible endoscope. Doctors have to practice this procedure a lot because it is difficult to maintain hand-eye coordination and proper guidance of flexible instruments. Simulators and haptic devices are necessary for such procedural training of doctors. However, previous haptic devices have problems like insufficient workspace and large inertia which makes it difficult to make subtle movements of the tip of the endoscope. Active forces cannot be feedback also.
The developed haptic interface incorporates 2-d.o.f, each of which is necessary to describe the movements of an endoscope in actual endoscopy procedures. The haptic interface is divided into a translational motion mechanism which is necessary to implement the insertion movement of the endoscope, a rotational motion mechanism to implement the rotation movement of the endoscope and a folding guide part to prevent the endoscope from bending. The insertion motion of the endoscope is realized by a circular movement in which the endoscope turns around a central axis, which reduces the inertia thereby making it less than the previously developed endoscope, known as Kaist-Ewha Colonoscopy Simulator II. The force feedback in each direction is provided by a wire-driven mechanism.
The specifications of the developed haptic interface are evaluated in this article. The haptic interface has larger workspace, higher sensitivity and the maximum attainable force and torque through this endoscope are sufficient to simulate endoscopy procedures such as colonoscopy and ERCP. The force bandwidth is also evaluated through frequency response tests. Finally, Colonoscopy simulation is performed through the developed haptic interface combined with a virtual environment.
소화기 내시경은 길고 유연한 내시경을 이용하여 환자의 장기를 검사하거나 치료하는 시술로서 의사들은 실제 시술에 앞서 많은 연습이 필요하다. 기존에 소화기 내시경 시뮬레이션을 위한 많은 햅틱 장치가 개발되어 왔으나 큰 관성, 실제 내시경을 사용할 때의 작업공간의 부족, 능동적인 반력을 제시할 수 없다는 단점들이 있었다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 보완한 새로운 소화기 내시경 시뮬레이션을 위한 햅틱 인터페이스를 고안하는 것을 목적으로 한다.
개발된 햅틱 인터페이스는 실제 시술에서 내시경의 삽입 방향의 움직임을 구현하는 직선운동 메커니즘과 내시경의 회전방향의 움직임을 구현하는 회전운동 메커니즘 및 내시경의 굽힘을 방지하는 폴딩 가이드부분으로 이루어져 있으며 2자유도로 구성되어 있다. 내시경의 삽입방향 움직임의 경우, 고정된 축을 중심으로 내시경이 일정한 반경으로 회전하는 형태로 모사함으로써 기존에 개발된 장치보다 삽입방향의 관성을 줄였다. 각 방향에서의 force feedback은 와이어 구동 메커니즘에 의해서 제공되고, 사용자에게 전달되는 힘을 측정하기 위해 2개의 센서를 부착하였다.
본 논문에서 개발된 햅틱 인터페이스는 작은 마찰력과 소화기 내시경 시뮬레이션에 적합한 작업공간을 가지며, 사용자에게 비교적 투명한 반력을 제시할 수 있다. 또한 하부 위장간 내시경에 적합한 힘 대역폭을 가지고 있으며 가상의 소화기내시경을 안정적으로 수행할 수 있다.
