Palpation is one of the medical examination procedures using a tactile sensation of the physicians. This procedure is not only relatively safe, fast, intuitive, and less labor intensive, but also capable of providing valuable information of status of tissues including stiffness, viscosity, and existence of abnormalities. Palpation has been widely used in many medical fields including urology and gynecology. One of the most important facets in these fields is the early and accurate diagnosis of diseases, but the information obtained by the palpation is subjective and dependent on the experience of physicians, and is not quantitative. Therefore, this research addresses some of the main bottlenecks to address the limitations. First, robotic palpation based inclusion detection will be suggested and validated by using the tissue phantom experiments and mechanical property characterization. Second, mechanical property maps, that show the mechanical properties of normal and cancer prostate tissues, will be proposed, which are estimated using the results measured by robotic palpation experiments and mechanical property characterization. Finally, a robotic palpation system will be developed to detect the prostate abnormal tissue. Using the system, we will verify the possi-bility of proposed methods from the tissue phantom experiments and clinical experiments. Therefore, we applied the proposed protocol and system for abnormal tissue detection and localization using the different mechanical properties of tissues.
촉지는 빠르고, 안전하며, 간편한 방법이기 때문에 다양한 의료분야에 적용되고 있으나, 의사의 숙련도 또는 환자의 상태에 따라서 그 결과가 달라질 수 있으며 (주관적인 결과) 정량적인 결과를 얻기 힘들다. 특히, 전립선 암 진단 시 손가락을 직장에 삽입하여 전립선 조직에 촉지를 가함으로써 이상 조직 유무를 판단하는 직장수지 검사에서도 동일한 문제점이 발생된다고 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 로봇 촉지를 이용해서 생체 조직의 기계적 거동 (객관적인 정보)을 측정하고 유한요소법 기반의 물성 규명을 통해서 조직의 물리적 특성 (정량적인 정보)을 구함으로써 전립선 조직 내의 이상 조직을 검출할 수 있는 방법을 제안했으며, 이를 실제 임상에 적용할 수 있는 로봇 촉지 시스템을 개발했다. 이를 위해서 다음과 같은 세가지 연구를 수행했다.
첫 번째 수행한 연구는 제안된 방법을 검증하기 위해 새로운 형태의 촉지법 (scanning & sweeping)을 제안했으며, 함유물 (inclusion)이 들어 있는 실리콘 조직을 이용해서 로봇 촉지 실험을 수행했다. 실험 결과를 통해 실리콘 조직의 객관적인 정보를 획득했으며, 그 결과 함유물의 유무를 판단할 수 있었다. 또, 유한요소법 기반의 물성 규명과 실험 결과를 이용해서 조직의 물리적 특성을 획득했다. 그 결과 획득한 실리콘 조직의 특성이 이미 알고 있던 물성 값과 거의 일치하는 것을 볼 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안하는 방법을 통해 조직 내부에 포함되어 있는 함유물을 검출하고 함유물의 정량적인 정보를 획득할 수 있음을 검증했다.
두 번째 연구에서는 로봇 촉지 및 물성 규명을 통해 얻은 조직의 물성 정보를 비교할 때 기준으로써 사용하기 위한 전립선 정상 및 종양 조직의 물성을 나타내는 물성맵을 제안했다. 전립선 조직의 물성을 획득하기 위해서 세브란스병원에서 근치적 전립선-정낭 적출술을 시행 받은 35명의 전립선 암 환자의 전립선에 대한 ex vivo 실험을 수행했다. 특히, 기존 연구와 다르게 직장수지 검사 시 만져지는 전립선 후부 면을 여러 구간 (21곳)으로 구분하고, 각 위치에 로봇 촉지 실험을 수행하고 실험결과를 이용해서 각 위치 별 물성을 획득했다. 그 결과 모든 위치에서 종양 조직의 물성이 정상 조직의 물성에 비해서 약 1.5 ~ 2배 정도 크게 나타났으며, 전체 평균 탄성계수 값이 종양 조직은 28.8 kPa, 정상 조직은 15.3 kPa 이며, 두 값은 통계적으로 완전히 다른 집단임을 검증했다. 또, 전립선 형상 정보를 고려한 3D nonlinear surface fitting을 통해 전립선 정상 및 종양조직의 물성을 나타내는 물성맵을 개발했다.
끝으로 본 연구에서 제안하는 방법을 임상에 적용하기 위해서 촉지 모듈과 구동 모듈로 이루어진 로봇 촉지 시스템을 개발했다. 촉지 모듈은 와이어구동방식을 이용해서 sweeping 촉지를 가해줄 수 있게 개발했으며, 조직과 촉지 모듈 끝 사이에서 발생되는 반력 정보를 측정하기 위해 힘센서를 개발해서 부착했다. 구동 모듈은 3자유도의 구동 시스템을 이용해서 3차원 공간에서 촉지 모듈을 자유롭게 움직일 수 있게 했으며, 촉지 모듈을 직장을 통해 삽입할 경우 항문에서 움직임이 발생하지 않게 하기 위해서 이중 평행 사변형 (double parallelogram)구조를 이용해서 원거리 중심 (remote center)을 만들어 주었다. 개발한 시스템의 성능을 검증하기 위해 함유물이 들어 있는 실리콘 조직을 이용해서 로봇 촉지 실험을 수행했다. 그 결과 함유물이 있는 조직과 없는 조직을 확연히 구분할 수 있었으며, 앞서 검증한 물성 규명을 통해 함유물의 객관적이며 정량적인 정보를 획득할 수 있었다. 따라서 이 시스템을 통해 전립선 이상 조직을 검출할 수 있음을 검증했다. 이외에도 동물 및 사체를 이용한 임상 실험을 수행함으로써 로봇 촉지 시스템의 성능을 평가할 수 있었다.
본 연구에서 제안된 전립선 이상조직을 검출하기 위한 방법 및 로봇 촉지 시스템은 최근 급격히 증가하는 전립선 암을 초기에 정확하게 진단할 수 있는 새로운 형태의 기계공학적 접근 방법이며, 나아가 자궁암 및 유방암을 진단하는 방법으로도 적용 가능 할 것으로 기대된다.
