Minimally invasive surgery (MIS) is a broad term to describe all kinds of surgery to minimize injury to the patient. MIS lessens pain, the need for post-surgical pain medication, scarring, and the likelihood of incisional complications. But there is a constraint of the degree of freedom (DoF) because bar of tools are inserted through ports of incision points. In addition, force-feedback is also impaired because of the long and thin bar of surgical tools.
Recently, minimally invasive robotic surgery (MIRS), such as Da VinciTM has been introduced to solve motion constraint problems in MIS. As a consequence, dexterity of tool and tissue manipulation has been considerably augmented. However, force-feedback is totally eliminated. Many researchers insist that force-feedback could play a very important role. Some researchers presented the possibilities of the safe surgery. M.Zhou et al. mentioned that injury to the bile ducts during cholecystectomy occurs at a rate of 0.41-1.1%, compared to 0-0.4% in open surgery,which is three times higher in open surgery due to lack of force-feedback. E. U. Schirmbeck et al. emphasized the damage due to the collision of the instru-ments would be avoidable. Some other researchers paid attention to a better manipulation. L. Moody expected operating time would be reduced. Force-feedback information allows determination of the force applied to the tissue of the patient without damaging the tissue. Appropriate applied forces are critical in creating knots of sutures that should be firm enough to hold but do not break sutures or damage tissue. C.R.Wagner et al. verified that the absence of force feedback increased the average force magnitude applied to the tissue by at least 50%, and increased the peak force magnitude by at least a factor of 2. But, even up-to-date com-mercialized MIRS systems are still missing force-feedback.
In the previous research, there has been some effort to measure and reproduce force information. Seibold et al. have developed a 6-axis force sensor using Swewart platform. This platform can measure forces with a resolution of 0.25N in the axial direction and 0.05N in the radial direction. Valdastri et al. have developed a 3-axis force sensor using a micro-electro-mechanical system (MEMS). Mitsuishi et al. have developed a 3-axis force sensor using strain-gauges for the minimally invasive telesurgical system. These systems are based on electric devices due to its reliability, compactness and simplicity. However, electric systems need many connection wires and packaging to shield against electromagnetic interference (EMI). A sterilization method is also should be considered. Presently, the steam sterilization system known as autoclave is a standard method widely applied to sterilize surgical equipment. It uses intense heat, pressure, and humidity. These harmful environments potentially destroy sensors, electronics and even insulators of simple electric wires. P. Kazanzides et al. insisted on necessity of the sensor which could be used in MRI environment and sterilized in convenient method.
Because optical fiber sensors have immunities for these conditions, they would be one of the most suitable sensors for MIRS. Optical fiber sensors have immunity to EMI, light weight, flexibility, stability, high temperature tolerance, and even durability against high radiation environments. P. Puangmali et al. introduced optical fiber sensor for soft tissue investigation in MIS and they presented another optical fiber sensor for use in magnetic resonance environments. The small diameter of the optical fiber also makes it compatible with MIRS which small diameter probes are required. Peirs et al. have developed a micro optical force sensor for above-mentioned reasons. Three optical fibers and a reflective surface were used to measure the intensity of the reflected lights. Changes of the intensity are converted to 3-axis forces. But, this system is negatively influenced by fluctuation of the light source.
In order to overcome this problem, a fiber Bragg grating (FBG) sensor was used among various optical fiber sensors in this research. The principal advantage is that the measurand information is wavelength-encoded, thereby making the sensor self-referencing, rendering it independent of fluctuating light levels and the system immune to source power and connector losses that plague many other types of optical fiber sensors. Their very low insertion loss and narrowband wavelength reflection offer convenient multiplexing. Moreover, because the input and the output lights are transmitted in one optical fiber, the sensor system requires only simple wiring. Y-L. Park et al. confirmed that FBG sensors can be used during MR imaging. Then they have developed three dimensional needle with FBG sensor in MRI environments. I. Iordachita et al. have developed a fiber-optic force-sensing tool for retinal microsurgery.
In this dissertation, the development process of the FBG force sensor was specifically described. The developed FBG sensor was tested both in static and dynamic situation. Moreover, the efficacy of the force-feedback ability was assessed. The experiment was performed as a master-slave operation. A conventional haptic master was used.
최소침습수술은 환자의 회복시간과 미용면에서의 큰 장점을 바탕으로 1980년 이후 크게 성장하였다. 그러나, 복강의 피봇점에 의한 자유도의 감소와 긴 수술 도구의 불편함과 촉각정보의 부재, 내시경을 사용함으로써 야기되는 영상의 깊이정보 부족 등은 의사에게 더 많은 제약을 가하게 되었고, 이것은 수술시간의 장기화, 수술완성도의 하락 등의 부작용을 야기하였다. 이를 개선하기 위하여, 로봇최소침습수술이 도입되었다. 현재 가장 활발하게 사용되고 있는 최소침습수술로봇인 Da Vinci○R시스템은 복강 내부에 손목 관절에 해당하는 2자유도의 움직임을 추가하여 최소침습수술로 야기되었던 자유도 부족문제를 해결하고, 일안렌즈 대신 이안렌즈를 사용하여, 3차원 영상을 구현함으로써, 기존의2차원 영상 문제를 해결하였다. 그러나, 촉각정보의 부재는 더욱 심해졌다. 최소침습수술에서 긴 수술도구로 인해 미약해졌던 촉각정보는 로봇수술이 적용되면서 완전히 사라져버렸다. 로봇수술에서는 기존의 최소침습수술과 달리 시술자가 수술작업과 물리적으로 연결된 것이 아니라 시술자가 동작하는 마스터 디바이스(Master Device, 조종 장치)와 실제 시술을 하는 슬레이브 매니퓰레이터(Slave Manipulator, 로봇 수술 도구)가 구분되어 전기적으로 명령을 전달하기 때문이다. 기존의 연구자들은 로봇수술에서 힘반향이 개복수술과 같이 이루어진다면, 훨씬 안전하고 완성도 높은 수술이 이루어질 것이라 예상하고 있다. 이를 달성하기 위해 최소침습수술이나 로봇수술에 힘센서를 추가하려는 몇몇의 시도가 연구차원에서 이루어졌지만, 센서설치공간의 협소함, 가혹한 수술환경에서의 취약성, 소독작업으로 인한 손상위험 등등으로 아직 현실화하기엔 무리가 있다고 평가되며, 실제로 현재까지 힘반향이 가능한 수술로봇은 존재하지 않는다.
이를 해결하는데 일조할 수 있는 중요한 기술 중의 하나가 광섬유 센서 기술이다. 광섬유센서는 머리카락 굵기로 가늘고, 코팅을 할 경우 쉽게 부러지지 않고 유연한 특성이 있어, 수술도구의 끝단(End-Effector)에도 쉽게 접근할 수 있고 부착할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전기신호가 아닌 광신호를 입출력신호로 사용하기 때문에, 전자기파에 영향을 받지 않아 전기적으로 구동되는 타 센서들과 간섭을 일으키지 않으며, 심지어 MRI환경에서도 사용이 가능하다. 광섬유 센서는 고온에서도 견딜 수 있고, 수분이 많은 환경에서도 부식되지 않는 장점으로 수술도구의 소독시에도 기존의 일반적인 소독방법이 그대로 적용될 수 있다.
광섬유 FBG센서는 기존의 이러한 광섬유센서의 장점에서 더 나아가 광신호의 파장을 측정함으로써, 기존 광섬유들에서 가장 문제가 되었던 일정한 광량의 유지에 더 이상 영향을 받지 않을 수 있다. 또한, 파장을 측정하기 때문에 광섬유 한 가닥에도 파장만 달리하면 여러 곳의 측정위치를 설정할 수 있는 장점이 있어, 멀티플렉싱(Multiplexing)이 용이하다. 따라서, 설치만 용이하다면, 광섬유의 개수를 줄이기에도 적합하다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 FBG광섬유 센서의 특성을 이용하여, Leze-roms 등이 수술환경에서 유용하게 사용되리라고 제시했던 기준대로, ±10N의 힘을 0.2N이내의 해상도[22]를 가지고 측정할 수 있도록 힘센서를 설계하였다. 이것은 FBG 광섬유 센서를 최소침습수술에 적용하려는 첫번째 시도 중의 하나이며, 특히 다관절 로봇 수술 도구에 적용하려는 첫번째 시도이다. 본문에서는 FBG 광섬유 센서의 원리를 설명하고, 최소침습수술에 적용하여 실시간으로 힘을 측정하기 위한 설계에 대해 설명한다. 이렇게 제작된 센서는 상용 로드셀을 이용하여 10N까지의 힘을 인가하고, 이를 개발된 센서를 통해 실시간으로 측정함으로써, 힘센서의 성능을 평가하고, 연구목적을 만족함을 확인한다. 그리고 실제로 로봇 수술 도구에 적용하여 구동 중 측정하고 이를 인터넷 통신을 통해 실시간으로 범용 마스터로 되먹임(Feedback) 해 주어, 사용자의 손에 촉각을 복원하는 작업을 수행하여 봄으로써, FBG 광섬유 센서를 실제로 적용하고 구동할 때, 발생되는 문제점을 파악하고, 해결책을 제시하고자 한다. 또한 이렇게 제공된 힘 정보나 실시간 힘반향 기술이 수술시 의사에게 어떤 이득을 제공할지를 확인하고자 한다. 이러한 연구는 앞으로의 최소침습수술로봇 제작이나 수술로봇용 힘센서의 제작에 가이드라인을 제시할 수 있으며, NOTES 수술과 같은 무침습수술에의 적용으로도 확대될 수 있다.
