Percutaneous therapy has been increasing in modern interventions. Precise tip placement is important in percutaneous therapy but it is challenging to estimate the behavior of the flexible needle and its interaction with soft tissue. Needle surface friction, tip force and lateral stiffness were known as three main factors of deflection for homogeneous tissue. Human soft tissues have layered structure which has different stiffness and thickness, however there were no researches related to needle steering model in layered tissue. In this thesis, needle steering model to dual layered tissue is proposed. Three main factors previously obtained from the well-conditioned experiments are obtained in advance or simultaneously for clinical aspects. Stiffness along needle shaft is determined from the analytical way in advance and friction and tip force are determined from the numerical way during the needle steering. From the needle steering experiments, observation is performed and find out reaction force change occurred. Regarding to this observation, dual layered needle steering model is proposed. For validation, dual layered tissue phantoms which mimic layered human soft tissue are fabricated and needle steering experiments are performed to estimate needle tip position. The results show 22.68±16.72% deviation error for hard to soft tissue phantom, 6.13±4.83% for soft to hard tissue phantom. This performance is acceptable to previous work which is homogeneous model. The proposed model also shows better performance than homogeneous model when reaction force change occurred. These results mean that the proposed model is proper to layered tissues.
경피술은 피부를 통하여 바늘이나 카테터(catheter)처럼 가늘고 긴 수술 도구를 삽입하여 행하여지는 시술들을 통칭한다. 경피술은 최소침습술의 진화 형태로서 개복 수술과 비교할 ?? 감염률을 낮출 수 있으며, 수술 부위의 회복이 빠르다는 장점을 가지고 있으며, 그 예로는 침생검(needle biopsy), 국소마취(local anesthesia), 근접방사선치료(brachytherapy) 등 셀 수 없이 다양하다. 이러한 바늘을 이용한 경피술에서 시술의 성공도는 바늘의 끝 단이 얼마나 치료하고자 하는 지점에 정확하게 위치되었는가로 결정되는데, 기존 연구에 의해 알려진 바에 따르면 바늘의 휨과 생체 조직과의 상호 작용에 인해서 시술의 성공도가 낮아지는 현상이 밝혀졌다. 이러한 문제를 해결하기 위해 바늘의 휨을 예측하고, 바늘을 유연하게 조종하여 끝 단을 정확하게 위치시키는 것이 바늘 조종술이다.
실제 시술에 바늘 조종술을 적용하기 위해서는 다층의 겹으로 이루어져있는 생체 조직에 대해서 바늘의 휨을 예측하기 위한 모델이 필요하며, 이 연구는 겹 구조 중 가장 단순한 형태인 이층 생체 조직에 대해서 바늘 조종을 위한 모델을 개발한 연구이다. 이 연구에서 바늘의 휨을 예측하기 위한 주요한 매개 변수로 바늘 표면 마찰력, 끝 단의 힘, 생체 조직의 강성을 선택하였으며, 바늘 삽입 실험을 통하여 이러한 변수들이 각 층에 따라서 분리되어서 적용되어야 함을 확인할 수 있었다. 이를 고려한 모델로써 조직의 경계면을 기준으로 추가적인 변수를 도입하는 모델을 제안하였으며, 이와 같이 내부의 변수들이 추가되는 상황에 적용할 수 있도록 최소자승법(least square)을 적용한 알고리즘을 제시하였다.
제안된 모델을 검증하기 위하여 바깥쪽에 비교적 단단한 조직이 있는 경우와 연한 조직이 있는 경우에 대하여 각각의 실험에 대해서 예측된 바늘의 끝 단과 카메라로부터 측정된 바늘의 끝 단을 비교하였다. 그 결과 바깥쪽에 단단한 조직이 있는 경우에 대해서는 22.7±16.7%의 오차를 보였으며, 연한 조직이 있는 경우에 대해서는 6.3±4.3%의 오차를 보였다. 또한 기존의 단층 조직 모델을 사용했을 때의 예측 결과와 제안된 모델과의 결과를 비교함으로써 제안된 모델이 반력 값의 변화가 있는 층 조직에서 나은 결과를 확인할 수 있었다. 실제 생체 조직에 적용되기 위해서는 앞으로 경계면 사이에서 발생하는 현상 및 의료 영상과의 통합 등이 요구되며, 본 연구가 바늘 조종을 위한 기초 연구로써 후속 연구의 발판이 되길 기대한다.
