Force feedback plays a significant role in surgery. It enables surgeon to feel how much force they are exerting to organ, so that it prevents the soft organ from being damaged by excessive force. It also increases surgeon’s performance, improves learning skill, shortens operative time. However, in Robotic Minimally Invasive Surgery (RMIS), such force information is severely impaired. Besides the damage of organ, the absence of force feedback causes many severe problems. Breaking surgical suture is one of the most frequent accidents in robotic surgery. Although many researches have been focused on sensing force information of organ, there has been no breakthrough solution. The difficulties lie in downsizing a force/torque sensor. In order to fit inside a small surgical instrument, the force/torque sensor cannot help having a complex structure, which causes increasing price and decreasing disposability.
Force Sensing Resistor (FSR) has been chosen for sensing only axis-direction force. It enables the sensor to easily downsize and fabricate thanks to its simple operating mechanism. It also makes it possible to be disposable and cheap.
In this research, most of attention has been focused on solving this problem??breaking surgical suture. First, Functional Requirement (FR) of a force sensor for robotic surgery has been established, and force range during knot-tying task was experimented. FSR is easily affected by its compression material such as silicone rubber. Therefore, two important experiments were conducted to select appropriate thickness and position of a silicone rubber. Based on the information, a force transducer and its structure using FSR was designed and fabricated. Finally, feasibility test was conducted with an integrated surgical instrument. Even though its performance has limitations than other sensors, it can be used for rough estimation of force during surgery, which will help a lot to decrease accidents. It will be also possible to use in other applications which require sensor’s simple mechanism and structures.
수술에서의 힘 반향 (force feedback)은 매우 중요한 역할을 한다. 의사들이 조직이나 장기를 조작할 때, 조직으로부터 반향되는 힘을 지각하면서 적절한 힘을 가할 수 있기 때문이다. 하지만 많은 수의 개복수술이 복강경 수술 (또는 최소침습수술)로 대체되면서부터 반향되는 힘 정보는 대부분 손실되었고, 심지어 복강경 수술이 로봇으로 행해지면서부터는 반향되는 힘 정보가 없기 때문에 생명을 위협하는 많은 문제가 발생하게 되었다. 의사들은 조직에 큰 힘을 가함으로 인하여 조직을 손상시키게 되었고, 무엇보다 봉합을 할 때, 봉합사가 끊어지는 일이 가장 빈번하게 발생한다. 의사들이 봉합사를 당기고 있는 힘을 지각할 수 없기 때문에 봉합사에 과도한 힘이 가해지는 것이다. 연구자들은 복강경 수술도구 끝단에 가해지는 힘을 알아내기 위하여 여러 가지 방법을 이용하였다. 하지만 수술도구의 성능에 영향을 주지 않으면서 끝단의 3축 힘을 추정하기는 쉽지 않고, 가장 큰 난제는 지름 8 (mm) 이하의 수술도구 끝단에 힘 센서를 삽입할 공간이 부족하다는 점이다.
본 연구에서는 위의 난제를 해결하기 위하여 FSR이라는 힘 센서를 사용하였다. FSR 센서는 기존에 많이 사용되는 스트레인 게이지에 비하여 선형성, 반복성 측면에서 떨어지지만, 감도(sensitivity)가 높고, 센서 구조가 간단하며, 특히, 동작원리가 매우 간단하여 구조물의 변형에 의존하는 스트레인 게이지와는 달리 복잡한 구조물 없이도 힘을 측정할 수 있다는 큰 장점이 있다.
본 연구는 FSR을 사용한 간단한 소형 힘 센서를 개발하는 과정과 개발된 센서를 사용하여 수술도구의 축방향 힘을 테스트한 결과, 그리고 수술도구의 움직임 정보와 축방향의 힘 정보를 혼합하여 대략적인 3축 힘을 추정해내는 새로운 방법에 대한 내용을 주요하게 다루고 있다.
개발된 축방향 힘 센서는 1 (N) 이하의 정확도를 보인다. 이 결과는 봉합사가 끊어지는 문제에 확연히 도움을 줄 수 있을 것이며, 더 나아가 과도한 힘에 의하여 조직이 손상되는 다른 문제에까지 충분히 확장시킬 수 있을 것으로 사료된다.
