Patients have less physical damage and pain after the percutaneous procedure than other general procedure which cut the skin of patients to check and remove a lesion. However, this minimally invasive surgical procedure is more difficult for operators because visual information is less. Skilled operators perform this procedure accurately by using the haptic feedback delivered to their hand in spite of the little visual condition. Hence, training simulation that user can perform the needle intervention in a virtual environment and feel the haptic sensation at the same time is needed. Realistic haptic rendering is important to enhance the effect of the training simulation so that reflective force model defining the relationship between position, velocity of the needle and reflective force is necessary.
Previous force models cannot describe the reflective force of needle insertion into multi-layer tissue about the motion used at the real needle insertion procedure properly. Although the 3-DOF motions containing 1-DOF insertion motion and 2-DOF bending motion are used at the real needle insertion procedure, all of force models of previous researches are only about 1-DOF axial force. Hence, 3-DOF reflective force models for multi-layer tissue were proposed by basing on the result of measurement using real soft tissue.
A system that can measure 2-DOF reflective forces containing axial and bending moments was constructed. A Needle with 6-axis force/torque sensor was attached to a 6-DOF articulated robot, and the needle was inserted by the robot controlled as 3-link planar motion. The axial force was modeled as sum of three component forces (friction force, layer force, and cutting force), and the bending moment was modeled as a function of bending angle and insertion depth by basing on the measurement result. The friction force was modeled by modifying the Dahl friction model to contain an additional viscous friction term and be applied different parameters according to the moving direction. The layer force was modeled as a nonlinear viscoelastic model by non-linearizing the standard linear solid model.
In case of the friction force model, the root mean square error of the modified Dahl friction model decreased as 72% than the RMS error of the classical friction model. Also, the RMS error of the proposed layer force model decreased as 64% than the RMS error of the Hunt-Crossley model. In case of bending moment model, the L2 norm errors about the measurement result using two different insertion depth were each 4.9% and 8.1%, and the error about the measurement using multi-layer tissue was 10.6%. As the result, the accuracy of the bending moment model is acceptable enough considering the variation of the property of soft tissues is broad.
The model of 3-DOF reflective force of needle insertion proposed in this thesis can be applied not only to improving the effect of training simulation for needle intervention but also to haptic rendering of other applications using needle insertion.
바늘을 이용하는 시술은 환자가 받는 신체적 손상이 적다는 장점이 있지만, 이러한 최소침습적 시술은 시술자가 바늘을 삽입할 때 필요한 시각적 정보가 부족하므로 시술의 난도가 높다. 숙련된 시술자들은 이러한 시각적 정보가 부족한 상황을 시술 시 손에 전달되는 햅틱 피드백을 이용함으로써 극복한다. 햅틱 정보를 이용하여 정확한 바늘 삽입을 하는 기술을 훈련할 수 있는 훈련 시뮬레이션이 필요하며, 본 훈련 시뮬레이션의 훈련 효과를 증대시키기 위해서는 실제와 유사한 햅틱 구현이 중요하다. 이를 위해서 바늘 삽입 반력과 바늘의 위치, 속도 등의 관계를 정의하는 바늘 삽입 반력 모델이 필요하다. 하지만 기존의 반력모델들은 실제 시술 시 사용되는 동작에 대한 다층구조 연조직의 바늘 삽입 반력을 제대로 묘사하지 못한다. 따라서 본 논문에서는 실제 연조직을 사용하여 바늘 삽입 반력 측정 실험을 진행하여 바늘이 연조직에 삽입될 때 발생하는 반력의 특성을 파악하고, 그 결과를 토대로 측정결과에 부합하는 반력모델을 제시한다.
연조직의 바늘 삽입 반력의 특성을 분석하기 위해서, 6자유도 수직다관절 로봇의 끝단에 6축 힘/토크 센서와 바늘을 부착하여 반력 측정 시스템을 구축하였다. 본 시스템을 이용하여 돼지의 연조직에 특정 동작으로 바늘을 삽입하며 그때 발생하는 반력을 측정하고, 측정결과에 부합하도록 반력을 모델화하였다. 먼저 바늘 축 방향의 동작에 대한 축 방향 반력을 측정하였다.
돼지의 연조직을 이용한 마찰력 측정 결과, 연조직의 마찰력은 조직의 변형으로 인하여 바늘과 연조직 사이에서 상대적인 움직임이 발생하기까지 특정 이동거리(pre-sliding displacement)가 발생하고, 속도 변화에 대해서 히스테리시스를 지니는 특징을 보였다. 또한, 연조직 마찰력의 크기는 바늘 이동속도의 영향을 받으며, 바늘이 움직이는 방향에 따라 다른 크기의 마찰력이 발생하였다. 반면, 최대 정지 마찰력이 운동 마찰력보다 커서 상대운동이 발생하는 순간 마찰력이 떨어지는 현상은 측정결과에서 확인할 수 없었으며, 따라서 정지마찰력에서 운동마찰력으로 전환될 때 속도증가에 대해서 마찰력이 연속적으로 감소하는 stribeck effect도 확인되지 않았다. 이러한 특성을 표현할 수 있는 마찰력 모델로서 Dahl 마찰력 모델을 선정하고 속도변화에 의한 마찰력의 변화를 더 정확히 묘사하도록 점성 마찰력 항을 추가함으로서 모델을 수정하였다. 또한, 이동방향에 따라 다른 파라미터가 적용되도록 정의하였다. 이 수정된 Dahl 마찰력 모델은 다양한 연조직을 이용한 측정결과와 비교함으로써 그 일반성이 검증되었다.
다음으로, 장기 내부에 존재하는 막에 바늘이 접촉할 때 비선형적인 점탄성의 특성을 보이는 반력이 측정되었으며, 일반적으로 비선형 점탄성을 표현하기 위하여 널리 사용되는 Hunt-Crossley 모델로는 실제 반력을 제대로 모사할 수 없음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 연조직의 릴렉세이션 모션을 선형적으로 모사하는 기존의 Standard linear solid model을 비선형화함으로써 기존의 Hunt-Crossley 모델보다 연조직의 내부 막에 의한 반력을 정확하게 표현할 수 있는 비선형 점탄성 모델을 제시하였다.
마지막으로 바늘을 삽입한 후, 삽입점을 중심으로 피벗 운동할 때의 굽힘방향 반력을 측정하였다. 굽힘방향의 반력이 바늘의 각도 변화에 대해서 선형적으로 나타남을 확인하였으며, 이를 토대로 굽힘모멘트 반력을 굽힘 각도에 대해서 선형적인, 삽입깊이와 굽힘 각도에 대한 함수로 모델화하였다. 본 모델을 삽입 깊이를 달리한 측정실험을 통해서 검증하였다.
설계된 각 요소 반력모델들을 다층구조의 조직에 대한 모델로 확장하고, 다층구조의 조직을 이용한 측정결과와 비교함으로써 그 타당성을 확인하였다. 완성된 3자유도 반력 모델을 가상의 다층구조 조직에 대하여 정의하고, 실제 바늘 중재시술 훈련용 시뮬레이션의 3자유도 햅틱 인터페이스에 적용하였다. 반력모델을 이용하여 햅틱 인터페이스로부터 실시간으로 측정되는 바늘의 위치와 속도에 대해서 3자유도의 반력을 실시간으로 계산 가능함을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 다층구조에 대한 3자유도 바늘 삽입 반력모델은 바늘 중재시술 훈련용 시뮬레이션뿐만 아니라 바늘 삽입 시의 햅틱 피드백 구현이 필요한 다양한 시스템에 응용될 수 있다.
