Magnetic resonance imaging (MRI) systems present a challenging environment with high magnetic fields and limited space, making the development of MRI-compatible actuation system complex. This thesis reports the development of a long-distance MR-compatible actuation method and its application to prostate biopsy robot. Firstly, the main idea of the proposed MR-compatible actuation method is the spatial separation of the MR-compatible components and MR-incompatible components using the electromagnetic shielding of MRI room. MR-compatible components composing the transmission and actuation system are placed only inside the room and other components are placed outside of the room. Cable-driven mechanism is used to transmit the power of the actuators to a robot inside the MRI bore. This configuration can satisfy the MRI-compatibility condition easily and has ability to use conventional actuators such as DC motors with high force/volume ratio and to place all interfering components such as motor drives, controllers, encoders and wires outside the MR room. Secondly, the proposed MR-compatible actuation method is implemented to MR-compatible prostate biopsy robot. The proposed robot can execute the insertion of biopsy needles and therapeutic instruments directly into millimeter-size tumors. The design requirement analysis and a prototype design for a MRI-guided transrectal prostate intervention robotic device is presented. The proposed robotic device enables needle insertion to take place within required accuracy and thereby may enhance the detection rate of prostate cancer and reduce opportunities for needle targeting errors that arises in manually actuated needle placement.
영상 유도 로봇은 로봇을 원하는 위치로 제어하기 위해 3차원 의료 영상을 시술에 이용한다. 여러 의료 영상 중 자기공명영상은 뛰어난 연질 조직의 시각화와 가장 높은 대비비 및 공간 해상도를 가진다. 이러한 장점으로 침생검이나 근접 치료와 같은 시술을 위한 높은 품질의 해부학적 정보를 제공할 수 있다. 이와 같은 자기공명영상의 장점에 로봇을 결합하게 되면 다른 의료 영상을 이용하는 것보다 더 정확한 시술이 가능하기 때문에 절개 부위가 작아지고, 통증이 적고 빠른 회복을 가능하게 할 수 있다. 이에 자기공명영상 유도 로봇은 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 장점을 가진 자기공명영상은 그 작동 원리로 인한 안전 문제가 존재한다. 자기공명영상은 강한 정적 자기장, 고주파로 변하는 자기장, 라디오 주파수 파동을 이용하여 이미지를 얻는데, 이때 강한 자기장은 강자성체에 강한 힘을 작용하며, 고주파 자기장과 라디오 주파수 파동은 전도체에 유도 전류를 발생시켜 의료 영상에 노이즈를 발생시키거나 전도체에 열을 발생시킨다. 이 때문에 자기공명영상의 안전에 관한 표준이 마련되어 있으며, MR-safe, MR-conditional, MR-unsafe로 구분하여 정의한다. 자기공명 호환성은 MR-safe하며 자기공명영상 스캐너에서 제대로 작동을 하고, 이미지에 결함을 발생시키지 않는 것으로 정의를 한다.
자기공명 호환 로봇 장치의 개발시 주요한 도전 과제는 기존에 많이 사용해 왔던 재료들, 구동기, 센서들이 자기공명영상 환경에서는 사용될 수 없다는 것이다. 이에 자기공명 호환 제품을 개발시에는 재료, 센서, 구동기의 선정에 많은 제약 조건이 있다.
본 연구에서는 이러한 제약 조건을 극복하기 위한 개념을 제안하였다. 본 제안에서는 구동기를 자기공명영상 촬영실 밖에 배치하여 구동기의 선정에 대한 제한 조건을 완화시켰으며, 자기공명영상 스캐너 안에서 작동하는 로봇은 자기공명호환 재료들로만으로 제작하고, 또한 구동기와 로봇 사이의 동력 전달을 위해 케이블 구동 방식의 동력전달부를 제안하였다. 이렇게 제안한 개념을 바탕으로 실험 장치를 구성하여, 전립선 침생검 작업시 원하는 정밀도와 정확도를 보임을 검증하였고, 자기공명영상 촬영 영상을 이용하여 신호대 잡음비를 이용하여 제안한 방법이 자기공명 호환 조건을 만족함을 검증하였다.
