This paper presents a new design and analysis of a haptic interface for simulation of needle intervention. The target procedure is lung biopsy among various needle interventions. In order to train a lung biopsy, there are two main training points which are the decision of needle insertion angle and realization of the current needle position. Thus, the training simulation for lung biopsy is required for the haptic rendering for 3 DoF force components especially in the limited visual feedback as a lung biopsy.
There are many haptic interfaces for various needle interventions. However, there exists only one haptic interface for lung biopsy from our research team in the world. This haptic interface for lung biopsy considers 5 DoF which are 2 translational motions for skin manipulation, 2 rotational DoF for changing needle angle and 1 DoF needle insertion. There are two main parts among these to provide 3 DoF force feedback which consist of the linear and the rotational parts. The linear part has a virtual needle and linear guide to embody the linear mechanism of a needle to provide 1 DoF linear force feedback to the operator. The force feedback for 1 DoF needle insertion is provided by the gear-driven mechanism. However, the gear-driven mechanism leads the haptic interface with a bad backdrivability, backlash and loud noise when a needle is inserted or extracted.
The rotational part has a structure with 4 bar linkage and parallel rotation mechanism to provide 2 DoF rotational force feedback and to able moving a needle on spherical orientation. However, there is only a 1 DoF strain gauge load cell on the linear part. Then, it cannot measure 2 DoF rotational force correctly.
From these limitations of the haptic interface for simulation of lung biopsy, a novel power transmission mechanism for 1 DoF insertion force feedback is developed by using tendon-drive mechanism. Additionally, 2 DoF force sensing system is developed for rendering 2 DoF bending moment to the operator. These designs can provide 3 DoF force feedback clearly and improve the backdrivability with reduced noise.
본 학위 논문에서는 바늘 삽입형 중재시술의 시뮬레이션에 대한 새로운 햅틱 인터페이스를 설계하고 분석하였다. 본 논문에서 제안된 햅틱 인터페이스는 폐 생검 시술을 위한 햅틱 인터페이스로서 현재 폐 생검을 위해 제작된 햅틱 인터페이스는 본 연구실에서 유일하게 제작되었다. 기존의 햅틱 인터페이스는 3 자유도의 반력을 제공하기 위하여 직선부와 회전부의 두 가지 형태로 구성되어 있다. 직선부는 바늘과 직선의 가이드로 구성되어 있으며 이는 조작자에게 바늘의 삽입에 대한 움직임 및 반력을 구현한다. 여기서 조작자에게 바늘 삽입에 대한 반력을 제공하기 위하여 기어박스 및 베벨 기어의 기어로 이루어진 메커니즘을 사용하였다. 하지만, 기어를 사용하여 동작을 구현하게 되면 바늘 삽입의 구동 시 소음이 발생하게 되고, 가역성 측면에서 좋지 못한 성능을 보였다.
또한, 회전부는 4개의 바를 연결한 링크 시스템과 평행 회전 움직임을 구현하여 바늘이 구 좌표계에서 자유롭게 움직일 수 있으며, 2 자유도의 회전 반력을 제공할 수 있도록 제작되었다. 하지만, 2 자유도의 회전 반력을 측정할 수 있는 힘 센서가 존재하지 않아 정확한 햅틱 렌더링을 제공할 수 없었다.
기존 햅틱 인터페이스의 이러한 한계점을 극복하기 위하여 기어를 대신하여 와이어를 이용한 힘 전달 방법과 2 자유도의 회전 반력을 측정할 수 있는 센싱 시스템을 설계하여 장치의 가역성 개선과 소음 제거 및 3 자유도에 대한 반력을 정확히 조작자에게 전달 할 수 있는 햅틱 인터페이스를 설계하였다.
새롭게 제작한 햅틱 인터페이스를 이용한 실험을 진행한 결과, 폐 생검의 요구 조건인 최대 출력 가능한 직선 / 회전 반력, 작업 공간, 주파수의 대역폭와 자유도 측면에서 만족하였다. 또한, 바늘 삽입형 중재시술에 이용되는 다른 햅틱 인터페이스인 상용화 햅틱 장치인 팬텀 장치와 직접 제작한 장치와의 성능과 비교한 결과, 직선부 삽입 반력의 크기는 3.3 N만큼 감소하였지만 폐 생검의 요구 조건인 최대 9.1 N의 조건을 충족시켰다. 직선부의 구조가 와이어 구동 메커니즘으로 변경되면서, 힘 추정의 정확성을 측정하였다. 그 결과, 힘 추정에 대한 L2 norm, RMS 오차는 각각 39 %, 0.3613 N임을 확인할 수 있었다. 이는 L2 norm 오차가 7.35 %인 기어 구동 메커니즘의 결과에 비하여 오차가 확연히 차이남을 확인할 수 있었는데, 원인은 bode plot의 위상을 측정함으로써 검증하였다. 주파수의 대역폭을 측정한 결과, 위상이 1~6 Hz에서 0도를 유지하지 못하는 것으로 보아 와이어를 감는 데 있어 초기 장력이 부족하여 타임 딜레이 문제가 발생하기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다. 하지만, 주파수의 대역폭이 10 Hz로서 사람이 감각할 수 있는 최대 주파수인 7 Hz의 조건을 충족시켰다. 또한, 회전부의 2 자유도 힘 센서에 대한 성능을 검증하였다. 스트레인 게이지의 칼리브레이션 결과, RMS 오차는 x, y 방향에 대하여 각각 0.458 N, 0.211 N임을 확인하였다. 이를 회전 방향 반력의 측정에 사용하여 폐 루프 제어를 통한 정확한 반력의 전달이 가능하였으며, 20 mm와 40 mm의 깊이에 대하여 실험을 진행한 결과, x, y 방향에 대한 RMS 오차는 각각 0.051 Nm, 0.04 Nm와 0.111 Nm, 0.086 Nm임을 확인할 수 있었다. 이러한 오차가 발생하게 된 이유는 스트레인 게이지의 측정값이 삽입 깊이와 회전 각도에 따라 크기가 달라지기 때문이다. 여기서, 삽입 깊이에 따른 스트레인 게이지의 크기 변화를 측정하여 MATLAB의 curve fitting 도구를 이용하여 보상을 하였다. 와이어 구동 메커니즘의 초기 장력 문제와 스트레인 게이지의 회전 각도에 따른 크기 변화를 보상할 수 있다면 햅틱 인터페이스의 반력 제공 측면에서 성능이 좋아질 것이라 판단된다.
