Single Incision Laparoscopic Surgery(SILS) is a new surgical method performed by inserting several surgical tools and a laparoscope through a single incision. To perform laparoscopic surgery, instruments need to have triangulation on surgical site. In the case of SILS, conventional straight surgical instrument could not be used because they cannot make triangulation through a single incision. To achieve surgical instruments triangulation, an elbow joint is suggested. By the use of an elbow joint, larger workspace and higher dexterity can be achieved at the expense of total instrument diameter or reduced joint force due to drive mechanism. Therefore, creating a compact and strong instrument with a novel elbow joint mechanism is needed to enable a successful robotic SILS system.
The proposed elbow joint uses a crank-slider mechanism and is suitable for 6-DOF surgical tools. This joint can reduce the number of wires, ultimately reducing overall instrument diameter, and have a remarkably higher force when compared to conventional wire-driven mechanisms. The key constraints for the proposed design were to keep whole instrument diameter under 8mm and to be able to lift a 1.5kg load, the average liver weight. The former constraint is important because it reduces chances of scarring, and the latter to enables an instrument to lift a liver during perform SILS.
The suitability of the developed surgical instrument is verified by joint performance test, weight lifting test, and peg transfer test. Joint performance test shows that instrument has a suitable workspace with 6 DOF, and experiment shows that it is able to lift 1.5kg weight by suggested elbow joint. Based on these results, it is ex-pected that the proposed surgical instrument performs the required tasks for SILS equally or better than existing solutions.
단일통로 복강경 수술은 하나의 침습구를 통해 복강경과 다수의 수술도구를 통과시켜 수술을 집도하는 새로운 수술 방식이다. 단일통로 복강경 수술을 집도하기 위해서는 침습구를 통과한 수술도구들의 끝단이 트라이앵귤레이션 구도로 위치하여야 하는데, 일직선 형태인 기존의 수술도구를 이용해 트라이앵귤레이션을 확보하는 데에는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 단일통로 복강경 수술도구에 팔꿈치 관절을 포함시키는 방법이 제안되었다. 하지만 팔꿈치 관절 구조를 수술도구에 포함시키게 되면서 메커니즘의 복잡성이 증가하여, 수술도구의 전체 직경이 증가하고 수술도구로 구동할 수 있는 힘이 감소하는 문제가 발생하였다. 따라서, 작은 직경의 수술도구 안에서 수술을 집도하는 데에 충분한 힘을 구동할 수 있는 관절 구조의 필요성이 높아졌다.
본 논문은 6자유도 수술도구에서 사용할 수 있는 크랭크-슬라이더 메커니즘의 팔꿈치 관절 구조를 제안한다. 제안된 관절 구조는 기존의 와이어 구동방식 수술도구보다 수술도구의 직경을 감소시킬 수 있고 또한 더 큰 팔꿈치 관절 힘을 구동시킬 수 있다. 제안된 팔꿈치 관절 구조는 수술 흉터가 남지 않도록 하기 위해 최대 직경이 8mm 이하가 되도록, 그리고 간을 들어올릴 수 있도록 하기 위해 최대 힘이 15N 이상이 되도록 설계되었다.
제안된 수술도구는 1.5kg 무게추 들어올리기 실험, 돼지 간 들어올리기 실험, 블록 옮기기 실험 등을 통해 성능을 확인하였으며, 변형, 응력 및 피로분석을 통해 수술도구의 취약부 및 수명에 대한 분석을 진행하였다. 이러한 결과를 통해 제안된 팔꿈치 관절의 수술도구를 이용하면 더 안정적으로 단일통로 복강경 수술을 집도할 수 있을 것이라 예상할 수 있으며, 이를 통해 단일통로 복강경 수술로봇의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 보인다.
