This study was motivated by the idea that tissue traction by adding an additional flexible surgical instrument that can be attached to and controlled by a conventional flexible endoscope to overcome the complications of endoscopic submucosal dissection procedures, such as difficulty in complex movement due to the limited degree of freedom (DOF) of commercial instruments and obstruction of the field of view of a cut tissue.
The desired features of flexible surgical instruments include flexibility and miniature structure for easy insertion into natural openings such as the mouth and anus and to reach the lesion through torturous paths such as the stomach or large intestine as well as have sufficient payload to lift tissues or organs. However, when the diameter of the surgical joint decreases, the payload decreases due to a decrease in the moment arm, and when the flexibility increases, the stiffness decreases and the payload decreases. As such, they have a trade-off relationship; thus, study on a flexible and miniature surgical instrument with enhanced payload is indispensable.
In this study, the payload of surgical instruments was analyzed from two perspectives, i.e., a: actively lifting organs or tissues and b: passively withstanding the weight of the organs and tissues. In the `a' perspective, the moment equilibrium equation was used to calculate the output force for a given wire tension at the tip of the surgical instrument, and in the `b' perspective, stiffness was calculated from the deflection against an external force (weight of organ or tissue).
It was found that the payload (output force and stiffness) is expressed as joint design parameters, and the effect of each design parameter on the payload was analyzed. In addition, a method of maximizing the payload through design parameter optimization has been proposed. As a result of the optimization, a flexible surgical tool consisting of three joints was developed, and it was confirmed that a weight of up to 300g could be lifted.
To overcome the problems of the endoscopic procedures, the idea of a flexible endoscopic platform including the proposed surgical instrument was suggested, and experiments and analysis were conducted to determine the composition of required/effective DOF of the surgical instrument for tissue pulling to increase the effectiveness of the endoscopic procedures.
Through tissue traction experiments, 2 DOF (2 DOF bending or 1 DOF bending + rotation) were sufficient for the traction tissue. In order to overcome the hand-eye coordination mismatch problem due to the relative rotation between the endoscope and the surgical instrument, it was most effective to have two DOF bending and rotation. In addition, the conventional procedure method and the method using the proposed platform were compared through in-vivo animal experiments, and the procedure speed and dissection speed were significantly higher, and the blind dissection rate was significantly lowered. Therefore, it has been verified through the proposed platform can overcome complex movements and obstruction of vision of resected tissues, which are limitations of conventional endoscopic procedures. In addition, the number of tool replacements was significantly reduced, maximizing the efficiency of the procedure.
이 연구는 상용기구의 제한된 움직임과 절단 조직의 시야 방해와 같은 ESD 절차의 문제를 해결하기 위해 기존의 유연한 내시경에 조향 가능한 추가적인 유연한 수술 도구를 추가해서 조직견인을 하면 어떨까 하는 아이디어에서 동기 되었습니다. 유연 수술도구에 요구되는 특징은 입과 항문과 같은 자연 개구부로 삽입되고 위나 대장과 같이 구불구불한 경로를 통해 병변을 도달하기 위해서 유연하고 작아야 하며, 조직 또는 장기를 들어 올릴 수 있는 충분한 힘이 있어야 한다는 것이었습니다. 하지만, 수술 관절은 직경이 줄어들면 모멘트 암의 감소로 페이로드가 줄어들며, 유연성이 높아지면 강성이 낮아져 페이로드가 줄어든다. 이렇게 이들은 서로 상호 보완적이었기 때문에 유연하고 작으면서도 큰 페이로드를 가지는 방법에 대한 연구는 필수적입니다.
본 연구에서는 수술 도구의 페이로드를 두 가지 관점에서 해석했습니다 (a: 장기 및 조직을 능동적으로 들어 올리는 관점, b: 장기 및 조직의 무게를 수동적으로 버티는 관점). a 관점에서는 모멘트 평형 방정식을 이용해 와이어 장력 입력에 대해 수술 도구 끝단에서 낼 수 있는 출력힘이 계산되었으며, b 관점에서는 무게에 대한 처짐을 통해 강성이 계산되었습니다. 페이로드를 대표하는 출력힘과 강성 모두 설계 파라미터로 표현됨을 알 수 있었고, 각 설계 파라미터가 페이로드에 미치는 영향이 분석되었습니다. 또한, 설계 파라미터 최적화를 통해 페이로드 최대화하는 방법이 제안되었습니다. 최적화 결과 관절 3개로 이루어지는 유연 수술도구가 개발되었으며, 최대 300g의 무게추를 들어 올릴 수 있음이 확인 되었습니다.
내시경적 시술의 문제점을 극복하기 위해 제안된 수술도구를 포함하는 유연 내시경 플랫폼이 제안되었으며, 내시경 시술의 효과를 증대시키기 위해 조직견인에 필요한/유효한 수술 도구의 자유도 구성을 찾기 위한 실험 및 분석을 하였습니다. 조직견인 실험을 통해, 견인 조직에는 2 자유도 (2 자유도 굽힘, 1자유도 굽힘+회전)로 충분함을 알 수 있었고, 내시경과 수술도구 사이에 발생하는 상대적 회전 의해 좌표계가 틀어지는 현상을 극복하기 위해서는 2자유도 굽힘과 회전 자유도를 가지는 것이 가장 유효함을 알 수 있었습니다. 그리고, 생체 동물 실험을 통해 기존 시술방법과 제안된 시스템을 사용했을 때가 비교 되었으며, 시술 속도 및 절제 속도에서 유의미하게 높았으며, 시야가 가려진 상태에서의 절제 발생율이 현저하게 낮아짐으로 기존의 한계점이었던 복잡한 움직임과 절제된 조직의 시야 방해 문제를 극복할 수 있음이 검증되었습니다. 또한, 도구 교체 수가 유의미하게 줄어 들어 시술의 효율이 극대화 될 수 있었습니다.
