Needle intervention is minimally invasive image guided procedures that diagnose and treat diseases using needle. In this procedures, needle tip is placed on some point on the skin and then inserted until it reaches to the target point inside of the body. The key point of this procedures is exact placement of needle tip at the target, not touching other organs, vessels and nerves. But it is not that easy because of movements caused by breath of a patient and absence of direct visibility inside of the body. So needle intervention requires some training before performing actual procedures.
Although, there are other ways to train the procedure, one of preferable way is training simulator. The efficiency of training simulator depends on its contents. It should include the factors that are required to train in the procedures. In needle intervention one of important factor is force sensation. Since the needle intervention is a procedure that has limited visibility, the force becomes one of the important guidelines that provides information about invisible site. Understanding the force difference by layer to layer affects the efficiency of the procedure. Based on this background, this thesis is aims at developing a haptic interface for needle intervention training simulator.
The design and requirements of the haptic interface are decided by analyzing the procedures. It provides 5 degrees of freedom motions including 1 translation, 2 rotations, and 2 translations. 1 translation provides force feedback during needle insertion. To make the device familiar to the doctor, actual needle is selected as an end-effector. 2 rotations provide spherical workspace and also force feedback. The point of rotational part is to reduce the force felt during rotation. So gravity compensation is required to minimize the sensed force. 2 translation provide plane motion of the whole device. These additional degrees of freedom are to train the technique to push the skin for angular change of needle.
The method to provide feedback force is based on force tracking and gravity with inertia compensation. The force tracking is for linear part to provides the feedback force which tracks force model. And the gravity with inertia compensation is for rotational part to minimize the manipulating force. Depending on the purpose of controller in each part, the performance is analyzed in terms of tracking error and compensated force.
바늘 삽입형 중재시술은 최소침습적인 영상유도 시술로 환자 내부의 질병을 바늘을 삽입하여 진단하고 치료하는 시술이다. 의사는 환자의 내부를 직접 볼 수 없기 때문에 CT 사진으로부터 병변의 위치를 확인하고 이로부터 병변의 위치를 예상하여 바늘을 삽입하게 된다. 하지만 제공되는 CT는 방사능 피폭으로 인해 바늘 삽입과 동시에 촬영이 어려우므로, 일반적으로 실시간으로 제공되지 않는다는 한계점을 갖는다. 이와 같이 시각이 제한된 시술에서 손에서 느껴지는 힘은 중요한 정보로 이용될 수 있다. 따라서 본 학위논문에서는, 폐 생검 훈련을 위한 시뮬레이션 개발에 있어서 햅틱인터페이스의 디자인을 제안하였다.
햅틱장치의 목적은 훈련용 시뮬레이션의 현실감을 높이고, 폐생검 시술의 3가지 훈련요소를 의사가 익히도록 하는데 있다. 먼저 현실감을 높이기 위하여 실제 시술과 유사한 구조로 디자인 하였다. 폐 생검 시술에서는 바늘 삽입 시 바늘의 조작뿐만 아니라 피부를 지지대로 이용하는 손동작을 필요로 한다. 이를 위하여 구조적으로 피부에 해당하는 평면을 제공하고, 해당 구조에 의한 구조적 제약을 만족하도록 디자인하였다. 이는 제안하는 장치의 핵심으로 4절 링크와 Spherical 메커니즘을 이용하여, 이러한 구조적 제약에서 저관성과 같은 햅틱장치의 기본조건을 만족시키는 디자인은 갖는다. 다음으로 장치가 목표로 하는 훈련요소는 바늘 삽입 시 느껴지는 힘을 익히는 것, 바늘 삽입 전 각도를 결정하는 것, 피부를 조작하는 술기로 총 3가지로 정하였다. 이를 위하여 제안하는 햅틱장치는 바늘삽입을 위한 1자유도, 바늘 각도 조작을 위한 2자유도, 피부조작을 위한 2자유도를 갖도록 총 5자유도로 디자인하였다. 사용된 제어기는 힘추종 제어기와 중력 및 관성 보상기로, 바늘 삽입을 위한 1자유도는 반력 모델을 만들고 이를 추종하도록 하고, 회전 2자유도는 조작 시 조작자에게 느껴지는 힘이 최소화 되도록 하여 실제와 유사한 반력을 제공하는 데 그 목적이 있다.
장치의 디자인은 총 5자유도지만, 실제 제작과 실험을 통한 평가는 평면 2자유도를 제외한 3자유도만을 이용하여 수행하였다. 장치의 성능은 폐 생검 시술에서 요구되는 요구사양과 장치의 측정사양을 비교하고, 힘추종과 보상기의 성능을 분석하여 평가하였다. 요구사양의 경우 바늘 삽입에 해당하는 workspace를 만족하지 못하였는데, 이는 간단한 구조적 변경을 통해 해결할 수 있는 부분으로, 나머지 사양들은 모두 만족하였다. 제어기의 성능도 실험을 통하여 분석하였다. L2 norm으로 구한 힘 추종 오차는 약 7.35%로 대부분의 구간에서 사람의 JND인 7%보다 적은 오차를 보였다. 보상기의 경우 중력보상을 통하여 약50%, 관성보상을 통하여 약30%의 힘을 보상할 수 있었다.
