Gastrointestinal endoscopy is a procedure that allows doctor to look inside of patient’s gastrointestinal tract which extends from mouth to anus through an endoscope for the purpose of diagnosis or treatment of disease. It is difficult for the novice doctors to be accustomed to the procedure because they have to navigate the endoscope with only force sensation on the hand and camera view of the tip of the endoscope based on their medical knowledge.
Computer-based simulation of gastrointestinal endoscopy, one of the training methods for the procedure, has been researched and developed for several decades and consists of haptic and visual interface. The haptic interface has a role in providing force sensation to the trainee through the endo-scope. However, the previous haptic interfaces for this procedure still have limitations. This thesis ana-lyzes main causes of limitations of a haptic interface for simulation of gastrointestinal endoscopy to provide realistic haptic feedback by resolving the limitations of the previous haptic interfaces. Before that, required haptic feedbacks for simulation of gastrointestinal endoscopy are categorized and ana-lyzed by an interview and simulation to identify realistic haptic feedback.
Studies about force information during gastrointestinal endoscopy are carried out. First, an inter-view is performed with medical doctor to represent their sensation of hand with mechanical terms. Next, several models of reflective forces are simulated and categorized by previous interview results. Finally, the experiments to determine the numerical values for models of reflective forces are performed with medical doctors. Characteristics of reflective forces during gastrointestinal endoscopy are analyzed.
Two main causes of limitation of previous haptic interfaces are analyzed. One is position of the force sensor of the haptic interface and another is characteristics of the flexible endoscope. Force/torque sensor of the previous haptic interface is difficult to estimate rendered forces which are exerted to hand of the user because of the position of the sensor. This thesis analyzed the effect of the position of the sensor to the haptic interface for simulation of gastrointestinal endoscopy. Also, an en-doscope is bent in some condition during simulation of gastrointestinal endoscopy in the haptic inter-face because the endoscope is flexible. The effects of the flexible endoscope to the haptic interface are analyzed in this thesis.
소화기 내시경은 사람의 소화기관을 검사하는 한 방법으로서 내시경을 입이나 항문을 통해 삽입하여 내시경 끝단에 달린 카메라를 통해 출혈이나 이물질이 있는지 또는 암으로 발전할 수 있는 용종이 있는지 확인합니다. 하지만 경험이 없는 의사가 시술을 수행하기에는 어려움이 있습니다. 왜냐하면 내시경을 통해 손에 전달되는 힘과 카메라에 비춰지는 화면만을 보고 의학적인 지식을 바탕으로 시술을 진행해야 하기 때문입니다.
소화기 내시경 훈련의 한 방법으로서 컴퓨터 기반의 소화기 내시경 시뮬레이션이 연구되고 개발되어 왔습니다. 컴퓨터 기반의 소화기 내시경 시뮬레이션은 시각적 정보를 전달하는 비쥬얼 인터페이스와 손에 힘 정보를 제공하는 햅틱 인터페이스로 구성되어 있습니다. 이중에서도 햅틱 인터페이스는 사용자에게 현실감 있는 시뮬레이션을 제공하기에 여전히 한계점을 가지고 있습니다. 본 학위 논문에서는 현실감 있는 힘 피드백을 제공하기 위해 이전의 햅틱 인터페이스들이 가지고 있는 한계점의 주요 원인을 분석하였습니다. 이에 앞서, 기존의 햅틱 인터페이스를 이용하여 의사와의 인터뷰와 시뮬레이션을 통해 대장내시경 중에 느껴지는 반력의 종류들을 분석하고 모델링하여 실험을 수행하였습니다.
먼저, 소화기 내시경 시술을 자세히 분석함으로써 의사가 시술 중에 하는 동작들을 분석하고, 이 때의 느낌을 인터뷰를 통해 기계공학적인 용어들로 재해석하였습니다. 이렇게 해석된 내용을 바탕으로 스프링과 마찰력을 통한 반력 모델로 모델링을 하고 시뮬레이션을 수행하였습니다. 또한, 분석된 반력 모델을 기존의 햅틱 인터페이스에 적용시켜 의사와의 실험을 통해 반력 모델의 스프링 상수와 마찰력의 크기를 정했습니다. 실험 결과를 바탕으로 햅틱 인터페이스에 요구되는 햅틱 피드백에 대해 분석하였습니다.
이전의 햅틱 인터페이스가 가지는 한계점의 주된 두 가지 원인이 분석되었습니다. 첫번째 원인은 햅틱 인터페이스 내에서 햅틱 렌더링을 위해 사용되는 힘 센서의 위치이고, 두번째 원인은 유연한 내시경의 특성입니다. 연구된 햅틱 인터페이스에 부착된 힘센서는 잘못된 위치로 인하여 사용자에게 실제로 전달되는 힘을 제대로 전달하지 못합니다. 본 논문에서는 힘 센서의 위치가 햅틱 인터페이스에 미치는 영향에 대해 분석합니다. 또한, 내시경은 고유의 특성으로 인하여 시뮬레이션 도중에 햅틱 인터페이스 내에서 휘어지는 경우가 발생합니다. 내시경 자체의 특성으로 인해 햅틱 인터페이스에 어떤 영향을 미치는지에 대해서도 분석하였습니다.
