자동화된 아크 프레임 기반 정위 수술 로봇의 개발

Abstract

신경외과 수술은 민감한 환부를 다루는 만큼 정확한 진단과 planning 기술이 최우선적으로 필요하다. 신경외과 수술 중 하나인 뇌심부자극술 (Deep brain stimulation, DBS)은 파킨슨병과 같은 운동 이상 증상의 치료에 쓰인다. DBS는 뇌심부에 전극을 삽입하는 수술을 하게 되는데, 이때 정확한 전극 삽입을 위하여 정위 수술 기법을 사용한다. 정위 수술에서는 전극의 삽입을 보조 할 정위 수술 기구들이 필요한데, 일반적으로는 운반성이 좋고 가벼운 수동형 기구들을 많이 사용해 왔다. 하지만 수동형 기구는 육안으로 눈금을 맞춰서 환자의 머리에 고정해야 하므로 다소 정확도가 떨어질 수 있고 기구의 분해 조립 과정이 번거롭다. 근래에는 구동화된 자동 수술 기구들도 개발되었는데, 산업용 로봇을 개조한 형태가 대부분이며, 종래의 수동형 기구들보다 높은 정밀도를 보장한다. 하지만 넓은 작업영역을 필요로 하므로 작업영역이 필요 이상으로 크고 수술의의 활동을 제한한다는 단점이 있다. 우리는 수동형 기구와 로봇형태의 정위 수술용 기구들의 장점을 취합하여 자동화된 아크 형태의 로봇을 만드는데 그 목표를 두었다. 아크 로봇은 기존의 수동형 시스템처럼 작게 제작이 가능하여 운반성을 극대화하였고, 자유도를 최소한으로 낮춰서 작업영역이 아크 안쪽 대부분을 취할 수 있도록 하였다. 따라서 로봇을 수술대에 설치할 때 환자의 머리가 아크 안쪽 어디에 있어도 되므로, 로봇의 설치에 있어서 제약이 적도록 제작되었다. 본 논문에서는 아크 로봇의 기구학을 계산하는 방법에 대해서 analytic solution과 Jacobian inverse technique의 두 가지 방법으로 설명하였다. 또한 로봇의 정밀도 향상을 위하여 캘리브레이션을 수행하여 로봇의 기구학 모델에 적용하였고, 그 방법에 대한 알고리즘을 설명하였다. 마지막으로는 팬텀 실험을 통하여 로봇의 정밀도를 측정하였고, 반복정밀도에서 신경외과 수술의 기준을 다소 못 미쳤으나 본 실험으로 새로운 로봇 구조의 가능성을 볼 수 있었고 그 결과 로봇의 구조적 개선의 필요성을 인지하고, 추후 좀더 정밀한 로봇의 개발 방향성을 재고하였다.