영상유도 부비동 수술로봇 시스템의 개발과 전임상 연구

Abstract

부비동 내시경 수술은 현재 부비동 질환을 치료하는 가장 보편적인 수술방법으로 환자의 콧구멍을 통해 내시경을 삽입하여 부비동 내부를 진단하고 치료하는 방법이다. 그러나, 현재 부비동 내시경 수술에서 사용되는 내시경 및 수술도구는 대부분 직선형으로 굴곡이 심하고 경로가 좁은 해부학 구조를 갖는 상악동 전하방과 전두동 내부와 같은 곳은 진단 및 치료가 어려운 것이 현실이다. 이러한 경우에는 불가피하게 외부절개를 통한 수술법을 시행하게 된다. 따라서, 이러한 외부절개 없이 기존에 접근하기 어려운 부위의 진단 및 치료를 위해서는 부비동 수술을 위한 새로운 장치가 요구된다. 본 연구에서는 3가지 다른 형태의 영상유도 부비동 수술로봇 시스템을 제안하고 팬텀 및 사체를 이용하여 전임상 연구를 수행한다. 첫 번째로 현재의 부비동 내시경 수술을 분석하여 부비동 수술을 위한 로봇 시스템의 기능적 요구사항들을 정의한다. 또한 부비동 수술로봇 시스템의 구체적인 사양을 결정하기 위해 부비동의 해부학 구조를 분석한다. 두 번째로는 기존의 내시경 도구로는 접근이 어려운 부위의 진단 및 치료를 가능하게 하는 새로운 도구를 개발하기 위해 스프링백본 연속체 메커니즘을 제안한다. 제안된 스프링백본 연속체 메커니즘의 기구학 및 강성 모델이 유도된다. 연속체 메커니즘의 디자인 파라미터를 결정하기 위한 방법 또한 제안한다. 다음으로는 3가지 영상유도 부비동 수술로봇 시스템의 설계 및 구현을 소개한다. 부비동 로봇 수술을 위한 내비게이션 소프트웨어 또한 소개된다. 첫 번째 시스템은 능동형 굴곡 내시경 로봇 시스템으로 180도로 굴곡 가능하면서 180도 굴곡 시 10mm 이하의 작은 굴곡반경을 갖는 굴곡 내시경을 갖추고 있다. 두 번째 시스템은 듀얼 마스터-슬래이브 로봇 시스템으로 부비동 수술에 적용된 첫 번째 마스터-슬래이브 시스템이다. 듀얼 마스터-슬래이브 로봇 시스템의 슬래이브 로봇은 굴곡형 엔드이펙터 모듈, 구동력 전달 모듈, 엔드이펙터 삽입모듈, 침대부착형 패시브암 모듈로 구성되어 있다. 굴곡형 엔드이펙터 모듈은 탈부착 가능한 구조로 모터 등의 전기장치가 없는 순수한 기계요소로만 이루어 있기 때문에 소독이 가능하다. 엔드이펙터 모듈과 구동력 전달 모듈의 동축구조는 한 개의 축에 두 개의 회전축을 갖는 구조로 슬래이브 로봇의 컴팩트한 설계를 가능하게 한다. 제안된 설계를 검증하기 위해 수술 작업공간과 시스템 작업공간의 비교분석도 수행된다. 세 번째 시스템으로는 증강현실 내비게이션 기능이 통합된 내시경 홀더 시스템이 소개된다. 이 시스템은 카운터하중을 이용한 중력보상이 가능하기 때문에 부비동 내시경 수술 중 장시간의 내시경 홀딩으로 인한 피로를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 수술 내비게이션에 사용되는 광학식 위치추적 센서의 시선 문제(line-of-sight problem)를 해결하기 위해 기구학 기반 추적 알고리즘과 재구성 가능한 링크구조의 마커 또한 제안한다. 마지막으로 개발된 영상유도 부비동 수술로봇 시스템의 실행가능성 및 효용성을 평가하기 위한 실험이 수행된다. 실험에는 환자의 CT data를 기반으로 제작된 팬텀과 총 6구의 사체가 사용된다.; Today, endoscopic sinus surgery (ESS) is the most popular surgical method to treat the sinus disease. Using endoscopic devices, lesions inside the sinus can be inspected and removed through the nostrils. However, because the existing endoscopes for sinus surgery are straight, the front and bottom parts of the maxillary sinus and the inside of the front sinus are difficult to diagnose. Although there are some angled endoscopes and curved surgical tools for sinus surgery, it is also difficult to approach the blind spots through nostrils. In such cases, a surgeon inevitably should perform an external approach through incisions. Therefore, in order to access the blind spots through nostrils without any external incision, a new device is needed in sinus surgery. In this dissertation, image-guided robotic systems for sinus surgery are proposed and preclinical study using phantom and cadaver is carried out. Three different systems are presented as the image-guided robotic systems for sinus surgery. Firstly, by analyzing current endoscopic sinus surgery, functional requirements of the robotic system for sinus surgery are defined. In order to decide specifications of the robotic system for sinus surgery, analysis of the anatomical structure of sinuses is also presented. Secondly, a spring-backboned continuum mechanism is proposed in order to develop a new bendable device which allows diagnosis and treatment of the blind regions of the sinuses. The kinematic modeling and stiffness modeling of the spring-backboned continuum mechanism are derived. The method for determining the design parameters of continuum mechanism is also presented. Nextly, the design and implementation of the image-guided robotic systems are introduced. A navigation software for robotic sinus surgery is also introduced. The first system is an active bending endoscope robot system which has a bendable endoscope. The bending part of the endoscope has a small radius of curvature less than 10mm when it is bent by 180 degrees. A dual master-slave robotic system, which is the first master-slave robotic system for sinus surgery, is introduced as the second system. The dual slave robot is composed of four kinds of modules: a bendable end-effector module, a driving power transfer module, an insertion module, and a bed-mounted passive arm module. The bendable end-effector module of this system is sterilizable because it has only mechanical parts without any electrical motor. A coaxial structure of the driving power transfer module and the end-effector module allows compact design of the slave robot. To verify the proposed design, a comparative analysis of the surgical workspace and the workspace of the dual slave robot is also carried out. The third system is an endoscope holder system with AR navigation. Because the gravity load can be compensated by using a counter-weight, this holder system reduces the fatigue due to endoscope holding. In addition, a kinematic-based tracking algorithm and a reconfigurable linkage-type marker are proposed in order to solve the “line-of-sight” problem of the optical tracking sensor. Finally, experimental works for the proposed systems are carried out. The feasibility and effectiveness of the developed systems are evaluated through several phantom and cadaver experiments.