심혈관 중재시술을 위한 원격제어 로봇 시스템의 직관적 제어 구현 기법 연구

Abstract

Cardiovascular intervention is widely used for treating cardiovascular disease. X-ray exposure during operation, fatigue due to long-time operation, and experience-dependent successful rate are serious problems for physicians in the intervention procedures. This study proposed in a developed robotic system using roller modules for cardiovascular intervention and the methods of intuitive control of the system. The slave robot can control the vascular instruments such as a guiding catheter, guidewire, and balloon/stent catheter by commands from the physician who is manipulating the master haptic interface. The roller-cartridge-based modularized robotic system in the slave robot is designed to have advantages such as active clamping of various vascular instruments and the capability of individually or simultaneously inserting and rotating them. A compensation method using experimental results was adopted for solving errors or tolerances that occur while configuring the roller cartridge as a detachable sterilized product in consideration of clinical practicality. The study also proposed several haptic rendering functions of the master haptic interface for convenient operation of physicians. The basic performance associated with positioning accuracy and precision in translational and rotational motions of vascular instruments using the robotic system was tested. The results showed sufficiently high accuracy and precision for application in the intervention procedure. The accuracy of the translational and rotational motion of them were within 1 mm and 5°, respectively. It was also confirmed through animal and clinical trials that the system demonstrates good performance and can safely be applied clinically to patients with heart diseases.|혈관 중재 시술이란 혈관 조영장비 등의 영상장비를 통해 혈관 속을 관찰하면서 가는 도관(카테터, catheter) 들어갈 수 있는 작은 구멍을 통해 병변에 도달하여 치료하는 방법이다. 본 시술은 시술 안전성이 높고 환자의 예후가 우수할 뿐만 아니라 통증과 흉터를 최소화하는 등 여러 장점이 있다. 방사선 피폭 등의 문제점을 해결하고 중재시술의 결과를 더욱 향상시키기 위해서는 정밀하고 정확한 시술을 짧은 시간 내에 가능하게 할 수 있는 의료 기기의 개발이 필수적이며, 다양한 형태의 로봇 시스템 연구가 진행되고 있다. 이미 상용화된 로봇 시스템은 사용할 수 있는 시술 도구가 제한되어 있으며, 또한 범용성 마스터 장치를 이용하기 때문에, 카테터를 운용할 때, 시술자에게 정교한 햅틱 피드백을 제공할 수 없다는 문제점이 있다. 본 연구는 이러한 필요성을 바탕으로 다양한 크기의 시술 도구를 사용할 수 있도록, 능동 클램핑 메커니즘을 가진 슬레이브 엔드이펙터와 햅틱 기능을 구현할 수 있도록 마스터 장치를 가진 원격 제어 가능한 로봇 시스템을 제안한다. 슬레이브 엔드이펙터는 시술 도구를 전후진, 회전시켜 제어하고 시술도구와 직접 접촉하는 부분은 1회용으로 사용할 수 있도록 해야 한다. 이러한 사항을 고려하여 롤러 메커니즘을 이용한 슬레이브 엔드이펙터를 제안한다. 또한, 이를 원격으로 제어하기 위한 마스터 장치를 제안한다. 마스터 장치는 6자유도를 가지고 시술자가 슬레이브 엔드이펙터의 상황 또는 입력 모션에 대해 좀 더 편리하게 느낄 수 있도록 햅틱 기능을 구현한다. 슬레이브 엔드이펙터의 제어 개선과 햅틱 렌더링에 관한 보상 방법을 제시하고 평가하고자 한다. 마지막으로 슬레이브-마스터 로봇을 통합하여 다양한 팬텀 및 동물 실험을 통해 시스템의 성능을 입증하고. 임상 시험을 통해 본 시스템의 임상적 유효성을 평가하고자 한다.