미세수술 로봇 개발을 위한 모델 기반 접근 방식 적용

미세수술 기술과 도구를 사용하면 외과의사는 신경, 혈관, 인간 조직의 작은 구조에 대해 매우 정밀하게 복잡한 수술을 수행할 수 있습니다. 미세수술은 환자 결과 개선에 대한 큰 가능성을 보여주지만, 엄격하게 제한된 작업 공간 내에서 1밀리미터 미만의 정밀도로 작업하려면 탁월한 안정성과 손재주가 필요합니다. 숙련된 외과 의사는 직경이 0.3~0.8mm 사이인 혈관을 연결할 수 있습니다. 그러나 외과 의사 손의 불가피한 생리적 떨림으로 인해 이러한 문합 절차의 효율성이 제한됩니다. 또한 인체 장기의 좁은 작업 공간과 운동학적 문제로 인해 시간과 비용이 많이 드는 여러 번의 설계 반복이 필요할 수 있습니다.

미세수술 로봇은 외과의사가 좁은 작업 공간, 손 떨림, 피로로 인한 한계를 극복하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 그러나 이러한 로봇의 설계에는 새로운 과제가 발생합니다. 첫째, 외과의사가 새로운 도구를 배우는 데 소요되는 시간을 줄이려면 로봇이 하나가 아닌 다양한 유형의 수술을 지원할 수 있어야 합니다. 둘째, 근처에 사람이 없는 작업 공간에서 사용되는 산업용 로봇과 달리 미세수술 로봇은 사람에게 직접 사용되므로 환자의 안전을 최우선으로 설계해야 합니다. 마지막으로, 조직 손상을 최소화하고 회복 시간을 단축하려면 로봇이 최소 침습적이어야 합니다. 즉, 하나의 작은 절개를 통해 작업하는 것이 이상적입니다.

많은 디자인 결정은 외과 의사가 시술을 효과적으로 수행할 수 있는 충분한 자유도를 확보하면서 간섭을 최소화하는 데 달려 있습니다. 이 문제를 해결할 하나의 정답은 없으며 결과적으로 미세수술 로봇 설계 팀은 주로 시행착오를 통해 해결책을 찾아야 했습니다. 요구 사항을 지정하고 해당 요구 사항을 충족하는 디자인을 만든 다음 프로토타입을 조립해야 합니다. 그런 다음 설계 팀은 이 주기를 반복하기 전에 프로토타입을 테스트하여 요구 사항을 더욱 구체화합니다. 종종 이 주기를 여러 번 반복해야 하며, 각 반복마다 하드웨어 프로토타입을 구축하거나 재구축해야 하므로 주기 시간이 길어집니다.

Zhejiang University에서 동료들과 저는 로봇 보조 최소 침습 수술용 시스템 개발에 디자인 중심, 모델 기반 접근 방식을 적용했습니다. 이 접근법을 사용하여 우리는 최근 평행사변형 구조를 기반으로 문합 및 안과 시술을 위한 로봇 조작기를 설계했습니다. Simulink^®와 Simscape Multibody™를 사용하여 전산 해석과 시뮬레이션 테스트를 수행하여 매니퓰레이터의 엔드 이펙터 궤적을 시각화하고 설계가 안전과 수술 작동성에 대한 요구 사항을 충족하는지 확인합니다(그림 1). 이러한 접근 방식을 통해 개발 속도가 빨라지고 하드웨어 프로토타입 구축에 시간과 리소스를 투자하기 전에 많은 설계 문제를 식별하고 해결할 수 있습니다.

기계 구조 설계

우리는 미세수술용 매니퓰레이터에 대한 요구 사항과 설계 목표를 정의하는 것으로 설계 프로세스를 시작했습니다. 예를 들어 팁의 정확도 목표는 10마이크로미터 미만, 동작 범위는 20x20x20mm, 시스템 엔드 이펙터의 빠른 변경 메커니즘을 통해 수술 중 외과 의사가 기구를 신속하게 교체할 수 있습니다.

시스템의 핵심 설계 구성 요소는 RCM(원거리 회전 중심) 메커니즘이며, 이는 기기의 자유도(DOF)를 절개 부분 주위의 3개의 회전 DOF(ψ, ψ, θ)와 기구 삽입 방향인 하나의 병진 DOF(Z)로 제한합니다. 우리는 작업 공간 전체에서 엔드 이펙터의 움직임을 가능하게 하는 이중 평행사변형 구조(동작 범위는 ψ:  }}±45°; ψ{{{}:   ±75°; θ:   360°; Z: 32mm)를 설계했습니다. 먼저 제1원리에 기초한 수학적 모델을 통해 이 구조를 분석한 후 SolidWorks^®에서 이에 대한 CAD 어셈블리를 만들었습니다(그림 2).

Simscape Multibody에서 시뮬레이션 기반 분석 수행

다음 단계는 Simscape Multibody Link 플러그인을 사용하여 SolidWorks에서 CAD 어셈블리를 내보낸 다음 결과 XML 멀티바디 설명 파일을 Simscape Multibody로 가져와 설계의 Simscape™ 모델을 만드는 것이었습니다(그림 3). 우리는 동작 제어를 위해 ϕ, ψ, Z 조인트에 모터를 추가했고, 위치 센서를 사용하여 엔드 이펙터의 위치와 동작을 추적하여 여러 시뮬레이션을 실행했습니다.

MATLAB^®에서 이러한 시뮬레이션 결과를 분석하고 플로팅함으로써, 우리는 문합 절차를 위한 입방 공간 내와 안과 절차를 위한 구형 공간 내에서 엔드 이펙터의 범위를 시각화했습니다(그림4). 이는 시술 중에 해부학적 구조의 모든 지점에 도달할 수 있어 환자의 안전과 환자의 높은 수술 성공 확률을 보장하기 위한 것입니다. 이 평가를 위해서는 로봇의 기구학을 사용하여 포인트 클라우드를 개발하고 기존 수술 중재에서 볼 수 있는 궤적을 평가해야 합니다.

그림 4. 안과 시술(첫 번째) 및 문합 시술(두 번째)을 위한 작업 공간에 대한 다양한 보기.

또한 우리는 엔드 이펙터의 움직임과 궤적을 추적하는 시뮬레이션을 실행하여 디자인이 눈 표면의 원호 움직임에 대한 수술 요구 사항을 충족하는지 확인했습니다(그림 5).

모델 기반 접근 방식의 주요 이점

우리 연구에서는 우리가 채택한 모델 기반 접근 방식의 몇 가지 주요 이점을 확인했습니다. 가장 중요한 기능 중 하나는 물리적 구현으로 이동하기 전에 설계를 신속하게 반복하여 디지털 영역에서 완벽하게 작동하는지 확인하는 능력입니다. 종이나 CAD 소프트웨어로 디자인을 만들고 그것이 이론적으로 작동해야 한다는 것을 아는 것과 Simulink 및 Simscape 사용한 시뮬레이션을 통해 가상 환경에서 작동하는 것을 보면 필연적으로 이를 개선하기 위한 더 많은 통찰력을 얻게 됩니다.

모델 기반 접근 방식에서 쉽게 사용할 수 있는 디지털 모델을 사용하면 시뮬레이션 분석과 결합하여 로봇 메커니즘의 신속 프로토타이핑을 위한 3D 프린팅 기술을 사용하여 개발 리드 타임을 더욱 단축할 수 있습니다. 모델 기반 접근 방식에서 파생된 설계의 하드웨어 테스트에서는 프로토타입이 환자 눈의 RCM 지점을 성공적으로 유지하는 것으로 나타났습니다(그림 6).

또한 Simulink 및 Simscape 에서 작업하면 우리 팀에서 일하는 많은 학생들이 자신의 노력을 더 쉽게 파악하고 조정할 수 있습니다. 학생들은 졸업하기 전에 프로젝트에서 프로젝트로 이동하며, 모델 기반 접근 방식은 그들이 수행한 작업을 다른 사람에게 전달하는 데 도움이 됩니다. 모델은 설명하고 이해하기가 더 쉽기 때문에 다음 그룹이 이전 팀의 작업을 확장하거나 일반화하려고 할 때 어디서 시작하고 무엇을 해야 할지 알 수 있습니다.

마지막으로, 이제 기계 설계의 타당성을 입증했으므로 제어 시스템 개발을 시작할 준비가 되었으며 이를 통해 구조를 더욱 최적화할 수 있습니다. MATLAB 및 Simulink 사용한 모델 기반 설계는 시뮬레이션을 통해 전체 시스템의 안전성을 검증하고 전체 개발 주기를 단축함으로써 이러한 두 가지 노력에 모두 도움이 될 것입니다.