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표제지

국문초록

목차

1. 서론 11

1.1. 수술 로봇 개요 11

1.1.1. 로봇을 활용한 최소 침습 수술 11

1.1.2. 로봇 수술의 한계 13

1.1.3. 선행 연구 14

1.2. 연구의 목적 14

1.2.1. HMD 기반의 내시경 제어 시스템 14

1.2.2. 충돌 방지 전략 15

1.3. 기대 효과 15

2. 방법 17

2.1. Hardware 구현 17

2.1.1. 구성 기기 종류 및 성능 17

2.1.2. ECS 제어를 위한 HMD 19

2.2. HMD 기반의 제어 알고리즘 19

2.3. HMD 기반 제어의 검증 22

2.3.1. Peg transfer task 22

2.3.2. Line tracking test 25

2.4. 충돌 방지 27

2.4.1. 충돌 방지 알고리즘 27

2.4.2. 이론적 고찰 28

2.5. OBB 29

2.5.1. OBB의 정의 29

2.5.2. OBB 간의 거리 30

2.6. 보상 벡터의 계산 33

2.7. 충돌 방지의 검증 34

3. 결과 및 분석 37

3.1. HMD 기반 제어의 평가 37

3.2. 충돌 방지의 평가 39

4. 고찰 50

4.1. Peg transfer task 50

4.2. Line tracking test 51

4.3. 충돌 방지 알고리즘 52

5. 결론 53

5.1. 결론 53

5.2. 향후 연구 54

참고 문헌 55

Abstract 58

표 1. 충돌 방지 시뮬레이션의 매개변수 설정 35

표 2. 충돌 방지 시뮬레이션의 물리적 조건 35

표 3. Peg transfer task의 수행 시간 38

표 4. Line tracking test의 수행 시간 39

표 5. 시뮬레이션 1을 위한 환경 설정 40

표 6. 시뮬레이션 2을 위한 환경 설정 40

그림 1. (a) Automated Endoscopic System for Optimal Positioning... 12

그림 2. HMD 기반 ECS의 Hardware 구성도. (a) Master side에서 HMD... 18

그림 3. 머리의 (a) yaw, (b) pitch, (c) roll 회전에 기반한 속도 제어 전략. 21

그림 4. Peg transfer task의 환경 설정. 24

그림 5. Line tracking test를 위한 세 가지 도형. 26

그림 6. 원기둥 모양을 둘러싼 OBB와 OBB의 정의를 위한 3개의 파라미터,... 30

그림 7. (a) OBB를 둘러싸는 원기둥, (b) Case 1, (c) Case 2&3, (d)... 32

그림 8. (a) 각 Θ와 φ의 정의, (b) End-effector와 내시경의 Base lines... 33

그림 9. Peg transfer task의 수행 시간. 37

그림 10. α가 0.2-1.0까지 증가할 때의 dist (시뮬레이션 1). (a) 내시경... 43

그림 11. α의 범위가 0.40-0.06일 때의 dist (시뮬레이션 1). (a) 내시경... 44

그림 12. α가 각각 (a) 0.4, (b) 0.6, (c) 1.0인 경우에 내시경의 경로.... 45

그림 13. α의 범위가 0.2에서 1.0일 때의 dist (시뮬레이션 2). (a) 내시... 47

그림 14. α의 범위가 0.60에서 0.80일 때의 dist (시뮬레이션 2). (a) 내... 48

그림 15. α가 각각 (a) 0.4, (b) 0.8, (c) 1.0인 경우에 내시경의 경로... 49

초록보기

현존하는 복강경 로봇 수술은 다양한 이점을 제공하지만 수술 중 집도의는 목, 어깨 그리고 등의 통증을 유발하는 불편한 자세를 유지해야 한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 개선하기 위하여 머리 착용형 디스플레이(Head-mounted display, HMD)에 기반한 제어 시스템을 제안한다.

본 연구에서 활용되는 전체 시스템은 da Vinci research kit (dVRK)와 4 자유도의 내시경 제어 시스템 (Endoscope control system, ECS), 내시경 모듈, Attitude and heading reference system (AHRS)이 내장된 HMD로 구성된다. 4 자유도 ECS에 결합되어 사용되는 내시경 모듈은 HMD에 내장된 AHRS에 의해 제어되며, 이 HMD은 dVRK에 있는 Stereo viewer를 대체하여 수술 로봇 시스템의 크기를 축소할 수 있다.

수술 로봇 플랫폼에서 HMD 기반 제어의 적용 가능성을 평가하기 위해 해당 시스템을 다루어 본 경험이 없는 4명의 지원자들을 모집하여 Peg transfer task를 수행하게 하였다. 또한, HMD 기반 제어의 사용성을 평가하기 위해 Line tracking test를 진행하였다. 지원자들은 본 시스템에 빠른 속도로 학습하는 경향을 보여주었으며, 사용자 간 변산도 (Inter-user variability) 또한 매우 작았다.

내시경과 수술 도구를 동시에 제어하는 경우, 내시경 하드웨어와 수술 도구 사이의 충돌에 취약할 수 있다. 이에, HMD을 기반으로 ECS을 조종할 때에 적용되는 충돌 방지 전략을 개발하였다. 수술 기구와 내시경을 둘러싸는 Oriented bounding boxes (OBBs)를 정의하고 박스들 간의 충돌 가능성을 계산함으로써 수술 기구와 내시경 간의 충돌 여부를 추정하였으며, 사용자의 의도와 충돌 방지를 동시에 제어 신호에 반영하였다. dVRK에서는 End-effector의 실시간 위치 추적 데이터를 제공하지 않기 때문에 충돌 방지 전략을 검증하기 위해 MATLAB®을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 충돌 방지 전략이 수술 환경의 안전성을 보장함을 확인할 수 있었고, 안전성과 사용자의 의도 간 Trade-off를 적절히 고려한 Blending 파라미터 범위를 제안하였다.

본 연구를 통해 제안하는 HMD 기반 내시경 제어는 집도의의 목, 어깨 그리고 등에 발생하는 통증을 감소시킬 수 있어, 결과적으로 보다 효율적인 수술이 가능할 것이다. 또한, 기존의 Stereo viewer와 비교하여 공간적 효율성 또한 크게 개선할 수 있어, 차세대 수술 로봇의 제어 인터페이스로서 활용이 가능할 것으로 사료된다.

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