로봇 각막 봉합을 위한 바늘-조직 상호작용에 관한 연구

Abstract

각막은 안구의 가장 앞쪽에 위치한 투명한 조직으로, 외부 환경에 항상 노출되어있기 때문에 외상이나 질환에 취약하다. 이러한 각막 손상이 발생하였을 경우, 건강하고 깨끗한 기증자 각막으로 교환하는 각막이식수술을 시행한다. 그러나 각막이식수술은 수술부위가 매우 작고 봉합 중 연조직의 변형이 발생하기 때문에 수술의 난이도가 높다는 문제점이 있다. 또한 각막 봉합 시 정밀도와 균일성이 보장되지 않으면 난시가 발생하는 등 문제가 생긴다. 이런 문제를 극복하고 더 나은 수술 예후를 얻기 위해서는 정밀하고 안정적인 봉합을 보조할 수 있는 수술로봇 시스템의 개발이 필요하다. 따라서 본 논문에서는, 각막이식 수술보조로봇 시스템을 개발하는데 있어서 필요한 기초적인 정보인 바늘과 각막 조직의 상호작용에 대한 분석을 하고, 나아가 수술 중 각막조직의 움직임과 변형을 방지할 수 있는 장치를 개발하는 것을 목표로 하였다. 먼저, 각막 봉합 시 바늘이 받는 힘을 모델링하기 위한 실험에서는 직선 바늘을 사용하였다. 조직은 돼지 각막을 사용하였으며 직선 바늘 삽입 실험을 위해 삽입 위치와 속도가 제어 가능한 실험 장치를 구성하였다. 첫 번째 실험은, 광간섭 단층 영상 촬영(OCT)과 연계한 바늘 삽입 실험이었으며, 바늘이 조직을 관통하기 시작하는 순간과 조직 대비 바늘의 상대적인 위치를 찾는 것이 목적이었다. 실험 결과, 각막과 이에 사용하는 작은 바늘의 상호작용에서는, 통상적으로 알려진 경우와는 다르게 바늘이 조직을 관통하는 순간부터 힘이 증가하는 것을 확인하였다. 두 번째로, 각막에 바늘을 일정한 속도로 삽입할 때 공통적으로 얻어지는 힘-삽입깊이 그래프 개형을 일반화시키고 구간별로 분석하였다. 두 개의 각막을 겹쳐놓은 상태에서 바늘 삽입을 했을 때에도 그래프 상 변하지 않는 구간이 있다는 것을 통해 이 구간이 바늘 끝의 경사진 모양과 관계가 있음을 확인하였다. 이를 통해 힘-삽입깊이 그래프의 각 구간별 상태를 정의하였고 바늘 삽입 시 발생하는 힘을 절삭력과 마찰력 성분으로 분해할 수 있었다. 세 번째로, 바늘과 조직 사이 마찰력을 분석하기 위해 바늘이 조직을 완전히 관통한 상태에서 주기적인 속도 입력에 따른 힘을 측정하였다. 마찰력에 포함되는 변수인 쿨롱 마찰과 점성 마찰계수를 구하기 위해 시스템을 모델링하였으며 실제 측정값과의 피팅을 통해 $f_c=0.0356\pm 0.0084 N$ , $\mu = 0.1132 \pm 0.0382 Ns/mm$ 로 구하였다. 이처럼 각막 조직에 바늘 삽입 시 발생하는 힘을 분석하기 위해 크게 세 가지 실험을 수행하였으며 이를 통해 삽입력을 성분 별로 분해하고 각 성분에 관계되는 변수를 도출하였다. 그 다음으로는, 앞서 분석한 바늘-조직 상호작용을 바탕으로 각막이식수술 중 각막조직의 움직임과 바늘이 삽입될 때의 변형을 방지할 수 있는 장치를 개발하였다. 바늘이 삽입되고 적출되는 부위의 조직변형을 방지하기 위해 다양한 모델에 테스트를 수행하였고 toothed tip 이 있는 ‘ㄷ’ 자 형태의 구조를 채택하였다. 또한 각막의 전체 움직임을 고정시키기 위해 역포셉 형태의 파지메커니즘을 추가하였으며 각막 조직에의 봉합 테스트 결과 각막 전체를 안정적으로 파지하였고 봉합 시 조직변형을 최소화하여 쉽고 정확한 봉합을 수행할 수 있게 되었다. 결론적으로, 본 논문에서는 각막이식 수술보조로봇 시스템을 개발하는데 있어 필요한 기반 자료인 바늘과 조직의 상호작용을 상세히 분석하였고 이를 바탕으로 수술 로봇 시스템의 구성 요소인 각막 고정 장치를 개발하였다.

Cornea is the transparent front part of the eye which can easily become diseased or damaged since the eye is always exposed to the external environment. Keratoplasty or corneal transplantation is an ophthalmic surgical procedure to replace the patient's defective cornea with a healthy donor cornea. However, the operation is elaborate and difficult due to the small size of suturing site and the deformation of corneal tissue while suturing. Furthermore, the unguaranteed accuracy and regularity of a surgeon's hand skill can cause high astigmatism to the patient. In order to solve these problems, a better prognosis can be expected by developing a surgical robot system for keratoplasty to achieve regular and precise suturing. In this thesis, the aim is to analyze the interaction forces between the needle and the corneal tissue which is an important fundamental study in developing a surgical robot system. And based on the analysis, the development of a cornea holder that can prevent the global movement and minimize the local tissue deformation is also targeted. In the needle-tissue interaction analysis, straight needles were used in the experiment for simple interpretation. Porcine corneas were used as tissue samples and a robotic needle insertion device with programmable insertion velocities and travel distances was developed. First, the insertion experiment was carried out along with an optical coherence tomography (OCT) system in order to determine the moment of puncture and to acquire the relative depth of the needle within the cornea. As a result, it has been found that the force starts to increase at the moment when the needle starts to penetrate the corneal surface which differs from previous needle-tissue interaction studies with relatively large needles. Second, the needle insertion force profiles have been generalized into a single model and its regions were separated and analyzed. When the needle was inserted in a stack of two corneas, there was a region in the profile without any changes. This region was related to the geometry of the needle tip, so the insertion force was separated into cutting force and friction force by distinguishing the profile into each states. Third, the cornea piece was fixed in a chamber to prevent the local tissue deformation during needle insertion and extraction. A periodic velocity ramp input was applied and the resulting force was measured in order to analyze the friction force in fully penetrated region. The physical system was modeled to obtain the Coulomb friction and the viscous friction coefficient. By simulating the model of the system and fitting to the measured value, unknown parameters in the friction model were obtained as $f_c=0.0356\pm 0.0084 N$ , $\mu = 0.1132 \pm 0.0382 Ns/mm$. Next, A cornea holder that can minimize the local tissue deformation while suturing and prevent the global movement of the donor cornea button was developed based on the previous needle-tissue interaction analysis. Various designs have been proposed and modified towards the grasping toothed structure forceps. The cornea holder was able to firmly grasp the donor cornea button and suturing was successfully performed with less tissue deformation at the needle insertion and extraction site. The developed cornea holder enables a relatively effortless and stable suturing task to bring a better surgical outcome. In summary, the fundamental basis for developing a surgical robot system for keratoplasty was studied in this thesis. The needle-tissue interaction forces were analyzed in detail and the cornea holder was developed which relates with the interaction forces. All the works proposed in this thesis will be utilized to support the development of robot-assisted keratoplasty and also the related fields in opthalmology and biomedical engineering.