Development of End-effectors for Tele-operated Robotic System to Perform Peripheral Nerve Microsurgery
말초신경 대상 미세수술 로봇시스템의 말단장치 개발에 관한 연구
- 주제(키워드) surgical robot end-effectors
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 박신석
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 기계공학과
- 원문페이지 66 p
- UCI I804:11009-000000231884
- DOI 10.23186/korea.000000231884.11009.0001166
- 본문언어 영어
- 제출원본 000046045888
초록/요약
In the field of neuroscience, when microsurgery is required for peripheral nerves, it is difficult from the slippery and flexible properties of peripheral nerves. In particular, when the thinner peripheral nerve membrane of about 70 μm needs to be removed for an experiment, the surgical result might be different due to excessive bleeding or nerve damage due to differences in physical limitations and proficiency. To solve this, a robotic system that could control a physical hand tremor of a surgeon and move robot arms to an accurate position has been applied to microsurgery. For microsurgery, the robot system is also important, but end-effectors capable of directly manipulating the peripheral nerves are required. The end-effectors are devices that are attached to the manipulator of the robot system and manipulate the object. In this study, the possibility of use is verified through the design and experiment of the end-effectors of the microsurgical robot system for peripheral nerves. The end-effectors developed for peripheral nerve microsurgery is a forceps driver capable of picking fine tissue, a scissors driver capable of cutting picked tissue, and a peripheral nerve gripper capable of stably fixing peripheral nerves during surgery. The forceps driver and the scissors driver are designed as end-effectors that are possible to drive the commercial micro-forceps and micro-scissors used in actual surgery, and a shape memory alloy is used as an actuator to reduce the weight of end-effectors. In the case of the peripheral nerve gripper, negative pressure is used to avoid compression damage when fixing the peripheral nerve, and microneedles are applied to improve the gripping ability. In order to verify the usability of the developed end effectors, epineurial windowing is performed on the sciatic nerve of a SD rat, and it is confirmed that the outer membrane of the peripheral nerve is removed through staining and visualization.
more초록/요약
말초신경은 신경과학 연구에서 미세수술이 필요한 경우 미끄럽고 유연한 특성으로 어려움을 겪는다. 특히 실험을 위하여 약 70 μm의 얇은 두께의 말초신경 외막을 벗겨 내야 할 때 사람의 물리적인 한계와 숙련도 차이로 인해 과도한 출혈이 일어나거나 신경 손상이 발생하여 수술 결과가 달라질 수 있다. 이를 해결하기 위하여 사람의 물리적인 손 떨림을 제어하고 정확한 위치로 움직일 수 있는 로봇 시스템이 수술에 적용되었다. 하지만 미세수술을 위해서는 로봇 시스템도 중요하지만, 말초신경을 직접 조작할 수 있는 말단장치가 필요하다. 말단장치는 로봇 시스템의 머니퓰레이터(manipulator)에 부착되어 대상물을 조작하는 장치이다. 본 연구에서는 말초신경 대상 미세수술 로봇 시스템의 말단장치에 대한 설계와 실험을 통해 사용 가능성을 검증하였다. 말초신경 미세수술을 위해 개발된 장치는 미세 조직을 파지할 수 있는 겸자 구동기와 파지한 조직을 자를 수 있는 가위 구동기, 수술 시 신경을 안정적으로 고정할 수 있는 말초신경 고정 장치이다. 겸자 구동기와 가위 구동기는 실제 수술에서 사용하는 상용 미세 겸자와 미세 가위를 구동할 수 있는 장치로 제작하였으며, 무게를 줄이기 위하여 형상기억합금을 액추에이터(actuator)로 사용하였다. 말초신경 그리퍼의 경우는 말초신경을 고정할 때 압착 손상을 피하고자 음압을 이용하였으며, 고정 능력을 향상하기 위하여 미세 바늘을 적용하였다. 개발된 말단장치의 사용성을 검증하기 위하여 쥐의 대퇴부 말초신경(sciatic nerve)을 대상으로 말초신경의 외막을 제거하는 미세수술(epineurial windowing)을 진행하였으며, 염색과 가시화를 통하여 말초신경의 외막이 제거되었음을 확인하였다.
more목차
CONTENTS
ABSTRACT ……………………………………………………………………… i
CONTENTS …………………………………………………………………… iii
LIST OF FIGURES …………………………………………………………… v
LIST OF TABLES ……………………………………………………………… vi
CHAPTER 1 INTRODUCTION ……………………………………………… 1
1.1 Research Background …………………………………………………………… 1
1.2 Literature Review: Instruments for Robot-assisted Surgery ……………………… 2
1.2.1 Forceps and Scissors ………………………………………………………………… 2
1.2.2 Peripheral Nerve Gripper …………………………………………………………… 3
1.3 Aim and Scopes ………………………………………………………………… 4
CHAPTER 2 FORCEPS DRIVER …………………………………………… 6
2.1 Design of Forceps Driver ………………………………………………………… 6
2.1.1 Design Consideration and Concept …………………………………………………… 6
2.1.2 Configuration and Working Principle ………………………………………………… 7
2.1.3 Parametric Design …………………………………………………………………… 8
2.2 Experimental Evaluation of Working Performance ……………………………… 13
2.3 Gripping-force Control of Forceps Driver ……………………………………… 14
2.3.1 Embedded Sensor …………………………………………………………………… 14
2.3.2 Force Feedback Control using a Fuzzy PID Controller ……………………………… 15
CHAPTER 3 SCISSORS DRIVER …………………………………………… 17
3.1 Design of Scissors Driver ………………………………………………………… 17
3.1.1 Design Consideration and Concept …………………………………………………… 17
3.1.2 Configuration and Working principle ………………………………………………… 17
3.1.3 Parametric Design …………………………………………………………………… 18
3.2 Experimental Evaluation of Working Performance ……………………………… 21
CHAPTER 4 PERIPHERAL NERVE GRIPPER …………………………… 23
4.1 Design of Peripheral Nerve Gripper ……………………………………………… 23
4.1.1 Design Consideration and Concept …………………………………………………… 23
4.1.2 Configuration and Working Principle ………………………………………………… 25
4.2 Experimental Evaluation of Working Performance ……………………………… 27
4.3 Embedded Sensor for Measuring Gripping Force ……………………………… 32
4.3.1 Concept and Working Principle ……………………………………………………… 32
4.3.2 Fabrication of Embedded Sensor ……………………………………………………… 34
4.3.3 Experiment on Gripping Force Measurement Capability …………………………… 35
CHAPTER 5 PRACTICAL APPLICATIONS OF END-EFFECTORS TO PERIPHERAL NERVE MICROSURGERY ………………………………… 43
5.1 Preliminary Experiment ………………………………………………………… 43
5.2 In-vivo Experiment for Epineurial Windowing Microsurgery …………………… 45
CHAPTER 6 CONCLUDING REMARKS ………………………………… 48
6.1 Conclusion and Discussion ……………………………………………………… 48
6.2 Future Works ……………………………………………………………………… 48
Reference ……………………………………………………………………… 50
국문 초록…………………………………………………………………… 55
