학부 졸업을 코 앞에 둔 시점인데, 아직도 나는 무슨 연구를 하고 싶은 지 모르겠다.
무언가 내가 사명감을 느끼고 연구할 수 있는 주제를 찾고 싶다.
따라서 오늘부터 일주일에 하나씩이라도 논문을 읽으며 내 관심분야를 찾아보려고 한다.
우선 수술로봇에 약간 관심이 있기 때문에, 2016년에 발표된 수술로봇에 관한 survey를 먼저 읽어보려고 한다.
관련 지식이 거의 없기 때문에 꼼꼼하게 번역하면서 읽어보자.
(이해를 쉽게하기 위해 조사나 동사는 대부분 번역하겠지만, 알면 좋을 것 같은 단어는 영어로..너무 쉬운단어도 그냥 영어로 쓸 수도 있음.... 그냥 내가 이해하기 쉬운대로...)
Abstract
Robot-assisted surgeries는 surgical 분야에서 paradigm shift를 일으켜왔다. Minimally Invasive Surgery (MIS), 특히 Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) 의 출현과 함께 다음과 같은 이점이 있었다. 부작용 감소, 수술의 정확도 향상, 글고 수술 후 빠른 회복 등. 그러나 surgical robots을 효과적으로 이용하기 위해서는 수많은 기술적인 문제들이 해결되어야 한다. 이들 중, actuators는 중요한 역할을 한다. 현재 actuators-driven surgical robots에 대한 깊은 이해를 제공하기 위해서, 본 연구는 네 가지 유형의 transmission systems을 Conceptual design, modelling, control 뿐 아니라 장점과 단점까지 종합적으로 리뷰할 것이다 (네 가지 유형: cable-driven mechanism, flexible fluidic actuators, smart material actuators, and magenetic actuators). 뿐만 아니라 미래의 actuators-driven surgical robot에 대한 discussion과 recommendations도 함께 제공될 것이다.
Introduction
(1~2문단) 로봇은 다양한 분야에서 우리의 삶을 혁신시켜 왔다. 수술 분야에서 MIS는 hospital time 감소, post-surgery effects 감소 등의 이점을 제공했다. medical imaging이 발전하면서 MIS는 더욱더 큰 성공을 거두었다. 그러나 아직도 다뤄져야 할 inherent obstacles들이 있다. body의 제한된 공간에서 maneuvrability, triangulation, and flexibility가 없는 기구 없이 정확한 수술을 성공하는 것은 어렵다. 또한 position의 부족과 haptic feedback은 성공적인 수술을 더 어렵게 만든다. NOTES는 흉터를 남기지 않고 natural orifices가 peritoneum(복막)에 접근할 수 있도록 하였다. 현재 NOTES는 transoral, transvaginal, and transanal avenues로 제한되지만, 더 소형화가 된다면 더 많은 부위에 접근할 수 있다.
(3문단) tissues를 manipulate하거나 gastroinetestinal (GI, 위장관)을 통과하여 장기를 검사하는 장치에 motion과 force를 제공하기 위해기존의 design concept은 일반적으로 end effector에 ferromagnetic actuator를 embed한다. 그러나 이 방법은 bulkiness, heaviness, and large size의 이유로 수술에 적용할 수 없다. 수술로봇을 위해서는 power supplies와 actuators가 end effector와 surgical sites로부터 멀리 위치해야 한다. 그래야만 사람 몸에 들어가는 부분이 simplicity, miniature, light weight이 되도록 할 수 있다.
(4문단) NOTES에서 surgical arms은 natural human orifices와 GI관에 적응하기 위해서 작고 flexible해야한다. joints에 actuators가 직접 달려있는 ferromagnetic approach와 달리 cable actuator와 같은 remote transmission system은 force를 감소시킨다. transmission system에 대한 비판적인 review가 현재까지 부족하다. 따라서 이 paper에서는 transmission system의 design concept, application, modelling, control에 대해서 종합적으로 다룬다. 뿐만 아니라 그들의 장단점과 미래 연구를 위한 논의나 추천사항도 다룰 예정이다.
(5문단) 본 review paper는 다음과 같이 구성되어 있다. section 2에서는 전형적인 surgical robotic system을 설명한다. section 3에서는 네 가지 종류의 actutors를 소개한다. 마지막으로 conclusion에서는 actuator-driven surgical robot의 future direction을 논의한다.
Section 2: Typical surgical robotic systems
(1문단: Surgical robotics system의 두 가지 종류) surgical robotics systems은 이용하는 도구에 근거하여 크게 laparoscopy(복강경 검사)와 flexible endoscopy로 나눌 수 있다. laparoscopic surgery에서는 주로 카메라가 달린 rigid하고 long한 shaft이 절개한 abdominal walls(복벽)을 통해 인간 몸에 들어간다. 반면 flexible endoscopy에서는 카메라가 달린 flexible endoscope와 tool channels를 이용하여 natural orifices나 작은 절개를 통해서 인간 몸에 들어간다.
(1-2문단: 복강경 수술의 예시, 다빈치 시스템) laparoscopic systems의 대표적인 예로 Da Vinci surgical system이 있다. 이 시스템은 surgeon console, patient side cart, vision system, EndoWrist instrument로 이루어진다. Surgeon console은 surgeon이 앉고 surgical tools을 원격으로 조종할 수 있는 곳이다. Patient side cart는 robotics arms을 포함한다. EndoWrist instruments는 cable pulley system으로 구동되며 90도의 관절이 있는 7자유도를 제공한다. 초기에 Da Vinci Surgical System은 큰 성공을 거두었지만, 한계점을 가지고 있다. 한계점: high-associated cost, the heaviness and bulkiness, lack of position and force feedbacks for surgeon. 또한 rigid articulated tools를 사용하기 때문에 flexibility가 부족해서 문제가 생기기도 한다.
(3문단: Flexible의 예시, NOTES) 이러한 문제를 해결하고 laparoscopy로 인한 흉터를 없애기 위해서 NOTES가 제안되었다. NOTES에서는 robotic arm이 flexible endoscope에 설치된다. 이를 통해서 effectiveness와 saftety를 높일 뿐 아니라 therapeutic capabilites(치료능력)도 높인다. NOTES는 mouth, anus, vagina와 같은 natural orifices를 통해서 인간의 몸에 들어갈 수 있도록 한다. 그런 다음 구부러진 좁은 관을 따라 특정 surgical task를 한다. Notes를 위한 device는 기구와 visual systems이 들어있는 flexible tubes인 경우가 많다. NOTES를 위한 surgical systems의 대표적인 예시 중 하나로 Master and Slave Transluminal(반투명) Endoscopic Robot MASTER system이 있다.
(4문단: NOTES의 예시 Master System) Master System은 tendon-sheath(힘줄-힘줄집) mechanisms-driven flexible robotic manipulator를 이용한다. 이를 통해 flexible endoscope의 tip을 포함하는 robotic arms의 multi DOFs를 작동시킨다. MASTER robot은 master console, microprocessor and housing, slave manipulator로 이루어져있다. Slave manipulator는 surgeon에게 vision feedback을 제공하기 위한 카메라와 두 개의 robotic arms을 포함한다. 두 개의 robotic arms: grasper, cauterizing hook(소작 후크-태우는 거). Master console은 인간의 팔의 rotation과 translation motion을 위한 natural DOFs를 motor housing을 통해서 slave manipulator에 mapping한다. 적절한 sensor를 붙여서 이 console은 surgeon의 움직임을 감지하고 rough한 haptic feedback을 surgeon에게 제공한다. Motion controller에 연결된 microprocessor는 encoders 및 loadcells의 신호를 해석할 수 있다. Tendon-sheath mechanisms, rotating drums, loadcells, motor을 포함하는 actuator housing은 actuator와 slave manipulator의 중간 interface이다.