로봇 보조 최소 침습 수술에서의 금지 영역 동적 활성 제약 조건

Forbidden Region Dynamic Active Constraints in Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery

로봇 보조 수술에서 금지 영역 활성 제약(FRAC)은 의사에게 방향성을 제공하여 작업의 안전을 유지하는 제어 전략입니다. 그러나 FRAC이 임상 환경에서 원격 수술에 유용하게 활용되기 위해서는 극복해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 이러한 과제에는 동적인 조직 변형을 허용하고, 에너지 소모를 최소화하며, 구현 속도를 높이는 것 등이 포함됩니다. 본 연구에서는 깊이 감지 카메라를 사용하여 호흡 운동으로 인한 동적 조직 변형을 수용하는 에너지 소산형 FRAC 전략의 설계 방법을 제안합니다. 제안된 FRAC 전략은 122,806개의 다각형으로 구성된 정밀 메시 표현을 사용하며, 43.48Hz의 속도로 작동합니다. 본 연구에서는 '가상' 외과의사가 수행하는 실험을 통해 제안 방법의 효과를 정량적으로 평가하기 위한 추적 실험을 설계했으며, 이를 통해 작업 안전 유지가 성공적으로 이루어졌음을 확인했습니다. 또한, 간단한 기하학적 표현 기반의 다른 FRAC 방법에 비해 본 방법의 강건성 및 시간 효율성을 비교 연구하여 검증했습니다. 결과는 제안된 방법이 전반적으로 더 강력하고 효과적인 지침을 제공하며, 시간 비용은 유사하거나 오히려 낮다는 것을 보여줍니다.

In robot-assisted surgery, Forbidden Region Active Constraints (FRAC) represent a control strategy that helps maintain task safety by generating anisotropic haptic guidance to surgeons. However, several challenges need to be overcome before FRAC can benefit teleoperative surgery in a clinical setting. These challenges include the ability to allow for dynamic tissue deformation, maintain energetic passivity, and speed of implementation, among others. In this study, we propose the pipeline design for an energy dissipative FRAC strategy, which accommodates the dynamic tissue deformation caused by respiratory movements, by utilizing a depth sensing camera. The proposed FRAC strategy adopts a fine mesh representation, with a total number of 122,806 polygons in the case study presented, while running at 43.48Hz. We designed in vitro trajectory tracking experiments conducted by a "virtual" surgeon to aid quantitative assessment of the method, including its effectiveness in maintaining task safety, which was confirmed by successfully maintaining a pre-defined safety distance across all trials. We also conducted comparative studies to investigate the robustness and time-efficiency of our method against other FRAC methods that rely on simple geometry AC representations. We demonstrate that our method provides a more robust and effective guidance overall, while maintaining comparable, if not lower, time costs.