KR20210072847A - System and method for controling needle with variable stiffness structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가변 강성 구조를 갖는 니들 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 강성 구조가 적용된 니들의 강성과 니들의 궤적 곡률 사이의 관계를 모델링 하여 궤적을 제어하는 니들 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a needle control system and method having a variable rigidity structure, and more particularly, a needle control system and method for controlling the trajectory by modeling the relationship between the trajectory curvature of the needle and the stiffness of the needle to which the variable rigidity structure is applied. is about
로봇 분야 등에서 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태를 이용하여 굽힘 강성과 비틀림 강성 등을 변화시키고 제어하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 최소침습수술(minimally invasive surgery)과 같은 분야에서는 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태의 연속체 로봇 니들을 정밀하게 제어하기 위해 극소 크기의 튜브의 강성을 적절히 제어하는 것이 중요하다.Research on a method of changing and controlling bending rigidity and torsional rigidity by using a form in which a plurality of tubes are superimposed is being actively conducted in the field of robots. In particular, in a field such as minimally invasive surgery, it is important to appropriately control the rigidity of a tube having a very small size in order to precisely control a continuum robot needle in which a plurality of tubes are overlapped.
최소침습수술이란 개복하지 않고 절개 부위를 최소화하여 수술을 시행하는 것으로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없으며 세균 감염 노출이 적고 회복이 빠른 장점이 있다. 종래의 수술 장치는 단단하고 고정된 구조로 되어 있어서 주변 조직에 상처 없이 인체 내에서 탐색하기 어려운 문제가 있었다. 이러한 제약을 극복하기 위해 최소침습수술용 유연한 연속체 로봇이 제안되었다. Minimally invasive surgery is performed by minimizing the incision area without open surgery. The incision site is small and there are few scars or sequelae, the exposure to bacterial infection is small, and the recovery is fast. Conventional surgical devices have a hard and fixed structure, so there is a problem in that it is difficult to navigate in the human body without damage to surrounding tissues. To overcome these limitations, a flexible continuum robot for minimally invasive surgery has been proposed.
이와 같은 최소침습수술에서 연속체 로봇은 소형화가 가능하여 널리 사용되지만, 직경 3mm 이하의 환경에서는 모멘트 암이 작고 적합한 마이크로 액추에이터를 활용하기 어려워 연속체 로봇의 움직임을 제어하는 것이 어려워진다. In this minimally invasive surgery, the continuum robot is widely used because it can be miniaturized, but in an environment with a diameter of 3 mm or less, it is difficult to control the movement of the continuum robot because the moment arm is small and it is difficult to use a suitable micro actuator.
최소침습수술에서 사용되는 연속체 로봇 형태의 니들은 말단 팁이 표적에 이르는 정확도가 특히 중요하다. 예를 들어, 니들의 위치를 잘못 지정하면 조직검사 과정에서 악성 종양이 발견되지 않을 수 있고, 근접 치료 동안 암 조직 대신 건강한 조직이 파괴되는 등, 치료, 검사, 수술 등의 정확도가 떨어지게 된다. For needles in the form of continuum robots used in minimally invasive surgery, the accuracy of the distal tip reaching the target is particularly important. For example, if the position of the needle is incorrectly specified, a malignant tumor may not be detected during the biopsy, and healthy tissue is destroyed instead of cancerous tissue during brachytherapy, and the accuracy of treatment, examination, surgery, etc. decreases.
니들의 표적에 이르는 정확도를 향상시키기 위해, 현재는 자기 공명 영상, 초음파 영상 또는 다중-영상(multi-imaging) 방식과 함께 이미지-유도 로봇 시스템이 주로 이용된다. 그럼에도 불구하고, 조직의 비균질성, 장기의 변형, 호흡 및 인체의 체액의 흐름과 같이 의도된 경로에서 니들이 벗어나게 하는 많은 제약 요소들이 있다. In order to improve the accuracy of the needle reaching the target, image-guided robotic systems are mainly used at present in combination with magnetic resonance imaging, ultrasound imaging or multi-imaging methods. Nevertheless, there are many constraining factors that cause the needle to deviate from its intended path, such as tissue inhomogeneity, organ deformation, respiration, and flow of body fluids.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가변 강성 구조를 갖는 니들에서 강성과 궤적 곡률 사이의 관계 모델링을 통해 니들을 조향하는 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a control method and system for steering a needle through modeling the relationship between stiffness and trajectory curvature in a needle having a variable stiffness structure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 가변 강성 구조를 갖는 니들 제어 시스템으로서, 외측 튜브 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하는 니들 및 상기 니들의 움직임을 제어하는 니들 제어 장치를 포함하고, 상기 니들 제어 장치는 상기 니들의 회전 이동을 제어하여 상기 니들의 강성을 변화시키고, 상기 니들의 강성의 변화에 따라 상기 니들이 조직에 삽입될 때 궤적의 곡률이 제어되는 니들 제어 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, as a needle control system having a variable rigidity structure, a needle including an outer tube and an inner tube inserted into the inner side of the outer tube and controlling the movement of the needle A needle including a needle control device, wherein the needle control device controls the rotational movement of the needle to change the stiffness of the needle, and the curvature of the trajectory is controlled when the needle is inserted into the tissue according to the change in the stiffness of the needle A control system is provided.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 니들의 강성이 감소할수록 상기 궤적의 곡률이 증가하는 관계일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as the stiffness of the needle decreases, there may be a relationship in which the curvature of the trajectory increases.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at least one of the outer tube and the inner tube may include a plurality of regions having different rigidities.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 패턴이 형성되어 강성이 감소된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at least one of the outer tube and the inner tube may include a region in which a pattern is formed to reduce rigidity and a region in which a pattern is not formed.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브는 니티놀 재질로 제작되고, 상기 내측 튜브는 스테인레스강 재질로 제작되고, 상기 내측 튜브에만 비등방성 패턴을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the outer tube may be made of a nitinol material, the inner tube may be made of a stainless steel material, and only the inner tube may include an anisotropic pattern.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 니들 제어 장치는 상기 내측 튜브의 회전 각도를 변화시켜 상기 니들의 강성을 제어하고, 상기 내측 튜브의 회전 각도가 0°에서 90°로 커질수록 상기 니들의 휨 방향에서 상기 궤적의 곡률은 감소할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the needle control device controls the stiffness of the needle by changing the rotation angle of the inner tube, and as the rotation angle of the inner tube increases from 0° to 90°, bending of the needle The curvature of the trajectory in the direction may decrease.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 니들 제어 장치는 바이시클 비홀로노믹 모델(bicycle nonholonomic model)을 이용하여 상기 강성의 변화에 따른 상기 궤적을 산출할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the needle control device may calculate the trajectory according to the change in the stiffness using a bicycle nonholonomic model (bicycle nonholonomic model).
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 가변 강성 구조를 갖는 니들 제어 방법으로서, 니들에 연결되는 니들 제어 장치에 의해 상기 니들을 회전 이동 시켜 상기 니들의 강성을 변화시키는 단계 및 상기 니들의 강성의 변화에 따라 상기 니들이 조직에 삽입될 때 궤적의 곡률이 제어되는 단계를 포함하고, 상기 니들은 외측 튜브 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하는 니들 제어 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, as a needle control method having a variable stiffness structure, changing the stiffness of the needle by rotating the needle by a needle control device connected to the needle and changing the stiffness of the needle According to the method comprising the step of controlling the curvature of the trajectory when the needle is inserted into the tissue, the needle is provided with a needle control method comprising an outer tube and an inner tube inserted into the inner side of the outer tube.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 니들을 회전 이동 시켜 상기 니들의 강성을 변화시키는 단계는, 상기 내측 튜브의 회전 각도를 변화시켜 상기 니들의 강성을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 내측 튜브의 회전 각도가 0°에서 90°로 커질수록 상기 니들의 휨 방향에서 상기 궤적의 곡률은 감소할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of changing the stiffness of the needle by rotating the needle includes controlling the stiffness of the needle by changing the rotation angle of the inner tube, As the rotation angle increases from 0° to 90°, the curvature of the trajectory in the bending direction of the needle may decrease.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 바이시클 비홀로노믹 모델을 이용하여 상기 강성의 변화에 따른 상기 궤적을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the method may further include calculating the trajectory according to the change in stiffness using a bicycle non-holonomic model.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 가변 강성 구조를 갖는 니들 제어 시스템 및 방법은, 니들의 강성과 궤적 곡률 사이의 관계를 모델링하고 정밀한 궤적 제어를 가능하게 한다. 특히, 공간이 제한되고 인접 조직과의 상호 작용이 있는 인체 내부의 환경에서도 강성을 조절함으로서 니들의 표적 정확도를 높일 수 있다. 이를 통해, 주변 조직에 손상을 줄일 수 있고, 니들 궤적의 곡률 범위를 넓혀 닿지 못하는 영역을 줄일 수 있다. 니들 제어를 통한 삽입 및 회전 속도를 제한하여 더욱 안전한 최소침습수술을 가능하게 한다.A needle control system and method having a variable rigidity structure according to various embodiments of the present invention models the relationship between the stiffness of the needle and the trajectory curvature and enables precise trajectory control. In particular, it is possible to increase the target accuracy of the needle by adjusting the stiffness even in an environment inside the human body where space is limited and there is interaction with adjacent tissues. Through this, it is possible to reduce the damage to the surrounding tissue, it is possible to reduce the area that cannot be reached by expanding the curvature range of the needle trajectory. It enables safer minimally invasive surgery by limiting the insertion and rotation speed through needle control.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 튜브의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 튜브 구조체의 사시도를 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 단면도를 각각 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 회전 상태를 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 굽힘 강성비(bending stiffness ratio)의 변화를 각각 도시한다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 조향가능한 니들의 외측 튜브 및 내측 튜브의 측면도 및 궤적 산출 모델을 각각 도시한다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 조향가능한 니들 제어 시스템과, 니들 회전 각도에 따른 니들 궤적 곡률의 변화 상태를 각각 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 yz 평면에서 내측 튜브의 회전 각도에 따른 니들 궤적과 실험 결과의 표준편차 막대를 도시한다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 니들의 강성과 니들의 궤적 곡률과의 관계 및 회전 각도와 니들의 궤적 곡률과의 관계 그래프를 각각 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조향가능한 니들이 장애물을 피해 목표지점에 이르는 니들 궤적 제어 예를 도시한다.1 shows a perspective view of a circular tube according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a perspective view of a tube structure having an asymmetric pattern according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are cross-sectional views of a circular tube having an asymmetric pattern of type A and type B, respectively, according to an embodiment of the present invention.
4 shows a rotational state of a circular tube having an asymmetric pattern of type A according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B illustrate changes in bending stiffness ratio when the relative rotation angles of a plurality of circular tubes having asymmetric patterns of type A and type B are changed, respectively, according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B respectively show a side view and a trajectory calculation model of an outer tube and an inner tube of a steerable needle according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B respectively show a steerable needle control system implemented according to an embodiment of the present invention, and a change state of the needle trajectory curvature according to the needle rotation angle.
Figure 8 shows the needle trajectory according to the rotation angle of the inner tube in the yz plane according to an embodiment of the present invention and the standard deviation bar of the experimental results.
9A and 9B show graphs of the relationship between the stiffness of the needle and the curvature of the trajectory of the needle and the relationship between the rotation angle and the curvature of the trajectory of the needle, respectively, according to an embodiment of the present invention.
10 shows an example of needle trajectory control in which a steerable needle avoids an obstacle and reaches a target point according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which will be described as one embodiment, the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited thereby.
로봇 수술은 보다 정밀한 제어가 가능하며 도달할 수 없는 영역을 줄일 수 있다. 특히, 로봇을 활용한 최소침습수술은 보다 작은 절개를 활용하므로 전통적인 개방 수술에 비해 회복시간이 짧고 감염 위험이 적어 점점 널리 사용되고 있다. Robotic surgery allows for more precise control and can reduce unreachable areas. In particular, minimally invasive surgery using a robot uses a smaller incision, so it has a shorter recovery time and less risk of infection than traditional open surgery, so it is increasingly widely used.
이와 같은 최소침습수술에서 소형화가 가능한 연속체 로봇이 널리 사용되지만, 직경 3mm 이하의 환경에서는 모멘트 암이 작고 적합한 마이크로 액추에이터를 활용하기 어려워 연속체 로봇의 움직임을 제어하는 것이 어려워지는 문제가 있다. In such minimally invasive surgery, a continuum robot capable of miniaturization is widely used, but in an environment with a diameter of 3 mm or less, it is difficult to control the movement of the continuum robot because the moment arm is small and it is difficult to use a suitable micro actuator.
이처럼, 공간이 제한되고 인접 조직과의 상호작용이 있는 인체 내부의 환경에서 연속체 로봇의 강성을 조절함으로서 연속체 로봇의 움직임을 제어하는 방법을 제안한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 가변 강성 구조를 갖는 의료용 니들의 궤적을 제어하는 방법 및 시스템을 예로 들어 설명하나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니고 가변 강성 구조를 갖는 튜브 구조체라면 그 궤적을 제어하는 방안으로 제한 없이 적용될 수 있다.As such, we propose a method for controlling the movement of the continuum robot by adjusting the rigidity of the continuum robot in an environment inside the human body where space is limited and there is interaction with adjacent tissues. A method and system for controlling the trajectory of a medical needle having a variable rigidity structure according to an embodiment of the present invention will be described as an example, but the present invention is not limited thereto, and if it is a tube structure having a variable rigidity structure, the trajectory is controlled. It can be applied without limitation.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 튜브(100)의 사시도를 도시한다. 1 shows a perspective view of a
도 1을 참조하면, 원형 튜브(100)의 길이 방향과 원주 방향을 따라 서로 다른 물성을 갖는 두 개의 물질로 제조된 원형 튜브(100)가 도시된다. 이 때, 서로 다른 물성은 강성(stiffness)을 의미할 수 있으며, 두 개 이상의 서로 다른 물성의 물질로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 원형 튜브(100)는 유연한 물질로 이루어진 부분(검은색 부위)과 단단한 물질로 이루어진 부분(흰색 부위)가 원주 둘레를 따라 번갈아 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 유연한 물질은 고무, 탄성중합체(elastomer)와 같은 물질일 수 있고, 단단한 물질은 단단한 플라스틱, 금속과 같은 물질일 수 있다. Referring to FIG. 1 , a
본 발명에서 제안하는 조향가능한 니들(steerable needle)은, 도 1과 같은 형상의 내측 및 외측 원형 튜브를 동심으로(concentrically) 겹쳐서 회전 각도와 상대적 위치 중 하나 이상을 조절하여 강성을 변화시킬 수 있다. 본 발명에서 제안하는 튜브 구조는 원형을 예로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상의 내측 튜브 및 외측 튜브 간의 상대적 위치를 이동시킬 수 있는 다양한 중공(hollow) 형태로 변형될 수 있다. 또한, 서로 다른 물성을 갖는 복수개의 물질들은 각 튜브의 길이 방향 또는 둘레 방향을 따라 배치될 수 있으며, 둘레 방향과 길이 방향의 조합에 의해 배치될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 물성을 갖는 복수개의 물질들이 사선 방향으로 각 튜브 둘레를 따라 배치될 수 있다. The steerable needle proposed in the present invention can change the rigidity by adjusting one or more of the rotation angle and the relative position by concentrically overlapping the inner and outer circular tubes of the shape as shown in FIG. 1 . The tube structure proposed in the present invention is described as an example of a circular shape, but is not necessarily limited thereto, and may be transformed into various hollow shapes capable of moving the relative positions between one or more inner tubes and outer tubes. In addition, a plurality of materials having different physical properties may be disposed along the longitudinal direction or the circumferential direction of each tube, and may be disposed by a combination of the circumferential direction and the longitudinal direction. For example, a plurality of materials having different physical properties may be disposed along the circumference of each tube in an oblique direction.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 튜브 구조체(200)의 사시도를 도시한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 튜브 구조체(200)는 복수개의 원형 튜브가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다. 조향가능한 니들은 이와 같은 튜브 구조체로 구성될 수 있다.2 shows a perspective view of a
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속적으로 변하는 강성을 갖도록 구성된 튜브 구조체(200)는, 길이 방향 및 원주 방향으로 2 이상의 다른 물성을 갖는 부분으로 구분되도록 비대칭 패턴이 형성된 튜브를 구비할 수 있다. 도 2를 참조하면, 비대칭 패턴이 형성된 튜브는 금속과 같은 단단한 재료로 제조되어, 패턴이 형성된 부분은 굽힘 및 비틀림 강성이 극적으로 감소하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 비대칭 패턴이 형성된 튜브는 니티놀(nitinol)과 같은 형상기억합금 또는 스테인리스강으로 제조될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브는 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)를 포함한다. 이하 두 개의 원형 튜브가 겹쳐진 형태를 예로 들어 설명하나, 3개 이상의 튜브가 겹쳐진 형태도 가능하며 이들 간의 상대적인 위치를 조절함으로써 더욱 정밀하게 강성을 제어할 수 있다. As shown in FIG. 2, the
외측 튜브(210)는 튜브의 외주면을 따라 다수의 패턴들(211)이 형성된다. 이러한 패턴들(211)은, 예를 들어, 커팅 가공, 필링 가공, 국부 열처리 등의 방식으로 레이저 가공 장비나 히트 패드(heat pad)에 의해 형성될 수 있다. 이들은 예시적인 방법일 뿐이며, 패턴 형성 방법은 이에 제한되지 않는다. 패턴들(211)은 예를 들어 비등방성 패턴으로 형성될 수 있으나, 그 형태에 특별한 제한이 없이 다양하게 변형될 수 있다. The
본 발명의 일 실시 예에 따라, 외측 튜브(210)의 패턴들(211)은 패턴간의 원주 방향 거리(m1), 패턴간의 길이 방향 거리(l1), 패턴의 폭(m2) 및 패턴의 높이(l2)와 같은 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 외측 튜브(210)의 패턴들(211)은 외주면을 따라 원주 방향 일부에만 형성될 수 있으며, 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역으로 구분될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 패턴들(211)이 형성된 영역에서 외측 튜브(210)의 굽힘 강성과 비틀림 강성이 극적으로 감소할 수 있다. 외측 튜브(210)에서 패턴들(211)이 형성된 영역과 형성되지 않은 영역은 굽힘 강성 및 비틀림 강성이 큰 차이를 갖게 된다. According to an embodiment of the present invention, the
내측 튜브(220)는 튜브의 외주면을 따라 다수의 패턴들(221)이 형성된다. 이러한 패턴들(221)은, 예를 들어, 커팅 가공, 필링 가공, 국부 열처리 등의 방식으로 레이저 가공 장비나 히트 패드(heat pad)에 의해 형성될 수 있다. 패턴들(221)은 예를 들어 비등방성 패턴으로 형성될 수 있으나, 그 형태에 특별한 제한이 없이 다양하게 변형될 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따라, 내측 튜브(220)의 패턴들(221)은 역시 패턴간의 원주 방향 거리, 패턴간의 길이 방향 거리, 패턴의 폭 및 패턴의 높이와 같은 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 내측 튜브(220)의 패턴들(221)은 외측 튜브(210)의 패턴들과 동일한 형태로 형성될 수 있으나, 지름이 더 작기 때문에 파라미터들이 지름이 줄어든 만큼 감소되도록 설계될 수 있다. 내측 튜브(220) 역시 패턴들(221)이 외주면을 따라 원주 방향 일부에만 형성될 수 있으며, 패턴들(221)이 형성된 영역에서만 내측 튜브(220)의 굽힘 강성과 비틀림 강성이 극적으로 감소할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 내측 튜브(220)와 외측 튜브(210)의 패턴의 형상이 다를 수 있으며, 특히 원주 방향을 따라 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역이 차지하는 비율이 다르게 설정될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명에서 제안하는 튜브 구조는 원형을 예로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상의 내측 튜브 및 외측 튜브 간의 상대적 위치를 이동시킬 수 있는 다양한 중공 형태로 변형될 수 있다. 또한, 서로 다른 패턴을 갖는 복수개의 영역들이 각 튜브의 길이 방향 또는 둘레 방향을 따라 배치될 수 있으며, 둘레 방향과 길이 방향의 조합에 의해 배치될 수도 있다. 여기서, 서로 다른 패턴이 형성된 영역의 예로 특정 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역도 포함될 수 있다. 서로 다른 패턴은 복수개의 영역들의 강성을 달리하기 위한 다양한 패턴일 수 있고, 특정한 패턴으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 서로 다른 패턴을 갖는 복수개의 영역들이 사선 방향으로 각 튜브의 둘레를 따라 배치될 수 있다. The tube structure proposed in the present invention is described as an example of a circular shape, but is not necessarily limited thereto, and may be transformed into various hollow shapes capable of moving the relative positions between one or more inner tubes and outer tubes. In addition, a plurality of regions having different patterns may be disposed along the longitudinal direction or the circumferential direction of each tube, or may be disposed by a combination of the circumferential direction and the longitudinal direction. Here, examples of regions in which different patterns are formed may include regions in which a specific pattern is formed and regions in which no patterns are formed. The different patterns may be various patterns for varying the rigidity of the plurality of regions, and are not limited to a specific pattern. For example, a plurality of regions having different patterns may be arranged along the circumference of each tube in an oblique direction.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 단면도를 각각 도시한다. 도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 튜브에서 원주 방향 패턴을 좀 더 상세하게 확인하기 위해 절단면(230)을 확대 도시한 것이다.3A and 3B are cross-sectional views of a circular tube having an asymmetric pattern of type A and type B, respectively, according to an embodiment of the present invention. 3A and 3B are enlarged views of the
도 3a를 참조하면, 외측 튜브(210)는 원주 방향을 따라 패턴들(211)이 형성된 영역(213)과 패턴들이 형성되지 않은 영역(212)을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴은, 외측 튜브(210)의 단면에서 반원 부분을 3등분한 가운데 부분만이 다수의 패턴들(211)이 형성되고, 나머지 부분은 패턴이 형성되지 않고, 반대편 반원 부위도 대칭적으로 패턴들(211)이 형성될 수 있다. 내측 튜브(220)는 외측 튜브(210)와 동일한 type A의 패턴이 형성되거나, 내측 튜브(220) 또는 외측 튜브(210) 중 하나만이 패턴이 형성될 수도 있고, 회전에 의해 상대적 패턴 위치가 변경됨에 따라 연속체 로봇의 강성을 연속적으로 변화하게 할 수 있다. Referring to FIG. 3A , the
도 3b를 참조하면, 외측 튜브(210)는 원주 방향을 따라 패턴들(211)이 형성된 영역(213)과 패턴들이 형성되지 않은 영역(212)을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 type B의 비대칭 패턴은, 외측 튜브(210)의 단면에서 반원 부분을 3등분한 가운데 부분만이 패턴이 형성되지 않고 나머지 양쪽 부분은 다수의 패턴들(211)이 형성되며, 반대편 반원 부위도 대칭적으로 패턴들(211)이 형성될 수 있다. 내측 튜브(220)는 외측 튜브(210)와 동일한 type A의 패턴이 형성되거나, 내측 튜브(220) 또는 외측 튜브(210) 중 하나만이 패턴이 형성될 수도 있고, 회전에 의해 상대적 패턴 위치가 변경됨에 따라 연속체 로봇의 강성을 연속적으로 변화하게 할 수 있다. Referring to FIG. 3B , the
type A 및 type B의 실시 예에서 파라미터들은 <표 1>과 같이 정의될 수 있다. In the embodiment of type A and type B, parameters may be defined as shown in <Table 1>.
여기서, di는 외측 또는 내측 튜브의 내측 직경을, do는 외측 또는 내측 튜브의 외측 직경을 의미한다. 또한, E는 각각 외측 또는 내측 튜브의 영율(Young's modulus)을 의미하며, l1은 패턴간의 길이 방향 거리, l2는 패턴의 높이, m1은 패턴간의 원주 방향 거리, m2는 패턴의 폭을 의미한다. θ는 패턴이 형성된 영역의 아크 유닛(arc unit)의 각도를 의미하고, n는 패턴 유닛의 수를 의미한다.Here, d i means the inner diameter of the outer or inner tube, and d o means the outer diameter of the outer or inner tube. In addition, E means Young's modulus of the outer or inner tube, respectively, l 1 is the longitudinal distance between patterns, l 2 is the height of the patterns, m 1 is the circumferential distance between the patterns, m 2 is the width of the patterns means θ denotes the angle of an arc unit in the region where the pattern is formed, and n denotes the number of pattern units.
외측 튜브 및 내측 튜브의 비대칭 패턴 형태는 type A 또는 type B에 한정되는 것은 아니며, 튜브 구조체에 요구되는 강성, 그 변화 범위 등에 따라 다양한 파라미터를 갖는 패턴 및 패턴 배치 형태로 변형될 수 있다. The asymmetric pattern shape of the outer tube and the inner tube is not limited to type A or type B, and may be transformed into a pattern and pattern arrangement form having various parameters according to the rigidity required for the tube structure, the range of change, and the like.
복수개의 튜브를 동심으로 겹쳐 형성된 튜브 구조체의 강성은 복수개의 튜브의 상대적인 회전 이동과 병진(translation) 운동 중 하나 이상에 의해 제어된다. 상술한 바와 같이 튜브 구조체의 복수개의 튜브들 각각은 원주 방향 및 길이 방향으로 비등방성 물성치를 갖도록 구성되므로, 이들의 회전 이동 및 평행 이동 시 겹쳐지는 부위의 강성이 변하게 되므로, 상대적인 길이 방향 위치, 회전 각도 등의 파라미터를 정량적으로 조절하여 원하는 강성을 갖도록 제어할 수 있다. The rigidity of the tube structure formed by concentrically overlapping a plurality of tubes is controlled by at least one of a relative rotational movement and a translation movement of the plurality of tubes. As described above, each of the plurality of tubes of the tube structure is configured to have anisotropic properties in the circumferential direction and the longitudinal direction, so that the rigidity of the overlapping portion is changed during their rotational movement and parallel movement, relative longitudinal position, rotation By quantitatively adjusting parameters such as angle, it is possible to control to have desired rigidity.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브(400)의 회전 상태를 도시한다. 4 shows a rotational state of a
도 4에 도시된 원형 튜브(400)는 상술한 외측 튜브(210) 또는 내측 튜브(220)일 수 있고, 이를 회전시킴으로써 튜브 구조체의 강성을 제어할 수 있다. 도 4(a)의 원형 튜브(400)에서 각도 ω 만큼 시계 반대 방향으로 회전시킨 경우, 도 4(b)와 같이 패턴들이 형성되지 않은 영역(402) 및 패턴들이 형성된 영역(403)의 위치가 회전한다. θp는 패턴들이 형성된 영역(403)이 이루는 원주 상의 각도를 의미하고, θu는 패턴이 형성되지 않은 영역의 각도를 의미한다. 이 때, 부하(load)의 방향은 (-y) 방향을 기준으로 굽힘 강성이 측정될 수 있다. 강성의 측정 방향을 기준으로 수직인 방향으로 외측 및 내측 튜브 패턴들이 일치하여 위치하는 경우 측정되는 강성이 가장 낮으며, 강성의 측정 방향을 기준으로 수직인 방향에서 패턴이 형성되지 않은 영역이 일치하는 경우 측정되는 강성이 가장 클 수 있다.The
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 굽힘 강성비(bending stiffness ratio)의 변화를 각각 도시한다.5A and 5B illustrate changes in bending stiffness ratio when the relative rotation angles of a plurality of circular tubes having asymmetric patterns of type A and type B are changed, respectively, according to an embodiment of the present invention.
도 5a를 참조하면, type A의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도를 각각 0°에서 90°로 변화시킬 때, 최소 강성치 대비 변화되는 강성이 비율로써 표시된다. 예를 들어, type A의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)=(0°, 0°) 에서 (90°, 90°)로 변하는 경우 강성이 2.10배 차이 날 수 있다. Referring to FIG. 5A , when the rotation angles of the outer and inner tubes having the type A pattern are changed from 0° to 90°, respectively, the changed stiffness compared to the minimum stiffness is displayed as a ratio. For example, when changing the rotation angle (ω 1 , ω 2 )=(0°, 0°) to (90°, 90°) of the outer and inner tubes with a type A pattern, the stiffness can differ by 2.10 times. have.
도 5b를 참조하면, type B의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도를 각각 0°에서 90°로 변화시킬 때, 최소 강성치 대비 변화되는 강성이 비율로써 표시된다. 예를 들어, type B의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)=(0°, 0°) 에서 (90°, 90°)로 변하는 경우 강성이 4.27배 차이 날 수 있다. 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 변함에 따라 굽힘 강성을 연속 함수 형태로 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1) 및 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)를 적절히 조절하면 굽힘 강성을 스케일러블하게(scalable) 제어할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5B , when the rotation angles of the outer and inner tubes having the type B pattern are changed from 0° to 90°, respectively, the changed stiffness compared to the minimum stiffness is displayed as a ratio. For example, when changing the rotation angle (ω 1 , ω 2 )=(0°, 0°) to (90°, 90°) of the outer and inner tubes with a type B pattern, the stiffness can differ by 4.27 times. have. As illustrated in Figures 5a and 5b, it is possible to change the bending stiffness as a continuous function of forms depending on the rotational angle (ω 2) of the
본 발명에서 제안하는 조향가능한 니들은 상술한 튜브 구조체와 같이 복수 개의 원형 튜브가 겹쳐진 형태로 이루어질 수 있다. 특히, 조향가능한 니들은 내측 튜브와 외측 튜브의 2개의 비등방성 패턴을 갖는 원형 튜브가 겹쳐진 튜브 구조체로 구성될 수 있다. The steerable needle proposed in the present invention may be formed in a form in which a plurality of circular tubes are overlapped like the above-described tube structure. In particular, the steerable needle may consist of a tube structure in which a circular tube having two anisotropic patterns of an inner tube and an outer tube is superimposed.
2개의 비등방성 패턴을 갖는 원형 튜브가 겹쳐진 튜브 구조체의 경우 튜브의 상대적인 회전 운동과 병진 운동 중 하나 이상에 의해 강성을 제어할 수 있음은 상술한 바와 같다. 이와 같은 가변 강성 구조를 갖는 니들의 경우, 인체에 삽입될 때 튜브의 상대적인 회전을 통해 강성이 변함에 따라 주변 조직과의 상호작용에 의해 그 궤적이 휘게 된다. 튜브 구조체의 강성을 스케일러블하게 제어할 수 있으므로, 강성과 궤적의 곡률간의 관계를 모델링하면 니들의 궤적을 제어할 수 있다. In the case of a tube structure in which a circular tube having two anisotropic patterns is overlapped, the rigidity can be controlled by at least one of a relative rotational motion and a translational motion of the tube as described above. In the case of a needle having such a variable rigidity structure, when the needle is inserted into the human body, the trajectory is bent by the interaction with the surrounding tissue as the rigidity is changed through the relative rotation of the tube. Since the rigidity of the tube structure can be scalably controlled, the trajectory of the needle can be controlled by modeling the relationship between the rigidity and the curvature of the trajectory.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 조향가능한 니들(600)의 외측 튜브 및 내측 튜브의 측면도 및 궤적 산출 모델을 각각 도시한다. 6A and 6B respectively show a side view and a trajectory calculation model of the outer tube and the inner tube of the steerable needle 600 according to an embodiment of the present invention.
도 6a를 참조하면, 니들(600)은 외측 튜브(610) 및 외측 튜브(620)로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 외측 튜브(610)는 니티놀로 제작된 외측 지름이 약 2.0mm, 내측 지름이 약 1.8mm인 원형 튜브일 수 있다. 또한, 내측 튜브(620)는 스테인리스강으로 제작된 외측 지름이 약 1.65mm, 내측 지름이 약 1.35mm인 원형 튜브일 수 있다. 이 때, 내측 튜브(620)는 도 6a에 도시된 바와 같이 방사 방향을 따라 굴곡 강성의 비등방성 분포를 갖도록 패터닝될 수 있다. 외측 튜브(610)는 도 6a에 도시된 바와 같이 베벨 팁(bevel tip)을 가질 수 있다. 외측 튜브(610)는 낮은 강도(rigidity)를 갖는 니티놀과 같은 물질로 제작되고, 내측 튜브(620)는 높은 강도를 갖는 스테인리스강과 같은 물질로 제작되어 강성의 변화 범위가 더 커질 수 있다. 튜브를 제작하는 물질, 튜브의 크기(지름, 두께 등), 튜브의 패턴 등에 의해 강성의 변화 범위를 다르게 조절할 수 있다. Referring to FIG. 6A , the needle 600 may include an
본 발명에서는 조향가능한 니들 시스템의 비홀로노믹 모델링, 특히 바이시클 비홀로노믹 모델링(bi-cycle nonholonomic modeling)을 통해 니들의 강성 제어를 통해 궤적을 제어하는 방안을 제안하고자 한다. 이 때, 니들의 삽입 속도 및 회전 속도뿐 아니라, 추가적인 제어 입력, 니들의 강성이 고려될 수 있다. In the present invention, it is intended to propose a method of controlling the trajectory by controlling the stiffness of the needle through non-holonomic modeling of a steerable needle system, in particular, bi-cycle nonholonomic modeling. At this time, not only the insertion speed and rotation speed of the needle, but also an additional control input and the stiffness of the needle may be considered.
먼저, 도 6b를 참고하면, 앞 바퀴(wheel)의 각도 φ, 휠베이스 l1이 표준 동역학적 바이시클의 변수로서 고려될 수 있고, 니들 경로의 곡률 k는 구부러지는 방향을 따라 강성에 의해 결정된다. 프레임 A는 전역 좌표이고, 프레임 B와 프레임 C는 각각 두 개의 휠(wheel)로 고려될 수 있다. 프레임 C와 니들 팁은 프레임 B의 z축 상에 위치할 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 프레임 C의 z축은 프레임 B의 z축과 각도 φ 만큼의 차이를 갖는다. 프레임 B와 프레임 C는 니들 삽입 중에는 서로 일정한 거리에 위치한다. u1은 프레임 B의 z축을 따라 니들의 삽입 속도를 의미하고, u2는 프레임 B의 z축을 따라 회전 속도를 의미한다. k는 니들 궤적의 곡률을 의미하고, 내측 튜브의 회전 구성에 따라 달라지는 강성에 의해 변화될 수 있다.First, referring to Fig. 6b, the angle φ of the front wheel and the wheelbase l 1 can be considered as variables of a standard kinematic bicycle, and the curvature k of the needle path is determined by the stiffness along the bending direction . Frame A is global coordinates, and frame B and frame C can each be considered as two wheels. Frame C and the needle tip may be positioned on the z-axis of frame B. As shown in FIG. 6B , the z-axis of the frame C has a difference from the z-axis of the frame B by an angle ?. Frame B and frame C are positioned at a constant distance from each other during needle insertion. u 1 means the insertion speed of the needle along the z-axis of frame B, and u 2 means the rotational speed along the z-axis of frame B. k means the curvature of the needle trajectory, and can be changed by the stiffness that varies depending on the rotational configuration of the inner tube.
여기서, 파피안 제약식(Pfaffian constraints)은 다음과 같이 고려될 수 있다. 프레임 B의 원점 속도는 프레임 C의 x축 및 y축을 따라 투영할 수 없고, 프레임 C의 원점 속도는 프레임 C의 x축 및 y축을 따라 투영할 수 없어 , , , 로 표현될 수 있다. 또한, 프레임 B와 C는 서로에 대해 고정되어 있으므로, 이다. 파피안 제약식은 <수학식 1>과 같이 구해질 수 있다. Here, the Pfaffian constraints may be considered as follows. The origin velocity of frame B cannot be projected along the x and y axes of frame C, and the origin velocity of frame C cannot be projected along the x and y axes of frame C , , , can be expressed as Also, since frames B and C are fixed relative to each other, to be. The Papian constraint can be obtained as in <
바이시클 논홀로노믹 모델에서 순수하게 니들 삽입에 대응하는 공간 속도 V1과 순수하게 축 회전에 대응하는 공간 속도 V2를 고려할 수 있고, 동역학적 모델은 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다. Bicyclo non alone may take into account the space velocity V 2 that is purely in the genomic model and pure space velocity V 1 corresponding to the needle insertion corresponds to the rotation axis, dynamic model is expressed as <
여기서, u1은 프레임 B의 z축을 따라 니들의 삽입 속도를 의미하고, u2는 프레임 B의 z축을 따라 회전 속도를 의미하며, k(t)는 니들 궤적의 곡률을 의미한다.Here, u 1 means the insertion speed of the needle along the z-axis of the frame B, u 2 means the rotation speed along the z-axis of the frame B, k(t) means the curvature of the needle trajectory.
동역학적 모델은 또한 변화되는 강성의 효과를 확인하기 위해 은 상수(constant)로 두고, 으로 둘 때, <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다. The kinematic model was also used to confirm the effect of varying stiffness. is a constant, When , it can be expressed as <
여기서, , 으로 정의될 수 있다. here, , can be defined as
이것을 이산 시간(discrete-time) 모델로 하여 실험 데이터를 적용할 수 있다. 이산 시간 모델에서 각각의 시간 스텝 k = 0, 1, 2, … 에 대해, T 초 동안 에 대해 동차 변환(homogeneous transformation)하는 경우, 동역학적 모델은 또한 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다. Experimental data can be applied by using this as a discrete-time model. In the discrete time model, each time step k = 0, 1, 2, ... For , for T seconds In the case of homogeneous transformation, the dynamic model may also be expressed as <
이 때, 니들 팁 경로 벡터는 <수학식 5>와 같이 정의될 수 있다. At this time, the needle tip path vector may be defined as in <
예를 들어, T = 1s이고 니들의 삽입 속도 u1 = 6mm/s인 경우, 동역학적 모델과 니들 팁 벡터는 다음의 <수학식 6>과 같이 얻어질 수 있다. For example, when T = 1s and the needle insertion speed u 1 = 6 mm/s, the dynamic model and the needle tip vector can be obtained as in Equation 6 below.
파피안 제약식은 상술한 바와 같이 <수학식 1>과 같이 적용될 수 있다. As described above, the Papian constraint can be applied as in <
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 조향가능한 니들 제어 시스템(700)과, 니들 회전 각도에 따른 니들 궤적 곡률의 변화 상태를 각각 도시한다. 도 7a와 같이 니들 제어 시스템(700)을 구성하여 상술한 바와 같은 동역학적 모델과 니들 팁 궤적 벡터를 확인할 수 있다. 7A and 7B respectively show a steerable
도 7a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 니들 제어 시스템(700)은 니들 제어 장치(710)와 복수개의 원형 튜브로 구성된 니들(720)을 포함한다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이 니들(720)은 도 6a와 같이 외측 튜브(610) 및 내측 튜브(620)의 두 개의 원형 튜브로 구성될 수 있고, 외측 튜브는 패턴이 없고, 내측 튜브는 패턴이 형성된 원형 튜브일 수 있다. 외측 튜브(610)는 도 6a에 도시된 바와 같이 베벨 팁을 가질 수 있다. 니들 제어 장치(710)는 모터(motor)의 회전 정도, 속도, 척(chuck)의 이동 정도 및 속도 등을 제어함으로써 튜브들(610, 620)의 운동을 제어할 수 있다. 모터에 연결된 척에 의해 각각의 튜브들(610, 620)이 지지되며, 각각의 연결된 모터가 작동하면 각각의 튜브들(610, 620)이 평행 이동 및 회전 이동하게 되고, 인간 조직 모형(730)에 대해 삽입 방향으로 이동하게 된다. 예를 들어, 인간 조직 모형(730)은 전립선 암 부위의 탄성과 유사한 환경을 구성하기 위해 약 80%의 물, 19%의 젤라틴, 1%의 설탕을 혼합하여 만들어질 수 있다. 니들 제어 장치(710)는 하나 이상의 프로세서(processor)를 포함할 수 있고, 니들의 평행 이동 및 회전 이동은 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 제어될 수 있다.Referring to Figure 7a, the
도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 니들(720)의 강성을 변화시키면 베벨 팁의 삽입 경로가 변형될 수 있다. 베벨 팁을 갖는 유연한 니들(720)이 연한 조직에 삽입되는 경우 팁의 비대칭성이 니들을 휘게 만들 수 있다. 이 때, 니들(720)의 강성이 변화되면 니들이 휘는 곡률이 변할 수 있다. 예를 들어, 니들(720)에서 내측 튜브의 회전 각도 θR을 각각 0°, 30°, 60°, 90°로 하여 인간 조직 모형(730)에 100mm만큼 삽입하면서 강성 및 곡률 변화를 측정할 수 있다. 이 때의 삽입 속도는 u1 = 6mm/s이고, 회전 속도는 u2 = 0mm/이며, T = 1s으로 설정될 수 있다. 이와 같은 설정 시, 각각의 회전 각도 θR에 대한 니들 삽입 상태는 도 7b에 도시된 바와 같고, 회전 각도 θR에 대한 니들 강성과 니들 궤적의 곡률은 <표 2>와 같이 얻어질 수 있다. 내측 튜브의 회전 구성에 따라 휨 강성이 결정되고, k의 경향성은 조직 상호작용, 니들 형상 및 재료 특성을 결합한 에너지 기반 모델 공식으로부터 유도될 수 있다. Referring to FIG. 7B , if the rigidity of the
도 7b에 도시된 바와 같이, 니들을 인간 조직 모형(730)에 삽입할 때 니들(720)의 내측 튜브 회전 각도 θR가 0°에서 90°로 증가할수록 강성이 증가하며 y 방향으로 베벨 팁이 덜 휜 형태로 삽입되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 인간 조직에 니들을 삽입할 때 내측 튜브의 회전 각도를 변형시키거나, 다른 실시 예에 따라 외측 튜브의 회전 각도를 함께 적절히 변형 시키면 팁의 휘는 정도(변형 정도)를 제어할 수 있고, 이를 통해 원하는 조직에 니들 팁을 위치시킬 수 있다.7B, when the needle is inserted into the
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 yz 평면에서 내측 튜브의 회전 각도에 따른 니들 궤적과 실험 결과의 표준편차 막대를 도시한다. Figure 8 shows the needle trajectory according to the rotation angle of the inner tube in the yz plane according to an embodiment of the present invention and the standard deviation bar of the experimental results.
도 8을 참조하면, 상술한 바이시클 비홀로노믹 모델로부터의 예측되는 니들 궤적과 내측 튜브의 회전 각도 θR를 a) 0°, b) 30°, c) 60° 및 d) 90°로 변화시킬 때 실험적 결과의 표준 편자 막대가 도시된다. Referring to FIG. 8 , the needle trajectory predicted from the above-described bicycle non-holonomic model and the rotation angle θ R of the inner tube are changed to a) 0°, b) 30°, c) 60° and d) 90°. When the standard horseshoe bars of the experimental results are shown.
도 8에 도시된 바와 같이, 내측 튜브의 회전 각도 θR를 달리하여 니들을 인간 조직 모형(730)에 삽입할 때 실제 측정되는 니들 궤적이 본 발명에서 제안하는 모델에 따라 얻어지는 궤적과 비교적 적은 표준 편차를 갖는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 조향가능한 니들의 회전 구성을 제어하여 니들 강성을 제어하고, 이를 통해 니들 궤적이 제어될 수 있다. As shown in FIG. 8 , when the needle is inserted into the human tissue model 730 by changing the rotation angle θ R of the inner tube, the needle trajectory actually measured is the trajectory obtained according to the model proposed in the present invention and relatively small standard It can be seen that there is a deviation. Thus, by controlling the rotational configuration of the steerable needle to control the needle stiffness, the needle trajectory can be controlled.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 니들의 강성과 니들의 궤적 곡률과의 관계 및 회전 각도와 니들의 궤적 곡률과의 관계 그래프를 각각 도시한다.9A and 9B show graphs of the relationship between the stiffness of the needle and the curvature of the trajectory of the needle and the relationship between the rotation angle and the curvature of the trajectory of the needle, respectively, according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시 예에 따라 두 개의 원형 튜브로 구성된 조향가능한 니들의 강성은 내측 및 외측 튜브의 크기, 튜브의 물질 및 내측 튜브의 패턴이 이루는 각도의 요소에 의해 결정되는 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the stiffness of the steerable needle composed of two circular tubes is determined by the factors of the size of the inner and outer tubes, the material of the tube, and the angle formed by the pattern of the inner tube, and can be expressed together.
여기서, Eo와 Ei는 각각 외측 튜브 및 내측 튜브의 탄성 계수를 의미하고, Do 및 Di는 각각 외측 튜브의 외측 및 내측 지름을 의미하며, do 및 di는 각각 내측 튜브의 외측 및 내측 지름을 의미한다. 또한, θh는 내측 튜브 패턴의 중심 각도이며, θ1은 내측 튜브의 회전 구성에 의해 결정되는 회전 각도이다. 이 때, 외측 튜브는 니티놀(E = 51.3GPa)으로 제작되어 외측 지름 2.0mm와 내측 지름 1.8mm로 구성될 수 있고, 내측 튜브는 스테인리스강(E = 188GPa)로 제작되어 외측 지름 1.65mm와 내측 지름 1.35mm로 구성될 수 있다. Here, E o and E i is the outside of the respective outer tubes and means the elastic modulus of the inner tube, D o and D i stands for the inner and outer diameter of each of the outer tube and, d o and d i respectively inner tube and inner diameter. Also, θ h is the central angle of the inner tube pattern, and θ 1 is the rotation angle determined by the rotation configuration of the inner tube. At this time, the outer tube is made of nitinol (E = 51.3GPa) and has an outer diameter of 2.0mm and an inner diameter of 1.8mm, and the inner tube is made of stainless steel (E = 188GPa) and has an outer diameter of 1.65mm and an inner diameter It can be configured with a diameter of 1.35 mm.
도 9a를 참조하면, 상술한 바와 같이 내측 튜브의 회전 각도를 0°, 30°, 60° 및 90°로 변화시키면서 인체 조직 모형(730)에 삽입한 <표 2>와 같은 결과에서 선형적으로 피팅한 궤적 곡률과 가성의 관계식은 <수학식 8>과 같이 얻을 수 있다. Referring to FIG. 9A , as described above, while changing the rotation angle of the inner tube to 0°, 30°, 60° and 90°, the results shown in <Table 2> inserted into the
여기서, 강성은 다음과 같이 내측 튜브의 회전 각도(θi)에 대한 <수학식 9>로 나타낼 수 있다. Here, the stiffness can be expressed by <Equation 9> for the rotation angle θ i of the inner tube as follows.
이에 따라, 궤적 곡률(k)은 내측 튜브의 회전 각도(θi)의 함수로서 <수학식 10>과 같이 나타낼 수 있다. Accordingly, the trajectory curvature k can be expressed as <
결과적으로, 궤적 곡률(k)은 내측 튜브의 회전 각도(θi)와의 관계는 도 9b와 같이 도시될 수 있고, 내측 튜브의 회전 구성은 니들의 궤적을 결정하는 것을 확인할 수 있다. 내측 튜브의 회전 각도(θi)는 -θi와 θi+π와 동일한 회전 구성을 가지므로, θi ∈ [0°, 90°] 범위에서만 관계를 파악하면 충분하다는 것을 알 수 있다. As a result, the relationship between the trajectory curvature k and the rotation angle θ i of the inner tube can be shown as in FIG. 9B , and it can be confirmed that the rotational configuration of the inner tube determines the trajectory of the needle. Since the rotation angle (θ i ) of the inner tube has the same rotation configuration as -θ i and θ i +π , it can be seen that it is sufficient to understand the relationship only in the range θ i ∈ [0°, 90°].
이와 같이, 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태로 구성된 니들의 강성의 변화에 따른 니들 궤적의 곡률의 관계를 도출할 수 있다. 여기에서는 두 개의 원형 튜브가 겹쳐진 경우를 예로 들어 니들의 강성과 궤적의 곡률 관계를 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태로 강성의 스케일러블한 제어가 가능한 경우에도 강성 제어를 통한 경로 제어가 적용될 수 있다. 특히, 도 10에 도시된 바와 같이, 시점(10)에서 종점(11)까지 니들(720)이 장애물(20)을 피해 이동하도록 강성 조절을 통해 경로를 제어할 수 있다. In this way, it is possible to derive the relationship between the curvature of the needle trajectory according to the change in the stiffness of the needle composed of a plurality of tubes overlapped. Here, the relationship between the stiffness of the needle and the curvature of the trajectory has been described by taking the case where two circular tubes are overlapped as an example, but the present invention is not limited thereto. Through-path control can be applied. In particular, as shown in FIG. 10 , the path can be controlled by adjusting the stiffness so that the
이와 같이, 본 명세서에서 제안하는 방식은 전기나 열에 의해 강성을 변화시키는 방법에 비해 응답 속도가 훨씬 빠르며 신속하고 간단하게 니들의 강성 변화를 제어할 수 있으며, 이를 통한 니들의 궤적 제어를 통해 목표에 이르는 정확도를 높이고 최소침습수술 등에 특히 유용하게 활용될 수 있다.As such, the method proposed in this specification has a much faster response speed than the method of changing the stiffness by electricity or heat, and can quickly and simply control the change in the stiffness of the needle. It can be particularly useful for improving the accuracy of the procedure and for minimally invasive surgery.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.In the specific embodiments described above, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented. However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.
Claims (14)
외측 튜브 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하는 니들; 및
상기 니들의 움직임을 제어하는 니들 제어 장치를 포함하고,
상기 니들 제어 장치는 상기 니들의 회전 이동을 제어하여 상기 니들의 강성을 변화시키고,
상기 니들의 강성의 변화에 따라 상기 니들이 조직에 삽입될 때 궤적의 곡률이 제어되는, 니들 제어 시스템.A needle control system having a variable stiffness structure, comprising:
a needle including an outer tube and an inner tube inserted into the inner side of the outer tube; and
Including a needle control device for controlling the movement of the needle,
The needle control device controls the rotational movement of the needle to change the stiffness of the needle,
A needle control system, wherein the curvature of the trajectory is controlled when the needle is inserted into the tissue according to a change in the stiffness of the needle.
상기 니들의 강성이 감소할수록 상기 궤적의 곡률이 증가하는 관계인, 니들 제어 시스템.According to claim 1,
The relationship in which the curvature of the trajectory increases as the stiffness of the needle decreases, a needle control system.
상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하는, 니들 제어 시스템.According to claim 1,
At least one of the outer tube and the inner tube comprises a plurality of regions having different stiffnesses.
상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 패턴이 형성되어 강성이 감소된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역을 포함하는, 니들 제어 시스템.According to claim 1,
At least one of the outer tube and the inner tube comprises a patterned region with reduced stiffness and an unpatterned region.
상기 외측 튜브는 니티놀 재질로 제작되고,
상기 내측 튜브는 스테인레스강 재질로 제작되고,
상기 내측 튜브에만 비등방성 패턴을 포함하는, 니들 제어 시스템.According to claim 1,
The outer tube is made of nitinol material,
The inner tube is made of a stainless steel material,
and an anisotropic pattern only on the inner tube.
상기 니들 제어 장치는 상기 내측 튜브의 회전 각도를 변화시켜 상기 니들의 강성을 제어하고,
상기 내측 튜브의 회전 각도가 0°에서 90°로 커질수록 상기 니들의 휨 방향에서 상기 궤적의 곡률은 감소하는, 니들 제어 시스템.6. The method of claim 5,
The needle control device controls the stiffness of the needle by changing the rotation angle of the inner tube,
As the rotation angle of the inner tube increases from 0° to 90°, the curvature of the trajectory in the bending direction of the needle decreases, a needle control system.
상기 니들 제어 장치는 바이시클 비홀로노믹 모델(bicycle nonholonomic model)을 이용하여 상기 강성의 변화에 따른 상기 궤적을 산출하는, 니들 제어 시스템.According to claim 1,
The needle control device for calculating the trajectory according to the change in stiffness using a bicycle nonholonomic model (bicycle nonholonomic model), a needle control system.
니들에 연결되는 니들 제어 장치에 의해 상기 니들을 회전 이동 시켜 상기 니들의 강성을 변화시키는 단계; 및
상기 니들의 강성의 변화에 따라 상기 니들이 조직에 삽입될 때 궤적의 곡률이 제어되는 단계를 포함하고,
상기 니들은 외측 튜브 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하는, 니들 제어 방법.A method for controlling a needle having a variable stiffness structure, the method comprising:
changing the stiffness of the needle by rotating the needle by a needle control device connected to the needle; and
Comprising the step of controlling the curvature of the trajectory when the needle is inserted into the tissue according to the change in the stiffness of the needle,
The needle includes an outer tube and an inner tube inserted into the inner side of the outer tube, needle control method.
상기 니들의 강성이 감소할수록 상기 궤적의 곡률이 증가하는 관계인, 니들 제어 방법.9. The method of claim 8,
The relationship in which the curvature of the trajectory increases as the stiffness of the needle decreases, the needle control method.
상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하는, 니들 제어 방법.9. The method of claim 8,
At least one of the outer tube and the inner tube comprises a plurality of regions having different stiffnesses, needle control method.
상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 중 하나 이상은 패턴이 형성되어 강성이 감소된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역을 포함하는, 니들 제어 방법.9. The method of claim 8,
At least one of the outer tube and the inner tube includes a patterned region with reduced rigidity and a non-patterned region.
상기 외측 튜브는 니티놀 재질로 제작되고,
상기 내측 튜브는 스테인레스강 재질로 제작되고,
상기 내측 튜브에만 비등방성 패턴을 포함하는, 니들 제어 방법.9. The method of claim 8,
The outer tube is made of nitinol material,
The inner tube is made of a stainless steel material,
A needle control method comprising an anisotropic pattern only on the inner tube.
상기 니들을 회전 이동 시켜 상기 니들의 강성을 변화시키는 단계는,
상기 내측 튜브의 회전 각도를 변화시켜 상기 니들의 강성을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 내측 튜브의 회전 각도가 0°에서 90°로 커질수록 상기 니들의 휨 방향에서 상기 궤적의 곡률은 감소하는, 니들 제어 방법. 13. The method of claim 12,
The step of changing the stiffness of the needle by rotating the needle,
Controlling the stiffness of the needle by changing the rotation angle of the inner tube,
As the rotation angle of the inner tube increases from 0° to 90°, the curvature of the trajectory in the bending direction of the needle decreases, a needle control method.
바이시클 비홀로노믹 모델을 이용하여 상기 강성의 변화에 따른 상기 궤적을 산출하는 단계를 더 포함하는, 니들 제어 방법.9. The method of claim 8,
Further comprising the step of calculating the trajectory according to the change in the stiffness using a bicycle non-holonomic model, needle control method.
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