정형외과 수술로봇의 제어기법 개발

Abstract

최근 로봇을 이용한 수술 및 컴퓨터를 응용한 수술이 수술의 결과를 향상시키기 위해 시도되고 있다. 인공관절전치환술은 정형외과 분야에서 로봇이 가장 활발하게 활용되고 있는 분야중의 하나이다. 정형외과 수술로봇의 주된 작업은 밀링커터를 이용한 뼈의 절삭이며 이 과정은 뼈의 온도를 상승시켜 뼈의 열손상을 유발할 수 있다. 뼈의 절삭과정 중 최대온도는 뼈와 공구의 접촉 점에서 발생하며 측정하기가 어려운 값이다. 열손상 이외에도 수술시간의 단축이 중요하다. 긴 수술시간은 환자의 혈액손실이나 회복지연과 같은 부작용을 초래한다. 이 연구에서는 정형외과 수술로봇의 작업 중 절삭력과 열손상을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 뼈 절삭의 조건, 절삭력 및 뼈의 온도를 예측하는 모델은 더 효과적이고 지능적인 시스템을 구축하는데 사용될 수 있다. 직교절삭모델을 확장하여 작업 중 절삭력을 예측할 수 있는 모델이 제시되었다. 또한 에너지 평형기법과 이동열원이론을 사용하여 뼈의 온도분포를 예측하는 모델이 제안되었다. 제안된 모델을 이용하여 수술시간 및 열손상을 감소시키기 위한 퍼지제어기가 제안되었다. 힘과 이송속도 귀환제어를 사용하여 제안된 퍼지 제어기는 절삭조건의 변화에 따라 최적의 이송속도와 절삭깊이를 조절하도록 고안되었다. 제안된 시스템을 소 뼈를 사용하여 검증하였으며 작업시간의 단축과 열손상의 감소를 확인할 수 있었다.