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생체조직의 원격촉진시스템을 위한 연속체역학 기반의 환경 모델링
Continuum Mechanics-Based Environment Modeling for Telemanipulation of Soft Tissues in a Telepalpation System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.11 = no.314, 2011년, pp.1199 - 1204  

김정식 (카이스트 기계항공시스템공학부 기계공학과) ,  김정 (카이스트 기계항공시스템공학부 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 원격촉진 시스템을 위한 양방향 원격조작 제어 전략개발의 일환으로, 작업환경의 실시간 파라미터 추정기법을 제안한다. 명시적 환경모델과 파라미터 추정은 원격제어에 있어 투명성의 개선과 작업환경의 경도정보를 제공할 수 있다. 본 연구는 기존의 환경모델이 갖는 문제점들을 개선하고 빠르고 안정된 알고리즘을 개발하기 위해, 연속체 역학 기반의 유한요소 모델과 확장 칼만필터를 이용한 추정 알고리즘을 포함하는 원격제어 기법을 제안한다. 이를 통해 사용자는 실시간으로 구현되는 환경 모델과 상호작용하며, 조작성의 향상 과 진단 및 분석을 위한 재료의 고유한 물성정보를 획득할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The capability to bilaterally telemanipulate soft-tissues for medical applications could increase the quality of telemanipulation systems. Since most soft-tissue manipulation tasks include constrained motion interacting with an unknown and dynamic bioenvironment through contact, bilateral telemanipu...

주제어

#원격조작   #환경모델   #실시간 추정   #생체조직   #원격촉진  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 양방향 원격조작간에 작업환경의 물리적 파라미터의 실시간 추정 방법을 제안한다. 일반적인 원격조작시스템은 작업환경의 명시적(explicit) 모델을 이용하지 않으나, 정확한 환경 모델과 실시간 물성추정으로부터 원격조작 제어성능 향상 및 연조직의 기계적 물성치(mechanical property)와 같은 정량적인 정보를 제공할 수 있다.
  • 본 연구에서는 원격촉진시스템을 위한 양방향 원격제어에 있어, 작업환경의 기계적 물성치의 실시간 추정기법을 제안하였다. 제안하는 작업환경에 대한 모델과 파라미터 추정 방법을 통해 사용자는 양방향 원격조작에 있어 조작 편의성과 정확성의 향상 및 의료진단을 위한 객관적인 정보를 얻을 수 있다.
  • 이는 구현이 용이하고 계산이 빠른 장점이 있으나, 1 차원 점 접촉(point contact)모델을 사용하였기 때문에 일반적인 물체의 형상을 고려한 3 차원 접촉 문제로의 확장이 어려우며, 추정된 모델 파라미터는 크기성질(extensive property)로서 고유한 재료의 물성치를 반영하기 어려운 한계점들이 있다. 본 연구에서는 유한요소법(finite element method, FEM)을 이용한 연속체 역학(continuum mechanics) 기반의 환경 모델을 도입하고 확장 칼만 필터(extended Kalman filter)를 통한 물성추정방법을 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
의료진단 전략에서의 촉진이란? 촉진(palpation)은 손의 촉감/역감을 통해 조직의 크기 및 경도(stiffness)를 검진하는 의료진단 전략으로서 정상조직내의 비정상 조직을 검출하거나, 뼈나 특정조직의 위치를 찾기 위해 사용되는 방법이다. 일반적으로 종양 등의 비정상 조직은 주변의 정상조직과 다른 경도를 가지는 것으로 보고되고 있으며,(1) 검진자는 촉진을 통해 그 차이를 감지하여 병리를 진단한다.
촉진을 통해 그 차이를 감지하여 병리를 진단하는 것의 예시로 직장수지검사는 무엇인가? 일반적으로 종양 등의 비정상 조직은 주변의 정상조직과 다른 경도를 가지는 것으로 보고되고 있으며,(1) 검진자는 촉진을 통해 그 차이를 감지하여 병리를 진단한다. 예로, 직장수지검사(digital rectal examination, DRE)는 전립선암을 진단 하기 위해 널리 사용되는 방법으로서 의사의 손가락을 환자의 항문을 통해 직장으로 삽입하여 전립선을 만져 경도의 차이를 인지하여 전립선암 여부를 진단하며, 전립선암은 이러한 간단한 직장수지검사를 통한 조기진단으로 치료를 받는 경우 매우 높은 생존률을 보임이 보고되고 있다.(2) 최근에는 통신, 멀티미디어 기술 등의 발전으로 말미암아 원격지에 있는 환자의 상태를 진찰하는 원격진단(telediagnosis)시스템의 구현이 실현되고 있으며,(3) 이를 통해 거동이 불편한 노인이나 산간 오지에 있는 환자에게 원격으로 진찰을 하고 전문적인 의료 서비스를 제공할 수 있다.
종양 등의 비정상 조직은 주변의 정상조직과 다른 무엇을 가지는 것으로 보고되고 있는가? 촉진(palpation)은 손의 촉감/역감을 통해 조직의 크기 및 경도(stiffness)를 검진하는 의료진단 전략으로서 정상조직내의 비정상 조직을 검출하거나, 뼈나 특정조직의 위치를 찾기 위해 사용되는 방법이다. 일반적으로 종양 등의 비정상 조직은 주변의 정상조직과 다른 경도를 가지는 것으로 보고되고 있으며,(1) 검진자는 촉진을 통해 그 차이를 감지하여 병리를 진단한다. 예로, 직장수지검사(digital rectal examination, DRE)는 전립선암을 진단 하기 위해 널리 사용되는 방법으로서 의사의 손가락을 환자의 항문을 통해 직장으로 삽입하여 전립선을 만져 경도의 차이를 인지하여 전립선암 여부를 진단하며, 전립선암은 이러한 간단한 직장수지검사를 통한 조기진단으로 치료를 받는 경우 매우 높은 생존률을 보임이 보고되고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Manduca, A., Oliphant, T.E., Dresner, M.A., Mahowald, J.L., Kruse, S.A., Amromin, E., Felmlee, J.P., Greenleaf, J.F. and Ehman, R.L., 2001, "Magnetic Resonance Elastography: Non-Invasive Mapping of Tissue Elasticity," Medical Image Analysis, Vol. 5, pp. 237-254. 

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  2. American Cancer Society, Cancer Facts and Figures 2008, Atlanta, Ga: American Cancer Society, 2008. 

  3. Shen, Y., Methil, N.S., Pomeroy, C.A., Xi, N., Mukherjee, R., Zhu, D., Cen, Z., Yang, J., Mutka, M.W., Slomski, C.A. and Apelgren, K.N., 2006, "Supermedia Interface for Internet-based Telediagnostics of Breast Pathology," The Int. J. Robotics Research, Vol. 26, No. 11-12, pp. 1235-1250. 

  4. Srinivasan, M.A. and LaMotte, R.H., 1995, "Tactual Discrimination of Softness," J. Neurophysiology, Vol. 73, No. 1, pp. 88-101. 

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  5. Colgate, J.E., 1993, "Robust Impedance Shaping Telemanipulation," IEEE Trans. Robot. Autom., Vol. 9, No. 4, pp. 374-384. 

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  6. Gersem, G.D., Brussel, H.V. and Sloten, J.V., 2005, "Enhanced Haptic Sensitivity for Soft Tissues using Teleoperation with Shaped Impedance Reflection," World Haptic Conf., Pisa, Italy. 

  7. Yamamoto, T., Bernhardt, M., Peer, A., Buss, M. and Okamura, A.M., 2008, "Techniques for Environment Parameter Estimation During Telemanipulation," IEEE/RAS-EMBS Int. Conf. Biomed. Rob. Biomech., Scottsdale, AZ: USA, pp. 217-223. 

  8. Diolaiti, N., Melchiorri, C. and Stramigioli, S., 2005, "Contact Impedance Estimation for Robotic Systems," IEEE Trans. Robot., Vol. 21, No. 5, pp. 925-935. 

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  9. Passenberg, C., Peer, A. and Buss, M., 2010 "A Survey of Environment-, Operator-, and Taskadapted Controllers for Teleoperation Systems," Mechatronics, Vol. 20, pp. 787-801. 

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  10. Misra, S., Ramesh, K.T. and Okamura, A.M. 2008, "Modeling of Tool-Tissue Interactions for Computer- Based Surgical Simulation: A Literature Review," Presence, Vol. 17, No. 5, pp. 463-491. 

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