In Situ Measurement of Tip Force for Tendon-driven Active Needle

Abstract

Robot-assisted needle steering technology, introduced 20 years ago with passively steerable needles using asymmetric bevel tips, has evolved into needles with various controllable tip joints and sensors. Designs were developed using structural mechanics models for clinical applications. While many studies analyzed passively steerable needles under dynamic conditions, active needles were mainly studied under static conditions, leaving a gap in situ analysis resembling clinical scenarios. This study developed an integrated system for real-time, in situ measurement of needle-tissue interaction forces, considering tendon force differences. Three insertion and tip steering tests were conducted. Results showed a 1.4 times difference in motor encoder values during straight insertion with tip steering, highlighting the importance of insertion speed (1-10 mm/sec) in needle control. Tension variations (0.5-1N) in different tendon positions demonstrated the potential for detecting in situ tip-tissue interaction forces. Buckling effects of the bending joint and tip-tissue interaction forces were quantitatively evaluated. The system incorporates various sensors (EM sensor, force/torque sensor, two FBG optical fibers, rotary motor encoder) and actuators (two rotary motors, step motor) synchronized at 10 Hz. Key findings include: 1. Tip Force and Tip Motion Relationship: Significant tip forces are required even for small motions, with a 1N difference due to tendon friction. 2. Tip Force Variations in Soft Tissue: Tip force variation increases with tissue stiffness. 3. Tip Angle and Motor Kinematics: Tip angle control cannot rely solely on motor kinematics. Further research using this system is needed to explore needle dynamics within tissues and optimize active needle control and behavior in various tissue environments.;로봇 보조 바늘 조종 기술은 20년 전에 처음 도입되어 비대칭 비벨 팁을 사용하는 수동 조종 바늘로 시작되었다. 이후 다양한 조절 가능한 팁 관절을 갖춘 바늘로 발전하였으며, 일부 바늘에는 센서도 탑재되었다. 각 바늘의 설계는 구조 역학에 기반한 기계 모델을 확립한 후 임상 실습에 사용될 수 있는 응용 프로그램을 구현하도록 개발되었다. 많은 이전 연구에서는 수동 조종 바늘의 구조 역학을 분석하여 제어 모델, 조직 특성화 모델, 경로 계획 등의 응용 프로그램을 제안했다. 한편, 다양한 팁 관절 및 작동 방식을 갖춘 능동 바늘 설계도 제안되었다. 수동 바늘의 역학은 동적 조건에서 연구되었지만, 능동 바늘은 주로 정적 조건에서 분석되어 바늘 모양에 초점을 맞추었다. 임상 시나리오와 유사한 동적 상황에서 능동 바늘 분석이 부족하다. 본 연구에서는 텐던 힘의 차이를 포함한 바늘-조직 상호작용 힘을 현장에서 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 통합된 바늘 센싱 및 작동 시스템을 개발했다. 이 시스템을 사용하여 세 가지 삽입 및 팁 조종 테스트를 수행했다. 첫 번째 테스트에서는 직선 삽입 중 팁 조종 시 동일한 직선 바늘 형태에도 불구하고 모터 엔코더 값에 약 1.4배의 차이가 있었다. 두 번째 테스트 결과는 1-10 mm/sec의 저속 삽입 속도에서도 삽입 속도가 바늘 제어에 중요한 요소임을 나타냈다. 마지막으로, 테스트 1과 3에서 센서화된 텐던 위치에 따라 0.5-1N 범위의 긴장 변화를 비교하여 현장에서 측정된 팁-조직 상호작용 힘을 감지할 가능성을 입증했다. 굽힘 관절의 좌굴 효과와 팁-조직 상호작용 힘을 정량적으로 평가하여 실험 결과를 분석했다. 본 연구에서는 팁 힘을 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 개발하여, 로드 셀을 활용하여 바늘의 전체 상태를 이해할 수 있게 했다. 이 시스템은 다양한 센서를 하나의 통합된 장치로 통합하고, 측정된 데이터를 동기화했다. 사용된 센서는 EM 센서, 힘/토크 센서, 두 개의 FBG 광섬유, 회전 모터 엔코더이다. 작동 시스템은 두 개의 회전 모터와 바늘 삽입을 위한 스텝 모터로 구성되어 있다. 모든 장치는 시간 동기화되어 10Hz의 안정적인 샘플링 주파수를 보장한다. 향후 샘플링 속도를 더 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 수정된 팁 힘 측정 시스템을 통해 다음과 같은 주요 발견을 했다. 1. 팁 힘과 팁 모션의 관계: 능동 바늘은 작은 팁 모션을 위해서도 큰 팁 힘을 견뎌야 하며, 힘줄 마찰로 인해 팁과 베이스 간에 1N의 차이가 발생한다. 2. 연조직에서의 팁 힘 변화: 연한 젤라틴 조직에서도 조직의 기계적 특성이 커질수록 팁 힘 변동이 크게 증가한다. 3. 팁 각도와 모터 운동학: 팁 각도는 모터 운동학만으로는 결정할 수 없으며, 힘줄 구동 길이만으로 팁 각도 제어가 어렵다. 이러한 발견에서 도출된 결론은 이 시스템을 기반으로 한 추가 연구가 필요하다는 것이다. 우리가 개발한 시스템은 바늘 팁이 조직 내부에서 움직일 때의 동역학을 깊이 탐구할 수 있게 해준다. 향후 연구는 이 시스템을 활용하여 다양한 조직 환경에서 능동 바늘의 제어 및 동작을 최적화하기 위한 종합적인 조사를 수행하는 데 중점을 두어야 한다.