Variable Stiffness Mechanism using Anisotropic Patterning for Needle Steering

Abstract

Robot-assisted surgeries enabled more accurate operations and less unreachable areas than conventional methods by human surgeons. Especially, from the advent of da Vinci robots, minimally invasive surgery (MIS) is becoming more popular as it has many advantages compared to traditional open surgery, such as smaller incision and faster recovery time. In MIS, continuum robots are widely used thanks to their scalability and compactness. However, the smaller the space, the more difficult it is to control the motion of the continuum robots due to smaller moment arm and the lack of adequate micro-actuators. Variable stiffness can be utilized to provide motion control for the continuum robots under interactions with nearby tissues in anatomically confined space.

I proposed a continuously variable stiffness mechanism for scalable continuum robots. The mechanism consists of multiple coaxial nitinol or stainless steel tubes, and each tube has an anisotropic distribution of flexural stiffness created by non-uniform through–hole patterning. The stiffness of the mechanism is varied by relative rotation and translation among the tubes, resulting in flexural stiffness difference up to 7.2 times or more in the direction of load. Its flexural stiffnesses along principal axes are independently controlled by the suggested counter rotation algorithm. The stiffness change is validated through analytical modeling, FEM simulation, and the experiments. Thanks to its physically embodied intelligence, the mechanism has a simple scalable structure and the response time is immediate. Additionally, the optimization and the parametric study for the patterns are studied to design the degree and the range of variable stiffness. Also, the bending and twist buckling conditions were analyzed. The pattern is able to be customized according to required stiffness while satisfying the constraints to avoid buckling.

I applied this variable stiffness mechanism to control the stiffness of the steerable needle. Varying the stiffness grants the additional degree of freedom to control needles trajectory. The kinematic bi-cycle nonholonomic model was built to determine the curvature of the needle's trajectory according to the needles rotational configuration. Finally, the stiffness-controlled steerable needle increases safety while limiting the needles insertion and rotation speed, and reduces unreachable area as well as invasiveness compared to current steerable needles. Additionally, the mechanism has hollow space that can provide a conduit through which to deliver a wide variety of therapies, e.g. drugs, radioactive seeds, and thermal ablation. The proposed needle can be applied for prostate brachytheraphy and liver/lung tumor ablation and is expected to be used in various continuum needlescopic surgical instruments.

로봇 수술은 보다 정밀한 제어가 가능하며 도달 할 수 없는 영역을 줄일 수 있다. 특히 da Vinci 로봇의 도입 이후로 로봇을 활용한 최소침습수술은 보다 작은 절개를 활용함으로 전통적인 개방 수술에 비해 회복시간이 짧고 감염 위험이 적어 점점 널리 사용되고 있다. 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. 이처럼 공간이 제한되고 인접 조직과의 상호 작용이 있는 인체내부의 환경에서는 연속체 로봇의 강성을 조절함으로서 연속체 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.

본 논문에서는 연속체 로봇을 위한 연속적인 가변 강성 메커니즘을 제안한다. 메커니즘은 여러 개의 동축으로 조립된 니티놀 또는 스테인리스강으로 이루어진 튜브들로 구성되며, 각 튜브는 비등방성 패터닝으로 생성된 굽힘강성의 비등방성 분포를 가지고 있다. 메커니즘의 강성은 튜브의 상대적 병렬 및 회전운동에 따라 달라지며, 하중 방향으로 최대 7.2 배 및 그 이상의 굴곡 강성 차이가 가능하다. 주축들에 대한 굴곡 강성들은 각각 독립적으로 제어 가능하며, 강성 변화는 해석 모델링, FEM 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증 되었다. Physically embodied intelligence를 적용하여 메커니즘은 소형화 하기 쉽고, 모터로 회전을 제어하므로 즉각적인 응답시간을 갖는다.

위상최적화 방법을 통하여 가변강성 비율을 최대로 갖는 패턴의 형상 최적화를 연구하였으며, 가변강성의 정도와 범위에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 또한, 구부림 및 비틀림 좌굴 조건을 분석하여 좌굴을 방지하기 위한 패턴 디자인을 설계 가능하다.

본 가변강성 메커니즘을 스티어링 바늘에 적용하여, 강성을 변화 시키면서 바늘의 궤적을 제어 할 수 있도록 만들었다. 바늘의 강성 변화는 기존의 제어 변수인 삽입 및 회전 속도 외로 추가적인 자유도를 부여한다. 강성 변화에 따른 궤적의 곡률변화에 대해서 bi-cycle nonholonomic 운동학적 모델을 세워 장애물 회피를 위한 실험에 적용하였다. 강성 변화가 가능한 스티어링 바늘은 바늘의 삽입 및 회전 속도를 낮게 유지하면서 궤적의 곡률 변화가 가능하여 안전성이 높으며 현존의 스티어링 바늘들과 비교하여 도달 할 수없는 영역이 줄어들었고 침습성이 감소 되었다. 또한, 튜브의 형태로서 빈 공간을 통하여 약물, 방사성 seeds 및 ablation 기구 등을 활용 가능하다. 특히 전립선 brachytheraphy 또는 간 및 폐에 위치한 종양 조직 제거에 활용할 수 있다. 더불어, 본 메커니즘은 다양한 연속체 로봇에 적용되어 최소침습수술 로봇을 비롯한 미세한 로봇들에 활용될 수 있으리라 예상한다.