치과용 임플란트 시술 보조로봇의 구조해석 및 제어에 관한 연구

Abstract

임플란트 시술의 성공률을 높이기 위해서는 의료진의 전문성과 경험, 의료기관의 협력시스템이 중요시 된다. 그러나 정확한 시술계획에도 불구하고 시술자의 손 떨림이나 턱뼈의 경도에 의해 계획한 크기의 구멍을 뚫기 어려워 정밀한 시술이 이루어지지 않고 있다. 더욱 안정된 수술을 위해서는 시술계획단계에서부터 적용 할 수 있는 임플란트 수술 로봇의 활용이 요구된다. 치과 의료용 임플란트 수술 보조 로봇 ARDIS(Assistant Robot for Dental Implant Surgery)는 시술할 때 치과의사를 보조하는 반자동로봇을 이용하여 임플란트 식립 위치까지 드릴을 위치시키고 각도와 깊이를 조절하는 RCM(Remote Center of Motion) 매니풀레이터이다. ARDIS 드릴 방법은 CT(Computerized Tomography)로 찍은 영상에 시술계획을 세우고 수술가이드 제작의 번거로움을 생략하고 입력한 위치, 각도로 기구부를 움직인 후 필요한 깊이만큼 드릴작업 하는 것이다. 본 연구에서는 개발된 치과 의료용 임플란트 수술 보조 로봇의 기구학적 해석과 진동해석을 하여 구조적 결함을 확인 하였다. 그리고 우골을 드릴링하여 구멍의 오차와 각도 편차를 확인하였고, 기구부의 정확한 드릴링을 위한 모터제어를 연구하였다. 핸드피스의 각운동 변위를 증가시키기 위해 구조를 변경하고 운동반경의 간섭 부분을 최소화 하였다. 임플란트 식립시 10mm 이상의 깊이로 보철물이 삽입 되지 않으면 문제가 일어 날 수 있으므로 Solidworks를 이용하여 드릴링 깊이 15mm에 맞추어 기구부의 각 링크의 수치 및 각도를 결정하고 모델링하였다. 가상 중심 기구부가 구조적으로 결함이 있는지 판단하기 위해서 ANSYS를 이용해 구조해석과 진동해석을 하였다. 임플란트 시술 환경과 비슷한 초기 조건을 부여하고 가상중심 기구부의 응력 분포 및 변형률을 측정한 결과 변형은 0.4mm이하로 발생했고, 변형률은 2.8258e-004mm/mm로 매우 작음을 확인하였다. ARDIS로 드릴링시 홀의 오차와 각도 편차를 확인하기 위해 우골에 드릴링을 하고 micro-CT로 홀의 크기를 측정하였다. 홀의 상부의 지름에서 하부의 지름을 비교하여 홀이 끝까지 같은 지름으로 뚫리는지 확인하였다. 모델링된 RCM 매니풀레이터를 제작하고 구동프로그램을 개발하였다. 스마트폰의 센서를 이용하여 입력신호에 따른 핸드피스 각도 변화를 측정하였고, 제작된 기구부를 직접 구동하여 잇몸모형에 구멍을 뚫어봄으로써 가상중심 기구부의 설계 타당성을 검증하였다.|The professionalism and the experience of medical teams and the cooperation system of the medical period are important to increase the success rate of the implant operation. In spite of the precise surgical operation plan, however, it is difficult to drill a hole of the size planned due to the hardness of jawbone or the shake of operators. For the more stabilized operation, it is better to use robots for the implant operation which can be applied even in the surgical operation planning stage. ARDIS(Assistant Robot for Dental Implant Surgery) is a dental implant surgical assistant robot. It is an RCM(Remote Center of Motion) manipulator. It locates a drill to implant sites and adjusts the angle and the depth by using the semi-automatic robot which assists dentists during operations. Dentists scheme plans for the dental operations on the CT(Computerized Tomography) image. By using ARDIS, they can skip a cumbersome operation guide production stage and directly work on drilling for the right depth in accordance with the location and angle data they inserted. In this research, Structural defects have been discovered in ARDIS by analyzing its mechanics and vibration. Errors also have been discovered errors in holes and angles by drilling oxbones. In order to have an accurate drilling on the mechanism part, we have moderated the motor control. ANSYS with the structural analysis and vibration analysis has been used to check whether there are structural defects in the virtual center mechanism part. Initial conditions were created similar to the implant operation and measured the deformation rate and the distribution of stresses in the virtual center mechanism part. As a result, deformation was less than 0.4mm, and the deformation rate was very small :2.8258e-004mm/mm. Oxbones were drilled and micro-CT were used to measure the size of the holes in order to check the errors in holes and angles from ARDIS. Consistency in the size of a hole were checked by comparing between the upper diameters with the lower ones. The motor's drilling speed were controlled to reduce the stimulus to the bones around the implant sites. Current sensor were used to measure the electric current generated by the motor and controlled it to the level that was needed for the optimal motor’s drilling speed for the implant operation.