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논문 공부

Handheld 타입의 초음파 영상 획득을 위한 디바이스의 1-DOF 기계 시스템 모델링

오늘은 "Handheld 타입의 초음파 영상 획득을 위한 디바이스의 1-DOF 기계 시스템 모델링"을 진행해보도록 하겠습니다.

오늘 참조할 논문은 2015년도에 억셉된 "IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS"의 "Force and Position Control System
for Freehand Ultrasound"라는 논문입니다. https://ieeexplore.ieee.org/document/7123185

 

Force and Position Control System for Freehand Ultrasound

A hand-held force-controlled ultrasound probe has been developed for medical imaging applications. The probe-patient contact force can be held constant to improve image stability, swept through a range, or cycled. The mechanical portion of the device consi

ieeexplore.ieee.org

보통 초음파를 통해서 환자들의 몸 상태를 체크를 하게 되는데 이 때, 초음파를 통해 영상을 획득할 때, 접촉 형태의 초음파 기기로 이미지를 획득하게 됩니다. 이 때 키 포인트는 접촉입니다.

 

접촉을 얼마나 잘 해야 즉, 얼마 만큼의 크기로 눌러야 이미지가 잘 보일까? 이게 핵심입니다. 아무리 의사나 간호사분이 잘 눌러도 지속적으로 힘을 일정하게 누르는데는 한계가 있기 마련입니다.

 

그래서 MIT에서 연구한 아래와 같은 의료 기기가 논문을 통해 알려지게 됩니다.

보면은 서보모터에 연결된 타이밍 벨트로 토크를 전달하고 이 토크는 스크류를 통해서 힘으로 변환이 되어 직선 운동을 할 수 있는 1-DOF 짜리의 시스템이 만들어집니다. 이 때, 접촉력을 알아내기 위해서 Load cell을 말단 장치에 부착되어 있는 모습을 볼 수 있습니다. 그리고 말단 장치에는 Ultrasound라고 하는 초음파 영상 획득 장치가 붙어있습니다.

 

저자의 유튜브를 보면 아래와 같이 힘 제어를 했을 때 훨씬 영상 정보를 잘 획득하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=VGC1yLYJmsg 

 

이 논문 전체를 리뷰하는 것은 무리가 있고 이 포스팅에서는 "사람-로봇-환경" 사이의 기계 시스템을 어떻게 모델링을 했는지에 대해서 초점을 맞추겠습니다.

 

제일 왼 쪽에 있는 figure가 논문에 있는 figure입니다. 논문에서는 색깔 칠한 부분을 중심으로 모델링을 하고 있습니다. 구분할 때 쉽게 하기 위해서 figure에 색깔을 칠해보겠습니다.

 

동역학이라는 과목에서 시스템을 모델링할 때를 상기해봅시다.

기본적으로 기계 시스템들은 m,c,k를 대입해서 간단하게 모델링을 하면 됩니다. 그러면 제일 오른쪽 그림처럼 free body diagram을 만들어낼 수 있습니다.

 

모델링을 보면 흥미로운 부분이 크게 세 가지입니다.

 

1. 핸드와 로봇 사이에 관계

2. 로봇과 티슈 사이의 관계

3. 티슈와 뼈 사이의 관계

 

이 세 가지 관계를 모두 동일하게 m,c,k 모델링을 통해서 진행하였습니다.

 

보통 soft tissue를 모델링을 할 때는 아래와 같은 식들을 사용할 수 있습니다.

이 논문에서는 각각의 stiffness k와 damping b를 실험적으로 구해서 상수 값으로 결정했습니다.

 

 

 

그래서 다시 모델링 부분으로 돌아오면 

 

다음과 같이 모델링(1~6)을 진행할 수 있습니다.

 

 

전자쟁이에게 모델링이란 참.. 꿈의 영역...

잘하고 싶다..

모델링하면서 도움 준 은찬이형과 건범이형에게 감사함을 표합니다 핳..