Development of Cable-Driven Parallel Robot for Interventional Needle Insertion Procedures = 중재적 주사 삽입 시술을 위한 케이블 구동 병렬 로봇 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Needle insertion robots have been actively studied as a means to improve the instability of manual procedures through remote and robotic control. However, significant challenges remain in avoiding collisions and mechanical interferences in C-arm–based X-ray environments. To address these issues, this study proposes a cable-driven parallel robot (CDPR)–based needle insertion system for interventional pain procedures. The proposed system was designed to operate within the limited workspace imposed by C-arm imaging systems and incorporates a virtual Remote Center of Motion (RCM) mechanism to maintain a fixed pivot point at the skin entry site during needle insertion. A cable interference avoidance strategy was implemented to enable stable end-effector motion under constrained spatial conditions. The system performance was experimentally evaluated through phantom and cadaver studies. In addition, a cable-tension–based external force estimation method was introduced to monitor resistance changes during needle insertion. Rather than directly measuring needle tip forces, the proposed approach utilizes variations in cable tension to estimate the resultant external force acting on the end- effector, enabling real-time detection of the Loss of Resistance (LOR) phenomenon associated with tissue penetration. Experimental results demonstrated that the proposed system can reliably track RCM-based insertion motions and detect LOR events without additional sensors at the needle tip. These results confirm the feasibility of the proposed CDPR-based robotic system for interventional pain procedures and highlight its potential to enhance procedural safety and intuitiveness in C-arm–guided clinical environments.

국문 초록 (Abstract)

바늘 삽입 로봇은 원격 및 로봇 제어를 통해 수동 삽입 과정에서 발생하는 불안정성을 개선할 수 있다는 점에서 다양한 플랫폼을 기반으로 연구되어 왔다. 그러나 C-arm 기반 X-ray 시술 환경에서는 충돌 및 기구적 간섭을 효과적으로 회피하는 데 여전히 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 통증 중재 시술을 위한 케이블 구동 병렬 로봇(Cable-Driven Parallel Robot, CDPR) 기반 바늘 삽입 시스템을 제안한다.
제안된 시스템은 C-arm 영상 장치로 인해 제한된 작업공간 내에서 동작할 수 있도록 설계되었으며, 바늘 삽입 시 피부 진입점을 기준으로 고정된 회전 중심을 유지하기 위해 가상 원격 회전 중심(Virtual Remote Center of Motion, RCM) 메커니즘을 적용하였다. 또한 제한된 공간 조건에서도 안정적인 엔드이펙터 구동이 가능하도록 케이블 간섭 회피 전략을 구현하였다. 시스템의 성능은 팬텀 및 카데바 실험을 통해 실험적으로 평가되었다.
더불어, 바늘 삽입 과정에서 발생하는 저항 변화를 모니터링하기 위해 케이블 장력 정보를 활용한 외력 추정 기법을 제안하였다. 본 접근법은 바늘 끝단의 힘을 직접 측정하는 대신, 케이블 장력 변화로부터 엔드이펙터에 작용하는 합력 형태의 외력을 추정함으로써 조직 관통과 관련된 Loss of Resistance (LOR) 현상을 실시간으로 감지할 수 있도록 한다. 실험 결과, 제안된 시스템은 RCM 기반 삽입 경로를 안정적으로 추종함과 동시에, 바늘 팁에 추가적인 센서 없이도 LOR 이벤트를 감지할 수 있음을 확인하였다.
이러한 결과는 본 연구에서 제안한 CDPR 기반 바늘 삽입 로봇 시스템이 통증 중재 시술에 적용 가능한 가능성을 지니며, C-arm 유도 환경에서 시술의 안전성과 직관성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가짐을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRIDUCTION 1
• A. Background 1
• B. Research goal 7
• 2. CABLE COLLISION DETECTION METHOD 10
• A. Robot motion primitives 10
• B. Collision detection method 12
• C. Simulation validation 15
• 3. RCM-CONSTRAINED NEEDLE INSERTION SYSTEM 18
• A. Robot design 18
• B. RCM and motion control 22
• 1) Virtual remote center of motion (RCM) 22
• 2) Kinematics and Wrench Force of the CDPR 24
• 3) Remote control scheme 25
• C. Control performance 27
• 1) Workspace Analysis 27
• 2) Control performance 30
• D. Experimental evaluation 35
• 1) Phantom experiments 35
• 2) Cadaver experiments 37
• 4. HARDWARE RE-DESIGN AND LOSS OF RESISTANCE EVALUATION ·· 40
• A. Procedural considerations 40
• B. System Re-design 45
• 1) Robot design 45
• 2) External force estimation 48
• C. Experimental evaluation 50
• 5. CONCLUSION 55
• References 57
• 국문초록 65