[논문 리뷰] Robotic Tele-Operation for Upper Aerodigestive Tract Microsurgery: System Design and Validation

Giovani Braglia, José Jair Alves Mendes Junior외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 10.

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한 줄 요약

이 논문은 상부 소화기 호흡기 계통 미세수술용 원격 중심의 회전을 갖춘 텔레오페레이션 방식의 포스펌 조작 시스템을 제시하고, 자유 수기 조작과 비교하여 안정성, 사용자 노력, 사용성을 검증한다.

ABSTRACT

Upper aerodigestive tract (UADT) treatments frequently employ transoral laser microsurgery (TLM) for procedures such as the removal of tumors or polyps. In TLM, a laser beam is used to cut target tissue, while forceps are employed to grasp, manipulate, and stabilize tissue within the UADT. Although TLM systems may rely on different technologies and interfaces, forceps manipulation is still predominantly performed manually, introducing limitations in ergonomics, precision, and controllability. This paper proposes a novel robotic system for tissue manipulation in UADT procedures, based on a novel end-effector designed for forceps control. The system is integrated within a teleoperation framework that employs a robotic manipulator with a programmed remote center of motion (RCM), enabling precise and constrained instrument motion while improving surgeon ergonomics. The proposed approach is validated through two experimental studies and a dedicated usability evaluation, demonstrating its effectiveness and suitability for UADT surgical applications.

연구 동기 및 목표

• 구강경로 레이저 미세수술에서 수동 조직 조작을 텔레오페이션 솔루션으로 대체할 필요성을 제고한다.
• RCM 제약을 강제하는 새로운 엔드이펙터와 완전한 텔레오피레이션 파이프라인을 설계한다.
• 텔레오피레이션과 자유손 조작을 비교하는 실험을 통해 시스템을 검증하고 사용성을 평가한다.
• 정량적 지표와 사용자 설문조사를 사용하여 외과의의 노력과 조작 안정성을 평가한다.

제안 방법

• 텔레오페이션을 위한 Franka Emika Panda 로봇에 설치된 포스펌 컨트롤 엔드이펙터를 개발한다.
• 마스터로 Omega.7 햅틱 장치를 사용하고, 눌렀을 때만 동작이 가능하도록 두 개의 안전 풋 스위치를 둔다.
• 마스터에서 슬레이브로의 RCM 제약 속도 매핑을 포함한 ROS 기반 제어를 구현한다.
• RCM을 강제하기 위해 병진 명령을 RCM 주위의 피봇으로 변환하고 RCM 고정을 위해 보정적 평행이동을 적용한다.
• 중력 보상 엔드이펙터 모델링을 위한 실시간 시각화와 .json/.urdf 설명을 제공한다.
• 텔레오페이션과 자유손 비교 실험 10명 참가자와, 실리콘 성대 조작에 대한 파일럿 사용자 연구를 통해 평가한다.

Figure 1 : OR setup example during UADT procedures.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 텔레오페이션 프레임워크가 자유손 조작에 비해 포스펌 취급 안정성을 향상시키는가?
• RQ2 텔레오페이션이 UADT 유사 작업 중 사용자 근육 노력을 감소시키고 피로를 줄여주는가?
• RQ3 제안된 시스템의 지각된 사용성과 사용자 경험은 어떠한가?
• RQ4 시스템이 고정된 RCM을 유지하고 조작 중 후두경 막힘을 억제할 수 있는가?
• RQ5 효과적인 채택을 위한 잠재적 한계와 훈련 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 텔레오페이션은 자유손 조작에 비해 포착 진동을 감소시켜 안정성이 향상되었음을 나타낸다.
• sEMG 데이터는 텔레오페이션에서 근육 활성화가 낮고 중앙값 주파수가 더 높아 노력이 감소하고 피로가 줄어듦을 시사한다.
• 시스템 사용성(SUS)은 전반적 사용성 및 학습 용이성이 양호하다고 나타났으며 UEQ 결과에서도 긍정적 사용자 경험을 보였다.
• 참가자들은 프레임워크를 지지하고 몰입적으로 느꼈으며 3D 시각화와 힘 피드백 향상에 대한 제안을 제시했다.
• 한계로는 제한된 훈련 시간과 일부 인지/작업 부담이 있어 추가 훈련 및 개선이 필요함을 시사한다.

Figure 2 : Proposed teleoperation system. On the surgeon side, the master operator takes control by simultaneously pressing two enabling pedals, thus sending velocity commands with the remote controller. On the patient side, the slave robot moves our custom end-effector, whose open-close movements a