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Aug 22, 2023

수정 공진기와 통합된 인공안구 모듈을 이용한 유리체 망막 수술 시뮬레이터용 힘 측정 플랫폼

마이크로시스템 및 나노공학

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 74(2022) 이 기사 인용

3303 액세스

측정항목 세부정보

내부 제한막(ILM) 박리를 시행하는 안과 의사에게 수술 진행 상황에 대한 정량적 피드백을 제공하기 위해 우리는 수정 공진기(QCR) 힘 센서와 망막 모델 아래에서 균일한 힘 전달 장치 역할을 하는 변형체로 구성된 인공 눈 모듈을 개발했습니다. 스트레인 바디와의 안정적인 접촉을 달성하려면 충분히 큰 초기 힘이 QCR 힘 센서 어셈블리에 로드되어야 하지만 이 센서의 매우 민감하고 넓은 동적 범위 특성을 통해 아이 모듈은 약간의 집게 접촉 힘을 감지할 수 있습니다. 평행판 변형체는 4mm 직경의 ILM 박리 영역에 걸쳐 균일한 힘 감도를 달성하는 데 사용됩니다. 이 두 구성 요소를 결합하면 0.22mN ~ 29.6N의 측정 가능한 힘 범위가 허용되고 ILM 박리 영역에 대한 감도 오류는 -11.3 ~ 4.2% 이내입니다. 이 눈 모듈을 사용하여 훈련되지 않은 개인이 인공 ILM 박리를 포함하는 시뮬레이션 중에 적용된 힘을 측정하고 새로 개발된 알고리즘을 사용하여 얻은 힘 데이터의 장기간 드리프트를 보상했습니다. 보상된 힘 데이터는 안과 현미경을 사용하여 눈 밑 부분의 비디오 녹화에서 관찰된 여러 유형의 동작 시퀀스의 특성을 명확하게 포착했습니다. 그 결과, 미숙련 작업자의 경우 122.6 ± 95.2 및 20.4에 해당하는 밀고 벗기는 힘의 평균 및 표준편차 등 교육생의 기술 수준과 잠재적으로 관련될 수 있는 특징값을 추출하는 데 성공했습니다. 각각 ± 13.2mN.

안과 수술을 시행하는 안과 의사는 환자에게 부상을 입히지 않도록 정교한 기술을 습득해야 합니다. 기술을 연습하기 위해 안과 의사는 일반적으로 동물의 눈을 사용하여 수술 시연을 수행합니다. 그러나 이들 구조 중 일부는 인간 눈의 구조와 닮지 않았습니다. 다른 훈련 접근법에는 정량적 촉각 신호를 사용하지 않고 전문가의 기술을 모방하는 것이 포함됩니다. 전문 트레이너들이 수술에 필요한 기술도 정량적인 지표 없이 경험적으로 설명해줍니다. 추가 옵션은 가상 현실 시뮬레이터1를 사용하는 것인데, 대부분은 비용이 많이 들고 수술 기술을 향상시키는 데 중요한 인간 눈의 실제 실체와 관련된 정확한 촉각 감각을 제공하지 않습니다2. 이러한 훈련 부족은 안구내 수술을 받는 환자가 안과 의사의 기술에 따라 망막 손상 위험이 상대적으로 크다는 것을 의미합니다.

이 문제를 해결하기 위해 우리는 인간의 특성을 생체공학적으로 재현할 수 있는 훈련 모델로 "Bionic-EyE(Bionic Eye Surgery Evaluator)"6,7,8를 개발하여 일반적인 모형 모델3,4,5을 개선하려고 시도했습니다. 인공재료로 만든 눈. Bionic-EyE에는 수술 기술 평가용 센서가 내장되어 있으며 훈련생이 반복 수술 시뮬레이션을 수행할 수 있는 일회용 부품이 포함된 인공 눈 모듈로 구성됩니다(그림 1a). Bionic-EyE에서 생성된 센서 신호의 정량적 피드백을 통해 수술 기술을 빠르게 습득할 수 있습니다. Bionic-EyE로 훈련할 수 있는 수술로 복잡한 유리체망막수술인 ILM(내경계막박리)에 중점을 두었습니다. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 ILM은 유리체 피질과 망막 사이에 위치한 얇고 투명한 막입니다9. 망막의 뒤쪽 부분은 황반이라고 불리며 생리학적 시야의 큰 부분을 담당합니다. 황반의 중앙 부분은 중심와(fovea)라고 불리며, 이는 원뿔 광수용체의 밀도가 높고 높은 시력으로 광시 색각을 담당합니다10. 인간이 나이가 들어감에 따라 이 부위의 유리체 물질은 액화되고 수축되어 결국 대부분의 개인의 망막 ILM에서 후유리체 피질이 분리됩니다11. 액화가 유리체망막열개 정도를 초과하는 경우, 유리체 조각이 황반(망막앞막)에 남거나, 후유리체 피질 사이의 접착 견인으로 인해 중심와(황반 구멍)를 통해 구멍이 뚫릴 수 있습니다. 및 fovea12 (그림 1b). 이러한 영향은 시력 저하로 직접적으로 이어집니다. 노인의 경우 두껍고 딱딱한 ILM이 구멍 주변의 연한 망막을 잡아당기기 때문에13 이 과정에서 형성된 황반 구멍은 자연적으로 닫히지 않습니다. 이 상태를 치료하기 위해 ILM은 일반적으로 그림 1c의 Bionic-EyE6에 표시되고 재현된 것처럼 벗겨집니다. 일부 ILM 필링 수술에서는 황반 구멍의 폐쇄가 증가하고 재발률이 감소하는 것으로 보고되었습니다14,15,16,17. 두께가 3μm18이고 망막에 달라붙는 ILM의 박리는 분명히 환부에 적절한 힘을 가하는 성숙한 기술이 필요합니다. 그러나 스트레인 게이지19,20 또는 섬유 브래그 격자 힘 센서21,22,23,24가 장착된 집게의 사용이 시도되었지만 훈련 모델에서 힘 센서의 사용에 대한 문헌에서는 논의가 부족합니다. 안구내 수술의 실제 시연을 위해서는 겸자에 센서를 추가하지 않고 ILM 필링을 수행하는 데 필요한 기술을 정량화해야 합니다. 우리의 인공 눈 모듈에는 QCR(쿼츠 크리스털 공진기) 힘 센서와 스트레인 바디가 생체 모방 ILM 모델 아래에 균일한 힘 송신기로 통합되어 있으며, 이는 반복 사용이 가능하도록 일회용입니다7,8.