KR102387096B1 - 시계 내의 기기들의 정량적 3차원 시각화 - Google Patents

Abstract

일정 시계를 영상화하기 위해 배치된 Q3D 내시경 및 장면의 Q3D 모델을 생성하고 목표 기기들과 해부학적 구조부를 식별하는 프로세서를 포함하는 시스템이 제공된다. 프로세서는 기기의 가상의 시계로부터의 장면을 표시하고, 목표 둘레의 비행 금지 영역을 결정하고, 상기 기기들의 예측 경로를 결정하거나 상기 기기들의 3D 추적을 제공하도록 구성된다.

Description

시계 내의 기기들의 정량적 3차원 시각화{QUANTITATIVE THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF INSTRUMENTS IN A FIELD OF VIEW}

본 발명은 대체로 관련된 영상 센서를 갖는 수술용 내시경 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 수술용 영상에 표시되는 물리적 구조부의 3차원 좌표를 결정하는 것에 관한 것이다.

정량적 3차원(Q3D) 비전은 실세계 장면(real world scene) 내의 목표점들(target points)의 실제 물리적 (x, y, z) 3D 좌표들에 대한 수치적 정보를 제공한다. 정량적 3차원 비전에 의해, 사람은 실세계 장면의 3차원적 지각을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 장면 내의 물체들의 물리적 치수들과 장면 내의 물체들 간의 물리적 거리들에 관한 수치적 정보도 얻을 수 있다. 과거에, 장면에 대한 3D 정보를 결정하기 위해 비행 시간(time-of-flight) 관련 정보 또는 위상 정보를 이용하는 몇 가지 Q3D 시스템들이 제안되었다. 다른 Q3D 시스템은 장면에 대한 3D 정보를 결정하기 위해 구조광(structured light)을 이용하였다.

비행 시간 정보의 이용이 "CMOS 호환가능 3차원 영상 센서 IC(CMOS-compatible three-dimensional image sensor IC)"라는 명칭으로, CMOS 제조 기술을 사용하여 일반 IC 상에 제작되는 픽셀 광 감지 검출기들(pixel light sensing detectors)로 이루어진 2차원 어레이를 포함하고 있는 3차원 영상 시스템을 개시하고 있는 미국 특허 제6,323,942호에 개시되어 있다. 각각의 검출기는 시스템 방출된 펄스가 물체 지점으로부터 반사되어 그 지점에 초점맞춤된 픽셀 검출기에 의해 검출되기 위한 비행 시간(TOF)에 정비례하는 수치의 클록 펄스들(clock pluses)을 축적하는 관련된 고속 카운터(high speed counter)를 갖는다. TOF 데이터는 특정 픽셀로부터 방출된 광 펄스를 반사시키는 물체 상의 지점까지의 거리의 직접적인 디지털 척도를 제공한다. 제2 실시예에서는, 카운터 및 고속 클록 회로는 제거되고, 대신에 각각의 픽셀 검출기 전하 축적 및 전자 셔터를 구비한다. 셔터는 광 펄스가 방출될 때 개방되고, 그 후에 각각의 픽셀 검출기가 관련된 픽셀 검출기에 도달하는 복귀 광자 에너지의 함수로서 전하를 축적하도록 폐쇄된다. 축적된 전하의 양이 왕복 TOF의 직접적인 척도를 제공한다.

시간 지연 정보의 이용이 "내시경 3D 데이터 수집을 위한 장치 및 방법(Apparatus and method for endoscopic 3D data collection)"이라는 명칭으로, 변조형 측정 빔 및 측정 빔을 관찰될 영역으로 안내하기 위한 광전달 기구를 개시하고 있고, 관찰될 영역으로부터의 신호 빔을 적어도 위상 민감형 영상 센서(phase-sensitive image sensor) 상에 영상화시키기 위한 광 영상화 기구에 더하여, 광전달 기구가 조명 렌즈를 포함하도록 되어 있는 미국 특허 제8,262,559호에 개시되어 있다. mm 범위의 깊이의 차이에 상당할 수 있는 시간 지연이 깊이 및 거리 정보를 나타내는 영상의 생성을 가능하게 해주는 위상 정보를 발생시킨다.

시각 영상 내의 물체들의 물리적 좌표들을 결정하기 위한 구조광의 이용이 "내시경(Endoscope)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 제2012/0190923호; 및 학술지 Medical Image Analysis, 16 (2012) 1063-1072에 슈말츠 씨.(C. Schmalz) 등의 이름으로 실린 "구조광에 기초한 내시경 3D 스캐너(An endoscopic 3D scanner based on structured light)"에 개시되어 있다. 삼각 측량법이 표면의 지형을 측정하는 데 사용된다. 일정 범위의 다양한 색상 스펙트럼을 가질 수 있는 투사 광선 형태의 구조광이 표면에 입사되고 반사된다. 반사된 광선은 반사된 색상 스펙트럼 정보를 표면의 3D 좌표들을 결정하는 데 사용하도록 보정되는 카메라에 의해 관찰된다. 더 구체적으로는, 구조광의 이용은 일반적으로 3D 표면 상에 광 패턴을 비추고, 물리적 물체의 윤곽으로 인한 빛의 변형 패턴에 기초하여 물리적 거리를 결정하는 것을 포함한다.

픽셀 어레이 내의 픽셀들에 대해 장면 깊이 정보를 연산하도록 사용될 수 있는 복수의 픽셀 어레이들을 포함하는 이미저 어레이 카메라(imager arrary camera)가 개발되었다. 고해상도(HR) 영상들이 다수의 저해상도(LR) 영상들로부터 생성된다. 참조 시점(reference viewpoint)이 선택되고, 그 시점에서 보여지는 대로 HR 영상이 생성된다. 시차 처리 기술(parallax processing technique)은 참조 영상 픽셀들(reference image pixels)에 대해 비참조 영상(non-reference image)의 픽셀 대응점들을 결정하는 데 에일리어싱 효과(aliasing effect)를 이용한다. 융합 및 초해상도 기법이 다수의 LR 영상으로부터 HR 영상을 발생시키는 데 이용된다. 이것에 대해서는, 예컨대 "이기종 이미저를 가진 모놀리식 카메라 어레이를 사용한 영상 취득 및 처리(Capturing and Processing Images using Monolithic Camera Array with Heterogeneous Imager)"라는 명칭의 미국 특허 제8,514,491호; "가설 융합을 이용한 에일리어싱을 포함하는 장면의 다수 뷰들로부터 깊이를 결정하기 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Determining Depth from multiple Views of a Scene that Include Aliasing using Hypothesized Fusion)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 제2013/0070060호; 및 벤카타라만 케이.(K. Venkataraman) 등에 의한 논문 "PiCam: 극박 고성능 모놀리식 카메라 어레이(PiCam: An ultra-Thin high Performance Monolithic Camera Array)"가 참조된다.

도 1은 일부 실시예에 따른 공지된 이미저 센서(180)의 세부를 도시한 설명도이다. 영상 센서(180)는 센서 배열부(184)를 포함한다. 센서 배열부의 각각의 센서는 각각의 차원에서 적어도 2개의 픽셀을 갖는 2차원 픽셀 배열부를 포함한다. 각각의 센서는 렌즈 스택(186)을 포함한다. 각각의 렌즈 스택(186)은 대응하는 초점면(188)을 갖는다. 각각의 렌즈 스택(186)은 그것의 대응하는 초점면(188) 내에 배치된 대응하는 픽셀 배열부 상에 영상을 해상하는 개별적인 광 채널을 발생시킨다. 픽셀들은 광 센서들로서 작용하고, 다수의 픽셀을 가진 각각의 초점면(188)은 영상 센서로서 작용한다. 그것의 초점면(188)을 가진 각각의 센서는 다른 센서들 및 초점면들에 의해 차지되는 센서 배열부의 영역과 다른 센서 배열부의 일정 영역을 차지한다.

도 2는 센서 S₁₁ 내지 S₃₃로 표기된 센서들을 포함하는 도 1의 공지된 센서 배열부(184)의 단순 평면도을 도시한 설명도이다. 이미저 센서 배열부(184)는 복수의 센서(S₁₁ 내지 S₃₃)를 포함하도록 반도체 칩 상에 제작된다. 센서(S₁₁ 내지 S₃₃)의 각각은 복수의 픽셀(예컨대, 0.32 메가픽셀)을 포함하고, 독립적 판독 제어 및 픽셀 디지털화를 포함하는 주변 회로(도시되지 않음)에 연결된다. 일부 실시예에 있어서, 센서(S₁₁ 내지 S₃₃)는 도 2에 도시된 바와 같이 그리드 포맷(grid format)으로 배열된다. 다른 실시예에 있어서는, 센서들은 비 그리드 포맷으로 배열된다. 예를 들어, 센서는 원형 패턴, 지그재그 패턴, 산란형 패턴 또는 서브픽셀 오프셋(sub-pixel offset)을 포함하는 불규칙 패턴으로 배열될 수도 있다.

도 1-2의 센서(180)의 각각의 개별적인 픽셀은 마이크로렌즈 픽셀 스택을 포함한다. 도 3은 도 1-2의 센서들의 공지된 마이크로렌즈 픽셀 스택의 설명도이다. 픽셀 스택(800)은 산화물 층(804) 위에 위치되는 마이크로렌즈(802)를 포함한다. 일반적으로, 산화물 층(804) 아래에는 질화물 층(808) 위에 배치되는 색상 필터(806)가 존재할 수 있고, 질화물 층(808)은 제2 산화물 층(810) 위에 배치되고, 제2 산화물 층(810)은 개별 픽셀의 활성 영역(814)(일반적으로 포토다이오드)을 포함하는 실리콘 층(812) 상부에 배치된다. 마이크로렌즈(802)의 주된 역할은 그것의 표면에 입사된 광을 수집하고, 작은 활성 영역(814) 상에 그 빛을 초점맞춤시키는 것이다. 픽셀 개구부(816)는 마이크로렌즈의 확산에 의해 결정된다.

상술한 공지된 영상 센서 배열 구조에 관한 추가적인 정보는 미국 특허 US 8,514,491 B1(2010년 11월 22일자 출원) 및 미국 특허 출원 공개 US 2013/0070060 A1(2012년 9월 19일자 출원)에서 제공된다.

하나의 양태에 있어서, 시스템은 내시경의 Q3D 센서에 의해 영상화된 장면의 Q3D 모델을 결정한다. 3D 좌표들이 Q3D 모델 내의 목표 기기에 대해 결정된다. 내시경 자세의 기하학적 변환(geometrical transformation)이 내시경 자세를 식별된 목표 기기의 자세와 정렬시키기 위해 결정된다. 이 기하학적 변환에 기초하여, 해부학적 구조부의 Q3D 모델이 관찰자에게 목표 기기의 자세에 따른 가상의 뷰(virtual view)를 제공하도록 변환된다.

또 다른 양태에 있어서, Q3D 시스템은 Q3D 모델 내의 적어도 하나의 목표에 인접한 "비행 금지 구역(no fly zone)"을 결정한다. 적어도 부분적으로 제1 목표와 제2 목표 간의 최근접 거리가 임계 거리보다 작은지의 여부에 기초하여, "비행 금지 구역"이 위반되는지의 여부에 대한 판정이 이루어진다. 제1 목표와 제2 목표 간의 최근접 거리가 임계 거리보다 작다는 판정에 응답하여 출력 신호가 제공된다. 상기 목표들은 기기, 구조부 또는 해부학적 기관이 될 수 있다.

또 다른 양태에 있어서, Q3D 시스템은 영상화된 장면 내의 기기를 식별한다. 식별된 기기의 예측 경로가 적어도 부분적으로 식별된 기기에 의해 추종된 이전 경로로부터의 외삽(extrapolation)에 기초하여 또는 적어도 부분적으로 식별된 기기의 확장(extension)에 기초하여 결정된다.

다른 양태에서, Q3D 시스템은 장면 내에서의 목표 기기를 식별한다. 장면의 시각적 3D 표현 내에서의 식별된 목표 기기의 Q3D 위치를 지시하는 마크가 장면의 시각적 3D 표현 내에 생성된다.

본 발명의 양태는 여기에 간단히 설명되는 첨부도면을 참조하는 하기 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 산업계의 표준적 실시에 따라, 다양한 세부 사항들은 비례척으로 도시되지 않았다는 것에 유의해야 한다. 실상, 다양한 세부 사항들의 치수는 설명의 명료함을 위해 임의적으로 증대되거나 축소될 수 있다. 또한, 본 명세서는 여러 실시예에서 참조부호 및/또는 문자를 반복사용할 수 있다. 이러한 반복사용은 간략함과 명료함을 위한 것으로, 그 자체로 기술되는 여러 실시예 및/또는 구성들 간의 관계에 영향을 미치지는 않는다.
도 1은 공지된 이미저 센서의 세부를 도시한 설명도이다.
도 2는 도 1의 이미저 센서의 공지된 센서 배열부의 단순 평면도을 도시한 설명도이다.
도 3은 도 2의 센서 어레이의 센서 내의 픽셀의 공지된 마이크로렌즈 픽셀 스택의 설명도이다
도 4는 일부 실시예에 따른 뷰어를 통한 수술 장면의 투시 뷰(perspective view)를 도시한 설명도이다.
도 5는 일부 실시예에 따른, 하나 이상의 기계식 암을 사용하여 최소 침습 수술 과정을 실행하기 위한 원격조작 수술 시스템의 예시적인 블록도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 도 5의 시스템의 환자측 시스템의 예시적인 사시도이다.
도 7a는 일부 실시예에 따른 제1 영상 취득 시스템을 포함하는 제1 내시경의 예시적인 도면이다.
도 7b는 일부 실시예에 따른 제2 영상 취득 시스템을 포함하는 제2 내시경의 예시적인 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따른, 도 7a의 제1 영상 취득 시스템을 포함하는 제1 내시경과 관련된 제어 블록들을 도시하고, 작동 중의 시스템을 도시하고 있는 예시적인 블록도이다.
도 9는 일부 실시예에 따른, 물리적 목표의 정량적 3차원 위치를 결정하기 위한 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 10은 일부 실시예에 따른, 목표를 시스템적으로 선택하기 위한 도 9의 모듈에 대체로 대응되는 프로세스의 특정 세부 사항들을 도시한 예시적인 플로우차트이다.
도 11은 일부 실시예에 따른, 다수의 센서를 포함하고 있고, 3개의 물체를 포함하는 예시적인 3차원 물리적 세계 장면(three dimensional physical world scene)을 포함하는 시계를 가지도록 배치된 예시의 센서 이미저 어레이의 설명도이다.
도 12는 일부 실시예에 따른, 도 11의 다수의 물리적 물체들의 다수의 센서 상으로의 투영을 나타낸 설명도이다.
도 13은 일부 실시예에 따른 실세계 장면(real-world scene) 내로부터의 관심 영역의 선택을 나타낸 설명도이다.
도 14는 일부 실시예에 따른 다수의 센서 내에 투영된 영상들의 상대적인 기하학적 오프셋에 대한 세부 사항을 도시한 설명도이다.
도 15는 일부 실시예에 따른, 관심 영역(ROI) 내의 지정된 참조 센서에 투영된 영상과 정렬되도록 우측으로 시프트된 관심 영역(ROI) 내의 특정예의 센서들에 투영된 영상들을 도시한 설명도이다.
도 16은 일부 실시예에 따른, 선택된 목표점의 다수의 센서 상으로의 투영을 도시한 설명도이다.
도 17은 일부 실시예에 따른, 도 16의 다수의 센서를 포함하는 이미저 어레이의 일부분 및 물리적 공간 내의 위치에 배치된 선택된 모교 지점(T)을 도시한 설명도이다.
도 18은 일부 실시예에 따른, 현재 선택된 목표점(T)의 도 16의 다수의 영상 센서 상으로의 투영을 도시한 예시적인 정면도이다.
도 19는 일부 실시예에 따른, 도 17을 참조하여 상술한 바와 같은 현재 선택된 목표의 다수의 센서에 대한 배치를 도시하고, 또한 각각의 센서 내의 후보 픽셀에 대한 y 방향 픽셀 오프셋들을 도시하고 있는 설명도이다.
도 20은 일부 실시예에 따른, 수술 과정 중에 Q3D 정보를 사용하기 위한 제1 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 21은 일부 실시예에 따른, 도 20의 프로세스에 따라 디스플레이 스크린 상에 표시되는 메뉴 선택을 도시한 설명도이다.
도 22a-22b는 일부 실시예에 따른, 도 20의 프로세스에 따라 사용자 입력을 수신하는 특정 세부 사항들을 나타낸 설명도들이다.
도 23은 일부 실시예에 따른, 수술 과정 중에 Q3D 정보를 사용하기 위한 제2 프로세서를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 24는 일부 실시예에 따른, 도 23의 프로세스에 따라 디스플레이 스크린 상에 표시되는 메뉴 선택을 도시한 설명도이다.
도 25는 일부 실시예에 따른, 영상 센서 어레이와 관련되고, 수술 기기의 일부분 및 하나 이상의 해부학적 구조부를 포함하는 시계를 가지는 Q3D 내시경의 투시 뷰를 도시한 설명도이다.
도 26은 일부 실시예에 따른, 내시경 관찰 투시(endoscope viewing perspective)로부터의 Q3D 장면을 내시경 관찰 투시 내의 목표 기기의 투시로부터의 Q3D 장면으로 변환시키기 위한 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 27a-27c는 일부 실시예에 따른, 가상의 배향 변환(도 27a), 가상의 위치 변환(도 27b) 및 결과적인 가상의 정렬(도 27c)을 나타낸 설명도들이다.
도 28a-28b는 일부 실시예에 따른, 내시경 팁의 투시(도 28a) 및 목표 수술 기기의 투시(도 28b)로부터의 수술 장면의 예시의 Q3D 뷰들이다.
도 29는 일부 실시예에 따른, 3D 투시의 Q3D 모델을 3D 디스플레이 상에 표시하는 프로세서의 세부 사항들을 도시한 설명도이다.
도 30a-30b는 일부 실시예에 따른, 기기들 중의 하나의 둘레의 각각의 비행 금지 구역을 표시한, 도 5-6을 참조하여 설명된 바와 같이 전개된 Q3D 내시경의 예시적인 투시 뷰 및 내시경 시계(FOV_e) 내의 기기들의 투시 뷰이다.
도 31은 일부 실시예에 따른, 비행 금지 영역을 한정하고, 비행 금지 구역이 위반되었는지의 여부를 판정하기 위한 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 32는 일부 실시예에 따른, 내시경 시계(FOV_e)를 가진 내시경, 관찰 궤적 상의 다수의 상이한 포지션에서 관찰된 수술 기기의 일부분 및 FOV_e 내의 수술 장면 내에 배치된 해부학적 구조부를 도시한 설명도이다.
도 33은 일부 실시예에 따른, Q3D 장면 내의 관찰 경로 상에서 목표 기기를 추적하고, 예측 경로 및 예측 접촉 위치를 결정하기 위한 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다.
도 34는 일부 실시예에 따른, 제3 포지션 내의 목표 기기가 도시되어 있고, 예측 접촉 위치가 해부학적 구조부 상에 시각적 마크로 표시되어 있는 장면의 예시의 3D 시각적 표현이 도시되어 있는 도면이다.
도 35는 일부 실시예에 따른, 다수의 상이한 관찰 경로, 대응하는 예측 경로들 및 예측 접촉 위치들과 더불어 소정의 접촉 위치에서의 예시의 수술 당면을 표현한 설명도이다.
도 36은 일부 실시예에 따른, 스테이플러와, 스테이플 라인 및 나이프 채널의 확장을 표현한 예측 경로를 포함하는 수술 장면의 3D 뷰를 도시한 설명도이다.
도 37은 일부 실시예에 따른, 내시경 시계(FOV_e)를 가진 내시경, 다수의 상이한 포지션에서 도시된 수술 기기의 일부분 및 FOV_e 내의 수술 장면 내에 배치된 해부학적 구조부를 도시한 설명도이다.
도 38a-38c는 일부 실시예에 따른, 제1 시점에서의 포지션(도 38a)으로부터 제2 시점에서의 포지션(도 38b)으로 그리고 제3 시점에서의 포지션(도 38c)으로의 목표 기기의 포지션의 변화를 나타낸 설명도들이다.
도 39는 일부 실시예에 따른, Q3D 내에서 목표 기기를 추적하기 위한 프로세스를 표현한 예시적인 플로우차트이다.
도 40은 일부 실시예에 따른, 제2 포지션 내의 목표 기기가 시각적 마크와 관련하여 표시되어 있는 장면의 예시의 3D 시각적 표현을 도시한 도면이다.

이하의 설명은 당업자가 영상 센서들의 시계 내의 물리적 구조부들의 3차원 좌표들을 결정하기 위해, 각각의 센서가 다른 센서들의 픽셀 어레이들과 분리된 픽셀 어레이를 포함하는 다수의 영상 센서들을 가지는 수술 내시경 시스템을 생성하고 사용하는 것을 가능하게 해주도록 제공된다. 실시예들에 대한 다양한 변형들이 당업자에게 명백할 것이며, 여기에 정의되는 일반적인 원리들은 본 발명의 기술사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들 및 응용예들에 적용될 수 있을 것이다. 또한, 이하의 설명에서, 다수의 세부 사항들은 설명의 목적으로 기술된다. 하지만, 본 발명은 이러한 세부 사항들의 사용 없이도 실시될 수 있을 것임을 인지할 것이다. 경우에 따라서는, 공지된 기계 구성요소, 프로세스 및 데이터 구조들은 불필요한 세부 설명으로 설명을 흐리게 하지 않기 위해 블록도 형태로 도시된다. 동일한 참조 부호가 다른 도면들에서 동일한 항목의 다른 형태의 도시를 표현하는 데 사용될 수 있다. 이하에 참조되는 도면의 플로우차트들은 프로세스들을 표현하는 데 사용된다. 컴퓨터 시스템이 이러한 프로세스들의 일부를 실행시키도록 구성 될수 있을 것이다. 컴퓨터 실시 프로세스들을 표현하는 플로우차트들 내의 모듈들(modules)은 이들 모듈들을 참조하여 설명되는 동작들을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드에 따른 컴퓨터 시스템의 구성을 나타낸다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되는 것으로 의도되는 것이 아니라, 여기에 설명되는 원리들과 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위가 주어져야 한다.

간략 개요

일부 실시예에 따라, 센서 어레이를 포함하는 이미저(imager)는 내시경과 관련된다. 영상 센서 어레이는 다수의 센서를 포함하고, 각각의 센서는 픽셀 어레이를 포함한다. 내시경의 일부분이 인간의 체강 내로 삽입되고, 영상 센서 어레이의 시계 내의 목표 물체는 광원을 사용하여 조명된다. 목표 물체의 물리적 위치 및/또는 치수들이 어레이의 각각의 센서 상으로 투영된 목표 물체의 영상들에 기초하여 결정된다.

도 4는 일부 실시예에 따른 뷰어(viewer)(312)를 통한 수술 장면의 투시 뷰(perspective view)를 도시한 설명도이다. 2개의 관찰 요소(viewing element)(401R, 401L)를 갖는 관찰 시스템(viewing system)이 양호한 3D 관찰 투시(3D viewing perspective)를 제공할 수 있다. 수술 장면 내의 물리적 구조부에 대한 물리적 치수 및/또는 위치 정보를 표현하는 수치값들이 수술 장면 영상에 오버레이(overlay)되어 표시된다. 예를 들어, 수치적 거리값 "d_Instr_Trgt"이 장면 내에 기기(400)와 목표(410) 사이에 표시되어 보여진다.

원격조작 의료 시스템

원격조작은 일정 거리에서의 기계의 작동을 의미한다. 최소 침습 원격조작 의료 시스템에 있어서, 외과의는 환자의 신체 내의 수술 부위를 관찰하기 위해 카메라를 포함하는 내시경을 사용할 수 있다. 수술 과정 중에 깊이의 지각을 가능하게 해주는 입체 영상이 취득되었다. 일부 실시예에 따라, 내시경 상에 장착되고, 이미저 센서 어레이를 포함하는 카메라 시스템이 정량적 3차원 정보에 더하여 3차원 영상을 생성하기 위해 사용될 수 있는 색상 및 조명 데이터를 제공한다.

도 5는 일부 실시예에 따른, 하나 이상의 기계식 암(158)을 사용하여 최소 침습 수술 과정을 실생하기 위한 원격조작 수술 시스템(100)의 예시적인 블록도이다. 시스템(100)의 양태들은 원격 로봇식 및 자율 작동식 피처(feature)들을 포함한다. 이 기계식 암들은 종종 기기를 지지한다. 예를 들어, 기계식 수술 암(예컨대, 중심 기계식 수술 암(158C))은 예컨대 Q3D 영상 센서 어레이와 관련된 내시경과 같은, 입체식 즉 3차원 수술 영상 취득 장치(101C)를 가진 내시경을 지지하는 데 사용될 수 있다. 기계식 수술 암(158C)은 영상 취득 장치(101C)를 포함하는 내시경을 기계식 암에 기계적으로 고정시키기 위한 멸균 어댑터 또는 클램프, 클립, 스크루, 슬롯/그루브 또는 기타 파스너를 포함할 수 있다. 반대로, 영상 취득 장치(101C)를 가진 내시경이 기계식 수술 암(158C)과 견고하게 상호 끼워맞춤되도록 기계식 수술 암(158C)의 물리적 윤곽 및/또는 구조와 상보적인 물리적 윤곽 및/또는 구조를 포함할 수 있다.

사용자 또는 오퍼레이터(O)(일반적으로 외과의)는 마스터 제어 콘솔(150)에서 제어 입력 장치(160)를 조작함으로써 환자(P)에 대한 최소 침습 수술 과정을 실행한다. 오퍼레이터는 도 4를 참조하여 상술한 뷰어(312)를 포함하는 입체 디스플레이 장치(164)를 통해 환자의 신체 내부의 수술 부위의 영상들의 비디오 프레임들을 볼 수 있다. 콘솔(150)의 컴퓨터(151)가 제어 라인(159)을 통해 원격조작 내시경 수술 기기(101A-101C)의 운동을 지시하여, 환자측 시스템(152)(환자측 카트라고도 함)을 이용하여 기기들의 운동을 실현한다.

환자측 시스템(152)은 하나 이상의 기계식 원격조작 암(158)을 포함한다. 일반적으로, 환자측 시스템(152)은 대응되는 포지셔닝 셋업 암(156)에 의해 지지되는 적어도 3개의 기계식 수술 암(158A-158C)(기계식 수술 암(158)이라 통칭됨)을 포함한다. 중심 기계식 수술 암(158C)은 카메라의 시계 내의 영상들에 대한 Q3D 정보의 취득에 적합한 내시경 카메라(101C)를 지원할 수 있다. 중심 좌우의 기계식 수술 암(158A 및 158B)은 조직을 조작할 수 있는 지지 기기(101A 및 101B)를 각각 지지할 수 있다.

도 6은 일부 실시예에 따른 환자측 시스템(152)의 예시적인 사시도이다. 환자측 시스템(152)은 베이스(172)에 의해 지지되는 카트 칼럼(170)을 포함한다. 하나 이상의 원격조작 기계식 매니퓰레이터 수술 암/링크(158)가 환자측 시스템(152)의 포지셔닝부의 일부분인 하나 이상의 셋업 암(156)에 각각 부착된다. 베이스(172)의 대략 중심 위치에, 카트 칼럼(170)은 카운터밸런스 서브시스템 및 오염 물질 차단 서브시스템의 구성요소들을 보호하는 보호 커버(180)를 포함한다.

모니터 암(154)을 제외하고는, 각각의 기계식 수술 암(158)은 기기(101A-101C)를 제어하는 데 사용된다. 또한, 각각의 기계식 수술 암(158)은 셋업 암(156)에 연결되고, 셋업 암(156)은 다음으로 본 발명의 하나의 실시예에 있어서 캐리지 하우징(190)에 연결된다. 하나 이상의 기계식 수술 암(158)은 도 6에 도시된 바와 같이 그들 각각의 셋업 암(156)에 의해 각각 지지된다.

기계식 수술 암(158A-158D)은 각각 정밀한 원격조작 제어를 돕기 위한 원시 미보정 기구학 정보(raw uncorrected kinematics information)와 더불어 추적 시스템 및/또는 기기들의 추적에 의한 초기 취득을 발생시키기 위한 하나 이상의 변위 트랜스듀서, 배향 센서 및/또는 포지션 센서(185)를 포함할 수 있다. 기기들도, 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 변위 트랜스듀서, 포지션 선 및/또는 배향 센서(186)를 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 기기는 기기의 취득 및 추적을 돕기 위한 마커(189)를 포함할 수 있다.

원격조작 의료 시스템에 대한 추가적인 정보는 미국 특허 제5,631,973호(1994년 5월 5일 출원), 제5,696,837호(1995년 4월 20일 출원), US 7,155,315 B2(2005년 12월 12일 출원) 및 미국 특허 출원 공개 US 2012/0020547 A1(2011년 9월 30일 출원)에 제공되고 있다.

내시경 이미저 시스템

도 7a는 일부 실시예에 따른 제1 영상 취득 장치(101C)를 가진 제1 내시경의 설명도이다. 영상 취득 장치(101C)는 제1 단부 부분(204), 제2 단부 부분(206) 및 제1 단부 부분(204)의 팁 부분(208)을 포함한 길이부(202)를 포함하고 있는 내시경을 포함한다. 제1 단부 부분(204)은 인간의 체강 내로 삽입되도록 치수결정된다. 다수의 영상 센서를 포함하는 센서 어레이(210)(도시되지 않음)가 제1 단부 부분(204)의 팁 부분(208)에 결합된다. 일부 실시예에 따라, 센서 어레이(210) 내의 각각의 센서는 픽셀 어레이를 포함한다. 길이부(202)는 목표 대상체가 이미저 센서 어레이(210)에 의해 영상화될 수 있도록 팁 부분(208)을 체강 내의 목표 대상체에 충분히 근접하게 포지셔닝시키기에 충분한 길이을 가진다. 일부 실시예에 따라, 제2 단부 부분(206)은 기계식 암(도시되지 않음)과 견고하게 상호 끼워맞춤되도록 상술한 바와 같이 물리적 윤곽 및/또는 구조(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 길이부(202)는 또한 이미저 센서 어레이(210)와 전자적으로 정보를 통신하기 위한 하나 이상의 전자 신호 경로(212)를 포함한다. 광원(214)이 영상화될 대상체를 조명하도록 배치된다. 일부 실시예에 따라, 광원(214)은 예를 들어 비구조광(unstructured light), 백색광, 색상 여과 광 또는 부분 선택 파장의 광일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 광원(214)은 팁(208)에 위치되고, 다른 실시예에 있어서는, 선택적으로 내시경(101C)과는 분리되어 배치된다.

도 7b는 일부 실시예에 따른 제2 영상 취득 시스템(101C')을 가진 제2 내시경의 설명도이다. 제1 영상 취득 시스템(101C)을 가진 제1 내시경의 것과 기본적으로 동일한 제2 영상 취득 시스템(101C')의 양태들은 동일한 참조 부호로 지시되고, 다시 설명하지 않는다. 로드 렌즈(rod lens)와 같은 광 파이프 입력부에 대한 입력부가 제1 단부 부분(204)의 팁 부분(208)에 배치된다. 광 파이프 바디는 팁 부분(208)으로부터 물리적으로 변위되어 있는 이미저 센서 어레이(210)로 광 파이프가 입력될 때 수신되는 화상을 전송하도록 길이부(202) 내에 연장된다. 일부 실시예에 있어서, 이미저 센서 어레이(210)는 체강 내의 대상체의 관찰 중에 당해 이미저 센서 어레이(210)가 체강 외부에 배치되도록 팁 부분(208)으로부터 충분히 멀리 변위된다.

도 8은 일부 실시예에 따른, 도 7a의 제1 영상 취득 시스템(101C)을 가진 제1 내시경(101C)과 관련된 제어 블록들을 도시하고, 작동 중의 시스템을 도시하고 있는 예시적인 블록도이다. 이미저 센서 어레이(210)에 의해 취득된 영상들은 데이터 버스(212)를 거쳐 비디오 프로세서(104)로 전송되고, 비디오 프로세서(104)는 버스(105)를 통해 컨트롤러(106)와 통신한다. 비디오 프로세서(104)는 카메라 제어 유닛(CCU) 및 비디오 신호 검출기(VSD) 보드를 포함할 수 있다. CCU는 밝기, 색상 계획(color scheme), 화이트밸런스 등과 같은 영상 센서(210)의 다양한 세팅을 프로그램하거나 제어한다. VSD는 영상 센서로부터 수신된 비디오 신호를 처리한다. 선택적으로, CCU와 VSD는 하나의 기능 블록으로 통합된다.

일부 실시예에 따라, 하나 이상의 프로세서를 포함하는 프로세서 시스템이 프로세서 기능들을 실행하도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 프로세서 시스템은 여기에 설명되는 프로세서 기능들을 실행하기 위해 함께 작동하도록 구성된 다수의 프로세서를 포함한다. 따라서, 하나 이상의 기능을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서에 대한 참조는 그 기능들이 하나의 프로세서만으로 실행될 수 있거나 함께 작동하는 다수의 프로세서에 의해 실행될 수 있는 프로세서 시스템을 포함한다.

하나의 실시예에 있어서, 프로세서 및 저장 장치(도시되지 않음)를 포함하는 컨트롤러(106)는 길이부(202)의 팁(208)에 인접한 장면 내의 지점들의 물리적 정량적 3D 좌표들을 연산하고, 3D 장면들을 합성하도록 비디오 프로세서(104) 및 3D 디스플레이 드라이버(109) 모두를 구동시키며, 합성된 3D 장면들은 입체 디스플레이 또는 체적(예컨대, 홀로그래픽(holographic)) 3D 디스플레이일 수 있는 디스플레이(110) 상에 표시될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 예를 들어 수술 장면 내의 대상체의 표면 윤곽의 치수의 수치적 표지(numerical indicia) 또는 수술 장면 내의 대상체로부터의 거리와 같은 수술 장면에 대한 Q3D 정보가 생성된다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 수치적 Q3D 깊이 정보는 수술 장면의 입체 영상에 거리 정보 또는 표면 윤곽 정보로 주석을 다는 데 사용될 수 있다.

데이터 버스(107, 108)는 비디오 프로세서(104), 컨트롤러(106) 및 디스플레이 드라이버(109) 사이에서 정보 및 제어 신호를 교환시킨다. 일부 실시예에 있어서, 이들 요소는 내시경의 바디 내부에서 영상 센서 어레이(210)와 통합될 수 있다. 선택적으로, 이들 요소는 내시경의 내부 및/또는 외부에 분포될 수 있다. 내시경은 목표(120)를 포함하는 수술 장면에 대한 시각적 접근을 제공하기 위해 신체 조직(130)을 침투하도록 캐뉼라(140)를 통해 포지셔닝된다. 선택적으로, 내시경과 하나 이상의 기기가 수술 부위에 도달하도록 단일 개구부(단일 절개부 또는 자연적 체공)를 통과할 수도 있다. 목표(120)는 해부학적 목표, 또 다른 수술 기기 또는 환자의 신체 내부의 수술 장면의 임의의 다른 양태일 수 있다.

입력 시스템(112)은 3D 시각적 표현을 수신하고, 그것을 프로세서(106)에 제공한다. 입력 시스템(112)은 3D 모델을 생성하는 시스템(도시되지 않음)으로부터 CRT 또는 MRI와 같은 3D 모델을 수신하는 전자 통신 버스(도시되지 않음)에 연결되는 저장 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(106)는 예를 들어 Q3D 모델과 3차원 시각적 표현 사이에 의도된 정렬을 연산하는 데 사용될 수 있다. 더 구체적으로는, 제한 없이, 입력 시스템(112)은 시스템(152)과 MRI, CT 또는 초음파 영상 시스템과 같은 영상 시스템(도시되지 않음) 사이의 이더넷 통신 연결을 구축하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 다른 영상 시스템이 사용될 수도 있다. 블루투스, 와이파이, 광통신 등의 다른 타입의 통신 연결이 사용될 수도 있다. 선택적으로, 시스템(152) 및 영상 시스템은 하나의 더 큰 시스템 내에 통합될 수도 있다. 외부 장치에 대한 추가적인 조작이 제공되거나 도 25에 도시된 바와 같이 표시된다면, 정렬 프로세스의 결과는 프로세서(106)과 관련된 저장 장치에 저장될 수 있다.

장면의 영상에 추가되는 Q3D 정보의 예

도 4를 다시 참조하면, 도 4는 일부 실시예에 따른, 도 5의 마스터 제어 콘솔(150)의 뷰어(312)의 투시 뷰(perspective view)를 도시한 설명도이다. 일부 실시예에 따라, 3차원 투시(3D perspective)를 제공하기 위해, 뷰어(312)는 각각의 눈에 대한 입체 영상을 포함한다. 도시된 바와 같이, 수술 부위의 좌측 영상(400L) 및 우측 영상(400R)은 좌측 관찰 요소(401L) 및 우측 관찰 요소(401R) 내에 각각 기기(400) 및 목표(410)를 포함한다. 관찰 요소들 내의 영상(400L 및 400R)은 각각 좌측 디스플레이 장치(402L) 및 우측 디스플레이 장치(402R)에 의해 제공될 수 있다. 디스플레이 장치(402L, 402R)는 선택적으로 음극선관(CRT) 모니터, 액정 디스플레이(LCD) 또는 다른 타입의 영상 디스플레이 장치(예컨대, 플라즈마, 디지털 광투사 등)의 쌍일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 영상들은 컬러 CRT 또는 컬러 LCD와 같은 한 쌍의 컬러 디스플레이 장치(402L, 402R)에 의해 컬러로 제공된다. 기존 장치들과의 역방향 호환성(backward compatibility)을 지원하기 위해, 입체 디스플레이 장치(402L 및 402R)는 Q3D 시스템과 함께 사용될 수 있다. 선택적으로, Q3D 영상 시스템은 3D 모니터, 3D TV 또는 3D 효과 안경의 사용을 요구하지 않는 디스플레이와 같은 오토스테레오스코픽(autostereoscopic) 디스플레이에 연결될 수 있다.

2개의 관찰 요소(401R, 401L)를 가진 관찰 시스템이 양호한 3D 관찰 투시를 제공할 수 있다. Q3D 영상 시스템은 수술 장면 내의 물리적 구조부에 대한 물리적 인 치수 정보로 이 관찰 투시를 보완한다. Q3D 내시경 시스템과 함께 사용되는 입체 뷰어(312)는 수술 장면의 입체 영상 위에 오버레이되는 Q3D 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 기기(400)와 목표(410) 사이의 수치적 Q3D 거리값 "d_Instr_Trgt"이 입체 뷰어(312) 내에 표시될 수 있다.

수술 장면의 3차원 투시 위에 물리적 위치 및 치수 정보를 오버레이시키도록 사용될 수 있은 비디오 입체 관찰 시스템의 설명이 여기에 직접적으로 참조되는 미국 특허 출원 공개 US 2012/0020547(2011년 9월 30일 출원)의 단락 0043-0053 및 대응 도면에 제공되어 있다.

정량적 3차원 물리적 정보 처리

도 9는 일부 실시예에 따른, 물리적 목표의 정량적 3차원 위치를 결정하기 위한 프로세스를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 이 프로세스는 도 8의 실시예의 영상 취득 시스템(101C)을 가진 내시경을 참조하여 설명된다. 모듈(401)은 영상 센서(S_ij)로부터 비디오 데이터를 취득하도록 컨트롤러(106)를 구성한다. 영상 센서 어레이(210)가 전체 시계를 "영상화"하지만, 영상 센서 어레이(210) 중의 상이한 센서들 및 상이한 센서들 내의 상이한 픽셀들은 시계 내의 상이한 대상체 지점들로부터의 영상 투영들에 의해 조명될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 비디오 데이터는 예를 들어 색상 및 광 강도 데이터를 포함할 수 있다. 각각의 센서의 각각의 픽셀은 그것에 투영되는 영상의 색상과 강도를 지시하는 하나 이상의 신호를 제공할 수 있다. 모듈(402)은 물리적 세계 뷰(physical world view) 내의 선택된 관심 영역에서 목표들을 체계적으로 선택하도록 컨트롤러를 구성한다. 모듈(403)은 초기 설정값(x₀, y₀, z₀)을 가지고서 목표 3D 좌표(x, y, z)의 연산을 개시하도록 컨트롤러를 구성한다. 이 알고리즘은 다음으로 목표의 투영된 영상을 수신하는 모든 센서(S_ij)로부터의 영상 다이버시티 데이터(image diversity data)를 이용함으로써 일관성(consistency)에 대해 좌표들을 점검한다. 좌표 연산은 허용가능한 정밀도에 도달할 때까지 판정 모듈(404)에서 정제(refining)된다. 판정 모듈(404)은 또한 현재 연산된 물리적 위치가 충분히 정확한지의 여부를 판정하도록 컨트롤러를 구성한다. 현재 연산된 위치가 충분히 정확하지 않다는 판정에 응답하여, 제어는 다른 가능한 물리적 위치를 시도하도록 모듈(403)로 되돌아간다. 현재 연산된 위치가 충분히 정확하다는 판정에 응답하여, 모듈(405)은 전체 관심 영역이 스캔되었는지의 여부를 판정하도록 컨트롤러를 구성한다. 전체 관심 영역이 스캔되지 않았다는 판정에 응답하여, 제어는 모듈(402)로 되돌아가고, 다른 목표가 선택된다. 전체 관심 영역이 스캔되었다는 판정에 응답하여, 제어는 모듈(406)로 진행하고, 모듈(406)은 관심 영상 체적의 3차원 모델을 어셈블리하도록 컨트롤러(406)를 구성한다. 목표 구조부들의 물리적 포지션을 지시하는 3차원 정보에 기초한 목표의 3D 영상의 어셈블리는 당업자에게 공지되어 있어 여기서 설명할 필요가 없다. 모듈(407)은 이후의 검토 및 조작을 위해 다수의 목표에 대해 결정된 물리적 포지션 정보를 사용하여 개발된 3차원 모형을 저장하도록 컨트롤러를 구성한다. 예를 들어, 3D 모델은 환자의 기관의 특정 치수에 대해 임플란트의 크기를 결정하는 것과 같은 수술 용처를 위해 나중에 사용될 수 있을 것이다. 또 다른 예에 있어서, 새로운 수술 기기(101)가 로봇 시스템(152)에 설치될 때, 새로운 기기에 대해 이전 수술 장면을 참조하도록 하기 위해 3D 모델을 재호출하여 디스플레이(110) 상에 표시하는 것이 필요할 수 있다. 모듈(407)은 또한 3D 시각적 표현과 Q3D 모델 간의 정렬의 결과를 저장할 수 있다. 모듈(408)은 정량적 3D 뷰를 표시하기 위해 다수의 목표에 대해 결정된 물리적 포지션 정보를 사용하도록 컨트롤러를 구성한다. Q3D 뷰의 한 예는 도 4에 도시된 거리값 "d_Instr_Trgt"이다.

입체 디스플레이는 3차원 환상을 생성한다고 알려져 있다. 하지만, 실제 3D 디스플레이는 홀로그래픽 영상 또는 곡면 상에 투영된 영상과 같은 3차원 영상을 제공한다. 일반적으로, 3D 디스플레이는 뷰가 관찰 투시를 변경시키도록 이동하는 것을 허용한다.

도 10은 일부 실시예에 따른, 대체로 도 9의 모듈(402)에 대응되는 프로세스의 특정 세부 사항을 도시한 예시적인 플로우차트이다. 모듈(402.1)은 센서 어레이(210)의 모든 센서로부터 물리적 세계 장면(physical world scene)의 영상들을 취득하도록 컨트롤러를 구성한다. 모듈(402.2)은 취득된 장면 내로부터 관심 영역을 특정하도록 컨트롤러를 구성한다. 모듈(402.3)은 동일한 목표의 투영에 의해 조명되는 상이한 센서들 내의 픽셀 위치들을 식별하기 위해 관심 영역 내의 장면 영상들 간의 최상의 정합(match)을 탐색하도록 컨트롤러를 구성한다. 후술하는 바와 같이, 최상의 정합은 시프트되는 영상과 참조 영상 간의 2차원 상호 상관 함수(two-dimensional cross-correlation function)를 최대화할 때까지 센서(S_ij)로부터의 개별 영상들을 시프트시킴으로써(이에 한정되지 않음) 성취될 수 있다. 참조 영상은 예를 들면 센서(S₁₁)로부터 수신된 장면 영상일 수 있다. 모듈(402.4)은 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명되는 후보 픽셀들을 식별하도록 컨트롤러를 구성한다. 모듈(402.5)은 후보 픽셀들이 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명되는지의 여부를 판정하기 위해 선택된 목표에 대해 2개 이상의 픽셀 좌표(N_x, N_y)를 연산하도록 컨트롤러를 구성한다. 판정 모듈(402.6)은 연산된 2D 픽셀 좌표값들이 후보 픽셀들이 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명된다는 것을 지시하는지의 여부를 판정한다. 다수의 센서(S_ij)로 동일한 장면을 관찰하는 것에 의해 발생되는 영상 다이버시티가 다양한 개별 영상(S_ij) 내에서의 특정 목표와 관련된 (N_x, N_y)를 정확하게 식별하는 역할을 한다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 단지 3개의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)만이 사용되는 단순화된 시나리오를 가정하면, 2D 픽셀 좌표[(Nx₁₁, Ny₁₁), (Nx₁₂, Ny₁₂), (Nx₁₃, Ny₁₃)]의 트리플릿(triplet)이 [S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃] 상으로의 동일한 목표의 투영들에 대응되지 않는 경우에는, 양(

및

)(y 방향의 투영 시프트의 추정값들)이 다른 값들을 획득할 것이다. 아래에 제공되는 방정식에 따라,

및

는 픽셀 좌표[(Nx₁₁, Ny₁₁), (Nx₁₂, Ny₁₂), (Nx₁₃, Ny₁₃)]가 동일한 목표의 투영들로부터 발생하는 경우에는 동일해야 한다.

및

가 대략 동일하지 않는 경우에는, 제어는 모듈(402.4)로 되돌아가, 센서 평면(S_ij) 상으로의 목표 투영들에 최상인 후보들을 정제(refining)한다. 상술한 바와 같이, 이상은 알고리즘의 단순화된 구현예일 뿐이다. 일반적으로, 도 10의 모듈(402.6)에 나타내진 바와 같이,

와

간의 차이의 놈(norm)은 모듈(402)이 그것의 반복(iteration)을 완료하기 위해 허용가능한 공차(

)보다 작아야 한다. 유사한 구속조건이 x 축의 대응하는 추정값

및

에 대해 충족되어야 한다. 연산된 2D 픽셀 후보값(N_x, N_y)이 후보 픽셀들이 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명된다는 것을 지시한다는 판정에 응답하여, 제어는 모듈(403)로 진행한다.

각각의 픽셀은 색상 및 강도 정보를 세계 장면(world scene)으로부터 직접적으로 취득한다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기 프로세스에 따라, 각각의 픽셀은 픽셀 상으로 투영된 세계 뷰(world view) 내의 물리적 대상체의 좌표(x, y, z)와 관련된다. 따라서, 색상 정보, 조도 정보, 물리적 위치 정보 즉 색상 및 조명이 투영된 물리적 대상체의 위치는 비일시성 컴퓨터 판독가능 저장 장치 내의 픽셀과 관련될 수 있다. 아래의 표 1은 이러한 관련성을 설명한다.

픽셀 식별자

색상값

조도값

위치(x, y, z)

Q3D 정보를 결정하는 예

투영 정합(projection matching)의 예

일부 실시예에 따라, 도 11은 3개의 예시적인 대상체를 포함하고 있는 예시적인 3차원 실세계 장면을 포함하는 시계를 가지도록 배치된 센서들(S₁₁-S₃₃)의 어레이를 포함하고 하나의 예시의 센서 어레이(210)의 설명도이다. 전술한 바와 같이, 어레이 내의 각각의 센서(S_ij)는 각각의 차원으로 적어도 2개의 픽셀을 갖는 2차원 픽셀 배열부를 포함한다. 각각의 센서는 렌즈 스택을 포함하고, 렌즈 스택은 그것의 초점면 내에 배치된 대응하는 픽셀 배열부 상에 영상을 해상하는 개별적인 광 채널을 발생시킨다. 각각의 픽셀은 광 센서로서 작용하고, 다수의 픽셀을 가진 각각의 초점면은 영상 센서로서 작용한다. 그것의 초점면을 가진 각각의 센서(S₁₁-S₃₃)는 다른 센서들 및 초점면들에 의해 차지되는 센서 어레이의 영역과 다른 센서 어레이의 일정 영역을 차지한다. 적합한 공지의 영상 센서 어레이들이 상술한 미국 특허 US 8,514,491(2010년 11월 22일 출원) 및 미국 특허 출원 공개 US 2013/0070060(2012년 9월 19일 출원)에 개시되어 있다.

일부 실시예에 따라, 센서들은 N_x 및 N_y. 그들의 x 방향 및 y 방향의 픽셀들의 총 개수 및 시계각(field of view angle)(θ_x 및 θ_y)에 의해 특징지어진다. 일부 실시예에 있어서, x 축 및 y 축에 대한 센서 특성은 동일할 것으로 예상된다. 하지만, 변경된 실시예에 있어서, 센서는 비대칭적인 x 축 및 y 축 특성을 갖는다. 마찬가지로, 일부 실시예에 있어서, 모든 센서는 픽셀의 총 개수 및 동일한 시계각을 가질 것이다. 센서들은 양호하게 제어되도록 센서 어레이(210)에 걸쳐 분포된다. 예를 들어, 센서들은 도시된 2차원 격자 상에서 거리(δ)만큼 이격될 수 있다. 센서 배치 피치(δ)는 상기 격자에 결쳐 대칭적이거나 비대칭적일 수 있다.

도 11에 도시된 실시예에 있어서, 센서들은 센서(S₁₁-S₁₃)가 상부 행을 차지하고, 센서(S₂₁-S₂₃)가 중간 행을 차지하고, 센서(S₃₁-S₃₃)가 하부 행을 차지하는 식으로 사격형 격자 내에 배열되어 있다. 각각의 센서는 N열의 픽셀 및 N행의 픽셀(도시되지 않음)을 포함한다. 광원에 의해 생성된 광선들이 파선들로 지시된 바와 같이 삼각형 제1 대상체, 구형 제2 대상체 및 사각형 제3 대상체의 각각으로부터 이미저 어레이의 각각의 센서로 반사된다. 예시를 목적으로, 상부 행의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)로의 광선들만이 도시되어 있다. 광원은 예컨대 비구조 백색광(non-structured white light) 또는 주변광일 수 있다. 선택적으로, 광원은 가시광선 또는 적외선 스펙트럼 내와 같은 선택된 파장의 광을 제공할 수 있으며, 또는 광이 예컨대 선택된 파장(예컨대, 색상)이나 파장의 범위(예컨대, 색상의 범위)를 제공하도록 여과되거나 분할될 수 있다. 광선들은 마찬가지로 대상체들의 각각으로부터 센서(S₂₁-S₃₃)로 반사된다는 것을 이해할 것이다. 하지만, 설명을 간단히 하기 위해, 이 다른 광선들은 도시되지 않았다. 또한, 일부 구현예에 있어서, 센서에 입사되는 광은 에너지원에 의해 여기되는 형광(fluorescence) 시와 같이 대상체들에서 발원하며, 반사광의 설명은 이러한 상황도 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.

모듈(401 및 402.1)에 따라, 센서 어레이(210)의 센서들은 세계 뷰로부터 영상들을 개별적으로 취득한다. 도 12는 일부 실시예에 따른, 3개의 대상체의 센서(S_ij)(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃만 도시됨) 상으로의 투영들을 나타낸 설명도이다. 당업자는 센서들에 입사하는 반사된 광선들이 시계 내에 있는 대상체들의 영상을 투영한다는 것을 이해할 것이다. 더 구체적으로는, 이미저 어레이의 다수의 상이한 영상 센서에 입사하는 시계 내의 대상체들로부터 반사된 광선들은 3차원에서 2차원에 이르는 대상체들의 다수의 투시 투영(perspective projection) 즉 반사된 광선들을 수취하는 각각의 센서에서의 상이한 투영을 발생시킨다. 특히 대상체들의 투영들의 상대 위치는 S₁₁으로부터 S₁₂로, S₁₃로 진행할 때 좌에서 우로 시프트된다. 입사 광선들에 의해 조명되는 영상 센서 픽셀들은 입사광에 응답하여 전기 신호를 생성한다. 따라서, 각각의 영상 센서마다, 그것의 픽셀들에 의해 영상 센서 내의 영상 투영의 형상 및 위치를 나타내는 반사된 광선들에 응답하여 일정 패턴의 전기 신호들이 생성된다.

모듈(402.2)에 따라, 관심 영역이 세계 장면(world scene)으로부터 선택된다. 도 13은 장면 내에서의 관심 영역(ROI)의 선택을 나타내는 설명도이다. 이 예에 있어서는, 삼각형 제1 대상체, 구형 제2 대상체 및 사각형 제3 대상체 모두가 선택된 관심 영역 내에 있다. 이 단계는 오퍼레이터로부터 입력을 수취하는 것에 의해 성취될 수 있으며, 또는 소프트웨어에 의해 소정의 방식으로 구성된 컴퓨터를 이용하여 자동적으로 또는 오퍼레이터 입력과 자동 소프트웨어 제어식 선택의 조합에 의해 실행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에 있어서, 세계 장면은 인간 해부학적 구조부의 내강(internal cavity)을 보여줄 수 있고, 대상체들은 체내 기관들이나 수술 기기들 또는 그 일부분일 수 있다. 외과의는 내강 내로부터의 실시간 시각 영상을 수취할 수 있으며, 인간 해부학적 구조부의 조직 영역들과 체강 내에서 돌출한 수술 기기의 일부분을 볼 수 있다. 외과의는 텔레스트레이션 비디오 마커(telestration video marker)(예컨대, 미국 특허 US 7,907,166 B2(2005년 12월 30일 출원 참조)와 같은 공지된 기술을 통해 그것의 위치 정보가 결정될 시계 내의 대상체들을 특정할 수 있다. 선택적으로 또는 그와 같은 오퍼레이터 요청에 더하여, 에지 검출 알고리즘(edge detection algorithm)과 같은 자동화된 프로세스가 관심 영역을 특정하는 데 사용될 수 있다.

모듈(402.3)에 따라, 동일한 목표 대상체의 투영들에 의해 조명된 상이한 센서들의 픽셀 위치들을 식별하도록 관심 영역 내의 장면 영상들 사이에서 최상의 정합이 결정된다. 도 14는 일부 실시예에 따른, 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)에 투영된 영상들의 상대적인 기하학적 오프셋 형상에 대한 추가 세부 사항을 도시한 설명도이다. 일부 실시예에 따라, 센서(S₁₃)에서의 영상이 참조 영상(reference image)으로 간주되고, 선택된 ROI 내의 대상체들의 투영들은 센서(S₁₃) 내에서의 그들의 위치에 대해 센서(S₁₂) 내에서 양(σ₂₃) 픽셀만큼 우측으로 오프셋된다. 마찬가지로, 선택된 ROI 내의 대상체들의 투영들은 센서(S₁₃) 내에서의 그들의 위치에 대해 센서(S₁₁) 내에서 양(σ₁₃) 픽셀만큼 우측으로 오프셋된다. 센서(S₁₂, S₁₁)의 FOV 관찰 축들이 각각 센서(S₁₃)의 FOV 관찰 축(센서들의 평면에 수직인 관찰 축들과 같은)의 우측으로 오프셋되기 때문에, ROI에서 투영된 영상들은 센서(S₁₃)에 대해 센서(S₁₂ 및 S₁₁)에서 좌측으로 오프셋된다.

도 15는 일부 실시예에 따른, 센서(S₁₃) 내의 ROI 내의 투영된 영상들과 정렬되도록 우측으로 시프트된 센서(S₁₁ 및 S₁₂) 내의 ROI 내의 투영된 영상들을 도시한 설명도이다. 현재의 예에 있어서는, 센서(S₁₃)가 참조 센서로서 작용하도록 지정된다. 다른 센서들이 정렬 및 기하학적 치수들을 결정하는 데 사용하기 위해 선택될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 선택된 ROI 내의 대상체들의 투영들은 예컨대 센서(S₁₃)와 같은 지정된 센서에서 식별되고, 예컨대 센서(S₁₁ 및 S₁₂)와 같은 다른 센서들에서의 투영들은 그들이 지정된 센서에서의 투영과 정렬될 때까지 시프트된다. 이러한 방식으로, 선택된 ROI 내의 대상체들의 대응되는 투영들이 지정된 센서 내에서의 투영들의 위치에 대한 그들의 오프셋들과 함께 다른 센서들 내에서 식별될 수 있다.

구체적으로, 예를 들어, 3개의 예시의 대상체의 투영들이 센서(S₁₂) 내에서 양(σ₂₃) 픽셀만큼 우측으로 시프트되고, 3개의 예시의 대상체의 투영들이 센서(S₁₁) 내에서 양(σ₁₃) 픽셀만큼 우측으로 시프트된다. 이 설명예에 있어서는, 설명을 간단히 하기 위해, 투영들이 y 방향으로만 오프셋되고, x 방향으로는 오프셋되지 않는 것을 가정하였지만, 동일한 원리가 센서들 간의 x 방향 투영 오프셋들에도 적용된다. 또한, 이 예는 선형 오프셋들을 도시하고 있지만, 당업자는 예를 들어 다른 센서들에서 상대적인 오프셋들을 가지는 투영들을 정렬시키기 위한 회전과 같은 다른 변환들에 적용할 수 있다.

예컨대 일부 실시예에 따라, 2차원(2D) 상호 상관 기법(cross-correlation technique)이나 주성분 분석(principal component analysis)(PCA)이 S₁₃ 내의 ROI 내의 투영들을 S₁₂ 내의 ROI 내의 투영들과 정렬시키고, S₁₃ 내의 ROI 내의 투영들을 S₁₁ 내의 ROI 내의 투영들과 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 그 의도는 센서(S_ij)로부터의 영상들을 참조 센서로서 지정된 센서로부터의 영상과 최상으로 정합시키거나 정렬시키고자 하는 것이다. 더 구체적으로는, 최고 상관 계수가 성취될 때까지, S₁₂ 내의 ROI 내의 투영된 영상들이 시프트되고, S₁₃ 내의 ROI 내의 투영된 영상들과 상호 상관된다. 마찬가지로, 최고 상관 계수가 성취될 때까지, S₁₁ 내의 ROI 내의 투영된 영상들이 시프트되고, S₁₃ 내의 ROI 내의 투영된 영상들과 상호 상관된다. 따라서, ROI의 투영들의 정렬은 S₁₃ 내의 ROI 내의 투영과 S₁₂ 내의 ROI 내의 투영 사이의 오프셋을 결정하고, S₁₃ 내의 ROI 내의 투영과 S₁₁ 내의 ROI 내의 투영 사이의 오프셋을 결정함으로써, 센서(S₁₁ 및 S₁₂) 내의 ROI의 투영들의 위치를 식별하는 데 사용된다.

후보 픽셀 선택 및 정제의 예

모듈(402.4)에 따라, 후보 픽셀들이 최상의 정합 프로세스에 의해 동일한 목표로부터의 투영들에 의해 조명되는 상이한 센서들 내에서 식별된다. 일단 ROI 내의 대상체들의 투영들이 ROI 내의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 각각에서 식별되면, ROI 내의 각각의 목표점들의 물리적 (x, y, z) 투영들이 이미저 어레이에 대해 결정될 수 있다. 일부 실시예에 따라, ROI 내의 다수의 목표점의 각각에 대해, 목표점으로부터의 투영에 의해 조명되는 다수의 센서의 각각의 센서 내의 하나 이상의 픽셀이 식별된다. 이러한 각각의 목표점에 대해, 물리적 (x, y, z) 목표점 위치가 적어도 부분적으로 목표점으로부터의 투영들에 의해 조명되는 것으로 결정된 상이한 센서들 내에 배치된 픽셀들 간의 기하학적 관계들에 기초하여 결정된다.

일정 시퀀스의 목표점들이 ROI를 체계적으로 횡단이동하는 것에 의해(예컨대 특정 단계 크기를 가지고 우측에서 좌측으로 그리고 특정 단계 크기를 가지고 위에서 아래로) 자동적으로 선택될 수 있고, 물리적 (x, y, z) 목표점 위치가 각각의 선택된 목표점에 대해 결정될 수 있다. S₁₁ 및 S₁₂가 S₁₃에 대해 최상으로 정합되기 때문에, 횡단이동은 시프트되는 관심 영역 내부에서 실행된다. 목표를 선택하는 것은 목표의 투영에 의해 조명되는 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 각각의 센서 내의 픽셀을 식별하는 것을 포함한다. 따라서, 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 각각의 센서 내의 후보 픽셀들은 선택된 목표점의 투영에 의해 조명되는 것으로서 식별된다.

다시 말해, 목표점(T)을 선택하기 위해, 목표점(T)의 투영에 의해 조명되는 픽셀이 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 각각에서 선택된다. 목표(T)의 (x, y, z) 물리적 위치는 그것의 선택의 순간에는 알려져 있지 않다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상술한 정렬 프로세스의 부정확성이 각각의 센서 내의 어느 픽셀들이 선택된 목표(T)의 투영에 의해 조명되는지의 판정에 있어서의 부정확성을 초래할 수 있다. 따라서, 도 17, 18 및 19를 참조하여 설명되는 바와 같이, 현재 선택된 목표(T)의 투영에 의해 조명되는 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 각각의 센서 내의 픽셀들에 대한 판정의 정확성에 대한 추가적인 판정이 이루어진다.

상기 예로 설명을 계속하여, 삼각형 제1 대상체가 현재 선택된 목표점이라고 가정하자. 도 16은 일부 실시예에 따른, 선택된 삼각형 목표점의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃) 상으로의 투영들을 도시한 설명도이다. 이러한 투영들로부터, 목표(T)에 대한 2D 픽셀 좌표들 [(Nx₁₁, Ny₁₁), (Nx₁₂, Ny₁₂), (Nx₁₃, Ny₁₃)]이 결정된다. 단순화를 위해, 도 16은 단지 y 축 픽셀 좌표들만 도시하고 있다. 이러한 2D 픽셀 좌표들을 사용하여, 식 (402.5-1) 및 (402.5-2)이 적용되고,

및

가 모듈(402.5)의 일부로서 연산된다. 모듈(402.6)의 일부로서, 놈

이 연산되어, 허용가능한 공차(

)와 비교된다. 마찬가지로, x 축 픽셀 좌표들 및 위치 추정값이 연산되어 허용가능한 공차들과 비교된다. 모듈(402.6)의 조건이 충족되면, 프로세스는 모듈(403)로 진행한다. 그렇지 않으면, 프로세스는 목표 후보들을 정제하기 위해 모듈(402.4)로 되돌아간다.

도 17을 참조하면, 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)를 포함하는 이미저 어레이의 일부분 및 물리적 공간 내의 위치(x, y, z)에 배치된 선택된 삼각형 제1 대상체 목표점(T)이 도시되어 있다. 이미저 어레이 내의 센서들은 그들 사이에 알려진 간격(δ_ij)을 가지고 있다. S₁₁과 S₁₂ 사이의 물리적 포지션 간격은 δ₁₂이고, S₁₂과 S₁₃ 사이의 물리적 포지션 간격은 δ₂₃이이다. 일부 실시예에 있어서, 모든 센서(S_ij) 사이의 간격은 δ로 동일한 구조적 사양이다. 센서(S_ij)는 또한 알려진 시계각(θ)을 가지고 있다.

전술한 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 각각의 센서는 사각형 패턴의 행과 열로 배열된 픽셀들을 가진 2D 촬상 소자로서 구성된다. 선택적으로, 픽셀은 예컨대 원형 패턴, 지그재그 패턴, 산란형 패턴 또는 서브픽셀 오프셋(sub-pixel offset)을 포함하는 불규칙 패턴으로 배열될 수 있다. 이러한 소자들의 각도 및 픽셀 특성들은 동일할 수 있으며, 또는 센서마다 상이할 수 있다. 하지만, 이러한 특성들은 알려져 있는 것으로 가정된다. 센서들이 상이할 수도 있지만, 설명을 간단히 하기 위해, 센서들은 동일한 것으로 가정된다.

단순화를 위해, 모든 센서(S_ij)는 N×N 픽셀을 가진다고 가정한다. 센서(S₁₁)로부터의 거리(z)에서, 센서의 N 픽셀 폭은 FOV₁으로 지시된 센서(S₁₁)의 y 차원 시계로 확장된다. 마찬가지로, 센서(S₁₂)로부터의 거리(z)에서, 센서(S₁₂)의 y 차원 시계는 FOV₂로 지시되어 있다. 또한, 센서(S₁₃)로부터의 거리(z)에서, 센서(S₁₃)의 y 차원 시계는 길이(FOV₃)로 지시되어 있다. 길이 FOV₁, FOV₂ 및 FOV₃는 서로 중첩되어, 센서(S11, S12 및 S13)가 어떤 (알려지지 않은) 거리(z)에 물리적으로 위치된 목표(T)의 3원 표본추출 다이버시티(3-way sampling diversity)를 성취하는 것을 나타낸다. 물론, 이 예에서 가정된 바와 같이 센서들이 동일하게 구성된 경우, 길이 FOV₁, FOV₂ 및 FOV₃ 역시 동일할 것이다. 3개의 길이 FOV₁, FOV₂ 및 FOV₃ 모두가 동일한 크기를 가지고, 설명을 목적으로 마치 그들이 서로 인접하여 적층된 것처럼 묘사되어 있지만, 그들이 이미저 어레이로부터 동일한 어떤 (알려지지 않은) 거리(z)에 위치하고 있다는 점에서 동일 평면상에 위치한다는 것이 이해될 것이다.

도 18을 참조하면, 현재 선택된 목표점(T)의 영상 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃) 상으로의 투영의 예시적인 정면도가 도시되어 있다. 단순화를 위해, 센서들이 크기 N×N 픽셀의 기하학적 사각형 픽셀 어레이를 포함하는 것으로 가정한다. 또한, 목표(T) 투영의 x 좌표들이 모두 동일한 것으로 가정한다. 다시 말해, 목표(T)의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃) 상으로의 투영들에 대해, n_x1 = n_x2 = n_x3인 것으로 가정한다. 설명을 간단히 하기 위해, 또한 기하학적 시계각(θ)은 수평방향일 때와 수직방향일 때가 동일한 것으로 즉 θ_x = θ_y인 것으로 가정한다. 당업자는 상기 가정들 중의 어느 것이 변경되는 경우에 목표(T)의 x, y 및 z 물리적 좌표들를 연산하기 위해 아래에 제공되는 프로세스를 어떻게 변경해야 할지를 알 것이다.

목표(T)의 하나의 영상이 영상 센서(S₁₁)의 평면 내의 기하학적 좌표(n_x1, n_y1)에 위치한 센서(S₁₁) 내의 하나의 물리적 점에 투영된다. 더 구체적으로는, 목표점(T)의 센서(S₁₁) 상으로의 투영은 원점에서 보았을 때 y 축을 따라 n_y1 픽셀에 그리고 x 축을 따라 n_x1 픽셀에 위치된다. 목표(T)의 하나의 영상이 영상 센서(S₁₂)의 평면 내의 기하학적 좌표(n_x2, n_y2)에 위치한 센서(S₁₂) 내의 하나의 물리적 점에 투영된다. 목표(T)의 하나의 영상이 영상 센서(S₁₃)의 평면 내의 기하학적 좌표(n_x3, n_y3)에 위치한 센서(S₁₃) 내의 하나의 물리적 점에 투영된다. 각각의 센서 내의 픽셀 위치(n_xi, n_yi)는 센서에 대해 제공된 원점(0, 0) 기준 좌표에 대해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 도 17 또는 도 19에 도시된 바와 같이, 전역 좌표계 (x, y, z)가 정의되고, 목표에 대한 기준으로 사용된다. 예를 들어, 이러한 좌표계의 원점은 센서(S₁₁)의 기하학적 중심에 배치될 수 있다(이에 한정되지 않음).

도 16과 도 18을 함께 참조하면, 목표의 투영의 y 픽셀 거리가 각각의 센서에서 상이하다는 것을 알 수 있다. 현재 선택된 목표(T)의 투영은 S₁₁에서 원점의 좌측으로 n_y1 픽셀에 위치된다. 현재 선택된 목표(T)의 투영은 S₁₂에서 원점의 좌측으로 n_y2 픽셀에 위치된다. 현재 선택된 목표(T)의 투영은 S₁₃에서 원점의 좌측으로 n_y3 픽셀에 위치된다. 전술한 바와 같이, 설명을 간단히 하기 위해, 목표의 투영은 모든 3개의 센서에서 원점으로부터 동일한 x 픽셀 거리에 위치하는 것으로 가정한다.

도 19를 참조하면, 도 17을 참조하여 상술한 바와 같은 현재 선택된 목표(T)의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)에 대한 배치가 도시되어 있고, 또한 각각의 센서 내의 후보 픽셀에 대한 y 방향 픽셀 오프셋들을 도시하고 있다. 도 19의 도면은 선택된 목표점(T)의 (x, y, z) 물리적 좌표들을 결정하기 위한 물리적 구조 및 분석틀을 제공한다. 이미저 어레이 평면으로부터의 (알려지지 않은) 거리(z)에서, 각각의 센서에 대한 y 방향 시계는 FOV_i로 표기된 길이에 걸쳐 확장된다. 이 길이 FOV_i는 일부 실시예에 있어서 N 픽셀인 센서의 최대 픽셀 폭에 대응된다. 센서가 x 및 y 방향으로 대칭인 시계를 가진다는 작동상의 가정을 고려하면, 그 길이는 x 축을 따라 수직방향으로도 FOV_i일 것이다.

후보 픽셀 선택이 적어도 부분적으로 선택된 목표의 물리적 위치의 결정에 있어서의 부정확성을 초래할 수 있는 정도의 불확실성을 가질 수 있는 상관 프로세스에 기초하여 이루어진다는 점을 상기하자. 따라서, 일부 실시예에 따라, 목표 투영 후보 선택의 정확성의 추가적인 점검이 아래와 같이 이루어진다.

목표의 물리적 (x, y) 위치 결정 및 목표 투영 후보 선택의 정확성 점검의 예

모듈(402.5)에 따라, 후보 픽셀들이 실제로 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명되는지의 여부를 판정하기 위해, 2개 이상의 2차원 (N_x, N_y) 좌표값이 선택된 목표에 대해 연산된다. 상술한 가정들에 기초하여, 3D 좌표계의 원점을 센서(S₁₁)의 중심에 두면, 도 19의 예의 이미저 어레이 및 현재 선택된 목표(T)는 다음의 관계들을 가진다.

여기서:

N은 영상 센서들의 픽셀 치수이고;

n_x1은 목표점(T)의 S₁₁ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 x 방향의 포지션이고;

n_y1은 목표점(T)의 S₁₁ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 y 방향의 포지션이고;

n_x2는 목표점(T)의 S₁₂ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 x 방향의 포지션이고;

n_y2는 목표점(T)의 S₁₂ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 y 방향의 포지션이며;

θ는 시계각이다.

또한, 센서(S₁₁ 및 S₁₃)를 사용하여 동일 수식을 실행하는 경우, S₁₁과 S₁₃ 사이의 간격이 2δ인 것을 고려하면, 다음의 관계식을 얻는다.

여기서:

n_x3는 목표점(T)의 S₁₃ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 x 방향의 포지션이고;

n_y3는 목표점(T)의 S₁₃ 평면의 원점으로부터의 픽셀의 개수로 표현되는 y 방향의 포지션이다.

따라서, 선택된 목표(T)의 물리적 x 좌표의 결정은 식 (3) 또는 (6)에 기초하여 결정될 수 있다. 선택된 목표(T)의 물리적 y 좌표의 결정은 식 (2) 또는 (5)에 기초하여 결정될 수 있다. 선택된 목표(T)의 물리적 z 좌표의 결정은 식 (1) 또는 (4)에 기초하여 결정될 수 있다.

더 일반적으로는, 모듈(402.6)에 따라, 연산된 2D 좌표값들이 후보 픽셀들이 동일한 목표로부터의 투영에 의해 조명된다는 것을 지시하는지의 여부의 판정이 이루어진다. 목표(T)의 물리적 (x, y, z) 좌표들의 보다 신뢰성 있는 판정은 각각의 좌표에 대한 2개의 수식의 사용을 통해 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 목표(T)에 대한 y 좌표는 양 수식 (2) 및 (5)를 사용하여 결정될 수 있다. 2개의 수식을 사용하여 연산된 결과의 y 좌표값들이 특정의 허용가능한 공차 값(

_y)보다 더 크게 다를 경우에는, 정합 프로세스가 충분한 정밀도로 상이한 센서들 내에서의 투영들 간의 오프셋을 해소하는 데 실패하였고, 그 결과 후보 픽셀들이 동일한 목표(T)로부터의 투영들을 수취하지 못하므로 부합하지 못한다는 판정이 내려질 수 있다. 정합하기 위한 y 연산에 실패한 경우에는, 정합 프로세스의 또 다른 반복이 각각의 후보 픽셀이 선택된 목표에 대응되는 센서들 내의 후보 픽셀들의 개선된 선택을 이루려는 노력의 일환으로 실행될 수 있다. 상이한 센서들 상으로의 상이한 투시 투영들이 예컨대 시차 효과(parallax effect) 등으로 인해 다를 수 있기 때문에, 연산된 y 값들이 동일할 가능성이 적다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 허용가능한 공차값이 의도된 적용처에 따라 규정된다. 수술 영상 적용처에 대해서는, 일반적으로 0.1 - 0.3 mm의

가 허용가능한 Q3D 정확도를 제공한다. 당업자는 본 발명의 기술사상에서 벗어나지 않고 다양한 허용가능한 공차 레벨들을 정할 수 있을 것이다.

x 및 y 축 둘레의 센서 대칭성을 상정하면, 당업자는 동종의 판정이 n_y1 대신 n_x1을 사용하여 수식 (2) 및 (5)와 유사한 수식들을 이용하여 목표(T)의 x 좌표들에 대해 이루어질 수 있다. 수식 (3) 및 (6)은 z 좌표의 지식을 요구하기 때문에 모듈(402.5 및 402.6)의 부분에 사용될 수 없다. 하지만, 모듈(402.5 및 402.6)의 본질은 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)의 평면들로의 정확한 목표 투영들을 판정하는 것이다. 이를 위해, x 및 y 축에 대해 조정된 수식 (2) 및 (5)가 충분하다. 후술하는 바와 같이, 완벽한 세트의 좌표 (x, y, z)는 모듈(403 및 404)의 연산분이다.

목표의 물리적 z 위치 결정의 예

도 19에 도시된 바와 같이, 모듈(403 및 404)에 따라, z 좌표에 대한 초기 추정값 z₀가 연산 프로세스를 시작하는 데 사용된다. 이 초기값은 의료 적용처에 따라 자동적으로 정해진다. 의료 적용처는 시각화될 의도된 세계 뷰(intended world view)를 한정한다. 초기값 z₀는 내시경에 가정 근접한 시계의 가장자리에서 시작한다. 도 8을 참조하면, 내시경적 절제술을 포함하는 Q3D 적용처에 대해, z₀는 예컨대 Q3D 내시경(202)의 원위 단부(208)로부터 1-5mm 떨어진 곳일 수 있다. 이러한 초기 추정값은 일반적으로 임의의 조직이나 수술 기기가 Q3D 내시경에 그와 같이 밀접해 있을 가능성이 적기 때문에 이러한 적용처에 대해 충분하다. 다음으로, 값 z₀가 수식 (3) 및 (6)에 대입된다. 목표의 x 좌표가 유일한 것을 고려하면, z₀가 목표의 실제의 정확한 z 좌표이면, 수식 (3) 및 (6)은 동일한 값 또는 허용가능한 수준의 공차(

_x) 내의 대략 동일한 값을 산출할 것이다.

수식 (3)과 (6)의 산출값이 허용가능한 공차(

_x) 밖에 있으면, 반복(iteration)이 이어져, z에 대한 새로운 추정값 z₁이 시도된다. 일부 실시예에 따라, 새로운 추정값은 자동적으로 정해진다. 예컨대, z₁ = z₀ + D, 여기서 Δ는 반복 단계의 크기이다. 일반적으로, k번째 반복에서는 z_k = z_{k -1} + Δ. 이 반복 프로세스는 조건 (7)이 충족될 때 중지된다. Δ가 작을수록 정확한 목표 좌표를 결정함에 있어서의 정확성의 증가를 낳지만, 프로세스를 완료하는 데 더 많은 연산 시간, 그에 따른 증가된 대기 시간도 필요로 할 것이다. 증가된 대기 시간은 수술 기기 운동과 조작하는 외과의에 의한 그것의 시각화 사이에 지연을 초래할 수 있다. 다시 말해, 외과의는 명령에 뒤처져 시스템을 지각할 수 있다(즉, 실시간으로 동작하지 않음). 20-30 cm 깊이의 수술 관찰 공간에 대해서는, 0.1-0.3 mm의 Δ가 충분할 수 있다. 물론, 당업자는 반복 프로세스를 완료하는 데 필요한 연산에 대해 Δ의 크기를 조정할 줄 알 것이다.

상기 설명은 설명을 이유로 단순화되었고, 따라서 3개의 센서(S₁₁, S₁₂ 및 S₁₃)만을 포함하였다. 일반적으로는, Q3D 좌표 연산의 정확성을 증가시키면서 또한 전체 반복의 수를 감소시키기 위해 더 많은 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 3개보다 더 많은 센서, 바람직하게는 3×3 센서 어레이가 사용되면, 최급 구배(steepest gradient)와 같은 방법들이 모듈(402.5 및 403)에 의해 만들어지는 추정값 오차들의 방향성의 추세를 결정하는 데 채용될 수 있다. 그러면, 반복 단계 크기 및 방향이 3D 오차 구배면의 국소적 극단을 향한 진행과 조화되도록 조정될 수 있다.

Q3D 정보에 의한 내시경 수술 가이드

도 20은 일부 실시예에 따른 수술 과정 중에 Q3D 정보를 사용하기 위한 제1 프로세스(2000)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 컴퓨터 프로그램 코드는 프로세스(2000)를 실행하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 모듈(2002)은 뷰어(312)를 들여다 볼 때의 외과의의 시계 내의 적어도 2개의 대상체를 선택하기 위한 사용자 입력을 수신하도록 컴퓨터를 구성한다. 모듈(2004)은 사용자 선택의 수신에 응답하여 컴퓨터 콘솔 상에 메뉴를 표시하도록 컴퓨터를 구성한다. 판정 모듈(2006)은 메뉴에 대한 사용자 입력이 거리를 표시하기 위해 수신되는지의 여부를 판정하도록 컴퓨터를 구성한다. 사용자 입력이 거리를 표시하기 위해 수신된다는 판정에 응답하여, 모듈(2008)은 외과의의 시계 내의 비디오 영상 내에 수치 거리를 표시하도록 컴퓨터를 구성한다. 판정 모듈(2010)은 거리 표시를 선택하기 위한 사용자 입력의 수신을 위한 규정된 시간 간격 동안 대기하고, "타임 아웃(time out)" 간격 내에서의 사용자 입력의 미수신에 응답하여 판정 모듈(2006)의 동작을 종료하도록 컴퓨터를 구성한다.

판정 모듈(2012)은 메뉴에 대한 사용자 입력이 근접 경보 한계를 입력하기 위해 수신되는지의 여부를 판정하도록 시스템을 구성한다. 사용자 입력이 근접도 임계값을 입력하기 위해 수신된다는 판정에 응답하여, 모듈(2014)은 외과의의 시계 내의 2개 이상의 대상체 사이의 근접도를 모니터하기 위한 Q3D 정보를 사용하도록 컴퓨터를 구성한다. 판정 모듈(2016)은 근접도 임계값이 초과되었는지의 여부를 판정한다. 근접도 임계값이 초과되었다는 판정에 응답하여, 모듈(2018)은 경보를 발동하도록 컴퓨터를 구성한다. 경보는 소리, 깜빡이는 불빛과 같은 시각적 큐(visual queue), 충돌을 회피하기 위한 기기 운동의 잠금 또는 다른 촉각 피드백을 포함할 수 있다. 근접도 임계값이 초과되지 않았다는 판정에 응답하여, 제어는 다시 모니터 모듈(2014)로 되돌아간다. 판정 모듈(2020)은 근접도 임계값을 입력하기 위한 사용자 입력의 수신을 위한 규정된 시간 간격 동안 대기하고, "타임 아웃(time out)" 간격 내에서의 사용자 입력의 미수신에 응답하여 판정 모듈(2012)의 동작을 종료하도록 컴퓨터를 구성한다.

도 21은 일부 실시예에 따른, 도 20의 프로세스에 따라 디스플레이 스크린(2012) 상에 표시되는 메뉴 선택을 도시한 설명도이다. 디스플레이 스크린(2102)은 컴퓨터(151)와 관련된 관찰 모니터를 포함한다. 선택적으로, 디스플레이 스크린(2102)은 뷰어(312)의 관찰 요소(401R, 401L)의 영역을 포함할 수 있다. 사용자 입력에 응답하여, 모듈(2004)은 제1 메뉴 항목 "거리 표시"(2106) 및 제2 메뉴 항목 "근접 경보 설정"(2108)을 포함하는 메뉴(2104)의 표시를 일으킨다. "거리 표시" 메뉴 항목(2106)을 선택하는 사용자 입력에 응답하여, 모듈(2008)은 2개 이상의 대상체 간의 Q3D 거리의 표시를 일으킨다. 도 4를 다시 참조하면, 모듈(2008)을 사용하여 표시된 기기(400)와 목표 사이의 Q3D 거리 "d_Instr_Trgt"의 표시가 도시되어 있다. "근접 경보 설정" 메뉴 항목(2108)을 선택하는 사용자 입력에 응답하여, 그 안에 사용자가 근접도 거리 임계값(예컨대, 1 cm)을 입력할 수 있은 필드를 포함하는 "거리 입력" UI 입력부(2110)가 표시된다. 하나의 대안적인 실시예(도시되지 않음)에 있어서는, 디폴트 근접도 임계값(default proximity threshold)이 모든 기기에 대해 미리 설정될 수 있고, 사용자는 예를 들어 도 21의 메뉴를 사용하여 근접도 임계값를 변경할 수 있다. 이 대안적인 실시예에 있어서, 사용자는 임계값을 입력하는 대신 디폴트 임계값을 고르도록 선택할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 사용자는 거리를 표시하고 근접 경보를 설정하는 것을 모두 선택할 수 있다.

22a-22b는 일부 실시예에 따른, 도 20의 프로세스에 따라 사용자 입력을 수신하는 것의 특정 세부 사항들을 나타낸 설명도들이다. 도 22a는 텔레스트레이션(telestration)과 같은 비디오 마커 툴(video marker tool)을 사용하거나 도 5의 제어 입력 장치(160)를 조작하는 외과의 콘솔을 사용하여 생성될 수 있는, 신체 조직과 같은 목표(410L, 410R)의 예시의 제1 하이라이팅 영역(first highlighting area)(2202L, 2202R)을 도시하고 있다. 도 22b는 비디오 마커 툴(video marker tool)을 사용하여 생성될 수 있는 기기 팁(400L, 400R)의 예시의 제2 하이라이팅 영역(2206L, 2206R)을 도시하고 있다. 일부 실시예에 따른 작동에 있어서, 사용자는 제1 하이라이팅 영역(2202L, 2202R)을 생성한다. 다음으로, 사용자는 비디오 마커 툴를 사용하여 기기 팁(400L, 400R)의 예시의 제2 하이라이팅 영역(2206L, 2206R)을 생성한다. 항목들이 하이라이트되는 순서는 중요하지 않다는 것이 이해될 것이다. 사용자는 다음으로 선택을 입력하기 위한 선택기(selector)(도시 암됨)를 작동시킨다(예컨대, Enter 키를 누른다). 모듈(2002)은 수신된 사용자 입력을 목표 영상(410L, 410R) 및 기기 영상(400L, 400R)의 선택으로서 해석한다.

도 23은 일부 실시예에 따른, 수술 과정 중에 Q3D 정보를 사용하기 위한 제2 프로세스(2300)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 컴퓨터 프로그램 코드는 프로세스(2300)를 실행하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 모듈(2302)은 뷰어(312)를 들여다 볼 때의 외과의의 시계 내의 적어도 대상체를 선택하기 위한 사용자 입력을 수신하도록 컴퓨터를 구성한다. 예를 들어, 도 22b를 다시 참조하면, 사용자 입력은 비디오 마커 툴을 사용하여 기기 팁(400L, 400R)의 제2 하이라이팅 영역(2206L, 2206R)을 생성하도록 수신된다. 사용자 입력(도시되지 않음)은 기기 팁(400L, 400R)의 영상의 선택을 입력하기 위한 선택기(도시 안됨)를 작동시키도록 수신된다(예컨대, Enter 키를 누른다).

다시 한번 도 23으로 돌아가면, 사용자 선택의 수신에 응답하여, 모듈(2304)은 컴퓨터 콘솔 상에 메뉴를 표시하도록 컴퓨터를 구성한다. 판정 모듈(2306)은 메뉴에 대한 사용자 입력이 선택된 대상체의 영상을 회전시키도록 수신되는지의 여부를 판정하도록 컴퓨터를 구성한다. 사용자 입력이 영상을 회전시키도록 수신된다는 판정에 응답하여, 모듈(2308)은 대상체의 다른 3차원 투시를 보여주기 위해 영상의 회전을 표시하도록 컴퓨터를 구성한다. 판정 모듈(2310)은 영상을 회전시키기 위한 사용자 입력의 수신을 위한 규정된 시간 간격 동안 대기하고, "타임 아웃(time out)" 간격 내에서의 사용자 입력의 미수신에 응답하여 판정 모듈(2306)의 동작을 종료하도록 컴퓨터를 구성한다.

도 24는 일부 실시예에 따른, 도 23의 프로세스에 따라 디스플레이 스크린(2402) 상에 표시되는 메뉴 선택을 도시한 설명도이다. 디스플레이 스크린(2402)은 컴퓨터(151)와 관련된 관찰 모니터를 포함한다. 선택적으로, 디스플레이 스크린(2402)은 뷰어(312)의 관찰 요소(401R, 401L)의 영역을 포함할 수 있다. 사용자 입력에 응답하여, 모듈(2304)은 제3 메뉴 항목 "좌회전"(2406) 및 제4 메뉴 항목 "우회전"(2408)을 포함하는 메뉴(2404)의 표시를 일으킨다. 제3 메뉴 항목 또는 제4 메뉴 항목(2406 또는 2408) 중의 일방 또는 타방을 선택하는 사용자 입력에 응답하여, 모듈(2308)은 도 9의 모듈(407)에 따라 생성되어 저장된 3D 모델의 회전을 일으킨다. 이미저 센서 어레이(210)가 제한된 전체 시계를 가지기 때문에, 회전의 양은 어느 정도의 각도, 예컨대 30도 미만으로 제한될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

기기 팁에서의 가상의 Q3D 투시

도 25는 영상 센서 어레이(210)와 관련되고, 내시경 시계(FOV_e)를 가진 Q3D 내시경(2502)의 투시 뷰를 도시한 설명도이다. 도 25는 또한 일부 실시예에 따른, 시계 내의 수술 장면(2508) 내에 배치된 수술 기기(2506)의 일부분 및 하나 이상의 해부학적 구조부(2508-1, 2508-2)의 투시 뷰를 보여주고 있다. 광원(2510)이 수술 장면(2508)을 조명한다. 도 7a-7b 및 도 8-10을 참조하여 설명한 바와 같이, 영상 센서 어레이(210)는 내시경(2052)의 팁(2512)으로부터 확장된 FOV_e 내의 수술 기기(2506) 및 해부학적 구조부(2508-1, 2508-2)의 영상 투영들을 취득하도록 포지셔닝된다. 그 결과, 수술 장면(2508)의 Q3D 모델이 연산된다. 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 내시경(2502)은 캐뉼라를 통해 체벽 조직을 침투하거나 자연적 체공을 통해 신체에 진입하여, 예시적인 목표로서의 환자의 체강 내의 수술 기기(2506) 및 해부학적 구조부(2508-1, 2508-2)를 포함하는 수술 장면(2508)에 대한 시각적 접근을 제공하고 그 영상들을 취득하기 위해 환자의 체강 내에 연장된다.

도 25는 일부 실시예에 따른, 도 5-6을 참조하여 설명한 바와 같이 배치된 Q3D 내시경(2502)의 시계(FOV_e)를 예시하고 있다. 도 5-6에 도시된 바와 같이, 기기(101A-B) 및 Q3D 내시경(101C)은 외과 수술 중에 상이한 캐뉼라들을 통해 배치될 수 있다. 외과 수술은 원격조작 의료 시스템의 사용을 수반할 수 있으며, 또는 수동식 최소 침습 수술일 수 있으며, 또는 개복 외과 수술일 수 있으며, 또는 그것들의 조합일 수 있다. 내시경 시계(FOV_e)는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이 뷰어(312)를 통해 외과의에게 가시적인 것임을 이해할 것이다. 도 6은 로봇 기술을 이용하는 원격조작 외과 수술과 관련한, 환자측 카트의 기계식 수술 암(158A-158D) 상의 내시경(101C) 및 기기(101A-101B)의 배치를 예시한다.

예시의 목적으로, 목표 수술 기기(2506)는 DA VINCI Si® 수술 시스템용의 ENDOWRIST® 메가 니들 드라이버 기기와 같은, 니들 드라이버(needle driver) 형태의 엔드 이펙터를 가지고서 도시되어 있다. 하지만, 예컨대 시저(scissor), 그래스퍼(grasper), 스칼펠(scalpel), 소작 전극(cautery electrode), 스테이플러(stapler) 또는 클립 어플라이어(clip applier)와 같은 대안의 엔드 이펙터들이 외과 수술 중의 다른 수술 기기의 기능들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예시의 목적으로, 환자의 체강 내의 예시의 수술 장면(2508)은 제1 해부학적 조직 구조부를 표현한 구형 형상을 가진 제1 해부학적 목표(2508-1) 및 제2 해부학적 조직 구조부를 표현한 피라미드 형상을 가진 제2 해부학적 목표(2508-2)를 포함하고 있다.

일부 실시예에 따라, 수술 장면(2508)의 하나의 가상의 Q3D 투시는 내시경(2502)과 관련된 센서 어레이의 내시경 FOV_e 내에 배치된 목표 수술 기기(2506)의 길이방향 축(2514)을 따른 관찰 투시로부터 생성된다. 내시경(2502)을 목표 수술 기기(2506)의 축(2514)과 정렬시키기 위한 내시경(2502)의 배향 및 포지션의 변환에 대한 결정이 이루어진다. 이러한 배향 및 포지션 변환은 내시경(2502)의 FOV_e 내에서의 Q3D 뷰로부터 수술 기기(2506)의 축(2514)을 따른 기기 시계(FOV_i) 내에서의 Q3D 뷰로의 장면(2508)의 Q3D 렌더링(rendering)의 변환의 기초로 사용된다. FOV_i에서의 수술 장면(2508)의 뷰는 도 4의 3D 뷰어(312)를 사용하여 시각화될 수 있다. 따라서, Q3D 정보는 마치 영상 취득 장치가 수술 기기(2506)의 팁에 배치되었고, 시계가 전용 내시경 기기와 정렬되는 것과 유사한 방식으로 수술 기기(2506)의 길이방향 축과 정렬된 FOV_i를 가진(예컨대, 길이방향 축으로부터 0°오프셋, 길이방향 축으로부터 30°오프셋) 것처럼 정지 영상 또는 동영상을 생성하는 데 사용된다. 선택적으로, FOV_i는 조들(jaws) 사이의 지지점(fulcrum)의 위치 또는 그 근방과 같은 수술 기기(2506) 상의 또 다른 위치에 배치될 수 있다. 이러한 양태를 설명하는 또 다른 방법은 내시경 영상이 수술 기기(2506)의 투시로부터 생성되도록 서로 일치하는 내시경(2502)과 수술 기기(2506)를 고려하는 것이다.

도 26은 일부 실시예에 따른, 내시경 관찰 투시(endoscope viewing perspective)로부터의 Q3D 장면을 내시경 관찰 투시 내의 목표 기기의 투시(perspective of a target instrument)로부터의 Q3D 장면으로 변환시키기 위한 프로세스(2600)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 일부 실시예에 따른 특정 기하학적 변환(geometrical transformation)을 실행하기 위해, Q3D 내시경 팁(2512)은 도 25에 도시된 바와 같이 3D 좌표계(x, y, z)의 원점에 위치되어 이는 것으로 가정한다. 모듈(2602)은 장면(2508)의 Q3D 모델(2650)을 생성하도록 도 8의 컴퓨터(151)(또는 컨트롤러(106); 이하의 설명에서 컴퓨터(151)에 대한 언급은 컨트롤러(106)에도 적용됨)를 구성한다. 도 9-19를 참조하여 전술한 바와 같이, 컴퓨터(151)는 내시경 FOV_e 내에서 결정되는 점들의 (x, y, z) 좌표들을 결정하도록 구성된다. 그렇게 함으로써, 시스템은 장면(2508)의 Q3D 모델(2650)을 생성한다. Q3D 모델(2650)은 비일시성 컴퓨터 판독가능 저장 장치(2652)에 저장된다. 도 25에 도시된 바와 같이, 기기(2506)의 원위 부분이 내시경(2502)과 관련된 센서(210)의 FOV_e 내에서 취득된다.

모듈(2604)은 내시경(2502)의 팁(2512)과 장면(2508) 사이의 거리(d₁)를 결정하도록 도 8의 컴퓨터(151)를 구성한다. 거리(d₁)는 팁(2512)으로부터 장면(2508)의 최근접점까지의 길이를 나타낸다. 도 25에서 제공되는 예에서, d₁은 Q3D 내시경 팁(2512)으로부터 목표(2508-1) 상의 최근접점까지의 거리이다. 마찬가지로, 모듈(2604)은 목표 수술 기기(2506)의 팁(2516)과 수술 장면(2508) 사이의 거리(d₂)를 결정하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 거리(d₂)는 팁(2516)으로부터 장면(2508)의 최근접점까지의 길이를 나타낸다. 도 25에서 제공되는 예에서, d₂는 기기 팁(2516)으로부터 목표(2508-1) 상의 최근접점까지의 거리이다. 거리(d₁ 및 d₂)는 Q3D 모델의 세부 사항들에 기초하여 시스템에 의해 결정될 수 있다. 거리(d₁ 및 d₂)는 도 9 및 20을 참조하여 설명된 알고리즘들을 사용하여 연산될 수 있다. 도 9에 설명된 알고리즘은 FOV_e 내의 모든 점들의 좌표들을 결정한다. 도 20에 설명된 알고리즘은 다음으로 2516과 2508-1 사이와 같은, 또는 2512과 2508-1 사이와 같은 임의의 2개의 대상체 사이의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 거리 파라미터들이 3차원 투시의 렌더링을 설명할 때 사용된다.

다음으로, 일련의 기하학적 변환들이, Q3D 내시경(2502)이 기기(2506)의 3D 자세를 취하도록 Q3D 내시경(2502)을 가상적으로 "운동"시키기 위해, 장면(2508)의 Q3D 모델 내의 정보에 기초하여 실행된다. 여기에 사용되는 것으로서, "자세(pose)"라는 용어는 적어도 하나의 병진운동 자유도에 있어서는 대상체 또는 대상체의 일부분의 포지션을 의미하고, 적어도 하나의 회전 자유도에 있어서는 대상체 또는 대상체의 일부분의 배향을 의미한다(카테시안 공간에서는 총 6개까지의 자유도(즉, 서지(surge), 히브(heave), 스웨이(sway), 롤(roll), 요(yaw), 피치(pitch)). 이 설명은 카테시안 관점에서 이루어지지만, 다른 좌표계(극 좌표계, 원통 좌표계, 구면 좌표계 등)도 실제 사용될 수 있다.

모듈(2606)은 Q3D 모델로부터 기기(2506)의 가시적 부분 상에 위치된 적어도 2개의 점의 (x, y, z) 좌표들을 결정하도록 컴퓨터(151) 또는 컨트롤러(106)를 구성한다. 바람직하게는, 증가된 정확성을 위해, 더 많은 점들이 결정될 수 있다. 예컨대, 이 점들이 도 25에 도시된 P₁ 및 P₂라고 가정하자. 앞서 살펴본 바와 같이, 내시경(2502)이 3D 좌표계의 z 축(2518) 상에 위치하고, 그것의 팁이 원점에 위치한다고 가정한다. 그 결과, 내시경(2502)의 축(2518)은 다음 방정식에 의해 정의되는 3D 선으로서 설명될 수 있다.

x = 0; y = 0 (8)

모듈(2608)은 점 P₁(x₁, y₁, z₁) 및 P₂(x₂, y₂, z₂)와 관련하여 다음의 방정식에 의해 정의되는 3D 선을 포함하는 기기(2506)의 축(2514)을 결정하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다.

여기서, 방정식 (9)는 기기(2506)의 축(2514) 상의 임의의 점(x, y, z)을 정의한다.

모듈(2610)은 내시경(2502)을 기기(2506)의 자세로 가상적으로 "운동"시키는 변환들을 연산하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다. 이 "운동"은 내시경(2502)의 z 축(2518)을 목표 기기(2506)의 축(2514)과 가상적으로 정렬시키는 일련의 가상의 회전들과 가상의 병진운동들을 포함한다.

도 27a-27c는 일부 실시예에 따른, 가상의 배향 변환(도 27a), 가상의 위치 변환(도 27b) 및 결과적인 가상의 정렬(도 27c)을 나타낸 설명도들이다. 이러한 변환들은 당업자에게 알려져 있고, 시퀀스, 개수 및 이러한 변환의 크기를 포함한 이러한 변환들의 구현상의 세부 사항들은 변경될 수 있다. 또한, 당업자는 카테시안 좌표계가 아닌 다른 3D 좌표계들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 극 좌표계, 파라메트릭 좌표계 또는 구면 좌표계 등이 결과를 변화시킴이 없이 사용될 수 있다.

도 27a를 참조하면, 예를 들어, 선분(l ₁ )은 내시경(2502)의 자세를 나타내고, 선분(l ₂ )은 목표 기기(2506)의 자세를 나타낸다. 더 구체적으로는, 선분(l ₁ )은 내시경 축(2518)의 포지션과 배향을 나타내고, 선분(l ₂ )은 목표 기기 축(2514)의 포지션과 배향을 나타낸다. 모듈(2610)은 회전각(α)에 의해 정의되는 회전 행렬(M_x)을 채용함으로써 x 축 둘레로 선분(l ₁ )을 가상적으로 회전시키도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 모듈(2610)은 다음으로 회전각(β)에 의해 정의되는 회전 행렬(M_y)을 채용함으로써 y 축 둘레로 선분(l ₁ )을 가상적으로 회전시키도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 마지막으로, 필요한 경우, 모듈(2610)은 회전각(γ)에 의해 정의되는 회전 행렬(M_z)을 채용함으로써 z 축 둘레로 선분(l ₁ )을 가상적으로 회전시키도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 회전 행렬들의 사용은 당업자에게 잘 알려져 있어, 여기에서 상세히 설명할 필요는 없다.

도 27b에 예시된 바와 같이, 상기의 가상의 회전들의 목적 및 결과는, 일부 실시예에 따라, 변환된 선분(l' ₁ )은 이제 선분(l ₂ ) 즉 기기(2506)의 축(2514)에 평행하게 되는 것이다. 결과적인 전체 회전 행렬 M은 아래와 같다.

또는, 삼각법 형식으로는:

모듈(2610)은 또한 선분(l' ₁ )을 그것이 평행하게 될 선분(l ₂ )과의 중첩 포지션 관계로 이동시키기 위한 가상의 포지션 병진운동(T_v)을 결정하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 이 기하학적 포지션 병진운동은 도 27b에 도시된 벡터(

)에 의해 정의된다. 벡터(l' ₁ 및 l ₂ )의 선단들에 의해 정의되고, l' ₁ 에서 l ₂ 를 가리키도록 배향된다.

도 27c에 도시된 바와 같이, 결과적인 평행한 선분(l" ₁ )은 l ₂ 와 중첩되는 포지션으로 가상적으로 이동된다. 기하학적 병진운동은 당업자에게 잘 알려져 있어, 여기에서 상세히 설명할 필요는 없다.

일부 실시예에 따라, 기기(2506)의 팁(2516)의 관찰 투시로부터의 장면(2508)의 Q3D 모델의 가상의 뷰가 상술한 것과 역순의 동작(T_v, M_z, M_y 및 M_x)에 의해 Q3D 모델을 변환시킴으로써 생성된다. 모듈(2612)은 먼저 벡터(-

)의 위치 병진운동을 적용함으로써 Q3D 모델을 변환시키도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 모듈(2612)은 각각의 각도(-γ, -β 및 -α)의 시퀀스의 배향 회전들(M_z, M_y 및 M_x)을 실행하도록 컴퓨터(151)를 구성한다.

모듈(2614)은 목표 기기(2506)의 가상의 투시로부터의 수술 장면을 표시하기 위해 변환된 Q3D 모델을 사용하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 거리(d₂)에 기초하여, 가상의 투시는 공지의 투시도 알고리즘을 이용하여 생성된다. 도 28a-28b는 일부 실시예에 따른, 내시경 팁(2512)의 투시로부터의 수술 장면(2508)의 예시의 Q3D 뷰(도 28a) 및 목표 수술 기기(2516)의 투시로부터의 수술 장면(2508)의 예시의 Q3D 뷰(도 28b)이다. 도 28a-28b의 수술 장면들은 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 일부 실시예에 따라, 외과의는 선택적적으로 가상의 투시를 변경할 수 있다. 도 28a의 내시경의 투시로부터, 목표 기기(2506)가 제1 (구형) 해부학적 구조부(2508-1) 및 제2 (삼각형) 해부학적 구조부(2508-2)와 함께 보여질 수 있다. 도 28b의 목표 기기의 투시로부터, 제1 (구형) 해부학적 구조부(2508-1) 및 제2 (삼각형) 해부학적 구조부(2508-2)가 보여질 수 있지만, 도 28a의 투시에 의한 것과는 다른 투시에 의한다. 도 28b에 예시된 투시는 도 26의 알고리즘을 사용하여 생성될 수 있다.

도 29는 일부 실시예에 따른, Q3D 모델의 3D 렌더링을 생성하기 위한 프로세스의 세부 사항들을 도시한 설명도이다. 일단 변환된 Q3D 모델이 연산되면, 시스템의 3D 디스플레이(110)에 표시될 수 있다. 다수의 3D 비디오 알고리즘 및 하드웨어 구현예들이 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 컴퓨터 모듈(2902)은 Q3D 모델을 62-65 mm의 평균적 인간의 동공간 거리(IPD)로 주어지는 우안 뷰(2904R)와 좌완 뷰(2904L)로 분리시키도록, 비디오 프로세서(104), 컨트롤러(106) 및 디스플레이 드라이버(109)를 포함한 도 8의 시스템을 구성한다. 이 단계를 달성하기 위해, 입체시(stereoscopy) 및 인간의 IPD의 세부 사항들이 적용된다. 일부 실시예에 따라, 모듈(2906)은 관찰자에게 3D 장면의 인상을 주기 위해 공지의 프레임 속도로 좌안(2908L)에 비디오 프레임을 제공하는 과정과 우안(2908R)에 비디오 프레임을 제공하는 과정 간을 교대로 전환시키도록 3D 디스플레이 드라이버(109)의 3D 비디오 컨트롤러(106)를 구성한다. 도 29에 설명된 접근법은 도 4-6을 참조하여 설명 된 것과 같은 원격조작 수술 시스템에 등장하는 것과 같은 3D 관찰 고글을 채용한다. 하지만, 다른 3D 비디오 디스플레이 장치가 사용될 수 있다. 립톤(Lipton)에 허여된 미국 특허 제4,562,463호(1981년 5월 15일 출원) 및 나젤(Nagele) 등에 허여된 미국 특허 제6,008,839호(1995년 11월 27일 출원)가 추가적인 구현예의 세부 내용들을 제공하며, 이들의 전체 개시 내용이 여기에 참조로 편입된다.

비행 금지 구역(NFZ)

도 30a-30b는 내시경 뷰(FOV_e)를 가진 영상 센서 어레이(210)와 관련된 내시경(2502)의 투시 뷰를 도시한 설명도들이다. 일부 실시예에 따른, FOV_e 내의 수술 장면(3008) 내에 배치된 비행 금지 구역(no fly zone)(3022)과 관련된 제1 수술 기기(3024), 제2 수술 기기(3026) 및 해부학적 구조부(3007)도 도시되어 있다. 광원(2510)이 수술 장면(3008)을 조명한다. 도 7a-7b 및 도 8-10을 참조하여 설명된 바와 같이, 영상 센서 어레이(210)가 내시경(2502)의 팁 부분(2512)을 조명하고 있는 FOV_e 내의 수술 기기(2506) 및 해부학적 구조부(3007)의 영상 투영들을 취득하기 위해 포지셔닝되어 있다. 영상 센서 어레이(210)가 내시경 팁(2512)에 인접하여 배치된 것으로 도시되어 있지만, 선택적으로 영상 센서 어레이는 예컨대 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같이 팁(2512)으로부터 변위될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 내시경(2502)은, 예시의 목표들로서 제1 및 제2 수술 기기(3024, 3026) 및 환자의 체강 내부의 해부학적 구조부(3007)를 포함하는 수술 장면(3008)에 대한 시각적 접근을 제공하기 위해, 체벽 조직을 침투하거나 자연적 체공 내로 진입하여 환자의 체강 내에 연장되도록 포지셔닝된다. 내시경 및 그것의 작동의 일부 실시예에 대한 추가적인 설명은 앞서 제공되었으므로 반복하지 않는다.

도 30a-30b는 일부 실시예에 따른, 도 5-6을 참조하여 설명한 바와 같이 배치된 Q3D 내시경(2502)의 시계(FOV_e)를 예시한다. 도 5-6에 도시된 바와 같이, 기기(101A-101B)와 Q3D 내시경(101C)은 외과 수술 중에 상이한 캐뉼라들을 통해 배치될 수 있다. 내시경 시계(FOV_e)는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. NFZ 영역은 예컨대 거리(d_NFZ)를 나타내는 수치적 주석을 통하거나, 기기(3024) 주위에 투영된 표면 또는 "버블(bubble)"로서와 같이 다양한 방식으로 보여질 수 있다. 외과 수술은 원격조작 의료 시스템의 사용을 수반할 수 있으며, 또는 수동식 최소 침습 수술일 수 있으며, 또는 개복 외과 수술일 수 있으며, 또는 그것들의 조합일 수 있다. 도 6은 원격조작 의료 시스템 외과 수술과 관련하여, 환자측 카트의 기계식 수술 암(158A-158D) 상의 내시경(101C) 및 기기(101A-101B)의 배치를 예시하고 있다. 설명의 명료함을 위해, 영상 센서 어레이를 포함하는 Q3D 내시경이 다루어지고 있다. 하지만, 본 발명의 범위는 비행 시간 영상 센서(time-of-flight imaging sensor)에 기초한 것과 같은 다른 타입의 Q3D 내시경들을 포함한다. 미국 특허 제8,262,559(이하 "'559 특허")가 그러한 Q3D 내시경을 개시하고 있으며, 본원에 참조된다. '559 특허의 명세서 8열 45행 내지 10열 27행 및 대응되는 도면들이 여기에 참조로 편입된다.

파선(3022)으로 표시된 예시적인 비행 금지 구역(NFZ)이 제1 기기(기기 A)(3024) 둘레에 한정되어 있다. "비행 금지 구역(no fly zone)"이라는 용어는 여기서는 구조부 둘레의 공간 영역을 의미한다. 일부 실시예에 있어서, NFZ는 NFZ가 한정되어지는 대상체만에 의해 차지되도록 의도된 영역이다. 환자의 안전 또는 수술 과정의 효율성을 확보하기 위해, 기기(3026)(기기 B)와 같은 다른 기기나 인접한 조직은 이 NFZ 영역의 범위 내에 위치되는 것이 바람직하지 않다. 예를 들어, 기기(3024)가 모노폴라 커브드 시저(Monopolar Curved Scissors)(MCS)인 경우, NFZ 영역은 에너지가 의도치 않게 기기(3024)로부터 기기(3026) 또는 치료 투입의 목표가 아닌 인접한 조직 표면으로 전달될 수 없도록 한정될 것이다. 때때로, MCS 주변의 수분의 양에 따라, 에너지가 목표 조직에 전달될 때, 작은 아크 또는 스파크가 발생할 수 있다. 따라서, NFZ 한계(3022)는 MCS 기기(3024) 둘레로 1-2mm 이상의 간극을 한정하도록 선택될 수 있다. 따라서, 에너지 전달 중에 발생할 수 있는 아크 또는 스파크가 의도치 않게 기기(3026) 또는 다른 인접 조직에 도달하지 않을 것이다. NFZ 한계는 시스템에 의해(예컨대, 사용 중인 기기(3024)의 타입에 기초한) 또는 오퍼레이터에 의해, 즉 수술 과정 및 기기들에 관한 오페레이터의 지식에 따라 자동적으로 선택될 수 있다. 기기들은 간접적으로(예를 들어, 컴퓨터 보조에 의해) 또는 수동식으로 작동될 수 있다. NFZ는 그것이 한정되는 대상체가 위치를 변경함에 따라 위치를 변경한다.

도 30a-30b의 예시의 NFZ(3022)는 제1 기기(3024)로부터 거리(d_NFZ) 내의 공간으로 한정된다. 도 30a의 장면에서, 제1 기기(기기 A)(3024)와 제2 기기(기기 B)(3026) 사이의 거리는 d_NFZ보다 큰 d_{1A /B}이며, 이 조건은 제2 기기(3026)가 제1 기기(3024)의 비행 금지 구역 외부에 있다는 것을 나타낸다. 하지만, 도 30b의 장면에서는, 제1 기기(기기 A)(3024)와 제2 기기(기기 B)(3026) 사이의 거리는 d_NFZ보다 작은 d_{2A /B}이며, 이 조건은 제2 기기(3026)가 제1 기기(3024)의 비행 금지 구역 내에 있다는 것을 나타낸다.

도 31은 일부 실시예에 따른, 비행 금지 영역을 한정하고, 비행 금지 구역이 위반되었는지의 여부를 판정하기 위한 프로세스(3100)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 프로세스(3100)는 도 30a-30b의 수술 장면(3008)을 참조하여 설명된다.

모듈(3102)은 NFZ가 생성될 Q3D 장면 내의 목표를 식별하고, 기기 및/또는 해부학적 구조부를 포함할 수 있는 하나 이상의 목표 둘레에 거리(d_NFZ)에 기초한 각각의 NFZ 영역을 한정하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 다시 말해, NFZ는 목표로부터 d_NFZ의 거리 이내의 영역으로서 한정될 수 있다. 달리 말하면, NFZ는 목표 표면으로부터 거리 d_NFZ에서 목표를 둘러싸는 가상의 버블에 의해 한정될 수 있다. 예를 들어, 도 30a-30b 내의 파선(3022)이 기기 A(3024) 둘레의 NFZ를 지시한다. 일부 실시예에 있어서, 사용자는 NFZ를 가질 수술 장면 내의 대상체를 수동식으로 지시할 수 있고, 사용자는 d_NFZ 정보를 수동식으로 입력할 수 있다. 도 22a-22b를 참조하면, 예를 들어, 사용자는 NFZ를 가질 수 있은 구조를 식별하기 위해 텔레스트레이션(telestration)과 같은 비디오 마킹 툴을 사용할 수 있다. 선택적으로, 시스템은 기기(3024) 또는 구조부(3007)의 특성들에 기초하여 NFZ를 한정할 수 있으며, 또는 시스템이 수술 과정에 대해 일반적이거나 특수한 정보를 수신하는 경우에 수술 과정에 대해 일반적이거나 특수한 설정된 NFZ를 사용할 수 있다. 도 30a-30b의 예는 기기에 대한 NFZ의 생성을 도시하고 있지만, 선택적으로 NFZ는 해부학적 구조부(3007)에 대해 생성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 도 30a-30b의 예는 단일 NFZ의 생성을 도시하고 있지만, 예컨대 여러 기기들에 대한 여러 개의 NFZ 또는 기기에 대한 하나의 NFZ 및 해부학적 구조부에 대한 또 다른 NFZ와 같이 다수의 NFZ가 생성될 수 있다.

모듈(3104)은 제1 및 제2 기기(3024, 3026)의 다수의 대응되는 포지션의 변화들의 각각에 대한 상이한 Q3D 모델, 즉 Q3D-1, Q3D-2, Q3D-3를 생성하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 이 Q3D 모델들은 비일시성 저장 장치(3150)에 저장된다.

모듈(3106)은 다수의 상이한 Q3D 모델의 각각에서, 목표 기기(예컨대, NFZ 영역이 목표 기기 둘레에 한정된 거리(d_NFZ)에 기초하여 한정된 제1 기기(3024)) 및 각각의 다른 기기(예컨대, 기기(3026))를 식별하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다. 일부 실시예에 있어서, 목표 기기를 식별하기 위해, 기기 형상 정보가 Q3D 모델 거리 정보와 매칭된다. 예를 들어, 목표 기기의 형상은 비일시성 저장 장치에 저장된다. 저장된 기기의 형상은 그것의 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델에서 알 수 있다. 선택적으로, 기기는 사전에 스캔될 수 있고, 결과적인 스캔들이 그것들을 결합시켜 3D 형상 모델을 형성하도록 스티치(stich)될 수 있다. 최상의 정합 알고리즘이 목표 기기의 저장된 형상과 최상으로 정합하는 Q3D 모델의 섹션을 검출하도록 채용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 최상의 정합 알고리즘은 저장된 기기 형상을 Q3D 모델을 횡단이동하는 것에 의해 추출된 최상의 정합 후보들과 비교하기 위해 2D 또는 3D 상관 함수를 사용한다.

모듈(3108)은 Q3D 모델들의 각각에 대해, d_NFZ가 한정된 기기(예컨대, 기기 A)와 또 다른 기기 사이의 거리(d_A/B)가 d_NFZ보다 작은지의 여부를 판정하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다. 다시 말해, d_NFZ가 기기 A에 대해 한정된다고 가정하면, d_NFZ >= d_A/B인지에 대한 판정이 이루어진다.

선택적으로, 예를 들어, NFZ(도시되지 않음)가 해부학적 구조부(3007)에 적용된다면, 모듈(3108)은 기기 A 및 기기 B 중의 하나 이상에 의해 그 NFZ의 위반이 있었는지의 여부를 판정한다. 예를 들어, 해부학적 구조부(3007)가 d_NFZ가 한정되는 섬세한 혈관이라고 가정하자. 그 경우에는, 각각의 NFZ 한계는 임의의 기기가 너무 가까워져 혈관을 천공시키는 것을 방지하도록 사용될 것이다. 또 다른 변경예로서, 예를 들어, 해부학적 구조부(3007)가 임상 중요도가 낮다면(예컨대, 지방, 뼈 등), 전부가 아닌 일부 기기 타입이 NFZ 내로 진입하는 것이 방지될 수 있다(예컨대, 날카로운 기기, 에너지 전달 기기 등). 그리고, 기기 타입들이 오퍼레이터 지정, 머신 비전 또는 기기 데이터의 직접적인 감지와 같은 하나 이상의 다양한 방식으로 수술 시스템에 식별되는, 제1 타입의 기기 및 제2 타입의 또 다른 기구에 대해서는, 제1 타입의 기기(예컨대, 둔적 박리 기기(blunt dissection instrument))는 NFZ 내로 진입하는 것이 허용되고, 제2 타입의 기기(예컨대, 소작 전단 기기(cautery shears instrument))는 NFZ 내로 진입하는 것이 허용되지 않는다. NFZ 한계가 위반되었는지의 여부의 판정은 다양한 기기들 및/또는 해부학적 구조부들에 대해 특정된 d_NFZ 거리와 그들 사이의 실제 d_A/B 거리의 직접적인 비교에 의해 실행될 수 있다.

다시 도 30a-30b의 예시의 장면들을 참조하면, 도 30a의 예시의 장면에 대해 생성된 Q3D 모델에 대한 판정은 제1 기구(3024)에 대해 한정된 예시의 NFZ(3022)의 어떠한 위반도 없었음을 지시할 것이다. 하지만, 도 30b의 예시의 장면에 대한 판정은 NFZ(3022)가 제2 기기(3026)에 의해 위반되었음을 지시할 것이다.

모듈(3110)은 NFZ가 위반되었다는 판정에 응답하여 경보를 제공하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 경보는 소리, 시각적 큐(visual queue)(깜빡이는 불빛과 같은) 또는 충돌을 회피하기 위한 기기 운동의 잠금 또는 차단 또는 증가된 강성(예컨대, 촉각 벽을 사용하는 것에 의해)을 포함할 수 있다.

투영 런웨이(projected runway)

도 32는 내시경 시계(FOV_e)를 가진 영상 센서 어레이(210)와 관련된 내시경(2502)을 도시한 설명도이다. 내시경 시계(FOV_e)는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예에 따른, 관찰 궤적 상의 다수의 상이한 포지션에서 관찰되는 수술 기기(3206)의 일부분 및 FOV_e 내의 수술 장면(3208) 내에 배치된 해부학적 구조부(3207)도 도시되어 있다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 동일한 기기(3206)가 그것의 궤적을 확인하기 위해 그것이 다수의 기기 포지션(3206-p1, 3206-p2 및 3206-p3) 사이를 이동하는 동안 관찰되고, 투영 궤적 런웨이가 그 운동으로부터 외삽(extrapolation)된다.

광원(210)이 수술 장면(3208)을 조명한다. 도 7a-7b 및 도 8-10을 참조하여 설명된 바와 같이, 영상 센서 어레이(210)가 내시경(2502)의 팁 부분(2512)과 관련된 영상 센서 어레이를 조명하고 있는 FOV_e 내의 수술 기기(3206) 및 해부학적 구조부(3207)의 영상 투영들을 취득하기 위해 포지셔닝되어 있다. 영상 센서 어레이(210)가 내시경 팁(2512)에 인접하여 배치된 것으로 도시되어 있지만, 선택적으로 영상 센서 어레이는 예컨대 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같이 팁(2512)으로부터 변위될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 내시경(2502)은, 예시의 목표들로서 수술 기기(3206) 및 환자의 체강 내부의 해부학적 구조부(3207)를 포함하는 수술 장면(3208)에 대한 시각적 접근을 제공하기 위해, 체벽 조직을 침투하거나 자연적 체공 내로 진입하여 환자의 체강 내에 연장되도록 포지셔닝된다. 내시경 및 그것의 작동의 일부 실시예에 대한 추가적인 설명은 앞서 제공되었으므로 반복하지 않는다.

도 32는 일부 실시예에 따른, 도 5-6을 참조하여 설명한 바와 같이 배치된 Q3D 내시경(2502)의 시계(FOV_e)를 예시한다. 도 5-6에 도시된 바와 같이, 기기(101A-101B)와 Q3D 내시경(101C)은 외과 수술 중에 상이한 캐뉼라들을 통해 배치될 수 있다. 외과 수술은 원격조작 의료 시스템의 사용을 수반할 수 있으며, 또는 수동식 최소 침습 수술일 수 있으며, 또는 개복 외과 수술일 수 있으며, 또는 그것들의 조합일 수 있다. 도 6은 원격조작 의료 시스템 외과 수술과 관련하여, 환자측 카트의 기계식 수술 암(158A-158D) 상의 내시경(101C) 및 기기(101A-101B)의 배치를 예시하고 있다.

예시 목적을 위해, 목표 수술 기기(3206)는 DA VINCI Si® 수술 시스템용의 ENDOWRIST® 메가 니들 드라이버 기기와 같은, 니들 드라이버(needle driver) 형태의 엔드 이펙터를 가지고서 도시되어 있다. 스테이플러(stapler), 혈관 봉합기, 시저(scissor), 그래스퍼(grasper), 스칼펠(scalpel), 소작 전극(cautery electrode), 또는 클립 어플라이어(clip applier)와 같은 대안의 엔드 이펙터들이 외과 수술 중의 다른 수술 기기의 기능들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예시의 장면(3208)에서, 동일한 목표 기기(3206)가 경로라고도 하는 관찰 궤적을 따라 포지션(3206-p1)으로부터 포지션(3206-p2)로, 포지션(3206-p3)으로 포지션을 변경한다. 포지션(3206-p1, 3206-p2 및 3206-p3) 사이의 파선(3216)은 기기가 해부학적 구조부(3207)에 점점 더 근접하게 이동할 때 기기에 의해 추종되는 경로를 나타낸다. 예를 들어 의료 시술 중에, 외과의는 목표 기기가 예컨대 목표 기기 포지션을 포지션(3206-p1)으로부터 포지션(3206-p2)으로, 포지션(3206-p3)으로 변경시키는 관찰 경로(3216)를 추종하도록 만들 수 있다. 실제로 일부 외과의들이 수술 기기를 기기를 사용하여 접촉하게 될 해부학적 구조부와 정밀하게 정렬시키는 데 어려움을 겪는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 외과의는 선형 스테이플러를 그 장치를 사용하여 스테이플될 장(bowel)과 같은 조직 구조부와 정렬시키는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 스테이플러를 발사하기 이전의 스테이플러와 장 조직의 적절한 정렬이 중요하다. 외과의들은 때때로 일단 기기가 사용될 영역 내로 삽입되었을 때 기기가 어떻게 정렬될 것인지를 구상하는 데 어려움을 겪는다. 예를 들어, 외과의는 문합을 실행하기 위해 스테이플러 엔드 이펙터가 절제된 장 내로 삽입될 때의 스테이플러 엔드 이펙터의 포지션 및 배향을 구상하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 일부 실시예에 따라, 기기 경로의 예측 경로를 나타내는 높은 가시성의 가상의 투영이 외과의의 시계 내에 제공된다. 외과의는 이 예측 경로를 이용하여, 어떻게 기기가 해부학적 구조부에 대해 정렬될지와 어떻게 기기를 소정의 포지션 및 배향에 도달하도록 최상으로 조작할지를 사전에 지각할 수 있다. 예를 들어, 외과의는 스테이플러가 문합을 위한 스테이플 라인을 생성하기에 적당한 정렬 상태에 있게 될지를 사전에 지각할 수 있다.

파선(3218)으로 지시되는 "런웨이(runway)"라고도 하는 예측 경로는 관찰 경로(3216)의 단부로부터 연장된다. 예측 경로는 기기(3206)가 해부학적 구조부와 처음으로 접촉할 것으로 예측되는 곳인 해부학적 대상체의 표면 상의 예측 접촉 위치(3220)("X" 표시)까지 확장될 수 있다. 예측 경로(3218)와 예측 접촉 위치(3220)는 관찰 경로(3216)에 기초하여 결정된다. 더 구체적으로는, 오퍼레이터가 기기를 해부학적 대상체(3207)에 더 근접하게 이동하게 만들 때, 영상 센서 어레이(210)가 일정 시퀀스의 다수의 포지션(예컨대, 3206-p1, 3206-p2 및 3206-p3)의 각각에서 목표 기기(3206)를 관찰하는 데, 즉 목표 기기(3206)의 Q3D 모델을 생성하는 데 사용된다. 일정 시퀀스의 시점들에서 결정된 시퀀스의 포지션들에 기초하여, 관찰 경로(3216)가 결정되고, 관찰 경로에 기초하여, 예측 경로가 결정된다. 예를 들어, 예측 경로는 관찰 경로의 선형 외삽(linear extrapolation)일 수 있다. 선택적으로, 예측 경로는 목표 기기의 특정 부분의 궤적을 추정한 곡선일 수 있다. 예를 들어, 목표 기기가 모노폴라 커브드 시저(Monopolar Curved Scissors) 또는 HARMONIC ACE® 커브드 시어(Curved Shears) 기기인 경우, 곡선이 곡선형 블레이드의 궤적을 예측할 수 있다. 예측 접촉 위치(3220)는 예측 경로(3218)에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 예측 경로(3218)와 목표 해부학적 구조부(3207)를 나타낸 Q3D 모델의 표면 사이의 기하학적 교차점이 예측 접촉 위치(3220)를 한정한다.

도 33은 일부 실시예에 따른, Q3D 장면 내의 관찰 경로 상에서 목표 기기를 추적하고, 예측 경로 및 예측 접촉 위치를 결정하기 위한 프로세스(2600)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 프로세스(2600)는 수술 장면(3208)을 참조하여 설명된다.

모듈(3302)은 목표 기기(3206)의 다수의 대응되는 포지션의 변화들의 각각에 대한 상이한 Q3D 모델을 생성하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 포지션 및 대응되는 모델의 개수는 2개 이상일 수 있다. 예를 들어, 33206-p1으로부터 3206-p2로, 3206-p3로의 관찰 궤적을 따라 도시된 바와 같이, 대응되는 상이한 Q3D 모델들(Q3D-1, Q3D-2 및 Q3D-3)이 생성된다. Q3D 모델들은 비일시성 저장 장치(3350)에 저장된다. 선택적으로, 예측 경로가 목표 기기의 특정 피처들의 단순한 확장(extension)일 때에는, 단일의 Q3D 모델이 생성되어, 비일시성 저장 장치에 저장된다.

모듈(3304)은 다수의 상이한 Q3D 모델의 각각에서 목표 기기를 식별하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다. 일부 실시예에 있어서, 목표 기기를 식별하기 위해, 목표 기기 형상 정보가 Q3D 모델 거리 정보와 매칭된다. 예를 들어, 목표 기기의 형상은 비일시성 저장 장치에 저장된다. 저장된 기기의 형상은 그것의 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델에서 알 수 있다. 선택적으로, 기기는 사전에 스캔될 수 있고, 결과적인 스캔들이 3D 형상 모델을 형성하도록 스티치(stich)될 수 있다. 최상의 정합 알고리즘이 목표 기기의 저장된 형상과 최상으로 정합하는 Q3D 모델의 섹션을 검출하도록 채용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 최상의 정합 알고리즘은 저장된 기기 형상을 Q3D 모델을 횡단이동하는 것에 의해 추출된 최상의 정합 후보들과 비교하기 위해 2D 또는 3D 상관 함수를 사용한다.

모듈(3306)은 목표 기기의 예측 경로를 결정하도록 컴퓨터(151)를 구성한다.

모듈(3308)은 해부학적 구조부(3207) 상의 예측 접촉 위치(3220)의 시각적 표시를 포함하는 장면의 3D 시각적 표현을 생성하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 예측 경로는 목표 기기의 현재의 경로 또는 현재의 포지션의 가상의 기하학적 확장(geometric extension)으로서 작용한다. 외과의는 예를 들어 목표 기기가 실제로 해부학적 구조부와 물리적으로 접촉하게 만들기 전에, 여러 가지 상이한 목표 기기 경로 및/또는 배치 배향을 실험할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 외과의에 의한 목표 기기의 포지션 변경은 모듈(3302)이 다른 포지션들 또는 배향들에 대응되는 다른 장면의 Q3D 모델들을 생성하게 되는 결과를 낳는다. 모듈(3306 및 3308)은 결과적으로 다른 Q3D 장면 또는 일련의 Q3D 장면들에 대한 목표 기기의 다른 예측 경로 또는 확장을 확인하고 표시한다. 외과의는 소정의 위치에서 해부학적 구조부와의 교차점을 발생시킬 가능성이 가장 높은 목표 기기의 경로 또는 포지셔닝을 결정하기 위해 시각적으로 표시된 경로 정보를 이용할 수 있다. 따라서, 외과의는 소정의 임상적 목적을 달성하기 위해 목표 기기의 경로 및/또는 배향을 최적화할 수 있을 것이다.

더 구체적으로, 일부 실시예에 있어서는, 예측 경로가 목표 기기의 관찰 경로의 외삽(extrapolation)에 기초하여 결정된다. 관찰 경로는 다수의 Q3D 장면들의 과정을 통해 관찰될 수 있다. 예를 들어, 도 32를 참조하면, 모듈(3306)은 목표 기기(3206)의 관찰 경로(3216)에 기초하여 목표 기기의 예측 경로(3218)를 결정하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 일부 실시예에 따라, 관찰 경로는 예컨대 Q3D-1으로부터 Q3D-2로 그리고 Q3D-2로부터 Q3D-3로와 같은 하나의 Q3D 모델로부터 다음번 Q3D 모델로, 예컨대 포지션(3206-p1)으로부터, 이어지는 포지션(3206-p2)으로, 이어지는 포지션(3206-p3)으로의 목표 기기의 포지션의 변화에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 수술 기기 상의 적어도 하나의 점 또는 영역이 결정된다. 예를 들어 니들 드라이버 기기(needle driver instrument)의 경우, 이 점은 기기의 팁을 나타낼 수 있다. 이 점 또는 영역의 위치가 Q3D-1, Q3D-2 및 Q3D 모델에서 순차적으로 결정된다. 궤적이 최적 곡선을 기초로 구성된다. 예를 들면, 최소 제곱 오차 알고리즘(least square error algorithm)이 목표 기기의 순차적 위치들을 통과하는 최적 선형 궤적을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 궤적은 다음으로 기기의 예측 경로(3218)를 결정하기 위해 외삽된다. 따라서, 예측 경로(3218)는 관찰 경로(3216)에 기초하여 결정된다. 특히, 예측 경로(3218)는 관찰 경로(3216)의 외삽에 의해 결정된다.

선택적으로, 일부 실시예에 있어서, 예측 경로는 정지된 목표 기기의 관심 피처들(features of interest)의 기하학적 확장(geometrical extension)을 결정하는 모듈(3306)에 기초하여 결정된다. 따라서, 목표 기기의 예측 경로를 결정하기 위해 다수의 Q3D 장면들의 과정을 통해 목표 기기의 포지션의 변화를 관찰하는 것보다는, 예측 경로는 정지된 목표 기기의 배향의 Q3D 관찰과 더불어 목표 기기의 관찰된 배향에 기초한 목표 윤곽의 장면 내로의 외삽에 기초하여 결정된다. 예를 들어 도 36에서, 목표 기기는 스테이플러이고, 스테이플러 예측 경로는 스테이플 라인의 확장 또는 스테이플러 나이프 채널(stapler knife channel)의 확장을 나타낸다. Q3D 확장 또는 이러한 피처들의 추정된 "런웨이(runway)"의 3D 표현을 관찰함으로써, 외과의는 어디에 스테이플 및/또는 나이프 절개선이 결과적으로 배치될 것인지의 보다 정확하고 정량적인 이해를 얻을 수 있다. 예를 들어, 3D 표현은 외과의가 문합을 실행하기 위해 장과 정렬시키는 것과 같은 다양한 수술 과정들을 실행할 때 해부학적 신체에 대해 스테이플러 기기를 적절하게 정렬시키고 전진시키는 것을 도와줄 수 있다. 또한, 이러한 Q3D 기기 런웨이의 정량적 양태는 외과의가 필요한 경우에 예측 경로의 특성들(예를 들어, 추정된 나이프 절개선과 인접 조직들 사이의 간극)을 측정하는 것을 가능하게 해준다. 또한, 예측 경로(3218)가 해부학적 대상체(3207)와 교차한다고 가정하면, 교차 위치(3220)에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 위치(3220)는 예측 경로(3218)를 나타낸 곡선과 목표 해부학적 구조부(3207)를 나타낸 Q3D 모델의 표면 사이의 기하학적 교차점으로서 연산될 수 있다. 예를 들어 도 22a-22b를 참조하여 상술한 바와 같이, Q3D 접촉 위치(3220) 모델의 시각적 영상 표현은 장면(2508)의 시각적 3D 비디오 표현 내에 보여지는 목표와 관련된 시각적 표시 마커(marker)를 포함할 수 있다.

도 34를 참조하면, 일부 실시예에 따른, 목표 기기(3206)가 도 32에 도시된 제3 위치(3206-p3)에 있는 것으로 가정되고, 예측 접촉 위치가 해부학적 구조부(3207) 상의 시각적 마커 "CL"로 영상 내에 표시된 상태에 있는 장면(3208)의 예시의 3D 시각적 표현이 도시되어 있다. 내시경 시계는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 마커 "CL"은 도 32의 예측 경로(3218)에 따라 제공된다. 따라서, 기기(3206)의 해부학적 구조부(3207)와의 예측 접촉 위치(3220)의 시각적 표현은 이전의 기기의 다수의 관찰 Q3D 포지션들에 기초하여 생성될수 있고, 오퍼레이터는 보다 손쉽게 소정의 접촉 위치에서 해부학적 구조부와 접촉하도록 기기(3206)를 가이드할 수 있다.

여기서는 접촉 위치(3220)가 상세히 설명되고 있지만, 예측 경로(3218)로부터 유도되는 다른 특성들도 동등하게 중요하다. 이미 상술한 바와 같이, 추정 스테이플러 스테이플 라인(즉, 그것을 따라 수술 스테이플이 적용되는 라인) 및/또는 절개선(즉, 스테이플 라인들 사이로 스테이플러 나이프를 구동시킴으로써 발생하는 조직 분리선)을 표시하는 것이 중요할 수 있다. 모노폴라 커브드 시저(Monopolar Curved Scissors) 또는 HARMONIC ACE® 커브드 시어(Curved Shears)에 대해서는, 예측 경로(3218)로부터 인접한 조직들까지의 거리를 표시하는 것이 중요하다. 이러한 기기들 또는 다른 기기들은 치료 목적으로 조직에 에너지를 제공한다. 의도치 않은 조직의 손상을 최소화하기 위해, 오퍼레이터가 치료 공급의 목표가 아닌 조직들이 예측 경로로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 이해하는 것을 돕는 것이 중요하다.

도 35는 일부 실시예에 따른, 오퍼레이터가 다수의 상이한 관찰 경로(3516-1 내지 3516-3)를 시도하고, 프로세스(3300)가 대응되는 예측 경로(3518-1 내지 3518-3) 및 접촉 위치(CL1 내지 CL3)를 생성하고, 더불어 소정의 접촉 위치 "Y"가 더해진 상태에 있는 하나의 예시의 수술 장면(2508)을 나타낸 설명도이다. 수술 장면(2508)은 내시경(2502)의 일부분과 해부학적 구조부(3507)를 포함한다. 내시경 시계는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 도면을 참조하여 설명된 여러 세부 사항들은 설명을 간단히 하기 위해 도 35에서는 생략된다.

외과의와 같은 시스템 오퍼레이터는 기기(3506)가 소정의 접촉 위치 "Y"에서 해부학적 구조부(3507)와 접촉하는 것을 보장하기 위해 목표 기기(3506)가 추종하게 만들 최적 경로를 결정하기 위해 시행착오 기법(trial-and-error technique)을 사용할 수 있다. 그럼에 있어, 오퍼레이터는 기기를 다수의 상이한 관찰 경로들을 따라 순차적으로 이동시킬 수 있다. 도 33의 프로세스(3300)는 각각의 관찰 경로에 대해 해부학적 구조부의 시각적 영상에 예측 접촉 위치 마커를 생성한다. 오퍼레이터는 소정의 접촉 위치 "Y"와 접촉시키기 위해 어느 경로를 사용할지를 결정하는 데 접촉 위치 마크 정보를 이용할 수 있다.

더 구체적으로는, 예를 들어, 실선 화살표(3516-1), 파선 화살표(3518-1) 및 접촉 위치 마커(CL1)는 각각 목표 기기(3506)의 제1 관찰 경로, 제1 예측 경로 및 제1 예상 접촉 위치를 나타낸다. 마찬가지로, 실선 화살표(3516-2), 파선 화살표(3518-2) 및 접촉 위치 마커(CL2)는 각각 목표 기기(3506)의 제2 관찰 경로, 제2 예측 경로 및 제2 예상 접촉 위치를 나타낸다. 마찬가지로, 실선 화살표(3516-3), 파선 화살표(3518-3) 및 접촉 위치 마커(CL3)는 각각 목표 기기(3506)의 제3 관찰 경로, 제3 예측 경로 및 제3 예상 접촉 위치를 나타낸다. 오퍼레이터에 의해 시도된 관찰 경로(3516-1, 3516-2 및 3516-3) 중의 어느 것도 기기(3502)가 소정의 위치 "Y"에 있는 해부학적 구조부(3507)에 접촉하는 결과를 발생시키지 못한다는 점에 주목해야 한다. 따라서, 일부 실시예에 따라, 오퍼레이터는 또 다른 예측 경로(도시되지 않음)를 시도할 수 있다.

시행착오 기법은 예를 들어 기기 또는 기기의 일부분의 형상과 같은 관심 특성이, 예컨대 도 35에 예시된 바와 같이 3D로 표시되는 것으로서, 예측 경로(3518-1, 3518-2 및 3518-3)를 결정하기 위해 기하학적으로 (가상적으로) 확장될 때 마찬가지로 채용될 수 있다.

레이저 버스트(laser burst)와 같은 에너지가 예컨대 상이한 위치들에서 또한 조직으로부터의 상이한 거리들로부터 조직에 적용될 수 있도록, 상이한 경로들이 툴을 조직 구조부에 대한 상이한 포지션들에 포지셔닝시키는 데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 36는 Q3D 런웨이라고도 하는 예측 경로 영상(3618)이 기기의 현재의 위치 및 배향에 기초한 기기 피처(instrument feature)의 가시적인 기하학적 가상의 확장(virtual extension)을 표시하고 있는 예를 도시하고 있다. 예시의 목표 기기는 해부학적 조직 상에서 닫혀 스테이플을 발사하기 전의 포지션 및 배향으로 도시되어 있는 스테이플러 기기(3620)이다. 외과의들은 스테이플러의 전개 중에 스테이플러가 어디에 안착(landding)할지를 이해하기 위해 스테이플러를 이리저리 조종하는 데 시간을 보낼 수 있다. 파선 영상(3618)은 6개의 스테이플 라인(staple line)을 포함하고 있는 예시의 스테이플러의 스테이플 라인 피처의 확장을 예시하고 있다. 가상의 확장 영상(3618)은 예시의 스테이플러(3620)의 현재의 포지션 및 배향이 주어졌을 때 그것의 형상이 얼마간의 거리만큼 확장되는 경우에 예시의 스테이플러(3620)에 의해 차지되는 물리적 공간을 나타내는 영상을 포함한다. Q3D 내시경이 스테이플러와 목표 조직의 3D 치수 및 배향을 포함하는 모델을 생성하도록 사용될 수 있다는 점을 고려하면, 스테이플러의 실제 현재의 위치를 초과하여 목표 조직(예컨대, 도 36의 결장 조직)을 향해 연장되는 스테이플 라인의 예측 경로는 스테이플러의 대상 조직 스테이플러의 실제 현재 위치를 넘어 상기 대상 조직으로 연장되는 스테이플 라인의 예측 경로가 결정될 수 있다. 내시경 시계는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 외과의는 스테이플러가 목표 조직에 접촉하기 전에도 여러 가지 스테이플러 전개 배향을 시뮬레이션할 수 있다. 이런 식으로, 외과의는 스테이플러 카트리지 및 앤빌이 스테이플링 및 절제를 위해 목표 조직 상에 결합될 때 목표 조직 상의 어느 곳에 안착될 것인지를 보다 정확하게 이해할 수 있다. 따라서, 외과의는 소정의 치료 목적을 달성하기 위해 스테이플 라인의 배향 및 스테이플 나이프 궤적의 배향을 최적화할 수 있다.

Q3D 공간 내에서의 기기 추적

도 37은 내시경 시계(FOV_e)를 가진 영상 센서 어레이(210)와 관련된 내시경(2502)을 도시한 설명도이다. 도 37은 또한 일부 실시예에 따른, FOVe 내의 수술 장면(3708) 내에 배치된, 다수의 상이한 포지션(3706-p1, 3706-p2, 3706-p3)에서 도시된 동일한 수술 기기의 일부분 및 해부학적 구조부(3707)도 도시하고 있다. 내시경 시계는 수술 과정 중에 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 뷰어(312)를 통해 외과의에게 보여질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광원(2510)이 수술 장면(3708)을 조명한다. 도 7a-7b 및 도 8-10을 참조하여 설명된 바와 같이, 영상 센서 어레이(210)가 내시경(2502)의 팁 부분(2512)과 관련된 영상 센서 어레이를 조명하고 있는 FOV_e 내의 수술 기기(3706) 및 해부학적 구조부(3707)의 영상 투영들을 취득하기 위해 포지셔닝되어 있다. 영상 센서 어레이(210)가 내시경 팁(2512)에 인접하여 배치된 것으로 도시되어 있지만, 선택적으로 영상 센서 어레이는 예컨대 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같이 팁(2512)으로부터 변위될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 내시경(2502)은, 예시의 목표들로서 수술 기기(3706) 및 환자의 체강 내부의 해부학적 구조부(3707)를 포함하는 수술 장면(3708)에 대한 시각적 접근을 제공하기 위해, 체벽 조직을 침투하거나(예컨대, 캐뉼라를 통해) 자연적 체공 내로 진입하여 환자의 체강 내에 연장되도록 포지셔닝된다. 내시경 및 그것의 작동의 일부 실시예에 대한 추가적인 설명은 앞서 제공되었으므로 반복하지 않는다.

도 37은 일부 실시예에 따른, 도 5-6을 참조하여 설명한 바와 같이 배치된 Q3D 내시경(2502)의 시계(FOV_e)를 예시한다. 도 5-6에 도시된 바와 같이, 기기(101A-101B)와 Q3D 내시경(101C)은 외과 수술 중에 상이한 캐뉼라들을 통해 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 선택적으로, 내시경과 하나 이상의 기기가 수술 부위에 도달하도록 단일 개구부(단일 절개부 또는 자연적 체공)를 통과할 수도 있다. 따라서, 캐뉼라의 사용은 필수적이지 않다. 외과 수술은 원격조작 의료 시스템의 사용을 수반할 수 있으며, 또는 수동식 최소 침습 수술일 수 있으며, 또는 개복 외과 수술일 수 있으며, 또는 그것들의 조합일 수 있다. 도 6은 원격조작 의료 시스템 외과 수술과 관련하여, 환자측 카트의 기계식 수술 암(158A-158D) 상의 내시경(101C) 및 기기(101A-101B)의 배치를 예시하고 있다.

예시 목적을 위해, 목표 수술 기기(3206)는 DA VINCI Si® 수술 시스템용의 ENDOWRIST® 메가 니들 드라이버 기기와 같은, 니들 드라이버(needle driver) 형태의 엔드 이펙터를 가지고서 도시되어 있다. 시저(scissor), 그래스퍼(grasper), 스칼펠(scalpel), 소작 전극(cautery electrode), 또는 클립 어플라이어(clip applier)와 같은 대안의 엔드 이펙터들이 외과 수술 중의 다른 수술 기기의 기능들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예시의 장면(3708)에서, 동일한 목표 기기(3706)가 파선 화살표로 지시된 바와 같이 그것의 포지션(3706-p1)으로부터 그것의 포지션(3706-p2)로 그리고 다음으로 그것의 포지션(3706-p3)으로 포지션을 변경한다. 예를 들어 의료 시술 중에, 외과의는 목표 기기가 예컨대 포지션(3706-p1)으로부터 포지션(3706-p2)으로 그리고 다음으로 포지션(3706-p3)으로 이동하도록 만들 수 있다.

도 38a-38c는 일부 실시예에 따른, 제1 시점(time point)에서의 포지션(3706-p1)(도 38a)으로부터 제2 시점에서의 포지션(3706-p2)(도 38b)으로 그리고 다음으로 제3 시점에서의 포지션(3706-p3)(도 38c)으로의 목표 기기의 포지션의 변화를 나타낸 설명도들이다. 도 4를 참조하면, 일부 실시예에 따라, 외과의는 뷰어(312)를 포함하는 입체 디스플레이 장치(164)를 통해 환자의 신체 내부의 수술 부위의 영상들의 비디오 프레임들을 볼 수 있다. 제1 시점에서, 외과의는 도 38a에 도시된 장면을 본다. 제2 시점에서, 외과의는 도 38b에 도시된 장면을 본다. 제3 시점에서, 외과의는 도 38c에 도시된 장면을 본다. 때때로 수술 과정의 도중에, 기기(3706)는 예컨대 혈액에 의해 가려질 수 있고, 외과의는 순간적으로 수술 기기(3706)를 해부학적 대상체(3707)의 주변 조직 구조와 구별하는 데 어려움을 겪을 수 있다.

도 39는 일부 실시예에 따른, Q3D 장면을 사용함으로써 목표 기기를 추적하기 위한 프로세스(3900)를 나타낸 예시적인 플로우차트이다. 프로세스(3900)는 수술 장면(3708)을 참조하여 설명된다.

모듈(3902)은 3706-p1으로부터 3706-p1로 3706-p1로의 목표 기기(3706)의 다수의 대응되는 포지션의 변화들의 각각에 대한 상이한 Q3D 모델(Q3D-1, Q3D-2 및 Q3D-3)을 생성하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 선택적으로, 제1 Q3D 모델이 기기(3706)의 위치 변경과 관련된 증분 정보(incremental information)로 업데이트될 수 있다. Q3D 모델들 또는 각각의 증분 업데이트가 비일시성 저장 장치(3950)에 저장된다.

모듈(3904)은 다수의 상이한 Q3D 모델의 각각에서 목표 기기를 식별하도록 컴퓨터 시스템(151)을 구성한다. 일부 실시예에 있어서, 목표 기기를 식별하기 위해, 목표 기기 형상 정보가 Q3D 모델 거리 정보와 매칭된다. 예를 들어, 목표 기기의 형상은 비일시성 저장 장치(3950)에 저장된다. 저장된 기기의 형상은 그것의 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델에서 알 수 있다. 선택적으로, 기기는 사전에 스캔될 수 있고, 결과적인 스캔들이 3D 형상 모델을 형성하도록 스티치(stich)될 수 있다. 최상의 정합 알고리즘이 목표 기기의 저장된 형상과 최상으로 정합하는 Q3D 모델의 섹션을 검출하도록 채용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 최상의 정합 알고리즘은 저장된 기기 형상을 Q3D 모델을 횡단이동하는 것에 의해 추출된 최상의 정합 후보들과 비교하기 위해 2D 또는 3D 상관 함수를 사용한다.

모듈(3906)은 목표 기기(3706)의 시각적 표시를 각각 포함하는 Q3D 모델들의 각각의 시각적 표현을 생성하도록 컴퓨터(151)를 구성한다. 예를 들어 도 22a-22b를 참조하여 상술한 바와 같이, Q3D 모델의 시각적 영상 표현은 장면(3708)의 시각적 3D 비디오 표현 내에 보여지는 목표와 관련하여 표시되는 시각적 마커(marker)를 포함할 수 있다.

도 40을 참조하면, 일부 실시예에 따른, 제2 위치(3706-p2)에서의 목표 기기(3706)가 시각적 마커 "M2"와 관련되어 도시된 상태에 있는 장면(3708)의 예시의 시각적 표현이 도시되어 있다. 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 볼(FOVe)의 내시경 필드는, 뷰어(312)를 통하여 외과의가 볼 수 있다는 것을 이해할 것이다. 목표 기기(3706)의 시각적 영상은 예를 들어 혈액과 같은 체액(4002)에 의해 관찰이 부분적으로 방해되고 있다. 그럼에도 불구하고, Q3D-2 모델에 기초하여 제공되는 마커 "M2"가 포지션(3706-p2)에서의 목표 기기(3706)의 위치를 지시한다. 따라서, 다수의 Q3D 시각적 표현들이 다수의 시간에서의 목표 기기 위치를 보여주도록 생성될 수 있고, 이는 예컨대 기기가 체액에 의해 관찰이 방해되는 경우에도 오퍼레이터가 장면(3708) 내의 목표 기기를 추적하는 것을 가능하게 해준다.

선택적으로, 알려진 패턴으로 요철된 윤곽 피처(contoured feature) 형태의 시각적 마커가 채용될 수 있다. 예를 들어, 기기는 Q3D 내시경이 인식할 수 있는 패턴으로 엠보싱(embossing) 가공될 수 있다. 이 패턴은 엠보싱 가공된 기기의 배향의 지시를 제공하도록 엠보싱 가공될 수 있다. 윤곽 패턴을 지시하는 정보를 취득함으로써, 예컨대 기기가 체액에 의해 시각적으로 방해되는 경우에도 기기의 포지션 및 배향을 지시하는 Q3D 모델이 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예들의 전술한 설명 및 도면들은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이다. 따라서, 다양한 변형들이 첨부된 청구범위에서 한정되는 본 발명의 기술사상 및 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의해 상기 실시예들에 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 상술한 시스템 및 상기 방법들은 영상 센서 어레이로 구성된 Q3D 내시경을 수반한 구현예로 제시되었다. 하지만, 본 발명의 범위는 비행 시간 영상 센서(time-of-flight imaging sensor)에 기초한 것과 같은 다른 타입의 Q3D 내시경들을 포함한다. 당업자는 어떻게 Q3D 내시경(2502)을 다른 것으로 대체할지를 알 것이다.

Claims (26)

1. 목표 기기의 시점(viewpoint)에서의 해부학적 구조부의 3차원 영상을 시각화하기 위한 시스템에 있어서,
   상기 시스템은:
   정량적 3차원(Q3D) 내시경의 시계 내의 장면을 영상화하기 위해 배치된 정량적 3차원(Q3D) 내시경; 및
   적어도 하나의 프로세서를 포함하고 있고,
   상기 적어도 하나의 프로세서는:
   상기 Q3D 내시경에 의해 영상화된 장면의 Q3D 모델을 결정하고;
   상기 장면 내의 적어도 하나의 목표 기기를 식별하고;
   상기 장면 내의 적어도 하나의 조직 구조부를 식별하고;
   상기 Q3D 내시경의 팁의 시계로부터 상기 적어도 하나의 목표 기기의 길이방향 축을 따른 관찰 투시로의 기하학적 변환을 결정하고;
   적어도 부분적으로 상기 기하학적 변환에 기초하여, 상기 적어도 하나의 목표 기기의 길이방향 축을 따른 관찰 투시로부터 표현되는대로 상기 Q3D 모델 내에 표현되는 상기 적어도 하나의 조직 구조부의 3차원(3D) 뷰를 생성하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 3D 뷰를 표시하는 3D 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 적어도 부분적으로 상기 3D 뷰에 기초하여 정량적 측정값들을 표시하기 위한 뷰어를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 사용자가 한 세트의 기기들로부터 상기 적어도 하나의 기기를 선택하는 것을 가능하게 해주는 제어 입력 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 내시경의 시계로부터 상기 적어도 하나의 기기의 가상의 시계로의 기하학적 변환을 결정하는 과정은:
   상기 Q3D 내시경의 기하학적 배향을 결정하는 과정;
   적어도 하나의 기기의 길이방향 축의 기하학적 배향을 결정하는 과정;
   상기 Q3D 내시경을 상기 적어도 하나의 기기의 길이방향 축과 가상적으로 중첩하는 포지션으로 이동시키고, 상기 Q3D 내시경을 상기 적어도 하나의 기기의 길이방향 축의 결정된 배향과 정렬시키기 위한 하나 이상의 기하학적 변환을 결정하는 과정; 및
   상기 Q3D 내시경을 이동시키고 정렬시키기 위해 결정된 하나 이상의 기하학적 변환의 역변환인 하나 이상의 기하학적 변환에 의해 상기 장면의 Q3D 모델을 변환시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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