KR100331448B1 - 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상정보 인식 장치 및 방법 - Google Patents

내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상정보 인식 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 미세 삽입 수술(Minimally Invasive Surgery)을 시행함에 있어서, 복부에 삽입된 수술용 도구(surgical Instrument)의 모습을 내시경(Endoscope)을 이용하여 최적의 입체 영상으로 볼 수 있도록 하기 위한 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치는 카메라의 특성인 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)를 이용하여 수술 도구의 종류를 내시경 영상으로부터 판독하고, 수술 도구의 원통형 표면에 표시된 링 마크의 원추 곡선의 투사 영상으로부터 수술 도구의 각도 및 거리를 연산함으로써 그 위치를 판독한다.

Description

내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법{Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery}
본 발명은, 미세 삽입 수술(Minimally Invasive Surgery)을 시행함에 있어서, 복부에 삽입된 수술용 도구(surgical Instrument)의 모습을 내시경(Endoscope)을 이용하여 최적의 입체 영상으로 볼 수 있도록 하기 위한 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법{Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope}에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 로봇을 이용한 미세 수술 시스템은 기본적으로 환자의 신체 내부에 삽입되는 수술 도구(1), 의사가 이 수술용 도구를 볼 수 있도록 하는 내시경(2), 수술 도구(1)의 종류 및 위치를 볼수 있도록 내시경(2)의 위치를 자동으로 조정하는 로봇 팔(3), 로봇 팔 제어기(4), 컴퓨터(5), 영상 처리기(6), 힘/토오크 처리기(7), 음성 처리기(8) 및 모니터(9) 등으로 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 미세 수술 시스템에서, 모니터(9)로 수술 도구(1)의 현재 위치에서의 영상에서 원하는 위치에서의 영상을 보기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 로봇 팔(3)의 자세를 조정하여야 한다.
이러한 종래의 내시경을 이용한 미세 수술에서 최적의 수술 도구에 대한 영상을 얻기 위하여, Computer Motion Inc.의 Wang 등은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 수술 도구(Instrument)에 사각형의 컬러 부호 마크(Color-Coded Mark)를 부착하였다. 각 컬러(Color)를 적(R), 녹(G), 청(B)으로 분류하여 미리 LUT을 구축한 후, 이를 도구 인식에 사용하였고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 사각형 영상으로 투영될 때 발생하는 변형으로부터 3차원 영상 정보를 추출하였다. 그러나, 카메라의 특성상 도 3b에 도시된 바와 같은 사각형 마크 영상의 변형으로부터는 3차원 영상 정보를 정확하게 추출할 수는 없다. 즉, 컬러 마크의 찌그러진 영상의 센터를 확인하여 위치를 확인하나 위치가 부정확할 수 밖에 없기 때문에 정확도의 문제가 존재한다.
또한, 독일의 에어로스페이스(Areospace)사는 Computer Motion Inc.와 거의 유사하나, 컬러를 HVS로 변형하여 인식 시간을 줄이는 방법을 제안하였다.
그리고, IBM에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 광섬유 등의 발광 원형 마크(Circle-Mark)를 수술 도구(Instrument)에 설치하고, 이 원형의 변형 형태로부터 3차원 영상 정보를 추출하는 방법을 제안하였다. 이는 광섬유 등의 주입된 광표시 마크로 수술 도구의 확인이 가능하나, 원형(Circle)이 원통형 수술도구(Instrument)에 설치 됨에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같은 오차가 발생하는 단점을 갖는다.
이와 같이, 상기와 같은 수술 도구들에 대한 한장의 내시경 영상으로는 도구간 구별이 불가하고, 수술 도구 확인 및 위치 인식을 위해 적어도 두 장의 영상이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 한장의 영상으로도 수술 도구 확인 및 위치 인식을 정확하게 할 수 있는 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면,
도 2는 도 1의 미세 수술 시스템에서 자동으로 원하는 자세와 위치의 영상(최적 영상)을 얻는 과정을 설명하는 도면,
도 3a 및 도 3b는 각각 기존의 미세 수술 시스템에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 컬러코드마크 및 그 영상를 보여주는 도면,
도 4a 및 도 4b는 각각 기존의 또 다른 미세 수술 시스템에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 원마크 및 그 영상를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 링마크를 보여주는 도면,
도 6은 도 5의 링마크에서 불변의 교차비를 구하는 점들의 배치관계를 보여주는 도면,
도 7은 도 5의 링마크를 내시경으로 살펴본 원뿔 곡선 영상을 보여주는 도면,
도 8은 도 5에서 추출된 원뿔곡선(Conic)으로 부터 원(Circle)의 3차원 정보 추출과정을 설명하는 도면,
도 9는 도 5의 3차원 영상 정보 인식 장치에서 수술 도구의 3차원 자세 결정을 위하여 수술 도구와 내시경 간의 배치 관계 및 그 영상을 보여주는 도면,
그리고 도 10은 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치를 갖춘 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 수술 도구 2. 내시경
3. 로봇 팔 4. 로봇 팔 제어기
5. 컴퓨터 6. 영상 처리기
7. 힘/토오크 처리기 8. 음성 처리기
9. 모니터
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치는, 로보트 팔; 상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구; 상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서, 상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 표시된 2개의 링 마크; 상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때, 상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수식에 의해 교차비를 연산하여 특정 수술 도구임을 판독하는 수술 도구 종류 판독부; 및 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 판독하는 위치 판독부;를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의벡터라 하며, 그리고일 때, 상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식 n=URn',, ct=URct' 들로 표시되며, 상기 위치 판독부는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 방법은, 로보트 팔; 상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구; 상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서, 상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 2개의 링 마크를 표시하고, 상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때, 상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수식에 의해 교차비를 연산하여 특정 수술 도구임을 판독하는 단계; 및 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의 벡터라 하며, 그리고일 때, 상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식 n=URn',, ct=URct' 들로 표시되며, 상기 수술 도구 위치 판독 단계는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명의 수술 도구 최적 3차원 영상 정보 인식 장치에서는 수술 도구 인식 및 3차원 정보를 얻기 위하여 원통형 수술 도구(Instrument)에, 도 5에 도시된 바와 같이, 네 개의 링 패턴으로 표시한 마크를 제시하고 있다. 수술 도구(Instrument)의 인식은, 도 6에 도시된 바와 같이, 이 네 개의 링 패턴 사이의 거리에 의하여 정의되는 교차비(Cross-Ratio)에 의하여 이루어지며, 인식된도구(Instrument)의 3차원 영상 정보는, 도 7에 도시된 바와 같이, 링 패턴이 이루는 타원의 형상으로부터 계산된다.
다시 말해서, 본 발명은 카메라의 특성인 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)를 이용하여 수술 도구의 종류를 내시경 영상으로부터 판독하고, 수술 도구의 원통형 표면에 표시된 링 마크의 원추 곡선의 투사 영상으로부터 수술 도구의 각도 및 거리를 연산함으로써 그 위치를 판독하는 점을 특징으로 한다.
이러한 특징을 갖는 본 발명의 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서 제안한 방법은 교차비(Cross-Ratio)와 도 8에 도시된 바와 같은 원뿔 기하(Conic Geometry)에 대한 기본적인 이론을 바탕으로 하고 있다. 교차비(Cross-Ratio)는 투사 변환(Projective Transformation), 즉 목적물/영상 변환(object-to-image transformation)의 비가 항상 불변인 양으로서, 다음과 같이 정의된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, (X1, X2, X3, X4)와 (x1, x2, x3, x4)를 각각 물체면과 영상면에서 정의된 한 직선상의 4개의 점이라고 하면, 교차비(cross-ratio)는 다음 수학식 1과 같이 정의된다.
즉, 투사변형하에서는 두 점간의 거리 등은 변하는 성질이지만, 이 교차비는 불변인 값으로 인식을 위한 구별자로 사용한다.
또한, 정원 및 타원을 포함한 일반적인 원뿔곡선(Conic) 영상은 다음 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
Ax2+ 2Bxy + Cy2+ 2(Dx+Ey) + F = 0
영상에 투영된 식은 다음 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.
여기서, k 는 임의의 0 아인 상수(arbitrary non-zero constant)이다. 이 원뿔곡선(Conic)이 임의의 축에 대하여 회전하면, 회전된 원뿔곡선(Conic)은 다음 수학식 4와 같다.
Q'=k'RTQR
도 8은 이러한 원뿔곡선(Conic)의 표현을 가지고, 도 9에 도시된 바와 같은 영상에 투영된 반경 r의 원(Circle)에 대한 3차원 정보를 구하기 위한 좌표변환의 과정을 보여주고 있다. 즉, 영상에서 추출된 원뿔곡선(Conic) 모양으로 부터 원(Circle) 모양의 3차원 영상 정보를 추출하는 과정을 보여주고 있다.
도 8 및 도 9에서 각 과정에서의 원뿔곡선(Conic)에 대한 관련식은 다음 수학식 5와 같다.
또한 각 원뿔 곡선(Conic) 간의 관계식은 다음 수학식 6 및 7과 같다.
Q'=k'UTQU
Q'=k'UTQ'U
여기서, U=[U1U2U3]는 원뿔(conic)의 eigenvalue, λ1,λ2,λ3에 대한 eigenvector로 구성된 매트릭(Matric)이며, R은 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스(Rotation Transformation matrix)이다.
위의 관계식들로부터 원(circle)이 놓여진 평면의 정규 벡터(normal vector)와 원(circle)의 중심까지의 벡터(vector), 그리고 정규 거리(normal distance)는 다음 수학식 8,9,10과 같다.
n=URn'
ct=URct'
여기서,이다.
이러한 수식을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산함으로써 수술 도구의 위치를 판독한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치를 구비한 미세 수술 시스템은 도 10에 도시된 바와 같이 기존의 시스템에서 마이크로폰과 음성 처리기 및 발판 제어 신호 등을 없앤 구조를 갖는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치는 카메라의 특성인 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)를 이용하여 수술 도구의 종류를 내시경 영상으로부터 판독하고, 수술 도구의 원통형 표면에 표시된 링 마크의 원추 곡선의 투사 영상으로부터 수술 도구의 각도 및 거리를 연산함으로써 그 위치를 판독한다. 따라서, 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)와 원(Circle)의 투사 기하(Projective Geometry)를 이용하기 때문에, 기존의 방법 즉 두 장 이상의 사진을 비교하여야만 수술 도구의 위치 파악이 가능하든 것에 비하여, 한 컷의 영상만으로도 정확하게 수술 도구의 위치 파악이 가능할 뿐 만 아니라 기존의 방법에서 판독이 불가능하였던 어떤 종류의 수술도구인지를 정확하게 파악할 수 있으므로, 내시경 수술시 실시간으로 정확하게 수술도구의 종류 및 위치를 파악하면서 제한 없이 수술을 진행할 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (4)

  1. 로보트 팔;
    상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구;
    상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서,
    상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 표시된 2개의 링 마크;
    상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때,
    상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수학식에 의해 교차비를 연산하여 특정수술 도구임을 판독하는 수술 도구 종류 판독부; 및
    상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 판독하는 위치 판독부;를
    구비한 것을 특징으로 하는 내시경 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의 벡터라 하며, 그리고일 때,
    상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식
    n=URn',
    ct=URct'
    들로 표시되며,
    상기 위치 판독부는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치.
  3. 로보트 팔;
    상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구;
    상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서,
    상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 2개의 링 마크를 표시하고,
    상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때,
    상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수학식에 의해 교차비를 연산하여 특정 수술 도구임을 판독하는 단계; 및
    상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의 벡터라 하며, 그리고일 때,
    상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식
    n=URn',
    ct=URct'
    들로 표시되며,
    상기 수술 도구 위치 판독 단계는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 내시경 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 방법.
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