KR100996826B1 - Method of calibrating an instrument used in surgical navigation system - Google Patents
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Abstract
본 개시는 제1 자기 센서, 제1 지표물 그리고 제2 지표물을 구비하는 교정기를 이용하여, 제2 자기 센서를 구비하는 도구를 수술용 항법 장치가 인식할 수 있도록 하는, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법에 있어서, 도구와 제1 지표물을 이용하여, 제1 자기 센서와 제1 지표물을 연관지우는 제1 단계; 그리고, 도구와 제2 지표물을 이용하여, 제2 지표물에 위치한 도구를 제1 지표물에 연관지우는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법에 관한 것이다.The present disclosure provides a surgical navigation apparatus for enabling a surgical navigation apparatus to recognize a tool having a second magnetic sensor using a calibrator having a first magnetic sensor, a first indicator, and a second indicator. A method of calibrating a tool, comprising: a first step of associating a first magnetic sensor with a first indicator using a tool and a first indicator; And a second step of associating the tool located on the second indicator with the first indicator using the tool and the second indicator. will be.
수술, 항법, 네비게이션, 교정, 보정, 적외선, 전자기, 마크네틱, 센서 Surgery, Navigation, Navigation, Calibration, Calibration, Infrared, Electromagnetic
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법에 관한 것으로, 특히 자기장을 이용하여 수술용 항법 장치에서 이용되는 수술용 도구를 교정하는, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method for calibrating a surgical navigation apparatus as a whole, and more particularly, to a method for calibrating a surgical navigation apparatus using a magnetic field to calibrate a surgical tool used in a surgical navigation apparatus. will be.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art).This section provides backgound informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art.
도 1은 미국특허 제5,921,992호에 기재된 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법의 일 예를 설명하는 도면으로서, 적외선 카메라(1)에 의해 인식가능한 적외선 반사구(21,22,23,24)가 구비된 베이스(20), 그리고 베이스(20)의 중앙에 구비된 튜브(25)를 구비한다. 튜브(25)는 점선(30)으로 표시된 방향축을 가지며, 그 단부에 29로 표시된 끝점을 가지며, 튜브(25)의 끝점(29)과 방향축(30)은 적외선 반사구(21,22,23,24)에 대해 상대적으로 결정되어 있다. 적외선 카메라(1)에 의해 수집된 정보는 컴퓨터인 수술용 항법 장치(6)로 보내져서 수술용 항법 장치(6)에 의해 처리되고, 모니터(7)를 통해 디스플레이된다. 수술용 항법 장치(6)는 수술에 앞서 MRI 또는 CT 장치 등을 통해 획득된 이미지를 저장하고 있으며, 수술 동안에 이 이미지 중 관심이 있는 영역을 모니터(7)를 통해 디스플레이하는 장치를 말한다. 이때, 이 관심이 있는 영역을 수술용 항법 장치(6)에 인식시켜주거나, 환부의 치료에 사용되는 도구가 수술 도구 또는 도구(28)이다.FIG. 1 is a view for explaining an example of a method for calibrating a surgical navigation apparatus tool described in US Pat. No. 5,921,992, which includes
도구(28)를 수술용 항법 장치(6)가 인식하고 모니터(7)를 통해 나타내기 위해서는, 도구(28)의 적외선 반사구(32,33,34) 또는 이들이 형성하는 좌표계에 대하여 도구(28)가 가지는 방향(27)과 그 끝점(끝점(29)에 대응)에 대한 정보가 필요하며, 적외선 반사구(21,22,23,24)에 대하여 또는 이들이 형성하는 좌표계에 대하여, 위치 및 방향 정보가 알려져 있는 튜브(25)의 끝점(29)까지 도구(28)를 삽입함으로써 용이하게 취득될 수 있다.In order for the
도구(28)가 튜브(25) 안으로 삽입되어 안내되고 도구(28)의 끝점이 끝점(29)과 일치되며, 이에 의해 도구(28)가 가지는 방향(27)이 방향축(30)과 일치하게 된다. 끝점(29)과 방향축(30)의 좌표는 이미 알려져 있으므로, 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 좌표 또한 적외선 카메라(1)를 통해 수술용 항법 장치(6)가 알 수 있게 된다.The
한편 적외선 카메라(1) 즉, 광학 센서(Otical Sensor)를 이용하는 경우의 단점은 적외선 카메라(1)의 시계(8; Field of View) 내에 있어서도 의사 또는 수술용 장치에 의해 가려지는 경우에 적외선 카메라(1)가 적외선 반사구(21,22,23,24) 또는 적외선 반사구(32,33,34)를 감지하지 못하여 수술용 항법 장치(6)가 제대로 작 동하지 못한다는 것이다. 예를 들어, 입안에서 수술이 행해지는 치과적 수술의 경우에 특히 그러할 수 있다.On the other hand, the disadvantage of using an infrared camera 1, that is, an optical sensor is that an infrared camera (in case of being covered by a doctor or surgical device even in a field of view 8 of the infrared camera 1) 1) does not detect the infrared reflector (21, 22, 23, 24) or the infrared reflector (32, 33, 34) that the surgical navigation device (6) is not working properly. This may be especially the case, for example, in dental surgery where surgery is performed in the mouth.
도 2는 수술용 항법 장치에 있어서 도구 교정의 의미를 개념적으로 설명하는 도면으로서, 수술용 항법 장치(6)는 적외선 반사구(21,22,23,24)를 하나의 좌표계(X1,Y1,Z1)로 인식하며, 적외선 반사구(32,33,34)를 하나의 좌표계(X2,Y2,Z2)로 인식한다. 도구 교정은 도구(28)가 가르키는 방향(27)과 도구의 끝점(끝점(29)에 대응)을 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대하여 나타내는 작업으로 이해할 수 있다.FIG. 2 is a view conceptually explaining the meaning of the instrument calibration in the surgical navigation device. The
좌표계(X1,Y1,Z1)와 좌표계(X2,Y2,Z2)의 관계를 3x3 형식의 메트릭스 즉, 선형변환 T로 표시할 때, 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대한 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 관계는 도구(28)를 튜브(25)의 끝점(29)에 위치시킴으로써 간단하게 알 수 있다. 즉, 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대한 튜브(25)의 끝점(29)과 방향(30)의 관계를 알고 있으므로, 이들에 선형변환(T)을 행하면 간단하게 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대해 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 관계를 나타낼 수 있게 된다.The orientation of the
도 3 및 도 4는 미국특허 제6,235,038호에 기재된 수술용 항법 장치 및 도구의 일 예를 나타내는 도면으로서, 수술용 항법 장치(50)는 적외선 카메라(40)에 더하여 자기장 발생기가 구비된 수술대(80)를 더 구비하며, 도구(60) 또한 적외선 반사구(70)에 더하여, 자기 센서(90; 도 4 참조)를 구비하며, 자기 센서(90)는 코일(92)로 구성된다. 수술대(80)에 마련된 자기장 발생기에 의해 발생된 자기장은 자기 센서(90)에 의해 감지되고, 유선(91)을 통해 수술용 항법 장치(50)로 전달된다. 이러한 자기 센서를 이용하는 경우에 의사의 방해에 관계없이 자기장 내에서 도구(60)를 감지할 수 있게 된다. 미설명 부호 11은 기준 프레임을 나타낸다.3 and 4 are views showing an example of a surgical navigation device and a tool described in US Patent No. 6,235,038, the
본 발명은 자기 센서를 이용하는 도구를 수술용 항법 장치에 인식시키는 방법 즉, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method of recognizing a tool using a magnetic sensor in a surgical navigation device, that is, a method of calibrating a tool for a surgical navigation device.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 자기 센서, 제1 지표물 그리고 제2 지표물을 구비하는 교정기를 이용하여, 제2 자기 센서를 구비하는 도구를 수술용 항법 장치가 인식할 수 있도록 하는, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법에 있어서, 도구와 제1 지표물을 이용하여, 제1 자기 센서와 제1 지표물을 연관지우는 제1 단계; 그리고, 도구와 제2 지표물을 이용하여, 제2 지표물에 위치한 도구를 제1 지표물에 연관지우는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법가 제공된다. 예를 들어, 제1 지표물은 교정기의 일면(예: 상면) 자체로 이루어지거나 이 일면에 형성되며 평면이 인식가능하도록 세개의 홈으로 이루어질 수 있으며, 제2 지표물은 방향축과 끝점을 가지는 홀 또는 튜브로 이루어질 수 있다.According to one aspect of the present disclosure, an instrument having a second magnetic sensor is provided using a calibrator having a first magnetic sensor, a first indicator, and a second indicator. 1. A method of calibrating a surgical navigation device tool for recognizing a surgical navigation device, the method comprising: a first step of associating a first magnetic sensor with a first indicator using the tool and a first indicator; And a second step of associating the tool located on the second indicator with the first indicator using the tool and the second indicator. A method of calibrating a tool for a surgical navigation device is provided. . For example, the first indicator may be formed on one side (eg, the upper surface) of the calibrator itself, or may be formed on one side and three grooves so that the plane is recognizable, and the second indicator has a direction axis and an end point. It may consist of a hole or tube.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing (s).
도 5는 본 발명에 따른 교정기의 일 예를 나타내는 도면으로서, 교정기(100)는 상면(110)을 구비하며, 교정기(100)의 위치 인식에 사용되며 코일(210)을 구비하는 교정기용 자기 센서(200)를 포함한다. 상면(110)에는 세개의 홈(111,112,113)과 끝점(114)과 방향축(115)을 가지는 한 개의 홀 또는 튜브로 된 도구 가이드(116)가 형성되어 있으며, 세개의 홈(111,112,113)과 끝점(114) 및 방향축(115)의 위치 관계(내지는 좌표 관계)는 알려져 있다.5 is a view showing an example of a calibrator according to the present invention, the
광학 센서를 사용하는 경우와 자기 센서를 사용하는 경우의 차이점은 광학 센서의 경우(도 1 참조)에는, 적외선 반사구(21,22,23,24)와 튜브(25)의 끝점(29)과 방향축(30)의 관계를 미리 알 수 있다는 것이다. 즉, 적외선 반사구(21,22,23,24) 또한 베이스(20) 상에 위치 측정가능하게 존재하므로, 이들 사이의 관계를 미리 알 수 있는 것이다. 그러나 코일(210)을 구비하는 자기 센서(200)의 경우에는 자기 센서의 특성상 미리 그 위치 관계를 특정하기 어렵다. 본 발명은 이러한 제약을 해소하는 교정 방법을 제공하는 것이다.The difference between using an optical sensor and a magnetic sensor is that in the case of an optical sensor (see FIG. 1), the
도 2를 참조하면, 자기 센서를 사용하는 경우에, 교정기용 자기 센서(200)가 형성하는 좌표축(X1,Y1,Z1)에 대하여 홈(111,112,113) 및 도구 가이드(116)의 끝 점(114)/방향축(115)의 관계가 알려져 있지 않다는 것이다. 다만 홈(111,112,113)과 도구 가이드(116)의 끝점(114)/방향축(115)의 위치 관계는 이미 알려져 있다. 이는 교정기(100)의 제작 과정에 필요한 정보이므로, 당연한 것이다. 한편 좌표축(X1,Y1,Z1)과 좌표축(X2,Y2,Z2) 간의 관계 즉, 선형변환(T)은 수술용 항법 장치가 교정기용 자기 센서(200)와 후술할 도구용 자기 센서(310; 도 6 참조)를 인식함으로써 자동적으로 주어진다. 교정기(100)에서 홈(111,112,113)이 형성하는 평면과 방향축(115)은 직교하며, 홈(111,112,113)과 끝점(114)의 위치 즉, 거리 관계는 주어져 있다. 그러나 평면과 방향축(115)이 반드시 직교해야 하는 것은 아니며, 서로의 관계를 알 수 있는 것으로 족하다.2, in the case of using a magnetic sensor, the
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 수술용 항법 장치용 도구를 교정하는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.6 and 7 illustrate an example of a method for calibrating a tool for surgical navigation apparatus according to the present invention.
1. 홈(111,112,113)이 형성하는 평면 구하기1. Find the plane formed by the grooves (111, 112, 113)
도 6에 도시된 바와 같이, 자기 센서(310), 끝점(320) 그리고 도구(300)가 가리키는 방향(330)을 가지는 도구(300)를 교정기(100)의 홈(111)에 삽입한 다음, 화살표로 표시된 바와 같이 회전 운동시킨다. 이를 피봇팅(pivoting)이라 하며, 수술용 항법 장치는 피봇팅되는 자기 센서(310) 또는 좌표계(X2,Y2,Z2)로부터 홈(111)을 특정할 수 있으며, 또한 자기 센서(200)의 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대한 점으로 인식할 수 있다. 그리고 이러한 피봇팅을 홈(112,113)에 대해서도 행한다. 물론 홈(111)에 대한 피봇팅을 통해 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대한 끝점(320)의 위치 관계를 결정할 수 있으므로, 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대한 홈(112,113)의 위치 관계는 홈(112,113)에 단순히 끝점(320)을 위치시킴으로써 인식될 수 있다. 이 피봇팅을 통해 홈(111,112,113)에 대한 정보를 취득할 수 있으며, 이로부터 홈(111,112,113)이 형성하는 평면(또는 평면 방정식)을 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대하여 표시할 수 있게 된다. 평면을 구할 수 있다는 것은 이 평면에 수직한 방향을 구할 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 홈(111,112,113)이 형성하는 평면에 수직한 도구 가이드(116; 도 5 참조)의 방향축(115; 도 5 참조)을 구할 수 있다는 것을 의미한다.As shown in FIG. 6, the
한편 홈(111,112,113)이 없는 경우에도, 도구(300)의 끝점(320)을 교정기(100)의 상면(110; 도 5 참조)의 한 점에 고정한 채(약간의 오차가 발생할 수 있다) 피봇팅을 행함으로써, 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대한 끝점(320)의 위치를 파악할 수 있으며, 그 다음 상면(110)을 따라 도구(300)를 이동(예를 들어 X자를 그려서 평면을 형성한다.)시킴으로써 상면(110)을 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대하여 인식시킬 수 있게 된다. 이 경우 상면(110)을 평면으로 활용할 수 있게 된다.On the other hand, even when there are no
2. 끝점(320) 및 방향축(330) 구하기2. Find the endpoint (320) and direction axis (330)
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 도구(300)를 홀 형태의 도구 가이드(116)에 삽입한다. 이때 수술용 항법 장치는 좌표계(X1,Y1,Z1; 자기 센서(200)의 자세)와 좌표계(X2,Y2,Z2; 자기 센서(310)의 자세)로부터 양자의 관계 즉, 선형변환(T1)을 파악할 수 있다. Next, as shown in Figure 7, the
또한 이때 도구(300)의 방향(330)은 방향축(115)의 방향이 되며, 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대한 방향축(115)은 수술용 항법 장치가 알고 있으므로, 선형변환(T1)을 통해 방향축(115)을 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대해 나타냄으로써, 방향(330)을 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대해 나타낼 수 있게 된다.In this case, the
또한 좌표계(X1,Y1,Z1)에서의 홈(111,112,113)이 형성하는 평면 및 홈 또는 이 평면에 대한 끝점(114)의 관계는 이미 알려져 있으므로, 선형변환(T1)을 통해 끝점(320)을 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대해 나타낼 수 있게 된다.In addition, since the relationship between the plane formed by the
따라서 도구(300)의 끝점(320)과 방향(330)을 좌표계(X2,Y2,Z2; 자기 센서(310)의 자세)에 대한 값으로 수술용 항법 장치가 인식할 수 있게 된다.Accordingly, the surgical navigation apparatus can recognize the
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Various embodiments of the present disclosure will be described below.
(1) 자기 센서를 이용하는 수술용 도구를 교정(Calibration)할 수 있는 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법.(1) A method of calibrating a tool for surgical navigation apparatus that can calibrate a surgical tool using a magnetic sensor.
(2) 자기 센서를 구비하는 교정기를 이용하는 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법.(2) A method of calibrating a tool for surgical navigation apparatus using a calibrator provided with a magnetic sensor.
(3) 지표물 형성하는 평면과 이 평면에 종속하는 방향축을 가지는 지표물을 이용하는 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법.(3) A method for calibrating a surgical navigation apparatus tool using a surface having a surface to form the surface and a direction axis dependent on the surface.
(4) 끝점이 탈착가능하며, 자기 센서를 구비하는 수술용 도구(예: 치과용 드릴)을 교정할 수 있는 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법. 이때, 끝점을 제거한 상태에서 교정을 행한 다음, 끝점을 장착한 상태에서 교정을 다시 행함으로써, 탈착되는 도구 부분의 길이를 파악할 수 있게 된다.(4) A method of calibrating a tool for surgical navigation apparatus that is capable of calibrating a surgical tool (for example, a dental drill) having a detachable endpoint and having a magnetic sensor. At this time, the calibration is performed in a state where the end point is removed, and then the calibration is performed again in a state where the end point is attached, whereby the length of the detachable tool part can be determined.
도 1은 미국특허 제5,921,992호에 기재된 수술용 항법 장치용 도구의 교정 방법의 일 예를 설명하는 도면,1 is a view for explaining an example of the calibration method of the instrument for surgical navigation apparatus described in US Patent No. 5,921,992,
도 2는 수술용 항법 장치에 있어서 도구 교정의 의미를 개념적으로 설명하는 도면,FIG. 2 conceptually illustrates the meaning of instrument calibration in a surgical navigation device;
도 3 및 도 4는 미국특허 제6,235,038호에 기재된 수술용 항법 장치 및 도구의 일 예를 나타내는 도면,3 and 4 is a view showing an example of a surgical navigation apparatus and tools described in US Patent No. 6,235,038,
도 5는 본 발명에 따른 교정기의 일 예를 나타내는 도면,5 is a view showing an example of a calibrator according to the present invention;
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 수술용 항법 장치용 도구를 교정하는 방법의 일 예를 설명하는 도면.6 and 7 illustrate an example of a method for calibrating a tool for surgical navigation apparatus in accordance with the present invention.
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