KR100997759B1 - 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템 - Google Patents

영상 유도 원격 수술 로봇 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템에 관한 것으로서, 의사가 직접 조종할 수 있는 햅틱 마스터 및 증강현실 기법에 의한 가상 영상을 의사에게 보여주는 영상 표시부를 포함하는 오퍼레이팅 장치; 환자에게 직접 시술하는 장치로서, 하기의 제어 장치의 마스터 제어부에 의해 조종되는 내시경 기반의 슬레이브 매니퓰레이터를 포함하는 시술 장치; 수술 전의 의료 영상을 3차원 영상으로 변환하여 수술 중 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성하는 영상처리 장치; 상기 오퍼레이팅 장치의 햅틱 마스터의 조종을 제어하는 마스터 제어부, 및 상기 햅틱 마스터의 위치명령을 상기 슬레이브 매니퓰레이터가 잘 추종할 수 있도록 하기 위한 제어입력을 발생시키고, 슬레이브 매니퓰레이터의 제어에 필요한 각종 제어입력을 발생시키는 슬레이브 제어부를 포함하는 제어 장치; 및 상기 영상처리 장치 및 제어 장치 간 정보를 송수신 하기 위한 통신 장치; 를 포함한다.
원격 수술, 영상 유도, 햅틱

Description

영상 유도 원격 수술 로봇 시스템{TELE OPERATED SURGICAL ROBOT SYSTEM WITH IMAGE GUIDANCE}
본 발명은 원격 수술 로봇 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로봇 수술과 같은 첨단 의료 서비스의 증가로 인한 의료사고를 예방하고, 정확한 영상 정보를 의사에게 제공하여 보다 안전하고 편안한 로봇 수술 환경을 구축할 수 있는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템에 관한 기술이다.
기존의 원격 로봇 수술의 경우, 내시경 영상(Visoin) 정보에만 의존하여 수술을 수행하고 있다. 즉, 원격 로봇 수술시에 내시경 영상 정보만을 직접적으로 이용하여 기존의 수술 전(Pre-Operational) 의료영상(CT, MRI Image)은 참고적인 보조영상으로 이용하여 수술을 진행하게 된다.
이런 제한으로 인해 원격 로봇 수술 시스템은, 수술부위의 적정위치를 잘못 찾는 의료사고를 범하는 문제를 가지게 된다. 또한 수술 전(Pre-Operational) 의료영상(CT, MRI Image)에서 제공하여 주는 여러 가지 유용한 정보를 활용하지 못하는 제한점을 가지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 내시경 통한 수술 중(Intra-Operational) 영상(Vision)정보와 더불어 수술 전(Pre-Operational) 의료영상(CT,MRI Image)을 증강현실(Augmented Reality) 기술을 적용하여 내시경 영상에 투영하여 보여줌으로써 의사의 수술을 하는 시스템을 구현하도록 지원함에 있다.
그리고, 본 발명의 제 2 목적은, 이러한 수술 전 의료영상을 이용하여 실제적으로 수술을 행하는 로봇의 엔드 이펙터(End-effector)를 유도하거나 제한하여 수술의 안전성을 부여하는 시스템을 구현하도록 함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 의사가 직접 조종할 수 있는 햅틱 마스터 및 증강현실 기법에 의한 가상 영상을 의사에게 보여주는 영상 표시부를 포함하는 오퍼레이팅 장치; 환자에게 직접 시술하는 장치로서, 하기의 제어 장치의 마스터 제어부에 의해 조종되는 내시경 기반의 슬레이브 매니퓰레이터를 포함하는 시술 장치; 수술 전의 의료 영상을 3차원 영상으로 변환하여 수술 중 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성하는 영상처리 장치; 상기 오퍼레이팅 장치의 햅틱 마스터의 조종을 제어하는 마스터 제어부, 및 상기 햅틱 마스터의 위치명령을 상기 슬레이브 매니퓰레이터가 잘 추종할 수 있도록 하기 위한 제어입력을 발생시키고, 슬레이브 매니퓰레이터의 제어에 필요한 각종 제어입력을 발생시 키는 슬레이브 제어부를 포함하는 제어 장치; 및 상기 영상처리 장치 및 제어 장치 간 정보를 송수신 하기 위한 통신 장치; 를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 원격 수술 로봇의 경우에는 내시경 영상(Vision) 정보에 의존하여 수술을 수행 하던 부분을 개선하여 정확한 영상 정보를 제공하고 보다 안전하고 편안한 로봇 수술 환경을 구축할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 환부의 내시경 영상과 기존의 의료영상을 병합하여 제공되는 3차원 영상 정보에 의해 유도 및 제한이 되어 안정성 및 실제와 같은 수술 환경을 추구하는 시스템이다. 이중에서도 영상처리 및 영상유도 개발을 통한 segmentation 기술, 의료용 3차원 렌더링 기술, 실시간 렌더링 기술, image fusion 기술, 스테레오 영상을 이용한 위치추적기술, 영상과 실제 수술 공간과의 registration 기술 등 복합 기술의 발전에 기여. 국내 취약분야인 영상유도수술(image-guided surgery, computer-guided surgery) 장비와 수술 계획용 소프트웨어의 개발, 수술용 로봇 개발에 초석을 마련할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템(S)에 관하여 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템(S)을 개념적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이 오퍼레이팅 장치(100), 시술 장치(200), 영상처리 장치(300), 제어 장치(400) 및 통신 장치(500)를 포함하여 이루어진다.
오퍼레이팅(Operating) 장치(100)는 의사에 의해 조종되는 장치로서, 도 2 에 도시된 바와 같이 의사가 직접 조종할 수 있는 햅틱 마스터(Haptic Master)(110) 및 증강현실(Augmented Reality) 기법에 의한 가상 영상을 의사에게 보여주는 영상 표시부(120)를 포함한다.
이때, 햅틱 마스터(110)는, 의사에 의해 조정되어, 시술 장치(200)의 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 위치명령을 생성한다.
또한, 제어 장치(400)의 마스터 제어부(410)에 의해 발생되는 힘반향 입력을 구현하여 의사에게 힘반향을 전달하게 하는 기능을 수행한다. 즉, 햅틱 마스터(110)는 제어 장치(400)의 마스터 제어부(410)에 의해 발생되는 힘반향을 입력받게 되며, 이러한 힘반향이 의사에게 전달되는 것이다.
또한, 시술 장치(200)는 환자에게 직접 시술하는 장치로서, 내시경 기반의 슬레이브 매니퓰레이터(210)가 별도의 주변 고정장치에 의해 고정되어 있다.
이때, 환자와 직접 접촉하는 슬레이브 매니퓰레이터(210)는 도 2 에 도시된 바와 같이 스테레오 내시경 및 발광부(Light Source)로 구성되어, 환부의 내시경 영상을 획득하는 스테레오 내시경부(211) 및 슬레이브 제어부(420)의 제어에 의해 구동하는 다수개의 다축 엔드 이펙터(End-Effector)(212), 그리고, 주입 포트(Injection Port)(213) 및 흡입 포트(Suction Port)(214) 등이 구비된다.
본 실시예에서, 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 구성을 구체적으로 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는 바, 수술부위 및 Target 에 따라 다양한 형태와 구성으로 변형될 수 있다.
또한, 영상처리 장치(300)는 수술 전의 CT 또는 MRI를 통한 의료 영상을 3차원 영상으로 변환하여, 수술 중 내시경 영상에 투영시키는 기능을 수행하는 바, 도 2 에 도시된 바와 같이 3차원 영상 변환부(310) 및 영상 투영부(320)를 포함한다.
구체적으로, 3차원 영상 변환부(310)는 환자별로 CT 또는 MRI 등의 수술 전 의료 영상이 구축된 의료 영상 DB(311)로부터 의료 영상을 수신하여 3차원 영상으로 변환한다.
영상 투영부(320)는 증강현실 기법을 이용하여, 3차원으로 변환된 수술 전의 의료 영상을 수술 중의 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성한다.
즉, 영상 투영부(320)는 증강현실 기법을 이용하여, 3차원 변환된 수술 전의 의료 영상을, 스테레오 내시경부(211)를 통해 획득한 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성한다.
이때, 생성된 가상 영상은, 오퍼레이팅 장치(100)의 영상 표시부(120)로 통해 실시간 출력되며, 의사는 이러한 가상 영상을 영상 표시부(120)를 통해 확인함으로써, 시술을 진행할 수 있게 된다.
이러한, 증강현실(Augmented Reality)은, 내시경 영상만으로는 알 수 없었던 환자의 생체 주요정보(주요 혈관 및 신경, 병변부, 정상 세포부 등)를 좀 더 명확히 알 수 있게 한다. 즉, 기존의 수술에서는 내시경 영상에 의존하여 수술하던 것과 달리, 내시경 영상과 수술 전 영상을 결합함으로써 좀 더 안전한 수술을 가능하게 할 것이다. 이러한 방법은, 수술 전 영상과 내시경 영상을 이용하여 의사가 보는 영상을 통해 수술을 유도하는 "시각적인 영상유도방법"이라 할 수 있다.
제어 장치(400)는 오퍼레이팅 장치(100)의 햅틱 마스터(110)의 조종을 제어하는 마스터(Master) 제어부(410), 및 햅틱 마스터(110)의 위치명령을 슬레이브 매니퓰레이터(210)가 잘 추종할 수 있도록 하기 위한 제어입력을 발생시키고, 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 제어에 필요한 각종 제어입력을 발생시키는 슬레이브(Slave) 제어부(420)를 포함한다.
이러한, 마스터 제어부(410)는, 햅틱 마스터(110)로부터 위치명령을 받아들여 슬레이브 제어부(420)에 전달하고, 슬레이브 제어부(420)로부터 전달받은 힘반향(Force Feedback) 입력을 햅틱 마스터(110)에 전달하는 제어입력을 생성한다.
또한, 슬레이브 제어부(420)는 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 스테레오 내시경부(211)을 통해 획득한 스테레오 이미지 영상과, 슬레이브 매니퓰레이터(210) 각 축의 위치에 입력하여 엔드 이펙터(212)에 존재하는 센서로부터 센서 입력을 받아들인다.
여기서, 햅틱 마스터(110)에 전달되는 힘반향(Haptic Force Feedback)은, 환자와 직접 접촉하는 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 센서로부터 나오는 신호를 이용하여, 햅틱 마스터(110)의 조종자인 의사에게 힘을 전달해 준다. 즉, 엔드 이펙터(212)가 환부와 접촉하거나 작용 시의 반력에 대해 센싱하여, 그 촉감을 햅틱 마스터(110)에 힘으로 전달함으로써, 조종자인 의사는 그 힘을 느끼게 되며 수술의 정확도를 높일 수 있게 된다.
또한, 수술 전 영상과, 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 스테레오 내시경부(211)를 통해 입력되는 스테레오 이미지 영상의 매칭을 통해 환자의 주요 혈관 및 신경, 정상 세포부에 엔드 이펙터(212)가 도달하지 않도록 유도하는 힘을 발생시키게 된다. 이러한 방법은 햅틱 마스터(210)에 직접적인 힘 반향을 발생시켜 의사에게 그 힘을 전달하고, 종국적으로는 엔드 이펙터(212)의 위치를 안전한 공간 내에서만 유도하는 "기계적인 영상유도방법" 이라 할 수 있다.
그리고, 통신 장치(500)는 제어 장치(400) 및 영상처리 장치(300)간 정보를 송수신 하도록 하는 기능을 수행한다.
지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템(S)은, 원격 로봇 수술시에 보다 높은 접근성과 안전성을 갖게 된다.
기존의 내시경 영상(Vision)만을 이용한 경우에는 의료영상(CT, MRI)을 참고하여 수술하기 때문에, 수술 부위 및 위치를 잘못 찾는 의료 사고가 발생 할 수 있다. 또한, 영상 유도 시스템은 로봇 수술시 의료 사고를 예방하고 정확한 영상 정보를 의사에게 제공하여 보다 편안한 원격 수술 로봇 환경을 구축할 수 있다는 특징적인 장점을 갖는다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100: 오퍼레이팅 장치 110: 햅틱 마스터
120: 영상 표시부 200: 시술 장치
210: 슬레이브 매니퓰레이터 211: 스테레오 내시경부
212: 엔드 이펙터 213: 주입 포트
214: 흡입 포트 300: 영상처리 장치
310: 3차원 영상 변환부 320: 영상 투영부
400: 제어 장치 410: 마스터 제어부
420: 슬레이브 제어부 500: 통신 장치

Claims (6)

  1. 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템(S)에 있어서,
    의사가 직접 조종할 수 있는 햅틱 마스터(110) 및 증강현실 기법에 의한 가상 영상을 의사에게 보여주는 영상 표시부(120)를 포함하는 오퍼레이팅 장치(100);
    환자에게 직접 시술하는 장치로서, 하기의 제어 장치(400)의 마스터 제어부(410)에 의해 조종되는 내시경 기반의 슬레이브 매니퓰레이터(210)를 포함하는 시술 장치(200);
    수술 전의 의료 영상을 3차원 영상으로 변환하여 수술 중 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성하는 영상처리 장치(300);
    상기 오퍼레이팅 장치(100)의 햅틱 마스터(110)의 조종을 제어하는 마스터 제어부(410), 및 상기 햅틱 마스터(110)의 위치명령을 상기 슬레이브 매니퓰레이터(210)가 잘 추종할 수 있도록 하기 위한 제어입력을 발생시키고, 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 제어에 필요한 각종 제어입력을 발생시키는 슬레이브(Slave) 제어부(420)를 포함하는 제어 장치(400); 및
    상기 영상처리 장치(300) 및 제어 장치(400)간 정보를 송수신 하기 위한 통신 장치(500); 를 포함하되,
    상기 영상처리 장치(300)를 통해 생성된 가상 영상은, 오퍼레이팅 장치(100)의 영상 표시부(120)로 통해 실시간 출력되는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 햅틱 마스터(110)는, 상기 시술 장치(200)의 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 위치명령을 생성하고, 제어 장치(400)의 마스터 제어부(410)에 의해 발생되는 힘반향을 입력받는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 매니퓰레이터(210)는, 별도의 주변 고정장치에 의해 고정되며, 스테레오 내시경 및 발광부로 구성되어, 환부의 내시경 영상을 획득하는 스테레오 내시경부(211) 및 슬레이브 제어부(420)의 제어에 의해 구동하는 다수개의 다축 엔드 이펙터(End-Effector)(212), 그리고, 주입 포트(Injection Port)(213) 및 흡입 포트(Suction Port)(214)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리 장치(300)는,
    CT 또는 MRI를 포함하는 수술 전 의료 영상이 구축된 의료 영상 DB(311)로부 터 의료 영상을 수신하여 3차원 영상으로 변환하는 3차원 영상 변환부(310); 및
    증강현실(Augmented Reality) 기법을 이용하여, 3차원으로 변환된 수술 전의 의료 영상을 수술 중의 내시경 영상에 투영시킴으로써, 가상 영상을 생성하는 영상 투영부(320); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터 제어부(410)는,
    상기 햅틱 마스터(110)로부터 위치명령을 받아들여 슬레이브 제어부(420)에 전달하고, 상기 슬레이브 제어부(420)로부터 전달받은 힘반향 입력을 햅틱 마스터(110)에 전달하는 제어입력을 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 제어부(420)는, 슬레이브 매니퓰레이터(210)의 스테레오 내시경부(211)을 통해 획득한 스테레오 이미지 영상과, 엔드 이펙터(212)에 존재하는 센서로부터 센서 입력을 받아들이는 것을 특징으로 하는 영상 유도 원격 수술 로봇 시스템.
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