KR101092372B1 - 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법 - Google Patents

하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은 상기 실물 형상 모형을 조작하기 위한 조작부와, 상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 측정부와, 측정된 상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 따라 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 계산부 및 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 표시부를 포함하여 구성된다. 상기 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은 상기 계산부에서 산출된 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 상기 조작부에 전달하는 햅틱부를 더 포함할 수 있다. 실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법은, 조작부에 의해 생체 형상의 실물 형상 모형을 조작하는 단계와, 상기 조작부의 위치 및 조작 상태를 측정하는 단계와, 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 단계와, 측정된 상기 조작부의 위치와 조작 상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화로부터, 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 단계 및 생성된 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 단계를 포함하여 구성된다. 상기 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법은 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 산출하는 단계 및 산출된 상기 촉각 정보를 상기 조작부에 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하이브리드, 수술 시뮬레이션, 의료 시뮬레이션, 최소 침습

Description

하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법{Hybrid medical simulation system and method}
본 발명은 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법(Hybrid medical simulation system and method)에 관한 것이다.
의료 시뮬레이션(Medical Simulation) 분야는 의료 술기 실습 및 훈련을 보다 손쉽고 현실감 있게 제공함과 동시에, 다양한 의료 상황을 경험해 볼 수 있도록 한다. 특히, 최소침습 수술은 고도의 수술 기법이며 반복적 학습이 요구되는데, 이에 대해서, 최소침습 수술 시뮬레이션 분야는 그 수술을 충실하게 재연하여 의학교육자에게 환자들에 대한 위험부담 없이 반복적인 학습을 제공할 수 있는 시스템을 제공한다.
종래의 최소침습 수술 시뮬레이션으로, 가상의 생체를 이용하는 시뮬레이션과 실제 장기를 모형화한 실물 형상 모형을 이용하는 시뮬레이션이 있다.
가상의 생체를 이용한 시뮬레이션은 실제 장기를 표현하는데 한계가 있어 충실도(fidelity)가 떨어지며, 겸자(forceps)로 장기 조직을 집는 느낌 등의 마이크로 햅틱 반응(Micro haptic response)이 떨어진다. 또한, 가상의 장기 모델은 다량 의 정보를 가지고 있어, 이를 실시간으로 제어하기 위해서는 고사양의 하드웨어가 구축되어야 한다. 이에 따라, 수술 훈련 장치의 가격이 높아지게 되는 문제점이 있다.
실물 형상 모형을 이용한 시뮬레이션은 지속적으로 장기를 교체해 주어야 해서 교체의 불편함이 따르고, 계속적으로 교체 비용이 발생하게 된다. 또한, 실물 형상 모형의 한계상, 다양한 장기 모형을 적용하기 힘들고, 여러 수술에 따른 효과를 구현하기 힘들 뿐 아니라, 장기 전체를 구성하지 못하면 실감이 떨어진다. 그리고 인체 조직을 누르거나 잡아 당기는 느낌 등의 매크로 햅틱 반응(Macro haptic response)이 떨어진다.
상술한 바와 같은 종래의 가상의 생체를 이용한 시뮬레이션과 실물 형상 모형을 이용한 시뮬레이션의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 상기 2가지 시뮬레이션을 복합한 하이브리드 방식의 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법으로서, 실물 형상 모형을 통해 사용자에게 직관적인 느낌을 전달하고, 실물 형상 모형과 가상의 생체를 동시에 디스플레이 장치에 보여주고 햅틱 피드백을 통해 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 전달 받음으로써 실감을 주는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은, 상기 실물 형상 모형을 조작하기 위한 조작부와, 상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 측정부와, 측정된 상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 따라 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 계산부 및 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 표시부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은, 상기 계산부에서 산출된 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 상기 조작부에 전달하는 햅틱부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법은, 조작부에 의해 상기 실물 형상 모형을 조작하는 단계와, 상기 조작부의 위치 및 조작 상태를 측정하는 단계와, 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 단계와, 측정된 상기 조작부의 위치와 조작 상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화로부터, 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 단계 및 생성된 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템 및 방법은, 실물 형상 모형을 통해 컴퓨터의 의존성을 낮추면서 사용자에게 직관적인 느낌을 전달할 수 있고, 실물 형상 모형만을 이용한 의료 시뮬레이션 시스템 또는 방법에 비해 실물 형상 모형과 가상의 생체를 동시에 디스플레이 장치에 보여주고 햅틱 피드백을 통해 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 전달 받음으로써 실감을 주는 의료 교육, 수술 훈련 등이 가능하다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은, 케이스(100), 실물 형상 모형(110), 조작부(120), 측정부(130, 131), 계산부(140) 및 표시부(150)로 이루어진다.
케이스(100)는 인간의 생체를 모형화한 것이다. 예컨대, 케이스(100)는 인간의 상체 부위 등을 모형화한 것일 수 있다. 조작부(120)가 삽입되는 부분에는 피부조직과 유사한 물질로 구성되어 있다.
실물 형상 모형(110)은 실제 생체와 유사한 물성치를 가지는 물질로 모델링한 것으로, 사용자가 조작부(120)를 이용하여 직접 접촉하는 부분을 말한다. 예컨대, 실물 형상 모형(110)은 인간의 장기와 유사한 물성 및 형상을 가질 수 있다. 실물 형상 모형(110)은 부분적으로 교체가 가능한 모형으로 제작하는데, 수술시 절개되는 부위가 직접 탈부착이 가능한 형태로 제작되어 교체가 가능하다. 그리고 실물 형상 모형(110)은 케이스(100) 내부 바닥에 위치할 수 있다.
실물 형상 모형(110)에는 비젼(vision) 인식을 위한 마커(Marker)(도시되지 않음)가 표시될 수 있다. 마커는 색상 구분이 가능한 점들로 구성될 수 있다.
조작부(120)는 실물 형상 모형(110)을 직접 조작하기 위한 부분으로서 수술 도구와 동일한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 각 손잡이 부위도 실제 수술 도구와 동일한 모형으로 제작될 수 있다. 조작부(120)는 수술 훈련의 실감을 높이기 위한 목적으로 실제 수술 도구와 동일한 5 자유도를 가지고, 높은 분해능을 가진다.
측정부(130, 131)는 조작부(120)의 위치와 조작상태 및 실물 형상 모형(110)의 물리적 변화를 측정하는 부분으로서, 실물 형상 모형(110)의 물리적 변화를 측정하기 위한 비젼 카메라(130), 실물 형상 모형(110)에 인가되는 힘을 측정하기 위한 힘 센서(131) 및 조작부(120)의 위치를 측정하기 위한 위치 센서(131)를 포함할 수 있다.
비젼 카메라(130)는 케이스(100) 내부 위쪽에 설치될 수 있다. 비젼 카메라(130)는 실물 형상 모형(110)의 움직임과 조작부(120)의 위치를 3차원적 공간으로 추적이 가능하다. 이는 실물 형상 모형(110)의 물리적 변화 및 특징(strain)을 계산하게 하기 위한 것이다.
만일, 실물 형상 모형(110)에 마커가 표시되어 있는 경우에는, 비젼 카메라(130)는 상기 마커를 인식하여 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하게 된다.
힘 센서(131) 및 위치 센서(131)는 측정의 편의를 위해 조작부(120)에 부착되어 있는 것이 바람직하다. 힘 센서(131)는 조작부(120)의 손잡이 부분에 부착되어 사용자가 도구를 이용하여 실물 형상 모형(110)을 잡는데 사용되는 힘을 측정하는데 사용되고, 위치 센서(131)는 조작부(120)의 임의의 위치에 부착되어 도구의 위치를 측정하는데 사용된다.
계산부(140)는 시스템 시뮬레이터(system simulator)로서, 실물 형상 모형(110)과 가상의 생체가 혼성으로 구성된 시스템에서의 상호작용(interaction)을 구현한다. 계산부(140)는 측정된 조작부(120)의 위치와 조작상태 및 실물 형상 모형(110)의 물리적 변화에 따라 실물 형상 모형(110) 및 주변의 가상의 생체들의 반발력 및 변형을 계산한다. 이에 따라, 실물 형상 모형(110) 및 주변의 가상의 생체들에 대응되는 디지털 데이터를 생성하여 가상의 생체와 실물 형상 모형(110)간의 시각적 동기화를 이루도록 한다. 그리고 각 수술 훈련 상황에 따라 종합된 정보를 바탕으로 다양한 수술 효과를 생성할 수 있다.
사용자가 실시한 수술 훈련 결과는 계산부(140)에서 로드 및 구동 가능한 파일 포맷으로 저장된다. 이러한 정보는 사용자의 수술 훈련에 대한 정량적 평가를 가능하게 한다.
표시부(150)는 상기 계산부(140)에서 전달받은 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시한다. 표시되는 시각 정보에는 실물 형상 모형(110)에 인접한 주변의 가상의 생체가 포함될 수 있는데, 이러한 가상의 생체에는 출혈, 연기 발생 등과 같은 수술 상황에 따른 효과도 포함될 수 있다. 출력 화면은 실물 형상 모형을 가상으로 표현한 것이며 실제 수술과 동일한 화면 각도, 크기를 가질 수 있다. 출력된 화면은 확대 및 축소가 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 햅틱부를 포함하는 하이브리드 의 료 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 햅틱부를 포함하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템은, 도 1에서 설명한 실시예에 대하여 햅틱부(160)가 더 포함되어 구성된다. 설명의 편의를 위하여 도 1에서 설명한 부분과 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
본 실시예에서, 계산부(140)는 실물 형상 모형(110)의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 계산하여, 햅틱 피드백(haptic feedback)을 결정하는 햅틱 렌더링(haptic rendering)을 실시한다. 예컨대, 장기 등의 실제 생체와 실물 형상 모형 간의 반발력 및 변형의 차이점을 계산하고 이에 따라 햅틱부(160)와 연결된 모터의 회전수에 대한 계산을 실시하여 햅틱 피드백을 결정한다. 계산부(140)는 1KHz이상의 빠르고 안정된 변형체 햅틱 렌더링을 구현하여 햅틱 공간과 영상 공간의 동기화를 이루게 한다.
햅틱부(160)는 계산부(140)에서 계산된 정보를 바탕으로 실제 장기와 실물 형상 모형(110)과의 감촉의 차이를 햅틱 피드백으로써 보상해 주는 부분으로서, 조작부(120)와 연결되고 모터를 내장한다. 햅틱부(160)는 계산부(140)에서 결정된 햅틱 피드백을 조작부(120)로 전달하고, 모터를 이용하여 햅틱 피드백을 보상한다.
예를 들어 설명하면, 햅틱부(160)의 동작은 다음과 같이 이루어진다. 사용자가 조작부(120)를 조작하면 계산부(140)가 장기 등의 실제 생체와 실물 형상 모 형(110) 간의 반발력 및 변형의 차이점 및 햅틱부(160)와 연결된 모터의 회전수에 대한 계산을 실시하여 햅틱 피드백을 결정한다. 햅틱부(160)는 계산부(140)에서 계산된 햅틱 피드백 즉, 모터의 회전수에 따라 모터를 회전시키고, 사용자는 모터의 반력으로 인해 실물 형상 모형을 조작하면서도 마치 실제 생체를 조작하는 듯한 실감을 느낄 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 사용자가 조작부에 의해 생체 형상의 실물 형상 모형을 조작하면(S301), 측정부는 조작부의 위치 및 조작 상태를 측정하고(S302), 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하게 된다(S303).
상기 실물 형상 모형에 비젼 인식을 위한 마커가 표시되어 있는 경우에는, 상기 실물 형상 모형에 포함된 마커의 위치 변화를 인식하여 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 인식하게 된다.
측정부의 측정(S302, S303)이 완료되면, 계산부는 측정된 상기 조작부의 위치와 조작 상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화로부터, 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성한다(S304). 이 단계(S304)에서 상기 실물 형상 모형에 인접하여 위치하는 가상의 생체에 대응되는 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 가상의 생체에는 출혈, 연기 발생 등과 같은 수술 상황에 따른 효과도 포함될 수 있다.
표시부는 계산부에서 생성된 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시한다(S305).
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 햅틱 피드백을 포함한 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예는 단계(S401)부터 단계(S405)까지는 도 3에서 설명한 실시예와 동일하게 진행되며, 단계(S406) 및 단계(S407)가 추가되어 진행된다.
단계(S406) 및 단계(S407)는 햅틱 피드백을 위한 단계로서, 계산부가 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 산출하고(S406) 산출된 상기 촉각 정보를 상기 조작부에 전달(S407)하여 햅틱 피드백을 보상함으로써 이루어 진다.
좀더 자세히 설명하면, 햅틱 피드백을 위한 단계는 다음과 같이 이루어진다. 사용자가 조작부를 조작하면 계산부가 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 산출하게 된다(S406). 예컨대, 계산부는 장기 등의 실제 생체와 실물 형상 모형 간의 반발력 및 변형의 차이점, 햅틱부와 연결된 모터의 회전수 등에 대한 계산을 실시하여 정보를 산출한다. 그 다음 햅틱부는 계산부에서 계산된 모터의 회전수에 따라 조작부에 연결된 모터를 회전시키고(S407), 사용자는 모터의 반력으로 인해 실물 형상 모형을 조작하면서도 마치 실제 생체를 조작하는 듯한 실감을 느끼게 된다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 햅틱부를 포함하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 햅틱 피드백을 포함한 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

Claims (10)

  1. 실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템에 있어서,
    상기 실물 형상 모형을 조작하기 위한 조작부;
    상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 측정부;
    측정된 상기 조작부의 위치와 조작상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 따라 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 계산부;
    상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 표시부; 및
    상기 계산부에서 산출된 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 상기 조작부에 전달하는 햅틱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 실물 형상 모형에 인가되는 힘을 측정하기 위한 힘 센서, 상기 조작부의 위치를 측정하기 위한 위치 센서 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하기 위한 비젼 카메라를 포함하고,
    상기 힘 센서 및 상기 위치 센서는 상기 조작부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실물 형상 모형은 비젼 인식을 위한 마커를 포함하고,
    상기 비젼 카메라는 상기 마커를 인식하여 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 데이터는 상기 실물 형상 모형에 인접하여 위치하는 가상의 생체에 대응되는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표시부는 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 시스템.
  7. 실물 형상 모형을 대상으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법에 있어서,
    조작부에 의해 상기 실물 형상 모형을 조작하는 단계;
    상기 조작부의 위치 및 조작 상태를 측정하는 단계;
    상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 단계;
    측정된 상기 조작부의 위치와 조작 상태 및 상기 실물 형상 모형의 물리적 변화로부터, 상기 실물 형상 모형에 대응되는 디지털 데이터를 생성하는 단계;
    생성된 상기 디지털 데이터를 시각 정보로 표시하는 단계;
    상기 실물 형상 모형의 물리적 변화에 대응되는 촉각 정보를 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 촉각 정보를 상기 조작부에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실물 형상 모형의 물리적 변화를 측정하는 단계는, 상기 실물 형상 모형에 포함된 마커의 위치 변화를 인식하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 데이터를 생성하는 단계는, 상기 실물 형상 모형에 인접하여 위치하는 가상의 생체에 대응되는 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 의료 시뮬레이션 방법.
  10. 삭제
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