KR101109132B1

KR101109132B1 - 영상 유도 방법

Info

Publication number: KR101109132B1
Application number: KR1020100023248A
Authority: KR
Inventors: 이원진; 김태일; 이우진
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2012-02-15
Also published as: KR20110104230A

Abstract

영상 유도 시스템은 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 카메라를 이용해 카메라에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제1 변환 행렬 및 카메라에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제2 변환 행렬을 생성하고, 제1 변환 행렬, 제2 변환 행렬 및 기준 프로브에 대한 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 변환 행렬을 바탕으로 툴 프로브에 대한 드릴팁의 상태위치를 나타내는 제4 변환 행렬을 생성하며, 복수의 표시자의 각각의 삼차원 영상공간에서의 위치와 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치를 대응시키는 제5 변환 행렬을 생성한 이후, 제1 변환 행렬, 제2 변환 행렬, 제4 변환 행렬 및 제5 변환 행렬을 바탕으로 삼차원 영상공간에서 드릴팁의 위치를 나타내는 제6 변환 행렬을 생성한다.

Description

영상 유도 방법{METHOD FOR IMAGE GUIDANCE}

본 발명은 영상 유도 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 구강외과 수술용 스텐트 기반의 영상 유도 방법에 관한 것이다.

결손된 치아의 대치물로 인공치아를 이식하는 임플란트(implant) 시술에서 중요한 요소는 치조골에 삽입되는 인공치아의 3차원적 위치, 각도 및 깊이로써 이러한 요소들은 환자의 심미적, 음성학적 및 저작 기능적 측면에 영향을 끼친다.

성공적으로 임플란트 시술을 하기 위해서, 시술자는 악골 주위의 중요한 해부학적 구조를 정확히 인지하고, 인공치아의 식립 위치, 각도 및 깊이를 시술 전에 미리 계획한 후, 시술 시 정확히 재현하여 인공치아를 악골 내에 식립 해야 한다. 이때 인지해야 할 중요한 해부학적 구조는 하악관(mandibular canal), 이공(mental foramen), 절치공(incisive foramen), 상악동(maxillary sinus), 악하선와(submandibular fossa) 등이 있으며, 결손된 치아 주위의 치아와 잔존골의 두께 및 형태도 정확히 인지해야 한다.

하지만, 임플란트 시술 시에 악골 주의의 해부학적 구조를 모니터링할 수 없는 경우, 시술의 성공률은 시술자의 수기 능력에 따라 결정되고 있는 실정이다. 따라서 시술의 성공률을 높이고 임상에서 쉽게 활용될 수 있는 여러 가지 시술 보조방법이 개발되고 있다.

특히 삼차원 영상 유도 기술을 이용한 임플란트 시술법은 위성 항법 장치(Global Positioning System, GPS)와 같은 원리를 이용하여, 시술 중 시술 도구의 위치를 컴퓨터 모니터 상에 환자의 삼차원 해부학적 영상과 겹쳐서 표시해줌으로써 환자의 해부학적 구조에 대한 시술 도구의 상대적인 위치 정보를 시술자에게 제공한다.

이를 통해 시술 중 침습적 과정을 줄이고 병소의 국소 위치 측정 및 적중 능력을 향상시킬 수 있다. 특히 임플란트 시술의 경우, 시술자는 환자의 삼차원 해부학적 영상에서 핸드피스의 위치를 실시간으로 확인할 수 있다.

하지만, 임플란트 시술 시, 여러 종류의 드릴팁이 사용되기 때문에, 드릴팁을 변경할 때마다 드릴팁의 정확한 위치를 파악하기 위해 드릴팁의 위치를 교정(calibration)해야 한다.

다음은 도 1을 참고하여 종래에 드릴팁의 위치를 교정하는 방법에 대해 설명한다.

도 1은 종래의 드릴팁 위치 교정 방법을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 피보팅 블록(pivoting block)(10)의 홈(divot)에 드릴팁을 위치 시킨 후, 드릴팁을 30~60도 기울인 채로 일정한 속도와 방향으로 20여 초간 회전시켜야 한다.

즉, 드릴팁의 위치 변화는 제1 위치(30a), 제2 위치(30b), 제3 위치(30c), 그리고 제4 위치(30d)의 순서에 따른다.

이와 같은 종래의 방법에 따르면, 20여 초간 회전을 시키면서 오차가 발생할 여지가 크고, 불편하며, 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 피보팅 블록(pivoting block)(10)의 홈(divot)의 크기가 드릴팁의 크기와 맞아야 하며, 드릴팁의 회전에 따라 피보팅 블록(pivoting block)(10)이 움직이지 않아야 하는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 임플란트 시술 시 시술자에게 핸드피스에 장착된 드릴팁의 정확한 위치 정보를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 영상 유도 방법은 시스템이 삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 영상 유도 방법으로써, 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 카메라를 이용해 카메라에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제1 변환 행렬을 생성하는 단계, 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 카메라를 이용해 카메라에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제2 변환 행렬을 생성하는 단계, 제1 변환 행렬, 제2 변환 행렬 및 기준 프로브에 대한 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 변환 행렬을 바탕으로 툴 프로브에 대한 드릴팁의 상태위치를 나타내는 제4 변환 행렬을 생성하는 단계, 복수의 표시자의 각각의 삼차원 영상공간에서의 위치와 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치를 대응시키는 제5 변환 행렬을 생성하는 단계, 그리고 제1 변환 행렬, 제2 변환 행렬, 제4 변환 행렬 및 제5 변환 행렬을 바탕으로 삼차원 영상공간에서 드릴팁의 위치를 나타내는 제6 변환 행렬을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 영상 유도 방법은 시스템이 삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 영상 유도 방법으로써, 제1 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 미리 정해진 기준좌표에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제1 변환 행렬을 생성하는 단계, 제1 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 기준좌표에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제2 변환 행렬을 생성하는 단계, 제1 변환 행렬, 제2 변환 행렬 및 툴 프로브에 대한 제1 드릴팁의 상대위치를 바탕으로 기준 프로브에 대한 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 변환 행렬을 생성하는 단계, 제2 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 기준좌표에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제4 변환 행렬을 생성하는 단계, 제2 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 기준좌표에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제5 변환 행렬을 생성하는 단계, 그리고 제3 변환 행렬, 제4 변환 행렬 및 제5 변환 행렬을 바탕으로 기준 프로브에 대한 제2 드릴팁의 상대위치를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 스텐트에 장착된 프로브와 핸드피스에 장착된 프로브의 위치를 이용하여 핸드피스에 장착된 드릴팁의 위치를 결정함으로써, 임플란트 시술 중 시술자에게 드릴팁의 정확한 위치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 드릴팁 위치 교정 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텐트의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기준 프로브의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 툴 프로브의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 방법을 도시한 도면이다
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 드릴팁 오프셋 측정 방법을 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템 및 방법에 자세히 설명한다.

먼저 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 영상 유도 시스템은 스텐트(stent)(100), 기준 프로브(reference probe)(200), 핸드피스(hand-piece)(300), 툴 프로브(tool probe)(400), 위치추적 카메라(500), 영상 유도 장치(600) 및 영상 표시 장치(700)를 포함한다.

스텐트(100)는 환자에게 장착되며, 수순 전에 환자의 위치를 미리 저장된 삼차원 영상에 등록하거나, 수술 중에 한자의 위치변경을 추적하는 기준체(reference body)로 사용된다. 이때 스텐트는 치과에서 일반적으로 사용하는 바이트 인상 획득 방법을 통해 제작될 수 있다.

기준 프로브(200)는 환자의 위치를 등록하고 추적하기 위해 스텐트(100)에 부착된다.

핸드피스(300)는 임플란트 시술에 사용하는 수술도구로써 다양한 직경의 드릴팁이 결합되어 사용된다.

툴 프로브(400)는 핸드피스(300)에 결합된 드릴팁의 위치를 추적하기 위해 핸드피스(300)에 부착된다.

위치추적 카메라(500)는 광학적 특성을 이용해 기준 프로브(200) 및 툴 프로브(400)의 위치를 추적하는데 이용된다.

영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용하여 기준 프로브(200) 및 툴 프로브(400)의 각각의 위치를 추적하고, 기준 프로브(200) 및 툴 프로브(400)의 각각의 위치를 바탕으로 핸드피스(300)에 결합된 드릴팁의 위치를 추적한다.

영상 표시 장치(700)는 핸드피스(300)에 결합된 드릴팁의 위치를 삼차원 영상공간에서 표시한다.

다음은 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 스텐트의 구조에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텐트의 구조를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스텐트(100)는 교합면 인상용 트레이(110), 교합면 인기용 실리콘(130) 및 표시부(150)를 포함하며, 환자의 치열에 고정된다.

교합면 인기용 실리콘(130)은 환자의 치열 교합상태가 기록되어 있으며, 교합면 인상용 트레이(110)의 반원형 홀에 삽입된다. 환자의 치열 교합상태가 기록된 교합면 인기용 실리콘(130)은 스텐트(100)가 환자의 치열에 정확히 결합되도록 한다.

표시부(150)는 쇠구슬 형태의 복수의 표시자 즉, 제1 표시자(151), 제2 표시자(152), 제3 표시자(153), 제4 표시자(154), 제5 표시자(155) 및 제6 표시자(156), 그리고 블록 형태의 연결부(157)를 포함하며, 연결부(157)를 통해 교합면 인상용 트레이(110)에 연결된다.

다음은 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 스텐트에 부착된 기준 프로브의 구조에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기준 프로브의 구조를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기준 프로브(200)는 나사 결합을 통해 스텐트(100)에 부착되며, X자 형태의 지지대 끝에 형성된 복수의 마커(marker) 즉, 제1 마커(210), 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)를 포함한다. 이때 복수의 마커의 각각은 위치추적 카메라(500)를 통해 식별이 가능하도록 형광 물질이 도포되어 있다.

다음은 도 5를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 핸드피스에 부착된 툴 프로브의 구조에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 툴 프로브의 구조를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 툴 프로브(400)는 나사 결합을 통해 핸드피스(300)에 부착되며, X자 형태의 지지대 끝에 형성된 복수의 마커(marker) 즉, 제1 마커(410), 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)를 포함한다. 이때 복수의 마커의 각각은 위치추적 카메라(500)를 통해 식별이 가능하도록 형광 물질이 도포되어 있다.

이때 도 5에 도시된 핸드피스(300)는 드릴팁(310)이 결합된 형태이다.

다음은 도 6 및 도 7을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템이 삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 방법에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 방법을 도시한 도면이다

도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 영상 유도 장치(600)는 드릴팁의 오프셋을 측정한다(S100). 이때 드릴팁의 오프셋은 핸드피스(300)에 부착된 툴 프로브(400)에 대한 핸드피스(300)에 결합된 드릴팁(310)의 상대위치를 나타낸다.

이하에서는 도 7을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 장치가 드릴팁의 오프셋을 측정하는 방법에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 드릴팁 오프셋 측정 방법을 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 먼저, 툴 프로브(400)가 부착된 핸드피스(300)의 제1 드릴팁을 기준 프로브(200)가 부착된 스텐트(100)의 제1 표시자(151)에 위치시킨다(S101). 이때 제1 표시자(151)는 드릴팁의 위치를 교정하기 위한 랜드마크(landmark)에 해당한다.

다음, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용해 위치추적 카메라(500)에 대한 기준 프로브(200)의 상대위치를 나타내는 제1 동차 변환 행렬(Homogeneous Transformation Matrix)을 생성한다(S103). 이때 제1 동차 변환 행렬(M_{ref_1})은 수학식 1을 따를 수 있다.

수학식 1에서, C_{ref_1}은 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 기준 프로브(200)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬(Coordinate Transformation Matrix)이며, 기준 프로브(200)의 위치는 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 기준 프로브(200)의 제1 마커(210)의 좌표에 해당한다.

수학식 1에서, R_{ref_1}은 기준 프로브(200)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬(Rotation Transformation Matrix)이며, 기준 프로브(200)의 회전정보는 제1 마커(210)에 대한 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(210), 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 좌표에 따라 결정된다. 이때 제1 마커(210)에 대한 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 상대좌표는 영상 유도 장치(600)에 미리 저장된다.

수학식 1에서, S_{ref_1}은 기준 프로브(200)의 크기변환 인자(Scaling Factor)로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

이후, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용해 위치추적 카메라(500)에 대한 툴 프로브(400)의 상대위치를 나타내는 제2 동차 변환 행렬을 생성한다(S105). 이때 제2 동차 변환 행렬(M_{tool_1})은 수학식 2를 따를 수 있다.

수학식 2에서, C_{tool_1}은 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 툴 프로브(400)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 위치는 툴 프로브(400)의 제1 마커(410)의 좌표에 해당한다.

수학식 2에서, R_{tool_1}은 툴 프로브(400)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 회전정보는 제1 마커(410)에 대한 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(410), 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 좌표에 따라 결정된다. 이때 제1 마커(410)에 대한 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 상대좌표는 영상 유도 장치(600)에 미리 저장된다.

수학식 2에서, S_{tool_1}은 툴 프로브(400)의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

다음, 영상 유도 장치(600)는 제1 동차 변환 행렬, 제2 동차 변환 행렬을 바탕으로 기준 프로브(200)에 대한 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 동차 변환 행렬을 계산한다(S107). 이때 영상 유도 장치(600)는 수학식 3에 따라 제3 동차 변환 행렬(P_landmark _{_1})을 계산할 수 있다.

수학식 3에서, M_ref _{_1} ^-1은 수학식 1에 따른 제1 동차 변환 행렬의 역행렬이고, M_{tool_1}은 수학식 2에 따른 제2 동차 변환 행렬이다.

수학식 3에서, M_{offset_1}은 툴 프로브(400)에 대한 제1 드릴팁의 상대위치를 나타내는 제4 동차 변환 행렬로써 영상 유도 장치(600)에 미리 저장되며, 수학식 4를 따를 수 있다.

수학식 4에서, C_{offset_1}은 툴 프로브(400)의 위치를 기준으로 제1 드릴팁의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 제1 드릴팁의 위치는 제1 드릴팁의 끝점의 좌표에 해당한다.

수학식 4에서, R_{offset_1}은 제1 드릴팁의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 수학식 5를 따를 수 있다.

수학식 4에서, S_{offset_1}은 제1 드릴팁의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

수학식 3에서, 제3 동차 변환 행렬(P_{landmark_1})은 수학식 6을 따를 수 있다.

수학식 6에서, C_{landmark_1}은 기준 프로브(200)의 위치를 기준으로 랜드마크의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 기준 프로브(200)의 위치는 기준 프로브(200)의 제1 마커(210)의 좌표에 해당하며, 제1 표시자(151)의 위치는 제1 표시자의 좌표에 해당한다.

수학식 6에서, R_{landmark_1}은 랜드마크의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이다. S_{landmark_1}은 제1 표시자의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

이후, 툴 프로브(400)가 부착된 핸드피스(300)의 제2 드릴팁을 기준 프로브(200)가 부착된 스텐트(100)의 제1 표시자(151)에 위치시킨다(S109).

다음, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용해 위치추적 카메라(500)에 대한 기준 프로브(200)의 상대위치를 나타내는 제5 동차 변환 행렬을 생성한다(S111). 이때 제5 동차 변환 행렬(M_{ref_2})은 수학식 7을 따를 수 있다.

수학식 7에서, C_{ref_2}는 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 기준 프로브(200)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 기준 프로브(200)의 위치는 위치추적 카메라를 통해 측정된 기준 프로브(200)의 제1 마커(210)의 좌표에 해당한다.

수학식 7에서, R_{ref_2}는 기준 프로브(200)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 기준 프로브(200)의 회전정보는 제1 마커(210)에 대한 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(210), 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 좌표에 따라 결정된다.

수학식 7에서, S_{ref_2}는 기준 프로브(200)의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

이후, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용해 위치추적 카메라(500)에 대한 툴 프로브(400)의 상대위치를 나타내는 제6 동차 변환 행렬을 생성한다(S113). 이때 제6 동차 변환 행렬(M_{tool_2})은 수학식 8을 따를 수 있다.

수학식 8에서, C_{tool_2}는 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 툴 프로브(400)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 위치는 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 툴 프로브(400)의 제1 마커(410)의 좌표에 해당한다.

수학식 8에서, R_{tool_2}는 툴 프로브(400)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 회전정보는 제1 마커(410)에 대한 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(410), 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 좌표에 따라 결정된다.

수학식 8에서, S_{tool_2}는 툴 프로브(400)의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

다음, 영상 유도 장치(600)는 제5 동차 변환 행렬 및 제6 동차 변환 행렬을 바탕으로 툴 프로브(400)에 대한 제2 드릴팁의 상대위치를 나타내는 제7 동차 변환 행렬을 생성한다(S115). 이때 영상 유도 장치(600)는 수학식 9에 따라 제7 동차 변환 행렬(M_{offset_2})을 계산할 수 있다.

수학식 9에서, M_tool _{_2} ^- ¹는 수학식 8에 따른 제6 동차 변환 행렬의 역행렬이고, M_{ref_2}는 수학식 7에 따른 제5 동차 변환 행렬이다.

수학식 9에서, P_{landmark_2}는 수학식 3 및 수학식 6에 따른 제3 동차 변환 행렬에 대응하는 제8 동차 변환 행렬로써 수학식 10을 따를 수 있다.

수학식 10에서, C_{landmark_1}은 수학식 6에 따른 기준 프로브(200)의 위치를 기준으로 랜드마크의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이다. S_{landmark_1}은 제1 표시자의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

수학식 10에서, R_{landmark_2}는 랜드마크의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬로써 수학식 11을 따를 수 있다.

수학식 9에서, 제7 동차 변환 행렬(M_{offset_2})은 수학식 12를 따를 수 있다.

수학식 12에서, C_{offset_2}는 툴 프로브(400)의 위치를 기준으로 제2 드릴팁의 끝점의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 제2 드릴팁의 위치는 제2 드릴팁의 끝점의 좌표에 해당한다.

수학식 12에서, R_{offset_2}는 제2 드릴팁의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이다. S_{offset_2}는 제2 드릴팁의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

다시 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 영상 유도 시스템이 삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 방법에 대해 설명한다.

다음, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라를 이용해 위치 추적 카메라(500)에 대한 스텐트(100)에 부착된 기준 프로브(200)의 상대 위치를 나타내는 기준 프로브(200)의 변환 행렬을 생성한다(200). 이때 기준 프로브(200)의 변환 행렬(M_REF)은 수학식 13을 따를 수 있다.

수학식 13에서, C_REF는 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 기준 프로브(200)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 기준 프로브(200)의 위치는 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 기준 프로브(200)의 제1 마커(210)의 좌표에 해당한다.

수학식 13에서, R_REF는 기준 프로브(200)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 기준 프로브(200)의 회전정보는 제1 마커(210)에 대한 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(210), 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 좌표에 따라 결정된다. 이때 제1 마커(210)에 대한 제2 마커(220), 제3 마커(230) 및 제4 마커(240)의 각각의 상대좌표는 영상 유도 장치(600)에 미리 저장된다.

수학식 13에서, S_REF는 기준 프로브(200)의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

이후, 영상 유도 장치(600)는 위치추적 카메라(500)를 이용해 위치추적 카메라(500)에 대한 툴 프로브(400)의 상대위치를 나타내는 툴 프로브(400)의 변환 행렬을 생성한다(S300). 이때 툴 프로브(400)의 변환 행렬(M_TOOL)은 수학식 14를 따를 수 있다.

수학식 14에서, C_TOOL은 위치추적 카메라(500)의 위치를 기준으로 툴 프로브(400)의 위치를 나타내는 (3,1)형의 좌표 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 위치는 툴 프로브(400)의 제1 마커(410)의 좌표에 해당한다.

수학식 14에서, R_TOOL은 툴 프로브(400)의 회전정보를 나타내는 (3,3)형의 회전 변환 행렬이며, 툴 프로브(400)의 회전정보는 제1 마커(410)에 대한 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 상대좌표를 바탕으로 위치추적 카메라(500)를 통해 측정된 제1 마커(410), 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 좌표에 따라 결정된다. 이때 제1 마커(410)에 대한 제2 마커(420), 제3 마커(430) 및 제4 마커(440)의 각각의 상대좌표는 영상 유도 장치(600)에 미리 저장된다.

수학식 14에서, S_TOOL은 툴 프로브(400)의 크기변환 인자로써 양의 정수 값을 가지며, 미리 정해질 수 있다. I는 (1,3)형의 영행렬이다.

다음, 영상 유도 장치(600)는 환자의 해부학적 구조를 나타내는 삼차원의 영상 공간과 물리적 공간을 매핑(mapping)하기 위해 미리 저장된 컴퓨터 단층촬영 영상(Computed Tomography image, 이하에서는 '시티 영상')에 나타나는 복수의 표시자의 각각의 위치와 표시부(150)의 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치를 대응시키는 매핑 변환 행렬(M_REG)을 생성한다(S400). 이때 표시부(150)의 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치는 기준 프로브(200)의 위치에 대한 복수의 표시자의 각각의 상대위치로써 기준 프로브(200)의 변환 행렬을 바탕으로 결정된다. 또한 기준 프로브(200)의 위치에 대한 복수의 표시자의 각각의 상대위치는 영상 유도 장치(600)에 미리 저장된다.

이후, 영상 유도 장치(600)는 매핑 변환 행렬(M_REG), 기준 프로브(200)의 변환 행렬, 툴 프로브(400)의 변환 행렬 및 드릴팁(310)의 오프셋을 바탕으로 삼차원 영상 공간에서 드릴팁(310)의 위치를 나타내는 드릴팁(310)의 변환 행렬을 생성한다(S500). 이때 영상 유도 장치(600)는 수학식 15에 따라 드릴팁(310)의 변환 행렬(M_TIP)을 계산할 수 있다.

수학식 15에서, M_REF는 매핑 변환 행렬이고, M_REF ^- ¹는 수학식 13에 따른 기준 프로브(200)의 변환 행렬의 역행렬이며, M_TOOL은 수학식 14에 따른 툴 프로브(400)의 변환 행렬이다.

수학식 15에서, M_OFFSET은 드릴팁(310)의 오프셋으로써 도 7을 참고로 설명한 드릴팁 오프셋 측정 방법에 따라 측정될 수 있다.

다음, 영상 표시 장치(700)는 드릴팁(310)의 변환 행렬을 바탕으로 삼차원의 영상 공간에서 드릴팁의 위치를 표시한다(S600).

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 영상 유도 방법에 있어서,
상기 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 카메라를 이용해 상기 카메라에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제1 변환 행렬을 생성하는 단계;
상기 드릴팁을 상기 랜드마크에 위치시킨 상태에서 상기 카메라를 이용해 상기 카메라에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제2 변환 행렬을 생성하는 단계;
상기 제1 변환 행렬, 상기 제2 변환 행렬 및 상기 기준 프로브에 대한 상기 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 변환 행렬을 바탕으로 상기 툴 프로브에 대한 상기 드릴팁의 상태위치를 나타내는 제4 변환 행렬을 생성하는 단계;
복수의 표시자의 각각의 상기 삼차원 영상공간에서의 위치와 상기 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치를 대응시키는 제5 변환 행렬을 생성하는 단계; 및
상기 제1 변환 행렬, 상기 제2 변환 행렬, 상기 제4 변환 행렬 및 상기 제5 변환 행렬을 바탕으로 상기 삼차원 영상공간에서 상기 드릴팁의 위치를 나타내는 제6 변환 행렬을 생성하는 단계를 포함하는 영상 유도 방법.
제1항에 있어서,
상기 제4 변환 행렬은
상기 툴 프로브의 위치를 기준으로 상기 드릴팁의 끝점의 위치를 나타내는 좌표 변환 행렬을 포함하는 영상 유도 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 표시자의 각각의 물리적 위치는
미리 저장된 기준 프로브의 위치에 대한 복수의 표시자의 각각의 상대위치 및 상기 제1 변환 행렬을 바탕으로 결정되는 영상 유도 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 변환 행렬은
상기 위치추적 카메라의 위치를 기준으로 상기 기준 프로브의 위치를 나타내는 좌표 변환 행렬; 및
상기 기준 프로브의 회전정보를 나타내는 회전 변환 행렬을 포함하는 영상 유도 방법.
제4항에 있어서,
상기 기준 프로브는
복수의 마커를 포함하며,
상기 기준 프로브의 위치는
상기 카메라를 통해 측정된 복수의 마커 중 제1 마커의 좌표인 영상 유도 방법.
제5항에 있어서,
상기 기준 프로브의 회전정보는
상기 제1 마커에 대한 상기 복수의 마커의 각각의 상대좌표를 바탕으로 상기 카메라를 통해 측정된 상기 복수의 마커의 각각의 좌표에 따라 결정되는 영상 유도 방법.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 영상공간은
환자의 해부학적 구조를 포함하는 시티(Computed Tomography, CT) 영상이며,
상기 영상 유도 방법은
상기 제6 변환 행렬을 바탕으로 상기 시티 영상에서 상기 드릴팁의 위치를 표시하는 단계를 더 포함하는 영상 유도 방법.
제1항에 있어서,
상기 랜드마크는
상기 복수의 표시자 중 어느 하나인 영상 유도 방법.
삼차원 영상공간에 드릴팁의 위치를 표시하는 영상 유도 방법에 있어서,
제1 드릴팁을 랜드마크에 위치시킨 상태에서 미리 정해진 기준좌표에 대한 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제1 변환 행렬을 생성하는 단계;
상기 제1 드릴팁을 상기 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 상기 기준좌표에 대한 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제2 변환 행렬을 생성하는 단계;
상기 제1 변환 행렬, 상기 제2 변환 행렬 및 상기 툴 프로브에 대한 상기 제1 드릴팁의 상대위치를 바탕으로 상기 기준 프로브에 대한 상기 랜드마크의 상대위치를 나타내는 제3 변환 행렬을 생성하는 단계;
제2 드릴팁을 상기 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 상기 기준좌표에 대한 상기 기준 프로브의 상대위치를 나타내는 제4 변환 행렬을 생성하는 단계;
상기 제2 드릴팁을 상기 랜드마크에 위치시킨 상태에서, 상기 기준좌표에 대한 상기 툴 프로브의 상대위치를 나타내는 제5 변환 행렬을 생성하는 단계; 및
상기 제3 변환 행렬, 상기 제4 변환 행렬 및 상기 제5 변환 행렬을 바탕으로 상기 기준 프로브에 대한 상기 제2 드릴팁의 상대위치를 결정하는 단계를 포함하는 영상 유도 방법.
제9항에 있어서,
상기 영상 유도 방법은
결정된 제2 드릴팁의 상대위치에 상기 삼차원 영상공간에서 상기 기준 프로브의 위치를 기준으로 상기 제2 드릴팁의 위치를 표시하는 단계를 포함하는 영상 유도 방법.
제9항에 있어서,
상기 제3 변환 행렬은
상기 기준 프로브의 위치를 기준으로 상기 랜드마크의 위치를 나타내는 좌표 변환 행렬을 포함하는 영상 유도 방법.
제11항에 있어서,
상기 기준 프로브는
하나 이상의 마커를 포함하며,
상기 기준 프로브의 위치는
상기 하나 이상의 마커의 좌표인 영상 유도 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 드릴팁 또는 상기 제2 드릴팁은
핸드피스(hand-piece)에 결합되며,
상기 툴 프로브는
상기 핸드피스에 부착된 영상 유도 방법.
제9항에 있어서,
상기 기준 프로브는
스텐트(stent)에 부착되며,
상기 스텐트는
환자의 치열에 결합되는 영상 유도 방법.