KR101208191B1 - Method and apparatus of simulating incision treatment in computer-based virtual surgery training environment and computer-readable recording medium thereof - Google Patents

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Abstract

컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 절개 처치 시뮬레이션 방법은 가상 공간에 복수 개의 폴리곤으로 이루어진 3차원 환부 모델을 디스플레이하는 3차원 환부 모델 디스플레이 단계, 가상 공간에 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이하고, 입력부를 통하여 수신되는 사용자 입력에 기반하여 가상 공간에서 사용자 도구 모델을 조작하는 사용자 도구 조작 단계, 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉할 경우, 소정의 의사 결정 기법을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 3차원 환부 모델을 분할하는 절개 단계, 및 절개 단계가 수행되는 동안에 시각, 촉각, 및 청각 중 적어도 하나의 피드백을 생성하여 출력부를 통하여 사용자에게 제공하는 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하여, 가상 공간 상에서 수행되는 절개 과정을 실제와 가깝게 재현할 수 있으며, 멀티모달 피드백을 통해 사용자의 훈련 효과를 증대할 수 있다. A method and apparatus for simulating incisional treatment in a computer-based virtual medical training environment is disclosed. Incision treatment simulation method is a three-dimensional wound model display step of displaying a three-dimensional affected model consisting of a plurality of polygons in the virtual space, and displays a user tool model operated by the user in the virtual space, the user input received through the input unit User tool manipulation step of manipulating the user tool model in the virtual space based on the method. When the user tool model contacts the 3D affected model in the virtual space, the 3D affected model is determined according to the incision pattern determined using a predetermined decision technique. And a feedback step of generating at least one feedback of visual, tactile, and auditory and providing the feedback to the user through the output unit while the division step of splitting and the cutting step are performed. According to the present invention, it is possible to reproduce the cutting process performed in the virtual space close to the actual, and can increase the training effect of the user through multi-modal feedback.

Description

컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법 및 장치 및 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체{Method and apparatus of simulating incision treatment in computer-based virtual surgery training environment and computer-readable recording medium thereof}Method and apparatus of simulating incision treatment in computer-based virtual surgery training environment and computer-readable recording medium

본 발명은 컴퓨터 기반의 가상 의료 훈련 환경을 제공하는 기술에 관한 것이며, 특히, 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개를 포함하는 외과적 처치 기술 훈련을 가능케 하는 시뮬레이션 기법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for providing a computer-based virtual medical training environment, and more particularly, to a simulation technique for enabling surgical treatment technology training including incision in a computer-based virtual medical training environment.

현대 의학의 발전에 힘입어, 의사들이 시술하는 다양한 의학적 처치는 점점 정밀화되어 가고 있으며, 심지어는 육안과 의사의 손만으로는 수행할 수 없는 섬세한 시술들이 많이 개발되고 있다. 따라서, 외과 의사가 고도로 숙련될 필요가 있는데 반해 외과 의사가 한정된 임상 경험과 시술 경험만으로는 이러한 숙련도를 얻기가 쉽지 않다. Thanks to the advancement of modern medicine, the various medical treatments practiced by doctors are becoming increasingly refined, and even more delicate procedures are being developed that can not be performed by the naked eye and the hands of doctors. Thus, while a surgeon needs to be highly skilled, a surgeon can not achieve this proficiency with limited clinical experience and experience.

그러므로, 의학적 시술 훈련이 보다 효과적으로 이루어지게 하는 한가지 방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 것이다. 예를 들어, 시술 전에 환자의 의료영상을 3차원으로 재구성하여 수술 계획을 수립하고, 이를 시뮬레이션 환경에 적용하여 모의 수술 훈련을 진행한다. 훈련에 임하는 의사는 수술 도구를 모사한 입력 장비를 통해 필요한 처치를 수행하고 출력되는 결과를 바탕으로 실제 시술에 대비한다.Therefore, one way to make medical practice training more effective is to use computer simulations. For example, before the procedure, the medical image of the patient is reconstructed in three dimensions to establish the surgical plan, and the simulation plan is applied to the simulation environment to conduct the simulation training. The physician performing the training performs the necessary treatment through the input device simulating the surgical tool and prepares for the actual operation based on the output result.

이와 같이, 현대의 컴퓨터 공학에 의해, 컴퓨터 프로프램에 의해 생성된 가상 환경에서 실재적인 훈련 상황을 제공하는 것이 가능하다. 즉, 컴퓨터에 의하여 시뮬레이션과 관련된 대상물의 3차원 모델이 제공된다. 이와 같이, 외과 분야의 수많은 복잡한 공정들은 컴퓨터에서 완전히 시뮬레이션되는 것이 불가능하지는 않지만 이는 매우 고비용이 필요한 기술이다. 또한 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 컴퓨터 기반의 훈련 환경 역시 정확도와 실재감(presence)의 부족으로 인해 훈련 범위가 제한적이며 상용화도 더딘 실정이다. As such, contemporary computer engineering makes it possible to provide realistic training situations in a virtual environment created by a computer program. That is, a three-dimensional model of the object related to the simulation is provided by the computer. As such, many complex processes in the surgical field are not impossible to fully simulate on a computer, but this is a very expensive technique. In addition, the computer-based training environment developed to solve these problems is also limited in training range and slow commercialization due to lack of accuracy and presence.

뿐만 아니라, 신뢰할 만한 시뮬레이션을 제공하는 공지의 기술은 매우 복잡하며 프로세서와 메모리의 형태에서 컴퓨터 효용과 관련하여 고비용적이다. 더 나아가, 종래 기술은 결과는 실현 가능한 시뮬레이션 환경을 제공하기에 충분치 않다. 실제로 해부술을 보여주는 시각 특성은 시뮬레이션을 재현하기 어렵고 시간 소비적이다. In addition, known techniques for providing reliable simulation are very complex and costly in terms of computer utility in the form of processors and memory. Furthermore, the prior art is not sufficient to provide a simulation environment where the results are feasible. In practice, the visual characteristics of anatomy are difficult and time-consuming to reproduce the simulation.

따라서 종래의 컴퓨터 기반 절개 시뮬레이션 기법이 가지고 있는 단점을 보완하고 실제 훈련에 폭넓게 응용하기 위해서는 보다 몰입감 높은 가상 환경을 구축하고 훈련 대상에 대한 정확도 높은 상호작용 기법이 절실히 요구된다. Therefore, in order to make up for the shortcomings of the conventional computer-based incision simulation technique and to apply it to a wide range of practical training, a more immersive virtual environment and an accurate interaction technique for the training target are urgently required.

[1] 특2003-0083695 "외과적 치료의 시뮬레이션 방법 및 시스템"[1] Special 2003-0083695 "Simulation methods and systems for surgical treatment" [2] 10-2009-0043513 "컴퓨터화된 의료 훈련 시스템"[2] 10-2009-0043513 "Computerized Medical Training Systems"

[3] Turkiyyah, G., Karam, W. B., Ajami, Z., and Nasri, A., "Mesh cutting during real-time physical simulation," in SPM '09: 2009 SIAM/ACM Joint Conference on Geometric and Physical Modeling, 159??168 (2009).[3] Turkiyyah, G., Karam, WB, Ajami, Z., and Nasri, A., "Mesh cutting during real-time physical simulation," in SPM '09: 2009 SIAM / ACM Joint Conference on Geometric and Physical Modeling , 159 ?? 168 (2009).

본 발명의 목적은 사용자의 입력을 바탕으로 3차원 모델을 절개함에 있어서 실시간으로 실제 진행 경로의 곡률을 계산하고 이를 모델 분할에 활용하여 보다 정확한 절개 경로 표현이 가능하게 하는 절개 처치 시뮬레이션 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an incision treatment simulation method for calculating a curvature of a real progress path in real time in cutting a 3D model based on a user input and using the same for model segmentation to more accurately represent an incision path. will be.

또한, 본 발명의 목적은 실제 절개 과정에서 발생할 수 있는 시각, 청각 및 촉각 피드백을 수리적으로 분석하고 재현함으로써 보다 몰입감 높은 훈련 환경을 제공할 수 있는 절개 처치 시뮬레이션 장치를 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide an incision treatment simulation apparatus that can provide a more immersive training environment by mathematically analyzing and reproducing visual, auditory, and tactile feedback that may occur in an actual incision process.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일면은, 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 의한 절개 처치 시뮬레이션 방법은 가상 공간에 복수 개의 폴리곤(polygon)으로 이루어진 3차원 환부 모델을 디스플레이하는 3차원 환부 모델 디스플레이 단계, 가상 공간에 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이하고, 입력부를 통하여 수신되는 사용자 입력에 기반하여 가상 공간에서 사용자 도구 모델을 조작하는 사용자 도구 조작 단계, 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉할 경우, 소정의 의사 결정 기법(decision technique)을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 3차원 환부 모델을 분할하는 절개(incision) 단계, 및 절개 단계가 수행되는 동안에 시각, 촉각, 및 청각 중 적어도 하나의 피드백을 생성하여 출력부를 통하여 사용자에게 제공하는 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히, 3차원 환부 모델 디스플레이 단계는 훈련 시나리오 데이터베이스에 저장된 후보 환부 모델들을 디스플레이하는 단계, 사용자로 하여금 입력부를 통하여 후보 환부 모델들 중 원하는 의료 훈련 환경에 적합한 환부 모델을 선택하도록 하는 단계, 및 사용자가 선택한 환부 모델을 훈련 시나리오 데이터베이스로부터 독출하여 가상 공간에 디스플레이하는 단계를 포함한다. 또한, 사용자 도구 조작 단계는 사용자 입력으로부터, 사용자 도구 모델의 3 자유도(3-degree of freedom, 3DOF) 및 6 자유도(6DOF) 중 적어도 하나의 운동 정보를 추출하는 단계, 추출된 운동 정보를 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델이 가지는 위치 및 상태 정보로 변환하는 단계, 및 위치 및 상태 정보에 따라서 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델의 위치 및 상태를 갱신하는 단계를 포함한다. 더 나아가, 절개 단계는 가상 공간에서 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉하는지 여부를 판단하는 단계, 접촉될 경우, 절개 동작을 개시할지 여부를 판단하는 단계, 절개 동작이 개시될 경우, 3차원 환부 모델에 포함되는 각 폴리곤과 사용자 도구 모델이 만나는 지점인 진입점(entry point) 및 사용자 도구 모델이 폴리곤을 떠나는 진출점(exit point)을 결정하는 단계, 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 진입점 및 진출점 사이에 위치하는 전환점(turning point)을 결정하는 전환점 결정 단계, 및 전환점을 경유하여 진입점 및 진출점을 잇는 직선을 절개 경로로 간주하고, 절개 경로를 따라서 3차원 환부 모델에 포함되는 모든 폴리곤을 분할하는 분할 단계를 포함한다. 특히, 피드백 단계는 환부 영역에 대한 경계를 느끼게 하는 수직 반력, 절개 방향과 반대 방향으로 작용하는 저항력, 및 사용자 도구 및 절개면 사이의 걸림 현상을 나타내는 토크(torque) 중 적어도 하나를 촉각 피드백으로서 제공하는 촉각 피드백 단계 또는 절개 상황에서 발생할 수 있는 청각 효과를 청각 피드백으로서 제공하는 청각 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. One aspect of the present invention for achieving the above objects relates to a method for simulating an incision procedure in a computer-based virtual medical training environment. According to an embodiment of the present invention, a method for simulating incision treatment may include displaying a three-dimensional wound model displaying a three-dimensional wound model including a plurality of polygons in a virtual space, and displaying a user tool model manipulated by a user in the virtual space. A user tool manipulation step of manipulating the user tool model in the virtual space based on the user input received through the input unit; and a predetermined decision technique when the user tool model contacts the 3D affected model in the virtual space. An incision step of dividing the three-dimensional affected model according to the incision pattern determined by using and a feedback of generating at least one feedback of sight, tactile, and hearing while the incision step is performed and providing the feedback to the user through the output unit Characterized in that it comprises a step. In particular, the display of the three-dimensional affected model may include displaying candidate affected models stored in a training scenario database, allowing the user to select an affected lesion model suitable for a desired medical training environment among the candidate affected models through an input unit, and Reading the selected lesion model from the training scenario database and displaying it in the virtual space. The user tool manipulation step may include extracting motion information of at least one of three degrees of freedom (3DOF) and six degrees of freedom (6DOF) of the user tool model from the user input and extracting the extracted motion information. Converting the user tool model into position and state information in the virtual space, and updating the position and state of the user tool model in the virtual space according to the position and state information. Further, the cutting step may include determining whether the user tool model is in contact with the three-dimensional affected model in the virtual space, determining whether to start the cutting operation when in contact, and when the cutting operation is initiated, the three-dimensional Determining an entry point, which is the point where each polygon included in the affected model and the user tool model meet, and an exit point where the user tool model leaves the polygon, an entry point on the movement path of the user tool model, and A turning point determination step of determining a turning point located between the entry points, and a straight line connecting the entry point and the entry point via the turning point as an incision path, and all included in the three-dimensional wound model along the incision path. And dividing the polygon. In particular, the feedback step provides as a tactile feedback at least one of a vertical reaction force that makes a boundary to the affected area, a resistive force acting in the opposite direction to the incision direction, and a torque indicative of a grip between the user tool and the incision surface. And an auditory feedback step of providing the auditory effect as an auditory feedback that may occur in a tactile feedback step or an incision situation.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면은 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다른 면에 의한 절개 처치 시뮬레이션 장치는 가상 공간에 가상 의료 훈련 환경을 구현하는 중앙 처리 장치, 가상 공간에 구현되며 복수 개의 폴리곤(polygon)으로 이루어진 3차원 환부 모델 및 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이하는 디스플레이, 및 가상 공간에서 사용자 도구 모델을 조작하는 사용자 입력을 수신하여 중앙 처리 장치에 전달하는 입력부를 포함하며, 중앙 처리 장치는 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉하는지 검출하는 충돌 검출부, 접촉이 검출될 경우에 소정의 의사 결정 기법을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 3차원 환부 모델을 분할하는 절개 처리부, 및 절개 동작이 수행되는 동안에 시각, 촉각, 및 청각 중 적어도 하나의 피드백을 생성하여 출력부를 통하여 사용자에게 제공하는 피드백 생성부를 포함한다. 특히, 절개 처리부는 가상 공간에서 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉할 경우 절개 동작을 개시할지 여부를 판단하는 동작, 절개 동작이 개시될 경우, 3차원 환부 모델에 포함되는 각 폴리곤과 사용자 도구 모델이 만나는 지점인 진입점(entry point) 및 사용자 도구 모델이 폴리곤을 떠나는 진출점(exit point)을 결정하는 동작, 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 진입점 및 진출점 사이에 위치하는 전환점(turning point)을 결정하는 전환점 결정 동작, 및 전환점을 경유하여 진입점 및 진출점을 잇는 직선을 절개 경로로 간주하고, 절개 경로를 따라서 3차원 환부 모델에 포함되는 모든 폴리곤을 분할하는 분할 동작을 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 한다. 더 나아가, 절개 처리부는 전환점 결정 동작을 수행하기 위하여, 사용자 도구 모델의 폴리곤 내에서의 이동 경로를 소정 개수의 구간으로 나누는 동작, 나눠진 각 구간의 시작점, 중간점 및 종료점을 이용하여 해당 구간의 곡률을 계산하는 동작, 및 소정 판단 기준을 이용하여, 계산된 곡률이 문턱치 이상이 되는 구간의 중간점을 전환점으로 결정하는 동작을 수행하도록 적응된다. 또한, 절개 처리부는 분할 동작을 수행하기 위하여, 폴리곤의 유형에 따른 비정상적 요소가 제외된 유한 상태 기계(FSM)를 참조하여 절개 경로 상의 현재 정점을 복제하고 현재 정점의 지오메트리 정보를 갱신하는 동작, 절개 경로의 진행 방향인 절개 방향 벡터 및 현재 정점의 법선 벡터의 순서에 따른 두 개의 벡터 외적을 연산하여 분할 방향을 결정하는 동작, 분할 방향들에 따라서 3차원 환부 모델의 절개 경로 양측의 지오메트리 정보를 각각 갱신하는 동작, 및 절개 경로를 절개선으로 간주하고, 절개선에 따라 갱신된 지오메트리 정보에 따라서 3차원 환부 모델을 분할한 절개면을 표현하는 분할 시뮬레이션 동작을 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 절개 처리부는 분할 시뮬레이션 동작을 수행하기 위하여, 사실적인 절개면 표현을 위하여 3차원 환부 모델의 물리적 특성을 반영하여 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 동작을 더 수행하도록 적응된다. 또는, 절개 처리부는, 분할 시뮬레이션 동작을 수행하기 위하여, 절개면에서 발생하는 물리적 효과를 구현하기 위하여 텍스쳐, 파티클, 셰이더 중 적어도 하나를 포함하는 시각화 요소를 반영하여 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 동작을 더 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 한다. 더 나아가, 피드백 생성부는 환부 영역에 대한 경계를 느끼게 하는 수직 반력, 절개 방향과 반대 방향으로 작용하는 저항력, 및 사용자 도구 및 절개면 사이의 걸림 현상을 나타내는 토크(torque) 중 적어도 하나를 촉각 피드백으로서 제공하거나, 절개 상황에서 발생할 수 있는 청각 효과를 청각 피드백으로서 제공하는 것을 특징으로 한다. Another aspect of the present invention for achieving the above objects relates to an apparatus for simulating an incision procedure in a computer-based virtual medical training environment. An incision treatment simulation apparatus according to another aspect of the present invention is a central processing unit for implementing a virtual medical training environment in a virtual space, a three-dimensional lesion model implemented in a virtual space and consisting of a plurality of polygons, and a user manipulated by a user. A display for displaying a tool model, and an input for receiving user input for manipulating the user tool model in the virtual space and passing the input to the central processing unit, wherein the central processing unit contacts the three-dimensional affected model with the user tool model in the virtual space. A collision detection unit for detecting whether a contact is detected, an incision processing unit for dividing the three-dimensional affected model according to an incision pattern determined using a predetermined decision technique when a contact is detected, and at least one of visual, tactile, and auditory while the incision operation is performed. Generate one feedback and user through output It includes a feedback generator for providing to. In particular, the incision processor determines whether to initiate the incision operation when the user tool model contacts the three-dimensional affected model in the virtual space, and when the incision operation is initiated, each polygon and the user tool included in the three-dimensional affected model. The entry point, where the model meets, and the action of determining the exit point from which the user tool model leaves the polygon, and the turning point located between the entry point and the exit point on the user tool model's movement path. A transition point determination operation for determining the transition point, and a straight line connecting the entry point and the exit point via the transition point, are regarded as an incision path, and are adapted to perform a division operation for dividing all polygons included in the three-dimensional wound model along the incision path. It is characterized by. Furthermore, the incision processor divides the moving path in the polygon of the user tool model into a predetermined number of sections to perform the turning point determination operation, and uses the starting point, midpoint, and end point of each divided section to curvature the corresponding section. And an operation of determining an intermediate point of a section in which the calculated curvature becomes a threshold or more using a predetermined criterion, as the switching point. In addition, in order to perform the split operation, the cutting processing unit duplicates the current vertex on the cutting path and updates the geometry information of the current vertex by referring to a finite state machine (FSM) in which an abnormal element according to the polygon type is excluded. The operation of determining the dividing direction by calculating two vector cross products according to the order of the incision direction vector, which is the direction of the path, and the normal vector of the current vertex, and the geometry information of both sides of the incision path of the three-dimensional wound model according to the dividing directions, respectively. It is characterized in that it is adapted to perform the segmentation simulation operation which represents the updating operation and the incision path as an incision line, and represents the incision surface which divided | segmented the 3D affected model according to the updated geometry information according to the incision line. Preferably, the incision processor is adapted to further perform the operation of further modifying the geometry information to reflect the physical characteristics of the three-dimensional affected model for the realistic incision plane representation to perform the segmentation simulation operation. Alternatively, the cut processing unit may further change the geometry information by reflecting a visualization element including at least one of a texture, a particle, and a shader to implement a physical effect occurring at the cut surface in order to perform a split simulation operation. And adapted to perform. Further, the feedback generating unit may include at least one of a vertical reaction force for feeling a boundary to the affected area, a resistance force acting in a direction opposite to the incision direction, and a torque representing a locking phenomenon between the user tool and the incision surface as tactile feedback. Or as auditory feedback for auditory effects that may occur in an incision situation.

본 발명에 의하여, 가상 공간 상에서 수행되는 절개 과정을 실제와 가깝게 재현할 수 있으며, 특히 저해상도로 표현된 모델에 있어서 이러한 장점이 극대화된다. According to the present invention, the cutting process performed in the virtual space can be reproduced close to the actual one, and this advantage is maximized, especially in a model expressed in low resolution.

또한, 본 발명에 의하여 절개에 수반되는 멀티모달 피드백(multi-modal feedback)을 통해 사용자의 훈련 효과를 증대할 수 있다. In addition, according to the present invention, the training effect of the user can be increased through the multi-modal feedback accompanying the incision.

더 나아가, 종래 기술의 경우 대부분이 최소 침습 수술에 초점을 맞추고 있었지만 본 발명은 시뮬레이션 환경이나 시술 형태와는 독립적인 수리적 기법을 제시함으로써 다양한 의료 훈련 환경에 적용 가능하다. Furthermore, although most of the prior arts focused on minimally invasive surgery, the present invention is applicable to various medical training environments by suggesting a mathematical technique that is independent of the simulation environment or the type of procedure.

도 1은 본 발명의 일면에 의한 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도이다.
도 2는 사용자 도구 모델의 이동 경로 상의 진입점, 전환점, 및 진출점을 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 발명에서 사용된 곡률의 정의를 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명에 의하여 전환점을 결정하는 방식을 설명하는 도면이다.
도 4는 전환점의 존재에 따라서 절개 경로가 결정되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 절개 경로를 기준으로 한 분할 방향의 결정 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 면에 의한 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치의 일 실시예를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
1 is a flow diagram conceptually illustrating a method for simulating an incision procedure in a computer-based virtual medical training environment in accordance with an aspect of the present invention.
2 is a diagram illustrating an entry point, a turning point, and an exit point on a moving path of a user tool model.
Figure 3a shows the definition of curvature used in the present invention.
3B is a diagram for explaining a method of determining a turning point according to the present invention.
4 is a diagram for describing a process of determining an incision path according to the presence of a turning point.
5 is a diagram for explaining a method of determining a split direction based on a cutting path.
6 is a block diagram conceptually illustrating one embodiment of an apparatus for simulating an incision treatment in a computer-based virtual medical training environment in accordance with another aspect of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.

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. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated. In addition, the terms "... unit", "... unit", "module", "block", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which means hardware, software, or hardware. And software.

도 1은 본 발명의 일면에 의한 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도이다. 1 is a flow diagram conceptually illustrating a method for simulating an incision procedure in a computer-based virtual medical training environment in accordance with an aspect of the present invention.

본 발명에 따르면, 사용자는 입력 장치를 조작하여 절개 훈련을 진행하게 되며, 사용자가 조작하는 수술 도구와 환부의 접촉이 발생할 경우 절개 상태로 전환되어 3차원 환부 모델에 대한 절개 및 분할 과정이 수행된다. 이 과정에서 실제 절개 경로에 대한 곡률 정보를 활용하여 경로 결정을 보조함으로써 절개 경로를 보다 충실하게 재현한다. 또한 절개에 수반되는 시각, 청각 및 촉각 피드백을 제공함으로써 훈련 환경에 대한 몰입감을 증진한다. According to the present invention, a user performs an incision training by operating an input device, and when a contact with a surgical tool manipulated by a user occurs, the user enters an incision state and performs an incision and division process on a three-dimensional affected model. . In this process, the curvature information of the actual incision path is utilized to assist the path determination to faithfully reproduce the incision path. It also provides immersion into the training environment by providing visual, auditory, and tactile feedback that accompanies the incision.

도 1을 이용하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.

우선, 컴퓨터 기반 가상 공간에 복수 개의 폴리곤(polygon)으로 이루어진 3차원 환부 모델 및 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이한다(S110). 본 명세서에서 가상 공간이란 컴퓨터에 의하여 디스플레이 모니터 상에 디스플레이되는 가상 공간을 나타내는 것으로서, 사용자는 디스플레이 모니터 상에 디스플레이된 3차원 환부 모델을 시각적으로 인식하고 자신의 조작에 의하여 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델을 직접적으로 조작함으로써 다양한 처치를 직접 시행하는 것과 같은 체험을 할 수 있다. 이 때, 다양한 환부 및 다양한 훈련 시나리오는 훈련 시나리오 데이터베이스에 저장될 수 있다. 그러면, 사용자는 데이터베이스에 저장된 훈련 시나리오 및 환부 중 원하는 것을 사용자 조작부를 통하여 직접 선택할 수 있다. 이와 같이 다양한 훈련 시나리오가 저장된 데이터베이스를 이용하면 동일한 장치를 이용하여 다양한 처치 훈련을 할 수 있으며, 새로운 시술이 개발되면 데이터베이스만을 갱신하면 되기 때문에 유지 보수 비용이 절감된다. First, in operation S110, a 3D affected area model including a plurality of polygons and a user tool model manipulated by a user are displayed in a computer-based virtual space. In the present specification, the virtual space refers to a virtual space displayed on a display monitor by a computer, and the user visually recognizes the three-dimensional affected model displayed on the display monitor and uses the user tool model on the virtual space. By direct manipulation, you can experience the same as performing various treatments yourself. In this case, various lesions and various training scenarios may be stored in a training scenario database. Then, the user can directly select a desired one of the training scenarios and the lesions stored in the database through the user manipulation unit. As such, using a database in which various training scenarios are stored, various treatment trainings can be performed using the same device. When a new procedure is developed, maintenance costs are reduced because only the database needs to be updated.

가상 공간 상에 3차원 환부 모델 및 사용자 도구 모델이 디스플레이되면 입력부를 통하여 수신되는 사용자 입력에 기반하여 사용자 도구 모델을 조작한다(S120). When the 3D affected model and the user tool model are displayed in the virtual space, the user tool model is manipulated based on the user input received through the input unit (S120).

사용자 도구 모델을 조작하기 위하여, 사용자 입력으로부터 사용자 도구 모델의 1 자유도 이상의 운동 정보가 얻어진다. 본 발명의 일 실시예에서는 3 자유도(3-degree of freedom, 3DOF) 또는 6 자유도(6DOF)가 얻어질 수 있다. 6 자유도란 로보틱스나 가상 현실 시스템에서 사용되는 모든 동작 요소를 나타내는 것이며, 즉, X(수평), Y(수직), Z(깊이), 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll)을 나타내는 것이다. 또한, 3 자유도는 X, Y, Z만을 나타내는 것이다. In order to manipulate the user tool model, motion information of at least one degree of freedom of the user tool model is obtained from the user input. In one embodiment of the present invention, three degrees of freedom (3DOF) or six degrees of freedom (6DOF) may be obtained. 6 Degrees of freedom refers to all motion elements used in robotics or virtual reality systems, i.e. X (horizontal), Y (vertical), Z (depth), pitch, yaw, roll To indicate. In addition, three degrees of freedom show only X, Y, and Z.

이와 같이 3 자유도 또는 6 자유도에 기반한 운동 정보가 추출되면, 추출된 운동 정보가 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델이 가지는 위치 및 상태 정보로 변환된다. 이러한 변환 동작은 가상 공간을 구현하는 중앙 처리 장치에 의하여 구현될 수도 있고, 별개의 정보 변환 장치에 의하여 수행될 수도 있다. When motion information based on 3 degrees of freedom or 6 degrees of freedom is extracted as described above, the extracted motion information is converted into position and state information of the user tool model in the virtual space. This conversion operation may be implemented by a central processing unit that implements a virtual space, or may be performed by a separate information conversion device.

그러면, 중앙 처리 장치는 변환된 위치 및 상태 정보에 따라서 가상 공간 상에서 사용자 도구 모델의 위치 및 상태를 갱신한다. 이러한 과정을 통하여, 사용자는 자신이 조작하고 명령하는 대로 사용자 도구 모델이 가상 공간 상에서 이동하는 것을 확인할 수 있다. 사용자가 조작하는 입력부는 조이스틱 형태를 가질 수도 있고, 사용자 도구 모델과 동일한 형태일 수도 있다. 예를 들어, 메스를 이용하여 절개 처리를 수행하는 사용자는 메스와 동일한 형상을 가지는 입력부를 이용하여 사용자 도구 모델을 조작할 수 있다. 이 경우, 메스와 같은 형상을 가지는 입력부는 3 자유도 또는 6 자유도 입력을 검출하기 위한 센서를 포함하여야 하는 것은 물론이다. The central processing unit then updates the position and state of the user tool model in the virtual space according to the translated position and state information. Through this process, the user can confirm that the user tool model moves in the virtual space as he manipulates and commands. The input unit manipulated by the user may have a joystick shape or may be the same as the user tool model. For example, a user performing a cutting process using a scalpel may manipulate a user tool model using an input unit having the same shape as the scalpel. In this case, of course, the input unit having a shape like a scalpel should include a sensor for detecting a three degrees of freedom or a six degrees of freedom input.

그러면, 가상 공간 상에서 이동하는 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉하는지 여부를 검출한다(S130). 사용자 도구 모델이 3차원 환부 모델과 접촉한다면 절개가 시작될 수 있다는 것을 의미한다. 하지만, 접촉이 일어났다고 해서 반드시 절개 처치가 시작되는 것은 아니며, 별개의 트리거 동작이 필요할 수 있다. 예를 들어 레이저 빔을 이용한 절개 처치를 수행할 경우에, 빔 조사부(beam irradiator)가 3차원 환부 모델과 접촉되었다고 해도 빔이 조사되지 않으면 절개가 시작되지 않는다. 또한, 메스의 한 쪽 날이 3차원 환부 모델과 접촉하였다고 해도 절개가 개시되려면 메스의 다른 쪽 날과 겹쳐져야 한다. 따라서, 이러한 점들을 고려하여 절개 동작이 개시되는지 여부를 판단한다(S140). Then, it is detected whether the user tool model moving in the virtual space is in contact with the 3D affected model (S130). If the user tool model is in contact with the three-dimensional affected model, this means that an incision can be initiated. However, contact does not necessarily initiate the incision procedure and may require a separate trigger action. For example, when performing an incision treatment using a laser beam, even if the beam irradiator is in contact with the 3D affected model, the incision does not start unless the beam is irradiated. Also, even if one blade of the scalpel is in contact with the three-dimensional affected model, it must overlap with the other blade of the scalpel to initiate incision. Therefore, in consideration of these points, it is determined whether the cutting operation is started (S140).

절개가 개시되면, 소정의 의사 결정 기법(decision technique)을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 3차원 환부 모델을 분할한다. 이 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. Once the incision is initiated, the three-dimensional lesion model is segmented according to the incision pattern determined using a predetermined decision technique. This process is described in detail as follows.

즉, 절개가 개시되면 3차원 환부 모델에 포함되는 각 폴리곤과 사용자 도구 모델이 만나는 지점인 진입점(entry point) 및 사용자 도구 모델이 폴리곤을 떠나는 진출점(exit point)을 우선 결정한다(S150). 그리고, 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 진입점 및 진출점 사이에 위치하는 전환점(turning point)을 결정한다. That is, when the incision is initiated, an entry point, which is a point where each polygon included in the 3D affected model and the user tool model meet, and an exit point where the user tool model leaves the polygon are first determined (S150). . Then, a turning point located between the entry point and the exit point on the moving path of the user tool model is determined.

본 명세서에서, 전환점이란 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 방향의 전환이 많이 일어나서 절개 시뮬레이션의 기준점으로 삼아야 하는 정점을 의미한다. In the present specification, the turning point refers to a vertex that should be used as a reference point for the incision simulation because a lot of change of direction occurs on the moving path of the user tool model.

도 2는 사용자 도구 모델의 이동 경로 상의 진입점, 전환점, 및 진출점을 설명하는 도면이다. 2 is a diagram illustrating an entry point, a turning point, and an exit point on a moving path of a user tool model.

도 2를 참조하면, 도 2는 삼각형을 기본 단위로 가지는 3차원 모델에 대한 분할 과정을 설명한다. 이동 경로가 시작되거나 인접한 삼각형에서 현재 삼각형 내부로 진입하는 지점을 진입점(entry point), 이동 경로가 종료되거나 인접한 삼각형으로 빠져나가는 지점을 진출점(exit point)으로 정의한다. 그리고 현재 삼각형 내에서 이동 방향이 바뀔 경우 이 지점을 중간점(turning point)으로 정의한다. 이와 같이 정의된 진입점과 진출점을 바로 연결하거나, 진입점에서 중간점을 경유하여 진출점을 연결하는 직선 경로를 따라 개별 삼각형을 분할하여 가상 공간 상의 3차원 모델이 절개된 효과를 표현한다. Referring to FIG. 2, FIG. 2 illustrates a division process for a 3D model having a triangle as a basic unit. An entry point is defined as an entry point where a moving path starts or enters into a current triangle from an adjacent triangle, and an exit point where a moving path ends or exits to an adjacent triangle. If the direction of movement changes within the current triangle, this point is defined as the turning point. The three-dimensional model in the virtual space is expressed by cutting individual triangles along a straight path connecting the entry point and the entry point defined above or connecting the entry point via the intermediate point at the entry point.

절개 시뮬레이션 과정에서 보다 정확한 절개 경로를 표현하기 위해서는 진입점과 진출점, 전환점의 위치 선정이 중요하다. 이들 중 진입점과 진출점의 위치는 명백하게 결정되지만 전환점의 존재 여부와 위치는 결정 방식에 따라 달라질 수 있다. 도 2의 A 화살표를 따라 절개한 결과보다, B 화살표를 따라 절개한 결과가 훨씬 정교하게 절개를 수행함을 알 수 있다. 본 발명에서는 구간별 곡률을 추정하는 방식을 통해 전환점 결정 문제를 해결하였다. In order to express the incision path more accurately in the incision simulation process, it is important to select the positions of the entry point, the exit point and the turning point. Of these, the positions of the entry and exit points are clearly determined, but the presence and position of the turning point may vary depending on the determination method. It can be seen that the result of the incision along the B arrow is performed much more precisely than the result of the incision along the arrow A in FIG. 2. In the present invention, the problem of determining the turning point is solved through the method of estimating the curvature of each section.

즉, 절개 경로 상의 전환점을 결정하기 위하여, 사용자 도구 모델의 폴리곤 내에서의 이동 경로를 소정 개수의 구간으로 나누고, 나눠진 각 구간의 시작점, 중간점 및 종료점을 이용하여 해당 구간의 곡률을 계산한다(S160). That is, in order to determine the turning point on the incision path, the moving path in the polygon of the user tool model is divided into a predetermined number of sections, and the curvature of the corresponding section is calculated using the start point, the middle point and the end point of each divided section ( S160).

도 3a는 본 발명에서 사용된 곡률의 정의를 나타낸 것이다. Figure 3a shows the definition of curvature used in the present invention.

이동 경로 상에 임의의 세 정점이 존재할 때 세 정점이 이루는 선분이 직선에 가까울수록 곡률의 값은 1에 가까워지며, 반대로 방향의 변화가 커질수록 곡률의 값이 커진다. 이를 이용하여 이동 경로를 일정 거리마다 샘플링하고 샘플링된 각 구간의 곡률을 추정한 후, 곡률이 최대값을 나타내는 구간에 위치한 정점을 전환점으로 설정한다(S170). When any three vertices exist on the movement path, the closer the line segment formed by the three vertices is to a straight line, the closer to 1 the curvature becomes. On the contrary, as the change in the direction increases, the curvature increases. Using this, the moving path is sampled at a predetermined distance, the curvature of each sampled section is estimated, and the vertex located at the section showing the maximum curvature is set as the switching point (S170).

도 3a에서 곡률은 수학식 1과 같이 정의된다. In FIG. 3A, the curvature is defined as in Equation 1 below.

Figure 112010080706736-pat00001
Figure 112010080706736-pat00001

수학식 1에서, V start 는 시작점, V end 는 끝점, 그리고 V center 는 중간점을 나타낸다. d start V start V center 사이의 직선을, 거리를 d end V center V end 사이의 직선을 나타내고, d shortest V start V end 사이의 최단 거리를 나타낸다. In Equation 1, V start represents a start point, V end represents an end point, and V center represents an intermediate point. d start is V start and V center The straight line between the d end is the V center And a straight line between V end and d shortest indicates the shortest distance between V start and V end .

수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 이동 경로가 최단 거리와 가까울수록 곡률은 작아진다. As can be seen from Equation 1, the closer the movement path is to the shortest distance, the smaller the curvature.

도 3b는 본 발명에 의하여 전환점을 결정하는 방식을 설명하는 도면이다3B is a diagram for explaining a method of determining a turning point according to the present invention.

도 3b를 참조하면, 이동 경로를 소정 개수의 구간으로 분리한 후, 각 구간별 곡률을 다음 수학식 2를 참조하여 연산한다. Referring to FIG. 3B, after dividing the moving path into a predetermined number of sections, the curvature of each section is calculated by referring to Equation 2 below.

Figure 112010080706736-pat00002
Figure 112010080706736-pat00002

수학식 2에서, v k 는 이동 경로 상의 k번째 정점을 나타내고, d k v k v k +1 을 잇는 직선을 나타낸다. 또한, s k v k v k +2 를 잇는 직선을 나타내고, Curvature k 는 k번째 구간의 곡률을 나타낸다. In Equation 2, v k represents a k-th vertex on a moving path, and d k represents a straight line connecting v k and v k +1 . In addition, s k represents a straight line connecting v k and v k +2 , and Curvature k represents the curvature of the k-th section.

도 3b에서 전환점을 결정하는 방식으로는 여러 가지가 이용될 수 있다. 예를 들어, 소정 개수의 중간점들 중 하나씩을 각각 전환점으로 결정할 수 있다. 즉, 두 개의 정점들마다 하나씩을 전환점으로 결정할 수 있다. 이 방법을 이용하면, 이동 경로가 어떠한 궤적을 그리는지와 무관하게 항상 전환점을 결정할 수 있으므로 이동 경로와 근사한 절개 경로를 결정할 수 있다는 장점을 가진다. 본 명세서에서 중간점이란 이동 경로 상의 정점들을 나타내며, 전환점이란 중간점들 중 절개 경로를 구성하도록 선택되는 정점들을 의미한다. Various methods may be used to determine the turning point in FIG. 3B. For example, one of the predetermined number of intermediate points may be determined as the turning point. That is, one for every two vertices can be determined as a turning point. Using this method, the turning point can always be determined regardless of the trajectory of the moving path, which has the advantage of determining an incision path close to the moving path. In the present specification, the midpoint refers to vertices on a moving path, and the turning point refers to vertices selected to form an incision path among the midpoints.

또는, 만약 특정 폴리곤 내에서 측정된 곡률의 최대값이 사전에 설정된 문턱값(threshold)보다 낮을 경우에는 해당 정점을 전환점으로 보지 않고 절개 경로를 직선으로 간주할 수도 있다. 이러한 방법을 통하여 이동 경로가 최단 거리로부터 현저하게 이탈되지 않는 한 이동 경로를 최단 거리로 간주한다. 그러므로, 이를 통해 불필요한 폴리곤 분할을 줄여 시뮬레이션 과정의 전반적인 속도를 상승시키는 한편, 기존의 방식에 비해 보다 정확한 절개 경로 표현이 가능하다. Alternatively, if the maximum value of the curvature measured in a particular polygon is lower than a preset threshold, the incision path may be regarded as a straight line without considering the vertex as a turning point. In this way, the moving path is regarded as the shortest distance unless the moving path is significantly separated from the shortest distance. Therefore, this increases the overall speed of the simulation process by reducing unnecessary polygon splitting, and enables more accurate representation of the incision path than the conventional method.

도 4는 전환점의 존재에 따라서 절개 경로가 결정되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for describing a process of determining an incision path according to the presence of a turning point.

도 4에서 점선은 사용자 도구 모델의 이동 경로를 나타내고, 직선은 절개 경로를 나타낸다. 본 명세서에서, 이동 경로(moving path)란 절개 상태가 유지되는 동안 사용자가 도구를 움직인 실제 경로를 나타내며, 절개 경로(incision path)란 이동 경로 중 전환점으로 결정된 정점들을 잇는 직선을 나타낸다. 이동 경로가 직선일 경우에는 이동 경로는 절개 경로와 동일하다. 도 4를 참조하면, 전환점이 존재하고, 전환점 결정 방식이 실제 이동 경로의 기하학적 특성을 잘 반영할수록 절개 경로가 이동 경로에 보다 근사해진다는 것을 알 수 있다.In FIG. 4, the dotted line represents the movement path of the user tool model, and the straight line represents the incision path. In the present specification, a moving path refers to an actual path in which a user moves a tool while a cutting state is maintained, and an decision path refers to a straight line connecting vertices determined as turning points in the moving path. When the moving path is a straight line, the moving path is the same as the incision path. Referring to FIG. 4, it can be seen that the turning point exists, and the more the cut-off point determination method reflects the geometric characteristics of the actual moving path, the closer the cutting path is to the moving path.

즉, 도 4의 좌측 도면은 전환점이 없이 절개 경로를 결정한 것을 나타낸다. 여기서, 이동 경로가 완전히 무시된다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4의 가운데 도면은 이동 경로 상에 존재하는 모든 중간점들의 좌표 평균을 이용하여 하나의 전환점을 결정하고, 결정된 전환점을 이용하여 절개 경로를 선택한 것을 나타낸다. 마지막으로, 도 4의 우측 도면은 최대 곡률을 가지는 정점을 전환점으로 선택하고, 이를 이용하여 절개 경로를 결정한 것을 나타낸다. 도 4의 우측으로 갈수록 절개 경로가 이동 경로에 근사해진다는 것을 알 수 있다. 만일, 이동 경로 상에서 더 많은 전환점을 정의한다면, 이러한 전환점을 이용하여 결정된 절개 경로는 이동 경로와 더욱 근사할 것이라는 것을 알 수 있다. That is, the left figure of FIG. 4 shows that the incision path is determined without a turning point. Here, it can be seen that the travel path is completely ignored. In addition, the center diagram of FIG. 4 shows that one turning point is determined using the average of the coordinates of all intermediate points existing on the moving path, and the cut path is selected using the determined turning point. Finally, the right figure of FIG. 4 shows that the vertex having the maximum curvature is selected as the turning point, and the cutting path is determined using the vertex. It can be seen that the incision path approximates the movement path toward the right side of FIG. 4. If we define more turning points on the moving path, it can be seen that the incision path determined using this turning point will be closer to the moving path.

이와 같이, 전환점이 결정되면, 전환점을 경유하여 진입점 및 진출점을 잇는 직선을 절개 경로로 간주하고, 절개 경로를 따라서 3차원 환부 모델에 포함되는 모든 폴리곤을 분할한다(S180). As such, when the turning point is determined, the straight line connecting the entry point and the exit point via the turning point is regarded as a cutting path, and all polygons included in the 3D wound model are divided along the cutting path (S180).

결정된 절개 경로를 따라 폴리곤을 분할할 때에는 유한 상태 기계(finite-state machine)나 이와 유사한 의사 결정 방식을 이용한다. 폴리곤 분할 패턴은 진입점과 진출점이 각각 폴리곤의 점(vertex), 선(edge), 면(face) 중 어디에 위치하느냐에 따라 결정된다. 이때 폴리곤의 유형(삼각형, 사각형, 또는 기타 다각형)과 분할 방식에 따라 T형 교차점과 같이 비정상적인 요소가 발생할 수도 있으므로, 사전에 이를 배제한 유한 상태 기계를 데이터베이스에 구축해 두고 분할 시에 이를 참조한다.When the polygon is divided along the determined incision path, a finite-state machine or similar decision making method is used. The polygon splitting pattern is determined depending on whether the entry point and the exit point are located among the vertex, the edge, and the face of the polygon, respectively. At this time, depending on the type of polygon (triangle, rectangle, or other polygon) and the partitioning method, abnormal elements such as T-point intersections may occur. Therefore, a finite state machine that excludes them is built in the database and referred to when splitting.

모의 절개가 진행됨에 있어서 절개에 수반되는 각종 피드백은 절개 상태가 유지되는 동안 매 프레임마다 계산되어 출력 장치를 통해 사용자에게 전달된다. 우선 절개에 따른 시각 피드백으로는 절개 경로를 따라 생성되는 틈(groove)과 절개면 등을 포함한다. 틈과 절개면 생성을 위해서는 현재의 정점을 기준으로 좌우 방향으로 정점을 복제한 후 이와 관련된 지오메트리(geometry) 정보를 갱신한다. 이 때 절개 경로를 기준으로 좌측과 우측을 구분하여 모델을 분할하기 위해 절개 방향 벡터와 현재 정점의 법선 벡터의 외적(cross product)이 사용된다. As the mock incision proceeds, various feedbacks associated with the incision are calculated every frame and transmitted to the user through the output device while the incision state is maintained. First, visual feedback according to the incision includes grooves and incision planes generated along the incision path. To create gaps and incisions, the vertices are duplicated in the left and right directions based on the current vertices, and the associated geometry information is updated. At this time, the cross product of the incision direction vector and the normal vector of the current vertex is used to divide the model by dividing the left and right sides based on the incision path.

도 5는 절개 경로를 기준으로 한 분할 방향의 결정 방법을 설명하는 도면이다. 5 is a diagram for explaining a method of determining a split direction based on a cutting path.

도 5를 참조하면, 우선 절개 경로를 구성하는 절개 방향 벡터(a) 및 현재 정점에서의 법선 벡터(b)를 결정한다. 그러면, 두 개의 벡터들의 순서를 달리한 외적을 연산하여 분할 방향을 결정한다. 즉, 분할 방향은 벡터 a*bb*a의 방향과 각각 일치한다. Referring to FIG. 5, first, an incision direction vector a constituting an incision path and a normal vector b at a current vertex are determined. Then, the division direction is determined by calculating the cross product of two vectors in different order. In other words, the split direction coincides with the directions of the vectors a * b and b * a , respectively.

분할을 수행하는 동안에, 보다 사실적인 절개면 표현을 위해 환부 모델의 지오메트리 정보를 정의함에 있어서 물리 기반의 변형체 공식을 선택적으로 적용할 수도 있다. 또한 출혈 등의 효과를 표현하기 위해 텍스처(texture), 파티클(particle), 셰이더(shader) 등의 시각화 요소들을 부가적으로 활용할 수 있다. During segmentation, a physically-based deformation formula may optionally be applied in defining the geometry information of the affected model for more realistic incision surface representation. In addition, visualization elements such as textures, particles, and shaders may be additionally used to express effects such as bleeding.

또한, 분할이 수행되는 동안에 시각, 촉각, 청각 피드백을 사용자에게 제공하여 가상 공간에서의 절개 훈련의 실감도를 증가시킨다(S190). In addition, visual, tactile, and auditory feedback is provided to the user while the segmentation is performed to increase the sensation of the cutting training in the virtual space (S190).

이 중에서, 촉각 피드백은 환부 영역에 대한 관통을 방지하고 경계를 느낄 수 있게 해 주는 수직반력과, 절개 시 진행 방향과 반대 방향으로 작용되는 저항력, 도구와 절개면 사이의 걸림을 재현하기 위한 토크(torque) 등을 포함한다. 이외에도 실제 절개 상황에서 발생할 수 있는 청각 및 기타 피드백이 훈련 진행 상황에 맞추어 제공된다. 이러한 피드백 요소는 훈련의 목적 및 시스템의 구성에 따라 가감될 수 있다. Among them, the tactile feedback is a vertical reaction force that prevents penetration to the affected area and allows a feeling of boundary, a resistance force acting in a direction opposite to the progression direction during incision, and a torque for reproducing a jam between the tool and the incision surface ( torque). In addition, auditory and other feedback that may occur in the actual incision situation is provided in accordance with the training progress. This feedback element can be added or subtracted depending on the purpose of the training and the configuration of the system.

또한, 청각 피드백은 3차원 환부 모델의 절개시 발생되는 소리 등을 포함할 수 있다. 본 발명은 위와 같이 사용자로부터의 입력에 기반하여 가상 의료 훈련 환경 상에 구현된 3차원 환부 모델을 절개하고 이에 수반되는 각종 피드백을 생성하여 사용자에게 전달하는 기법을 망라한다. Also, the auditory feedback may include a sound generated when the 3D affected model is cut. The present invention encompasses a technique of cutting a three-dimensional affected model implemented on a virtual medical training environment based on input from a user as described above, and generating various feedbacks accompanying the user.

본 발명에 의하여, 가상 공간 상에서 수행되는 절개 과정을 실제와 가깝게 재현할 수 있으며, 특히 저해상도로 표현된 모델에 있어서 이러한 장점이 극대화된다. 또한, 본 발명에 의하여 절개에 수반되는 멀티모달 피드백(multi-modal feedback)을 통해 사용자의 훈련 효과를 증대할 수 있다. According to the present invention, the cutting process performed in the virtual space can be reproduced close to the actual one, and this advantage is maximized, especially in a model expressed in low resolution. In addition, according to the present invention, the training effect of the user can be increased through the multi-modal feedback accompanying the incision.

피드백이 제공되면, 절개가 종료되었는지 판단한다(S195). 판단 결과 절개가 종료되지 않았으면 다시 사용자 입력에 따라 사용자 도구 모델을 조작하는 단계(S120)로 복귀한다. If the feedback is provided, it is determined whether the incision is terminated (S195). If it is determined that the incision is not finished, the process returns to step S120 of manipulating the user tool model according to the user input.

도 6은 본 발명의 다른 면에 의한 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치의 일 실시예를 개념적으로 나타내는 블록도이다. 6 is a block diagram conceptually illustrating one embodiment of an apparatus for simulating an incision treatment in a computer-based virtual medical training environment in accordance with another aspect of the present invention.

도 6에 도시된 절개 처치 시뮬레이션 장치(600)는 입력부(610), 출력부(690), 및 중앙 처리 장치(650)를 포함한다. 또한, 중앙 처리 장치(650)는 입력 정보 변환부(620), 충돌 검출부(630), 절개 처리부(640), 가상 공간 제어부(660), 피드백 생성부(670), 및 훈련 시나리오 데이터베이스(680)를 포함한다. The incision treatment simulation apparatus 600 shown in FIG. 6 includes an input unit 610, an output unit 690, and a central processing unit 650. Also, the central processing unit 650 may include an input information converter 620, a collision detector 630, an incision processor 640, a virtual space controller 660, a feedback generator 670, and a training scenario database 680. It includes.

본 발명에서 제시된 시뮬레이션 기법은 컴퓨터 기반의 처리 장치와 하나 이상의 입출력 장치로 구성된 시스템에서의 작동을 전제로 한다. 절개 처치 시뮬레이션 장치(600)는 훈련 시나리오 데이터베이스(680)를 통해 의료 훈련 시나리오와 이에 필요한 3차원 모델 및 기타 리소스를 관리하며 이를 기반으로 가상 현실 환경을 생성한다. 사용자는 입력부(610)를 이용하여 가상 현실 환경을 제어하고 절개 훈련을 수행한다. The simulation technique presented in the present invention presupposes operation in a system consisting of a computer-based processing device and one or more input / output devices. The dissection treatment simulation apparatus 600 manages the medical training scenario, the 3D model and other resources required through the training scenario database 680, and generates a virtual reality environment based on the training scenario database 680. The user controls the virtual reality environment using the input unit 610 and performs an incision training.

충돌 검출부(630)는 사용자가 조작하는 사용자 도구 모델과 3차원 환부 모델 사이의 충돌 여부를 검사하여 판단 결과를 절개 처리부(640)로 제공한다. 절개 처리부(640)는 충돌 검출부(630)의 판단 결과 및 절개 개시 동작의 존재 여부를 종합하여 절개 동작이 개시될지 여부를 판단하고, 개시될 경우 환부 모델에 대한 절개 처리를 진행한다. The collision detector 630 checks whether a collision exists between the user tool model manipulated by the user and the 3D affected model, and provides the determination result to the cutting processor 640. The incision processor 640 determines whether the incision operation is started by combining the determination result of the collision detection unit 630 and the presence or absence of the incision initiation operation, and when initiation, the incision processing for the affected model is performed.

절개가 수행되는 동안에 출력부(690)를 통해 훈련 수행에 따른 각종 정보를 사용자에게 제공한다. 이러한 정보는 실제 절개 과정에서 발생할 수 있는 시각, 청각 및 촉각 피드백을 재현한 것으로, 이러한 피드백은 피드백 생성부(670)에 의하여 일련의 수리적 처리 과정에 의해 생성된다. While the incision is being performed, the output unit 690 provides the user with various information according to the training. This information reproduces visual, auditory, and tactile feedback that may occur in the actual incision process, and the feedback is generated by a series of mathematical processes by the feedback generator 670.

입력부(610)의 동작에 대해서 상세히 설명하면, 사용자의 동작은 3차원 공간상의 운동을 감지하고 이를 수치화할 수 있는 모든 유형의 입력 장치로부터 검출될 수 있다. 입력 장치는 수술 도구와 유사한 외관과 작동 구조를 가지도록 설계된 것이 훈련에 보다 적합하나 형태에 의존적이지는 않다. 입력 장치로부터 획득되는 정보는 장치의 유형에 따라 3 자유도 또는 6 자유도 운동 정보를 기본적으로 포함하며, 훈련하고자 하는 수술 도구의 유형에 따라 부가적인 운동 정보가 포함될 수 있다. 예를 들어 메스의 경우 6자유도 운동 정보로 현재의 상태를 표현할 수 있지만 가위의 경우에는 기본적인 6자유도 운동 정보에 날이 벌어진 정도를 표현하는 1자유도 운동 정보가 부가적으로 필요하다.Referring to the operation of the input unit 610 in detail, the user's motion can be detected from any type of input device capable of sensing and digitizing the motion in the three-dimensional space. The input device is more suited for training, but is not form dependent, designed to have a similar appearance and operating structure as the surgical instrument. The information obtained from the input device basically includes three degrees of freedom or six degrees of freedom motion information depending on the type of the device, and additional motion information may be included depending on the type of surgical tool to be trained. For example, in the case of a scalpel, the 6 degree of freedom exercise information can express the current state, but in the case of scissors, the degree of freedom of the 1 degree of freedom exercise information expressing the degree of the blade is additionally necessary for basic 6 degree of freedom exercise information.

입력 정보 변환부(620)는 입력 장치를 통해 얻어진 수술 도구의 위치 및 상태를 훈련이 진행되고 있는 가상 환경의 좌표계에 맞춰 변환한다. 그러면, 가상 공간 제어부(660)는 이를 기반으로 하여 매 프레임마다 가상 환경에 표시되는 도구의 위치 및 상태를 갱신한다. 그러면, 충돌 검사부(630)는 갱신된 도구의 영역과 훈련의 대상이 되는 3차원 모델의 영역을 매 프레임 검사하여 두 영역 사이에 충돌이 발생할 경우 도구와 환부의 접촉이 발생한 것으로 간주한다. 절개 상태는 도구와 환부의 접촉이 해소될 때까지 유지된다. 일부 수술 도구는 단순히 환부와의 접촉 뿐만이 아니라 특정 트리거(trigger)의 작동이 수반되어야 절개가 이루어지는 경우가 있는데, 이러한 도구를 시뮬레이션할 때에는 접촉 상태와 트리거가 모두 참(true)값을 반환하는 동안에만 절개 상태를 유지한다. The input information converting unit 620 converts the position and state of the surgical tool obtained through the input device according to the coordinate system of the virtual environment in which the training is in progress. Then, the virtual space control unit 660 updates the position and state of the tool displayed in the virtual environment every frame based on this. Then, the collision inspecting unit 630 inspects the updated tool region and the region of the three-dimensional model to be trained every frame and considers that the contact between the tool and the affected part occurs when a collision occurs between the two regions. The incision state remains until the contact of the tool with the affected area is resolved. Some surgical tools require not only contact with the affected area, but also incisions that involve the operation of certain triggers. When simulating these tools, only while both the contact state and the trigger return true Keep incision.

절개 처리부(640)에서 참조하는 유한 상태 기계(finite state machine, FSM)는 일반적으로 제어 대상에서 지능을 부여하기 위한 선택 도구로 사용되어왔다. 다시 말해, 유한상태기계는, 주어지는 모든 시간에서 처해 있을 수 있는 유한 개의 상태를 가지고 주어지는 입력에 따라 어떤 상태에서 다른 상태로 전환시키거나 출력이나 액션이 일어나게 하는 장치 또는 그런 장치를 나타낸 모델이다. FSM은 빠르고 코딩하기 쉬우며, 오류 수정이 용이하고, 직관적이면서도 유연하다는 장점을 가진다. 예를 들어, 유한 상태 기계의 간단한 예로는 집에 있는 전등 스위치를 들 수 있는데, 스위치가 켜면 때는 전등의 불이 들어오게 되고 그 상태가 유지 된다. 만약 누군가가 와서 스위치를 끄면 되면 전등의 불은 꺼지게 된다. 이때도 마찬가지로 누군가가 스위치를 켜기 전까지는 불이 꺼진 상태를 유지 할 것이다. 이처럼 유한상태기계도 어떤 상태를 유지 하고 있다가 특정한 이벤트가 발생하게 되면 조건에 맞는 상태로 생태가 변하게 되는 방식이다. 본 발명에서는 이와 같은 유한 상태 기계를 이용하여 다양한 절개 상황을 사전 저장하였다가 현재 상태에 맞도록 훈련 시나리오 데이터베이스(680)로부터 추출하여 절개 상황을 처리한다. The finite state machine (FSM) referenced by the dissection processing unit 640 has generally been used as a selection tool for imparting intelligence to a controlled object. In other words, a finite state machine is a model that represents a device or a device that transitions from one state to another, or causes an output or action to occur, depending on the input given, with a finite number of states that can be encountered at any given time. FSM has the advantages of being fast, easy to code, easy to correct errors, and intuitive and flexible. For example, a simple example of a finite state machine might be a light switch in a house, which is lit when the switch is turned on and is maintained. If someone comes off the switch, the light goes out. Likewise, the light will remain off until someone switches it on. In this way, the finite state machine maintains a state, and when a specific event occurs, the ecology changes to a state that meets a condition. In the present invention, various cutting situations are pre-stored using the finite state machine, and extracted from the training scenario database 680 to fit the current state and processed.

또한, 피드백 생성부(670)는 출혈 등의 효과를 표현하기 위해 텍스처(texture), 파티클(particle), 셰이더(shader) 등의 시각화 요소들을 부가적으로 활용할 수 있다. 본 명세서에서, 텍스처란 3차원 환부 모델의 절개면의 색상, 형상 등의 변형 광정을 더욱 정밀하게 표현하기 위하여 이용되는 시각적 툴이며, 파티클이란 절개 수행 중 발생될 수 있는 입자 등을 현실감있게 표현하기 위한 시각적 툴이다. 또한, 절개가 수행되는 동안에 접힌 부분 등의 음영 처리나 현실감 있는 3차원 효과를 부여하기 위해서는 셰이더라는 시각적 툴이 이용될 수 있다. In addition, the feedback generator 670 may additionally use visualization elements such as textures, particles, and shaders to express effects such as bleeding. In the present specification, the texture is a visual tool used to more accurately express the deformation light, such as the color and shape of the incision surface of the three-dimensional affected model, the particle is a realistic representation of the particles that can be generated during the incision Is a visual tool. In addition, a visual tool called a shader may be used to give a realistic three-dimensional effect or shading of the folded portion or the like while the incision is performed.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

이와 같이, 본 발명은 안전하고 경제성 높은 의료 훈련 방법에 폭넓게 적용될 수 있다. 또한 본 발명에서 제시된 시뮬레이션 기법은 의료 분야에 국한되지 않고 가상 현실 부문 전반에 응용될 수 있으며, 특히 가상 조립 및 제조 훈련, 과학 교육, 엔터테인먼트 분야에서 가상 환경과의 상호작용을 위해 적용될 수도 있다. As such, the present invention can be widely applied to a safe and economical medical training method. In addition, the simulation technique presented in the present invention is not limited to the medical field, but may be applied to virtual reality in general, and may be applied for interaction with the virtual environment, particularly in the fields of virtual assembly and manufacturing training, science education, and entertainment.

Claims (23)

컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법에 있어서,
가상 공간에 복수 개의 폴리곤(polygon)으로 이루어진 3차원 환부 모델을 디스플레이하는 3차원 환부 모델 디스플레이 단계;
상기 가상 공간에 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이하고, 입력부를 통하여 수신되는 사용자 입력에 기반하여 상기 가상 공간에서 상기 사용자 도구 모델을 조작하는 사용자 도구 조작 단계;
상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델이 상기 3차원 환부 모델과 접촉할 경우, 소정의 의사 결정 기법(decision technique)을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 상기 3차원 환부 모델을 분할하는 절개(incision) 단계; 및
상기 절개 단계가 수행되는 동안에 시각, 촉각, 및 청각 중 적어도 하나의 피드백을 생성하여 출력부를 통하여 사용자에게 제공하는 피드백 단계를 포함하며,
상기 절개 단계는,
상기 가상 공간에서 상기 사용자 도구 모델이 상기 3차원 환부 모델과 접촉하는지 여부를 판단하는 단계;
접촉될 경우, 절개 동작을 개시할지 여부를 판단하는 단계;
절개 동작이 개시될 경우, 상기 3차원 환부 모델에 포함되는 각 폴리곤과 상기 사용자 도구 모델이 만나는 지점인 진입점(entry point) 및 상기 사용자 도구 모델이 상기 폴리곤을 떠나는 진출점(exit point)을 결정하는 단계;
상기 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 상기 진입점 및 진출점 사이에 위치하는 전환점(turning point)을 결정하는 전환점 결정 단계; 및
상기 전환점을 경유하여 상기 진입점 및 상기 진출점을 잇는 직선을 상기 절개 경로로 간주하고, 상기 절개 경로를 따라서 상기 3차원 환부 모델에 포함되는 모든 폴리곤을 분할하는 분할 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
A method for simulating incision treatment in a computer based virtual medical training environment,
A three-dimensional affected model display step of displaying a three-dimensional affected model composed of a plurality of polygons in a virtual space;
A user tool manipulation step of displaying a user tool model manipulated by a user in the virtual space and manipulating the user tool model in the virtual space based on a user input received through an input unit;
An incision step of dividing the three-dimensional affected model according to an incision pattern determined using a predetermined decision technique when the user tool model contacts the three-dimensional affected model in the virtual space; And
A feedback step of generating at least one feedback of sight, tactile, and hearing while providing the user through an output unit while the cutting step is performed;
The cutting step,
Determining whether the user tool model contacts the three-dimensional affected model in the virtual space;
If contacted, determining whether to initiate the cutting operation;
When the cutting operation is started, an entry point, which is a point where each polygon included in the 3D affected model and the user tool model meet, and an exit point where the user tool model leaves the polygon are determined. Making;
A turning point determining step of determining a turning point located between the entry point and the exit point on the movement path of the user tool model; And
And a dividing step that considers the straight line connecting the entry point and the advance point via the turning point as the cutting path and divides all the polygons included in the three-dimensional wound model along the cutting path. Method for simulating incision treatment in a computer based virtual medical training environment.
제1항에 있어서, 상기 3차원 환부 모델 디스플레이 단계는,
훈련 시나리오 데이터베이스에 저장된 후보 환부 모델들을 디스플레이하는 단계;
사용자로 하여금 상기 입력부를 통하여 상기 후보 환부 모델들 중 원하는 의료 훈련 환경에 적합한 환부 모델을 선택하도록 하는 단계; 및
사용자가 선택한 환부 모델을 상기 훈련 시나리오 데이터베이스로부터 독출하여 상기 가상 공간에 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 1, wherein the displaying of the 3D affected model is performed by:
Displaying candidate affected models stored in a training scenario database;
Allowing a user to select a wound model suitable for a desired medical training environment among the candidate affected models through the input unit; And
A method for simulating an incision procedure in a computer-based virtual medical training environment, comprising: reading a user-selected lesion model from the training scenario database and displaying it in the virtual space.
제1항에 있어서, 상기 사용자 도구 조작 단계는,
상기 사용자 입력으로부터, 상기 사용자 도구 모델의 1 자유도(1-degree of freedom, 1DOF) 이상의 자유도에 기반한 운동 정보를 추출하는 단계;
추출된 운동 정보를 상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델이 가지는 위치 및 상태 정보로 변환하는 단계; 및
상기 위치 및 상태 정보에 따라서 상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델의 위치 및 상태를 갱신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 1, wherein the user tool manipulation step,
Extracting, from the user input, motion information based on at least one degree of freedom (1DOF) of the user tool model;
Converting the extracted exercise information into position and state information of the user tool model in the virtual space; And
And updating the location and state of the user tool model on the virtual space in accordance with the position and state information.
제 3항에 있어서,
상기 운동 정보는 3 자유도(3-degree of freedom, 3DOF) 및 6 자유도(6DOF) 중 적어도 어느 하나의 자유도에 기반한 운동 정보인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 3,
The movement information is movement information based on at least one of three degrees of freedom (3DOF) and six degrees of freedom (6DOF) to simulate the incision treatment in a computer-based virtual medical training environment Way.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전환점 결정 단계는,
상기 사용자 도구 모델의 상기 폴리곤 내에서의 이동 경로를 소정 개수의 구간으로 나누는 단계;
나눠진 각 구간의 시작점, 중간점 및 종료점을 이용하여 해당 구간의 곡률을 계산하는 단계; 및
소정 판단 기준을 이용하여, 계산된 곡률이 문턱치 이상이 되는 구간의 중간점을 상기 전환점으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 1, wherein the determining of the turning point,
Dividing a moving path in the polygon of the user tool model into a predetermined number of sections;
Calculating curvature of the corresponding section using the divided starting point, midpoint, and end point of each section; And
And determining the midpoint of the section in which the calculated curvature becomes greater than or equal to the threshold using the predetermined criterion as the turning point.
제6항에 있어서, 상기 분할 단계는,
상기 폴리곤의 유형에 따른 비정상적 요소가 제외된 유한 상태 기계(finite state machine, FSM)를 참조하여 상기 절개 경로 상의 현재 정점을 복제하고 현재 정점의 지오메트리 정보(geometry information)를 갱신하는 단계;
상기 절개 경로의 진행 방향인 절개 방향 벡터 및 현재 정점의 법선 벡터의 순서에 따른 두 개의 벡터 외적을 연산하여 분할 방향을 결정하는 단계;
상기 분할 방향들에 따라서 상기 3차원 환부 모델의 상기 절개 경로 양측의 지오메트리 정보를 각각 갱신하는 단계; 및
상기 절개 경로를 절개선으로 간주하고, 상기 절개선에 따라 갱신된 지오메트리 정보에 따라서 상기 3차원 환부 모델을 분할한 절개면을 표현하는 분할 시뮬레이션 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 6, wherein the dividing step,
Duplicating a current vertex on the incision path and updating geometry information of the current vertex with reference to a finite state machine (FSM) in which an abnormal element according to the type of the polygon is excluded;
Determining a division direction by calculating two vector cross products according to an order of an incision direction vector, which is a direction of the incision path, and a normal vector of a current vertex;
Updating geometry information of both sides of the incision path of the three-dimensional affected model according to the division directions; And
And a segmentation simulation step of considering the incision path as an incision line and expressing an incision surface obtained by dividing the three-dimensional affected model according to the updated geometry information according to the incision line. Method for simulating incision treatment in a patient.
제7항에 있어서, 상기 분할 시뮬레이션 단계는,
사실적인 절개면 표현을 위하여 상기 3차원 환부 모델에 실제 인체 조직의 물리적 거동 특성을 반영하여 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 7, wherein the segmentation simulation step,
Simulating the incision treatment in a computer-based virtual medical training environment further comprising the step of further modifying the geometry information to reflect the physical behavior of the actual human tissue in the three-dimensional affected model for realistic incision surface representation. Way.
제7항에 있어서, 상기 분할 시뮬레이션 단계는,
상기 절개면에서 발생하는 물리적 효과를 구현하기 위하여 텍스쳐(texture), 파티클(particle), 셰이더(shader) 중 적어도 하나를 포함하는 시각화 요소를 반영하여 상기 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 7, wherein the segmentation simulation step,
And further modifying the geometry information by reflecting a visualization element including at least one of texture, particle, and shader in order to realize a physical effect occurring at the incision surface. A method for simulating incisional treatment in a computer-based virtual medical training environment.
제1항에 있어서, 상기 피드백 단계는,
환부 영역에 대한 경계를 느끼게 하는 수직 반력, 절개 방향과 반대 방향으로 작용하는 저항력, 및 상기 사용자 도구 및 절개면 사이의 걸림 현상을 나타내는 토크(torque) 중 적어도 하나를 촉각 피드백으로서 제공하는 촉각 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 1, wherein the feedback step comprises:
A tactile feedback step of providing as a tactile feedback at least one of a vertical reaction force which makes a boundary to the affected area, a resistive force acting in the opposite direction to the incision direction, and a torque indicative of a grip between the user tool and the incision surface; And a method for simulating an incision treatment in a computer-based virtual medical training environment.
제1항에 있어서, 상기 피드백 단계는,
절개 상황에서 발생할 수 있는 청각 효과를 청각 피드백으로서 제공하는 청각 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 방법.
The method of claim 1, wherein the feedback step comprises:
A method for simulating incisional treatment in a computer-based virtual medical training environment, comprising an auditory feedback step that provides as auditory feedback an auditory effect that may occur in an incision situation.
제1항 내지 제4항, 및 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 실행하기 위한 컴퓨터에 의하여 실행될 수 있는 프로그램을 기록하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.12. A computer readable recording medium for recording a program executable by a computer for executing the method according to any one of claims 1 to 4. 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치에 있어서,
가상 공간에 가상 의료 훈련 환경을 구현하는 중앙 처리 장치;
상기 가상 공간에 구현되며 복수 개의 폴리곤(polygon)으로 이루어진 3차원 환부 모델 및 사용자에 의하여 조작되는 사용자 도구 모델을 디스플레이하는 디스플레이; 및
상기 가상 공간에서 상기 사용자 도구 모델을 조작하는 사용자 입력을 수신하여 상기 중앙 처리 장치에 전달하는 입력부를 포함하며,
상기 중앙 처리 장치는,
상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델이 상기 3차원 환부 모델과 접촉하는지 검출하는 충돌 검출부;
접촉이 검출될 경우에 소정의 의사 결정 기법을 이용하여 결정된 절개 패턴에 따라서 상기 3차원 환부 모델을 분할하는 절개 처리부; 및
상기 절개 동작이 수행되는 동안에 시각, 촉각, 및 청각 중 적어도 하나의 피드백을 생성하여 출력부를 통하여 사용자에게 제공하는 피드백 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포함하며,
상기 절개 처리부는,
상기 가상 공간에서 상기 사용자 도구 모델이 상기 3차원 환부 모델과 접촉할 경우 절개 동작을 개시할지 여부를 판단하는 동작,
절개 동작이 개시될 경우, 상기 3차원 환부 모델에 포함되는 각 폴리곤과 상기 사용자 도구 모델이 만나는 지점인 진입점(entry point) 및 상기 사용자 도구 모델이 상기 폴리곤을 떠나는 진출점(exit point)을 결정하는 동작,
상기 사용자 도구 모델의 이동 경로 상에서 상기 진입점 및 진출점 사이에 위치하는 전환점(turning point)을 결정하는 전환점 결정 동작, 및
상기 전환점을 경유하여 상기 진입점 및 상기 진출점을 잇는 직선을 상기 절개 경로로 간주하고, 상기 절개 경로를 따라서 상기 3차원 환부 모델에 포함되는 모든 폴리곤을 분할하는 분할 동작을 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
An apparatus for simulating incision treatment in a computer based virtual medical training environment,
A central processing unit for implementing a virtual medical training environment in a virtual space;
A display configured to be implemented in the virtual space and to display a three-dimensional affected model composed of a plurality of polygons and a user tool model manipulated by a user; And
An input unit configured to receive a user input for manipulating the user tool model in the virtual space and to transmit the user input to the central processing unit;
The central processing unit,
A collision detector configured to detect whether the user tool model contacts the 3D affected model in the virtual space;
An incision processor for dividing the three-dimensional affected model according to an incision pattern determined using a predetermined decision technique when a contact is detected; And
And a feedback generator configured to generate at least one feedback among visual, tactile, and auditory while the cutting operation is performed and provide the feedback to the user through an output unit.
The cutting processing unit,
Determining whether to initiate a cutting operation when the user tool model contacts the 3D affected model in the virtual space;
When the cutting operation is started, an entry point, which is a point where each polygon included in the 3D affected model and the user tool model meet, and an exit point where the user tool model leaves the polygon are determined. Action,
A turning point determining operation of determining a turning point located between the entry point and the exit point on the movement path of the user tool model, and
A straight line connecting the entry point and the entry point via the turning point is regarded as the cutting path, and is adapted to perform a splitting operation for dividing all polygons included in the three-dimensional affected model along the cutting path. Apparatus for simulating an incision treatment in a computer-based virtual medical training environment comprising a.
제13항에 있어서, 상기 중앙 처리 장치는,
훈련 시나리오 데이터베이스에 저장된 후보 환부 모델들을 디스플레이하고, 디스플레이된 후보 환부 모델들 중 사용자가 선택한 환부 모델을 상기 훈련 시나리오 데이터베이스로부터 독출하여 상기 3차원 환부 모델로서 디스플레이하도록 상기 디스플레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 13, wherein the central processing unit,
And display the candidate affected models stored in the training scenario database, and control the display to read out the affected model selected by the user among the displayed candidate affected models from the training scenario database and display it as the three-dimensional affected model. Apparatus for simulating incisional treatment in an on-demand virtual medical training environment.
제13에 있어서,
상기 입력부는, 상기 사용자 입력으로부터 상기 사용자 도구 모델의 1 자유도 이상의 자유도에 기반한 하나의 운동 정보를 추출하여 상기 중앙 처리 장치로 제공하며,
상기 중앙 처리 장치는 추출된 운동 정보를 상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델이 가지는 위치 및 상태 정보로 변환하고, 변환된 위치 및 상태 정보에 따라서 상기 가상 공간 상에서 상기 사용자 도구 모델의 위치 및 상태를 갱신하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
In the thirteenth aspect,
The input unit extracts, from the user input, one piece of motion information based on one or more degrees of freedom of the user tool model to the central processing unit.
The central processing unit converts the extracted exercise information into position and state information of the user tool model in the virtual space, and updates the position and state of the user tool model in the virtual space according to the converted position and state information. And a device for simulating incisional treatment in a computer-based virtual medical training environment.
삭제delete 제13항에 있어서, 상기 절개 처리부는, 상기 전환점 결정 동작을 수행하기 위하여,
상기 사용자 도구 모델의 상기 폴리곤 내에서의 이동 경로를 소정 개수의 구간으로 나누는 동작,
나눠진 각 구간의 시작점, 중간점 및 종료점을 이용하여 해당 구간의 곡률을 계산하는 동작, 및
소정 판단 기준을 이용하여, 계산된 곡률이 문턱치 이상이 되는 구간의 중간점을 상기 전환점으로 결정하는 동작을 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 13, wherein the cutting processor is further configured to perform the turning point determination operation.
Dividing a moving path in the polygon of the user tool model into a predetermined number of sections,
Calculating the curvature of the corresponding section using the divided starting point, midpoint, and end point of each section, and
The apparatus for simulating an incision treatment in a computer-based virtual medical training environment, characterized in that it is adapted to perform an operation of determining a midpoint of a section in which a calculated curvature is greater than or equal to a threshold as the turning point.
제17항에 있어서, 상기 절개 처리부는, 상기 분할 동작을 수행하기 위하여,
상기 폴리곤의 유형에 따른 비정상적 요소가 제외된 유한 상태 기계(FSM)를 참조하여 상기 절개 경로 상의 현재 정점을 복제하고 현재 정점의 지오메트리 정보를 갱신하는 동작,
상기 절개 경로의 진행 방향인 절개 방향 벡터 및 현재 정점의 법선 벡터의 순서에 따른 두 개의 벡터 외적을 연산하여 분할 방향을 결정하는 동작,
상기 분할 방향들에 따라서 상기 3차원 환부 모델의 상기 절개 경로 양측의 지오메트리 정보를 각각 갱신하는 동작, 및
상기 절개 경로를 절개선으로 간주하고, 상기 절개선에 따라 갱신된 지오메트리 정보에 따라서 상기 3차원 환부 모델을 분할한 절개면을 표현하는 분할 시뮬레이션 동작을 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 17, wherein the cutting processing unit, in order to perform the division operation,
Duplicating the current vertex on the incision path and updating the geometry information of the current vertex with reference to a finite state machine (FSM) in which an abnormal element according to the type of the polygon is excluded,
Determining a division direction by calculating two vector cross products according to an order of an incision direction vector, which is a direction of the incision path, and a normal vector of a current vertex,
Updating geometry information of both sides of the incision path of the three-dimensional affected model according to the division directions, and
Considering the incision path as an incision line, the computer-based virtual medical care is adapted to perform a segmentation simulation operation that represents the incision plane by dividing the three-dimensional affected model according to the updated geometry information according to the incision line. Device for simulating incision treatment in a training environment.
제18항에 있어서, 상기 절개 처리부는, 상기 분할 시뮬레이션 동작을 수행하기 위하여,
사실적인 절개면 표현을 위하여 상기 3차원 환부 모델에 실제 인체 조직의 물리적 거동 특성을 반영하여 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 동작을 더 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 18, wherein the cutting processor is further configured to perform the division simulation operation.
Incision treatment in a computer-based virtual medical training environment is adapted to further modify the geometry information by reflecting the physical behavior of real human tissue to the 3D affected model for realistic incision surface representation. Device for simulating.
제17항에 있어서, 상기 절개 처리부는, 상기 분할 시뮬레이션 동작을 수행하기 위하여,
상기 절개면에서 발생하는 물리적 효과를 구현하기 위하여 텍스쳐, 파티클, 셰이더 중 적어도 하나를 포함하는 시각화 요소를 반영하여 상기 지오메트리 정보를 더욱 변경하는 동작을 더 수행하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 17, wherein the cutting processing unit, in order to perform the division simulation operation,
Computer-based virtual medical care further adapted to further modify the geometry information by reflecting visualization elements including at least one of texture, particle, and shader to realize the physical effects occurring at the incision surface. Device for simulating incision treatment in a training environment.
제13항에 있어서, 상기 피드백 생성부는,
환부 영역에 대한 경계를 느끼게 하는 수직 반력, 절개 방향과 반대 방향으로 작용하는 저항력, 및 상기 사용자 도구 및 절개면 사이의 걸림 현상을 나타내는 토크(torque) 중 적어도 하나를 촉각 피드백으로서 제공하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 13, wherein the feedback generator,
Providing as tactile feedback at least one of a vertical reaction force which feels a boundary to the affected area, a resistance force acting in a direction opposite to the incision direction, and a torque indicative of a jamming phenomenon between the user tool and the incision surface. Apparatus for simulating incision treatment in a computer-based virtual medical training environment.
제13항에 있어서, 상기 피드백 생성부는,
절개 상황에서 발생할 수 있는 청각 효과를 청각 피드백으로서 제공하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기반 가상 의료 훈련 환경에서 절개 처치를 시뮬레이션하기 위한 장치.
The method of claim 13, wherein the feedback generator,
An apparatus for simulating incisional treatment in a computer-based virtual medical training environment, characterized by providing auditory feedback that may occur in an incisional situation.
제 13항 내지 제15항, 제17항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구동하기 위한 컴퓨터에 의하여 실행될 수 있는 프로그램을 기록하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.A computer-readable recording medium for recording a program executable by a computer for driving the apparatus according to any one of claims 13 to 15 and 17 to 22.
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