KR101275938B1 - 가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치 - Google Patents

가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시하는 단계와, 상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는 단계와, 상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 단계와, 상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링하는 단계, 및 상기 출혈 방향 벡터의 방향으로 출혈 렌더링을 수행하는 단계를 포함하는 가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공한다.
상기 가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치에 따르면, 가상 수술 환경에서 가상 수술 의료 시뮬레이션 과정에서 발생 가능한 출혈 효과를 현실감 있게 가시화하여 애니메이션 함에 따라, 가상 수술 환경에서의 현실감과 몰입감을 증진시킴과 동시에 이러한 시뮬레이션을 사용하는 의사 혹은 의대생들의 교육 효과를 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치{Method for virtual surgery medical simulation and apparatus for thereof}
본 발명은 가상 수술 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가상 수술 환경에서 가상 수술 의료 시뮬레이션을 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 전통적인 인턴 교육 과정은 그 당시 접한 환자들의 질병에 대해서만 경험할 수 있어서 종합적이고 체계적인 수련 기회를 제공받을 수 없다. 또한, 잦은 의료사고 보도로 인하여 환자들의 안전 의식이 더욱 높아짐에 따라 인턴들에게는 그 경험의 기회가 계속 줄어들고 있다.
더욱이, 갈수록 다양하고 새로운 질병들이 발생하고 있으며 수많은 의료 장비와 기술들이 점차 개발 및 적용되고 있으므로 이에 맞는 새로운 의료 기술의 학습이 요구된다. 의료 기술의 교육에 있어서 가장 효과적인 방법은 실제와 유사한 상황을 재현하여 직접 경험해 보는 것, 즉 시뮬레이션에 의한 방법이다. 컴퓨터 기술을 이용한 의료 시뮬레이션을 통한 실습 교육은 그 학습 효과를 최대화시킨다.
특히 최근에는 전통적인 절개술보다 회복 시간이나 통증을 획기적으로 줄일 수 있는 최소침습적 수술법들이 확산되고 있다. 최소침습적 수술은 수술 부위를 최소(ex, 10cm이하)로 절개한 이후, 절개 부위를 통하여 내시경과 수술기구를 삽입하여 수술하는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 수술 기구의 조작이 난해할 뿐만 아니라, 모니터를 통해 보여지는 영상에 원근감이 없고 현실감이 떨어져서 수안 능력의 저해를 가져온다. 또한, 길이가 긴 기구들을 통해 수술 부위와 접촉하기 때문에 전통적인 절개술보다 미세한 촉감의 전달이 둔해진다. 더불어, 기구들이 절개 부위를 중심으로 회전하기 때문에 길이에 따른 지렛대 효과로 내부 움직임이 반대로 되어 직관적이지 못하며, 실제보다 동작이 증대된 상태로 수술 부위에 전달되므로 기구의 미세한 제어가 어렵고 손떨림이 증대된다. 따라서 최소침습수술 기술은 전통적인 절개술보다 습득하기가 어렵다.
이러한 문제점들을 보완하기 위해 특히 최소침습적 수술 분야에서는 가상 공간에서의 가상 수술 의료 시뮬레이션을 통한 학습 방법들이 필요하다. 시뮬레이션에 의하면 시각 및 햅틱 인터페이스를 통하여 최소침습적 수술을 충실하게 재연할 수 있으며, 환자들에 대한 위험 부담이 없이 학습을 할 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 또한, 언제나 학습이 가능하여 학습의 빈도를 높일 수 있으며 평가도 즉시 정성적 및 정량적으로 이루어질 수 있다. 그리고 수술 환경을 변화시키면서 여러 가지 조건과 상황에 대한 대응도 훈련할 수 있다. 종래의 가상 의료 시뮬레이션과 관련된 기술은 국내공개특허 제10-2011-0029313호 등이 존재한다.
그런데 현재의 가상 수술 의료 시뮬레이션 기술들은 현실감과 몰입감이 부족하다는 문제점을 갖고 있다. 가상 수술 의료 시뮬레이션을 구성하는 다양한 요소 기술 중 현실감 있는 시각적 가시화 기술이 아직까지 수술 환경을 완벽하게 재현하지 못하고 있다. 특히 최소침습적 수술 환경에서 많이 발생하는 수술 도구의 사용에 따른 출혈 효과의 표현에 있어서 아직까지 현실감 있는 출혈 효과 애니메이션 기술은 제안되지 않고 있다.
본 발명은 가상 수술 환경에서 가상 수술 의료 시뮬레이션을 위한 출혈 효과를 현실감 있게 애니메이션할 수 있는 가상 수술 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시하는 단계와, 상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는 단계와, 상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 단계와, 상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링하는 단계, 및 상기 출혈 방향 벡터의 방향으로 출혈 렌더링을 수행하는 단계를 포함하는 가상 수술 시뮬레이션 방법을 제공한다.
또한, 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 단계는, 상기 임의 지점에 해당되는 (x,y,0) 좌표에 상기 2차원 화면에 대한 가상 깊이 k를 적용한 (x,y,k) 좌표에 대하여, 상기 k를 0의 값부터 1씩 점점 증가시키면서 상기 (x,y,k) 좌표에 대응되는 상기 중심 메쉬 부분인 (x',y',z') 좌표를 아래의 수학식을 이용하여 탐색할 수 있다.
Figure 112011098940141-pat00001
여기서, Mview -1은 Mview의 역행렬이고, Mview은 3차원 모델을 2차원 화면에 렌더링하기 위한 시각 행렬을 나타낸다.
그리고, 상기 출혈 영역을 모델링하는 단계에서, 상기 출혈 영역은 상기 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 출혈 영역을 모델링하는 단계는, 상기 3차원 메쉬들 중 서로 선분을 공유하지 않는 일부 인접 메쉬들이 서로 연결되도록 상기 인접 메쉬들 사이에 존재하는 메쉬를 상기 출혈 영역에 추가적으로 포함시킬 수 있다.
또한, 상기 출혈 영역을 모델링하는 단계는, 상기 획득된 중심 메쉬 부분을 기준으로 주 출혈 방향 벡터를 설정하여 상기 주 출혈 영역을 모델링하는 단계, 및 상기 주 출혈 영역에 인접한 유효 출혈 영역을 모델링하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 주 출혈 영역을 모델링하는 단계는, 상기 주 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 모델링하고, 상기 유효 출혈 영역을 모델링하는 단계는, 상기 주 출혈 방향 벡터에 대해 수직 방향으로 오프셋이 부가된 가상의 지점을 기준으로 상기 주 출혈 방향 벡터와 동일한 방향 및 크기를 갖는 유효 출혈 방향 벡터를 설정한 다음, 상기 설정된 유효 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 모델링할 수 있다.
또한, 상기 출혈 렌더링을 수행하는 단계는, 미리 생성한 2차원 출혈 텍스쳐 이미지들을 상기 주 출혈 영역 및 상기 유효 출혈 영역 상에 텍스쳐 매핑(Texture mapping)하여 상기 벡터의 방향으로 상기 출혈 렌더링을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 출혈 렌더링을 수행하는 단계는, 상기 유효 출혈 영역을 구성하는 메쉬들의 각 정점과 상기 중심 메쉬 사이의 거리에 따른 가중치를 부여하는 시그모이드(sigmoid) 함수를 사용하여 상기 각 정점의 불투명도 값을 조절할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 가상 수술 시뮬레이션 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
그리고, 본 발명은 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시하는 영상 제공부와, 상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는 지점 선택부와, 상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 중심 메쉬 추출부와, 상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링하는 출혈 영역 모델링부, 및 상기 출혈 방향 벡터의 방향으로 출혈 렌더링을 수행하는 출혈 렌더링부를 포함하는 가상 수술 시뮬레이션 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 가상 수술 시뮬레이션 장치 및 방법에 따르면, 가상 수술 환경에서 가상 수술 의료 시뮬레이션 과정에서 발생 가능한 출혈 효과를 현실감 있게 가시화하여 애니메이션 함에 따라, 가상 수술 환경에서의 현실감과 몰입감을 증진시킴과 동시에 이러한 시뮬레이션을 사용하는 의사 혹은 의대생들의 교육 효과를 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가상 수술 시뮬레이션 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 장치를 이용한 가상 수술 시뮬레이션 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 S250 단계에서의 주 출혈 영역 모델링 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 연결성 보정을 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 2의 S260 단계에서의 유효 출혈 영역 모델링 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가상 수술 환경에서의 출혈 효과를 시간에 따라 애니메이션한 결과를 나타낸다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 출혈 효과를 보여준다. 출혈 효과는 동그라미 부분을 참조한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가상 수술 시뮬레이션 장치의 구성도이다. 상기 가상 수술 시뮬레이션 장치(100)는 영상 제공부(110), 지점 선택부(120), 중심 메쉬 추출부(130), 출혈 영역 모델링부(140), 출혈 렌더링부(150)를 포함한다.
도 2는 도 1의 장치를 이용한 가상 수술 시뮬레이션 방법의 흐름도이다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 가상 수술 시뮬레이션 방법에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 상기 영상 제공부(110)에서는 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시한다(S210). 여기서, 메쉬 모델이란 삼각형과 같은 복수의 다각형 메쉬들을 사용하여 물체를 3차원으로 모델링한 것이다.
메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 가상 수술 의료 시뮬레이션(ex, 가상 복강경 수술을 위한 시뮬레이션)에 사용하는 예는 다음과 같다. 우선 인체를 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography;CT)하여 CT 영상 데이터를 얻고, 이 CT 영상 데이터에 영상 처리 기법을 적용하여 간 영역을 자동으로 분할한다.
이후, 분할된 3차원 간 볼륨 데이터의 표면을 추출하여 삼각형의 메쉬 모델로 변환한다. 메쉬 모델로 변환된 3차원 조직 영상은 가상 수술 의료 시뮬레이션에 적용될 수 있다. 여기서, 간 이외의 다른 장기를 대상으로 하는 가상 수술 의료 시뮬레이션에서 인체 장기 모델을 구성하는 메쉬 모델의 구현 방법 또한 앞서와 비슷한 절차로 수행될 수 있음은 자명하다.
상기와 같이 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시한 이후, 상기 지점 선택부(120)에서는 상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는다(S220).
이러한 S220 단계는 가상 수술 의료 시뮬레이션 환경 하에서 사용자(ex, 의사)의 수술 도구가 인체의 장기 조직 일부분을 접촉(선택)하는 것에 대응된다. 따라서, 상기 선택받은 2차원 화면 상의 임의 지점이란 수술 도구가 접촉되는 3차원 조직 영상의 일부분에 대응된다. 즉, 사용자의 조작에 의해, 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 2차원 화면 상의 임의 지점(수술 도구가 접촉된 부분과 대응)이 선택된다.
이후, 상기 중심 메쉬 추출부(130)에서는 상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출한다(S230).
이를 위해, 사용자가 화면 상에 선택한 2차원 임의 지점 Pdoctor(x,y,0)으로부터 그에 대응되는 3차원 공간 상의 메쉬에 해당하는 지점 Pmesh(x',y',z')을 계산해야 한다. 여기서, Pmesh(x',y',z')는 중심 메쉬 부분의 좌표를 의미한다.
기본적으로 3차원 메쉬 모델을 2차원 화면에 렌더링하기 위한 시각 행렬 Mview는 3차원 공간 상의 좌표 (x',y',z')을 화면 상의 2차원 좌표 (x,y,0)로 투영하는 행렬로서, 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112011098940141-pat00002
3차원 공간 상의 점을 2차원 화면 상의 점으로 투영하는 과정에서, 화면 좌표 (x,y,0)에서 출발하여 화면 내부를 향해 사용자가 물체를 바라보는 방향에 있는 모든 3차원 점들은 동일한 2차원 화면 좌표 (x,y,0)로 투영된다. 따라서, 화면 내부의 가상 깊이 k에 대하여 (x,y,k)는 Mview의 역행렬인 Mview -1을 이용하여 (x',y',z')로 다음과 같이 역변환될 수 있다.
Figure 112011098940141-pat00003
여기서, 화면 내부의 가상 깊이 k를 0부터 1씩 증가시키면서, 2차원 좌표 (x,y,k)에 해당하는 3차원 좌표 (x',y',z')를 수학식 2에 따라 계산하여, 3차원 영상의 메쉬와 처음으로 교차하는 점 Pmesh(x', y', z')를 탐색하면, 그 점이 위치한 곳의 메쉬는 의사의 수술 도구와 인체 장기 부분이 접촉한 중심 메쉬 부분이 된다.
즉, S230 단계에 따르면, 앞서 S220 단계에서 선택된 임의 지점에 해당되는 Pdoctor(x,y,0) 좌표 상에 상기 2차원 화면에 대한 가상 깊이 k를 적용한 Pdoctor(x,y,k) 좌표에 대하여, 상기 k를 0의 값부터 1씩 점점 증가시키면서 상기 (x,y,k) 좌표에 대응되는 상기 중심 메쉬 부분인 Pmesh(x',y',z') 좌표를 수학식 2를 통해 탐색할 수 있다.
이후, 상기 출혈 영역 모델링부(140)는 상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링한다. 이러한 출혈 영역 모델링 과정은 주 출혈 영역 모델링 과정 및 유효 출혈 영역 모델링 과정을 포함한다.
이를 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 출혈 영역 모델링부(140)에서는 상기 획득된 중심 메쉬 부분을 기준으로 주 출혈 방향 벡터(main bleeding direction vector)을 설정하여 상기 주 출혈 영역을 모델링한다(S250).
도 3은 도 2의 S250 단계에서의 주 출혈 영역 모델링 과정을 설명하는 도면이다. 도 3의 (a)는 주 출혈 방향 벡터(상하 방향의 주황색 화살표)가 설정된 화면을 나타내고, (b)는 (a) 화면 상에서 상기 주 출혈 방향 벡터를 사용하여 모델링된 주 출혈 영역(점선 동그라미 내의 붉은 부분)을 나타낸다.
먼저, 도 3의 (a)를 참조하면, 이는 수술 도구와 인체 장기가 접촉한 상기 중심 메쉬 부분을 시작 위치로 하는 주 출혈 방향 벡터의 방향과 크기를 2차원 화면 영역 상에서 설정하는 과정이다. 표시된 화살표의 방향은 벡터의 방향(중력 방향)이고 화살표의 길이는 벡터의 크기를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에서 주 출혈 방향 벡터의 방향은 중력 방향으로 설정되고 그 크기는 임의 크기로 설정된다. 물론, 주 출혈 방향 벡터의 방향 및 크기는 사용자(ex, 의사, 주 애니메이터)로부터 임의로 적절한 값으로 설정받을 수 있다. 이때 설정은 마우스, 터치, 키보드 등의 다양한 입력 수단을 이용할 수 있다.
도 3의 (b)과 같이 모델링된 주 출혈 영역 부분은, 주 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 얻어진 것이다. 즉, 주 출혈 방향 벡터 내에 존재하는 2차원 지점들에 대하여 앞서 수학식 2를 적용하면 이 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들을 순차적으로 계산할 수 있고, 이러한 3차원 메쉬들의 집합이 곧 주 출혈 영역이 된다.
도 4는 도 2의 연결성 보정을 설명하는 개념도이다. 주 출혈 영역의 모델링에 있어서 연결성의 보장을 위해서 도 4와 같은 과정을 거친다. 도 4의 좌측과 우측 그림은 각각 연결성 보정 전과 보정 후를 나타낸다.
주 출혈 영역에 포함된 3차원 메쉬들 중에는 서로 선분을 공유하지 않는 인접 메쉬들이 존재할 수 있다. 도 4의 좌측 그림을 보면 서로 인접한 3번과 4번 메쉬는 서로 선분을 공유하고 있지 않으므로, 주 출혈 영역 내에 부자연스러운 영역이 존재하게 된다.
따라서, 상기 출혈 영역 모델링부(140)에서는 상기 주 출혈 영역에 포함된 3차원 메쉬들을 주 출혈 방향 벡터의 방향으로 순차적으로 검사하여, 상기 3차원 메쉬들 중 서로 선분을 공유하지 않는 인접 메쉬들 사이에 존재하는 메쉬를 상기 출혈 영역에 추가적으로 포함시킨다. 이에 따라, 서로 선분을 공유하지 않는 일부 인접 메쉬들이 서로 연결되게 한다.
즉, 본 발명에서는 주 출혈 영역 내의 인접 메쉬들 사이에 선분을 공유하지 않는 한 쌍의 메쉬를 연결하는 메쉬를 주 출혈 영역 상에 추가로 포함시켜서, 주 출혈 영역 내에 부자연스러운 영역이 존재하지 않도록 하고 주 출혈 영역의 연결성을 보정한다.
상기와 같이 주 출혈 영역이 모델링된 이후, 상기 출혈 영역 모델링부(140)에서는 유효 출혈 방향 벡터(effective bleeding direction vector)를 설정하여, 상기 주 출혈 영역에 인접한 유효 출혈 영역을 모델링한다(S260).
도 5는 도 2의 S260 단계에서의 유효 출혈 영역 모델링 과정을 설명하는 도면이다. 도 5의 (a)는 유효 출혈 방향 벡터(초록색 및 파랑색 화살표)가 설정된 화면을 나타내고, (b)는 (a) 화면 상에서 상기 유효 출혈 방향 벡터를 사용하여 모델링된 주 출혈 영역(점선 동그라미 부분 내의 초록색 및 파란색 부분)을 나타낸다.
먼저, 도 5의 (a)를 참조하면, 이는 주 출혈 방향 벡터에 대해 수직 방향(그림에서 좌우 방향)으로 오프셋(offset)이 부가된 가상의 지점을 기준으로 상기 주 출혈 방향 벡터와 동일한 방향 및 크기를 갖는 유효 출혈 방향 벡터를 설정한 것이다. 더 상세하게는, 상기 오프셋(offset)을 부가하여 가상으로 선택한 점(virtually picking point)들을 우선 계산한 다음, 이러한 가장의 점들을 중심으로 주 출혈 방향 벡터와 같은 방향과 크기를 갖는 유효 출혈 방향 벡터들을 설정한다. 본 실시예에서는 주 출혈 방향 벡터의 좌측과 우측에 각각 2개씩을 포함하여 총 4개의 유효 출혈 방향 벡터가 설정된 것이다. 물론, 유효 출혈 방향 벡터의 설정 예는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 오프셋의 설정(오프셋되는 거리 및 오프셋 개수, 오프셋을 가하는 방향)은 상기 출혈 영역 모델링부(140)에서 자동으로 설정하거나 사용자로부터 직접 입력받아 설정할 수 있다.
이후에, 도 5의 (b)과 같이 모델링된 유효 출혈 영역 부분은, 상기 설정된 유효 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 얻어진 것이다. 즉, 유효 출혈 방향 벡터 내에 존재하는 2차원 지점들에 대하여 앞서 수학식 2를 적용하면 이 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들을 순차적으로 계산할 수 있고, 이러한 3차원 메쉬들의 집합이 곧 유효 출혈 영역이 된다.
이러한 유효 출혈 영역의 경우에서도 앞서 도 4와 같은 방법을 사용하여 유효 출혈 영역의 연결성 보정이 수행되도록 한다.
이상과 같이 주 출혈 영역과 유효 출혈 영역이 모델링된 이후, 상기 출혈 렌더링부(150)는 상기 주 출혈 방향 벡터의 방향으로 영역을 조금씩 늘려가면서 시간 흐름에 따라 출혈 렌더링을 수행한다(S270). 이러한 과정에 따라 본 발명의 출혈 애니메이션이 생성된다(S280).
상기 출혈 렌더링부(150)는 미리 생성한 2차원 출혈 텍스쳐 이미지들을 상기 주 출혈 영역 및 상기 유효 출혈 영역 상에 텍스쳐 매핑(Texture mapping)하여 상기 벡터의 방향으로 상기 출혈 렌더링을 수행한다. 상기 출혈 텍스쳐 이미지들은 아티스트가 미리 생성한 정보에 해당될 수 있다.
이를 위해, 먼저 유효 출혈 영역 내의 x축 방향의 최외곽 메쉬들을 제외한 나머지 주 출혈 영역과 유효 출혈 영역 내의 메쉬들의 정점들을 Mview행렬을 통해 2차원 화면으로 투영한 다음, 2차원 경계 상자를 계산한다. 이 2차원 경계 상자 내부에 2차원 출혈 텍스쳐가 매핑되게 된다. 이러한 텍스쳐 매핑 방법의 구성과 원리는 기존에 다양하게 공지되어 있으므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
이러한 출혈 렌더링 과정(S270)에서, 상기 출혈 렌더링부(150)는 또한 상기 유효 출혈 영역을 구성하는 메쉬들의 각 정점과 상기 중심 메쉬 사이의 거리에 따른 가중치를 부여하는 시그모이드(sigmoid) 함수를 사용하여 상기 각 정점의 불투명도 값을 조절한다.
유효 출혈 영역 내부의 메쉬들의 정점에서의 불투명도 값은 사용자가 화면 상에서 선택한 중심 메쉬로부터의 거리에 따라 점진적으로 할당한다. 수술 도구로 사용자가 선택한 중심 메쉬에 가까운 메쉬의 경우 불투명도를 1로 할당한다. 이를 기준으로 유효 출혈 영역 내부의 메쉬의 정점의 불투명도가 시각적으로 현실감 있고 자연스럽게 표현 가능하도록 불투명도를 점진적으로 변화시킨다.
즉, 중심 메쉬의 무게 중심으로부터 유효 출혈 영역 내부의 메쉬 정점까지의 거리 d에 따라, 다음 수학식 3에서와 같은 0부터 1사이의 값을 갖는 시그모이드 함수를 가중치로 두어 각 인접 메쉬들의 정점의 불투명도를 변화시킨다.
Figure 112011098940141-pat00004
시그모이드 함수는 α와 β에 따라서 다양한 변화의 모델링이 가능하여 최적의 가시화 효과를 얻을 수 있다. 이때, α값이 커질수록 거리에 따른 색상 변화는 부드럽게 모델링된다. 또한, β는 거리에 따른 중심 메쉬의 색상 변화를 기준으로 50%의 색상 변화를 보이는 위치를 결정한다.
여기서, 출혈 애니메이션은 주 출혈 영역 생성과 유효 출혈 영역 생성 시에 부여된 메쉬의 순서에 따라서 중심 메쉬로부터 주 출혈 방향 벡터와 유효 출혈 방향 벡터의 방향으로 시간에 따라서 렌더링하여 수행된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가상 수술 환경에서의 출혈 효과를 시간에 따라 애니메이션한 결과를 나타낸다. 즉 도 6의 (a)에서 (e)로 갈수록(시간 순서에 따라) 변하는 출혈 효과를 확인할 수 있다. 또한, 도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 출혈 효과를 보여준다. 출혈 효과는 동그라미 부분을 참조한다.
도 6 내지 도 8과 같이, 본 발명에 따르면 의사가 수술 도구로 선택한 임의 부위로부터 실제 물리적인 출혈 효과와 유사한 현실감을 갖도록 애니메이션이 실행되어 가상 수술 의료 시뮬레이션 환경에서의 현실감과 몰입감을 극대화할 수 있다. 또한, 주 출혈 방향 벡터, 유효 출혈 방향 벡터들의 크기와 방향은 사용자가 지정(설정)해준 특정 값을 중심으로 랜덤 변화를 주어, 도시된 것 이상의 더욱 다양한 표현이 가능함은 물론이다.
이상과 같은 본 발명은, 가상 수술 환경에서 의사가 수술 도구로 가상의 3차원 인체 모델에 수술을 수행하였을 때 발생하는 출혈 효과를 현실감있게 가시화하여 가상 수술 의료 시뮬레이션의 현실감 및 몰입감을 크게 증진시킬 뿐만 아니라 이러한 시뮬레이션을 사용하는 의사 혹은 의대생들의 교육 효과를 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 가상 수술 시뮬레이션 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 매체로서 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CO-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법이 실현하는 기능적인 프로그램들, 코드들 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 쉽게 추론될 수 있음은 자명하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 가상 수술 시뮬레이션 장치
110: 영상 제공부 120: 지점 선택부
130: 중심 메쉬 추출부 140: 출혈 영역 모델링부
150: 출혈 렌더링부

Claims (17)

  1. 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시하는 단계;
    상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는 단계;
    상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 단계;
    상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링하는 단계; 및
    상기 출혈 방향 벡터의 방향으로 출혈 렌더링을 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 출혈 영역은 상기 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합으로 이루어지며,
    상기 출혈 영역을 모델링하는 단계는, 상기 3차원 메쉬들 중 서로 선분을 공유하지 않는 일부 인접 메쉬들이 서로 연결되도록 상기 인접 메쉬들 사이에 존재하는 메쉬를 상기 출혈 영역에 추가적으로 포함시키는 가상 수술 시뮬레이션 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 단계는,
    상기 임의 지점에 해당되는 (x,y,0) 좌표에 상기 2차원 화면에 대한 가상 깊이 k를 적용한 (x,y,k) 좌표에 대하여, 상기 k를 0의 값부터 1씩 점점 증가시키면서 상기 (x,y,k) 좌표에 대응되는 상기 중심 메쉬 부분인 (x',y',z') 좌표를 아래의 수학식을 이용하여 탐색하는 가상 수술 시뮬레이션 방법:
    Figure 112011098940141-pat00005

    여기서, Mview -1은 Mview의 역행렬이고, Mview은 3차원 모델을 2차원 화면에 렌더링하기 위한 시각 행렬을 나타낸다.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 출혈 영역을 모델링하는 단계는,
    상기 획득된 중심 메쉬 부분을 기준으로 주 출혈 방향 벡터를 설정하여 상기 주 출혈 영역을 모델링하는 단계; 및
    상기 주 출혈 영역에 인접한 유효 출혈 영역을 모델링하는 단계를 포함하는 가상 수술 시뮬레이션 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 주 출혈 영역을 모델링하는 단계는,
    상기 주 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 모델링하고,
    상기 유효 출혈 영역을 모델링하는 단계는,
    상기 주 출혈 방향 벡터에 대해 수직 방향으로 오프셋이 부가된 가상의 지점을 기준으로 상기 주 출혈 방향 벡터와 동일한 방향 및 크기를 갖는 유효 출혈 방향 벡터를 설정한 다음, 상기 설정된 유효 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 모델링하는 가상 수술 시뮬레이션 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 출혈 렌더링을 수행하는 단계는,
    미리 생성한 2차원 출혈 텍스쳐 이미지들을 상기 주 출혈 영역 및 상기 유효 출혈 영역 상에 텍스쳐 매핑(Texture mapping)하여 상기 벡터의 방향으로 상기 출혈 렌더링을 수행하는 가상 수술 시뮬레이션 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 출혈 렌더링을 수행하는 단계는,
    상기 유효 출혈 영역을 구성하는 메쉬들의 각 정점과 상기 중심 메쉬 사이의 거리에 따른 가중치를 부여하는 시그모이드(sigmoid) 함수를 사용하여 상기 각 정점의 불투명도 값을 조절하는 가상 수술 시뮬레이션 방법.
  9. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  10. 메쉬 모델로 구현된 3차원 조직 영상을 2차원 화면 상에 표시하는 영상 제공부;
    상기 3차원 조직 영상의 일부분에 대응되는 상기 2차원 화면 상의 임의 지점을 선택받는 지점 선택부;
    상기 선택받은 임의 지점에 대응되는 상기 3차원 조직 영상에 대한 중심 메쉬 부분을 추출하는 중심 메쉬 추출부;
    상기 추출된 중심 메쉬 부분을 기준으로 출혈 방향 벡터를 설정하여 출혈 영역을 모델링하는 출혈 영역 모델링부; 및
    상기 출혈 방향 벡터의 방향으로 출혈 렌더링을 수행하는 출혈 렌더링부를 포함하며,
    상기 출혈 영역은 상기 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합으로 이루어지며,
    상기 출혈 영역 모델링부는, 상기 3차원 메쉬들 중 서로 선분을 공유하지 않는 일부 인접 메쉬들이 서로 연결되도록 상기 인접 메쉬들 사이에 존재하는 메쉬를 상기 출혈 영역에 추가적으로 포함시키는 가상 수술 시뮬레이션 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 중심 메쉬 추출부는,
    상기 임의 지점에 해당되는 (x,y,0) 좌표에 상기 2차원 화면에 대한 가상 깊이 k를 적용한 (x,y,k) 좌표에 대하여, 상기 k를 0의 값부터 1씩 점점 증가시키면서 상기 (x,y,k) 좌표에 대응되는 상기 중심 메쉬 부분인 (x',y',z') 좌표를 아래의 수학식을 이용하여 탐색하는 가상 수술 시뮬레이션 장치:
    Figure 112011098940141-pat00006

    여기서, Mview -1은 Mview의 역행렬이고, Mview은 3차원 모델을 2차원 화면에 렌더링하기 위한 시각 행렬을 나타낸다.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 출혈 영역 모델링부는,
    상기 획득된 중심 메쉬 부분을 기준으로 주 출혈 방향 벡터를 설정하여 상기 주 출혈 영역을 모델링한 다음,
    상기 주 출혈 영역에 인접한 유효 출혈 영역을 모델링하는 가상 수술 시뮬레이션 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 출혈 영역 모델링부는,
    상기 주 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 상기 주 출혈 영역을 모델링하고,
    상기 주 출혈 방향 벡터에 대해 수직 방향으로 오프셋이 부가된 가상의 지점을 기준으로 상기 주 출혈 방향 벡터와 동일한 방향 및 크기를 갖는 유효 출혈 방향 벡터를 설정한 다음, 상기 설정된 유효 출혈 방향 벡터 상에 존재하는 2차원 지점들에 대응되는 3차원 메쉬들의 집합을 획득하여 상기 유효 출혈 영역을 모델링하는 가상 수술 시뮬레이션 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 출혈 렌더링부는,
    미리 생성한 2차원 출혈 텍스쳐 이미지들을 상기 주 출혈 영역 및 상기 유효 출혈 영역 상에 텍스쳐 매핑(Texture mapping)하여 상기 벡터의 방향으로 상기 출혈 렌더링을 수행하는 가상 수술 시뮬레이션 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 출혈 렌더링부는,
    상기 유효 출혈 영역을 구성하는 메쉬들의 각 정점과 상기 중심 메쉬 사이의 거리에 따른 가중치를 부여하는 시그모이드(sigmoid) 함수를 사용하여 상기 각 정점의 불투명도 값을 조절하는 가상 수술 시뮬레이션 장치.
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