KR101319475B1 - 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에 이용되는 뼈의 위치 재탐색장치, 그 재탐색장치를 이용한 뼈의 위치 재탐색방법, 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇 및 그 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에 이용되는 뼈의 위치 재탐색장치, 그 재탐색장치를 이용한 뼈의 위치 재탐색방법, 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇 및 그 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 관절수술의 대상이 되는 신체 일부가 지지되는 지지대; 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상 데이터를 얻는 영상처리부; 환부를 절개된 상태에서 뼈에 특정문양을 형성하기 위해 뼈의 표면일부를 절삭하는 마커형성용 절삭수단; 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 레이저 스캐너; 형상데이터와 위치 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 매칭부; 위치정보를 기반으로 뼈의 절삭부위를 절삭하는 절삭아암; 및 위치정보에 에러가 발생된 경우 레이저 스캐너에 의해 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 재추출하게 하고, 매칭부가 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하게 하는 재탐색부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색방법, 장치 및 관절수술용 로봇에 관한 것이다.

Description

절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에 이용되는 뼈의 위치 재탐색장치, 그 재탐색장치를 이용한 뼈의 위치 재탐색방법, 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇 및 그 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법{Re―registration device in robot arthroplasty, Re―registration method in robot arthroplasty and robot arthroplasty including the re―registration device}

본 발명은 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에 이용되는 뼈의 위치 재탐색장치, 그 재탐색장치를 이용한 뼈의 위치 재탐색방법, 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇 및 그 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 레이저 스캐너에 의해 스캐닝하여 추출된 뼈의 3차원 위치데이터를 매칭부에 의해 매칭하여 뼈의 위치정보를 신속하게 획득하고 재탐색부를 구비하여 수술중 에러가 발생된 경우 뼈의 표면에 특정문양을 형성함으로써 신속하게 위치정보를 다시 수정할 수 있는 뼈의 위치 재탐색방법, 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇에 대한 것이다.

뼈를 절삭해야 하는 수술 중에서도 무릅관절 성형술과 고관절성형술이 가장많이 상용되고 있다. 이러한 관절수술은 관절이 제 역할을 하지 못하는 경우 관절부위를 잘라내고 절삭된 부분에 새로운 임플란트를 삽입함으로써 해결하게 된다. 이때 절삭되는 뼈 부위와 임플란트의 모양이 일치하여야 좋은 수술 결과를 얻을 수 있게 된다.

최근 의료로봇의 등장으로, 의사가 직접 손으로 뼈를 절삭하기보다는 로봇을 이용하여 정교하게 뼈를 절삭하는 방법이 임플란트의 수명을 길게 한다. 대표적인 관절수술로는 무릅관절수술(Knee Arthroplasty)과 고관절 수술이 존재한다. 무릅사이의 연골이 닳아서 없어지거나 각종 질병들로 인하여 무릅관절 표면에 질병이 생겨 고통을 줄 수 있다. 이때 무릅관절수술을 통하여 손상된 무릅표면을 깍아내고 새로운 임플란트를 삽입하여 환자의 고통을 줄이고 환자가 다시 정상적으로 걸을 수 있게 한다. 또한 고관절 수술의 경우, 무릅관절수술과 마찬가지로 뼈 표면의 손상이나 대퇴골(femoral neck)이 부러진 경우 새로운 임플란트를 삽입하여 환자의 고통을 줄이고 다시 걸을 수 있도록 한다.

이러한 고관절 수술이나 무릅관절 수술은 각 뼈를 삽입할 임플란트 모양으로 정교하게 뼈를 절삭하는 것이 중요하다. 로봇을 이용하지 않고 의사가 직접 뼈를 깍을 경우 의과용 틀, 정 또는 톱을 사용하여 임플란트 모양을 어림잡아 절삭한 후, 임플란트를 삽입하게 된다. 이러한 경우 절삭된 뼈의 모양과 임플란트의 모양이 정확히 일치되지 않아 임플란트가 정확히 고정되지 않고 헐거울 수 있게 된다. 따라서 임플란트의 모양을 맞추며 절삭해야 하는 의사들의 불편함과 절삭된 뼈의 모양이 임플란트와 불일치하여 임플란트의 수명이 줄어들고 재수술이 필요할 수 있게 되는 문제가 존재하게 된다.

그러나 절삭아암을 갖는 로봇을 이용하여 뼈를 절삭하는 경우 뼈에 삽입될 임플란트 모양과 거의 동일하게 절삭하는 것이 가능하므로 임플란트 수명을 길게 할 수 있고 재수술의 가능성을 최대한으로 낮출 수 있다는 장점이 존재한다.

도 1은 종래 일실시예에 따른 디지타이저(2)를 갖는 관절수술용 로봇(1)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 디지타이저(2)를 갖는 관절수술용 로봇(1)은 신체 일부가 지지되는 지지대(10), 뼈를 절삭하기 위한 절삭아암(4), 수술중 뼈의 움직임을 측정하는 모션측정부(Bone Motion Monitor, BMM, 5), 뼈(6)의 3차원 위치데이터(9)를 추출하기 위한 디지타이저(2) 등을 포함하고 있다.

통상적으로 관절수술용 로봇(1)을 이용한 관절수술방법은 먼저, 환부를 절개하지 않은 상태에서 수술의 대상이 되는 뼈가 존재하는 위치의 신체 일부를 컴퓨터 단층촬영기기(CT)를 이용하여 촬영하여 뼈의 3차원 형상데이터(8)를 얻게 된다. 그리고, 3차원 형상데이터(8)를 기초로 뼈의 절삭부위를 결정하게 된다. 그리고, 절삭부위가 결정된 3차원 형상데이터(8)를 기초로 관절수술용 로봇(1)의 절삭아암(4)의 절삭경로, 좌표를 입력, 형성하게 된다.

그리고, 환부를 절개한 후 디지타이저(2)를 이용하여 실제 뼈(6)의 3차원 위치데이터(9)를 추출하게 된다. 도 2는 종래 디지타이저(2)를 이용해 3차원 위치 데이터(9)를 추출 중인 뼈(6)의 사시도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고정부(11)에 의해 뼈를 고정시키고 디지타이저의 탐침(3) 끝단을 뼈(6)에 접촉시켜 실제 수술시 환자의 실제 뼈(6) 표면을 한점 한점 찍으면서 모인점을 조합하여 3차원 위치데이터(9)를 추출하게 된다.

그리고, 3차원 형상데이터(8)와 3차원 위치데이터(9)를 서로 매칭(registration)시켜 뼈의 위치정보를 얻고 이러한 위치정보를 기반으로 절삭아암(4)은 뼈(6)의 절삭부위를 정확하게 절삭하게 된다. 그러나 종래 디지타이저(2)를 이용한 관절수술용 로봇(1)의 경우 많은 개별점 입력으로 인하여 위치데이터(9)를 추출하는 과정과 위치데이터(9)와 형상데이터(8)를 매칭시키는 과정에 많은 시간이 소요된다는 문제가 존재한다(약 20 ~ 40분). 따라서 많은 개별점 입력으로 기존에 불필요했던 시간 소요 부분들이 의사에게 번거롭고 지겨운 작업이 된다는 문제가 존재한다.

또한 환자가 절삭중에 움직이게 되어 위치정보에 오류가 발생되게 되는 경우 다시 디지타이저(2)를 이용하여 개별점들을 찍어서 위치데이터(9)를 형성아혀 매칭해야되는 문제가 존재하여 수술시간이 장시간 소요되게 되는 문제가 존재한다. 또한, 수술중에 환자의 움직임을 정밀하게 측정하여야 하기 때문에 관절수술용 로봇(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 모션측정부(5)를 사용해야만하는 문제가 존재하게 된다. 따라서 실제 뼈의 3차원 위치데이터의 추출과 형상데이터와의 매칭을 보다 신속하게 가능한 방법과 장치가 요구되었고, 수술 중에 에러가 발생된 경우 신속하게 뼈의 위치정보를 재탐색가능한 방법 및 장치가 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 레이저 스캐너를 이용하게 됨으로써 종래 디지타이저를 이용하는 경우보다 신속하게 실제 뼈의 3차원 위치데이터를 추출하고 형상데이터와 매칭할 수 있는 뼈 위치 재탐색장치, 방법 및 관절수술용 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 수술중 에러가 발생되는 경우에 디지타이저를 이용하는 경우처럼 개별점을 추출할 필요없이 다시 신속하게 레이저 스캐너를 이용하여 위치데이터와 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 추출할 수 있는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한 본 발명의 일실시예는 수술 전에 환부를 절개하고 마커형성용 절삭수단에 의해 뼈의 표면에 특정문양을 형성함으로써 수술중 에러가 발생된 경우, 보다 신속하게 위치정보를 재탐색가능한 뼈 위치 재탐색장치, 방법 및 관절수술용 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 제1목적은 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색장치에 있어서, 관절수술의 대상이 되는 신체 일부가 지지되는 지지대; 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상 데이터를 얻는 영상처리부; 환부가 절개된 상태에서 뼈에 특정문양을 형성하기 위해 뼈의 표면 일부를 절삭하는 마커형성용 절삭수단; 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 레이저 스캐너; 형상데이터와 위치 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 매칭부; 및 위치정보에 에러가 발생된 경우 레이저 스캐너에 의해 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 재추출하게 하고, 매칭부가 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하게 하는 재탐색부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색장치로서 달성될 수 있다.

레이저 스캐너는 뼈와 이격되게 위치한 몸체, 몸체 내부에 구비되어 뼈에 레이저빔을 조사하는 레이저빔조사부, 몸체 내부에 구비되어 레이저빔이 조사된 뼈를 촬상하여 3차원 데이터를 얻는 촬상장치 및 레이저 스캐너는 몸체를 수평방향으로 이동시키는 무빙 플레이트를 포함하고, 에러가 발생된 경우, 특정문양이 형성된 뼈를 다시 스캐닝하여 위치데이터를 재생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

촬상장치는 CCD카메라인 것을 특징으로 할 수 있다.

재탐색부는 에러가 발생된 경우 레이저스캐너에서 재생성된 위치데이터와 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 다시 형성하도록 매칭부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 관절수술의 대상이 되는 신체 일부가 지지되는 지지대; 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상 데이터를 얻는 영상처리부; 환부를 절개된 상태에서 뼈에 특정문양을 형성하기 위해 뼈의 표면일부를 절삭하는 마커형성용 절삭수단; 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 레이저 스캐너; 형상데이터와 위치 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 매칭부; 위치정보를 기반으로 뼈의 절삭부위를 절삭하는 절삭아암; 및 위치정보에 에러가 발생된 경우 레이저 스캐너에 의해 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 재추출하게 하고, 매칭부가 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하게 하는 재탐색부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇으로 달성될 수 있다.

매칭부에서 위치정보를 전송받아 위치정보를 기초로 절삭아암이 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부는 절삭아암이 절삭부위를 절삭하는 중 에러가 발생되는 경우 절삭아암의 작동을 중단시키고, 재탐색부를 작동시켜 레이저 스캐너가 특정문양이 형성된 뼈의 위치데이터를 재추출하도록 하고, 매칭부가 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하도록 재탐색부를 제어하고, 재탐색된 위치정보를 기초로 절삭아암이 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

영상처리부는 신체 일부에 위치한 뼈의 형상 데이터를 얻는 컴퓨터 단층촬영기기인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색방법에 있어서, 관절수술용 로봇의 지지대에 신체 일부를 고정시키는 단계;영상처리부가 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상데이터를 얻는 단계; 환부를 절개한 상태에서 마커형성용 절삭수단이 뼈의 일부 표면을 절삭하여 뼈에 특정문양을 형성하는 단계; 레이저 스캐너가 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 단계; 매칭부가 위치데이터와 형상 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 단계; 및 위치정보에 에러가 발생된 경우 재탐색부가 형상데이터와 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색방법으로서 달성될 수 있다.

위치 데이터를 추출하는 단계는, 구동부가 레이저 스캐너를 평면방향으로 이동시키면서, 위치데이터를 얻고자 하는 부분에 레이저빔 조사장치가 레이저빔을 뼈에 조사하는 단계 및 레이저 스캐너의 촬상장치가 뼈를 촬상하여 3차원 위치 데이터를 얻는 단계를 포함하고, 에러가 발생된 경우, 레이저스캐너는 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 위치데이터를 재생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

형상데이터를 얻는 단계는, 컴퓨터 단층촬영기기에 의해 뼈를 촬영하여 3차원 형상 데이터를 얻는 단계; 및 3차원 형상데이터에서 절삭할 부분을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

재탐색하는 단계는, 위치정보에 에러가 발생된 경우 레이저스캐너에서 재생성된 위치데이터와 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 다시 형성하도록 매칭부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4목적은재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법에 있어서, 관절수술용 로봇의 지지대에 신체 일부를 고정시키는 단계; 영상처리부가 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상데이터를 얻고 형상데이터를 기초로 뼈의 절삭부위를 결정하는 단계; 환부를 절개한 상태에서 마커형성용 절삭수단이 뼈의 표면일부를 절삭하여 특정문양을 형성하는 단계; 레이저 스캐너가 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 단계; 매칭부가 위치데이터와 형상 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 단계; 위치정보에 기반하여 관절수술용 로봇을 구성하는 절삭아암이 절삭부위를 절삭하는 단계; 및 절삭아암에 의해 절삭부위를 절삭하는 중, 위치정보에 에러가 발생된 경우 재탐색부가 형상데이터와 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색부를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법으로 달성될 수 있다.

절삭부위를 절삭하는 단계는, 제어부가 매칭부로부터 위치정보를 수신받아 설정된 절삭부위를 절삭하도록 절삭아암을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

위치정보를 재탐색하는 단계는, 제어부가 절삭아암이 절삭부위를 절삭하는 중 에러가 발생되는 경우, 절삭아암의 작동을 중단시키는 단계, 재탐색부를 작동시켜 특정문양이 형성된 뼈의 위치데이터를 재추출하도록 레이저스캐너를 제어하는 단계, 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부가 재탐색된 위치정보를 기초로 절삭아암이 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

관절수술은 무릅관절수술 또는 고관절수술인 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 레이저 스캐너를 이용하게 됨으로써 종래 디지타이저를 이용하는 경우보다 신속하게 실제 뼈의 3차원 위치데이터를 추출하고 형상데이터와 매칭할 수 있는 효과가 있다. 또한, 수술중 에러가 발생되는 경우에 디지타이저를 이용하는 경우처럼 개별점을 추출할 필요없이 다시 신속하게 레이저 스캐너를 이용하여 위치데이터와 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 추출할 수 있는 장점이 존재한다. 그리고 본 발명의 일실시예는 수술 전에 환부를 절개하고 마커형성용 절삭수단에 의해 뼈의 표면에 특정문양을 형성함으로써 수술중 에러가 발생된 경우, 보다 신속하게 위치정보를 재탐색가능한 효과를 갖는다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래 일실시예에 따른 디지타이저를 갖는 관절수술용 로봇의 사시도,
도 2는 종래 디지타이저를 이용해 추출된 뼈의 3차원 형상을 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇의 사시도,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너의 사시도,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 특정문양이 형성된 뼈의 사시도,
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너에 의해 스캐닝되는 특정문양이 형성된 뼈의 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭부에 의해 매칭되는 3차원 형상데이터와 3차원 위치데이터의 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너를 갖는 뼈 위치 재탐색장치를 포함하는 관절수술용 로봇을 이용한 관절 수술방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)를 갖는 뼈 위치 재탐색장치와 그 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇(100)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇(100)의 사시도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇(100)은 환자의 신체 일부를 고정, 지지하게 되는 지지대(10), 환자의 뼈(6)의 절삭부위를 절삭하게 되는 절삭아암(4), 환부를 절개한 상태에서 실제 뼈(6)를 스캐닝하여 3차원 위치데이터(9)를 추출하는 레이저 스캐너(30)와 수술전 환자의 뼈(6)를 영상처리부(20)에서 CT촬영하여 획득한 3차원 형상데이터(8)와 3차원 위치데이터(9)를 매칭하여 위치정보를 얻게 되는 매칭부(40) 및 절삭아암(4)으로 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 제어부(50), 수술중 위치정보에 에러가 발생되는 경우 위치데이터(9)와 형상데이터(8)를 재매칭시키는 재탐색부, 실제 뼈(6)의 표면을 절삭하여 특정문양(7)을 형성시키기 위한 마커형성용 절삭수단(70) 등을 포함하고 있다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)의 사시도를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 몸체(31)와 몸체(31) 내부에 구비되어 실제 뼈(6)에 레이저 빔(34)을 조사하게 되는 레이저빔 조사부(32), 레이저 빔(34)이 조사된 실제 뼈(6)를 촬상하게 되는 촬상장치(예를 들어, CCD 카메라, 33)를 포함하고 있다. 또한, 레이저 스캐너(30)는 몸체(31)를 평면방향으로 이동시키는 무빙플레이트와 무빙플레이트를 구동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.

이러한 레이저 스캐너(30)를 이용하여 관절수술 중에 환자의 환부를 절개한 상태에서 실제 뼈(6)를 레이터 스캐닝하여 종래 디지타이저를 사용하는 경우보다 신속하게 실제 뼈(6)의 3차원 위치 데이터(9)를 추출할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 마커형성용 절삭수단(70)은 환자의 환부를 절개한 상태에서 실제 뼈(6)의 절삭부위 표면 일부를 절삭하여 뼈(6)의 표면에 다양한 특정문양(7)을 형성하게 된다. 따라서 레이저 스캐너(30)는 특정문양(7)이 형성된 뼈(6)를 스캐닝하여 특정문양(7)을 포함한 3차원 위치데이터(9)를 추출하게 된다.

도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 특정문양(7)이 형성된 뼈(6)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)를 이용하여 스캐닝 중인 특정문양(7)이 형성된 뼈(6)의 사시도를 도시한 것이다. 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 레이저 스캐닝 전에 마커형성용 절삭수단(70)에 의해 뼈(6)에 특정문양(7)을 형성함으로써 레이저 스캐너(30)에 의해 추출된 위치데이터(9)는 특정문양(7)을 포함하고 있기 때문에 수술 중 위치정보에 에러가 발생된 경우, 보다 신속하게 절삭부위의 위치를 재매칭하여 다시 위치정보를 형성할 수 있게 된다.

그리고, 매칭부(40)는 수술 전(환부 절개전)에 컴퓨터 단층촬영기기(CT)를 이용하여 촬영된 뼈(6)의 3차원 형상데이터(8)와 레이저 스캐너(30)를 이용하여 실제 뼈(6)를 스캐닝하여 추출된 3차원 위치데이터(9)를 매칭하여 뼈(6)의 위치정보를 얻게 된다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭부(40)에 의해 매칭되는 3차원 형상데이터(8)와 3차원 위치데이터(9)의 사시도를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 왼쪽에 도시된 것은 수술 전에 컴퓨터 단층(CT) 촬영하여 얻어진 3차원 형상데이터(8)이다. 그리고 수술 전에 컴퓨터 단층촬영에 의해 획득된 3차원 형상데이터(8)를 기초로 하여 뼈(6)의 절삭부위를 설정하고 관절수술용 로봇(100)의 절삭경로, 절삭위치를 설정하게 된다.

그리고, 도 5의 오른쪽에 도시된 것은 레이저 스캐너(30)를 이용하여 실제 뼈(6)를 스캐닝하여 추출된 3차원 위치데이터(9)를 나타낸 것이다. 따라서 매칭부(40)는 수술 전 CT촬영에 의해 획득된 3차원 형상데이터(8)와 실제 뼈(6)를 스캐닝하여 추출된 3차원 위치데이터(9)를 매칭하게 된다. 수술 전에 형상데이터(8)를 이용하여 절삭하여야할 뼈(6)의 위치와 절삭부위를 미리 설정하게 되고, 관절수술용 로봇(100)은 실제 뼈(6)가 주워지게 되면 미리 정해진 절삭부위를 절삭할 수 있다.

그러나 실제로 환자의 뼈(6)가 어디에 위치해 있는지 로봇(100)은 알 수가 없으므로 형상데이터(8)와 위치데이터(9)를 매칭시켜야 한다. 매칭 후에는 미리 설정된 절삭부위와 실제 뼈(6)의 위치를 로봇(100)이 인지할 수 있기 때문에 절삭부위를 정확하게 절삭 가능하게 된다. 따라서 형상데이터(8)와 위치데이터(9)의 매칭으로 획득된 위치정보를 기반으로 제어부(50)는 절삭아암(4)이 절삭부위를 절삭하도록 제어하게 된다.

재탐색부는 관절수술용 로봇(100)을 이용한 관절수술 중에 환자가 움직이거나 작동 오류에 의해 에러가 발생된 경우 레이저 탐색부가 특정문양(7)이 형성된 실제 뼈(6)를 다시 스캐닝하여 3차원 위치데이터(9)를 추출하도록 한다. 그리고, 형상데이터(8)와 다시 매칭을 시켜 위치정보를 얻게 된다. 뼈(6)에 특정문양(7)을 형성시킴으로써 특정문양(7)이 형성된 부분을 레이저 스캐너(30)가 빠르게 스캐닝하여 형상데이터(8)와 매칭시킴으로써 신속하게 에러를 수정할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)를 갖는 뼈 위치 재탐색장치를 포함하는 관절수술용 로봇(100)을 이용한 관절 수술방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너(30)를 갖는 뼈 위치 재탐색장치를 포함하는 관절수술용 로봇(100)을 이용한 관절 수술방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 영상처리부(예를 들어, 컴퓨터 단층촬영기기, 20)에 의해 관절수술의 대상이 되는 뼈(6)를 촬영하여(환부를 절개하기 전에) 뼈(6)의 3차원 형상데이터(8)를 얻는다(S10). 그리고 이러한 3차원 형상데이터(8)를 기초로 뼈(6)의 절삭부위를 결정하여 절삭할 부분의 뼈 위치를 설정하게 된다(S20). 그리고 관절수술용 로봇(100)의 지지대(10)에 관절수술의 대상이 되는 신체 일부를 고정시키게 된다(S30).

그리고, 환부를 절개한 상태에서 마커형성용 절삭수단(70)이 뼈(6)의 표면 일부를 절삭하여 다양한 특정문양(7)을 뼈(6) 표면에 형성하게 된다(S40). 그리고, 레이저 스캐너(30)가 특정문양(7)이 형성된 실제 뼈(6)를 레이저 스캐닝하여 특정문양(7)이 형성된 뼈(6)의 3차원 위치 데이터(9)를 추출하게 된다(S50). 레이저 스캐너(30)의 구동부가 레이저 스캐너(30)를 평면방향으로 이동시키면서, 레이저빔 조사부(32)가 위치데이터(9)를 얻고자 하는 부분의 실제 뼈(6)에 레이저빔(34)을 조사하고 레이저 스캐너(30)의 촬상장치(33)가 뼈(6)를 촬상하여 3차원 위치 데이터(9)를 얻게 된다.

다음으로, 매칭부(40)가 레이저 스캐너(30)에 의해 추출된 실제 뼈(6)의 3차원 위치데이터(9)와 영상처리부(20)에서 촬영되어 얻어진 3차원 형상 데이터(8)를 매칭시켜 실제 뼈(6)의 위치정보를 얻게 된다(S60). 그리고 이러한 위치정보에 기반하여 관절수술용 로봇(100)을 구성하는 절삭아암(4)이 설정된 절삭부위를 절삭하게 된다(S70). 이때, 제어부(50)가 매칭부로부터 위치정보를 수신받아 설정된 절삭부위를 절삭하도록 절삭아암(4)을 제어하게 된다.

그리고, 이러한 절삭아암(4)에 의한 절삭과정은 설정된 절삭부위의 절삭이 완료될 때까지 계속된다(S80). 또한, 절삭 중에 위치정보에 에러가 발생된 경우(S90) 제어부(50)는 절삭아암(4)의 작동을 중단시키고(S100), 재탐색부에 의해 뼈(6)의 위치정보를 재탐색하게 된다. 재탐색부는 관절수술용 로봇(100)을 이용한 관절수술 중에 환자가 움직이거나 작동 오류에 의해 에러가 발생된 경우 레이저 스캐너(30)가 특정문양(7)이 형성된 실제 뼈(6)를 다시 스캐닝하여 3차원 위치데이터(9)를 추출하도록 한다. 그리고, 형상데이터(8)와 다시 매칭을 시켜 위치정보를 재형성하게 된다. 뼈(6) 표면 일부에 특정문양(7)을 형성함으로써 특정문양(7)이 형성된 부분을 레이저 스캐너(30)가 빠르게 스캐닝하여 형상데이터(8)와 매칭시킴으로써 신속하게 에러를 수정할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(50)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 단층촬영기기로 구성된 영상처리부(20)가 CT촬영하여 획득된 3차원 형상데이터(8)를 제어부(50)와 매칭부(40)에 전송하게 된다. 그리고 3차원 형상데이터(8)에 기반하여 절삭부위, 절삭위치를 설정하게 된다. 그리고 레이저 스캐너(30)는 환부를 절개한 상태에서 실제 뼈(6)를 스캐닝하여 추출한 3차원 위치 데이터(9)를 매칭부(40)에 전송하게 된다. 매칭부(40)는 위치데이터(9)와 형상데이터(8)를 매칭하여 얻어진 뼈(6)의 위치정보를 제어부(50)에 전송하게 되고, 제어부(50)는 위치정보에 기반하여 설정된 절삭부위를 절삭하도록 절삭아암(4)에 제어신호를 전송하게 된다.

또한, 제어부(50)는 절삭 중에 에러가 발생된 경우, 절삭아암(4)의 작동을 중단시키게 되고, 재탐색부가 위치정보를 재탐색하도록 한다. 재탐색부는 레이저 스캐너(30)에 제어신호를 전송하여 특정문양(7)이 형성된 뼈(6)를 재 스캐닝하게 하여 다시 뼈(6)의 위치데이터(9)를 추출하고, 매칭부(40)가 형상데이터(8)와 다시 추출된 위치데이터(9)를 재매칭하여 위치정보를 형성하게 한다. 그리고 제어부(50)는 다시 형성된 위치정보를 기반으로 절삭아암(4)이 절삭부위를 절삭하도록 절삭아암(4)을 제어하게 된다.

1:종래 관절수술용 로봇
2:디지타이저
3:디지타이저의 탐침
4:절삭아암
5:모션측정부
6:뼈
7:마커
8:형상데이터
9:위치데이터
10:지지대
11:고정대
20:영상처리부
30:레이저 스캐너
31:몸체
32:레이저빔조사부
33:촬상장치
34:레이저빔
40:매칭부
50:제어부
60:재탐색부
70:마커형성용 절삭수단
100:관절수술용 로봇

Claims (15)

1. 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색장치에 있어서,
   관절수술의 대상이 되는 신체 일부가 지지되는 지지대;
   관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상 데이터를 얻는 영상처리부;
   환부가 절개된 상태에서 뼈에 특정문양을 형성하기 위해 상기 뼈의 표면 일부를 절삭하는 마커형성용 절삭수단;
   상기 특정문양이 형성된 상기 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 레이저 스캐너;
   상기 형상데이터와 상기 위치 데이터를 매칭시켜 상기 뼈의 위치정보를 얻는 매칭부; 및
   상기 위치정보에 에러가 발생된 경우 상기 레이저 스캐너에 의해 상기 특정문양이 형성된 상기 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 재추출하게 하고, 상기 매칭부가 상기 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하게 하는 재탐색부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 레이저 스캐너는
   상기 뼈와 이격되게 위치한 몸체, 상기 몸체 내부에 구비되어 상기 뼈에 레이저빔을 조사하는 레이저빔조사부, 상기 몸체 내부에 구비되어 상기 레이저빔이 조사된 뼈를 촬상하여 3차원 데이터를 얻는 촬상장치 및 상기 레이저 스캐너는 상기 몸체를 수평방향으로 이동시키는 무빙 플레이트를 포함하고,
   상기 에러가 발생된 경우, 상기 특정문양이 형성된 상기 뼈를 다시 스캐닝하여 위치데이터를 재생성하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈의 위치 재탐색장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 재탐색부는 상기 에러가 발생된 경우 상기 레이저스캐너에서 재생성된 위치데이터와 상기 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 다시 형성하도록 상기 매칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈의 위치 재탐색장치.
   
4. 관절수술의 대상이 되는 신체 일부가 지지되는 지지대;
   관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상 데이터를 얻는 영상처리부;
   환부를 절개된 상태에서 뼈에 특정문양을 형성하기 위해 상기 뼈의 표면일부를 절삭하는 마커형성용 절삭수단;
   상기 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 레이저 스캐너;
   상기 형상데이터와 상기 위치 데이터를 매칭시켜 상기 뼈의 위치정보를 얻는 매칭부;
   상기 위치정보를 기반으로 상기 뼈의 절삭부위를 절삭하는 절삭아암; 및
   상기 위치정보에 에러가 발생된 경우 상기 레이저 스캐너에 의해 상기 특정문양이 형성된 상기 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 재추출하게 하고, 상기 매칭부가 상기 형상데이터와 재추출된 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하게 하는 재탐색부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 매칭부에서 상기 위치정보를 전송받아 상기 위치정보를 기초로 상기 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하는 중 에러가 발생되는 경우 상기 절삭아암의 작동을 중단시키고, 상기 재탐색부를 작동시켜 상기 레이저 스캐너가 상기 특정문양이 형성된 뼈의 위치데이터를 재추출하도록 하고, 상기 매칭부가 상기 형상데이터와 재추출된 상기 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하도록 상기 재탐색부를 제어하고, 재탐색된 상기 위치정보를 기초로 상기 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 영상처리부는 상기 신체 일부에 위치한 뼈의 형상 데이터를 얻는 컴퓨터 단층촬영기기인 것을 특징으로 하는 재탐색장치를 갖는 관절수술용 로봇.
   
8. 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색방법에 있어서,
   영상처리부가 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상데이터를 얻는 단계;
   관절수술용 로봇의 지지대에 신체 일부를 고정시키는 단계;
   환부를 절개한 상태에서 마커형성용 절삭수단이 상기 뼈의 일부 표면을 절삭하여 뼈에 특정문양을 형성하는 단계;
   레이저 스캐너가 상기 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 단계;
   매칭부가 상기 위치데이터와 상기 형상 데이터를 매칭시켜 뼈의 위치정보를 얻는 단계; 및
   상기 위치정보에 에러가 발생된 경우 재탐색부가 상기 형상데이터와 상기 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색방법.
   
9. 제 8항에 있어서
   위치 데이터를 추출하는 단계는,
   구동부가 상기 레이저 스캐너를 평면방향으로 이동시키면서, 상기 위치데이터를 얻고자 하는 부분에 레이저빔 조사장치가 레이저빔을 상기 뼈에 조사하는 단계 및 상기 레이저 스캐너의 촬상장치가 상기 뼈를 촬상하여 3차원 위치 데이터를 얻는 단계를 포함하고,
   상기 에러가 발생된 경우, 상기 레이저스캐너는 상기 특정문양이 형성된 상기 뼈를 스캐닝하여 위치데이터를 재생성하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈 위치 재탐색방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 형상데이터를 얻는 단계는,
    컴퓨터 단층촬영기기에 의해 뼈를 촬영하여 3차원 형상 데이터를 얻는 단계; 및
    상기 3차원 형상데이터에서 절삭할 부분을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈의 위치 재탐색방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 재탐색하는 단계는,
    상기 위치정보에 에러가 발생된 경우 상기 레이저스캐너에서 재생성된 위치데이터와 상기 형상데이터를 매칭하여 위치정보를 다시 형성하도록 상기 매칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 절삭아암을 갖는 로봇을 이용한 관절수술에서 뼈의 위치 재탐색방법.
    
12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 4항의 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법에 있어서,
    영상처리부가 관절수술의 대상이 되는 뼈를 촬영하여 뼈의 형상데이터를 얻고 상기 형상데이터를 기초로 뼈의 절삭부위를 설정하는 단계;
    관절수술용 로봇의 지지대에 신체 일부를 고정시키는 단계;
    환부를 절개한 상태에서 마커형성용 절삭수단이 뼈의 표면일부를 절삭하여 특정문양을 형성하는 단계;
    레이저 스캐너가 상기 특정문양이 형성된 뼈를 스캐닝하여 뼈의 위치 데이터를 추출하는 단계;
    매칭부가 상기 위치데이터와 상기 형상 데이터를 매칭시켜 상기 뼈의 위치정보를 얻는 단계;
    상기 위치정보에 기반하여 상기 관절수술용 로봇을 구성하는 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하는 단계; 및
    상기 절삭아암에 의해 상기 절삭부위를 절삭하는 중, 상기 위치정보에 에러가 발생된 경우 재탐색부가 상기 형상데이터와 상기 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색부를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법.
    
13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 12항에 있어서,
    상기 절삭부위를 절삭하는 단계는,
    제어부가 상기 매칭부로부터 상기 위치정보를 수신받아 설정된 상기 절삭부위를 절삭하도록 상기 절삭아암을 제어하는 것을 특징으로 하는 재탐색부를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법.
    
14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 13항에 있어서,
    상기 위치정보를 재탐색하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하는 중 에러가 발생되는 경우, 상기 절삭아암의 작동을 중단시키는 단계, 상기 재탐색부를 작동시켜 상기 특정문양이 형성된 뼈의 위치데이터를 재추출하도록 상기 레이저스캐너를 제어하는 단계, 상기 형상데이터와 재추출된 상기 위치데이터를 재매칭하여 위치정보를 재탐색하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색부를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법.
    
15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 14항에 있어서,
    상기 제어부가 재탐색된 상기 위치정보를 기초로 상기 절삭아암이 상기 절삭부위를 절삭하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재탐색부를 갖는 관절수술용 로봇을 이용한 관절수술방법.

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