KR101528436B1 - 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치 - Google Patents

환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치를 공개한다. 이 장치는 플레이트부와 제어 모듈 케이스가 결합된 팬텀 본체; 상기 플레이트부 상에 설치되는 수조; 상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 장기 모형의 움직임을 모사하는 3축 스테이지부; 상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 복부 모형의 움직임을 모사하는 복부모사 팬텀; 및 상기 플레이트부와 상기 제어 모듈 케이스가 결합되는 부분 상에 설치되는 수평계;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 실제 환자의 상황과 근접한 환경으로 시뮬레이션이 가능하여 환자의 장기가 예상과 다르게 움직이더라도 환자의 장기의 움직임을 정확하게 모사할 수 있게 되어 방사선 치료기의 성능 평가나 실제 방사선 치료 전에 정확한 시뮬레이션용으로 활용할 수 있게 된다.

Description

환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치{A four-dimensional respiration simulating phantom apparatus for simulating patient motion}
본 발명은 호흡모사 팬텀 장치에 관한 것으로서, 특히 환자의 신체 내부 장기 모형과 복부 모형의 움직임을 실제 환자의 환경과 동일하게 재현하고, 복부 모사 움직임과 흉부 모사 움직임을 독립적으로 제어함으로써 환자의 장기가 예상과 다르게 움직이더라도 환자의 장기의 움직임을 정확하게 모사할 수 있는 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치에 관한 것이다.
일반적으로 방사선 종양학과에서는 사람 내부의 장기의 특정 부분(종양)에 집중적인 방사선을 쏘여서 암을 치료하는 방사선 치료법을 사용하고 있다. 이 방법은 주변 정상 장기의 장해를 최소화하면서 종양에 고선량의 방사선을 조사하여 종양조직을 파괴하거나 성장을 억제하여 암을 치료하는 치료법이다.
이러한 방사선 치료에의 최첨단에 세기조절 방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)와 체부정위 방사선치료(Stereotactic Body Radiation Therapy, SBRT)가 있으며, 이들 모두는 고도의 정밀성과 정확성을 요구하는 첨단방사선 치료법이다.
이러한 방사선 치료시 계획한 방사선량이 환자에게 정확히 전달되는지 확인하는 것이 매우 중요하다.
특히, 치료에 고 선량을 사용하기 때문에, 동일한 치료부위라도 위치에 따라 받게 되는 방사선량이 달라지며, 정상조직을 보호하기 위해 치료부위 위치에 따라서 급격한 방사선량 변화가 있는 지점이 생긴다.
따라서, 방사선 치료기기의 정확성을 검증하기 위해서 사람의 복부 움직임도 모사하고, 신체 내부 장기에서 종양의 움직임도 모사하는 기구인 팬텀의 제작이 필요하다.
그런데, 종래의 팬텀은 환자의 움직임을 정확하게 모사하기보다는 일정한 패턴을 가진 움직임을 반복함으로써 치료장비의 정확도만을 검증한다는 한계가 있었다.
또한, 복부의 모사를 할 때 움직이는 패턴이 정해져 있기 때문에 환자의 복부 움직임을 그대로 따라 할 수 없고, 내부 장기에 관한 흉부 모사를 할 때도 환자의 내부 장기 움직임을 그대로 따라 하는 것이 아니라 정해진 패턴대로 움직일 수 밖에 없으며, 복부 모사 움직임과 흉부 모사 움직임을 독립적으로 할 수 없는 단점이 있었다.
이와 관련된 종래 기술을 검토하면 다음과 같다.
한국등록특허 제 10-0825894 호는 환자의 장기를 모사한 팬텀을 3축 방향으로 움직이는 개념을 개시한다. 그러나, 본 종래기술에서는 에서 팬텀을 이동하는 움직임은 환자의 움직임 패턴에 따라 미리 계획된 움직임이므로, 환자의 장기가 예상과 다르게 움직이더라고, 환자의 장기의 움직임을 정확하게 모사할 수 있는 구성을 제공하지는 못하고 있다.
한국등록특허 제 10-1278727 호는 인체의 호흡 운동을 모사하는 장치를 개시한다. 그러나, 본 종래기술에서는 단순히 호흡에 따른 복부의 움직임을 팬텀에 반영하는 구성을 개시할 뿐, 지속적으로 수신한 환자의 복부 종양 좌표 데이터에 따라 팬텀을 움직여 환자의 복부의 움직임을 실시간으로 정확하게 모사할 수 있는 구성을 제공하지는 못하고 있다.
(특허문헌 1) KR 10-0825894 B
(특허문헌 2) KR 10-1278727 B
본 발명의 목적은 신체 내부 장기 모형과 복부 모형의 움직임을 실제 환자의 환경과 동일하게 재현하고, 외부적 요인에 의해 복부 움직임과 흉부 움직임에 상관 관계가 없는 경우에도 복부 모사 움직임과 흉부 모사 움직임을 독립적으로 제어할 수 있는 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치는 플레이트부와 제어 모듈 케이스가 결합된 팬텀 본체; 상기 플레이트부 상에 설치되는 수조; 상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 장기 모형의 움직임을 모사하는 3축 스테이지부; 상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 복부 모형의 움직임을 모사하는 복부모사 팬텀; 및 상기 플레이트부와 상기 제어 모듈 케이스가 결합되는 부분 상에 설치되는 수평계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 경우, 실제 환자의 상황과 근접한 환경으로 시뮬레이션이 가능하여 환자의 장기가 예상과 다르게 움직이더라도 환자의 장기의 움직임을 정확하게 모사할 수 있게 되어 방사선 치료기의 성능 평가나 실제 방사선 치료 전에 정확한 시뮬레이션용으로 활용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치를 상부에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치 내 복부모사 팬텀(400)의 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치의 그래프 기반 상태를 표시하는 그래픽 유저 인터페이스(GUI)의 화면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치를 상부에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치 내 복부모사 팬텀(400)의 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 호흡모사 팬텀 장치의 그래프 기반 상태를 표시하는 그래픽 유저 인터페이스(GUI)의 화면이다.
팬텀 본체(100)는 플레이트부(120)와 제어 모듈 케이스(140)의 결합체로서, 플레이트부(120) 상에는 수조(200)가 설치되고, 제어 모듈 케이스(140)의 상부에는 3축 스테이지부(300) 및 복부모사 팬텀(400), 하부에는 캐스터(180)가 설치되며, 내부에는 제어 모듈(500)이 설치된다.
또한, 플레이트부(120)와 제어 모듈 케이스(140)가 결합되는 부분에 수평계(600)가 설치되고, 제어 모듈 케이스(140)는 밸브(160) 및 도어(190)를 추가적으로 구비한다.
3축 스테이지부(300)는 제1 구동부(310), 아암(320), 장기 모형(330), 스테이지 본체(340) 및 전선(350)을 구비하고, 제1 구동부(310)는 3축의 스테핑 모터를 구비한다.
복부모사 팬텀(400)은 제2 구동부(410), 모터 하우징(420), 복부 모형(430), 상하 운동 브래킷(440) 및 선형 액츄에이터(450)를 구비한다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치의 각 구성요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
팬텀 본체(100)는 플레이트부(120)와 제어 모듈 케이스(140)가 좌우로 결합된다.
수조(200)는 플레이트부(120) 상에 설치되어 내부에 물을 채워 환자의 실제 신체 내부를 모사하고, 밸브(160)의 조작에 의해 채워진 물을 배수구(210) 및 호스(220)를 통해 배출한다.
3축 스테이지부(300)는 제어 모듈 케이스(140) 상에 설치되어 제1 구동부(310)의 구동에 따라 장기 모형(330)의 움직임을 모사한다.
즉, 제1 구동부(310)가 스테이지 본체(340)의 내부에 복수개로 설치되어 장기 모형(330)의 움직임이 3축 방향으로 모사되도록 구동하면, 아암(320)은 이에 응답하여 일단의 상부에 위치하는 장기 모형(330)을 수조(200) 내에서 이동시킨다.
여기에서, 제1 구동부(310)는 아암(320)을 x축 방향으로 이동시키는 x축 스테핑 모터(312), y축 방향으로 이동시키는 y축 스테핑 모터(314), z축 방향으로 이동시키는 z축 스테핑 모터(316)를 구비한다.
복부모사 팬텀(400)은 제어 모듈 케이스(140) 상에 설치되어 제2 구동부(410)의 구동에 따라 복부 모형(430)의 움직임을 모사한다.
즉, 제2 구동부(410)가 모터 하우징(420)의 내부에 설치되어 복부 모형(430)의 움직임이 y축 방향으로 모사되도록 구동하면, 상하 운동 브래킷(440)은 이에 응답하여 선형 액츄에이터(450)의 y축 방향으로 구비된 슬리이딩 레일 상에서 y축 방향으로 이동하고, 상하 운동 브래킷(440)에 부착된 플레이트 형상의 복부 모형(430)은 상하 운동 브래킷(440)과 함께 y축 방향으로 일체로 이동한다.
수평계(600)는 플레이트부(120)와 제어 모듈 케이스(140)가 결합되는 부분에 설치되어 팬텀 본체(100)가 수평한 상태에서 동작하도록 조절한다.
제어 모듈(500)은 소정의 시간 단위로 장기 모형(330) 및 복부 모형(430)의 움직임 좌표 데이터를 인가받아 4차원 즉, 3축 스테이지부(300) 및 1축 복부모사 팬텀(400)의 이동을 독립적으로 제어한다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치의 일 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실제 환자 내부의 환경과 동일하게 재현하기 위해서 수조(200) 안에 물을 채우고 그 안에서 3축 스테이지부(300) 내 아암(320)이 3차원 운동을 할 수 있도록 설치되고, 플레이트부(120)와 제어 모듈 케이스(140)가 결합되는 부분에는 팬텀 본체(100)가 수평한 상태에서 동작하도록 수평계(600)가 설치된다.
장기 모형(330)의 움직임은 x, y, z 3축으로 움직이는 특성이 있으므로, 3축 스테핑 모터인 제1 구동부(310)의 구동을 통해 전후좌우상하의 세 방향으로 환자의 내부 마커에 해당하는 장기 모형(330) 움직임을 모사한다.
또한, 복부 모형(430)의 움직임은 단축으로 움직이는 특성이 있으므로, 제2 모터구동부의 구동을 통해 상하의 한 방향으로 외부 마커에 해당하는 복부 모형(430) 움직임을 모사한다.
한편, 제어 모듈(500)은 소정의 시간, 예를 들어 1/30초 단위로 환자의 장기 모형(330)의 움직임과 플레이트 형상의 복부 모형(430)의 움직임 좌표 데이터를 가져와 3축 스테이지부(300) 및 복부모사 팬텀(400)의 이동을 제어한다.
제어 모듈(500)은 4개의 슬롯으로 구성되고, 스텝 인터페이스가 삽입되어 이더넷을 통해 4차원 즉, 3축 스테이지부(300) 및 1축 복부모사 팬텀(400)의 이동을 독립적으로 제어한다.
이는 실제 환자의 복부 움직임과 신체 내부 장기에서 종양의 움직임이 독립적으로 이루어지는 것을 반영한 것이다.
또한, 제어 모듈 케이스(140)에는 내부에 내장된 제어 모듈(500)을 보호하도록 여닫이용 도어(190)가 설치되고, 호흡모사 팬텀 장치 전체를 이동하기 용이하도록 하부에 캐스터가 복수개로 설치된다.
한편, 제어 모듈(500)에는 입출력 수단으로 사용자 단말기(미도시)가 연결되는데, 도 5에서 보는 바와 같이, 사용자 단말기의 화면 중 상태 표시창(710)에는 속도 또는 위치를 나타내는 그래프가 표시되고, 위치 지정 입력창(720)에는 이동 위치 지정용 입력 데이터가 표시되며, 버튼부(730)에는 호흡모사 팬텀 장치 이동의 시작, 정지, 원점 이동, 지정된 좌표로의 이동을 입력하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 환자의 움직임을 모사하는 4차원 호흡모사 팬텀 장치는 환자의 신체 내부 장기 모형과 복부 모형의 움직임을 실제 환자의 환경과 동일하게 재현하고, 외부적 요인에 의해 복부 움직임과 흉부 움직임에 상관 관계가 없는 경우에도 복부 모사 움직임과 흉부 모사 움직임을 독립적으로 제어한다.
이를 통하여, 실제 환자의 상황과 근접한 환경으로 시뮬레이션이 가능하여 환자의 장기가 예상과 다르게 움직이더라도 환자의 장기의 움직임을 정확하게 모사할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 팬텀 본체
120: 플레이트부
140: 제어 모듈 케이스
160: 밸브
180: 캐스터
190: 도어
200: 수조
300: 3축 스테이지부
400: 복부모사 팬텀
500: 제어 모듈
600: 수평계

Claims (7)

  1. 플레이트부와 제어 모듈 케이스가 결합된 팬텀 본체;
    상기 플레이트부 상에 설치되는 수조;
    상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 장기 모형의 움직임을 모사하는 3축 스테이지부;
    상기 제어 모듈 케이스 상에 설치되어 복부 모형의 움직임을 모사하는 복부모사 팬텀; 및
    상기 플레이트부와 상기 제어 모듈 케이스가 결합되는 부분 상에 설치되는 수평계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡모사 팬텀 장치는
    소정의 시간 단위로 상기 장기 모형 및 상기 복부 모형의 움직임 좌표 데이터를 인가받아 상기 3축 스테이지부 및 상기 복부모사 팬텀의 이동을 독립적으로 제어하는 제어 모듈;
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3축 스테이지부는
    스테이지 본체;
    상기 스테이지 본체의 내부에 복수개로 설치되어 상기 장기 모형의 움직임이 3축 방향으로 모사되도록 구동하는 제1 구동부; 및
    상기 스테이지 본체로부터 상기 수조까지 연장되어 설치되어 상기 제1 구동부의 구동에 응답하여 일단의 상부에 위치하는 상기 장기 모형을 상기 수조 내에서 이동시키는 아암;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 구동부는
    상기 아암을 x축 방향으로 이동시키는 x축 스테핑 모터;
    상기 아암을 y축 방향으로 이동시키는 y축 스테핑 모터; 및
    상기 아암을 z축 방향으로 이동시키는 z축 스테핑 모터;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복부모사 팬텀은
    y축 방향의 슬리이딩 레일을 구비하는 선형 액츄에이터;
    상기 슬리이딩 레일 상에서 y축 방향으로 이동하는 상하 운동 브래킷;
    상기 상하 운동 브래킷에 부착되어 y축 방향으로 상기 상하 운동 브래킷과 일체로 이동하는 플레이트 형상의 상기 복부 모형; 및
    상기 상하 운동 브래킷이 y축 방향으로 이동되도록 구동하는 제2 구동부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 케이스는
    내부에 내장된 상기 제어 모듈을 보호하도록 설치되는 도어; 및
    상기 호흡모사 팬텀 장치를 이동하도록 하부에 복수개로 설치되는 캐스터;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    스텝 인터페이스가 삽입되어 이더넷을 통해 상기 3축 스테이지부 및 상기 복부모사 팬텀의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    호흡모사 팬텀 장치.
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