KR101544712B1 - 수술용 항법 시스템의 교정 방법 - Google Patents

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KR101544712B1 KR1020130147369A KR20130147369A KR101544712B1 KR 101544712 B1 KR101544712 B1 KR 101544712B1 KR 1020130147369 A KR1020130147369 A KR 1020130147369A KR 20130147369 A KR20130147369 A KR 20130147369A KR 101544712 B1 KR101544712 B1 KR 101544712B1
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신기영
진승오
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Abstract

본 발명은 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템에서 (a)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시키는 단계; (b)상기 수술용 도구의 회전에 따라 상기 카메라 모듈을 통해 획득한 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계; 및 (c)상기 마커 각각의 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 포함하며, 수술용 항법장치의 수술용 도구의 끝점을 고정시키고 그 점을 기준으로 회전시켜 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적을 측정함으로써, 복잡한 좌표보정 방식을 이용하지 않고 간편하게 수술용 도구의 끝점을 도출하는 수술용 항법 시스템의 교정 방법에 관한 것이다.

Description

수술용 항법 시스템의 교정 방법 {Calibration method for surgical navigation systems}
본 발명은 수술용 항법 시스템의 교정 방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 수술용 도구를 한 점을 기준으로 회전시키도록 하여 생성되는 마커 궤적 정보를 이용하여 수술용 도구의 끝점 좌표를 보다 간편하고 효율적으로 도출하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 미국특허 제5,921,992호에 기재된 수술용 항법장치용 도구의 교정 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 적외선 카메라(1)에 의해 인식가능한 적외선 반사구(21,22,23,24)가 구비된 베이스(20), 그리고 베이스(20)의 중앙에 구비된 튜브(25)를 구비한다. 튜브(25)는 점선(30)으로 표시된 방향축을 가지며, 그 단부에 29로 표시된 끝점을 가지며, 튜브(25)의 끝점(29)과 방향축(30)은 적외선 반사구(21,22,23,24)에 대해 상대적으로 결정되어 있다. 적외선 카메라(1)에 의해 수집된 정보는 컴퓨터인 수술용 항법장치(6)로 보내져서 수술용 항법장치(6)에 의해 처리되고, 모니터(7)를 통해 디스플레이된다. 수술용 항법장치(6)는 수술에 앞서 MRI 또는 CT 장치 등을 통해 획득된 이미지를 저장하고 있으며, 수술 동안에 이 이미지 중 관심이 있는 영역을 모니터(7)를 통해 디스플레이하는 장치를 말한다. 이때, 상기 관심이 있는 영역을 수술용 항법장치(6)에 인식시켜주거나, 환부의 치료에 사용되는 도구가 수술 도구 또는 도구(28)이다.
도구(28)를 수술용 항법장치(6)가 인식하고 모니터(7)를 통해 나타내기 위해서는, 도구(28)의 적외선 반사구(32,33,34) 또는 이들이 형성하는 좌표계에 대하여 도구(28)가 가지는 방향(27)과 그 끝점(끝점(29)에 대응)에 대한 정보가 필요하며, 적외선 반사구(21,22,23,24)에 대하여 또는 이들이 형성하는 좌표계에 대하여, 위치 및 방향 정보가 알려져 있는 튜브(25)의 끝점(29)까지 도구(28)를 삽입함으로써 용이하게 취득될 수 있다.
도구(28)가 튜브(25) 안으로 삽입되어 안내되고 도구(28)의 끝점이 끝점(29)과 일치되며, 이에 의해 도구(28)가 가지는 방향(27)이 방향축(30)과 일치하게 된다. 끝점(29)과 방향축(30)의 좌표는 이미 알려져 있으므로, 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 좌표 또한 적외선 카메라(1)를 통해 수술용 항법장치(6)가 알 수 있게 된다.
한편 적외선 카메라(1) 즉, 광학 센서(Otical Sensor)를 이용하는 경우의 단점은 적외선 카메라(1)의 시계(8;Field of View) 내에 있어서도 의사 또는 수술용 장치에 의해 가려지는 경우에 적외선 카메라(1)가 적외선 반사구(21,22,23,24) 또는 적외선 반사구(32,33,34)를 감지하지 못하여 수술용 항법장치(6)가 제대로 작동하지 못한다는 것이다. 예를 들어, 입안에서 수술이 행해지는 치과적 수술의 경우에 특히 그러할 수 있다.
도 2는 수술용 항법장치에 있어서 도구 교정의 의미를 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수술용 항법장치(6)는 적외선 반사구(21,22,23,24)를 하나의 좌표계(X1,Y1,Z1)로 인식하며, 적외선 반사구(32,33,34)를 하나의 좌표계(X2,Y2,Z2)로 인식한다. 도구 교정은 도구(28)가 가르키는 방향(27)과 도구의 끝점(끝점(29)에 대응)을 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대하여 나타내는 작업으로 이해할 수 있다.
좌표계(X1,Y1,Z1)와 좌표계(X2,Y2,Z2)의 관계를 3×3 형식의 메트릭스 즉, 선형변환 T로 표시할 때, 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대한 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 관계는 도구(28)를 튜브(25)의 끝점(29)에 위치시킴으로써 간단하게 알 수 있다. 즉, 좌표계(X1,Y1,Z1)에 대한 튜브(25)의 끝점(29)과 방향(30)의 관계를 알고 있으므로, 이들에 선형변환(T)을 행하면 간단하게 좌표계(X2,Y2,Z2)에 대해 도구(28)의 방향(27)과 끝점의 관계를 나타낼 수 있게 된다.
이와 같이, 수술용 항법장치는 수술용 도구의 일부를 환자의 신체 내부로 삽입하여 CT나 MRI영상과의 융합으로 도구의 끝점이 CT나 MRI영상에서의 위치를 구하거나 환자 신체에 부착된 마커의 위치에 수술용 도구의 끝점을 접촉시키면서 마커의 위치를 정합하는 방식을 통해 마커 위치를 구하는 방식으로 이용할 수 있다. 어느 방식을 이용하더라도 수술용 도구의 끝점 위치를 정확하게 계산하여야 수술용 항법장치가 동작할 수 있다.
그러나, 이와 같은 수술용 항법장치는 수술과정에서 의사와의 접촉, 다른 수술 도구와의 충돌 또는 위치변경의 필요성 등으로 인해 환자와 기준 프레임의 위치 관계가 변경될 수 있으며, 이러한 변경은 기준 프레임 좌표계(R)와 이미지 데이터 좌표계(M)의 불일치를 가져와 수술용 항법장치상에서 오차를 야기하며, 무엇보다도 정확성이 요구되는 수술에 있어 제거되어야할 문제점이라 볼 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 수술용 항법장치의 수술용 도구의 끝점을 고정시키고 그 점을 기준으로 회전시켜 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적을 측정하여 수술용 도구의 끝점좌표를 도출하는 방법을 제안하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템의 교정 방법은, (a)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시키는 단계; (b)상기 수술용 도구의 회전에 따라 상기 카메라 모듈을 통해 획득한 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계; 및 (c)상기 마커 각각의 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 (b) 단계는, 상기 카메라 모듈을 통해 획득한 다수의 영상정보로부터 상기 마커 각각의 2차원 좌표정보를 추출하는 단계; 및 상기 마커 각각의 2차원 좌표값 및 상기 카메라 모듈의 위치 관련 행렬정보를 이용하여 상기 마커 각각의 3차원 좌표정보를 도출하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 수술용 도구의 회전에 따라 생성되는 상기 마커 각각의 3차원 좌표정보의 집합은 하나 이상의 궤적을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 (c) 단계는, 상기 마커 각각의 3차원 좌표정보를 입력값으로 하여 상기 마커가 그리는 궤적이 구의 일부를 구성하고, 상기 회전 기준점을 구의 중심점으로 하는 소정의 구의 방정식을 이용한 상기 최적화 알고리즘을 통해 최적화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 (c) 단계는, 상기 최적화 알고리즘을 만족하는 구의 중심점을 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보로 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 상기 회전 기준점은, 상기 받침대 상면에 양각 형태로 형성된 지지벽으로 둘러싸인 홈의 형태로 구현하거나 또는 음각 형태로 오목하게 형성된 홈의 형태로 구현할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 수술용 항법 시스템의 교정 방법은, 상기 받침대 상면의 상기 회전 기준점의 인접 영역에 추가 마커를 부착하여 상기 수술용 도구의 회전시 상기 추가 마커의 좌표정보를 추출하는 단계; 및 상기 추가 마커의 좌표정보를 상기 최적화 알고리즘의 초기해로 사용하여 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (a)단계는, 상기 다수의 마커가 고정된 상태에서의 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계; 상기 마커 각각의 좌표정보에 기초하여 상기 다수의 마커로 이루어진 도형의 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및 상기 중심점 좌표정보를 기준으로 제1 지역좌표계를 생성하여, 상기 중심점으로부터 상기 다수의 마커까지 각각의 백터 정보를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 (b)단계는, 상기 다수의 마커의 회전 구동에 따른 구동 프레임 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 추출하는 단계; 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보에 기초하여 변동된 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 상기 변동된 중심점 좌표정보를 기준으로 제2 지역좌표계를 생성하는 단계; 상기 제2 지역좌표계와 상기 제1 지역좌표계를 비교하여 회전행렬 및 이동행렬을 계산하는 단계; 및 상기 회전행렬, 상기 이동행렬 및 상기 수술용 도구가 고정된 상태에서 계산된 마커 각각의 벡터 정보를 기초하여 상기 다수의 마커 각각의 회전 구동에 따른 오차값을 산출하고, 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태 다른 실시예에 따른 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템의 교정 방법은, (a)상기 다수의 마커가 고정된 상태에서의 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보 및 중심점 좌표정보를 추출하는 단계; (b)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시킴에 따라, 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보 및 변동된 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및 (c)상기 다수의 마커가 고정된 상태에서 추출한 좌표정보 및 중심점 좌표정보와 상기 수술용 도구의 회전 구동에 따라 추출한 변동된 좌표정보 및 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및 (d)상기 다수의 마커의 고정 상태 및 회전구동 상태에서 도출한 마커 각각의 좌표정보 및 중심점 좌표정보에 기초하여 상기 다수의 마커 각각의 회전 구동에 따른 오차값을 산출하고, 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 보정하는 단계를 포함한다.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 (a)단계는, 상기 중심점 좌표정보를 기준으로 제1 지역좌표계를 생성하여, 상기 중심점으로부터 상기 다수의 마커까지 각각의 백터 정보를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 (b)단계는, 상기 변동된 중심점 좌표정보를 기준으로 제2 지역좌표계를 생성하는 단계; 및 상기 제2 지역좌표계와 상기 제1 지역좌표계를 비교하여 회전행렬 및 이동행렬을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 항법 시스템의 교정 방법은, 상기 마커 각각의 보정된 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실시형태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수술용 항법장치의 수술용 도구의 끝점을 고정시키고 그 점을 기준으로 회전시켜 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적을 측정함으로써, 복잡한 좌표보정 방식을 이용하지 않고 간편하게 수술용 도구의 끝점을 도출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수술용 항법장치의 수술용 도구의 끝점 위치 추적을 위해 별도의 도구는 불필요해짐으로써 전체 수술용 도구의 크기를 축소시킬 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 미국특허 제5,921,992호에 기재된 수술용 항법장치용 도구의 교정 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 2는 수술용 항법장치에 있어서 도구 교정의 의미를 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구를 구동시키는 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 도구의 끝점을 도출하는 알고리즘의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 수술용 도구의 끝점을 한 점에 고정시켜 그 점을 기준으로 회전시키는 경우 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적이 그려지는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 도구의 끝점을 한 점에 고정시켜 그 점을 기준으로 회전시키는 경우 최적화된 마커의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구를 구동시키는 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구에 장착된 마커에 대한 좌표 계산 알고리즘을 수행하는 방법을 설명하기 위한 절차 흐름도이다.
도 9는 도 8의 과정에 따라 마커 좌표를 도출하는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8의 과정에 따라 마커 좌표를 도출하는 과정의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 도구의 좌표 계산 알고리즘을 적용하는 경우 수술용 도구의 구동에 따른 오차율을 감소시키는 정도를 비교하는 그래프의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
본 발명은 수술용 항법장치를 위한 도구의 보정 방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 수술용 도구를 한 점을 기준으로 회전시키도록 하여 생성되는 마커 궤적 정보를 이용하여 수술용 도구의 끝점 좌표를 보다 간편하고 효율적으로 보정하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 카메라모듈을 이용하여 수술용 도구의 적외선 반사구(마커)의 이동형태를 모니터링하며 이들이 형성하는 좌표계를 도출하는 광학식 시스템에 이용되는 수술용 항법장치의 교정 방법을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구를 구동시키는 일 예를 나타내는 단면도로서, 구체적으로는 하나의 수술용 도구가 회전하는 형태를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구(300)의 끝점(301)을 소정의 받침대(310) 상부에 형성된 일정한 지지공간(311, 312) 내부에서 움직이도록 끝점(301)이 받침대(310)에 닿는 면적을 한점으로 고정시키고, 그 점을 기준으로 수술용 도구를 회전시킨다.
이때, 지지공간은 도 3의 (a)와 같이 원형의 지지벽으로 둘러싸인 내부 공간(311)으로 구현하거나 또는 도 3의 (b)와 같이 받침대(310)에 소정의 음각형태로 오목하게 형성된 홈 형태의 지지공간(312)으로 구현할 수 있다.
지지공간(311, 312) 내 수술용 도구의 끝점(301)을 고정시킨 상태에서 회전시키면, 기존의 방식과 달리 수술용 도구의 상부에 부착된 3개의 마커(303, 304, 305)가 회전하면서 원형 또는 타원형의 궤적을 그리게 된다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 수술용 도구의 회전시 수술용 항법 시스템의 소정의 카메라 모듈을 통해 마커가 그리는 궤적을 이용하여 수술용 도구의 끝점을 도출하는 과정은 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 도구의 끝점을 도출하는 알고리즘의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 수술용 항법 시스템에 포함된 다중 카메라 모듈의 보정과 카메라 행렬을 미리 계산한다(S401). 카메라 행렬은 현재 항법 시스템에 장착된 다중 카메라 모듈의 카메라 구성 형태 및 장착된 위치 등에 기초하여 시스템별로 구성될 수 있다.
다음으로, 수술용 도구는 상기 도 3에 예시된 형태로 받침대 상부의 한 점에 고정시킨 상태에서 회전시킨다(S402).
이때, 시스템의 카메라 모듈은 회전하는 수술용 도구의 영상정보를 획득하고, 획득한 영상정보를 통해 수술용 도구에 부착된 마커의 2차원 좌표를 추출한다(S403).
그리고, 마커의 2차원 좌표와 상기 전 단계(S401)에서 미리 구한 카메라 행렬 정보를 이용하여 마커의 3차원 좌표를 계산하며, 수술용 도구의 회전에 따른 마커의 궤적을 추출한다(S404).
이와 같이 추출된 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적을 이루는 3차원 좌표를 이용하여 수술용 도구의 끝점을 계산하기 위한 최적화를 수행하고 끝점을 계산한다(S405). 이때, 수술용 도구의 끝점은 구의 방정식을 유도하여 계산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 수술용 도구의 끝점을 한 점에 고정시켜 그 점을 기준으로 회전시키는 경우 수술용 도구에 부착된 마커의 궤적이 그려지는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 수술용 도구의 끝점을 한 점(501)을 기준으로 회전시키게 되면 도시된 바와 같이 회전에 따른 마커 궤적(502)이 그려지게 된다. 마커의 궤적이 반복적으로 그려짐에 따라 수술용 도구의 끝점이 고정되는 한 점(501)이 구의 중심점이 되고, 마커 궤적의 한 점과 끝점 간의 길이(503)는 반지름이 되는 구의 형태가 구성될 수 있다.
따라서, 수술용 도구에 부착된 3개의 마커 각각의 3차원 좌표 데이터가 수술용 도구의 회전에 따라 다수 획득되면 이를 통해 구의 방정식을 유도하고, 이를 통해 구의 중심점에 해당하는 끝점 좌표를 계산할 수 있다.
일반적인 구의 방정식은 수학식 1과 같다.
Figure 112013109466341-pat00001
상기 수학식 1에서, 좌표(a, b, c)는 구의 중심점의 좌표이고, r은 구의 반지름을 나타낸다.
3개 마커의 3차원 좌표데이터가 기 설정된 조건에 따라 충분히 쌓이게 되면 수학식 2와 같은 최적화 함수를 통해 끝점을 계산한다.
Figure 112013109466341-pat00002
상기 수학식 2에서, X, Y, Z는 마커의 3차원 좌표 데이터를 나타내고, x1, x2, x3는 구의 중심점의 좌표를 나타내고, x4는 구의 반지름을 나타낸다. 수학식 2와 같은 최적화 함수에 마커의 3차원 좌표 데이터를 입력하며 최적화 함수의 최소값을 만족하는 구의 중심좌표(x1, x2, x3) 및 반지름(x4)을 도출한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 도구의 끝점을 한 점에 고정시켜 그 점을 기준으로 회전시키는 경우 최적화된 마커의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 수학식 2를 통해 도출한 구의 좌표를 통해 구의 중심점(601) 및 구를 구상하는 마커의 궤적(602)을 도출할 수 있다. 이때, 기준점(601)은 구의 중심점이자 수술용 도구의 끝점의 좌표를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구를 구동시키는 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구(700)의 끝점(701)이 맞닿는 받침대(710) 상부에 형성된 일정한 지지공간(711, 712)의 인접 영역에 수술용 도구에 부착된 3개의 마커(703, 704, 705)와 별도로 추가 마커(706)를 부착한다. 이때, 추가 마커(706)의 좌표값은 수술용 도구의 끝점 위치 계산을 위한 최적화 알고리즘의 초기해로 사용할 수 있다.
해당 마커(706)를 이용하면 상기 수학식 2의 최적화 알고리즘에서 국소최저치(local minima)로 오류가 발생되는 문제가 감소되어 끝점의 위치계산의 정확도를 높일 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 끝점 계산을 위해 마커 3개가 부착된 수술용 도구를 구동하게 되면, 카메라의 셔터 스피드에 의해 흔들림일
발생할 수 있고, 흔들림에 의해 마커의 중심점 계산에 최소한의 오차가 발생할 우려가 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 항법장치의 교정 방법으로, 수술용 도구를 회전시키지 않은 상태에서 마커의 좌표를 계산하는 알고리즘을 제안하고자 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 항법장치의 수술용 도구에 장착된 마커에 대한 좌표 계산 알고리즘을 수행하는 방법을 설명하기 위한 절차 흐름도이고, 도 9 및 도 10은 도 8의 과정에 따라 마커 좌표를 도출하는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 수술용 도구를 구동시키지 않은 고정된 상태에서 획득한 영상정보로부터 수술용 도구에 장착된 3개의 마커 각각의 3차원 좌표(A, B, C)를 계산한다(S801).
세 마커의 좌표정보(A, B, C)가 계산되면, 이를 이용하여 세 마커 좌표를 기준으로 중심점(D)의 좌표정보(x, y, z)를 도출한다(S802).
이후, 중심점(D)의 좌표정보를 기준으로 제1 지역좌표계를 생성하여, 중심점에서 각 마커의 위치까지의 백터(V1, V2, V3) 정보를 산출한다(S803).
다음으로, 도 8 및 도 10을 참조하면, 고정상태의 수술용 도구를 구동시키면서 구동 프레임에 따라 획득한 영상정보로부터 세 마커의 변동된 3차원 좌표(A', B', C')를 계산하고(S804), 변동된 세 마커 좌표(A', B', C')를 기준으로 변동된 중심점(D')의 좌표정보(x1, y1, z1)를 도출한다(S805). 도 10의 (b)에서 좌측에 도시된 마커의 좌표는 수술용 도구의 구동에 따른 첫번째 프레임에서의 위치 정보를 나타내는 것이다.
새로운 중심점(D')을 기준으로 제2 지역좌표계를 생성하면(S806), 제2 지역좌표계와 상기 단계 S803에서 도출한 수술용 도구가 구동하지 않는 상태의 제1 지역좌표계와의 제1 회전행렬(R1) 및 제1 이동행렬(t1)을 계산한다(S807).
상기 회전행렬(R), 이동행렬(t) 및 수술용 도구가 고정된 상태에서 계산된 벡터(V1, V2, V3)정보를 이용하여 수술용 도구의 구동에 따른 오차값을 교정하며, 교정된 마커의 위치(m1, m2, m3)에 대한 좌표 정보를 도출한다(S808).
또한, 도 10에 도시된 것과 같이, 수술용 도구의 구동에 따라 두번째 프레임에서의 새로운 마커 위치(m1', m2', m3')에 대한 좌표 정보 및 제2 중심점(D") 좌표도 구할 수 있다. 마찬가지로, 두번째 프레임상에서도 고정 상태에서의 제1 지역좌표계와 두번째 프레임에서 도출한 제3 지역좌표계를 비교하여 제2 회전행렬(R2) 및 제2 이동행렬(t2)을 계산하여 각 마커의 좌표 보정을 수행할 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 3개의 마커 좌표를 이으면 삼각형 구도가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 마커가 부착된 수술용 도구를 구동함에 따라, 각 마커의 좌표값이 변동되더라도 고정상태에서 형성되는 삼각형 구도는 구동 후에도 동일하게 유지되어야 마커의 좌표 뿐만 아니라 마커 좌표를 통한 끝점 좌표의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 도구의 좌표 계산 알고리즘을 적용하는 경우 수술용 도구의 구동에 따른 오차율을 감소시키는 정도를 비교하는 그래프의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 수술용 도구가 고정된 상태에서는 3개의 마커로 이루어진 삼각형 구도의 면적 및 형태는 알고리즘 사용 전후와 무관하게 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이때, 수술용 도구를 회전구동시키면서 시간에 따른 각각의 프레임 상에서 도출된 마커 좌표를 통해 도출한 삼각형 구도의 면적을 살펴보면, 좌표 보정 알고리즘을 적용하기 전에는 수술용 도구의 구동 형태에 따라 해당 면적의 크기가 고정 상태보다 증가하거나 감소되는 등 구동 프레임에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 네번째 프레임부터 여섯번째 프레임상에서 살펴보면, 마커의 삼각형 구도의 면적이 기준치보다 급감소되거나 급증가되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 좌표 보정 알고리즘을 적용해보면, 구동 프레임에 상관없이 마커로 이루어지는 삼각형 면적이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템의 교정 방법에 있어서,
    (a)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시키는 단계;
    (b)상기 수술용 도구의 회전에 따라 상기 카메라 모듈을 통해 획득한 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계; 및
    (c)상기 마커 각각의 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 카메라 모듈을 통해 획득한 다수의 영상정보로부터 상기 마커 각각의 2차원 좌표정보를 추출하는 단계; 및
    상기 마커 각각의 2차원 좌표값 및 상기 카메라 모듈의 위치 관련 행렬정보를 이용하여 상기 마커 각각의 3차원 좌표정보를 도출하는 단계를 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수술용 도구의 회전에 따라 생성되는 상기 마커 각각의 3차원 좌표정보의 집합은 하나 이상의 궤적을 형성하는 것을 특징으로 하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 마커 각각의 3차원 좌표정보를 입력값으로 하여 상기 마커가 그리는 궤적이 구의 일부를 구성하고, 상기 회전 기준점을 구의 중심점으로 하는 소정의 구의 방정식을 이용한 상기 최적화 알고리즘을 통해 최적화를 수행하는 단계를 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 최적화 알고리즘을 만족하는 구의 중심점을 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보로 도출하는 단계를 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전 기준점은,
    상기 받침대 상면에 양각 형태로 형성된 지지벽으로 둘러싸인 홈의 형태로 구현하거나 또는 음각 형태로 오목하게 형성된 홈의 형태로 구현하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 받침대 상면의 상기 회전 기준점의 인접 영역에 추가 마커를 부착하여 상기 수술용 도구의 회전시 상기 추가 마커의 좌표정보를 추출하는 단계; 및
    상기 추가 마커의 좌표정보를 상기 최적화 알고리즘의 초기해로 사용하여 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  8. 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템의 교정 방법에 있어서,
    (a)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시키는 단계;
    (b)상기 수술용 도구의 회전에 따라 상기 카메라 모듈을 통해 획득한 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계; 및
    (c)상기 마커 각각의 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 (a)단계는,
    상기 다수의 마커가 고정된 상태에서의 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보를 추출하는 단계;
    상기 마커 각각의 좌표정보에 기초하여 상기 다수의 마커로 이루어진 도형의 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및
    상기 중심점 좌표정보를 기준으로 제1 지역좌표계를 생성하여, 상기 중심점으로부터 상기 다수의 마커까지 각각의 백터 정보를 산출하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 다수의 마커의 회전 구동에 따른 구동 프레임 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 추출하는 단계;
    상기 마커 각각의 변동된 좌표정보에 기초하여 변동된 중심점 좌표정보를 도출하는 단계;
    상기 변동된 중심점 좌표정보를 기준으로 제2 지역좌표계를 생성하는 단계;
    상기 제2 지역좌표계와 상기 제1 지역좌표계를 비교하여 회전행렬 및 이동행렬을 계산하는 단계; 및
    상기 회전행렬, 상기 이동행렬 및 상기 수술용 도구가 고정된 상태에서 계산된 마커 각각의 벡터 정보를 기초하여 상기 다수의 마커 각각의 회전 구동에 따른 오차값을 산출하고, 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 보정하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  10. 소정의 카메라 모듈에 의해 인식 가능한 다수의 마커가 부착된 수술용 도구를 이용한 수술용 항법 시스템의 교정 방법에 있어서,
    (a)상기 다수의 마커가 고정된 상태에서의 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 좌표정보 및 중심점 좌표정보를 추출하는 단계;
    (b)수술용 도구의 끝점을 소정의 받침대 상면의 한 점을 회전 기준점으로 고정하여 상기 수술용 도구를 회전시킴에 따라, 상기 수술용 도구에 부착된 다수의 마커의 이동 영상에 기초하여 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보 및 변동된 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및
    (c)상기 다수의 마커가 고정된 상태에서 추출한 좌표정보 및 중심점 좌표정보와 상기 수술용 도구의 회전 구동에 따라 추출한 변동된 좌표정보 및 중심점 좌표정보를 도출하는 단계; 및
    (d)상기 다수의 마커의 고정 상태 및 회전구동 상태에서 도출한 마커 각각의 좌표정보 및 중심점 좌표정보에 기초하여 상기 다수의 마커 각각의 회전 구동에 따른 오차값을 산출하고, 상기 마커 각각의 변동된 좌표정보를 보정하는 단계를 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 중심점 좌표정보를 기준으로 제1 지역좌표계를 생성하여, 상기 중심점으로부터 상기 다수의 마커까지 각각의 백터 정보를 산출하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 변동된 중심점 좌표정보를 기준으로 제2 지역좌표계를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 지역좌표계와 상기 제1 지역좌표계를 비교하여 회전행렬 및 이동행렬을 계산하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 마커 각각의 보정된 좌표정보를 이용하여 기 설정된 소정의 최적화 알고리즘을 통해 최적화 및 상기 수술용 도구의 끝점 좌표정보를 도출하는 단계를 더 포함하는, 수술용 항법 시스템의 교정 방법.
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