KR101762366B1 - 영상 유도 네비게이션 시스템 - Google Patents

영상 유도 네비게이션 시스템 Download PDF

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스캇 에이. 메리트
로버트 더블유 에머리
에드워드 제이. 마란돌라
크리스토퍼 더블유. 샤르프
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엑스-네브 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

구강 내에서 수술 기구를 트래킹하는 영상 유도 장치. 영상 유도 장치는 구강 내의 광학적으로 가시적인 패턴의 경구내 영상을 제공하기 위하여 구강 내에 위치되도록 맞추어진 복수의 카메라를 포함한다. 처리 시스템은 경구내 영상을 수신하고 처리하여 패턴을 인식하고 각각의 카메라의 위치와 방위를 삼각 측량한다. 처리 시스템은 구강의 해부학적 구조의 일부에 대한 정렬에 기초하여 기준 좌표계를 정의하는 기준 데이터세트를 이용한다. 처리 시스템은 기준 데이터세트에 기초하여 트래킹된 기구의 위치와 방위를 결정한다. 일 실시예에서, 시스템은 환자의 치아에 제거 가능하게 부착 가능하고 카메라 중 하나를 유지하도록 구성된 구강 고정물을 포함한다.

Description

영상 유도 네비게이션 시스템{IMAGE GUIDED NAVIGATION SYSTEM}
[관련 출원]
출원은 본 명세서에 개시 내용 전문에 참조로서 편입되는 2013년 3월 14일 출원된 미국 임시 출원 제61/782,255호에 관한 것으로 그에 대한 우선권을 주장한다.
[기술 분야]
본 발명은 영상 유도 수술(image guided surgery)을 용이하게 하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 구강 외과용 영상 유도 시스템에 관한 것이다.
영상 유도 수술은 수년간 광범위한 발전을 해 왔으며, 이제 외과 수술에서 매우 중요한 도구이다. 발전의 대부분은 장기(internal organ)와 같은 접근이 매우 어려운 신체 내에서의 촬상 위치에 중점을 두어 왔다.
구강 내에 발생하는 임의의 수술로서 본 명세서에 정의된 구강 수술은 시각적으로 수행하기에 어려울 수 있다. 구강은 상대적으로 작고 환자가 긴 기간 동안 열린 상태를 유지하기 어렵다. 수술 위치가 눈에 보이더라도, 드릴이 통과하면, 끝 부분이 임의의 주어진 시간에 어디에 있는지 판단하기 어렵게 된다.
영상 유도 수술은, 수술 위치의 디지털 영상(일반적으로 3차원으로)을 형성하기 위하여, 일반적으로 CT 또는 CAT 스캔이라 하는 컴퓨터 단층 촬영(computered tomography) 또는 컴퓨터 체축 단층 촬영(computerized axial tomography)의 사용을 포함한다. 그 다음, 외과의는 영상을 이용하여 수술 계획을 작성한다. 수술 동안, 이전의 CT 스캔으로부터 생성된 영상은 특수 기구와 함께 사용되어, 환자 내부에서 기구의 끝 부분이 어디에 있는지 시각적으로 묘사한다.
그렇게 하기 위하여, 스캔으로부터의 디지털 영상은 환자의 움직임이 디지털 영상의 조정을 일으키도록 환자의 수술 위치에 정확하게 정합되어야만 한다. 또한, 환자에 대한 기구 끝 부분의 정확한 위치도 알려져야 한다.
구강 수술을 위하여, 예를 들어, 치과 임플란트 배치(dental implant placement) 동안, 의사는 환자가 잠재적으로 움직이는 6개의 자유도로 드릴을 제어하면서, 자유 공간에서 드릴링하여야 한다. 이것은 뿌리와 신경을 회피하면서 양호한 뼈 내로 정확하게 드릴링하는 것을 매우 어렵게 한다. 이와 같이, 영상 유도 수술은 최근에 드릴링 과정을 용이하게 하는데 사용되어 왔다. 환자 치아의 CT 스캔은, 가장 성공적이고 외상이 가장 적을 가능성이 있는 복원 솔루션을 제공하도록 수술 이벤트를 계획하기 위하여, 골밀도, 폭 및 높이를 정확하게 판단하고, 또한 다른 치아 및 해부 구조의 관계를 이해하는데 있어서 의사에 의해 사용된다.
수술전 계획을 수동적 수술 가이드로 옮기는데, 즉 수술을 위한 가상 계획을 생성하고 그 다음 치과 실험실에서 계획을 구현하기 위한 수술 가이드를 사전에 만드는데 도움을 주기 위하여 CT 영상을 이용하는 계획 소프트웨어 및 제조 시스템이 요즘 존재한다. 이러한 수동적 수술 가이드는 의사에게 적합한 위치, 각도 및 깊이를 정확하게 알려주는 것을 돕는다. 수동적 영상 유도 수술은 제약을 가진다. 이는 치과 실험실에서 또는 가이드 제조자에 의해 수술 전에 제조되어야 한다. 이것은 의사와 환자의 시간과 비용을 더 많이 필요로 한다. 환자의 입이 변경되거나 의사가 계획을 변경하기 원하면, 가이드는 더 이상 유용하지 않다. 많은 경우에, 환자는 필요한 기구 및 가이드를 수용하기에 충분히 넓게 자신의 입을 열 수 없다.
능동적 영상 유도 수술은 수동적 유도 시스템의 많은 문제점, 즉 제한된 최대 입 열기를 해결하며, 수동적 가이드를 사전 제조하는 필요성과 수술 동안 계획을 변경할 수 없는 것은 능동적 유도 시스템에 의해 극복될 수 있다. 능동적 영상 유도 수술을 제공하기 위하여, 환자의 입, 구체적으로는 뼈와 치아의 위치는 정확하게 트래킹되어 스캐닝된 영상과 수술 도구에 정합되어야 한다. 그렇게 하기 위하여, 대부분의 종래 시스템은 환자의 머리에 부착되거나 환자의 입으로 삽입되는, 기점 마커 및 센서를 포함하는 정합 장치의 생성을 필요로 한다. 일부 정합 장치는 머리의 외부, 예를 들어, 머리 장착 고정물에 부착된다. 다른 것은 수술 구역과의 간섭을 제한하고 광학 센서가 고정물 및 수술 도구의 움직임을 트래킹하는 것을 허용하기 위하여 입의 외부에 위치된 센서를 가지면서 턱뼈에 부착되는 고정물을 수반한다.
구강 고정물을 형성하기 위하여, 일반적으로 윗니 및 아랫니 세트의 본(impression)이 수술 몇 주 전에 떠진다. 본은 치아를 실질적으로 복제하는 주형(cast)이 제조되는 실험실로 보내진다. 주형으로부터 치아에 안착하거나 턱뼈 내로 드릴링되도록 설계되는 구강 고정물이 제조된다. 고정물은 적어도 기점 마커를 포함하고, 또한, 센서와 피팅되지 않는다면, 광학 센서에 대한 장착 위치를 포함한다.
실험실이 고정물을 생성한 후에, 이는 치과 외과의에게 다시 보내진다. 환자가 들어와서 고정물로 피팅되고, CT 스캔이 얻어진다. 환자는 다시 집으로 보내진다. 환자 구강의 디지털 영상은 스캔으로부터 형성되고, 외과의는 수술 계획을 개발한다.
그 다음 환자는 수술을 위해 온다. 고정물은 환자에게 부착된다. 광 송신기는 환자 근처에 위치되어 센서(들)에 의해 검출되는 신호를 방출한다. 환자의 입이 움직임에 따라 센서(들)는 신호를 소프트웨어에 전송하고, 환자 구강의 디지털 영상에 조정이 이루어진다. 또한, 소프트웨어는 기구의 위치를 트래킹하고, 치아의 디지털 영상에 대해 적합한 위치에 기구의 영상을 묘사한다.
환자에 대한 편의에 더하여, 기존의 시스템은 환자를 디지털 스캔에 정확하게 정합하는데 일부 어려움을 갖는 경향이 있다. 모든 현재의 치과용 능동 영상 유도 수술 시스템은 환자의 입 내에 위치되는 고정물이 광 송신기 또는 수신기에 의해 검출되도록 입의 외부로 연장하는 것을 필요로 하는 광 트래킹의 사용을 수반한다.
본 발명은 구강 수술 동안 수술 도구의 움직임을 트래킹하고 묘사하는 영상 유도 시스템에 관한 것이다. 시스템은 환자의 입 안에서 적어도 하나의 치아에 제거 가능하게 부착 가능한 구강 고정물(fixture)을 포함한다. 구강 고정물은 대략 100℉의 온도를 받을 때 실질적으로 변형하지 않는 경질 재료로 이루어진 지지부를 포함한다. 지지부는 내벽과 외벽을 갖는 베이스를 포함하고, 내벽과 외벽은 베이스로부터 각도를 이루면서 외측으로 향해 연장한다. 내벽과 외벽은 구강 고정물이 부착되도록 의도되는 치아의 폭보다 더 큰 거리로 서로 이격된다. 몰딩 가능한 열가소성 재료는 지지부의 내부 표면에 위치된다. 몰딩 가능한 재료는 경화함에 따라 재료에 의해 덮인 환자의 치아의 일부의 외부 윤곽에 대한 본(impression)을 유지하도록 구성된다. 마운트(mount)는 영상 유도 시스템 내의 트래킹 컴포넌트를 유지하기 위하여 지지부 상에 위치된다.
일 실시예에서, 구강 고정물의 몰딩 가능한 재료는 몰딩 온도보다 높은 온도의 액체 수조(liquid bath)에 배치될 때 초기에 몰딩 가능하게 되도록 구성된다. 몰딩 가능한 재료는, 몰딩 가능한 재료의 적어도 일부의 색상 변화와 같이, 재료가 몰딩될 준비가 될 때 시각적 표시를 제공할 수 있다.
구강 고정물의 지지부는 그 길이를 따라 상이한 위치에서 특정 환자의 입에 크기를 맞추기 위하여 원하는 길이로 지지부가 끊어지게 하는 약화(weakening) 라인을 포함할 수 있다.
마운트는 지지부에 부착되거나 지지부와 통합하여 형성되는 적어도 하나의 카메라 마운트를 포함하거나 그 카메라 마운트일 수 있다. 카메라 마운트는 고정물로부터 입의 앞쪽 또는 반대측에서 표면을 보기 위하여 카메라가 내부로 장착될 수 있는 적어도 하나의 카메라 홀더를 포함할 수 있다. 카메라 홀더는 소형 비디오 카메라를 수용하는 크기를 갖는 카메라 마운트 내에 형성된 채널 또는 홀일 수 있다. 일 실시예에서, 지지부에 관하여 2개의 상이한 방향으로 2개의 카메라를 지향시키도록 위치 설정된 2개의 채널이 카메라 마운트에 있다.
구강 고정물은, 바람직하게는, 환자의 치아에 관하여 구강 고정물의 위치를 결정하는데 사용하기 위하여 지지부에 장착되거나 몰딩 가능한 재료 내에 장착되는 복수의 기점(fiducial) 마커를 포함한다. 기점 마커는 CT 스캔에서 검출 가능하도록 지지부, 몰딩 가능한 재료 및 환자의 치아와는 상이한 방사선 밀도(radiodensity)를 갖는, 예를 들어, 알루미늄이나 스테인리스 스틸과 같은 금속과 세라믹을 포함하지만 이에 한정되지 않는 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 다른 재료가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 서로 이격되고 지지부에 고정 부착된 구강 고정물 상의 적어도 3개의 기점 마커가 있다.
각각의 기점 마커는, 기점 마커가 트래킹 소프트웨어에 의해 자동으로 검출 가능하도록 다른 기점 마커와는 상이한 방사선 밀도, 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 기점 마커는 세라믹 볼 베어링이다.
또한, 구강 내에서 수술 기구를 트래킹하기 위한 영상 유도 시스템이 개시된다. 시스템은, 구강 내에 위치되도록 구성된 복수의 카메라를 포함한다. 복수의 카메라는, 활성화될 때 구강 내에서 광학적으로 가시적인 패턴의 경구내(intraoral) 영상을 제공하도록 설계된다. 경구내 영상을 처리하고, 패턴을 인식하여 각각의 카메라의 위치 및 방위를 삼각 측량하도록 프로그래밍된 처리 시스템이 제공된다. 처리 시스템은, 바람직하게는, 구강의 해부학적 구조의 일부에 고정 정렬되는 기준 좌표계를 정의하는 기준 데이터세트를 이용한다. 처리 시스템은, 기준 데이터세트에 기초하여 트래킹되는 기구의 위치와 방위를 결정한다.
일 실시예에서, 광학적으로 가시적인 패턴은, 환자의 입 안에서 하나 이상의 치아, 잇몸 또는 뼈에 제거 가능하게 부착되는 기기(appliance)에 위치될 수 있는, 2차원 바코드와 같은, 가시적인 고-콘트라스트(high-contrast) 인공(man-made) 패턴이다. 일 실시예에서, 광학적으로 가시적인 패턴은 트래킹되는 수술 도구에 부착된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 카메라가 트래킹되는 수술 기구에 부착되고, 적어도 하나의 카메라가 환자의 잇몸, 치아 또는 내부에서의 뼈에 부착되는 치과용 기기에 부착된다.
기준 데이터세트는 환자의 구강의 해부학적 구조에 관한 구강 고정물의 위치 및 방위를 포함할 수 있고, CT 스캔의 일부일 수 있다.
일 실시예에서, 기준 데이터세트는 처리 시스템에 저장된다. 치과용 기기는 제1 위치에서 환자의 해부학적 구조에 제거 가능하게 부착된다. 제2 치과용 기기의 일부가 트래킹되는 수술 기구 상의 카메라 또는 치과용 기기 상의 카메라로부터 보일 수 있게 하는 위치에 제2 치과용 기기가 구강 내에 위치된다. 처리 시스템은 각각의 카메라와 제2 치과용 기기 사이의 상대적 변환(transform)을 결합하는 것에 의해 트래킹되는 수술 기구의 위치 및 방위를 결정하도록 프로그래밍된다.
다른 실시예에서, 제1 치과용 기기는 적어도 하나의 카메라를 포함하고, 구강 내의 위치에 제거 가능하게 부착된다. 제2 치과용 기기는 제2 치과용 기기의 일부가 제1 치과용 기기 상의 카메라로부터 보일 수 있는 위치에서 관심 대상인 환자의 해부학적 구조에 제거 가능하게 부착된다. 트래킹되는 수술 기구는 일부가 제1 치과용 기기 상의 카메라로부터 보일 수 있는 광학적으로 가시적인 패턴을 포함한다. CT 스캔에 관한 제2 치과용 기기의 위치 및 방위를 포함하는 기준 데이터 세트가 제1 치과용 기기 상의 카메라와, 제2 치과용 기기 및 트래킹되는 기구의 각각에서의 패턴의 일부 사이의 상대적 변환을 추정하고 결합하는 것을 통해 트래킹되는 기기의 위치 및 방위을 결정하기 위하여 처리 시스템에 의해 사용된다.
또한, 구강 수술 동안 구강 수술 도구의 움직임을 트래킹하고 묘사하는 방법이 개시된다. 방법은, 베이스를 갖는 플라스틱 지지부와, 지지부의 내부 표면에 배치되고 구강 수술 동안 수술받고 있는 치아가 아닌 환자의 소정의 치아에 몰딩된 열가소성 재료를 구비하는 구강 고정물을 제공하는 단계를 포함한다. 구강 고정물이 환자의 치아에 부착된 환자의 입의 CT 스캔을 수신하는 수술 트래킹 프로그램이 제공된다. CT 스캔에서의 기점 마커가 프로그램에서 식별되고, 스캔이 저장된다. 도구 고정물이 장착되거나 도구 고정물이 일부인 수술 도구가 제공된다. 기준 고정물이 구강 고정물로부터 떨어진 위치에 제공된다. 기준 고정물은 구강 고정물 및 수술 도구의 위치를 결정하는데 있어서 비디오 카메라가 검출하고 프로그램이 사용하는 시각적 기준점을 제공하는 기준 패턴을 포함한다. 프로그램은 저장된 스캔을 검색하여 환자의 입 안의 구강 고정물을 CT 스캔에 정합시킨다. 프로그램은 하나 이상의 카메라의 사용을 통해 기준 패턴의 움직임을 검출함으로써 구강 고정물의 움직임을 결정하고, 트래킹 프로그램을 이용하여 구강 고정물의 대응하는 움직임을 계산한다. 프로그램은 트래킹 프로그램을 이용하여 도구 고정물의 움직임을 결정함으로써 수술 도구의 움직임을 결정한다. 프로그램은 저장된 스캔에서의 수술 도구의 움직임을 디스플레이에 묘사한다.
본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징과 본 발명의 이점은, 첨부된 도면에 예시된 바와 같이, 바람직한 실시예에 대한 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 비추어 더욱 명백하게 될 것이다. 인식되는 바와 같이, 본 발명은 모두 본 발명을 벗어나지 않는 다양한 관점에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면과 설명은 한정적인 것이 아니라 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본 발명을 예시하는 목적으로, 도면은 현재 바람직한 본 발명의 일 형태를 도시한다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시된 정확한 배치 및 수단에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구강 고정물의 사시도이다.
도 2는 도 1의 구강 고정물의 하면도이다.
도 3은 도 1의 구강 고정물의 상면도이다.
도 4는 도 3에서의 선 4-4를 따라 얻어진 구강 고정물의 단면도이며, 본(impression)이 내부에 형성된 몰딩된 재료를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도구 고정물을 갖는 도구의 사시도이다.
도 6은 도 5의 도구 및 도구 고정물의 측면도이다.
도 7은 윗니 세트와의 사용을 위한 본 발명의 실시예에 따른 기준 고정물의 사시도이다.
도 8은 기준 패턴의 그래픽 표현을 예시하는 도 7의 기준 고정물의 하면도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명에서 유용한 상이한 기준 패턴의 그래픽 예시이다.
도 9는 아랫니 세트와의 사용을 위한 본 발명의 실시예에 따른 기준 고정물의 사시도이다.
도 10은 기준 패턴의 그래픽 표현을 예시하는 도 9의 기준 고정물의 상면도이다.
도 11은 선 11-11을 따라 얻어진 도 9의 기준 고정물의 단면도이며, 그 위에 몰딩 가능한 재료를 갖는다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 환자의 입 안에서 사용되는 구강 고정물, 기준 고정물 및 도구 고정물을 나타낸다.
도 13 내지 15는 상이한 배치의 카메라 및 기준 패턴으로 구강 고정물, 기준 고정물 및 도구를 이용하는 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 16 내지 18은 상이한 배치의 카메라 및/또는 기준 패턴으로 구강 고정물 및 도구를 이용하는 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 19는 구강 고정물이 환자의 입에 고정식으로 부착되는 본 발명의 다른 실시예에 따라 환자의 입 안에서의 사용되는 구강 고정물, 기준 고정물 및 도구 고정물을 나타낸다.
도 20은 도구와 도구 비트(bit)를 정합하는 정합 장치의 일 실시예를 예시한다.
본 발명은 구강 수술 동안 환자 입의 움직임을 효율적으로 트래킹하기 위한 영상 유도 시스템을 제공함으로써 종래 기술의 결점을 해결한다. 일 실시예에서, 영상 유도 시스템은 수술 기구 또는 도구의 움직임을 트래킹하는데 있어서의 사용을 위하여 구강 내의 광학적으로 가시적인 패턴의 경구내(intraoral) 영상을 제공하기 위해 구강 내에 위치된 복수의 카메라를 포함한다. 처리 시스템은 경구내 영상을 수신하고 처리하여, 패턴을 인식하고 각 카메라의 위치 및 방위(orientation)를 삼각 측량한다. 처리 시스템은 구강의 해부학적 구조의 일부에 대한 정렬에 기초하여 기준 좌표계를 정의하는 기준 데이터세트를 이용한다. 처리 시스템은 기준 데이터세트에 기초하여 트래킹되는 수술 기구의 위치 및 방위를 결정한다. 일 실시예에서, 시스템은 환자의 치아에 제거 가능하게 부착 가능하고 카메라 중 하나를 유지하도록 구성된 구강 고정물을 포함한다.
도면을 참조하면, 영상 유도 시스템(10)의 실시예가 도시된다. 일 실시예에서, 시스템(10)은 구강 치과용 기기 또는 고정물(fixture)(12), 도구 고정물(100) 및 기준 고정물(200)(다른 치과용 기기일 수 있음)을 포함한다. 이러한 고정물들은 구강 외과 수술 동안 개선된 영상 유도를 제공하도록 트래킹 소프트웨어(또는 소프트웨어를 실행하는 처리 시스템)과 함께 사용된다. 도 1 내지 3을 참조하면, 환자의 입에 제거 가능하게 부착 가능한 신규의 구강 고정물(12)이 도시된다. 더욱 특별하게는, 도면에 도시된 바와 같이, 구강 고정물(12)은 적합하게 강한 재료, 바람직하게는, 아래에서 논의되는 상승되는 온도를 받을 때 변형되지 않도록 충분히 단단한 열경화성 플라스틱 재료로 이루어지는 지지부(14)를 포함한다. 일 실시예에서, 플라스틱 재료는 폴리페닐설폰(polyphenylsulphone) 또는 아세탈 공중합체(acetal copolymer)이다. 지지부(14)는, 바람직하게는, 내벽(18) 및 외벽(20)을 갖는 일반적으로 평면인 베이스(16)를 포함한다. 내벽(18) 및 외벽(20)은 베이스(16)에 부착되어 그로부터 외부를 향해 연장한다. 바람직하게는, 벽(18, 20)은 베이스(16)로부터 실질적으로 또는 대체로 직각으로 베이스(16)로부터 외부를 향해 연장한다. 그러나, 아래의 논의로부터 이해되는 바와 같이, 벽은 베이스(16)로부터 다른 원하는 각도를 가질 수 있다. 벽과 베이스는 바람직하게는 통합된 컴포넌트로서 형성된다. 베이스(16) 및/또는 벽(18, 20)은 아래에서 논의되는 바와 같이 내부 표면 상에 형성되고 위에 놓이는 재료를 고정하거나 부착하는데 도움을 주는, 돌출부(protrusion) 또는 함몰부(recess)와 같은, 하나 이상의 표면 불규칙부(irregularity)(22)를 포함할 수 있다. 유사하게, 홀(24)이 위에 놓이는 재료를 더 고정하기 위하여 베이스(16) 및/또는 벽(18, 20) 내로 포함될 수 있다.
내벽(18)과 외벽(20)의 간격은 구강 고정물(12)이 부착되도록 의도되는 치아의 폭보다 더 크다. 벽(18, 20)의 간격이 성인과 어린이에 대하여 설계된 고정물 사이에 차이가 있을 수 있다는 것이 당연히 명백하여야 한다. 벽(18, 20)은 바람직하게는 설치될 때 환자의 치아 상부 아래로 연장하는 베이스로부터의 높이를 갖는다. 바람직하게는, 높이는 위에 놓이는 재료를 갖는 환자의 치아에 설치될 때 아랫윗니가 맞물리는(occlusal) 표면으로부터 아래로 대략 10 mm 내지 대략 13.5 mm 연장하기에 충분하다.
또한, 구강 고정물(12)은 지지부(14)에 부착되거나 지지부(14)와 통합하여 형성되는 적어도 하나의 마운트(mount)(26)를 포함할 수 있다. 마운트는 영상 유도 시스템에서의 사용을 위하여 트래킹 컴포넌트를 구강 고정물에 부착하도록 구성된다. 일 실시예에서, 마운트는 아래에서 논의되는 바와 같이 트래킹에서의 사용을 위하여 하나 이상의 카메라를 수용하도록 구성된다. 또한, 마운트가 아래에 더욱 분명하게 되는 바와 같이 기준 플레이트를 지지부에 부착하는데 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 예시된 실시예에서, 카메라 마운트(26)는 외벽(20)에 통합하여 형성되는 것으로 도시되고 그로부터 외측으로 향해 돌출한다. 명백하게 되는 바와 같이, 카메라 마운트(26)는 환자의 치아로부터 구강 고정물(12)의 배치 및 제거를 용이하게 하기 위한 핸들로서의 역할도 한다. 카메라 마운트(26)는 내부로 카메라가 장착될 수 있는 적어도 하나의 카메라 홀더(28)를 포함한다. 카메라 홀더(28)는 구강 고정물(12)로부터 입의 앞쪽 또는 반대측에서 표면을 보는 방향으로 카메라를 유지하도록 구성된다. 예시된 실시예에서, 카메라 홀더(28)는 소형 비디오 카메라를 수용하는 크기를 갖는 카메라 마운트(26) 내에 형성된 채널 또는 홀이다. 또한, 카메라 홀더(28)는 아래에서 논의되는 바와 같이 카메라에 부착된 와이어가 지지부 밖으로 연장하여 컴퓨터 또는 다른 기록 장치에 부착되게 한다. 이 대신에, 카메라 홀더는 클립, 걸쇠(clasp) 또는 카메라를 지지부(114)에 고정하는데 적합한 다른 장치일 수 있다.
다용도의 구강 고정물(12)을 제공하기 위하여, 카메라 마운트(26)가 2 이상의 카메라 홀더(28)를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 도 1 내지 3 및 4a에 도시된 바와 같이, 예시된 실시예에서, 지지부(14)에 관하여 2개의 상이한 방향으로 카메라(30)를 지향시키도록 위치 설정된 카메라 마운트(26) 내의 2개의 채널(28)이 있다. 바람직하게는, 방향은 도 4a에 도시된 바와 같이 수직 액세스(Z)의 어느 한 측에서 대하여 각도 α를 가진다. 각도 α는 바람직하게는 수직 액세스(Z)로부터 5 내지 45도이고, 더욱 바람직하게는 대략 30도이다. 이 구성은 구강 고정물(12)이 입의 어느 한 측에서 환자의 윗니 또는 아랫니와 함께 사용되게 한다. 카메라 마운트(26)에서 단지 하나의 카메라 홀더(28)가 있다면, 수직 축(Z)에 대하여 0도와 대략 45도 사이의 임의의 각도로 카메라를 지향시키도록 마운트(26) 내에 형성될 수 있다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 구강 고정물(12)은 지지부(14)의 내부 표면, 바람직하게는 베이스(16) 상에 위치된 몰딩 가능한 열가소성 재료(32)를 포함한다. 몰딩 가능한 재료(32)는 환자의 치아의 일부의 본(impression)을 형성하도록 설계된다. 더욱 구체적으로는, 몰딩 가능한 재료가 경화되지 않은(굳지 않은) 상태에 있을 때, 재료는 구강 고정물(12)(몰딩 가능한 재료(32)가 위에 있는 지지부(14))을 재료가 몰딩 가능하게 되기 시작하는 온도보다 높은 온도를 갖는 따뜻하거나 뜨거운 물의 그릇 내로 배치함으로써 "활성화된다(activated)". 바람직하게는, 선택된 재료는 색상을 변경하는 것(예를 들어, 흰색에서 투명 또는 반투명으로)과 같이 재료가 몰딩될 준비가 되어 있다는 시각적 표시를 사용자에게 제공하는 특징을 갖는다. 재료(32)가 활성화되면, 구강 고정물(12)은 환자의 치아에 배치되고, 약간 아래로 향하는 압력이 인가되어, 몰딩 가능한 재료(32)가 지지부 벽(18, 20) 사이에 치아의 측부의 적어도 일부 및 상부 주위로 변형하게 한다. 미리 정해진 기간 이후에, 대체로 대략 30초에서 1분 후에, 몰딩 가능한 재료는 굳어서 재료에 의해 덮인 치아의 외부 형상 및 윤곽의 본을 형성한다. 그 다음, 구강 고정물(12)은 환자의 입으로부터 제거될 수 있다. 경화 프로세스를 완료하기 위하여 차가운 물 또는 얼음물의 그릇 내로 몰드 재료를 갖는 구강 고정물(12)을 배치함으로써 추가 경화가 획득될 수 있다.
선택된 재료는, 환자의 입 내에서 일반적으로 실재하는 온도(대체로, 대략 100 ℉)에서 단단한 상태(경화한 상태)를 유지하여야 하고, 적어도 초기에 설치될 때까지는, 그 위의 온도(예를 들어, 130 ℉ 이상)에서 몰딩 가능한 상태를 유지하여야 한다. 비틀림 없이 본의 형상을 유지하기 위하여 재료는 경화된 상태에서 충분히 단단하여야 한다. 본 발명에서 사용하기 위한 적합한 열가소성 재료(32)는 폴리카프로락톤(Polycaprolactone) 또는 폴리비닐실록산(Polyvinylsiloxane; PVS)을 포함한다. 그러나, 굳어져서 본을 유지할 수 있는 임의의 종류의 몰딩 가능한 재료가 본 발명에 사용될 수 있다. 몰딩 가능한 재료(32)는 몰딩 과정 동안 환자를 만족시키도록 풍미가 곁들여질 수 있다. 사용된 재료의 양은 몰딩될 치아의 개수와 크기에 따라 변할 것이다.
구강 고정물(12)과 몰딩 가능한 재료(32)는 2 또는 3개의 치아를 덮도록 충분히 작고 환자의 치아에 대한 구강 고정물(12)의 확실한 부착을 여전히 제공할 수 있다고 판단된다. 적절하게 몰딩되면, 훨씬 더 작은 크기의 고정물을 사용하는 것이 가능할 수 있고, 따라서, 환자에 대한 불편을 최소화한다. 구강 고정물(12)과 몰딩 가능한 재료(32)는 상이한 입 크기를 위한 치수로 만들어질 수 있다(예를 들어, 성인, 청소년, 어린이). 또한, 지지부(14)가 길이를 따라 상이한 지점에 지지부가 원하는 길이로 끊어지게 하는 약화(weakening) 라인을 가지면서 큰 크기로 설계될 수 있다는 것이 고려된다. 이러한 구성은 의사가 구강 고정물(12)의 크기를 환자의 입에 더욱 쉽게 맞추게 할 것이다. 아래에서의 논의로부터 명백한 바와 같이, 지지부(14)는 고정물(12)을 치아에 유지하도록 의도되지 않는다. 대신에, 몰딩 가능한 재료(32)는 치아에 대한 구강 고정물(12)의 보유력(retention)을 제공한다. 따라서, 치아에 구강 고정물(12)을 유지하기 위하여 충분한 양의 몰딩 가능한 재료(32)가 있어야 한다.
위에서 논의된 바와 같이, 지지부(14)는, 바람직하게는, 지지부(14)에 대한 몰딩 가능한 재료(32)의 부착을 용이하게 하는, 베이스(16) 및/또는 벽(18, 20) 내에 형성된 표면 불규칙부(22) 및/또는 홀(24)을 포함한다. 몰딩 가능한 재료가 형성되고 있는 것에 따라, 재료는 홀(24)을 통해 또는 홀 내로 불규칙부(22) 주위로 흐르고, 이에 의해 지지부(14)에 대한 더욱 확실한 부착을 제공한다.
또한, 구강 고정물(12)은, 구강 고정물(12)(및 따라서 카메라)이 환자의 치아에 관하여 어디에 있는지 시스템이 결정하도록 지지부(14)에 장착된 복수의 기점(fiducial) 마커(34)를 포함한다. 마커(34)는 고정물(12)의 소정의 위치에 있으며, 공간에서 고정물(12)의 위치를 적절하게 찾는 정합 시스템의 일부이다. 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 기점 마커는 환자 입의 CT 스캔 동안 검출되고, 그 위치는 스캔에서 정합된다. 바람직하게는 서로 이격되고 지지부(14)에 고정 부착된 적어도 3개의 기점 마커(34)가 있다. 3개의 기점 마커의 사용은 3차원으로의 구강 고정물의 위치를 가능하게 한다. 기점 마커는 베이스(16) 및/또는 벽(18, 20)에 위치될 수 있다. 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 지지부(14)는, 지지부(14) 내에 형성된 홀 또는 만입부(indentation)일 수 있고 기점 마커(34)를 수용하도록 설계된 마커 마운트(36)를 포함한다.
기점 마커(34)는 사용되는 소프트웨어뿐만 아니라 기술자 또는 의사에 의해 쉽게 검출될 수 있도록 구 형상을 가질 수 있고 그리고/또는 색상을 가질 수 있다. 더욱 구체적으로는, 기점 마커(34)가 스캐닝된 영상에서 검출되도록, 기점 마커(34)는 고정물, 몰딩 가능한 재료 및 치아와 상이한 방사능 밀도(radiodensity)(즉, CT 스캔에 의해 검출되는 밀도)를 가져야 한다. 일 실시예에서, 기점 마커(34)는 세라믹 볼 베어링이다. 그러나, 다른 재료, 형상 및 크기가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 기점 마커(34)는 각각 고유한 방사능 밀도를 가지거나, 또는 소프트웨어 프로그램이 스캐닝된 영상에서 상이한 기점 마커(34)를 자동으로 검출하는데 사용될 수 있도록 상이한 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 또한, 아래에서 더 논의되는 바와 같이 구강 고정물(12)의 정합을 돕기 위하여, 소프트웨어는 스캐닝된 영상에서 마커 색상 또는 형상에 대응하는 색상을 가할 수 있다. 또한, 기점이 정반사 또는 확산 표면과 같은 수동 광학 속성 또는 카메라나 다른 위치에 관하여 기점을 시각적으로 위치시키는데 사용하기 위한, 발광 재료와 같은, 능동 광학 속성을 포함할 수 있다는 것이 고려된다.
바람직한 기점 마커가 그 방사능 밀도에 의해 치아 및 구강 고정물(12)로부터 구별되지만, 밀도가 아닌 다른 구별되는 특징이 사용될 수 있다는 것도 고려된다. 예를 들어, 마커는 사전에 고정된 송신기 또는 다른 위치 확인 장치일 수 있다.
도 5 및 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 도구 고정물(100)이 도시된다. 도구 고정물(100)은 드릴과 같은 치과용 수술 도구(102)에 장착되거나 그 일부이다. 바람직하게는, 도구 고정물(100)은 도구(102)에 관하여 카메라를 고정하고 위치 설정하기 위한 적어도 하나의 도구 카메라 마운트(104)를 포함한다. 바람직하게는, 도구 카메라 마운트(104)는 도구(102)가 수술하고 있을 곳이 아닌 표면을 검출하게 카메라(105)를 지향시키도록 구성된다. 즉, 도구 카메라 마운트(104)는 드릴링 또는 다른 수술 위치로부터 떨어져 카메라를 비스듬히 놓는다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도구 카메라 마운트(104)는 도구(102)의 축을 따라 지나가는 축 X에 대하여 각도 β1을 가지는 축 A를 가진다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 이는 도구 카메라 마운트(104)에 장착된 카메라가 입의 다른 부분에 있는 기준 위치를 검출하게 한다.
도구 고정물(100)은 도구(102)에 관하여 제2 카메라(109)를 위치 설정하기 위한 제2 도구 카메라 마운트(108)를 포함한다. 바람직하게는, 제2 도구 카메라 마운트(108)는 도구 비트(bit)(106) 및/또는 수술을 받고 있는 영역을 보는 것을 가능하게 하게 제2 카메라(109)를 지향시키도록 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 도구 카메라 마운트(108)는, 바람직하게는, 제1 도구 카메라 마운트(104)에 대하여 대략 90도의 각도를 이루거나, 축 X에 대하여 각도 β2를 가진다. 일 실시예에서, 바람직하게는, β1은 카메라의 위치 및 시야에 따라 대략 10 내지 대략 90도이고, 더욱 바람직하게는 60도이다. β2는 바람직하게는 대략 20 내지 대략 90도이고, 더욱 바람직하게는, 대략 60도이다.
예시된 실시예에서, 도구 고정물(100)은 카메라가 도구에 관하여 이동하는 것을 방지하기 위하여 클램프(110)를 통해 도구(102)에 부착된다. 그러나, 도구 고정물(100)이 도구(102)와 통합하여 형성될 수 있다는 것도 고려된다.
도 7 및 8을 참조하면, 환자의 아랫니 세트와 함께 사용하기 위한 일 실시예에 따른 기준 치과용 기기 또는 고정물(200)이 도시된다. 도 9 및 10은 윗니 세트와 함께 사용하기 위한 기준 고정물(200)의 제2 실시예를 예시한다. 역시 일 실시예에서, 기준 고정물(200)은 베이스 플레이트(202)를 포함하며, 내부 및 외부의 융기된 에지(204, 206)가 베이스 플레이트(202)와 통합하여 형성되고 베이스 플레이트(202)로부터 외측으로 연장한다. 구강 고정물(12)에서와 같이, 기준 고정물(200)은 베이스 플레이트(202) 상에 형성된, 돌출부 또는 만입부와 같은, 하나 이상의 표면 불규칙부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 융기된 에지(204, 206)는 바람직하게는 도시된 바와 같이 만입부와 같은 표면 불균일부(208)를 포함한다. 기준 고정물(200)은 바람직하게는 카메라 지지부(14)와 동일하거나 유사한 재료로 이루어지며, 이는 이것도 역시 몰딩 가능한 재료를 이용하여 환자의 치아에 부착되도록 설계되기 때문이다. 구체적으로는, 도 11을 참조하면, 바람직하게는 구강 고정물(12) 내의 몰딩 가능한 재료(32)와 유사한 몰딩 가능한 재료(210)는 에지(204, 206) 사이의 베이스 플레이트(202) 상에 배치된다. 몰딩 가능한 재료(210)의 인가, 성형 및 경화는 전술한 몰딩 가능한 재료(32)에 유사하며, 따라서, 추가 논의는 필요하지 않다.
기준 패턴(212)(도 8 및 10에서 일반적으로 도시됨)은 기준 고정물의 외부 표면 상에 형성된다(몰딩 가능한 재료(210)를 갖는 측으로부터 반대측). 기준 패턴(212)은, 입 안에서의 카메라의 위치를 결정하는데 사용하기 위하여 비디오 카메라가 검출하는 시각적 기준점을 제공하도록 구성된 광학적으로 가시적인 패턴이다. 예시된 실시예에서, 바람직하게는, 기준 패턴은 외부 표면에 걸쳐 이격된 일련의 비반복적인 QR(Quick Reference) 코드이다. 예를 들어, 본 발명에서 사용될 수 있는 비반복적인 기준 패턴의 이미지를 도시하는 도 8a, 8b 및 8c를 참조하라. 바코드, 아즈텍(Aztec) 코드 또는 다른 2D 코드, 또는 그래픽 이미지가 역시 사용될 수 있다. 패턴은 바람직하게는 시스템에 의한 검출 및 인식을 용이하게 하기 위하여 흑색 및 백색과 같은 대비되는 색상을 사용한다. 특히, 도 8c는 2 스케일(two-scale) 패턴을 도시한다. 패턴은 여러 스케일로의 검출을 허용하는 바코드-내-바코드(barcode-within-barcode)로 구성된 2D 바코드이다. 더 큰 서양 장기판 정사각형은 더 먼 거리로부터 고유하게 식별 가능하고, 더 큰 타일의 각각의 코너에 있는 4개의 더 작은 타일은 기준 고정물에 훨씬 더 가까이 배치된 카메라에 의해 검출 가능하다. 이것은, 더 크고 더 작은 패턴의 범위가 중첩한다는 사실과 함께, 카메라가 훨씬 더 넓은 범위의 외관 및 거리에 대하여 기준 고정물을 검출할 수 있게 한다. 또한, LED, 데이터 매트릭스, 데이터 글립스(data glyphs) 또는 브라유 점자(braille)와 유사한 융기되거나 강하된 특징부를 포함하는 다른 메커니즘이 필요한 기준 데이터를 제공하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 기점은 카메라 또는 패턴이 어디에서 기점에 관련되는지를 캘리브레이션하는데 사용하기 위한 반사 표면을 갖는 볼(ball)일 수 있다. 섬광이 기점을 향해 전송될 수 있고, 반사광이 기점의 위치를 결정하기 위하여 카메라에 의해 캡처된다. 명확하게 되는 바와 같이, 기준 패턴의 사용은 카메라의 움직임과 위치를 결정하기 위한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기준 패턴(212)은 기준 고정물의 외부 표면에 부착되는 재료층(214) 상에 형성될 수 있다. 이 대신에, 패턴은 기준 고정물(200) 상으로 몰딩 또는 에칭되거나, 기준 고정물(200) 상에 직접 배치될 수 있다.
기준 플레이트(200)는 검출을 용이하게 하기 위하여 기준 패턴(212)의 콘트라스트를 증가시키기 위해 백라이팅 또는 다른 메커니즘을 제공하도록 구성될 수 있다는 것이 고려된다. 기준 플레이트가 백라이팅되면, 기준 패턴(212)은, 바람직하게는, 콘트라스트를 향상시키기 위하여 적어도 부분적으로 투명 또는 반투명 재료로 이루어진다. 또한, 형광 재료가 검출을 용이하게 하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 고려된다.
다음은, 본 발명에 따르고 전술한 구강 고정물(12), 도구 고정물(100) 및 기준 고정물(200)을 이용하는, 영상 유도 치과 수술 동안 드릴 또는 다른 도구의 위치 트래킹을 위한 바람직한 시스템을 설명한다.
환자는 먼저 구강 고정물(12) 및 기준 고정물(200)과 피팅된다. 의사는 적절한 크기의 구강 고정물(12)을 선택하거나 약화 라인 중 하나를 따라 지지부(14)를 끊는 것으로 구강 고정물(12)의 크기를 조정한다. 몰딩되지 않은 재료(32)를 갖는 구강 고정물(12)이 온수 수조(bath) 내에 배치된다. 온수(또는 다른 비독성 용액)는 몰딩 가능한 재료(32)를 연화하거나 활성화하여, 이를 더욱 순응적으로 만든다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 몰딩 가능한 재료(32)는 색상을 변경하거나 아니면 이것이 적용을 위하여 충분히 몰딩 가능한 때에 대한 표시를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 몰딩 가능한 재료는 정적 상태 또는 경화된 상태에서 백색일 수 있지만, 충분히 몰딩 가능하게 하는 온도까지 가열될 때 투명/반투명하게 변한다. 대략 1-2분 동안 따뜻한 물 또는 뜨거운 물(예를 들어, 130 ℉ 이상)에 구강 고정물(12)을 배치하는 것은 바람직한 재료를 연화하는데 충분하다는 것이 예측된다.
그 다음, 구강 고정물(12)은 환자의 치아에 적용된다. 바람직하게는, 구강 고정물(12)은 수술이 이루어지는 곳이 아닌 환자의 입 안의 치아에 적용된다. 예를 들어, 수술이 입의 오른쪽에 있는 어금니에 이루어지면, 구강 고정물(12)은 바람직하게는 외과 수술과 간섭하지 않도록 입의 왼쪽에 있는 치아에 부착된다.
의사 또는 기술자는 치아를 향해 지지부(12) 상에 압력을 가한다. 의사 또는 기술자는 몰딩 가능한 재료(32)를 치아의 윤곽으로 몰딩하거나 그에 맞게 하는 것을 돕기 위하여 자신의 손가락을 사용할 수 있다. 재료가 치아에 맞도록 조정된 후에, 이는 몰딩 가능한 재료(32)에 본을 유지하도록 충분한 양의 경화를 허용하기 위하여 제자리에 남겨진다. 시간의 양은 사용되는 경화 가능한 재료의 종류에 따라 변할 것이다. 그러나, 다수의 재료에 대하여, 몰딩 프로세스는 대략 30초 내지 1분 내에 충분히 완료될 것이다. 이것은 재료의 원래 색상으로의 변경(예를 들어, 투명에서 백색으로의 변경)에 의해 검출될 수 있다.
구강 고정물(12)은 지지부 및/또는 카메라 마운트를 잡고 구강 고정물(12)을 치아 밖으로 들어올리는 것으로 제거된다. 이 점에서, 몰딩 가능한 재료(32)는 몰딩된 치아의 외부 윤곽을 정의하는 본(impression)을 가질 것이다. 그 다음, 몰딩 가능한 재료(32)는, 예를 들어 이를 그대로 있게 함으로써, 완전히 경화하도록 허용된다. 경화 프로세스를 촉진하기 위하여, 고정물은 몇 분 동안 냉수 또는 얼음물에 배치될 수 있다.
구강 고정물(12)이 기점 마커(34)를 포함하지 않는다면, 예를 들어 접착제를 이용하거나 홀(36) 내로 나사 결합되어, 지지부에 부착된다. 그러나, 기점 마커(34)가 구강 고정물(12)에 미리 부착되는 것이 바람직하다.
그 다음, 구강 고정물(12)은 환자의 입 안에서 몰딩되었던 동일한 치아에 다시 배치된다. 치아의 몰딩된 본은 치아 상으로 구강 고정물(12)을 잠글 것이다. 환자의 입 또는 관심 대상인 입의 적어도 일부의 CT 스캔이 얻어진다. 구강 고정물(12) 상에 위치되기 때문에, CT 스캔은 기점 마커(34)의 위치를 캡처한다. 그 다음 구강 고정물(12)은 제거되고 외과 수술을 위하여 저장된다.
스캐닝된 데이터는 수술 계획 및 트래킹 프로그램으로 불러와 지거나 또는 그에 의해 사용된다. 프로그램은 바람직하게는, 예를 들어 특정 방사능 밀도에 의해, 기점 마커(34)를 자동으로 검출하도록 구성되며, 이에 특정 색상이나 문자숫자 식별자를 할당할 수 있다.
의사는 수술 계획을 결정하기 위하여 스캐닝된 영상을 검토한다. 계획은, 메모 또는 방향 표지, 예를 들어 관심 위치에 이르기 위하여 수술 도구가 따라야하는 경로를 표시하는 색상 있는 선으로, 영상에 묘사될 수 있다. 계획은 프로그램에 저장될 수 있다.
구강 고정물에서 카메라의 적절한 위치를 제공하기 위하여, 본 발명은 카메라 위치를 계산하기 위해 구강 고정물(12) 상의 기점 마커(34)의 위치를 사용한다. 이것은 수술 당일 수행되거나 또는 수술 전에 수행될 수 있다. 카메라(30)는 카메라 마운트(26) 내의 적합한 카메라 홀더(28) 내로 삽입된다. 본 발명의 일 실시예는 Medigus Introspicio 110 3.0mm 카메라를 사용한다. 카메라(30)가 컴퓨터에 연결되고, 수술 계획 및 트래킹 소프트웨어 프로그램이 활성화된다. 구강 고정물(12)은 여러 배향으로 거울과 같은 반사면까지 유지되고, 소프트웨어는 카메라(30)에 관하여 구강 고정물(12) 상의 기점 마커(34)의 위치 및 방위를 계산하고 정보를 저장한다.
이 대신에, CT에서 검출된 기점은 광학적으로 검출된 것과 다른 세트일 수 있고, 이 경우는 구강 고정물을 거울까지 유지할 필요는 없다.
광학적 기점 대신에, 피봇 캘리브레이션(pivot calibration) 방법이 3개의 분리된(동일 선상에 있지 않은) 피봇 점으로 수행될 수 있다는 것이 고려된다. 피봇 점은 커핑(cupping) 도구가 그 둘레로 피봇할 수 있는 구(sphere), 구형(spherical) 도구가 내부에서 피봇할 수 있는 만입부(indentation) 또는 끝 부분이 구형인 피봇 도구가 내부로 죄어질 수 있는 나사 홀일 수 있다. 이러한 캘리브레이션 방법은 도 20을 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
외과 수술이 수행될 때, 구강 고정물(12)은 카메라(30)가 제자리에 있으면서 환자의 입 안의 동일한 치아에 다시 부착된다. 카메라는 수술 트래킹 소프트웨어 프로그램이 실행되고 있는 컴퓨터 시스템에 연결된다. 와이어는 카메라(30) 및 이에 따른 구강 고정물(12)의 위치 데이터를 제공하기 위하여 카메라(30)로부터 컴퓨터 시스템에 비디오 데이터를 전송한다.
다음으로, 환자는 기준 고정물(200)과 피팅된다. 의사는 적절한 크기의 기준 고정물(200)을 선택한다. 몰딩되지 않은 재료(210)를 갖는 기준 고정물(200)이 온수(또는 다른 비독성 용액) 수조에 배치된다. 온수는 몰딩 가능한 재료(200)를 연화하거나 활성화하여, 이를 더욱 순응적으로 만든다.
그 다음, 기준 고정물(200)은 수술받고 있는 것이 아닌 반대측 세트의 치아에서 환자의 치아에 적용된다. 따라서, 수술이 윗니에 수행되면, 기준 고정물은 아랫니에 적용된다. 의사 또는 기술자는 치아를 향해 베이스 플레이트(202)에 압력을 가한다. 다시, 의사 또는 기술자는 몰딩 가능한 재료(210)를 치아의 윤곽으로 몰딩하거나 그에 맞게 하는 것을 돕기 위하여 자신의 손가락을 사용할 수 있다. 재료가 치아에 맞도록 조정된 후에, 이는 몰딩 가능한 재료(210)에 본을 유지하도록 충분한 양의 경화를 허용하기 위하여 제자리에 남겨진다. 또한, 시간의 양은 사용되는 경화 가능한 재료의 종류에 따라 변할 것이다.
기준 고정물(200)이 기준 패턴(212)을 포함하지 않으면, 패턴을 포함하는 재료층(214)이, 바람직하게는 환자의 치아에 대한 부착 전에, 베이스 플레이트(202)의 외부 표면에 적용된다. 기준 패턴(212)은 카메라(30)에 의해 캡처되는 영상 기준 데이터를 제공하고, 카메라(30) 및 이에 따른 구강 고정물(12)의 움직임을 결정하기 위하여 사용하는 동안에 소프트웨어에 중계된다. 도 12는 환자의 치아에 부착된 구강 고정물(12)과 기준 고정물(200)을 도시하며, 도구 고정물(100)은 수술을 수행하기 위한 위치에 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 시스템은 외과의 또는 기술자가 입의 현재 위치로 이전의 CT 스캔을 수동으로 상관시키거나 정합시키는 것을 허용한다. 이것은 실제 기점 마커(34)의 위치를 촬상된 마커에 정합함으로써 달성된다. 시스템은 바람직하게는 의사 또는 기술자가 실제 구강 고정물(12) 상의 기점 마커(34)의 각각에 대하여 시스템에 연결된 센서 장치를 터치함으로써 정합을 시작하는 것을 요청한다. 센서 장치는 포인터(pointer)일 수 있다. 센서 장치는 각각의 기점 마커(34)의 위치를 프로그램으로 전송한다(무선으로 또는 유선 연결을 통해).
프로그램은 미리 결정된 방식으로 각각의 기점 마커(34)를 터치하게 지시함으로써 구강 고정물(12)을 정합하도록 의사/기술자를 안내한다. 예를 들어, 마커가 색상이 있는 구성에서, 프로그램은 의사/기술자에게 "녹색 기점 마커를 터치"하도록 지시할 수 있다. 이전에 스캔되어 촬상된 데이터에서의 대응하는 기점 마커는 녹색으로 스크린에 묘사될 것이다. 의사/기술자가 구강 고정물(12)에서 정확한 마커(34)를 터치하고 "엔터(enter)"를 누를 때, 프로그램은 실제 기점 마커(34)를 촬상된 데이터세트에서의 스캐닝된 기점 마커에 상관시킨다. 그 다음, 프로그램은 의사/기술자에게 다음 마커 등을 터치하도록 지시한다.
의사 또는 기술자가 엔터를 누르거나 일부 다른 키를 누르는 것을 요구하는 대신에, 위치 센서가 제자리에 있을 때, 센서 장치가 압력 센서를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 의사 또는 기술자가 기점 마커를 아래로 누를 때, 센서 장치는 프로그램에 데이터를 자동으로 전송한다.
이 대신에, 시스템이 이전 CT 스캔을 현재 영상에 자동으로 상관시키거나 정합시키는 것이 바람직하다. 이것은 구강 고정물(12)에서 기점 마커(34)의 위치를 검출하기 위하여 도구 카메라를 이용하는 프로그램에 의해 달성된다. 프로그램은 CT 스캔 내의 기점 마커(34)를 카메라에 의해 검출된 마커(34)와 정렬하도록 배향한다. 따라서, 소프트웨어는 카메라로부터 검색된 실제 비디오 데이터와 상관시키기 위하여 CT 스캔의 자동 방위를 핸들링한다.
CT 스캔이 실제 비디오 데이터에 대하여 배향되면, 카메라 영상 데이터로부터 결정되는 바와 같은 구강 고정물(12)의 실제 움직임과, 이에 따른 환자의 입의 움직임(3차원)의 트래킹은 이전에 스캐닝된 CT 영상에 상관되어 그 상에 묘사될 수 있어, 환자 입의 실제 움직임이 컴퓨터 스크린에서 환자의 입의 스캐닝된 영상의 대응하는 움직임을 생성할 것이다. 구강 고정물(12)의 실제 움직임은 기준 패턴(212)의 영상을 전송하는 구강 고정물(12) 상의 카메라(30)에 의해 결정된다. 기준 패턴(212)의 영상과, 카메라(30)에 관한 구강 고정물(12) 상의 실제 기점 마커(34)의 위치에 대한 저장된 데이터를 이용하여, 프로그램은 구강 고정물(12)의 실제 움직임을 계산할 수 있다. 이러한 계산과 프로그래밍 기술은 잘 알려져 있으며, 따라서, 추가 정보는 필요하지 않다.
또한, 프로그램은 사용되고 있는 수술 도구의 위치 데이터를 수신하도록 구성된다. 구체적으로는, 위에서 논의된 바와 같이, 도구 고정물(100)은 도구(102)에 부착되거나 도구(102)에 통합하여 형성된다. 카메라(105)는 도구 고정물(100) 상의 카메라 마운트(104)에 부착된다. 도구(102)가 입 안에서 위치 설정될 때, 카메라(105)는 기준 고정물 상의 기준 패턴(212)을 향하여 배향되도록 장착된다. 구강 고정물과 같이, 도구 고정물(100) 상의 카메라(105)는 기준 패턴(212)의 영상을 소프트웨어 프로그램으로 중계한다. 기준 패턴(212)의 영상 및 도구(102) 상의 카메라(105)의 위치에 대한 저장된 데이터를 이용하여, 프로그램은 도구(102)의 실제 움직임을 계산할 수 있다.
전술한 논의가 기준 플레이트와 조합하는 구강 고정물 및 도구 고정물에 장착된 카메라를 포함하는 비디오 트래킹 시스템의 사용을 수반하였지만, 다른 배치도 고려된다. 예를 들어, 도 13에 도시된 하나의 다른 실시예(300)에서, 구강 고정물(12)은 카메라 및 카메라 마운트를 포함하지 않지만, 이전 실시예와 유사하게 구성되고 위에서 논의된 바와 같이 환자의 치아에 장착되거나 뼈에 고정된다. 구강 고정물(12)은, 구강 고정물(12)의 표면에 적용되거나 그 상에 형성된 기준 패턴(212)과 유사한 고정물 기준 패턴(302)을 포함한다. 또한, 본 실시예에서, 도구(102)는 도구 고정물(100)을 포함하지 않지만, 대신에, 역시 기준 패턴(212)과 유사한 도구 기준 패턴(304)을 포함한다. 하나는 고정물 기준 패턴(302)의 위치를 시각적으로 검출하도록 위치 설정되고, 다른 하나는 도구 기준 패턴(304)을 시각적으로 검출하기 위한 것인, 기준 플레이트(200)에 장착된 2개의 카메라(306)가 있다. 이러한 2개의 패턴의 비디오 데이터로부터, 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위로 상관시킬 수 있고 도구의 위치를 스캔에 묘사할 수 있다. 이 대신에, 2개의 카메라를 이용하는 대신에, 기준 플레이트는 도구 및 구강 고정물 상의 각각의 기준 패턴을 시각적으로 검출하기에 충분히 넓은 시야를 갖는 단일 카메라를 가질 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예(310)가 도시된다. 본 실시예에서, 구강 고정물(12)은 위에서 논의된 바와 같은 고정물 기준 패턴(302)을 포함한다. 도구(102)는 위에서 논의된 도구 고정물과 유사한 도구 고정물(100)을 포함하지만, 단지 하나의 카메라(312)가 기준 플레이트(200) 상의 기준 패턴(212)을 향해 지향된다. 또한, 기준 플레이트(200)는 구강 고정물(12) 상의 고정물 기준 패턴(302)을 검출하도록 장착된 카메라(306)를 포함한다. 2개의 카메라로부터의 비디오 데이터와 2개의 패턴의 검출로부터, 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위에 상관시킬 수 있고, 도구의 위치를 스캔에 묘사할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예(320)가 도시된다. 본 실시예에서, 구강 고정물(12)은 도 1을 참조하여 설명된 것에 유사하고, 카메라 마운트(26)와 카메라(30)를 포함한다. 본 실시예에서, 도구(102)는 도구 고정물(100)을 필요로 하지 않고, 대신에, 도 13에 관하여 위에서 논의된 바와 같이 도구 기준 패턴(304)을 포함한다. 또한, 기준 플레이트(200)는 도구(102) 상의 도구 기준 패턴(304)을 검출하도록 장착된 카메라(306)를 포함한다. 구강 고정물(12) 상의 카메라는 기준 플레이트(200) 상의 기준 패턴(212)을 검출하도록 지향된다. 2개의 카메라로부터의 비디오 데이터와 2개의 패턴의 검출을 이용하여, 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위에 상관시킬 수 있고, 도구의 위치를 스캔에 묘사할 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 변형례(330)가 도시된다. 본 변형례에서, 사용되는 기준 플레이트(200)가 없다. 대신에, 구강 고정물(12)은 위에서 논의된 바와 같은 고정물 기준 패턴(302)을 포함한다. 도구(102)는 위에서 논의된 도구 고정물에 유사한 도구 고정물을 포함하지만, 단지 하나의 카메라(312)가 구강 고정물(12) 상의 고정물 기준 패턴(302)을 향하여 지향된다. 도구(102) 상의 카메라로부터의 비디오 데이터와 구강 고정물 상의 패턴을 이용하여, 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위에 상관시킬 수 있고, 도구의 위치를 스캔에 묘사할 수 있다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예(340)가 도시된다. 본 실시예에서, 역시 사용되는 기준 플레이트(200)가 없다. 대신에, 구강 고정물(12)은 카메라(30)가 도구(102)를 향해 지향되는 것으로 설명된 카메라 마운트에 유사한 카메라 마운트를 포함한다. 도구(102)는 도 13을 참조하여 위에서 논의된 도구 기준 패턴에 유사한 도구 기준 패턴(304)을 포함한다. 구강 고정물(12) 상의 카메라로부터의 비디오 데이터와 도구(102)상의 패턴을 이용하여, 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위에 상관시킬 수 있고, 도구의 위치를 스캔에 묘사할 수 있다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예(350)가 도시된다. 본 실시예에서, 역시 사용되는 기준 플레이트(200)가 없다. 대신에, 구강 고정물(12)은 도구(102)를 향해 지향되는 도 17의 실시예에 유사한 카메라 마운트를 포함한다. 도구(102)는 도 16에서의 카메라에 유사한 카메라(312)를 포함한다. 도구 및 고정물은 모두 기준 패턴을 포함할 것이다. 시스템은 CT 스캔을 입의 실제 방위에 상관시키고 도구의 위치를 스캔에 묘사하기 위하여 카메라로부터의 비디오 데이터를 이용한다.
본 발명의 다른 변형례에서, 수술 당일 환자의 구강을 매핑하기 위하여 외과의가 도구 고정물(100)에 장착된 카메라와 같은 카메라를 사용할 수 있다는 것이 고려된다. 본 실시예에서, 구강 고정물(12)과 기준 플레이트(200)는 수술 당일 형성되어 환자에 부착될 수 있다. 그 다음, 외과의는 도구 카메라를 이용하여 환자의 입의 3D 광학적 맵을 생성할 수 있다. 그 다음, 3D 모델과 이전 CT 스캔으로부터의 데이터를 이용하여, 시스템은 2개를 함께 참조할 수 있다. 본 실시예에서, 구강 고정물(12)은 미리 만들어질 필요는 없다.
전술한 실시예들은 환자가 구강 고정물(12) 및 기준 플레이트(200)를 장착하기에 충분한 치아를 가지고 있다는 가정에 기초한다. 그러나, 환자의 입의 상태가 구강 고정물(12)과 기준 플레이트(200)의 어느 하나 또는 모두의 부착을 방해한다면, 본 발명은 어느 하나의 컴포넌트가 환자의 턱뼈에 직접 장착될 수 있는 것을 상정한다. 이것은 도 19에 도시되고, 구강 고정물(400)이 환자의 상부 턱뼈에 고정 부착된다. 구강 고정물은 위에서 논의된 바와 같이 기준 플레이트(200) 상의 패턴(212)을 검출하도록 배향된 카메라(402)를 포함한다.
또한, 구강 고정물(12) 상의 기점 마커(34)가 본 발명에서 제거될 수 있다는 것이 고려된다. 대신에, 환자의 스캔이 기점 마커로서 치아를 검출하는데 사용될 수 있고, 치아에 관한 환자의 위치가 시스템에 의해 결정될 수 있다.
또한, 본 발명이 임의의 기점의 사용 없이(기점 없음) 수행될 수 있다는 것이 고려된다. 예를 들어, 카메라를 수용하지만 기점이 없는 고정물이 수술시에 환자에 부착되고, 위를 향하는 카메라와 아래를 향하는 카메라를 갖는 도구가 치아 위로 통과된다. 도구가 이동됨에 따라, 위로 향하는 카메라는 구강 고정물의 카메라가 참조하는 바와 같이 기준 플레이트에 관하여 자신을 참조한다. 이것은 구강 고정물이 부착되는 치아와 이동하는 도구 사이의 상대적 위치를 결정하여, 도구의 운동의 정밀한 예측을 가능하게 한다. 이러한 알려진 운동은, 이어서, 아래로 향하는 카메라가 치아와 잇몸의 외양 및 구조를 동시에 예측하는, 3D 모델을 구축하게 한다. 본 실시예에서, 3D 구조만이 광학적으로 유도된 표면을, 예를 들어, 마칭 큐브(marching cube)에 의해 생성된 종래의 CT로 유도된 표면에 정합하는데 사용되어, 따라서 구강 고정물의 카메라와 CT 좌표계 사이에 연결(link)을 제공한다.
본 발명의 이점 중 하나는 주형(cast) 모델을 만드는 것에 대한 필요성을 제거하는 것이다. 따라서, 위에서 개시된 시스템 및 고정물은 전반적인 외과 수술을 더 신속히 처리하고, 환자의 불편의 양을 감소시킨다.
환자의 움직임에 더하여, 프로그램은 또한 사용되고 있는 수술 도구의 상대 위치를 결정하기 위하여 광학적 데이터를 수신하도록 구성된다. 구체적으로는, 위에서 논의된 바와 같이, 도구 고정물은 바람직하게는 수술에서 사용되는 도구 비트(106)의 영상을 제공하는 제2 카메라를 포함한다. 시스템은 3차원으로 도구 비트(106)의 위치를 결정하고, 촬상된 데이터의 디스플레이에 묘사된 시뮬레이션된 수술 도구의 위치를 조정하도록 설계된다. 따라서, 실제 도구의 움직임은 디스플레이 상의 시뮬레이션되는 도구에 의해 모방된다.
그렇게 하기 위하여, 수술의 시작시, 의사 또는 기술자는 특정 기구를 소프트웨어 시스템에 입력함으로써 수술 기구를 정합하여야 하고, 이 시점에서 시스템은 그 끝 부분을 포함하는 기구에 대한 상세를 검색할 수 있고, 길이, 형상 등과 같은 다른 특징을 검색할 수 있다. 이 대신에, 더욱 바람직하게는, 그리고 도 20을 참조하여, 의사 또는 기술자는 도구 비트의 길이 및 지름뿐만 아니라 카메라(105, 109)에 관하여 도구 비트(106)의 위치를 결정하기 위하여 사용될 수 있는 광학적 데이터를 제공하기 위한 정합 장치(500)를 사용한다. 정합 장치(500)는 바람직하게는 베이스(504)에 장착된 구형(spherical) 터치 패드(502)를 포함한다. 정합 패턴(506)은 정의된 위치에서 정합 장치(500) 상에 형성된다. 예시된 실시예에서, 패턴(506)은 베이스(504)로부터 위로 연장하는 벽(508)뿐만 아니라 베이스(504) 상에 있다. 패턴(506)은 바람직하게는 위에서 언급된 비반복적 패턴(212)에 유사하다.
사용하는데 있어서, 의사 또는 기술자는 터치 패드(502) 상에서 도구 비트(106)의 끝 부분을 삽입하거나 터치한다. 시스템에서의 정합 프로그램이 활성화되어, 카메라(105, 109)가 비디오(광학적) 데이터를 수신하게 한다. 정합 패턴(506)은 카메라(105, 109) 중 하나 또는 양자가 패턴을 검출할 수 있도록 위치된다. 카메라가 데이터를 수신하고 있으면, 의사 또는 기술자는 카메라(들)가 정합 패턴(506)에서의 변동을 캡처할 수 있도록 도구를 그 끝 부분 근처에서 움직인다(회전시키거나 회동(pivot)시킨다). 수신된 데이터로부터, 시스템은 카메라(105,109)에 관한 도구 비트(106)의 끝 부분의 위치를 결정할 수 있다. 상이한 길이를 갖는 2개의 도구 비트(106)로 이 절차를 반복하는 것은 시스템이 각각의 카메라에 대한 도구 비트(106)의 축을 결정하게 한다.
위에서 언급된 바와 같이, 수술 동안 발생할 수 있는 문제 중 하나는 외과의가 수술 기구 또는 기구의 끝 부분을 변경할 수 있고, 따라서 새로운 끝 부분 또는 새로운 수술 도구가 정합되지 않는다면 수술 도구의 영상화된 묘사의 정확성을 잠재적으로 방해한다는 것이다. 때때로, 외과 수술의 복잡성은 도구를 정합시키는 것을 어렵게 하거나 외과의가 도구를 정합하는 것을 부주의로 잊어버리게 된다. 본 발명은 기준 패턴(212)의 연속 검출에 기초하는 수술 구역 또는 경계를 설정함으로써 그 문제점을 해결한다. 더욱 구체적으로는, 외과 수술이 시작하고 시스템이 기준 플레이트(200)에서 기준 패턴(212)(또는 고정물 패턴(302))을 검출하면, 도구(102)는 구강의 경계 부피를 갖는 것으로 고려된다.
기준 패턴(212)(또는 고정물 패턴(302))을 모니터링함으로써 프로그램이 도구(102)를 트래킹할 수 있기 때문에, 이는 의사가 잠재적으로 수술 기구를 변경하였는지를 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로그램은 도구의 초기 정합 이후에 도구(102) 상의 카메라가 기준 패턴(또는 고정물 패턴)을 처음으로 언제 보는지를 검출한다. 그 다음, 정합 후에 도구(102)를 계속 모니터링한다. 카메라가 기준 패턴(또는 고정물 패턴)을 계속 검출하면, 프로그램은 도구(102)에 변경이 이루어지지 않았다고 추정한다. 그러나, 도구(102) 상의 카메라가 규정된 기간동안 기준 패턴(또는 고정물 패턴)을 검출하지 않으면, 프로그램은 도구(102)가 구강을 아마도 벗어났고 절차를 계속하기 전에 의사가 추가 단계를 취하는 것을 필요로 한다고 판단한다. 일 실시예에서, 프로그램은, 구강으로부터 이동하였다고 의사에게 알리고, 수술 도구(102)에 변경이 이루어지지 않았다고 확인하거나 정합 장치(500)에 새로운 도구를 정합하는 것을 필요로 하는 팝업 메시지를 디스플레이에 전송한다. 의사가 응답하면, 팝업 디스플레이는 사라지고, 의사는 전체 디스플레이를 계속 볼 수 있다.
따라서, 본 발명은 영상 유도 외과 수술에서 사용되는 수술 도구를 트래킹하고 도구 변경이 이루어졌는지 확인하기 위하여 의사에게 통지하는 새로운 방법을 제공한다.
전술한 설명이 드릴을 포함하는 수술 도구 또는 기구를 언급하지만, "수술 기구" 또는 "수술 도구"라는 용어는 어린이의 세 번째 어금니를 포함하는 조직을 제거하기 위한 제거(ablation) 도구와 같은 구강내 수술 동안 사용되는 다른 도구를 포함하도록 의도된다.
여기에서 설명된 시스템 또는 시스템들은 임의의 형태의 컴퓨터 또는 컴퓨터들에 구현될 수 있고, 컴포넌트는 전용 애플리케이션으로서 또는 웹 기반 아키텍처를 포함하는 클라이언트-서브 아키텍처에서 구현될 수 있으며 기능적 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트를 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 컴퓨터 및/또는 저장 장치(예를 들어, 매체)에 저장될 수 있고, 그리고/또는 네트워크를 통해 실행될 수 있는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 방법은 저장 매체에 저장된 프로그램 코드 또는 프로그램 모듈을 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 원리를 이해하는 것을 촉진하는 목적으로, 도면에 예시된 바람직한 실시예를 참조하며, 이러한 실시예를 설명하기 위하여 특정 표현이 사용되었다. 그러나, 이러한 특정 표현에 의한 본 발명의 범위에 대한 어떠한 제한도 의도되지 않으며, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 발생할 수 있는 모든 실시예를 포함하도록 고려되어야 한다.
본 명세서의 실시예는 다양한 처리 단계들의 관점에서 설명될 수 있다. 이러한 처리 단계는 특정 기능을 수행하는 임의의 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 실현될 수 있다. 예를 들어, 설명된 실시예는 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 다른 제어 장치의 제어 하에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 다양한 집적 회로 컴포넌트, 예를 들어, 메모리 요소, 처리 요소, 논리 요소, 룩업 테이블 및 이와 유사한 것을 채용할 수 있다. 유사하게, 설명된 실시예의 요소가 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소를 이용하여 구현되는 경우에, 본 발명은 C, C++, Java, 어셈블러, 또는 이와 유사한 것과 같은 임의의 프로그래밍 또는 스크립트 언어로 구현될 수 있으며, 다양한 알고리즘이 임의의 데이터 구조, 객체, 프로세스 루틴 또는 다른 프로그래밍 요소로 구현된다. 기능적 양태는 하나 이상의 프로세서를 실행하는 알고리즘에서 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 전자적 구성, 신호 처리 및/또는 제어, 데이터 처리, 및 이와 유사한 것을 위한 임의의 개수의 종래 기술을 채용할 수 있다. "메커니즘" 및 "요소(element)"라는 단어는 대략적으로 사용되며, 기계적 또는 물리적 실시예로 제한되지 않지만, 프로세스 등과 함께 소프트웨어 루틴을 포함할 수 있다.
본 명세서에 도시되고 설명된 특정 구현례는 본 발명의 예시적인 예이고, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하려고 의도되지 않는다. 간결함을 위하여, 종래의 전자 장치, 제어 시스템, 소프트웨어 개발 및 시스템의 다른 기능적 양태(및 시스템의 개별적으로 동작하는 컴포넌트의 컴포넌트)는 상세하게 설명되지 않을 수 있다.
마지막으로, 본 명세서에서 설명된 모든 방법은, 본 명세서에서 달리 표시되지 않는다면, 또는 전후 사정에 명확하게 반하지 않는 한, 임의의 순서로 수행 가능하다. 본 명세서에서 사용된 임의의 그리고 모든 예 또는 예시의 표현(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 알맞게 예시하도록 의도되며, 달리 주장되지 않는다면 본 발명의 범위에 대한 한정으로서 제시되지 않는다. 다양한 수정 및 조정이 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (55)

  1. 구강 수술 절차 동안 구강 내에서 수술 기구를 트래킹하기 위한 영상 유도 시스템에 있어서,
    환자의 구강 내부에 수술 영역으로부터 이격된 위치에서 상기 환자의 해부학적 구조에 분리 가능하게 부착되도록 구성된 구강 고정물(fixture);
    상기 구강 고정물로부터 떨어져 상기 구강 내부의 상기 환자의 잇몸, 치아 또는 뼈에 부착된 기준 고정물;
    상기 구강 내 또는 상기 구강 근처에 위치되도록 구성되고, 활성화될 때 상기 구강 내에서 광학적으로 가시적인 패턴의 경구내(intraoral) 영상을 제공하도록 구성되는 복수의 카메라;
    트래킹되는 수술 기구 - 상기 복수의 카메라 중 적어도 하나는, 상기 카메라가 상기 구강 수술 절차 동안 상기 구강 내에 위치되어 상기 구강 고정물 또는 상기 기준 고정물을 검출할 수 있도록 상기 수술 기구 상의 위치에서 상기 수술 기구에 부착되고, 적어도 하나의 카메라는 상기 구강 고정물에 부착됨 -; 및
    상기 경구내 영상을 처리하고, 패턴을 인식하여 각각의 카메라의 위치 및 방위를 삼각 측량하도록 구성되고, 구강의 해부학적 구조의 일부에 고정 정렬되는 기준 좌표계를 정의하는 기준 데이터세트를 수신하도록 프로그래밍되고, 상기 기준 데이터세트에 기초하여 트래킹되는 상기 수술 기구의 위치와 방위를 결정하는 처리 시스템
    을 포함하는,
    영상 유도 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학적으로 가시적인 패턴은, 환자의 입 안의 하나 이상의 치아, 잇몸 또는 뼈에 제거 가능하게 부착되도록 구성된 상기 기준 고정물에 위치되거나, 트래킹되는 상기 수술 기구에 부착되는,
    영상 유도 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학적으로 가시적인 패턴은,
    환자의 치아 및 잇몸의 자연적으로 발생하는 텍스처(texture);
    상기 기준 고정물의 외부 표면의 적어도 일부 상에 배치된 복수의 QR 코드; 및
    내부에 더 작은 패턴을 갖는 더 큰 패턴으로서, 상기 더 작은 패턴은 상기 더 큰 패턴의 적어도 일부를 정의하며, 상기 더 큰 패턴 및 상기 더 작은 패턴은 카메라에 의해 캡처될 수 있고 상기 처리 시스템에 의해 트래킹될 수 있는 에지를 정의하는, 상기 더 큰 패턴
    중 하나 이상으로부터 선택되고,
    상기 더 큰 패턴과 상기 더 작은 패턴은 상기 구강 내에서 상기 기준 고정물 상에 위치되는,
    영상 유도 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    기준 데이터 세트를 더 포함하고,
    상기 기준 데이터 세트는,
    환자의 구강의 해부학적 구조에 관한 상기 구강 고정물의 위치와 방위 - 상기 구강 고정물은 환자의 해부학적 구조에 고정 부착됨 -;
    CT 스캔;
    상기 수술 영역에 대한 이전 스캔으로부터 추출된 3차원 표면 기하 구조; 또는
    상기 환자의 해부학적 구조에 관한 광학적으로 유도된 3차원 표면 기하 구조 및 텍스처 정보
    중 하나 이상을 포함하는,
    영상 유도 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 처리 시스템에 저장된 기준 데이터세트를 더 포함하고, 상기 구강 고정물은 제1 위치에서 환자의 해부학적 구조에 제거 가능하게 부착되고, 상기 기준 고정물은 상기 기준 고정물의 일부가 트래킹되는 상기 수술 기구 상의 상기 적어도 하나의 카메라로부터 그리고 상기 구강 고정물 상의 상기 적어도 하나의 카메라로부터 보일 수 있게 하는 위치에 상기 기준 고정물이 구강 내에 위치되고, 상기 기준 데이터세트는 CT 스캔에 대한 상기 구강 고정물의 위치 및 방위를 포함하고, 상기 처리 시스템은 각각의 카메라와 상기 기준 고정물 사이의 상대적 변환(transform)을 결합하는 것을 통해 트래킹되는 상기 수술 기구의 위치 및 방위를 결정하는,
    영상 유도 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    수술전 광학 스캔을 통해 획득된 3차원 표면 기하 구조 및 상대 알베도(albedo) 정보를 포함하는 기준 데이터세트를 더 포함하고,
    트래킹되는 상기 수술 기구 상의 상기 적어도 하나의 카메라가 환자의 치아 및 잇몸 상의 자연적으로 발생하는 텍스처를 검출하며, 상기 처리 시스템은 환자의 해부학적 구조에 관한 트래킹되는 상기 수술 기구의 위치 및 배향을 결정하기 위하여 카메라로부터 검색된 경구내 영상을 상기 기준 데이터세트로부터의 영상에 매칭시키는,
    영상 유도 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구강 고정물은 환자의 치아에 관한 상기 구강 고정물의 위치를 결정하는데 사용하기 위하여 지지부 상에 장착된 복수의 기점 마커를 포함하고, 상기 기점 마커는 CT 스캔에서 검출 가능하도록 상기 지지부 및 환자의 치아와는 상이한 방사선 밀도를 갖는 재료로 이루어지는,
    영상 유도 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구강 고정물은 방사선 비투과성(radioopacity)을 형성하도록 x-선의 투과를 차단하기에 충분한 밀도를 가지지 않는 재료로 이루어진 지지부와, 상기 지지부의 내부 표면에 위치되는 몰딩 가능한 열가소성 재료를 포함하고, 상기 몰딩 가능한 열가소성 재료는 경화함에 따라 상기 몰딩 가능한 열가소성 재료에 의해 덮인 환자의 치아의 일부의 외부 윤곽의 본을 유지하도록 구성되는,
    영상 유도 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구강 고정물의 상기 몰딩 가능한 재료는 몰딩 온도보다 높은 온도의 액체 수조(liquid bath)에 배치될 때 초기에 몰딩 가능하게 되도록 구성되고, 상기 몰딩 가능한 재료는 상기 재료가 몰딩될 준비가 될 때 시각적 표시를 제공하는,
    영상 유도 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시각적 표시는 상기 몰딩 가능한 재료의 적어도 일부의 색상 변화인,
    영상 유도 시스템.
  11. 삭제
  12. 구강 수술 절차 동안 구강 내에서 수술 기구를 트래킹하기 위한 영상 유도 시스템을 이용하여 수술 기구를 트래킹하는 수술 기구 트래킹 방법에 있어서,
    상기 영상 유도 시스템은,
    환자의 구강 내부에 수술 영역으로부터 이격된 위치에서 상기 환자의 해부학적 구조에 분리 가능하게 부착되도록 구성된 구강 고정물(fixture);
    상기 구강 고정물로부터 떨어져 상기 구강 내부의 상기 환자의 잇몸, 치아 또는 뼈에 부착된 기준 고정물;
    상기 구강 내 또는 상기 구강 근처에 위치되도록 구성되고, 활성화될 때 상기 구강 내에서 광학적으로 가시적인 패턴의 경구내(intraoral) 영상을 제공하도록 구성되는 복수의 카메라;
    트래킹되는 수술 기구 - 상기 복수의 카메라 중 적어도 하나는, 상기 카메라가 상기 구강 수술 절차 동안 상기 구강 내에 위치되어 상기 구강 고정물 또는 상기 기준 고정물을 검출할 수 있도록 상기 수술 기구 상의 위치에서 상기 수술 기구에 부착되고, 적어도 하나의 카메라는 상기 구강 고정물에 부착됨 -; 및
    상기 경구내 영상을 처리하고, 패턴을 인식하여 각각의 카메라의 위치 및 방위를 삼각 측량하도록 구성되고, 구강의 해부학적 구조의 일부에 고정 정렬되는 기준 좌표계를 정의하는 기준 데이터세트를 수신하도록 프로그래밍되고, 상기 기준 데이터세트에 기초하여 트래킹되는 상기 수술 기구의 위치와 방위를 결정하는 처리 시스템
    을 포함하고,
    상기 수술 기구 트래킹 방법은,
    도구 비트(bit)를 갖는 상기 수술 기구와 상기 수술 기구 상의 상기 적어도 하나의 카메라를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 카메라는 영상 데이터를 검색하기 위한 시야를 갖는, 카메라 제공 단계;
    상기 수술 기구의 움직임을 트래킹하기 위하여 컴퓨터 매체에 저장되는 프로그램을 제공하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 카메라에 관한 상기 도구 비트의 위치를 결정하는데 사용하기 위하여 정합 장치를 제공하는 단계로서, 상기 정합 장치는 베이스 상의 터치 패드와, 상기 적어도 하나의 카메라의 시야에 있는 정의된 위치에서 상기 정합 장치 상에 위치된 정합 패턴을 포함하는, 정합 장치 제공 단계
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    상기 터치 패드로부터 데이터를 수신하고,
    영상 데이터를 수신하도록 상기 적어도 하나의 카메라를 활성화하고;
    상기 적어도 하나의 카메라로부터 영상 데이터를 수신하고;
    상기 적어도 하나의 카메라에 관한 상기 도구 비트의 끝 부분의 위치를 결정하고;
    상기 도구 비트를 트래킹하는데 사용하기 위하여 상기 적어도 하나의 카메라에 관한 상기 끝 부분의 위치에 대한 상기 데이터를 저장
    하도록 구성되고,
    상기 구강 수술 절차 동안, 상기 프로그램은,
    상기 영상 데이터를 상기 도구 상의 상기 적어도 하나의 카메라로부터 상기 프로그램으로 전송하고;
    상기 구강 수술 절차 동안 전송된 영상 데이터와 상기 저장된 도구 비트 데이터에 기초하여 상기 구강 수술 절차 동안 상기 도구 비트의 끝 부분의 위치를 계산하고; 그리고,
    환자의 이전에 저장된 스캔에 상기 도구 비트의 끝 부분의 위치를 묘사
    하도록 구성되는,
    수술 기구 트래킹 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    수술 영역에 기준 패턴을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    상기 기준 패턴이 상기 적어도 하나의 카메라에 의해 연속으로 검출되고 있는지 판단하기 위하여 상기 구강 수술 절차 동안 상기 적어도 하나의 카메라로부터 전송된 상기 영상 데이터를 모니터링하고; 그리고,
    상기 구강 수술 절차 동안 전송된 상기 영상 데이터가 미리 정해진 기간 동안 상기 기준 패턴의 영상을 포함하지 않는다는 판단에 따라, 상기 프로그램이 상기 수술 기구가 정합될 필요가 있다는 시각적 또는 청각적 표시를 제공
    하도록 구성되는,
    수술 기구 트래킹 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 시각적 또는 청각적 표시는 사용자가 추가 동작을 취하는 것을 필요로 하는 디스플레이 상의 팝업 메시지이고, 상기 사용자가 상기 추가 동작을 취한 후에, 상기 프로그램은 상기 디스플레이로부터 상기 팝업 메시지를 제거하는,
    수술 기구 트래킹 방법.
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