KR101876386B1 - 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절개부위 내에서 수술기구의 위치 정보를 검출함으로써, 로봇수술의 안정성을 향상시킬 수 있는 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 의료용 로봇 시스템은 환자의 절개부위에 삽입되는 트로카의 관통홀로 수술기구가 삽입되는 경우, 상기 관통홀 내에서의 상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 수술기구 위치 검출 장치; 및 상기 검출된 수술기구의 위치 정보에 따라, 상기 수술기구가 마련된 수술로봇의 동작을 제어하는 콘솔을 포함한다.

Description

의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법{Medical robotic system and control method for thereof}
본 발명은 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 로봇수술의 안전성을 향상시킬 수 있는 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
로봇수술(robotic surgery)은 수술 도구를 움직일 수 있는 로봇을 의사가 제어하며 진행하는 수술로, 외과를 포함한 다양한 의학 분야에서 응용되고 있다.
일반적으로 의료용 로봇 시스템은 로봇 암을 포함하는 로봇과 이 로봇의 움직임을 제어할 수 있는 콘솔을 포함하여 구성된다. 의사는 수술기구가 마련된 로봇 암을 직접 움직이거나, 콘솔에 마련된 입력부를 조작하여 로봇 암의 움직임을 원격으로 조정함으로써, 환자의 수술부위를 절개하거나 봉합할 수 있다.
그런데 종래의 의료용 로봇 시스템은 환자의 절개부위에 대한 안전을 보장해주지 못한다는 문제가 있다. 구체적으로, 의사는 환자의 절개부위로 수술기구를 삽입시킨 다음, 수술부위를 절개하거나 봉합하는데, 종래의 의료용 로봇 시스템은 절개부위 내에서의 수술기구의 위치를 제공하지 않는다.
따라서 의사는 로봇 암의 움직임을 조작하는 동안에는 절개부위 내에서 수술기구의 위치를 알 수 없으며, 그만큼 수술도중 환자의 절개부위가 훼손될 위험도 높아진다.
또한 의사도 환자의 절개부위가 훼손되지 않도록 로봇이나 로봇 암의 움직임을 조절하는 것이 쉽지 않으므로, 수술로봇 사용에 따른 피로도가 증가한다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 절개부위 내에서 수술기구의 위치 정보를 검출함으로써, 로봇수술의 안정성을 향상시킬 수 있는 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템은 환자의 절개부위에 삽입되는 트로카의 관통홀로 수술기구가 삽입되는 경우, 상기 관통홀 내에서의 상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 수술기구 위치 검출 장치; 및 상기 검출된 수술기구의 위치 정보에 따라, 상기 수술기구가 마련된 수술로봇의 동작을 제어하는 콘솔을 포함한다.
상기 수술기구 위치 검출 장치는 사각형의 프레임에서 소정 꼭지점을 기준으로 가로방향에 위치한 제1 서브 프레임에 설치되는 제1 포토다이오드 어레이와 상기 제1 서브 프레임과 맞닿은 제2 서브 프레임에 설치되는 제2 포토다이오드 어레이를 포함하는 감지부; 상기 제1 포토다이오드 어레이의 출력값들에 근거하여 상기 관통홀 내에서 상기 수술기구의 X 좌표를 검출하고, 상기 제2 포토다이오드 어레이의 출력값들에 근거하여 상기 관통홀 내에서 상기 수술기구의 Y 좌표를 검출하는 좌표 검출부; 및 상기 검출된 좌표 정보를 상기 콘솔로 송신하는 송신부를 포함한다.
상기 좌표 검출부는 상기 제1 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 X 좌표로 검출하고, 상기 제2 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 Y 좌표로 검출한다.
상기 프레임에서 개방면의 일측에는 상기 트로카와의 결합을 위한 결합부가 마련되며, 상기 결합부의 단면은 상기 트로카의 단면과 대응하는 형상을 가진다.
상기 수술기구 위치 검출 장치는 발광부를 더 포함하며, 상기 발광부는 상기 제1 서브 프레임과 마주보는 제3 서브 프레임에 설치되어 상기 제1 포토다이오드 어레이를 향해 발광하는 제1 발광부; 및 상기 제2 서브 프레임과 마주보는 제4 서브 프레임이 설치되어 상기 제2 포토다이오드 어레이를 향해 발광하는 제2 발광부를 포함한다.
상기 콘솔은 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기 설정된 기준범위에 포함되는 경우, 상기 콘솔로 입력된 명령에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
상기 콘솔은 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기 설정된 기준범위의 경계에 존재하거나 상기 기준범위를 초과하는 경우, 기 설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
상기 수술로봇 제어 방식은 상기 수술로봇의 움직임을 정지시키는 방식, 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 거리를 적게 이동시키는 방식, 및 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 속도를 감소시키는 방식 중 하나인 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템의 제어 방법은 환자의 절개부위에 삽입되는 트로카의 관통홀로 수술기구가 삽입되는 경우, 상기 관통홀 내에서의 상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 단계; 및 콘솔이 상기 검출된 수술기구의 위치 정보에 따라, 상기 수술기구가 마련된 수술로봇의 동작을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 단계는 사각형의 프레임에서 가로방향에 위치한 제1 서브 프레임에 설치되는 제1 포토다이오드 어레이의 출력값들과, 상기 제1 서브 프레임과 맞닿은 제2 서브 프레임에 설치되는 제2 포토다이오드 어레이의 출력값들에 근거하여, 상기 관통홀 내에서 상기 수술기구의 X 좌표 및 Y 좌표를 검출하는 단계를 포함한다.
상기 수술기구의 XY 좌표를 검출하는 단계는, 상기 제1 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 X 좌표로 검출하는 단계; 및 상기 제2 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 Y 좌표로 검출하는 단계를 포함한다.
상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 단계 이전에, 상기 제1 서브 프레임과 마주보는 제3 서브 프레임에 설치된 제1 발광부를 상기 제1 포토다이오드 어레이를 향해 발광시키는 단계; 및 상기 제2 서브 프레임과 마주보는 제4 서브 프레임이 설치된 제1 발광부를 상기 제2 포토다이오드 어레이를 향해 발광시키는 단계를 더 포함한다.
상기 수술로봇의 동작을 제어하는 단계는 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기 설정된 기준범위에 포함되는 경우, 상기 콘솔로 입력된 명령에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 수술로봇의 동작을 제어하는 단계는 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기 설정된 기준범위의 경계에 존재하거나 상기 기준범위를 초과하는 경우, 기 설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 수술로봇 제어 방식은 상기 수술로봇의 움직임을 정지시키는 방식, 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 거리를 적게 이동시키는 방식, 및 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 속도를 감소시키는 방식 중 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
절개부위 내에서의 수술기구의 위치 정보를 검출하고, 검출된 수술기구의 위치 정보에 따라 수술로봇을 제어하므로, 환자의 절개부위가 수술기구에 의해 훼손되는 것을 방지할 수 있다.
수술기구의 위치 정보에 근거하여 수술기구가 절개부위 내의 일정범위 내에서만 움직이도록 수술로봇을 제어할 수 있으므로, 로봇수술의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술기구 위치 검출 장치의 외관을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술기구 위치 검출 장치의 제어구성을 도시한 도면이다.
도 4는 수술기구의 좌표 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술로봇의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘솔의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 의료용 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 대해 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 의료용 로봇 시스템은 콘솔(400), 수술로봇(300) 및 트로카(200)를 포함할 수 있다.
콘솔(400)은 수술로봇(300)으로 제어신호를 송신하거나 수술로봇(300)으로부터 영상 데이터를 수신할 수 있다. 또한, 콘솔(400)은 수술기구 위치 검출 장치(도 2의 도면부호 100 참조)로부터 수술기구(350)의 위치 정보를 수신할 수 있다. 이를 위해 콘솔(400)은 수술로봇(300) 및 수술기구 위치 검출 장치(100) 중 적어도 하나와 네트워크로 연결될 수 있다. 이 때, 네트워크는 유선 네트워크 또는 무선 네트워크로 구현되거나, 이들의 조합으로 구현될 수도 있다. 콘솔(400)은 환자(P) 체내의 수술부위에 대한 영상뿐만 아니라, 수술기구(350)의 위치 정보를 디스플레이할 수 있다. 의사(D)는 이러한 콘솔(400)을 이용하여 수술로봇(300)의 동작을 원격으로 조작할 수 있다. 콘솔(400)에 대한 보다 구체적인 설명은 도 6를 참조하여 후술하기로 한다.
수술로봇(300)은 네트워크를 통해 콘솔(400)로부터 제어신호를 수신하고, 수신한 제어신호에 따라 움직이는 장치이다. 이러한 수술로봇(300)은 환자(P)의 체내 수술부위를 촬영하여, 촬영된 영상 데이터를 네트워크를 통해 콘솔(400)로 송신할 수 있다. 수술로봇(300)에 대한 보다 구체적인 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
트로카(200)는 환자(P)의 절개부위에 삽입되는 기구로, 수술로봇(300)에 구비된 수술기구(350)를 안내하는 역할을 한다. 트로카(200)의 몸체(미도시)는 원통형으로, 몸체의 중앙에 수술기구(350)가 삽입될 수 있는 관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 경우에 따라 관통홀은 하나만 형성될 수도 있고 여러 개가 형성될 수도 있다. 트로카의 몸체에 복수의 관통홀이 형성된 경우, 각 관통홀 마다 수술기구나 복강경이 삽입될 수 있다. 트로카(200)는 환자(P)의 절개부위에 삽입되는 도구이므로, 절개부위에 대한 훼손을 최소화하기 위해 탄성재질로 만들어질 수 있다. 그러나 트로카(200)의 재질이 탄성재질로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 트로카의 몸체에는 수술기구 위치 검출 장치가 구비된다. 수술기구 위치 검출 장치는 트로카의 몸체에 형성된 관통홀로 수술기구(350)가 삽입되는 경우, 수술기구(350)의 위치를 감지할 수 있다. 여기서 수술기구 위치 검출 장치(100)에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 2 및 도 3을 참조하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술기구 위치 검출 장치(100)의 외관을 예시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술기구 위치 검출 장치(100)의 제어구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수술기구 위치 검출 장치(100)의 외관은 사각형의 프레임(110)으로 구현될 수 있다. 도 2는 사각형의 프레임(110)을 예시하고 있지만, 이로 한정되는 것은 아니며, 수술기구 위치 검출 장치(100)의 외관은 원형 또는 다각형의 프레임으로 구현될 수도 있다. 수술기구 위치 검출 장치(100)의 프레임이 원형으로 구현된 경우, 프레임의 크기는 트로카의 몸체의 직경과 동일하거나 크게 구현될 수 있다. 이에 비하여, 수술기구 위치 검출 장치(100)의 프레임이 다각형으로 구현된 경우에는, 트로카(200)의 몸체의 직경보다 큰 크기를 가지도록 구현되는 것이 바람직하다.
수술기구 위치 검출 장치(100)는 트로카(200)와 일체형으로 구현될 수도 있고, 트로카(200)와 탈착 가능한 형태로 구현될 수도 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 수술기구 위치 검출 장치(100)가 사각형의 프레임(110)으로 구현된 경우, 프레임의 개방면의 일측에는 트로카(200)와의 결합을 위한 결합부(미도시)가 마련될 수 있다. 이 때, 결합부의 단면은 트로카(200)의 몸체의 단면과 대응하는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 트로카(200)의 몸체가 원통형인 경우, 결합부도 원통형으로 구현될 수 있다.
이러한 결합부는 다양한 방식으로 트로카(200)와 결합할 수 있다. 일 예로, 결합부의 내주면을 따라 나선 모양의 돌기를 형성하고, 트로카(200)의 몸체의 외주면을 따라 나선 모양의 홈을 형성하여, 프레임(110)의 하부와 트로카(200)의 상부를 나선결합 방식으로 결합시킬 수 있다. 다른 예로, 트로카(200)의 몸체 외주면의 소정 위치에 둘 이상의 삽입 홈을 형성하고, 결합부의 내주면에 둘 이상의 돌기를 형성할 수 있다. 그리고 결합부의 내주면에 형성된 돌기를 트로카의 몸체 외주면에 형성된 삽입 홈에 삽입하여 프레임(110)과 트로카를 결합시킬 수 있다.
이러한 수술기구 위치 검출 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 감지부(120), 발광부(150), 좌표 검출부(130), 송신부(160) 및 전원 공급부(140)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소들은 도 2에 예시된 바와 같은 사각형 프레임(110)에 마련될 수 있다.
감지부(120)는 트로카(200)의 몸체에 형성된 관통홀로 수술기구(350)가 삽입되는 경우, 수술기구(350)를 감지할 수 있다. 이를 위하여 감지부(120)는 포토다이오드 어레이(phtodiode array)를 포함할 수 있다. 포토다이오드 어레이는 다수의 포토 다이오드가 수 ㎜ 간격 혹은 수 ㎛의 간격으로 규칙적으로 배치되어 있는 것을 말한다. 포토다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 포토다이오드에 빛이 닿으면 전류가 흐르게 되는데, 포토다이오드에서 출력되는 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다. 이러한 포토다이오드는 예를 들어 일렬로 배열되어 포토다이오드 어레이를 형성할 수 있다.
포도다이오드 어레이는 도 2에 도시된 바와 같이, 사각형의 프레임(110)을 이루는 네 개의 서브 프레임(111, 112, 113, 114) 중에서 서로 직교하는 두 개의 서브 프레임에 각각 설치될 수 있다. 구체적으로, 사각형 프레임(110)에서 좌측 하부에 위치한 꼭지점을 원점으로 가정하였을 때, 원점을 기준으로 가로 방향에 위치한 서브 프레임(111)과, 원점을 기준으로 세로 방향에 위치한 서브 프레임(112)에 각각 포토다이오드 어레이가 설치될 수 있다. 이하의 설명에서는 가로 방향의 서브 프레임(111)에 설치된 포토다이오드 어레이를 '제1 포토다이오드 어레이(121)'라 한다. 그리고 세로 방향의 서브 프레임(112)에 설치된 포토다이오드 어레이를 '제2 포토다이오드 어레이(122)'라 한다.
발광부(150)는 전압이 가해지면 발광한다. 발광부(150)는 예를 들어, 하나 이상의 발광 다이오드로 구현될 수 있다. 발광부(150)는 제1 발광부(151)와 제2 발광부(152)를 포함할 수 있는데, 제1 발광부(151)는 사각형의 프레임(110) 중에서 제1 포토다이오드 어레이(121)의 맞은편에 설치되어 제1 포토다이오드 어레이(121)를 향해 발광할 수 있다. 그리고 제2 발광부(152)는 제2 포토다이오드 어레이(122)의 맞은편에 설치되어 제2 포토다이오드 어레이(122)를 향해 발광할 수 있다.
좌표 검출부(130)는 제1 포토다이오드 어레이(121)의 출력값과 제2 포토다이오드 어레이(122)의 출력값에 근거하여 수술기구(350)의 위치 즉, X 좌표 및 Y 좌표를 검출할 수 있다. 구체적으로, 사각형의 프레임(110)에서 가로 방향에 위치한 서브 프레임(111)은 XY 좌표계의 X축으로 볼 수 있으며, 세로 방향에 위치한 서브 프레임(112)은 XY 좌표계의 Y축으로 볼 수 있다. 따라서, 좌표 검출부(130)는 제1 포토다이오드 어레이(121)의 출력값들에 근거하여, 수술기구(350)의 X 좌표를 검출할 수 있으며, 제2 포토다이오드 어레이(122)의 출력값들에 근거하여 수술기구(350)의 Y 좌표를 검출할 수 있다. 이 때, 좌표 검출부(130)는 제1 포토다이오드 어레이(121)에 포함된 포토다이오들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 수술기구(350)의 X 좌표로 검출할 수 있다. 마찬가지로, 좌표 검출부(130)는 제2 포토다이오드 어레이(122)에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 수술기구(350)의 Y 좌표로 검출할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명을 위하여 도 4를 참조하기로 한다.
도 4는 수술기구(350)의 좌표 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 (A1)은 제1 발광부(151)와 제1 포토다이오드 어레이(121)의 사이에 수술기구(350)가 위치한 모습을 도시한 것이고, (B1)은 그때의 제1 포토다이오드 어레이(121)의 출력값들을 도시한 그래프이다. 그리고 (A2)는 (A1)에서 수술기구(350)의 Y축 위치만을 변경시킨 모습을 도시한 것이고, (B2)는 그때의 제1 포토다이오드 어레이(121)의 출력값들을 도시한 그래프이다. (A1) 및 (A2)에서 화살표의 굵기는 빛의 세기를 의미한다.
(A1) 및 (A2)를 참조하면, 제1 발광부(151)와 제1 포토다이오드 어레이(121) 사이에 수술기구(350)가 위치하는 경우, 제1 포토다이오드 어레이(121)의 각 포토다이오드로 수신되는 빛의 양이 서로 다른 것을 알 수 있다. 이는 제1 발광부(151)의 발광 다이오드들 중 수술기구와 다른 위치에 있는 발광 다이오드들에서 나온 빛이 수술기구(350)의 위치에 대응하는 포토다이오드에 영향을 미치기 때문인데, 이러한 현상은 빛이 공기 중에서 산란하기 때문에 발생한다.
(B1) 및 (B2)를 참조하면, 수술기구(350)의 X축 좌표가 동일한 상태에서 Y축 좌표만을 변경시키는 경우, 제1 포토다이오드 어레이(121)의 각 포토다이오드에서 출력되는 출력값은 이전과는 달라지지만, 수술기구(350)의 위치와 대응하는 포토다이오드의 출력값은 최소인 상태로 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 포토다이오드 어레이(121)에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드를 검출하고, 검출된 포토다이오드의 위치를 수술기구(350)의 X 좌표로 결정할 수 있다. 수술기구(350)의 Y 좌표도 수술기구(350)의 X 좌표 검출 방식과 동일한 방식으로 이루어질 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 송신부(160)는 검출된 수술기구(350)의 위치 정보를 콘솔(400)로 송신할 수 있다. 이를 위하여 송신부(160)는 콘솔(400)과 유선 통신 또는 무선 통신을 수행할 수 있다.
전원 공급부(140)는 수술기구 위치 검출 장치(100) 내의 구성요소들로 전원을 공급할 수 있다. 만약, 수술기구 위치 검출 장치(100)의 각 구성요소들이 동작하는데 필요한 전압의 크기가 서로 다른 경우, 전원 공급부(140)는 서로 다른 크기의 전원을 공급하기 위한 다수의 전원 공급부(미도시)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술로봇(300)의 구성을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수술로봇(300)은 수신부(310), 송신부(360), 제어부(320), 로봇 암(330), 촬영부(340) 및 수술기구(350)를 포함할 수 있다.
수신부(310)는 콘솔(400)에서 전송된 제어신호를 수신할 수 있다. 수신한 제어신호는 후술될 제어부(320)로 제공될 수 있다.
제어부(320)는 수신부(310)로 수신된 제어신호에 따라 로봇 암(330)의 움직임을 제어할 수 있다.
로봇 암(330)은 제어부(320)에 의해 제어되는 부분으로, 로봇 암(330)의 일단에는 촬영부(340)와 수술기구(350)가 구비될 수 있다.
촬영부(340)는 환자(P)의 체내의 수술부위를 촬영할 수 있다. 촬영부(340)에 의해 촬영된 영상은 제어부(320)로 제공되어, 소정의 영상처리 과정을 거칠 수 있다. 여기서, 영상처리의 예로는, 촬영된 영상의 확대, 축소, 이동 회전, 편집, 및 필터링을 들 수 있으며, 제어부(320)에서 수행되는 영상처리 과정은 경우에 따라 생략될 수도 있다.
수술기구(350)는 로봇 암(330)의 일단에 구비되며, 로봇 암(330)과 탈착 가능하도록 설계될 수 있다. 의사(D)는 콘솔(400)에 마련된 입력부(410)를 조작하여 수술기구(350)를 움직임으로써, 환자(P)의 체내의 수술부위를 절제하거나 봉합할 수 있다.
송신부(360)는 촬영부(340)에서 촬영된 영상데이터 또는 제어부(320)에 의해 영상처리가 완료된 영상데이터를 콘솔(400)로 송신할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘솔(400)의 구성을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 콘솔(400)은 입력부(410), 저장부(460), 제어부(420), 통신부(430), 영상 출력부(440) 및 음성 출력부(450)를 포함할 수 있다.
입력부(410)는 의사(D)로부터 수술로봇(300)의 움직임을 조종하기 위한 명령을 입력받을 수 있다. 또한 입력부(410)는 의사(D)로부터 기준범위(도 2의 도면부호 'R' 참조)에 대한 정보를 입력받을 수 있다. 여기서 기준범위(R)란 수술기구(350)가 트로카(200)의 관통홀에 삽입된 상태에서 움직이더라도 환자(P)의 절개부위를 훼손하지 않는 범위를 말한다.
기준범위(R)는 트로카(200)에 형성된 관통홀의 단면을 기준으로 설정될 수 있다. 수술기구 위치 검출 장치(100)가 사각형의 프레임(110)으로 구현되더라도, 트로카(200)에 형성된 관통홀의 단면은 원형인 경우가 일반적이다. 이러한 경우, 기준범위(R)는 트로카(200)에 형성된 관통홀의 단면을 기준으로 설정될 수 있다. 이 때, 기준범위(R)는 트로카(200)에 형성된 관통홀의 직경과 동일하게 설정될 수도 있고, 관통홀의 직경 보다 작게 설정될 수도 있다.
또한 수술의 종류에 따라 환자(P)에게 사용할 트로카(200)의 직경도 달라질 수 있는데, 의사(D)는 수술에 사용할 트로카(200)의 직경에 맞추어 기준범위(R)를 사전에 설정할 수도 있다. 기준범위(R)를 설정하는 방법으로는 의사(D)가 기준범위(R)에 대한 수치를 직접 입력하는 방법, 또는 콘솔(400)에 기저장되어 있는 기준범위(R)에 대한 설정값들 중에서 하나를 선택하는 방법을 예로 들 수 있다. 기준범위(R)에 대한 설정값은 콘솔(400)의 생산 단계에서 기본적으로 저장된 값을 의미할 수도 있고, 의사(D)가 이전에 입력하였던 값을 의미할 수도 있으며, 이들의 조합을 의미할 수도 있다.
이외에도 의사(D)는 입력부(410)를 통해 수술기구(350)의 위치 정보 표시 여부, 응급 상황 발생에 따른 수술로봇 제어 방식, 응급 상황 발생에 따른 알람 출력 여부 및 알람 출력 방식 등을 설정할 수도 있다. 이를 위하여 입력부(410)는 다수의 버튼이나 키, 조이스틱 등을 포함할 수 있다.
통신부(430)는 콘솔(400)과 수술로봇(300) 간의 데이터 송수신 또는 제어신호 송수신을 담당할 수 있다. 구체적으로, 통신부(430)는 수술로봇(300)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 수술로봇(300)으로 송신할 수 있다.
통신부(430)는 수술로봇(300)의 촬영부(340)에 의해 촬영된 영상 데이터 혹은 수술로봇(300)의 제어부에 의해 영상처리가 완료된 영상 데이터를 수신할 수 있다. 또한 통신부(430)는 수술기구 위치 검출 장치(100)에서 전송된 수술기구(350)의 위치 정보를 수신할 수 있다. 수신된 수술기구(350)의 위치 정보는 제어부(420)으로 제공될 수 있다.
제어부(420)는 입력부(410)를 통해 입력받은 명령에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(420)에서 생성된 제어신호는 통신부(430)를 거쳐 수술로봇(300)으로 전송될 수 있다.
또한 제어부(420)는 수술기구 위치 검출 장치(100)로부터 수신한 수술기구(350)의 위치 정보와 기준범위(R)를 비교할 수 있다. 그리고 비교 결과에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
수술기구(350)의 위치 정보와 기준범위(R)를 비교한 결과, 수술기구(350)의 위치 정보가 기준범위(R) 내에 속한다면, 제어부(420)는 의사(D)가 입력한 명령에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
수술기구(350)의 위치 정보와 기준범위(R)를 비교한 결과, 수술기구(350)의 위치 정보가 기준범위(R)의 경계에 위치하거나, 기준범위(R)를 벗어났다면, 제어부(420)는 응급 상황이 발생한 것으로 판단하고, 기 설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
일 예로, 기 설정된 수술로봇 제어 방식이 수술로봇의 움직임을 정지시키는 것이라면, 제어부(420)는 수술로봇의 움직임을 정지시키기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
다른 예로, 기 설정된 수술로봇 제어 방식이 수술로봇의 이동 거리를 감소시키는 것이라면, 제어부(420)는 의사(D)가 입력한 명령보다 수술로봇(300)의 이동 거리를 적게 이동시키는 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 의사(D)가 입력한 명령이 수술로봇(300)의 위치를 5mm만큼 이동시키는 명령이라면, 제어부(420)는 수술로봇(300)의 위치를 1mm만큼 이동시키는 제어신호를 생성할 수 있다.
또 다른 예로, 기 설정된 수술로봇 제어 방식이 수술로봇의 이동 속도를 감소시키는 것이라면, 제어부(420)는 의사(D)가 입력부(410)를 조작한 속도보다 수술로봇(300)의 이동 속도를 감소시키는 제어신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 의사(D)가 입력부(410)를 빠른 속도로 조작하였다면, 의사(D)가 입력부(410)를 조작한 속도보다 작은 속도로 수술로봇(300)을 움직이기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
저장부(460)는 수술로봇(300)의 동작을 제어하는데 필요한 알고리즘, 수술로봇(300)으로부터 수신한 데이터, 수술기구 위치 검출 장치(100)로부터 수신한 데이터, 및 응급 상황 여부를 판단하는데 필요한 데이터 예를 들면, 기준범위(R)에 대한 정보를 저장할 수 있다. 또한 저장부(460)는 사용자가 설정한 설정 정보를 저장할 수 있다. 설정 정보의 예로는, 수술기구(350)의 위치 정보 표시 여부, 응급 상황 발생에 따른 수술로봇 제어 방식의 종류, 응급 상황 발생에 따른 알람 출력 여부 및 알람 출력 방식 등을 예로 들 수 있다. 알람 출력 방식으로는 경고음, 경고등, 경고 문구 표시, 아이콘의 점멸 등을 예로 들 수 있다.
이러한 저장부(460)는 롬(Read Only Memory: ROM), 램(Random Access Memory: RAM), 피롬(Programmable Read Only Memory: PROM), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 소자, 또는 램(Random Access Memory: RAM)과 같은 휘발성 메모리 소자, 또는 하드 디스크, 광 디스크와 같은 저장 매체로 구현될 수 있다. 그러나 상술한 예로 한정되는 것은 아니며, 저장부(460)는 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있음은 물론이다.
통신부(430)는 콘솔(400)과 수술로봇(300) 간의 데이터 송수신 또는 제어신호 송수신을 담당할 수 있다. 구체적으로, 통신부(430)는 수술로봇(300)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 수술로봇(300)으로 송신할 수 있으며, 수술로봇(300)의 촬영부(340)에 의해 촬영된 영상 데이터를 수신할 수 있다.
또한 통신부(430)는 수술기구 위치 검출 장치(100)에서 송신한 수술기구(350)의 위치 정보를 수신할 수 있다. 이 때, 위치 정보는 관통홀 내에서의 수술기구(350)의 좌표 정보를 의미할 수 있다. 수신된 위치 정보는 제어부(420)로 제공될 수 있다.
제어부(420)는 입력부(410)를 통해 입력받은 명령에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(420)에서 생성된 제어신호는 통신부(430)를 거쳐 수술로봇(300)으로 전송될 수 있다.
영상 출력부(440)는 수술로봇(300)에 의해 촬영된 영상을 디스플레이할 수 있다. 또한 영상 출력부는 수술로봇(300)에 의해 촬영된 영상에 수술기구(350)의 위치 정보를 중첩하여 디스플레이할 수도 있다. 이러한 영상 출력부(440)는 예를 들어, 액정 표시 화면(Liquid Crystal Display: LCD)으로 구현될 수 있다.
음성 출력부(450)는 응급 상황 발생과 관련된 알람을 소리로 출력할 수 있다. 이러한 음성 출력부(450)는 예를 들어, 스피커를 포함하여 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 로봇 시스템의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
설명에 앞서, 수술기구 위치 검출 장치(100)가 결합된 트로카(200)가 환자(P)의 절개부위에 삽입되어 있는 상태임을 가정한다. 또한, 수술기구(350)의 위치에 대한 기준범위(R)도 콘솔(400)에 이미 입력된 상태이거나 설정된 상태임을 가정한다.
이러한 상태에서 트로카(200)의 관통홀로 수술기구(350)가 삽입되면, 수술기구 위치 검출 장치(100)는 관통홀 내에서의 수술기구(350)의 위치를 검출할 수 있다(S710). 수술기구(350)의 위치를 검출하는 단계(S710)는 제1 발광부(151) 및 제2 발광부(152)가 각각 제1 포토다이오드 어레이(121) 및 제2 포토다이오드 어레이(122)를 향하여 발광하는 단계, 제1 포토 다이오드 어레이(121)에 포함된 포토다이오들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드를 검출하는 단계, 제2 포토다이오드 어레이(122)에 포함된 포토다이오들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드를 검출하는 단계, 및 검출된 포토다이오들의 위치를 각각 수술기구(350)의 X 좌표 및 Y 좌표로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
이처럼 수술기구(350)의 위치가 검출되면, 수술기구 위치 검출 장치(100)는 검출된 수술기구(350)의 위치 정보를 네트워크를 통해 콘솔(400)로 송신할 수 있다(S720).
콘솔(400)은 수술기구 위치 검출 장치(100)로부터 수술기구(350)의 위치 정보를 수신하고, 수신된 수술기구(350)의 위치 정보와 기준범위(R)를 비교할 수 있다(S730).
그리고 비교 결과에 따라 수술로봇(300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다(S740). 비교 결과에 따라 제어신호를 생성하는 단계는 수술기구(350)의 위치가 기준범위(R) 내에 포함되는 경우, 의사(D)가 입력한 명령에 따라 제어신호를 생성하는 단계, 수술기구(350)의 위치가 기준범위(R)의 경계에 있거나 기준범위(R)를 벗어나는 경우, 기 설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 제어신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
기 설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 제어신호를 생성하는 단계는 수술로봇의 움직임을 정지시키는 단계, 의사(D)가 입력한 명령보다 수술로봇(300)의 이동 거리를 적게 이동시키는 제어신호를 생성하는 단계, 및 의사(D)가 입력부(410)를 조작한 속도보다 작은 속도로 수술로봇(300)의 이동 속도를 감소시키는 제어신호를 생성하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
콘솔(400)에서 생성된 제어신호는 수술로봇(300)으로 전송될 수 있다(S750). 그러면 수술로봇(300)은 수신한 제어신호에 따라 동작하게 된다(S760).
도 7에서 수술기구(350)의 위치 정보와 기준범위(R)를 비교한 결과, 수술기구(350)의 위치 정보가 기준범위(R)의 경계에 있거나 기준범위(R)를 초과한 경우, 콘솔(400)은 알람을 발생시킬 수 있다. 알람을 발생시키는 단계는 S730 단계와 S740 단계의 사이, 또는 S740 단계와 S750 단계의 사이에 수행될 수 있다.
전술한 실시예들에서 수술기구 위치 검출 장치(100), 수술로봇(300) 및 콘솔(400)을 구성하는 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
전술한 실시예들에 더하여, 본 발명의 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, 마그네틱 저장 매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학 기록 매체(예를 들면, CD-ROM 또는 DVD)와 같은 기록 매체, 반송파(carrier wave)와 같은 전송매체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 매체는 합성 신호 또는 비트스트림(bitstream)과 같은 신호일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다. 또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 수술기구 위치 검출 장치
110: 프레임
120: 감지부
130: 좌표 검출부
140: 전원 공급부
150: 발광부
160: 송신부
200: 트로카
300: 수술로봇
400: 콘솔

Claims (15)

  1. 환자의 절개부위에 삽입되는 트로카의 관통홀로 수술기구가 삽입되는 경우, 상기 관통홀 내에서의 상기 수술기구의 위치 정보를 검출하는 수술기구 위치 검출 장치; 및
    상기 검출된 수술기구의 위치 정보에 따라, 상기 수술기구가 마련된 수술로봇의 동작을 제어하는 콘솔을 포함하고,
    상기 수술기구 위치 검출 장치는:
    상기 수술기구 위치 검출 장치의 외관을 형성하며, 제1 방향으로 배치되는 제1 서브 프레임 및 상기 제1 서브 프레임과 접촉하며 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 배치되는 제2 서브 프레임을 포함하는 프레임;
    상기 제1 서브 프레임에 설치되는 제1 포토다이오드 어레이 및 상기 제2 서브 프레임에 설치되는 제2 포토다이오드 어레이를 포함하는 감지부; 및
    상기 제1 포토다이오드 어레이의 출력값들에 기초하여 상기 관통홀 내에서 상기 수술기구의 X 좌표를 검출하고, 상기 제2 포토다이오드 어레이의 출력값들에 기초하여 상기 관통홀 내에서 상기 수술기구의 Y 좌표를 검출하는 좌표 검출부를 포함하는 의료용 로봇 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수술기구 위치 검출 장치는 상기 검출된 좌표 정보를 상기 콘솔로 송신하는 송신부를 더 포함하는 의료용 로봇 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 좌표 검출부는,
    상기 제1 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 X 좌표로 검출하고,
    상기 제2 포토다이오드 어레이에 포함된 포토다이오드들 중에서 출력값이 최소인 포토다이오드의 위치를 상기 수술기구의 Y 좌표로 검출하는 의료용 로봇 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임에서 개방면의 일측에는 상기 트로카와의 결합을 위한 결합부가 마련되며,
    상기 결합부의 단면은 상기 트로카의 단면과 대응하는 형상을 가지는 의료용 로봇 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 수술기구 위치 검출 장치는 발광부를 더 포함하고,
    상기 발광부는:
    상기 제1 서브 프레임과 마주보는 제3 서브 프레임에 설치되어 상기 제1 포토다이오드 어레이를 향해 발광하는 제1 발광부; 및
    상기 제2 서브 프레임과 마주보는 제4 서브 프레임에 설치되어 상기 제2 포토다이오드 어레이를 향해 발광하는 제2 발광부를 포함하는 의료용 로봇 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘솔은 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기설정된 기준범위에 포함되는 경우, 상기 콘솔로 입력된 명령에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 의료용 로봇 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘솔은 상기 검출된 수술기구의 위치 정보가 기설정된 기준범위의 경계에 존재하거나 상기 기준범위를 초과하는 경우, 기설정된 수술로봇 제어 방식에 따라 상기 수술로봇을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 의료용 로봇 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수술로봇 제어 방식은 상기 수술로봇의 움직임을 정지시키는 방식, 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 거리를 적게 이동시키는 방식, 및 상기 콘솔로 입력된 명령보다 상기 수술로봇의 이동 속도를 감소시키는 방식 중 하나인 의료용 로봇 시스템.
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