KR101888963B1 - 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치 Download PDF

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허정우
임정수
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Abstract

본 발명은 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법은 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하며, 객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계; 3차원 이미지를 이용하여 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터를 구하는 단계; 수직 벡터의 유사도에 기초하여 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하는 단계; 및 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정하는 단계;를 포함한다.

Description

레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치{Area grouping method for laser therapy, laser therapy method and apparatus thereof}
본 발명은 치료 등의 목적으로 사람의 얼굴이나 기타 피부와 같은 객체의 표면에 레이저를 조사하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
오늘날 치료 등의 목적을 위해 레이저빔을 피부에 조사하여 시술하는 다양한 레이저 치료 기법이 개발되고 있으며, 레이저 치료 기법의 이용을 위한 의료용 레이저 장치 역시 활발하게 연구되고 있다.
레이저를 이용한 치료 기법은 탈모 방지나 발모 촉진, 피부 박피, 피부 재생 또는 미백이나, 주름, 반점, 기미, 잡티 및 색소 제거 등 다양한 목적으로 사용되고 있다.
그러나 종래에는 레이저 치료 장치를 사용자, 예컨대 의사가 수동으로 조작하면서 치료를 수행하였다.
이에 따라, 치료의 정밀도가 저하됨으로써 치료의 신뢰성이 감소하고, 의사 등의 시술자가 레이저 치료를 전담하여 치료를 위해 많은 시간을 할당하며 장시간의 치료에 집중력을 유지하기 어려운 문제점 등이 있다.
한국등록특허공보 제10-1015881호 (공개일 : 2011년 2월 23일)
본 발명은 얼굴 등과 같은 곡면 형태의 객체에 효율적으로 레이저를 조사하여 치료 효과를 향상시킬 수 있는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법은 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하며, 객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계; 상기 3차원 이미지를 이용하여, 상기 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터(normal vector)를 구하는 단계; 상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여, 상기 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하는 단계; 및 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 방법은 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하여 치료하며, 객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계; 상기 3차원 이미지를 이용하여, 상기 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터를 구하는 단계; 상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여, 상기 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하는 단계; 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정하는 단계; 상기 치료 영역을 지나는 가이드 경로(Guide Path)를 설정하는 단계; 상기 가이드 경로 상에 배치되는 복수의 레이저 조사 포인트들을 설정하는 단계; 및 상기 객체의 표면 중 상기 레이저 조사 포인트들에 각각 대응되는 위치에 레이저를 순차적으로 조사시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치는 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하여 치료하며, 객체의 3차원 이미지를 구성하여, 상기 객체의 표면상에 레이저가 조사되는 치료 영역, 상기 치료 영역을 지나는 가이드 경로 및 상기 가이드 경로 상에 배치되는 레이저 조사 포인트들을 설정하기 위한 비전 제어부; 상기 객체의 표면 중 상기 레이저 조사 포인트들에 각각 대응되는 위치에 레이저를 순차적으로 조사하기 위한 레이저부; 및 상기 설정된 가이드 경로 및 레이저 조사 포인트들에 기초하여, 상기 레이저부의 이동 및 레이저 조사를 제어하기 위한 모션 제어부;를 포함하고, 상기 비전 제어부는 상기 3차원 이미지를 이용하여 상기 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터를 구하고, 상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여 상기 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하며, 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정한다.
한편, 상기한 방법들은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있으며, 프로그램 그 자체로 제공될 수 있다.
또한, 상기 레이저 치료 장치는 인터넷 등의 유무선 네트워크를 이용해 외부 서버와 연동하여 상기한 바와 같이 제어될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 치료의 정밀도 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 의사 등의 시술자가 레이저 치료를 위해 소모하는 시간을 감소시키고, 장시간의 치료를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수직 벡터 사이 각도의 유사도에 따라 객체 표면상의 포인트들을 분류해 폐곡선을 생성하여 객체 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하여 레이저를 조사함으로써, 레이저 치료 장치의 과도한 움직임에 따른 진동을 감소시킬 수 있다.
특히, 레이저를 조사하는 엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)을 이용해 레이저를 조사하는 경우에 있어서, 앤드 이펙터의 움직임 및 그에 따른 진동을 감소시켜, 레이저 조사의 정확성을 보다 향상시킬 수 있으며, 그와 함께 환자가 보다 편안한 상태에서 치료를 받을 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 치료 영역 내부와 외부에서의 이동 속도 및 주파수를 조절할 수 있도록 하여 레이저 조사 포인트의 위치들을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 레이저 치료 장치의 전체적인 구성에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 내지 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 21은 본 일실시예에 따른 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 22는 분할된 복수의 치료 영역들에 대한 일예를 나타내는 도면이다.
도 23 내지 도 33은 객체 표면상 포인트들의 수직 벡터(normal vector)의 유사도에 기초하여 치료 영역을 분할하는 방법에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 34는 분할된 치료 영역들 중 하나를 선택받는 방법에 대한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 35는 분할된 치료 영역들의 치료 순서를 결정하는 방법에 대한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 36은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 37 내지 도 42는 레이저부가 이동되는 가이드 경로에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 43은 레이저 조사 포인트의 위치를 조정하는 방법에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 환자의 얼굴 피부에 레이저를 조사하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 소정의 객체의 표면에 레이저를 조사하는 것이라면 어떠한 것에든지 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 레이저 치료 장치의 전체적인 구성에 대한 실시예들을 설명하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 레이저 치료 장치(10)는 스캐너(Scanner, 300), 로봇암(Robot-Arm, 100) 및 제어부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
스캐너(300)는 객체를 스캔하여 로우 데이터(Raw Data)를 수집할 수 있다. 여기서, 로우 데이터는 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)를 포함할 수 있다.
상기 2차원 이미지(2D Image)는 컬러 정보를 포함할 수 있으며, 환자의 피부의 컬러 정보에 따라 모세혈관 확장증 등과 같은 특정 증상에 대한 진단이 가능할 수 있다. 또한, 상기 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)를 이용하여, 환자 얼굴의 모공 크기, 위치, 깊이 등이 검출될 수도 있다.
이를 위해, 스캐너(300)는, 도 2의 경우와 같이, 2차원 컬러 이미지(2D Image)를 촬영하는 컬러센서(310), 3차원 깊이 데이터(3D Depth Data)를 획득하는 IR 프로젝터(320)와 IR 센서(330)를 포함할 수 있다.
IR 프로젝터(320)가 IR 광을 객체(400)의 표면, 즉 환자의 피부에 조사하면, IR 센서(330)가 객체(400)의 표면에 반사되는 IR 광을 검출하여 깊이 데이터를 획득할 수 있다.
컬러센서(310)는 객체의 표면을 촬영하여 2차원 컬러 이미지를 획득할 수 있다.
로봇암(100)은, 도 3에서와 같이, 엔드이펙터(End-Effector, EE, 101)를 장착하고, 제어부(200)의 제어에 따라 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다. 자세하게는, 로봇암(100)은 가이드 경로(GP)에 대응하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다. 레이저는 엔드이펙터(101)를 통해 방출될 수 있다. 이러한 로봇암(100)을 매니퓰레이터(Manipulator)라고 볼 수 있다.
제어부(200)는 레이저 치료 장치(10)의 전반적인 기능 및 동작을 제어할 수 있다.
제어부(200)는 비전 제어부(210)와 모션 제어부(220)를 포함할 수 있다.
비전 제어부(210)는 스캐너(300)로부터 2차원 이미지와 깊이 정보를 포함하는 로우 데이터를 전송받고, 전송받은 로우 데이터를 기초로 하여 객체(400)의 3차원 이미지를 구성할 수 있다.
여기서, 상기 로우 데이터의 원점(origin)과 좌표의 방향은 객체(400), 예를 들어 얼굴의 형태(shape)와 크기(volume)에 따라 변화될 수 있으며, 스캐너(300)의 스캔 시작 지점 등 다양한 원인에 의해 변화될 수도 있다.
또한, 비전 제어부(210)는 상기 로우 데이터를 정렬(alignment)하여 좌표를 조정할 수 있다. 그를 위해, 비전 제어부(210)는 얼굴 인식(face recognition) 알고리즘을 이용해 객체의 눈과 코 등의 위치를 검출하여, 정렬 동치 행렬(aligning homogeneous matrix)를 획득할 수 있다.
비전 제어부(210)는 3차원 이미지상에서 객체(400)의 표면상에 관심 영역(Region Of Interest, ROI)을 설정할 수 있다.
관심 영역(ROI)은 레이저 조사가 필요한 부분을 포함하는 영역일 수 있으며, 이는 사용자(예를 들어, 의사)에 의해 설정되거나, 또는 상기 3차원 이미지의 처리를 통해 자동으로 설정될 수도 있다.
예를 들어, 사용자는 얼굴 표면상에 4개의 코너 포인트들(coner points)을 클릭하여 상기 관심 영역(ROI)을 설정할 수 있으며, 이 경우 각각의 코너 포인트에 대응되는 수직 벡터(normal vector)가 획득될 수 있다.
상기 수직 벡터(normal vector)는 객체, 예를 들어 얼굴의 표면이 이루는 곡면에 수직인 벡터를 의미하는 것으로, 법벡터라고도 한다.
한편, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)로부터 전송받은 데이터를 기반으로 하여 객체(400)의 표면의 색(Color) 또는 명암 중 적어도 하나를 판별하고, 이를 근거로 하여 관심 영역을 설정할 수 있다.
자세하게는, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)가 촬영한 객체(400)의 2차원 컬러 이미지로부터 객체(400)의 표면에서 색이 주위와 다른 부분 및/또는 명암이 주위와 다른 부분을 검출할 수 있다. 아울러, 색 및/또는 명암이 주위와 다른 부분을 포함하도록 관심 영역을 설정하는 것이 가능하다.
좀 더 구체적으로, 특정 부분이 어둡게 보이는 것은 주로 색소 또는 혈관의 깊이 또는 존재 등에 의한 것일 수 있으며, 그와 달리 피부의 굴곡(contour)에 따른 그늘진 영역에 의한 것일 수도 있다.
따라서 얼굴의 색소 또는 혈관 등에 의해 어둡게 보이는 것과, 피부의 굴곡에 의해 그늘진 영역에서 어둡게 보이는 것을 구별하기 위한 알고리즘이 적용될 수 있으며, 이와 같은 구별에 의해 피부과적 치료 방법, 에너지의 방출(emission) 및 조사(irradiation) 관련 설정(setting)이 달라질 수 있다.
예를 들어, 피부의 굴곡에 의해 그늘진 영역이 발생하는 경우는 노화 때문에 피부가 쳐지거나 피하지방층이 위축되어 오는 것이기 때문에, 탄력 치료, 지방이식, 필러 등의 치료가 이루어져야 한다.
또한, 흉터에 의해 그늘진 영역이 발생한 경우 흉터 치료가 필요할 수도 있다.
이하에서는, 객체의 표면에서 레이저가 조사되어 치료가 필요한 부분을 치료 영역(Region Of Therapy, ROT)이라고 칭할 수 있다.
예를 들어, 상기 치료 영역(ROT)은 사람의 피부에 생기는 점, 기미, 주근깨, 화상 자국, 문신, 여드름 자국, 다크 서클, 흉터 등일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 다양한 종류, 파장 또는 주파수의 레이저를 조사하여 치료 가능한 영역일 수 있다.
상기한 바와 같은 색 및/또는 명암이 주위와 다른 부분이, 비전 제어부(210)에 의해 상기 치료 영역(ROT)으로 판단될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기한 바와 같이 관심 영역(ROI)과 치료 영역(ROT)이 별도로 설정될 수 있으나, 필요에 따라 실제 레이저가 조사될 치료 영역(ROT)만이 설정될 수도 있다.
비전 제어부(210)는 상기한 바와 같이 판단(또는 설정)된 정보에 기초하여 레이저 치료를 위한 객체 상의 이동 패턴을 구성하며, 상기 이동 패턴은 상기 관심 영역(ROI) 또는 치료 영역(ROT)을 지나는 가이드 경로(Guide Path, GP)를 설정함에 의해 구성될 수 있다.
그 후, 비전 제어부(210)는 상기 가이드 경로(GP) 상에 배치되는 복수의 포인트들을 설정한다. 상기 복수의 포인트들은 객체의 표면상에 레이저가 조사될 위치를 나타내는 것으로, 2차원 이미지 상에서 표시되는 가이드 경로(GP) 상의 포인트가 3차원 이미지 상으로 투영(projection)될 수 있다.
또한, 비전 제어부(210)는 상기 가이드 경로(GP) 상에 배치되는 복수의 포인트들 중 치료 영역(ROT) 내에 위치하는 포인트들만을 선택하여 객체의 표면 상에서 실제 레이저가 조사될 레이저 조사 포인트들을 획득할 수 있다.
모션 제어부(220)는 비전 제어부(210)에 의해 획득된 정보에 기초해 로봇암(100)의 동작을 제어하여, 레이저를 방출하는 엔드이펙터(101)가 객체의 표면에 인접해 이동하면서 레이저를 조사할 수 있도록 한다.
여기서, 레이저가 방출되는 동안 엔드이펙터(101)와 객체의 표면 간의 간격은 이동 중에도 일정하게 유지되는 것이 바람직하며, 상기 간격은 레이저의 초점 거리에 기초하여 설정될 수 있다.
예를 들어, 모션 제어부(220)는 상기 비전 제어부(210)에서 설정된 가이드 경로(GP) 및 레이저 조사 포인트들에 기초하여, 로봇암(100)의 레이저부의 의 이동 및 레이저 조사를 제어할 수 있다.
또한, 모션 제어부(220)는 상황에 따라 로봇암(100)을 긴급 정지시켜 레이저의 조사를 긴급 중단시킬 수 있으며, 예를 들어 의사 또는 환자의 동작이나 음성 등에 의해 로봇암(100)의 동작이 정지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 치료 장치(10)는 수동 모드 및 자동 모드에서 각각 동작할 수 있다.
예를 들면, 자동 모드에서는 스캐너(300)가 객체(400)의 표면을 스캔하여 객체(400)의 표면에 대한 정보를 획득하고, 이를 근거로 하여 제어부(200)가 로봇암(100)을 제어하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다.
반면에, 수동모드에서는 제어권을 사용자, 예컨대 의사에게 위임할 수 있다. 수동모드에서는 로봇암(100)이 사용자의 제어에 따라 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 치료 장치(10)를 이용한 레이저 조사 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 아래와 같다.
도 4 내지 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 동작을 설명하기 위한 도시한 것으로, 레이저 치료 장치(10)의 동작 및 구성 중 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 현재 모드 설정이 자동 모드인지 여부가 판단되고(S100 단계), 자동 모드가 아닌 경우 수동 모드인지 여부가 판단된다(S110 단계).
예를 들어, 사용자는 레이저 치료 장치(10)에 구비된 버튼 또는 터치 스크린에 구비된 사용자 인터페이스를 이용해 입력하여 수동 모드 또는 자동 모드 중 어느 하나를 선택하여 설정하는 것이 가능하다.
상기 S110단계에서의 판단 결과, 수동 모드가 아닌 경우에는 미리 설정된 다른 기능(Default)을 수행한다(S120 단계).
한편, 수동 모드인 경우, 수동 모드 설정을 확인하고(S130 단계), 사용자에게 제어권을 위임한다(S140 단계).
여기서, 제어권을 사용자에게 위임한다는 것은 제어부(200)가 스스로 판단하여 로봇암(100)을 동작시키는 것을 제한하는 것을 의미할 수 있다.
수동 모드에서는 사용자가 자신의 힘으로 로봇암(100)을 동작시키면서 레이저 치료를 수행할 수 있다.
또한, 반자동 모드(Semi-auto mode 또는 RAMI(Robot Assisted Manual Irradiation) mode)인 경우, 사용자가 객체(400)가 표시된 화면상에서 손가락, 마우스, 펜마우스, 펜 등을 이용해 시술 포인트를 움직이면 로봇암(100)이 그에 상응하도록 레이저 조사 포인트를 이동시키면서 레이저 치료를 수행할 수도 있다.
한편, 상기 S100 단계에서 판단 결과 자동 모드인 경우, 스캐너(300)가 제어부(200)의 제어에 따라 객체(400)의 표면을 스캔한다(S150 단계). 스캐너(300)의 스캔 결과로서, 2차원 이미지와 깊이 정보를 포함하는 로우 데이터가 생성될 수 있다.
이후, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)가 획득한 로우 데이터를 근거로 하여 3차원 이미지를 구성한다(S160 단계).
예를 들면, 도 5의 (A)와 같은 사람의 머리 형태의 석고상(Plaster Cast)을 스캔하면, 도 5의 (B)와 같은 형태로 3차원 이미지가 구성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 객체(400)에 대해 사람의 머리 형태의 석고상을 일례로 들어 설명하기로 한다.
3차원 이미지를 구성한 이후, 3차원 이미지 상에서 객체(400)의 표면상에 관심 영역(ROI)이 설정된다(S170 단계)
예를 들면, 도 5의 (C)의 경우와 같이 3차원 이미지 상에서 객체(400)의 표면에 제1 코너 포인트(Pcor, 1), 제2 코너 포인트(Pcor, 2), 제3 코너 포인트(Pcor, 3) 및 제4 코너 포인트(Pcor, 4)를 설정할 수 있다. 이후, 제1, 2, 3, 4 코너 포인트를 꼭지점으로 하여 구획되는 영역을 관심 영역(ROI)으로 설정할 수 있다.
여기서는, 4개의 코너 포인트를 이용하여 관심 영역(ROI)을 설정하였으나, 상황에 따라 사용되는 코너 포인트의 개수는 변경될 수 있다. 예를 들어, 3개 이상의 코너 포인트를 이용하여 관심 영역(ROI)을 설정하는 것이 가능하다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 제1 코너 포인트(Pcor, 1)를 제1 포인트(P1), 제2 코너 포인트(Pcor, 2)를 제2 포인트(P2), 제3 코너 포인트(Pcor, 3)를 제3 포인트(P3), 제4 코너 포인트(Pcor, 4)를 제 4 포인트(P4)라고 칭할 수 있다.
이후, 관심 영역(ROI)을 지나는 가이드 경로(GP)가 설정된다(S180 단계).
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 관심 영역(ROI) 내에서 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
가이드 경로(GP)의 시작지점, 즉 레이저를 조사하기 시작하는 지점은 Ps로 표시하고, 가이드 경로(GP)의 종료지점, 즉 레이저 조사가 종료되는 지점은 Pt로 표시하였다.
이후, 가이드 경로(GP)에 대응하여 객체의 표면상의 레이저 조사 포인트들에 순차적으로 레이저가 조사된다(S190 단계).
가이드 경로(GP)는 로봇암(100)이 레이저를 조사하는 경로를 포함할 수 있다. 다르게 표현하면, 로봇암(100)은 가이드 경로(GP)에 대응하여 이동하면서 객체의 표면에 레이저를 조사하는 것이 가능하다.
가이드 경로(GP)는 레이저의 탄착지점을 연결한 경로를 포함하는 것으로 볼 수 있다.
한편, 관심 영역(ROI)은 객체(400)의 표면의 색, 명암, 굴곡(contour), 질감(texture) 및 피부 두께 중 적어도 하나에 근거하여 설정될 수 있다. 이에 대해, 첨부된 도 7을 참조하여 살펴보면 아래와 같다.
도 7을 참조하면, 관심 영역(ROI)을 설정하는 상기 S170 단계에서는, 먼저 객체(400)의 표면의 색 및/또는 명암이 판별된다(S171 단계). 여기서, 객체(400)의 2차원 컬러 이미지로부터 객체(400)의 표면의 색 및/또는 명암이 판단될 수 있다.
이후, 판별값이 미리 설정된 기준값과 비교되고(S172 단계), 판별값을 비교/분석한 결과에 따라 객체(400)의 표면에서 색 또는 명암 중 적어도 하나가 주위와 다른 치료 영역(ROT)이 검출된다(S173 단계).
예를 들어, 객체(400)의 표면에서 색, 명암, 굴곡(contour) 및 질감(texture) 중 적어도 하나를 근거로 하여 일반 영역(RON)과 치료 영역(ROT)이 구분될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 총 16개의 단위 영역(Unit Area)이 4×4 형식으로 배열되어 이루어진 경우, 각각의 단위 영역에 표시된 숫자는 명도값(Brightness Value)을 의미할 수 있다.
여기서, 기준 명도값을 40이라고 가정하면, 명도값이 40보다 작은 (1, 1), (2, 1), (3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (4, 1), (4, 2), (4, 3) 및 (4, 4)의 단위 영역을 치료 영역(ROT)으로 판별할 수 있다.
나머지 부분은 일반 영역(Region Of Normal, RON)이라고 할 수 있다.
치료 영역(ROT)의 명도는 다른 부분, 즉 일반 영역(RON)의 명도보다 더 낮아서 상대적으로 더 어두울 수 있다. 이와 유사하게, 치료 영역(ROT)의 컬러는 일반 영역(RON)의 컬러보다 더 짙을 수 있다. 컬러가 짙다는 것은 더 어둡다는 것을 의미할 수 있다.
이처럼, 치료 영역(ROT)의 명도값은 미리 설정된 기준 명도값보다 더 낮은 부분이라고 할 수도 있다. 기준 명도값은 객체(400)의 표면의 상태, 특징(예를 들어 굴곡 또는 질감 등), 컬러톤 등의 요인에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
여기서, 상기 기준 명도값은 상수일 수 있으나, 바람직하게는 환자 개개인 또는 치료 부위별로 다르게 설졍될 수 있으며, 예를 들어 치료 영역(ROT)에 인접한 부분과 피부톤을 일치시키기 위해 주변 영역의 명도값 등을 고려하여 가변될 수 있다.
얼굴이 전체적으로 밝은 백인의 경우에는 기준 명도값을 상대적으로 높게 설정할 수 있다. 그 이유는 얼굴이 전체적으로 밝은 경우에는 점, 기미 등의 치료가 필요한 부분, 즉 치료 영역이 더 두드러지게 보일 수 있기 때문이다.
반면에, 얼굴이 백인에 비해 전체적으로 어두운 황인종의 경우에는 기준 명도값을 백인에 비해 상대적으로 낮게 설정할 수 있다.
상기에서는 명도값에 따라 치료 영역(ROT)을 검출하는 것을 예로 들어 본 발명의 일실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 색상값(예를 들어, RBG 삼원색 각각의 값 또는 RGE 삼원색 값들 사이의 비율 등)에 따라 치료 영역(ROT)이 검출될 수도 있다.
치료 영역(ROT)을 검출한 이후에, 관심 영역(ROI)이 설정된다(S174).
상기한 바와 같이, 관심 영역(ROI)은 치료 영역(ROT)을 포함하며, 관심 영역(ROI)과 치료 영역(ROT)은 동일하게 설정될 수도 있다.
도 9의 (A)에 도시된 경우에 있어서, 객체(400)의 표면상의 소정 영역(R1) 상에 주위의 일반 영역(RON)과 명도, 컬러, 굴곡, 질감 등이 다른 치료 영역(ROT)이 포함되어 있는 경우를 가정하며, 치료 영역(ROT)의 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 설정한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이 경우, 도 9의 (B)에 도시된 바와 같이, 제1 포인트(P1)와 제2 포인트(P2)를 연결하는 제1 라인(L1)이 치료 영역(ROT)과 접하고, 제2 포인트(P2)와 제3 포인트(P3)를 연결하는 제2 라인(L2)이 치료 영역(ROT)과 접하며, 제3 포인트(P3)와 제4 포인트(P4)를 연결하는 제3 라인(L3)이 치료 영역(ROT)과 접하고, 제4 포인트(P4)와 제1 포인트(P1)를 연결하는 제4 라인(L4)이 치료 영역(ROT)과 접하도록 제1, 2, 3, 4 포인트(P1, P2, P3, P4)를 설정할 수 있다.
아울러, 제1, 2, 3, 4 포인트(P1, P2, P3, P4)로 구획되는 영역을 관심 영역(ROI)으로 설정할 수 있다.
여기서, 치료 영역(ROT)은 관심 영역(ROI) 내에 포함될 수 있으며, 관심 영역(ROI)은 치료 영역(ROT) 뿐 아니라 일반 영역(RON)의 일부도 포함할 수 있다.
이하에서는, 일반 영역(RON)에서 관심 영역(ROI)에 포함된 부분을 제2 일반영역(RON2)이라고 하고, 일반 영역(RON)에서 관심 영역(ROI)에 포함되지 않는 부분을 제1 일반영역(RON1)이라고 할 수 있다.
도 9에 도시된 경우에 있어서, 관심 영역(ROI)을 설정할 때, 인접하는 두 개의 포인트를 연결하는 라인이 치료 영역(ROT)에 접하는 경우만을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않을 수 있다.
예를 들면, 도 10의 경우와 같이, 인접하는 두 개의 포인트를 연결하는 라인(L1, L2, L3, L4) 중 적어도 하나는 치료 영역(ROT)에 접하지 않을 수 있다.
여기서, 상기 포인트들을 연결하는 라인들의 개수는 5개 이상일 수도 있다.
이처럼, 관심 영역(ROI)을 설정하는 방법은 다양하게 변경될 수 있다.
만약, 치료 영역(ROT)의 형태가 다각형 형태인 경우에는 포인트의 설정 위치에 따라 치료 영역(ROT)과 관심 영역(ROI)이 동일한 경우도 발생할 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(GOT) 내에서 설정되는 것이 가능하다.
예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 치료 영역(ROT) 내에서 지그재그 형태로 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
이처럼, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(ROT)을 지나고, 레이저는 치료 영역(ROT)에 조사되는 것이 가능하다.
한편, 레이저 조사의 시작단계와 종료단계에서는 레이저의 강도(Intensity, Strength) 및/또는 주파수를 조절하는 것이 가능하다. 이에 대해 살펴보면 아래와 같다.
도 12의 (A)를 참조하면, 레이저를 조사하는 단계의 시작단계에서는 레이저의 강도(Intensity, Strength) 또는 주파수 중 적어도 하나를 점진적으로 상승시키고, 조사단계의 종료단계에서는 레이저의 강도 또는 주파수 중 적어도 하나를 점진적으로 감소시킬 수 있다.
이하에서는, 레이저의 시작단계를 가속구간(D1)이라 칭하고, 레이저의 종료단계를 감소구간(D3)이라고 칭할 수 있다.
도 12의 (B)에 도시된 바와 같이, 가속구간(D1)에서는 로봇암(100)의 이동속도가 증가할 수 있다. 즉, 로봇암(100)이 가속될 수 있다.
가속구간(D1)의 발생이유는 로봇암(100)을 동작시키는 모터에 전력을 공급하는 시점부터 원하는 회전속도에 도달하는 데까지 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다.
아울러, 감속구간(D3)에서는 로봇암(100)의 이동속도가 감소할 수 있다. 즉, 로봇암(100)이 감속될 수 있다. 감속구간(D3)이 발생하는 이유도 가속구간(D1)과 유사하게 로봇암(100)을 동작시키는 모터에 전력 공급을 차단하는 시점부터 모터가 정지하는 데까지. 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다.
이와 같이, 가속구간(D1)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 상승시키고, 감속구간(D3)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 감소시키게 되면, 레이저를 보다 균일하게 조사하는 것이 가능할 수 있다.
한편, 상기와 같이 레이저의 강도 및/또는 주파수를 구간별로 변화시킴에 의해, 레이저를 원하는 균일도로 조사시키거나, 원하는 부위에 좀 더 강하게 또는 약하게 조사시키거나, 레이저 조사의 중첩율을 감소 또는 증가시킬 수도 있다.
레이저의 강도 및/또는 주파수는 로봇암(100)의 이동속도와 거의 비례할 수 있다.
가속구간(D1)과 감속구간(D3)의 사이 구간은 유지구간(D2)이라고 할 수 있으며, 상기 유지구간(D2)에서는 레이저의 조사가 중단되지 않는다면 레이저의 강도 및/또는 주파수는 대략 일정하게 유지될 수 있다.
유지구간(D2)에서는 로봇암(100)의 속도는 대략 일정하게 유지될 수 있으며, 예를 들어 로봇암(100)의 가속이 종료되는 시점부터 감속이 시작되는 시점까지의 기간(D2)동안 로봇암(100)의 속도는 일정하게 유지되거나, 또는 원하는 대로 속도 조정이 가능할 수 있다.
도 13의 (A)에 도시된 바와 같이, 가속구간(D1)에서 계단형으로 레이저의 강도 및/또는 주파수를 증가시키거나, 감속구간(D3)에서 계단형으로 레이저의 강도 및/또는 주파수를 감소시키는 경우도 가능할 수 있다.
이 경우, 가속구간(D1)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 상승시키고, 감속구간(D3)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 감소시키는 것으로 볼 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)는 관심 영역(ROI) 내에서 치료 영역(ROT)을 벗어나는 것이 가능할 수 있다.
예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이, 관심 영역(ROI)은 치료 영역(ROT)과 일반 영역, 즉 제2 일반 영역(RON2)을 함께 포함하는 경우에, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(ROT)과 제2 일반 영역(RON2)을 모두 통과할 수 있다.
이 경우, 레이저는 치료 영역(ROT)에 대응해서 턴-온(Trun-On)되고, 제2 일반 영역(RON2)에 대응해서 턴-오프(Turn-Off)되는 것이 가능하다.
이처럼, 관심 영역(ROI) 내에서 치료 영역(ROT)의 형태와는 관계없이 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
또한, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(ROT)을 지나는 부분과 치료 영역(ROT)을 벗어나서 제2 일반영역(RON2)을 지나는 부분(T1, T2, T3, T4)을 포함할 수 있다.
로봇암(100)은, 도 15에 도시된 바와 같이, 가이드 경로(GP)에서 제2 일반영역(RON2)을 지나는 부분에 대응해서는 레이저를 턴-오프(Turn-Off) 시킬 수 있다. 다르게 표현하면, 로봇암(100)이 가이드 경로(GP)를 따라 레이저를 조사하는 과정에서 객체(400)의 표면의 색, 명도, RGB 삼원색 간 비율, 높낮이, 두께 등 비전 제어부(210)로부터 출력되는 값에 따라 레이저를 온/오프시키는 것으로 볼 수 있다.
즉, 로봇암(100)이 가이드 경로(GP)에 대응하여 이동하다가 주위보다 색이 더 짙거나 명도가 더 낮은 부분, 즉 치료 영역(ROT)에 대응되면 레이저를 턴-온(Turn-On) 시키고, 주위보다 색이 더 옅거나 명도가 더 높은 부분, 즉 일반영역(RON)에 대응되면 레이저를 턴-오프 시킬 수 있는 것이다.
도 15를 참조하면, 로봇암(100)이 제2 일반영역(RON2)을 지나는 기간(T1, T2, T3, T4) 동안 레이저의 주파수 및/또는 강도가 거의 0으로 설정되는 것을 알 수 있다.
이 경우, 로봇암의 움직임을 대략 일정하게 유지할 수 있어서 치료의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 모션 제어부(220)의 제어 하에, 치료 영역(ROT)의 색, 명도, RGB 삼원색 간 비율, 높낮이, 두께 등 비전 제어부(210)로부터 출력되는 값에 따라 레이저의 주파수, 조사 시간, 조사 회수 또는 강도(Intensity) 중 적어도 하나를 조절하는 것이 가능하다.
도 16을 참조하면, 치료 영역(ROT)은 제1 치료 영역(ROT1)과 제2 치료 영역(ROT2)을 포함할 수 있다.
여기서, 제2 치료 영역(ROT2)의 색은 제1 치료 영역(ROT1)의 색보다 더 짙거나, 제2 치료 영역(ROT2)의 명도는 제1 치료 영역(ROT1)의 명도보다 더 낮을 수 있다.
또는, 제2 치료 영역(ROT2)의 명도는 미리 설정된 임계 명도값보다 낮고, 제1 치료 영역(ROT1)의 명도는 미리 설정된 임계 명도값보다 더 높을 수 있다.
이 경우, 제2 치료 영역(ROT2)은 제1 치료 영역(ROT1)에 비해 집중적인 치료가 필요한 부분이라고 볼 수 있다.
레이저의 시작지점(Ps)에서 시작하여 순차적으로 가이드 경로(GP) 상에서 제2 일반영역(RON2)과 제1 치료 영역(ROT1)의 경계점을 제1 지점(X1)이라 하고, 제1 치료 영역(ROT1)과 제2 치료 영역(ROT2)의 경계점을 제2 지점(X2)이라 하며, 제2 치료 영역(ROT2)과 제2 일반영역(RON2)의 경계점을 제3 지점(X3)이라 하고, 제2 일반영역(RON2)과 제1 치료 영역(ROT1)의 경계점을 제4 지점(X4)이라 하며, 제1 치료 영역(ROT1)과 제2 치료 영역(ROT2)의 경계점을 제5 지점(X5)이라 하고, 제2 치료 영역(ROT2)과 제1 치료 영역(ROT1)의 경계점을 제6 지점(X6)이라 하며, 제1 치료 영역(ROT1)과 제2 치료 영역(ROT2)의 경계점을 제7 지점(X7)이라 하고, 제2 치료 영역(ROT2)과 제1 치료 영역(ROT1)의 경계점을 제8 지점(X8)이라 한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 레이저의 시작지점(Ps)부터 제1 지점(X1)의 사이 및 제3 지점(X3)부터 제4 지점(X4)의 사이에서는 레이저를 턴-오프 시킬 수 있다. 예를 들어, Ps-X1 구간 및 X3-X4구간은 제2 일반영역(RON2)에 포함되는 구간이기 때문에 로봇암(100)이 레이저가 조사되지 않을 수 있다.
한편, X1-X2 구간, X4-X5 구간, X6-X7 구간 및 제8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 레이저의 주파수를 제1 주파수(f1)로 설정할 수 있다.
그리고 X1, X3 및 X4 지점에서는, 엔드이펙터(101)의 속도의 변화, 레이저의 최대 단위면적(fluence) 또는 펄스 폭(pulse duration) 등의 조정에 의한 레이저 조사 강도의 변화 또는 레이저 조사 주파수의 변화를 통해, 점진적인 조사 조건의 변화(gradation)가 주어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 X1, X3 및 X4 이외의 지점들에서도, 상기한 바와 같은 점진적인 조사 조건의 변화(gradation)가 주어지도록 할 수 있다.
반면에, X2-X3 구간, X5-X6 구간 및 X7-X8 구간에서는 레이저의 주파수를 제1 주파수(f1)보다 높은 제2 주파수(f2)로 설정할 수 있다.
이 경우, 제2 치료 영역(ROT2)에 상대적으로 더 강한 레이저가 조사될 수 있어서 치료 효율이 향상될 수 있다.
상기에서는 레이저의 주파수를 변화시켜 레이저의 강도를 조절하는 것을 예로 들어 본 발명의 일실시예를 설명하였으나, 주파수 이외에 레이저의 방출(emission) 강도를 변화시켜 치료 강도를 조절하는 것이 가능할 수 있다.
도 18의 (A)를 참조하면, X1-X3구간, X4-X8 구간 및 제8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 레이저의 주파수를 제1 주파수(f1)로 동일하게 설정할 수 있다.
이처럼, 레이저의 주파수를 유지한 상태에서, 도 18의 (B)에 도시된 바와 같이, 가속구간(D1)이 종료되는 지점부터 제2 지점(X2)까지의 구간, X3-X5 구간, X6-X7 구간 및 제8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 로봇암(100)의 이동속도를 제1 속도(V1)로 설정할 수 있다.
반면에, X2-X3 구간, X5-X6 구간 및 X7-X8 구간에서는 로봇암(100)의 이동속도를 제1 속도(V1)보다 느린 제2 속도(V2)로 설정할 수 있다.
이 경우, 제2 치료 영역(ROT2)에 상대적으로 더 오랫동안 레이저가 조사될 수 있어서 치료 효율이 향상될 수 있으며, 레이저 조사의 중첩(overlap)이 증가될 수도 있다.
한편, 제2 치료 영역(ROT2)에 대해서는 치료 횟수를 제1 치료 영역(ROT1)에 비해 상대적으로 더 많게 설정할 수 있다. 이에 대해, 첨부된 도 19를 참조하여 이하 설명하기로 한다.
도 19의 (A)는 로봇암(100)이 관심 영역(ROI) 내에서 가이드 경로(GP)에 따라 객체(400)의 표면에 레이저를 조사하여 레이저 치료를 1회차 실시하는 상황을 나타낸 것이며, 도 19의 (B)는 1회차 치료가 종료된 이후에 실시하는 2회차 치료를 실시하는 상황을 나타낸 것이다.
도 19의 (A)를 참조하면, X1-X3 구간, X4-X8 구간 및 제8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는, 로봇암(100)이 레이저를 조사하고, 여기서 레이저의 주파수를 제1 주파수(f1)로 동일하게 설정할 수 있다.
도 19의 (B)를 참조하면, 2회차 치료과정에서는, 제2 치료 영역(ROT2)에 대응하는 X2-X3 구간, X5-X6 구간 및 X7-X8 구간에서 로보암(100)이 레이저를 조사하고, 여기서 레이저의 주파수를 제2 주파수(f2)와 제1 주파수(f1)의 차이에 해당하는 주파수로 동일하게 설정할 수 있다.
그에 따라, 제2 치료 영역(ROT2)에서는 제 2 주파수(f2)의 레이저가 조사되는 것과 유사한 치료효과가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 치료 효과를 높이고, 치료 정밀도를 향상시키기 위해, 도 24의 경우와 같이, 로봇암(100)의 엔드이펙터(101)가 객체(400)의 표면에 정확히 수직으로 레이저를 조사하는 것이 바람직할 수 있다.
이를 위해, 로봇암(100)은 충분한 자유도(Degree Of Freedom, DOF)를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 자세하게는, 로봇암(100)은 적어도 5 자유도를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 예외적인 상황에 대비하여 6 자유도를 갖는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 구성을 도시한 것으로, 레이저 방출부(Laser Emitter), 모터(Motor), 모터 드라이브(Motor Drive), 반사미러(Mirror) 및 엔드이펙터(EE)를 포함하는 로봇암(100)이 사람 머리 형태의 석고상인 객체(400)의 표면에 레이저를 조사하는 경우의 일례가 개시되어 있다.
도 20에 도시된 레이저 치료 장치는 본 발명의 일실시예에 따른 것으로, 도시된 구성 요소들 중 일부가 생략되거나 또는 하나 이상의 구성 요소들이 추가될 수 있다.
예를 들어, 레이저가 광 섬유(Optical Fiber)를 이용해 엔드이펙터(EE) 까지 전달되는 경우, 반사 미러를 생략될 수 있다.
도 20을 참조하면, 모터와 모터 드라이브는 로봇암(100)을 동작시키며, 레이저 방출부가 레이저를 발사하면 반사미러가 이를 소정 각도로 반사하여 엔드이펙터에 도달하도록 하며, 로봇암(100)의 말단부에 연결된 엔드이펙터(EE)가 레이저를 객체(400)의 표면에 조사할 수 있다.
예를 들어, 모터와 모터 드라이브는, 비전 제어부(210)에 의해 설정된 가이드 경로(GP)를 따라 엔드이펙터(EE)가 이동되도록, 모션 제어부(220)에 의해 제어될 수 있다.
또한, 레이저 방출부(Laser Emitter)는, 비전 제어부(210)에 의해 설정된 레이저 조사 포인트들에 레이저가 조사되도록, 모션 제어부(220)에 의해 제어될 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이 소정의 자유도를 가지는 구조의 로봇암(100)을 동작시켜 엔드이펙터(EE)를 통해 객체의 표면상에서 가이드 경로(GP)를 따라 레이저를 순차적으로 조사하는 경우, 로봇암(100)의 동작을 용이하게 제어할 수 있도록 가이드 경로(GP)가 설정되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 로봇암(100)의 움직임 또는 엔드이펙터(EE)의 이동 패턴은 연속적인 것이 바람직하며, 속도의 변화가 최소화되는 것이 바람직하고, 이 경우 로봇암(100)의 동작을 미리 설정된 가이드 경로(GP) 및 레이저 조사 포인트들에 맞춰 정밀하게 제어할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이, 치료 효과를 높이고, 치료 정밀도를 향상시키기 위해, 도 24의 경우와 같이, 로봇암(100)의 엔드이펙터(101)가 객체(400)의 표면에 정확히 수직으로 레이저를 조사할 수 있으며, 그를 위해 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체(예를 들어, 얼굴) 상의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터(normal vector)가 획득될 수 있다.
다만, 객체 상의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터에 맞추어 객체의 표면에 정확히 수직으로 레이저를 조사하고자 하는 경우, 로봇암(100)의 엔드이펙터(101) 또는 로봇암(100)을 구성하는 관절들의 움직임이 매우 커지고 빨라지게 되며, 그에 따른 진동에 의해 정밀도가 저하되고 환자 또는 의사 등의 사용자의 불안감을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 수직 벡터 사이 각도의 유사도에 따라 객체 표면상의 포인트들을 분류해 폐곡선을 생성하여 객체 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하여 레이저를 조사함으로써, 레이저 치료 장치의 과도한 움직임에 따른 진동을 감소시킬 수 있다.
특히, 도 20을 참조하여 설명한 바와 같이 레이저를 조사하는 엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)을 이용해 레이저를 조사하는 경우에 있어서, 앤드 이펙터의 움직임 및 그에 따른 진동을 감소시켜, 레이저 조사의 정확성을 보다 향상시킬 수 있으며, 그와 함께 환자가 보다 편안한 상태에서 치료를 받을 수 있도록 한다.
도 21은 본 일실시예에 따른 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법을 흐름도로 도시한 것으로, 도시된 영역 분할 방법을 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 구성에 대한 블록도와 결부시켜 설명하기로 한다. 한편, 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법 중 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 21을 참조하면, 비전 제어부(210)는 객체의 3차원 이미지를 구성하고(S2100 단계), 3차원 이미지를 이용하여 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터(normal vector)를 구한다(S2110 단계).
예를 들어, 3D 카메라 등과 같은 스캐너(300)로부터 획득되어 출력되는 데이터는 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 위치 정보와 색상 정보(예를 들어, RGB 데이터)를 포함할 수 있다.
이 경우, 비전 제어부(210)는 상기 위치 정보와 RGB 색상 정보를 이용하여 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터를 계산할 수 있으며, 상기 수직 벡터의 계산에는 RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 알고리즘이 사용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지는 아니한다.
그 후, 비전 제어부(210)는, 상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여, 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류한다(S2120 단계).
예를 들어, 비전 제어부(210)는 수직 벡터 사이의 각도가 임계치 범위 내에 있는 포인트들을 하나의 그룹으로 분류함으로써, 상기 객체 표면상의 포인트들을 수직 벡터의 각도가 유사한 복수의 그룹들로 그루핑(grouping)할 수 있다.
여기서, 상기 임계치는 치료 목적, 치료 부위, 치료 시간, 객체 상태 및 사용자 설정 중 적어도 하나에 기초하여 변경 가능할 수 있으며, 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 변경 가능하도록 설정될 수 있다.
즉, 상기 임계치가 증가할수록 상기 객체 표면상의 포인트들이 분류되는 그룹들의 개수가 작아질 수 있고, 반대로 상기 임계치가 감소할수록 상기 객체 표면상의 포인트들이 분류되는 그룹들의 개수가 많아질 수 있다.
또한, 상기 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 증가할수록 상기 객체 표면상의 포인트들이 분류되는 그룹들의 개수가 작아질 수 있고, 반대로 상기 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 감소할수록 상기 객체 표면상의 포인트들이 분류되는 그룹들의 개수가 많아질 수 있다.
상기 값들은 치료의 정밀도와 치료에 소요되는 시간 등과 관련된 것이므로, 상기한 바와 같은 관계를 고려하여 사용자가 상기 값들을 선택 또는 조정하거나, 또는 상기 값들이 자동으로 설정될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 치료하고자 하는 객체 표면상에 레이저가 입사되는 각도에 따라 단위면적당 전달되는 에너지의 양이 달라짐을 고려하여, 객체 표면상의 포인트들을 분류하기 위해 사용되는 임계치가 설정될 수 있다.
예를 들어, 레이저 빔의 프로파일이 탑햇(top hat) 모형일 경우, 레이저가 피부의 표면에 정확하게 수직으로 조사되면 피부 표면상 레이저 조사 영역의 단면은 원을 형성하나, 레이저가 피부의 표면에 임의의 입사각(θ)을 가지고 조사되면 레이저 조사 영역의 단면은 원기둥을 사선으로 자른 형태의 타원을 형성하게 된다.
이 경우, 피부 표면상 레이저 조사 영역의 단면적(A)은, 레이저가 피부에 조사되는 입사각(θ)에 따라 다음의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112017021940929-pat00001
상기한 수학식 1에 의해, 피부 표면의 단위면적당 전달되는 에너지의 양은 레이저가 피부에 조사되는 입사각(θ)에 따라 달라지며, 구체적으로는 입사각(θ)의 코사인 값(cosθ)에 비례하게 된다.
결과적으로, 레이저 소스가 안정적이고 균질하여 레이저 빔으로부터 발생하는 단위시간당 에너지와 빔의 사이즈가 일정하다고 가정할 때, 레이저가 피부에 조사되는 입사각(θ)에 따라 피부에 전달되는 단위면적당 에너지가 결정될 수 있다.
다음의 표 1은, 레이저가 피부에 조사되는 입사각(θ)의 변화에 따라, 피부 표면상 레이저 조사 영역의 단면적과 단위면적당 전달되는 에너지를 비율로 나타낸 것이다.
Figure 112017021940929-pat00002
표 1을 참조하면, 레이저가 객체(예를 들어, 피부)의 표면상에 입사되는 각도가 증가할수록, 레이저가 조사되는 영역의 단면적이 증가하여, 객체 표면의 단위면적당 전달되는 에너지가 감소함을 알 수 있다.
즉, 레이저의 입사각이 5도인 경우, 객체 표면의 단위면적당 전달되는 에너지가 입사각이 0도인 경우에 비해 약 0.4% 정도 감소함을 알 수 있다.
레이저의 입사각이 10도인 경우, 객체 표면의 단위면적당 전달되는 에너지가 입사각이 0도인 경우에 비해 약 1.5% 정도 감소함을 알 수 있다.
또한, 레이저의 입사각이 20도인 경우, 객체 표면의 단위면적당 전달되는 에너지가 입사각이 0도인 경우에 비해 약 6% 정도 감소함을 알 수 있다.
한편, 레이저의 입사각이 30도인 경우에는, 객체 표면의 단위면적당 전달되는 에너지가 입사각이 0도인 경우에 비해 약 13.4% 정도 감소함을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 레이저의 입사각이 증가함에 따라 단위면적당 전달되는 에너지가 선형적으로 반비례하여 감소하지는 않으므로, 이를 고려하여 객체 표면상의 포인트들을 분류하기 위해 사용되는 임계치가 치료 효과, 치료 목적 또는 치료 소요 시간 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
예를 들어, 레이저 치료 효과의 오차를 1% 이내로 정확하게 설정하고자 하는 경우, 객체 표면상의 포인트들을 분류하기 위해 사용되는 임계치를 5도로 설정할 수 있다.
한편, 레이저 치료 효과의 오차를 10% 이내로 설정하는 대신 치료에 소요되는 시간을 줄이고자 하는 경우에는, 객체 표면상의 포인트들을 분류하기 위해 사용되는 임계치를 20도로 설정할 수 있다.
비전 제어부(210)는 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정한다(S2130 단계).
예를 들어, 비전 제어부(210)는, 상기 객체 표면상의 포인트들이 분할된 그룹들 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 포인트들이 내부에 존재하는 단일 폐곡선을 생성하여, 복수의 그룹들 각각에 대응되는 복수의 치료 영역들을 설정할 수 있다.
다만, 비전 제어부(210)는, 단일 폐곡선의 형태 또는 복잡도 등을 고려하여, 특정 그룹에 속하는 포인트들 중 일부만이 내부에 존재하는 단일 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정할 수도 있다.
도 22는 상기한 바와 같은 영역 분할 방법에 따라 분할된 복수의 치료 영역들에 대한 일예를 도시한 것으로, 치료하고자 하는 객체인 얼굴의 영역이 표면상 포인트들의 수직 벡터 유사도에 기초하여 복수의 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12)로 분할된 결과를 나타낸 것이다.
도 22에 도시된 바와 같이 얼굴 영역이 수직 벡터의 각도가 유사한 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12)로 분할된 후에는, 복수의 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12) 중 어느 하나가 사용자에 의해 선택되어 해당 영역에 대한 레이저 조사가 이루어질 수 있다.
상기 선택된 치료 영역에 대해 레이저를 조사하는 동안에는, 내부 포인트들의 수직 벡터 각도가 임계치 범위 내에서 유사하기 때문에, 얼굴 표면에 대한 수직 방향 조사를 위한 엔드이펙터(End-Effector) 또는 로봇암(Robot-Arm)의 움직임이 수행되지 아니하며, 엔드이펙터(End-Effector)는 계속 동일한 각도로 레이저를 조사할 수 있다.
한편, 상기 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12) 중에서 다른 치료 영역에 레이저를 조사할 때, 엔드이펙터(End-Effector)로부터 레이저가 조사되는 각도가 해당 치료 영역의 수직 벡터 기준값에 따라 변경될 수 있다.
예를 들어, 제1 치료 영역(ROT1)에 대한 치료가 수행되는 동안, 엔드이펙터(End-Effector)로부터 레이저가 조사되는 각도는 제1 치료 영역(ROT1) 내 포인트들의 수직 벡터 각도의 평균값, 중간값 또는 별도의 최적값에 맞춰 제1 값으로 설정되어, 변화되지 않고 동일하게 유지될 수 있다.
그 다음, 제2 치료 영역(ROT2)에 대한 치료가 수행되는 동안에는, 엔드이펙터(End-Effector)로부터 레이저가 조사되는 각도는 제2 치료 영역(ROT2) 내 포인트들의 수직 벡터 각도의 평균값, 중간값 또는 별도의 최적값에 맞춰 제2 값으로 설정되어, 변화되지 않고 동일하게 유지될 수 있다.
또한, 복수의 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12) 전체 또는 일부에 대한 치료 순서가 설정될 수 사용자 설정 또는 자동으로 설정될 수도 있으며, 이 경우 상기 치료 순서는 치료 영역들(ROT1 내지 ROT12) 중 서로 인접한 치료 영역들이 연속되지 않는 경향을 가지도록 결정될 수 있다.
도 23 내지 도 33은 객체 표면상 포인트들의 수직 벡터(normal vector)의 유사도에 기초하여 치료 영역을 분할하는 방법에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도시한 것으로, 설명의 편의상 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역이 사각형인 경우를 예로 들어 설명하나 본 발명은 그에 한정되지 아니한다.
도 23을 참조하면, 객체 표면상의 포인트들 중 어느 하나가 시작 포인트(SP, Start Point)로 설정되고, 상기 설정된 시작 포인트(SP)와 그 주변에 위치하는 주변 포인트에 대하여 수직 벡터 사이 각도가 구해질 수 있다.
그 결과, 상기 구해진 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 해당 주변 포인트는 시작 포인트(SP)와 동일한 제1 그룹으로 분류될 수 있다.
시작 포인트(SP)를 기준으로 주변의 포인트들에 대해, 상기한 바와 같이 시작 포인트(SP)와의 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 주변 포인트들을 선별함으로써, 도 23에 도시된 바와 같이 시작 포인트(SP)를 포함하는 제1 그룹의 포인트들이 그루핑될 수 있다.
여기서, 상기 시작 포인트(SP)는 객체 표면상의 포인트들 중에서 무작위로 랜덤하게 설정되거나, 또는 사용자의 선택에 의해 지정될 수 있다,
또한, 상기 시작 포인트(SP)는 얼굴 인식 알고리즘을 이용하여 인식된 얼굴의 특정 부위의 한 포인트로 설정될 수 있으며, 그를 위해 3차원 이미지를 이용하여 인식된 얼굴의 2차원 이미지상에서 코, 이마 또는 입 등과 같은 특정 지점에 대응되는 포인트가 상기 시작 포인트(SP)로 지정될 수 있다.
그 후, 상기 제1 그룹으로 분류되지 않은 나머지 포인트들 중 어느 하나가 기준 포인트(RP, Reference Point)로 설정되어, 상기 기준 포인트를 기준으로 유사한 수직 벡터 각도를 가지는 포인트들을 또 다른 그룹으로 분류될 수 있다.
도 24를 참조하면, 상기 제1 그룹으로 분류된 포인트들 중 최외곽 포인트와 인접한 어느 하나의 포인트가 제1 기준 포인트(RP1)로 설정되고, 상기 설정된 제1 기준 포인트(RP1)와 그 주변에 위치하는 주변 포인트(상기 제1 그룹에 속하지 않은 포인트)에 대하여 수직 벡터 사이 각도가 구해질 수 있다.
그 결과, 상기 구해진 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 해당 주변 포인트는 제1 기준 포인트(RP1)와 동일한 제2 그룹으로 분류될 수 있다.
제1 기준 포인트(RP1)를 기준으로 주변의 포인트들에 대해, 상기한 바와 같이 제1 기준 포인트(RP1)와의 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 주변 포인트들을 선별함으로써, 도 24에 도시된 바와 같이 제1 기준 포인트(RP1)를 포함하는 제2 그룹의 포인트들이 그루핑될 수 있다.
도 25를 참조하면, 상기 제2 그룹으로 분류된 포인트들 중 최외곽 포인트와 인접한 어느 하나의 포인트가 제2 기준 포인트(RP2)로 설정되고, 상기 설정된 제2 기준 포인트(RP2)와 그 주변에 위치하는 주변 포인트(상기 제1, 2 그룹에 속하지 않은 포인트)에 대하여 수직 벡터 사이 각도가 구해질 수 있다.
그 결과, 상기 구해진 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 해당 주변 포인트는 제2 기준 포인트(RP2)와 동일한 제3 그룹으로 분류될 수 있다.
제2 기준 포인트(RP2)를 기준으로 주변의 포인트들에 대해, 상기한 바와 같이 제2 기준 포인트(RP2)와의 수직 벡터 사이 각도가 미리 설정된 임계치 이하인 주변 포인트들을 선별함으로써, 도 25에 도시된 바와 같이 제2 기준 포인트(RP2)를 포함하는 제3 그룹의 포인트들이 그루핑될 수 있다.
상기한 바와 같이 객체 표면상의 포인트들이 제1, 2, 3 그룹들로 분할된 후, 상기 분할된 제1, 2, 3 그룹들 각각에 대응되는 치료 영역들이 설정될 수 있다.
도 26을 참조하면, 제1 그룹의 포인트들을 포함하는 단일폐곡선을 생성하여 제1 치료 영역(ROT1)이 설정되고, 제2 그룹의 포인트들을 포함하는 단일폐곡선을 생성하여 제2 치료 영역(ROT2)이 설정되며, 제3 그룹의 포인트들을 포함하는 단일폐곡선을 생성하여 제3 치료 영역(ROT3)이 설정될 수 있다.
한편, 필요에 따라, 특정 그룹의 포인트들 중 일부만을 포함하거나 또는 다른 그룹의 포인트까지 포함하는 단일폐곡선을 생성하여 치료 영역이 설정될 수도 있다.
도 27을 참조하면, 치료 영역들(ROT1 내지 ROT3)을 설정하기 위해 직사각형 형태의 단일폐곡선을 생성하여, 장치의 움직임을 보다 단순화시킬 수도 있다.
도 28 내지 도 33은 3D 카메라를 이용해 획득된 데이터로부터 얼굴 영역을 복수의 치료 영역으로 분할하는 예를 나타낸 것이다.
도 28은 3D 카메라로부터 출력 데이터에 따른 얼굴 표면상의 포인트 클라우드(point cloud)를 나타낸 것이며, 도 29는 도 28에 도시된 포인트들 각각에 대한 수직 벡터(보다 상세하게는 수직 벡터의 각도)를 색상으로 표시한 것이다.
도 30은 얼굴 표면상의 포인트들을 상기한 바와 같이 수직 벡터 각도의 유사도에 기초하여 분류한 결과를 색상으로 표시한 것으로, 동일한 색상으로 표시된 포인트들은 임계치 범위 내에서 유사한 수직 벡터 각도를 가지는 동일 그룹의 포인트들이다.
도 30에 도시된 경우는, 동일 그룹으로 분류되기 위한 기준인 임계치가 20도이고, 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 5개로 설정된 경우이다.
도 31은 동일 그룹으로 분류되기 위한 기준인 임계치가 5도이고, 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 1개로 설정된 경우이다.
도 30과 도 31을 서로 비교하면, 임계치와 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 감소하는 경우, 분류되는 그룹들의 개수가 증가함을 알 수 있다.
한편, 도 32는 동일 그룹으로 분류되기 위한 기준인 임계치가 10도이고, 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 5개로 설정된 경우이다.
또한, 도 33은 동일 그룹으로 분류되기 위한 기준인 임계치가 30도이고, 하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수의 제한이 없는 경우이다.
도 34는 분할된 치료 영역들 중 하나를 선택받는 방법에 대한 실시예를 설명하기 위한 도시한 것으로, 사용자는 복수의 그룹들로 분할된 포인트들이 이루는 치료 영역들 중에서 치료하고자 하는 치료 영역을 포인터 등을 이용하여 선택할 수 있다.
도 35는 분할된 치료 영역들의 치료 순서를 결정하는 방법에 대한 실시예를 설명하기 위한 도시한 것이다.
도 35를 참조하면, 사용자는 복수의 그룹들로 분할된 포인트들이 이루는 치료 영역들 중에서 적어도 일부에 대한 치료 순서를 결정하여 설정할 수 있다.
이 경우, 상기 설정된 순서에 따라, 치료 영역별로 순차적으로 레이저 조사가 이루어질 수 있다. 즉, '1' 번으로 지정된 치료 영역 내의 조사 포인트들에 대해 엔드이펙터(End-Effector)로부터 제1 각도로 레이저가 조사되어 해당 치료 영역에 대한 치료가 완료되고, 그 후 '2' 번으로 지정된 치료 영역 내의 조사 포인트들에 대해 엔드이펙터(End-Effector)로부터 제2 각도로 레이저가 조사되어 해당 치료 영역에 대한 치료가 완료되며, 그 후 '3' 번으로 지정된 치료 영역 내의 조사 포인트들에 대해 엔드이펙터(End-Effector)로부터 제3 각도로 레이저가 조사되어 해당 치료 영역에 대한 치료가 완료된 후, '4' 번으로 지정된 치료 영역 내의 조사 포인트들에 대해 엔드이펙터(End-Effector)로부터 제4 각도로 레이저가 조사되어 해당 치료 영역에 대한 치료가 완료되어 전체 치료가 종료될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 치료 순서의 결정은, 복수의 치료 영역들 중 서로 인접한 치료 영역들이 연속되지 않는 경향을 가지도록 결정될 수 있다.
이는, 서로 인접한 치료 영역들에 연속으로 레이저를 조사하는 경우, 에너지 중첩에 따른 피부 열화가 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위함이다.
사용자가 치료 영역들에 대한 치료 순서를 직접 설정하지 않더라도, 상기한 바와 같은 기준에 따라 치료 순서가 자동으로 결정될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가이드 경로(GP)가 치료 영역(ROT) 내부뿐 아니라 외부를 지나며, 치료 영역(ROT)의 내부에서는 로봇암(100)이 일정한 이동 속도 및 레이저 주사 주파수로 동작하도록 함으로써, 로봇암(100)의 움직임 또는 엔드이펙터(EE)의 이동 패턴을 연속적으로 함과 동시에, 속도 제어를 용이하게 할 수 있다.
이하, 도 36 내지 도 42를 참조하여, 각각의 치료 영역을 이동하며 레이저를 조사하는 방법에 대한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 36은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료를 위한 이동 패턴 제어 방법을 흐름도로 도시한 것으로, 도시된 이동 패턴 제어 방법을 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 치료 장치의 구성에 대한 블록도와 결부시켜 설명하기로 한다. 한편, 레이저 치료를 위한 이동 패턴 제어 방법 중 도 1 내지 도 35를 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 36을 참조하면, 비전 제어부(210)는 객체의 3차원 이미지를 구성하고(S3600 단계), 3차원 이미지를 이용하여 객체의 표면상에 레이저가 조사되는 치료 영역(ROT)을 설정한다(S3610 단계).
그 후, 비전 제어부(210)는 치료 영역(ROT)을 지나는 가이드 경로(Guide Path)를 설정하고(S3620 단계), 가이드 경로(GP) 상에 배치되는 복수의 레이저 조사 포인트들을 설정한다(S3630 단계).
여기서, 상기 S3620 단계에서 설정되는 가이드 경로(GP)는, 치료 영역(ROT)으로 진입하기 위한 제1 구간, 치료 영역(ROT) 내부에서 동일 속도로 직선 이동하는 제2 구간 및 치료 영역(ROT)의 외부에서 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여 치료 영역(ROT)으로 재진입하기 위한 제3 구간을 포함하도록 구성될 수 있다.
모션 제어부(220)는 객체의 표면 중 상기 S3630 단계에서 설정된 레이저 조사 포인트들에 각각 대응되는 위치에 레이저를 조사하도록 로봇암(100)을 제어한다(S3630 단계).
상기 가이드 경로(GP)의 제2 구간에서는, 레이저가 일정 주파수로 조사될 수 있으며, 로봇암(100)의 엔드이펙터(EE) 이동 속도가 일정하게 제어됨에 따라, 서로 인접한 레이저 조사 포인트들 사이의 간격이 일정하게 유지될 수 있다.
도 37 내지 도 40은 로봇암(100)의 레이저부가 이동되는 가이드 경로(GP)에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다. 이하에서는 치료 영역(ROT)이 사각형의 형태를 가지는 경우를 예로 들어 설명하나, 치료 영역(ROT)의 형태 또는 크기 등은 다양할 수 있다.
도 37을 참조하면, 레이저 조사 포인트들은 치료 영역(ROT)에서 일정 간격을 두고 수평 및 수직 방향으로 배치되어 복수의 행(row)들을 구성하도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 일정 간격을 두고 수형 방향으로 배치되는 레이저 조사 포인트들(PE1, PE2, PE3...)은 제1 행(R1)을 구성하고, 하측 방향으로 인접하여 일정 간격을 두고 수형 방향으로 배치되는 레이저 조사 포인트들은 제2 행(R1)을 구성하여, 레이저 조사 포인트들로 이루어진 복수의 행들이 치료 영역(ROT) 내에 존재할 수 있다.
이 경우, 가이드 경로(GP)는 시작지점(Ps)으로부터 일정 속도(v_1)로 이동하여 치료 영역(ROT)으로 진입하는 제1 구간(GP1), 치료 영역(ROT) 내에서 일정 속도(v_2)로 직선 이동하며 레이저를 조사하는 제2 구간(GP2), 치료 영역(ROT)으로부터 나와 곡선 이동하여 치료 영역(ROT)으로 재진입하는 제3 구간(GP3)을 포함할 수 있다.
상기 가이드 경로(GP)의 제2 구간(GP2)에서는, 레이저가 일정 주파수를 유지하면서 조사되어, 미리 설정된 레이저 조사 포인트들 사이의 간격을 가지고 레이저가 순차적으로 조사될 수 있다.
또한, 상기 가이드 경로(GP)의 제3 구간(GP3)에서는, 레이저 조사 포인트들의 제1 행(R1)으로부터 나와 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여, 수직 방향으로 바로 인접한 제2 행(R2)으로 진입할 수 있다.
예를 들어, 가이드 경로(GP)의 제1 구간(GP1)과 제2 구간(GP2)에서의 이동 속도(V_1, V_2)는 서로 동일할 수 있으며, 가이드 경로(GP)의 제3 구간(GP3)에서의 이동 속도는 상기 제2 구간(GP2)에서의 이동 속도(V_2)로부터 일정 속도(V_3)까지 점진적으로 감소하여 치료 영역(ROT)으로부터 가장 멀리 떨어진 위치까지 이동하고 상기 일정 속도(V_3)로부터 제2 구간(GP2)에서의 이동 속도(V_2)까지 점진적으로 증가하여 제2 행(R2)으로 진입할 수 있다.
상기한 바와 같이, 치료 영역(ROT) 내에서의 이동 패턴은 균일 속도(또는 변화되도록 설정된 속도)를 유지하도록 하고, 치료 영역(ROT) 외부에서의 이동 패턴은 곡선 운동에 맞춰 속도를 가변시킴으로써, 엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)에 의해 레이저가 이동 조사되는 구조에서 로봇암(100)의 동작을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
레이저 조사 포인트들이 이루는 제1 행(R1)과 제2 행(R2)에 대해 레이저가 조사된 후, 도 38에 도시된 바와 같이 가이드 경로(GP)의 제2 구간(GP2)와 제3 구간(GP3)이 반복되어 치료 영역(ROT) 내의 모든 레이저 조사 포인트들에 대응되는 위치들에 대한 조사가 완료될 수 있다.
모든 레이저 조사 포인트들에 대응되는 위치들에 대한 조사가 완료된 후에, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(ROT)으로부터 이탈하여 종료지점(Pt)까지 일정 속도(V_4)로 이동하기 위한 제4 구간(GP4)을 포함할 수 있다.
상기 가이드 경로(GP)의 제4 구간(GP4)에서의 이동 속도(V_4)는 제1 구간(GP1)과 제2 구간(GP2)에서의 이동 속도(V_1, V_2)와 동일하게 설정될 수 있다.
상기에서는, 도 37 및 도 38을 참조하여, 로봇암(100)의 레이저부가 양방향, 즉 좌측에서 우측 및 우측에서 좌측 방향으로 이동하면서 레이저를 조사하는 것으로 이동 패턴을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 로봇암(100)의 레이저부가 일방향으로 이동하면서 레이저를 조사할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가이드 경로(GP)의 상기 제3 구간(GP3)에서, 레이저 조사 포인트들이 이루는 복수의 행들 중 수직 방향으로 서로 인접하지 않은 두 개의 행들 사이를 곡선 이동하도록 설정될 수도 있다.
도 39를 참조하면, 가이드 경로(GP)의 제3 구간(GP3)에서, 레이저 조사 포인트들의 제1 행(R1)으로부터 나와 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여, 수직 방향으로 바로 인접하지 않은 하측의 제9 행(R9)으로 진입할 수 있다.
그 후, 제9 행(R9)의 레이저 조사 포인트들에 대해 순차적으로 레이저가 조사되고, 제9 행(R9)으로부터 나와 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여 수직 방향으로 바로 인접하지 않은 상측의 제2 행(R2)으로 진입할 수 있다.
상기한 바와 같이, 치료 영역(ROT) 외부에서 이동하는 곡선 구간에서 1 이상의 행들을 사이에 두고 서로 이격된 행들을 이동하도록 함으로써, 곡선 이동 구간의 거리를 증가시켜 로봇암(100)의 동작을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 서로 인접한 레이저 조사 포인트들에 짧은 시간 내에 레이저가 조사됨으로써 발생할 수 있는 피부의 열화를 방지할 수 있다.
레이저 조사 포인트들이 이루는 제1 행(R1), 제9 행(R9), 제2 행(R2)에 대해 레이저가 조사된 후, 도 40에 도시된 바와 같이 가이드 경로(GP)의 제2 구간(GP2)와 제3 구간(GP3)이 반복되어 치료 영역(ROT) 내의 모든 레이저 조사 포인트들에 대응되는 위치들에 대한 조사가 완료될 수 있다.
상기에서는 도 37 내지 도 40을 참조하여 서로 인접한 레이저 조사 포인트들에 순차적으로 레이저를 조사하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 환자가 느끼는 통증의 정도, 동공의 변화, 호흡의 변화, 맥박의 변화, 발한 또는 근육의 긴장도 등을 고려하여 레이저 조사 포인트들에 대한 조사 순서를 변경될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 치료 영역(ROT) 내부의 동일한 행을 이루는 복수의 레이저 조사 포인트들 중에서 하나 이상의 레이저 조사 포인트들을 건너 뛰고 레이저가 조사될 수 있으며, 상기 건너 뛰어진 레이저 조사 포인트들에 레이저를 조사하기 위하여 로봇암(100)의 레이저부가 이전 가이드 경로(GP) 상의 행으로 이동할 수 있다.
도 41 및 도 42는 레이저부가 이동되는 가이드 경로에 대한 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도시한 것으로, 도시된 가이드 경로 및 레이저 조사 방법 중 도 37 내지 도 40을 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 41을 참조하면, 가이드 경로(GP)는 시작지점(Ps)으로부터 일정 속도(v_1)로 이동하여 치료 영역(ROT)으로 진입하는 제1 구간(GP1), 치료 영역(ROT) 내에서 일정 속도(v_2)로 직선 이동하며 레이저를 조사하는 제2 구간(GP2), 치료 영역(ROT)으로부터 나와 곡선 이동하여 치료 영역(ROT)으로 재진입하는 제3 구간(GP3), 치료 영역(ROT)으로부터 이탈하여 종료지점(Pt)까지 일정 속도(V_4)로 이동하기 위한 제4 구간(GP4), 종료지점(Pt)으로부터 시작지점(Ps)으로 이동하기 위한 제5 구간(GP5)을 포함할 수 있다.
상기 가이드 경로(GP)의 제2 구간(GP2)에서는, 복수의 레이저 조사 포인트들 중 하나의 레이저 조사 포인트를 건너뛰고 순차적으로 레이저가 조사될 수 있다.
그를 위해, 상기 제2 구간(GP2)에서, 로봇암의 레이저부가 이동하는 속도가 도 37 내지 도 40을 참조하여 설명한 경우보다 빨라지거나, 또는 레이저의 조사 주파수가 도 37 내지 도 40을 참조하여 설명한 경우보다 낮아질 수 있다.
또한, 상기 가이드 경로(GP)의 제3 구간(GP3)에서는, 레이저 조사 포인트들의 제1 행(R1)으로부터 나와 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여, 수직 방향으로 바로 인접한 제2 행(R2)으로 진입할 수 있다.
레이저 조사 포인트들이 이루는 제1 행(R1)과 제2 행(R2)에 대해 레이저가 조사된 후, 가이드 경로(GP)의 제2 구간(GP2)와 제3 구간(GP3)이 반복되어 치료 영역(ROT) 내의 레이저 조사 포인트들 중 일부에 대한 조사가 완료될 수 있다.
모든 레이저 조사 포인트들에 대응되는 위치들에 대한 조사가 완료된 후에, 가이드 경로(GP)는 치료 영역(ROT)으로부터 이탈하여 종료지점(Pt)까지 일정 속도(V_4)로 이동하기 위한 제4 구간(GP4)을 포함할 수 있다.
그 후, 치료 영역(ROT) 내의 레이저 조사 포인트들 중 레이저가 조사되지 않은 위치들에 조사하기 위하여, 제5 구간(GP5)에서 종료지점(Pt)으로부터 시작지점(Ps)까지 곡선 이동하여 복귀할 수 있다.
로봇암의 레이저부가 시작지점(Ps)으로 복귀된 후, 도 42에 도시된 바와 같은 가이드 경로(GP)에 따라 레이저가 조사되지 않은 레이저 조사 포인트들에 레이저가 조사되어, 치료 영역(ROT) 내의 모든 레이저 조사 포인트들에 대한 조사가 완료될 수 있다.
도 41 및 도 42를 참조하여 설명한 바와 같은 가이드 경로(GP) 및 레이저 조사 방법은, 인접한 위치에 레이저를 연속하여 조사함에 따라 환자가 느낄 수 있는 통증을 감소시키기 위한 것으로서, 예를 들어 본 발명에 따른 레이저 치료 장치에서 "무통모드"가 선택된 경우 적용될 수 있다.
한편, 상기에서는 레이저 조사 포인트들 중 하나의 조사 포인트를 건너뛰고 레이저가 조사되는 것으로 예로 들어 설명하였으나, 환자의 통증을 더욱 감소시키기 위해 2 이상의 레이저 조사 포인트들을 건너뛰고 레이저가 조사되도록 할 수도 있다.
또한, 도 40 및 도 41에 도시된 바와 같이 환자 얼굴의 치료영역(ROT) 전체를 2번에 걸쳐 이동하면서 레이저가 조사되는 것도 가능하나, 그 이외에 2 이상의 행들에 대해 레이저가 조사된 후 다시 그 이전 행으로 복귀하여 레이저가 조사되지 않은 조사 포인트들에 대해 레이저가 조사되도록 할 수도 있다.
그리고 하나 이상의 레이저 조사 포인트들을 건너뛰고 레이저가 조사하는 방법은, 치료영역(ROT)의 외부에서 곡선 이동하는 가이드 경로(GP)가 적용되는 것과 별개로 적용될 수도 있다.
상기한 바와 같이 몇 개의 조사 포인트를 건너뛸 것인지, 몇 개의 행들에 대해 레이저가 조사된 후 이전 위치로 복귀하여 레이저를 재조사할 것인지, 치료영역(ROT)의 외부에서 곡선 이동하는 가이드 경로(GP)를 적용할 것인지 등은 치료 목적, 치료 효과, 치료 단계 및 환자가 느끼는 통증의 정도 등 다양한 사항들에 따라 설정될 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)는 상기한 바와 같이 연속적인 이동 패턴으로 설정될 수 있으나, 그러한 경우에도 로봇암(100)의 움직임, 보다 상세하게는 로봇암(100)을 구성하는 관절들의 움직임은 불연속적일 수 있다.
로봇암(100)의 움직임이 불연속한 위치에서 레이저가 조사되는 경우, 레이저가 조사되는 위치를 정밀하게 제어할 수 없게 되어, 미리 설정된 레이저 조사 포인트들의 위치가 불규칙할 수 있다.
따라서 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 로봇암(100)의 움직임이 불연속한 위치에서 상기 레이저가 조사되지 않도록, 복수의 레이저 조사 포인트들 중 적어도 하나의 위치가 조정될 수 있다.
도 43은 레이저 조사 포인트의 위치를 조정하는 방법에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 43의 (a)를 참조하면, 경우에 따라 로봇암(100)의 움직임(실선으로 나타냄)이 불연속적일 수 있으며, 로봇암(100)의 움직임이 불연속한 위치에 레이저 조사 포인트들(PE2, PE3, PE4)이 설정될 수 있다.
이 경우, 로봇암(100)의 움직임이 불연속한 위치(또는 시점)에서 레이저가 조사되지 않도록, 도 43의 (b)에 도시된 바와 같이 레이저 조사 포인트들(PE2, PE3, PE4)의 위치가 연속적인 움직임을 가지는 위치로 조정될 수 있다.
상기에서는 로봇암을 이용하는 형태의 레이저 치료 장치를 예로 들어 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 그 이외에 환자의 신체 얼굴을 감싸는 겐트리(Gantry) 형태의 레이저 치료 장치 또는 환자의 얼굴에 부착되는 레이저 어레이 패치 형태의 레이저 치료 장치 등 다양한 형태의 장치에서 이동 패턴을 제어하는데 적용 가능할 수 있다.
또한, 상기에서는 레이저를 이용한 치료 장치를 예로 들어 본 발명을 설명하였으나, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 그 이외에 고주파, 초음파, IPL(Intense Pulse Light), Psoralen-UV-A(PUVA) 등을 이용하여 피부를 치료하는 다양한 에너지 기반 치료 장치(energy based medical device)들에 적용 가능할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법들은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하는 방법에 있어서,
    객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계;
    상기 3차원 이미지를 이용하여, 상기 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터(normal vector)를 구하는 단계;
    상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여, 상기 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하는 단계; 및
    동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정하는 단계;를 포함하는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분류 단계는
    상기 객체 표면상의 포인트들에 대하여, 수직 벡터 사이의 각도가 임계치 범위 내에 있는 포인트들을 하나의 그룹으로 분류하는 단계;를 포함하는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임계치는
    치료 목적, 치료 부위, 치료 시간, 객체 상태 및 사용자 설정 중 적어도 하나에 기초하여 변경 가능한 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 분류 단계는
    상기 객체 표면상의 포인트들 중 어느 하나를 시작 포인트로 설정하는 단계;
    상기 시작 포인트와 상기 시작 포인트의 주변에 위치하는 제1 주변 포인트에 대하여, 수직 벡터 사이 각도를 구하는 단계; 및
    상기 구해진 수직 벡터 사이 각도가 상기 임계치 이하인 경우, 상기 제1 주변 포인트를 상기 시작 포인트와 동일한 제1 그룹으로 분류하는 단계;를 포함하는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분류 단계는
    상기 제1 그룹으로 분류되지 않은 나머지 포인트들 중 어느 하나를 기준 포인트로 설정하는 단계;
    상기 기준 포인트와 상기 기준 포인트의 주변에 위치하며 상기 제1 그룹에 속하지 않은 제2 주변 포인트에 대하여, 수직 벡터 사이 각도를 구하는 단계; 및
    상기 구해진 수직 벡터 사이 각도가 상기 임계치 이하인 경우, 상기 제2 주변 포인트를 상기 기준 포인트와 동일한 제2 그룹으로 분류하는 단계;를 더 포함하는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 시작 포인트는
    상기 객체 표면상의 포인트들 중에서 무작위 또는 사용자의 선택에 의해 지정되거나, 또는 상기 3차원 이미지를 이용하여 인식된 얼굴의 특정 지점에 대응되도록 지정되는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    하나의 그룹으로 분류되는 포인트들의 최소 개수가 설정되는 단계;를 더 포함하는 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체.
  16. 레이저를 조사하여 치료하고자 하는 객체의 영역을 복수의 치료 영역들로 분할하여 치료하는 장치에 있어서,
    객체의 3차원 이미지를 구성하여, 상기 객체의 표면상에 레이저가 조사되는 치료 영역, 상기 치료 영역을 지나는 가이드 경로 및 상기 가이드 경로 상에 배치되는 레이저 조사 포인트들을 설정하기 위한 비전 제어부;
    상기 객체의 표면 중 상기 레이저 조사 포인트들에 각각 대응되는 위치에 레이저를 순차적으로 조사하기 위한 레이저부; 및
    상기 설정된 가이드 경로 및 레이저 조사 포인트들에 기초하여, 상기 레이저부의 이동 및 레이저 조사를 제어하기 위한 모션 제어부;를 포함하고,
    상기 비전 제어부는
    상기 3차원 이미지를 이용하여 상기 객체의 표면상에 위치하는 복수의 포인트들 각각에 대한 수직 벡터를 구하고, 상기 구해진 수직 벡터의 유사도에 기초하여 상기 객체 표면상의 포인트들을 하나 이상의 그룹들로 분류하며, 동일 그룹으로 분류된 포인트들 중 적어도 일부를 포함하는 폐곡선을 생성하여 치료 영역을 설정하는 레이저 치료 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 비전 제어부는
    상기 객체 표면상의 포인트들에 대하여, 수직 벡터 사이의 각도가 임계치 범위 내에 있는 포인트들을 하나의 그룹으로 분류하는 레이저 치료 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 비전 제어부는
    상기 분할된 복수의 치료 영역들에 대한 치료 순서를 결정하되, 상기 복수의 치료 영역들 중 서로 인접한 치료 영역들이 연속되지 않는 경향을 가지도록 상기 치료 순서를 결정하는 레이저 치료 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 가이드 경로는
    상기 치료 영역으로 진입하기 위한 제1 구간, 상기 치료 영역 내부에서 동일 속도로 직선 이동하는 제2 구간 및 상기 치료 영역의 외부에서 속도를 변화시키면서 곡선 이동하여 상기 치료 영역으로 재진입하기 위한 제3 구간을 포함하며, 상기 레이저는 상기 제2 구간에서 일정 주파수로 조사되는 레이저 치료 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 레이저부는
    엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)을 포함하고,
    상기 분할된 하나의 치료 영역에 대한 치료가 수행되는 동안 상기 엔드이펙터로부터 조사되는 레이저의 각도가 동일하게 유지되는 레이저 치료 장치.
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