KR102225448B1 - 능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치 및 능동 조향 카테터와 마스터 장치의 양방향 제어가 가능한 카테터 시스템 - Google Patents

능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치 및 능동 조향 카테터와 마스터 장치의 양방향 제어가 가능한 카테터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마스터 장치 및 카테터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치와 상기 능동 조향 카테터와 상기 마스터 장치의 양방향 제어가 가능한 카테터 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템은, 삽입 및 굽힘 운동이 가능한 카테터를 포함하고, 상기 카테터의 카테터 선단부에 작용하는 힘의 정보와 상기 카테터 선단부의 방향 정보를 포함하는 카테터 정보를 출력하는 능동 조향 카테터; 3차원 방향 표현이 가능한 조작 핸들을 포함하고, 상기 조작 핸들의 3차원 방향 정보를 포함하는 마스터 정보를 출력하는 마스터 장치; 3차원 타겟 모델과 3차원 카테터 모델을 디스플레이 화면에 출력하고, 상기 디스플레이 화면의 화면 정보를 출력하는 매핑 시스템; 및 상기 카테터 정보, 상기 마스터 정보 및 상기 화면 정보에 기초하여 상기 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향과, 상기 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 통해 출력되는 카테터 선단부의 방향이 일치하도록 상기 마스터 장치와 상기 능동 조향 카테터를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치 및 능동 조향 카테터와 마스터 장치의 양방향 제어가 가능한 카테터 시스템{MASTER DEVICE FOR MANIPULATING ACTIVE STEERING CATHETER AND CATHETER SYSTEM CAPABILITY CONTROLLING BIDIRECTION OF ACTIVE STEERING CATHETER AND MASTER DEVICE}
본 발명은 마스터 장치 및 카테터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치와 상기 능동 조향 카테터와 상기 마스터 장치의 양방향 제어가 가능한 카테터 시스템에 관한 것이다.
전극도자 절제술(radiofrequency catheter ablation)은 부정맥의 원인이 되는 심장 조직을 절제 또는 괴사시켜서 부정맥을 치료하는 시술이다. 이를 위해 선단부에 전극을 포함하는 가늘고 긴 관 형태의 수술도구(카테터)를 대퇴동맥이나 대퇴정맥을 통해서 심장 내부까지 삽입한다. 시술 중 심장 내부에 위치한 카테터의 선단부 위치를 실시간으로 확인하기 위해서 2차원(2D) X-선(X-ray) 촬영장치를 사용한다.
종래에 X-ray의 사용을 줄이고 카테터 선단부의 위치와 심전도를 직관적으로 확인하기 위해서, 3차원 매핑 시스템(3D mapping system)이 개발되었다. 상기 3차원 매핑 시스템은 먼저, 선단부에 심전도를 측정할 수 있는 전극을 포함하는 매핑용 카테터를 이용해서 3차원 심전도 지도를 생성한다. 매핑용 카테터와 절제용 카테터는 모두 3차원 위치 센서를 포함하며, 측정된 위치 정보를 통해서 생성된 각 카테터의 3차원 모델이 심전도 지도와 함께 실시간으로 화면에 표시된다. 상기 절제용 카테터에는 선단부에 작용하는 힘을 측정하는 센서가 있어, 힘 정보가 화면에 함께 표시된다.
시술자의 방사선 피폭을 줄이고, 시술 성능 향상을 위해서, 로봇 카테터 시스템이 개발되고 있다. 상기 로봇 카테터 시스템은 선단부의 능동 조향이 가능한 카테터와 상기 카테터를 삽입 및 회전 운동시키는 슬레이브 로봇, 상기 카테터를 조작하기 위한 입력 장치로 구성된다. 시술자는 상기 3차원 매핑 시스템이 표시하는 실시간 화면을 보며 상기 입력 장치를 이용해서 상기 카테터의 움직임을 제어한다.
도 1은 종래의 매핑 시스템에서 2차원(2D)으로 출력되는 3차원(3D)의 심장 및 카테터 모델을 보여주는 도면으로서, 도 1의 (a)는 정면도(front view)이고, 도 1의 (b)는 측면도(side view)이다.
도 1의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 매핑 시스템에서는 3차원 모델이 2차원으로 화면에 디스플레이되기 때문에, 시술자는 2차원 화면에 나타난 정보만으로는 깊이 방향 정보를 쉽게 얻을 수 없다. 따라서, 시술자는, 도 1의 (a)에 나타난 화면만으로 카테터가 z축 방향에 대해서 어디에 위치해 있는지 확인할 수 없다. 시술자는 깊이 방향 정보를 얻기 위해서 매번 3차원 모델을 회전시키며 관찰해야 하는 문제가 있다.
또한, 시술자는 관찰하고자 하는 심전도의 위치에 따라 해당 부위가 잘 보이도록 3차원 모델을 반복적으로 회전시키며 시술을 진행한다. 종래의 마스터 장치(들)와 같이, 카테터의 상대적 굽힘 각도를 명령하는 경우, 화면이 회전됨에 따라 카테터의 구동 명령과 화면으로 보이는 카테터의 동작 방향의 관계가 계속해서 변하는 문제가 있다.
예를 들어, 도 1의 (a) 내지 (b)에서, 카테터에 위치한 국부좌표계 (
Figure 112019078242625-pat00001
)를 기준으로, 카테터 선단부를
Figure 112019078242625-pat00002
방향으로 굽어지도록 명령할 경우, 도 1의 (a)의 화면에서는 카테터 선단부가 전역좌표계(
Figure 112019078242625-pat00003
)를 기준으로
Figure 112019078242625-pat00004
방향으로 움직인다. 하지만, 도 1의 (b)의 화면에서는 카테터 선단부가
Figure 112019078242625-pat00005
방향으로 움직이는 것으로 관찰된다. 카테터의 구동 명령 방향과 화면상의 동작 방향의 관계는 카테터 선단부가 움직이거나 화면이 회전되어 전역좌표계(O)와 카테터의 국부좌표계(OC)의 관계가 변함에 따라 계속해서 달라진다. 이러한 변화는 카테터 조작의 직관성을 떨어뜨림으로써 시술 안전성과 효율을 저해할 수 있다.
한편, 비특허문헌 3은, 카테터의 병진 운동，롤(roll) 운동，선단부의 굽힘 운동을 입력할 수 있는 햅틱 인터페이스를 개시하고 있다. 비특허문헌 4는 카테터의 병진운동，선단부의 2 자유도 굽힘 운동을 입력할 수 있는 햅틱 인터페이스를 개시하고 있다. 대표적인 상용 카테터 로봇 시스템인 한센 메디컬(Hansen medical)의 센세이 로보틱 시스템(Sensei robotic system)의 경우，3 자유도 병진 운동 입력이 가능한 상용 햅틱 인터페이스를 사용하여 카테터 선단부의 동작을 제어하고 있다.
KR 2017-0000663 A KR 10-1133268 B1 KR 2017-0132101 A US 9603667 B2 US 8390438 B2
Khan, Ejaz M, et al "First experience with a novel robotic remote catheter system: Amigo™ mapping trial" Journal of Interventional Cardiac Electrophysiology 372 (2013): 121-129. Ernst, Sabine, et al "Initial experience with remote catheter ablation using a novel magnetic navigation system: magnetic remote catheter ablation" Circulation 10912 (2004): 1472-1475. Park, Jun Woo, et al "Development of a force-reflecting robotic platform for cardiac catheter navigation" Artificial organs 3411 (2010): 1034-1039. Rosa, Benoit, et al "Intuitive teleoperation of active catheters for endovascular surgery" Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on IEEE, 2015.
본 발명은, 시술자가 능동 조향 카테터의 깊이 방향 정보를 얻기 위해서, 매번 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 회전시키며 관찰해야 하는 문제를 해결할 수 있는, 마스터 장치 및 카테터 시스템을 제공한다.
또한, 2차원 화면이 회전됨에 따라 카테터의 구동 명령과 화면으로 보이는 카테터의 동작 방향의 관계가 계속해서 변하는 문제를 해결할 수 있는 마스터 장치 및 카테터 시스템을 제공한다.
또한, 매핑 시스템의 화면으로 보이는 카테터 선단부의 방향과 마스터 장치의 조작 핸들의 방향을 일치시켜서 조작 직관성을 향상시킬 수 있는 마스터 장치 및 카테터 시스템을 제공한다.
또한, 카테터 선단부가 외부의 다른 물체와 접촉 시, 조작자가 마스터 장치를 통해서 능동 조향 카테터에 가하는 힘을 조절할 수 있는 마스터 장치 및 카테터 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템은, 삽입 및 굽힘 운동이 가능한 카테터를 포함하고, 상기 카테터의 카테터 선단부에 작용하는 힘의 정보와 상기 카테터 선단부의 방향 정보를 포함하는 카테터 정보를 출력하는 능동 조향 카테터; 3차원 방향 표현이 가능한 조작 핸들을 포함하고, 상기 조작 핸들의 3차원 방향 정보를 포함하는 마스터 정보를 출력하는 마스터 장치; 3차원 타겟 모델과 3차원 카테터 모델을 디스플레이 화면에 출력하고, 상기 디스플레이 화면의 화면 정보를 출력하는 매핑 시스템; 및 상기 카테터 정보, 상기 마스터 정보 및 상기 화면 정보에 기초하여 상기 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향과, 상기 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 통해 출력되는 카테터 선단부의 방향이 일치하도록 상기 마스터 장치와 상기 능동 조향 카테터를 제어하는 제어부;를 포함한다. 이러한 카테터 시스템에 의하면, 마스터 장치와 능동 조향 카테터를 양방향 제어할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치 및 카테터 시스템을 사용하면, 조작 핸들의 3차원 방향과 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 통해 출력되는 카테터 선단부의 방향이 일치하기 때문에, 시술자가 조작 핸들로부터 능동 조향 카테터의 카테터 선단부의 3차원 방향을 직관적으로 인식할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 시술자가 카테터 선단부의 3차원 방향을 확인하기 위해서 매핑 시스템을 통해 출력되는 2차원 화면을 매번 다른 방향으로 회전할 필요가 없어진다.
또한, 매핑 시스템을 통해 화면상으로 보이는 카테터 선단부의 방향이 달라지더라도, 마스터 장치의 조작 핸들의 조작 방향과 화면상으로 보이는 카테터 선단부의 동작 방향이 같아지게 된다. 이는 조작 직관성을 향상시켜 시술 안전성과 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 매핑 시스템의 화면으로 보이는 카테터 선단부의 방향과 마스터 장치의 조작 핸들의 방향을 일치시켜서 조작 직관성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 카테터 선단부가 외부의 다른 물체와 접촉 시, 조작자가 마스터 장치를 통해서 능동 조향 카테터에 가하는 힘을 조절할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 매핑 시스템에서 2차원(2D)으로 출력되는 3차원(3D)의 심장 및 카테터 모델을 보여주는 도면으로서, 도 1의 (a)는 정면도(front view)이고, 도 1의 (b)는 측면도(side view)이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)의 기구학적 구조를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 2에 도시된 능동 조향 카테터(300)의 일 예의 자유도를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 카테터 선단부(310)와, 카테터 자세를 측정하는 장치(350), 매핑시스템이 표시하는 화면의 방향을 결정하는 가상 카메라(750)의 좌표계들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 11은 카테터 선단부(310)가 비접촉 상태인 경우의 제어 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12 내지 도 13은 카테터 선단부(310)가 접촉 상태인 경우 제어 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 14의 (a)는 도 2에 도시된 매핑 시스템(700)을 통해 출력되는 2차원 화면의 일 예를 도시한 것이고, 도 14의 (b)는 도 14의 (a)의 상태에서 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150) 부분을 확대한 것이다.
도 15의 (a)는 도 14의 (a)에 도시된 매핑 시스템(700)을 통해 출력되는 2차원 화면을 임의의 방향으로 회전했을 때의 2차원 화면을 도시한 것이고, 도 15의 (b)는 도 15의 (a)의 상황에서 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 움직임 변화를 보여주기 위한 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 형태와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 형태에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시 형태는 상술한 문제를 해결하기 위한 능동 조향이 가능한 능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치와 이의 제어 방법에 관한 것이다. 매핑 시스템의 2차원 화면에 출력되는 카테터 선단부의 방향과 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향을 일치시키면, 상술한 종래의 문제들을 해결할 수 있다.
이하에서는, 3차원의 어느 방향이든 표현할 수 있는 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치의 구성을 살펴보고, 마스터 장치와 능동 조향 카테터의 양방향 제어 방법을 설명한다. 또한, 본 발명의 실시 형태에서는 상기 능동 조향 카테터의 자세를 측정하는 장치의 좌표계를 이용하여 시술자(또는 조작자)가 매핑 시스템의 화면으로 인지하게 되는 카테터 선단부의 방향 벡터를 구하고, 상기 방향 벡터를 상기 마스터 장치가 추종하도록 제어하는 방법을 설명한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 능동 조향 카테터를 조작하기 위한 마스터 장치와 이의 제어 방법을 설명함에 앞서 상기 마스터 장치를 포함한 전체 카테터 시스템을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템은, 마스터 장치(100), 능동 조향 카테터(300), 제어부(500) 및 매핑 시스템(700)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템은, 매핑 시스템(700)의 화면으로 보이는 카테터 선단부의 방향과 마스터 장치(100)의 조작 핸들의 방향을 일치시켜서 조작 직관성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 카테터 시스템은, 카테터 선단부가 외부의 다른 물체와 접촉 시, 조작자가 마스터 장치(100)를 통해서 능동 조향 카테터(300)에 가하는 힘을 조절할 수 있게 할 수 있다.
마스터 장치(100)는 능동 조향 카테터(300)를 제어 또는 조작하기 위한 장치이다. 시술자는 마스터 장치(100)를 사용하여 능동 조향 카테터(300)를 원격으로 조작할 수 있다. 예를 들어, 시술자는 마스터 장치(100)를 조작하여 능동 조향 카테터(300)의 삽입 및/또는 회전 운동, 카테터 선단부(310)의 굽힘 운동을 제어할 수 있다.
마스터 장치(100)는 시술자의 조작에 의해 마스터 정보를 출력한다. 출력되는 마스터 정보는 제어부(500)로 입력된다. 마스터 정보는 마스터 장치(100)를 구성하는 구성 요소들 중 적어도 하나 이상의 구성 요소에서 출력되는 정보 또는 신호를 의미할 수 있다. 예를 들어, 마스터 정보는 마스터 장치(100)의 조작 핸들의 3차원 방향 정보, 상기 조작 핸들로 가해진 힘 정보, 및 상기 조작 핸들로의 접촉 정보를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 조작 핸들의 3차원 방향 정보는 마스터 장치(100)에 포함된 하나 또는 다수의 엔코더로부터 출력되는 엔코더 센싱 신호일 수 있다. 상기 조작 핸들로 가해진 힘 정보는 조작 핸들에 장착된 힘 센서로부터 출력되는 센싱 신호일 수 있다. 상기 조작 핸들로의 접촉 정보는 조작 핸들에 장착된 터치 센서로부터 출력되는 센싱 신호일 수 있다.
마스터 장치(100)는 3차원의 움직임 또는 3차원의 방향 표현이 가능한 조작 핸들을 포함한다. 조작 핸들은 시술자의 조작에 의해 그 위치 또는 방향이 변경될 수 있다. 또한, 조작 핸들은 마스터 구동 제어신호에 의해서 시술자의 조작과 무관하게 그 위치 또는 방향이 변경될 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)로부터의 상기 마스터 구동 제어신호를 제공받아, 마스터 장치(100)의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향이 매핑 시스템(700)의 2차원 화면에 출력되는 카테터 선단부의 방향과 일치되도록 조작 핸들의 3차원 방향이 제어될 수 있다.
능동 조향 카테터(300)는 환자의 신체 내부의 혈관이나 심장과 같은 장기를 진행하기 위해서, 가늘고 긴 관 형태를 가질 수 있다.
능동 조향 카테터(300)는 카테터 선단부를 포함하고, 상기 카테터 선단부는 삽입 운동 및 굽힘 운동이 가능하다.
능동 조향 카테터(300)는 제어부(500)로부터 제공된 카테터 구동 제어신호에 기초하여 삽입 및 굽힘 운동이 가능하다.
능동 조향 카테터(300)는 힘 센서와 위치 센서를 포함할 수 있다. 힘 센서와 위치 센서는 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부에 배치될 수 있다. 힘 센서는 카테터 선단부에 작용하는 힘의 정보를 출력한다. 힘 센서로부터 출력되는 힘의 정보를 이용하여 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부가 외부의 다른 물체에 접촉되었는지 여부를 센싱할 수 있다. 위치 센서는 카테터 선단부의 위치와 방향 정보를 출력한다. 위치 센서는 예를 들어 3축 위치와 3축의 방향을 측정하는 센서일 수 있으며, 위치 센서로부터 출력되는 위치와 방향 정보를 이용하여 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부의 3차원 위치와 방향을 센싱할 수 있다. 힘 센서와 위치 센서로부터 출력되는 센싱 신호들(이하, '카테터 정보'라 함)은 제어부(500)로 입력되고, 제어부(500)는 입력된 카테터 정보를 기초로 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부의 외부 물체와의 접촉 여부와 3차원 위치 및 방향 정보를 획득할 수 있다.
제어부(500)는 능동 조향 카테터(300)로부터의 카테터 정보, 마스터 장치(100)로부터의 마스터 정보 및 매핑 시스템(700)으로부터의 화면 정보에 기초하여 마스터 장치(100)의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향과, 매핑 시스템(700)의 디스플레이 화면을 통해 출력되는 카테터 선단부의 방향이 일치하도록 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)를 제어할 수 있다.
제어부(500)는 마스터 장치(100)로부터의 마스터 정보에 기초하여 능동 조향 카테터(300)를 제어하기 위한 카테터 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 생성된 카테터 구동 제어신호는 능동 조향 카테터(300)로 제공되고, 제공된 카테터 구동 제어신호에 기초하여 능동 조향 카테터(300)는 구동될 수 있다.
제어부(500)는 능동 조향 카테터(300)로부터의 카테터 정보를 제공받아 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부의 외부 물체와의 접촉 여부와 3차원 위치와 방향 정보를 얻을 수 있다. 또는, 제어부(500)는 능동 조향 카테터(300)로부터의 카테터 정보를 매핑 시스템(700)으로 전달할 수 있다.
제어부(500)는 매핑 시스템(700)으로 매핑 정보를 제공할 수 있다. 상기 매핑 정보는, 매핑 시스템(700)에서 3차원 타겟 모델을 생성하는데 요구되는 하나 이상의 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 (a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이, 매핑 시스템(700)이 심장을 타겟으로 할 경우, 3차원 심장 모델을 생성하는데 필요한 심장의 크기와 위치 정보 등을 포함할 수 있다. 심장의 크기와 위치 정보 등은 기타 별도의 측정 장치(미도시)를 통해 획득될 수 있다.
제어부(500)는 매핑 시스템(700)으로부터의 화면 정보에 기초하여 마스터 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 생성된 마스터 구동 제어신호는 마스터 장치(100)로 제공되어 마스터 장치(100)를 구동시킬 수 있다.
제어부(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나로 구성될 수도 있고, 복수로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 마스터 장치측 제어부와 능동 조향 카테터측 제어부로 구성될 수 있고, 마스터 장치측 제어부와 능동 조향 카테터측 제어부는 유/무선 통신을 통해 서로 데이터를 주고 받을 수 있다. 여기서, 마스터 장치측 제어부는 마스터 장치(100)에 일체로 구성될 수 있고, 능동 조향 카테터측 제어부는 능동 조향 카테터(300)에 일체로 구성될 수도 있다.
매핑 시스템(700)은 제어부(500)로부터의 매핑 정보에 기초하여 3차원 타겟 모델을 생성하고, 제어부(500)로부터의 카테터 정보에 기초하여 3차원 카테터 모델을 생성할 수 있다.
매핑 시스템(700)은 생성된 3차원 모델과 3차원 카테터 모델을, 도 1의 (a) 내지 (b)와 같이, 실시간으로 디스플레이 장치의 화면에 표시할 수 있다. 여기서, 상기 디스플레이 장치가 상기 3차원 모델을 표시하는 위치와 방향은 매핑 시스템(700)의 가상 카메라의 위치와 방향에 의해 결정된다. 상기 가상 카메라가 바라보는 위치와 방향은 시술자의 조작에 의해 변경될 수 있으며, 최초 화면 출력 시에는 디폴트(default)로 설정된 값으로 정의된다.
매핑 시스템(700)은 상기 디스플레이 장치의 화면에 표시된 2차원 화면을 다른 2차원 화면으로 변경하여 화면에 표시할 수 있고, 현재 디스플레이 장치의 화면에 표시되고 있는 2차원 화면의 정보를 포함하는 화면 정보를 생성할 수 있다. 생성된 화면 정보는 제어부(500)로 제공될 수 있다. 여기서, 화면 정보는 상기 가상 카메라가 3차원 모델을 바라보는 방향의 정보일 수 있다.
마스터 장치(100)의 기구학적 구성
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)의 기구학적 구조를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)는 복수의 자유도로서, 3 자유도를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)는 베이스(Base)의 일 면에 연결되며, 복수의 관절부(Joint 1, Joint 2, Joint 3)과 복수의 링크(Link 0, Link 1, Link 2, Link 3)를 포함할 수 있다.
베이스(Base)는 지면과 소정 각도를 이루는 일 면을 포함한다. 제0 링크(Link 0)의 일 단이 베이스의 일 면에 연결되고 타단은 제1 관절부(Joint 1)에 연결된다. 제1 링크(Link 1)의 일 단이 제1 관절부(Joint 1)에 연결되고 타단은 제2 관절부(Joint 2)에 연결된다. 제2 링크(Link 2)의 일 단이 제2 관절부(Joint 2)에 연결되고 타단은 제3 관절부(Joint 3)에 연결된다. 제3 링크(Link 3)의 일 단이 제3 관절부(Joint 3)에 연결된다. 제3 링크(Link 3)는 조작 핸들(150)에 해당하는 타 단부를 포함할 수 있다.
제3 링크(Link 3)의 타 단부가 조작 핸들(150)에 해당하며, 시술자는 상기 조작 핸들(150)을 잡고, 능동 조향 카테터를 간접적으로 조작할 수 있다. 여기서, 제2 관절부(Joint 2)와 제3 관절부(Joint 3)만으로도 상기 조작 핸들(150)에 해당하는 제3 링크의 모든 3차원의 모든 방향을 표현할 수 있지만, 특정 자세(pose)에서 제2 링크(Link 2) 또는 제3 관절부(Joint 3)가 상기 조작 핸들을 잡고있는 시술자의 팔과 충돌할 수 있다. 따라서, 제1 관절부(Joint 1)와 제1 링크(Link 1)을 추가하여 시술자의 팔과 충돌하지 않으면서도 상기 조작 핸들(150)이 3차원의 모든 방향을 표현할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.
마스터 장치(100)의 상세 구성
도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)는 3 자유도를 가져 모든 3차원 방향을 표현할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)는 3개의 회전축(A1, A2, A3)을 기준으로 회전할 수 있다. 제1 회전축(A1)은 베이스(101)의 일 면에 수직한 고정축일 수 있고, 제2 회전축(A2)과 제3 회전축(A3)은 제1 회전축(A1)에 평행하지 않은 이동축으로서 서로 교차한다. 제2 회전축(A2)과 제3 회전축(A3)도 서로 평행하지 않은 이동축으로서 서로 교차한다. 예를 들어, 제1 회전축(A1), 제2 회전축(A2) 및 제3 회전축(A3)은 서로 직교할 수 있다.
각 회전축(A1, A2, A3)에는 적어도 하나 이상의 구동 풀리(113, 123, 133)가 장착될 수 있다. 각 구동 풀리(113, 123, 133)는 적어도 하나 이상의 구동 모터(111, 121, 131)와 연결될 수 있다. 여기서, 해당 구동 모터(111, 121, 131)와 연결되는 구동 풀리(113, 123, 133)는 와이어(또는 벨트)를 통해서 연결될 수 있다.
복수의 구동 모터(111, 121, 131)는 제1 구동 모터(111), 제2 구동 모터(121) 및 제3 구동 모터(131)을 포함할 수 있고, 복수의 구동 풀리(113, 123, 133)는 제1 구동 풀리(113), 제2 구동 풀리(123) 및 제3 구동 풀리(133)을 포함할 수 있다.
제1 구동 풀리(113)은 제1 회전축(A1)을 기준으로 회전 가능하며, 제1 구동 모터(111)는 제1 구동 풀리(113)의 회전에 따라 연동한다. 제1 구동 모터(111)의 모터 회전각도는 제1 엔코더(미도시)에 의해 검출될 수 있다. 제1 엔코더(미도시)는 제1 구동 모터(111)에 인접하여 배치되거나 제1 구동 모터(111)와 일체로 구성될 수도 있다.
제2 구동 풀리(123)은 제2 회전축(A2)을 기준으로 회전 가능하며, 제2 구동 모터(121)는 제2 구동 풀리(123)의 회전에 따라 연동한다. 제2 구동 모터(121)의 모터 회전각도는 제2 엔코더(미도시)에 의해 검출될 수 있다. 제2 엔코더(미도시)는 제2 구동 모터(121)에 인접하여 배치되거나 제2 구동 모터(121)와 일체로 구성될 수도 있다.
제3 구동 풀리(133)은 제3 회전축(A3)을 따라 회전 가능하며, 제3 구동 모터(131)는 제3 구동 풀리(133)의 회전에 따라 연동한다. 제3 구동 모터(131)의 모터 회전각도는 제3 엔코더(미도시)에 의해 검출될 수 있다. 제3 엔코더(미도시)는 제3 구동 모터(131)에 인접하여 배치되거나 제3 구동 모터(131)와 일체로 구성될 수도 있다.
베이스(101)의 일 면은 지면과 소정 각도를 이룰 수 있다. 예를 들어, 베이스(101)의 일 면은 지면과 수직할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)는, 복수의 관절부(160, 170, 180)과 복수의 링크(167, 178, 185)를 포함할 수 있다.
복수의 관절부(160, 170, 180)은 제1 관절부(160), 제2 관절부(170) 및 제3 관절부(180)을 포함할 수 있다. 각 관절부(160, 170, 180)에는 각 회전축에 따른 회전을 제한하기 위한 브레이크(brake)를 포함할 수 있다. 여기서, 각 관절부(160, 170, 180)에 포함된 상기 브레이크는 도 2에 도시된 제어부(500)로부터의 마스터 구동 제어신호에 기초하여 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있다.
제1 관절부(160)은 제1 회전축(A1)을 기준으로 회전 가능한 회전 관절부며, 1 자유도를 갖는다. 제2 관절부(170)은 제2 회전축(A2)을 기준으로 회전 가능한 회전 관절부며, 1 자유도를 갖는다. 제3 관절부(180)은 제3 회전축(A3)을 기준으로 회전 가능한 회전 관절부며, 1 자유도를 갖는다.
복수의 링크(167, 178, 185)는 제1 링크(167), 제2 링크(178) 및 제3 링크(185)를 포함할 수 있다.
제1 링크(167)은 제1 관절부(160)과 제2 관절부(170) 사이에 연결되고, 적어도 하나의 굴곡부를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 링크(167)는 'L'자 형상을 가질 수 있다. 제1 링크(167)에 제2 구동 모터(121)와 제2 엔코더가 장착될 수 있다.
제2 링크(178)는 제2 관절부(170)과 제3 관절부(180) 사이에 연결되고, 적어도 하나의 굴곡부를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 링크(178)은 'L'자 형상을 가질 수 있다. 제2 링크(178)에 제3 구동 모터(131)와 제3 엔코더가 장착될 수 있다.
제3 링크(185)는 제3 관절부(180)과 조작 핸들(150) 사이에 연결되고, 소정의 길이를 갖는 직선 형상을 가질 수 있다.
조작 핸들(150)은 제3 링크(185)에 연결되며, 소정 길이를 갖는 직선 형상을 가질 수 있다. 조작 핸들(150)은 시술자의 손에 잡힐 수 있는 크기와 형상을 가질 수 있다. 조작 핸들(150)은 제3 링크(185)의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제3 링크(185)에 연결될 수 있다. 여기서, 조작 핸들(150)과 제3 링크(185)는 일체로 구성되어 하나의 링크를 구성할 수도 있다.
조작 핸들(150)의 적어도 일 부분은 3개의 회전축(A1, A2, A3)이 교차하는 점에 배치되어 3차원의 모든 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 조작 핸들(150)의 일 단부가 제1 내지 제3 회전축(A1, A2, A3)이 교차하는 교차점에 배치될 수 있다.
조작 핸들(150)의 방향은 복수의 구동 모터(111, 121, 131) 각각의 모터 회전각도를 계산할 수 있는 복수의 엔코더(미도시)를 통해 측정되는 각 관절부의 회전각도로부터 검출 가능하다.
조작 핸들(150)에는 3축의 힘을 측정할 수 있는 3축 힘 센서(140)가 장착되어 시술자가 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)에 가하는 힘의 크기를 검출할 수 있다. 상기 힘 센서(140)는 조작 핸들(150)에 연결되는 마스터 장치(100)의 다수의 링크 중 어느 하나에 장착될 수 있다.
또한, 조작 핸들(150)에는 터치 센서(미도시)가 배치될 수 있다. 터치 센서(미도시)는 정전용량 터치 센서일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 터치 센서(미도시)를 통해 조작 핸들(150)에 시술자의 손의 접촉되었는지 여부를 감지할 수 있다.
능동 조향 카테터(300)의 구성
도 7은 도 2에 도시된 능동 조향 카테터(300)의 일 예의 자유도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 능동 조향 카테터(300)는 삽입 방향으로의 1 자유도(I), 굽힘 방향으로의 2 자유도(B1, B2)로 움직일 수 있다.
능동 조향 카테터(300)는 카테터 선단부(310)를 포함한다. 카테터 선단부(310)는 2 자유도의 굽힘 방향으로 굽혀질 수 있다. 카테터 선단부(310)는 슬레이브 로봇(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
능동 조향 카테터(300)는 카테터 선단부(310)에 작용하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 힘 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 힘 센서(미도시)를 통해 출력되는 센싱 신호로부터 카테터 선단부(310)가 외부 물체(예를 들어, 심장의 내벽 등)에 접촉되었는지 여부를 감지할 수 있다.
능동 조향 카테터(300)는 위치 센서(미도시)를 포함한다. 위치 센서(미도시)는 카테터 선단부(310)의 3차원 위치와 방향을 센싱할 수 있다.
힘 센서(미도시)와 위치 센서(미도시) 각각에서는 소정의 전기 신호가 출력된다. 이렇게 출력되는 전기 신호(들)를 카테터 정보라 한다. 상기 카테터 정보는 도 2에 도시된 제어부(500)로 제공될 수 있다.
마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)의 양방향 제어 방법
도 8은 도 2에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)는 크게 3가지 케이스로 나누어 다르게 제어될 수 있으며, 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)의 양방향 제어는 도 2에 도시된 제어부(500)에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)의 양방향 제어 방법은, 정보 업데이트 단계(810)을 포함할 수 있다. 정보 업데이트 단계(810)는 마스터 장치(100), 능동 조향 카테터(300) 및 매핑 시스템(700)으로부터 소정의 정보를 수신하는 단계로서, 마스터 장치(100)로부터 마스터 정보를, 능동 조향 카테터(300)로부터 카테터 정보를, 매핑 시스템(700)으로부터 화면 정보를 수신하는 단계일 수 있다. 또한, 외부 측정 장치로부터 3차원 타겟 정보를 수신할 수도 있다. 3차원 타겟 정보는 매핑 시스템(700)에서 3차원 타겟 모델의 기초로 이용될 수 있다.
여기서, 마스터 정보는, 마스터 장치(100)의 하나 또는 다수의 엔코더로부터 출력되는 센싱 신호, 마스터 장치(100)의 힘 센서로부터의 센싱 신호, 및 마스터 장치(100)의 터치 센서로부터의 센싱 신호 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 카테터 정보는, 능동 조향 카테터(300)의 힘 센서로부터의 센싱 신호 및 위치 센서로부터의 센싱 신호 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 화면 정보는, 매핑 시스템(700)의 가상 카메라가 3차원 카테터 모델을 바라본 방향 정보를 포함할 수 있다.
정보 업데이트 단계(810) 이후에, 시술자가 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)을 잡은 상태인지를 판별한다(830). 시술자가 조작 핸들(150)을 잡았는지 여부는 마스터 정보로부터 감지할 수 있다. 예를 들어, 마스터 장치(100)의 힘 센서로부터의 센싱 신호, 또는 마스터 장치(100)의 터치 센서로부터의 센싱 신호에 기초하여 시술자가 조작 핸들(150)을 잡았는지를 판별할 수 있다. 만약, 시술자가 조작 핸들(150)을 잡은 것으로 판별되면, 다음의 850 단계를 수행하고, 그렇지 않으면 제3 케이스(Case 3)의 제어 방법에 따른다.
시술자가 조작 핸들(150)을 잡은 것으로 판별된 이후에, 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부(310)로의 접촉 여부를 판별한다(850). 카테터 선단부(310)가 외부 물체에 접촉되었는지 여부는 카테터 정보로부터 감지할 수 있다. 예를 들어, 능동 조향 카테터(300)의 힘 센서로부터의 센싱 신호에 기초하여 카테터 선단부(310)가 외부 물체에 접촉되었는지를 판별할 수 있다. 만약, 카테터 선단부(310)가 외부 물체에 접촉되지 않은 것으로 판별되면, 마스터 장치(100)의 브레이크를 오프(off)하고(870), 제1 케이스(Case 1)의 제어 방법에 따른다. 여기서, 브레이크는 오프(off)하지 않고 제1 케이스(Case 1)의 제어 방법을 따를 수도 있다. 한편, 카테터 선단부(310)가 외부 물체에 접촉된 것으로 판별되면, 마스터 장치(100)의 브레이크를 온(on)하고(890), 제2 케이스(Case 2)의 제어 방법에 따른다. 여기서, 브레이크는 온(on)하지 않고 제2 케이스(Case 2)의 제어 방법을 따를 수도 있다.
도 8에 도시된 제1 케이스(Case 1)는, 조작자가 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)을 잡고 있고, 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부(310)에 실제 접촉이 없는 상태(비 접촉 상태)에서의 제어 방식이다.
제1 케이스에서는 조작자가 조작 핸들(150)을 자유로이 회전시킬 수 있도록 마스터 장치(100)를 제어한다. 이러한 제1 케이스에 있어서, 제어부(500)는 중력 보상 제어를 수행하여 마스터 장치(100)의 자세를 유지시키고 조작 저항감을 줄일 수 있도록 제어할 수 있다. 제어부(500)는, 마스터 장치(100)로부터 제공받은 3차원 방향 정보에 기초하여, 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)이 가리키는 3차원 방향과 매핑 시스템(700)의 디스플레이 화면에서 카테터 선단부(310)가 가리키는 방향이 일치되도록, 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부(310)의 방향을 제어할 수 있다. 여기서, 제어부(500)는, 마스터 장치(100)로부터 제공받은 힘 정보에 기초하여, 카테터 선단부(310)의 삽입 방향의 속도를 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)에 입력되는 힘에 비례한 속도로 움직이도록 제어할 수도 있다.
카테터 선단부(310)가 비접촉 상태인 경우의 제어 방식을 이하에서 상세히 설명한다.
카테터 선단부(310)가 비접촉 상태인 경우의 제어 방식
- 카테터 굽힘방향 자유도
조작자가 바라보았을 때 매핑 시스템(700)의 화면에서 보이는 카테터 선단부(310)가 가리키는 방향과 조작 핸들의 방향이 같도록 능동 조향 카테터(300)의 굽힘방향을 제어한다.
도 9를 참조하면, 카테터 선단부(310)의 방향을 나타내는 벡터 e는 능동 조향 카테터(300)의 자세를 측정하는 카테터 자세 측정 장치(350)의 좌표계(
Figure 112019078242625-pat00006
)를 기준으로 측정된다.
도 10에 도시된 매핑 시스템(700)의 화면에 나타나는 카테터 선단부(310)의 방향 벡터 e'은, 매핑 시스템(700) 상에서 정의된 가상 카메라(750)의 좌표계(
Figure 112019078242625-pat00007
)에서 바라본 벡터이다.
따라서, 아래 <수학식 1>과 같이, 매핑 시스템(700)의 화면에서 보이는 카테터 선단부(310)의 방향 벡터(e')는 좌표계
Figure 112019078242625-pat00008
와
Figure 112019078242625-pat00009
간의 회전 행렬(R)을 이용해서 얻을 수 있다.
Figure 112019078242625-pat00010
도 10에 도시된 바와 같이, 조작자가 마스터 장치(100)를 바라보았을 때 인식되는 조작 핸들(150)의 방향 벡터 m과 벡터 e'이 일치하도록 능동 조향 카테터(300)의 굽힘방향 자유도를 제어한다.
- 카테터 삽입방향 자유도
도 11을 참조하면, 능동 조향 카테터(300)의 삽입방향 속도
Figure 112019078242625-pat00011
는 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)에 가해지는 힘
Figure 112019078242625-pat00012
중에서 조작 핸들(150)의 축 방향에 평행한 성분
Figure 112019078242625-pat00013
에 비례한 속도로 움직이도록 속도 제어한다.
따라서, 능동 조향 카테터(300)의 삽입방향 속도제어의 기준이 되는 참조 입력(reference input) 속도(
Figure 112019078242625-pat00014
)는 아래 <수학식 2>와 같이 정의된다.
Figure 112019078242625-pat00015
여기서,
Figure 112019078242625-pat00016
는 비례 게인으로서 조작자의 편의에 따라 조정 가능한 값이다.
조작 핸들(150)의 축 방향 힘(
Figure 112019078242625-pat00017
, Scalar value)은, 아래 <수학식 3>과 같이, 조작 핸들(150)의 힘 센서(140)에서 측정되는 힘 벡터 (
Figure 112019078242625-pat00018
)를 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 축 방향인 m 벡터에 투영하여 구할 수 있다.
Figure 112019078242625-pat00019
한편, 도 8에 도시된 제2 케이스(Case 2)는, 조작자가 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)을 잡고 있고, 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부(310)에 접촉이 발생한 상태에서의 제어 방식이다. 카테터 선단부(310)의 접촉 여부는 카테터 선단부(310)에 위치한 힘 센서로부터 측정된 힘(Fe)과 접촉 여부를 결정하는 특정 기준값(Fct)을 비교하여 결정될 수 있다. 힘 센서로부터 측정된 힘의 크기(
Figure 112019078242625-pat00020
)가 Fct보다 크거나 같으면 접촉 상태, 힘의 크기(
Figure 112019078242625-pat00021
)가 Fct보다 작으면 비접촉 상태로 정의할 수 있다. 접촉 여부의 기준이 되는 특정 기준값(
Figure 112019078242625-pat00022
)은 비접촉 상태에서 힘 센서에서 측정되는 노이즈 값 보다 큰 값으로 설정될 수 있고, 혹은 다른 값으로 조절될 수도 있다.
이러한 제2 케이스에 있어서, 제어부(500)는 마스터 장치(100)의 움직임을 제한하기 위해서 마스터 장치(100)의 각 관절부(160, 170, 180)의 브레이크를 온(on)하는 제어를 수행할 수 있다. 각 관절부(160, 170, 180)의 브레이크가 온되어 마스터 장치(100)의 움직임이 제한된 상태에서 조작 핸들(150)로는 조작자의 힘이 가해질 수 있다. 이 경우, 제어부(500)는 조작 핸들(150)로 가해지는 힘을 조작 핸들(150)에 장착된 힘 센서를 통해 감지하여, 능동 조향 카테터(300)가 접촉 대상에 가하는 힘이 조작자가 조작 핸들(150)에 가한 힘과 대응(또는 일치)되도록 능동 조향 카테터(300)를 제어할 수 있다.
카테터 선단부(310)가 접촉 상태인 경우의 제어 방식을 이하에서 상세히 설명한다.
카테터 선단부가 접촉 상태인 경우 제어 방식
도 12를 참조하면, 카테터 선단부(310)가 심벽과 같은 어떠한 대상에 접촉하였을 때, 조작자는 카테터 선단부(310)가 대상에 가하는 힘(
Figure 112019078242625-pat00023
)를 인지하고 조절할 수 있어야 한다.
따라서, 조작자가 손에서 느끼는 힘 벡터(
Figure 112019078242625-pat00024
)와 능동 조향 카테터(300)가 대상에 가하는 힘(
Figure 112019078242625-pat00025
)이 일치하도록 능동 조향 카테터(300)를 제어하는 것이 필요하다.
카테터 선단부(310)에 접촉이 발생한 순간, 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)은 움직이지 않도록 고정된다. 예를 들어, 조작 핸들(150)은 임의의 강도로 고정될 수 있다. 조작 핸들(150)이 회전하지 않도록 하기 위해, 브레이크를 사용할 수도 있으며, 또는 접촉을 인지한 순간의 자세로 마스터 장치(100)를 위치 제어할 수도 있다. 위치 제어를 통해 마스터 장치(100)를 고정할 경우, 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 방향 제어에서 참조입력(
Figure 112019078242625-pat00026
)은 아래 <수학식 4>와 같이 정의된다.
Figure 112019078242625-pat00027
여기서,
Figure 112019078242625-pat00028
는 접촉이 인지된 시간이다.
조작 핸들(150)이 고정된 상태에서 조작자가 카테터 선단부(310)로 힘을 가하고자하는 방향으로 조작 핸들(150)에 힘을 가하면, 조작자가 손에서 느끼는 힘(
Figure 112019078242625-pat00029
)와 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)에 가해지는 힘(
Figure 112019078242625-pat00030
)은 아래 <수학식 5>와 같이, 작용반작용의 관계가 된다.
Figure 112019078242625-pat00031
마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)에 가해지는 힘은 힘 센서(140)를 통해 측정되어 능동 조향 카테터(300)로 전달되고, 능동 조향 카테터(300)의 각 자유도는 능동 조향 카테터(300)가 접촉 대상에 가하는 힘(
Figure 112019078242625-pat00032
)이 상기
Figure 112019078242625-pat00033
와 일치하도록 힘 제어된다. 여기서, 능동 조향 카테터(300)의 카테터 선단부(310)가 접촉 대상에 가하는 힘이 사전에 정의된 값이 되도록 능동 조향 카테터(300)를 제어할 수도 있다.
따라서, 능동 조향 카테터(300)의 힘 제어에 대한 참조입력(
Figure 112019078242625-pat00034
)는, 아래 <수학식 6>과 같이, 조작자가 손에서 느끼는 힘과 동일한 크기를 지니게 된다.
Figure 112019078242625-pat00035
결과적으로, 조작자는 능동 조향 카테터(300)가 대상에 가하는 힘과 동일 또는 비례하는 힘을 손에서 느끼게 되고 조절할 수 있게 된다.
한편, 도 13을 참조하면, 조작자가 카테터 선단부(310)를 접촉 대상에서 떨어뜨리고 싶을 경우에는, 접촉 물체와 멀어지는 방향으로 힘을 가하면 된다. 이때 능동 조향 카테터(300)는 접촉 물체와 멀어지는 방향으로 힘 제어되어 물체와의 접촉이 떨어지게 된다. 카테터 선단부(310)에 접촉이 사라진 후에는 능동 조향 카테터(300)의 비접촉 상태에서의 제어 방식으로 제어된다.
한편, 도 8에 도시된 제3 케이스(Case 3)는, 조작자가 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)을 잡고 있지 않은 상태에서의 제어 방식이다. 이러한 제3 케이스에 있어서, 능동 조향 카테터(300)는 자유운동이 가능한 상태이다. 조작자가 매핑 시스템(700)을 통해 출력되는 화면의 뷰(view)를 바꾸거나, 별도의 외력에 의해 카테터 선단부(310)의 방향이 달라지면, 매핑 시스템(700)의 화면 상에서 카테터 선단부가 가리키는 방향과 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 방향이 달라지게 된다. 따라서, 이때마다 제어부(500)는 매핑 시스템(700)의 화면에 나타난 카테터 선단부(310)의 방향과 실제 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 3차원 방향이 일치하도록 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)을 제어할 수 있다.
도 14의 (a)는 도 2에 도시된 매핑 시스템(700)을 통해 출력되는 2차원 화면의 일 예를 도시한 것이고, 도 14의 (b)는 도 14의 (a)의 상태에서 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150) 부분을 확대한 것이다.
도 15의 (a)는 도 14의 (a)에 도시된 매핑 시스템(700)을 통해 출력되는 2차원 화면을 임의의 +z 방향으로 회전했을 때의 2차원 화면을 도시한 것이고, 도 15의 (b)는 도 15의 (a)의 상황에서 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)의 움직임 변화를 보여주기 위한 도면이다.
도 14의 (a)와 도 15의 (a)의 매핑 시스템(700)를 통해 출력되는 2차원 화면은 매핑 시스템(700)의 가상 카메라 좌표계(
Figure 112019078242625-pat00036
)의
Figure 112019078242625-pat00037
방향으로 3차원 모델을 바라본 상태가 출력된다. 따라서, 조작자가 바라보는 방향과, 도 14의 (b)와 도 15의 (b)에 도시된 마스터 장치(100)의 지역좌표계(
Figure 112019078242625-pat00038
)의
Figure 112019078242625-pat00039
을 일치시키고, 매핑 시스템(700)를 통해 출력되는 2차원 화면에서 카테터 선단부(310)가 가리키는 방향 벡터(e')와 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)이 가리키는 3차원 방향 벡터(m)가 일치하도록, 마스터 장치(100)와 능동 조향 카테터(300)를 양방향 제어하면, 조작자가 도 14의 (a)에서 도 15의 (a)로 3차원 모델을 회전시키더라도, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 조작 핸들(150)의 조작 방향과 매핑 시스템(700)를 통해 화면상으로 보이는 카테터 선단부(310)의 구동 방향을 항상 일치시킬 수 있다.
조작 핸들(150)의 3차원 방향과 실제 카테터 선단부(310)의 3차원 방향이 일치하므로, 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)이 카테터 선단부(310)의 방향을 3차원으로 보여주게 된다. 따라서, 조작자는 마스터 장치(100)의 조작 핸들(150)로부터 카테터 선단부(310)의 3차원 정보를 인식할 수 있기 때문에, 조작자는 매핑 시스템(700)을 통해 2차원 화면을 돌려가며 카테터 선단부(310)의 깊이 방향 정보를 확인할 필요가 없어진다.
앞서 상술한 제1 내지 제3 케이스 각각이 수행된 후에는, 도 8에 도시된 바와 같이, 다시 정보 업데이트 단계(810)를 수행하고, 앞서 상술한 단계들이 반복될 수 있다
이상 상술한 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치 및 카테터 시스템으로 조작하는 대상은 능동 조향이 가능한 카테터이며, 제안하는 제어 방식을 구현하기 위해서는 카테터 선단부의 3차원 방향(orientation)을 측정할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시 형태로 기술한 3차원 매핑시스템을 이용하여 수행되는 로봇 심장 중재시술은 이 조건에 부합하며, 따라서 본 기술을 적용할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서 해결하고자하는 문제는 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 통해 보이는 카테터의 구동 명령 방향과 실제 동작 방향이 달라져서 생기는 조작 직관성 저해 문제이다. 이러한 문제는 카테터의 경우 뿐만 아니라, 특정 로봇의 3차원 방향을 마스터 장치를 이용해서 제어해야 하고 해당 로봇의 자세를 2차원 화면을 통해서 관찰해야 하는 모든 경우에 발생한다. 이러한 경우에도 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치와 카테터 시스템으로 문제를 해결할 수 있다. 본 발명을 적용하기 위해 필요한 정보는 로봇을 촬영하는 장치의 3차원 방향에 대한 정보이다. 이 조건에 해당되는 예는, 실시간으로 x선 투시영상을 보며 조작해야하는 혈관 삽입용 로봇 카테터, 복강경 영상을 보며 수술도구의 방향을 제어해야하는 복강경 수술로봇 시스템 등이 있다.
국민건강보험공단의 2016년 주요수술통계연보에 따르면 심장 카테터 삽입술의 수술 건수는 2011년부터 2016년까지 연평균 34% 씩 증가하고 있다. 이는 국민건강보험공단에서 지정한 33개 주요수술의 6년간 연평균 증감률이 16%인 것과 비교하여 높은 수치이다. 이는 심장 카테터 삽입술 시장이 다른 수술과 비교하여 더 빠른 속도로 커지고 있음을 의미한다. 따라서 심장용 카테터 로봇에 적용될 본 기술의 시장성이 앞으로 계속 증가할 것으로 예측된다.
본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치와 카테터 시스템을 능동 조향 카테터 조작에 적용하게 되면, 항상 매핑 시스템의 디스플레이 화면에서 보이는 카테터 선단부의 방향과 마스터 장치의 조작 핸들의 방향이 항상 일치하게 된다. 따라서 마스터 장치의 조작 핸들로부터 카테터 선단부의 3차원 방향을 직관적으로 인식할 수 있으므로 2차원 화면의 한계점을 보완할 수 있다. 또한, 매핑 시스템의 화면상으로 보이는 카테터 선단부의 방향이 달라지더라도 항상 마스터 장치의 조작 핸들과 카테터 선단부의 동작 방향이 같아지게 된다. 이는 조작 직관성을 향상시켜, 시술의 안전성과 효율을 높일 수 있다.
반면, 특허문헌 1 내지 5 및 비특허문헌 1 내지 4에는 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치의 조작 핸들이 3차원의 모든 방향을 표현할 수 있고, 조작자에게 제공되는 화면으로 보이는 카테터 선단부의 방향과 마스터의 조작부가 가리키는 방향을 일치시키며 제어하는 기술이 전혀 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 1 내지 5 및 비특허문헌 1 내지 4의 경우, 기존의 능동 조향 카테터를 제어하기 위한 마스터 장치들은 기저부가 고정되어 있고, 카테터 선단부에 상대 각도 명령을 전달하는 방식으로 카테터를 제어한다. 이 경우, 카테터 선단부의 자세가 변하거나 카테터를 표시하는 화면의 방향이 변할 경우, 마스터 장치의 조작 방향(구동 명령 방향)과 화면으로 보이는 카테터의 동작 방향이 달라지는 문제가 발생한다. 하지만, 본 발명의 실시 형태에 따른 마스터 장치는 기저부가 고정되어 있지 않아 3차원의 모든 방향을 표현할 수 있으며, 마스터 장지의 조작 핸들과 능동 조향 카테터의 카테터 선단부의 방향이 언제나 일치하기 때문에, 해당 문제가 해결되는 특유의 효과가 있다.
이상과 같이 실시 형태들이 비록 한정된 실시 형태와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 형태들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 삽입 및 굽힘 운동이 가능한 카테터를 포함하고, 상기 카테터의 카테터 선단부에 작용하는 힘의 정보와 상기 카테터 선단부의 방향 정보를 포함하는 카테터 정보를 출력하는 능동 조향 카테터;
    3차원 방향 표현이 가능한 조작 핸들을 포함하고, 상기 조작 핸들의 3차원 방향 정보를 포함하는 마스터 정보를 출력하는 마스터 장치;
    3차원 타겟 모델과 3차원 카테터 모델을 디스플레이 화면에 출력하고, 상기 디스플레이 화면의 화면 정보를 출력하는 매핑 시스템; 및
    상기 카테터 정보, 상기 마스터 정보 및 상기 화면 정보에 기초하여 상기 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향과, 상기 매핑 시스템의 디스플레이 화면을 통해 출력되는 카테터 선단부의 방향이 일치하도록 상기 마스터 장치와 상기 능동 조향 카테터를 제어하는 제어부;
    를 포함하는, 카테터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터 장치는 상기 조작 핸들로 가해지는 힘 정보를 센싱하는 힘 센서를 포함하고,
    상기 힘 센서는 상기 마스터 장치의 다수의 링크 중 하나에 장착되는, 카테터 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 카테터 선단부가 접촉 상태이면, 상기 제어부는 상기 조작 핸들이 임의의 강도로 고정되도록 제어하고, 상기 카테터 선단부가 접촉 대상에 가하는 힘이 조작자가 상기 조작 핸들에 가하는 힘과 일치하거나 비례하도록 상기 능동 조향 카테터를 제어하는, 카테터 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 마스터 정보에 기초하여 조작자가 상기 조작 핸들을 잡은 상태인지를 판별하고, 상기 카테터 정보에 기초하여 상기 카테터 선단부의 접촉 상태를 판별하는, 카테터 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조작자가 상기 조작 핸들을 잡은 상태이고, 상기 카테터 선단부가 비접촉 상태이면, 상기 제어부는 상기 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향이 상기 매핑 시스템의 상기 디스플레이 화면에서의 카테터 선단부가 가리키는 방향과 일치되도록 상기 능동 조향 카테터의 카테터 선단부의 방향을 제어하는, 카테터 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 조작자가 상기 조작 핸들을 잡은 상태이고, 상기 카테터 선단부가 접촉 상태이면, 상기 제어부는 상기 조작 핸들이 임의의 강도로 고정되도록 제어하고, 상기 능동 조향 카테터의 카테터 선단부가 접촉 대상에 가하는 힘이 사전에 정의된 값이 되도록 상기 능동 조향 카테터를 제어하는, 카테터 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 조작자가 상기 조작 핸들을 잡지 않은 상태이면, 상기 제어부는 상기 매핑 시스템의 디스플레이 화면에 나타나는 카테터 선단부의 방향과 상기 마스터 장치의 조작 핸들이 가리키는 3차원 방향이 일치하도록 상기 마스터 장치의 조작 핸들의 3차원 방향을 제어하는, 카테터 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 마스터 장치측 제어부와 상기 능동 조향 카테터측 제어부를 포함하고,
    상기 마스터 장치측 제어부와 상기 능동 조향 카테터측 제어부는 유선 또는 무선 통신하는, 카테터 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터 장치는상기 조작 핸들의 3차원 방향 정보를 센싱하는 엔코더를 포함하고,
    상기 엔코더는 상기 마스터 장치의 다수의 관절부 각각의 회전에 의한 구동 모터의 모터 회전각도를 계산하는, 카테터 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 조향 카테터는 상기 카테터 선단부로 가해지는 힘 정보를 센싱하는 힘 센서와 상기 카테터 선단부의 위치와 방향을 센싱하는 위치 센서를 포함하고,
    상기 힘 센서와 상기 위치 센서는 상기 카테터 선단부에 장착되는, 카테터 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 마스터 장치의 중력 보상 제어를 수행하여 상기 마스터 장치의 자세를 유지시키고 조작 저항감을 줄이는, 카테터 시스템.
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