KR102235818B1

KR102235818B1 - 경막외강 내시경술 훈련 장치

Info

Publication number: KR102235818B1
Application number: KR1020190012721A
Authority: KR
Inventors: 김윤상; 장성욱; 고준호
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2021-04-02
Also published as: KR20200095084A

Abstract

경막외강 내시경술 훈련 장치가 개시된다. 카테터(130)의 삽입 위치를 측정하는 측정부(100); 측정된 카테터(130)의 삽입 위치에 따라 인체 영상을 생성하는 처리부(200); 및 생성된 인체 영상을 표시하는 영상 표시부(300)를 구성한다. 따라서 카테터(130) 삽입을 훈련할 수 있고, 경막외강 내시경술에서 카테터(130) 삽입 경로의 인지에 사용되는 인체 장기를 선택 및 모델링하여 훈련 환경을 구축하는 장점이 있고, 실제 수술 도구와 동일한 조작 기능을 제공함으로써 수술 조작의 접근성 및 편의성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

경막외강 내시경술 훈련 장치{ENDOSCOPIC TRAINER}

본 발명은 경막외강 내시경술 훈련 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내시경술을 훈련시키는 경막외강 내시경술 훈련 장치에 관한 것이다.

경막외강 내시경술은 요통 환자의 진단과 치료에 있어 효과적인 방법으로써 널리 시행되고 있는 시술법 중 하나이다. 인체 표피 상의 작은 천공을 통해 직경 1밀리미터 내외의 초소형 내시경 및 카테터(130)를 체강 내로 삽입하여 통증의 직접적인 원인이 되는 부위를 찾아 병소를 정확하게 레이저를 조사하여 제거하기 때문에 만성 요통, 요추 추간판 탈출증에 대해 최소 침습적이면서도 매우 효과적인 치료방법이다.

경막외강 내시경술은 국소마취, 소독, 마취제 주입, 캐뉼라 설치, 카테터(130) 삽입, 약물 및 레이저 치료의 단계들로 이루어진다. 이러한 단계들 중에서 훈련이 가장 필요한 부분은 카테터(130) 삽입 과정이므로 본 발명에서 제공되는 경막외강 내시경술 훈련 방법의 범위는 카테터(130) 삽입 단계이다.

경막외강 내시경술은 최소 침습적이어서 매우 효과적이고 시술 또한 점점 증대되고 있지만, 실제 인체를 대상으로 신경다발이 몰려 있는 부위에 대한 실습이 매우 어려운 현실이다. 그러므로, 안전하면서도 의사의 시술 훈련을 도와줄 수 있는, 경막외강 내시경술에 대한 가상 현실을 이용한 훈련의 필요성이 증대되고 있다.

공개번호 제10-2017-0044610호, 조직 구조의 위치를 수술 중 확인하기 위한 방법 및 시스템

상기와 같은 필요성을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 카테터(130) 삽입을 훈련하는 경막외강 내시경술 훈련 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 카테터(130)의 삽입 위치를 측정하는 측정부(100); 측정된 카테터(130)의 삽입 위치에 따라 인체 영상을 생성하는 처리부(200); 및 생성된 인체 영상을 표시하는 영상 표시부(300)를 제공한다.

또한, 측정부(100)는 카테터(130)의 삽입 깊이를 측정하는 제1측정부(110); 및 카테터(130)의 회전 정도를 측정하는 제2측정부(120)를 포함한다.

또한, 처리부(200)는 인체 영상 공간을 모델링하는 가상 훈련 공간 모델링부(210); 인체 영상 경로를 모델링하는 가상 훈련 경로 모델링부(220); 인체 영상 공간과 인체 영상 경로에 기반하여 카테터(130)의 삽입 위치에 따라 인체 영상을 생성하는 영상 처리부(230); 및 측정부(100)와 영상 표시부(300)에 인체 영상을 인터페이스하는 인터페이스부(240)를 포함한다.

또한, 영상 표시부(300)는 3D 영상을 표시하는 3D 영상부(310); 내시경 영상을 표시하는 내시경 영상부(320); 및 X레이 영상을 표시하는 X레이 영상부(330)를 포함한다.

또한, 측정부(100)는 카테터(130) 말단에서 초음파를 출력하는 초음파 출력부; 및 초음파로 카테터(130) 위치를 감지하는 초음파 감지부를 포함한다.

또한, 초음파 감지부는 카테터(130) 위치를 삼각 측위하는 측위부; 및 삼각 측위된 카테터(130) 위치를 제공하는 위치 제공부를 포함한다. 측위부는 세 개의 초음파 수신부; 카테터(130)와 세 개의 초음파 수신부 사이의 거리를 계산하고 삼각 측위하는 삼각 측위부를 포함할 수 있다.

또한, 피드백부는 인체 모형에 카테터(130) 삽입시 발생하는 반작용을 감지하는 센서; 및 센서의 출력에 따라 회전 운동을 정지시키는 디스크를 붙잡는 강도를 조절하여 반작용을 측정부(100)에 모사하는 반작용 모사부를 포함한다. 여기서, 센서는 카테터(130) 삽입에 따른 반작용을 감지하는 솔레노이드를 포함하고, 반작용 모사부는 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 액추에이터를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 경막외강 내시경술 훈련 장치를 이용할 경우에는 카테터(130) 삽입을 훈련할 수 있다.

또한, 경막외강 내시경술에서 카테터(130) 삽입 경로의 인지에 사용되는 인체 장기를 선택 및 모델링하여 훈련 환경을 구축하는 장점이 있다.

또한, 실제 수술 도구와 동일한 조작 기능을 제공함으로써 수술 조작의 접근성 및 편의성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 훈련 장치에 사용되는 ‘카테터’는 실제 의사들의 시술에 사용되는 ‘카테터’를 그대로 사용할 수 있게 하여, 훈련에서 시술용 ‘카테터’에 익숙해지도록 하는 효과 또한 있다. 특히 엔코더를 통한 회전각도의 측정은 이러한 시술용 ‘카테터’에 큰 기구적인 변화가 없도록 하여, 훈련 때 사용했던 ‘카테터’와 시술용 카테터의 차이를 실질적으로 없게 느끼도록 할 수 있다.

도 1은 내시경술 훈련 장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 2는 제1측정부(110)의 동작을 보인 예시도이다.
도 3은 제2측정부(120)의 동작을 보인 예시도이다.
도 4는 가상 훈련 공간 모델링부(210)를 보인 예시도이다.
도 5는 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.
도 6은 천골 열공 진입 단계의 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.
도 7은 천골 통과 단계의 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.
도 8은 디스크 통과 단계의 카테터(130) 이동 경로를 보인 예시도이다.
도 9는 제1측정부(110)에 의한 영상 처리부(230)의 동작 흐름도이다.
도 10은 입력 장치와 인터페이스부(240)의 동작 예시도이다.
도 11은 인터페이스부(240)의 동작 흐름도이다.
도 12는 영상 표시부(300)의 화면을 보인 예시도이다.

명세서에서 사용된 용어는 그 단어가 본래 가지는 의미가 확대 해석될 수 있으며 서로 다른 의미를 가지는 단어와 단어가 하나의 단어로 조합됨으로써 광의의 새로운 의미를 가지는 합성어 형태를 취한다. 예를 들어 내시경이라는 단어와 훈련이라는 단어가 합성되어 내시경 훈련을 이룸으로써 내시경에 의한 훈련이 행해짐을 의미하게 된다. 또한, 명세서에서 제시하는 실시예는 실시에 바람직한 실시예이며, 경우에 따라 다른 구성이 부가되거나 본래 있던 구성이 생략됨이 가능하다. 실시예에서 구성을 포함하다 또는 가지다로 실시될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

경막외강 내시경술에서 실제 사용되는 카테터(130)를 이용하는 내시경술 훈련 장치이다. 카테터(130) 말단에 LED가 장착되어 측정부(100)에서 LED의 움직임을 감지해서 카테터(130) 움직임을 계산한다. 카테터(130)는 손잡이 부분에 회전 조작부가 있으며 회전 조작부에 엔코더가 구성되어 카테터(130) 말단의 일정 각도 회전을 감지한다. 시술자가 손잡이를 잡고 측정부(100) 내로 카테터(130)를 밀어 넣으면서 실제 내시경술과 같은 시술 동작을 취하고, 영상 표시부(300)를 통해 인체 영상을 보고 카테터(130) 위치를 알 수 있다. 영상 표시부(300)는 인체 영상에서 카테터(130)가 올바른 위치에서 벗어날 때에 화면에 화살표를 표시해서 카테터(130)가 위치해야할 지점을 지시할 수 있다. 시술자는 카테터(130) 손잡이를 회전하거나 회전 조작부를 조작해서 척추 내에서 카테터(130)가 이동해야 할 방향을 제어할 수 있다.

도 1은 내시경술 훈련 장치의 구성을 보인 블록도이다.

측정부(100)는 카테터(130)의 삽입 깊이를 측정하는 제1측정부(110)와 카테터(130)의 회전 정도를 측정하는 제2측정부(120)를 포함하고, 처리부(200)는 인체 영상 공간을 모델링하는 가상 훈련 공간 모델링부(210); 인체 영상 경로를 모델링하는 가상 훈련 경로 모델링부(220); 인체 영상 공간과 인체 영상 경로에 기반하여 카테터(130)의 삽입 위치에 따라 인체 영상을 생성하는 영상 처리부(230); 및 측정부(100)와 영상 표시부(300)에 인체 영상을 인터페이스하는 인터페이스부(240)를 포함하고, 영상 표시부(300)는 인체 영상의 3D 영상을 표시하는 3D 영상부(310); 인체 영상의 내시경 영상을 표시하는 내시경 영상부(320); 인체 영상의 X레이 영상을 표시하는 X레이 영상부(330)를 포함한다.

측정부(100)는 카테터(130) 말단에서 초음파를 출력하는 초음파 출력부; 및 초음파로 카테터(130) 위치를 감지하는 초음파 감지부를 포함할 수 있다.

초음파 감지부는 카테터(130) 위치를 삼각 측위하는 측위부; 및 삼각 측위된 카테터(130) 위치를 제공하는 위치 제공부를 포함한다. 측위부는 세 개의 초음파 수신부; 카테터(130)와 세 개의 초음파 수신부 사이의 거리를 계산하고 삼각 측위하는 삼각 측위부를 포함할 수 있다.

측정부(100)는 초음파 감지부를 통해 카테터(130) 위치를 측위해서 카테터(130) 움직임을 모사할 수 있는 효과를 나타내게 된다.

도 2는 제1측정부(110)의 동작을 보인 예시도이다.

제1측정부(110)는 거치대에 설치된 카메라를 통해 카테터(130) 삽입을 촬영한다. 카메라가 설치된 거치대에 카테터(130)가 삽입되면, 거치대 입구에 설치된 LED와 카테터(130) 툴팁에 설치된 LED가 포함된 영상이 촬영된다. 촬영된 영상 데이터는 처리부(200)로 전송되고, 향후 처리부(200)의 영상 처리부(230)에서 입구에 설치된 LED를 기준으로 삽입된 카테터(130) 툴팁의 위치를 계산한다. 영상 처리부(230)는 카테터(130) 툴팁의 위치 계산에 패턴 인식을 이용할 수 있다. 패턴 인식은 LED 광을 측정해서 측정값 특징을 분류하는 특징 분류기; 분류된 특징을 패턴 분류하는 패턴 분류기; 분류된 패턴에서 카테터(130) 툴팁의 위치를 계산하는 계산부를 포함한다. 패턴 분류기와 특징 분류기 사이에는 측정값 특징이 올바로 패턴 분류될 수 있도록 추정 학습부가 포함될 수 있다. 추정 학습부에는 통계, 신경망이 이용될 수 있다.

좀더 구체적으로, 두 개의 LED 광을 촬상하여 생성된 패턴으로부터 카테터 툴팁의 위치를 추정하는 경우, LED 광의 촬상시 생길 수 있는 여러 노이즈 또는 촬상된 이미지 상에 주변 환경으로 인한 노이즈들이 추가적으로 포함될 수 있다. 이러한 노이즈의 제거에는 신경망 학습 알고리즘을 추가적으로 적용하여, 카테터 툴팁의 위치를 추정시 정확도 등을 더 높일 수 있다. 구체적으로 이러한 노이즈의 제거에는 딥 뉴럴 네트워크의 Support Vector Machine 등의 알고리즘이 적용하여, 패턴값에 포함된 노이즈를 학습에 의한 모델링으로 제거하는 효과를 낼 수 있다.

도 3은 제2측정부(120)의 동작을 보인 예시도이다.

종래 카테터(130)는 중심부의 원형 톱니를 회전시킴으로써 카테터(130) 툴팁을 회전시킨다. 제2측정부(120)는 도 3과 같이, 엔코더(121)의 상단부를 카테터(130) 외형 상단면에 고정시키고, 엔코더 하단부는 카테터 원형 톱니(122)에 고정하는 구조로 이루어져, 카테터 원형 톱니(122)를 회전시킬시 엔코더(121)가 회전하고, 엔코더(121)의 측정된 회전 각도로부터 카테터(130) 툴팁의 회전을 측정한다. 측정된 회전 데이터는 무선 통신 모듈을 이용하여 처리부(200)로 전송된다. 예를 들어, 무선 통신 모듈은 와이파이, 블루투스, 지그비, 알에프아이디, 엔에프씨를 이용할 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

도 4는 가상 훈련 공간 모델링부(210)를 보인 예시도이다.

가상 훈련 공간 모델링부(210)는 경막외강 내시경술 훈련을 위한 가상 훈련 공간을 디스크, 신경막, 요추 모델을 정합하여 모델링한다. 경막외강 내시경술은 일반적으로 천골 열공으로 진입하고, 병변이 3-5번 디스크 위치일 경우에 사용된다. 따라서 천골 열공을 포함하는 요추, 병변을 포함하는 디스크, 카테터(130) 삽입 경로 생성에 필수적인 신경막을 정합하여 가상 훈련 공간을 모델링한다.

도 5는 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.

가상 훈련 경로 모델링부(220)는 경막외강 내시경술에서 카테터(130)를 도 5와 같이, 천골 열골으로 진입하여 경막 외강이라는 신경막 사이의 공간을 통과해 병변 위치까지 삽입된다. 삽입 전체 과정 중에서도 천골 열공 진입, 천골 통과, 디스크 통과의 3단계가 중요하다. 따라서 본 발명에서는 이러한 3단계를 포함하는 카테터(130) 삽입 과정을 훈련시킨다.

도 6은 천골 열공 진입 단계의 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.

천골 열공 진입 단계에서 카테터(130)의 이동 경로는 도 6과 같이, Dorsal root, Ventral root로 구분된다. Dorsal root는 신경근을 기준으로 등쪽의 경로이며, Ventral root는 신경근을 기준으로 배쪽의 경로이다. 임상적으로 Dorsal root로 진입하는 방법을 일반적으로 사용하기 때문에 본 발명에서는 Dorsal root를 사용하는 카테터(130) 삽입을 훈련시킨다.

도 7은 천골 통과 단계의 카테터(130) 삽입 경로를 보인 예시도이다.

천골 통과 단계에서 카테터(130) 이동 경로는 임상적으로 도 7과 같이, S3 신경까지는 Dorsal root로 이동하고, S2 신경에서 우회하여 Ventral root로 이동하는 방법을 일반적으로 사용하기 때문에, 본 발명에서는 이와 같은 경로를 사용하는 카테터(130) 삽입을 훈련시킨다.

도 8은 디스크 통과 단계의 카테터(130) 이동 경로를 보인 예시도이다.

디스크 통과 단계에서 카테터(130) 이동 경로는 도 8과 같이, 디스크를 우회하면서 삽입되기 때문에 본 발명에서는 이와 같은 경로를 사용하는 카테터(130) 삽입을 훈련시킨다.

도 9는 제1측정부(110)에 의한 영상 처리부(230)의 동작 흐름도이다.

영상 처리부(230)는 제1측정부(110)로부터 전송받은 영상 데이터로부터 삽입된 카테터(130) 툴팁의 위치를 계산한다. 이를 위해 영상 처리부(230)는 수신된 영상 데이터를 이진화하고 라벨링하여 두 LED(A, B)를 구분한다. 영상 처리부(230)는 구분된 두 LED 그룹의 중심점을 구하고, 중심점 간의 거리를 계산하여 카테터(130) 툴팁의 위치를 계산한다.

도 10은 입력 장치와 인터페이스부(240)의 동작 예시도이다.

인터페이스부(240)는 영상 처리부(230)에서 계산된 삽입된 카테터(130) 툴팁의 위치 및 제2측정부(120)에서 수신된 회전 데이터를 기반으로 3D 기반 가상 훈련 공간 및 2D 기반 X레이 영상에서의 카테터(130) 툴팁 위치를 계산하고, 카테터(130) 툴팁 위치가 경로 외부에 있을시 사용자에게 피드백을 제공함으로써 카테터(130) 삽입을 훈련시킨다.

도 11은 인터페이스부(240)의 동작 흐름도이다.

인터페이스부(240)는 카테터(130) 툴팁의 위치 및 회전 데이터를 회득하고, 3D 가상 공간에서 카테터(130) 툴팁 위치를 계산하고, 2D 가상 공간에서 카테터(130) 툴팁 위치를 게산하고, 카테터(130) 툴팁 위치가 삽입 경로 내부이면 카테터(130) 툴팁 위치가 병변 위치임을 판단하여 사용자 피드백한다.

도 12는 영상 표시부(300)의 화면을 보인 예시도이다.

영상 표시부(300)는 3D 영상, X레이 영상, 내시경 영상을 표시할 수 있다. 영상 표시부(300)는 토클 버튼으로 선택되어 메인 화면에서 시각화되고, 서브 화면에서 시각화한다.

카테터(130) 툴팁 위치가 경로 외부에 있을시 영상 표시부(300)가 사용자에게 피드백을 제공함으로써 시술자에게 지침을 내릴 수 있다. 이 때, 사용자 피드백은 경고음, 경고 음성 등으로 제공될 수 있다.

또한 좀더 구체적으로, 후술되는 도 12에 제시되는 영상 표시부(300)에 권장되는 카테터의 동작 모드를 병기하는 방식으로, 훈련하는 사용자를 트레이닝을 도울 수 있다. 예를 들어, 카테터의 회전이 필요한 방향과 세기를 화살표 등을 통해 반투명하게 영상 표시부(300)의 카테터 부근에 표기함으로써, 사용자가 직관적으로 카테터를 어떻게 동작시키여야 하는지를 확인 할 수 있는 효과를 제시한다.

또한, 영상 표시부(300)를 통한 사용자 피드백의 경우, 사용자가 정확하게 병변을 카테터로 시술하는 경우, 해당 시술의 성공에 대한 피드백 또한 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 도면으로 도시되지는 않았지만, 본 발명의 훈련 장치는 카테터와 툴팁을 수용하는 공간으로 이루어진 인공 모형을 더 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 인공 모형은 제1측정부(110)를 탈부착 가능할 수 있다. 인체 모형부는 훈련을 위한 기능을 제공하거나 훈련 시스템에 필수적인 요소는 아니지만 실제 제품에서 유용할 수 있다.

내시경술 훈련 장치는 인체를 모사하는 인공 모형을 포함하고, 측정부(100)는 인공 모형에 삽입되는 카테터(130) 움직임을 피드백하는 피드백부를 포함할 수 있다.

피드백부는 인체 모형에 카테터(130) 삽입시 발생하는 반작용을 감지하는 센서; 및 센서의 출력에 따라 회전 운동을 정지시키는 디스크를 붙잡는 강도를 조절하여 반작용을 측정부(100)에 모사하는 반작용 모사부를 포함한다. 여기서, 센서는 카테터(130) 삽입에 따른 반작용을 감지하는 솔레노이드를 포함하고, 반작용 모사부는 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 액추에이터를 포함한다.

내시경술 훈련 장치는 피드백부를 통해 카테터(130) 움직임을 인터페이스해서 사용자가 카테터(130) 삽입을 보다 정확하게 습득할 수 있도록 보조할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 측정부 110: 제1측정부
120: 제2측정부
200: 처리부 210: 가상 훈련 공간 모델링부
220: 가상 훈련 경로 모델링부 230: 영상 처리부
240: 인터페이스부 300: 영상 표시부
310: 3D 영상부 320: 내시경 영상부
330: X레이 영상부

Claims

카테터(130)의 삽입 깊이를 측정하는 제1측정부(110)와, 상기 카테터(130)의 회전 정도를 측정하는 제2측정부(120)를 포함하는 측정부(100);
인체 영상 공간을 모델링하는 가상 훈련 공간 모델링부(210)와, 인체 영상 경로를 모델링하는 가상 훈련 경로 모델링부(220)와, 상기 인체 영상 공간과 상기 인체 영상 경로에 기반하여 상기 카테터(130)의 삽입 위치에 따라 인체 영상을 생성하는 영상 처리부(230)와, 영상 처리부(230)에서 계산된 삽입된 카테터(130) 툴팁의 위치 및 제2측정부(120)에서 수신된 회전 데이터를 기반으로 가상 훈련 공간 및 인체 영상에서의 카테터(130) 툴팁 위치를 계산하고, 카테터(130) 툴팁 위치가 경로 외부에 있을시 사용자에게 피드백을 제공하는 인터페이스부(240)를 포함하는 처리부(200); 및
상기 영상 처리부(230)에서 생성된 인체 영상을 표시하는 영상 표시부(300)를 포함하되,
상기 영상 처리부(230)는
카테터(130) 툴팁의 위치 계산에 패턴 인식을 이용할 수 있도록 LED 광을 측정해서 측정값 특징을 분류하는 특징 분류기;
상기 특징 분류기에서 분류된 특징을 패턴 분류하는 패턴 분류기;
상기 패턴 분류기에서 분류된 패턴에서 카테터(130) 툴팁의 위치를 계산하는 계산부;
상기 패턴 분류기와 특징 분류기 사이에서 신경망을 기반으로 측정값 특징이 올바로 패턴 분류될 수 있도록 학습하는 추정 학습부
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경막외강 내시경술 훈련 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 영상 표시부(300)는 상기 인체 영상의 3D 영상을 표시하는 3D 영상부(310);
상기 인체 영상의 내시경 영상을 표시하는 내시경 영상부(320); 및
상기 인체 영상의 X레이 영상을 표시하는 X레이 영상부(330)를 포함하는 경막외강 내시경술 훈련 장치.