KR102367635B1 - 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템 - Google Patents

치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 치과 임플란트 수술을 보조하기 위한 로봇시스템에 있어서: 구강 투입용 마우스피스(13)에 광학마커(15)를 갖춘 도구부(10); 광학마커(15)에 대응하는 마커트레커(25)를 구비하고, 구강 영상을 획득하여 디스플레이하는 진단부(20); 구동모듈(32)을 통하여 엔드이펙터(34)의 다축운동을 유발하는 수술로봇(30); 상기 수술로봇(30)의 엔드이펙터(34)에 탑재 가능하도록 형성되고, 구동모듈(42)을 통하여 핸드피스(46)의 다축운동을 유발하는 말단로봇(40); 및 임플란트 수술을 보조하도록 설정된 알고리즘을 실행하는 제어부(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 치과용 의료기기의 디지털 덴티스트리 추세에 부응하는 차원에서 수술 계획, 구강 모니터링, 고정밀 수술에서 교육에 이르기까지 광범위하게 조력하여 임플란트 치료의 전반에 걸쳐 실질적인 생력화를 도모하는 효과가 있다.

Description

치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템 {Robot system for assisting dental implant surgery}
본 발명은 치과 임플란트 수술 로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 치과용 의료기기의 디지털 덴티스트리(Digital Dentistry) 추세에 부응하기 위한 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템에 관한 것이다.
향후 수년내로 치과 치료의 상당 부문에서 로봇이 사람을 대체할 것으로 전망되고 있다. 치과 임플란트 치료는 상실치아 대체로 인공치근을 식립하고 치조골과 인접 치아에 맞추는 기술을 요체로 한다. 진료에서 수술까지 계획한 대로 정확하게 진행되어야 임플란트 치아의 오랜 사용이 가능하다. 디지털 기술발전으로 가이드 임플란트가 대중화되고 있기는 하지만 3D프린트된 가이드는 수술중 계획변경이 불가능하여 유연성이 미흡하다.
치과 임플란트 로봇과 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1373066호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제2075609호(선행문헌2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 메니퓰레이터에 장착되고 핸드피스를 갖춘 임플란트 시술로봇; 시술 부위와 핸드피스의 위치를 검출하는 위치검출부; 및 위치검출부의 입체 영상 데이터와 시술 부위에 대한 CT영상 데이터를 좌표 매칭하여 홀을 천공하도록 시술 로봇을 제어하는 제어부;를 포함한다. 이에, 시술자가 원하는 깊이와 각도로 홀을 천공하는 효과를 기대한다.
선행문헌2는 (a) 동작모듈을 통하여 핸드피스의 위치를 조정하는 단계; (b) 위치조정데이터를 저장하는 단계; (c) 핸드피스 드릴의 절삭깊이를 설정하는 단계; (d) 절삭깊이데이터를 저장하는 단계; 및 (e) 위치조정데이터 및 절삭깊이데이터에 따라 동작모듈을 구동시키는 단계;를 포함한다. 이에, 임플란트 시술의 안정성과 정밀도를 높이는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌은 시술 부위의 홀 천공이나 절삭에 한정되므로 임플란트 치료의 전반적인 생력화와 정확성을 기대하기는 곤란하다.
한국 등록특허공보 제1373066호 "치과 임플란트 시술 로봇 시스템 및 이를 이용한 임플란트 시술 방법" (공개일자 : 2013.11.12.) 한국 등록특허공보 제2075609호 "치기구 자동화 로봇 제어방법" (공개일자 : 2020.02.10.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 치과용 의료기기의 디지털 덴티스트리 추세에 부응하는 일환으로서 수술 계획, 구강 모니터링, 고정밀 수술에서 교육에 이르기까지 광범위하게 조력하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 치과 임플란트 수술을 보조하기 위한 로봇시스템에 있어서: 구강 투입용 마우스피스에 광학마커를 갖춘 도구부; 광학마커에 대응하는 마커트레커를 구비하고, 구강 영상을 획득하여 디스플레이하는 진단부; 구동모듈을 통하여 엔드이펙터의 다축운동을 유발하는 수술로봇; 상기 수술로봇의 엔드이펙터에 탑재 가능하도록 형성되고, 구동모듈을 통하여 핸드피스의 다축운동을 유발하는 말단로봇; 및 임플란트 수술을 보조하도록 설정된 알고리즘을 실행하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 도구부는 전동력으로 구강 개폐를 실행하는 개구기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 진단부는 구강스캐너로 구강의 3차원 영상을 획득하고 덴탈CT로 구강의 단층 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 수술로봇은 외장 배선이 없는 중공형 구동모듈을 각 관절에 탑재하고, 컨트롤러와 연계하여 이더캣(EtherCAT) 기반의 실시간 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 말단로봇은 구동모듈과 핸드피스 사이에 병렬링크를 개재하여 병렬메카니즘을 구현하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 말단로봇은 환자의 움직임에 대응하기 위한 헵틱가이드를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부는 진단부의 3차원 및 단층 영상 신호를 정합하고 터치스크린에 증강현실 영상으로 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부는 수술계획, 수술항법, 훈련 시뮬레이션, 딥러닝을 처리하기 위한 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부는 교체 가능한 인공치를 장착한 인체모형팬텀과 연계하기 위한 제어 알고리즘을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 치과용 의료기기의 디지털 덴티스트리 추세에 부응하는 차원에서 수술 계획, 구강 모니터링, 고정밀 수술에서 교육에 이르기까지 광범위하게 조력하여 임플란트 치료의 전반에 걸쳐 실질적인 생력화를 도모하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 수술로봇을 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 시스템에 의한 작동을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 시스템에 의한 제어를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 치과 임플란트 수술을 보조하기 위한 로봇시스템에 관하여 제안한다. 상실치아의 인공치근 대체를 비롯한 다양한 임플란트 관련 기술을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 로봇 기반의 디지털 방식 자동화에 시술자의 수동작을 융합한 협업(협동)을 요체로 한다.
본 발명에 따르면 도구부(10)가 구강 투입용 마우스피스(13)에 광학마커(15)를 갖춘 구조이다. 도구부(10)는 드릴, 리머 등과 같이 치과에서 보편적으로 사용되는 기구를 포함한다. 마우스피스(13)는 인체에 무해하면서 구강내에 견고하게 고정하기 위한 구조로 형성된다. 광학마커(15)는 방사선 비투과(radio-opaque) 방식을 적용하는 것이 좋다. 광학마커(15)는 별도의 어댑터를 개재하여 마우스피스(13)에 착탈 가능하게 탑재한다. 광학마커(15)의 신호는 수술 모니터링 외에 돌발 상황의 충돌에 대비하도록 활용된다.
한편, 광학마커(15)는 도구부(10)의 드릴, 리머 등은 물론 후술하는 핸드피스(46)에 추가적으로 탑재하는 것도 가능하다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 도구부(10)는 전동력으로 구강 개폐를 실행하는 개구기(11)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 개구기(11)의 말단부는 환자의 구강과 일치하도록 맞춤형으로 구성한다. 개구기(11)는 구강의 개폐를 자동화하는 방식이 선호되지만 수동 방식을 배제하는 것은 아니다. 자동화 방식의 경우 환자의 움직임에 대한 물리적 측정도 부가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 광학마커(15)에 대응하는 마커트레커(25)를 구비하는 진단부(20)가 구강 영상을 획득하여 디스플레이하는 구조를 이루고 있다. 진단부(20)는 환자, 시술자 및 상호 간의 그래픽 기반 소통을 위한 터치스크린(28)을 갖춘다. 마커트레커(25)는 광학마커(15)와 연계하여 로봇-환자간 좌표계를 정확하게 연동시킨다. 마커트레커(25)와 후술하는 네비게이션모듈(55)이 연계되면 잇몸과 임플란트 기구간 위치 변화를 실시간으로 정확하게 파악할 수 있다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 진단부(20)는 구강스캐너(21)로 구강의 3차원 영상을 획득하고 덴탈CT(23)로 구강의 단층 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다. 구강스캐너(21)는 작은 광학창을 통하여 구강내를 스캔하고 입력된 3D 데이터를 스티칭 처리하여 조합한다. 덴탈CT(23)는 일반CT에 비하여 방사선 노출량이 적은 저선량 X레이 기반의 콘빔전산화단층촬영(cone beam computed tomography; CBCT) 방식이 선호된다. 환자가 마우스피스(13)를 물고 있는 상태에서 덴탈CT(23)로 단층 촬영이 진행된다. 덴탈CT(23)는 상ㆍ하악골. 상악동, 하치조신경관, 치아 등의 분할 데이터를 생성한다.
또한, 본 발명에 따르면 수술로봇(30)이 구동모듈(32)을 통하여 엔드이펙터(34)의 다축운동을 유발하는 구조이다. 수술로봇(30)은 자중보상 기능을 갖춘 20㎏ 이하의 소형ㆍ경량 구조를 적용한다. 구동모듈(32)은 모터, 감속기, 엔코더, 브레치크 등으로 구성되고 수술로봇(30)의 각 관절에 설치된다. 엔드이펙터(34)는 도구부(10)와 진단부(20)는 물론 후술하는 수술로봇(30) 등과 긴밀한 접속이 가능한 구조를 갖춘다. 수술로봇(30)의 자중대비 엔드이펙터(34)의 가반하중비가 4:1 이하로 설정한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 수술로봇(30)은 외장 배선이 없는 중공형 구동모듈(32)을 각 관절에 탑재하고, 컨트롤러(36)와 연계하여 이더캣(EtherCAT) 기반의 실시간 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다. 구동모듈(32)에서 감속기와 모터 부분의 중공 부분을 통하여 배선을 은폐한다. 분산형 제어 구조로 배선의 간소화와 유지보수의 용이성을 높인다. 수술로봇(30)과 컨트롤러(36) 간의 이더캣 통신으로 구동모듈(32)의 확장성을 확보한다. 수술로봇(30)과 컨트롤러(36)의 연계로 엔드이펙터(34)의 최적 경로 추종이 구현된다.
한편, 수술로봇(30)은 GUI를 위한 스크린과 교시조작을 위한 펜던트(pendent)를 갖출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 수술로봇(30)의 엔드이펙터(34)에 탑재 가능하도록 형성되는 말단로봇(40)이 구동모듈(42)을 통하여 핸드피스(46)의 다축운동을 유발하는 구조를 이룬다. 말단로봇(40)은 수술로봇(30)보다 작고 정교한 구조로 형성된다. 말단로봇(40)은 석션, 구강스캔, 로우스피드/하이스피드 핸드피스(46) 등에 적합한 구조를 갖춘다. 말단로봇(40)의 구동모듈(42)은 수술로봇(30)의 구동모듈(32)과 기능적으로 유사하다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 말단로봇(40)은 구동모듈(42)과 핸드피스(46) 사이에 병렬링크(44)를 개재하여 병렬메카니즘을 구현하는 것을 특징으로 한다. 병렬메카니즘은 말단로봇(40)의 초소형ㆍ초경량화 구조에 적합하며 5자유도의 모션을 구현한다. 병렬링크(44)는 이중의 평면 구조로 구동모듈(42)과 핸드피스(46)를 이격시켜 관성의 영향을 최소로 경감한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 말단로봇(40)은 환자의 움직임에 대응하기 위한 헵틱가이드(48)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 햅틱가이드(48)는 수술로봇(30)이 금지공간으로 접근하거나 핸드피스(46)에 인가되는 충격을 감지한다. 금지공간은 측정이 가능한 직교좌표계에서 설정된다. 불측의 충격은 힘센서를 통하여 감지된다.
한편, 수술로봇(30) 및 말단로봇(40) 중의 적어도 어느 하나에 환자의 안면 그리고/또는 구강 스캔을 위한 내시경형 카메라를 설치할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면 제어부(50)가 임플란트 수술을 보조하도록 설정된 알고리즘을 실행하는 구조를 이루고 있다. 제어부(50)는 인터페이스(51)를 개재하여 도구부(10), 진단부(20), 수술로봇(30), 말단로봇(40)에 연결된다. 제어부(50)는 통신모듈(53)을 통하여 외부의 서버(도시 생략)와 유무선으로 연결된다. 서버는 환자의 개별적 구강 정보 외에 임플란트 수술과 관련되는 제반 장비의 정보를 저장한다. 제어부(50)의 알고리즘은 구강스캐너(21)의 실시간 영상 보정, 인공지능 기반 덴탈CT(23)의 영상 분할ㆍ통합, 임플란트 식립 영역 추출, 터치스크린(28)의 모니터링 영상 처리, 햅틱가이드(48)와 연계된 충돌 검출 등을 포함한다.
이때, 제어부(50)는 도구부(10), 진단부(20), 수술로봇(30), 말단로봇(40)과 연계하여 네비게이션모듈(55)로 수술 항법을 구현한다. 마커트레커(25)와 네비게이션모듈(55)의 연계에 의하면 환자의 구강에 대한 본을 뜨는 과정이 생략된다. 즉, 제로 셋업에 의하여 준비시간이 단축되므로 수술 효율성 증대가 가능하다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부(50)는 진단부(20)의 3차원 및 단층 영상 신호를 정합하고 터치스크린(28)에 증강현실 영상으로 표시하는 것을 특징으로 한다. 제어부(50)는 네비게이션모듈(55)과 연계하여 수술장 공간, 진단부(20), 수술로봇(30), 말단로봇(40) 등의 신호를 정합한다. 수술 중 CT 영상 표시와 동시에 증강현실 영상을 동시에 오버레이(overlay)로 표시하기 위해 고속 시각화 처리 알고리즘이 사용된다. 구강스캐너(21) 및 덴탈CT(23)의 정합을 거쳐 터치스크린(28)으로 표시되는 증강현실 영상은 수술 준비, 수술 모니터링, 수술 시뮬레이션의 효율성을 높인다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부(50)는 수술계획, 수술항법, 훈련 시뮬레이션, 딥러닝을 처리하기 위한 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 한다. 수술계획 알고리즘은 특정 환자에 대한 수술시간을 축소하고 최적 수술을 통하여 후유증을 감소한다. 수술항법 알고리즘은 인공지능 기반으로서 영상 계획, 제로 셋업, 수술 모니터링, 임플란트 프로세스, 응급상황 감지 등 수술 전반에 걸쳐 연계된다. 훈련 시뮬레이션 알고리즘은 서버의 정보, 증강현실 영상 등을 기반으로 교육용으로 활용된다. 딥러닝 알고리즘은 구강의 각 조직 분할에 적합한 네트워크 분석 및 설계에 활용된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어부(50)는 교체 가능한 인공치를 장착한 인체모형팬텀(57)과 연계하기 위한 제어 알고리즘을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 인체모형팬텀(57)은 혀 및 두경부의 움직임을 구현하고 임플란트 식립시 촉감과 치은조직부분의 질감도 구현한다. 제어부(50)의 네비게이션모듈(55)은 인체모형팬텀(57)과 연계된다. 로봇과 시술자의 협동 수술 시 물리적인 인체모형팬텀(57)을 대상으로 하는 모의 수술이 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 도구부 11: 개구기
13: 마우스피스 15: 광학마커
20: 진단부 21: 구강스캐너
23: 덴탈CT 25: 마커트레커
28: 터치스크린 30: 수술로봇
32: 구동모듈 34: 엔드이펙터
36: 컨트롤러 40: 말단로봇
42: 구동모듈 44: 병렬링크
46: 핸드피스 48: 헵틱가이드
50: 제어부 51: 인터페이스
53: 통신모듈 55: 네비게이션모듈
57: 인체모형팬텀

Claims (9)

  1. 치과 임플란트 수술을 보조하기 위한 로봇시스템에 있어서:
    구강 투입용 마우스피스(13)에 광학마커(15)를 갖춘 도구부(10);
    광학마커(15)에 대응하는 마커트레커(25)를 구비하고, 구강 영상을 획득하여 디스플레이하는 진단부(20);
    구동모듈(32)을 통하여 엔드이펙터(34)의 다축운동을 유발하는 수술로봇(30);
    상기 수술로봇(30)의 엔드이펙터(34)에 탑재 가능하도록 형성되고, 구동모듈(42)을 통하여 핸드피스(46)의 다축운동을 유발하는 말단로봇(40); 및
    임플란트 수술을 보조하도록 설정된 알고리즘을 실행하는 제어부(50);를 포함하되,
    상기 제어부(50)는 교체 가능한 인공치를 장착한 인체모형팬텀(57)과 연계하기 위한 제어 알고리즘을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도구부(10)는 전동력으로 구강 개폐를 실행하는 개구기(11)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부(20)는 구강스캐너(21)로 구강의 3차원 영상을 획득하고 덴탈CT(23)로 구강의 단층 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수술로봇(30)은 외장 배선이 없는 중공형 구동모듈(32)을 각 관절에 탑재하고, 컨트롤러(36)와 연계하여 이더캣(EtherCAT) 기반의 실시간 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 말단로봇(40)은 구동모듈(42)과 핸드피스(46) 사이에 병렬링크(44)를 개재하여 병렬메카니즘을 구현하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 말단로봇(40)은 환자의 움직임에 대응하기 위한 헵틱가이드(48)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(50)는 진단부(20)의 3차원 및 단층 영상 신호를 정합하고 터치스크린(28)에 증강현실 영상으로 표시하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(50)는 수술계획, 수술항법, 훈련 시뮬레이션, 딥러닝을 처리하기 위한 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 하는 치과 임플란트 수술 보조용 로봇시스템.
  9. 삭제
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