KR102414213B1

KR102414213B1 - 인공관절수술 시뮬레이션 시스템

Info

Publication number: KR102414213B1
Application number: KR1020210109392A
Authority: KR
Inventors: 류홍종; 최요철; 김준영; 박수완; 주일원
Original assignee: (주)리얼디멘션; 주식회사 홀로웍스
Priority date: 2021-08-19
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2022-06-30

Abstract

본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템은, 인공골격체가 구비된 인체모형과, 상기 인공골격체에 대하여 가상의 수술조작을 수행하기 위한 모의수술기구와, 상기 모의수술기구의 움직임과, 이에 따른 인공골격체의 반응을 파악하여 AR 데이터로 구성하는 AR 데이터 구성수단과, 상기 AR 데이터를 이용하여 AR 영상을 디스플레이하는 AR 영상 디스플레이 수단을 포함하여 이루어진다.
상기 인공골격체는 글레노이드를 갖는 견갑골과, 상기 견갑골의 글레노이드에 대응되는 헤드를 갖는 상완골을 포함하여 이루어지고, 상기 견갑골은 글레노이드에 가해지는 압력에 의해 변위 되도록 이루어지고, 상기 상완골은 헤드에 가해지는 압력에 의해 변위되도록 이루어진다.
본 발명에 의한 인공관절수술 시뮬레이션 시스템은 상기 글레노이드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 글레노이드에 가해지는 압력에 의한 견갑골의 변위를 감지하는 EM 센서와, 상기 헤드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 헤드에 가해지는 압력에 의한 상완골의 변위를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.
상기 모의수술기구는 글레노이드를 가상으로 리밍하기 위한 리밍툴과, 헤드를 가상으로 커팅하기 위한 커팅툴과, 헤드에 가상으로 스템을 인서트하기 위한 스템툴을 포함하여 이루어진다.
상기 리밍툴은 본체와, 이에 내장된 구동모터에 의해 회전되는 리밍팁과, 리밍팁의 위치 및 각도 변화를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.
상기 커팅툴은 본체와, 직선왕복 이동 가능하게 상기 본체에 구비된 커팅팁과, 커팅팁에 진동을 인가하는 진동드럼와, 상기 커팅팁의 위치변화를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.
상기 스템툴은 본체와, 본체내로 인서트 되도록 구성된 스템과, 상기 스템의 인서트 정도를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.
상기 AR 데이터 구성수단은 EM 트랜스미터와, AR 카메라를 포함하여 이루어진다.
상기 마운팅데크는 상면 일부가 개방된 형태의 하우징과, 상기 하우징 내에 구비되어 수평회전 및 높이변동 가능하게 구성된 회전반과, 상기 회전반을 좌우로 회전시키는 모터와, 상기 회전반을 상하로 움직이는 리프링 액츄에이터를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의한 인공관절수술 시뮬레이션 시스템에 따르면, 인체모형과 리밍툴, 커팅툴, 스템툴을 이용하여 가상의 리밍과정, 커팅과정, 스템 인서트과정을 진행할 수 있으며, 그 과정에서 AR 영상을 이용하여 보다 정밀한 수술 시뮬레이션을 구현할 수 있게 된다.
따라서, 실제 수술에 앞서 보다 많은 경험을 쌓을 수 있게 됨으로써 수술결과의 성공확률을 높일 수 있게 된다.

Description

인공관절수술 시뮬레이션 시스템{Artificial joint implant surgery simulation system}

본 발명은 인공관절수술 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실제 수술에 앞서 다양한 모의수술방법을 연습함으로써 고난도의 수술경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하여 실제 수술에서 성공확률을 높일 수 있도록 하는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템을 제공하는 것이다.

인체의 어깨관절은 상완골(humerus)의 상완골 헤드(humeral head)와, 견갑골(scapula)의 글레노이드(glenoid)가 형합되어 상호 작용하는 구상관절(ball and socket joint)을 이루고 있다.

인공어깨관절(Artificial Shoulder Joint) 수술은 관절염과 같은 질병이나, 외상 등에 의해 어깨관절이 제기능을 상실하였을때 파괴된 관절을 대치할 수 있는 임플란트를 이식하여 정상적인 어깨관절의 기능을 수행할 수 있도록 하는 것이다.

인공어깨관절 수술에 사용되는 임플란트는, 견갑골(Scapula)에 결합되는 인공 글레노이드(Glenoid), 인공 글레노이드의 관절면에 접촉하여 운동하는 인공 상완골 헤드(Humeral Head), 상완골(Humerus)에 이식되고 인공 상완골헤드(Humeral Head)가 삽입 결합되는 상완골 인서트스템(insert stem) 등 으로 구성된다.
인공어깨관절 수술에서 중요한 점은 사람마다 상완골에 헤드가 결합되는 위치와 구조가 인체해부학적으로 각각 다르기 때문에 이러한 개개인의 차이점을 정확히 파악하는 것이다.
따라서, 수술을 담당하는 의료진은 인공관절 수술시에 이와 같은 환자 개개인의 해부학적인 구조차이를 잘 이해하고 반영할 수 있어야 하며, 이에 대한 이해가 부족하면 견갑골에 삽입된 글레노이드와 스템에 삽입결합된 헤드 사이의 관절면이 서로 어긋나 부자연스러운 곡면접촉을 하게 되고 그 결과 환자에게 고통과 불편함을 유발하게 된다.
일반적으로 수술은 CBCT(Cone Beam Computed Tomography, 전산화 단층촬영) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상) 등으로 준비된 2D 단층 이미지 데이터를 보면서 이루어져, 의료진이 입체적 골두를 이해하기 어렵다.
또한, 3D 스캐닝 장비를 이용한다 하더라도 단순히 환자의 입체적 골체를 보는 것에 그칠 뿐, 실제 수술시에 발생할 수 있는 여러 가지 변수를 미리 예상하기는 쉽지 않으며, 결과적으로 수술을 진행하는 의료진의 숙련도 등에 수술 결과가 좌우될 수밖에 없다.
그러므로 인공어깨관절 수술을 시행하기 전, 의료진이 환자 맞춤형 인공어깨관절 모의수술을 수행할 수 있다면, 특히 모의수술을 반복하여 수행하거나 모의수술 수행하는 과정에서 다양한 수술방법을 시도해보고 결과를 비교해볼 수 있다면 상기와 같은 다양한 문제점을 해결할 수 있을 것이다.

삭제

따라서, 본원발명은, 의료진이 다양한 수술방법을 시도하여 최적의 환자 맞춤형 수술방법을 찾아낼 수 있도록 하는 인공관절 수술시뮬레이션 시스템을 제공하기 위한 것이다.

서울특별시 서울산업진흥원 2020년도 바이오·의료 기술사업화 지원사업(BT200100) "수술기구 실감형 정형외과 견관절전치환술 AR 수술훈련 시뮬레이터 및 AI평가 /코칭시스템 개발"을 통해 개발된 기술이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인공골격체와 모의수술기구를 사용하여 실제와 유사한 모의수술이 가능토록 함과 동시에 모의수술과정에서 AR 영상을 활용하여 수술의 정밀도를 높일 수 있는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 해결하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템은, 수술대상 신체부위와 동일한 형태의 인공골격체가 구비된 인체모형과, 상기 인공골격체에 대하여 모의수술조작을 수행하기 위한 모의수술기구와, 상기 모의수술기구의 움직임과, 이에 따른 인공골격체의 반응을 파악하여 AR 데이터로 구성하는 AR 데이터 구성수단과, 상기 AR 데이터 구성수단에 의해 구성된 AR 데이터를 이용하여 AR 영상을 디스플레이하는 AR 영상 디스플레이 수단를 포함하여 이루어진다.

상기 인공골격체는 글레노이드를 갖는 견갑골과, 상기 견갑골의 글레노이드에 대응되는 헤드를 갖는 상완골을 포함하여 이루어지고, 상기 견갑골은 글레노이드에 가해지는 압력에 의해 변위 되도록 이루어지고, 상기 상완골은 헤드에 가해지는 압력에 의해 변위되도록 이루어진다.

또한 본 발명에 의한 인공관절수술 시뮬레이션 시스템은 상기 글레노이드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 글레노이드에 가해지는 압력에 의한 견갑골의 변위를 감지하는 EM 센서와, 상기 헤드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 헤드에 가해지는 압력에 의한 상완골의 변위를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.

상기 모의수술기구는 상기 글레노이드를 리밍(reaming) 하기 위한 리밍툴(reaming tool)과, 상기 헤드를 커팅(cutting) 하기 위한 커팅툴(cutting tool)과, 상기 헤드에 스템을 인서트(insert) 하기 위한 스템툴(stem tool)을 포함하여 이루어진다.

상기 리밍툴은 스위치가 구비된 본체와, 상기 본체에 내장된 구동모터와, 상기 구동모터와 연결된 회전축의 선단에 구비되는 리밍팁(reaming tip)과, 상기 리밍팁의 위치 및 각도 변화를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.

상기 커팅툴은 스위치가 구비된 본체와, 탄성적인 저항압력을 받으면서 직선왕복 이동 가능하게 상기 본체에 구비된 커팅팁과, 상기 커팅팁에 진동을 인가하는 진동소자와, 상기 커팅팁의 위치변화를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어지는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템.

상기 스템툴은 본체와, 일정한 저항을 받으면서 본체내로 인서트 되도록 구성된 스템과, 상기 스템의 인서트 정도를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.

상기 AR 데이터 구성수단은 상기 리밍툴과 커팅툴 및 스템툴의 EM 센서에서 송출되는 신호를 감지하는 EM 트랜스미터와, 상기 깊이정보(z-depth) 가 포함된 영상을 촬영하는 AR 카메라와, 상기 EM 트랜스미터와 AR 카메라에 의해 획득된 데이터를 처리하는 연산장치를 포함하여 이루어진다.

상기 AR 영상 디스플레이 수단은 사용자가 착용하는 AR 고글 또는 모니터로 구성된다.

상기 인체모형은 상기 인공골격체를 부분적으로 감싸는 인공피부체를 포함하여 이루어진다.

상기 인체모형이 좌우방향각 및 상하높이의 조절이 가능토록 안착되는 마운팅데크를 포함하여 이루어진다.

상기 마운팅데크는 상면 일부가 개방된 형태의 하우징과, 상기 하우징 내에 구비되어 수평회전 및 높이변동 가능하게 구성된 회전반과, 상기 회전반을 좌우로 회전시키는 모터와, 상기 회전반을 상하로 움직이는 리프링 액츄에이터를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 의한 인공관절수술 시뮬레이션 시스템에 따르면, 인체모형과 리밍툴, 커팅툴, 스템툴을 이용하여 모의 리밍과정, 커팅과정, 스템 인서트과정을 진행할 수 있으며, 그 과정에서 AR 영상을 이용하여 보다 정밀한 수술 시뮬레이션을 구현할 수 있게 된다.

따라서, 실제 수술에 앞서 보다 많은 경험을 쌓을 수 있게 됨으로써 수술결과의 성공확률을 높일 수 있게 된다.

도 1: 본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면
도 2: 본 발명에 적용되는 인체모형의 구성을 나타낸 도면
도 3: 본 발명에 적용되는 인체모형의 인공골격체의 구성을 나타낸 도면
도 4: 본 발명에 적용되는 리밍툴을 나타낸 도면
도 5: 본 발명에 적용되는 커팅툴을 나타낸 도면
도 6: 본 발명에 적용되는 스템툴을 나타낸 도면
도 7: 본 발명에 적용되는 AR 모듈을 나타낸 도면
도 8: 본 발명에 있어서 리밍과정을 나타낸 도면
도 9: 본 발명에 있어서 커팅과정을 나타낸 도면
도 10: 본 발명에 있어서 인서트과정을 나타낸 도면
도 11: 본 발명에 따른 AR 영상을 나타낸 사진

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도 1 부터 도 11 을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조로 하여 본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템의 구성을 설명한다.

본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템은, 수술대상 신체부위와 동일한 형태의 인공골격체(10)가 구비된 인체모형(5)과, 상기 인공골격체(10)에 대하여 모의수술조작을 수행하기 위한 모의수술기구와, 상기 모의수술기구의 움직임과, 이에 따른 인공골격체(10)의 반응을 파악하여 AR 데이터로 구성하는 AR 데이터 구성수단과, 상기 AR 데이터 구성수단에 의해 구성된 AR 데이터를 이용하여 AR 영상을 디스플레이하는 AR 영상 디스플레이 수단를 포함하여 이루어진다.

상기 인공골격체(10)는 인체의 상반신에 해당되는 형태로서, 글레노이드(121)를 갖는 견갑골(12)과, 상기 견갑골(12)의 글레노이드(121)에 대응되는 헤드(141)를 갖는 상완골(14)을 포함하여 이루어진다.

상기 인체모형(5)은 상기 인공골격체(10)를 부분적으로 감싸고 수술 대상부위만이 드러나도록 하는 인공피부체(51)를 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 인공피부체(51)는 실리콘 재질로서, 실제 피부색과 유사한 색상으로 이루어짐으로써 인체모형(5)이 실제 인체와 유사한 외관을 형성토록 할 수 있다.

그리고, 상기 인공골격체(10)의 상기 견갑골(12)은 글레노이드(121)에 가해지는 압력에 의해 변위 되도록 이루어지고, 상기 상완골(14)은 헤드(141)에 가해지는 압력에 의해 변위되도록 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 견갑골(12)의 글레노이드(121)에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서(도면상 안보임)와, 상기 글레노이드(121)에 가해지는 압력에 의한 견갑골(12)의 변위를 감지하는 EM 센서(100)와, 상기 상완골(14)의 헤드(141)에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서(도면상 안보임)와, 상기 헤드(141)에 가해지는 압력에 의한 상완골(14)의 변위를 감지하는 EM 센서(110)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 글레노이드(121)에 가해지는 압력을 가해지는 압력센서로서는 플렉서블(flexible) 압력센서가 사용되는 것이 바람직하다.

플렉서블 압력센서는 주변 구성에 따라 유연한 형태 변형이 가능한 것으로서, 이에 따르면 굴곡면 등에 가해지는 압력분포를 보다 세분화하여 측정할 수 있기 때문에 후술된 바와 같이 리밍과정에서 리밍툴(20)의 리밍팁(24)에 의해 글레노이드(121)에 가해지는 압력정보를 보다 자세하고 세밀하게 파악할 수 있게 된다.

도 4 내지 도 6 을 참조로 하여 본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템에서 사용되는 모의수술기구에 대하여 설명한다.

상기 모의수술기구는 상기 글레노이드(121)를 가상으로 리밍(reaming) 하기 위한 리밍툴(reaming tool)(20)(도 4 참조))과, 상기 헤드(141)를 가상으로 커팅(cutting) 하기 위한 커팅툴(cutting tool)(30)(도 5 참조)과, 상기 헤드(141)에 가상으로 스템을 인서트(insert) 하기 위한 스템툴(stem tool)(40)(도 6 참조)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 도 4 에 나타난 것과 같이 상기 리밍툴(20)은, 작동스위치(221)가 구비된 본체(22)과, 상기 본체(22)에 내장된 구동모터와, 상기 구동모터와 연결된 회전축(222)의 선단에 구비되는 리밍팁(reaming tip)(24)과, 상기 리밍팁(24)의 위치 및 각도 변화를 감지하는 EM 센서(120)를 포함하여 이루어진다.

상기 리밍툴(20)의 본체(22)는 조작시의 안정성이 향상되도록 그립감을 높일 수 있는 핸드건 형태로 이루어지는 것이 바람직하고, 리밍팁(24)은, 글레노이드(121)를 절삭하여 그 표면을 평탄하게 만드는 실제수술에서의 리밍작업과 유사한 효과를 얻을 수 있도록 링형태로 이루어진다.

도 5 에 나타난 것과 같이 상기 커팅툴(30)은 작동스위치(321)가 구비된 본체(32)과, 탄성적인 저항압력을 받으면서 직선왕복 이동 가능하게 상기 본체(32)에 구비된 커팅팁(34)과, 상기 커팅팁(34)에 진동을 인가하는 진동드럼(36)과, 상기 커팅팁(34)의 위치변화를 감지하는 EM 센서를 포함하여 이루어진다.

상기 커팅팁(34)은 본체(32)에 인입가능하게 장착된 한쌍의 지지봉(341)에 의해 지지되고, 본체(32) 내에는 상기 지지봉(341)을 탄성적으로 받치는 스프링이 구비된다.

상기 진동드럼(36)은 상기 양 지지봉(341)과 근접한 위치에 구비되며, 그 내부에는 진동소자가 구비된다.

상기 커팅툴(30)의 본체(32) 역시 그립감의 향상을 위하여 핸드건 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 6 에 나타난 것과 같이 상기 스템툴(40)은, 막대형태의 본체(42)와, 일정한 저항을 받으면서 상기 본체(42)내로 인서트 되도록 구성된 스템(44)과, 상기 스템(44)의 인서트 정도를 감지하는 EM 센서(140)를 포함하여 이루어지며, 스템(44)의 선단에는 헤드(141)의 표면과 접촉되는 스템팁(441)이 구비될 수 있다.

도 7 을 참조로 하여 본 발명에 따른 상기 AR 데이터 구성수단에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 상기 AR 데이터 구성수단은, 상기 리밍툴(20)과 커팅툴(30) 및 스템툴(40)의 EM 센서(120)(130)(140)에서 송출되는 신호를 감지하는 EM 트랜스미터(52)와, 상기 깊이정보(z-depth) 가 포함된 영상을 촬영하는 AR 카메라(54)와, 상기 EM 트랜스미터(52)와 AR 카메라(54)에 의해 획득된 데이터를 처리하는 연산장치를 포함하여 이루어진다.

상기 AR 카메라(54)는 Z-Depth Buffer Map 방식을 이용하게 되는데, Z-Depth Buffer Map 방식은 촬영되는 영상을 Z-Depth 에 따라 여러 레이어(layer)로 분할하고 영상을 원하는 레이어에 끼워넣음으로써 최종적으로 합성된 영상이 실제와 유사하도록 하는 기술이다.

상기 EM 트랜스미터(52)와 AR 카메라(54)는 일체화된 형태의 AR 모듈(50)로 이루어질 수 있으며, 상기 AR 모듈(50)은 후술된 마운팅데크(60)에 연결된 링크아암(70)에 의해 지지되어 그 위치 및 각도가 조절되는 형태로 이루어질 수 있다.

상기 링크아암(70)(도 1 참조)은 다관절 구조로서, 위치 및 각도를 자유롭게 조절할 수 있도록 AR 모듈을 지지한다.

상기 AR 영상 디스플레이 수단은 모니터(80)(도 1 참조) 내지는 사용자가 착용하는 AR 고글이 될 수 있으며, 터치패널(90)(도 1 참조)과 같이 AR 영상 콘텐츠를 조절할 수 있는 조절수단을 더욱 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 인체모형(5)이 안착되는 마운팅데크(60)를 포함하여 이루어지는데, 상기 마운팅데크(60)는 좌우 방향각을 조절하는 이른바 스윙작동 및 상하높이를 조절하는 이른바 리프팅 작동이 가능토록 상기 인체모형(5)을 지지하게 된다.(도 1 참조)

상기 마운팅데크(60)는 상면 일부가 개방된 형태의 하우징(62)과, 상기 하우징(62) 내에 구비되어 수평회전 및 높이변동 가능하게 구성된 회전반과, 상기 회전반을 좌우로 회전시키는 모터와, 상기 회전반을 상하로 움직이는 리프링 액츄에이터를 포함하여 이루어진다.

상기 마운팅데크(60)의 하우징(62) 하부에는 좌우 스윙페달(66)이 구비되어, 사용자가 상기 좌우 스윙페달(66)을 선택적으로 발로 밟는 방식으로 조작함으로써 스윙작동이 이루어지고, 별도의 리프팅 스위치를 조작하여 리프팅 작동이 이루어지도록 구성된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 인공관절수술 시뮬레이션 시스템의 작용에 대하여 도 8 내지 도 10 을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서의 인공관절수술은 수술부위가 어깨관절인 경우를 예로 들어 설명한다.

우선, 어깨 인공관절수술의 하나로서 견갑골의 글레노이드에 인공헤드를 이식하고, 이에 대응되는 인공소켓을 상완골에 이식하는 방식을 예로 들 수 있는데, 이는 개략적으로 글레노이드에 인공헤드를 이식하기에 앞서 견갑골의 글레노이드를 평탄화하고(리밍과정), 인공소켓을 상완골에 이식하기에 앞서 상완골의 헤드의 일부를 커팅하고(커팅과정), 커팅된 헤드에 인공소켓을 지지하는 스템을 인서트하는(인서트 과정) 등으로 이루어진다.

본 발명에서는 이와 같은 리밍과정과 커팅과정 및 인서트 과정을 리밍툴(20)과 커팅툴(30) 및 스템툴(40)을 이용하여 가상으로 진행하게 된다.

1) 글레노이드 리밍과정(도 8 참조)

글레노이드(121)를 가상으로 리밍하는 과정에서는 상기 리밍툴(20)을 이용하게 되는데, 본체(22)를 들고 작동스위치(221)를 조작하여 리밍팁(24)이 회전되도록 한 상태에서, 리밍팁(24)을 견갑골(12)의 글레노이드(121)에 접하도록 한 다음, 글레노이드(121) 측으로 적절하게 압박하게 된다.

이때, 리밍팁(24)에 의해 글레노이드(121)에 가해지는 압력은 견갑골(12)에 구비된 압력센서에 의해 측정되며, 견갑골(12)의 변위는 견갑골(12)에 구비된 EM 센서(100)에 의해 측정되고, 리밍팁(24)의 변위와 접촉각도 변화는 리밍툴(20)에 구비된 EM 센서(120)에 의해 측정된다.

이와 같은 리밍과정에서 상기 견갑골(12)의 EM 센서(100)와, 리밍툴(20)의 EM 센서(120)에서 측정된 신호는 상기 AR 모듈(50)의 EM 트랜스미터(52)로 전달되며, 연산장치에서는 각 EM 센서(100)(120)에서 보내오는 신호를 종합적으로 처리하여 리밍팁(24)의 정확한 위치좌표를 연속적으로 트렉킹하게 되며, 더불어서 압력센서의 신호를 통하여 리밍의 정밀도를 파악하게 된다.

그리고, AR 카메라(54)에 의해서는 리밍과정이 촬영되며, 이에 따른 영상은 해당 수술을 시행함에 있어서 가이드 역할을 하는 수술용 AR 콘텐츠영상과 결합하여 AR 디스플레이 수단에 의해 표시된다.

여기서, 수술용 AR 컨텐츠 영상은, 수술을 시각적으로 가이드 하기 위해 수술부위에 중첩되어 표시되는 영상으로서, 예를 들면 CT, MRI 등의 수술전 검사영상 등을 기초로 하여 생성된 수술부위의 영상을 포함할 수 있고, 다양한 수술 관련 정보가 포함되어 표시될 수 있다.

따라서, 수술시행하는 의료진은 AR 디스플레이 장치를 통하여 표시되는 수술용 AR 컨텐츠 영상을 보면서 리밍과정을 시뮬레이션 학습할 수 있게 된다.

2) 헤드 커팅과정(도 9 참조)

상완골(14)의 헤드(141)를 가상으로 커팅하는 과정에서는 상기 커팅툴(30)을 사용하게 되는데, 본체(32)의 작동스위치(321)를 조작하여 진동드럼(36)에 의한 진동이 지지봉(341)을 통해 커팅팁(34)으로 전달되도록 한 상태에서 상완골(14)의 헤드(141)에 커팅팁(34)을 접하고 압박한다.

이와 같이 하면 지지봉(341)이 본체(32) 내의 스프링을 탄성적으로 압박하면서 본체 (32)내로 들어가게 되고, 커팅팁(34)은 본체(32) 측으로 이동하게 됨으로써, 실제수술에서 커팅팁(34)이 헤드(141)의 내부로 파고들어가는 것과 같은 효과가 발생하게 된다.

이때, 커팅팁(34)에 의해 상완골(14)의 헤드(141)에 가해지는 압력은 상완골(14)에 구비된 압력센서에 의해 측정되며, 헤드(141)의 변위는 상완골(14)에 구비된 EM 센서(110)에 의해 측정되며, 커팅팁(34)의 변위와 진입각도 변화는 커팅툴(30)에 구비된 EM 센서(130)에 의해 측정된다.

이와 같은 커팅과정에서 상기 상완골(14)의 EM 센서(110) 및 커팅툴(30)의 EM 센서(130)에 의해 측정된 신호는 상기 AR 모듈(50)의 EM 트랜스미터(52)로 전달되며, 연산장치에서는 이러한 신호들을 종합적으로 처리하여 리밍팁(24)의 정확한 위치좌표를 연속적으로 트렉킹하게 되며, 더불어서 압력센서의 신호를 통하여 커팅의 정밀도를 파악하게 된다.

그리고, AR 카메라(54)에 의해서는 커팅과정이 촬영되며, 이에 따른 영상은 해당 수술을 시행함에 있어서 가이드 역할을 하는 수술용 AR 콘텐츠영상과 결합하여 AR 디스플레이 수단에 의해 표시된다.

따라서, 수술을 시행하는 의료진은 AR 디스플레이 장치를 통하여 표시되는 수술용 AR 컨텐츠 영상을 보면서 커팅과정을 시뮬레이션 학습할 수 있게 된다.

3) 스템 인서트과정(도 10 참조)

상완골(14)의 커팅된 헤드(141) 표면으로부터 그 내부로 가상의 스템을 인서트하는 과정에서는 상기 스템툴(40)을 사용하게 된다.

스템 인서트 과정에서는 스템툴(40)의 스템(44)의 선단에 구비된 스템팁(441)이 헤드(141)의 표면에 접하도록 한 상태에서, 본체(42)의 후단을 해머(46)로 타격하여 스템(44)이 본체(42) 내로 인서트 되도록 하는데, 이때 스템(44)은 본체(42) 내에서 일정한 저항을 받고 있기 때문에, 해머(46)로 타격하는 작동에 의해서만 본체(42) 내로 인서트되며, 해머(46)에 의한 타격강도에 따라 인서트 되는 정도가 달라지게 된다.

따라서, 상기 스템(44)이 본체(42) 내로 인서트됨으로써, 실제수술에서 스템이 헤드(141)의 내부로 인서트되는 것과 같은 효과가 이루어지게 된다.

이때, 스템(44)이 본체내로 인서트되는 과정에서 상완골(14)의 헤드(141)에 가해지는 압력은 상완골(14)에 구비된 압력센서에 의해 측정되며, 헤드(141)의 변위 및 스템(44)의 인서트 정도는, 상완골(14)의 EM 센서(110) 및 스템툴(40)에 구비된 EM 센서(140)에 의해 측정된다.

상기 인서트 과정에서 상완골(14)의 EM 센서(110) 및 스템툴(40)의 EM 센서(140)에 의해 측정된 신호는 상기 AR 모듈(50)의 EM 트랜스미터(52)로 전달되며, 연산장치에서는 이러한 신호들을 종합적으로 처리하여 정확한 위치좌표를 연속적으로 트렉킹하게 되며, 더불어서 압력센서의 신호를 통하여 인서트 정밀도를 파악하게 된다.

그리고, AR 카메라(54)에 의해서는 스템의 인서트과정이 촬영되며, 이에 따른 영상은 해당 수술을 시행함에 있어서 가이드 역할을 하는 수술용 AR 콘텐츠영상과 결합하여 AR 디스플레이 수단에 의해 표시된다.

따라서, 수술을 시행하는 의료진은 AR 디스플레이 장치를 통하여 표시되는 수술용 AR 컨텐츠 영상을 보면서 커팅과정을 시뮬레이션 할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 의하면 상술한 바와 같은 리밍과정, 커팅과정, 스템 인서트 과정을 진행함에 있어서는 상기 마운팅데크(60)에 인체모형(5)이 안착된 구조상, 마운팅데크(60)를 조작하여 수술부위가 수술실습자의 위치 및 눈높이게 맞도록 인체모형(5)의 좌우방향각 및 상하높이를 조절할 수 있다.

즉, 상기 좌우 스윙페달(66)을 선택적으로 밟아서 인체모형(5)을 지지하고 있는 회전반이 모터에 의해 좌측 또는 우측으로 수평회전되는 스윙작동이 이루어지도록 하거나, 리프팅 스위치를 위 또는 아래로 조작하여 액츄에이터에 의해 회전반이 상방 또는 하방으로 움직이는 리프팅 작동이 이루어지도록 하게 된다.

또한, 상기 EM 트랜스미터(52)와, AR 카메라(54)가 일체화된 AR 모듈(50)이 링크아암(70)에 의해 위치 및 각도조절 가능하게 지지되는 구조상, EM 트랜스미터(52)와 AR 카메라(54)를 따로 움직일 필요가 없으며, AR 모듈(50)의 위치를 용이하게 조절함으로써, 각각의 모의수술과정에서 각 툴(20)(30)(40)의 변위 및 각도가 보다 정밀하게 트레킹될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 인체모형(5)과 리밍툴(20), 커팅툴(30), 스템툴(40)을 이용하여 가상의 리밍과정, 커팅과정, 스템 인서트과정을 진행할 수 있으며, 그 과정에서 AR 영상을 이용하여 보다 정밀한 수술 시뮬레이션을 구현할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에서는 어깨관절에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적요지가 어깨관절에 대하여 국한되는 것은 아니며, 실질적으로는 인공관절을 임플란트하는 모든 관절의 수술에 적용될 수 있음을 밝혀둔다.

5: 인체모형 10: 인공골격체
12: 견갑골 121: 글레노이드
14: 상완골 141: 헤드
20: 리밍툴 22: 본체 24: 리밍팁
30: 커팅툴 32: 본체
34: 커팅팁 36: 진동드럼
40: 스템툴 42: 본체
44: 스템 441: 스템팁
50: AR 모듈 52: EM 트랜스미터 54: AR 카메라
60: 마운팅데크 62: 하우징 64: 회전반
100, 110, 120, 130, 140: EM 센서

Claims

수술대상 신체부위와 동일한 형태의 인공골격체가 구비된 인체모형과,
상기 인공골격체에 대하여 모의수술조작을 수행하기 위한 모의수술기구와,
상기 모의수술기구의 움직임과, 이에 따른 인공골격체의 반응을 파악하여 AR 데이터로 구성하는 AR 데이터 구성수단과,
상기 AR 데이터 구성수단에 의해 구성된 AR 데이터를 이용하여 AR 영상을 디스플레이하는 AR 영상 디스플레이 수단을 포함하여 이루어지며,

상기 인공골격체는
글레노이드를 갖는 견갑골과,
상기 견갑골의 글레노이드에 대응되는 헤드를 갖는 상완골과,
상기 견갑골의 글레노이드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와,
상기 견갑골의 글레노이드에 가해지는 압력에 의한 견갑골의 변위를 감지하는 EM 센서와,
상기 상완골의 헤드에 가해지는 압력을 감지하는 압력센서와,
상기 상완골의 헤드에 가해지는 압력에 의한 상완골의 변위를 감지하는 EM 센서
를 포함하여 이루어지며,

상기 모의수술기구는
상기 글레노이드를 가상으로 리밍(reaming) 하기 위한 리밍툴(reaming tool)과,
상기 헤드를 가상으로 커팅(cutting) 하기 위한 커팅툴(cutting tool)과,
상기 헤드에 가상으로 스템을 인서트(insert) 하기 위한 스템툴(stem tool)
을 포함하여 이루어지며,

상기 리밍툴은
스위치가 구비된 본체와,
상기 본체에 내장된 구동모터와,
상기 구동모터와 연결된 회전축의 선단에 구비되는 리밍팁(reaming tip)과,
상기 리밍팁의 위치 및 각도 변화를 감지하는 EM 센서
를 포함하여 이루어지며,

상기 커팅툴은
스위치가 구비된 본체와,
상기 본체에 인입 가능하게 장착된 한쌍의 지지봉과,
상기 본체 내에서 상기 지지봉을 탄성적으로 받치는 스프링과,
상기 지지봉에 의해 지지됨으로써 탄성적인 저항압력을 받으면서 직선왕복 이동 되는 커팅팁과,
상기 커팅팁에 진동을 인가하는 진동소자와,
상기 커팅팁의 위치변화를 감지하는 EM 센서
를 포함하여 이루어지며,

상기 스템툴은
본체와,
일정한 저항을 받으면서 본체내로 인서트 되도록 구성된 스템과,
스템의 선단에 구비되는 스템팁과,
상기 스템의 인서트 정도를 감지하는 EM 센서
를 포함하여 이루어지는 것

을 특징으로 하는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템
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제 1 항에 있어서, 상기 인체모형은
상기 인공골격체를 부분적으로 감싸는 인공피부체를 포함하여 이루어지는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 인체모형이 좌우방향각 및 상하높이의 조절이 가능토록 안착되는 마운팅데크를 포함하여 이루어지는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 마운팅데크는
상면 일부가 개방된 형태의 하우징과,
상기 하우징 내에 구비되어 수평회전 및 높이변동 가능하게 구성된 회전반과,
상기 회전반을 좌우로 회전시키는 모터와,
상기 회전반을 상하로 움직이는 리프링 액츄에이터
를 포함하여 이루어지며,
상기 인체모형은 상기 회전반에 의해 지지되는 것
을 특징으로 하는 인공관절수술 시뮬레이션 시스템.