KR102523398B1 - 시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법 - Google Patents

시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 시술용 네비게이션 장치는, 복수의 제1 관절부 및 사용자 머리와 상대적 위치가 고정되는 머리 고정부를 포함하는 머리 지지 암(arm); 복수의 제2 관절부 및 상기 사용자 머리의 탐침 부위에 선택적으로 접촉하는 탐침 로드(rod)를 포함하는 포지셔닝 암; 및 상기 포지셔닝 암에 위치하고, 상기 머리 지지 암과 상기 포지셔닝 암의 상대적 위치에 기초하여 상기 탐침 부위에 대응하는 시술 부위에 시술하는 시술기를 포함한다.

Description

시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법{SURGICAL NAVIGATION DEVICE AND SURGICAL NAVIGATION METHOD}
본 발명은 시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법에 관한 것이다.
기존의 비침습 뇌자극의 경우, 전적으로 시술자의 경험에 의해 뇌자극 위치를 찾거나, 영상기반 뉴로네비게이션(Neuronavigation) 소프트웨어를 이용하여 뇌영상을 보면서 뇌자극 위치를 찾는다. 영상기반 뉴로네비게이션은, 환자 머리로부터 뇌 자극 위치를 파악하기 위해서, 적외선 마커 및 스테레오 카메라를 이용한다. 이렇게 찾아진 위치에 자극기를 위치시킨 후, 고정 암 등을 이용하여 고정하고, 뇌자극을 수행한다.
하지만 환자 머리를 완전히 고정시키는 경우 시술 대상인 환자가 불편함을 호소할 수 있고, 따라서 환자 머리의 움직임을 어느 정도 허용하면서 이를 추적할 수 있는 기술들이 개발되고 있다.
현재 사용되는 영상기반 뉴로네비게이션은 두 대의 카메라를 이용한 3차원 위치 추적 방식을 이용한다. 이러한 영상 방식의 경우, 다음과 같은 문제점이 있다. 환자와 카메라 간에 시야가 항상 확보되어야만 센싱이 가능하다. 만약 시야를 가리게 되면 추적이 불가능하여 센서 동작이 되지 않는다. 또한, 카메라의 위치에 따라 위치 추적값의 정확도가 달라진다. 카메라 광축과 수직인 방향으로는 정확도가 높지만, 광축 방향으로는 오차가 커서 카메라 위치에 따라 방향에 따른 정확도가 바뀐다. 정확도를 높이기 위해 고분해능의 센서 및 왜곡이 적은 렌즈를 사용해야하므로 시스템 비용이 많이 들게 된다.
특허문헌 1은 환자의 머리에 설치된 가속도 센서를 이용하여 시술 부위의 위치를 추적하는 방법을 제안하나, 가속도 센싱 자체의 오차뿐만 아니라 가속도를 두 번 적분하는 과정에서 오차가 더욱 커지므로 실제 의료목적으로 사용하기는 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2012-0111030호(2012.10.10)
해결하고자 하는 기술적 과제는 고가의 추적형 카메라를 구비하지 않고도 사용자 머리의 움직임을 추적하여 시술 부위에 정확히 포지셔닝할 수 있는 시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 장치는, 복수의 제1 관절부 및 사용자 머리와 상대적 위치가 고정되는 머리 고정부를 포함하는 머리 지지 암(arm); 복수의 제2 관절부 및 상기 사용자 머리의 탐침 부위에 선택적으로 접촉하는 탐침 로드(rod)를 포함하는 포지셔닝 암; 및 상기 포지셔닝 암에 위치하고, 상기 머리 지지 암과 상기 포지셔닝 암의 상대적 위치에 기초하여 상기 탐침 부위에 대응하는 시술 부위에 시술하는 시술기를 포함한다.
상기 머리 지지 암은 상기 복수의 제1 관절부의 변화 각도를 측정하는 복수의 제1 엔코더 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 포지셔닝 암은 상기 복수의 제2 관절부의 변화 각도를 측정하는 복수의 제2 엔코더 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 시술용 네비게이션 장치는 상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 초기 위치를 저장하고, 상기 복수의 제2 엔코더 센서를 이용하여 상기 포지셔닝 암에 대한 상기 탐침 부위의 초기 위치를 저장할 수 있다.
상기 시술용 네비게이션 장치는 상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 변화 위치를 저장하고, 상기 사용자 머리의 초기 위치 및 상기 사용자 머리의 변화 위치의 차이에 기초하여 상기 복수의 제2 관절부의 각도를 조절함으로써, 상기 시술 부위의 변화 위치에 대응하도록 상기 시술기를 이동시킬 수 있다.
상기 시술 부위는 사용자 뇌이고, 상기 탐침 부위 및 상기 사용자 뇌의 상대적 위치는 미리 촬영된 MRI 영상 정보에 기초할 수 있다.
상기 머리 지지 암은 상기 복수의 제1 관절부에 대응하는 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 방법은, 머리 지지 암에 포함된 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 사용자 머리의 초기 위치를 저장하는 단계; 포지셔닝 암에 포함된 복수의 제2 엔코더 센서 및 탐침 로드를 이용하여 상기 사용자 머리의 탐침 부위의 초기 위치를 저장하는 단계; 상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 변화 위치를 저장하는 단계; 및 상기 사용자 머리의 초기 위치 및 상기 사용자 머리의 변화 위치의 차이에 기초하여, 상기 탐침 부위의 변화 위치에 대응하도록 상기 포지셔닝 암을 조절하는 단계를 포함한다.
상기 시술용 네비게이션 방법은, 상기 탐침 부위 및 시술 부위의 상대적 위치에 기초하여, 상기 포지셔닝 암에 위치한 시술기를 이용함으로써 상기 시술 부위를 시술하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 시술 부위는 사용자 뇌이고, 상기 시술용 네비게이션 방법은 상기 탐침 부위 및 상기 사용자 뇌에 대한 MRI 영상 정보를 미리 촬영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시술용 네비게이션 장치 및 시술용 네비게이션 방법은 고가의 추적형 카메라를 구비하지 않고도 사용자 머리의 움직임을 추적하여 시술 부위에 정확히 포지셔닝할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 장치의 한 시점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 장치의 다음 시점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 따라서 앞서 설명한 참조 부호는 다른 도면에서도 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 과장되게 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 장치의 한 시점을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면 본 발명의 한 실시예인 시술용 네비게이션 장치(10)는 머리 지지 암(100) 및 포지셔닝 암(200)을 포함한다. 도 1 및 2의 시점에서 포지셔닝 암(200)의 단부에는 탐침 로드(240)가 위치할 수 있다. 탐침 로드(240)는 제2 관절부(230)에 연결될 수 있다.
머리 지지 암(arm)(100)은 복수의 제1 관절부(110, 120, 130) 및 사용자 머리와 상대적 위치가 고정되는 머리 고정부(140)를 포함할 수 있다. 머리 고정부(140)는 머리띠 등의 고정 부재를 이용하여 사용자 머리와 상대적 위치가 바뀌지 않도록 사용자 머리에 고정되어야 하나, 사용자는 복수의 제1 관절부(110, 120, 130) 및 후술하는 탄성 부재(111, 121, 131)를 통하여 머리의 움직임이 어느 정도 보장되므로, 큰 불편함은 느끼지 않는다. 본 실시예에서 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)가 3개가 도시되어 있으나, 적용 제품의 관절 자유도에 따라 제1 관절부의 개수 및 위치는 자유롭게 구성될 수 있다.
복수의 제1 관절부(110, 120, 130) 각각은 적어도 하나 이상의 자유도를 가지도록 구성될 수 있다. 간단하게는 자유도에 따라 모터의 개수가 일대일 결정될 수도 있으나, 다양한 기어 구조가 채용됨에 따라 자유도와 모터의 개수는 서로 달라질 수 있다.
머리 지지 암(100)은 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)의 변화 각도를 측정하는 복수의 제1 엔코더 센서를 더 포함할 수 있다.
엔코더 센서(encoder sensor)는 대상 축의 변화 각도를 측정하기 위한 센서로서, 동일한 기능을 수행할 수 있다면 다른 센서를 채용할 수 있으며, 다른 명칭으로 호칭될 수도 있다.
복수의 제1 엔코더 센서는 대응하는 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 특정 제1 엔코더 센서는 제1 관절부(110)를 구성하는 특정 모터에 위치하여, 특정 모터의 회전 수에 따라 펄스 신호를 출력함으로써 대상 제1 관절부(110)가 대상 축으로 몇 도만큼 기울어졌는 지 알릴 수 있다. 따라서 간단하게는 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)에 위치하는 모터의 개수에 따라 제1 엔코더 센서의 개수가 정해질 수도 있으나, 다양한 기어 구조의 채용으로 모터의 개수 및 제1 엔코더 센서의 개수는 서로 달라질 수 있다.
포지셔닝 암(200)은 복수의 제2 관절부(210, 220, 230) 및 사용자 머리의 탐침 부위에 선택적으로 접촉하는 탐침 로드(rod)(240)를 포함할 수 있다. 포지셔닝 암(200)은 복수의 제2 관절부(210, 220, 230)의 변화 각도를 측정하는 복수의 제2 엔코더 센서를 더 포함할 수 있다.
복수의 제2 관절부(210, 220, 230)는 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)의 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있으므로 중복된 설명은 생략한다. 또한 복수의 제2 엔코더 센서는 복수의 제1 엔코더 센서와 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있으므로 중복된 설명은 생략한다.
탐침 로드(240)는 고정된 길이를 갖는 막대형 부재로서, 시술자에 의해 또는 자동화 시스템에 의해 선택적으로 탐침 부위(21, 22, 23)에 접촉한다. 예를 들어, 탐침 로드(240)가 탐침 부위(21)에 접촉한 경우, 그 시점의 복수의 제2 엔코더 센서의 센싱 값을 이용하여 탐침 부위(21)의 위치를 알 수 있다. 이에 대해서는 보다 자세히 후술한다.
시술용 네비게이션 장치(10)는 내재된 제어기(controller)를 포함하거나 외부 제어기를 이용할 수 있다. 제어기는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 제어기는 복수의 제1 엔코더 센서 및 복수의 제2 엔코더 센서로 측정된 변화 각도를 수신하고, 이를 기초로 사용자 머리의 초기 위치 및 탐침 부위(21, 22, 23, 24)의 초기 위치를 저장할 수 있다.
예를 들어 제어기는, 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 머리 지지 암(100)에 대한 사용자 머리의 초기 위치를 저장할 수 있다. 즉, 머리 지지 암(100)의 단부가 고정된 위치(110)로부터 머리 고정부(140)까지의 상대적 좌표는, 구성요소 암들의 길이 및 복수의 제1 엔코더 센서로부터 측정된 각도를 이용하여 도출될 수 있다.
유사하게 제어기는, 복수의 제2 엔코더 센서를 이용하여 포지셔닝 암(200)에 대한 탐침 부위(21, 22, 23, 24)의 초기 위치를 저장할 수 있다. 예를 들어, 시술자가 탐침 로드(240)를 탐침 부위(21)에 접촉시킨 경우, 포지셔닝 암(200)의 단부가 고정된 위치(210)로부터 탐침 부위(21)까지의 상대적 좌표는, 구성요소 암들의 길이, 탐침 로드(240)의 길이, 및 복수의 제2 엔코더 센서로부터 측정된 각도를 이용하여 도출될 수 있다.
시술자는 탐침 로드(240)의 말단을 탐침 부위(21)에 접촉시켜 탐침 부위(21)에 대한 초기 위치가 저장이 끝난 경우, 탐침 로드(240)의 말단을 탐침 부위(22)에 접촉시킬 수 있다. 또한 시술자는 탐침 부위(22)에 대한 초기 위치의 저장이 끝난 경우, 탐침 로드(240)의 말단을 탐침 부위(23)로 이동시켜 접촉시킬 수 있다. 유사하게, 탐침 부위(23)에 대한 초기 위치의 저장이 끝난 경우, 탐침 로드(240)의 말단을 탐침 부위(24)로 이동시켜 접촉시킬 수 있다. 탐침 부위(21, 22, 23, 24)의 개수는 문제되지 않으며, 모든 탐침 부위(21, 22, 23, 24)에 대한 초기 위치 저장이 끝난 경우, 시술자는 탐침 로드(240)를 포지셔닝 암(200)으로부터 제거하거나 접어서 비사용상태로 할 수 있다. 또한 탐침 부위(21, 22, 23, 24)에 마커가 잔존하는 경우, 다음 시점부터 마커를 사용하지 않으므로 마커를 제거할 수도 있다.
도 1 및 2 시점에서 사용자 머리의 초기 위치 및 탐침 부위(21, 22, 23, 24)의 초기 위치가 성공적으로 저장된 경우, 도 3 및 4에 따른 다음 시점으로 시술 단계가 진행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시술용 네비게이션 장치의 다음 시점을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 및 4의 시술용 네비게이션 장치(10)는 도 1 및 2의 경우와 같이 머리 지지 암(100) 및 포지셔닝 암(200)을 포함한다. 다만, 도 3 및 4의 시점에서는 탐침 로드(240)를 대체하여 시술기(250)가 포지셔닝 암(200)의 단부에 위치할 수 있다.
탐침 로드(240)는, 전술된 바와 같이, 사용자 머리의 탐침 부위(21, 22, 23, 24)에 선택적으로 접촉되어 포지셔닝 암(200)에 대한 탐침 부위(21, 22, 23, 24)의 초기 위치가 저장되었으면 그 역할은 종료된다. 역할이 종료된 탐침 로드(240)는, 실시예에 따라, 탈부착형(detachable type)인 경우 포지셔닝 암(200)으로부터 제거될 수도 있고, 힌지형(hinge type)인 경우 접혀 더 이상 사용되지 않을 수 있다. 탐침 로드(240)는 이외에도 제품에 따라 다른 구조로 포지셔닝 암(200)에 위치가능하다.
시술기(250)는 포지셔닝 암(200)에 위치하고, 머리 지지 암(100)과 포지셔닝 암(200)의 상대적 위치에 기초하여 탐침 부위(21, 22, 23, 24)에 대응하는 시술 부위(30)에 시술할 수 있다. 시술기(250) 또한 실시예에 따라 탈부착형, 힌지형 또는 다른 구조로 포지셔닝 암(200)에 위치할 수 있으며, 그 구조는 실제 적용될 제품에 따라 결정될 수 있다.
시술기(250)의 종류는 다양할 수 있으나, 본 실시예에서는 비침습적 TMS(Transcranial Magnetic Stimulation) 뇌자극기인 경우를 가정하여 설명한다. 이러한 경우 시술 부위(30)는 사용자 뇌일 수 있고, 탐침 부위(21, 22, 23) 및 사용자 뇌의 상대적 위치는 미리 촬영된 MRI 영상 정보에 기초할 수 있다. 시술기(250) 및 시술 부위(30)는 적용 제품에 따라 달라질 수 있다.
사용자 머리는 시간이 지남에 따라 환자의 신체적 또는 정신적 이유로 그 위치가 변화할 수 있다.
제어기는 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 머리 지지 암(100)에 대한 사용자 머리의 변화 위치를 저장할 수 있다. 즉, 사용자 머리는 위치 변화하더라도 머리 고정부(140)와는 그 상대적 위치가 고정되어 있으므로, 복수의 제1 엔코더 센서의 변화 각도 측정에 따라 사용자 머리의 변화 위치를 결정 및 저장가능하다.
제어기는 사용자 머리의 초기 위치 및 사용자 머리의 변화 위치의 차이에 기초하여 복수의 제2 관절부(210, 220, 230)의 각도를 조절함으로써, 시술 부위(30)의 변화 위치에 대응하도록 시술기(250)를 이동시킬 수 있다. 즉, 제어기는 복수의 제2 관절부(210, 220, 230) 각각에 위치한 모터를 구동시켜 그 관절 각도를 조절할 수 있다.
따라서 본 실시예의 시술용 네비게이션 장치(10)에 따르면, 환자의 불편함에 따라 사용자 머리(환자 머리)가 위치 변화하더라도, 고가의 추적형 카메라를 구비하지 않고도 사용자 머리의 움직임을 추적하여 시술 부위(30)에 정확히 포지셔닝할 수 있다.
또한 본 실시예의 시술용 네비게이션 장치(10)에 따르면, 기존의 카메라 광축 방향을 포함하여 모든 방향에 대해 균일한 정확도를 갖는 장점이 있다.
또한, 실시예에 따라, 시술용 네비게이션 장치(10)의 머리 지지 암(100)은 복수의 제1 관절부(110, 120, 130)에 대응하는 탄성 부재(111, 121, 131)를 더 포함할 수 있다. 탄성 부재(111, 121, 131)는 사용자가 자신의 머리를 좀더 편안히 지지할 수 있도록 도움을 준다. 탄성 부재(111, 121, 131)로는 스프링 등의 부재가 선택될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 시술용 네비게이션 장치
100: 머리 지지 암
200: 포지셔닝 암

Claims (10)

  1. 복수의 제1 관절부 및 사용자 머리와 상대적 위치가 고정되는 머리 고정부를 포함하는 머리 지지 암(arm);
    복수의 제2 관절부 및 상기 사용자 머리의 탐침 부위에 선택적으로 접촉하는 탐침 로드(rod)를 포함하는 포지셔닝 암; 및
    상기 포지셔닝 암에 위치하고, 상기 머리 지지 암과 상기 포지셔닝 암의 상대적 위치에 기초하여 상기 탐침 부위에 대응하는 시술 부위에 시술하는 시술기를 포함하는
    시술용 네비게이션 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 머리 지지 암은 상기 복수의 제1 관절부의 변화 각도를 측정하는 복수의 제1 엔코더 센서를 더 포함하는,
    시술용 네비게이션 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 포지셔닝 암은 상기 복수의 제2 관절부의 변화 각도를 측정하는 복수의 제2 엔코더 센서를 더 포함하는,
    시술용 네비게이션 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 초기 위치를 저장하고,
    상기 복수의 제2 엔코더 센서를 이용하여 상기 포지셔닝 암에 대한 상기 탐침 부위의 초기 위치를 저장하는
    시술용 네비게이션 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 변화 위치를 저장하고,
    상기 사용자 머리의 초기 위치 및 상기 사용자 머리의 변화 위치의 차이에 기초하여 상기 복수의 제2 관절부의 각도를 조절함으로써, 상기 시술 부위의 변화 위치에 대응하도록 상기 시술기를 이동시키는
    시술용 네비게이션 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 시술 부위는 사용자 뇌이고,
    상기 탐침 부위 및 상기 사용자 뇌의 상대적 위치는 미리 촬영된 MRI 영상 정보에 기초하는,
    시술용 네비게이션 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 머리 지지 암은 상기 복수의 제1 관절부에 대응하는 탄성 부재를 더 포함하는
    시술용 네비게이션 장치.
  8. 머리 지지 암에 포함된 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 사용자 머리의 초기 위치를 저장하는 단계;
    포지셔닝 암에 포함된 복수의 제2 엔코더 센서 및 탐침 로드를 이용하여 상기 사용자 머리의 탐침 부위의 초기 위치를 저장하는 단계;
    상기 복수의 제1 엔코더 센서를 이용하여 상기 머리 지지 암에 대한 상기 사용자 머리의 변화 위치를 저장하는 단계; 및
    상기 사용자 머리의 초기 위치 및 상기 사용자 머리의 변화 위치의 차이에 기초하여, 상기 탐침 부위의 변화 위치에 대응하도록 상기 포지셔닝 암을 조절하는 단계를 포함하는
    시술용 네비게이션 방법.
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