KR102594429B1 - 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법 - Google Patents

로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 방법은 객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계, 상기 3차원 이미지 상에서 상기 객체의 표면상에 관심영역(Region Of Interest, ROI)을 설정하는 단계, 상기 관심영역을 지나는 나선형(Spiral)의 가이드 경로(Guide Path)를 설정하는 단계 및 상기 가이드 경로에 대응하여 상기 객체의 표면에 레이저(Laser)를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법{Apparatus and Method For Laser Emitting using Robot-Arm}
본 발명은 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 치료 등의 목적을 위해 레이저빔을 피부에 조사하여 시술하는 다양한 레이저 치료 기법이 개발되고 있으며, 레이저 치료 기법의 이용을 위한 의료용 레이저 장치 역시 활발하게 연구되고 있다.
레이저를 이용한 치료 기법은 탈모 방지나 발모 촉진, 피부 박피, 피부 재생, 미백, 주름이나 반점 제거, 기미 제거 등 다양한 목적으로 사용되고 있다.
그러나 종래에는 레이저 치료 장치를 사용자, 예컨대 의사가 수동으로 조작하면서 치료를 수행하였다.
이에 따라, 치료의 정밀도가 저하됨으로써 치료의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
아울러, 종래에는 레이저 치료에 소요되는 시간이 과도하게 길다는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1015881호 (공고일자: 2011년 2월 23일)
본 발명은 레이저 장치가 자동으로 객체(환자)를 스캔하고, 스캔한 정보를 바탕으로 객체의 표면(환자의 피부)에 레이저를 조사하는 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 방법은 객체의 3차원 이미지를 구성하는 단계, 상기 3차원 이미지 상에서 상기 객체의 표면상에 관심영역(Region Of Interest, ROI)을 설정하는 단계, 상기 관심영역을 지나는 나선형(Spiral)의 가이드 경로(Guide Path)를 설정하는 단계 및 상기 가이드 경로에 대응하여 상기 객체의 표면에 레이저(Laser)를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저의 조사는 상기 관심영역의 중앙영역에서 시작하여 외곽에서 종료될 수 있다.
또한, 상기 3차원 이미지는 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)로부터 구성될 수 있다.
또한, 상기 관심영역을 설정하는 단계는 상기 객체의 표면의 색(Color) 또는 명도 중 적어도 하나가 주위와 다른 치료부분을 검출하는 단계 및 상기 치료영역을 포함하도록 상기 관심영역을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가이드 경로는 상기 치료영역을 지나고, 상기 레이저는 상기 치료영역에 조사될 수 있다.
또한, 상기 치료영역의 색 또는 명도 중 적어도 하나의 정도에 따라 상기 레이저의 주파수, 조사시간, 조사회수 또는 강도(Intensity) 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 시술과정에서 상기 객체의 움직임이 발생하는 경우, 상기 객체의 움직임에 따라 상기 가이드 경로를 수정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저는 엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)에 의해 조사될 수 있다.
본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치는 객체의 3차원 이미지를 구성하고, 상기 3차원 이미지 상에서 상기 객체의 표면상에 관심영역(Region Of Interest, ROI)을 설정하는 비전 제어부, 상기 관심영역을 지나는 나선형(Spiral)의 가이드 경로(Guide Path)를 설정하는 모션 제어부 및 상기 가이드 경로에 대응하여 상기 객체의 표면에 레이저(Laser)를 조사하는 레이저부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저는 상기 관심영역의 중앙영역에서 시작하여 외곽에서 종료될 수 있다.
또한, 객체를 스캔하여 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)를 획득하는 스캐너를 더 포함하고, 상기 3차원 이미지는 상기 2차원 이미지 및 상기 깊이 정보를 근거로 하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 비전 제어부는 상기 객체의 표면의 색(Color) 또는 명도 중 적어도 하나가 주위와 다른 치료부분을 검출하고, 상기 치료영역을 포함하도록 상기 관심영역을 설정할 수 있다.
또한, 상기 가이드 경로는 상기 치료영역을 지나고, 상기 레이저는 상기 치료영역에 조사될 수 있다.
또한, 상기 치료영역의 색 또는 명도 중 적어도 하나의 정도에 따라 상기 레이저의 주파수, 조사시간, 조사회수 또는 강도(Intensity) 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
또한, 시술과정에서 상기 객체의 움직임이 발생하는 경우, 상기 객체의 움직임에 따라 상기 가이드 경로를 수정할 수 있다.
또한, 상기 레이저부는 엔드이펙터(End-Effector)가 장착된 로봇암(Robot-Arm)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법은 레이저 치료의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 레이저 치료에 소요되는 시간을 줄이는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이고,
도 4 내지 도 29는 본 발명에 따른 레이저 조사 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 환자의 얼굴 피부에 레이저를 조사하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 소정의 객체의 표면에 레이저를 조사하는 것이라면 어떠한 것에든지 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명에 따른 레이저 조사 장치(10)는 스캐너(Scanner, 300), 로봇암(Robot-Arm, 100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.
스캐너(300)는 객체를 스캔하여 로우 데이터(Raw Data)를 수집할 수 있다. 여기서, 로우 데이터는 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)를 포함할 수 있다.
이를 위해, 스캐너(300)는, 도 2의 경우와 같이, 2차원 컬러 이미지(2D Image)를 촬영하는 컬러센서(310), 3차원 깊이 데이터(3D Depth Data)를 획득하는 IR 프로젝터(320)와 IR 센서(330)를 포함할 수 있다.
IR 프로젝터(320)가 IR 광을 객체(400)의 표면, 즉 환자의 피부에 조사하면, IR 센서(330)가 객체(400)의 표면에 반사되는 IR 광을 검출하여 깊이 데이터를 획득할 수 있다.
컬러센서(310)는 객체의 표면을 촬영하여 2차원 컬러 이미지를 획득할 수 있다.
로봇암(100)은, 도 3에서와 같이, 엔드이펙터(End-Effector, EE, 101)를 장착하고, 제어부(200)의 제어에 따라 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다. 자세하게는, 로봇암(100)은 가이드 경로(GP)에 대응하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다. 레이저는 엔드이펙터(101)를 통해 방출될 수 있다.
이러한 로봇암(100)을 매니퓰레이터(Manipulator)라고 볼 수 있다.
제어부(200)는 레이저 조사 장치(10)의 전반적인 기능 및 동작을 제어할 수 있다.
제어부(200)는 비전 제어부(210)와 모션 제어부(220)를 포함할 수 있다.
비전 제어부(210)는 스캐너(300)로부터 로우 데이터를 전송받고, 전송받은 로우 데이터를 근거로 하여 객체(400)의 3차원 이미지를 구성할 수 있다. 아울러, 비전 제어부(210)는 3차원 이미지 상에서 객체(400)의 표면상에 관심영역(Region Of Interest, ROI)을 설정할 수 있다.
관심영역(ROI)은 레이저 조사가 필요한 부분을 포함하는 영역일 수 있다.
예를 들면, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)로부터 전송받은 데이터를 기반으로 하여 객체(400)의 표면의 색(Color) 또는 명암 중 적어도 하나를 판별하고, 이를 근거로 하여 관심영역을 설정할 수 있다.
자세하게는, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)가 촬영한 객체(400)의 2차원 컬러 이미지로부터 객체(400)의 표면에서 색이 주위와 다른 부분 및/또는 명암이 주위와 다른 부분을 검출할 수 있다. 아울러, 색 및/또는 명암이 주위와 다른 부분을 포함하도록 관심영역을 설정하는 것이 가능하다.
이하에서는, 객체의 표면에서 색 및/또는 명도가 주위와 다른 치료부분(Region Of Therapy, ROT)이라고 칭할 수 있다. 치료부분(ROT)은 사람의 피부에 생기는 점, 기미, 주근깨 등을 예로 들 수 있다.
모션 제어부(220)는 비전 제어부(210)가 판단한 정보를 근거로 하여 관심영역(ROI)을 지나는 가이드 경로(Guide Path, GP)를 설정하고, 상황에 따라 가이드 경로(GP)를 수정할 수 있다.
아울러, 모션 제어부(220)는 로봇암(100)의 움직임을 제어하고, 상황에 따라 로봇암(100)을 긴급정지시켜 레이저의 조사를 긴급중단시킬 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 조사 장치(10)는 수동모드 및 자동모드에서 각각 동작할 수 있다.
예를 들면, 자동모드에서는 스캐너(300)가 객체(400)의 표면을 스캔하여 객체(400)의 표면에 대한 정보를 획득하고, 이를 근거로 하여 제어부(200)가 로봇암(100)을 제어하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사할 수 있다.
반면에, 수동모드에서는 제어권을 사용자, 예컨대 의사에게 위임할 수 있다. 수동모드에서는 로봇암(100)이 사용자가 제어에 따라 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 조사 장치(10)를 이용한 레이저 조사 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 아래와 같다.
도 4 내지 도 29는 본 발명에 따른 레이저 조사 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 이상에서 설명한 내용에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 4를 살펴보면, 현재 모드 설정이 자동모드인지의 여부를 판단(S100)할 수 있다. 판단결과, 자동모드가 아닌 경우에는 현재 모드 설정이 수동모드인지의 여부를 판단(S110)할 수 있다.
사용자가 소정의 스위치를 이용하여 수동모드 또는 자동모드 중 어느 하나를 선택하는 것이 가능하다. 또는, 사용자가 제어부(200)에 소정의 명령을 입력하여 수동모드 또는 자동모드 중 어느 하나를 선택하여 설정하는 것이 가능하다.
제 S110단계에서의 판단결과, 수동모드가 아닌 경우에는 미리 설정된 다른 기능(Default)을 수행(S120)할 수 있다.
반면에, 판단결과 수동모드인 경우에는 수동모드 설정을 확인(S130)하고, 사용자에게 제어권을 위임(S140)할 수 있다.
여기서, 제어권을 사용자에게 위임한다는 것은 제어부(200)가 스스로 판단하여 로봇암(100)을 동작시키는 것을 제한하는 것을 의미할 수 있다.
수동모드에서는 사용자가 자신의 힘으로 로봇암(100)을 동작시키면서 레이저 치료를 수행할 수 있다.
한편, 제 S100단계에서 판단결과 자동모드인 경우에는 스캐너(300)가 제어부(200)의 제어에 따라 객체(400)의 표면을 스캔(S150)할 수 있다. 스캐너(300)의 스캔에 따라 2차원 이미지와 깊이 정보를 포함하는 로우 데이터가 생성될 수 있다.
이후, 비전 제어부(210)는 스캐너(300)가 획득한 로우 데이터를 근거로 하여 3차원 이미지를 구성(S160)할 수 있다.
예를 들면, 도 5의 (A)와 같은 사람의 머리 형태의 석고상(Plaster Cast)을 스캔하면, 도 5의 (B)와 같은 형태로 3차원 이미지가 구성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 객체(400)에 대해 사람의 머리 형태의 석고상을 일례로 들어 설명하기로 한다.
3차원 이미지를 구성한 이후, 3차원 이미지 상에서 객체(400)의 표면상에 관심영역(ROI)을 설정(S170)할 수 있다.
예를 들면, 도 5의 (C)의 경우와 같이 3차원 이미지 상에서 객체(400)의 표면에 제 1 코너 포인트(Pcor, 1), 제 2 코너 포인트(Pcor, 2), 제 3 코너 포인트(Pcor, 3) 및 제 4 코너 포인트(Pcor, 4)를 설정할 수 있다. 이후, 제 1, 2, 3, 4 코너 포인트를 꼭지점으로 하여 구획되는 영역을 관심영역(ROI)으로 설정할 수 있다.
여기서는, 4개의 코너 포인트를 이용하여 관심영역(ROI)을 설정하였으나, 상황에 따라 사용되는 코너 포인트의 개수는 변경될 수 있다. 예를 들면, 3개 이상의 코너 포인트를 이용하여 관심영역(ROI)을 설정하는 것이 가능하다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 제 1 코너 포인트(Pcor, 1)를 제 1 포인트(P1), 제 2 코너 포인트(Pcor, 2)를 제 2 포인트(P2), 제 3 코너 포인트(Pcor, 3)를 제 3 포인트(P3), 제 4 코너 포인트(Pcor, 4)를 제 4 포인트(P4)라고 칭할 수 있다.
이후, 관심영역(ROI)을 지나는 가이드 경로(GP)를 설정(S180)할 수 있다.
예를 들면, 도 6에서와 같이, 관심영역(ROI) 내에서 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
가이드 경로(GP)의 시작지점, 즉 레이저를 조사하기 시작하는 지점은 Ps로 표시하고, 가이드 경로(GP)의 종료지점, 즉 레이저 조사가 종료되는 지점은 Pt로 표시하였다.
이후, 가이드 경로(GP)에 대응하여 레이저를 조사(S190)할 수 있다.
가이드 경로(GP)는 로봇암(100)이 레이저를 조사하는 경로를 포함할 수 있다. 다르게 표현하면, 로봇암(100)은 가이드 경로(GP)에 대응하여 이동하면서 객체의 표면에 레이저를 조사하는 것이 가능하다.
가이드 경로(GP)는 레이저의 탄착지점을 연결한 경로를 포함하는 것으로 볼 수 있다.
한편, 관심영역(ROI)은 객체(400)의 표면의 색 또는 명암 중 적어도 하나에 근거하여 설정될 수 있다. 이에 대해, 첨부된 도 7을 참조하여 살펴보면 아래와 같다.
도 7을 살펴보면, 관심영역(ROI)을 설정하는 단계(S170)에서는 먼저 객체(400)의 표면의 색 및/또는 명암을 판별(S171)할 수 있다. 객체(400)의 2차원 컬러 이미지로부터 객체(400)의 표면의 색 및/또는 명암을 판단할 수 있다.
이후, 판별값을 비교(S172)할 수 있다.
이후, 판별값을 비교/분석하여 객체(400)의 표면에서 색 또는 명암 중 적어도 하나가 주위와 다른 치료부분(ROT)을 검출(S173)할 수 있다. 다르게 표현하면, 객체(400)의 표면에서 색 또는 명도 중 적어도 하나를 근거로 하여 일반부분(RON)과 치료부분(ROT)을 구분할 수 있다.
예를 들어, 도 8의 경우와 같이, 총 16개의 단위 영역(Unit Area)이 4×4 형식으로 배열되어 이루어진 영역을 가정하여 보자. 도 8에서 각각의 단위 영역에 표시된 숫자는 명도값(Brightness Value)을 의미할 수 있다.
여기서, 기준 명도값을 40이라고 가정하면, 명도값이 40보다 작은 (1, 1), (2, 1), (3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (4, 1), (4, 2), (4, 3) 및 (4, 4)의 단위 영역을 치료 영역(ROT)으로 판별할 수 있다. 나머지 부분은 일반부분(Region Of Normal, RON)이라고 할 수 있다. 치료부분(ROT)의 명도는 다른 부분, 즉 일반부분(RON)의 명도보다 더 낮아서 상대적으로 더 어두울 수 있다. 이와 유사하게, 치료부분(ROT)의 컬러는 일반부분(RON)의 컬러보다 더 짙을 수 있다. 컬러가 짙다는 것은 더 어둡다는 것을 의미할 수 있다.
이처럼, 치료부분(ROT)의 명도값은 미리 설정된 기준 명도값보다 더 낮은 부분이라고 할 수도 있다.
기준 명도값은 객체(400)의 표면의 상태, 특징, 컬러톤 등의 요인에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 얼굴이 전체적으로 밝은 백인의 경우에는 기준 명도값을 상대적으로 높게 설정할 수 있다. 그 이유는 얼굴이 전체적으로 밝은 경우에는 점, 기미 등의 치료가 필요한 부분, 즉 치료부분이 더 두드러지게 보일 수 있기 때문이다.
반면에, 얼굴이 백인에 비해 전체적으로 어두운 황인종의 경우에는 기준 명도값을 백인에 비해 상대적으로 낮게 설정할 수 있다.
치료부분(ROT)을 검출한 이후에, 관심영역(ROI)을 설정(S174)할 수 있다.
관심영역(ROI)은 치료영역(ROT)을 포함할 수 있다.
도 9의 (A)의 경우와 같이, 객체(400)의 표면상의 소정 영역(R1) 상에 주위의 일반영역(RON)과 명도 및/또는 컬러가 다른 치료영역(ROT)이 포함되어 있는 경우를 가정하여 보자. 도 9에서 치료영역(ROT)의 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 설정한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 경우, 도 9의 (B)와 같이, 제 1 포인트(P1)와 제 2 포인트(P2)를 연결하는 제 1 라인(L1)이 치료영역(ROT)과 접하고, 제 2 포인트(P2)와 제 3 포인트(P3)를 연결하는 제 2 라인(L2)이 치료영역(ROT)과 접하고, 제 3 포인트(P3)와 제 4 포인트(P4)를 연결하는 제 3 라인(L3)이 치료영역(ROT)과 접하고, 제 4 포인트(P4)와 제 1 포인트(P1)를 연결하는 제 4 라인(L4)이 치료영역(ROT)과 접하도록 제 1, 2, 3, 4 포인트(P1, P2, P3, P4)를 설정할 수 있다.
아울러, 제 1, 2, 3, 4 포인트(P1, P2, P3, P4)로 구획되는 영역을 관심영역(ROI)으로 설정할 수 있다.
이러한 경우, 치료영역(ROT)은 관심영역(ROI) 내에 포함될 수 있다. 아울러, 관심영역(ROI)은 치료영역(ROT) 뿐 아니라 일반영역(RON)의 일부도 포함할 수 있다.
이하에서는, 일반영역(RON)에서 관심영역(ROI)에 포함된 부분을 제 2 일반영역(RON2)이라고 하고, 일반영역(RON)에서 관심영역(ROI)에 포함되지 않는 부분을 제 1 일반영역(RON1)이라고 할 수 있다.
도 9에서는 관심영역(ROI)을 설정할 때, 인접하는 두 개의 포인트를 연결하는 라인이 치료영역(ROT)에 접하는 경우만을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않을 수 있다.
예를 들면, 도 10의 경우와 같이, 인접하는 두 개의 포인트를 연결하는 라인(L1, L2, L3, L4) 중 적어도 하나는 치료영역(ROT)에 접하지 않을 수 있다.
이처럼, 관심영역(ROI)을 설정하는 방법은 다양하게 변경될 수 있다.
만약, 치료영역(ROT)의 형태가 다각형 형태인 경우에는 포인트의 설정 위치에 따라 치료영역(ROT)과 관심영역(ROI)이 동일한 경우도 발생할 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)는 치료영역(GOT) 내에서 설정되는 것이 가능하다.
예를 들면, 도 11의 경우와 같이, 치료영역(ROT) 내에서 지그재그 형태로 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
이처럼, 가이드 경로(GP)는 치료영역(ROT)을 지나고, 레이저는 치료영역(ROT)에 조사되는 것이 가능하다.
한편, 레이저 조사의 시작단계와 종료단계에서는 레이저의 강도(Intensity, Strength) 및/또는 주파수를 조절하는 것이 가능하다. 이에 대해 살펴보면 아래와 같다.
도 12의 (A)를 살펴보면, 레이저를 조사하는 단계의 시작단계에서는 레이저의 강도(Intensity, Strength) 또는 주파수 중 적어도 하나를 점진적으로 상승시키고, 조사단계의 종료단계에서는 레이저의 강도 또는 주파수 중 적어도 하나를 점진적으로 감소시킬 수 있다.
이하에서는, 레이저의 시작단계를 가속구간(D1)이라 칭하고, 레이저의 종료단계를 감소구간(D3)이라고 칭할 수 있다.
도 12의 (B)와 같이, 가속구간(D1)에서는 로봇암(100)의 이동속도가 증가할 수 있다. 즉, 로봇암(100)이 가속될 수 있다. 가속구간(D1)의 발생이유는 로봇암(100)을 동작시키는 모터에 전력을 공급하는 시점부터 원하는 회전속도에 도달하는데 까지 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다.
아울러, 감속구간(D3)에서는 로봇암(100)의 이동속도가 감소할 수 있다. 즉, 로봇암(100)이 감속될 수 있다. 감속구간(D3)이 발생하는 이유도 가속구간(D1)과 유사하게 로봇암(100)을 동작시키는 모터에 전력 공급을 차단하는 시점부터 모터가 정지하는데 까지 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다.
이와 같이, 가속구간(D1)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 상승시키고, 감속구간(D3)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 감소시키게 되면, 레이저를 보다 균일하게 조사하는 것이 가능할 수 있다.
레이저의 강도 및/또는 주파수는 로봇암(100)의 이동속도와 거의 비례할 수 있다.
가속구간(D1)과 감속구간(D3)의 사이구간은 유지구간(D2)이라고 할 수 있다.
유지구간(D2)에서는 레이저의 조사가 중단되는 않는다면 레이저의 강도 및/또는 주파수는 대략 일정하게 유지될 수 있다.
유지구간(D2)에서는 로봇암(100)의 속도는 대략 일정하게 유지될 수 있다. 다르게 표현하면, 로봇암(100)의 가속이 종료되는 시점부터 감속이 시작되는 시점까지의 기간(D2)동안 로봇암(100)의 속도는 일정하게 유지될 수 있다.
도 13의 (A)와 같이, 가속구간(D1)에서 계단형으로 레이저의 강도 및/또는 주파수를 증가시키거나, 감속구간(D3)에서 계단형으로 레이저의 강도 및/또는 주파수를 감소시키는 경우도 가능할 수 있다. 이러한 경우에도, 가속구간(D1)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 상승시키고, 감속구간(D3)에서 레이저의 강도 및/또는 주파수를 점진적으로 감소시키는 것으로 볼 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)는 관심영역(ROI) 내에서 치료영역(ROT)을 벗어나는 것이 가능할 수 있다.
예를 들면, 도 14의 경우와 같이, 관심영역(ROI)은 치료부분(ROT)과 일반부분, 즉 제 2 일반부분(RON2)을 함께 포함하는 경우에, 가이드 경로(GP)는 치료부분(ROT)과 제 2 일반부분(RON2)을 모두 통과할 수 있다. 이러한 경우, 레이저는 치료부분(ROT)에 대응해서 턴-온(Trun-On)되고, 제 2 일반부분(RON2)에 대응해서 턴-오프(Turn-Off)되는 것이 가능하다.
이처럼, 관심영역(ROI) 내에서 치료영역(ROT)의 형태와는 관계없이 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다.
이러한 경우, 가이드 경로(GP)는 치료영역(ROT)을 지나는 부분과 치료영역(ROT)을 벗어나서 제 2 일반영역(RON2)을 지나는 부분(T1, T2, T3, T4)을 포함할 수 있다.
로봇암(100)은, 도 15에 나타난 바와 같이, 가이드 경로(GP)에서 제 2 일반영역(RON2)을 지나는 부분에 대응해서는 레이저를 턴-오프(Turn-Off)시킬 수 있다. 다르게 표현하면, 로봇암(100)이 가이드 경로(GP)를 따라 레이저를 조사하는 과정에서 객체(400)의 표면의 색 또는 명도 중 적어도 하나에 따라 레이저를 온/오프시키는 것으로 볼 수 있다. 즉, 로봇암(100)이 가이드 경로(GP)에 대응하여 이동하다가 주위보다 색이 더 짙거나 명도가 더 낮은 부분, 즉 치료영역(ROT)에 대응되면 레이저를 턴-온(Turn-On)시키고, 주위보다 색이 더 옅거나 명도가 더 높은 부분, 즉 일반영역(RON)에 대응되면 레이저를 턴-오프시킬 수 있는 것이다.
도 15를 살펴보면 로봇암(100)이 제 2 일반영역(RON2)을 지나는 기간(T1, T2, T3, T4) 동안 레이저의 주파수 및/또는 강도가 거의 0으로 설정되는 것을 알 수 있다.
이러한 경우, 로봇암의 움직임을 대략 일정하게 유지할 수 있어서 치료의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 모션 제어부(220)의 제어 하에, 치료부분(ROT)의 색 및/또는 명도의 정도에 따라 레이저의 주파수, 조사시간, 조사회수 또는 강도(Intensity) 중 적어도 하나를 조절하는 것이 가능하다. 이에 대해 살펴보면 아래와 같다.
도 16을 살펴보면, 치료부분(ROT)은 제 1 치료부분(ROT1)과 제 2 치료부분(ROT2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 치료부분(ROT2)의 색은 제 1 치료부분(ROT1)의 색보다 더 짙거나, 제 2 치료부분(ROT2)의 명도는 제 1 치료부분(ROT1)의 명도보다 더 낮을 수 있다. 다르게 표현하면, 제 2 치료부분(ROT2)의 색의 짙음의 정도는 미리 설정된 임계값보다 더 짙고, 제 1 치료부분(ROT1)의 색의 짙음의 정도는 미리 설정된 임계값보다 더 옅은 것으로 볼 수 있다. 또는, 제 2 치료부분(ROT2)의 명도는 미리 설정된 임계명도값보다 더 낮고, 제 1 치료부분(ROT1)의 명도는 미리 설정된 임계명도값보다 더 높은 것으로 볼 수 있다.
제 2 치료부분(ROT2)은 제 1 치료부분(ROT1)에 비해 집중적인 치료가 필요한 부분이라고 볼 수 있다.
레이저의 시작지점(Ps)에서 시작하여 순차적으로 가이드 경로(GP) 상에서 제 2 일반영역(RON2)과 제 1 치료영역(ROT1)의 경계점을 제 1 지점(X1)이라 하고, 제 1 치료영역(ROT1)과 제 2 치료영역(ROT2)의 경계점을 제 2 지점(X2)이라 하고, 제 2 치료영역(ROT2)과 제 2 일반영역(RON2)의 경계점을 제 3 지점(X3)이라 하고, 제 2 일반영역(RON2)과 제 1 치료영역(ROT1)의 경계점을 제 4 지점(X4)이라 하고, 제 1 치료영역(ROT1)과 제 2 치료영역(ROT2)의 경계점을 제 5 지점(X5)이라 하고, 제 2 치료영역(ROT2)과 제 1 치료영역(ROT1)의 경계점을 제 6 지점(X6)이라 하고, 제 1 치료영역(ROT1)과 제 2 치료영역(ROT2)의 경계점을 제 7 지점(X7)이라 하고, 제 2 치료영역(ROT2)과 제 1 치료영역(ROT1)의 경계점을 제 8 지점(X8)이라 가정하자.
도 17에서와 같이, 레이저의 시작지점(Ps)부터 제 1 지점(X1)의 사이 및 제 3 지점(X3)부터 제 4 지점(X4)의 사이에서는 레이저를 턴-오프시킬 수 있다. 다르게 표현하면, Ps-X1 구간 및 X3-X4구간은 제 2 일반영역(RON2)에 포함되는 구간이기 때문에 로봇암(100)이 레이저를 조사하지 않을 수 있다.
X1-X2 구간, X4-X5 구간, X6-X7 구간 및 제 8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 레이저의 주파수를 제 1 주파수(f1)로 설정할 수 있다.
반면에, X2-X3 구간, X5-X6 구간 및 X7-X8 구간에서는 레이저의 주파수를 제 1 주파수(f1)보다 높은 제 2 주파수(f2)로 설정할 수 있다.
이러한 경우, 제 2 치료영역(ROT2)에 상대적으로 더 강한 레이저가 조사될 수 있어서 치료 효율이 향상될 수 있다.
도 18의 (A)를 살펴보면, X1-X3구간, X4-X8 구간 및 제 8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 레이저의 주파수를 제 1 주파수(f1)로 동일하게 설정할 수 있다.
이처럼, 레이저의 주파수를 유지한 상태에서, 도 18의 (B)와 같이, 가속구간(D1)이 종료되는 지점부터 제 2 지점(X2)까지의 구간, X3-X5 구간, X6-X7 구간 및 제 8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 로봇암(100)의 이동속도를 제 1 속도(V1)로 설정할 수 있다. 반면에, X2-X3구간, X5-X6구간 및 X7-X8구간에서는 로봇암(100)의 이동속도를 제 1 속도(V1)보다 느린 제 2 속도(V2)로 설정할 수 있다.
이러한 경우, 제 2 치료영역(ROT2)에 상대적으로 더 오랫동안 레이저가 조사될 수 있어서 치료 효율이 향상될 수 있다.
한편, 제 2 치료영역(ROT2)에 대해서는 치료 횟수를 제 1 치료영역(ROT1)에 비해 상대적으로 더 많게 설정할 수 있다. 이에 대해, 첨부된 도 19를 참조하여 설명한다. 도 19의 (A)는 로봇암(100)이 관심영역(ROI) 내에서 가이드 경로(GP)에 따라 객체(400)의 표면에 레이저를 조사하여 레이저 치료를 1회차 실시하는 것이고, 도 19의 (B)는 1회차 치료가 종료된 이후에 실시하는 2회차 치료에 해당될 수 있다.
도 19의 (A)를 살펴보면, 1회차 치료과정에서는, X1-X3구간, X4-X8 구간 및 제 8 지점(X8)부터 감속구간(D3)이 시작되기 이전까지의 구간에서는 로봇암(100)이 레이저를 조사하고, 여기서 레이저의 주파수를 제 1 주파수(f1)로 동일하게 설정할 수 있다.
도 19의 (B)를 살펴보면, 2회차 치료과정에서는, 제 2 치료영역(ROT2)에 대응하는 X2-X3구간, X5-X6구간 및 X7-X8구간에서는 로보암(100)이 레이저를 조사하고, 여기서 레이저의 주파수를 제 2 주파수(f2)와 제 1 주파수(f1)의 차이만큼으로 동일하게 설정할 수 있다.
그러면, 제 2 치료영역(ROT2)에서는 제 2 주파수(f2)의 레이저가 조사되는 것과 유사한 치료효과가 발생할 수 있다.
한편, 가이드 경로(GP)를 나선형(Spiral)으로 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 대해 살펴보면 아래와 같다.
도 20을 살펴보면, 관심영역(ROI)의 중앙영역에서 시작하여 외곽에서 종료되도록 나선형의 가이드 경로(GP)를 설정하는 것이 가능하다. 즉, 가이드 경로(GP)의 시작지점(Ps)이 종료지점(Pt)보다 상대적으로 더 관심영역(ROI)의 중앙영역에 위치할 수 있다.
이처럼, 가이드 경로(GP)를 나선형으로 설정하게 되면 로봇암(100)이 급격하게 방향전환을 하는 것을 방지함으로써 보다 균일하게 레이저를 객체(400)의 표면에 조사할 수 있다.
나선형의 가이드 경로(GP)를 설정하는 경우에도, 도 21의 경우와 같이, 가이드 경로(GP)는 제 2 일반영역(RON2)과 치료영역(ROT)을 함께 지나는 것이 가능하다.
이러한 경우에도, 가이드 경로(GP) 상에서 제 2 일반영역(RON2)을 지나는 부분(T11, T12, T13)에서는 레이저를 턴-오프시킬 수 있다.
도 22를 살펴보면, 가이드 경로(GP)는 관심영역(ROI)을 벗어나는 것도 가능할 수 있다. 이러한 경우에는, 치료영역(ROT)에 보다 촘촘하게 레이저를 조사하여 치료 효과를 높일 수 있다.
가이드 경로(GP) 상에서 관심영역(ROI)을 벗어나는 부분에 대응해서는 레이저를 턴-오프시킬 수 있다.
가이드 경로(GP)는 나선형인 조건 하에서 그 형태는 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들면, 도 23의 경우와 같이, 치료영역(ROT)이 타원형인 경우에 가이드 경로(GP)도 타원형으로 설정하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 치료 효과를 높이고, 치료 정밀도를 향상시키기 위해, 도 24의 경우와 같이, 로봇암(100)의 엔드이펙터(101)가 객체(400)의 표면에 대략 수직으로 레이저를 조사하는 것이 바람직할 수 있다.
이를 위해, 로봇암(100)은 충분한 자유도(Degree Of Freedom, DOF)를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 자세하게는, 로봇암(100)은 적어도 5 자유도를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 예외적인 상황에 대비하여 6 자유도를 갖는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 조사 장치(10)를 이용하여 실시한 레이저 조사 실험이 도 25 내지 도 26에 개시되어 있다.
도 25를 살펴보면, 레이저 발사부(Laser Emitter), 모터(Motor), 모터 드라이브(Motor Drive), 반사미러(Mirror) 및 엔드이펙터(EE)를 포함하는 로봇암(100)이 사람 머리 형태의 석고상인 객체(400)의 표면에 레이저를 조사하는 경우의 일례가 개시되어 있다.
모터와 모터 드라이브는 로봇암(100)을 동작시킬 수 있다.
레이저 발사부가 레이저를 발사하면 반사미러가 이를 소정 각도로 반사하여 엔드이펙터에 도달하도록 할 수 있다.
그러면, 엔드이펙터가 레이저를 객체(400)의 표면에 조사할 수 있다.
도 26을 살펴보면, 가이드 경로(GP)가 객체(400)의 표면상에 나선형으로 설정되는 것을 확인할 수 있다. 도 26은 객체(400)의 표면에 레이저가 조사되는 것을 일정 기간 동안 촬영하여 가이드 경로(GP)와 같은 형태로 구현한 것으로 볼 수 있다.
한편, 상황에 따라 레이저 조사를 정지시키거나 혹은 가이드 경로를 수정하는 것이 가능하다. 이에 대해 살펴보면 아래와 같다.
도 27을 살펴보면, 가이드 경로(GP)를 설정하거나 레이저를 조사한 이후에 객체(400)의 움직임의 여부를 판단(S200)할 수 있다. 예를 들면, 객체(400)의 사람의 머리인 경우, 코, 양쪽 눈 등 특정 부위를 관찰하여 해당 부위에 움직임이 있는지를 판단할 수 있다. 또는, 객체(400)의 표면 움직이는 경우, 예를 들어 사람의 얼굴 피부에 경련이 발생하는 등의 이유로 인해 피부에 움직임이 있는 경우에도 객체(400)의 움직임이 있는 것으로 볼 수 있다.
판단결과, 객체(400)의 움직임이 없는 경우에는 설정된 가이드 경로(GP)를 유지(S210)할 수 있다.
반면에, 판단결과 객체(400)의 움직임이 있는 경우에는 객체(400)의 움직임량을 측정(S220)할 수 있다. 객체(400)의 움직임량을 측정한다는 것은 객체(400)가 얼마만큼이나 움직였는지를 판단하는 것으로 볼 수 있다.
움직임량을 측정한 결과, 움직임량이 미리 설정된 임계범위를 초과하는지의 여부를 판단(S230)할 수 있다.
판단결과, 객체(400)의 움직임량이 미리 설정된 임계범위를 초과하는 경우에는 긴급정지(S240) 모드를 발동시킬 수 있다. 이러한 경우, 레이저 조사를 긴급 정지시킬 수 있다.
반면에, 객체(400)의 움직임량이 임계범위를 초과하지 않는 경우에는 움직임량을 고려하여 관심영역(ROI)을 재설정(S250)할 수 있다.
여기서는, 스캐너(300)가 객체(400)의 움직임을 포착하고, 비전 제어부(210)가 관심영역(ROI)을 새롭게 설정하면, 모션 제어부(220)가 가이드 경로를 보상/수정하는 것으로 볼 수 있다.
아울러, 관심영역(ROI)의 재설정에 대응하여 가이드 경로(GP)도 수정(S260)할 수 있다.
예를 들어, 도 28의 경우와 같이, 객체(400)가 좌상측으로 1cm 움직였다면 관심영역(ROI)도 좌상측으로 1cm 이동시킬 수 있는 것이다. 이에 대응하여 가이드 경도(GP)도 좌상측으로 1cm 이동할 수 있다.
이후, 수정된 가이드 경로(GP)에 대응하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사(S270)할 수 있다.
이처럼, 레이저 시술과정에서 객체(400)의 움직임이 발생하는 경우, 객체(400)의 움직임에 따라 가이드 경로(GP)를 수정하는 것이 가능할 수 있다.
레이저 조사 장치(10)에 진동이 발생하는 경우 혹은 힘이 가해지는 경우에도 긴급정지 모드를 발동시킬 수 있다.
예를 들면, 도 29와 같이, 가이드 경로(GP)를 설정하거나 레이저를 조사한 이후에 레이저 조사 장치(10)에 진동이 발생하거나 혹은 힘이 가해지는지의 여부를 판단(S300)할 수 있다.
판단결과, 진동이 없거나 힘이 가해지지 않는 경우에는 설정된 가이드 경로(GP)를 유지(S310)할 수 있다.
반면에, 판단결과 진동이 발생하거나 혹은 힘이 가해지는 경우에는 진동 및/또는 힘을 측정(S320)할 수 있다.
측정결과, 미리 설정된 기준값 이상의 진동이 발생하거나 혹은 미리 설정된 임계값 이상의 힘이 가해지는지의 여부를 판단(S330)할 수 있다.
판단결과, 기준값 이상의 진동이 발생하거나 혹은 임계값 이상의 힘이 가해지는 경우에는 긴급정지 모드(S340)를 발동시킬 수 있다. 이러한 경우, 레이저 조사를 긴급 정지시킬 수 있다.
반면에, 발생한 진동이 기준값 이하이거나 혹은 가해지는 힘이 임계값 이하인 경우에는 진동 및/또는 힘을 고려하여 관심영역(ROI)을 재설정(S350)할 수 있다.
아울러, 관심영역(ROI)의 재설정에 대응하여 가이드 경로(GP)도 수정(S360)할 수 있다.
이후, 수정된 가이드 경로(GP)에 대응하여 객체(400)의 표면에 레이저를 조사(S370)할 수 있다.
예를 들어, 시술도중에 지진이 발생하여 로봇암(100)에 기준값 이상의 진동이 발생하는 경우에 레이저 조사 장치(10)를 긴급정지시켜 레이저 조사를 정지시킬 수 있다. 또는, 시술도중에 사용자(의사 등)가 시술 오류를 발견하여 로봇암(100)을 손으로 잡아채서 로봇암(100)에 임계값 이상의 힘이 가해지는 경우에 레이저 조사 장치(10)를 긴급정지시켜 레이저 조사를 정지시킬 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 객체의 3차원 이미지를 구성하고, 상기 3차원 이미지 상에서 상기 객체의 표면상에 관심영역(Region Of Interest, ROI)을 설정하는 비전 제어부;
    상기 관심영역을 지나는 나선형(Spiral)의 가이드 경로(Guide Path)를 설정하는 모션 제어부; 및
    엔드이펙터(End-Effector)를 장착하고, 상기 가이드 경로에 대응하여 상기 객체의 표면에 레이저(Laser)를 조사하는 로봇암(Robot-Arm);을 포함하고,
    상기 로봇암은
    레이저 발사부(Laser Emitter)와 모터(Motor)가 구비된 하단부;와 상기 엔드이펙터가 구비된 말단부;를 포함하며,
    상기 하단부와 상기 말단부는 제1 링크와 제2 링크를 이용하여 연결되고, 일단이 상기 말단부에 연결된 상기 제2 링크와 상기 하단부를 연결하기 위한 제3 링크가 추가로 구비되며, 상기 제1, 2 링크가 서로 연결된 부분에 하나 이상의 반사 미러가 구비되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저는 상기 관심영역의 중앙영역에서 시작하여 외곽에서 종료되는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    객체를 스캔하여 2차원 이미지(2D Image)와 깊이 정보(Depth Information)를 획득하는 스캐너를 더 포함하고,
    상기 3차원 이미지는 상기 2차원 이미지 및 상기 깊이 정보를 근거로 하여 구성되는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 비전 제어부는
    상기 객체의 표면의 색(Color) 또는 명도 중 적어도 하나가 주위와 다른 치료영역을 검출하고, 상기 치료영역을 포함하도록 상기 관심영역을 설정하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가이드 경로는 상기 치료영역을 지나고, 상기 레이저는 상기 치료영역에 조사되는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 치료영역의 색 또는 명도 중 적어도 하나의 정도에 따라 상기 레이저의 주파수, 조사시간, 조사회수 또는 강도(Intensity) 중 적어도 하나를 조절하는 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    시술과정에서 상기 객체의 움직임이 발생하는 경우, 상기 객체의 움직임에 따라 상기 가이드 경로를 수정하는 장치.
  16. 삭제
KR1020160047355A 2016-04-19 2016-04-19 로봇암을 이용한 레이저 조사 장치 및 방법 KR102594429B1 (ko)

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