KR102624918B1 - 환자유형별 맞춤형 훈련제공이 가능한 햅틱기반 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르는 의학실습 시뮬레이터는, 인체를 추종하는 외형을 가지며 내부에는 EM 신호를 송신하는 EM 송신모듈이 구비된 인체모형부; 상기 인체모형부에 인입되는 길이가 긴 막대와 손잡이의 외형을 가지며 상기 EM 신호를 수신 및 처리하여 상기 막대의 종단의 위치 및 각도정보를 생성하여 출력하는 내시경부; 상기 내시경부가 장착되며, 상기 내시경부의 움직임정보를 검출하여 외부로 제공하며, 외부로부터 촉감 또는 운동 피드백 정보를 제공받아 상기 내시경부에 촉감 또는 운동 피드백을 부여하는 햅틱 엑츄에이터부; 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 표시하여 실습자에게 안내하는 디스플레이 장치; 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 따르는 시뮬레이션 영상정보를 저장하는 메모리부; 및 상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아, 그 위치 및 각도정보에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 디스플레이 장치를 통해 출력하며, 상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 내시경부의 움직임정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공하는 제어장치;를 구비하며, 상기 제어장치는 미리 선택된 실습자의 숙련정도에 대응되는 단계의 강도를 가지는 촉감 또는 운동 피드백을 제공하도록 하는 촉감 또는 운동 피드백 정보를 상기 햅틱 엑츄에어터부로 제공함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 의학실습 시뮬레이션 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 촉감 또는 운동 피드백을 제공하여 효과적인 감각훈련을 가능하게 할 수 있는 햅틱 기반 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법에 관한 것이다.
내과 분야에서 내시경을 이용한 검사 및 시술의 보급이 확대되고 있다. 이는 무침투성의 장점을 갖는 내시경 검사 및 시술이 무엇보다도 환자의 위험부담을 줄이고 시간과 비용을 절감하기 때문이다. 그러나 내시경의 좁은 시각과 제약된 움직임 때문에 시술은 높은 기술 숙련도를 요구한다.
현재 내과 수련의들은 먼저 내시경 조작방법을 학습한 후, 기술을 완벽히 습득한 전문의의 감독하에 직접 환자를 대상으로 조작연습을 하면서 내시경의 전문기술을 익히게 된다. 그러나 수련의들이 직접 환자를 대상으로 연습을 하는 경우에는 환자에게 끼치는 위험부담이 크고, 숙련 정도에 따라 시술시간에 많은 차이가 나며 미숙한 경우에는 환자의 장기를 손상시킬 수 있기 때문에, 보다 안전하고 효과적으로 소화기 내시경 시술을 습득할 수 있는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 개발이 필요하다.
종래에 의료분야에서 가상현실을 응용한 사례는 대부분 3차원 이미지에 의존하는 시각적인 요소가 대부분이었다. 그 한 예로서, 미국의 하버드 의대팀은 CT (Computer Tomography) 검색사진으로부터 3차원 가상모델을 구성하고, 의사들이 직접 수술하기 전에 이런 3차원 가상모델 속에서 미리 연습해 볼 수 있는 가상현실 수련 시뮬레이터를 만들었으며, 미국 미네소타의 메이요 병원의 연구팀은 환자의 대장을 단층 촬영한 후 컴퓨터에서 재구성한 3차원 대장모델을 이용하여 대장암을 진단하고, 실제 수술에 앞서 가상 실습이 가능하도록 하였다.
그러나 의료분야에서는 손의 미세한 감각을 이용하여 시술하는 작업이 많기 때문에 가상현실에서 이러한 작업을 구현하기 위해서는 시각적인 요소뿐만 아니라 역감 및 촉감까지도 재현되어야만 했다.
최근에는 햅틱장치 및 인터페이스 기술이 발달하면서 1993년에 MIT (Massachusetts Institute of Technology)에서 개발한 PHANToM이나 Immersion사의 Impulse Engine 등 상용 햅틱장치를 이용하여 의료용 수련 시뮬레이터를 구성하는 실례가 늘어나고 있다.
미쯔비시 전기 연구소에서는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 이미지로부터 구성된 무릎의 3차원 가상 모델과 PHANToM을 이용하여 무릎 외과수술 수련 시뮬레이터를 개발하였으며, KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)의 의료영상공학 연구센터에서는 PHANToM을 이용한 척수 침생검 모의 실험기를 개발하였다.
그러나 일반적인 사용을 목적으로 개발된 종래의 상용 햅틱장치는 특정 시술대상에 따라 특화된 기능을 필요로 하는 의료용 수련 시뮬레이터에 적용하는 데 한계가 있어, 대상 의료 작업에 특화된 햅틱 장치의 개발이 필요하였다.
이러한 기술로는 대한민국 특허청에 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치를 명칭으로 하여 특허공개된 제10-2006-0030594호가 있으며, 이는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치는 지지부와, 상기 지지부에 직선운동이 가능하게 설치되고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 직선운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선 운동부, 및 상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤방향 회전운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전 운동부를 포함하는 햅틱장치를 개시하고 있다.
그리고 대한민국 특허청에 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱장치를 명칭으로 하여 특허공개된 제10-2009-0066453호가 있으며, 이는 지지 밑판을 구비한 지지부와, 상기 지지 밑판에 대하여 선회가 가능하고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 곡선운동 정보를 소화기 내시경 시뮬레이터의 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선운동 모사부, 및 상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선운동 모사부에 회전이 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤 방향 회전운동 정보를 상기 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전운동 모사부를 포함하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치를 개시하고 있다.
상기한 바와 같이 종래에는 햅틱장치가 인체의 장기의 형상에 따른 역감이나 촉감을 모사하여 의학실습을 가능하게 하는 다양한 기술이 제안되고 있었다.
그러나 종래에는 소화기 등과 같이 선형으로 길게 형성된 장기에 대해 내시경 튜브를 인입하기 위한 과정을 시뮬레이션하는 데에 그칠 뿐이므로, 인체 내부의 협소한 공간, 예를들어 비강 내부로 내시경으로 인입시켜 비강 내부를 보면서 수술해야 하는 이비인후과 및 뇌, 척 수 등 내부로 내시경을 인입시켜 수술하는 신경외과 수술을 위한 의학실습에는 그대로 적용하기가 어려운 문제가 있었다.
더욱이 이비인후과나 신경외과에 해당되는 장기는 소화기관과는 달리 외부자극에 의해 조직이 쉽게 파열 또는 손상될 수 있는 연약한 조직을 포함함은 물론이고, 훈련자가 인체 내부면의 물리적인 저항을 내시경 또는 수술도구를 통해 전달받음에 따라 내시경 또는 수술도구가 인체 내부면에 닿거나 힘을 가하고 있는지 여부를 세밀하게 감지하기 어려운 문제가 있었다. 이에 종래에는 내시경 또는 수술도구의 훈련시 감각훈련을 더욱 섬세하게 이행할 수 있게 하는 기술의 개발이 요구되었다.
또한 종래에는 단순한 시뮬레이션 영상에만 의존하지 않고 인체 내부를 직접 모사하는 인체모형을 토대로 좀 더 현실감있는 감각훈련이 이루어질 수 있게 하는 기술의 개발이 요구되었다. 특히 상기 인체모형의 형상을 환자의 나이 또는 이비인후과나 신경외과에 해당되는 장기의 형상에 따라 변형하여 다양한 인체 타입에 대한 훈련을 가능하게 하여 더욱 효과적인 감각훈련을 가능하게 하는 기술의 개발이 요구되었다.
또한 종래에는 내시경 또는 수술도구의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 가이드하는 네비게이션 정보를 훈련자에게 제공하여 훈련 목적을 달성하기 위한 훈련 과정을 손쉽게 이해하고 실행할 수 있도록 하는 기술의 개발이 절실하게 요망되었다.
본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 촉감 또는 운동 피드백을 제공하여 효과적인 감각훈련을 가능하게 할 수 있는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 촉감 또는 운동 피드백의 강도를 실습자의 숙련정도에 대응되게 단계적으로 제공하여 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 훈련시 감각훈련을 더욱 섬세하게 이행할 수 있게 하는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 인체 내부를 모사하는 인체모형을 제공하여 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 인체 내부를 모사하는 인체모형을 인체모형 타입에 따라 변형하여 다양한 인체모형에 대한 감각훈련을 이행할 수 있게 함과 아울러 상기 변형된 인체모형에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여, 인체모형과 시뮬레이션 영상정보를 일치화시켜 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 가이드하는 네비게이션 정보를 훈련자에게 제공하여 훈련 목적을 달성하기 위한 훈련 과정을 손쉽게 이해하고 실행할 수 있게 하는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 의학실습 시뮬레이터는, 인체를 추종하는 외형을 가지며 내부에는 EM 신호를 송신하는 EM 송신모듈이 구비된 인체모형부; 상기 인체모형부에 인입되는 길이가 긴 막대와 손잡이의 외형을 가지며 상기 EM 신호를 수신 및 처리하여 상기 막대의 종단의 위치 및 각도정보를 생성하여 출력하는 내시경부; 상기 내시경부가 장착되며, 상기 내시경부의 움직임정보를 검출하여 외부로 제공하며, 외부로부터 촉감 또는 운동 피드백 정보를 제공받아 상기 내시경부에 촉감 또는 운동 피드백을 부여하는 햅틱 엑츄에이터부; 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 표시하여 실습자에게 안내하는 디스플레이 장치; 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 따르는 시뮬레이션 영상정보를 저장하는 메모리부; 및 상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아, 그 위치 및 각도정보에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 디스플레이 장치를 통해 출력하며, 상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 내시경부의 움직임정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공하는 제어장치;를 구비하며, 상기 제어장치는 미리 선택된 실습자의 숙련정도에 대응되는 단계의 강도를 가지는 촉감 또는 운동 피드백을 제공하도록 하는 촉감 또는 운동 피드백 정보를 상기 햅틱 엑츄에어터부로 제공함을 특징으로 한다.
본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 촉감 또는 운동 피드백을 제공하여 효과적인 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 촉감 또는 운동 피드백의 강도를 실습자의 숙련정도에 대응되게 단계적으로 제공하여 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 훈련시 감각훈련을 더욱 섬세하게 이행할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 인체 내부를 모사하는 인체모형을 제공하여 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부를 모사하는 인체모형을 인체모형 타입에 따라 변형하여 다양한 인체모형에 대한 감각훈련을 이행할 수 있게 함과 아울러 상기 변형된 인체모형에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여, 인체모형과 시뮬레이션 영상정보를 일치화시켜 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 가이드하는 네비게이션 정보를 훈련자에게 제공하여 훈련 목적을 달성하기 위한 훈련 과정을 손쉽게 이해하고 실행할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 구성도.
도 2는 도 1의 EM 신호처리부의 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 외관도.
도 5 및 도 6은 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이션 방법의 절차도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터를 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터의 좌표변환과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 하이브리드 물성 표현과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 EM 신호처리부의 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 외관도.
도 5 및 도 6은 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이션 방법의 절차도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터를 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터의 좌표변환과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 하이브리드 물성 표현과정을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 촉감 또는 운동 피드백을 제공하여 효과적인 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 촉감 또는 운동 피드백의 강도를 실습자의 숙련정도에 대응되게 단계적으로 제공하여 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 훈련시 감각훈련을 더욱 섬세하게 이행할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 인체 내부를 모사하는 인체모형을 제공하여 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부를 모사하는 인체모형을 인체모형 타입에 따라 변형하여 다양한 인체모형에 대한 감각훈련을 이행할 수 있게 함과 아울러 상기 변형된 인체모형에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여, 인체모형과 시뮬레이션 영상정보를 일치화시켜 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 가이드하는 네비게이션 정보를 훈련자에게 제공하여 훈련 목적을 달성하기 위한 훈련 과정을 손쉽게 이해하고 실행할 수 있게 한다.
상기의 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 대한 의학실습시에 적용될 수 있으나, 이하 설명에서는 편의상 이비인후과 및 신경외과 수술에 적용한 것만을 예시하였다. 그러나 본 발명은 인체에 대한 다양한 의학실습을 위한 시뮬레이터로 사용될 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다.
또한 본 발명은 내시경부에 대해서만 EM 센서를 이용한 위치 및 움직임정보를 획득하는 것만을 예시하였으나 수술도구부의 정확한 위치 및 움직임 검출을 위해 수술도구부에도 EM 센서를 적용할 수도 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다.
이하에서 상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 구성 및 동작을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
<이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 구성>
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 구성을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 EM 신호처리부의 구성도이며, 도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 외관을 도시한 것이다.
상기한 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터는, EM(Electro-Magnetic) 센서 기반으로, 제어장치(100)와, 메모리부(102)와, 디스플레이장치(104)와, 본체용 사용자 인터페이스부(106)와, 내시경부(108)와, 인체모형부(116)와, 햅틱 엑츄에이터부(120)와, 수술도구부(122)와, 공기압 조정부(132)로 구성된다.
상기 제어장치(100)와 메모리부(102)와 본체용 사용자 인터페이스부(106)와 공기압 조정부(132)는 본체용 하우징(150)내에 수용된다. 상기 본체용 하우징(150)은 직육면체의 형태로서 수술실에서 환자의 거치높이에 대응되게 형성되며, 본체용 하우징(150)의 상면에는 이비인후과 및 신경외과 실습을 위한 인체모형부(116)와 내시경부(108)와 햅틱 엑츄에이터부(120)와 수술도구부(122)가 위치하며, 일측에는 디스플레이장치(104)가 위치한다.
상기 제어장치(100)는 상기 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 각부를 전반적으로 제어한다. 특히 제어장치(100)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습을 위한 EM 신호처리 및 햅틱 엑츄에이터의 제어, 의학실습을 위한 시뮬레이션 영상의 출력, 내시경부(108) 및 수술도구부(122) 중 어느 하나의 움직임에 따른 시뮬레이션 영상정보내의 3D 모델링 객체 변형, 의학실습을 위한 네비게이션 정보의 출력, 의학실습 숙련정도에 대응되는 단계적 강도를 가지는 촉감 또는 운동 피드백 출력, 인체모형부(116)의 내부면에 대한 변형을 위한 공기압 조정, 인체모형의 변형에 따르는 시뮬레이션 영상정보의 변형을 이행한다.
상기 메모리부(102)는 상기 제어장치(100)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장한다. 특히 상기 메모리부(102)는 실습자 정보, 실습항목정보, 실습항목별 시뮬레이션 영상정보, 실습항목별 네비게이션 정보, 실습항목 및 숙련정도별 햅틱정보, 인체모형 타입에 대응되는 공기압 조정정보, 공기압 조정정보에 대응되는 시뮬레이션 정보의 변형정보를 저장한다.
상기 실습자 정보는 실습자 식별정보 및 로그인정보, 실습로그정보, 숙련정보정보, 실습을 위한 선택정보 등을 포함한다.
상기 실습항목정보는 다양한 실습항목에 대한 식별정보 및 안내정보를 포함한다.
상기 실습항목별 시뮬레이션 영상정보는 다양한 실습항목 각각에 대한 시뮬레이션 영상정보를 포함하며, 상기 시뮬레이션 영상정보는 내시경부 및 수술도구부의 위치 및 움직임정보에 대응되게 구성되며, 인체기관에 대한 3D 모델링 객체정보를 포함한다. 또한 상기 3D 모델 객체정보는 내시경부 및 수술도구부 중 하나 이상의 위치 및 움직임에 따라 변형되는 인체 물성정보가 반영되어 구성된다.
상기 실습항목별 네비게이션 정보는 다양한 실습항목 각각에 대해 실습자가 이행하여야 할 내시경 및 수술도구 중 하나 이상에 대한 이동방향 및 이동량, 회전방향, 회전량, 조작방식 등의 움직임을 지시하는 안내정보로 구성되며, 이는 내시경부 및 수술도구부 중 어느 하나 이상의 현재 위치 및 현재 움직임정보에 대응되는 다음 동작을 지시하는 정보로 구성된다.
상기 실습항목 및 숙련정도별 햅틱정보는 실습항목별 시뮬레이션 영상정보의 3D 모델에 대응되는 위치, 즉 인체 내부면 또는 내부 장기에 도달될 때에 역감을 제공하기 위한 촉감 또는 운동 피드백 정보로 구성된다. 상기 촉감 또는 운동 피드백 정보에는 실습자의 숙련정도들 각각에 대해 다르게 설정된 강도로 촉감 또는 운동 피드백이 제공되도록 하기 위해 강도식별정보가 포함된다. 이와같이 본 발명은 실습자의 실습단계에 따라 촉감 또는 운동 피드백 강도를 단계적으로 제공하여 실습자가 자신의 숙련정도에 맞춰 내시경 또는 수술도구를 통해 전달되는 역감을 인식하면서 훈련할 수 있게 한다. 이는 내시경 또는 수술도구를 통해 역감이 감쇄되어 미미하게 전달되는 것도 감지할 수 있도록 훈련시킬 수 있어 세밀하고 안전하게 내시경 또는 수술도구를 조작할 수 있게 한다.
상기 인체모형 타입에 대응되는 공기압 조정정보는 인체모형을 이용한 감각훈련시에 실습항목에 대응되는 인체모형 타입에 대응되게 인체모형의 내부면을 변형시키기 위해 인체모형에 내삽된 다수의 튜브에 선택적으로 공기를 주입하거나 배출되게 공기압 조정부(132)를 제어하는 정보로 구성된다.
상기 공기압 조정정보에 대응되는 시뮬레이션 정보 변형정보는, 인체모형을 이용한 감각훈련시에 실습항목에 대응되는 인체모형 타입에 대응되게 변형되는 인체모형에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하는 정보로 구성되며, 상기 시뮬레이션 정보에 포함된 3D 모델링 객체도 상기 인체모형 타입의 변형에 대응되게 변형시키는 정보를 포함하여 구성된다.
상기 디스플레이 장치(104)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따른 영상정보를 출력하여 실습자에게 안내한다. 상기 영상정보에는 내시경부(108)의 위치, 회전방향, 회전량에 대응됨과 아울러 수술도구부(122)의 위치 및 움직임에 따라 변형되는 인체 물성이 반영된 시뮬레이션 영상정보를 포함한다. 또한 상기 영상정보에는 실습항목에 대응되며, 내시경부(108)의 위치정보에 대응되게 미리 설정된 다음 내시경부(108)의 다음 조작정보를 안내하는 정보, 그리고 현재 표시된 시뮬레이션 영상정보의 인체 내부 구성요소에 대한 설명정보가 포함되는 네비게이션 정보를 포함한다. 상기 조작정보는 이동방향, 이동량, 회전방향, 회전량 등이 포함될 수 있다.
상기 본체용 사용자 인터페이스부(106)는 상기 전원 온/오프나 실습자 로그인, 실습항목선택, 실습자의 숙련정도선택, 가상모형을 이용한 감각훈련과 인체모형을 이용한 감각훈련 선택 등과 같은 다양한 사용자 선택정보를 입력받아 상기 제어장치(100)에 제공한다.
상기 공기압 조정부(132)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따라 인체모형부(116)에 내장된 튜브부(130)를 구성하는 다수의 튜브들에 대해 선택적으로 공기를 주입하거나 배출시켜 인체모형부(116)의 내부면의 형상을 변형한다. 이는 실습자에게 실물을 통한 감각훈련을 가능하게 하는 인체모형의 내부면을 실습항목에 따르는 인체타입으로 변형할 수 있게 하여 다양한 실습을 가능하게 할 수 있는 효과를 야기한다. 좀더 설명하면, 상기 인체내부의 형상 변형은, 튜브부(130)를 구성하는 다수의 튜브들에 공기를 주입하거나 배출시켜 이비인후과 및 신경외과에 해당되는 장기를 모사하는 볼록한 부분과 오목한 부분을 형성한다. 또한 상기 튜브부(130)는 다수의 튜브들 각각에 대해 선택적으로 공기를 주입하거나 배출하여 장기를 단순히 모사하는 것에만 그치지 않고 장기의 내부공간의 크기를 협소하게 만들어 유아의 장기를 모사하거나 장기의 내부공간의 크기를 크게 만들어 성인의 장기를 모사하는 등, 다양한 인체를 모사할 수 있게 하여 다양한 인체 타입에 대한 실습을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터는, EM(Electro-Magnetic) 센서 기반으로, 인체모형부(116)에 내장된 EM 송신 모듈(118)과 내시경부(108)에 내장된 EM 수신 모듈(110)로 구성된 듀얼(Dual) 방식을 채용한다. 상기 EM 송신 모듈(118)은 감지영역 내에 낮은 주파수의 일정한 양의 자장을 형성시키고, EM 수신 모듈(110)은 형성된 자장 신호를 판독하여 동작하게 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 내시경부(108)의 외형은 이비인후과 및 신경외과의 수술시에 사용하는 내시경과 동일한 형태로 길이가 긴 막대와 손잡이로 구성된 외형을 가진다. 상기 내시경부(108)를 형성하는 막대의 종단 내부에는 EM 수신모듈(110)과 EM 신호처리부(112)가 위치하며, 손잡이 부분에는 내시경용 사용자 인터페이스부(114)가 위치한다.
상기한 내시경부(108)는 햅틱 엑츄에이터부(120)의 제1햅틱 엑츄에이터(1201)에 장착된다. 상기 제1햅틱 엑츄에이터(1201)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따른 촉감 및 운동 피드백을 실습자에게 제공한다.
상기 EM 수신모듈(110)은 상기 인체모형부(116)에 내장된 EM 송신모듈(118)이 송신하는 EM 신호를 수신하여 EM 신호 처리부(112)로 제공한다.
상기 EM 신호 처리부(112)는 상기 EM 신호를 제공받아 상기 내시경부(108)의 위치 및 각도에 대한 움직임정보를 생성하여 상기 제어장치(100)로 제공한다.
상기 내시경용 사용자 인터페이스부(114)는 다수의 버튼으로 구성되어 내시경의 온/오프 등과 같은 다양한 사용자 명령을 입력받아 상기 제어장치(100)에 제공한다.
상기 인체모형부(116)는 환자의 이비인후과 또는 신경외과 수술을 위한 인체 형상으로 3D 프린팅된 모형으로, 내부에는 EM 송신모듈(118)이 내장된다. 상기 EM 송신모듈(118)은 EM 신호를 송출한다. 이때, 의학의 한 분과로서 이비인후(耳鼻咽喉)과는 귀(이), 코(비), 후두, 인두 그리고 두경부의 질병을 다루는 분야이고, 신경외과(神經外科)는 뇌, 척수, 뇌신경과 척수신경, 말초신경 등 신경계에 생기는 다양한 질환들에 대하여 수술적 치료를 하는 분야이다. 이에, 상기 인체모형부(116)는 이비인후과와 신경외과 수술을 위한 환자의 귀, 코, 후두, 인두 그리고 두경부의 이비인후 형상과 뇌, 척수 등 신경외과 수술용 모델이 모두 포함될 수 있다.
또한 상기 인체모형부(116)의 내부에는 다수의 튜브들로 구성되는 튜브부(130)가 내장된다, 상기 튜브부(130)의 다수의 튜브에 선택적으로 공기가 주입되거나 배출됨에 따라 인체모형부(116)의 내부면 형상을 변형한다. 이와같이 본 발명은 실물을 통한 감각훈련을 가능하게 하는 인체모형부(116)의 내부면을 인체모형 타입에 따라 변형할 수 있게 하여 다양한 인체에 대한 실습을 가능하게 할 수 있는 효과를 제공한다.
상기 햅틱 엑츄에이터부(120)는 제1 및 제2햅틱 엑츄에이터(1201,1202)로 구성되며, 제1 및 제2 햅틱 엑츄에이터(1201, 1202)는 상호 어긋나게 반대방향으로 눕혀서 구성하거나 90도 회전하여 수직으로 세워서 구성할 수 있다. 상기 제1 및 제2햅틱 엑츄에이터(1201,1202)에는 내시경부(108)와 수술도구부(122)가 장착되며, 상기 제1 및 제2햅틱 엑츄에이터(1201,1202)는 자신에게 장착된 내시경부(108)와 상기 수술도구부(122)의 움직임을 검출하고 그에 따른 움직임정보를 상기 제어장치(100)에 제공할 수 있다. 이와 아울러 상기 제1 및 제2 햅틱 엑츄에이터(1201, 1202)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따른 촉감 및 운동 피드백을 상기 내시경부(108) 및 상기 수술도구부(122) 중 하나 이상에 부여한다. 이로서 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보면서 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 때에 가상모델로도 실감있는 실습을 가능하게 한다.
상기 제2햅틱 엑츄에이터(1202)에 장착되는 수술도구부(122)에는 실제 수술도구와 동일한 15종의 도구가 적용되며, 실제 수술도구와 동일한 실측 사이즈로 3D 모델링 제작된다.
<EM 신호 처리부(112)의 구성>
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 EM 신호 처리부(112)의 구성을 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.
상기 EM 신호 처리부(112)는 ADC부(200)와, 전처리부(202)와, 위치 및 각도 검출부(204)와, 후처리부(206)와, 메모리부(208)로 구성된다.
상기 ADC부(200)는 상기 EM 수신신호를 입력받아 ADC 처리하여 EM 수신정보를 생성하여 상기 전처리부(202)로 제공한다.
상기 전처리부(202)는 상기 EM 수신정보를 제공받아 잡음성분을 제거하여 위치 및 각도 검출부(204)로 제공한다. 상기의 잡음성분 제거과정을 좀 더 설명하면, 현재의 EM 수신정보의 피크값과 이전의 EM 수신정보의 피크값의 차이가 미리 정해둔 임계치 이상인 경우에는 현재의 피크값을 이전의 피크값으로 기준으로 보정하여 잡음에 의한 영향을 제거한다.
상기 위치 및 각도 검출부(204)는 상기 EM 수신정보를 제공받아 내시경부(108)의 위치 및 각도를 포함하는 움직임정보를 검출하여 후처리부(206)에 제공한다.
상기 후처리부(206)는 상기 내시경부(108)의 위치 및 각도를 포함하는 움직임정보를 제공받아 후처리하여 출력한다. 상기 후처리는 상기 내시경부(108)의 위치 및 각도를 포함하는 움직임정보를 입력받아 상기 내시경부(108)의 위치가 미리 정해둔 영역을 벗어나는 경우에는 예외처리한다. 또한, 후처리부(206)는 상기 내시경부(108)의 위치 및 각도정보에 오차가 누적되는 것을 제한한다.
상기 메모리부(208)는 이전 EM 수신정보의 피크값 정보, 내시경부(108)의 위치 제한영역정보 등의 정보가 저장된다.
<이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 외관>
이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터의 외관을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
상기 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터는 본체용 하우징(150)은 육면체의 형상으로 수술실에서 환자의 거치높이에 대응되게 형성되며, 상면에는 인체의 인체모형부(116)와 내시경부(108)와 햅틱 엑츄에이터부(120)의 제1 및 제2햅틱 엑츄에이터(1201,1202)가 위치하며, 일측면에는 디스플레이장치(104)가 위치한다.
상기 내시경부(108)는 길이가 긴 막대와 손잡이의 형태를 가지며 상기 제1햅틱 엑츄에이터(1201)에 장착된 상태에서 상기 막대의 종단부분을 인체의 인체모형부(116)의 비강 등으로 진입시킨 후에 내시경의 종단의 위치 및 각도를 변경하거나 회전하면서 의학실습을 이행한다.
이러한 의학실습이 개시되면, 상기 의학실습 시뮬레이터의 제어장치(100)는 상기의 내시경부(108)의 종단에 설치된 EM 수신모듈(110)이 수신한 EM 수신신호로부터 상기 내시경부(108)의 종단의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량을 검출하고, 그 검출된 내시경부(108)의 종단의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 메모리부(102)로부터 독출하여 디스플레이 장치(104)를 통해 출력하여, 실습자가 인체 내부의 협소한 공간에서 내시경부(108)를 정밀하게 조작하는 것을 연습할 수 있게 한다.
또한 상기 제1햅틱 엑츄에이터(1201)는 상기 시뮬레이션 영상정보에 대응되게 상기 내시경부(108)에 촉감 피드백이나 운동 피드백을 제공하여 실습자의 의학실습에 현장감을 부여한다.
그리고 상기 제2햅틱 엑츄에이터(1202)에는 수술도구가 장착되며, 상기 제2햅틱 엑츄에이터(1202)는 상기 시뮬레이션 영상정보에 대응되게 상기 수술도구에 촉감 피드백이나 운동 피드백을 제공한다. 이로서 실습자는 상기 촉감 피드백이나 운동 피드백을 통해 실감있는 시뮬레이션을 이행할 수 있게 된다.
<햅틱 엑츄에이터부(120)의 외관>
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터부(120)에 대해 좀더 설명한다.
도 7의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 햅틱 엑츄에이터부(120)의 어느 한 햅틱 엑츄에이터의 기본 형태를 도시한 것이다.
상기 햅틱 엑츄에이터부(120)는 다수의 관절로 구성되고 상기 다수의 관절을 연결하는 회전축과, 상기 회전축을 구동시키는 모터로 구성될 수 있다. 이에 상기 햅틱 엑츄에이터부(120)는 재질은 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 3D 프린팅 소재로 제작될 수 있으며, 6도 자유도 위치 인식, 3도 자유도 힘 피드백, 자동 워크 스페이스 보정이 가능하다.
도 7의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제1햅틱 엑츄에이터(1201)에 내시경부(108)를 장착한 예를 도시한 것이고, 도 6의 (c)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제2햅틱 엑츄에이터(1202)에 수술도구부(122)를 장착한 예를 도시한 것이다.
상기한 제1 및 제2햅틱 엑츄에이터(1201,1202)에 의해 검출되는 내시경부(108)와 수술도구부(122)에 대한 위치정보는 변환 매트릭스에 의해 획득되며, 이를 개념적으로 도시한 것이 도 8이다. 즉, 본 발명은 햅틱 엑츄에이터의 햅틱 좌표계는 변환 매트릭스를 통해 실제 세계에서의 원(origin) 좌표로 변환된다. 이러한 햅틱 엑츄에이터 햅틱 좌표계(x', y', z')는 실제 세계의 원 좌표계(x, y, z)와의 차이 보정을 위한 좌표변환 매트릭스는 도 8에 도시한 바와 같다.
또한 본 발명은 도 9에 도시한 바와 같이 실리콘 물성으로 제작한 이비인후 모델부(116)와 3D 모델링 객체에 대한 햅틱 피드백을 결합한 하이브리드 햅틱 피드백을 구현하여 좀 더 실감나는 시뮬레이션을 가능하게 한다.
<이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이션 방법의 절차>
이제 상기한 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터에 적용가능한 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이션 방법을 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
상기 제어장치(100)는 본체용 사용자 인터페이스부(106)를 통한 전원 온 또는 재시동 등이 요청되면, 메모리부(102)에 미리 저장된 타이틀 및 인트로 영상정보를 독출하여 디스플레이 장치(104)를 통해 출력하여 이비인후과 및 신경외과 의학실습 시뮬레이터에 대한 안내를 이행하는 대기모드로 진입한다(300단계).
상기의 대기모드에서 상기 제어장치(100)는 실습자가 본체용 사용자 인터페이스부(106)를 통해 실습자 로그인을 요청하면(302단계), 미리 등록해둔 실습자 인증정보를 통해 실습자 로그인을 이행한다.
상기 실습자 로그인이 이행되면, 상기 제어장치(100)는 실습항목 안내정보를 메모리부(102)에서 독출하고 이를 디스플레이 장치(104)를 통해 출력하여 실습자에게 안내한다(304단계).
상기의 실습자가 상기 실습항목 안내정보를 토대로 어느 한 실습항목을 선택하면(306단계), 상기 제어장치(100)는 실습항목에 대한 네비게이션 제공여부를 선택하도록 안내하는 안내정보를 디스플레이 장치(104)를 통해 출력하여 실습자에게 안내한다(308단계).
상기 안내에 따라 실습자가 네비게이션 제공여부를 선택하면(310단계), 상기 제어장치(100)는 가상모형을 이용한 감각훈련을 이행할 것인지 인체모형을 이용한 감각훈련을 이행할 것인지 선택하도록 안내하는 안내정보를 디스플레이 장치(104)를 통해 출력하여 실습자에게 안내한다(312단계).
상기 안내에 따라 실습자가 인체모형을 이용한 감각훈련을 선택하면(314단계), 상기 제어장치(100)는 실습항목에 대한 인체모형 타입을 선택하도록 안내한다(316단계). 여기서, 상기 인체모형의 타입은 인체 내부의 볼록한 부분들과 오목한 부분들로 구성되는 내부면을 몇가지 타입으로 나눈 것으로, 각 인체모형의 타입에 대응되게 인체모형부(116) 내부의 튜브부(130)에 구비되는 다수의 튜브들에 대한 공기압을 선택적으로 조정하여 각 타입에 대응되는 인체의 내부면을 구현하도록 미리 정해진다. 상기 안내에 따라 인체모형의 타입이 선택되면(318단계), 상기 제어장치(100)는 실습을 위한 선택정보들을 저장한다(324단계). 여기서, 상기 실습을 위한 선택정보들에는 실습항목 선택정보, 네비게이션 제공여부 선택정보, 인체모형을 이용한 감각훈련 선택정보, 인체모형 타입 선택정보가 포함된다.
이와 달리 실습자가 가상모형을 이용한 감각훈련을 선택하면(314단계), 상기 제어장치(100)는 촉감 및 운동 피드백 등의 강도를 결정하기 위한 숙련정도를 선택하도록 안내한다(320). 상기 안내에 따라 숙련정도가 선택되면(322단계), 상기 제어장치(100)는 실습을 위한 선택정보들을 저장한다(324단계). 여기서, 상기 실습을 위한 선택정보들에는 실습항목 선택정보, 네비게이션 제공여부 선택정보, 가상모형을 이용한 감각훈련 선택정보, 숙련정도 선택정보가 포함된다.
상기한 실습을 위한 선택정보들의 저장이 완료된 후에 본체용 사용자 인터페이스부(106)를 통해 실습 시작이 요청되면, 상기 제어장치(100)는 실습을 위한 선택정보를 독출하여 선택된 실습항목에 대응되는 영상정보를 메모리부(102)에서 독출하여 디스플레이 장치(104)를 통해 출력한다.
상기 영상정보의 출력과 더불어, 상기 제어장치(100)는 EM 송신모듈(118)과 EM 수신모듈(110)로 구성되는 EM 센서를 통해 내시경부(108)의 위치 및 각도정보를 제공받아 이전의 위치 및 각도정보를 토대로 현재 내시경의 종단부분에 대한 위치 및 회전방향, 회전량을 검출한다(330단계).
이후 상기 제어장치(100)는 실습을 위한 선택정보를 참조하여, 가상모형을 이용한 감각훈련인지 인체모형을 이용한 감각훈련인지를 판별한다(332단계). 상기 제어장치(100)는 가상모형을 이용한 감각훈련이면 상기 EM 센서를 통해 검출한 내시경부(108)의 위치정보/회전방향/회전량이 변경되었는지를 체크한다(334단계). 상기 내시경부(108)의 위치정보/회전방향/회전량이 변경되었으면 상기 제어장치(100)는 내시경의 위치정보/회전방향/회전량에 대응되게 미리 정해진 시뮬레이션 영상정보를 메모리부(102)에서 독출하여 디스플레이 장치(104)로 출력함과 아울러, 실습을 위한 선택정보에 따라 네비게이션 정보를 출력한다(336단계). 상기 네비게이션 정보는 실습항목에 대응되며, 내시경부(108)의 위치정보에 대응되게 미리 설정된 다음 내시경부(108)의 다음 조작정보를 안내하는 정보, 그리고 현재 표시된 시뮬레이션 영상정보의 인체 내부 구성요소에 대한 설명정보가 포함된다.
상기한 시뮬레이션 영상정보와 네비게이션 정보의 제공중에, 상기 제어장치(100)는 햅틱 엑츄에이터부(120)를 통해 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임이 검출되는지를 체크한다(338단계). 상기 햅틱 엑츄에이터부(120)를 통해 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임이 검출되면, 상기 제어장치(100)는 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임정보에 대응되게 표시된 시뮬레이션 영상정보에 포함된 3D 모델링 객체를 변형하여 출력함과 아울러 촉감 및 운동 피드백을 출력한다(340단계). 이때에 상기 촉감 및 운동 피드백은 실습자에 의해 선택된 숙련정도에 대응되는 강도로 제공되도록 제어된다.
이러한 과정은 실습이 완료될 때까지 반복하여 수행된다.
상기한 바와 다르게 인체모형을 이용한 감각훈련이면, 상기 제어장치(100)는 실습자에 의해 선택된 인체모형 타입 선택정보에 대응되게 설정된 공기압 조정정보를 메모리부(102)에서 독출하고, 그 독출된 공기압 조정정보에 따라 인체모형부(116) 내부의 튜브부(130)에 속하는 다수의 튜브에 대한 공기압을 선택적으로 조정하여, 인체모형부(116)의 내부면이 실습자에 의해 선택된 인체모형 타입에 부합되게 변형되게 한다(341단계).
이후 상기 제어장치(100)는 상기 EM 센서를 통해 검출한 내시경부(108)의 위치정보/회전방향/회전량이 변경되었는지를 체크한다(344단계). 상기 내시경부(108)의 위치정보/회전방향/회전량이 변경되었으면 상기 제어장치(100)는 내시경의 위치정보/회전방향/회전량에 대응되게 미리 정해진 시뮬레이션 영상정보를 메모리부(102)에서 독출하고, 영상정보를 선택된 인체모형 타입에 대응되게 변형하여 디스플레이 장치(104)로 출력함과 아울러, 인체모형을 선택된 인체모형 타입에 대응되게 변형되도록 튜브부의 공기압을 조정하고, 실습을 위한 선택정보에 따라 네비게이션 정보를 출력한다(346단계). 상기 네비게이션 정보는 실습항목에 대응되며, 내시경부(108)의 위치정보에 대응되게 미리 설정된 다음 내시경부(108)의 다음 조작정보를 안내하는 정보, 그리고 현재 표시된 시뮬레이션 영상정보의 인체 내부 구성요소에 대한 설명정보가 포함된다.
상기한 시뮬레이션 영상정보와 네비게이션 정보의 제공중에, 상기 제어장치(100)는 햅틱 엑츄에이터부(120)를 통해 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임이 검출되는지를 체크한다(348단계). 상기 햅틱 엑츄에이터부(120)를 통해 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임이 검출되면, 상기 제어장치(100)는 내시경부(108) 또는 수술도구부(122)의 움직임정보에 대응되게 표시된 시뮬레이션 영상정보에 포함된 3D 모델링 객체를 변형하여 출력한다(350단계).
이러한 실습과정은 실습자에 의한 실습 완료시까지 반복하여 이루어진다.
상기한 바와 같이 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 촉감 또는 운동 피드백을 제공하여 효과적인 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 촉감 또는 운동 피드백의 강도를 실습자의 숙련정도에 대응되게 단계적으로 제공하여 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 훈련시 감각훈련을 더욱 섬세하게 이행할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 섬세하게 조작하는 의학기술을 숙련할 수 있도록, 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 움직임에 대응되게 시뮬레이션 영상을 훈련자에게 제공함과 아울러 인체 내부를 모사하는 인체모형을 제공하여 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부를 모사하는 인체모형을 인체모형 타입에 따라 변형하여 다양한 인체모형에 대한 감각훈련을 이행할 수 있게 함과 아울러 상기 변형된 인체모형에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여, 인체모형과 시뮬레이션 영상정보를 일치화시켜 현실감있는 감각훈련을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 인체 내부의 협소한 공간에 내시경 및 수술도구 중 하나 이상을 인입시켜 인체 내부의 장기를 살펴보거나 수술하는 과정에서 요구되는 내시경 및 수술도구 중 하나 이상의 위치 및 각도, 회전방향, 회전량 등의 움직임을 가이드하는 네비게이션 정보를 훈련자에게 제공하여 훈련 목적을 달성하기 위한 훈련 과정을 손쉽게 이해하고 실행할 수 있게 한다.
100 : 제어장치
102 : 메모리부
104 : 디스플레이 장치
106 : 본체용 사용자 인터페이스부
108 : 내시경부
116 : 인체모형부
122 : 수술도구부
120 : 햅틱 엑츄에이터부
132 : 공기압 조정부
102 : 메모리부
104 : 디스플레이 장치
106 : 본체용 사용자 인터페이스부
108 : 내시경부
116 : 인체모형부
122 : 수술도구부
120 : 햅틱 엑츄에이터부
132 : 공기압 조정부
Claims (24)
- 삭제
- 의학실습 시뮬레이터에 있어서,
인체를 추종하는 외형을 가지며 내부에는 EM 신호를 송신하는 EM 송신모듈이 구비된 인체모형부;
상기 인체모형부에 인입되는 길이가 긴 막대와 손잡이의 외형을 가지며 상기 EM 신호를 수신 및 처리하여 상기 막대의 종단의 위치 및 각도정보를 생성하여 출력하는 내시경부;
상기 내시경부가 장착되며, 상기 내시경부의 움직임정보를 검출하여 외부로 제공하며, 외부로부터 촉감 또는 운동 피드백 정보를 제공받아 상기 내시경부에 촉감 또는 운동 피드백을 부여하는 햅틱 엑츄에이터부;
상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 대응되는 시뮬레이션 영상정보를 포함하는 표시정보를 표시하여 실습자에게 안내하는 디스플레이 장치;
상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 따르는 시뮬레이션 영상정보 및 상기 내시경부의 움직임정보에 대응되는 촉감 또는 운동 피드백 정보를 저장하는 메모리부;
제어장치; 및
실습자와 상기 제어장치 사이의 인터페이스를 위한 사용자 인터페이스부;를 구비하며,
상기 인체모형부는,
환자의 이비인후과 및 신경외과 수술을 위한 인체 형상으로 3D 프린팅된 모형이며,
상기 인체모형부의 내부에는 인체의 내부를 모사하는 내부면을 변형시키는 다수의 튜브로 구성된 튜브부가 위치하며,
상기 튜브부를 구성하는 다수의 튜브에 대해 선택적으로 공기압을 조정하는 공기압 조정부를 포함하며,
상기 다수의 튜브들 각각은, 공기가 주입되면 볼록한 형태를 형성하고 공기가 배출되면 오목한 형태를 형성하여, 상기 인체의 내부를 모사하며,
상기 제어장치는,
상기 사용자 인터페이스부를 통해 가상모형을 이용한 감각훈련이 선택되면, 상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아 이전의 위치 및 각도정보와 비교하여 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량을 검출하고, 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 대응되게 저장된 시뮬레이션 영상정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 디스플레이 장치를 통해 출력함과 아울러,
상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 내시경부의 움직임정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공하고,
상기 사용자 인터페이스부를 통해 인체모형을 이용한 감각훈련이 선택되면, 미리 선택된 인체모형 타입에 대응되게 상기 튜브부의 다수의 튜브들의 공기압을 선택적으로 조정하도록 상기 공기압 조정부를 제어하여 상기 인체모형부의 내부면을 상기 선택된 인체모형 타입에 대응되게 변형하고,
상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아 이전의 위치 및 각도정보와 비교하여 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량을 검출하고, 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 대응되게 저장된 시뮬레이션 영상정보를 상기 메모리부에서 독출하고,
독출된 시뮬레이션 영상정보를 상기 선택된 인체모형 타입에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여 상기 디스플레이 장치를 통해 출력하며,
상기 제어장치는 미리 선택된 실습자의 숙련정도에 대응되는 단계의 강도를 가지는 촉감 또는 운동 피드백을 제공하도록 하는 촉감 또는 운동 피드백 정보를 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 제2항에 있어서,
상기 햅틱 엑츄에이터부에 장착되는 수술도구부가 더 구비되며,
상기 햅틱 엑츄에이터부는, 상기 수술도구부의 움직임정보를 검출하여 상기 제어장치로 제공하고, 상기 제어장치로부터 상기 수술도구부의 촉감 및 운동 피드백 정보를 제공받아 상기 수술도구부에 촉감 또는 운동 피드백을 부여하며,
상기 제어장치는, 상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 수술도구부의 움직임 검출정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 상기 수술도구부의 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 제2항에 있어서,
상기 내시경부는,
상기 EM 신호를 수신하는 EM 수신모듈;
상기 EM 수신모듈로부터 제공되는 EM 신호를 처리하여 상기 내시경부의 움직임을 지시하는 위치 및 각도정보를 생성하여 출력하는 EM 신호처리부;를 내부에 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 제4항에 있어서,
상기 EM 신호처리부는,
상기 EM 신호의 잡음 성분을 제거하는 전처리부를 더 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 제4항에 있어서,
상기 EM 신호처리부는,
상기 내시경부의 위치가 미리 정해둔 영역을 벗어나는 경우에는 예외처리함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제3항에 있어서,
상기 제어장치가, 상기 내시경부 또는 상기 수술도구부의 움직임정보가 제공되고, 상기 움직임정보가 상기 시뮬레이션 영상정보에 포함된 3D 모델링 객체에 대응되면, 상기 3D 모델링 객체의 형상을 변형하고, 변형된 3D 모델링 객체를 상기 디스플레이 장치를 통해 출력함을 특징으로 하는 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 제2항에 있어서,
상기 메모리부에는 다수의 실습항목 각각에 대한 네비게이션 정보가 더 저장되며,
상기 제어장치는 상기 사용자 인터페이스부를 통해 상기 다수의 실습항목 중 어느 하나가 선택되면, 선택된 실습항목에 대응되는 네비게이션 정보를 상기 메모리부에서 독출하고, 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 대응되게 미리 저장된 네비게이션 정보를 상기 시뮬레이션 영상정보에 부가하여 출력함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이터. - 삭제
- 의학실습 시뮬레이션 방법에 있어서,
인체를 추종하는 외형을 가지며 내부에는 EM 신호를 송신하는 EM 송신모듈이 구비된 인체모형부에 인입되는 길이가 긴 막대와 손잡이의 외형을 가지는 내시경부가, 상기 EM 신호를 수신 및 처리하여 상기 막대의 종단의 위치 및 각도정보를 생성하여 외부로 제공하는 단계;
상기 내시경부가 장착되어 있는 햅틱 엑츄에이터부가, 상기 내시경부의 움직임정보를 검출하여 외부로 제공하는 단계;
제어장치가,
사용자 인터페이스부를 통해 가상모형을 이용한 감각훈련이 선택되면, 상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아 이전의 위치 및 각도정보와 비교하여 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량을 검출하고, 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 대응되게 저장된 시뮬레이션 영상정보를 메모리부에서 독출하여 디스플레이 장치를 통해 출력함과 아울러,
상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 내시경부의 움직임정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공하는 단계; 및
상기 사용자 인터페이스부를 통해 인체모형을 이용한 감각훈련이 선택되면, 상기 인체모형부의 내부에 구비되는 다수의 튜브들의 공기압을 조정하는 공기압 조정부를 통해 미리 선택된 인체모형 타입에 대응되게 상기 다수의 튜브들의 공기압을 선택적으로 조정하여 상기 인체모형부의 내부면을 상기 선택된 인체모형 타입에 대응되게 변형하고,
상기 내시경부로부터 위치 및 각도정보를 제공받아 이전의 위치 및 각도정보와 비교하여 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량을 검출하고, 상기 내시경부의 위치 및 회전방향, 회전량에 대응되게 저장된 시뮬레이션 영상정보를 상기 메모리부에서 독출하고,
독출된 시뮬레이션 영상정보를 상기 선택된 인체모형 타입에 대응되게 시뮬레이션 영상정보를 변형하여 상기 디스플레이 장치를 통해 출력하는 단계;를 포함하며,
상기 인체모형부는, 환자의 이비인후과 및 신경외과 수술을 위한 인체 형상으로 3D 프린팅된 모형이며,
상기 인체모형부의 내부에는 인체의 내부를 모사하는 내부면을 변형시키는 다수의 튜브로 구성된 튜브부가 위치하며,
상기 튜브부를 구성하는 다수의 튜브에 대해 선택적으로 공기압을 조정하는 공기압 조정부를 포함하며,
상기 다수의 튜브들 각각은, 공기가 주입되면 볼록한 형태를 형성하고 공기가 배출되면 오목한 형태를 형성하여, 상기 인체의 내부를 모사하며,
상기 제어장치는 미리 선택된 실습자의 숙련정도에 대응되는 단계의 강도를 가지는 촉감 또는 운동 피드백을 제공하도록 하는 촉감 또는 운동 피드백 정보를 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법. - 제14항에 있어서,
상기 햅틱 엑츄에이터부에 장착되는 수술도구부가 더 구비되며,
상기 햅틱 엑츄에이터부가, 상기 수술도구부의 움직임정보를 검출하여 상기 제어장치로 제공하는 단계;
상기 제어장치가, 상기 햅틱 엑츄에이터부로부터 상기 수술도구부의 움직임정보를 제공받아 그에 대응되게 미리 정해진 상기 수술도구부의 촉감 및 운동 피드백 정보를 상기 메모리부에서 독출하여 상기 햅틱 엑츄에이터부로 제공하는 단계; 및
상기 햅틱 엑츄에이터부가, 상기 제어장치로부터 상기 수술도구부의 촉감 및 운동 피드백 정보를 제공받아 상기 수술도구부에 촉감 또는 운동 피드백을 부여하는 단계;를 더 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법. - 제14항에 있어서,
상기 내시경부에 의한 EM 신호의 수신처리는,
상기 EM 신호를 수신하는 단계; 및
상기 EM 신호를 처리하여 상기 내시경부의 움직임을 지시하는 위치 및 각도정보를 생성하여 출력하는 단계;로 구성됨을 특징으로 의학실습 시뮬레이션 방법. - 제16항에 있어서,
상기 EM 신호의 처리시에, 상기 EM 신호의 잡음 성분을 제거하는 전처리 단계;를 더 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법. - 제16항에 있어서,
상기 EM 신호 처리시에, 상기 내시경부의 위치가 미리 정해둔 영역을 벗어나는 경우에는 예외처리하는 단계;를 더 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제15항에 있어서,
상기 제어장치가 상기 내시경부 또는 상기 수술도구부의 움직임정보가 제공되고, 상기 움직임정보가 상기 시뮬레이션 영상정보에 포함된 3D 모델링 객체에 대응되면, 상기 3D 모델링 객체의 형상을 변형하고, 변형된 3D 모델링 객체를 상기 디스플레이 장치를 통해 출력하는 단계;를 더 구비함을 특징으로 하는 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법. - 제14항에 있어서,
상기 메모리부에는 다수의 실습항목 각각에 대한 네비게이션 정보가 더 저장되며,
상기 제어장치가, 상기 사용자 인터페이스부를 통해 상기 다수의 실습항목 중 어느 하나가 선택되면, 선택된 실습항목에 대응되는 네비게이션 정보를 상기 메모리부에서 독출하고, 상기 내시경부의 위치 및 각도정보에 대응되게 미리 저장된 네비게이션 정보를 상기 시뮬레이션 영상정보에 부가하여 출력하는 단계;를 더 구비함을 특징으로 하는 의학실습 시뮬레이션 방법.
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