KR20010027541A - Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery - Google Patents
Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery Download PDFInfo
- Publication number
- KR20010027541A KR20010027541A KR1019990039335A KR19990039335A KR20010027541A KR 20010027541 A KR20010027541 A KR 20010027541A KR 1019990039335 A KR1019990039335 A KR 1019990039335A KR 19990039335 A KR19990039335 A KR 19990039335A KR 20010027541 A KR20010027541 A KR 20010027541A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- surgical tool
- surgical instrument
- surgical
- endoscope
- image
- Prior art date
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
- A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
- A61B1/045—Control thereof
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
- A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
- A61B90/361—Image-producing devices, e.g. surgical cameras
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
- A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
- A61B2090/364—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body
- A61B2090/367—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body creating a 3D dataset from 2D images using position information
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Pathology (AREA)
- Robotics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Endoscopes (AREA)
Abstract
Description
본 발명은, 미세 삽입 수술(Minimally Invasive Surgery)을 시행함에 있어서, 복부에 삽입된 수술용 도구(surgical Instrument)의 모습을 내시경(Endoscope)을 이용하여 최적의 입체 영상으로 볼 수 있도록 하기 위한 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법{Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope}에 관한 것이다.In the present invention, in performing a minimally invasive surgery, an endoscope position for viewing a surgical instrument inserted into the abdomen in an optimal stereoscopic image using an endoscope. Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope.
도 1은 일반적인 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 로봇을 이용한 미세 수술 시스템은 기본적으로 환자의 신체 내부에 삽입되는 수술 도구(1), 의사가 이 수술용 도구를 볼 수 있도록 하는 내시경(2), 수술 도구(1)의 종류 및 위치를 볼수 있도록 내시경(2)의 위치를 자동으로 조정하는 로봇 팔(3), 로봇 팔 제어기(4), 컴퓨터(5), 영상 처리기(6), 힘/토오크 처리기(7), 음성 처리기(8) 및 모니터(9) 등으로 구성되어 있다.1 is a view showing a schematic configuration of a microsurgical system using a general robot. As shown, a microsurgical system using a robot is basically a surgical tool (1) inserted into the patient's body, an endoscope (2) for the doctor to see the surgical tool, a type of surgical tool (1) And robot arm (3), robot arm controller (4), computer (5), image processor (6), force / torque processor (7), and voice processor to automatically adjust the position of endoscope (2) to view position. (8), the monitor 9, and the like.
이와 같이 구성된 미세 수술 시스템에서, 모니터(9)로 수술 도구(1)의 현재 위치에서의 영상에서 원하는 위치에서의 영상을 보기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 로봇 팔(3)의 자세를 조정하여야 한다.In the microsurgical system configured as described above, in order to view the image at the desired position from the image at the current position of the surgical tool 1 with the monitor 9, the posture of the robot arm 3 must be adjusted as shown in FIG. do.
이러한 종래의 내시경을 이용한 미세 수술에서 최적의 수술 도구에 대한 영상을 얻기 위하여, Computer Motion Inc.의 Wang 등은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 수술 도구(Instrument)에 사각형의 컬러 부호 마크(Color-Coded Mark)를 부착하였다. 각 컬러(Color)를 적(R), 녹(G), 청(B)으로 분류하여 미리 LUT을 구축한 후, 이를 도구 인식에 사용하였고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 사각형 영상으로 투영될 때 발생하는 변형으로부터 3차원 영상 정보를 추출하였다. 그러나, 카메라의 특성상 도 3b에 도시된 바와 같은 사각형 마크 영상의 변형으로부터는 3차원 영상 정보를 정확하게 추출할 수는 없다. 즉, 컬러 마크의 찌그러진 영상의 센터를 확인하여 위치를 확인하나 위치가 부정확할 수 밖에 없기 때문에 정확도의 문제가 존재한다.In order to obtain an image of an optimal surgical tool in such a microscopic surgery using a conventional endoscope, Wang et al. Of Computer Motion Inc., as shown in Figure 3a, color square mark (Color) mark on the surgical instrument (Instrument) -Coded Mark) was attached. Each color was classified into red (R), green (G), and blue (B), and the LUT was built in advance, and used for tool recognition, and as shown in FIG. Three-dimensional image information was extracted from the deformation that occurs. However, due to the characteristics of the camera, three-dimensional image information cannot be accurately extracted from the deformation of the rectangular mark image as shown in FIG. 3B. That is, the location of the distorted image of the color mark is checked to confirm the position, but the accuracy of the position exists because the position is inaccurate.
또한, 독일의 에어로스페이스(Areospace)사는 Computer Motion Inc.와 거의 유사하나, 컬러를 HVS로 변형하여 인식 시간을 줄이는 방법을 제안하였다.In addition, Aerospace of Germany is similar to Computer Motion Inc., but proposed a method to reduce the recognition time by transforming the color to HVS.
그리고, IBM에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 광섬유 등의 발광 원형 마크(Circle-Mark)를 수술 도구(Instrument)에 설치하고, 이 원형의 변형 형태로부터 3차원 영상 정보를 추출하는 방법을 제안하였다. 이는 광섬유 등의 주입된 광표시 마크로 수술 도구의 확인이 가능하나, 원형(Circle)이 원통형 수술도구(Instrument)에 설치 됨에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같은 오차가 발생하는 단점을 갖는다.As shown in FIG. 4A, IBM proposes a method of installing a light-emitting circular mark such as an optical fiber in a surgical instrument and extracting three-dimensional image information from the circular deformation form. It was. It is possible to check the surgical instrument with an injected optical display mark such as an optical fiber, but since a circular is installed in a cylindrical surgical instrument, an error as shown in FIG. 4B may occur.
이와 같이, 상기와 같은 수술 도구들에 대한 한장의 내시경 영상으로는 도구간 구별이 불가하고, 수술 도구 확인 및 위치 인식을 위해 적어도 두 장의 영상이 필요하다.As such, it is impossible to distinguish between the tools using a single endoscope image of the surgical tools as described above, and at least two images are required for the identification and location recognition of the surgical tools.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 한장의 영상으로도 수술 도구 확인 및 위치 인식을 정확하게 할 수 있는 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and an optimal 3D image information recognition apparatus and method of the surgical tool for automatic adjustment of the endoscope position that can accurately confirm the position and recognition of the surgical tool even with a single image The purpose is to provide.
도 1은 일반적인 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면,1 is a view showing a schematic configuration of a microsurgical system using a general robot,
도 2는 도 1의 미세 수술 시스템에서 자동으로 원하는 자세와 위치의 영상(최적 영상)을 얻는 과정을 설명하는 도면,FIG. 2 is a view illustrating a process of automatically obtaining an image (optimal image) of a desired posture and position in the microsurgical system of FIG. 1;
도 3a 및 도 3b는 각각 기존의 미세 수술 시스템에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 컬러코드마크 및 그 영상를 보여주는 도면,3A and 3B are views showing a color code mark and an image thereof displayed on a surgical tool for recognition of a surgical tool in a conventional microsurgical system, respectively;
도 4a 및 도 4b는 각각 기존의 또 다른 미세 수술 시스템에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 원마크 및 그 영상를 보여주는 도면,4A and 4B are views showing original marks and images of the surgical tools for recognizing surgical tools in another conventional microsurgical system, respectively;
도 5는 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치에서 수술 도구 인식을 위하여 수술 도구에 표시된 링마크를 보여주는 도면,5 is a view showing a ring mark displayed on a surgical tool for the recognition of the surgical instrument in the optimal three-dimensional image information recognition apparatus of the surgical tool for automatic endoscope position adjustment according to the present invention,
도 6은 도 5의 링마크에서 불변의 교차비를 구하는 점들의 배치관계를 보여주는 도면,6 is a view showing the arrangement of the points for obtaining the constant intersection ratio in the ring mark of FIG.
도 7은 도 5의 링마크를 내시경으로 살펴본 원뿔 곡선 영상을 보여주는 도면,7 is a view showing a conical curve image of the ring mark of FIG. 5 with an endoscope;
도 8은 도 5에서 추출된 원뿔곡선(Conic)으로 부터 원(Circle)의 3차원 정보 추출과정을 설명하는 도면,FIG. 8 is a view for explaining a process of extracting three-dimensional information of a circle from a cone curve extracted in FIG. 5;
도 9는 도 5의 3차원 영상 정보 인식 장치에서 수술 도구의 3차원 자세 결정을 위하여 수술 도구와 내시경 간의 배치 관계 및 그 영상을 보여주는 도면,FIG. 9 is a view illustrating an arrangement relationship between an surgical tool and an endoscope and an image thereof for determining a three-dimensional posture of a surgical tool in the apparatus for recognizing 3D image information of FIG. 5;
그리고 도 10은 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치를 갖춘 로봇을 이용한 미세 수술 시스템의 개략적 구성을 보여주는 도면이다.FIG. 10 is a view showing a schematic configuration of a microsurgical system using a robot equipped with an optimal 3D image information recognition device of a surgical tool for automatically adjusting the endoscope position according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1. 수술 도구 2. 내시경1. surgical instruments 2. endoscope
3. 로봇 팔 4. 로봇 팔 제어기3. robot arm 4. robot arm controller
5. 컴퓨터 6. 영상 처리기5. Computer 6. Image Processor
7. 힘/토오크 처리기 8. 음성 처리기7. Power / Torque Processor 8. Voice Processor
9. 모니터9. Monitor
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치는, 로보트 팔; 상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구; 상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서, 상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 표시된 2개의 링 마크; 상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때, 상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수식에 의해 교차비를 연산하여 특정 수술 도구임을 판독하는 수술 도구 종류 판독부; 및 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 판독하는 위치 판독부;를 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the optimum three-dimensional image information recognition apparatus of the surgical tool for automatic endoscope position adjustment according to the present invention, the robot arm; An endoscopic surgical tool held by the robotic arm; An endoscope robotic surgical device comprising: a controller in electrical communication with the robotic arm, the movement of which is represented by a proportional movement of the robotic arm and a surgical instrument, comprising: four parallel borders to the cylindrical surface of the surgical instrument; Two ring marks marked to have; Intersections with the four borders of the ring mark and any straight line that intersects the borders at right angles are called X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , respectively, and the points in the image of the surgical tool corresponding to these points. Where x 1 , x 2 , x 3 , and x 4 , respectively, end The above equation using the point that satisfies the relationship of A surgical tool type reading unit for calculating a ratio by which a surgical instrument is read and a specific surgical tool; And a position reading unit for extracting 3D image information from a cone curve of the surgical tool image to read a distance and an angle of the surgical tool.
본 발명에 있어서, k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의 벡터라 하며, 그리고일 때, 상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식 n=URn',, ct=URct' 들로 표시되며, 상기 위치 판독부는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 것이 바람직하다.In the present invention, k is any non-zero constant, and the radius of the circle projected on the cone curve extracted from the cone curve of the surgical tool image is r, and U is [U 1 U 2 U 3 ]. A matrix consisting of eigenvectors for the eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 of the displayed cone, R is called the rotation transformation matrix about the x 'axis, and n is the normal vector of the plane on which the circle is placed. d is called the normal distance, ct is the vector to the center of the circle, and When, the normal vector, the normal distance and the vector to the center of the circle are respectively represented by the equation n = URn ', , ct = URct ', and the position reading unit preferably reads the position of the surgical tool by calculating a distance and an angle of the surgical tool using the equations.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 방법은, 로보트 팔; 상기 로보트 팔에 의해 잡혀 있는 내시경 수술 도구; 상기 로보트 팔과 전기적으로 통신하며, 그 움직임이 상기 로보트 팔 및 수술 도구의 비례적 움직임으로 나타나는 제어기;를 구비한 내시경을 이용한 로보트 수술 장치에 있어서, 상기 수술 도구의 원통형 표면에 4개의 평행하는 경계선을 갖도록 2개의 링 마크를 표시하고, 상기 링 마크의 4 경계선들 및 이 경계선들과 직각으로 교차하는 임의의 일직선과의 교차점들을 각각 X1, X2, X3, X4라 하고, 이 점들에 대응하는 수술 도구의 영상에서의 점들을 각각 x1, x2, x3, x4라 할때, 상기 점들의 교차비가의 관계를 만족하는 점을 이용하여 상기 수식에 의해 교차비를 연산하여 특정 수술 도구임을 판독하는 단계; 및 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 3차원 영상 정보를 추출하여 상기 수술 도구의 거리와 각도를 연산하여 상기 수술 도구의 위치를 판독하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, an optimal method for recognizing 3D image information of a surgical tool for automatic endoscope position adjustment according to the present invention includes: a robot arm; An endoscopic surgical tool held by the robotic arm; An endoscope robotic surgical device comprising: a controller in electrical communication with the robotic arm, the movement of which is represented by a proportional movement of the robotic arm and a surgical instrument, comprising: four parallel borders to the cylindrical surface of the surgical instrument; Mark two ring marks, and the intersections with the four boundary lines of the ring mark and any straight line that intersects the boundary lines at right angles are X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 , respectively. When the points in the image of the surgical tool corresponding to x 1 , x 2 , x 3 and x 4 , respectively, the ratio of the points end The above equation using the point that satisfies the relationship of Calculating a ratio by means of reading the specific surgical tool; And extracting three-dimensional image information from a cone curve of the surgical tool image, calculating a distance and an angle of the surgical tool, and reading the position of the surgical tool.
본 발명에 있어서, k 를 임의의 0 아닌 상수라 하고, 상기 수술 도구 영상의 원뿔 곡선으로부터 추출되는 상기 원뿔 곡선에 투영된 원의 반경을 r이라하며, U를 [U1U2U3]로 표시되는 원뿔의 아이겐밸류 λ1,λ2,λ3에 대한 아이겐벡터로 구성된 매트릭이라 하며, R을 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스라 하며, n을 상기 원이 놓여진 평면의 정규 벡터라 하며, d를 정규 거리라 하며, ct를 상기 원의 중심까지의 벡터라 하며, 그리고일 때, 상기 정규 벡터, 정규 거리 및 원의 중심까지의 벡터는 각각 수학식 n=URn',, ct=URct' 들로 표시되며, 상기 수술 도구 위치 판독 단계는 상기 수학식들을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, k is any non-zero constant, and the radius of the circle projected on the cone curve extracted from the cone curve of the surgical tool image is r, and U is [U 1 U 2 U 3 ]. A matrix consisting of eigenvectors for the eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 of the displayed cone, R is called the rotation transformation matrix about the x 'axis, and n is the normal vector of the plane on which the circle is placed. d is called the normal distance, ct is the vector to the center of the circle, and When, the normal vector, the normal distance and the vector to the center of the circle are respectively represented by the equation n = URn ', , ct = URct ', and the step of reading the surgical tool position is preferably performed by calculating the distance and angle of the surgical tool using the equations.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치 및 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for recognizing an optimal 3D image information of a surgical tool for automatically adjusting an endoscope position according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 수술 도구 최적 3차원 영상 정보 인식 장치에서는 수술 도구 인식 및 3차원 정보를 얻기 위하여 원통형 수술 도구(Instrument)에, 도 5에 도시된 바와 같이, 네 개의 링 패턴으로 표시한 마크를 제시하고 있다. 수술 도구(Instrument)의 인식은, 도 6에 도시된 바와 같이, 이 네 개의 링 패턴 사이의 거리에 의하여 정의되는 교차비(Cross-Ratio)에 의하여 이루어지며, 인식된 도구(Instrument)의 3차원 영상 정보는, 도 7에 도시된 바와 같이, 링 패턴이 이루는 타원의 형상으로부터 계산된다.In the surgical tool optimum three-dimensional image information recognition device of the present invention, to mark the surgical instrument recognition and three-dimensional information to the cylindrical surgical instrument (Instrument), as shown in Fig. have. Recognition of the surgical instrument is made by a cross-ratio defined by the distance between these four ring patterns, as shown in FIG. 6, and a three-dimensional image of the recognized instrument. The information is calculated from the shape of the ellipse formed by the ring pattern, as shown in FIG.
다시 말해서, 본 발명은 카메라의 특성인 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)를 이용하여 수술 도구의 종류를 내시경 영상으로부터 판독하고, 수술 도구의 원통형 표면에 표시된 링 마크의 원추 곡선의 투사 영상으로부터 수술 도구의 각도 및 거리를 연산함으로써 그 위치를 판독하는 점을 특징으로 한다.In other words, the present invention reads the type of surgical instrument from an endoscope image by using a constant cross-ratio even under projection deformation, which is a characteristic of a camera, and projects the cone curve of a ring mark displayed on a cylindrical surface of the surgical instrument. The position is read by calculating the angle and distance of the surgical instrument from the image.
이러한 특징을 갖는 본 발명의 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operating principle of the optimum three-dimensional image information recognition device of the surgical instrument for automatic adjustment of the endoscope position having the above characteristics as follows.
본 발명에서 제안한 방법은 교차비(Cross-Ratio)와 도 8에 도시된 바와 같은 원뿔 기하(Conic Geometry)에 대한 기본적인 이론을 바탕으로 하고 있다. 교차비(Cross-Ratio)는 투사 변환(Projective Transformation), 즉 목적물/영상 변환(object-to-image transformation)의 비가 항상 불변인 양으로서, 다음과 같이 정의된다.The method proposed in the present invention is based on the basic theory of cross-ratio and conical geometry as shown in FIG. Cross-Ratio is a quantity in which the ratio of the projective transformation, that is, the object-to-image transformation, is always invariant and is defined as follows.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, (X1, X2, X3, X4)와 (x1, x2, x3, x4)를 각각 물체면과 영상면에서 정의된 한 직선상의 4개의 점이라고 하면, 교차비(cross-ratio)는 다음 수학식 1과 같이 정의된다.As shown in Figs. 5 and 6, when (X1, X2, X3, X4) and (x1, x2, x3, x4) are four points on a straight line defined in the object plane and the image plane, respectively, (cross-ratio) is defined as in Equation 1 below.
즉, 투사변형하에서는 두 점간의 거리 등은 변하는 성질이지만, 이 교차비는 불변인 값으로 인식을 위한 구별자로 사용한다.In other words, under projection deformation, the distance between two points and the like is variable, but this ratio is an invariant value and is used as a discriminator for recognition.
또한, 정원 및 타원을 포함한 일반적인 원뿔곡선(Conic) 영상은 다음 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.In addition, a general conic image (Conic) including a garden and an ellipse may be represented as shown in the following equation (2).
영상에 투영된 식은 다음 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.The equation projected on the image can be written as Equation 3 below.
여기서, k 는 임의의 0 아인 상수(arbitrary non-zero constant)이다. 이 원뿔곡선(Conic)이 임의의 축에 대하여 회전하면, 회전된 원뿔곡선(Conic)은 다음 수학식 4와 같다.Where k is an arbitrary non-zero constant. If the cone curve rotates about an axis, the rotated cone curve is expressed by the following equation.
도 8은 이러한 원뿔곡선(Conic)의 표현을 가지고, 도 9에 도시된 바와 같은 영상에 투영된 반경 r의 원(Circle)에 대한 3차원 정보를 구하기 위한 좌표변환의 과정을 보여주고 있다. 즉, 영상에서 추출된 원뿔곡선(Conic) 모양으로 부터 원(Circle) 모양의 3차원 영상 정보를 추출하는 과정을 보여주고 있다.FIG. 8 shows a process of coordinate transformation for obtaining three-dimensional information about a circle having a radius r projected on an image as shown in FIG. 9 with the representation of a conic curve (Conic). That is, a process of extracting 3D image information of a circle shape from the cone shape extracted from the image is shown.
도 8 및 도 9에서 각 과정에서의 원뿔곡선(Conic)에 대한 관련식은 다음 수학식 5와 같다.In FIG. 8 and FIG. 9, the equation for the conic curve in each process is shown in Equation 5 below.
또한 각 원뿔 곡선(Conic) 간의 관계식은 다음 수학식 6 및 7과 같다.In addition, the relationship between each conic curve (Conic) is the following equations (6) and (7).
여기서, U=[U1U2U3]는 원뿔(conic)의 eigenvalue, λ1,λ2,λ3에 대한 eigenvector로 구성된 매트릭(Matric)이며, R은 x'축에 대한 회전 변환 매트릭스(Rotation Transformation matrix)이다.Where U = [U 1 U 2 U 3 ] is a metric consisting of eigenvectors for the conic eigenvalue, λ 1 , λ 2 , λ 3 , where R is the rotation transformation matrix for the x 'axis ( Rotation Transformation matrix.
위의 관계식들로부터 원(circle)이 놓여진 평면의 정규 벡터(normal vector)와 원(circle)의 중심까지의 벡터(vector), 그리고 정규 거리(normal distance)는 다음 수학식 8,9,10과 같다.From the above relations, the normal vector of the plane on which the circle is placed, the vector to the center of the circle, and the normal distance are given by Equations 8, 9, 10 and same.
여기서,이다.here, to be.
이러한 수식을 이용하여 수술 도구의 거리 및 각도를 연산함으로써 수술 도구의 위치를 판독한다.Using this equation, the position of the surgical tool is read by calculating the distance and angle of the surgical tool.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치를 구비한 미세 수술 시스템은 도 10에 도시된 바와 같이 기존의 시스템에서 마이크로폰과 음성 처리기 및 발판 제어 신호 등을 없앤 구조를 갖는다.The microsurgical system having an optimal 3D image information recognition apparatus of a surgical tool for automatically adjusting the endoscope position according to the present invention configured as described above has a microphone, a voice processor, and a scaffold control signal in a conventional system as shown in FIG. 10. It has a structure without back.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내시경 위치 자동 조정을 위한 수술 도구의 최적의 3차원 영상 정보 인식 장치는 카메라의 특성인 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)를 이용하여 수술 도구의 종류를 내시경 영상으로부터 판독하고, 수술 도구의 원통형 표면에 표시된 링 마크의 원추 곡선의 투사 영상으로부터 수술 도구의 각도 및 거리를 연산함으로써 그 위치를 판독한다. 따라서, 투사변형 하에서도 불변인 교차비(Cross-Ratio)와 원(Circle)의 투사 기하(Projective Geometry)를 이용하기 때문에, 기존의 방법 즉 두 장 이상의 사진을 비교하여야만 수술 도구의 위치 파악이 가능하든 것에 비하여, 한 컷의 영상만으로도 정확하게 수술 도구의 위치 파악이 가능할 뿐 만 아니라 기존의 방법에서 판독이 불가능하였던 어떤 종류의 수술도구인지를 정확하게 파악할 수 있으므로, 내시경 수술시 실시간으로 정확하게 수술도구의 종류 및 위치를 파악하면서 제한 없이 수술을 진행할 수 있는 장점을 갖는다.As described above, the optimal three-dimensional image information recognition apparatus of the surgical tool for automatic endoscope position adjustment according to the present invention is a type of surgical tool by using an invariant cross-ratio even under the projection deformation that is a characteristic of the camera Is read from the endoscope image and its position is calculated by calculating the angle and distance of the surgical tool from the projection image of the cone curve of the ring mark displayed on the cylindrical surface of the surgical tool. Therefore, even in the case of projection deformation, the invariable cross- ratio and the circle's projective geometry are used, so it is possible to determine the location of the surgical tool only by comparing two or more pictures. On the other hand, it is possible not only to accurately locate the surgical tool with a single cut of image, but also to accurately identify the type of surgical tool that was impossible to read by the conventional method. It has the advantage of proceeding the surgery without limiting the location.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019990039335A KR100331448B1 (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019990039335A KR100331448B1 (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20010027541A true KR20010027541A (en) | 2001-04-06 |
KR100331448B1 KR100331448B1 (en) | 2002-04-09 |
Family
ID=19611480
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1019990039335A KR100331448B1 (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100331448B1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101004965B1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-01-04 | 주식회사 이턴 | Surgical robot and setting method thereof |
KR101284087B1 (en) * | 2011-04-29 | 2013-07-10 | 한국과학기술원 | Surgical robot using visual sensor and system and method for analyzing of the surgical robot and system and method for controling of he surgical robot |
KR20160035850A (en) * | 2014-09-24 | 2016-04-01 | (의료)길의료재단 | A detecting device using image of subject and surgical tool movement and method using thereof |
CN115662234A (en) * | 2022-11-03 | 2023-01-31 | 郑州大学 | Thoracoscope surgery teaching system based on virtual reality |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5754741A (en) * | 1992-08-10 | 1998-05-19 | Computer Motion, Inc. | Automated endoscope for optimal positioning |
US5524180A (en) * | 1992-08-10 | 1996-06-04 | Computer Motion, Inc. | Automated endoscope system for optimal positioning |
JP3251092B2 (en) * | 1993-04-07 | 2002-01-28 | オリンパス光学工業株式会社 | Endoscopic surgery device |
AU7601094A (en) * | 1993-12-15 | 1995-07-03 | Computer Motion, Inc. | Automated endoscope system for optimal positioning |
KR0155895B1 (en) * | 1995-10-12 | 1998-11-16 | 김광호 | Peripheral device of endoscopic operation system and its control method |
GB9620611D0 (en) * | 1996-10-03 | 1996-11-20 | Smiths Industries Plc | Electrosurgery systems |
-
1999
- 1999-09-14 KR KR1019990039335A patent/KR100331448B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101004965B1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-01-04 | 주식회사 이턴 | Surgical robot and setting method thereof |
KR101284087B1 (en) * | 2011-04-29 | 2013-07-10 | 한국과학기술원 | Surgical robot using visual sensor and system and method for analyzing of the surgical robot and system and method for controling of he surgical robot |
KR20160035850A (en) * | 2014-09-24 | 2016-04-01 | (의료)길의료재단 | A detecting device using image of subject and surgical tool movement and method using thereof |
CN115662234A (en) * | 2022-11-03 | 2023-01-31 | 郑州大学 | Thoracoscope surgery teaching system based on virtual reality |
CN115662234B (en) * | 2022-11-03 | 2023-09-08 | 郑州大学 | Thoracic surgery teaching system based on virtual reality |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR100331448B1 (en) | 2002-04-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11252395B2 (en) | Targets, fixtures, and workflows for calibrating an endoscopic camera | |
US20230329799A1 (en) | Rotating Marker | |
US9770157B2 (en) | Three-dimensional target devices, assemblies and methods for calibrating an endoscopic camera | |
US11116383B2 (en) | Articulated structured light based-laparoscope | |
US6167295A (en) | Optical and computer graphic stereotactic localizer | |
JPH11151249A (en) | Microscope calibration device | |
US11737831B2 (en) | Surgical object tracking template generation for computer assisted navigation during surgical procedure | |
CN113768621B (en) | Camera tracking system for computer-aided navigation during surgery | |
JP2009527267A (en) | Automatic detection of surgical instruments in images provided by medical imaging systems | |
US20230390021A1 (en) | Registration degradation correction for surgical navigation procedures | |
US20220125518A1 (en) | Tool for inserting an implant and method of using same | |
KR100331448B1 (en) | Apparatus and Method for viewing optimal three dimentional image of surgical instrument for automatic controlling the position of the endoscope in Minimally Invasive Surgery | |
US20210128249A1 (en) | Tracker device for computer-assisted surgery | |
CN114536399A (en) | Error detection method based on multiple pose identifications and robot system | |
EP2031559A1 (en) | Augmented visualization in two-dimensional images | |
Sasama et al. | A novel laser guidance system for alignment of linear surgical tools: its principles and performance evaluation as a man—machine system | |
TW201817398A (en) | No-touch surgical navigation method and system thereof | |
US20230248467A1 (en) | Method of medical navigation | |
KR102612603B1 (en) | 2d-3d image registraion method and medical operating robot system thereof | |
US20240115327A1 (en) | Aiming system and method of use thereof | |
CN116687563A (en) | Techniques for determining a marker arrangement defining a marker position of a tracker | |
WO2024083647A1 (en) | Device for use in computer-aided surgery | |
CN114366299A (en) | Technique for determining the radius of a spherical surface portion of a tip of an instrument | |
JP2001218773A (en) | Navigation method and navigation device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20080115 Year of fee payment: 7 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |