KR20060103386A - Method for calibrating a medical microscope in medical navigation system - Google Patents

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KR20060103386A
KR20060103386A KR1020050025260A KR20050025260A KR20060103386A KR 20060103386 A KR20060103386 A KR 20060103386A KR 1020050025260 A KR1020050025260 A KR 1020050025260A KR 20050025260 A KR20050025260 A KR 20050025260A KR 20060103386 A KR20060103386 A KR 20060103386A
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surgical microscope
surgical
calibration
central axis
microscope
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허원창
김형민
성정환
강현재
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Abstract

본 발명은 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구로서, 수술용 항법장치는 수술용 현미경의 위치를 감지하는 수단을 포함하고, 수술용 현미경은 이미지 획득을 위한 카메라를 포함하며, 보정기구는 하나의 수직방향의 중심축을 포함하는, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구에 있어서, 보정기구는 수술용 현미경의 위치를 감지하는 수단에 의해 감지될 수 있는 위치인식용 마커, 중심축 상에 위치하는 중심축 표시부, 중심축에 대해 경사지게 위치하며 눈금이 표시되어 있는 스케일 바, 중심축을 따라 위치하며 수술용 현미경의 카메라에 의해 획득된 이미지의 보정에 이용되는 복수개의 보정용 마커들 그리고, 중심축을 따라 위치하며 복수개의 보정용 마커들의 중심축에 대한 위치를 나타내는 복수개의 보정용 마커 식별자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구를 제공한다.The present invention is a correction mechanism for calibrating a surgical microscope used in the surgical navigation device, the surgical navigation device includes a means for detecting the position of the surgical microscope, the surgical microscope includes a camera for image acquisition A calibration mechanism for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation apparatus, the calibration mechanism comprising a single central axis, the calibration mechanism being detectable by means for sensing the position of the surgical microscope; Position recognition marker, central axis indicator located on the central axis, scale bar inclined with respect to the central axis, scale bar marked with scale, located along the central axis and used for the correction of images acquired by the camera of the surgical microscope A plurality of calibration markers and a plurality of calibration markers positioned along the central axis and indicating a position with respect to the central axis of the plurality of calibration markers. Provided is a calibration mechanism for calibrating a surgical microscope for use in a surgical navigation apparatus comprising a plurality of calibration marker identifiers.

수술용 항법장치, 수술용 현미경, 보정기구, 심도, 작업거리, 가시영역 Surgical Navigation System, Surgical Microscope, Calibration Mechanism, Depth of Field, Working Distance, Visible Area

Description

수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정방법{METHOD FOR CALIBRATING A MEDICAL MICROSCOPE IN MEDICAL NAVIGATION SYSTEM}Calibration method for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation system {METHOD FOR CALIBRATING A MEDICAL MICROSCOPE IN MEDICAL NAVIGATION SYSTEM}

도 1은 종래의 수술용 항법장치가 수술용 현미경에 적용된 예를 나타내는 도면,1 is a view showing an example in which a conventional surgical navigation apparatus is applied to a surgical microscope,

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 나타내는 사시도,Figure 2a is a perspective view showing a correction mechanism according to an embodiment of the present invention,

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 위에서 본 도면,Figure 2b is a view from above of the correction mechanism according to an embodiment of the present invention,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 스케일 바를 나타내는 도면,3A is a view showing a scale bar of a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 스케일 바를 개념적으로 나타내는 도면,3B conceptually illustrates a scale bar of a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 중심축 표시부를 나타내는 사시도,4A is a perspective view illustrating a central axis display of a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 중심축 표시부를 위에서 본 도면,4B is a view from above of a central axis display of a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 5a 내지 도 5d는 수술용 현미경의 광축과 보정기구의 중심축에 따른 수술용 현미경 또는 카메라에서 관찰되는 보정기구의 이미지의 변화를 나타내는 도면,5a to 5d are views showing the change of the image of the correction mechanism observed in the surgical microscope or camera according to the optical axis of the surgical microscope and the central axis of the correction mechanism,

도 6, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구로 수술용 현 미경에 부착된 카메라를 보정하는 순서도를 나타내는 도면,6, 7a and 7b is a view showing a flow chart for correcting the camera attached to the surgical microscope with a correction mechanism according to an embodiment of the present invention,

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 심도(depth of focus)를 측정하는 방법을 설명하는 도면,8A to 8C are views for explaining a method of measuring depth of focus of a surgical microscope using a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 작업거리(working distance)를 측정하는 방법을 설명하는 도면,9A and 9B illustrate a method of measuring a working distance of a surgical microscope using a correction mechanism according to an embodiment of the present invention;

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 가시영역(field of view)을 측정하는 방법을 설명하는 도면.10A and 10B illustrate a method of measuring a field of view of a surgical microscope using a calibration mechanism in accordance with one embodiment of the present invention.

본 발명은 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구 및 보정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수술용 현미경과 수술용 현미경에 부착되어 있는 카메라에서 획득한 이미지를 보정함과 함께, 수술 현미경의 심도, 작업거리 및 가시영역과 같은 광학적인 특성을 정밀하게 측정하는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구 및 보정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a calibration mechanism and a calibration method for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation device, and more particularly, to correct the image obtained from the camera attached to the surgical microscope and the surgical microscope The present invention relates to a calibration mechanism and a calibration method for calibrating a surgical microscope that accurately measures optical characteristics such as depth, working distance, and visible area of a surgical microscope.

수술장에는 다양한 수술 도구 또는 수술 보조 도구들이 사용되고 있으며, 최근 들어 이러한 수술 도구 또는 수술 보조 도구를 감지하여 환자 또는 환자의 특정 부위와의 위치 관계를 파악하여 의사에게 제공하는 방법 및 장치들이 주목받고 있으며, 이러한 장치들은 수술용 항법장치(surgical navigatiion system)라 불리우며, 수술 도구 또는 수술 보조 도구(instrument)의 위치를 감지하는(sensing or tracking) 수단(예: 적외선 카메라)과 이 감지 장치에 연결된 컴퓨터를 포함한다.Various surgical instruments or surgical aids are used in the operating room, and recently, methods and apparatuses that detect such surgical instruments or surgical aids and determine the positional relationship with the patient or a specific part of the patient are provided to the doctor. These devices are called surgical navigatiion systems and are used for sensing or tracking the position of surgical instruments or surgical instruments (e.g. infrared cameras) and computers connected to them. Include.

도 1은 이러한 수술용 항법장치가 수술용 현미경에 적용된 예를 나타내는 도면으로서, 수술용 현미경(101), 수술용 현미경(101)에 부착된 위치인식용 마커(도시 생략)를 인식하여 수술용 현미경(101)의 위치를 감지하는 적외선 카메라(102), 수술용 현미경(101) 및 적외선 카메라(102)에 연결되어 있으며 이들이 보내준 정보를 의사에게 디스플레이해주는 컴퓨터(103)가 도시되어 있다.1 is a view showing an example of such a surgical navigation apparatus is applied to a surgical microscope, a surgical microscope 101, a surgical microscope to recognize the position recognition marker (not shown) attached to the surgical microscope 101 A computer 103 is shown that is connected to an infrared camera 102, a surgical microscope 101, and an infrared camera 102 that detects the location of 101 and displays the information sent to the doctor.

이러한 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경의 경우에도 보정(calibration)을 필요로 하는데, 종래의 보정기구(calibrator)는 수술용 현미경과 수술용 현미경에 부착되어 있는 카메라에서 획득한 이미지에 대해서만 보정하였으며, 수술용 현미경의 심도(depth of focus), 작업거리(working distance) 및 가시영역(field of view)과 같은 광학적인 특성에 대해서는 보정을 행하지 않고, 수술용 현미경의 제조업체에서 제공하는 정보만을 이용하였으며, 이는 수술용 항법장치에 있어 수술용 현미경의 정확한 위치 정보를 제공하지 못한다는 문제점을 야기한다.Surgical microscopes used in such surgical navigation systems also require calibration. Conventional calibrators calibrate only images obtained from cameras attached to the surgical microscope and the surgical microscope. The optical characteristics such as depth of focus, working distance, and field of view of the surgical microscope are not corrected, but only the information provided by the manufacturer of the surgical microscope is used. This causes a problem that the surgical navigation system does not provide accurate position information of the surgical microscope.

즉, 수술용 항법장치에서 있어서 수술용 현미경을 하나의 도구로서 인식하기 위해서는 수술용 현미경의 위치와 수술용 현미경에 부착되어 있는 카메라에서 획득한 이미지의 위치뿐만 아니라 이러한 정보에 맞는 수술용 현미경의 심도, 작업거리 및 가시영역과 같은 수술용 현미경의 광학적인 특성이 필요하다. 그러나 종래의 기술에서는 사용하는 수술용 현미경의 제조업체에서 제공하는 현미경의 광학적인 특성 자료는 수술용 현미경의 위치와 현미경에 부착되어 있는 카메라에서 획득한 이 미지와 무관한 것으로 수술용 항법장치의 정밀도를 낮추는 문제점을 유발할 수 있다.In other words, in order to recognize the surgical microscope as a tool in the surgical navigation system, the depth of the surgical microscope suitable for this information as well as the position of the surgical microscope and the position of the image obtained from the camera attached to the surgical microscope The optical characteristics of the surgical microscope, such as, working distance and visual field, are necessary. However, in the prior art, the optical characteristic data of the microscope provided by the manufacturer of the surgical microscope used is independent of the position of the surgical microscope and the image obtained from the camera attached to the microscope. Can cause lowering problems.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수술용 현미경과 수술용 현미경에 부착되어 있는 카메라에서 획득한 이미지에 대한 보정뿐만 아니라, 수술용 현미경의 심도(depth of focus), 작업거리(working distance) 및 가시영역(field of view)과 같은 수술용 현미경의 광학적인 특성에 대한 보정도 행할 수 있는, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구 및 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, as well as correction for the image obtained from the surgical microscope and the camera attached to the surgical microscope, the depth of focus (depth of focus), working distance (working distance) To provide a calibration mechanism and a method for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation system that can also perform correction for the optical characteristics of the surgical microscope, such as) and the field of view) do.

본 발명은 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구로서, 수술용 항법장치는 수술용 현미경의 위치를 감지하는 수단을 포함하고, 수술용 현미경은 이미지 획득을 위한 카메라를 포함하며, 보정기구는 하나의 수직방향의 중심축을 포함하는, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구에 있어서, 보정기구는 수술용 현미경의 위치를 감지하는 수단에 의해 감지될 수 있는 위치인식용 마커, 중심축 상에 위치하는 중심축 표시부, 중심축에 대해 경사지게 위치하며 눈금이 표시되어 있는 스케일 바, 중심축을 따라 위치하며 수술용 현미경의 카메라에 의해 획득된 이미지의 보정에 이용되는 복수개의 보정용 마커들 그리고, 중심축을 따라 위치하며 복수개의 보정용 마커들의 중심축에 대한 위치를 나타내는 복수개의 보정용 마커 식별자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수 술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정기구를 제공한다.The present invention is a correction mechanism for calibrating a surgical microscope used in the surgical navigation device, the surgical navigation device includes a means for detecting the position of the surgical microscope, the surgical microscope includes a camera for image acquisition A calibration mechanism for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation apparatus, the calibration mechanism comprising a single central axis, the calibration mechanism being detectable by means for sensing the position of the surgical microscope; Position recognition marker, central axis indicator located on the central axis, scale bar inclined with respect to the central axis, scale bar marked with scale, located along the central axis and used for the correction of images acquired by the camera of the surgical microscope A plurality of calibration markers and a plurality of calibration markers positioned along the central axis and indicating a position with respect to the central axis of the plurality of calibration markers. Provided is a calibration mechanism for calibrating a surgical microscope for use in a surgical navigation apparatus comprising a plurality of calibration marker identifiers.

바람직하게는 보정기구는 4개의 스케일 바를 포함하며, 각각의 스케일 바는 중심축(6) 둘레에 90°의 간격을 두고(좌우대칭으로) 위치한다.Preferably the correction mechanism comprises four scale bars, each scale bar being positioned at 90 ° intervals (in left and right symmetry) around the central axis 6.

바람직하게는 보정기구는 중심축(6)을 따라 위치하는 4열의 복수개의 보정용 마커들을 포함하며, 복수개의 보정용 마커들은 위쪽으로 갈수록 중심축(6)에 가깝게 위치하고, 다른 열의 마커들은 다른 형태를 가진다.Preferably, the correction mechanism comprises a plurality of correction markers in four rows positioned along the central axis 6, wherein the plurality of correction markers are located closer to the central axis 6 in an upward direction, and the markers in other rows have different shapes. .

바람직하게는 보정기구는 적어도 3개의 위치인식용 마커들을 포함하며, 적어도 3개의 위치인식용 마커들은 적외선 반사구로 이루어진다.Preferably the calibration mechanism comprises at least three position markers, and the at least three position markers are comprised of infrared reflectors.

또한 본 발명은 이러한 보정기구를 이용하는, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정방법을 제공한다.The present invention also provides a correction method for correcting a surgical microscope used in a surgical navigation apparatus using such a correction mechanism.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 나타내는 사시도로서, 보정기구는 전체적으로 피라미드 형태를 하고 있으며, 피라미드의 각면은 평평한 면이 아니라 일정한 높이로 계단이 형성되어 있고, 수술용 항법장치에서 보정기구의 위치를 인식할 수 있도록 위치를 감지하는 수단에 의해 감지되는 위치인식용 마커(1), 수술용 현미경의 카메라에 의해 획득된 이미지의 보정에 이용되는 보정용 마커(2), 수술용 현미경의 심도, 작업거리 및 가시영역을 측정하기 위한 스케일 바(3), 보정용 마커(2)의 위치(높이정보)를 표시하는 보정용 마커 식별자(4)를 구비하고 있다.Figure 2a is a perspective view showing a correction mechanism according to an embodiment of the present invention, the correction mechanism is a pyramid shape as a whole, each side of the pyramid is not a flat surface is formed with a step to a constant height, in the surgical navigation apparatus Position recognition marker (1) detected by means for detecting the position so that the position of the correction mechanism can be recognized, correction marker (2) used for correction of the image acquired by the camera of the surgical microscope, surgical microscope A scale bar 3 for measuring the depth of field, the working distance and the visible area, and a correction marker identifier 4 for indicating the position (height information) of the correction marker 2 are provided.

위치인식용 마커(1)는 주로 적외선 반사구로 되어 수술용 항법장치의 적외선 카메라에 의해 인식될 수 있으며, 3차원 공간상의 위치 인식을 위해 적어도 3개의 적외선 반사구가 필요하다. 도 2a의 실시예에서는 4개의 적외선 반사구가 보정기구의 한쪽 평면에 구비되어 있다. 위치인식용 마커(1)는 그 자체가 적외선을 발광하여 위치를 알리는 형태여도 좋으며, 이 경우에 이러한 마커를 인식하는 감지 수단이 사용된다.The position recognition marker 1 is mainly an infrared reflector, and can be recognized by an infrared camera of a surgical navigation apparatus, and at least three infrared reflectors are required for position recognition in a three-dimensional space. In the embodiment of Fig. 2A, four infrared reflectors are provided on one plane of the correction mechanism. The position recognition marker 1 may itself be in the form of emitting infrared light to indicate the position, and in this case, a sensing means for recognizing such a marker is used.

보정용 마커(2)는 일정한 간격(높이)을 두고 층층이 위치해 있으며, 보정용 마커(2)의 높이 정보는 층마다 다른 모양으로 구비되어 있는 보정용 마커 식별자(4)에 의해 표시된다. 도 2b의 실시예에서 보정용 마커(2)는 방향을 달리하는 4개의 열(array)을 이루어고 있으며, 다른 열(각 방향)에 속하는 보정용 마커들은 다른 형태를 가지는데, 이에 의해 보정기구의 위치를 나타내는 위치인식용 마커(1)와 보정용 마커(2)간의 관계를 정의하게 할 수 있으며, 열(array)별로 다른 형태와 층마다 구비된 보정용 마커 식별자(4)에 의해 각각의 보정용 마커(2)는 고유하게 인식될 수 있다. 한편, 도 2b의 실시예에서 이웃한 보정용 마커(2)의 층들은 다른 색깔을 가지는데, 이는 각 보정용 마커(2)를 인식하는데 있어 정확성을 주기 위함이다. The correction markers 2 are located in layers at regular intervals (height), and the height information of the correction markers 2 is indicated by the correction marker identifiers 4 provided in different shapes for each layer. In the embodiment of FIG. 2B, the calibration markers 2 comprise four arrays of different directions, and the calibration markers belonging to different columns (each direction) have different shapes, whereby the position of the calibration mechanism is located. It is possible to define the relationship between the position recognition marker 1 and the correction marker 2, which is represented by the respective correction markers 2 by the correction marker identifier 4 provided in different forms and layers for each array. ) May be uniquely recognized. On the other hand, in the embodiment of FIG. 2B, the layers of neighboring calibration markers 2 have different colors, to give accuracy in recognizing each calibration marker 2.

도 2b의 실시예에서 스케일 바(3)는 좌우대칭인 구조를 하고 있으며, 이는 수술용 현미경의 심도, 작업거리, 및 가시영역을 측정하는데 이용된다.In the embodiment of FIG. 2B, the scale bar 3 has a symmetrical structure, which is used to measure the depth, working distance, and visible area of a surgical microscope.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 스케일 바를 나타내는 도면이고, 도 3b는 스케일 바를 개념적으로 나타내는 도면으로서, 도 3a에 도시된 바와 같이 스케일 바(3)에는 눈금이 새겨져 있으며, 도 3b에 도시된 바와 같이 스케일 바(3)가 직각 이등변삼각형의 경사면을 이루며 수평거리와 수직거리가 같게 되어있다. 즉, 도 3b에서 위에서부터 첫번째 눈금에 어떤 값이 놓이면, 이는 수직방향으로 1mm만큼에 해당하고, 수평방향으로도 1mm만큼에 해당하게 된다. 따라서, 단순히 이 스케일 바의 눈금을 통해 수평거리 및 수직거리를 간단히 알 수 있게 된다.3A is a diagram illustrating a scale bar of a correction mechanism according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a diagram conceptually illustrating a scale bar. As shown in FIG. 3A, a scale is engraved on the scale bar 3. As shown in FIG. 3B, the scale bar 3 forms an inclined surface of a right angled isosceles triangle and has the same horizontal distance and vertical distance. That is, if any value is placed on the first scale from the top in Fig. 3b, it corresponds to 1 mm in the vertical direction and 1 mm in the horizontal direction. Therefore, the scale and the horizontal distance can be known simply through the scale of this scale bar.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구의 중심축 표시부(15)를 나타내는 사시도이며, 도 4b는 그 평면도로서, 중심축 표시부(15)는 보정기구의 중심축(6) 상에 위치하여 중심축을 표시하며, 정사각형 안에 카메라에서 인식할 수 있는 마커(17)가 위치해 있고, 수술용 현미경을 보정할 때 수술용 현미경의 광축과 보정기구의 중심축(6)을 일치시키기 위함과, 보정기구를 수술용 현미경의 또는 카메라의 이미지의 중심에 위치시키기 위함이다.4A is a perspective view showing a central axis display portion 15 of the correction mechanism according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a plan view thereof, and the central axis display portion 15 is positioned on the central axis 6 of the correction mechanism. The marker 17, which can be recognized by the camera, is located in the square, so that when the surgical microscope is calibrated, the optical axis of the surgical microscope coincides with the central axis 6 of the calibrating mechanism. To place the instrument in the center of the surgical microscope or image of the camera.

도 5a 내지 도 5d는 수술용 현미경의 광축(5)과 보정기구의 중심축(6)에 따른 수술용 현미경 또는 카메라에서 관찰되는 보정기구의 이미지(7)의 변화를 나타내는 도면으로서, 보정기구는 좌우대칭이므로 수술용 현미경의 광축(5)과 보정기구의 중심축(6)이 일치하지 않을 경우 도 5b 내지는 도 5d에서와 같이 보정기구의 이미지(7)에서 보정기구의 좌우 또는 상하의 배율이 같지 않게 된다. 이와 같이 보정기구의 이미지(7)의 상하좌우의 비율로써 수술용 현미경의 광축(5)과 보정기구의 중심축(6)을 일치시킨다.5a to 5d show a change in the image 7 of the calibration mechanism observed by the surgical microscope or camera along the optical axis 5 of the surgical microscope and the central axis 6 of the calibration mechanism, wherein the calibration mechanism is Since the optical axis 5 of the surgical microscope and the central axis 6 of the calibrating mechanism do not coincide with each other, the magnification of the right and left or top and bottom of the calibrating mechanism is not the same in the image 7 of the calibrating mechanism as shown in FIGS. 5B to 5D. Will not. In this manner, the optical axis 5 of the surgical microscope coincides with the central axis 6 of the correction mechanism by the ratio of the top, bottom, left, and right sides of the image 7 of the correction mechanism.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구로 수술용 현미경에 부착된 카메라를 보정하는 순서도를 나타내는 도면으로서, 도 5a 내지는 도 5d에 설명한 과정을 통해 수술용 현미경의 광축(5)과 보정기구의 중심축(6)을 일치시킨 상태에서, 먼저, 수술용 항법장치는 적외선 카메라와 같은 위치를 감지하는 수단을 이용하여 도 7a와 같이 수술용 현미경의 3차원 공간상의 위치(8)와 보정기구의 3차원 공간상의 위치(9)를 인식한 후, 수술용 현미경에 부착된 카메라를 이용하여 도 7b와 같은 이미지를 획득하고, 다음으로 보정기구의 가공수치자료와 3차원 공간상의 위치를 이용하여 각 보정용 마커(2)의 3차원 공간상의 위치를 파악한다. 다음으로, 이와 같은 정보를 이용하여 “Faugeras's Method", "R. Tasi's Method"와 같은 기존의 카메라 보정 알고리즘을 이용하여 수술용 현미경에 부착된 카메라를 보정한다. 도 7a에 도시된 이미지 좌표(10)는 이러한 카메라 보정 알고리즘을 통해 구한 카메라에서 획득한 이미지의 3차원 위치를 나타내고 있다.FIG. 6 is a flowchart illustrating a process of calibrating a camera attached to a surgical microscope with a calibrating mechanism according to an embodiment of the present invention. FIG. 5A through FIG. 5D show an optical axis 5 and correction of the surgical microscope. In the state where the central axis 6 of the instrument is aligned, first, the surgical navigation apparatus corrects the position 8 and the three-dimensional space of the surgical microscope as shown in FIG. 7A by means of sensing a position such as an infrared camera. After recognizing the position 9 in the three-dimensional space of the instrument, an image as shown in FIG. 7B is obtained by using a camera attached to a surgical microscope, and then using the processed numerical data of the correction instrument and the position in the three-dimensional space The position of each correction marker 2 on the three-dimensional space is grasped. Next, using this information, “Faugeras's Method”, “R. The camera attached to the surgical microscope is calibrated using an existing camera calibration algorithm such as "Tasi's Method." The image coordinate 10 shown in FIG. 7A is a three-dimensional image of an image obtained from a camera obtained through this camera calibration algorithm. The location is shown.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 심도(depth of focus)를 측정하는 방법을 설명하는 도면으로서, 본 발명에서 수술용 현미경의 심도(11)는 도 8b에 도시된 바와 같이 수술용 현미경 또는 현미경에 부착된 카메라에서 획득한 이미지에서 보정기구의 스케일 바가 선명하게 보이는 영역(11)을 말하며, 이는 도 8a에 도시된 바와 같이 수술용 현미경의 광축 방향으로 현미경의 초점의 깊이를 나타내는 것으로, 수술용 현미경의 광학적인 특성으로서 기존의 보정기구에서는 측정하지 못했던 것이다.8A to 8C illustrate a method of measuring a depth of focus of a surgical microscope using a correction mechanism according to an embodiment of the present invention. Refers to the region 11 where the scale bar of the calibration instrument is clearly visible in the image obtained from the surgical microscope or the camera attached to the microscope as shown in FIG. 8B, which is an optical axis of the surgical microscope as shown in FIG. 8A. It represents the depth of focus of the microscope in the direction, which is an optical characteristic of a surgical microscope, which was not measured by conventional calibration instruments.

본 발명에서의 심도(11) 측정은 도 8b에 도시된 바와 같이 수술용 현미경에 부착된 카메라에서 획득한 이미지에서 스케일 바의 눈금을 도 8c에 도시된 것과 같은 이미지 값을 이용하여, 스케일 바에서 선명하게 나타나는 부분의 길이를 측정함으로써 구할 수 있다.Depth 11 measurement in the present invention is to measure the scale bar in the image obtained from the camera attached to the surgical microscope as shown in Figure 8b, using the image value as shown in Figure 8c, It can obtain | require by measuring the length of the part which appears clearly.

즉, 도 8c에서와 같이 스케일 바의 길이 방향의 이미지 값을 구하면, 스케일 바의 눈금(검정색)은 “0”의 값을 가지는 반면, 배경(흰색)은 “255”의 값을 갖는다. 상기 스케일 바와 배경의 이미지 값은 이미지가 선명하게 나올 경우이며, 이미지가 선명하게 나오지 않을 경우에는 스케일 바의 눈금의 이미지 값은 “0”보다 큰 값을 가지게 되고, 스케일 바의 배경의 이미지 값은 “255”보다 적은 값을 갖게 된다. 또한 스케일 바에서 각 눈금과 배경의 이미지 값의 기울기를 구하면, 이미지가 선명한 경우에는 스케일 바의 눈금과 배경의 이미지 값의 기울기가 큰 값을 갖는 반면, 이미지가 선명하지 않을 경우에는 그 기울기 값은 적은 값은 갖게 된다. 이와 같은 방법으로 상기한 스케일 바의 눈금과 배경의 이미지 값과, 이미지 값을 이용한 기울기를 이용하여 스케일 바에서 선명하게 나타나는 부분의 길이를 측정할 수 있다.That is, when the image value in the longitudinal direction of the scale bar is obtained as shown in FIG. 8C, the scale (black) of the scale bar has a value of "0", while the background (white) has a value of "255". The image value of the scale bar and the background is when the image is clear, and when the image is not sharp, the image value of the scale bar scale is larger than “0”, and the image value of the background of the scale bar is It will have a value less than “255”. Also, if the scale bar calculates the slope of the image value of each scale and background, the slope of the scale bar scale and the image value of the background has a large value when the image is clear, while the slope value of the scale bar is The lower the value. In this way, the scale of the scale bar, the image value of the background, and the length of the portion clearly appearing on the scale bar can be measured by using the slope using the image value.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 작업거리(working distance)를 측정하는 방법을 설명하는 도면으로서, 현미경의 광학적인 특성으로서의 작업거리는 도 9a의 15에 해당하는 것으로 수술용 현미경의 광축 방향으로 현미경의 대물렌즈에서 현미경의 심도까지의 거리를 나타내고 있다. 그러나 수술용 항법장치에서의 작업거리는 현미경의 광축 방향으로 카메라 이미지 좌표(10)의 중심에서 현미경의 심도까지의 거리이므로, 현미경에서 제공하는 정보와 다른 것이다.9A and 9B illustrate a method of measuring a working distance of a surgical microscope using a correction mechanism according to an embodiment of the present invention, wherein the working distance as an optical characteristic of the microscope is shown in FIG. 9A. Corresponding to 15, the distance from the microscope objective lens to the depth of the microscope in the optical axis direction of the surgical microscope is shown. However, since the working distance in the surgical navigation system is the distance from the center of the camera image coordinates 10 to the depth of the microscope in the optical axis direction of the microscope, it is different from the information provided by the microscope.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 수술용 현미경에 부착된 카메라의 보정 단계에서 수술용 현미경의 광축 방향에 따른 수술용 현미경에 부착된 카 메라에서 획득한 이미지 좌표(10)에서 보정기구의 좌표(9) 중심까지의 거리(13)와 보정기구의 좌표(9) 중심에서 심도까지의 거리(14)를 이용하여 현미경의 작업거리(12)를 구한다. 거리(13)은 이미지 좌표(10)과 보정기구의 좌표(9)의 정보가 이미 주어져 있으므로 이미 주어진 값이며, 거리(14)는 도 9b에서와 같이 수술용 현미경에 부착된 카메라에서 획득한 이미지에서의 스케일 바를 이용하여 구할 수 있다.In the present invention, in order to solve this problem in the calibration step of the camera attached to the surgical microscope in the image coordinates (10) obtained from the camera attached to the surgical microscope according to the optical axis direction of the surgical microscope coordinates of the correction mechanism ( 9) Using the distance 13 to the center and the distance 14 from the center of the coordinates 9 of the calibration mechanism to the depth, the working distance 12 of the microscope is obtained. The distance 13 is already given since the information of the image coordinate 10 and the coordinate 9 of the calibration mechanism is already given, and the distance 14 is an image obtained from a camera attached to a surgical microscope as shown in FIG. 9B. This can be obtained using the scale bar at.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정기구를 이용하여 수술용 현미경의 가시영역(field of view)을 측정하는 방법을 설명하는 도면으로서, 본 발명에서 수술용 현미경의 가시영역(F.O.V)은 현미경에 부착된 카메라에서 획득한 이미지에서의 스케일 바를 이용하여 보정기구의 중심축 표시부에서의 이미지의 가장자리까지의 좌우거리(15)(16)와 상하거리(17)(18) 구한 후, 보정기구의 가공수치에 명시된 중심축 표시부의 길이(19)를 이용하여 구한다(F.O.V = (15+19+16)x(17+19+18)).10A and 10B illustrate a method of measuring a field of view of a surgical microscope using a calibration mechanism according to an embodiment of the present invention. FOV) is obtained by using the scale bar in the image acquired by the camera attached to the microscope to determine the left and right distances (15) and (16) and up and down distances (17) and (18) to the edges of the image at the center axis display of the correction mechanism. Using the length 19 of the central axis indicator specified in the machining value of the calibration mechanism, FOV = (15 + 19 + 16) x (17 + 19 + 18).

본 발명에 의하면, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경에 대해 보정을 행할 경우에 수술용 현미경의 위치와 수술용 현미경에 부착된 카메라에서 획득한 이미지 위치의 보정뿐만 아니라 수술용 현미경의 심도, 작업거리 및 가시영역과 같은 수술용 현미경의 광학적인 특정까지 보정할 수 있으며, 이는 수술용 항법장치의 정밀도 향상시키는 효과가 있다.According to the present invention, the depth of the surgical microscope, as well as the correction of the position of the surgical microscope and the position of the image obtained from the camera attached to the surgical microscope when correcting the surgical microscope used in the surgical navigation apparatus, The optical specification of the surgical microscope, such as the working distance and the visible range, can be corrected, which has the effect of improving the precision of the surgical navigation system.

Claims (1)

수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정방법으로서, 이미지 획득을 위한 카메라를 구비하는 수술용 현미경의 위치를 감지하는 수단과 하나의 수직방향의 중심축을 포함하는 보정기구를 이용하는, 수술용 항법장치에 사용되는 수술용 현미경을 보정하는 보정방법.A calibration method for calibrating a surgical microscope used in a surgical navigation device, the method comprising: a means for sensing the position of a surgical microscope having a camera for image acquisition and a calibration mechanism including a vertical central axis; Calibration method for calibrating a surgical microscope used in navigational devices.
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