KR20100099507A - Implant simulation system using haptic interface - Google Patents

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KR20100099507A
KR20100099507A KR1020090018043A KR20090018043A KR20100099507A KR 20100099507 A KR20100099507 A KR 20100099507A KR 1020090018043 A KR1020090018043 A KR 1020090018043A KR 20090018043 A KR20090018043 A KR 20090018043A KR 20100099507 A KR20100099507 A KR 20100099507A
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박진아
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김재현
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프림포주식회사
한국과학기술원
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Abstract

PURPOSE: An implant simulation system using a haptic interface is provided to supply an implant operation experience by providing a physical/virtual implant operation environment which are almost similar to an actual implant operation environment. CONSTITUTION: A haptic device(100) implements a force or haptic for implementing the actual feel of a cure tool, and outputs the signal depending on the mechanical displacement of an operating unit(110), and displaces the operating unit according to the input signal having the information for the reaction force. A display unit(200) outputs the shape models(210,220) for a bone and an operating tool virtually. A controller(300) updates the shape and location information of the shape model outputted to the display unit according to the signal inputted from the haptic device.

Description

햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템{Implant Simulation System Using Haptic Interface}Implant Simulation System Using Haptic Interface

본 발명은 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼륨모델 기반의 햅틱 인터페이스가 적용된 가상의 뼈 모델 및 가상의 치료장비를 통해, 사용자가 실제 임플랜트 수술 시와 거의 동일한 물리적·시각적인 임플랜트 수술 경험을 제공할 수 있는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an implant simulation system using a haptic interface, and more specifically, through a virtual bone model and a virtual treatment device to which a haptic interface based on a volume model is applied, the user is almost physically and visually identical to the actual implant surgery. An implant simulation system using a haptic interface capable of providing an in- implant surgical experience.

일반적으로 햅틱스(Haptics)는 컴퓨터의 기능 가운데 사용자의 입력장치인 키보드, 마우스, 조이스틱 및 터치스크린 등을 통해 촉각, 힘 및 운동감 등을 느끼게 하는 감각 인터페이스 기술을 의미한다.In general, haptics refers to a sensory interface technology that allows a user to feel haptics, power, and movement through a keyboard, a mouse, a joystick, and a touch screen as a user's input device.

기존의 컴퓨터 기술은 인간과 컴퓨터가 정보를 주고받는 데 시청각 정보가 주로 이용되었다. 그러나 사용자는 가상 현실을 통해 더욱 구체적이고 실감나는 정보를 원하게 되고, 이를 충족시키기 위해 개발된 것이 촉각과 힘까지 전달하는 햅틱기술이다.Conventional computer technology mainly uses audiovisual information to exchange information with humans and computers. However, users want more specific and realistic information through virtual reality, and haptic technology that delivers tactile and power was developed to satisfy this.

기본적으로 햅틱기술을 이용한 시뮬레이터를 만들려면 햅틱장치와 햅틱 렌더 링 및 컴퓨터 그래픽스 기술이 필요하다. 여기서, 상기 햅틱장치는 펜(Pen) 형태의 조작부를 가진 기계적 장치로서, 인간과 가상환경과의 상호 작용을 위해 고안된 것이다. 사용자는 햅틱장치를 통해 가상 환경에 명령을 내리고 가상 환경에서 오는 촉감이나 힘을 느끼게 된다.Basically, creating a simulator using haptic technology requires haptic devices, haptic rendering and computer graphics technology. Here, the haptic device is a mechanical device having a pen-shaped manipulation unit, and is designed for interaction between a human and a virtual environment. The user gives commands to the virtual environment through the haptic device and feels the touch or power coming from the virtual environment.

이러한 햅틱기술은 최근 상기 햅틱장치 기술뿐만 아니라 컴퓨터 환경의 진보로 인하여, 의학분야에서 햅틱 피드백의 의료 시뮬레이션과 관련된 많은 연구들이 제안되고 있으며, 특히 안면, 턱 두개골 및 치과 수술 등은 햅틱 피드백이 중요한 수술이기 때문에 이러한 뼈 관련 수술 시뮬레이션의 관심은 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.The haptic technology has recently been proposed in the medical field due to the advancement of the haptic device technology as well as the computer environment, and many studies related to medical simulation of haptic feedback have been proposed. Because of this, the interest of these bone-related surgical simulations is steadily increasing.

특히, 뼈 관련 수술 중 임플랜트 수술과 관련하여, 종래에는 치과 치료 경험이 많은 전문 치과의사를 제외하고는 능숙하게 치과 치료도구를 다루는 방법을 배우고 환자의 치아와 치과 치료도구가 접촉할 때의 느낌을 습득하여야 하나, 종래의 치과 치료 훈련을 받는 치과대 학생들은 치과 환자들의 발치된 치아 및 인공치아를 이용하여 치과 치료 훈련을 받았었다.In particular, with regard to implant surgery during bone-related surgery, except for professional dentists who have a lot of dental experience, they have learned how to handle dental tools and feel how the teeth of the patient come in contact with the dental tools. Although it should be learned, dental students receiving conventional dental treatment training have received dental treatment training using extracted teeth and artificial teeth of dental patients.

그러나, 인공치아를 이용한 치과 치료 훈련의 경우에는, 실제 환자의 치료를 요하는 치아의 다양한 구조와 모양 및 손상된 정도를 인공치아로 표현하기가 제한되었다. 또한, 임플랜트 시술의 경우에는 치아는 물론 잇몸뼈에 대한 가공이 이루어져야 하나, 치아와 잇몸뼈의 강성은 각각 상이하기 때문에 상기 치아를 가공하는 치료 훈련만으로는 상기 잇몸뼈를 가공하는 치료를 체득하기 어려운 문제점이 있었다.  However, in the case of dental training using artificial teeth, artificial teeth have been limited in expressing various structures, shapes, and the degree of damage of teeth that require the treatment of actual patients. In addition, in the case of implantation, the processing of the gum bone as well as the teeth should be made, but since the rigidity of the teeth and the gum bones are different, it is difficult to obtain the treatment of processing the gum bone only by the treatment training for the tooth. There was this.

더불어, 숙달된 치과 치료 경험을 위해서는 고가의 인공치아 및 시체의 뼈가 다량으로 사용되기 때문에 경제적으로 많은 비용이 소요되었다.In addition, advanced dental experiences have been costly because of the costly use of expensive artificial teeth and bones of the body.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 사용자에게 실제와 거의 동일한 물리적·시각적인 가상의 임플랜트 수술 환경을 제공함으로써, 실제 임플랜트 수술 경험을 대용할 수 있는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created in order to solve the above-described problems, by providing a virtual and surgical implant surgery environment that is almost the same as the actual, the implant simulation system using a haptic interface that can substitute the actual implant surgery experience The purpose is to provide.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템은, 치료도구의 실제 느낌을 구현하는 힘 또는 촉각의 반향 장치로서, 조작부의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고, 반력(Feedback Force)에 대한 정보를 갖는 입력 신호에 따라 상기 조작부가 변위되는 햅틱장치; 치료를 필요로 하는 환부의 뼈 형상모델 및 상기 환부를 치료하는데 사용되는 치료도구 형상모델을 가상의(Virtual) 영상으로 출력하는 디스플레이부; 상기 햅틱장치로부터 입력된 신호에 따라 상기 디스플레이부 상에 영상 출력되는 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델의 형태 및 위치 정보를 실시간 갱신하며, 볼륨모델을 기반으로 상기 뼈 형상모델 및 치료도구 형상모델의 충돌에 따른 반력을 연산하여 연산된 반력에 대한 정보를 갖는 신호를 상기 햅틱장치로 전달하는 제어부;를 포함한다.Implant simulation system using a haptic interface according to the present invention for achieving the above object, as a force or tactile echo device for realizing the real feeling of the treatment tool, outputs a signal according to the mechanical displacement of the operation unit, the feedback (Feedback) A haptic device in which the manipulation unit is displaced according to an input signal having information about a force; A display unit configured to output a virtual shape of the bone shape model of the affected area requiring treatment and the treatment tool shape model used to treat the affected area as a virtual image; The shape and position information of the bone shape model and the treatment tool shape model are output in real time on the display unit according to a signal input from the haptic device, and the bone shape model and the treatment tool shape model are based on a volume model. And a controller configured to calculate a reaction force according to a collision of and transmit a signal having information on the calculated reaction force to the haptic device.

여기서, 상기 뼈 형상모델 및 치료도구 형상모델의 충돌 검사는, 상기 뼈 형상모델의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드를 사용하여 수행되되, 상기 치료도구 형상모델의 경계구(Bounding sphere)에 포함되는 상기 뼈 형상모델의 포인트 쉘을 추출하며, 추출된 포인트에서 디스턴스 필드의 값을 질의하고 부호를 판단하여 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델의 충돌 여부를 검사하도록 구비될 수 있다.In this case, the collision test between the bone shape model and the treatment tool shape model is performed using the point shell of the bone shape model and the distance field of the treatment tool shape model, and is applied to the bounding sphere of the treatment tool shape model. A point shell of the included bone shape model may be extracted, and the value of the distance field may be queried from the extracted point and the sign may be determined to check whether the bone shape model and the treatment tool shape model collide with each other.

또한, 상기 치료도구 형상모델의 경계구에 포함되는 포인트 쉘은 아래의 [수학식 2]를 통하여 디스턴스 필드의 볼륨 공간으로 변환되며, 상기 치료도구 형상모델의 포인트가 볼륨공간으로 변환된 위치에서 아래의 [수학식 3]을 통해 디스턴스 필드의 값을 결정하며, 결정된 디스턴스 필드 값이 음수(-)일 경우에 상기 치료도구 형상모델은 상기 뼈 형상모델에 충돌된 것으로 간주하도록 구비될 수 있다.In addition, the point shell included in the boundary of the treatment tool shape model is converted to the volume space of the distance field through the following [Equation 2], the point from the position where the point of the treatment tool shape model is converted to the volume space The value of the distance field is determined through Equation 3, and when the determined distance field value is negative, the treatment tool shape model may be provided to be considered to have collided with the bone shape model.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009013064085-PAT00001
Figure 112009013064085-PAT00001

(여기서, Sx는 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드가 위치하는 지역 좌표계에서 디스턴스 필드를 셈플링하는 위치, Px는 월드 좌표계에서 포인트 쉘 포인트의 위치, Dpos는 월드좌표계에서 디스턴스 필드의 위치, Dsize는 디스턴스 필드의 크기(즉, 복셀의 최소 위치값 - 복셀의 최대 위치값) 및, Dnum은 디스턴스 필드의 해상 도를 의미한다. 따라서, Sx는 0에서 Dnum - 1 사이의 값으로 결정된다.)Where S x is the location of the distance field in the local coordinate system where the distance field of the Healing Tool geometry model is located, P x is the location of the point shell point in the world coordinate system, D pos is the location of the distance field in the world coordinate system, D size is the size of the distance field (that is, the minimum position value of the voxel minus the maximum position value of the voxel), and D num is the resolution of the distance field, so S x is a value between 0 and D num -1 Is determined.)

[수학식 3]&Quot; (3) "

d = d000*(1-x)(1-y)(1-z)+d001*(1-x)(1-y)(z)+d010*(1-x)(y)(1-z)+d011*(1-x)(y)(z)+d100*(x)(1-y)(1-z)+d101*(x)(1-y)(z)+d110*(x)(y)(1-z)+d111*(x)(y)(z)d = d 000 * (1-x) (1-y) (1-z) + d 001 * (1-x) (1-y) (z) + d 010 * (1-x) (y) (1 -z) + d 011 * (1-x) (y) (z) + d 100 * (x) (1-y) (1-z) + d 101 * (x) (1-y) (z) + d 110 * (x) (y) (1-z) + d 111 * (x) (y) (z)

(여기서, d는 포인트의 임의의 위치(x,y,z)에서의 디스턴스 필드 값, d000, d001, d010, d011, d100, d101, d110 및 d111는 상기 임의의 위치(x,y,z)에 자리한 포인트를 기준으로 주변의 8개의 복셀들이 갖는 각 디스턴스 필드 값을 의미한다.)(Where d is the distance field value at any location (x, y, z) of the point, d 000, d 001, d 010, d 011, d 100, d 101, d 110 and d 111 are any of the above Refers to the value of each distance field of eight adjacent voxels based on a point located at position (x, y, z).)

또한, 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델이 서로 충돌하여 발생하는 접촉힘(Fc)은, 아래의 [수학식 4]를 이용하여 계산되도록 구비될 수 있다.In addition, the contact force (F c ) generated by the collision between the bone shape model and the treatment tool shape model may be provided to be calculated using Equation 4 below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112009013064085-PAT00002
Figure 112009013064085-PAT00002

(여기서, 상기 kc는 강성(Stiffness), di는 치료도구 형상 모델과 충돌한 i번째 포인트 쉘 포인트의 위치에서 얻은 디스턴스 필드의 값이며, Ni는 충돌한 i번째 포인트의 법선 벡터(Normal Vector)이다.)Where k c is the stiffness, d i is the value of the distance field at the location of the i point shell point that collided with the Healing Tool shape model, and N i is the normal vector of the i point that collided (Normal) Vector).)

또한, 상기 반력은, 가상 커플링(Virtual Coupling)을 이용하여 간접적으로 계산되되, 상기 치료도구 형상모델과 상기 햅틱장치의 위치를 각각 계산한 후, 가상의 스프링(Virtual Spring)으로써 상기 치료도구 형상모델과 상기 햅틱장치를 서 로 연결한 후, 아래의 [수학식 5]를 이용하여 가상 커플링의 힘(Fvc)를 계산하여 상기 가상 커플링의 힘(Fvc)과 크기는 같으나 방향은 반대인 반력을 연산하며, 상기 제어부는, 상기 반력에 대한 정보를 갖는 입력 신호를 상기 햅틱장치로 전송하도록 구비될 수 있다.In addition, the reaction force is indirectly calculated by using a virtual coupling (Virtual Coupling), after calculating the position of the treatment tool shape model and the haptic device, respectively, and then the treatment tool shape as a virtual spring (Virtual Spring) After the model and the haptic device are connected to each other, the force (F vc ) of the virtual coupling is calculated by using Equation 5 below, and the direction is the same as the force (F vc ) of the virtual coupling. Computing a reaction force that is the opposite, the control unit may be provided to transmit an input signal having information on the reaction force to the haptic device.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112009013064085-PAT00003
Figure 112009013064085-PAT00003

(여기서, kd는 가상 스프링의 강성(stiffness), Pd는 햅틱 장비의 위치 및 Pt는 치료도구 형상모델의 위치를 의미한다.)(Where k d is the stiffness of the virtual spring, P d is the position of the haptic device, and P t is the position of the therapeutic tool shape model.)

또한, 상기 디스플레이부 상에 영상 출력되는 상기 치료도구 형상모델의 위치는 아래의 [수학식 6]을 통하여 산출 가능하도록 구비될 수 있다.In addition, the position of the treatment tool shape model is displayed on the display unit may be provided to be calculated through the following [Equation 6].

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112009013064085-PAT00004
Figure 112009013064085-PAT00004

(여기서, 상기△x는 상기 치료도구 형상모델 위치의 변위,

Figure 112009013064085-PAT00005
는 x에 대한 접촉힘의 변화량,
Figure 112009013064085-PAT00006
는 x에 대한 가상 커플링 힘(Fvc)의 변화량을 의미한다.)(Where Δx is the displacement of the treatment tool shape model position,
Figure 112009013064085-PAT00005
Is the change in contact force with respect to x,
Figure 112009013064085-PAT00006
Is the amount of change in the virtual coupling force (F vc ) with respect to x.)

또한, 상기 Δx는 햅틱 사이클에서 가우시언 소거법으로 산출하며, 현재의 치료도구 형상모델의 위치에 상기 Δx를 더하여, 새로운 치료도구 형상모델의 위치를 계산 가능하도록 구비될 수 있다.In addition, the Δx is calculated by Gaussian elimination in the haptic cycle, and may be provided to calculate the position of the new treatment tool shape model by adding the Δx to the position of the current treatment tool shape model.

또한, 상기 제어부는, 상기 연산된 반력에, 아래의 [수학식 7]을 적용하여 실제 치료도구를 사용할 때 발생하는 진동 정보를 부가하며, 상기 햅틱장치를 통해 사용자에게 진동 힘이 포함된 반력이 전달되도록 구비될 수 있다.In addition, the control unit, by applying the following Equation (7) to the calculated reaction force to add the vibration information generated when using the actual treatment tool, the reaction force including the vibration force to the user through the haptic device It may be provided to be delivered.

[수학식 7] [Equation 7]

Figure 112009013064085-PAT00007
Figure 112009013064085-PAT00007

Figure 112009013064085-PAT00008
Figure 112009013064085-PAT00008

Figure 112009013064085-PAT00009
Figure 112009013064085-PAT00009

(여기서, 상기 Fn은 연산된 반력, b는 현재 시간t에서 주기가 100이고 크기가 0.15인 사인 값을 나타낸다.)Where Fn represents the calculated reaction force, b represents the sine of a period of 100 and a magnitude of 0.15 at the current time t.

또한, 상기 뼈 형상모델의 볼륨모델링을 수행함에 있어서, 상기 뼈 형상모델의 3차원 표면모델이 존재하는 공간을 이산적으로 나누어 뼈의 형상을 복셀화하며, 골밀도 촬영장비를 통해 획득된 수치화된 골밀도의 정보를 상기 복셀화된 모델에 적용하여, 뼈의 골밀도 속성이 부여된 상태로 뼈 내부의 서로 다른 강성을 표현할 수 있다.In addition, in performing the volume modeling of the bone shape model, by dividing the space in which the three-dimensional surface model of the bone shape model exists by voxelizing the shape of the bone, the numerical bone density obtained through the bone density imaging equipment By applying the information of to the voxelized model, it is possible to express the different stiffness in the bone in the state given the bone density property of the bone.

또한, 상기 골밀도 촬영장비는, CT(Computed Tomography) 촬영기, MRI(Magnetic Resonance Imaginger) 및 X-Ray 촬영기 중의 어느 하나일 수 있다.The bone density imaging apparatus may be any one of a CT (Computed Tomography) imager, a magnetic resonance imaging (MRI), and an X-ray imager.

본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 의하면, 실제 임플랜트 치료 훈련을 하지 않아도 실제의 임플랜트 수술 경험과 거의 동일한 물리적·시각적인 경험을 체득할 수 있으며, 고가의 인공치아와 같은 임플랜트 치료 훈련의 소요 자재가 불필요하기 때문에 경제적 효용 가치가 상승하는 효과를 제공한다.According to the implant simulation system using the haptic interface according to the present invention, it is possible to acquire a physical and visual experience that is almost the same as the actual implant surgery experience without the actual implant treatment training, and the cost of implant treatment training such as expensive artificial teeth. Since the required materials are unnecessary, the economic utility value increases.

또한, 손상된 치아 및 잇몸뼈와 같이 실제 환자의 환부의 뼈에 대한 형태 및 강성 등의 시각적·물리적 데이터를 의료 시뮬레이션 시스템에 저장 및 출력되며, 햅틱장치를 통해 실제 임플랜트 수술 시와 동일한 힘과 촉감이 전달됨으로써 실제와 거의 같은 임플랜트 치료 경험을 체득할 수 있는 장점이 있다.In addition, visual and physical data such as shape and stiffness of the affected patient's bone, such as damaged teeth and gum bones, are stored and output in the medical simulation system, and the haptic device provides the same force and feel as in actual implant surgery. The benefit is that you can get an implant treatment experience that is almost as real as it is.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

먼저, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 구성을 설명한다.First, the configuration of an implant simulation system using a haptic interface according to the present invention will be described.

도 1은 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 구성을 나타낸 개략도, 도 2는 비주얼 렌더링 기법 및 햅틱 렌더링 기법이 구현되는 절차를 나타낸 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 블록도이다.1 is a schematic diagram showing a configuration of an implant simulation system using a haptic interface according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of an implant simulation system using a haptic interface showing a procedure of implementing a visual rendering technique and a haptic rendering technique.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템은, 크게 햅틱장치(100), 디스플레이부(200) 및 제어부(300)를 포함하여 구비된다.As shown in FIG. 1, an implant simulation system using a haptic interface according to the present invention includes a haptic device 100, a display unit 200, and a controller 300.

상기 디스플레이부(200)는, 치료를 필요로 하는 환부의 뼈 형상모델(220)과 상기 환부를 치료하는데 사용되는 치료도구 형상모델(210)을 가상의(Virtual) 영상으로 출력한다.The display unit 200 outputs a bone shape model 220 of the affected area that requires treatment and a treatment tool shape model 210 used to treat the affected area as a virtual image.

여기서, 상기 환부는 임플랜트 수술시 치아 및 잇몸뼈와 관련된 수술 또는 치료를 필요로 하는 신체의 부위를 의미하며, 상기 치료도구는 실제로 환자를 임플랜트 수술 또는 치료할 때 상기 환부에 직접적으로 사용되는 임플랜트 의료도구를 의미한다.Here, the affected part refers to a part of the body that requires surgery or treatment related to teeth and gum bone during implant surgery, and the treatment tool is an implant medical tool used directly on the affected part when actually performing surgery or treatment on a patient. Means.

또한, 본 발명의 실시예에서는 치아 및 잇몸뼈를 다루는 임플랜트 수술을 일예를 들어 설명하나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 구성 및 동작원리를 응용하여 안면, 턱 및 두개골 등과 같은 다양한 의료수술에 적용 가능하다.In addition, the embodiment of the present invention describes an implant surgery for treating teeth and gum bone as an example, the structure and operation of the implant simulation system using a haptic interface of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains The principle can be applied to various medical procedures such as face, jaw and skull.

따라서, 상기 뼈 형상모델(220) 및 치료도구 형상모델(210)이 갖는 형태는 적용되는 다양한 의료수술에서의 환부 형상 및 의료도구 형상에 따라 달라짐은 물론이다.Therefore, the shape of the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 is a matter of course depending on the affected shape and the shape of the medical tool in the various medical surgery to be applied.

상기 제어부(300)는, 디스플레이부(200)와 햅틱장치(100)의 사이에 전기적 신호로 연결되되, 상기 햅틱장치(100)으로부터 입력된 신호에 따라 상기 디스플레이부(200) 상에 영상 출력되는 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)의 형태 및 위치 정보를 실시간 갱신하며, 볼륨모델을 기반으로 상기 뼈 형상모델(220) 및 치료도구 형상모델(210)의 충돌에 따른 반력(Feedback Force)을 연산하여 연산된 반력에 대한 정보를 갖는 신호를 상기 햅틱장치(100)로 전달한다.The control unit 300 is connected to the electrical signal between the display unit 200 and the haptic device 100, the image is output on the display unit 200 according to the signal input from the haptic device 100 The shape and position information of the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 are updated in real time, and the reaction force according to the collision between the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 based on the volume model ( Feedback force) and transmits a signal having information on the calculated reaction force to the haptic device 100.

또한, 상기 제어부(300)는 상기 햅틱장치(100)로부터 움직임 신호를 전달받아 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)과의 충돌을 검사하고 충돌 시 볼륨모델을 기반으로 반력 정보를 계산하는 햅틱 렌더링을 수행하고, 화면을 갱신하는 비주얼 렌더링을 수행함으로써, 상기 치료도구 형상모델(210)의 위치 변화에 따른 뼈 형상모델(220)의 변형을 실행하여 상기 디스플레이부(200)를 통하여 영상으로 출력되도록 한다.In addition, the control unit 300 receives the motion signal from the haptic device 100 and examines the collision between the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 and when the collision is based on the reaction force information based on the volume model By performing a haptic rendering to calculate and performing a visual rendering to update the screen, by performing the deformation of the bone shape model 220 according to the position change of the treatment tool shape model 210 through the display unit 200 Output to video.

상기 햅틱장치(100)는, 치료도구의 실제 느낌을 구현하는 일종의 힘 반향 장치로서, 조작부(110)의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고 상기 반력에 대한 정보를 갖는 입력신호에 따라 상기 조작부(110)가 변위된다.The haptic device 100 is a kind of force echo device for realizing the actual feeling of the treatment tool, and outputs a signal according to the mechanical displacement of the manipulation unit 110 and according to an input signal having information on the reaction force, the manipulation unit 110. ) Is displaced.

여기서, 상기 조작부(110)는 사용자가 직접적으로 신체의 일부인 손가락 또는 손바닥 등을 접촉하여 조작함으로써, 상기 디스플레이부(200) 상의 치료도구 형상모델(210)의 위치 변위를 간접적으로 변동시킴과 동시에, 상기 치료도구 형상모델(210)과 뼈 형상모델(220)의 충돌에 따라 발생하는 반력을 사용자가 직접적으로 감지할 수 있도록 상기 반력에 대응하는 힘 또는 촉각이 발생되는 구성이다.Here, the operation unit 110 indirectly changes the positional displacement of the treatment tool shape model 210 on the display unit 200 by directly operating a user by touching a finger or a palm which is a part of the body. The force or tactile force corresponding to the reaction force is generated so that the user can directly detect the reaction force generated by the collision between the treatment tool shape model 210 and the bone shape model 220.

또한, 상기 햅틱장치(100)는 사용자의 조작에 의해 상기 조작부(110)가 움직이게 되면 그 움직임을 전기적 신호로 변환하여 상기 제어부(300)를 거쳐 디스플레이부(200)에 전달하며, 상기 제어부(300)로부터 연산된 반력 정보를 수신하여 그 반력 정보에 대응하는 힘과 촉감을 상기 조작부(110)를 통해 사용자에게 전달한다.In addition, when the manipulation unit 110 moves by a user's manipulation, the haptic device 100 converts the movement into an electrical signal and transmits the movement to the display unit 200 via the control unit 300, and the control unit 300. Receives the reaction force information calculated from) and transmits the force and the touch corresponding to the reaction force information to the user through the operation unit (110).

다음으로는, 도 3a 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 동작원리를 설명한다.Next, the operation principle of an implant simulation system using the haptic interface according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 11.

도 3a는 본 발명의 뼈 형상모델을 3차원 표면모델로 표현한 개략도, 도 3b는 본 발명의 뼈 형상모델을 볼륨모델로 표현한 개략도, 도 3c는 본 발명의 뼈 형상모델을 포인트 쉘로 표현한 개략도이며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델이 충돌되는 상태를 나타낸 개략도이다.Figure 3a is a schematic diagram of the bone shape model of the present invention represented by a three-dimensional surface model, Figure 3b is a schematic view of the bone shape model of the present invention represented by a volume model, Figure 3c is a schematic diagram of the bone shape model of the present invention represented by a point shell, 4A and 4B are schematic views showing a state where the treatment tool shape model and the bone shape model of the present invention collide with each other.

또한, 도 5는 본 발명의 임의의 복셀이 갖는 디스턴스 필드 값을 결정하기 위해 상기 임의의 셈플링 지점과 그 주변의 8개의 복셀을 나타낸 개념도, 도 6은 본 발명의 뼈 형상모델의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드를 적용하여, 직접적으로 힘을 계산하는 경우에 발생하는 문제점을 보여주는 개략도이며, 도 7은 본 발명의 가상 커플링을 이용한 반력 계산 방법의 개념을 나타낸 개략도이다.5 is a conceptual diagram showing eight arbitrary voxels around the arbitrary sampling point and surroundings thereof to determine the distance field value of any voxel of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a problem that occurs when a force field is directly calculated by applying a distance field of a treatment tool shape model, and FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a concept of a reaction force calculation method using a virtual coupling of the present invention.

또한, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 따른 볼륨 절삭 처리 프로시져의 처리 방식을 나타낸 개략도, 도 9는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에서 단순화되어 3차원 표면모델로 표현된 뼈 형상모델이 치료도구 형상모델에 의해 절삭되는 상태를 나타낸 개략도, 도 10은 본 발명의 상기 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용되지 않은 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11는 상기 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용된 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.8A to 8C are schematic views showing a processing method of a volume cutting procedure according to an implant simulation system using a haptic interface of the present invention, and FIG. 9 is a simplified three-dimensional surface in an implant simulation system using a haptic interface of the present invention. Schematic diagram showing a state in which the bone shape model represented by the model is cut by the treatment tool shape model, Figure 10 is a force that is not applied to the reaction force generated by the collision of the treatment tool shape model and the bone shape model of the present invention Figure 11 is a graph showing the change in size, Figure 11 is a graph showing the change in the magnitude of the force applied to the vibration generated in response to the collision of the treatment tool shape model and the bone shape model.

통상적으로 치과 임플랜트 수술은 손상된 치아가 발치된 치조골(잇몸뼈)에 인공치아를 이식하는 수술로서, 상실된 치아의 치근을 대신할 수 있도록, 인체에 거부반응이 없는 티타늄으로 만든 인공치근을 이가 빠져나간 치조골에 심어서 유착시킨 뒤 인공치아를 고정시켜 치아의 원래 기능을 회복하도록 하는 첨단 치과수술이다.In general, dental implant surgery involves implanting an artificial tooth into the alveolar bone (gum bone) in which the damaged tooth is extracted. It is a state-of-the-art dental surgery that restores the original function of teeth by fixing artificial teeth after planting in alveolar bone.

이러한 치과 임플랜트 수술을, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 적용하기 위해서는, 상기 햅틱장치(100), 디스플레이부(200) 및 제어부(300)를 이용하여 도 2에 나타낸 바와 같이, 비주얼 렌더링(Visual Rendering) 기법과 햅틱 렌더링(Haptic Rendering) 기법을 통해 구현할 수 있다.In order to apply the dental implant surgery to the implant simulation system using the haptic interface according to the present invention, as shown in FIG. 2 using the haptic device 100, the display unit 200 and the control unit 300, visual This can be implemented through the Visual Rendering technique and the Haptic Rendering technique.

도 2를 참조하면, 상기 햅틱 렌더링 기법을 이용한 반력을 계산하기 위해서는, 먼저 사용자가 햅틱장치(100)의 조작부(110)를 조작하여, 상기 햅틱장치(100)에 기계적 변위가 발생하게 되면, 먼저 상기 햅틱장치(100)의 위치와 방향 값을 획득하여 햅틱 인터페이스 포인터 위치를 추적하며, 상기 햅틱 인터페이스 포인터 위치 변화에 따라 뼈 형상모델(220)과의 충돌여부를 감지하여, 충돌이 발생하게 되면 접촉힘(Contact force)을 계산하고 이를 기초로 하여 가상의 커플링 힘을 계산한다. 이어서 치료도구 형상모델(210)의 새로운 위치를 계산함으로써 상기 반력을 계산할 수 있다.Referring to FIG. 2, in order to calculate reaction force using the haptic rendering technique, first, when a user manipulates the operation unit 110 of the haptic device 100 and a mechanical displacement occurs in the haptic device 100, first The haptic interface pointer is tracked by obtaining the position and direction values of the haptic device 100, and the collision is detected with the bone shape model 220 according to the change in the position of the haptic interface pointer. The contact force is calculated and based on this, the virtual coupling force is calculated. The reaction force can then be calculated by calculating a new position of the treatment tool shape model 210.

또한, 뼈 형상모델(220)의 변형을 표현하고, 상기 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)의 충돌에 의한 반력을 계산하기 위해서는, 도 3a에 도시된 3차원 표면모델과는 별도로 내부적인 표현모델이 필수적이다.In addition, in order to express the deformation of the bone shape model 220, and to calculate the reaction force due to the collision of the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210, and the three-dimensional surface model shown in Figure 3a Separately, internal representation model is essential.

상기 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)은, 시각적 표현을 위한 모델과 촉각 생성을 위한 모델을 분리하여 사용한다. 먼저, 치료도구 형상모델(210)의 시각화는 컴퓨터 그래픽스에서 일반적으로 사용하는 표면 모델을 사용하며, 뼈 형상 모델(220)은 변형을 표현하기 위해서 볼륨 모델을 사용하고 여기에 재생성 알고리듬을 적용해 표면모델을 생성한다. 결과적으로 뼈 형상 모델(220)과 치료도구 형상모델(210)의 시각화를 위해서 표면모델이 사용된다.The bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 separate and use a model for visual expression and a model for tactile generation. First, the visualization of the treatment tool shape model 210 uses a surface model commonly used in computer graphics, and the bone shape model 220 uses a volume model to represent deformation, and applies a regeneration algorithm to the surface. Create a model. As a result, the surface model is used to visualize the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210.

그리고, 촉각 생성을 위해서 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)에 서로 다른 표현 모델을 사용하며 이를 통해 빠른 충돌처리와 정교한 촉감을 생성할 수 있다.In addition, different expression models are used for the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 to generate the tactile sensations, through which fast collision processing and sophisticated touch can be generated.

또한, 촉각 생성을 위해서 뼈 형상 모델(220)은 뼈의 볼륨을 점으로 둘러싼 포인트 쉘(Point shell)로 치료도구 형상모델(210)은 3차원 모델의 표면까지의 최단 거리를 미리 계산해 놓은 데이터인 디스턴스 필드를 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the bone shape model 220 is a point shell that surrounds the volume of the bone to generate the tactile sense. The treatment tool shape model 210 is a data obtained by calculating the shortest distance to the surface of the three-dimensional model in advance. It is characterized by using a distance field.

즉, 본 발명에서는 도 3b에 도시된 상기 3차원 표면모델을 이산적(Discrete)으로 나눈 복셀(Volume element)의 집합으로 표현되는 볼륨모델과, 도 3c에 도시된 뼈의 표면을 감싸는 포인트 쉘과 같은 표현 모델이 적용된다.That is, in the present invention, the three-dimensional surface model shown in FIG. 3B is divided into discrete volume models represented by a set of voxel (Volume element), the point shell surrounding the bone surface shown in FIG. The same representation model applies.

여기서, 상기 뼈의 형상 모델(220)의 각 복셀은 뼈가 변형된 정도를 나타내는 뼈의 밀도(Density) 속성을 가지며, 포인트 쉘의 각 포인트는 개별적으로 각각의 위치 값과 법선 벡터(Normal vector) 속성을 갖는다.Here, each voxel of the bone shape model 220 has a density property of the bone representing the degree of deformation of the bone, and each point of the point shell is individually a position value and a normal vector. Has properties.

또한, 상기 법선 벡터는 반력을 연산하는데 사용되며 모든 포인트의 위치에서 주변 복셀의 밀도 값을 이용하여 계산된다. 예를 들어 설명하면, (i,j,k)라는 복셀의 인텍스에서 법선 벡터 N의 값은 아래의 [수학식1]을 통하여 계산할 수 있다.In addition, the normal vector is used to calculate the reaction force and is calculated using the density values of the surrounding voxels at the positions of all points. For example, the value of the normal vector N in the index of the voxel called (i, j, k) may be calculated by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009013064085-PAT00010
Figure 112009013064085-PAT00010

여기서, D(i,j,k) 함수는 (i,j,k)의 위치에 있는 복셀의 밀도 값, Δx, Δy, Δz는 각각 x, y, z축에서 복셀사이의 거리(간격)을 의미한다.Here, the D (i, j, k) function is the density value of the voxel at position (i, j, k), Δx, Δy, and Δz are the distances (gaps) between the voxels on the x, y and z axes, respectively. it means.

상기 치료도구 형상모델(210)에 의해 변형되는 뼈 형상모델(220)은 복셀들로 구성된 볼륨을 가지는 대상으로서, 각각의 복셀은 밀도, 경도 및 Voxel type의 세 가지 속성을 갖는데, 상기 밀도 속성은 각각의 복셀에서 뼈의 잔류량을 보여주고 시각화하기 위해 사용된다.The bone shape model 220 deformed by the treatment tool shape model 210 is an object having a volume composed of voxels, and each voxel has three properties of density, hardness, and Voxel type. It is used to show and visualize the residual amount of bone in each voxel.

또한, 상기 각 복셀의 경도 속성은, 반력의 크기를 결정하는데 사용되며, Voxel type은 볼륨모델과 3차원 표면모델과의 관계를 표현하며 복셀이 표면의 안쪽인지 바깥쪽인지 표면 위에 있는 지에 따라 다른 값이 할당되며, 상기 Voxel type은 상기 치료도구 형상모델(210)에 의한 뼈 드릴링에 의해 포인트 쉘이 변형될 때 뼈의 표면을 추정하는데 사용된다.In addition, the hardness property of each voxel is used to determine the magnitude of the reaction force, and the Voxel type represents the relationship between the volume model and the three-dimensional surface model, and differs depending on whether the voxel is inside, outside, or on the surface. A value is assigned and the Voxel type is used to estimate the surface of the bone when the point shell is deformed by bone drilling by the treatment tool shape model 210.

본 발명에 따른 햅틱 렌더링 기법의 알고리듬은 상술한 바와 같이 상기 치료도구 형상모델(210)에는 3차원 표면모델 정보이외에도 충돌 검사와 반력 계산을 위해서 디스턴스 필드(Distance field)를 사용한다. 상기 디스턴스 필드는 정해진 거리의 범위 내에서 3차원 표면모델의 표면까지의 최단 거리를 미리(시뮬레이션 하기 전에) 계산해 놓은 데이터이다.As described above, the algorithm of the haptic rendering technique according to the present invention uses a distance field in the treatment tool shape model 210 in addition to the three-dimensional surface model information for collision inspection and reaction force calculation. The distance field is data calculated in advance (before simulation) of the shortest distance to the surface of the 3D surface model within a range of a predetermined distance.

상기 디스턴스 필드를 생성하는 방법은 주어진 3차원 모델을 복셀로 나누고 각각의 복셀의 위치에서 표면까지의 최단 거리를 계산하여 생성한다. 디스턴스 필드값은 부호가 있는 부동 소수점을 사용하며, 값이 0 인 경우에는 표면을 음수인 경우는 표면의 안쪽을 양수인 경우는 표면의 바깥쪽을 의미한다.The method for generating the distance field is generated by dividing a given three-dimensional model into voxels and calculating the shortest distance from the location of each voxel to the surface. The distance field value uses signed floating point. If the value is 0, the surface is negative. If the surface is positive, the distance is positive.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 디스턴스 필드는 치료도구 형상모델(210) 의 앞부분(도 4a 및 도 4b에서 청색점선으로 도시된 원의 내부에 해당하는 부분)에만 높은 볼륨 해상도로 생성한다.4A and 4B, the distance field is generated at a high volume resolution only in the front portion of the treatment tool shape model 210 (the portion corresponding to the inside of the circle shown by the blue dotted line in FIGS. 4A and 4B).

실제로 치료도구가 환부(치아 및 잇몸뼈)에 닿는 부분은 상기 앞부분으로 한정되기 때문에 이를 통해 효율적이고 정교한 충돌처리를 하며, 치료도구의 미세한 부분이 환부에 닿는 촉감을 만들어낸다.In fact, since the treatment tool is in contact with the affected part (tooth and gum bone) is limited to the front part through this, the efficient and sophisticated collision treatment, through which the minute part of the treatment tool makes contact with the affected area.

뼈 형상모델과 도구의 빠른 충돌 검사를 위해서, 경계구 겹침검사(Bounding sphere overlap test)와 볼륨 기반 충돌검사를 차례대로 수행한다. 상기 경계구(Bounding sphere)는 도 4a 내지 도 4b에 도시된 청색점선 원과 같이 주어진 치료도구 형상모델(210)을 포함할 수 있는 가장 작은 구를 말하며 치료도구 형상모델(210)의 움직임에 따라서 경계 구의 위치를 업데이트한다.For fast collision testing of bone geometry models and tools, the bounding sphere overlap test and volume-based collision test are performed in order. The bounding sphere refers to the smallest sphere that can contain a given treatment tool shape model 210, such as the blue dotted line circle shown in FIGS. 4A-4B, according to the movement of the treatment tool shape model 210. Update the location of the boundary sphere.

여기서, 볼륨 기반 충돌 검사는 경계구가 뼈 형상모델(220)에 충돌한 경우에만 수행한다. 볼륨 기반 충돌 검사는 뼈 형상모델(220)의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델(210)의 디스턴스 필드를 사용하여 수행되며, 상기 치료도구 형상모델(210)의 경계구에 포함되는 상기 뼈 형상모델(220)의 포인트 쉘을 찾고 그 포인트에서 디스턴스 필드의 값을 질의하고 부호를 판단하여 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)의 충돌 여부를 결정한다. In this case, the volume-based collision inspection is performed only when the boundary sphere collides with the bone shape model 220. The volume-based collision test is performed using the point shell of the bone shape model 220 and the distance field of the treatment tool shape model 210, and the bone shape model included in the boundary of the treatment tool shape model 210. Finding a point shell of 220, query the value of the distance field at the point and determine the sign to determine whether the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 collides.

이때, 상기 뼈 형상모델(220)의 포인트 쉘의 각 포인트들과 치료도구 형상모델(210)의 디스턴스 필드의 좌표계가 다르므로 아래와 같은 [수학식 2]를 통하여 상기 뼈 형상모델(220)의 각 포인트들을 디스턴스 필드의 볼륨 공간으로 변환한다.In this case, since the coordinate systems of the distance fields of the point shell and the treatment tool shape model 210 of the point shell of the bone shape model 220 are different from each other of the bone shape model 220 through Equation 2 below. Convert points to volume space in the distance field.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009013064085-PAT00011
Figure 112009013064085-PAT00011

여기서, Sx는 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드가 위치하는 지역 좌표계에서 디스턴스 필드를 셈플링하는 위치, Px는 월드 좌표계에서 포인트 쉘 포인트의 위치, Dpos는 월드좌표계에서 디스턴스 필드의 위치, Dsize는 디스턴스 필드의 크기(즉, 복셀의 최소 위치값 - 복셀의 최대 위치값) 및, Dnum은 디스턴스 필드의 해상도를 의미한다. 따라서, Sx는 0에서 Dnum - 1 사이의 값으로 결정된다.Where S x is the location of the distance field in the local coordinate system where the distance field of the Healing Tool shape model is located, P x is the location of the point shell point in the world coordinate system, D pos is the location of the distance field in the world coordinate system, D size is the size of the distance field (ie, the minimum position value of the voxel minus the maximum position value of the voxel), and D num denotes the resolution of the distance field. Therefore, S x is determined to be a value between 0 and D num -1.

이어서, 상기 치료도구 형상모델(210)의 각 포인트들이 볼륨 공간으로 변환된 위치 즉, Sx에서 삼중 보간(Trilinear Interpolation)을 사용하여 디스턴스 필드(Distance Field)의 값을 결정한다Subsequently, a value of a distance field is determined using trilinear interpolation at a position where each point of the treatment tool shape model 210 is converted into volume space, that is, S x .

도 5를 참조하여 예를 들어 설명하면, 임의의 복셀인 (x,y,z) 위치에서 디스턴스 필드의 값을 d 라고 하면 아래의 [수학식 3]과 같이 (x,y,z) 위치에 있는 주변의 8개의 복셀의 디스턴스 값(d000, d001, d000, d011, d100, d101, d110 및 d111)을 현재 위치에 대해서 가중 평균으로 구하는 방법을 통하여 상기 디스턴스 필드의 값을 결정할 수 있다.For example, referring to FIG. 5, if the value of the distance field is d at any voxel position (x, y, z), the position (x, y, z) is expressed as shown in Equation 3 below. The distance values (d 000, d 001, d 000, d 011, d 100, d 101, d 110, and d 111 ) of eight adjacent voxels are calculated by a weighted average of the current position. The value can be determined.

[수학식 3]&Quot; (3) "

d = d000*(1-x)(1-y)(1-z)+d001*(1-x)(1-y)(z)+d010*(1-x)(y)(1-z)+d011*(1-x)(y)(z)+d100*(x)(1-y)(1-z)+d101*(x)(1-y)(z)+d110*(x)(y)(1-z)+d111*(x)(y)(z)d = d 000 * (1-x) (1-y) (1-z) + d 001 * (1-x) (1-y) (z) + d 010 * (1-x) (y) (1 -z) + d 011 * (1-x) (y) (z) + d 100 * (x) (1-y) (1-z) + d 101 * (x) (1-y) (z) + d 110 * (x) (y) (1-z) + d 111 * (x) (y) (z)

여기서, d는 포인트의 임의의 위치(x,y,z)에서의 디스턴스 필드 값, d000, d001, d010, d011, d100, d101, d110 및 d111는 상기 임의의 위치(x,y,z)에 자리한 포인트를 기준으로 주변의 8개의 복셀들이 갖는 각 디스턴스 필드 값을 의미한다. Where d is a distance field value at an arbitrary position (x, y, z) of the point, d 000, d 001, d 010, d 011, d 100, d 101, d 110 and d 111 are arbitrary positions Refers to the distance field values of eight neighboring voxels based on a point located at (x, y, z).

여기서, 치료도구 형상모델(210)에 부호가 있는 디스턴스 필드(Distance Field)를 사용했기 때문에, 상기 디스턴스 필드의 값이 음수일 경우에는 상기 치료도구 형상모델(210)이 뼈 형상모델(220)에 충돌되었음을 의미한다.Here, since a signed distance field is used for the treatment tool shape model 210, when the value of the distance field is negative, the treatment tool shape model 210 is connected to the bone shape model 220. It means that the collision.

또한, 상기 뼈 형상모델(220)과 치료도구 형상모델(210)의 충돌을 감지하였을 경우 아래의 [수학식 4]를 사용하여 접촉힘이 계산되는데, 상기 접촉힘은 접촉이 발생한 포인트 쉘의 점들의 접촉힘(Contact force)의 합이다.In addition, when a collision between the bone shape model 220 and the treatment tool shape model 210 is detected, the contact force is calculated using Equation 4 below, and the contact force is the point of the point shell where the contact occurred. It is the sum of the contact forces.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112009013064085-PAT00012
Figure 112009013064085-PAT00012

여기서, 상기 kc는 강성(Stiffness), di는 치료도구 형상 모델과 충돌한 i번째 포인트 쉘 포인트의 위치에서 얻은 디스턴스 필드의 값이며, Ni는 충돌한 i번째 포인트의 법선 벡터(Normal Vector)를 의미한다.Here, k c is the stiffness, d i is the value of the distance field obtained from the location of the i-point shell point collided with the treatment tool shape model, N i is the normal vector of the i-point collided (Normal Vector) ).

여기서, d와 k값을 볼륨 데이터에서 바로 추출 할 경우에는 볼륨 데이터의 이산적인 성질 때문에 연속적인 값을 얻기가 어려우며, 이는 상술한 삼중 보간을 통해서 부드러운(연속적인) 값을 생성하여 해결한다.In this case, when d and k values are extracted directly from the volume data, it is difficult to obtain continuous values because of the discrete nature of the volume data, which is solved by generating a smooth (continuous) value through the above-described triple interpolation.

한편, 도 6은 뼈 형상모델(220)의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델(210)의 디스턴스 필드를 사용하여, 직접적으로 힘을 계산하는 경우에 발생하는 문제점을 보여주는 개략도이다.On the other hand, Figure 6 is a schematic diagram showing a problem that occurs when the force is calculated directly using the point shell of the bone shape model 220 and the distance field of the treatment tool shape model 210.

도 6을 참조하면, 상기 치료도구 형상모델(210)이 뼈 형상모델(220)에 깊이 들어가지 않는 경우(Shallow Penetration)에만 부드러운 반력이 획득되기 때문에 접촉힘은 햅틱장치(100)에 바로 전달될 수 없다. Referring to FIG. 6, since a soft reaction force is obtained only when the treatment tool shape model 210 does not enter the bone shape model 220 (Shallow Penetration), the contact force may be directly transmitted to the haptic device 100. Can't.

보다 구체적으로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 치료도구 형상모델(210)은 자유공간에 있을 때에는 반력은 생성되지 않는다.(도 6의 (a))More specifically, as shown in FIG. 6, when the treatment tool shape model 210 is in free space, no reaction force is generated (FIG. 6A).

그러나, 치료도구 형상모델(210)이 뼈 형상모델(220)의 내부 안쪽으로 이동함에 따라서 획득되는 디스턴스 필드 값의 크기는 이전(도 6의 (a))의 값에 비하여 증가하게 된다.(도 6의 (b)-(c))However, the size of the distance field value obtained as the treatment tool shape model 210 moves inward and inward of the bone shape model 220 increases as compared with the previous value of FIG. 6 (a). 6 (b)-(c))

또한, 상기 치료도구 형상모델(210)이 상기 뼈 형상모델(220)에 더 깊이 이동하게 되면, 포인트 쉘의 포인트가 치료도구 형상모델(210)의 디스턴스 필드의 중간 축을 넘어서는 경우가 발생하게 되며, 이러한 경우에는 증가된 반력은 다시 줄어들게 된다.(도 6의 (c)-(d))In addition, if the treatment tool shape model 210 is moved more deeply to the bone shape model 220, the point of the point shell will occur over the intermediate axis of the distance field of the treatment tool shape model 210, In this case, the increased reaction force is reduced again ((c)-(d) of FIG. 6).

따라서, 디스턴스 필드가 위치한 치료도구 형상모델(210)의 앞부분이 뼈 형상모델(220)의 표면을 완전히 통과하게 되면, 상기 치료도구 형상모델(210)과 뼈 형상모델(220)의 충돌을 감지할 수 없게 되어 반력이 생성되지 않는다.(도 6의 (d))Accordingly, when the front portion of the treatment tool shape model 210 in which the distance field is located completely passes the surface of the bone shape model 220, the collision between the treatment tool shape model 210 and the bone shape model 220 may be detected. It becomes impossible and reaction force is not generated. (FIG. 6D)

또한, 볼륨모델을 기반으로 햅틱 피드백을 연산할 때 발생할 수 있는 또 다른 문제점으로는, 포인트 쉘의 개수에 따라서, 햅틱장치(100)의 최대 표현 가능한 강성(Stiffness)을 초과하는 경우가 발생 가능하여 반력 정보의 획득이 불안정해질 수 있다.In addition, another problem that may occur when calculating the haptic feedback based on the volume model is that, depending on the number of point shells, the maximum expressive stiffness (stiffness) of the haptic device 100 may occur. Acquisition of reaction information may be unstable.

이와 같이, 치료도구 형상모델(210)의 앞부분이 뼈 형상모델(220)의 표면을 완전히 통과하게 되거나, 햅틱장치(100)의 최대 표현 가능한 강성을 초과하는 경우에 발생되는 문제점을 해결하기 위해 가상 커플링(Virtual Coupling) 기법을 이용하여 간접적인 방법을 통해 반력을 연산할 수 있다.As described above, the front of the treatment tool shape model 210 is completely passed through the surface of the bone shape model 220, or virtually to solve the problem that occurs when the maximum expressive stiffness of the haptic device 100 The reaction force can be computed in an indirect way using the coupling (Virtual Coupling) technique.

상기 가상 커플링은 햅틱장치(100)와 디스플레이부(200) 상에 표현되는 치료도구 형상모델(210)을 가상으로 상호 연결하는 것을 의미한다.The virtual coupling refers to virtually connecting the haptic device 100 and the treatment tool shape model 210 represented on the display 200.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 가상 커플링(Virtual Coupling)은 상기 치료도구 형상모델(210)과 햅틱장치(100)의 각각 분리하여 개별적으로 위치를 계산하고, 그 둘을 가상의 스프링(Virtual Spring)으로 연결한다.More specifically, the virtual coupling (Virtual Coupling) separately calculates the position of the treatment tool shape model 210 and the haptic device 100, respectively, and the two are the virtual spring (Virtual Spring) Connect with

따라서, 상기 디스플레이부(200) 상의 치료도구 형상모델(210)과 상기 햅틱장치(100)의 위치가 이격될 수록 상기 가상의 스프링의 힘이 커지게 되며, 그 힘은 상기 햅틱장치(100)의 조작부(110)로 전해지므로 사용자는 더 큰 힘 또는 촉감을 느끼게 된다.Therefore, as the position of the treatment tool shape model 210 and the haptic device 100 on the display unit 200 is spaced apart, the force of the virtual spring increases, and the force of the haptic device 100 is increased. Since it is transmitted to the operation unit 110, the user will feel a greater force or touch.

여기서, 도 7은 가상 커플링을 이용한 반력 계산 방법의 개념을 나타낸 개략 도이며, 도 7의 좌측에 솔리드(Solid)로 도시된 치료도구는 디스플레이부(200) 상에 영상 출력되는 치료도구 형상모델(210)의 이미지, 와이어 프레임(Wire frame)으로 도시된 치료도구는 월드좌표계에서 햅틱장치(100)의 위치와 방위를 나타내며, 도 7의 우측에 도시된 점으로 형성된 육각면체는 포인트 쉘로 표현된 뼈 형상모델(220)의 임의의 이미지이다.Here, FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a concept of a reaction force calculation method using virtual coupling, and a treatment tool shown as a solid on the left side of FIG. 7 is a treatment tool shape model outputted on the display unit 200. The treatment tool shown in the image of 210, a wire frame shows the position and orientation of the haptic device 100 in the world coordinate system, and the hexagonal body formed by the points shown on the right side of FIG. Arbitrary image of the bone shape model 220.

도 7에 도시된 바와 같이, 솔리드로 도시된 치료도구는 사용자에게 보이는 치료도구이기 때문에 뼈 형상모델(220)과 접촉하거나 통과할 수 없지만, 와이어 프레임으로 도시된 치료도구는 햅틱장치(100)의 위치를 반영하여 디스플레이부(200) 상에서 표현되기 때문에 당연히 뼈 형상모델(220)과 접촉하거나 통과할 수 있다.As shown in FIG. 7, since the treatment tool shown as a solid is a treatment tool visible to the user, the treatment tool shown in the wire frame may not come into contact with or pass through the bone shape model 220. Since it is represented on the display unit 200 by reflecting the position, it may naturally contact or pass through the bone shape model 220.

이와 같이, 상기 가상 커플링은 상기의 두 개의 치료도구를 가상의 스프링으로 연결한다는 것을 의미하며, 실제로 사용자는 상기 두 개의 치료도구의 위치의 변화에 따라서 생성되는 가상 스프링의 힘을 느끼게 된다.As described above, the virtual coupling means connecting the two treatment tools to the virtual spring, and the user actually feels the force of the virtual spring generated according to the change of the position of the two treatment tools.

따라서, 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에서는 반력이 상기 가상의 스프링 힘과 연관되기 때문에 가상의 스프링 매개변수를 조절함으로서 불안정한 반력 정보를 안정화시킬 수 있다.Therefore, in the implant simulation system using the haptic interface of the present invention, since reaction force is associated with the virtual spring force, it is possible to stabilize the unstable reaction force information by adjusting the virtual spring parameter.

먼저, 상기 가상 커플링 기법을 이용하여 반력 계산을 하기 위해서는, 디스플레이 상에서의 치료도구 형상모델(210)의 위치와 햅틱장치(100)의 위치를 각각 계산한 후, 가상의 스프링(Virtual Spring)으로써 상기 치료도구 형상모델(210)과 상기 햅틱장치(100)를 서로 연결한다. 여기서, 가상 커플링의 힘(Fvc)은 아래의 [수학식 5]에 의해 정의될 수 있다.First, in order to calculate the reaction force using the virtual coupling technique, the position of the treatment tool shape model 210 and the position of the haptic device 100 on the display are respectively calculated, and then, as a virtual spring. The treatment tool shape model 210 and the haptic device 100 are connected to each other. Here, the force Fvc of the virtual coupling may be defined by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112009013064085-PAT00013
Figure 112009013064085-PAT00013

여기서, Fvc는 가상 커플링의 힘, kd는 가상 스프링의 강성(stiffness), Pd는 햅틱 장비(200)의 위치 및 Pt는 치료도구 형상모델(210)의 위치를 의미한다.Here, F vc represents the force of the virtual coupling, k d represents the stiffness of the virtual spring, P d represents the position of the haptic device 200 and P t represents the position of the treatment tool shape model 210.

이때, 상기 kd는 햅틱장치(100)가 표현할 수 있는 최대 강성수치(Maximum renderable stiffness)를 고려하여 결정하며, 상기 Pd는 햅틱장치(100)의 물리적인 위치를 도구가 움직이는 가상공간의 크기에 맞춰 스케일링(Scaling)하여 산출한다. 또한, 상기 Pt는 상기에서 설명한 힘의 평형 방정식으로 계산이 가능하다.In this case, k d is determined in consideration of the maximum renderable stiffness that the haptic device 100 can express, and P d is the size of the virtual space in which the tool moves the physical position of the haptic device 100. It is calculated by scaling to. In addition, P t can be calculated by the above-described force equilibrium equation.

다음으로, 치료도구 형상모델(210)의 위치를 산출하는 방식에 대하여 설명한다.Next, a method of calculating the position of the treatment tool shape model 210 will be described.

접촉힘과 가상 커플링 힘의 합이 '0'(제로)인 경우에는 힘이 평형상태를 이루기 때문에 치료도구 형상모델(210)의 위치는 평형상태로 고정된다.When the sum of the contact force and the virtual coupling force is '0' (zero), since the force is in equilibrium, the position of the treatment tool shape model 210 is fixed in equilibrium.

그러나, 사용자가 햅틱장치(100)의 조작부(110)를 조작하게 되면, 상기 평형 상태는 깨지게 된다. 이때, 시뮬레이션의 개체인 치료도구 형상모델(210)은 힘의 합이 '0' 인 새로운 위치로 이동하게 된다. 이는 아래의 [수학식 6]와 같이 표현될 수 있다.However, when the user manipulates the operation unit 110 of the haptic device 100, the equilibrium state is broken. At this time, the treatment tool shape model 210 that is the object of the simulation is moved to a new position where the sum of the forces is '0'. This may be expressed as Equation 6 below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112009013064085-PAT00014
Figure 112009013064085-PAT00014

여기서, 상기△x는 상기 치료도구 형상모델 위치의 변위,

Figure 112009013064085-PAT00015
는 x에 대한 접촉힘의 변화량을,
Figure 112009013064085-PAT00016
는 x에 대한 가상 커플링 힘(Fvc)의 변화량을 의미한다.Here, Δx is the displacement of the treatment tool shape model position,
Figure 112009013064085-PAT00015
Is the change in contact force with respect to x,
Figure 112009013064085-PAT00016
Denotes the amount of change in the virtual coupling force F vc relative to x.

또한, 상기 △x 즉, 상기 치료도구 형상모델(210)의 위치 변위로서, 힘의 평형 상태를 유지하기 위해서 치료도구 형상모델을 움직이게 하는 위치 힘(Positional force)을 의미한다.In addition, Δx, that is, positional displacement of the treatment tool shape model 210, means a positional force (Positional force) to move the treatment tool shape model in order to maintain the equilibrium of the force.

또한, 상기 [수학식 6]를 통해 x, y, z 좌표는 3선 방정식(3개의 1차 방정식)을 얻을 수 있으며, △x는 햅틱 사이클에서 가우시언 소거법으로 산출이 가능하다.In addition, through [Equation 6], x, y, z coordinates can be obtained a three-line equation (three linear equations), Δx can be calculated by the Gaussian elimination method in the haptic cycle.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 는 x만큼 치료도구 형상모델(210)이 움직일 때 접촉힘의 변화량을 나타낸다. 이는 x가 움직인 값에 대해서 디스턴스 필드 값의 변화량과 포인트 쉘의 법선 벡터를 곱해서 얻을 수 있다.More specifically, the above Denotes the change amount of the contact force when the treatment tool shape model 210 moves by x. This can be obtained by multiplying the distance field value by the change in the distance field value and the normal vector of the point shell.

또한, 상기

Figure 112009013064085-PAT00018
는 x만큼 치료도구 형상모델(210)이 움직일 때 가상 커플 링의 힘의 변화량을 나타낸다. 따라서, 상기 [수학식 3]에서 알 수 있듯이 가상 커플링의 힘은 햅틱 사이클 동안에 햅틱장치의 위치(Pd)가 고정되어 있다고 한다면, -Pt에만 영향을 받고 Pt는 치료도구 형상모델의 변화량과 x의 변화량은 같으므로
Figure 112009013064085-PAT00019
는 -I(음의 단위행렬)가 된다.In addition,
Figure 112009013064085-PAT00018
Denotes the amount of change in the force of the virtual coupling when the treatment tool shape model 210 moves by x. Hence, the as it can be seen from the equation (3)] If there is a fixed location (P d) of the haptic device during a power cycle of the virtual coupling is haptic, receiving only affect -P t P t is the treatment tool shape model Since the amount of change is equal to the amount of change in x
Figure 112009013064085-PAT00019
Becomes -I (negative unit matrix).

이후, 현재의 치료도구 형상모델(210)의 위치에 상기 △x를 더해서 새로운 치료도구 형상모델(210)의 위치를 계산할 수 있는 것이다.Thereafter, the position of the new treatment tool shape model 210 can be calculated by adding Δx to the position of the current treatment tool shape model 210.

즉, [수학식 6]을 통해 가우시언 소거법으로 △x를 계산한 후, 상기 △x를 이전의 치료도구 형상모델(210)의 위치(Pt_old)를 더해주면 힘의 평형상태를 유지하는 새로운 치료도구형상모델(Pt)의 위치를 얻을 수 있다.That is, after calculating Δx by Gaussian elimination through Equation 6, adding Δx to the position P t_old of the previous treatment tool shape model 210 to maintain the equilibrium of force. The location of the treatment tool shape model (P t ) can be obtained.

여기서, 실제로 사용자에게 전해지는 반력은 가상 커플링의 힘이며 햅틱장치(100)의 위치 값(Pd)는 이미 계산되어 있기 때문에 [수학식 5]를 통해 새로운 가상 커플링의 힘(Fvc)을 구할 수 있다.Here, the reaction force actually transmitted to the user is the force of the virtual coupling and since the position value P d of the haptic device 100 has already been calculated, the force of the new virtual coupling (F vc ) is obtained through Equation (5). Can be obtained.

최종적으로는 뉴턴의 제3법칙인 작용반작용의 법칙을 적용해 Fvc와 크기는 같지만 방향은 반대인 힘을 햅틱장비(100)가 출력하도록 신호를 전달한다.Finally, by applying Newton's third law, the law of action reaction, the haptic device 100 transmits a signal outputting a force having the same size but the opposite direction as F vc .

이후, 계산된 반력 정보에 기초하여 비주얼 렌더링 기법을 통해 뼈 형상모델(220)의 볼륨 데이터를 수정하며, 수정된 볼륨정보를 기초로 하여, 변경된 Voxel의 위치와 그 값을 탐색한다.Then, the volume data of the bone shape model 220 is modified through the visual rendering technique based on the calculated reaction force information, and based on the modified volume information, the changed position of Voxel and its value are searched.

여기서, 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 적용되는 치료도구가 드릴과 같이 뼈를 변형시키는 도구일 경우에는, 치료도구 형상모델(210)과 충돌한 볼륨의 밀도 값을 감하는 것이 바람직하다.Here, when the treatment tool applied to the implant simulation system using the haptic interface of the present invention is a tool for deforming bone, such as a drill, it is preferable to reduce the density value of the volume collided with the treatment tool shape model 210. .

따라서, 밀도 값이 줄어드는 양에 따라서 뼈를 변형하는데 드는 힘과 시간이 바뀌므로 줄어드는 밀도값(BRR : Bone Removal Ratio)을 정확하게 결정해야한다. 본 발명의 의료 시뮬레이션 시스템을 적용하여 실험한 결과에 따르면, 변형되지 않은 복셀의 밀도값을 100 unit라 하였을 경우, 상기 치료도구 형상모델(210)에 의해 뼈 형상모델(220)이 1 msec에 7 unit을 제거했을 때 실제 임플랜트 수술에 사용하는 드릴(4mm burr)과 비슷한 변형 속도를 얻을 수 있었다.Therefore, the force and time required to deform the bone change according to the amount of decrease in density value, so it is necessary to accurately determine the decrease density value (BRR). According to the experimental results of applying the medical simulation system of the present invention, when the density value of the unmodified voxel is 100 unit, the bone shape model 220 is 7 msec in 1 msec by the treatment tool shape model 210. When the unit was removed, a strain rate similar to that of a drill (4 mm burr) used in actual implant surgery was obtained.

이후, 변경된 부분에 대해서 Suface model을 재생성한다. 여기서, 표면모델 재성성에는 1987년에 Lorensen이 제안한 Marching cube 알고리즘이 사용된다.Then, recreate the Suface model for the changed part. Here, the Marching cube algorithm proposed by Lorensen in 1987 is used for surface model regeneration.

여기서, 상기 Marching cube알고리즘은 볼륨 데이터를 다각형화(Polygonization)할 때 사용하는 대표적인 알고리듬으로 8개의 복셀을 꼭짓점으로 하는 직육면체에 대해서 삼각형을 최대 4개까지 생성하는 알고리듬이다.Here, the Marching cube algorithm is a typical algorithm used to polygonize volume data, and generates up to four triangles for a cuboid having eight vertices as vertices.

한편, 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 사용된 시스템의 CPU로는 IntelㄾCoreTM CPU E8400@3.00 Ghz processor와 그래픽 카드는 GeForce8800 GTS가 사용될 수 있으며, 상기 햅틱장치(100)는 SensAble 사의 PHANTOM Premium 1.5가 사용될 수 있는데, 이때, 상기 햅틱장비(100)가 낼 수 있는 최대힘은 8.5N이며 최대로 표현 가능한 강성은 0.6N/mm인 것이 바람직하다.On the other hand, as the CPU of the system used in the implant simulation system using the haptic interface of the present invention, the Intel® Core TM CPU E8400@3.00 Ghz processor and the graphics card GeForce8800 GTS can be used, the haptic device 100 is SenantAble PHANTOM Premium 1.5 may be used, wherein the maximum force that the haptic device 100 can produce is 8.5 N and the maximum expressive rigidity is preferably 0.6 N / mm.

여기서, 반력은 치료도구 형상모델(210)의 새로운 위치와 햅틱장치(100) 사이의 가상 커플링 힘(Virtual Coupling Force)의 반대 힘과 같으며, 반력 계산의 가장 중요한 점은 햅틱장치(100)가 낼 수 있는 최대의 힘과 최대로 표현 가능한 강성을 고려해야 한다. Here, the reaction force is equal to the new position of the treatment tool shape model 210 and the opposite force of the virtual coupling force (Virtual Coupling Force) between the haptic device 100, the most important point of the reaction force calculation is the haptic device 100 Consider the maximum force that can be exerted and the maximum expressive stiffness.

따라서, 햅틱장치(100)가 낼 수 없는 큰 힘이 요구되거나, 상기 햅틱장치(100)가 표현 가능한 강성을 넘어서 힘을 내도록 한다면 햅틱장비(100)는 불안정하게 작동하게 된다. 따라서, 안정 상태의 반력을 생성시키기 위해서 상기 반력의 크기를 8.5N이하로 가상 커플링의 강성을 0.6N/mm 이하로 제한해야 한다.Therefore, if a large force that cannot be produced by the haptic device 100 is required, or if the haptic device 100 exerts a force beyond the expressible stiffness, the haptic device 100 may operate unstable. Therefore, in order to generate a stable reaction force, the magnitude of the reaction force should be limited to 8.5N or less and the rigidity of the virtual coupling to 0.6N / mm or less.

여기서, 최대로 표현 가능한 강성은 햅틱장치(100)가 1 mm 움직일 때 마다 증가시킬 수 있는 최대 힘의 양을 말합니다. 0.6N/mm는 햅틱장치(100)를 1mm 움직일 때마다 0.6N이하로 힘을 증가시켜야만 안정적인 힘을 낼 수 있다는 것을 의미한다.Here, the maximum expressive stiffness refers to the maximum amount of force that can be increased each time the haptic device 100 moves 1 mm. 0.6N / mm means that a stable force can be produced only by increasing the force to 0.6N or less each time the haptic device 100 is moved by 1mm.

한편, 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에서는 뼈 형상모델(220)을 치료도구 형상모델(210)로써 드릴링하는 동안 상기 뼈 형상모델(220) 모양의 변화을 다루기 위해서 매 햅틱 사이클마다 볼륨 절삭 처리 프로시져(Procedure)가 수행된다.Meanwhile, in the implant simulation system using the haptic interface of the present invention, the volume cutting process is performed every haptic cycle in order to handle the change in the shape of the bone shape model 220 while drilling the bone shape model 220 as the treatment tool shape model 210. Procedure is performed.

이러한 볼륨 절삭 처리 프로시져에서는 먼저, 치료도구 형상모델(210)의 디스턴스 필드와 뼈 형상모델(220)의 볼륨 데이터를 이용하여 치료도구 형상모델(210)과 닿은 뼈 형상모델(220)의 복셀(Voxel)을 탐색한 후, 탐색된 복셀에서 드릴의 속도에 따라서 밀도(Density)의 속성을 일정한 값만큼 차감한다.In the volume cutting procedure, first, the voxel of the bone shape model 220 that contacts the treatment tool shape model 210 using the distance field of the treatment tool shape model 210 and the volume data of the bone shape model 220. ), The property of density is subtracted by a certain value according to the speed of the drill in the found voxel.

이때, 상기 뼈 형상모델(220)이 갖는 밀도의 속성에 대응하여 복셀 type이 업데이트되고 이에 따라서 포인트 쉘의 포인트도 제거 및 생성된다.In this case, the voxel type is updated to correspond to the density property of the bone shape model 220, and thus the points of the point shell are also removed and generated.

여기서, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 따른 볼륨 절삭 처리 프로시져의 처리 방식을 나타낸 개략도이다.8A to 8C are schematic views illustrating a processing method of a volume cutting processing procedure according to an implant simulation system using a haptic interface of the present invention.

상기 도 8a 내지 도 8b에 나타낸 적색 점은 뼈 형상모델(220)의 절삭 전의 포인트 쉘의 포인트를 의미하며, 상기 치료도구 형상모델(210)에 의해 뼈 형상모델(220)의 제거된 부분의 포인트 쉘의 포인트는 소거된다. 또한, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 청색 점은 생성된 새로운 포인트 쉘의 포인트를 의미한다.8A to 8B indicate the point of the point shell before cutting the bone shape model 220, and the point of the removed portion of the bone shape model 220 by the treatment tool shape model 210. The points of the shell are erased. In addition, the blue dot shown in Figs. 8A to 8C means the point of the new point shell generated.

이와 같이, 상기 포인트 쉘 중의 제거된 포인트 쉘의 빈자리를 메우기 위해서는 뼈 형상모델(220)의 복셀 type의 속성을 이용하여 Boundary-fill 알고리듬을 적용한다.As such, in order to fill the empty spots of the removed point shells, the boundary-fill algorithm is applied by using the voxel type attribute of the bone shape model 220.

도 9는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에서 단순화되어 3차원 표면모델로 표현된 뼈 형상모델(220)이 치료도구 형상모델(210)에 의해 절삭되는 상태를 나타낸 개략도이다.9 is a schematic diagram showing a state in which the bone shape model 220, which is simplified and represented as a three-dimensional surface model in the implant simulation system using the haptic interface of the present invention, is cut by the treatment tool shape model 210. Referring to FIG.

여기서, 뼈 형상모델(220)에 사용된 볼륨의 해상도는 48x48x48이며, 복셀사이의 간격은 0.05이다. 또한, 치료도구 형상모델(210)에 사용된 볼륨의 해상도는 32x64x32이며, Voxel 크기는 0.02이다.Here, the resolution of the volume used in the bone shape model 220 is 48x48x48, the spacing between voxels is 0.05. In addition, the resolution of the volume used in the treatment tool shape model 210 is 32x64x32, Voxel size is 0.02.

여기서, 상기 해상도는 X, Y, Z축으로 복셀이 몇 개가 있는지를 나타내는 수치로서, 상기 해상도의 수치가 높을수록 해당 모델을 더욱 정교하게 표현할 수 있 으며, 고 해상도로 표현된 디스턴스 필드를 치료도구 형상모델(210)에 적용하면 정교한 충돌처리가 가능해지며 실제 수술도구의 디테일한 부분(예 : 수술도구에 파인 홈 부분)이 환부의 뼈에 닿았을 때의 촉감까지도 발생시킬 수 있다.Here, the resolution is a number indicating how many voxels are present in the X, Y, and Z axes, and the higher the resolution value is, the more precisely the model can be represented, and the distance field expressed in high resolution is treated. When applied to the shape model 210, it is possible to elaborate the collision process and even to generate a touch when the detail of the actual surgical tool (for example, the groove grooves in the surgical tool) touches the bone of the affected area.

여기서, 상술한 볼륨의 해상도에 관한 수치(48x48x48, 32x64x32)는 앞서 설명한 본 발명에 적용 가능한 PC의 CPU 및 그래픽 카드의 사양에 한하여 요구되는 해상도이며, 상기 CPU 및 그래픽 카드의 사양에 변동에 따라 상기 해상도 수치는 변경될 수 있음을 이해하여야 한다.Here, the numerical values (48x48x48, 32x64x32) relating to the resolution of the volume described above are resolutions required only for the specifications of the CPU and the graphics card of the PC applicable to the present invention described above, and are changed according to the specifications of the CPU and the graphics card. It should be understood that the resolution figures may be changed.

여기서, 상기 CPU 및 그래픽 카드의 사양에서, 뼈 형상모델(220)의 볼륨의 해상도는 48x48x48, 치료도구 형상모델(210)의 볼륨의 해상도는 32x64x32 보다 낮은 해상도를 사용하는 경우에, 볼륨모델로부터 재생성된 뼈 형상모델(220)의 모양은 모델 표면이 매끄럽지 못하고 조악해 질 수 있다. 이는 볼륨 데이터에서 다각형화 알고리즘을 사용해 삼각형을 만들어 내므로 해상도가 떨어지는 볼륨모델에 재생성 알고리듬을 적용한다면 표면이 거칠게 표현되는 표면 모델이 생성된다.Here, in the specification of the CPU and the graphics card, the resolution of the volume of the bone shape model 220 is 48x48x48, the resolution of the volume of the treatment tool shape model 210 is reproducible from the volume model when using a resolution lower than 32x64x32 The shape of the bone shape model 220 is not smooth surface model can be coarse. Since a polygon is generated from the volume data using a polygonalization algorithm, if the regeneration algorithm is applied to a low resolution volume model, a surface model with a rough surface is generated.

또한, 디스턴스 필드에 해상도가 떨어지는 볼륨이 사용되면, 정확한 충돌처리가 되지 않을 뿐만 아니라 디스턴스 필드의 값을 추출할 때에도 불연속적인 값이 추출되므로, 결과적으로 반력의 불안정화를 초래하게 된다.In addition, when a volume having a low resolution is used in the distance field, not only accurate collision processing is performed but also discontinuous values are extracted when the value of the distance field is extracted, resulting in destabilization of reaction force.

또한, 뼈 형상모델(220)의 전체를 덮는 포인트 쉘의 포인트는 2,958개의 점이 발생하며, 상기 뼈 형상모델(220)이 뚫림으로써 수개의 점이 발생하거나 삭제되는데, 이때 점의 최대수는 4,500개 이상이 될 수 있다.In addition, the point of the point shell covering the whole of the bone shape model 220 is generated 2,958 points, the bone shape model 220 is a number of points generated or deleted by drilling, the maximum number of points is more than 4,500 This can be

이러한 햅틱 렌더링과 볼륨 절삭 프로시져는 1khz의 범위 내에서 처리되며, 비주얼 렌더링은 60Hz의 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다.Such haptic rendering and volume cutting procedures are handled within the range of 1 kHz, and visual rendering is preferably performed within the range of 60 Hz.

여기서, 상기 비주얼 렌더링이 60Hz에서 수행됨은 초당 60번의 프레임을 만들어 낸다(렌더링)는 의미이며, 따라서, 비주얼 렌더링 속도가 60Hz이게 되면, 치료도구 형상모델(210)의 빠른 움직임도 놓치지 않고 화면에 표현할 수 있으며, 그 움직임의 상태도 끊김없이 부드럽게 표현될 수 있다.In this case, the visual rendering is performed at 60 Hz, which means 60 frames per second (rendering). Therefore, when the visual rendering speed is 60 Hz, the rapid rendering of the treatment tool shape model 210 is not missed. The state of the movement can also be expressed smoothly.

또한, 햅틱스 커뮤니티에서 일반적으로 통용되는 수치로 햅틱 렌더링의 속도가 1Khz이상이 되어야 사용자가 실제의 물체(치료도구)를 조작하는 촉감을 느낄 수 있다. 만약에 햅틱 렌더링의 속도가 1 kHz 이하로 떨어진다면 충돌 감지의 수행 횟수도 줄어드므로 물체를 통과하는 현상이 발생할 수 있고 햅틱장치가 불안정한 상태가 될 수 있다.In addition, it is a number commonly used in the haptics community, and the speed of haptic rendering must be 1Khz or more so that the user can feel the touch of the actual object (therapeutic tool). If the speed of the haptic rendering falls below 1 kHz, the number of collision detection is reduced, which may cause the object to pass through, and the haptic device may become unstable.

한편, 본 발명에서는 가상 커플링으로 연산된 반력에 미세한 진동을 추가하여 더 사실적으로 실제 치료도구의 촉감을 재현할 수 있도록 구비된다.On the other hand, in the present invention, by adding a fine vibration to the reaction force calculated by the virtual coupling is provided to more realistically reproduce the touch of the actual treatment tool.

이를 구현하기 위해서는, 1 kHz의 속도록 주기가 100이고 크기가 0.15인 사인곡선에 값의 값을 샘플링(Sampling)하여, 최종적으로 계산된 반력(Feedback force)의 y값에 계산한 진동 힘을 합한다. 이는 아래의 [수학식 7]에 의해 정의된다.To implement this, sample the value of the value in a sinusoid of 100 and a 0.15 magnitude rock period of 1 kHz, and add the calculated vibration force to the finally calculated y value of the feedback force. . This is defined by Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112009013064085-PAT00020
Figure 112009013064085-PAT00020

Figure 112009013064085-PAT00021
Figure 112009013064085-PAT00021

Figure 112009013064085-PAT00022
Figure 112009013064085-PAT00022

상기 [수학식 7]과 같이, 계산된 반력을 Fn이라 하며, 현재 시간(t)에 주기가 100이고 크기가 0.15인 사인곡선에서 값 b을 계산하고, 이 값에 Fn에 더해주면 진동이 적용된 반력을 얻을 수 있다.Wherein the [Equation 7] and the like, the calculated reaction force is referred to as Fn, the cycle at the current time (t) 100 and calculates a value of b in the sinusoidal size of 0.15, haejumyeon more to F n on the value vibration Applied reaction force can be obtained.

여기서, 도 10은 상기 치료도구 형상모델(210)과 뼈 형상모델(220)의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용되지 않은 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11는 상기 치료도구 형상모델(210)과 뼈 형상모델(220)의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용된 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.Here, Figure 10 is a graph showing the change in the magnitude of the force is not applied to the reaction force generated by the collision of the treatment tool shape model 210 and the bone shape model 220, Figure 11 is the treatment tool shape model (210) and the bone shape model 220 is a graph showing the magnitude change of the force applied vibration to the reaction force generated by the collision.

상기 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 가상 커플링으로 연산된 반력에 미세한 진동을 추가하여 더 사실적으로 사용자가 실제 치료도구의 촉감을 느낄 수 있는 효과를 구현할 수 있다.As shown in FIG. 10 and FIG. 11, by adding a fine vibration to the reaction force calculated by the virtual coupling it can be more realistic to realize the effect that the user can feel the touch of the actual treatment tool.

또한, 본 발명에서는 안정적이고 부드러운 피드백 포스 생성을 위해서 복셀 기반의 햅틱 렌더링 기법에 가상 커플링(Virtual Coupling)을 적용함으로써, 뼈 형상모델(220)을 치료도구 형상모델(210)로써 드릴링(Drilling)하는 동안 부드럽고 안정된 피드백 포스를 생성하였다.In addition, in the present invention, by applying virtual coupling to the voxel-based haptic rendering technique to generate a stable and smooth feedback force, the bone shape model 220 is drilled as a treatment tool shape model 210. While producing a smooth and stable feedback force.

한편, 일반적으로 인체의 뼈는 그 부위에 따라 차이는 있지만, 대개의 경우 에는 뼈의 외부에 비하여 내부의 골밀도가 낮은 상태를 보인다. 이는 치아의 경우에도 공통적인 성향을 보이는데 실제 임플랜트 수술의 경우 치아 또는 잇몸뼈를 드릴링하게 되면, 외부는 골밀도가 높아서 강한 힘으로 치료도구를 가압해야 하나, 외부면을 지나게 되면 골밀도는 상대적으로 낮아지게 되어, 비교적 적은 힘으로도 드릴링이 가능하게 된다.On the other hand, in general, the bones of the human body is different depending on the site, but in most cases, the bone density of the internal than the outside of the bone shows a low state. This is common in the case of teeth, but in the case of actual implant surgery, when drilling a tooth or gum bone, the outside has a high bone density, which requires a strong force to press the treatment tool. As a result, drilling is possible even with a relatively small force.

따라서, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에서는, 뼈 형상모델의 볼륨모델링을 수행함에 있어서, CT(Computed Tomography) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging)와 같은 촬영장비를 이용하여 획득한 뼈의 골밀도 정보를 볼륨모델링에 적용함으로써 뼈 밀도 속성을 갖는 뼈 형상모델(220)을 표현될 수 있도록 구비된다.Therefore, in the implant simulation system using the haptic interface according to the present invention, in performing the volume modeling of the bone shape model, bone density of the bone obtained using imaging equipment such as CT (Computed Tomography) or MRI (Magnetic Resonance Imaging) By applying the information to the volume modeling is provided so that the bone shape model 220 having a bone density property can be represented.

이를 구현하기 위해서는, 먼저 환부를 상기 CT 또는 MRI와 같은 촬영장비로 촬영하여 상기 환부의 뼈에 대한 골밀도에 대한 정보를 획득한다.In order to implement this, first, the affected part is photographed with an imaging device such as CT or MRI to obtain information on the bone density of the bone of the affected part.

여기서, 상기 CT 또는 MRI로 촬영된 영상에서는 뼈의 골밀도의 차이에 따라 골밀도가 높은 부분은 밝게 나타나며 골밀도가 상대적으로 낮은 부분은 어둡게 나타난다. 즉, 골밀도는 높을수록 백색에 가까우며 낮을수록 흑색에 가깝게 표현되므로, 이러한 촬영된 영상의 명도차이를 이용하여 상기 뼈에 대한 골밀도를 수치화된 정보를 획득할 수 있다.Here, in the image taken by CT or MRI, a portion having a high bone density appears bright according to a difference in bone density of a bone, and a portion having a relatively low bone density appears dark. That is, the higher the bone density, the closer to white, and the lower, the closer to black, the numerical value of the bone density of the bone can be obtained using the difference in brightness of the photographed image.

따라서, 3차원 표면모델이 존재하는 공간을 이산적으로 나누어 뼈의 형상을 복셀화(Voxelization)하며, 상기와 같이 수치화된 골밀도의 정보를 상기 복셀화된 모델에 적용함으로써, 복셀 모델이 뼈 밀도의 속성을 부여할 수 있다.Therefore, by dividing the space where the 3D surface model exists discretely, the shape of the bone is voxelized, and by applying the information of the quantified bone density as described above to the voxelized model, the voxel model is used to determine the bone density. Attribute can be given.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

도 1은 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 구성을 나타낸 개략도,1 is a schematic diagram showing the configuration of an implant simulation system using a haptic interface of the present invention,

도 2는 본 발명의 비주얼 렌더링 기법 및 햅틱 렌더링 기법이 구현되는 절차를 나타낸 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템의 블록도,2 is a block diagram of an implant simulation system using a haptic interface showing a procedure of implementing the visual rendering technique and the haptic rendering technique of the present invention;

도 3a는 본 발명의 뼈 형상모델을 3차원 표면모델로 표현한 개략도, Figure 3a is a schematic representation of a three-dimensional surface model of the bone shape model of the present invention,

도 3b는 본 발명의 뼈 형상모델을 볼륨모델로 표현한 개략도,Figure 3b is a schematic representation of the bone shape model of the present invention as a volume model,

도 3c는 본 발명의 뼈 형상모델을 디스턴스 필드로 표현한 개략도,Figure 3c is a schematic representation of the bone shape model of the present invention in the distance field,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델이 충돌되는 상태를 나타낸 개략도,4A and 4B are schematic views showing a state in which a treatment tool shape model and a bone shape model collide with each other of the present invention;

도 5는 본 발명의 임의의 복셀이 갖는 디스턴스 필드 값을 결정하기 위해 상기 임의의 복셀과 그 주변의 8개의 복셀을 나타낸 개념도,5 is a conceptual diagram illustrating the arbitrary voxel and eight voxels in the vicinity thereof to determine the distance field value of the arbitrary voxel of the present invention;

도 6은 본 발명의 뼈 형상모델의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드를 사용하여, 직접적으로 힘을 계산하는 경우에 발생하는 문제점을 보여주는 개략도,6 is a schematic diagram showing a problem that occurs when the force is calculated directly using the distance field of the point shell and the treatment tool shape model of the bone shape model of the present invention,

도 7은 본 발명의 가상 커플링을 이용한 반력 계산 방법의 개념을 나타낸 개략도,7 is a schematic diagram showing the concept of a reaction force calculation method using a virtual coupling of the present invention,

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 따른 볼륨 절삭 처리 프로시져의 처리 방식을 나타낸 개략도,8A to 8C are schematic views showing a processing method of a volume cutting processing procedure according to an implant simulation system using a haptic interface of the present invention;

도 9는 본 발명의 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템에 서 단순화되어 3차원 표면모델로 표현된 뼈 형상모델이 치료도구 형상모델에 의해 절삭되는 상태를 나타낸 개략도,9 is a schematic diagram showing a state in which a bone shape model represented by a three-dimensional surface model is simplified and cut by a treatment tool shape model in an implant simulation system using a haptic interface of the present invention;

도 10은 본 발명의 상기 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용되지 않은 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프 및,10 is a graph showing a change in the magnitude of the force is not applied to the reaction force generated by the collision of the treatment tool shape model and the bone shape model of the present invention,

도 11은 상기 치료도구 형상모델과 뼈 형상모델의 충돌에 따라 생성되는 반력에 진동이 적용된 힘의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the change in the magnitude of the force applied to the vibration generated in response to the collision between the treatment tool shape model and the bone shape model.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100...햅틱장치 110...조작부100 ... haptic device 110 ... control panel

200...디스플레이부 210...치료도구 형상모델200 Display unit 210 Treatment tool shape model

220...뼈 형상모델 300...제어부220 ... bone shape model 300 ... control unit

Claims (10)

치료도구의 실제 느낌을 구현하는 힘 또는 촉각의 반향 장치로서, 조작부의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고, 반력(Feedback Force)에 대한 정보를 갖는 입력 신호에 따라 상기 조작부가 변위되는 햅틱장치;A force or tactile echo device for realizing the actual feeling of a treatment tool, the apparatus comprising: a haptic device that outputs a signal according to a mechanical displacement of an operation unit and displaces the operation unit according to an input signal having information on feedback force; 치료를 필요로 하는 환부의 뼈 형상모델 및 상기 환부를 치료하는데 사용되는 치료도구 형상모델을 가상의(Virtual) 영상으로 출력하는 디스플레이부;A display unit configured to output a virtual shape of the bone shape model of the affected area requiring treatment and the treatment tool shape model used to treat the affected area as a virtual image; 상기 햅틱장치로부터 입력된 신호에 따라 상기 디스플레이부 상에 영상 출력되는 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델의 형태 및 위치 정보를 실시간 갱신하며, 볼륨모델을 기반으로 상기 뼈 형상모델 및 치료도구 형상모델의 충돌에 따른 반력을 연산하여 연산된 반력에 대한 정보를 갖는 신호를 상기 햅틱장치로 전달하는 제어부;를 포함하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템. The shape and position information of the bone shape model and the treatment tool shape model are output in real time on the display unit according to a signal input from the haptic device, and the bone shape model and the treatment tool shape model are based on a volume model. And a control unit which transmits a signal having information on the calculated reaction force to the haptic device by calculating the reaction force according to the collision of the haptic device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 뼈 형상모델 및 치료도구 형상모델의 충돌 검사는, 상기 뼈 형상모델의 포인트 쉘과 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드를 적용하여 수행되되,The collision test of the bone shape model and the treatment tool shape model is performed by applying a distance field of the point shell and the treatment tool shape model of the bone shape model, 상기 치료도구 형상모델의 경계구(Bounding sphere)에 포함되는 상기 뼈 형상모델의 포인트 쉘을 추출하며, 추출된 포인트에서 디스턴스 필드의 값을 질의하고 부호를 판단하여 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델의 충돌 여부를 검사하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.Extracting the point shell of the bone shape model included in the bounding sphere of the treatment tool shape model, querying the value of the distance field at the extracted point and determining the sign to determine the bone shape model and the treatment tool shape model Implant simulation system using a haptic interface, characterized in that for checking the collision of the. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 치료도구 형상모델의 경계구에 포함되는 포인트 쉘은 아래의 [수학식 2]를 통하여 디스턴스 필드의 볼륨 공간으로 변환되며,The point shell included in the boundary of the treatment tool shape model is converted into the volume space of the distance field through Equation 2 below. 상기 치료도구 형상모델의 포인트가 볼륨공간으로 변환된 위치에서 아래의 [수학식 3]을 통해 디스턴스 필드의 값을 결정하며, 결정된 디스턴스 필드 값이 음수(-)일 경우에 상기 치료도구 형상모델은 상기 뼈 형상모델에 충돌된 것으로 간주하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.The value of the distance field is determined by the following Equation 3 at the point where the point of the treatment tool shape model is converted to volume space, and when the determined distance field value is negative (-), the treatment tool shape model is Implant simulation system using a haptic interface, characterized in that the impact on the bone shape model. [수학식 2][Equation 2]
Figure 112009013064085-PAT00023
Figure 112009013064085-PAT00023
(여기서, Sx는 치료도구 형상모델의 디스턴스 필드가 위치하는 지역 좌표계에서 디스턴스 필드를 셈플링하는 위치, Px는 월드 좌표계에서 포인트 쉘 포인트의 위치, Dpos는 월드좌표계에서 디스턴스 필드의 위치, Dsize는 디스턴스 필드의 크기(즉, 복셀의 최소 위치값 - 복셀의 최대 위치값) 및, Dnum은 디스턴스 필드의 해상도를 의미한다. 따라서, Sx는 0에서 Dnum - 1 사이의 값으로 결정된다.)Where S x is the location of the distance field in the local coordinate system where the distance field of the Healing Tool geometry model is located, P x is the location of the point shell point in the world coordinate system, D pos is the location of the distance field in the world coordinate system, D size is the size of the distance field (that is, the minimum position value of the voxel minus the maximum position value of the voxel), and D num is the resolution of the distance field, so S x is a value between 0 and D num -1 Is determined.) [수학식 3]&Quot; (3) &quot; d = d000*(1-x)(1-y)(1-z)+d001*(1-x)(1-y)(z)+d010*(1-x)(y)(1-z)+d011*(1- x)(y)(z)+d100*(x)(1-y)(1-z)+d101*(x)(1-y)(z)+d110*(x)(y)(1-z)+d111*(x)(y)(z)d = d 000 * (1-x) (1-y) (1-z) + d 001 * (1-x) (1-y) (z) + d 010 * (1-x) (y) (1 -z) + d 011 * (1- x) (y) (z) + d 100 * (x) (1-y) (1-z) + d 101 * (x) (1-y) (z) + d 110 * (x) (y) (1-z) + d 111 * (x) (y) (z) (여기서, d는 포인트의 임의의 위치(x,y,z)에서의 디스턴스 필드 값, d000, d001, d010, d011, d100, d101, d110 및 d111는 상기 임의의 위치(x,y,z)에 자리한 포인트를 기준으로 주변의 8개의 복셀들이 갖는 각 디스턴스 필드 값을 의미한다.) (Where d is the distance field value at any location (x, y, z) of the point, d 000, d 001, d 010, d 011, d 100, d 101, d 110 and d 111 are any of the above Refers to the value of each distance field of eight adjacent voxels based on a point located at position (x, y, z).)
제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 뼈 형상모델과 치료도구 형상모델이 서로 충돌하여 발생하는 접촉힘(Fc)은,The contact force (F c ) generated by the collision between the bone shape model and the treatment tool shape model, 아래의 [수학식 4]를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.Implant simulation system using a haptic interface, characterized in that calculated using [Equation 4] below. [수학식 4]&Quot; (4) &quot;
Figure 112009013064085-PAT00024
Figure 112009013064085-PAT00024
(여기서, 상기 kc는 강성(Stiffness), di는 치료도구 형상 모델과 충돌한 i번째 포인트 쉘 포인트의 위치에서 얻은 디스턴스 필드의 값이며, Ni는 충돌한 i번째 포인트의 법선 벡터(Normal Vector)를 의미한다.)Where k c is the stiffness, d i is the value of the distance field at the location of the i point shell point that collided with the Healing Tool shape model, and N i is the normal vector of the i point that collided (Normal) Vector).)
제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 반력은, 가상 커플링(Virtual Coupling)을 이용하여 간접적으로 계산되되,The reaction force is calculated indirectly by using virtual coupling (Virtual Coupling), 상기 치료도구 형상모델과 상기 햅틱장치의 위치를 각각 계산한 후, 가상의 스프링(Virtual Spring)으로써 상기 치료도구 형상모델과 상기 햅틱장치를 서로 연결한 후, 아래의 [수학식 5]를 이용하여 가상 커플링의 힘(Fvc)를 계산하여 상기 가상 커플링의 힘(Fvc)과 크기는 같으나 방향은 반대인 반력을 연산하며,After calculating the position of the treatment tool shape model and the haptic device respectively, connecting the treatment tool shape model and the haptic device with a virtual spring and then using Equation 5 below. Compute the force (F vc ) of the virtual coupling to calculate the reaction force of the same magnitude but the opposite direction of the force (F vc ) of the virtual coupling, 상기 제어부는, 상기 반력에 대한 정보를 갖는 입력 신호를 상기 햅틱장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.The control unit, the implant simulation system using a haptic interface, characterized in that for transmitting the input signal having the information on the reaction force to the haptic device. [수학식 5][Equation 5]
Figure 112009013064085-PAT00025
Figure 112009013064085-PAT00025
(여기서, kd는 가상 스프링의 강성(stiffness), Pd는 햅틱 장비의 위치 및 Pt는 치료도구 형상모델의 위치를 의미한다.)(Where k d is the stiffness of the virtual spring, P d is the position of the haptic device, and P t is the position of the therapeutic tool shape model.)
제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 디스플레이부 상에 영상 출력되는 상기 치료도구 형상모델의 위치는 아래의 [수학식 6]을 통하여 산출 가능한 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.Implant simulation system using a haptic interface, characterized in that the position of the treatment tool shape model output on the display unit can be calculated through the following Equation (6). [수학식 6]&Quot; (6) &quot;
Figure 112009013064085-PAT00026
Figure 112009013064085-PAT00026
(여기서, 상기△x는 상기 치료도구 형상모델 위치의 변위,
Figure 112009013064085-PAT00027
는 x에 대한 접촉힘의 변화량,
Figure 112009013064085-PAT00028
는 x에 대한 가상 커플링 힘(Fvc)의 변화량을 의미한다.)
(Where Δx is the displacement of the treatment tool shape model position,
Figure 112009013064085-PAT00027
Is the change in contact force with respect to x,
Figure 112009013064085-PAT00028
Is the amount of change in the virtual coupling force (F vc ) with respect to x.)
제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 Δx는 햅틱 사이클에서 가우시언 소거법으로 산출하며,Δx is calculated by Gaussian elimination in the haptic cycle, 현재의 치료도구 형상모델의 위치에 상기 Δx를 더하여, 새로운 치료도구 형상모델의 위치를 계산 가능한 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.Implant system using a haptic interface, characterized in that the position of the new treatment tool shape model can be calculated by adding the Δx to the position of the current treatment tool shape model. 제 5항에 있어서, 상기 제어부는,The method of claim 5, wherein the control unit, 상기 연산된 반력에, 아래의 [수학식 7]을 적용하여 실제 치료도구를 사용할 때 발생하는 진동 정보를 부가하며, 상기 햅틱장치를 통해 사용자에게 진동 힘이 포함된 반력이 전달되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.In addition to the calculated reaction force, by applying Equation 7 below, vibration information generated when using a real treatment tool is added, and a reaction force including vibration force is transmitted to the user through the haptic device. Implant simulation system using a haptic interface. [수학식 7] [Equation 7]
Figure 112009013064085-PAT00029
Figure 112009013064085-PAT00029
Figure 112009013064085-PAT00030
Figure 112009013064085-PAT00030
Figure 112009013064085-PAT00031
Figure 112009013064085-PAT00031
(여기서, 상기 Fn은 연산된 반력, b는 현재 시간t에서 주기가 100이고 크기가 0.15인 사인 값을 나타낸다.)Where Fn represents the calculated reaction force, b represents the sine of a period of 100 and a magnitude of 0.15 at the current time t.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 뼈 형상모델의 볼륨모델링을 수행함에 있어서,In performing the volume modeling of the bone shape model, 상기 뼈 형상모델의 3차원 표면모델이 존재하는 공간을 이산적으로 나누어 뼈의 형상을 복셀화하며, 골밀도 촬영 장비를 통해 획득된 수치화된 골밀도의 정보를 상기 복셀화된 모델에 적용하여, 뼈의 골밀도 속성이 부여된 상태로 상기 뼈 형상모델이 볼륨 모델링되는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템.By dividing the space where the three-dimensional surface model of the bone shape model exists discretely, the shape of the bone is voxelized, and by applying the numerical information of the bone density obtained through the bone density imaging equipment to the voxelized model, An implant simulation system using a haptic interface, characterized in that the bone shape model is volume modeled with a bone density property. 제 9항에 있어서, 상기 골밀도 촬영장비는, The method of claim 9, wherein the bone density imaging equipment, CT(Computed Tomography) 촬영기, MRI(Magnetic Resonance Imaginger) 및 X-Ray 촬영기 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 임플 랜트 시뮬레이션 시스템.Implant simulation system using a haptic interface, characterized in that any one of the CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaginger) and X-Ray imager.
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