KR20120046439A

KR20120046439A - 3ｄ 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치

Info

Publication number: KR20120046439A
Application number: KR1020100108085A
Authority: KR
Inventors: 허찬영
Original assignee: 서울대학교병원 (분사무소)
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-10
Also published as: KR101235044B1

Abstract

본 발명은 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치에 관한 것으로, 특히 자동 수술장치에 의한 수술과정에 의사의 간접 조종이 필요 없어 진정한 자동수술을 제공할 수 있게 되고, 3D 의료영상의 오류를 실시간으로 점검하고 보정할 수 있는 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치에 관한 것이다.
본 발명의 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법은, 의료 영상을 촬영하는 단계(S10); 상기 (S10) 단계에서 촬영된 의료 영상으로부터 수술부위의 3D 모델을 형성하는 단계(S20); 상기 (S20) 단계의 3D 모델을 기준으로, 수술장비의 진행경로를 프로그램하는 단계(S30); 수술장비를 이동시키는 단계(S40); 및 의료영상으로부터 수술장비의 이동경로를 계산하는 단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3Ｄ 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치{METHOD OF OPERATION SIMULATION AND AUTOMATIC OPERATION DEVICE USING 3D MODELLING}

본 발명은 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치에 관한 것이다.

최근에 들어 외과나 성형외과 등에서 행해지는 각종 의료수술에서, 의사가 손으로 직접 수술장비를 다루지 않고 의사가 장비를 조작함으로써 수술용 기계가 수술장비를 다루면서 직접 환자에 대한 수술을 진행할 수 있는 자동 수술장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 그리고 이러한 자동 수술장치의 정확한 조작을 위하여 실제 수술 전에 수술 시뮬레이션을 하는 방법에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.

그러나 종래의 자동 수술장치는 단순히 의료 영상만을 촬영하고, 이 촬영된 영상과 수술장비를 매칭시키면서 수술장비의 이동경로를 모니터링하고, 의사가 자동 수술장치를 옆에서 조종할 뿐이어서 의사가 직접 손으로 수술장비를 다루면서 수술하는 과정과 실질적인 차이점이 없었고, 자동 수술장치가 오작동할 경우 수술이 실패할 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자동 수술장치에 의한 수술과정에 의사의 간접 조종이 필요 없어 진정한 자동수술을 제공할 수 있게 되고, 3D 의료영상의 오류를 실시간으로 점검하고 보정할 수 있는 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르는 수술 시뮬레이션 방법은, 의료 영상을 촬영하는 단계(S10); 상기 (S10) 단계에서 촬영된 의료 영상으로부터 수술부위의 3D 모델을 형성하는 단계(S20); 상기 (S20) 단계의 3D 모델을 기준으로, 수술장비의 진행경로를 프로그램하는 단계(S30); 수술장비를 이동시키는 단계(S40); 및 의료영상으로부터 수술장비의 이동경로를 계산하는 단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 (S20) 단계는, 상기 (S10) 단계에서 촬영된 3D 의료영상을 X축, Y축 및 Z축에 따라 구분 및 정렬시키는 단계; 좌표 데이터를 부가하는 단계; 및 수술할 부위를 표시하고 특정 부위에 적용될 수술방식 등을 표시하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 (S40) 단계 이후, 수술장비의 이동경로를 모니터링하는 단계(S50)를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 (S50) 단계는, 상기 수술장비의 선단부에 설치된 의료영상 촬영부가 상기 수술장비 및 수술부위의 영상을 촬영하는 단계; 및 상기 촬영된 수술장비 및 상기 수술부위의 영상을 디스플레이부로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

아울러 상기 (S60) 단계에서 계산된 상기 수술장비의 경로를 검토하고, 상기 수술장비의 중간지점을 추가 설정하는 단계(S70)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 (S70) 단계는, 상기 (S60) 단계에서 계산된 이동경로와 상기 (S30) 단계에서 프로그램된 3D 모델을 비교ㅇ대비하여 작동상 오차를 수정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따르는 자동 수술장치는, 수술장비; 상기 수술장비에 인접하게 구비되어 피수술자의 수술부위 영상을 촬영하는 의료영상 촬영부; 상기 의료영상 촬영부에서 촬영된 영상이 저장되는 데이터베이스부; 상기 의료영상 촬영부에서 촬영된 영상, 또는 상기 데이터베이스부에 저장된 데이터를 외부로 출력하는 디스플레이부; 상기 데이터베이스부로 데이터를 입력할 수 있는 데이터 입력부; 및 상기 수술장비 및 상기 의료영상 촬영부를 제어하고, 수술장비 영상 데이터를 상기 데이터베이스부 및 상기 디스플레이부로 송신하며, 상기 데이터 입력부를 통해 입력된 데이터를 상기 데이터베이스부로 송신하는 중앙 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 중앙 제어부는 마이크로 프로세서 및 메모리를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 수술장비는, 전동 톱(전동식 혹은 고압력 질소식을 포함함), 진동 톱, 버(burr), 메스, 내시경 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 수술장비와 상기 중앙 제어부 사이에 연결되어 구비되며, 상기 수술장비의 동작을 제어하는 수술장비 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 의료영상 촬영부는, 3D 디지털 카메라, CT, MRI 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 의료영상 촬영부는 상기 수술장비의 선단부에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 데이터 베이스부는, 3D 영상, 3D 모델 및 경로 데이터를 포함하는 데이터를 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치는 자동 수술장치에 의한 수술과정에 의사의 간접 조종이 필요 없어 진정한 자동수술을 제공할 수 있게 되고, 3D 의료영상의 오류를 실시간으로 점검하고 보정할 수 있으며, 수술자(operator)가 수술 시야에서 나안의 육안으로 식별할 수 없는 굴곡된 부위의 수술을 가능하게 하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따르는 3D 모델링을 이용한 자동 수술장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면; 그리고,
도 2는 본 발명에 따르는 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법을 도시한 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따르는 3D 모델링을 이용한 자동 수술장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면으로, 도 1을 참조하여 본 발명에 따르는 자동 수술장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르는 자동 수술장치는 중앙 제어부(10), 수술장비(20) 및 이를 제어하는 수술장비 제어부(25), 의료영상 촬영부(30), 데이터베이스부(40), 디스플레이부(50) 및 데이터 입력부(60)를 포함한다.

이 중 중앙 제어부(10)는 자동 수술장치의 나머지 구성들(20 내지 60)을 제어하는 구성으로, 다른 구성들과 전기적으로 연결되며, 마이크로 프로세서(미도시) 및 메모리(미도시)를 포함한다.

수술장비(20)는 수술에 필요한 각종 수술장비를 모두 포함하는 총괄적 개념으로, 전동 톱(전동식 혹은 고압력 질소식을 포함함), 진동 톱, 버(burr), 메스, 내시경 등을 포함하며, 수술장비 제어부(25)를 통해 중앙 제어부(10)와 연결된다.

수술장비 제어부(25)는 중앙 제어부(10)의 신호에 따라 수술장비(20)를 제어하는 구성으로, 각종 수술장비(20)를 집고 이동시키기 위한 구성, 수술장비(20)를 작동시키기 위한 구성 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 각종 수술장비(20)가 수술장비 제어부(25)에 일체로 구비될 수 있다.

의료 영상 촬영부(30)는 수술부위를 촬영할 수 있는 3D 디지털 카메라, 그리고 X-RAY, CT나 MRI와 같은 촬영장비 등을 포함하며, 수술 중 피수술자의 신체나 수술부위를 촬영하는 구성과, 수술 전 피수술자의 신체나 수술부위를 미리 촬영하는 구성을 모두 포함할 수 있다. 이 중 3D 디지털 카메라는 수술장비(20)의 선단부에 인접하여 설치되는 것이 바람직하다. 이 의료 영상 촬영부(30)에서 촬영된 의료영상은 중앙 제어부(10)를 통해 데이터베이스부(40)에 저장되고, 디스플레이부(50)를 통해 외부로 출력될 수도 있다.

데이터베이스부(40)는 자동 수술장치의 동작에 필요한 각종 데이터를 저장하기 위한 구성으로, 하드디스크나 플래시 메모리와 같은 구성을 포함하는 것이 바람직하다. 이 데이터베이스부(40)에 저장될 수 있는 자료는 수술 전 피수술자를 촬영한 3D 영상(혹은 사진), 그리고 수술 전 시뮬레이션에 의해 결정된 3D 모델 그리고, 수술 중 변경될 수 있는 수술장비(20)의 경로 데이터 등이다.

디스플레이부(50)는 의료 영상 촬영부(30)에서 촬영된 의료 영상 등의 각종 데이터를 외부로 출력하는 구성으로, 수술 전이나 수술 중 관리자가 감독자가 자동 수술장비(20)의 위치나 작동 상태 또는 각종 데이터를 육안으로 확인할 수 있도록 하는 구성이다.

마지막으로 데이터 입력부(60)는 관리자나 감독자가 자동 수술장치에 데이터를 입력할 수 있는 구성이다. 예컨대 자동 수술 중 미리 정해져 있던 3D 모델을 수정할 필요가 있을 때 데이터 입력부(60)의 조작을 통해 중앙 제어부(10)를 거쳐 데이터베이스부(40)의 경로 데이터 등을 수정할 수 있도록 한다. 데이터 입력부(60)는 키보드나 마우스 또는 터치 스크린과 같은 구성을 포함할 수 있고, 이 중 '터치 스크린'으로 구성될 경우 디스플레이부(50)와 일체로 형성될 수도 있다).

도 2는 본 발명에 따르는 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법을 도시한 순서도이다. 도 1에 도시된 자동 수술장치를 통한 수술 시뮬레이션 방법의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 의료영상을 촬영한다(S10). 이 단계는 의료 영상 촬영부(30)가 피수술자의 신체나 수술부위를 수술 전에 미리 촬영하는 단계이다. 그리고 이 때 촬영된 3D 영상이나 CT/MRI 사진과 같은 의료영상은 데이터베이스부(40)에 저장되는 것이 바람직하다.

이어서 수술부위에 대한 3D 모델을 형성한다(S20). 이 단계는 (S10) 단계에서 촬영된 의료영상 중 자동수술에 필요한 부위를 추출 및 정리하고 디지털화하는 단계이다. 예컨대 (S10) 단계에서 촬영된 3D 의료영상을 X축, Y축 및 Z축에 따라 구분 및 정렬시키고 좌표 데이터를 부가하는 등의 작업, 촬영된 3D 의료영상 중 수술할 부위를 표시하고 특정 부위에 적용될 수술방식 등을 표시할 수 있다. 이 (S20) 단계에서 형성된 3D 모델은 중앙 제어부(10)를 통해 데이터베이스부(40)에 저장된다.

그리고 수술장비 진행경로를 프로그램 한다(S30). 이 단계는 (S20) 단계에서 형성된 3D 모델을 기준으로, 실제 수술장비(20)를 이동시키고 작동시킬 경로를 설정하는 단계이다. 예컨대 메스를 집고 어느 부위로 이동시켜, 어느 부위를 절단하고, 어느 부위를 봉합하는 등의 과정을 설정하여 프로그램화하게 되며, 이 단계는 전문가인 의사에 의해 진행되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 이 과정이 의사가 수술장비(20)를 집고 이동시킨 후 작동시키는 과정을 3D 영상으로 인식하고 이를 데이터화하는 과정을 포함할 수 있다. 그리고 여기서 프로그램된 수술장비 진행경로 데이터는 데이터베이스부(40)에 저장된다.

이와 같이 수술장비 진행경로의 프로그램이 완성되면(S30), 자동 수술장치의 동작이 실시되어 수술장비(20)가 이동하도록 조정한다(S40). 이 과정은 (S30) 단계에서 프로그램되고 데이터베이스부(40)에 저장된 경로 데이터가 중앙 제어부(10)를 통해 수술장비 제어부(25)로 전달되고, 수술장비 제어부(25)가 수술장비(20)를 제어함으로써 이루어진다. 이 (S40) 단계는 실제 피수술자에 대한 수술 과정에서 이루어질 수도 있고, 실제 수술 전 자동 수술장치의 작동 데이터를 설정하는 단계에서 이루어질 수도 있다.

이 수술장비의 이동 단계(S40)와 동시에, 수술장비(20)의 이동경로를 모니터링하는 단계(S50)도 함께 실시된다. 수술장비(20)가 이동할 때 수술장비(20)의 선단부에 인접하여 설치된 3D 디지털 카메라와 같은 의료 영상 촬영부(30)가 수술장비(20) 및 수술부위의 영상을 실시간으로 촬영하고, 이 영상은 중앙 제어부(10)를 통하여 데이터베이스부(40)에 저장됨과 동시에 디스플레이부(50)를 통해 외부로 출력된다. 이 때 수술장비 이동경로를 프로그램한 의사, 관리자 또는 감독자는 디스플레이부(50)를 통해 수술장비(20) 및 수술부위의 상태 또는 수술장비 제어부(25)의 오작동 여부까지도 확인할 수 있게 된다. 그리고 (S40) 단계가 실제 피수술자에 대한 수술과정에서 이루어질 경우에는 (S10) 단계에서 미리 촬영된 영상과, (S40) 단계에서 의료 영상 촬영부(30)가 촬영하는 영상을 정합(整合)하고 디스플레이부(50)를 통해 출력하여, (S30) 단계에서 시뮬레이션된 경로를 외부로 디스플레이한다.

이어서 수술장비 이동단계(S40) 및 이동경로 모니터링 단계(S50)에서 추출되어 데이터베이스부(40)에 저장된 의료 영상들로부터 다시 수술장비(20)의 이동경로를 계산한다(S60). 이 때 계산된 수술장비(20)의 이동경로는 다시 데이터베이스부(40)에 저장된다.

그리고 수술장비(20)의 이동경로를 검토하고, 필요에 따라 중간지점을 설정하는 단계(S70)가 진행된다. 이 단계는 (S50) 단계에서 출력된 이동경로 영상에서 관리자 또는 감독자에 의해 이동경로를 보정할 필요가 있어 데이터 입력부(60)를 통해 보정 데이터가 입력되는 단계, 혹은 (S60) 단계에서 계산된 이동경로와 (S30) 단계에서 프로그램된 3D 모델을 중앙 제어부(10)가 비교ㅇ대비하여 작동상 오차를 수정하는 단계가 포함될 수 있다.

이상과 같이 설명한 본 발명의 3D 모델링을 이용한 수술 시뮬레이션 방법 및 자동 수술장치는 자동 수술장치에 의한 수술과정에 의사의 간접 조종이 필요 없어 진정한 자동수술을 제공할 수 있게 되고, 3D 의료영상의 오류를 실시간으로 점검하고 보정할 수 있는 효과를 제공한다. 그리고 악안면골 수술 등과 같이 수술자가 직선시야를 벗어나 육안으로 파악하기 어려운 수술부위의 수술에 효과적이다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.

10 : 중앙 제어부 20 : 수술장비
25 : 수술장비 제어부 30 : 의료영상 촬영부
40 : 데이터베이스부 50 : 디스플레이부
60 : 데이터입력부

Claims

의료 영상을 촬영하는 단계(S10);
상기 (S10) 단계에서 촬영된 의료 영상으로부터 수술부위의 3D 모델을 형성하는 단계(S20);
상기 (S20) 단계의 3D 모델을 기준으로, 수술장비의 진행경로를 프로그램하는 단계(S30);
수술장비를 이동시키는 단계(S40); 및
의료영상으로부터 수술장비의 이동경로를 계산하는 단계(S60)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 (S20) 단계는,
상기 (S10) 단계에서 촬영된 3D 의료영상을 X축, Y축 및 Z축에 따라 구분 및 정렬시키는 단계;
좌표 데이터를 부가하는 단계; 및
수술할 부위를 표시하고 특정 부위에 적용될 수술방식 등을 표시하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 (S40) 단계 이후,
수술장비의 이동경로를 모니터링하는 단계(S50)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
제4항에 있어서,
상기 (S50) 단계는,
상기 수술장비의 선단부에 설치된 의료영상 촬영부가 상기 수술장비 및 수술부위의 영상을 촬영하는 단계; 및
상기 촬영된 수술장비 및 상기 수술부위의 영상을 디스플레이부로 출력하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 (S60) 단계에서 계산된 상기 수술장비의 경로를 검토하고, 상기 수술장비의 중간지점을 추가 설정하는 단계(S70)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
제5항에 있어서,
상기 (S70) 단계는,
상기 (S60) 단계에서 계산된 이동경로와 상기 (S30) 단계에서 프로그램된 3D 모델을 비교ㅇ대비하여 작동상 오차를 수정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시뮬레이션 방법.
수술장비;
상기 수술장비에 인접하게 구비되어 피수술자의 수술부위 영상을 촬영하는 의료영상 촬영부;
상기 의료영상 촬영부에서 촬영된 영상이 저장되는 데이터베이스부;
상기 의료영상 촬영부에서 촬영된 영상, 또는 상기 데이터베이스부에 저장된 데이터를 외부로 출력하는 디스플레이부;
상기 데이터베이스부로 데이터를 입력할 수 있는 데이터 입력부; 및
상기 수술장비 및 상기 의료영상 촬영부를 제어하고, 수술장비 영상 데이터를 상기 데이터베이스부 및 상기 디스플레이부로 송신하며, 상기 데이터 입력부를 통해 입력된 데이터를 상기 데이터베이스부로 송신하는 중앙 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제7항에 있어서,
상기 중앙 제어부는 마이크로 프로세서 및 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제7항에 있어서,
상기 수술장비는,
전동 톱(전동식 혹은 고압력 질소식을 포함함), 진동 톱, 버(burr), 메스, 내시경 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제7항에 있어서,
상기 수술장비와 상기 중앙 제어부 사이에 연결되어 구비되며,
상기 수술장비의 동작을 제어하는 수술장비 제어부
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제7항에 있어서,
상기 의료영상 촬영부는,
3D 디지털 카메라, CT, MRI 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제11항에 있어서,
상기 의료영상 촬영부는 상기 수술장비의 선단부에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.
제7항에 있어서,
상기 데이터 베이스부는,
3D 영상, 3D 모델 및 경로 데이터를 포함하는 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 자동 수술장치.