KR20120052573A - 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법 - Google Patents

수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법 Download PDF

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KR20120052573A
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Abstract

본 발명에 따른 수술용 로봇 시스템은 시술자의 손의 움직임을 추적하는 동작 추적부, 동작 추적부에 의해 추적된 손의 움직임에 동기화되는 수술기구의 구동신호를 생성하는 신호처리부 및 구동신호에 따라 손의 움직임에 동기하여 구동되는 수술기구를 포함한다.

Description

수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법{SURGICAL ROBITC SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최소침습수술(minimal invasive surgery)을 위한 수술용 로봇 시스템과 수술용 로봇 시스템의 제어방법에 관한 것이다.
의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 수술기구를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술 부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제를 야기한다.
이에 대해, 피부를 절개하는 대신 작은 삽입공(孔)을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 수술기구(surgical instrument), 미세수술용 현미경 등의 수술기구를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 최소 침습 수술이 각광받고 있다. 한편, 이러한 최소 침습 수술은 집도의에 의해 수동으로 진행될 수도 있으나, 최근에는 시술자가 직접 기구를 조작하는 대신 수술용 로봇을 사용하여 기구를 정교하게 조작하여 수술을 수행하는 로봇 수술이 대안으로서 제시되고 있다.
로봇 수술을 위한 수술용 로봇은, 기구의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 입력장치와, 마스터 입력장치로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 입력장치와 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다. 슬레이브 로봇은 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암(robotic arm)을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 수술기구가 장착된다. 시술자는 내시경에 의해 촬영된 수술부위의 영상을 통해 수술부위와 수술기구의 동작을 확인하며 마스터 입력장치를 조작하여 수술을 진행할 수 있다.
상기와 같은 수술용 로봇을 이용한 시술의 진행과정에서, 시술자는 직접 마스터 입력장치를 손으로 조작하여 시술을 진행하게 된다. 그런데 이와 같은 입력장치를 이용한 수술용 로봇의 조작은 시술자의 움직임을 크게 제약하게 되므로 장시간 수술 시 시술자는 수술동작을 실행하는데 불편함을 느끼게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 시술자의 움직임을 제약하지 않고 편안하게 수술동작을 수행할 수 있도록 하는 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수술용 로봇 시스템은 시술자의 손의 움직임을 추적하는 동작 추적부, 동작 추적부에 의해 추적된 손의 움직임에 동기화되는 수술기구의 구동신호를 생성하는 신호처리부 및 구동신호에 따라 손의 움직임에 동기하여 구동되는 수술기구를 포함한다.
동작 추적부는 손의 움직임에 대한 이미지를 획득하기 위한 적어도 하나의 카메라 및 카메라에 의해 획득된 이미지를 분석하여 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 동작 추적 프로세서를 포함할 수 있다.
이때, 동작 추적 프로세서는 시술자의 손에 부착된 적어도 하나의 마커(landmark)의 움직임을 분석하여 손의 움직임에 대한 정보를 생성할 수 있다. 또한, 동작 추적 프로세서는 시술자의 손의 형상의 변화를 분석하여 손의 움직임에 대한 정보를 생성할 수 있다.
이때, 수술기구는 클램프(clamp), 그라스퍼(grasper), 가위(scissors), 스테이블러(stapler) 및 바늘집게(needle driver) 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수술용 로봇 시스템의 제어방법은 시술자의 손의 움직임을 추적하는 단계, 손의 움직임에 동기화되는 수술기구의 구동신호를 생성하는 단계 및 구동신호에 따라 손의 움직임에 동기하여 수술기구를 제어하는 단계를 포함한다.
이때, 손의 움직임을 추적하는 단계는 손의 움직임에 대한 이미지를 획득하는 단계, 획득된 이미지를 분석하는 단계 및 분석에 기초하여 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 획득된 이미지를 분석하는 단계는 시술자의 손에 부착된 마커의 움직임을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 획득된 이미지를 분석하는 단계는 시술자의 손의 형상의 변화를 분석하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명에 의한 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법에 따르면, 시술자는 입력장치를 접촉함이 없이 수술을 위한 동작을 수행하게 됨에 따라, 직접 손으로 장치를 조작하여 수술을 진행할 때 보다 그 움직임에 제약을 받지 않고 편안한 상태로 시술을 진행할 수 있게 된다. 따라서, 장시간의 수술에도 시술자가 피로함을 덜 느끼게 되므로 효과적으로 수술을 진행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 수술기구의 작동을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템에서 시술자의 손의 움직임을 포착하는 제1 예를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템에서 시술자의 손의 움직임을 포착하는 제2 예를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명한다. 이하에서 설명하는 실시 예는 본원 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 예시로써 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위가 이하의 실시 예들에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템(100)을 나타낸 평면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 수술용 로봇 시스템(100)은 수술 테이블(0)에 누워있는 환자(P)측에서 최소침습수술법이 시행되는 동안 시술자(S)가 조작하도록 구성되는 마스터 입력장치(10)를 포함한다.
본 실시예에서 마스터 입력장치(10)는 시술자가 직접 장치를 접촉하지 않고서도 손의 움직임만으로 원격적으로 수술기구를 조작할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 마스터 입력장치(10)는 표시부(12), 신호처리부(16), 동작 추적부(60)를 포함한다.
표시부(12)는 내시경(30)에 의해 촬영된 수술부위(20)의 영상을 시술자에게 제공하는 디스플레이 장치이다. 본 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템에서 시술자는 표시부(12)에 표시되는 수술용 로봇의 동작을 확인하고 손의 동작으로 수술용 로봇을 제어한다.
동작 추적부(60)는 시술을 진행하는 시술자 손의 움직임에 따라 수술기구(38, 40)가 구동되도록 시술자의 손의 움직임을 추적한다. 동작 추적부(60)는 적어도 하나의 카메라(62)와 카메라(62)에서 획득한 시술자의 영상에 근거하여 시술자의 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 동작 추적 프로세서(64)를 포함한다.
도 1에서는 3대의 카메라(62)가 설치되어 손의 움직임을 포착하는 것을 도시하였으나, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 시술자의 손의 움직임을 보다 정교하게 포착하기 위해 더 많은 카메라가 설치될 수 있다.
신호처리부(16)는 동작 추적부(60)에 의해 추적된 시술자의 손의 움직임에 따라 수술용 로봇 동작의 제어신호로 변환하여 출력한다. 로봇 암(32, 36)에 부착된 각 수술기구들(38, 40)은 신호처리부(16)에서 생성된 구동신호에 따라 시술자의 손의 움직임에 동기하여 구동된다.
신호처리부(16)는 마스터 입력장치(10)에 통합되어 있거나 마스터 입력장치(10) 옆에 위치하는 컴퓨터로 구성될 수 있다. 신호처리부(16)는 수술용 로봇 시스템(100)에서 다양한 기능을 수행한다. 신호처리부(16)는 시술자가가 각각의 수술기구(38, 40)를 효과적으로 이동 및/또는 조종할 수 있도록 제어 신호 버스(50)를 통하여 시술자 손의 움직임을 각각의 로봇 암(32, 34, 36)에 대한 제어신호로 변형하여(translate) 전달한다. 또한, 신호처리부(16)는 수술기구(38, 40)가 표시부(12)에 표시되는 카메라 포착 화면 바깥쪽에 있거나, 표시부(12)에 표시되는 카메라 포착 화면 내에서 차단되어 있는 경우에 수술기구(38, 40)의 위치를 표시한다.
이와 같은 신호처리부(16)는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어(firmware)의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 신호처리부의 기능은 본 명세서에서 기술된 바와 같이 하나의 유닛에 의해 실행될 수 있거나, 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합으로 차례로 실시될 수 있는 상이한 구성요소들로 분할된 것에 의해 실행될 수 있다.
시술자는 내시경(30)에 의해 포착되어 마스터 입력장치(10)의 표시부(12)로 제공되는 수술부위(20)를 나타내는 표시부(12)의 화면을 관찰하면서, 로봇 암(32, 36)에 탈착이 가능하게 결합된 수술기구(38, 40)가 구동되도록 일정한 공간 내에서 손을 움직임으로써 최소침습수술법을 시행한다. 이 경우, 표시부(12)의 화면은 수술부위의 평면 영상 또는 입체 영상으로 제공될 수 있다.
내시경(30) 및 각각의 수술기구(38, 40)는 캐뉼러(cannula)와 같은 수술기구(38, 40) 가이드를 통하여 환자 속으로 삽입될 수 있다. 각각의 로봇 암(32, 34, 36)은 연동장치와 같은 링크장치로 형성되고, 링크장치는 서로 결합되어 있으며 모터 제어식 관절을 통하여 조작될 수 있다. 사용되는 수술기구(38, 40)의 개수와 수술용 로봇 시스템(100)에 사용되는 로봇 암(32, 34, 36)의 개수는 여러 가지 요소 중에서 진단법 또는 수술법 그리고 수술실 내의 공간적인 제약에 따라 결정될 수 있다. 즉, 비록 도 1에서는 수술용 로봇 시스템(100)이 3개의 로봇 암(32, 34, 36)을 가지는 것으로 도시하였으나, 이는 본원 발명을 예시하기 위한 것으로, 로봇 암 및 수술기구의 개수는 필요에 따라 늘리거나 줄일 수 있으며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 수술과정 동안 사용되는 수술기구(38, 40)를 교체할 필요가 있는 경우, 수술기구(38, 40)를 로봇 암으로부터 제거하고 다른 수술기구로 교체할 수 있다. 교체될 수술기구를 확인하는 것을 도와주기 위해서, 로봇 암(32, 34, 36) 각각은 셋업 조인트(setup joint)와 같은 것에 인쇄된 확인 숫자나 칼라 표시부를 가질 수 있다.
또한, 시술자가 수술부위(20)를 실제로 직접 내려다 보는 느낌을 가지도록 향해 있는 영상을 표시하도록 표시부(12)는 시술자의 손 근처에 위치될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 수술기구(38, 40)의 영상은 실제로 시술자의 손이 위치되어 있는 곳에 배치되게 보이는 것이 바람직하다. 이를 위해, 신호처리부(16)는 내시경(30)에 의해 보여지는 대로 해당 수술기구(38, 40)의 방향을 맞추기 위해서 사용자 조작부(14)의 방향을 바꾸는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기와 같은 수술용 로봇 시스템(100)의 제어방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 수술기구(40)를 시술자의 손의 움직임에 동기하여 구동하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템은 적어도 하나의 카메라(62)와 동작 추적 프로세서(64)를 포함하는 동작 추적부(60), 신호처리부(16), 로봇암(34) 및 수술기구(40)을 포함한다.
카메라(62)는 시술자의 손의 움직임이 포함된 이미지를 포착하여, 이를 동작 추적 프로세서(64)로 출력한다.
동작 추적 프로세서(64)는 카메라(62)에 포착된 영상으로부터 시술자의 손의 움직임의 크기 및 방향에 대한 정보를 생성한다. 동작 추적 프로세서(64)는 카메라(62)에서 출력된 영상 내의 시술자의 양손의 이미지를 세그멘테이션(Segmentation)을 통해 추출하고, 영상 내에서 양손의 이미지에 대한 영상좌표를 획득한다. 또한, 동작 추적 프로세서(64)는 시술자 이미지의 최초 영상좌표와 동작 후 현재 영상좌표를 비교하고 좌표의 변화를 계산함으로써 손의 움직임의 크기, 방향 및 속도에 대한 정보를 생성하여 신호처리부(16)로 출력한다.
신호처리부(16)는 상기와 같이 생성된 손의 움직임에 대한 정보에 따라 그에 대응하는 수술기구(40)의 구동신호를 생성하여 이를 로봇암(34)으로 출력하고, 이에 의해 로봇암(34)에 부착된 수술기구(40)는 시술자의 손의 움직임에 동기하여 움직이게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 대한 제1 예로써, 시술자의 양손(80a, 80b)의 형상변화에 의해 양손(80a, 80b)의 움직임을 포착하는 것을 도시한 개략도이다.
본 예에서, 동작추적 프로세서(64)는 카메라(62)에서 출력된 영상 내의 시술자의 양손(80a, 80b)의 이미지를 세그멘테이션(Segmentation)을 통해 추출하고, 영상 내에서 양손(80a, 80b)의 이미지에 대한 영상좌표를 획득한다. 또한, 동작추적 프로세서(64)는 양손(80a, 80b)의 이미지의 최초 영상좌표와 동작 후 현재 영상좌표를 비교함으로써 양손(80a, 80b)의 형상변화를 감지하여 이에 대한 정보를 생성하여 신호처리부(16)로 출력한다.
예를 들어, 시술자가 가위로 특정 부위를 자르는 손의 움직임을 한 경우, 카메라(62)는 그에 따른 손가락과 관절의 움직임을 포착하고, 동작추적 프로세서(64)는 포착된 손의 형상변화를 추적하여 이를 신호처리부(16)로 전송한다. 신호처리부(16)에서는 손의 형상변화에 관한 정보를 로봇 암(36) 및 수술기구(40)가 자르는 동작을 수행하도록 하는 제어신호로 변형하여 출력한다. 이에 따라 로봇 암(36)과 그에 부착된 수술기구(40)는 환자의 시술부위에서 가위로 자르는 동작을 수행하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 대한 제2 예로써, 시술자의 양손(80a, 80b)에 부착된 복수의 마커(70)의 위치변화에 의해 양손(80a, 80b)의 움직임을 포착하는 것을 도시한 개략도이다. 본 예에서, 동작추적 프로세서(64)는 카메라(62)에서 출력된 영상 내의 시술자의 양손(80a, 80b)에 부착된 복수의 마커(70)의 이미지를 세그멘테이션(Segmentation)을 통해 추출하고, 영상 내에서 마커(70)의 이미지에 대한 영상좌표를 획득한다. 또한, 동작추적 프로세서(64)는 마커(70)의 최초 영상좌표와 동작 후 현재 영상좌표를 비교함으로써 손의 움직임을 감지하여 이에 대한 정보를 생성하여 신호처리부(16)로 출력한다.
이와 같이, 이미지의 추출이 용이한 마커(70)를 이용하는 경우, 복잡한 형상을 가지는 손의 형상의 변화를 모두 추적하지 않고, 실질적으로 수술기구를 조작하기 위한 손가락 및 관절부위의 움직임만을 추적하게 되므로 보다 용이하게 시술기구를 구동하기 위한 손 움직임에 관한 정보를 생성할 수 있다.
상기에서 가위를 수술기구(40)의 예로 설명하였으나, 수술기구는 클램프(clamp), 그라스퍼(grasper), 스테이블러(stapler) 및 바늘집게(needle driver) 등과 같은 시술에 필요한 다양한 장치일 수 있다.
상기에서는 시술자의 손의 움직임을 추적하고 그에 따라 수술기구(40)의 움직임을 제어하는 방법에 대하여 예를 들어 설명하였다. 그러나 상기에서 설명한 시술자의 손의 움직임을 추적하고 그에 대한 정보를 생성하는 방법은 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 상기에서 설명한 바와 다른 다양한 모션 트랙킹(motion tracking) 기술을 이용하여 구현이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 제어방법을 나타낸 순서도이다. 먼저, 적어도 하나의 카메라를 이용하여 시술자 손의 움직임의 이미지를 포착(S10)한다. 이때, 시술자의 손의 움직임은 시술자의 손에 부착된 마커의 움직임에 의해 포착될 수 있으며, 보다 미세한 움직임을 포착하기 위해서는 3 이상의 교정된 카메라를 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 시술자의 손의 움직임에 대한 이미지를 획득 및 분석(S20)하고, 그에 따른 정보를 생성한다. 시술자 움직임에 대한 정보는 시술자 손의 움직임의 크기, 방향 및 속도 등을 포함할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 획득한 영상 내의 시술자의 이미지를 세그멘테이션(Segmentation)을 통해 추출하고, 영상 내에서 시술자의 이미지에 대한 영상좌표를 획득한다. 또한, 시술자 손의 이미지의 최초 영상좌표와 동작 후 현재 영상좌표를 비교하고 좌표의 변화를 계산함으로써 손의 움직임의 크기, 방향 및 속도에 대한 정보를 생성하여 출력한다.
다음으로, 손의 움직임에 대한 정보에 대응하는 수술기구의 구동신호를 생성(S30)한다. 이때, 시술자 손의 움직임과 동일한 크기, 방향 및 속도로써 수술기구가 동작되도록 구동신호를 생성한다.
다음으로, 생성된 구동신호를 로봇암 및 수술기구로 전송하여 시술자의 손의 움직임에 따라 시술자가 직접 시술을 진행하는 것과 동일한 효과를 나타낼 수 있도록 수술기구를 구동(S40)한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 제어방법에 따르면, 시술자는 입력장치를 접촉함이 없이 수술을 위한 동작을 수행하게 됨에 따라, 직접 손으로 장치를 조작하여 수술을 진행할 때 보다 그 움직임에 제약을 받지 않고 편안한 상태로 시술을 진행할 수 있게 된다. 따라서, 장시간의 수술에도 시술자가 피로함을 덜 느끼게 되므로 효과적으로 수술을 진행할 수 있게 된다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 마스터 입력장치 12: 표시부
16: 신호처리부 20: 수술부위
30: 내시경 32, 34, 36: 로봇 암
38, 40: 수술기구 50: 신호버스
60: 동작 추적부 62: 카메라
64: 동작 추적 프로세서

Claims (9)

  1. 시술자의 손의 움직임을 추적하는 동작 추적부,
    상기 동작 추적부에 의해 추적된 상기 손의 움직임에 동기화되는 수술기구의 구동신호를 생성하는 신호처리부, 및
    상기 구동신호에 따라 상기 손의 움직임에 동기하여 구동되는 수술기구
    를 포함하는 수술용 로봇 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 동작 추적부는,
    상기 손의 움직임에 대한 이미지를 획득하기 위한 적어도 하나의 카메라, 및
    상기 카메라에 의해 획득된 이미지를 분석하여 상기 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 동작 추적 프로세서
    를 포함하는 수술용 로봇 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 동작 추적 프로세서는 상기 시술자의 손에 부착된 적어도 하나의 마커(landmark)의 움직임을 분석하여 상기 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 수술용 로봇 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 동작 추적 프로세서는 상기 시술자의 손의 형상의 변화를 분석하여 상기 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 수술용 로봇 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 수술기구는 클램프(clamp), 그라스퍼(grasper), 가위(scissors), 스테이블러(stapler) 및 바늘집게(needle driver) 중 어느 하나인 수술용 로봇 시스템.
  6. 시술자의 손의 움직임을 추적하는 단계,
    상기 손의 움직임에 동기화되는 수술기구의 구동신호를 생성하는 단계, 및
    상기 구동신호에 따라 상기 손의 움직임에 동기하여 수술기구를 제어하는 단계
    를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 제어방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 손의 움직임을 추적하는 단계는,
    상기 손의 움직임에 대한 이미지를 획득하는 단계,
    상기 획득된 이미지를 분석하는 단계, 및
    상기 분석에 기초하여 상기 손의 움직임에 대한 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 제어방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 획득된 이미지를 분석하는 단계는, 상기 시술자의 손에 부착된 마커의 움직임을 분석하는 단계를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 제어방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 획득된 이미지를 분석하는 단계는, 상기 시술자의 손의 형상의 변화를 분석하는 단계를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 제어방법.
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