KR20130134200A - Robot system for radiation cancer treatment - Google Patents

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KR20130134200A
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Abstract

The present invention relates to a robot system which irradiates a lesion of a patient by radiation beams within an operation region (12) around a bed (10). The robot system comprises: a base (20) installed at a ceiling and/or a floor; an arm (30) installed to support a linear accelerator (15) on the base (20) for multi-axis motion; a sensor unit (40) to detect the output change of radiation beam and position change of a patient; and a control unit (50) to operate the arm with a predetermined condition while inputting signals of the sensor unit (40). Therefore, radiation therapy time can be reduced using a plurality of robot arms which are cooperatively controlled, and accuracy is improved using the degree of freedom in sensitive areas such as pancreas and brain for enabling microsurgery.

Description

방사선 암치료용 로봇시스템{Robot system for radiation cancer treatment}Robot system for radiation cancer treatment

본 발명은 방사선 암치료용 로봇시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 협조 제어되는 다수의 로봇 아암을 기반으로 인하여 방사선 치료시간을 단축시키고, 췌장과 뇌 같은 민감 부위에 대하여는 여유자유도를 이용한 정교성을 향상하여 미세수술을 가능하게 하는 방사선 암치료용 로봇시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a robot system for the treatment of radiation cancer, and more specifically, to reduce the radiation treatment time due to the cooperatively controlled multiple robot arms, and to improve the elaboration using the degree of freedom for sensitive areas such as the pancreas and the brain. The present invention relates to a radiation cancer treatment robot system that enables microsurgery.

방사선 치료와 관련된 장비로서 X-Knife (Radionics, USA), Novalis Tx (BrainLAB, Germany), Peacok(NOMOS Corp, USA), Trilogy (Varian Medical System, USA), CyberKnife (Accuray Inc. USA) 등이 알려져 있으며, 이들의 대부분은 선형가속기와 Image Guided Radiotherapy (IGRT)의 기술을 기반으로 치료시 발생하는 오차를 줄이고 정확도를 높이는 방안으로 진화되고 있다. 상기 장비 중 사이버나이프(CyberKnife)는 환자의 호흡에 의해 발생하는 종양 움직임을 보완하는 치료의 구현이 가능하다.X-Knife (Radionics, USA), Novalis Tx (BrainLAB, Germany), Peacok (NOMOS Corp, USA), Trilogy (Varian Medical System, USA), CyberKnife (Accuray Inc. USA) are known as equipment related to radiation therapy. Most of them are evolving to reduce errors and increase accuracy based on the technology of linear accelerator and image guided radiotherapy (IGRT). CyberKnife of the equipment can implement the treatment to complement the tumor movement caused by the patient's breathing.

이에 반하여 방사선 암치료 장비(시스템)의 로봇에 대한 연구 결과는 미비한 실정으로서, 통상적으로 로봇 기구학의 설계 과정을 크게 자유도(degree of freedom; DOF) 설계(synthesis), 유형(type) 설계, 치수(dimension) 설계로 나누어 기술하고 있지만, 로봇 기구학의 설계 과정에 반드시 선행되어야 할 작업 분석(task analysis) 과정에 대해서는 언급이 없다. 특히, 다중 로봇팔을 이용한 정위적 방사선 수술체계 구축과 관련된 주제로 진행된 연구가 전무하다.On the other hand, research on robots of radiation cancer treatment equipment (systems) is inadequate. In general, the design process of robot kinematics greatly reduces the degree of freedom (DOF) design, type design, and dimensions. Although the description is divided into dimension designs, there is no mention of a task analysis process that must precede the design process of robot kinematics. In particular, no research has been conducted on topics related to the construction of stereotactic radiosurgery using multiple robotic arms.

이와 관련되는 국내외 선행특허로서, 한국 공개특허공보 제1995-7003890호는 빔경로를 횡단하는 미리 정해진 비원형 및 비선형 경로를 따라 로봇 팔 및 빔 발생장치를 움직이고 동시에 상기 빔경로는 타겟 영역내로 지향되도록 하는 수단을 사용하는 방사선 요법용 장치를 제안하고, 미국 공개특허공보 제2009/0003523호는 로봇 포지셔닝 시스템과 추적 시스템을 포함하는 이미지-가이드 방사선 치료 시스템을 제안하고, 미국 공개특허공보 제2009/0003975호는 선형가속기와 상기 선형가속기에 따른 5자유도의 로봇 암을 포함하는 방사선치료시스템의 로봇암을 제안하고, 미국 등록특허공보 제7724870호는 최소 4자유도의 지지체, 상기 지지체에 결합된 치료 방사선원, 검출기를 포함하는 주촉성 방사선외과에서 디지털 토모신세시스(tomosynthesis)에 관하여 제안한다.As related domestic and foreign prior patents, Korean Patent Laid-Open Publication No. 1995-9003890 moves a robotic arm and a beam generator along a predetermined non-circular and nonlinear path traversing a beam path and simultaneously directs the beam path into a target area. A device for radiation therapy using a means of the present invention, US Patent Publication No. 2009/0003523 proposes an image-guided radiation therapy system comprising a robot positioning system and a tracking system, US Patent Publication No. 2009/0003975 The arc proposes a robot arm of a radiation treatment system comprising a linear accelerator and a robot arm of five degrees of freedom according to the linear accelerator, US Patent No. 7724870 is a support of at least four degrees of freedom, a therapeutic radiation source coupled to the support, A digital tomosynthesis is proposed in chiropractic radiosurgery that includes a detector.

그러나 상기한 선행특허에 의하면 선형태의 미량 방사선량으로 시술에 많은 시간이 소요되어 폐암 등 움직이는 부위에 대해서는 치료에 어려움이 수반되며, 특히 췌장암 또는 뇌암과 같이 중요 장기에 둘러싸여 있거나 그 부위가 방사선에 취약한 경우에는 치료에 한계를 드러내고 있다.However, according to the above-mentioned patent, it is difficult to treat the moving parts such as lung cancer due to the time-consuming procedure due to the linear trace amount of radiation, and especially surrounded by important organs such as pancreatic cancer or brain cancer, If vulnerable, the treatment reveals limitations.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 협조 제어되는 다수의 로봇 아암을 기반으로 인하여 방사선 치료시간을 단축시키고, 췌장과 뇌 같은 민감 부위에 대하여는 여유자유도를 이용한 정교성을 향상하여 미세수술을 가능하게 하는 방사선 암치료용 로봇시스템을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for improving the conventional problems as described above, by reducing the radiotherapy time due to the cooperatively controlled multiple robot arms, by improving the elaboration using the degree of freedom for sensitive areas such as pancreas and brain The present invention provides a robotic system for the treatment of radiation cancer that enables microsurgery.

본 발명의 다른 목적은, 다수의 방사선 조사기를 적용함에 따른 상호 충돌을 방지하여 로봇 시스템의 안전성을 제고하는 데 있다.Another object of the present invention is to improve the safety of the robot system by preventing mutual collisions by applying a plurality of radiation irradiator.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 베드를 중심으로 하는 작업영역 내에서 환자의 환부에 방사선 빔을 조사하여 암치료를 수행하는 로봇시스템에 있어서: 천장과 바닥의 적어도 일측에 설치되는 베이스; 상기 베이스 상에 선형가속기를 다축운동 가능하게 지지하도록 설치되는 아암; 상기 방사선 빔의 출력변동과 환부의 위치변동을 검출하는 감지수단; 및 상기 감지수단의 신호를 입력하면서 설정된 조건으로 아암을 구동하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a robot system for performing cancer treatment by irradiating a radiation beam to the affected part of the patient in the work area centered on the bed: a base installed on at least one side of the ceiling and the floor; An arm installed on the base to support the multi-axis motion in a linear accelerator; Sensing means for detecting an output variation of the radiation beam and a position variation of the affected part; And a controller for driving the arm under the set condition while inputting the signal of the sensing means.

또, 본 발명에 따르면 상기 아암은 회전축으로 구성된 제1축~제6축을 기반으로 하고, 직선축으로 구성된 제7축을 연결하여 여유자유도를 확보하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the arm is based on the first to sixth axes constituted by the rotating shaft, and the seventh axis formed by the linear axis to secure the margin of freedom.

또, 본 발명에 따르면 상기 아암은 천장의 2개소와 선택적으로 바닥의 2개소를 포함하여 설치하되, 평면에서 보아 정사각형 영역의 꼭지점에 상호 최대로 이격되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the arm is installed including two places of the ceiling and optionally two places of the floor, characterized in that the maximum spaced apart from each other at the vertex of the square area in plan view.

또, 본 발명에 따르면 상기 감지수단은 핀다이오드(PIN Diode) 및 모스전계효과트랜지스터(MOSFET) 방식의 방사선검출센서와, 마커를 개재하여 환부의 위치를 추적하기 위한 스테레오카메라를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the sensing means may include a pin diode and a MOSFET radiation detection sensor, and a stereo camera for tracking the position of the affected part through a marker. do.

또, 본 발명에 따르면 상기 제어기는 감지수단의 신호를 이용하여 환부의 3차원 좌표를 획득하는 위치추적부와, 위치추적부의 신호에 대응하여 각각의 아암에 분업을 할당하는 협조처리부와, 각각의 아암의 충돌을 예상하여 비상정지와 함께 경보를 발생하는 충돌방지부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the controller comprises a position tracking unit for acquiring three-dimensional coordinates of the affected area using signals of the sensing means, a cooperative processing unit for allocating division of labor to each arm in response to the signal of the position tracking unit, It is characterized in that it comprises a collision prevention unit for generating an alarm with an emergency stop in anticipation of the collision of the arm.

이때, 상기 제어기의 충돌방지부는 이웃하는 아암 간에 CPA(closest Point of Approach) 측정 방식의 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 한다.In this case, the collision avoidance unit of the controller is characterized in that to apply the algorithm of the close point of approach (CPA) measurement method between the neighboring arms.

또, 본 발명에 따르면 상기 제어기는 선형가속기의 방사선 빔의 에너지를 가변하기 위한 빔조절부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the controller further comprises a beam control unit for varying the energy of the radiation beam of the linear accelerator.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 협조 제어되는 다수의 로봇 아암을 기반으로 인하여 방사선 치료시간을 단축시키고, 췌장과 뇌 같은 민감 부위에 대하여는 여유자유도를 이용한 정교성을 향상하여 미세수술을 가능하게 하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to shorten the radiation treatment time due to the cooperatively controlled robot arms, and to improve the elaboration using the degree of freedom for sensitive areas such as the pancreas and the brain, thereby enabling microsurgery. have.

도 1은 본 발명에 따른 로봇시스템의 주요 구성을 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 로봇시스템의 아암 배치를 나타내는 평면도
도 3은 본 발명에 따른 로봇시스템의 아암 배치를 나타내는 측면도
도 4는 본 발명에 따른 로봇시스템의 제어기 연결 상태를 나타내는 블록도
도 5는 도 4의 제어기의 시뮬레이션 프로그램 화면을 나타내는 예시도
도 6은 도 4의 제어기의 일부 알고리즘을 나타내는 예시도
1 is a perspective view showing the main configuration of the robot system according to the present invention
Figure 2 is a plan view showing the arm arrangement of the robot system according to the present invention
Figure 3 is a side view showing the arm arrangement of the robot system according to the present invention
Figure 4 is a block diagram showing a controller connection state of the robot system according to the present invention
5 is an exemplary view showing a simulation program screen of the controller of FIG.
6 is an exemplary diagram illustrating some algorithms of the controller of FIG. 4.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 베드(10)를 중심으로 하는 작업영역(12) 내에서 환자의 환부에 방사선 빔을 조사하여 암치료를 수행하는 로봇시스템에 관련된다. 이와 같은 로봇시스템의 일예로 사이버나이프(CyberKnife)는 영상 추적기술을 이용함으로써 베드(10)에 고정틀을 배제하여 환자의 불편을 경감하고 치료에 걸리는 시간도 단축시킨다. 본 발명은 사이버나이프의 최대 강점인 실시간 종양추적 시스템 기술에 사이버나이프의 최대 약점인 긴 치료시간을 단축하기 위한 기술을 접목하는 필요성에서 창안된다. 베드(10)는 환자의 탑승 용이성과 치료의 정확성을 고려하여 다축 운동이 가능하게 구성되지만 환자의 움직임을 구속하기 위한 별다른 구성을 배제한다. 작업영역(12)은 후술하는 아암(30)의 단부에 설치된 선형가속기(15)의 끝단이 지나는 위치를 의미한다. The present invention relates to a robotic system for performing cancer treatment by irradiating a beam of radiation to the affected part of the patient in the work area 12 centered on the bed 10. As an example of such a robotic system, CyberKnife eliminates the fixing frame on the bed 10 by using image tracking technology to reduce patient discomfort and shorten the time required for treatment. The present invention is invented in the necessity of combining a technology for shortening the long treatment time, which is the weakest point of cyberknife, with the real-time tumor tracking system technology, which is the greatest strength of cyberknife. The bed 10 is configured to allow multi-axis movement in consideration of the patient's ease of boarding and the accuracy of treatment, but excludes other configurations for restraining the movement of the patient. The work area 12 means a position at which an end of the linear accelerator 15 provided at the end of the arm 30 to be described later passes.

본 발명에 따르면 베이스(20)가 천장과 바닥의 적어도 일측에 설치된다. 베이스(20)는 후술하는 로봇의 아암(30)이 장애물을 회피하면서 작업영역(12) 내에서 설정된 자세로 신속하게 가변될 수 있는 위치로 선정된다. 장애물 회피와 공간 활용성의 측면에서 베이스(20)의 위치는 바닥보다 천장이 선호되지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 예컨대, 바닥에 설치되는 베이스(20)와 아암(30)은 환자 후면으로 조사되는 상방빔 기능을 구현할 수 있다.According to the present invention, the base 20 is installed on at least one side of the ceiling and the floor. The base 20 is selected to a position where the arm 30 of the robot, which will be described later, can quickly change to a posture set in the work area 12 while avoiding obstacles. In terms of obstacle avoidance and space utilization, the position of the base 20 is preferably ceiling rather than floor, but is not necessarily limited thereto. For example, the base 20 and the arm 30 installed on the floor may implement an upward beam function irradiated to the back of the patient.

또, 본 발명에 따르면 아암(30)이 상기 베이스(20) 상에 선형가속기(15)를 다축운동 가능하게 지지하도록 설치된다. 로봇의 기구학 설계에 있어서 아암(30)과 관련되는 자유도, 조인트의 형상, 링크의 길이 등이 중요한 요소이다. 선형가속기(15)는 치료에 필요한 방사선을 만들어 내는 장치로서 아암(30)의 단부에 설치되며, 작업을 수행하면서 지나가게 되는 위치와 방향에 해당하는 '작업점(Task Point)'을 결정하는 요소이다. 사이버나이프(CyberKnife) 시스템의 일예로서 작업점 길이는 약 0.4m인 것으로 판명되었다. In addition, according to the present invention, the arm 30 is installed on the base 20 so as to support the linear accelerator 15 in a multi-axial motion. In the kinematic design of the robot, the degrees of freedom associated with the arm 30, the shape of the joint, the length of the link, and the like are important factors. The linear accelerator 15 is a device for generating radiation for treatment, and is installed at the end of the arm 30, and determines a 'task point' corresponding to the position and direction to be passed while performing a task. to be. As an example of the CyberKnife system, the work point was found to be about 0.4 m long.

이때, 상기 아암(30)은 회전축으로 구성된 제1축(31)~제6축(36)을 기반으로 하고, 직선축으로 구성된 제7축(37)을 연결하여 여유자유도를 확보한다. 작업영역(12)을 만족시킬 수 있는 로봇의 기구학적 해를 결정함에 있어서 각각의 로봇 팔의 자유도 결정이 선행되어야 한다. 병소 추적 및 치료 작업과 관련하여 작업영역(12) 내에서 선형가속기(15)의 X, Y, Z 위치의 오리엔테이팅을 위한 3자유도에 피치(Pitch) 및 요우(Yaw) 방향의 2자유도를 부여할 수 있는 반면, 롤(roll) 방향은 어떤 방향으로 작업을 하던 상대적으로 중요도가 낮기 때문에 최소한 5자유도를 요구하지만, 본 발명에 의하면 1개의 자유도를 여유자유도로서 추가하여 각각의 아암(30)이 제1축(31)~제6축(36)에 의한 6자유도를 갖도록 함이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 아암(30)에 제1축(31)~제6축(36)을 구성하면 수직다관절 로봇처럼 비교적 작은 설치공간에서 넓은 작업영역(12)을 커버하면서 어떤 위치나 방향의 자세에도 불구하고 빠른 속도를 구현할 수 있다.At this time, the arm 30 is based on the first axis (31) to the sixth axis (36) consisting of a rotating shaft, by connecting the seventh axis (37) consisting of a linear axis to secure a degree of freedom. In determining the kinematic solution of the robot that can satisfy the work area 12, the degree of freedom of each robot arm must be preceded. Two degrees of freedom in the pitch and yaw directions for three degrees of freedom for the orientation of the X, Y and Z positions of the linear accelerator 15 within the work area 12 in relation to the disease tracking and treatment operations. On the other hand, the roll direction requires at least five degrees of freedom because it is relatively less important in any direction, but according to the present invention, one arm is added by adding one degree of freedom. It is preferable to have six degrees of freedom by the first axis 31 to the sixth axis 36. When the first axis 31 to the sixth axis 36 are configured on the arm 30 in this manner, the posture of any position or direction is covered while covering the large work area 12 in a relatively small installation space such as a vertical articulated robot. Nevertheless, high speeds can be achieved.

이에 더하여 본 발명은 아암(30) 상에 제7축(37)을 구비하여 여유자유도를 구현하는 것이 좋다. 제1축(31)~제6축(36)이 모두 회전축으로 구성되는 반면 제7축(37)은 직선축으로 구성한다. 이와 같은 여유자유도는 동일한 작업을 수행함에 있어서 로봇의 작업 능력(덱스터리티,dexterity)을 높일 수 있다는 관점에서 많으면 좋지만, 여유자유도가 많아지면 설계와 양산에 있어서 제어의 난이도가 높아지기 때문에 비용(cost) 측면에서는 불리하다. 본 발명에 의하면 평상시 제1축(31)~제6축(36)을 이용하여 주어진 작업을 수행하면서 여유자유도를 활용하여 추가적인 작업(예컨대, 관절 공간 제한 회피, 특이점 회피, 충돌 회피)을 구현한다.In addition, in the present invention, the seventh axis 37 is provided on the arm 30 to implement a degree of freedom. The first axis 31 to the sixth axis 36 are all configured as a rotation axis, while the seventh axis 37 is configured as a linear axis. Such a degree of freedom may be sufficient from the point of view of increasing the robot's work ability (dexterity) in performing the same task, but the amount of the degree of freedom increases the difficulty of control in design and mass production. In terms of disadvantage. According to the present invention, additional tasks (e.g., joint space limitation avoidance, singular point avoidance, collision avoidance) are realized by utilizing the degree of freedom while performing a given task using the first axis 31 to the sixth axis 36. .

한편, 본 발명의 상기 아암(30)은 천장의 2개소와 선택적으로 바닥의 2개소를 포함하여 설치하되, 평면에서 보아 정사각형 영역의 꼭지점에 상호 최대로 이격된다. 도 2에서 작업영역(12)을 중심으로 하는 정사각형 영역에 대하여 천장의 아암(30), 바닥의 아암(30), 천장의 아암(30), 바닥의 아암(30)이 교대로 배치되는 상태를 나타낸다. 천장의 아암(30)과 바닥의 아암(30)이 근접한 경우 도 3과 같은 자세로 된다. 이와 같은 배치 방식에 의하면 아암(30) 간의 충돌의 위험성이 경감된다. 천장의 아암(30)은 상측의 반구형 작업영역(12)을 액세스하고 바닥의 아암(30)은 하측의 반구형 작업영역(12)을 액세스한다. 물론 아암(30)의 설치 수량을 증가할수록 치료의 신속성과 정확성을 높이는 측면에서 유리하지만 경제성을 고려하여 전체 4개의 범위 내에서 용도에 맞추어 절충적으로 선택될 수 있다. On the other hand, the arm 30 of the present invention is installed including two places of the ceiling and optionally two places of the floor, and are spaced apart from each other at the vertices of the square region in plan view. In FIG. 2, the arm 30 of the ceiling, the arm 30 of the floor, the arm 30 of the ceiling, and the arm 30 of the floor are alternately disposed with respect to the square area centered on the work area 12 in FIG. 2. Indicates. When the arm 30 of the ceiling and the arm 30 of the floor are close to each other, the posture is as shown in FIG. 3. According to this arrangement method, the risk of collision between the arms 30 is reduced. The arm 30 of the ceiling accesses the upper hemispherical work area 12 and the arm 30 of the bottom accesses the lower hemispherical work area 12. Of course, the increase in the number of installation of the arm 30 is advantageous in terms of increasing the speed and accuracy of treatment, but in consideration of economics can be eclectically selected according to the application within the total four ranges.

또, 본 발명에 따르면 감지수단(40)이 상기 방사선 빔의 출력변동과 환부의 위치변동을 검출한다. 감지수단(40)은 방사선검출센서(42)와 스테레오카메라(45)를 주요 구성으로 포함하여 이루어진다. 다양한 환부(종양)에 대한 치료의 질을 높이기 위해 방사선 빔의 에너지를 고분해능으로 측정하기 위한 센서장치가 요구되고, 환부를 3차원으로 위치추적하기 위해 환자의 호흡과 그 외의 발생할 수 있는 다양한 외부요인으로 인한 변동(움직임)을 감지해야 한다.In addition, according to the present invention, the sensing means 40 detects the output variation of the radiation beam and the position variation of the affected part. The sensing means 40 includes a radiation detection sensor 42 and a stereo camera 45 as main components. In order to improve the quality of treatment for various lesions (tumors), a sensor device for measuring the energy of the radiation beam with high resolution is required, and various external factors that may be caused by the patient's breathing and other occurrences to track the lesion in three dimensions. You must detect the movement (movement) caused by.

본 발명의 방사선검출센서(42)는 핀다이오드(PIN Diode) 및 모스전계효과트랜지스터(MOSFET) 방식을 사용한다. 방사선검출센서(42)는 밀봉 방수 처리와 소형화 구조의 장점을 지닌 반도체형을 채택하는 것이 선호된다. 핀다이오드(PIN Diode)는 속중성자의 측정에 적용하고, 모스전계효과트랜지스터(MOSFET)는 감마선 측정에 적용한다. 후자의 경우 NMRC사의 pMOSFET을 사용할 수 있다. 상기 방사선검출센서(42)는 피폭 방사선량을 자체에서 기억하는 특성을 가지고 있어 외부 회로의 추가 없이 센서만으로 방사선량의 측정이 가능하다는 장점을 보인다.The radiation detection sensor 42 of the present invention uses a pin diode and a MOS field effect transistor (MOSFET). The radiation detection sensor 42 preferably adopts a semiconductor type which has the advantages of sealing waterproofing and miniaturization. The pin diode is applied to the measurement of fast neutrons, and the MOSFET is applied to the gamma ray measurement. In the latter case, NMRC's pMOSFET can be used. Since the radiation detection sensor 42 has a characteristic of storing the radiation dose itself, it is possible to measure the radiation dose with only the sensor without the addition of an external circuit.

본 발명의 스테레오카메라(45)는 마커를 개재하여 환부의 위치를 추적하는 방식으로 적용된다. 이는 좌우 스테레오카메라(45)를 보정하고, 복원 대상의 환자(환부)에 대한 좌우 영상을 획득하고, 획득한 영상에서 상호 대응점들을 찾아내고, 동일한 점들과 좌우 스테레오카메라(45)의 기하관계를 이용하여 환자를 3차원으로 복원하는 과정으로 이루어진다. 일예로, 환자의 흉부 외곽에 영상으로 쉽게 구분이 가능한 마커를 설치하며, 마커의 영상을 획득한 후에 마커를 구분하기 위해서 Otsu 방법을 채용할 수 있다.The stereo camera 45 of the present invention is applied in a manner to track the position of the affected part through a marker. This corrects the left and right stereo cameras 45, obtains left and right images of the patient (the affected part) to be restored, finds mutual correspondence points in the acquired images, and uses the geometric relationship between the same points and the left and right stereo cameras 45. To restore the patient in three dimensions. For example, a marker that can be easily distinguished by an image is installed on the outer periphery of the patient, and an Otsu method may be employed to distinguish the marker after acquiring an image of the marker.

또, 본 발명에 따르면 제어기(50)가 상기 감지수단(40)의 신호를 입력하면서 설정된 조건으로 아암(30)을 구동한다. 제어기(50)는 시스템 메모리 상에 베드(10), 아암(30), 감지수단(40)의 제어와 관리에 관한 알고리즘과 데이터를 저장하며, 외부적으로는 환자별 치료 계획 및 치료 경과를 통합 관리하는 시스템(도시 생략) 등과 연계된다. 이외에도 제어기(50)는 중요 정보를 디스플레이 상에 그래픽으로 표현하는 GUI를 기반으로 한다.Further, according to the present invention, the controller 50 drives the arm 30 under the set condition while inputting the signal of the sensing means 40. The controller 50 stores algorithms and data related to the control and management of the bed 10, the arm 30, and the sensing means 40 in the system memory, and externally integrates the patient-specific treatment plan and the treatment progress. It is associated with a management system (not shown). In addition, the controller 50 is based on a GUI that graphically represents important information on the display.

보다 구체적으로, 상기 제어기(50)는 감지수단(40)의 신호를 이용하여 환부의 3차원 좌표를 획득하는 위치추적부(52)와, 위치추적부(52)의 신호에 대응하여 각각의 아암(30)에 분업을 할당하는 협조처리부(54)와, 각각의 아암(30)의 충돌을 예상하여 비상정지와 함께 경보를 발생하는 충돌방지부(56)를 구비한다. 위치추적부(52)는 마커와 스테레오카메라(45)를 이용하여 생성되는 정보를 바탕으로 환자의 환부의 움직임을 3차원으로 추적하고 디스플레이 상으로 출력한다. 협조처리부(54)는 제1축(31)~제6축(36)의 회전을 통한 기구학적 변수(Position, Orientation, Jacobian)를 출력하면서 설정된 알고리즘에 따라 아암(30)의 개별동작 또는 협조동작으로 분업을 할당한다. 충돌방지부(56)는 자체적으로 회피할 수 있는 자유도가 없는 제1축(31)~제6축(36) 외에 제7축(37)을 활용하며, 이웃하는 아암(30) 간에는 우선권을 부여하여 우선권이 낮은 아암(30)을 정지시킨다. 도 5는 이와 같은 협조 제어를 시뮬레이션하는 프로그램의 일부를 예시한다.More specifically, the controller 50 uses the signal of the sensing means 40 to obtain the three-dimensional coordinates of the affected part, the position tracking unit 52 and the respective arms corresponding to the signal of the position tracking unit 52. And a cooperative processing unit 54 for allocating division of labor to 30, and a collision preventing unit 56 for generating an alarm with an emergency stop in anticipation of the collision of each arm 30. The position tracking unit 52 tracks the movement of the affected part of the patient in three dimensions based on the information generated using the marker and the stereo camera 45 and outputs it on the display. The cooperative processing unit 54 outputs kinematic variables (Position, Orientation, Jacobian) through rotation of the first axis 31 to the sixth axis 36, and individually or cooperates with the arm 30 according to the set algorithm. Assign division of labor with. The collision preventing part 56 utilizes the seventh axis 37 in addition to the first axis 31 to the sixth axis 36 which do not have a degree of freedom that can be avoided by itself, and gives priority to neighboring arms 30. To stop the lower priority arm 30. 5 illustrates a portion of a program that simulates such cooperative control.

이때, 상기 제어기(50)의 충돌방지부(56)는 이웃하는 아암(30) 간에 CPA(closest Point of Approach) 측정 방식의 알고리즘을 적용한다. 도 6은 2대의 로봇 아암(30)의 링크끼리의 최단 거리 측정하는 원리와 알고리즘을 예시한다. 상기 알고리즘에서

Figure pat00001
는 로봇 아암(30)의 이웃하는 링크(linki와 linki +1) 사이의 벡터이다. 이와 같이 충돌방지부(56)는 아암(30) 사이의 최소 거리를 측정하고 충돌을 예상할 경우 경보를 발생할 수도 있다.In this case, the collision preventing unit 56 of the controller 50 applies an algorithm of a close point of approach (CPA) measurement method between the neighboring arms 30. 6 illustrates a principle and an algorithm for measuring the shortest distance between links of two robot arms 30. In the above algorithm
Figure pat00001
Is a vector between neighboring links (link i and link i +1 ) of the robot arm (30). As such, the collision avoidance unit 56 may measure the minimum distance between the arms 30 and generate an alarm when anticipating a collision.

한편, 상기 제어기(50)는 선형가속기(15)의 방사선 빔의 에너지를 가변하기 위한 빔조절부(58)를 더 구비한다. 종래의 사이버나이프에서 가능한 빔 에너지는 6MV가 유일하지만 본 발명의 빔조절부(58)는 피부근처에 위치한 종양을 위한 저에너지(예컨대 4MV), 신체내 깊숙한 곳에 위치한 종양을 위한 고에너지(예컨대 10MV, 15MV, 20MV)를 가변적으로 구현한다. 이에 따라, 다양한 치료부위에 대응하여 치료의 질을 높일 수 있다.On the other hand, the controller 50 further includes a beam control unit 58 for varying the energy of the radiation beam of the linear accelerator 15. Although the beam energy available in the conventional cyberknife is only 6 MV, the beam control unit 58 of the present invention has a low energy for tumors located near the skin (for example, 4 MV), and a high energy for tumors located deep in the body (for example, 10 MV, 15MV, 20MV) is implemented variably. Accordingly, the quality of treatment can be improved in response to various treatment sites.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

10: 베드 12: 작업영역
15: 선형가속기 20: 베이스
30: 아암 31~36: 제1축~제6축
37: 제7축 40: 감지수단
42: 방사선검출센서 45: 스테레오카메라
50: 제어기 52: 위치추적부
54: 협조처리부 56: 충돌방지부
58: 빔조절부
10: bed 12: working area
15: linear accelerator 20: base
30: arm 31-36: 1st axis-6th axis
37: 7th axis 40: sensing means
42: radiation detection sensor 45: stereo camera
50: controller 52: position tracking unit
54: cooperative processing unit 56: collision prevention unit
58: beam control unit

Claims (7)

베드(10)를 중심으로 하는 작업영역(12) 내에서 환자의 환부에 방사선 빔을 조사하여 암치료를 수행하는 로봇시스템에 있어서:
천장과 바닥의 적어도 일측에 설치되는 베이스(20);
상기 베이스(20) 상에 선형가속기(15)를 다축운동 가능하게 지지하도록 설치되는 아암(30);
상기 방사선 빔의 출력변동과 환부의 위치변동을 검출하는 감지수단(40); 및
상기 감지수단(40)의 신호를 입력하면서 설정된 조건으로 아암(30)을 구동하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
In a robotic system for performing cancer treatment by irradiating a beam of radiation to the affected part of a patient in a work area 12 centered on the bed 10:
A base 20 installed on at least one side of the ceiling and the floor;
An arm 30 installed on the base 20 so as to support the linear accelerator 15 in a multi-axial motion;
Sensing means (40) for detecting an output variation of the radiation beam and a position variation of the affected part; And
And a controller (50) for driving the arm (30) in a set condition while inputting the signal of the sensing means (40).
제1항에 있어서,
상기 아암(30)은 회전축으로 구성된 제1축(31)~제6축(36)을 기반으로 하고, 직선축으로 구성된 제7축(37)을 연결하여 여유자유도를 확보하는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 1,
The arm 30 is based on the first axis (31) to the sixth axis (36) consisting of a rotating shaft, the radiation is characterized in that the margin of freedom by connecting the seventh axis (37) consisting of a linear axis Robot system for cancer treatment.
제1항에 있어서,
상기 아암(30)은 천장의 2개소와 선택적으로 바닥의 2개소를 포함하여 설치하되, 평면에서 보아 정사각형 영역의 꼭지점에 상호 최대로 이격되는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 1,
The arm 30 is installed, including two places of the ceiling and optionally two places of the floor, the radioactive cancer treatment robot system, characterized in that spaced apart from each other at the vertices of the square area in a plan view.
제1항에 있어서,
상기 감지수단(40)은 핀다이오드(PIN Diode) 및 모스전계효과트랜지스터(MOSFET) 방식의 방사선검출센서(42)와, 마커를 개재하여 환부의 위치를 추적하기 위한 스테레오카메라(45)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 1,
The sensing means 40 includes a pin diode and a MOSFET radiation detection sensor 42 and a stereo camera 45 for tracking the affected part via a marker. Robot system for radiation cancer treatment, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 제어기(50)는 감지수단(40)의 신호를 이용하여 환부의 3차원 좌표를 획득하는 위치추적부(52)와, 위치추적부(52)의 신호에 대응하여 각각의 아암(30)에 분업을 할당하는 협조처리부(54)와, 각각의 아암(30)의 충돌을 예상하여 비상정지와 함께 경보를 발생하는 충돌방지부(56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 1,
The controller 50 uses the signal of the sensing means 40 to acquire the three-dimensional coordinates of the affected part, and the arm 30 corresponding to the signal of the location tracker 52. And a collision prevention unit (56) for allocating division of labor and an anti-collision unit (56) for generating an alarm with an emergency stop in anticipation of the collision of each arm (30).
제5항에 있어서,
상기 제어기(50)의 충돌방지부(56)는 이웃하는 아암(30) 간에 CPA(closest Point of Approach) 측정 방식의 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 5,
The anti-collision unit 56 of the controller 50 is a radiation cancer treatment robot system, characterized in that for applying the algorithm of the close point of the Approach (CPA) measuring method between neighboring arms (30).
제1항에 있어서,
상기 제어기(50)는 선형가속기(15)의 방사선 빔의 에너지를 가변하기 위한 빔조절부(58)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 암치료용 로봇시스템.
The method of claim 1,
The controller (50) further comprises a beam control unit (58) for varying the energy of the radiation beam of the linear accelerator (15).
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105307721A (en) * 2014-04-07 2016-02-03 大邱庆北科学技术院 Medical robot
KR101656488B1 (en) * 2015-07-08 2016-09-09 연세대학교 산학협력단 Collision prevention system for radiation therapy equipment
KR101675775B1 (en) * 2016-07-27 2016-11-14 연세대학교 산학협력단 Collision prevention system for radiation therapy equipment
KR101689554B1 (en) * 2015-11-10 2016-12-26 한국원자력연구원 Smart-bed for radiation therapy
KR20180043969A (en) * 2016-10-21 2018-05-02 한양대학교 에리카산학협력단 Surgical navigation device and surgical navigation method
CN108785872A (en) * 2017-10-24 2018-11-13 徐慧军 The multi-modal image-guided precise radiotherapy systems of 4 π
CN108939322A (en) * 2018-06-13 2018-12-07 河南科技大学第附属医院 A kind of tumor radiotherapy positioning device
CN111214765A (en) * 2020-01-15 2020-06-02 山东科技大学 Brachytherapy robot
WO2021149888A1 (en) * 2020-01-22 2021-07-29 한국원자력연구원 Multi-radiation cancer treatment robot

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101526115B1 (en) * 2014-04-07 2015-06-04 재단법인대구경북과학기술원 3-dimensional emitting apparatus

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004129836A (en) * 2002-10-10 2004-04-30 Atc:Kk Irradiation position control device
US7656998B2 (en) * 2005-11-14 2010-02-02 Accuray Incorporated Unified quality assurance for a radiation treatment delivery system
KR20090119366A (en) * 2008-05-16 2009-11-19 한국과학기술원 Laparoscopic surgical robot with additional degree of freedom
US7729473B2 (en) * 2008-07-29 2010-06-01 Elekta Ab (Publ) Image-guided multi-source radiotherapy

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105307721B (en) * 2014-04-07 2017-12-26 大邱庆北科学技术院 medical machine
US10071265B2 (en) 2014-04-07 2018-09-11 Daegu Gyeongbuk Institute Of Science And Technology Medical robot
CN105307721A (en) * 2014-04-07 2016-02-03 大邱庆北科学技术院 Medical robot
KR101656488B1 (en) * 2015-07-08 2016-09-09 연세대학교 산학협력단 Collision prevention system for radiation therapy equipment
KR101689554B1 (en) * 2015-11-10 2016-12-26 한국원자력연구원 Smart-bed for radiation therapy
KR101675775B1 (en) * 2016-07-27 2016-11-14 연세대학교 산학협력단 Collision prevention system for radiation therapy equipment
KR20180043969A (en) * 2016-10-21 2018-05-02 한양대학교 에리카산학협력단 Surgical navigation device and surgical navigation method
CN108785872A (en) * 2017-10-24 2018-11-13 徐慧军 The multi-modal image-guided precise radiotherapy systems of 4 π
CN108785872B (en) * 2017-10-24 2023-10-13 华瑞先锋医学科技(北京)有限公司 4 pi multi-mode image guided accurate radiation therapy system
CN108939322A (en) * 2018-06-13 2018-12-07 河南科技大学第附属医院 A kind of tumor radiotherapy positioning device
CN108939322B (en) * 2018-06-13 2020-04-14 河南科技大学第一附属医院 Tumor radiotherapy positioner
CN111214765A (en) * 2020-01-15 2020-06-02 山东科技大学 Brachytherapy robot
WO2021149888A1 (en) * 2020-01-22 2021-07-29 한국원자력연구원 Multi-radiation cancer treatment robot
KR20210094946A (en) * 2020-01-22 2021-07-30 한국원자력연구원 Multi-radiation cancer treatment robot

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