KR20140104587A

KR20140104587A - 안과용 수술장치 및 이의 제어 방법 및 이를 이용한 수술 방법

Info

Publication number: KR20140104587A
Application number: KR1020130017709A
Authority: KR
Inventors: 주천기; 장동진; 황해령; 하태호
Original assignee: 주식회사 루트로닉; 가톨릭대학교 산학협력단
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-29
Also published as: KR101451970B1

Abstract

본 발명은 안과용 수술장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 환자가 제1 자세로 위치한 상태에서, 전안부의 3차원 이미지를 생성하는 이미지 검출부, 상기 이미지 검출부에서 검출한 3차원 이미지와 기준 이미지를 비교하여 전안부의 회전각을 연산하는 프로세서 그리고, 상기 회전각을 반영하여 상기 전안부로 레이저를 조사하는 레이저 시스템을 포함하는 안과용 수술장치 및 이의 제어방법을 제공한다.

Description

안과용 수술장치 및 이의 제어 방법 및 이를 이용한 수술 방법 {An ophthalmic surgical apparatus and an method for controlling that}

본 발명은 안과용 수술장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펨토초 레이저를 이용하여 전안부 수술을 진행할 수 있는 안과용 수술장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

백내장(cataract)은 눈의 수정체(crystalline lens)가 혼탁해지면서 시력이 쇠퇴하는 질환이다. 수정체의 가장자리만 혼탁해지는 경우에는 시력에 큰 영향을 미치지 않으나, 수정체의 핵 부위가 혼탁해지는 경우에는 시력 감소, 복시, 눈부심 등 다양한 증상이 나타나게 된다. 백내장의 치료는 주로 혼탁한 수정체를 제거하고 인공 수정체(intraocular lens)로 대체하는 수술을 통해 이루어지며, 이러한 백내장 수술은 가장 많이 이루어지는 수술 중 하나이기도 하다.

종전의 백내장 수술은 칼을 이용하여 각막(cornea)을 절개하고, 절개된 부위를 통해 수정체의 전낭(anterior chamber)을 원형으로 절개한 후, 초음파를 이용하여 수정체 핵을 잘게 분쇄되어 흡입(aspiration) 방식으로 추출되고, 수정체의 핵이 위치하던 부위에 인공 수정체(intraocular lens)를 삽입하는 방식으로 이루어진다. 이러한 백내장 수술 방식은 한국 특허공개공보 1990-0015698호에도 유사하게 개시되어 있다.

그러나, 종전의 백내장 수술은 각막과 수정체의 전낭을 절개하고, 수정체 핵을 분쇄하는 과정이 시술자에 의해 수작업으로 진행되기 때문에, 사고 위험성이 높고 시술자의 능력에 에 따라 수술 결과가 좌우되는 단점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해 레이저를 이용하여 수정체를 절개하는 수술 장치들이 최근 들어 연구 개발되고 있다.

이러한 백내장 수술을 진행하기 앞서, 환자의 눈을 사전에 검진하고, 이러한 검진 데이터를 이용하여 수술을 진행하는 것이 일반적이다. 이러한 검진이 일반적으로 환자가 앉은 상태에서 진행되고 수술은 환자가 누운 상태에서 진행하게 된다. 이때, 환자가 누우면서 안구가 소정 각도만큼 회전현상이 발생하는데, 이러한 회전에 의해 검진 데이터를 수술에 반영하는데 어려움이 존재하였다.

한국 특허공개공보 1990-0015698호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 환자의 자세 변경에 의한 안구의 회전 정도를 용이하게 파악할 수 있는 안과용 수술장치 및 이의 제어방법을 제공하기 위함이다.

상기한 본 발명의 목적은, 환자가 제1 자세로 위치한 상태에서, 전안부의 3차원 이미지를 생성하는 이미지 검출부, 상기 이미지 검출부에서 검출한 3차원 이미지와 기준 이미지를 비교하여 전안부의 회전각을 연산하는 프로세서 그리고, 상기 회전각을 반영하여 상기 전안부로 레이저를 조사하는 레이저 시스템을 포함하는 안과용 수술장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 기준 이미지는 상기 환자가 제2 자세로 위치한 상태에서 촬영된 상기 전안부의 3차원 이미지를 이용할 수 있다.

그리고, 상기 프로세서는 상기 기준 이미지의 기준 위치와 상기 3차원 이미지의 기준 위치를 비교하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 것도 가능하며, 또는 상기 기준 이미지와 상기 3차원 이미지를 각각 중심축을 일치시킨 상태에서 회전시키면서 상관성(correlation)을 판단하여 상기 전안부의 회전각을 연산할 수 있다.

한편, 상기한 본 발명의 목적은 환자가 제1 자세로 위치한 상태에서, 전안부의 3차원 이미지를 생성하는 단계, 외부로부터 기준 이미지를 입력받는 단계, 상기 3차원 이미지 및 기준 이미지를 비교하여 전안부의 회전각을 연산하는 단계 그리고, 상기 회전각을 반영하여 레이저가 조사되는 조사 위치를 설정하는 단계를 포함하는 안과용 수술장치의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 회전각을 연산하는 단계는 상기 기준 이미지의 기준 위치와 상기 3차원 이미지의 기준 위치를 비교하여 상기 전안부의 회전각을 연산하거나, 상기 기준 이미지와 상기 3차원 이미지를 각각 중심축을 일치시킨 상태에서 회전시키면서 상관성(correlation)을 판단하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 방식으로 진행될 수 있다.

본 발명에 의할 경우, 환자가 누운 상태에서 안구가 회전한 각도를 용이하게 파악할 수 있어, 사전 검진시 촬영된 정보를 이용하여 수술을 용이하게 진행하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안과용 수술장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 안과용 수술 장치를 이용한 안과용 수술 방법 및 이에 대응되는 수술장치의 제어방법을 도시한 순서도,
도 3은 도 2의 수술 단계에 따른 치료 부위를 도시한 도면,
도 4는 도 2의 진단 및 설정 단계의 과정을 상세하게 도시한 순서도이다. 진
도 5는 도 4의 제1 이미지 및 기준 이미지를 도시한 도면,
도 6는 도 4의 회전각 연산 단계의 일 예를 도시한 도면이고,
도 7은 도 4의 회전각 연산 단계의 다른 예를 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저를 이용한 안과용 수술장치, 이의 제어방법 및 이를 이용한 안과용 수술방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 도면은 설명의 편의를 위해 발명의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 따라서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안과용 수술장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 안과용 수술장치는 치료용 레이저를 생성하는 광원 및 치료용 레이저를 가공하고 전달하는 레이저 시스템(100)을 포함하여 구성된다. 여기서, 레이저 시스템은 광 변환부(120) 및 광 전달부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

광원(110)은 적어도 하나 이상의 공진단(미도시)을 포함하여 구성되며, 안과용 수술에 사용되는 치료용 레이저를 생성한다. 광원(110)에서 생성되는 레이저는 10~10000 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간(duration time)을 갖는 극초단파 레이저일 수 있다. 이러한, 극초단파의 펨토초 레이저는 세포 수준의 정밀한 치료가 가능하여, 치료부위와 인접한 위치에 위치한 세포에 영향을 최소화시키면서 수술할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예의 광원(110)은 1000nm 내지 1100nm의 파장을 갖고, 10KHz 내지 500KHz의 펄스 주파수를 갖는 레이저를 생성하도록 구성된다. 다만, 이는 일 예로서 상기 범위 이외의 파장 또는 펄스 주파수를 갖는 레이저를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.

광 변환부(120)는 레이저의 파라미터를 변화시킬 수 있는 다수개의 광학소자를 포함하여 구성된다. 여기서, 레이저의 파라미터라 함은 레이저의 출력, 펄스의 파형, 조사 시간, 조사 직경 등을 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 따라서, 광원(110)에서 생성되는 레이저는 광 변환부(120)를 통과하면서 가공되어, 전안부 수술에 적합한 형태로 조절된다.

도면에는 구체적으로 도시되지 않았으나, 광 변환부(120)는 반 파장판(half wave plate) 및 선형 편광판(linear polarizer) 등을 포함하여 레이저의 출력 및 레이저의 편광 특성 등을 변환시킬 수 있다. 이때, 별도의 검출기(detector)를 구비하여 피드백 제어에 의해 레이저의 출력 및 편광 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 광 변환부(120)는 레이저의 직경(diameter), 발산특성(divergence), 비점수차 등의 파라미터를 조절할 수 있는 다양한 광학소자가 순차적으로 배열되어, 수술 내용에 적합한 레이저를 형성할 수 있도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 소자들은 다른 광학장치에서도 널리 사용되는 구성이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

그리고, 광 전달부(130) 또한 복수개의 렌즈, 거울 및 스플리터 등을 포함하는 다수개의 광학 소자를 포함하여 구성된다. 따라서, 광원(110)에서 생성되는 레이저가 일단으로 유입되고, 타단에 형성되는 광 조사부를 통해 레이저가 치료 부위로 조사되는 레이저의 광 경로를 형성한다.

이러한 광 전달부(130)는 광 조사부를 통해 조사되는 레이저의 조사 위치를 가변시킬 수 있도록, 광 경로를 가변할 수 있도록 구성된다. 따라서, 광 전달부(130)를 구성하는 광학 소자의 구동에 의해 전안부의 다양한 위치로 레이저가 조사될 수 있다.

구체적으로, 광 전달부(130)는 X-Y 스캐너(미도시) 및 Z 스캐너(미도시)를 포함하여 구성된다. 여기서, X-Y 스캐너는 적어도 두 개 이상의 갈바노 거울(galvano mirror)을 포함하여 구성되며, X-Y 스캐너의 구동에 의해 수평면 상에서 레이저의 조사 위치를 조절할 수 있다. 그리고, Z 스캐너는 레이저의 진행 방향을 따라 이동 가능한 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성되며, Z 스캐너의 구동에 의해 레이저가 조사되는 깊이가 결정된다. 따라서, 레이저는 광 전달부(130)를 통과함에 따라 수평 방향 및 수직 방향(도 1 기준)으로 다양하게 조사 위치가 변경될 수 있다.

전술한 바와 같이, 백내장 수술은 각막, 수정체의 전낭 및 수정체의 핵 부위 등 다양한 위치에서 치료가 요구된다. 따라서, 본 실시예에 따른 광 전달부는 X-Y 스캐너 및 Z 스캐너를 제어함으로써, 전안부의 다양한 위치에 레이저를 조사하여 수술을 진행하는 것이 가능하다.

다만, 도 1에서는 광 변환부와 광 전달부를 별개의 블록으로 도시하고 있으나, 이는 레이저가 통과되는 광학소자의 기능을 설명하기 위해 편의상 구분하여 도시한 것에 불과하다. 실시예를 구성함에 있어서는 레이저의 파라미터를 변환시키는 광학 소자가 광 경로를 형성함으로써, 광 변환부 및 광 전달부의 기능을 모두 수행하는 것도 가능하다. 또한, 도면에서는 광 변환부가 레이저의 진행 방향으로 전방에 배치되고, 광 전달부가 후방에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이러한 순서에 한정되는 것은 아니며 광 변환부를 구성하는 광학소자와 광 전달부를 구성하는 광학소자를 혼재하여 다양하게 배열하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

전술한 바와 같이, 광원(110)에서 생성된 레이저는 광 변환부(120)와 광 전달부(130)를 통과하여 광 조사부를 통해 외부로 조사된다. 이때, 광 조사부는 대물렌즈를 포함하여 구성되며, 이러한 대물렌즈는 레이저의 진행 방향을 축으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이러한 광 조사부를 통해 조사된 빛은 환자의 전안부로 조사되어 치료가 이루어질 수 있다.

이때, 환자의 눈은 고정된 상태를 유지할 수 있도록, 아이인터페이스(eye interface)(600)에 의해 석션(suction)된 상태로 고정된다. 이러한 아이인터페이스(600)는 대물렌즈의 후방(레이저의 진행 방향을 기준)에 일체로 설치될 수도 있고, 또는 별도의 부재로 구성되어 눈을 석션한 상태에서 광 조사부의 말단에 결합되도록 구성될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 안과용 수술장치는 수술이 진행되는 전안부의 이미지를 획득하기 위한 이미지 검출부(200)를 더 포함한다. 여기서, 이미지 검출부(200)는 카메라부(210) 및 OCT(optical coherence tomography)부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.

카메라부(210)는 눈 표면의 2차원 이미지를 획득할 수 있는 장치이다. 카메라부(210)는 별도의 카메라 광원(미도시) 구비하고, 카메라 광원을 이용하여 이미지를 검출한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 카메라 광은 전술한 광 전달부의 빔 컴바이너(beam combiner)로 조사되고, 치료용 레이저가 조사되는 경로를 따라 광 조사부를 통해 아이인터페이스(600)에 고정된 눈에 조사된다. 그리고 눈의 표면에서 반사되는 빛을 검출하여, 눈 표면의 이차원 이미지를 획득하는 것이 가능하다.

OCT부(220)는 전안부의 단면 이미지를 획득할 수 있는 장치이다. OCT는 빛의 간섭 현상을 이용하여 단층 이미지를 획득하는 기술로, 컴퓨터 단층촬영(CT)에 비해 분해능이 높아 비침습적 진단법으로 널리 활용되고 있다. 최근 들어, 다수개의 단층 이미지를 초고속으로 처리하여 3차원 영상을 획득할 수 있는 기술이 개발되었고, 본 실시예에서는 이와 같이 3차원 영상 획득이 가능한 OCT부(220)를 적용하여 전안부의 영상 특히, 수정체의 3차원 영상을 획득하는 것이 가능하다.

이와 같이 이미지 검출부(200)에서 획득된 눈에 대한 표면 이미지 및 단층 이미지는 프로세서(300)에 의해 처리되어 인터페이스(500)로 제공될 수 있다. 다만, 이미지 검출부(200)의 카메라부 및 OCT부의 구체적인 기술은 유사한 기술분야에서 널리 사용되는 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 인터페이스(500)는 디스플레이를 포함하여, 이미지 검출부(200)에서 획득된 이미지를 표시할 수 있다. 인터페이스(500)를 통해 표시되는 이미지는 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 카메라부(210)로부터 전송된 아이인터페이스(600)에 고정된 환자의 눈의 이미지를 제공하여, 눈이 정상적으로 도킹되었는지를 확인하는 것도 가능하고, 각막이 절개되는 부위를 선택하거나 절개 부위를 표시하는데 활용할 수 있다. 또한, OCT부(220)로부터 전송된 전안부의 단층 이미지는 수정체의 절개 범위 및 절개되는 패턴을 선택하고, 이를 표시하는데 활용할 수 있다. 나아가, OCT부(220)로부터 획득된 단층 이미지를 처리하여 얻어지는 3차원 영상은 수정체의 시축을 결정하고, 수술 과정의 실시간 영상을 제공하는데 활용할 수 있다. 이와 같이, 인터페이스(500)는 이미지 검출부(200)로부터 획득된 정보를 이용하여 사용자가 수술 부위에 관한 정보를 얻고, 수술을 설계하고, 수술 과정을 표시하는데 다양하게 활용될 수 있다.

나아가, 인터페이스(500)는 사용자가 이를 통해 수술 장치의 구동을 비롯한 각종 조작을 할 수 있도록 구성된다. 따라서, 사용자는 디스플레이에 표시된 이미지 및 영상을 참고하여, 수술 위치의 선정, 수술 내용 설계, 환자 정보 열람 등 다양한 명령을 입력하는 것이 가능하다. 본 실시예에 따른 인터페이스(500)는 터치 스크린(touch screen)으로 구성하여 디스플레이 되는 이미지를 활용하여 사용자가 각종 내용을 선택할 수 있도록 구성하나, 이외에도 다양한 방식으로 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 프로세서(300)는 이미지 검출부(200)로부터 획득한 이미지 데이터를 처리하여 인터페이스(500)로 제공할 수 있다. 예를 들어, OCT부(220)에서 획득한 단층 데이터를 이용하여 전안부의 3차원 영상을 구성하여 인터페이스(500)에 제공하거나, 인터페이스(500)에서 요청된 특정 방향의 단면 이미지를 추출하여 다시 인터페이스(500)에 제공할 수 있다.

또한, 프로세서(300)는 전안부를 촬영한 다수개의 이미지간의 상호 위치 관계를 연산하는 것이 가능하다. 예를 들어, 프로세서(300)는 카메라부(210)에서 획득된 눈의 표면 이미지 및 OCT부(220)에서 획득된 단층 이미지, 그리고 단층 이미지로부터 얻어지는 3차원 영상 사이의 좌표를 연산하여, 상호간의 위치 관계 매칭시키는 작업을 수행할 수 있다. 따라서, 사용자가 인터페이스(500)를 통해 눈의 표면의 특정 위치를 선택하면, 그 위치에 해당하는 단층 이미지 및 3차원 영상 데이터를 제공하는 것이 가능하다. 그리고, 사용자가 디스플레이된 이미지를 통해 위치를 선택하거나 수술 부위를 설정하면, 이를 좌표로 연산함으로써 해당 좌표의 이미지를 제공하거나 레이저가 조사되는 좌표를 산출하는 것이 가능하다.

다른 예로, 프로세서(300)는 서로 다른 이미지 상에 나타난 전안부의 데이터를 이용하여, 전안부의 회전 위치를 파악하는 것이 가능하다. 예를 들어, 서로 다른 상태에서 촬영된 두 개의 전안부 2차원 이미지로부터, 각각의 이미지 상의 기준점(reference)의 위치를 분석하여 기준점간의 회전 정보를 이용하여 각각의 상태에서 전안부의 회전 위치를 파악하는 것이 가능하다. 나아가, 프로세서(300)는 두 개의 2차원 이미지 뿐 아니라 두 개의 3차원 이미지로부터 각각 이미지 상의 전안부의 회전 위치 관계를 파악하는 것도 가능하다. 이로 인해, 상이한 자세에서 촬영된 이미지에 나타난 데이터 정보를 활용하여 수술에 적용하는 것이 가능하다.

나아가, 프로세서(300)는 외부로부터 입력되는 이미지 데이터로부터 정보를 추출하거나, 외부로부터 입력되는 이미지 데이터와 자체적으로 획득된 이미지 데이터와의 위치 관계를 연산하는 것이 가능하다. 따라서, 사전 검진에 의해 얻어진 이미지 정보를 백내장 수술에 이용하는 것이 가능하다. 다만, 이러한 기능에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 서술하도록 한다.

한편, 제어부(400)는 인터페이스(500)를 통해 입력된 사용자의 입력 또는 수술 장치의 동작 모드에 따라 광원(110), 광 변환부(120) 및 광 전달부(130)를 포함하는 각종 구성 요소의 동작을 제어한다.

예를 들어, 제어부(400)는 광원(110) 및 광 변환부(120)의 각종 구성요소를 제어하여 수술에 이용되는 레이저를 생성하고, 수술의 진행 단계에 따라 레이저의 펄스 파형, 출력, 빔 사이즈 등의 각종 파라미터를 조절할 수 있다. 또한, 사용자가 지정한 패턴 또는 기 설정된 수술 모드에 따라 광 전달부의 각종 구성요소를 제어하여 설정된 치료 부위에 레이저가 조사될 수 있도록 제어하며, 레이저가 조사되는 궤적 및 패턴을 조절할 수 있다. 나아가, 수술 장치가 동작하는 중 이상이 발생하는 경우, 광 전달부에 구비되는 셔터(shutter, 미도시)를 동작하여 레이저가 눈으로 조사되는 것을 차단하는 것도 가능하다.

이 이외에도, 제어부(400)는 수술을 진행하기에 앞서 수행되는 환자의 눈을 고정시키는 단계 및 수술이 진행된 이후에 수술 결과를 확인하는 단계에서도 각종 구성요소들의 동작을 제어하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 안과용 수술 장치는 레이저를 이용하여 전안부의 다양한 부위를 치료하는 것이 가능하며, 이 때 이미지 검출부로부터 획득되는 다양한 이미지를 이용하여 용이하게 수술을 설계하고 수술을 진행하는 것이 가능하다.

이하에서는, 전술한 안과용 수술장치를 이용한 백내장의 수술 방법 및 이에 대응되는 수술 장치의 제어방법을 구체적으로 설명한다.

도 2는 도 1의 안과용 수술 장치를 이용한 안과용 수술 방법 및 이에 대응되는 수술장치의 제어방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 도 2의 수술 단계에 따른 치료 부위를 도시한 도면이다. 도 2에서 좌측은 각각의 수술 단계를 도시한 것이고, 우측은 각 수술 단계에 대응되는 전안부 수술장치의 제어 단계를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 환자가 안과용 수술장치에 위치하면 환자의 눈을 고정하는 단계를 수행한다(S10, S100). 본 단계는 환자가 베드에 누운 상태에서 아이인터페이스(600)를 이용하여 환자의 눈을 석션한 후, 수술 장치의 광 조사부 말단을 하강시켜 아이인터페이스(600)를 상기 단부에 도킹시키는 방식으로 제어된다.

다만, 본 실시예에서는 안과용 수술장치와 별개의 아이인터페이스를 이용하는 구조를 중심으로 설명하나, 광 조사부의 말단에 아이인터페이스가 일체로 형성되어 광 조사부의 위치를 하강하여 도킹 단계를 진행하는 것도 가능하다.

이와 같이 환자의 눈을 고정시키는 단계는 광 경로의 중심과 눈의 시축이 정렬되는 위치에 고정될 수 있도록 이미지 검출부(200)를 통해 획득되는 이미지를 지속적으로 참고하면서 도킹을 진행할 수 있다.

환자의 눈의 위치가 고정되면, 환자의 눈을 진단하고 수술 내용을 설정하는 단계를 수행한다(S20, S200). 본 단계는 이미지 검출부(200)에 의해 획득되는 눈의 표면 이미지, 전안부 단층 이미지, 수정체의 3차원 이미지 등을 활용할 수 있도록 인터페이스(500)를 통해 이미지 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 사용자는 수술 이전 단계에서 수집된 환자의 정보와 인터페이스(500)를 통해 제공되는 각종 이미지 정보를 이용하여 각막 및 수정체의 절개 위치, 레이저 파라미터 및 패턴 등의 구체적인 수술 정보를 설정하는 것이 가능하다.

그런데, 이러한 백내장 수술시 각막을 절개하는 단계에서는 흡입 장치를 삽입하기 위한 통로를 절개할 뿐 아니라, 각막의 인장력에 변화를 주어 난시를 교정하기 위한 목적으로 각막의 절개를 수행할 수도 있다. 이때, 환자의 난시축과 같은 난시 교정을 위한 정보는 사전에 별도의 장비에서 행해지는 검사를 통해 결정되며, 각막의 절개 위치는 이러한 난시축의 위치 등과 같은 정보를 고려하여 설정할 필요가 있다. 이에 대한 구체적인 과정은 아래에서 별도의 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

사용자의 선택에 의해 수술 영역이 설정되면, 프로세서(300)는 해당 영역의 좌표를 연산하여, 제어부로 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 제어부(400)는 프로세서(300)에서 제공된 좌표를 이용하여 레이저 시스템의 구동을 제어하는 것이 가능하다.

수술 내용의 설정이 완료되면, 먼저 수정체의 전낭을 원형으로 절개하는 원형 전낭 절개 단계(capsulotomy)를 수행한다(S30, S300). 원형 전낭 절개는 캡슐 형상으로 이루어진 수정체의 전면 표면(도 3 a의 B 참조)을 절개하는 것으로, 이후에 진행되는 수정체 핵 부위(도 3 a의 C 참조) 절개시 수정체의 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있도록 수정체 핵 절개에 선행하여 진행된다. 이에, 안과용 수술장치는 제1 작동 모드로 동작하면서, 수정체의 전방 표면에 설정된 궤적을 따라 레이저를 조사하여 원형으로 전낭을 절개한다(도 3b의 P1 참조).

원형 전낭 절개 단계가 이루어지면, 수정체의 핵 부위(도 3 a의 B 참조)를 절개하는 단계를 진행한다(S40, S400). 핵 부위의 절개는 백내장이 진행되어 혼탁해진 부분을 절개하는 것으로, 백내장에 의해 경화된 핵 부위를 레이저를 이용하여 작은 조각(fragment)으로 절개 또는 유연화시킴으로써 향후 흡입 과정을 통해 용이하게 수정체 핵을 제거하는 것이 가능하다.

이때, 수정체의 핵 부위를 제거하면서 수정체의 후낭(posterior chamber)(도 3 a의 D 참조)이 손상되면, 절개된 수정체 조각이 유리체(도 3 a의 E 참조) 부위로 빠져 나가 향후 후발성 백내장을 야기할 수 있다. 따라서, 본 단계를 진행함에 있어 수정체의 후낭이 손상되지 않도록, 레이저 조사 구역을 설정함에 있어 후낭과의 안전거리를 확보할 필요가 있다.

본 단계를 수행하기 위해, 안과용 수술장치는 제2 작동 모드로 동작하면서 수정체의 핵부위로 레이저를 조사한다. 본 실시예에서는 레이저가 바둑판 형상의 궤적으로 조사되도록 설정하였으나(도 3 a의 P2 참조), 이는 일 예에 불과하며 수정체를 작은 조각으로 절개할 수 있도록 다양한 형상으로 레이저 궤적을 형성할 수 있다.

또한, 본 단계는 전낭 절개 및 각막 절개와 달리 소정의 두께를 갖는 핵 부위를 절개하는 것이므로, 레이저가 하나의 평면에 조사되는 것이 아니라 Z 스캐너가 동작하면서 서로 다른 깊이의 복수의 층에서 절개가 이루어지도록 구성할 수 있다. 이때, 각각의 층에서 레이저가 조사되는 궤적은 동일한 궤적으로 조사되는 것도 가능하며, 수정체의 절개가 용이하도록 각각의 층별로 서로 다른 궤적을 형성하도록 구성될 수 있다.

나아가, 레이저가 조직에 조사되면 기포가 발생하게 되며, 본 단계와 같이 레이저를 다양한 깊이로 조사하는 경우에 선행 조사된 레이저에 의해 발생한 기포에 의해 레이저가 산란되어 조사 위치로 충분한 에너지가 전달되지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 따라서, 안과용 수술장치는 제2 작동단계에서 레이저를 조사함에 있어, 수정체의 후낭과 인접한 부분을 먼저 조사하고 전낭 방향과 인접한 위치는 나중에 조사하여 선행 레이저로 인해 발생되는 기포의 영향을 최소화시킬 수 있다.

수정체의 절개가 완료되면, 각막(도 3a의 A 참조)을 절개하는 단계를 진행한다(S50, S500). 각막 절개는 흡입 장치가 삽입될 수 있는 통로를 형성할 수 있도록, 각막의 소정 구간을 절개하는 단계이다. 이와 더불어 백내장 수술과 동시에 각막 이상으로 인한 난시를 개선할 수 있도록, 각막의 특정 부위를 절개하여 각막의 형상을 변화시키는 시술을 동시에 진행하는 것이 가능하다.

본 단계를 수행하기 위해, 안과용 수술장치는 제3 작동 모드로 동작하면서, 각막의 소정 구역으로 레이저를 조사한다(도 3b의 P3 참조). 이때, 각막이 절개되는 구역은 수술이 진행되기에 앞서 측정된 각막 검사 결과를 참고하여 사용자가 인터페이스를 통해 설정하거나, 프로세서의 연산에 의해 자동적으로 반영될 수 있다.

이와 같이 레이저 조사를 통해 수정체의 전낭, 수정체의 핵 부위 및 각막의 절개가 완료되면, 안과용 수술장치는 도킹 상태를 해제하고, 환자의 눈에서 아이인터페이스(600)를 제거한다(S600).

그리고, 프로브 형태의 흡입 장치를 각막의 절개 부위로 삽입하여, 조각으로 절개된 수정체를 빨아들임으로써, 수정체의 후낭을 제외하고 완전히 제거하는 것이 가능하다(S60). 그리고 수정체가 제거된 위치로 인공 수정체를 삽입함으로써 백내장 수술이 완료될 수 있다(S70).

이상에서 설명한 바와 같이, 전술한 안과용 수술장치는 전낭을 절개하고, 수정체를 분쇄하며, 각막을 절개하는 작업을 레이저를 조사하는 방식으로 진행하므로,종래에 비해 보다 신속하고 정확하게 수술을 진행하는 것이 가능하다.

이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여, 도 2의 진단 및 설정 단계에서 기준 이미지를 반영하여 레이저의 조사 위치를 설정하는 과정을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 환자의 난시에 관한 위치 정보는 별도의 장치를 통해 결정되고, 이러한 정보가 담긴 이미지는 외부로부터 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 위치 정보를 반영하여 각막의 절개 위치를 설정한다. 그런데, 사전 검사시 촬영된 이미지 데이터는 환자가 앉은 자세(제2 자세)에서 얻은 것이고, 이미지 검출부에서 획득된 이미지는 환자가 누운 자세(제1 자세)에서 얻은 것이다. 여기서, 환자의 자세에 따라 안구가 회전하기 때문에, 서로 다른 자세에서 촬영된 두 이미지 사이의 안구의 회전 위치는 소정 각도만큼 차이가 발생한다. 따라서, 본 실시예에서는 서로 다른 자세에서 촬영된 두 개의 이미지를 통해 환자의 자세 변화로 인해 발생하는 안구의 회전각을 파악하여, 이를 고려하여 레이저의 조사 위치를 설정하는 방법을 제공한다.

도 4는 도 2의 진단 및 설정 단계의 과정을 상세하게 도시한 순서도이다. 진단 및 설정 단계는 전술한 바와 같이, 수술 이전 단계에서 수집된 환자 정보 및 인터페이스부를 통해 제공되는 각종 이미지 정보를 이용하여, 환자의 상태를 진단하고 수술 내용을 설정하는 과정이 이루어지나, 이하에서는 환자의 자세 변화로 인해 발생되는 회전각 연산과 관련성이 있는 단계를 중심으로 설명한다.

우선, 진단 및 설정 단계는 제1 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다(S210). 제1 이미지 획득 단계에서는 OCT부를 이용하여 전안부 내측의 단층 이미지를 촬영한다. 그리고, 이러한 단층 이미지를 이용하여 프로세서에서 3차원으로 이루어진 제1 이미지를 생성한다. 제1 이미지 상에는 홍체 및 수정체에 대한 3차원 이미지를 포함할 수 있다(도 5의 a).

그리고, 외부로부터 입력되는 기준 이미지를 분석한다(S220). 여기서, 기준 이미지라 함은 자세 변화로 인해 회전이 발생되기 이전에 촬영된 이미지를 의미한다. 기준 이미지 또한 OCT로 촬영된 3차원 영상이며, 각막의 절개 위치에 대한 정보를 포함할 수 있다(도 5의 b). 이때, 기준 이미지는 자체적으로 환자의 난시축 정보를 포함하는 3차원 영상일 수도 있고, 난시축 검사시 동일한 자세에서 촬영된 3차원 영상으로 난시축 정보를 포함하는 2차원 이미지와 위치 매핑이 가능한 3차원 이미지일 수도 있다.

프로세서는 입력된 기준 이미지를 처리하여, 제1 이미지와 대응되는 크기 및 형상으로 재구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 이미지가 OCT부에 의해 생성되는 3차원 이미지 중 홍체(10a)와 수정체(20a)에 대한 3차원 이미지인 경우, 기준 이미지 또한 이와 대응되는 홍체(10b)와 수정체(20b)의 3차원 이미지만을 선택하여 대응되는 크기로 재구성하는 것이 가능하다. 또는 제1 이미지가 수정체에 관한 3차원 이미지인 경우, 프로세서는 기준 이미지 중 수정체의 3차원 이미지만을 선택하여 재구성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 제1 이미지와 기준 이미지가 마련되면, 프로세서는 두 이미지 사이의 회전각을 연산하는 단계를 수행한다(S230). 회전각을 연산하는 단계는 기준이 되는 대상 및 연산 방식에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

일 예로, 각각의 이미지에서 기준이 되는 위치를 설정한 후, 동일한 방향의 평면에서 기준 위치 사이의 회전각을 산정할 수 있다. 이때, 기준이 되는 위치는 홍체 형상 중 특이점이 발견되는 위치일 수도 있고, 이미지에 나타나는 수정체의 형상일 수도 있다. 도 6에서는 수정체의 형상 중 특이점이 발견되는 위치를 기준위치로 이용하는 모습을 도시하고 있다. 수정체의 경우 일반적으로 렌즈의 형상으로 이루어지나, 정확한 대칭을 이루는 형상은 아니며 환자에 따라 상대적으로 곡률이 변경되는 위치가 존재할 수 있다. 따라서, 도 6과 같이 수정체의 특정 위치(도 6의 x위치)를 기준으로 하여 두 이미지 사이의 회전각(θ)을 산정하는 것이 가능하다.

다른 예로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 기준 이미지와 제1 이미지 사이의 회전각에 따른 상관도(correlation)을 판단하여 회전각을 산정하는 것도 가능하다. 구체적으로, 기준 이미지와 제1 이미지의 수정체를 관통하는 중심축(도 7의 점선 참조)을 일치시킨 상태에서, 하나의 이미지를 회전시키면서 각각의 회전 정도에 따른 상관도 연산을 수행할 수 있다(전술한 바와 같이, 수정체가 완전하게 대칭인 렌즈 형상이 아니기 때문에, 회전 위치에 따라 상관도가 상이하다). 이로부터, 두 이미지 사이의 상관성이 가장 높은 회전 위치를 도출하여, 두 이미지 사이의 회전각을 연산하는 것이 가능하다.

이 이외에도, 다양한 방식을 이용하여 두 이미지 사이에 회전각을 선정하는 것이 가능하며, 다양한 기준 위치를 이용할 수 있다.

이와 같이 전안부의 회전각이 도출되면, 좌표 설정 단계를 수행한다. 이때, 기준 이미지로부터 제공되는 난시축의 위치 데이터는 전안부가 연산된 회전각만큼 회전된 상태인 것을 고려하여, 각막의 절개 위치를 설정할 수 있다. 그리고, 각막의 절개 위치 이외에도 나머지 수술 단계에서 레이저가 조사되는 좌표를 설정함으로써, 진단 및 설정 단계를 완료할 수 있다.

이와 같은 방식으로, 진단 및 설정 단계가 완료되면, 해당 위치로 레이저를 조사하여, 원형 전낭 절개 단계, 수정체 핵부위 절개 단계 및 각막 절개 단계 등을 수행할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 안과용 수술장치, 이의 제어방법 및 이를 이용한 수술방법에 대하여 설명한다. 다만, 전술한 제1 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다.

전술한 제1 실시예에서는 사전 각막 검사시 전안부의 3차원 이미지까지 촬영되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 사전 검사를 통해 별도의 3차원 이미지를 촬영하지 않고, 난시 관련 정보가 나타난 2차원 이미지만이 제공될 수도 있다. 따라서, 본 실시예에서는 사전 검사시 2차원 이미지만이 제공되는 경우, 회전각을 산정할 수 있는 방법을 중심으로 설명한다.

도 8는 제2 실시예에 따른 환자의 눈 고정 단계 및 진단 및 설정 단계의 과정을 상세하게 도시한 순서도이고, 도 9는 도 8에서 환자의 상태별 촬영된 이미지 사이의 위치 관계를 도시한 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 환자의 상태에 따라 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태로 구분하여 설명한다. 여기서, 제1 상태는 사전 검사를 진행하는 상태로(제3 자세), 환자가 앉은 상태에서 촬영된 2차원 이미지를 획득할 수 있다. 그리고, 제2 상태는 환자가 백내장 수술을 위해 베드에 누운 상태로 환자의 눈이 아이인터페이스에 고정되지 않은 상태로(제2 자세), 아이인터페이스를 환자의 눈에 근접한 상태에서 눈의 표면에 대한 2차원 이미지 및 전안부의 3차원 이미지를 획득할 수 있다. 나아가, 제3 상태는 환자가 베드에 누운 상태에서 환자의 눈이 아이인터페이스에 고정된 상태로(제1 자세), 전안부의 2차원 이미지 및 3차원 이미지를 획득하는 것이 가능하다.

여기서, 환자가 앉은 자세에서 누운 자세로 변경함에 따라(제3 상태에서 제2 상태로 변경) 전술한 바와 같이 환자의 눈이 제1 회전각(θ1)만큼 회전하게 된다. 그리고, 환자의 눈을 석션에 의해 고정시키게 됨에 따라(제2 상태에서 제3 상태로 변경) 환자의 눈이 다시 제2 회전각(θ1)만큼 회전하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 제1 회전각(θ1) 및 제2 회전각(θ2)을 연산하여, 환자의 눈의 회전각(θ1+θ2)을 판단할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 우선 사전 검사시 촬영된 난시축에 대한 정보가 나타난 제1 상태의 2차원 이미지가 입력된다(S110). 이때, 제1 상태의 2차원 이미지는 회전이 이루어지기 전 환자의 눈의 위치를 나타내는 제1 기준 이미지가 될 수 있다.

그리고, 환자가 베드에 누운 상태에서 아이인터페이스(600)를 환자의 눈에 근접시킨 후, 이미지 검출부(200)의 카메라부(210) 및 OCT부(220)를 이용하여 제2 상태의 이차원 이미지 및 3차원 이미지를 촬영한다(S120). 프로세서(300)는 제2 상태에서 촬영된 2차원 이미지 및 3차원 이미지를 처리하여 두 이미지 간의 위치를 매칭시킬 수 있다. 여기서, 제2 상태의 3차원 이미지는 환자의 눈 고정에 의한 회전이 발생하기 이전의 눈의 위치를 나타내는 제2 기준 이미지가 될 수 있다.

한편, 제2 상태의 촬영이 완료되면, 프로세서는 제1 상태의 2차원 이미지 및 제2 상태의 2차원 이미지를 비교하여, 제1 회전각(θ1)을 산출할 수 있다(S130). 이때, 두 개의 2차원 이미지 사이의 제1 회전각(θ1) 연산은, 전술한 바와 같이 이미지 상의 동일한 기준 위치의 회전각을 연산하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 기준 위치는 홍체의 패턴 또는 공막의 혈관 위치를 이용할 수 있다.

제2 상태에서의 촬영이 완료되면, 아이인터페이스는 환자의 눈을 석션하여 환자의 눈을 고정시킨다(S140). 이때, 석션을 통해 눈을 고정시키는 과정에서 제2 회전각(θ2)만큼 눈의 회전이 발생할 수 있다.

환자의 눈이 고정된 제3 상태가 시작되면, 이미지 검출부(200)의 OCT부(220)를 이용하여 제3 상태의 3차원 이미지를 촬영한다(S210). 그리고, 제3 상태의 촬영이 이루어지면, 프로세서는 제2 상태의 3차원 이미지 및 제3 상태의 3차원 이미지를 비교하여, 제2 회전각(θ2)을 산출할 수 있다. 여기서, 두 개의 3차원 이미지 사이의 회전각을 연산하는 방식은 제1 실시예에서 구체적으로 설명하였으므로, 본 실시예에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 제2 상태를 고려하지 않고 제3 상태에서 2차원 이미지를 촬영하여, 제1 상태의 2차원 이미지와 직접 비교하여 회전각을 연산하는 것을 고려할 수 있다. 그런데, 2차원 이미지간의 회전각을 파악하기 위한 기준 위치로 홍체 및 공막의 혈관 형상을 이용하는 것이 일반적이나, 제3 상태에서 눈이 아이인터페이스에 의해 석션되어 고정된 상태이므로 공막의 혈관 이미지를 촬영할 수 없고, 석션시 동공이 확장되면서 홍체의 형상이 변하게 된다. 따라서, 제1 상태와 제3 상태의 2차원 이미지 사이에 기준 위치를 설정하는 것이 곤란하므로, 본 실시예와 같이 제2 상태에서 2차원 이미지 및 3차원 이미지를 촬영하여, 이를 매개로 회전각을 판단하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 단계에 의해 제1 회전각(θ1) 및 제2 회전각(θ2)이 연산되고, 이를 합산함으로써 난시축 정보를 검사한 제1 상태와 수술이 진행되는 제3 상태의 눈의 회전각(θ1+θ2)을 알 수 있다.

이와 같이 전안부의 회전각이 도출되면, 레이저가 조사되는 위치의 좌표를 설정하는 단계를 수행한다(S230). 이때, 사전 검사시 제공되는 2차원 이미지 상의 난시축 데이터는 전안부가 연산된 회전각만큼 회전된 상태인 것을 반영하여, 각막의 절개 위치를 설정할 수 있다. 그리고, 각막의 절개 위치 이외에도 나머지 수술 단계에서 레이저가 조사되는 좌표를 설정함으로써, 진단 및 설정 단계를 완료할 수 있다.

이상, 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 환자의 자세에 따른 전안부의 회전각을 고려하여 좌표를 설정하기 때문에, 사전 검사를 통해 획득된 이미지의 위치 정보를 정확하게 반영하여 수술을 진행함으로써, 수술의 편의성 및 수술을 통한 기대 효과를 향상시킬 수 있다. 또한 3차원 이미지 사이의 회전각 분석을 적용함으로써, 환자의 눈이 아이인터페이스에 고정된 상태에서 눈의 회전 위치를 용이하게 파악할 수 있다.

100 : 레이저 시스템 200 : 이미지 검출부
210 : 카메라부 220 : OCT부
300 : 프로세서 400 : 제어부
500 : 인터페이스

Claims

환자가 제1 자세로 위치 한 상태에서, 전안부의 3차원 이미지를 생성하는 이미지 검출부;
상기 이미지 검출부에서 검출한 3차원 이미지와 기준 이미지를 비교하여 전안부의 회전각을 연산하는 프로세서; 그리고,
상기 회전각을 반영하여 상기 전안부로 레이저를 조사하는 레이저 시스템;을 포함하는 안과용 수술장치.
제1항에 있어서,
상기 기준 이미지는 상기 환자가 제2 자세로 위치한 상태에서 촬영된 상기 전안부의 3차원 이미지인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 기준 이미지의 기준 위치와 상기 3차원 이미지의 기준 위치를 비교하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 기준 이미지와 상기 3차원 이미지를 각각 중심축을 일치시킨 상태에서 회전시키면서 상관성(correlation)을 판단하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 자세는 환자가 누운 상태이고, 상기 제2 자세는 환자가 앉은 상태인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 자세는 환자의 눈이 아이인터페이스에 고정된 상태이고, 상기 제2 자세는 환자의 눈이 상기 아이인터페이스에 고정되지 않은 상태인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
환자가 제1 자세로 위치한 상태에서, 전안부의 3차원 이미지를 생성하는 단계;
상기 3차원 이미지 및 기준 이미지를 비교하여 전안부의 회전각을 연산하는 단계; 그리고,
상기 회전각을 반영하여 레이저가 조사되는 조사 위치를 설정하는 단계를 포함하는 안과용 수술장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 기준 이미지는 상기 환자가 제2 자세로 위치한 상태에서 촬영된 상기 전안부의 3차원 이미지인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법
제8항에 있어서,
상기 회전각을 연산하는 단계는 상기 기준 이미지의 기준 위치와 상기 3차원 이미지의 기준 위치를 비교하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 회전각을 연산하는 단계는 상기 기준 이미지와 상기 3차원 이미지를 각각 중심축을 일치시킨 상태에서 회전시키면서 상관성(correlation)을 판단하여 상기 전안부의 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 자세는 환자가 누운 상태이고, 상기 제2 자세는 환자가 앉은 상태인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 자세는 환자의 눈이 아이인터페이스에 고정된 상태이고, 상기 제2 자세는 환자의 눈이 상기 아이인터페이스에 고정되지 않은 상태인 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.