KR20170095007A - 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법 - Google Patents

수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20170095007A KR1020160016454A KR20160016454A KR20170095007A KR 20170095007 A KR20170095007 A KR 20170095007A KR 1020160016454 A KR1020160016454 A KR 1020160016454A KR 20160016454 A KR20160016454 A KR 20160016454A KR 20170095007 A KR20170095007 A KR 20170095007A
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김윤상
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한국기술교육대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 가상환경을 사용한 수술 훈련 시뮬레이션(simulation) 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템은, 척추 모형, 척추 모형에 대해 조작되는 조작부, 조작부를 촬영하는 복수의 영상 촬영부들, 복수의 영상 촬영부들로부터 촬영된 영상들을 수신하고 촬영된 영상으로부터 조작부의 위치와 각도를 계산하는 영상 처리부, 및 척추 모형 및 조작부를 3차원 영상으로 출력하는 디스플레이부를 포함한다. 조작부에는 색상 띠가 부착되고, 영상 처리부는 촬영된 영상들로부터 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출하고, 추출한 색상 영역의 중심점을 계산하고, 계산된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환하여 디스플레이부에 송신하도록 구성되며, 디스플레이부는 수신한 3차원 좌표값에 기초하여 조작부의 실시간 위치 및 각도를 3차원 영상에 출력하도록 구성된다.

Description

수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법{SIMULATION SYSTEM AND METHOD FOR SURGERY TRAINING}
본 발명은 3차원 가상환경을 사용한 수술 훈련 시뮬레이션(simulation) 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 컴퓨팅 연산 부하가 높지 않으면서 저비용으로 구현 가능한 3차원 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
수술은 교육과 반복적인 연습이 중요하고, 이는 의료 시뮬레이션을 통하여 이루어질 수 있다. 의료 시뮬레이션은 의료진에게 고난도의 경험을 제공하고 환자를 보호하면서 의료 기술을 습득할 수 있도록 해준다. 따라서 의료진의 수술 숙련도가 중요한 외과 수술에 있어서 의료 시뮬레이션의 활용은 매우 유용하다.
척추 수술 환자는 해마다 꾸준히 증가하고 있고, 척추 수술은 전문적이고 고도의 기술을 요하는 수술이므로 숙련된 의료진을 필요로 한다. 그러나 의료진에게는 한정된 척추 수술 기회만이 주어지고, 척추 수술 훈련 환경의 부족으로 척추 수술 기술을 전도하는 데에도 어려움이 있다. 척추 모형을 이용한 훈련 시뮬레이션을 이용하여 현실적인 수술훈련 환경을 제공하여 척추 수술에 대한 훈련 효과를 증대시킬 수 있다. 종래 기술로서 Haptica사의 척추 수술 훈련 시뮬레이터가 존재한다. 그러나 이 시뮬레이터는 2차원 이미지를 사용한 CT(computed tomography) 화면만을 출력하므로, 시뮬레이터의 사용자가 수술 도구의 정확한 위치 및 진입 경로를 파악하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
상술한 바와 같은 종래의 시뮬레이터의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 사용자에게 현실감 있는 가상 수술 훈련 환경을 제공하는 것을 목적으로 한다. 척추 모형 및 수술 도구의 실시간 움직임을 추적하여 3차원 영상으로 제공할 수 있고, 실제 수술 시나리오 기반의 훈련을 제공할 수 있는 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템은, 척추 모형, 상기 척추 모형에 대해 조작되는 조작부, 상기 조작부를 촬영하는 복수의 영상 촬영부들, 상기 복수의 영상 촬영부들로부터 촬영된 영상들을 수신하고, 상기 촬영된 영상으로부터 상기 조작부의 위치와 각도를 계산하는 영상 처리부, 및 상기 척추 모형 및 상기 조작부를 3차원 영상으로 출력하는 디스플레이부를 포함한다. 상기 조작부에는 색상 띠가 부착되고, 상기 영상 처리부는 상기 촬영된 영상들로부터 상기 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출하고, 추출한 색상 영역의 중심점을 계산하고, 계산된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환하여 상기 디스플레이부에 송신하도록 구성된다. 상기 디스플레이부는 수신한 상기 3차원 좌표값에 기초하여 상기 조작부의 실시간 위치 및 각도를 상기 3차원 영상에 출력하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템은, 상기 디스플레이부가 상기 3차원 영상에 상기 조작부가 이동되어야 하는 가이드(guide) 경로를 추가적으로 표시하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템은, 상기 디스플레이부가 출력하는 영상을 회전, 확대, 또는 이동가능하도록 구성되고, 상기 복수의 영상 촬영부들은 외부 입력에 응답하여 각각 이동가능하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법은, 척추 모형을 3차원 영상으로 출력하는 단계, 색상 띠가 부착된 조작부를 상기 척추 모형에 대해 조작하는 단계, 상기 조작부를 복수의 영상 촬영부들로 촬영하는 단계, 상기 영상 촬영부들이 촬영한 영상들로부터 상기 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출하는 단계, 상기 추출된 색상 영역의 중심점을 계산하는 단계, 상기 계산된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환하는 단계, 및 상기 3차원 좌표값에 기초하여 상기 조작부의 위치 및 각도를 계산하고, 상기 조작부를 실시간으로 상기 3차원 영상에 출력하는 단계를 포함하도록 구성된다.
본 발명에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법은 3차원 가상 환경을 이용해 현실감 있는 척추 수술 훈련 환경을 제공할 수 있다. 3차원 영상을 통해 척추 모형에 대한 수술 도구의 위치 및 진입 경로를 표시하고, 수술 도구에 대한 바람직한 가이드 경로로 제공함으로써, 사용자로 하여금 몰입도 높은 척추 수술 훈련이 가능하게 한다.
특히 본 발명은 컴퓨팅 연산 부하가 높지 않으면서 저비용으로 구현 가능한 3차원 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 촬영부의 촬영 영상 및 영상 처리부의 변환 영상의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부 동작의 개략적인 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이부의 출력 영상의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법의 개략적인 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션을 사용한 훈련 시나리오의 동작 흐름도이다.
아래의 설명은 본 발명의 실시예들을 제공하며, 청구항들에서 설명되는 범위, 이용가능성, 또는 구성을 제한하지 않는다. 본 발명 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 실시예들에 기재된 구성요소들의 배열 및 기능이 변경될 수 있다. 예를 들어, 설명되는 방법들은 설명되는 순서와 다른 순서로 수행될 수 있으며, 다양한 단계들이 부가되거나, 생략되거나, 또는 결합될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 관련 세부사항들을 모호하게 하지 않기 위해, 본 명세서에 기재된 주지의 구성들은 상세히 설명되지 않거나 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템 개략적으로 도시한 도면이다.
척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템은 척추 모형(100), 케이스(110), 조작부(120), 제 1 영상 촬영부(130), 제 2 영상 촬영부(140), 영상 처리부(150), 디스플레이부(160)를 포함한다. 척추 모형(100)은 인간의 척추를 모형화한 것으로, 시뮬레이션 시스템의 사용자가 척추 모형(100)에 대해 조작부(120)를 조작하는 경우, 사용자에게 실제 인간의 척추에 수술하는 것과 유사한 사실감을 제공할 수 있다. 척추 모형(100)은 케이스(110)의 내부에 위치할 수 있고, 케이스(110)로부터 교체가 가능하게 구현될 수 있다.
조작부(120)는 시뮬레이션 시스템의 사용자가 조작하는 부분으로서, 수술 도구와 동일한 형상으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 조작부(120)는 캐뉼라(cannela) 및 카테터(catheter)로 구현될 수 있다. 캐뉼라는 의료용으로 쓰이는 직선형 관으로서, 환자에 삽입된 캐뉼라 안에 다른 수술 도구(예를 들어 레이저 부착 카테터)가 삽입될 수 있다. 레이터 카테터는 돌출된 디스크를 제거하는데 사용될 수 있다. 조작부(120)는 실제 수술 도구들과 동일한 형상으로 제작되거나, 또는 실제로 사용되고 있는 수술 도구들이 조작부(120)로서 사용될 수 있다. 따라서 시뮬레이션 시스템 사용자에게 현실감이 있는 의료 훈련 환경을 제공할 수 있다.
영상 촬영부들(130, 140)은 조작부(120)의 위치를 추적하고 각도를 측정하기 위해 조작부(120)를 촬영하도록 구성된다. 예를 들어 영상 촬영부들(130, 140)은 웹캠(webcam)과 같은 카메라로 구현될 수 있다. 제 1 영상 촬영부(130)는 조작부(120)를 옆에서 촬영하도록 케이스(110)의 측면에 배치될 수 있고, 제 2 영상 촬영부(140)는 조작부(120)를 위에서 촬영하도록 케이스(110)의 위쪽에 배치될 수 있다. 서로 상이한 방향에 배치된 복수의 영상 촬영부들을 사용하여 조작부(120)를 촬영하는 것에 의해, 조작부(120)의 위치 및 각도를 3차원적으로 추적할 수 있다.
영상 처리부(150)는 영상 촬영부들(130, 140)에 연결되어, 영상 촬영부들(130, 140)이 촬영한 영상을 수신하도록 구성된다. 영상 처리부(150)는 영상 촬영부들(130, 140)이 촬영한 영상에 기초하여 조작부(120)의 위치 및 각도를 계산할 수 있다.
디스플레이부(160)는 3차원 및 2차원 영상을 출력하도록 구성된다. 디스플레이부(160)는 척추 모형(100)에 대응되는 영상을 출력할 수 있고, 영상 처리부(150)로부터 데이터를 수신하여 조작부(120)의 움직임을 실시간으로 척추 모형의 영상에 함께 출력할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 영상 촬영부들 및 영상 처리부를 사용한 조작부의 위치 및 각도 계산을 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 영상 촬영부가 조작부를 옆에서 촬영한 제 1 촬영 영상(210), 제 2 영상 촬영부가 조작부를 위에서 촬영한 제 2 촬영 영상(230), 제 1 영상 촬영부가 조작부를 옆에서 촬영한 제 3 촬영 영상(250) 및 제 2 영상 촬영부가 조작부를 위에서 촬영한 제 4 촬영 영상(270)을 도시한다. 조작부에는 색상 띠가 부착된다. 도 2의 촬영 영상(210, 230, 250, 270)에 도시된 바와 같이, 제 1 조작부(211)(예를 들어 캐뉼라)에는 제 1 색상 띠(212)(예를 들어 파란색 색상 띠)가 부착되고, 제 2 조작부(251)(예를 들어 카테터)에는 제 1 색상 띠와는 상이한 색의 제 2 색상 띠(252)(예를 들어 붉은색)가 부착된다. 제 1 색상 띠(212)와 제 2 색상 띠(252)는 상이한 넓이를 가질 수 있다. 영상 촬영부들(130, 140)의 촬영 영상들(210, 230, 250, 270)은 영상 처리부로 전송된다.
도 3은 촬영 영상들을 수신한 영상 처리부가 수행하는 동작의 개략적인 순서도이다. 영상 처리부는 단계(310)에서 영상 촬영부로부터 수신한 촬영 영상으로부터 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출한다. 예를 들어 영상 처리부는 색상 영역을 다른 컬러 영역으로 변환하는 cvCvtColor 함수를 사용하여, 영상 촬영부로부터 수신한 영상의 RGB 컬러모델을 HSV 컬러모델로 변환할 수 있다. 그리고 영상 처리부는 변환된 HSV 컬러모델을 2진화 처리하는데, 제 1 색상 띠 및 제 2 색상띠의 색상, 채도, 명도 범위(예를 들어 파란색 및 붉은색의 색상, 채도, 명도 범위)를 지정하여 지정된 조건에 맞는 값을 발견하는 경우 2진화 처리시 bin을 255로 하여 흰색으로 출력하고, 정해진 조건에 맞는 값이 아닐 경우 bin을 000으로 하여 검은색으로 출력한다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 촬영 영상(210)이, 제 1 색상 띠(212)의 영역만이 흰색으로 변환되고 다른 부분은 검은 색으로 변환되는 제 1 변환 영상(220)으로 변환된다. 제 2 촬영 영상(230)도, 제 1 색상 띠의 영역만이 흰색으로 변환되고 다른 부분은 검은 색으로 변환되는 제 2 변환 영상(240)으로 변환된다. 제 3 촬영 영상(250)은, 제 2 색상 띠(252)의 영역만이 흰색으로 출력되고 다른 부분은 검은 색으로 출력되는 제 3 변환 영상(260)으로 변환되고, 제 4 촬영 영상(270)은 제 4 변환 영상(280)으로 변환된다. 그 후 영상 처리부는 레이블링(Blob labeling)을 사용하여 변환 영상(220, 240, 260, 280)에서 복수의 흰색 영역들을 구별하여 각각의 흰색 영역들을 추출할 수 있다.
단계(320)에서 영상 처리부는 추출한 영역들의 각각의 중심점을 측정한다. 이렇게 측정된 중심점들은 2차원 값을 가진다.
단계(330)에서 영상 처리부는 측정된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환한다. 예를 들어 영상 처리부는 transform 변환 함수를 사용하여 중심점을 3차원 좌표값으로 변환할 수 있다. 그리고 영상 처리부는 변환한 3차원 좌표값을 디스플레이부에 송신한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이부의 출력 영상을 도시한다.
제 1 영역(410)은 척추 모형을 3차원 영상으로 출력한다. 예를 들어 Unity 3D가 3차원 영상 출력을 위해 사용될 수 있다. 제 1 영역(410)에 출력되는 영상은 도 1의 케이스(110) 내부의 척추 모형(100)에 대응하는 영상이다. 제 2 영역(420)은 제 1 영역(410)에 출력된 3차원 영상에 대응하는 2차원 영상(예를 들어 CT 화면)을 출력한다. 그리고 조작부가 사용자에 의해 조작되면, 디스플레이부는 영상 처리부로부터 이동하는 조작부의 3차원 좌표값을 수신하고, 수신한 3차원 좌표값에 기초하여 조작부를 실시간으로 제 1 영역(410)에 3차원적으로 출력하고, 그리고 제 2 영역(420)에 조작부를 실시간으로 2차원적으로 출력한다. 추가적으로 디스플레이부는 제 3 영역(430)에서 제 1 영역(410)에 출력되는 3차원 영상을 다른 각도에서 출력할 수 있다.
일 실시예에 따른 본 발명은 가이드 기능을 추가적으로 제공한다. 디스플레이부는 조작부가 이동되어야 하는 바람직한 경로를 표시할 수 있다. 가이드 경로는 예를 들어 복수의 구(sphere)로 표시될 수 있고, 복수의 가이드 구는 디스플레이부의 출력 영상에 표시되는 조작부와 접촉되는 경우 소멸되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 본 발명은 디스플레이부의 출력 영상의 이동, 회전, 확대 등을 제공한다. 예를 들어 외부 입력에 응답하여, 3차원 출력 영상 및/또는 2차원 출력 영상을 이동시키거나, 회전시키거나, 또는 특정 부분을 확대할 수 있다.
일 실시예에 따른 본 발명은 외부 입력에 응답하여 영상 촬영부들의 위치를 각각 이동시키도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법의 개략적인 순서도이다.
단계(510)에서 척추 모형을 3차원 영상으로 디스플레이부에 출력한다. 단계(520)에서 조작부가 이동되어야 하는 가이드 경로가 척추 모형의 3차원 영상에 같이 표시된다. 단계(530)에서 색상 띠가 부착된 조작부가 척추 모형에 대해 조작된다. 단계(540)에서 복수의 영상 촬영부들이 조작부를 촬영한다. 단계(550)에서 영상 촬영부들이 촬영한 영상들로부터 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출하고, 추출된 색상 영역의 중심점을 계산하며, 계산된 2차원 중심점을 3차원 좌표값으로 변환한다. 단계(560)에서 3차원 좌표값에 기초하여 조작부를 실시간으로 척추 모형이 출력된 3차원 영상에 출력한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 훈련 시뮬레이션 시스템을 사용한 훈련 시나리오의 동작 흐름도이다.
단계(610)에서 척추 훈련 시뮬레이션 시스템은 캐뉼라의 삽입을 가이드한다. 척추 모형의 3차원 영상에 캐뉼라가 삽입 되어야하는 바람직한 가이드 경로를 표시한다. 가이드 경로는 복수의 구(sphere)로 표현될 수 있고, 복수의 가이드 구는 각각 3차원 영상 상에서 조작부와 충돌시 소멸되도록 구성될 수 있다. 복수의 가이드 구가 모두 소멸되는 경우 훈련 시나리오가 다음 단계로 넘어갈 수 있다.
단계(620)에서 디스크 제거 수술 도구(예를 들어 레이저 부착 카테터)의 삽입을 가이드한다. 단계(610)에서 삽입된 캐뉼라의 위치에 디스크 제거 수술 도구를 삽입하도록 가이드 경로가 영상에 표시된다. 디스크 제거 수술 도구가 삽입되면, 척추 모형의 3차원 영상에는 캐뉼라 및 디스크 제거 수술 도구의 실시간 움직임이 모두 표시된다. 디스크 제거 수술 도구가 적절한 위치에 삽입되면 다음 단계로 넘어갈 수 있다.
단계(630)에서 디스크 제거 동영상을 제공한다. 사용자로부터의 외부 입력에 응답하여 또는 외부 입력 없이 자동으로 디스크를 제거하하는 동영상을 디스플레이부에서 출력할 수 있다.
이상 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 개시에 한정되지 않으며, 본 발명 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

Claims (8)

  1. 척추 수술 훈련 시뮬레이션(simulation) 시스템에 있어서,
    척추 모형;
    상기 척추 모형에 대해 조작되는 조작부;
    상기 조작부를 촬영하는 복수의 영상 촬영부들;
    상기 복수의 영상 촬영부들로부터 촬영된 영상들을 수신하고, 상기 촬영된 영상으로부터 상기 조작부의 위치와 각도를 계산하는 영상 처리부; 및
    상기 척추 모형 및 상기 조작부를 3차원 영상으로 출력하는 디스플레이부
    를 포함하고,
    상기 조작부에는 색상 띠가 부착되고,
    상기 영상 처리부는 상기 촬영된 영상들로부터 상기 색상 띠의 색상 영역을 추출하고, 추출한 색상 영역의 중심점을 계산하고, 계산된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환하여 상기 디스플레이부에 송신하고,
    상기 디스플레이부는 수신한 상기 3차원 좌표값에 기초하여 상기 조작부의 실시간 위치 및 각도를 상기 3차원 영상에 출력하는,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 3차원 영상에 상기 조작부가 이동되어야 하는 가이드(guide) 경로를 추가적으로 표시하는,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 3차원 영상에 대응하는 2차원 영상을 추가적으로 출력하도록 구성되고,
    상기 디스플레이부는 출력되는 상기 3차원 영상 및 상기 2차원 영상을 회전, 확대, 또는 이동 가능하도록 구성되는.
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 영상 촬영부들은 외부 입력에 응답하여 각각 이동가능한,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 시스템.
  5. 척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법으로서,
    척추 모형을 3차원 영상으로 출력하는 단계;
    색상 띠가 부착된 조작부를 상기 척추 모형에 대해 조작하는 단계;
    상기 조작부를 복수의 영상 촬영부들로 촬영하는 단계;
    상기 영상 촬영부들이 촬영한 영상들로부터 상기 조작부에 부착된 색상 띠의 색상 영역을 추출하는 단계;
    상기 추출된 색상 영역의 중심점을 계산하는 단계;
    상기 계산된 중심점을 3차원 좌표값으로 변환하는 단계; 및
    상기 3차원 좌표값에 기초하여 상기 조작부의 위치 및 각도를 계산하고, 상기 조작부를 실시간으로 상기 3차원 영상에 출력하는 단계
    를 포함하는,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 조작부를 조작하는 단계 이전에, 상기 3차원 영상에 상기 조작부가 이동되어야 하는 가이드(guide) 경로를 표시하는 단계를 더 포함하는,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 3차원 영상에 대응하는 2차원 영상을 출력하는 단계를 더 포함하고,
    상기 3차원 영상 및 상기 2차원 영상은 회전, 확대, 또는 이동 가능한.
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 영상 촬영부들은 외부 입력에 응답하여 각각 이동가능한,
    척추 수술 훈련 시뮬레이션 방법.
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