KR20190059111A

KR20190059111A - 3d 가상현실을 이용한 치의학 프랩 실습용 시뮬레이터

Info

Publication number: KR20190059111A
Application number: KR1020170156732A
Authority: KR
Inventors: 문준석; 노철권; 문성용
Original assignee: 주식회사 인스퀘어
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-05-30

Abstract

본 발명은 환자, 기구, 재료의 3D모델링과 가상현실 프로그래밍을 통하여 치의학 실습에서 양방향 인터렉션(Interaction)이 가능한 치의학 실습용 3D 가상현실(VR) 시뮬레이터에 관한 것이다. 본 발명은 치의학 실습용 시뮬레이션 시스템에 있어서, 제어부로부터 제어되는 가상현실(VR, Virtual Reality)의 영상을 보여주는 가상현실(VR)의 시각을 담당하는 영상부; 상기 가상현실(VR)의 영상에 사용자가 물리적 정보를 입력하는 도구와, 상기 입력된 물리적 정보에 대응하는 피드백으로서 물리학적 작용·반작용의 값을 상기 제어부로부터 제공받아 가상현실(VR)로부터 물리적 텐션을 사용자에게 전달하는 피드백 도구를 포함하는, 가상현실(VR)의 촉감을 담당하는 도구부; 가상현실(VR) 환경의 시각적 정보를 제어하고 가상현실(VR) 환경의 촉감적 정보를 제어하되, 상기 시각적 정보는 임상적 데이터를 기반으로 만들어진 치아와 시술 도구, 재료에 대한 3D 모델링과 가상현실(VR) 프로그래밍을 특징으로 하고, 상기 촉감적 정보는 상기 도구부로부터 입력된 물리적 정보를 분석하고 물리학 법칙의 작용·반작용의 값을 연산한 후 상기 도구부에 물리적 텐션에 대한 피드백으로 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 제어부; 를 포함하고 있으며,
가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 영상부에 제공되는 시각적 정보의 일방향, 사용자에 의하여 상기 도구부에 입력되는 물리적 정보의 반대방향과 그에 대응되는 피드백으로서 가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 도구부에 제공되는 물리적 텐션인 촉감적 정보의 재반대방향을 가지는 양방향 인터랙션(Interaction)을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템이다. 본 발명에 따르면, 환자의 치아와 시술 도구 등의 3D모델링과 가상현실 프로그래밍에 의한 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 통하여, 치과 수련의들에게 실제와 거의 동일한 가상현실 시각을 제공하고 양방향 인터렉션(Interaction)을 통하여 가상현실 프랩 시술에 대한 물리적인 촉감을 제공하며, 치과 수련의들이 다양한 형태의 치아 프랩 환경을 가상현실로 접할 수 있도록 함으로서 반복적이고 체계적인 프랩 실습이 가능한 실습 환경을 제공할 수 있다.

Description

3D 가상현실을 이용한 치의학 프랩 실습용 시뮬레이터 {THE DENTAL PREPARATION SIMULATOR WITH 3D VIRTUAL REALITY FOR PRACTICAL EXERCISING}

본 발명은 환자, 기구, 재료의 3D모델링과 가상현실 프로그래밍을 통하여 치의학 실습에서 양방향 인터랙션(Interaction)이 가능한 치의학 실습용 3D 가상현실(VR) 시뮬레이터에 관한 것이다.

치의학 교육 과정은 치과 수련의들을 잘 교육시켜 우수한 치과 의사 인재들을 배출하는 실습 환경을 제공하여야 한다. 그런데, 기존의 치의학 실습 교육은 이론적인 내용 학습에 중점을 두고 있으며 실제적인 임상적 교육환경은 열악한 상태이다. 치아 모델에서 이루어지는 교육은 실제 수술환경과는 많은 차이가 있다. 이러한 치의학 대학 실습 교육의 한계는 졸업 후 많은 개원의들이 개별적인 연수회 등을 통하여 재교육을 받는 실정으로 이어지고 있어서, 물적, 인적, 시간적 낭비가 매우 크다. 우리나라에서는 2020년부터 치과의사 술기 시험 실행이 계획되어 있는 상황에서, 임상 교육환경의 개선은 매우 시급한 문제이다.

치의학 교육 과정에서 수련의들은 환자들을 실제로 치료하게 되었을 때 시술이 가능하도록 실습을 통해서 수련을 쌓아야만 한다. 특히 치아에 보철을 하기 위하여 치아의 일부를 깎는, 치아 프랩 시술은 반복 실습이 매우 중요하다. 하지만, 실제로 실습 과정을 통하여 만날 수 있는 환자들은 제한되어 있다. 그런데, 예를 들어 충치라 하더라도 각 환자마다 다른 치아 형태를 가지고 있으며, 충치가 썩어 들어간 정도도 모두 다르므로, 결국 수련의들이 접하는 충치 프랩(Prep, Preparation) 실습은 다양성 측면에서 매우 부족하여 문제가 있다. 결국 현재의 치의학 실습에서는 보다 많은 환자들과 다양한 치아 종류 및 충치 상태를 수련의들에게 제공해 주지 못하는 단점이 있다.

상기 단점을 해결하고자 종래에 많은 시도가 있었는데, 대표적인 것이 3D 기술을 이용하여 다양한 환자 표본을 제공하고자 했던 VOXEL-MAN 사의 Surgery Simulation 기술이다(도 1a). 이 기술은 입체 안경으로 모니터에서 제공되는 환자의 치아를 보면서 실습을 하는 것인데, 제공되는 환자 입체 영상은 수련의가 반듯이 앉은 자세에서 정면으로 보는 환자의 치아 상태 외에는, 환자의 치아에 대한 어떤 정보도 제공되지 않는다는 한계가 존재한다. 이와 같은 실습은 치과 의사가 실제로 환자를 치료하는 환경과는 매우 동떨어져 있고 현실적이지 않으므로, 실습은 커녕 오히려 제대로 된 수련에 방해만 된다.

치의학 시뮬레이션 실습 과정에서는 실제 치과 시술 도구가 아닌 햅틱 디바이스를 사용하게 된다. 햅틱 디바이스는 가상현실에서 실제 물체와 접촉하는 효과를 주기 위해서 사용하는 장비로, 가상환경의 목표물이 사용자의 손에 접촉하면 햅틱 피드백 시스템을 통해 저항을 만들어 사용자가 촉감으로 물체를 인식하는 것이 가능하게 된다. 햅틱 디바이스를 이용한 발명 중에는 대한민국 등록특허 제10-1021595호(햅틱 인터페이스를 이용한 임플랜트 시뮬레이션 시스템)이 있다. 임플랜트는 치아 프랩과 치과 시술이라는 측면에서는 유사하다. 하지만, 위 발명은 햅틱 인터페이스에 관한 것이고, 본 발명은 가상현실 시스템을 도입하여 위 발명의 햅틱 인터페이스를 이용하여 치과 수련의들이 실제적이고 반복적으로 실습할 수 있는 시뮬레이션 시스템에 관한 것이라는 점에서 차이가 있다. 또한, 위 발명은 햅틱 인터페이스에도 불구하고 수련의가 반듯이 앉은 자세에서 정면으로 보여지는 화면에만 반응을 한다는 점에서 여전히 치과 의사들의 프랩 시술과는 현실적으로 거리가 있는 반면에, 본 발명은 가상현실을 이용하여 실제 시술 환경을 그대로 재현하게 되므로 가상현실과 치과 수련의들 사이에서 양방향 인터랙션이 가능하다는 점에서 차이가 있다.

최근에 개발된 다양한 게임은 가상현실을 많이 이용하고 있다. 그런데, 이들 게임에서 이용하는 가상현실은 사물의 표면이 입체적이기는 하지만 그 속은 텅 비어 있다. 이러한 가상현실 프로그래밍 기술은 치아 프랩과 같은 치아를 깎거나 자르면서 점점 형태가 변해가는 형태의 가상현실에 적용할 수가 없다. 치아 프랩의 가상현실은 치아의 표면을 표현하는 것뿐만이 아니라, 그 치아 내부의 부피감과 질량감을 입체적으로 표현하는 것 역시 매우 중요하기 때문이다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

본 발명은 환자의 치아와 시술 도구 등의 3D모델링과 가상현실 프로그래밍에 의한 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 이용한 VR 치아 프랩 평가 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 치의학 실습용 시뮬레이션 시스템에 있어서, 제어부로부터 제어되는 가상현실(VR, Virtual Reality)의 영상을 보여주는 가상현실(VR)의 시각을 담당하는 영상부; 상기 가상현실(VR)의 영상에 사용자가 물리적 정보를 입력하는 도구와, 상기 입력된 물리적 정보에 대응하는 피드백으로서 물리학적 작용·반작용의 값을 상기 제어부로부터 제공받아 가상현실(VR)로부터 물리적 텐션을 사용자에게 전달하는 피드백 도구를 포함하는, 가상현실(VR)의 촉감을 담당하는 도구부; 가상현실(VR) 환경의 시각적 정보를 제어하고 가상현실(VR) 환경의 촉감적 정보를 제어하되, 상기 시각적 정보는 임상적 데이터를 기반으로 만들어진 치아와 시술 도구, 재료에 대한 3D 모델링과 가상현실(VR) 프로그래밍을 특징으로 하고, 상기 촉감적 정보는 상기 도구부로부터 입력된 물리적 정보를 분석하고 물리학 법칙의 작용·반작용의 값을 연산한 후 상기 도구부에 물리적 텐션에 대한 피드백으로 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 제어부;를 포함하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템을 제공하는 것이다. 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템은 바랍직하게는 가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 영상부에 제공되는 시각적 정보의 일방향, 사용자에 의하여 상기 도구부에 입력되는 물리적 정보의 반대방향과 그에 대응되는 피드백으로서 가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 도구부에 제공되는 물리적 텐션인 촉감적 정보의 재반대방향을 가지는 양방향 인터랙션(Interaction)을 특징으로 한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 영상부는 사용자가 착용하고 가상현실(VR)을 볼 수 있는 VR HMD(Head Mount Display)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 상기 영상부는 한 명 이상의 사용자가 가상현실(VR) 환경으로 실습하는 것을 지도하는 치의학 지도자가 가상현실(VR) 외부에서 사용자의 실습 과정을 지도를 위하여 살펴볼 수 있도록 상기 사용자가 실습 중인 가상현실(VR)의 영상을 보여주는 모니터를 더 포함한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 도구부는 사용자가 가상현실(VR)의 시각적 정보에서 시술 도구로 구현되는 햅틱 피드백 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 상기 도구부는 사용자가 가상현실(VR)의 시각적 정보에서 구현되는 시술 도구의 전력 공급 온·오프 기능을 가지는 페달을 더 포함한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 제어부는 치의학 대학에 축적된 하나 이상의 사람에 대한 임상 데이터를 바탕으로 사람의 나이별, 성별, 체형별로 다른 치아 샘플을 제공하며 같은 사람이더라도 그가 가지고 있는 모든 종류의 치아 샘플을 제공하는 데이터 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 제어부는 사용자가 실습한 정보를 저장하는 저장 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 여기에서 상기 저장 매체는 컴퓨터 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체 등의 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템은 사용자가 가상현실(VR)에 맞추어 현실의 시술 상황과 동일하게 사용자의 몸을 능동적이고 적극적으로 움직이면서 가상현실(VR)의 환자의 치아를 살펴보고 시술하는 훈련이 가능하도록 하는 실습 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템은 동일한 치아 샘플에 대하여 동일한 사용자가 반복적으로 실습할 수 있는 실습 환경을 제공하는 것을 특징으로 하고, 상기 반복적으로 실습한 정보를 누적하여 저장할 수 있는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 가상현실(VR) 환경의 시각적 정보는 복셀(Voxel) 단위를 사용하여 프로그래밍된 것을 특징으로 하며, 가상현실(VR) 실습에서 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 표현할 수 있는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 상기 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 정성적·정량적으로 수치화할 수 있는 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는, 상기 정성적·정량적 수치를 실제 임상 데이터에 기반한 이상적인 절삭된 형태의 정성적·정량적 수치와 비교하여 점수화하는 것을 특징으로 하고, 상기 사용자에 의해 절삭된 치아의 정성적·정량적 수치를 1회 이상 누적하여 저장할 수 있는 것을 특징으로 하고, 일련의 정보들을 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 UI(User Interface) 프로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템을 구체화한 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이터 장치이다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템에 있어서, (1) 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 정성적·정량적으로 수치화하는 단계; (2) 상기 정성적·정량적 수치를 실제 임상 데이터에 기반한 이상적인 절삭된 형태의 정성적·정량적 수치와 비교하여 점수화하는 단계; 를 포함하는 가상현실(VR) 실습 치아 프랩 평가 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 상기 사용자의 상기 점수를 1회 이상 누적하여 데이터로 저장하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 1회 이상 누적된 점수의 데이터를 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 것을 특징으로 하는 것이 더 바람직하다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 가상현실(VR)에서 제공된 동일한 치아 샘플에 대한 여러 사용자의 상기 점수의 데이터를 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 환자의 치아와 시술 도구 등의 3D모델링과 가상현실 프로그래밍에 의한 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 통하여, 치과 수련의들에게 실제와 거의 동일한 가상현실 시각을 제공하고 양방향 인터랙션(Interaction)을 통하여 가상현실 프랩 시술에 대한 물리적인 촉감을 제공하며, 치과 수련의들이 다양한 형태의 치아 프랩 환경을 가상현실로 접할 수 있도록 함으로서 반복적이고 체계적인 프랩 실습이 가능한 실습 환경을 제공할 수 있다.

또한, 상기 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 이용한 평가 방법을 통하여, 치과 전문의들이 치과 수련의들의 프랩 과정을 녹화한 영상을 보면서 치과 수련의들의 프랩 상의 문제점을 바로 잡아 주는 등 기술 향상을 도모하여 우수한 치과 의사 인재들을 배출하는 교육 환경을 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 선행기술인 VOXEL-MAN 사의 Surgery Simulation 기술을 사용하는 모습을 찍은 사진이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템의 예상도이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이터을 치과 수련의가 사용하는 모습을 찍은 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템의 특징인 양방향 인터랙션을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 치과 수련의가 치아 프랩을 실습할 때 제공되는 가상현실 시각에 대한 예시이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 가상현실 프로그래밍에서 구축된 치아의 복셀 데이터의 예시이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 제공되는 평가 방법을 보여주는 UI의 예시이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 제공되는 평가 방법에 대한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 출원에서 별도로 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 3D 가상현실을 이용한 치아 프랩 시뮬레이션 시스템과 상기 치아 프랩 시뮬레이션 시스템을 이용한 평가 방법을 상세히 설명한다. 치아 프랩(Prep, Preparation)은 충치가 생긴 치아에 보철을 하기 위하여 치아의 일부를 깎는 시술이다.

치아 프랩 실습 과정에서는 치과 수련의들이 실제 시술 환경과 같거나 유사한 임상교육을 거쳐야만 한다. 그러나 종래에 국내 치과대학에서 사용하던 실습용 치아 모형은 실제 구강내의 치아 형태와는 차이가 크다. 고가의 인공치아 등을 활용하여 실습을 하는 경우에는 실제의 치아 형태와 유사하고 치아를 깎는 실습을 할 수가 있으나 일회성 제품이므로 치과 수련의들의 경제적 부담이 가중된다. 또한 실제로는 굉장히 각양각색의 치아 형태들이 존재하는데 반하여, 인공치아 모델은 획일화되어 있어서 치과 수련의들이 다양한 치아를 접할 수 있는 실습 기회가 전혀 없다. 치과 실습 교육에는 반드시 평가가 수반된다. 그런데, 치아 프랩에서는 1㎜ 이하의 두께와 10° 이하의 각도의 차이를 분석하고 평가해야 하는데, 종래의 치과 전문의 또는 교수들의 육안으로 평가하는 상황에서는 정확한 정량적 평가가 불가능하다는 점이 지적된다.

아직 미숙한 치과 수련의들이 실제 환자를 두고 시술에 대한 실습을 하는 것은 불가능하다. 따라서 대안으로 시뮬레이션 모델이 활용된다. 그런데, 기존의 시뮬레이션 모델은 의료장비에 대한 설명에 집중되어 있으며, 모니터에서 치과 수련의로의 단방향 형태의 영상 또는 애니메이션으로만 제공된다는 단점이 있다. 즉, 손으로 감지하는 치아에 대한 촉감이 전혀 없어서 실질적 교육 효과가 떨어진다. 또한, 기존의 시뮬레이션 모델은 입체 안경을 착용하고 모니터에서 제공되는 환자의 치아를 3D 영상으로 보면서 실습을 하는 것인데, 제공되는 환자 입체 영상은 수련의가 반듯이 앉은 자세에서 정면으로 보는 환자의 치아 상태 외에는, 환자의 치아에 대한 어떤 정보도 제공되지 않는다는 한계가 존재한다. 그런데, 치과 의사들의 실제 시술 상황에서는 치과 의사들이 몸을 움직이고 등을 굽혀서 누워있는 환자의 입 안을 살펴본다든지, 시술 도구를 손에 쥐고 환자의 입을 벌리며 치과 의사가 눈높이와 각도를 조정하여 환자의 치아를 살피고, 반사되는 빛을 이용하여 시술 도구에 반사된 치아의 반대편 모양을 살핀다든지 등의 치과 의사들의 능동적인 시술 움직임이 요구된다. 치과 수련의들의 위와 같은 능동적인 시술 움직임을 숙련시키는 실습 환경은 기존의 시뮬레이션 모델에서는 전혀 제공될 수가 없다.

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 VR 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템의 예상도이다. 본 발명은 환자의 치아와 시술 도구 등의 3D 모델링과 가상현실(VR, Virtual Reality) 프로그래밍에 의한 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 제공한다. 상기 치아 프랩 시뮬레이션 시스템은 VR의 영상을 보여주는 영상부, 사용자가 입력하는 도구인 도구부, VR 환경을 구성하고 계산하는 제어부를 포함한다. 여기에서 사용자는 치과 수련의들을 포함하여 치과 프랩 실습이 필요한 모든 이들을 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템의 특징인 양방향 인터랙션을 나타낸 블록도이다. 이하에서, 본 발명인 치아 프랩 실습 시뮬레이션 시스템의 각 구성요소에 대하여 자세히 설명한다. 상기 영상부는 사용자가 착용하고 VR을 볼 수 있는 VR HMD(Head Mount Display)를 포함하고 있으며, 교육 받는 치과 수련의들을 지도하는 지도자들(치의학 대학 교수나 치과 전문의 등)이 치과 수련의들이 제대로 프랩 실습을 하고 있는지를 외부에서 살펴볼 수 있도록 VR의 2차적 영상을 보여주는 모니터를 추가로 포함할 수 있다.

상기 VR HMD는 그것을 착용한 사용자가 바라보는 방향을 위치를 계산하여 실시간으로 화면을 보여주며, 사용자에게 양쪽의 화면에 각각 위상차를 주어 시각 이미지를 제공하여 원근감을 통해 사물을 3차원으로 볼 수 있게 하므로, 상기 VR HMD를 착용한 사용자는 가상세계에 직접 들어와 있는 시청각적 경험을 할 수 있다.

상기 도구부는 사용자가 VR에서 보이는 시술 도구인 햅틱 피드백 컨트롤러를 포함하고 있으며, 추가로 햅틱 페달을 더 포함할 수 있다. 상기 햅틱 피드백 컨트롤러는 가상현실에서 실제 물체와 접촉하는 효과를 주기 위해서 사용하는 장비이다. 가상 환경의 오브젝트(Object)가 사용자의 손에 접촉되면 햅틱 피드백 컨트롤러을 통해 저항을 만들어 사용자가 촉감에 의하여 물체를 인식하는 것이 가능하다. 사용자는 가상 환경에서 가상의 치아 프랩 장비를 사용하여 치아를 절삭하는 실습을 할 수 있다. 가상 환경에서 주어진 가상 치아를 프랩하는 것이므로, 사용자는 똑같은 종류와 형태의 치아를 반복적으로 실습하는 것이 가능해진다.

상기 도구부를 통하여 사용자는 프랩 시술 도구를 작동하여 치아 프랩을 실시할 수 있으며, VR의 치아로부터 오는 피드백 반동을 촉각으로 느끼면서 치아를 깎는 각도와 방향, 깊이 등을 조절하여 치아 프랩을 실시할 수 있다. 상기 제어부는 사용자에게 VR을 보여주면서 상기 도구부를 통하여 입력된 정보를 전기적 신호로 바꾼 후 VR에 적용시키고, 또한 적용된 VR의 피드백을 물리적 반동으로 바꾸어 다시 상기 도구부에 전달한다. 상기 도구부를 통하여 입력된 정보는 사용자가 햅틱 피드백 컨트롤러를 통하여 VR에서 사용자에게 보여지는 시술 도구로 VR 상의 치아를 누르는 힘의 강도 신호, 시술 도구의 위치 신호, 햅틱 페달을 통하여 통제하는 시술 도구의 조절 신호 등을 포함한다.

상기 제어부에서는 상기 도구부를 통하여 입력된 정보를 계산하여 치아가 깎이는 각도와 깊이를 계산한 후 그 값을 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태(절삭된 정도, 깊이, 각도 등)로 변형하여 VR에 반영한다. 또한 상기 제어부에서는 치아가 깎이는 각도와 깊이에 따른 치아가 깎이면서 생기는 물리적 텐션을 물리학의 작용·반작용의 법칙에 따라서 계산하여 그 값을 피드백 정보로서 상기 입력부의 햅틱 피드백 컨트롤러에 전달하고, 상기 도구부는 전달받은 피드백 정보를 물리적 신호로 변환하여 다시 사용자에게 물리적 텐션, 즉 촉감으로 전달한다.

또한, 상기 제어부에서는 치의학과 대학과 협력하여 축적된 임상 데이터를 바탕으로 앞니, 어금니 등의 여러 종류의 치아에 대하여 사용자에게 제공할 수 있다. 또한 상기 제어부에서는 여러 환자들의 샘플을 사용자에게 제공하여, 사용자들은 상기 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 노인에서 아이에 이르기까지, 남성과 여성 등 매우 다양한 환자들의 각양각색의 치아 형태에 대하여 체험할 수 있다.

도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이터을 치과 수련의가 사용하는 모습을 찍은 사진이다. 상기 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템은 모니터에 의하여 3D 영상을 사용자에게 보여주는 단방향이 아니라, VR의 시각과 동시에 사용자가 입력한 정보에 대응하는 피드백으로 촉감을 전달하여 양방향 상호작용(interaction)이 가능하도록 구현됨을 특징으로 한다. 결과적으로 사용자들은 VR을 통하여 다양한 형태의 치아를 접할 수 있으며 반복적이고 체계적인 치아 프랩 실습이 가능한 실습 환경을 제공할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 치과 수련의가 치아 프랩을 실습할 때 제공되는 가상현실 시각 정보에 대한 예시이다. 사용자는 상기 햅틱 피드백 컨트롤러, 즉 시술 도구를 사용하여 구체적이고 현실에 근접한 VR 치아를 보면서 프랩 실습을 한다. 사용자가 시술 도구로 치아를 절삭하면서 느끼는 물리적 반동은 실시간적으로 상기 제어부에서 제어된다. 상기 제어부에서는 사용자가 가하는 힘의 크기에 따라 물리학적 작용·반작용 법칙에 의하여 상기 물리적 반동의 값을 정밀하게 계산한 후에 햅틱 피드백 컨트롤러의 물리적 텐션을 통하여 사용자에게 상기 물리적 반동을 전달한다. 사용자는 스스로 시술 도구로 VR 치아에 가하는 힘과 그에 대응하는 물리적 반동에 의하여 촉감을 느끼며 실제 현실에서 이루어지는 것과 같은 실습 경험을 하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 가상현실 프로그래밍에서 구축된 치아의 복셀 데이터의 예시이다. 상기 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 위하여, VR은 복셀(Voxel) 단위, 즉 3차원 부피최소단위를 사용하여 프로그래밍된다. 여러 게임에서 일반적으로 사용되는 3D 모델링의 경우에는 입체적이기는 하지만 표면에 대한 정보만 주어지므로, 오브젝트의 속은 텅 비어 있다. 그런데, VR 치아 프랩에서는 오브젝트의 표면이 어떻게 보이느냐도 중요하지만 오브젝트의 내부에 대한 표현, 즉 부피감과 질량감을 입체적으로 표현하는 것이 더 중요하다. 치아 프랩의 경우에는, 치아를 깎거나 자르면서 점점 형태가 변해가는 형태를 구현해 내어야 하기 때문이다. 이를 위하여 VR 프로그래밍은 복셀 단위를 사용하여 이루어진다. 즉, 치아를 3차원의 미세한 박스로 구성하여 사용자가 가상도구로 특정 부분을 깍거나 구멍을 내는 것이 가능하도록 프로그래밍된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 제공되는 평가 방법을 보여주는 UI(User Interface)의 예시이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 통하여 제공되는 평가 방법에 대한 흐름도이다. 본 발명은 상기 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 이용한 VR 치아 프랩 평가 방법을 제공한다. 상기 평가 방법은 사용자의 VR 치아 프랩 실습 과정을 녹화하는 단계와 그것을 재생시키는 단계를 포함하며, 추가로 임상 데이터에 기반한 이상적인 치아 프랩 모델과 대조하여 보여주는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 VR 치아 프랩 평가 방법은 복셀 단위를 사용하여 프로그래밍된 상기 치아 프랩 실습용 시뮬레이션 시스템을 이용하므로, 정량 평가 및 정성 평가가 가능하게 된다. 따라서, 상기 정량 평가 및 정성 평가 방법은 이상적 치아 프랩 모델을 기준으로 실습 과정 동안 녹화된 사용자의 치아 프랩의 정확성을 정량 분석과 정성 분석을 통하여 점수화하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 상기 정성 평가 및 정량 평가의 점수는 기존의 육안을 통한 평가 점수에 비하여 더 정확하다.

상기 가상현실(VR) 치아 프랩 평가 방법을 통한 평가 점수는 상기 치아 프랩 시뮬레이션 시스템의 상기 제어부의 데이터 베이스에 보관될 수 있다. 상기 제어부의 데이터 베이스는 컴퓨터 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 VR 치아 프랩 평가 방법은, 사용자의 시간별 평가 점수 및 이에 기초한 사용자의 치아 프랩 기술 향상도를 수치화하고 그래프화하여 사용자에게 제공하는 ‘사용자의 프랩 향상도’를 보여주는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 사용자의 프랩 향상도 항목은 사용자의 정보, 사용자가 선택한 실습 과정, 실습 과정 중 시간별 평가점수로 기록되며, 치의학과 대학의 교수 또는 치과 전문의는 이를 종합하여 사용자별로 실습 과정의 평가 점수를 확인할 수 있으며, 또는 실습 과정별로 사용자들의 점수를 일목요연하게 확인할 수 있다. 반대로, 사용자는 자신의 여러 시술 케이스의 성취도 및 향상도를 스스로 검토해 보는 것이 가능해지므로 치아 프랩 시술의 실력 향상에 도움이 된다.

이상으로 본 발명의 실시예를 상세히 기술하였다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

치의학 실습용 시뮬레이션 시스템에 있어서,
제어부로부터 제어되는 가상현실(VR, Virtual Reality)의 영상을 보여주는 가상현실(VR)의 시각을 담당하는 영상부;
상기 가상현실(VR)의 영상에 사용자가 물리적 정보를 입력하는 도구와, 상기 입력된 물리적 정보에 대응하는 피드백으로서 물리학적 작용·반작용의 값을 상기 제어부로부터 제공받아 가상현실(VR)로부터 물리적 텐션을 사용자에게 전달하는 피드백 도구를 포함하는, 가상현실(VR)의 촉감을 담당하는 도구부;
가상현실(VR) 환경의 시각적 정보를 제어하고 가상현실(VR) 환경의 촉감적 정보를 제어하되, 상기 시각적 정보는 임상적 데이터를 기반으로 만들어진 치아와 시술 도구, 재료에 대한 3D 모델링과 가상현실(VR) 프로그래밍을 특징으로 하고, 상기 촉감적 정보는 상기 도구부로부터 입력된 물리적 정보를 분석하고 물리학 법칙의 작용·반작용의 값을 연산한 후 상기 도구부에 물리적 텐션에 대한 피드백으로 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 제어부;
를 포함하고 있으며,
가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 영상부에 제공되는 시각적 정보의 일방향, 사용자에 의하여 상기 도구부에 입력되는 물리적 정보의 반대방향과 그에 대응되는 피드백으로서 가상현실(VR) 환경을 통하여 상기 도구부에 제공되는 물리적 텐션인 촉감적 정보의 재반대방향을 가지는 양방향 인터랙션(Interaction)을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 영상부는 사용자가 착용하고 가상현실(VR)을 볼 수 있는 VR HMD(Head Mount Display)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 영상부는 한 명 이상의 사용자가 가상현실(VR) 환경으로 실습하는 것을 지도하는 치의학 지도자가 가상현실(VR) 외부에서 사용자의 실습 과정을 지도를 위하여 살펴볼 수 있도록 상기 사용자가 실습 중인 가상현실(VR)의 영상을 보여주는 모니터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 도구부는 사용자가 가상현실(VR)의 시각적 정보에서 시술 도구로 구현되는 햅틱 피드백 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 도구부는 사용자가 가상현실(VR)의 시각적 정보에서 구현되는 시술 도구의 전력 공급 온·오프 기능을 가지는 페달을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 치의학 대학에 축적된 하나 이상의 사람에 대한 임상 데이터를 바탕으로 사람의 나이별, 성별, 체형별로 다른 치아 샘플을 제공하며 같은 사람이더라도 그가 가지고 있는 모든 종류의 치아 샘플을 제공하는 데이터 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 사용자가 실습한 정보를 저장하는 저장 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
여기에서 상기 저장 매체는 컴퓨터 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체 등의 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다.
제 1항에 있어서,
상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템은 사용자가 가상현실(VR)에 맞추어 현실의 시술 상황과 동일하게 사용자의 몸을 능동적이고 적극적으로 움직이면서 가상현실(VR)의 환자의 치아를 살펴보고 시술하는 훈련이 가능하도록 하는 실습 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템은 동일한 치아 샘플에 대하여 동일한 사용자가 반복적으로 실습할 수 있는 실습 환경을 제공하는 것을 특징으로 하고, 상기 반복적으로 실습한 정보를 누적하여 저장할 수 있는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 가상현실(VR) 환경의 시각적 정보는 복셀(Voxel) 단위를 사용하여 프로그래밍된 것을 특징으로 하며, 가상현실(VR) 실습에서 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 표현할 수 있는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 10항에 있어서,
상기 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 정성적·정량적으로 수치화할 수 있는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 정성적·정량적 수치를 실제 임상 데이터에 기반한 이상적인 절삭된 형태의 정성적·정량적 수치와 비교하여 점수화하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 사용자에 의해 절삭된 치아의 정성적·정량적 수치를 1회 이상 누적하여 저장할 수 있는 것을 특징으로 하고, 일련의 정보들을 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 UI(User Interface) 프로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템.
제 1항의 상기 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템을 구체화한 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이터 장치.
제 1항의 치아 프랩 실습용 가상현실(VR) 시뮬레이션 시스템에 있어서,
(1) 사용자에 의해 절삭된 치아의 변형된 형태를 정성적·정량적으로 수치화하는 단계;
(2) 상기 정성적·정량적 수치를 실제 임상 데이터에 기반한 이상적인 절삭된 형태의 정성적·정량적 수치와 비교하여 점수화하는 단계;
를 포함하는 가상현실(VR) 실습 치아 프랩 평가 방법.
제 15항에 있어서,
상기 사용자의 상기 점수를 1회 이상 누적하여 데이터로 저장하는 단계;
를 더 포함하는 가상현실(VR) 실습 치아 프랩 평가 방법.
제 16항에 있어서,
상기 1회 이상 누적된 점수의 데이터를 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 것을 특징으로 하는 가상현실(VR) 실습 치아 프랩 평가 방법.
제 15항에 있어서,
가상현실(VR)에서 제공된 동일한 치아 샘플에 대한 여러 사용자의 상기 점수의 데이터를 통계처리하고 그래프로 그려 보여주는 것을 특징으로 하는 가상현실(VR) 실습 치아 프랩 평가 방법.