KR20200048825A - 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 머리에 착용된 디스플레이부로 가상 백내장 수술 화면이 출력되고, 환자정보가 입력된 백내장 수술 프로그램에 따라, 사용자가 출력된 가상 백내장 수술화면상에서 수술도구를 조작하여, 가상 수술을 수행할 수 있는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 관한 기술이다.

Description

가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템{Cataract surgery Simulator System based on virtual reality}

본 발명은 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 머리에 착용된 디스플레이부로 가상 백내장 수술 화면이 출력되고, 환자정보가 입력된 백내장 수술 프로그램에 따라, 사용자가 출력된 가상 백내장 수술화면상에서 수술도구를 조작하여, 가상 수술을 수행할 수 있는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 관한 기술이다.

2015년 Lancet 보고서에 따르면, 안전한 환경에서 수술 받지 못하는 세계인구가 15억명을 상회한다. 하지만, 전세계 외과의사의 3분의 2는 수술 교육을 제대로 받지 못하며, 현재의 도제식 의료 교육방식으로는 그 규모를 늘리기 어려운 현실에 놓여있다. 전문의를 양성하는 데 기본적으로 15,000~20,000시간이 소요되는데, 수련의 주당 근무시간이 유럽의 경우 48시간, 미국의 경우 80시간, 한국의 경우 80시간으로 법제화 되어 있어, 수련인들이 수술에 참여할 수 있는 기회가 적다.

더불어 백내장은 가장 큰 실명요인으로서, 실명 인구의 48%가 백내장으로 인하여 실명하고, 백내장으로 인한 실명인구가 전세계적으로 1,800만명에 달한다. 노인성 질환인 백내장으로 인해, 70대 인구의 73%가 수술이 필요하고 80대 인구의 96%가 수술이 필요하다.

일반적으로 의사의 수술훈련은 사전에 이론 교육을 한 이후 실제 시술에서 연습이 동시에 이루어지도록 되어 있다. 따라서 숙련되기까지는 수술 중에 실수가 발생할 위험이 높고, 사전에 겪어보지 못한 상황을 훈련 받지도 못한 상태에서 접하게 되는 경우도 빈번하므로 사고 발생의 위험성이 항상 존재하게 된다.

특히 최근에는 전통적인 절개술보다 회복 시간이나 통증을 획기적으로 줄일 수 있는 최소침습적 수술법들이 확산되고 있다. 최소침습적 수술은 수술 부위를 최소(ex, 10cm이하)로 절개한 이후, 절개 부위를 통하여 내시경과수술기구를 삽입하여 수술하는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 수술 기구의 조작이 난해할 뿐만 아니라, 모니터를 통해 보여지는 영상에 원근감이 없고 현실감이 떨어져서 수안 능력의 저해를 가져온다. 또한, 길이가 긴기구들을 통해 수술 부위와 접촉하기 때문에 전통적인 절개술보다 미세한 촉감의 전달이 둔해진다. 더불어, 기구들이 절개 부위를 중심으로 회전하기 때문에 길이에 따른 지렛대 효과로 내부 움직임이 반대로 되어 직관적이지 못하며, 실제보다 동작이 증대된 상태로 수술 부위에 전달되므로 기구의 미세한 제어가 어렵고 손떨림이 증대된다. 따라서 최소침습수술 기술은 전통적인 절개술보다 습득하기가 어렵다.

가상현실 기반의 수술 시뮬레이터 시스템에 대한 종래의 기술을 살펴보면, 현실감과 몰입감이 부족하다는 문제점을 갖고 있다. 가상수술 의료 시뮬레이션을 구성하는 다양한 요소 기술 중 현실감 있는 시각적 가시화 기술이 아직까지 수술 환경을 완벽하게 재현하지 못하고 있다. 특히 가상 수술 수행 시에, 가상화면 상에서 수술현장을 체험하는 것에 초점이 맞춰져 있고, 가상수술을 수행함에 있어, 수행자와 가상 수술 시뮬레이터 간의 정보교류가 부족한 현실이다.

따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-1887805호 (2018.08.06.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 사용자가 가상 백내장 수술 화면상에서 최소침습수술을 수행할 수 있는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템은, 사용자의 머리에 착용되어, 가상 수술화면을 제공하는 디스플레이부; 상기 사용자의 모션데이터를 입력받아 상기 가상 수술화면 상에서 수행된 수술에 대한 데이터를 생성하는 조작부; 상기 수술 데이터를 상기 디스플레이부에 전송하여 상기 가상 수술화면상에 출력하는 PC부;를 포함하고, 상기 PC부는, 백내장 수술을 가상으로 수행할 수 있는 백내장 수술 프로그램이 저장되어, 상기 디스플레이부와 상기 조작부를 통해 사용자에게 백내장 수술에 대한 인터페이스를 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 있어서, 상기 백내장 수술 프로그램은, 상기 가상수술화면 상에서 수술부위를 화살표로 표시하고, 용도에 맞는 수술도구를 그림으로 제공하며, 수술방법을 대화형으로 안내하는 네비게이터 기능이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 있어서, 상기 백내장 수술 프로그램은, 기입력된 환자의 안구조직 상태에 따라 상기 모션데이터의 민감도가 조정되는 기능이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 있어서, 상기 백내장 수술 프로그램은 가상 수술 프로세스를 각막절개, 전낭절개, 피질제거, 인공수정체 삽입의 단계 순으로 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 있어서, 상기 백내장 수술 프로그램은, 윈도우 기반의 PC에서 구동되며, 오류발생 시 자가 조치 및 업데이트가 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템은, 사용자가 수술도구 및 수행절차 등의 수술정보를 제공해주는 수술 프로그램에 의하여 가상 수술을 수행함에 따라 상기 사용자의 몰입도가 증진되고, 기입력된 수술정보에 따라 조작부의 민감도가 조정되므로 실제로 수술을 하는 듯 한 느낌을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 가상 백내장 수술 시뮬레이터 시스템의 전체적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가상 백내장 수술 시뮬레이터 시스템에 의한 수술과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 가상 백내장 수술 시뮬레이터 시스템의 네비게이터의 기능이 구현되는 모습니다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자의 머리에 착용되어, 가상 수술화면을 제공하는 디스플레이부(10); 상기 사용자의 모션데이터를 입력받아 상기 가상 수술화면 상에서 수행된 수술에 대한 데이터를 생성하는 조작부(20); 상기 수술 데이터를 상기 디스플레이부에 전송하여 상기 가상 수술화면상에 출력하는 PC부(30);를 포함한다.

상기 디스플레이부(10)는, 사용자에게 가상 백내장 수술화면을 제공하며, 사용자는 제공된 수술화면 상에서 수술을 수행한다. 여기서 상기 디스플레이부(10)는 사용자의 머리에 착용되는 HMD(Head mounted Dispaly)가 대표적이고, 상기 사용자의 두부에 착용할 수 있는 안경 형태를 취할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 상기 디스플레이부(10)는 사용자의 머리에 착용되어 수술화면을 제공하기만 하면 다양한 형태로 구성될 수 있다.

다음으로, 상기 조작부(20)는, 가상 백내장 수술화면상에서 사용자로 하여금 수술도구를 조작하여 수술을 수행하도록 하며, 상기 조작부(20)는 양손으로 조작가능하고, 수행한 결과가 상기 디스플레이부(10)에 출력된다.

보다 구체적으로, 수술 대상체인 안구의 절개 가능부위를 6부위로 지정하여, 다양한 방향에서 양손을 활용한 도구 사용이 가능하다.

또한, 상기 조작부(20)에 의하여, 사용자는 가상 백내장 수술화면에서 절개, 흡입, 삽입의 방법으로 가상 수술을 수행하게 된다.

또한, 상기 조작부(30)는 HMD 컨트롤러 또는 햅틱 컨트롤러로 구성될 수 있다.

상기 햅틱 컨트롤러는 상기 사용자에게 힘, 진동, 모션등의 느낌을 전달하여 좀 더 사실감 있는 수술을 수행하도록 하는 컨트롤러로, 상기 사용자가 가상 백내장 수술을 수행시에 실제 백내장 수술을 수행하는 것과 같은 느낌을 주게 된다.

상술한 바와 같은 상기 디스플레이부(10) 및 조작부(20)는 전문가 전용 디바이스가 아닌 일반적으로 시중에서 구매가능한 범용 디바이스로 사용이 가능하도록 마련되어, 시간과 장소에 구애받지 않고 상대적으로 저렴한 비용으로 가상 수술에 참여할 수 있는 이점이 있다.

여기서 범용 디바이스는 OCCULUS 또한 VIVE 사의 제품이 대표적이다.

다음으로 상기 PC부(30)는 백내장 수술을 가상으로 수행할 수 있는 백내장 수술 프로그램이 저장되어, 상기 디스플레이부(10)와 상기 조작부(20)를 통해 사용자에게 백내장 수술에 대한 인터페이스를 제공한다.

또한, 상기 PC부(30)는 일반적인 컴퓨터 시스템에 한정된 것이 아니라, 백내장 수술 프로그램이 저장될 수 있고, 사용자에게 백내장 수술 인터페이스를 제공하도록 디스플레이부(10)에 전송할 수 있는 기능이 마련된 장치라면 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있는 것으로, 스마트폰 또는 휴대용 단말기, 서버로 구성될 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템을 사용하여, 사용자에게 제공할 수 있는 백내장 수술 프로그램에 대해 상세히 서술하기로 한다.

여기서, 상기 백내장 수술 프로그램은 안과 전문의 양성과정의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 최근 발전된 가상현실 기법을 적용시켜 적은 비용으로도 사용자 맞춤형으로 백내장 수술을 위한 모든 인터페이스를 제공하여 3차원 시뮬레이션이 가능하도록 마련된 것이다.

보다 자세하게는, 백내장이 가장 큰 실명요인으로서 백내장 수술을 위하여 고도의 훈련이 필요한 것에 반해 제한된 외과의 수련시간으로 인해 안과 전문의 양성이 어려운 점을 해결하기 위하여, 실제 수술 프로세스를 가상 수술 프로그램에 적용시켜 실제 수술과 동일하게 가상 수술을 수행하게 하며, 가상 수술화면을 보여주는 것뿐만 아니라, 수술의 각 단계에 수반되는 일련의 과정 및 방법이 가상 수술화면에 함께 안내되므로 안과 전문의 양성에 적합하다고 볼 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 백내장 수술 프로그램은, 가상 수술 프로세스를 각막절개, 전낭절개, 피질제거, 인공수정체 삽입의 단계 순으로 제공한다.

도 3의 (a)는 각막절개의 단계를 나타내고, (b)는 전낭절개의 단계를 나타내며, (c) 는 피질제거의 단계를 나타내고, (d)는 인공수정체 삽의의 단계를 나타낸다.

보다 자세하게는, 실제 백내장 수술과정을 가상 백내장 수술 프로그램에 적용시킨 것으로, 프로세스의 각 단계를 순서대로 수행하게 되는데, 사용자의 필요에 따라서는 전체 프로세스가 아닌 각 단계를 지정하여 가상 백내장 수술을 수행함으로써, 부족한 부분을 반복적으로 수행하는 것이 가능하다.

한편, 실제 백내장 수술은 다수 개의 수술기구가 필요한 시점에 필요한 부위에 적절히 사용되어야 한다. 또한, 백내장 수술은 최소침습수술이므로 정확한 부위를 절개하여야 함은 물론이다. 여기서 최소침습수술은 이를 위해 본 발명에 따른 백내장 수술 프로그램은 상기 백내장 수술 프로그램은 사용자에게 가상 백내장 수술과정에서 필요한 수술 도구와 다음 수행해야 될 수술부위 및 방법을 안내해주는 네비게이터(N)의 기능을 포함한다.

상기 네비게이터(N)는 사용자가 가상 수술을 수행함에 있어, 수술과정에 필요한 수술 도구를 수술화면상에 그림으로 표시한다. 대표적으로 수술대상체의 조치가 필요한 부위에 가이드버튼이 표시되고 상기 가이드버튼 내에 수술도구가 표시되어 나타난다. 이를 통해, 사용자는 수술의 각 과정에서 필요한 수술도구를 참고하여 가상 수술을 수행한다.

여기서, 상기 네비게이터(N)가 수술도구를 표시함에 있어서, 상기 가이드버튼의 형상은 원형, 네모형으로 표시될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 수술도구를 표시하기만 하면 다양한 형태의 가이드버튼으로 나타날 수 있다.

또한, 상기 가이드버튼의 형상 및 색상은 사용자가 미리 지정할 수 있도록 마련된다.

또한, 상기 가이드버튼은 해당 수술도구가 이용될 수술부위를 정확히 가리키는 지시선이 연결되어 형성될 수 있다.

여기서, 상기 가이드버튼과 상기 지시선은 일체로 형성될 수 있고, 또한 다수 개가 동시에 나타날 수 있다.

또한, 상기 네비게이터(N)는 사용자가 가상 백내장 수술을 수행함에 있어, 수술과정 및 수술정보를 대화형식으로 안내할 수 있다.

여기서, 수술과정 및 수술정보는 대화형식으로 안내되는 것에 한정되지 않고, 간략한 서술형으로 나타날 수 있으며, 사용자가 지정한 안내방식으로 표현 있다.

상기 수술과정 및 수술정보는, 가상 수술 수행시 각 과정에서 조치해야될 수술 방법, 용도에 맞는 수술도구 및 다음과정에 수반되어야 할 수술정보를 포함한다.

또한, 상기 백내장 수술 프로그램은, 기입력된 환자의 안구조직 상태에 따라 상기 모션데이터의 민감도가 조정된다.

여기서, 상기 안구조직은 연성 조직 및 강체 조직으로 분류될 수 있으며, 연성 조직은 안구의 부드럽고 무르며 연한 조직을 의미하고, 강체 조직은 힘을 가하여도 모양과 부피가 쉽게 변하지 않는 비교적 단단한 조직을 의미한다. 두 조직의 특성으로 인해, 수술자가 수술도구에 동일한 힘을 가해도, 환자의 안구조직 상태에 따라 수술도구의 이동량이나 속도가 달라질 수 있는 것이다. 이를 보완하기 위해, 본 발명에 따른 백내장 수술 프로그램은 환자의 안구조직 상태에 따라 조작부의 조작량에 대한 민감도를 조절할 수 있도록, 즉 환자의 안구조직 상태에 따라 보다 실제 수술에 가까운 질감을 느낄 수 있도록 마련되는 것이다.

더욱 자세하게는, 사용자가 환자의 성별, 나이, 질병의 중증정도를 수치로 입력하여 환자데이터가 생성되면, 상기 백내장 수술 프로그램이 상기 생성된 환자데이터를 토대로 인공지능 기법을 통해 상기 환자의 안구조직 상태에 대한 질감을 설정하여, 보다 다양한 환자의 안구조직에 대하여 수술을 수행할 수 있도록 하는 이점이 있다.

또한, 상기 백내장 수술 프로그램은, 사용자가 수행하는 가상수술을 화면을 PC 모니터로도 전송하여, 가상 수술화면을 제3자에게 공유할 수 있다.

또한, 상기 백내장 수술 프로그램은, WINDOW 기반의 PC에서 구동되며, 오류발생 시 자가조치 및 업데이트가 가능하다.

여기서, 운영프로그램의 업데이트는 데이터 액세스 또는 인터넷을 통해 다운로드 될 수 있으며 권한을 활성화 시킬 수 있다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 디스플레이부
20 : 조작부
30 : PC부

Claims (5)

1. 사용자의 머리에 착용되어, 가상 수술화면을 제공하는 디스플레이부;
   상기 사용자의 모션데이터를 입력받아 상기 가상 수술화면 상에서 수행된 수술에 대한 데이터를 생성하는 조작부;
   상기 수술 데이터를 상기 디스플레이부에 전송하여 상기 가상 수술화면상에 출력하는 PC부;를 포함하고,
   상기 PC부는,
   백내장 수술을 가상으로 수행할 수 있는 백내장 수술 프로그램이 저장되어, 상기 디스플레이부와 상기 조작부를 통해 사용자에게 백내장 수술에 대한 인터페이스를 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 백내장 수술 프로그램은,
   상기 가상수술화면 상에서 수술부위를 화살표로 표시하고, 용도에 맞는 수술도구를 그림으로 제공하며, 수술방법을 대화형으로 안내하는 네비게이터 기능이 구비되는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 백내장 수술 프로그램은,
   기입력된 환자의 안구조직 상태에 따라 상기 모션데이터의 민감도가 조정되는 기능이 구비되는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 백내장 수술 프로그램은 가상 수술 프로세스를 각막절개, 전낭절개, 피질제거, 인공수정체 삽입의 단계 순으로 제공하는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 백내장 수술 프로그램은,
   윈도우 기반의 PC에서 구동되며,
   오류발생 시 자가 조치 및 업데이트가 가능한 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 백내장 수술 시뮬레이터.

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