KR20210138553A - 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법 및 장치 - Google Patents

증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법 및 장치가 개시된다. 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법은 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 단계, 영상에서 미리 정의된 마커를 인식하는 단계, 인식된 마커에 기초하여, 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계 및 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SURGICAL GUIDE USING AUGMENTED REALITY}
아래 설명은 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법 및 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법을 수행하는 수술 가이드 장치에 관한 것이다.
증강 현실은 현실 세계에, 실시간으로 부가정보를 갖는 가상 세계를 겹쳐 하나의 영상으로 보여주는 기술이다. 증강 현실 기술은 가시적인 정보를 제공하기 때문에, 의료분야에서 수술을 돕는데 특히 유용하게 적용될 수 있다. 증강 현실 기술은, 수술에 필요한 영상 정보를 제공할 수 있고, 수술 전 계획 단계에서는 의료진에게 수술의 시뮬레이션을 제공할 수 있으며, 수술 중에는 내비게이션 역할을 할 수 있다. 종래에 개발된 골종양 수술용 증강 현실 시스템 실제 수술에 적용된 사례가 있다. 이 사례는 영상학적 검사에서 얻어진 종양의 위치를 환자의 수술 부위에 증강 현실로 구현하여 절제 범위를 최소화하면서도 수술의 정확도는 높이는 효과를 가진다.
수술실에서 증강 현실 기술이 실질적으로 이용되기 위해서는, 집도의는 양손이 자유로운 상태에서, 눈앞에서 필요한 정보를 볼 수 있어야 한다. 구글 글래스(Google Glass)나 마이크로소프트 홀로렌즈(HoloLens)와 같은 웨어러블 장치(wearable devices)가 증강 현실 이미지 전달에 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 실제로 이와 관련된 연구들이 활발히 진행되고 있다. 유럽의 한 회사는 척추수술을 위한 홀로그램 내비게이션 플랫폼(Holographic Navigation Platform)을 개발하였다. 척추수술을 위한 홀로그램 내비게이션 플랫폼은 웨어러블 증강 현실 장치를 통해, 집도의의 시선이 닿지 않는 부위를 증강 현실 기반의 그래픽으로 보여줄 수 있다. 이를 통해, 척추수술을 위한 홀로그램 내비게이션 플랫폼이 수술의 정밀도와 속도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가진다는 것이 증명되었다.
의료분야에의 증강 현실 기술 적용이 미래의학 기술로 떠오르고 있지만, 종래의 증강 현실 기술은 정밀함을 요구하는 임상에 적용되기엔 한계가 있다. 증강 현실 기술이 임상에 보편적으로 적용되기 위해서는, 추적의 정확도를 향상하고, 증강된 정보를 정확하게 인지하고, 증강된 정보와 자연스럽게 상호작용할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법은 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 단계; 상기 영상에서 미리 정의된 마커를 인식하는 단계; 상기 인식된 마커에 기초하여, 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 마커를 인식하는 단계는, 상기 영상에 기초하여, 상기 마커의 위치 정보, 상기 마커의 크기 정보 및 상기 마커의 형태 정보 중 적어도 하나를 인식하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계는, 상기 미리 정의된 마커에 기초하여 상기 인식된 마커의 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계는, 상기 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 방향 정보, 크기 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 가이드 방법은 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델은, 상기 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면(horizontal)을 기준으로 변환되고, 상기 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법은 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 단계; 상기 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신하는 단계; 상기 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산하는 단계; 상기 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 방향은, 상기 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계는, 상기 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 상기 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델은, 상기 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면을 기준으로 변환되고, 상기 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 수술 가이드 방법은 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법을 수행하는 수술 가이드 장치는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 영상 획득부; 상기 영상에서 미리 정의된 마커를 인식하는 인식부; 상기 인식된 마커에 기초하여, 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 속성 정보 결정부; 및 상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
상기 인식부는, 상기 영상에 기초하여, 상기 마커의 위치 정보, 상기 마커의 크기 정보 및 상기 마커의 형태 정보 중 적어도 하나를 인식할 수 있다.
상기 속성 정보 결정부는, 상기 미리 정의된 마커에 기초하여 상기 인식된 마커의 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나를 결정하고, 상기 결정된 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
상기 속성 정보 결정부는, 상기 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 방향 정보, 크기 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.
상기 속성 정보 결정부는, 상기 인식부가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
상기 3D 이미지 모델은, 상기 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면(horizontal)을 기준으로 변환되고, 상기 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법을 수행하는 수술 가이드 장치는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 영상 획득부; 상기 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신하는 인식부; 상기 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산하고, 상기 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 속성 정보 결정부; 및 상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
상기 타겟 방향은, 상기 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 속성 정보 결정부는, 상기 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 상기 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정할 수 있다.
상기 속성 정보 결정부는, 상기 인식부가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면 수술자는 수술자가 착용한 웨어러블 장치를 통해, 증강 현실 기술에 기반하여 3D로 구현된 환자의 임상 사진, 해부학 구조 및 영상학적 검사 이미지 등이 수술 대상자의 수술 부위에 겹쳐진 영상을 수술 중에 제공받을 수 있다.
일 실시예에 따르면 수술자는, 수술대를 떠나 모니터를 보지 않고도, 수술 전 이미지를 검토할 수 있고, CT영상을 환자 얼굴에 투시해서 보면서 수술의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 수술자는 제스처 컨트롤 기능을 통해 2D 화면에서는 이해하기 어려운 3D 구조를, 눈앞에서 3차원 홀로그램으로 보면서 수술자가 원하는 방향, 크기, 위치로 조정하여 볼 수 있다.
일 실시예에 따르면 3D로 구현된 환자의 임상 사진, 해부학 구조 및 영상학적 검사 이미지 등이 수술 부위에 정확하게 투영시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평평한 면에 위치하는 마커를 통해 공간을 보다 정확하게 추적하고 학습하여, 3D로 구현된 환자의 임상 사진, 해부학 구조 및 영상학적 검사 이미지 등을 정확한 위치에 투영시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법의 개요를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수술 가이드 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 수술 가이드 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 맵핑하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법의 개요를 도시하는 도면이다.
증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법은 증강 현실 기술을 이용한 수술 플랫폼 구축에 관한 것일 수 있다. 본 명세서의 수술 가이드 방법은 성형외과 수술 플랫폼 구축에 기초하여 설명될 수 있으나 수술 가이드 방법은 성형외과에 한정되지 않고 다른 분야에서도 적용될 수 있다. 수술 가이드 방법은 웨어러블 디바이스를 이용하여 환자의 영상 데이터(임상사진, CT 등)를 3차원 홀로그램으로 변환하고 환부와 정합시키는 수술 가이드 혹은 내비게이션 기능을 제공할 수 있다. 본 명세서의 수술 가이드 방법은 증강 현실 기반의 기술에서 중심이 되는 특징점을 검색(matching)하고 추적(tracking)하는 방법을 수술 대상자의 안면부를 통해 제공될 수 있다. 특히, 본 명세서의 수술 가이드 방법은 안면부의 관골 골절을 통해 제공될 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명하는 수술 가이드 방법은 안면부에 한정되지 않고 다를 부분을 통해서도 개시될 수 있다.
수술 가이드 방법을 수행하는 수술 가이드 장치는 증강 현실 웨어러블 장치일 수 있고 또는 웨어러블 장치에 유선이나 무선으로 연결된 별개의 장치일 수 있다. 수술 가이드 장치는 예를 들어, 웨어러블 장치와 연결된 컴퓨팅 장치 또는 스마트 단말 중 어느 하나일 수도 있다. 수술 가이드 장치는 수술 대상자의 안면골에 대응하는 의료 이미지를 3D 이미지 모델로 변환할 수 있다. 수술 가이드 장치는 의료 이미지를 웨어러블 장치가 처리하기에 적절하도록 환자에 따라 필요한 병변부만 디테일하게 보존하고 그 외의 불필요한 부분은 삭제하거나 형태만 유지하는 방식으로 폴리곤(Polygon)의 숫자를 줄여 효율적인 3D 이미지 모델을 생성할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 수술 가이드 장치는 의료 이미지의 밝기를 조정할 수도 있다.
본 명세서의 수술 가이드 방법에 의한 캘리브레이션(calibration)은 두 가지 실시예로 수행될 수 있다. 일 실시예에 따른 수술 가이드 방법은 위치, 형태 및 크기가 미리 정의된 마커를 통해 사용자의 시야에 의한 수술 대상자의 위치, 형태 및 크기를 인식하여, 인식된 정보에 기초하여 수술 대상자에 3D 이미지 모델을 투영하는 방법으로 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 다른 실시예에 따른 수술 가이드 방법은 사용자 입력에 의해 선택된 수술 부위 상의 세 점과 미리 정의된 3D 이미지 모델 상의 기준 점들을 정합시켜 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
도 1을 참조하면 증강 현실 웨어러블 장치(110)를 착용한 사용자(130)는 증강 현실 웨어러블 장치(110)를 통해 3D 이미지 모델이 수술 대상자에 투영된 것과 같은 시야(120)를 제공받을 수 있다. 여기서 사용자(130)는 수술을 집도하는 의사이거나 또는 수술에 참여 중인 의료진 등이 될 수 있다.
수술 가이드 장치는 웨어러블 장치(110)의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득할 수 있다. 수술 가이드 장치는 영상에 기반하여 수술 대상자를 인식할 수 있다. 수술 가이드 장치는 인식한 수술 대상자에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치는 결정된 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보에 기초하여 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치(110)를 통해 디스플레이할 수 있다.
사용자(130)는 증강 현실 웨어러블 장치(110)를 통해 제공받는 시야에 기초하여 제스처를 입력할 수 있다. 수술 가이드 장치는 제스처에 기초하여 조정된 3D 이미지 모델을 증강 현실 웨어러블 장치(110)를 통해 디스플레이할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 수술 가이드 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면 단계(210)에서 수술 가이드 장치는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득할 수 있다. 여기서, 수술 가이드 장치는 사용자가 착용한 웨어러블 장치일 수 있고, 또는 웨어러블 장치와 유/무선으로 연결된 별개의 장치일 수도 있다. 또한, 사용자는 수술을 집도하고 있는 의사 또는 수술에 참여하고 있는 의료진이 될 수 있다.
단계(220)에서 수술 가이드 장치는 영상에서 미리 정의된 마커를 인식할 수 있다. 마커는 크기와 형태가 미리 정의되어 있을 수 있다. 또한, 마커가 부착된 위치를 기준으로, 수술 대상자는 미리 정해진 위치에 위치할 수 있을 수도 있다. 예를 들어, 마커는 수술대의 평평한 면에 부착되어 있을 수 있고, 수술 대상자는 수술대에서 일정한 위치에 누워있을 수 있다. 마커는 한 면이 10cm인 정사각형의 형태를 가질 수 있고, 수술 대상자의 정중부까지 25cm, 바닥에서 미간까지 20cm, 수술대 상변에서 미간까지 10cm를 기준으로 위치할 수 있다.
수술 가이드 장치는 영상에 기초하여, 마커의 위치 정보, 마커의 크기 정보 및 마커의 형태 정보 중 적어도 하나를 인식할 수 있다.
단계(230)에서 수술 가이드 장치는 인식된 마커에 기초하여, 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 일 실시예에서 수술 가이드 장치는 미리 정의된 마커에 기초하여 인식된 마커의 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나를 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치는 결정된 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치는 미리 정의된 마커와 인식된 마커의 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나에 대해 비교를 수행하여, 수술 대상자가 위치한 공간을 학습하고 추적할 수 있다. 수술 가이드 장치는 수술 대상자가 위치한 공간을 학습하고 추적하여, 카메라가 수집한 영상에서 수술 대상자의 위치, 크기 및 회전각 등을 결정하고, 결정한 결과에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 이때, 수술 가이드 장치는 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 방향 정보, 크기 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나를 결정하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
단계(240)에서 수술 가이드 장치는 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치를 통해 디스플레이할 수 있다. 사용자는 웨어러블 장치를 통해 출력되는 수술 대상자를 포함하는 영상에, 수술 부위에 대응하는 3D 이미지 모델이 수술 부위에 투영된 영상을 제공받을 수 있다. 수술 대상자를 포함하는 영상은 사용자의 시야와 동일한 시점에서 제공될 수 있다. 사용자는 웨어러블 장치를 통해 3D 이미지 모델이 3D 이미지 모델에 대응하는 부분에 정합되어 투영된 영상을 제공받을 수 있다. 수술 가이드 장치는 미리 정해진 주기마다 공간을 추적하고 학습하여, 사용자의 움직임에 따른 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 이를 통해 수술 가이드 장치는 사용자의 움직임에 따른 증강 현실 기술 기반의 수술 가이드 플랫폼을 제공할 수 있다.
다른 실시예에서 수술 가이드 장치는 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 즉, 수술 가이드 장치는 단계(230)에서 결정된 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를, 사용자의 제스처에 기초하여 조정할 수 있다. 이를 통해, 수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 보다 정교하게 투영시킬 수 있는 인터랙션 기능을 제공할 수 있다.
일 실시예에서 의료 이미지는 수술 대상자에 대응하는 CT 이미지 및 MRI 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예에서 3D 이미지 모델은 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 DICOM 확장자에서 .fbx/.obj/.mb/.ma/.max 확장자로 변환되고, 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면(horizontal)을 기준으로 변환되어, 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성될 수 있다. 또한, 수술 대상자의 3D 스캔 이미지도 .obj 및 .jbx로 바로 사용될 수 있어, 실시예에 따라 의료 이미지에 3D 스캔 이미지도 포함될 수 있다.
의료 이미지의 변환에 사용되는 소프트웨어는 Slicer, InVesalius, 3Ds max, blender 및 MeshLab 중 어느 하나일 수 있다. 의료 이미지의 변환에 사용되는 소프트웨어는 본 명세서에서 기재된 소프트웨어에만 한정되는 것은 아니다. 의료 이미지는 평면, 정면(Coronal) 및 측면(Sagittal) 3개의 기준면에 따라 변환 모델의 질이 달라지는데, 평면을 기준으로 변환하였을 때, 계단현상이 가장 적다는 것을 특징으로 할 수 있다. DICOM 확장자는 실측 사이즈를 반영하고 있어, 의료 이미지에서 추출한 파일을 3D 모델링 프로그램인 3Ds max에서 사이즈 변형없이 그대로 3D 객체로 변환할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 수술 가이드 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면 단계(310)에서 수술 가이드 장치는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득할 수 있다. 여기서 획득한 영상은 웨어러블 장치를 착용한 사용자의 시야와 시점이 동일할 수 있다.
단계(320)에서 수술 가이드 장치는 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신할 수 있다. 수술 가이드 장치는 획득한 영상을 웨어러블 장치를 통해 디스플레이할 수 있다. 위 실시예에서 사용자는 디스플레이된 영상에 기초하여 세 점을 선택할 수 있다. 여기서, 세 점은 두 눈과 턱을 나타낼 수 있다. 수술 가이드 장치는 선택된 점들의 좌표 값에 기초하여 수술 대상자가 위치한 공간을 학습하고 추적할 수 있다.
단계(330)에서 수술 가이드 장치는 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산할 수 있다. 여기서, 타겟 방향은 타겟 방향은, 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 타겟 방향은 법선 벡터를 나타낼 수도 있다.
단계(340)에서 수술 가이드 장치는 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 위 실시예에서 수술 가이드 장치는 선택된 점들을 포함하는 평면의 타겟 방향을 활용하여, 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향을 바라보도록 3D 이미지 모델의 위치 정보와 크기 정보를 결정할 수 있다. 또한, 수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
단계(350)에서 수술 가이드 장치는 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치를 통해 디스플레이할 수 있다. 수술 가이드 장치는 공간의 학습과 추적을 통해 수술 대상자에 3D 이미지 모델을 정합시킨 영상을 사용자에게 제공할 수 있다. 사용자는 웨어러블 장치를 통해, 마치 3D 이미지 모델이 수술 부위에 붙어있는 것 같은 영상을 제공받을 수 있다.
수술 가이드 장치가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 수술 가이드 장치는 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치가 사용자의 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 것은 도 2에 대응하는 실시예와 동일하게 이 실시예에도 적용될 수 있다.
3D 이미지 모델은, 도 2의 상세한 설명에서 설명한 것과 같이 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면을 기준으로 변환되고, 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면 단계(410)에서 수술 가이드 장치는 마커를 인식할 수 있다. 마커는 절대적인 크기, 형태 및 위치 정보가 미리 정의되어 있을 수 있다. 수술 가이드 장치는 인식된 마커의 상대적인 크기, 형태 및 위치와 미리 정의된 마커의 절대적인 크기, 형태 및 위치에 대한 비교를 수행할 수 있다. 이때, 수술 대상자는 마커의 위치를 기준으로 미리 정해진 위치에 위치해 있는 것을 가정할 수 있다. 예를 들어, 마커는 수술대의 코너에 부착되어 있을 수 있고, 수술 대상자는 수술대에서 마커를 기준으로, 일정한 위치에 누워있을 수 있다. 마커는 한 면이 10cm인 정사각형의 형태를 가질 수 있고, 수술 대상자의 정중부까지 25cm, 바닥에서 미간까지 20cm, 수술대 상변에서 미간까지 10cm를 기준으로 하는 위치에 위치할 수 있다.
수술 가이드 장치는 미리 정의된 마커의 절대적인 정보와 인식된 마커의 상대적인 정보에 기초하여, 웨어러블 장치를 통해 획득한 영상에서 수술 대상자의 크기, 위치 및 회전각 등을 계산할 수 있다. 수술 가이드 장치는 영상에서의 수술 대상자의 크기, 위치 및 회전각 등에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 회전각, 크기 및 위치 등의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치는 결정된 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보에 기초하여, 단계(420)에서 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영시킬 수 있다. 웨어러블 장치를 착용한 사용자는 3D 이미지 모델이 수술 대상자에 투영된 영상을 제공받을 수 있다. 수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델이 마치 수술 대상자에 붙어있는 것과 같은 영상을 제공할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5b는 도 5a를 시각화한 흐름도일 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 수술 가이드 장치는 사용자 단계(510)에서 사용자 입력에 의해 세 포인트를 지정할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 웨어러블 장치를 통해 제공받은 실 세계 영상에 기초하여 두 눈 및 턱 끝에 대응하는 포인트를 선택할 수 있다. 사용자가 제스처로 두 눈 과 턱 끝을 선택하면 수술 가이드 장치는 사용자의 제스처를 사용자 입력으로 인식하여 세 포인트를 결정할 수 있다. 사용자는 왼쪽 눈을 제1 포인트로, 오른쪽 눈을 제2 포인트로, 턱 끝을 제3 포인트로 선택할 수 있다.
단계(520)에서 수술 가이드 장치는 사용자에 의해 선택된 포인트들에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하고, 표현 속성 정보에 기초하여 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 디스플레이할 수 있다. 수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델에서 미리 정의된 기준 점들과 사용자의 입력에 의해 선택된 포인트들을 정합시킬 수 있도록 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 조정하는 것에 대한 사용자의 제스처를 인식할 수 있다. 단계(530)에서 수술 가이드 장치가 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 조정하는 것에 대한 사용자의 제스처를 인식한 경우, 수술 가이드 장치는 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 조정할 수 있다. 사용자는 제스처를 통해, 수술 가이드 장치가 결정한 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보에 기초하여 수술 대상자에 디스플레이된 3D 이미지 모델의 회전각 등을 사용자의 원하는 대로 조정할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 맵핑하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면 단계(610)에서 수술 가이드 장치는 사용자 입력에 의해 선택된 세 포인트들을 결정할 수 있다. 수술 가이드 장치는 세 포인트들에 기초하여 평면을 지정하고, 평면에 기초하여 법선 벡터를 결정할 수 있다.
단계(620)에서 수술 가이드 장치는 평면의 법선 벡터를 이용하여 세 포인트들을 포함하는 평면의 수직 방향을 바라보도록 3D 이미지 모델을 디스플레이할 수 있다.
3D 이미지 모델에는 미리 정의된 기준 점들이 설정되어 있는 것을 가정할 수 있다. 단계(630)에서 수술 가이드 장치는, 기준 점들 중에서 두 눈에 대응하는 기준 점들 간의 직선(650)과, 선택된 포인트들 중 두 눈에 대응하는 포인트들 간의 직선(640)의 각도를 계산할 수 있다. 수술 가이드 장치는 기준 점들 중에서 두 눈에 대응하는 기준 점들 간의 직선(650)이 선택된 포인트들 중 두 눈에 대응하는 포인트들 간의 직선(640)에 정합되도록 3D 이미지 모델을 계산된 각도만큼 회전시킬 수 있다. 수술 가이드 장치는 3D 이미지 모델을 계산된 각도만큼 회전시켜 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 맵핑할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 증강 현실을 이용한 수술 가이드 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 수술 가이드 장치(700)는 영상 획득부(710), 인식부(720), 속성 정보 결정부(730) 및 디스플레이부(740)를 포함할 수 있다. 여기서, 수술 가이드 장치(700)는 본 명세서에서 설명하는 수술 가이드 장치일 수 있고 마이크로소프트사의 홀로렌즈와 같은 증강 현실 웨어러블 장치일 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 영상 획득부(710)는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득할 수 있다. 영상 획득부(710)는 사용자의 시야와 시점이 동일한 영상을 획득할 수 있다.
인식부(720)는 영상에서 미리 정의된 마커를 인식할 수 있다. 인식부(720)는 영상에 기초하여, 마커의 위치 정보, 마커의 크기 정보 및 마커의 형태 정보 중 적어도 하나를 인식할 수 있다. 또한, 인식부(720)는 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 것에 대한 사용자의 제스처를 인식할 수 있다.
속성 정보 결정부(730)는 인식된 마커에 기초하여, 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 미리 정의된 마커에 기초하여 인식된 마커의 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나를 결정하고, 결정된 위치 정보, 형태 정보 및 회전 정보 중 적어도 하나에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 방향 정보, 크기 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나를 결정할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 인식부(720)가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
실시예에 따라 속성 정보 결정부(730)는 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지를 수집하여 3D, 이미지 모델로 변환을 수행할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 CT 이미지, MRI 이미지 및 3D 스캔 이미지 중 적어도 하나를 포함하는 의료 이미지에 대하여, 확장명을 변환하고, 3D 모델링을 수행할 수 있다.
디스플레이부(740)는 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치를 통해 디스플레이할 수 있다.
다른 실시예에서 영상 획득부(710)는 사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득할 수 있다. 인식부(720)는 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신할 수 있다. 또한, 인식부(720)는 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 것에 대한 사용자의 제스처를 인식할 수 있다.
속성 정보 결정부(730)는 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산하고, 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정할 수 있다. 속성 정보 결정부(730)는 인식부(720)가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 제스처에 기초하여 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정할 수 있다.
디스플레이부(740)는 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 3D 이미지 모델을 수술 대상자에 투영하여 웨어러블 장치를 통해 디스플레이할 수 있다. 디스플레이부(740)는 사용자가 실제 수술 필드를 볼 수 있는 시-스루 디스플레이(see-through display)일 수 있다. 디스플레이부(740)는 시-스루 디스플레이를 통해 보이는 수술 대상자에 3D 이미지 모델이 붙어 있는 것과 같은 효과를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
110: 증강 현실 웨어러블 장치
700: 수술 가이드 장치
710: 영상 획득부
720: 인식부
730: 속성 정보 결정부
740: 디스플레이부

Claims (13)

  1. 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법에 있어서,
    사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 단계;
    상기 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신하는 단계;
    상기 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산하는 단계;
    상기 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 단계
    를 포함하는,
    수술 가이드 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 방향은,
    상기 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향인 것을 특징으로 하는,
    수술 가이드 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계는,
    상기 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 상기 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정하는 단계
    를 포함하는,
    수술 가이드 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디스플레이하는 단계는,
    상기 기준 점들 중에서 상기 3D 이미지 모델의 두 눈에 대응하는 기준 점들 간의 직선이 상기 사용자 입력에 의해 선택된 포인트들 중 두 눈에 대응하는 포인트들 간의 직선에 정합되도록 상기 3D 이미지 모델을 회전시켜 상기 3D 이미지를 상기 수술 대상자에 맵핑하는 단계
    를 포함하는 수술 가이드 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3D 이미지 모델은,
    상기 수술 대상자에 대응하는 의료 이미지가 평면을 기준으로 변환되고, 상기 변환된 의료 이미지에 기초하여 생성된,
    수술 가이드 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 단계
    를 더 포함하는 수술 가이드 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 점들은,
    상기 사용자 입력에 의해 선택된 세 포인트들을 포함하는,
    수술 가이드 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 인스트럭션들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
  9. 증강 현실을 이용한 수술 가이드 방법을 수행하는 수술 가이드 장치에 있어서,
    사용자가 착용한 웨어러블 장치의 카메라를 이용하여 수술 대상자가 나타난 영상을 획득하는 영상 획득부;
    상기 영상에 기초하여 선택된 점들을 포함하는 사용자 입력을 수신하는 인식부;
    상기 선택된 점들의 좌표 값들에 기초하여 타겟 방향을 계산하고, 상기 타겟 방향에 기초하여 수술 대상자에 투영될 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는 속성 정보 결정부; 및
    상기 결정된 표현 속성 정보에 기초하여, 상기 3D 이미지 모델을 상기 수술 대상자에 투영하여 상기 웨어러블 장치를 통해 디스플레이하는 디스플레이부
    를 포함하는 수술 가이드 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 방향은,
    상기 선택된 점들을 포함하는 평면의 수직 방향인 것을 특징으로 하는,
    수술 가이드 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 속성 정보 결정부는,
    상기 3D 이미지 모델에 기존에 설정된 기준 점들을 연결한 직선과 상기 선택된 점들을 연결한 직선에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 Z축 방향을 결정하는,
    수술 가이드 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 디스플레이부는,
    상기 기준 점들 중에서 상기 3D 이미지 모델의 두 눈에 대응하는 기준 점들 간의 직선이 상기 사용자 입력에 의해 선택된 포인트들 중 두 눈에 대응하는 포인트들 간의 직선에 정합되도록 상기 3D 이미지 모델을 회전시켜 상기 3D 이미지를 상기 수술 대상자에 맵핑하는,
    수술 가이드 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 속성 정보 결정부는,
    상기 인식부가 사용자의 제스처 입력을 감지한 경우, 상기 제스처에 기초하여 상기 3D 이미지 모델의 표현 속성 정보를 결정하는,
    수술 가이드 장치.
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