WO2018124499A1 - 레이저 표적 투영장치와 c-arm 영상의 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 정합용 툴을 포함하는 레이저 수술 유도 시스템 - Google Patents

레이저 표적 투영장치와 c-arm 영상의 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 정합용 툴을 포함하는 레이저 수술 유도 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a laser surgical guidance system including a laser target projection apparatus and a matching method of a C-arm image, a recording medium for performing the same, and a matching tool, and more particularly, to include a surgical plan in a C-arm image. It relates to a matching method of a laser device to be displayed on and a matching tool therefor.
  • the method of marking a surgical puncture point using a writing instrument depending on the manual operation of the medical staff in particular when the puncture is required, the medical instrument must rely on the 2D image of the C-armed fluoroscopy. It does not provide any important information on whether or not to enter the patient's medial surgical lesion vertically or inclined. This results in the need to proceed with surgery depending on the surgical experience or the senses of the medical staff.
  • an image of a patient is acquired using equipment such as computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) apparatus, and a marker is placed at a certain place such as the leg of the patient in the operating room.
  • CT computed tomography
  • MR magnetic resonance
  • Markers are an aid to coordinate
  • the markers must be used to coordinate (coordinate registration) the images taken by the MRI in the operating room.
  • C-arm fluoroscopy C-arm fluoroscopy
  • the laser target projector is a device that displays the lines directly planned on the C-arm image to the affected area. Accurate positioning of the C-arm and the laser target device necessary for using the device is essential.
  • Patent Document 1 KR 10-1650620 B1
  • Non-Patent Document 1 Z. Zhang, “A flexible new technique for camera calibration", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22 (11): 1330-1334, 2000
  • an object of the present invention is to provide a laser surgery guide system including a matching tool.
  • Another object of the present invention is to provide a matching tool for performing a matching method of a laser target projection apparatus and a C-arm image.
  • Still another object of the present invention is to provide a laser target projection apparatus and a matching method of a C-arm image.
  • Still another object of the present invention is to provide a recording medium having a computer program recorded thereon for performing the matching method of the laser target projection apparatus and the C-arm image.
  • a radiographic imaging apparatus (C-arm fluoroscopy, C-arm) for confirming a patient's condition and supporting a surgical plan and directly planning the surgical line to the affected part
  • a laser surgical guidance system comprising a laser target projection device for projecting, the laser target projection device comprising: a line projection module for generating a laser; A registration tool located at a distance from the line projection module and including a collimator having a specific direction for transmitting a specific laser pattern output from the line projection module; And a matching unit for calculating an external parameter of the matching tool in the perspective image transmitted through the matching tool and converting the coordinates of the radiographic image into the line projection module coordinates.
  • the matching tool may include: an optical pattern matching unit having a collimator having a specific direction for transmitting a specific laser pattern output from the line projection module; And a C-arm marker unit including bearing balls arranged in a matrix to calculate an extrinsic parameter of the matching tool so that the laser pattern transmitted through the collimator can be recognized in a perspective image.
  • the collimator of the light pattern matching unit may be formed in an opening pattern, and the opening pattern may be formed at a predetermined angle.
  • the matching tool may further include a screen formed between the light pattern matching unit and the C-arm marker unit to check a laser pattern passing through the collimator.
  • the bearing balls may be arranged in a 6 ⁇ 9 matrix.
  • the matching unit may derive a transformation matrix between the radiographic image coordinates and the line projection module coordinates by using the predetermined internal parameters of the C-arm and external parameters of the matching tool. have.
  • the matching unit may match the origin coordinates of the radiographic image coordinates and the line projection module coordinates.
  • the line projection module may further include at least one of an optical instrument for projecting a line, a CMOS camera simulating a C-arm, and a sensor for measuring a distance to a photographed object.
  • the optical apparatus may include at least one of a galvano-mirror, a MEMS mirror, and a diffuser lens.
  • the matching tool for performing the matching method of the laser target projection apparatus and the C-arm image is located at a distance from the laser target projection apparatus, A light pattern matching portion having a collimator having a specific direction for transmitting a specific laser pattern output from the laser target projector; A screen for checking the laser pattern transmitted through the collimator; And a bearing ball arranged in a matrix to calculate an extrinsic parameter so that the laser pattern transmitted through the screen can be recognized by a C-arm fluoroscopy (C-arm). It includes a marker portion.
  • the collimator of the light pattern matching unit may be formed in an opening pattern, and the opening pattern may be formed at a predetermined angle.
  • the bearing balls may be arranged in a 6 ⁇ 9 matrix.
  • a C-arm fluoroscopy (C-arm) and a line projection for generating a laser to check a patient's condition and support a surgical plan are provided.
  • the laser surgical guidance system including a laser target projection device for projecting the surgical planned line directly to the affected area through the module, the matching method of the laser target projection device and the C-arm image, the specific laser pattern from the line projection module Generating a; Transmitting a specific laser pattern output from the line projection module through a matching tool comprising a collimator having a specific orientation; Calculating an external parameter of the matching tool in the perspective image transmitted through the matching tool; And converting the coordinates of the radiographic image into the line projection module coordinates using the external parameter.
  • the step of converting the coordinates of the radiographic image into the line projection module coordinates using the external parameters may include using internal parameters of the C-arm and external parameters of the matching tool.
  • the method may include deriving a transformation matrix between the radiographic image coordinates and the line projection module coordinates.
  • converting the coordinates of the radiographic image into the line projection module coordinates using the external parameter may include matching the origin coordinates of the radiographic image coordinates with the line projection module coordinates. It may include.
  • the method of matching the laser target projection apparatus with the C-arm image may further include directly projecting a perspective image of matching coordinates of the radiographic image and coordinates of the line projection module to the affected part. can do.
  • a computer program for performing a matching method of a laser target projection apparatus and a C-arm image is recorded in a computer-readable storage medium according to an embodiment for realizing another object of the present invention described above.
  • the matching method of the laser target projection apparatus and the C-arm image accurate alignment of the laser module and the C-arm can be performed using the matching tool, thereby providing accurate laser guidance.
  • it displays various surgical information such as osteotomy, puncture path, insertion position and insertion angle of pin, thus enabling accurate surgical collection according to the planned surgical plan, thereby reducing the possibility of surgical error and medical accident. have.
  • it is possible to reduce the radiation exposure of the surgeon and to quickly and accurately perform the surgeon according to the imaging plan.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a laser surgery guide system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary view illustrating a perspective image displayed by the laser target projection apparatus of FIG. 1.
  • FIG 3 is a view for explaining a position matching algorithm of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a matching tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the assembly and each of the parts of the matching tool of FIG.
  • FIG. 6 is a view showing a matching tool scanned with a C-arm.
  • FIG. 7 is a view showing the results of laser projection experiment on the display point in the implementation of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a matching method of a laser target projection apparatus and a C-arm image according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a laser surgery guide system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary view illustrating a perspective image displayed by the line projection module of FIG. 1.
  • the operation of the surgery is frequently performed by checking the condition of the bone using a mobile radiography (C-arm fluoroscopy, C-arm), and establishing a surgical plan such as an osteotomy and alteration correction.
  • a k-wire stainless-steel wire
  • C-arm fluoroscopy C-arm
  • a surgical plan is performed by estimating the position between the bone and the k-wire.
  • the laser target projection apparatus is a device that displays the lines planned in the C-arm image directly to the affected area.
  • a method for aligning the C-arm and the laser target projection apparatus necessary for using the apparatus and a tool therefor are provided. Suggest.
  • Laser surgery guidance system (1, below) according to the present invention by matching the laser target projection apparatus and the C-arm image using a matching tool, it helps to perform the laser surgery accurately and easily.
  • the system 1 generates a C-arm 10 and a laser 32 for checking a patient's condition and supporting a surgical plan to directly project the surgical planned line to the affected part. And a laser target projection device 30.
  • the system 1 can be mobile or fixed.
  • the system 1 of the present invention may be installed and executed with software (application) for performing matching of the laser target projection apparatus 30 and the C-arm 10 image.
  • the C-arm 10 and the The configuration of the laser target projection apparatus 30 may be controlled by software for performing to perform registration of the C-arm 10 image with the laser target projection apparatus 30 executed in the system 1. .
  • the C-arm 10 and the laser target projection apparatus 30 may be configured as one terminal or may be formed as a separate module and connected to a wired or wireless network.
  • the system 1 may constitute part of a robotic system or robotic arm that performs surgical guidance.
  • the system 1 can be mobile or fixed.
  • the system 1 may have a form of a device, an apparatus, a terminal, an equipment, a server, an engine, or the like, and may be called in other terms.
  • the laser target projection apparatus 30 is a device for directly projecting a specific osteotomy line, feature points, etc. in a radiographic image by using a laser.
  • the user displays the osteotomy line 34 according to the surgical plan on the image of the leg bone displayed on the display unit
  • the image on which the surgery information is displayed is directly displayed on the affected part by matching with the human body.
  • the user may modify or delete the osteotomy line directly displayed on the bone image.
  • the osteotomy line indicates a planned line when cutting bone for treating a fracture or the like, or for jaw surgery.
  • the osteotomy may be displayed in various forms, such as a cross point 36, a circle 38, as well as a line shape.
  • Surgical information that can be directly input by the user includes not only the osteotomy, but also all information that can be reflected in the surgical plan, such as a pin location and insertion path and puncture path.
  • the laser target projection apparatus 30 may further include an optical apparatus for projecting a line, a CMOS camera simulating a C-arm, and a sensor for measuring a distance to a photographed object.
  • the optical apparatus includes a galvano-mirror, a MEMS mirror, a diffuser lens, and the like.
  • a galvano mirror can be used as an optical apparatus.
  • the laser target projection apparatus 30 includes a line projection module 50 for generating a laser, a matching tool 70, and a matching portion (not shown).
  • the line projection module 50 generates a specific type of laser pattern and positions the matching tool 70 to pass through the laser pattern.
  • the position registration between the C-arm (10) image and the laser target projection apparatus 30 is possible. .
  • the line projection module 50 generates a specific laser pattern
  • the registration tool 70 is positioned at a distance from the line projection module and transmits a specific laser pattern to transmit a specific laser pattern output from the line projection module.
  • a collimator having directivity.
  • the matching unit calculates an external parameter of the matching tool in the perspective image transmitted through the matching tool 70, and converts the coordinates of the radiographic image into the line projection module coordinates.
  • the matching tool 70 includes an optical pattern matching unit 71 and a C-arm marker unit 75.
  • the matching tool 70 may further include a screen 73 positioned between the light pattern matching unit 71 and the C-arm marker unit 75.
  • the light pattern matching part 71 is formed with a collimator having a specific direction for transmitting a specific laser pattern output from the line projection module 50.
  • the collimator pattern may be configured by assuming that the laser beam comes from a pin hole when the laser beam is reflected by the galvanometer. That is, the collimator may be formed in an enlarged pattern having the same formation as a specific laser pattern output from the line projection module 50.
  • the collimator of the light pattern matching portion 71 is formed in an opening pattern, and the opening pattern is formed at a predetermined angle. That is, as shown in Figure 4, the collimator is drilled obliquely in accordance with the characteristics such as the straightness, directionality, diffusion of light.
  • the screen 73 is a flat screen for confirming the laser pattern transmitted through the collimator.
  • the C-arm marker unit 75 is a bearing ball arranged in a matrix to calculate an extrinsic parameter of the matching tool 70 so that the laser pattern passing through the collimator can be recognized in a perspective image. It includes. In one embodiment, the bearing balls may be metallic and arranged in a 6 ⁇ 9 matrix.
  • ⁇ C ⁇ denotes a C-arm image coordinate system
  • ⁇ L ⁇ denotes a line projection module coordinate system
  • ⁇ W ⁇ for each coordinate system for position matching between the C-arm 10 and the line projection module 50. Represents the tool coordinate system for registration, It is possible to convert the coordinates on the radiographic image into points of the line projection module coordinate system by obtaining.
  • Equation 1 When this is expressed as an equation, Equation 1 and Equation 2 below.
  • the external parameters of the matching tool 70 may be calculated. It can be seen that the pattern projected by the line projection module 50 with a laser, and to position the matching tool 70 in the position. Specifically, a laser pattern with a defined origin, distance, and shape is sprayed, and ⁇ W ⁇ is manually aligned with the pattern.
  • a transformation matrix between the radiographic image coordinates and the line projection module coordinates is derived by using internal parameters of the radiographic imaging apparatus and external parameters of the registration tool 70. In this way, by matching the radiographic image coordinates and the coordinates of the origin of the line projection module coordinates, it is possible to accurately project the perspective image matching the coordinates of the radiographic image and the line projection module coordinates to the affected part.
  • the design of the matching tool 70 is Important to increase the accuracy of, in consideration of the linearity of light can be designed as shown in Figure 4 can be manufactured as shown in Figure 5 (5a to 5d). However, this is only an example, and a design such as a pattern may be changed according to a user's needs.
  • the matching tool 70 is an image scanned by the C-arm 10.
  • an experimental instrument construction and environment for testing quantitative targets was established.
  • the screen is placed 400mm away from the line projection module 50, and a range of 150mm (20degrees) and 120mm (17degrees) in height is projected by connecting a laser pointer to a designated point by a laser line, and the distance error and angle at that time. The error was calculated.
  • the laser projected image is shown in FIG.
  • the point is the point and the line is the laser projection line connecting the point.
  • the point at which the projection line is broken is the laser projection position corresponding to the instruction point.
  • FIG. 8A shows a distance error in the projection column
  • FIG. 8B shows a distance error along the projection row.
  • the bar bar shows the average of the distance error in the row / column
  • the error bar shows the min / max values.
  • the average distance error was 1.5mm, the standard deviation was 1.9 and the maximum error value was 7.5mm.
  • the measured angle error was 2 degrees or less.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a matching method of a laser target projection apparatus and a C-arm image according to an exemplary embodiment.
  • a C-arm fluoroscopy (C-arm) and a laser for checking a patient's condition and supporting a surgical plan are generated. It is performed in a laser surgical guidance system comprising a laser target projection device for projecting the surgically planned line directly to the affected area via a line projection module.
  • the matching method of the laser target projector and the C-arm image according to the present embodiment may be performed in substantially the same configuration as the system 1 of FIG. 1. Accordingly, the same components as those of the system 1 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.
  • the matching method of the laser target projection apparatus and the C-arm image according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing registration of the laser target projection apparatus and the C-arm image.
  • a specific laser pattern is generated from the line projection module 50 (step S10).
  • the specific laser pattern generated from the line projection module 50 is positioned at a distance from the line projection module 50 and transmitted through the matching tool 70 including a collimator having a specific direction. (Step S30).
  • the collimator pattern may be configured by assuming that the laser beam comes from a pin hole when the laser beam is reflected by the galvanometer. That is, the collimator may be formed in an enlarged pattern having the same formation as a specific laser pattern output from the line projection module.
  • the collimator of the light pattern matching portion 71 is formed in an opening pattern, and the opening pattern is formed at a predetermined angle. That is, as shown in Figure 4, the collimator is drilled obliquely in accordance with the characteristics such as the straightness, directionality, diffusion of light.
  • the laser pattern passing through the collimator of the matching tool 70 is displayed on the C-arm marker portion 75 in which bearing balls arranged in a matrix via a screen are formed.
  • the ball may be a metal material and arranged in a 6 ⁇ 9 matrix so that the bearing ball is recognizable by the C-arm 10.
  • the C-arm marker unit 75 may recognize the laser pattern transmitted through the collimator in the C-arm 10, and calculates an external parameter of the matching tool 70 using the C-arm 10. Step S50).
  • the coordinates of the radiographic image are converted into the line projection module coordinates using the external parameter calculated in step S50 (step S90).
  • a transformation matrix between the radiographic image coordinates and the line projection module coordinates may be derived using the predetermined internal parameters of the C-arm and external parameters of the matching tool (step S70).
  • the laser image may be precisely projected by directly projecting the perspective image of the coordinates of the radiographic image and the line projection module coordinates to the affected part.
  • the matching method of the laser target projection apparatus and the C-arm image may be implemented in an application form or in the form of program instructions that may be executed by various computer components, and may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the computer-readable recording medium are those specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the process according to the invention, and vice versa.
  • the present invention can be used in various surgical fields using a C-arm and is easy to enter the market due to the low medical device grade.

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Abstract

환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm) 및 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈을 통해 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템을 개시한다. 레이저 수술 유도 시스템은 라인 투영 모듈로부터 특정한 레이저 패턴을 발생시키고, 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴을 통해 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과시키며, 정합용 툴을 투과한 투시 영상에서 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하며, 외부 파라미터를 이용하여 방사선 투시 영상의 좌표를 라인 투영 모듈 좌표로 변환할 수 있다.

Description

레이저 표적 투영장치와 C-ARM 영상의 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 정합용 툴을 포함하는 레이저 수술 유도 시스템
본 발명은 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 정합용 툴을 포함하는 레이저 수술 유도 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 C-arm 영상에서 수술 계획을 환부에 표시하는 레이저 장치의 정합 방법과 그를 위한 정합 툴에 관한 것이다.
영상장치를 이용해서 수술 계획을 하는 경우, 실제 수술 현장에서 그 계획대로 수술을 진행하기는 어렵다. 단적인 예로 절골술에 있어서 무릎관절 아래 5cm 이하에서 절골술을 계획했다고 하면, 피부를 절개하여 드러난 실제 무릎에서 자를 이용해서 5cm를 절개하고, 이에 따라 수술을 진행해야 할 필요가 있다. 그러나, 자의 위치, 각도에 따라서 계획과는 많은 차이가 발생하게 된다.
특히, 의료진의 수작업에 의존하여 필기 도구를 사용하는 수술 천공점의 표기 방식은, 특히 천공이 필요할 경우에는 의료진은 투시 영상장치(C-armed fluoroscopy)의 2D 영상에 의존해야 하기 때문에 수술 기구가 실제적인 환자의 피부 내측 수술 환부에 수직으로 또는 경사를 두고 진입해야 할지에 대한 중요한 정보를 전혀 제공하고 있지 못한다. 따라서, 의료진의 수술 경험이나 감에 의존하는 수술을 진행해야 하는 결과를 초래하게 된다.
더욱이, 수술실에서의 수술 결과는 수술을 집도하는 의료진의 수술 경험이나 환부 영상 정보의 의학적 해석 능력에 크게 좌우될 수 밖에 없어서, 수술 경험이 부족한 의료진의 경우에는 정확한 수술 집도를 위한 지속적인 준비 교육 기간이 상당 기간 요구되어, 결과적으로 교육에 소요되는 인적, 물적 비용의 지출이 증가될 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
이에 따라서 계획된 수술을 정확하게 진행시키기 위한 가이던스가 요구된다. 종래에는 CT(Computed Tomography; 컴퓨터 단층촬영), MR(magnetic resonance; 자기공명) 장치와 같은 설비를 이용하여 환자에 대한 영상을 획득하고, 다시 수술실에서 환자의 다리 등의 일정한 곳에 마커 등을 설치하고(마커는 좌표를 맞추기 위한 보조 도구), 해당 마커를 이용하여 수술실에서 MRI를 통해 찍은 영상을 정합(좌표 정합)하여야만 한다.
따라서, 환자의 인체에 마커를 표시하는 과정 및 마커와 영상을 정합하여야 하는 두 번의 과정을 거치게 되므로, 수술에 있어 수행 과정이 복잡하고 실시간 가이던스를 제공하지 못하는 문제가 있다. 또한, 마커와 영상의 정합이 정밀하지 못하여 고도의 정확성을 요구하는 외과 수술에 악영향을 미칠 위험이 있다.
특히, 정형외과 수술에서는 이동형 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm)를 이용하여 뼈의 상태를 확인하고 절골, 변경 교정 등의 수술 계획을 수립하여, 수술을 진행하는 경우가 빈번하다. 현재 이를 위해서 k-wire(stainless-steel wire)을 환부에 두고, C-arm영상을 촬영하고, 뼈와 k-wire간의 위치를 가늠하여 수술 계획을 실시한다.
레이저 표적 투영장치는 C-arm영상에서 계획한 라인들을 환부에 직접 표시해 주는 장치로써, 이 장치를 사용하기 위해 필요한 C-arm과 레이저 표적 장치와의 정확한 위치 정합이 필수적이다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) KR 10-1650620 B1
(비특허문헌 1) Z. Zhang, "A flexible new technique for camera calibration", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330-1334, 2000
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 정합용 툴을 포함하는 레이저 수술 유도 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 정합용 툴을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 또 다른 목적은 상기 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm) 및 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템으로서, 상기 레이저 표적 투영장치는, 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈; 상기 라인 투영 모듈로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴; 및 상기 정합용 툴을 투과한 투시 영상에서 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하여, 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 정합부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정합용 툴은, 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)가 형성된 광 패턴 일치부; 및 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 투시 영상에서 인식 가능하도록 상기 정합용 툴의 외부 파라미터(extrinsic parameter)를 계산하기 위해 행렬로 배열된 베어링 볼을 포함하는 C-arm 마커부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광 패턴 일치부의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정합용 툴은, 상기 광 패턴 일치부와 상기 C-arm 마커부의 사이에 형성되어, 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 확인하기 위한 스크린을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 베어링 볼은, 6X9 행렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정합부는, 이미 정해진 상기 C-arm의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정합부는, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표의 원점 좌표를 매칭할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 라인 투영 모듈은, 라인을 투영하는 광학 기구, C-arm을 모의하는 CMOS 카메라 및 촬영물까지의 거리를 계측하는 센서 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광학 기구는 갈바노 미러(Galvano-mirror), 멤스 미러(MEMS mirror) 및 디퓨저 렌즈(Diffuser lens) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 정합용 툴은, 레이저 표적 투영장치로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 레이저 표적 투영장치로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)가 형성된 광 패턴 일치부; 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 확인하기 위한 스크린; 및 상기 스크린을 투과한 레이저 패턴을 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm)에서 인식 가능하도록 외부 파라미터(extrinsic parameter)를 계산하기 위해 행렬로 배열된 베어링 볼을 포함하는 C-arm 마커부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광 패턴 일치부의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 베어링 볼은 6X9 행렬로 배열될 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm) 및 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈을 통해 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템에서, 상기 레이저 표적 투영장치와 상기 C-arm 영상의 정합 방법은, 상기 라인 투영 모듈로부터 특정한 레이저 패턴을 발생시키는 단계; 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴을 통해 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과시키는 단계; 상기 정합용 툴을 투과한 투시 영상에서 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계는, 이미 정해진 상기 C-arm의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계는, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표의 원점 좌표를 매칭하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이저 표적 투영장치와 상기 C-arm 영상의 정합 방법은, 상기 방사선 투시 영상의 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표를 정합한 투시 영상을 환부에 직접 투영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 더욱 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
이와 같은 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법에 따르면, 정합 툴을 이용해서 레이저 모듈과 C-arm 간의 정확한 위치 정합이 가능하므로 정확한 레이저 가이던스를 제공할 수 있다. 또한, 이에 따른 절골선, 천자 경로, 핀의 삽입 위치 및 삽입 각도 등 다양한 수술 정보를 표시해 주므로, 계획된 수술 계획대로 정확한 수술 집도가 가능하게 되고, 이로 인한 수술 오류 및 의료 사고의 가능성을 감소시킬 수 있다. 나아가, 수술 집도의의 방사선 피폭량을 줄이면서도 영상 계획에 따라 신속하고 정확한 수술 집도가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 수술 유도 시스템의 개념도이다.
도 2는 상기 도 1의 레이저 표적 투영장치에서 표시하는 투시 영상을 보여주는 예시 도면이다.
도 3은 본 발명의 위치 정합 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정합용 툴을 보여주는 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 정합용 툴의 각 파트들과 조립을 보여주는 도면들이다.
도 6은 C-arm으로 스캔한 정합용 툴을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 구현 시 표시점에 대한 레이저 투영 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 구현 시 표적 거리에 따른 투영 정밀도를 보여주기 위한 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법의 흐름도이다.
<부호의 설명>
1: 레이저 수술 유도 시스템
10: 방사선 투시 영상 장치
30: 레이저 표적 투영장치
32: 레이저
34, 36, 38: 절골선
50: 라인 투영 모듈
70: 정합용 툴
71: 광 패턴 일치부
73: 스크린
75: C-arm 마커부
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 수술 유도 시스템의 개념도이다. 도 2는 상기 도 1의 라인 투영 모듈에서 표시하는 투시 영상을 보여주는 예시 도면이다.
정형외과 수술에서는 이동형 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm)를 이용하여 뼈의 상태를 확인하고 절골, 변경 교정 등의 수술 계획을 수립하여, 수술을 진행하는 경우가 빈번하다. 현재 이를 위해서 k-wire(stainless-steel wire)을 환부에 두고, C-arm 영상을 촬영하고, 뼈와 k-wire간의 위치를 가늠하여 수술 계획을 실시한다.
레이저 표적 투영장치는 C-arm 영상에서 계획한 라인들을 환부에 직접 표시해 주는 장치로써, 본 발명에서는 이 장치를 사용하기 위해 필요한 C-arm과 레이저 표적 투영장치와의 위치 정합 방법 및 이를 위한 툴을 제안한다.
본 발명에 따른 레이저 수술 유도 시스템(1, 이하 시스템)은 정합용 툴을 이용하여 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상을 정합하여, 정밀하고 용이하게 레이저 수술을 집도할 수 있도록 도와준다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템(1)은 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 C-arm(10) 및 레이저(32)를 발생하여 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치(30)를 포함한다. 상기 시스템(1)은 이동성을 갖거나 고정될 수 있다.
본 발명의 상기 시스템(1)은 레이저 표적 투영장치(30)와 C-arm(10) 영상의 정합을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 C-arm(10) 및 상기 레이저 표적 투영장치(30)의 구성은 상기 시스템(1)에서 실행되는 상기 레이저 표적 투영장치(30)와 C-arm(10) 영상의 정합을 수행하기 위한 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 C-arm(10) 및 상기 레이저 표적 투영장치(30)의 구성은 하나의 단말로 형성되거나 별도의 모듈로 형성되어 유무선 네트워크로 연결될 수 있다. 다른 예로 상기 시스템(1)은 수술 유도를 수행하는 로봇 시스템 또는 로봇 암의 일부를 구성할 수도 있다.
상기 시스템(1)은 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 시스템(1)은 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), 기기(equipment), 서버(server) 또는 엔진(engine) 등의 형태를 가질 수 있고, 다른 용어로 불릴 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 레이저 표적 투영장치(30)는 방사선 투시 영상에서 특정한 절골선(osteotomy line), 특징점(feature points) 등을 레이저를 활용하여 환부에 직접 투영하도록 하는 장치이다.
사용자(예를 들어, 의사)가 디스플레이부 상에 표시된 다리 뼈의 영상에 수술 계획에 따른 절골선(34)을 표시하면, 수술 정보가 표시된 영상이 인체와 매칭하여 환부에 직접 표시된다. 또한, 사용자는 뼈의 영상 등에 직접 표시한 절골선을 변경하거나 삭제하는 등의 수정이 가능하다.
절골선이란, 골절 등을 치료하거나 양악 수술 등을 위해 뼈를 절단할 때 계획된 선을 표시하는 것이다. 또한, 상기 절골선은 라인 형태뿐만 아니라 십자 포인트(36), 원형(38) 등 다양한 형태로 표시될 수 있다.
사용자가 직접 입력할 수 있는 수술 정보는 상기 절골선 뿐만 아니라, 고정핀 삽입 위치 및 삽입 경로, 천자 경로 등 수술 계획에 반영할 수 있는 모든 정보를 포함한다.
상기 레이저 표적 투영장치(30)는 라인을 투영하는 광학 기구, C-arm을 모의하는 CMOS 카메라 및 촬영물까지의 거리를 계측하는 센서 등을 더 포함할 수 있다. 상기 광학 기구로 갈바노 미러(Galvano-mirror), 멤스 미러(MEMS mirror) 및 디퓨저 렌즈(Diffuser lens) 등이 있다. 본 발명의 실시예에서는 갈바노 미러를 광학 기구로 이용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 레이저 표적 투영장치(30)는 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈(50), 정합용 툴(70) 및 정합부(미도시)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 상기 라인 투영 모듈(50)은 특정 형태의 레이저 패턴을 발생시키고, 정합용 툴(70)을 레이저 패턴이 통과하도록 위치시킨다. 또한, C-arm(10) 영상을 촬영하여 정합용 툴(70)의 C-arm 마커의 위치를 계산하여, C-arm(10) 영상과 레이저 표적 투영장치(30) 간의 위치 정합이 가능하다.
상기 라인 투영 모듈(50)은 특정한 레이저 패턴을 발생시키고, 상기 정합용 툴(70)은 상기 라인 투영 모듈로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함한다.
상기 정합부는 상기 정합용 툴(70)을 투과한 투시 영상에서 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하여, 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환한다.
도 5(5a 내지 5d)를 참조하면, 상기 정합용 툴(70)은 광 패턴 일치부(71) 및 C-arm 마커부(75)를 포함한다. 상기 정합용 툴(70)은 상기 광 패턴 일치부(71) 및 상기 C-arm 마커부(75) 사이에 위치하는 스크린(73)을 더 포함할 수 있다.
상기 광 패턴 일치부(71)는 상기 라인 투영 모듈(50)로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)가 형성된다.
상기 콜리미터의 패턴은 레이저 광선이 갈바노미터에 반사되어 나올 때 한 점(pin hole)에서 나오는 것으로 가정하여 구성할 수 있다. 즉, 상기 콜리미터는 상기 라인 투영 모듈(50)에서 출력되는 특정한 레이저 패턴과 동일한 형성을 가진 확대된 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 광 패턴 일치부(71)의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성된다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 콜리미터는 빛의 직진성, 방향성, 확산성 등의 특징에 따라 비스듬하게 뚫린다.
상기 스크린(73)은 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 확인하기 위한 평면 스크린이다.
상기 C-arm 마커부(75)는 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 투시 영상에서 인식 가능하도록, 상기 정합용 툴(70)의 외부 파라미터(extrinsic parameter)를 계산하기 위해 행렬로 배열된 베어링 볼을 포함한다. 일 실시예로, 상기 베어링 볼은 금속 소재일 수 있고, 6X9 행렬로 배열될 수 있다.
다시 도 3을 참조하여, 방사선 투시 영상 상의 특정 위치를 환부에 투영하기 위한 위치 정합 알고리즘을 설명한다.
상기 C-arm(10)과 상기 라인 투영 모듈(50) 간의 위치 정합을 위한 각각의 좌표계를 도 3과 같이 {C}는 C-arm 영상 좌표계, {L}은 라인 투영 모듈 좌표계, {W}은 정합용 툴 좌표계를 나타내며, 각 좌표의 위치 관계에서
Figure PCTKR2017013769-appb-I000001
를 구하는 것으로 방사선 투시 영상상의 좌표를 라인 투영 모듈 좌표계의 점으로 변환하는 것이 가능하다.
이를 수학식으로 표현하면 아래의 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.
Figure PCTKR2017013769-appb-M000001
Figure PCTKR2017013769-appb-M000002
이때,
Figure PCTKR2017013769-appb-I000002
는 {b} 좌표계를 {a} 좌표계로 변환하는 변환 행렬로서,
Figure PCTKR2017013769-appb-I000003
를 구하면 {C} 좌표계의 한 점을 {L} 좌표계의 한 점으로 표현할 수 있다.
여기서,
Figure PCTKR2017013769-appb-I000004
는 상기 C-arm(10)의 내부 파라미터를 알고 있다고 가정했을 때, 상기 정합용 툴(70)의 외부 파라미터를 구하는 것으로 계산 가능하다.
Figure PCTKR2017013769-appb-I000005
는 상기 라인 투영 모듈(50)에서 정해진 패턴을 레이저로 투영하고, 그 위치에 상기 정합용 툴(70)을 위치시키는 것으로 알 수 있다. 구체적으로, 원점, 거리, 형상이 정해진 레이저 패턴을 뿌려주고, {W}를 패턴에 수동으로 정렬한다.
다시 말해, 이미 정해진 상기 방사선 투시 영상 장치의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴(70)의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출한다. 이를 통해, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표의 원점 좌표를 매칭하여, 상기 방사선 투시 영상의 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표를 정합한 투시 영상을 환부에 정확히 투영할 수 있다.
상기 정합용 툴(70)의 디자인은
Figure PCTKR2017013769-appb-I000006
의 정확도를 높이기 위해 중요하며, 빛의 직진성을 고려하여 도 4와 같이 디자인하여 도 5(5a내지 5d)와 같이 제작할 수 있다. 그러나, 이는 일례에 불과하며, 사용자의 필요에 따라 패턴 등 디자인의 변경이 가능하다.
도 6을 참조하면, 상기 정합용 툴(70)을 상기 C-arm(10)에서 스캔한 영상을 나타낸다. 또한, 레이저 표적 투영을 실험하기 위해, 정량적 목표를 시험하기 위한 실험 기구 제작 및 환경을 구축하였다.
상기 라인 투영 모듈(50)에서 400mm 거리에 스크린을 두고, 넓이 150mm(20degrees), 높이 120mm(17degrees)의 범위에서, 마우스로 지정한 지시점을 레이저 라인으로 연결하여 투영하고, 그때의 거리 오차 및 각도 오차를 계산하였다.
이때, 레이저가 투영된 영상을 도 7에 도시하였다. 점이 지시점이며, 라인이 지시점을 연결한 레이저 투영 라인이다. 투영 라인이 꺾인 포인트가 지시점에 대응하는 레이저 투영 위치이다.
또한, 열과 행의 평균 거리 오차 및 최대/최소 오차 값을 도 8에 나타낸다.
도 8을 참조하면, 표적 거리에 따른 투영 정밀도로서, 도 8a는 투영 열에 다른 거리 오차를 나타내며, 도 8b는 투영 행에 따른 거리 오차를 나타낸다. 막대바는 행/열에 있어서의 거리오차의 평균, 에러바는 최소/최대값을 표시한다.
거리오차의 전체 평균은 1.5mm이며, 표준편차는 1.9, 최대 오차값은 7.5mm였다. 실측한 각도 오차는 2°이하였다. 이로써, 본 발명에 따라 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정밀한 정합을 수행함을 보여준다.
본 발명에 따르면, 절골선, 천자 경로, 핀의 삽입 위치 및 삽입 각도 등 다양한 수술 정보를 표시해 주므로, 계획된 수술 계획대로 정확한 수술 집도가 가능하게 되고, 이로 인한 수술 오류 및 의료 사고의 가능성을 감소시킬 수 있다. 나아가, 수술 집도의의 방사선 피폭량을 줄이면서도 영상 계획에 따라 신속하고 정확한 수술 집도가 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법은, 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm) 및 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈을 통해 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템에서 수행된다.
본 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법은, 도 1의 시스템(1)과 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 시스템(1)과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법은 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법은, 상기 라인 투영 모듈(50)로부터 특정한 레이저 패턴을 발생시킨다(단계 S10).
상기 라인 투영 모듈(50)로부터 발생된 특정한 레이저 패턴은 상기 라인 투영 모듈(50)로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴(70)을 통해 투과된다(단계 S30).
상기 콜리미터의 패턴은 레이저 광선이 갈바노미터에 반사되어 나올 때 한 점(pin hole)에서 나오는 것으로 가정하여 구성할 수 있다. 즉, 상기 콜리미터는 상기 라인 투영 모듈에서 출력되는 특정한 레이저 패턴과 동일한 형성을 가진 확대된 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 광 패턴 일치부(71)의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성된다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 콜리미터는 빛의 직진성, 방향성, 확산성 등의 특징에 따라 비스듬하게 뚫린다.
상기 정합용 툴(70)의 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴은 스크린을 거쳐 행렬로 배열된 베어링 볼이 형성된 C-arm 마커부(75)에 표시된다. 상기 베어링 볼은 상기 C-arm(10)에 의해 인식 가능하도록 볼은 금속 소재일 수 있고, 6X9 행렬로 배열될 수 있다.
상기 C-arm 마커부(75)에 의해 상기 C-arm(10)에서 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 인식할 수 있고, 이를 이용하여 상기 정합용 툴(70)의 외부 파라미터를 계산한다(단계 S50).
단계 S50에서 계산된 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환한다(단계 S90). 이를 위해, 먼저 이미 정해진 상기 C-arm의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출할 수 있다(단계 S70).
구체적으로, 방사선 투시 영상 상의 특정 위치를 환부에 투영하기 위한 위치 정합 알고리즘은 이미 설명하였다. 이에 따라, 상기 방사선 투시 영상의 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표를 정합한 투시 영상을 환부에 직접 투영하여 정밀한 레이저 가이던스를 제공할 수 있다.
이와 같은, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 C-arm을 사용하는 다양한 수술 분야에 사용이 가능하고 의료기기 등급이 낮아 시장 진입이 용이하다. 또한, 기 판매되는 C-arm에 모듈 형태로 직접 제조/판매가 가능하며, C-arm 제조 회사에 기술 이전하는 형태로도 시장 진입 가능하다.

Claims (17)

  1. 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm) 및 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템으로서, 상기 레이저 표적 투영장치는,
    레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈;
    상기 라인 투영 모듈로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴; 및
    상기 정합용 툴을 투과한 투시 영상에서 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하여, 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 정합부를 포함하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정합용 툴은,
    상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)가 형성된 광 패턴 일치부; 및
    상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 투시 영상에서 인식 가능하도록 상기 정합용 툴의 외부 파라미터(extrinsic parameter)를 계산하기 위해 행렬로 배열된 베어링 볼을 포함하는 C-arm 마커부를 포함하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 패턴 일치부의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성된, 레이저 수술 유도 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 정합용 툴은,
    상기 광 패턴 일치부와 상기 C-arm 마커부의 사이에 형성되어, 상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 확인하기 위한 스크린을 더 포함하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 베어링 볼은,
    6X9 행렬로 배열된, 레이저 수술 유도 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정합부는,
    이미 정해진 상기 C-arm의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 정합부는,
    상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표의 원점 좌표를 매칭하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 라인 투영 모듈은,
    라인을 투영하는 광학 기구, C-arm을 모의하는 CMOS 카메라 및 촬영물까지의 거리를 계측하는 센서 중 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광학 기구는 갈바노 미러(Galvano-mirror), 멤스 미러(MEMS mirror) 및 디퓨저 렌즈(Diffuser lens) 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 수술 유도 시스템.
  10. 레이저 표적 투영장치로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 레이저 표적 투영장치로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과하기 위한 특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)가 형성된 광 패턴 일치부;
    상기 콜리미터를 투과한 레이저 패턴을 확인하기 위한 스크린; 및
    상기 스크린을 투과한 레이저 패턴을 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm)에서 인식 가능하도록 외부 파라미터(extrinsic parameter)를 계산하기 위해 행렬로 배열된 베어링 볼을 포함하는 C-arm 마커부를 포함하는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 정합용 툴.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광 패턴 일치부의 콜리미터는 개구(opening) 패턴으로 형성되고, 상기 개구 패턴은 소정의 각도로 형성된, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 정합용 툴.
  12. 제10항에 있어서, 상기 베어링 볼은,
    6X9 행렬로 배열된, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한 정합용 툴.
  13. 환자의 상태를 확인하고 수술 계획을 지원하는 방사선 투시 영상 장치(C-arm fluoroscopy, 이하 C-arm); 및 레이저를 발생시키는 라인 투영 모듈을 통해 상기 수술 계획된 라인을 환부에 직접 투영하는 레이저 표적 투영장치를 포함하는 레이저 수술 유도 시스템에서, 상기 레이저 표적 투영장치와 상기 C-arm 영상의 정합 방법은,
    상기 라인 투영 모듈로부터 특정한 레이저 패턴을 발생시키는 단계;
    특정한 방향성을 갖는 콜리미터(collimator)를 포함하는 정합용 툴을 통해 상기 라인 투영 모듈로부터 출력되는 특정한 레이저 패턴을 투과시키는 단계;
    상기 정합용 툴을 투과한 투시 영상에서 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 계산하는 단계; 및
    상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계를 포함하는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계는,
    이미 정해진 상기 C-arm의 내부 파라미터와 상기 정합용 툴의 외부 파라미터를 이용하여, 상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표 간의 변환 행렬을 도출하는 단계를 포함하는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 외부 파라미터를 이용하여 상기 방사선 투시 영상의 좌표를 상기 라인 투영 모듈 좌표로 변환하는 단계는,
    상기 방사선 투시 영상 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표의 원점 좌표를 매칭하는 단계를 포함하는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 방사선 투시 영상의 좌표와 상기 라인 투영 모듈 좌표를 정합한 투시 영상을 환부에 직접 투영하는 단계를 더 포함하는, 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 따른 레이저 표적 투영장치와 C-arm 영상의 정합 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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