3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템{BONE MOTION MONITORING AND PATH REGENERATING SYSTEM USING THREE-DIMENSIONAL OPTICAL TRACKER}

본 발명은 3차원 광학 측정기를 이용한 의 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 인공관절 수술로봇에서 사용되던 기계식 선형 엔코더를 이용한 뼈 움직임 감지 시스템(Bone Motion Monitoring System: BMM)을 뼈 정합(Bone Registration)에서 사용하는 3차원 광학 측정기를 이용하여 구성하고, 이를 이용하여 수술도중 뼈의 움직임이 발생되었을 때, 광학측정기에서 측정된 값을 이용하여 인공관절 수술로봇의 경로를 보정하는 시스템(Tool Path Regeneration)에 관한 것이다.

도 1a 는 인공관절 수술로봇인 ROBODOC과 Bone Motion Monitoring(BMM) Device에 관한 일예시도이며, 도 1b 는 실제 사용되는 BMM Probe와 Bones(Femur&Tibia)에 BMM이 부착된 상태를 보이는 일예시도이다.

상기 도 1a 및 도 1b 를 통해 알 수 있듯이, 기존의 로봇을 이용한 인공관절 수술의 경우, 수술 중에 뼈의 움직임을 감지하기 위하여 로봇 base에 연결된 3축의 기계식 선형 엔코더를 이용한 뼈 움직임 감지 장치를 사용하고 있다.

그러나, 이러한 방법은 환자와 로봇간의 거리가 제한될 뿐만 아니라, 이 장치는 크기가 크고 설치가 복잡하여, 숙련된 전문요원이 필요하고 그로 인해 수술 시간이 증가하게 된다. 또한, 수술 중 뼈의 움직임이 발생 하면 복구과정을 거치게 되는데 기존의 수술로봇의 경우에는 Recovery pin을 수술과 상관없이 추가로 삽입(6개)하기 때문에 환자에 불필요한 외상을 가하고 있다.

한편, 기존의 로봇수술의 경우에는 수술 중 뼈의 움직임이 발생하여 수술이 중단되었을 때, 수술로봇의 경로를 다시 생성하고 복구하기 위해 의사가 뼈의 정합(Registration)에 사용되는 기계식 디지타이저를 이용하여 환자에게 삽입한 Recovery pin을 통해 재 정합을 시켜줘야만 하는 문제점이 있었다.

도 1c 는 광학식 측정기에 의한 BMM 개념도이다. 본 발명에서는 3차원 광학식 측정기(Optical Tracker System: OTS)를 이용한 실시간 환부 움직임 감지 기술을 적용하여 로봇의 수술을 지원하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 수술 도중 뼈의 움직임을 감지하고, 움직임이 발생한 경우 움직임에 따른 좌표 변화량을 추출하고, 좌표 변화량을 이용하여 수술로봇의 경로를 보정하는 시스템을 제공함에 있다.

그리고 본 발명의 제 2 목적은, 뼈의 움직임에 따른 좌표 변화량을 바탕으로 기 설정된 거리 이상 벗어나는지 여부를 판단하여, 기 설정된 거리 이상 벗어난 경우, 의사에게 알릴 수 있도록 경고 메시지를 출력하는 시스템을 제공함에 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템에 관한 것으로서, 환부인 뼈에 부착되어, 움직임을 감지하는 광학 표적부; 상기 광학 표적부의 움직임을 측정하며, 움직임이 발생할 경우 변화량을 추출하는 광학 측정부; 상기 광학 측정부를 통해 추출된 변화량이 입력됨에 따라 뼈의 움직임 여부를 감지하고, 수술 로봇의 경로를 보정하는 움직임 감지부; 및 상기 움직임 감지부를 통해 보정된 경로 또는 기 설정된 경로에 따라 절삭을 수행하는 수술로봇; 을 포함한다.

또한 상기 광학 측정부는, 상기 광학 표적부의 초기좌표를 추출하며, 뼈의 움직임이 발생한 경우, 상기 광학 표적부의 변화된 좌표(이하, '변환좌표')를 추출하는 좌표 추출모듈; 및 상기 좌표 추출모듈을 통해 추출된 변환좌표와 상기 초기좌표와의 변화량을 추출하는 변화량 추출모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 움직임 감지부는, 상기 광학 측정부를 통해 추출된 광학 표적부의 변환좌표와 초기좌표간의 변화량이 입력됨에 따라, 뼈의 움직임 여부를 감지하고, 상기 변화량(Rotation, Translation)을 이용하여 수술로봇의 경로에 적용시킬 변환행렬(T-Matrix)을 계산하는 움직임 감지모듈; 상기 움직임 감지모듈을 통해 계산된 변환행렬을 바탕으로, 뼈가 움직인 위치만큼 이동된 보정경로를 계산하는 보정경로 계산모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 움직임 감지부는, 상기 변화량을 바탕으로 기 설정된 거리 이상 벗어나는지 여부를 판단하여, 기 설정된 거리 이상 벗어난 경우, 수술로봇을 정지시키고, 음성 또는 영상으로 경고 메시지를 출력하는 경보모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 광학 측정부는, 상기 움직임 감지부를 통한 보정경로 계산이 완료될 경우, 상기 광학 표적부의 초기좌표를 다시 측정하여, 현재의 위치를 초기좌표로 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 비접촉식 광학 표적기를 환부에 삽입하고, 3차원 광학 측정기(Optical tracker)를 사용한 좌표측정을 통해, 기존의 인공관절 수술로봇에 사용하는 기계식의 뼈 움직임 감지 시스템(BMM)이 가지고 있는 공간의 제약과 추가적인 외상을 입히는 부분을 개선하고 로봇 스스로 환부의 위치를 찾을 수 있으며, 안전하고 편안한 로봇 수술 환경을 구축할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 환자와 로봇간의 공간 제약이 적고, 최소한의 감지 장치만 환부에 삽입하기 때문에 환자에게 추가적인 외상을 입히지 않고 수술이 가능하다. 또한 기존 수술로봇의 움직임 감지 장치보다 그 크기가 작아 제작과 설치가 간편하며, 3차원 좌표측정 시스템을 통해 실시간 측정이 이루어진다. 이러한 시스템을 통해 의사의 보조가 없어도 로봇의 수술 경로 보정 및 재설정이 가능하여 로봇이 자율적으로 이루어져서 로봇 수술의 신뢰성 및 만족도가 높아지는 효과도 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 추가적으로 기존의 인공관절 수술로봇의 경우에는 뼈와 3차원 CT데이터를 매칭시키는 정합(Registration)에 있어서 디지타이져를 사용하고 BMM을 함에 있어 기계적 3축 엔코더를 사용하였다. 그러나, 광학적 추적기 (OTS)를 사용하면 정합과정과 BMM을 하나의 OTS를 이용하여 동시에 구현할 수 있는 효과도 있다.

도 1a 는 인공관절 수술로봇인 ROBODOC과 Bone Motion Monitoring(BMM) Device에 관한 일예시도.
도 1b 는 실제 사용되는 BMM Probe와 Bones(Femur&Tibia)에 BMM이 부착된 상태를 보이는 일예시도.
도 1c 는 광학식 측정기에 의한 BMM 개념도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템에 관한 블록도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템을 개념적으로 도시한 구성도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템을 도 2 내지 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템(S)에 관한 블록도이며, 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템(S)을 개념적으로 도시한 구성도이다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템(S)은 광학 표적부(100), 광학 측정부(200), 움직임 감지부(300) 및 수술로봇(400)을 포함하여 이루어진다.

광학 표적부(BMM Reference)(100)는 환부 바람직하게, 인공관절 수술을 위한 환자의 뼈에 부착되어, 움직임을 감지한다.

본 발명에 따른 시스템은 인공관절 수술로봇을 위한 것이므로, 본 실시예에서 환부를 뼈로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

광학 측정부(Optical Tracker System)(200)는 상기 광학 표적부(100)의 움직임을 측정하며, 움직임이 발생할 경우 변화량을 추출하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 2 에 도시된 바와 같이 좌표 추출모듈(210) 및 변화량 추출모듈(220)을 포함한다.

구체적으로, 좌표 추출모듈(210)은 상기 광학 표적부(100)의 초기좌표를 추출하며, 뼈의 움직임이 발생한 경우, 상기 광학 표적부(100)의 변화된 좌표(이하, '변환좌표')(

변화량 추출모듈(220)은 상기 좌표 추출모듈(210)을 통해 추출된 변환좌표와 상기 초기좌표와의 변화량(

움직임 감지부(BMM System)(300)는 상기 광학 측정부(200)를 통해 추출된 변화량이 입력됨에 따라 뼈의 움직임 여부를 감지하고, 수술로봇(400)의 경로를 보정하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 2 에 도시된 바와 같이 움직임 감지모듈(310) 및 보정경로 계산모듈(320)을 포함한다.

구체적으로, 움직임 감지모듈(310)은 상기 광학 측정부(200)를 통해 추출된 광학 표적부(100)의 변환좌표와 초기좌표간의 변화량이 입력됨에 따라, 뼈 절삭(Bone Cutting)이 진행되는 중의 뼈의 움직임 여부를 감지하고, 상기 변화량(Rotation, Translation)을 이용하여 수술로봇(400)의 경로에 적용시킬 변환행렬(T-Matrix)을 [수학식 1] 과 같이 계산한다.

[수학식 1]

보정경로 계산모듈(320)은 상기 움직임 감지모듈(310)을 통해 계산된 변환행렬을 바탕으로, 뼈가 움직인 위치만큼 이동된 보정경로를 계산한다.

한편, 움직임 감지부(300)를 통한 보정경로 계산이 완료될 경우, 상기 광학 측정부(200)는 광학 표적부(100)의 초기좌표를 다시 측정하여, 현재의 위치를 초기좌표로 설정한다. 이에 따라, 절삭 등의 수술절차가 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 움직임 감지부(300)는 돌발상황에 의해 뼈의 움직임이 발생한 경우, 뼈가 정해진 절삭 경로에서 벗어날 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 움직임 감지부(300)는, 상기 변화량을 바탕으로 기 설정된 거리 이상 벗어나는지 여부를 판단하여, 기 설정된 거리 이상 벗어난 경우, 수술로봇(400)을 정지시키고, 음성 또는 영상으로 경고 메시지를 출력하는 경보모듈(330)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 기 설정된 거리는 2mm 인 것으로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

수술로봇(400)은 상기 움직임 감지부(300)를 통해 보정된 경로 또는 기 설정된 경로에 따라 절삭(Cutting) 등의 수술을 수행한다. 여기서, 인공관절 수술용 로봇으로서, 절삭을 위한 커터 등을 구비할 수 있다.

상술한 구성과 특징적인 기능을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템은, 광학 측정기(Optical Tracker System: OTS)를 이용한 실시간 환부 움직임 감지 기술을 적용하여 로봇의 수술을 지원하고자 한다. 즉, 광학 측정기(OTS)는 무선방식이며 환자의 뼈에 부착되는 광학 표적(Reference)이 소형이기 때문에, 설치시간 및 수술공간의 확보가 자유롭다.

또한, 3차원 좌표측정 시스템을 이용하기 때문에, 수술 중에 발생할 수 있는 환자 뼈의 미세한 움직임도 측정이 가능하다.

그리고, 환자 뼈의 움직임에 대한 정확한 3차원 좌표를 가지고 있기 때문에, 이 좌표를 이용하여 수술을 행하는 로봇 좌표와 좌표매칭을 통해 수술로봇의 절삭 경로를 재생성/보정하여 환부에 유도할 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

S: 3차원 광학 측정기를 이용한 뼈 움직임 감지 및 경로 보정 시스템
100: 광학 표적부 200: 광학 측정부
210: 좌표 추출모듈 220: 변화량 추출모듈
300: 움직임 관리부 310: 움직임 감지모듈
320: 보정경로 계산모듈 330: 경보모듈
400: 수술로봇