KR102274175B1 - Surgical navigation apparatus and the method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수술 내비게이션 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수술 내비게이션 장치는, 수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 대상체 정합부; 상기 대상체정합부에서 도출된 상기 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장하는 기준 위치 저장부; 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 도출된 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 상기 기준 포인트의 위치를 산출하는 위치 산출부; 및 상기 위치 산출부로부터 산출된 상기 기준 포인트의 위치가 상기 기준위치에서 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 마커 변형 판단부를 포함한다. 이에 의해 실시간으로 대상체 마커의 변형 여부를 쉽게 검출할 수 있다. The present invention relates to a surgical navigation device and a method therefor, wherein the surgical navigation device according to the present invention registers a first image including an object marker attached to a surgical object and a second image of a preoperative surgical object to perform the surgery. an object matching unit for deriving a correlation with respect to a position and posture between an object marker attached to the object and the surgical object; a reference position storage unit configured to set and store a reference position with respect to at least one reference point of the operation object based on the correlation between the object marker derived from the object matching unit and the operation object; a position calculator for receiving the position and posture information of the object marker, and calculating the position of the reference point of the surgical object based on the derived correlation; and a marker deformation determining unit that determines that the object marker is deformed when the position of the reference point calculated by the position calculating unit deviates from the reference position. Accordingly, it is possible to easily detect whether the object marker is modified in real time.
Description
본 발명은 수술 내비게이션 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수술 대상체에 부착된 마커의 변형 여부를 감지하는 수술 내비게이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a surgical navigation device and method therefor, and more particularly, to a surgical navigation device and method for detecting whether a marker attached to a surgical object is deformed.
최근 의학 기술의 발달로 로봇과 컴퓨터 시스템을 이용한 내비게이션 수술이 활발히 도입되고 있으며, 인공 관절 수술 분야에서도 이러한 수술이 적용되고 있다.Recently, with the development of medical technology, navigation surgery using a robot and computer system has been actively introduced, and this surgery is also applied in the field of artificial joint surgery.
무릎 관절의 경우, 외상이나 여러 가지 감염, 질환에 의한 통증 및 행동 장애가 오면 정형외과적 수술을 통해 관절 전체나 부분에 치환술을 사용하여 치료를 하며, 이중 약 10~30%의 환자들은 무릎 내측 조인트의 마모가 오게 되어 무릎관절 부분치환수술을 시행한다.In the case of the knee joint, when pain or behavioral disorders due to trauma, various infections, or diseases come, orthopedic surgery is used to treat the entire or part of the joint using replacement surgery. wear and tear, and partial knee joint replacement surgery is performed.
이러한 정형외과 관절 수술에 쓰이는 로봇 중에서는 전 수술 과정을 자동으로 수행하는 로봇이 있으며, 이러한 수술로봇은 미리 계획된 경로를 따라 사람의 개입 없이 자동으로 뼈를 절삭해낸다. Among the robots used for orthopedic joint surgery, there is a robot that automatically performs the entire surgical process, and these surgical robots automatically cut bones along a pre-planned path without human intervention.
종래 정형외과 수술로봇을 이용한 무릎 관절 수술을 진행 시, 미리 수술 경로를 결정하고, 수술 대상체에 광학식 마커를 장착하고, 광학센서로 광학식 마커의 위치와 자세를 트래킹하여, 수술 경로에 따라 환자 위치와 로봇의 위치를 모니터링하여 수술을 진행한다.When performing knee joint surgery using a conventional orthopedic surgical robot, the surgical route is determined in advance, an optical marker is mounted on the surgical object, and the position and posture of the optical marker are tracked with an optical sensor, and the patient position and The operation is carried out by monitoring the position of the robot.
한편, 수술 대상체에 장착되는 마커는 수술 중에 외력 등에 의해 변형되는 경우가 종종 발생한다. 이와 같이 마커의 변형이 발생하면 수술 대상체의 위치 및 자세 추정에 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 수술 대상체에 추가적인 마커나 기구물을 부착하여 변형 여부를 확인하였다. On the other hand, it often occurs that the marker mounted on the surgical object is deformed by an external force or the like during surgery. As such, when the marker is deformed, a problem arises in estimating the position and posture of the surgical object. In order to solve this problem, conventionally, an additional marker or instrument is attached to the surgical object to check whether the object is deformed.
하지만, 이러한 종래 기술은 수술 대상체, 예컨대 뼈 등에 마커나 기구물을 더 부착해야 하기 때문에 환자의 뼈 손상 등의 부담이 된다. However, in this prior art, since markers or instruments need to be further attached to the surgical object, for example, bone, it becomes a burden on the patient's bone damage.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수술 중에 수술 대상체에 부착된 마커의 변형 여부를 쉽게 검출할 수 있는 수술 내비게이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. The present invention has been proposed to solve the above problems, and to provide a surgical navigation device and method capable of easily detecting whether a marker attached to a surgical object is deformed during surgery.
또한, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 마커가 변형된 경우 쉽게 리커버리할 수 있는 수술 내비게이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. In addition, the present invention has been proposed to solve the above problems, and it is to provide a surgical navigation device and method for easy recovery when a marker is deformed.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수술 내비게이션 장치는, 수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 대상체 정합부; 상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장하는 기준 위치 저장부; 추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 도출된 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 상기 기준 포인트의 위치를 산출하는 위치 산출부; 및 상기 위치 산출부로부터 산출된 상기 기준 포인트의 위치가 상기 기준위치에서 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 마커 변형 판단부를 포함한다. In a surgical navigation device for achieving the above object, a first image including a target marker attached to a surgical object and a second image related to an object prior to surgery are matched to match the object marker attached to the surgical object and the surgery an object matching unit deriving a correlation regarding positions and postures between objects; a reference position storage unit for setting and storing a reference position with respect to at least one reference point of the operation target; a position calculator for receiving position and posture information of the object marker from a tracker, and calculating a position of the reference point of the surgical object based on the derived correlation; and a marker deformation determining unit that determines that the object marker is deformed when the position of the reference point calculated by the position calculating unit deviates from the reference position.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수술 내비게이션 장치는, 수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 대상체 정합부; 상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트를 기준위치로 하는 상기 대상체 마커의 변화가능위치에 관한 기준위치관계를 산출하여 저장하는 기준 위치 저장부; 추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 대상체 마커의 위치 및 자세가 상기 기준위치관계를 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 마커 변형 판단부를 포함한다. In a surgical navigation device for achieving the above object, a first image including a target marker attached to a surgical object and a second image related to an object prior to surgery are matched to match the object marker attached to the surgical object and the surgery an object matching unit deriving a correlation regarding positions and postures between objects; a reference position storage unit for calculating and storing a reference positional relationship with respect to a changeable position of the object marker using at least one reference point of the surgical object as a reference position; and a marker deformation determining unit that receives the position and posture information of the object marker from the tracker, and determines that the object marker is deformed when the position and posture of the object marker deviates from the reference position relationship.
또한, 수술 로봇에 부착된 로봇 마커를 포함하는 영상에 기초하여 상기 로봇 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 상기 로봇 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 로봇 정합부; 및 상기 대상체 마커의 변형 전후의 상기 대상체 마커와 상기 로봇 마커 간의 상관관계의 변화에 기초하여 상기 대상체 마커의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하고, 상기 대상체 마커의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 상기 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 상관관계를 재설정하는 리커버리부를 더 포함한다. In addition, based on the image including the robot marker attached to the surgical robot, a correlation with respect to the position and posture between the robot marker and the surgical object, and a correlation regarding the position and posture between the robot marker and the reference point are derived. a robot matching unit; and deriving a correlation regarding the position and posture before and after deformation of the object marker based on a change in the correlation between the object marker and the robot marker before and after deformation of the object marker, and correlation before and after deformation of the object marker It further includes a recovery unit for resetting the correlation between the object marker and the operation object based on the.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수술 내비게이션 방법은, 수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상을 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상과 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계; 상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장하는 단계; 추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 도출된 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 상기 기준 포인트의 위치를 산출하는 단계; 및 산출된 상기 기준 포인트의 위치가 상기 기준위치에서 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 단계를 포함한다. In a surgical navigation method for achieving the above object, a first image including an object marker attached to a surgical object is matched with a second image about a surgical object before surgery, and the object marker attached to the operation object and the surgery deriving a correlation regarding positions and postures between objects; setting and storing a reference position with respect to at least one reference point of the surgical object; receiving position and posture information of the subject marker from a tracker, and calculating a position of the reference point of the surgical subject based on the derived correlation; and determining that the object marker is deformed when the calculated position of the reference point deviates from the reference position.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수술 대상체에 기준 포인트에 관한 기준 위치를 설정하고 수술 중 기준 포인트의 위치를 추적함으로써 실시간으로 마커의 변형 여부를 쉽게 검출할 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to easily detect whether a marker is deformed in real time by setting a reference position with respect to a reference point on a surgical object and tracking the position of the reference point during surgery.
또한, 본 발명은 대상체 마커가 변형된 경우 로봇 마커를 이용하여 쉽게 리커버리할 수 있다.Also, according to the present invention, when the object marker is deformed, it can be easily recovered using the robot marker.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치의 제어블록도이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치의 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커 변형 판단부의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치의 제어부의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정합부의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리커버리부의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커 변형 여부의 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커 변형 여부의 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커 변형 여부의 판단 및 리커버리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 1 schematically illustrates a surgical navigation system according to an embodiment of the present invention.
2 is a control block diagram of a surgical navigation device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the operation of the control unit of the surgical navigation device according to an embodiment of the present invention.
4 is for explaining the operation of the marker deformation determining unit according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a control unit of the surgical navigation device according to an embodiment of the present invention.
6 is for explaining the operation of the robot matching unit according to an embodiment of the present invention.
7 is for explaining the operation of the recovery unit according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of determining whether an object marker is deformed by a surgical navigation device according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method of determining whether an object marker is deformed by a surgical navigation device according to another embodiment of the present invention.
10 is a flowchart illustrating a method for determining and recovering whether an object marker is deformed by a surgical navigation device according to another embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, detailed descriptions of well-known functions or configurations that may obscure the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings will be omitted. Also, it should be noted that throughout the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. The terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor is appropriate as a concept of terms for describing his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined in Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention. It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하에서는 도 1 내지 도 4을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 관해 설명하기로 한다. Hereinafter, a surgical navigation device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 시스템은 수술 대상체(1, 2)에 부착된 대상체 마커(10, 20), 수술 로봇(30), 추적기(40), 및 수술 내비게이션 장치(100)를 포함한다. 1 schematically illustrates a surgical navigation system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , a surgical navigation system according to an embodiment of the present invention includes
수술 대상체(1, 2)는 수술의 대상을 의미하는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 수술 대상체가 대퇴골(1)(Femur)과 경골(2)(Tibia)의 무릎관절로서, 대상체 마커(10, 20)는 대퇴골(1)과 경골(2)에 각각 부착된 것을 일 예로 설명한다. The surgery object (1, 2) refers to a target for surgery, and in the embodiment of the present invention, the operation object is a knee joint of the femur (1) (Femur) and the tibia (2) (Tibia), the object marker (10, 20) will be described as an example that each is attached to the femur (1) and the tibia (2).
수술 로봇(30)은 관절 수술을 위한 것으로 로봇 베이스와 암을 포함하고, 암의 엔드이펙터에 절삭 도구가 위치할 수 있다. 수술 로봇(30)의 베이스에는 로봇 마커(31)가 부착된다.The
대상체 마커(10, 20)와 로봇 마커(31)는 광학식 마커가 사용될 수 있으며, 중심점을 기준으로 서로 다른 방향의 가지 형태의 바(bar) 3개 또는 4개가 형성되고, 바의 단부에는 각각 고반사의 볼마커가 형성될 수 있다. For the
추적기(40)는 수술 로봇(30)에 부착한 로봇 마커(31)와 수술 대상체(1, 2)에 부착된 대상체 마커(10, 20)의 위치와 자세를 추적하기 위한 것으로, 3차원 공간 좌표상의 마커의 위치 및 자세를 감지하여, 후술할 수술 내비게이션 장치(100)로 전달한다. 본 발명의 실시예에서 추적기(40)는 광학 추적 시스템(Optical Tracking System, OTS)으로 구현된 것을 일 예로 설명한다.The
수술 내비게이션 장치(100)는 수술 대상체 정합과 수술 로봇(30)의 정합을 수행하고, 추적기(40)로부터 입력되는 신호를 수신하여 대상체 마커(10, 20)의 변형 여부를 판단하기 위한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 컴퓨터(프로세서)와 디스플레이를 포함하여 구현될 수 있다. 도 1에서는 수술 내비게이션 장치(100)가 수술 로봇(30)에 분리되어 별도의 장치로 구현되는 것으로 도시하였으나, 경우에 따라서는 수술 내비게이션 장치의 컴퓨터(프로세서)는 수술 로봇(30) 내에 설치되고, 수술 내비게이션 장치의 디스플레이는 추적기(40)에 연결되어 함께 설치될 수도 있다. 이 경우, 수술 로봇(30)은 추적기(40)와 연결되어 마커들의 위치/자세정보를 수신하고, 이를 처리하여 디스플레이로 제공한다. The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치(100)의 제어블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 수술 내비게이션 장치(100)는 신호수신부(110), 사용자 입력부(120), 디스플레이부(130), 메모리부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.2 is a control block diagram of the
신호수신부(110)는 외부로부터 신호를 수신하기 위한 것으로, 예컨대, 외부 기기와의 연결을 위한 HDMI(High Definition Multimedia Interface) 커넥터(11), 디-서브(D-sub) 커넥터, 또는 인터넷 망을 비롯한 유/무선 네트워크와 연결하기 위한 통신모듈을 포함할 수 있다. 신호수신부(110)는 추적기(40)와 수술 로봇(30)과의 연동을 위한 유무선 통신모듈을 포함할 수 있다. The
사용자 입력부(120)는 사용자로부터 명령을 수신하여 후술할 제어부(150)로 전달하기 위한 것으로, 키보드, 마우스, 버튼 등의 다양한 입력수단을 포함할 수 있다. The
디스플레이부(130)는 영상을 화면에 표시하기 위한 것으로, 액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display) 패널, 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode) 패널, 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 패널 등으로 구현될 수 있다. The
메모리부(140)는 수술 내비게이션 장치(100)의 다양한 OS, 미들웨어, 플랫폼, 및 각종 어플케이션을 저장할 수 있으며, 프로그램 코드 및 신호처리된 영상신호, 음성 신호 및 데이터를 저장할 수 있다. 메모리부(140)는 수술 전 획득한 수술 대상체(1, 2)에 관한 수술대상영상, 예컨대 환자 CT 영상 등을 저장한다. The
제어부(150)는 사용자 입력부(120)를 통하여 입력된 사용자 명령 또는 내부 프로그램에 의하여 수술 내비게이션 장치(100)의 전반적인 제어를 담당한다. 제어부(150)는 신호 처리 및 제어를 위한 프로그램 코드 및 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하여 구현될 수 있다. 제어부(150)는 신호수신부(110)를 통해 추적기(40)로부터 수신되는 위치/자세 정보를 이용하여 영상 정합 및 위치 추적을 수행하고, 대상체 마커(10, 20)의 변형 여부를 검출한다. 또한, 제어부(150)는 대상체 마커(10, 20)가 변형된 경우 리커버리를 수행한다. The
도 2를 참조하면, 제어부(150)는 대상체 정합부(151), 기준 위치 저장부(153), 마커 변형 판단부(155)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the
대상체 정합부(151)는 추적기(40)로부터 획득한 대상체 마커(10, 20)가 포함된 제1 영상(광학영상)과 수술 전 촬영한 환자의 수술 대상체(1, 2)에 관한 제2 영상(예, 3D CT 영상)을 정합하여 수술 대상체(1, 2)에 부착된 대상체 마커(10, 20)(bone marker)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치/자세에 관한 상관관계를 도출한다. 수술 대상체(1, 2)에 대상체 마커(10, 20)를 부착한 후, 프로브(probe)를 사용하여 수술 대상체(1, 2) 및 대상체 마커(10, 20)의 위치/자세를 인식시킨다. 대상체 정합부(151)는 추적기(40)를 통해 프로브가 지시한 위치/자세에 관한 광학영상을 수신하고, 메모리부(140)에 기 저장된 환자의 3D 데이터, 예컨대 CT 영상과 정합을 수행하여 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치/자세에 관한 상관관계를 도출할 수 있다. The
본 명세서에서 '수술 대상체'는 대퇴골(1)과 경골(2) 등 수술대상의 광의적인 의미로도 사용되고, 임플란트 원점이나 조인트 중심 등의 수술 대상체(1, 2)의 특정 위치 또는 수술 부위를 나타내는 협의의 의미로도 사용된다. In the present specification, the term 'surgical object' is used in a broad sense of a surgical target, such as the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(150)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 수술 대상체는 대퇴골(1)과 경골(2)의 무릎관절이고 대상체 마커(10, 20)는 대퇴골(1)과 경골(2)에 부착되어 있다. 3 is a diagram for explaining the operation of the
도 3에서 FMC는 대퇴골(1)의 대상체 마커(10, 20)의 위치와 자세를 기준으로 하는 대퇴골 마커(10)의 좌표계를 의미하고, HC는 대퇴골(1)의 힙 조인트 중심(Hip Joint Center, HJC)의 위치와 자세를 기준으로 하는 좌표계를 의미한다. 대상체 정합부(151)는 영상정합을 통해 대퇴골 마커(10)의 위치와 대퇴골(1)의 힙 조인트 중심점의 위치/자세에 관한 상관관계, 예컨대 대퇴골 마커(10)에 대한 대퇴골(1)의 힙 조인트 중심의 좌표변환관계로서 변환행렬(FTH)을 도출할 수 있다. 이에 의해, 추적기(40)로부터 대퇴골 마커(10)의 위치와 자세정보를 획득하고, 획득한 대퇴골(1)의 위치와 자세정보에 대상체 정합부(151)에서 도출한 변환행렬(FTH)을 곱하여 대퇴골(1)의 힙 조인트의 중심(HJC)의 위치와 자세를 도출할 수 있다. In FIG. 3 , FMC denotes a coordinate system of the
도 3에서 TMC는 경골 마커(20)의 좌표계를 의미하고, AC는 경골(2)의 앵클 조인트 중심(Ankle Joint Center, AJC)을 원점으로 하는 좌표계를 의미한다. 동일한 방법으로, 대상체 정합부(151)는 영상정합을 통해 경골(2)에 부착된 경골마커(20)에 대한 앵클 조인트 중심(AJC)의 위치/자세에 관한 상관관계, 예컨대, 좌표변환관계인 변환행렬(TTA)을 도출한다. 이에 의해, 추적기(40)로부터 경골 마커(20)에 관한 위치와 자세정보를 획득하고, 경골 마커(20)의 위치와 자세정보에 수술 대상체 정합부(151)에서 도출한 변환행렬(TTA)을 곱하여 경골(2)의 앵클 조인트 중심(AJC)의 위치와 자세를 도출할 수 있다. In FIG. 3 , TMC denotes a coordinate system of the
대상체 정합부(151)는 전술한 대퇴골(1)의 힙 조인트 중심과 경골(2)의 앵클 조인트 중심 이외에 임플란트 원점 등 다수의 포인트의 위치/자세에 관한 상관관계를 도출한다. 이에 의해, 추적기(40)에 의해 마커의 위치/자세를 추적하면 대상체의 다수의 포인트의 위치 및 자세를 도출할 수 있다. The
수술 대상체(1, 2)의 정합이 완료되면, 로봇을 수술 대상체(1, 2) 가까이 이동 배치하여 수술을 준비하게 된다. 이때, 수술 대상체(1, 2)를 고정하게 되는데, 예를 들어, 도 3에서 힙 조인트 중심과 앵클 조인트 중심을 고정하여 물리적으로 움직이지 못하도록 하고, 이 조인트를 중심으로 대퇴골(1)과 경골(2)은 움직이거나 고정된 상태일 수 있다. When the registration of the surgery objects 1 and 2 is completed, the robot is moved and arranged close to the operation objects 1 and 2 to prepare for surgery. At this time, the surgical object (1, 2) is fixed. For example, in FIG. 3, the hip joint center and the ankle joint center are fixed to prevent physical movement, and the femur (1) and the tibia (1) and the tibia ( 2) may be in a moving or stationary state.
기준 위치 저장부(153)는 대상체정합부에서 도출된 대상체 마커(10, 20)와 상기 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계에 기초하여 수술 대상체(1, 2)의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장한다. 여기서, 적어도 하나의 기준 포인트는 수술 대상체(1, 2)에서 움직임의 기준이 되는 포인트를 의미하며, 수술 대상체(1, 2)의 종류나 수술 종류에 따라 달리 설정될 수 있다. 본 실시예에서는 대퇴골(1)에서는 힙 조인트 중심을 기준 포인트로 설정하여 수술 대상체(1, 2) 고정 후 해당 포인트의 위치 및 자세를 기준위치로 저장하고, 경골(2)에서는 앵클 조인트 중심을 기준 포인트로 설정하여 해당 포인트의 위치 및 자세를 기준위치로 저장한다. 여기서, 기준 위치 저장부(153)에 저장되는 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트의 기준위치는 추적기(40)의 좌표계를 기준으로 하는 위치 및 자세를 의미한다.The reference
위치 산출부(154)는 추적기(40)로부터 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세정보를 수신하고, 대상체 정합부(151)에서 도출된 상관관계에 기초하여 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트의 위치를 산출한다. 도 3을 참조하면, 대퇴골 마커(10)의 위치 및 자세를 추적하여 힙 조인트 중심의 위치를 산출하고, 경골 마커(20)의 위치 및 자세를 추적하여 앵클 조인트 중심의 위치를 산출한다. 위치 산출부(154)는 수술 중 일정 주기로 계속하여 기준 포인트의 위치를 산출한다. 이때, 위치 산출부(154)는 추적기의 좌표계를 기준으로 기준 포인트의 위치 및 자세를 산출한다. The
마커 변형 판단부(155)는 위치 산출부(154)로부터 산출된 상기 포인트의 위치가 기준위치에서 벗어난 경우 대상체 마커(10, 20)의 변형으로 판단하고, 기준위치와 동일한 경우에는 정상상태로 판단한다. 도 3을 참조하면, 대퇴골(1)은 힙 조인트 중심을 기준 포인트로 하여 회전 가능하고, 경골(2)은 앵클 조인트 중심을 기준 포인트로 하여 회전 가능하다. 따라서, 대퇴골 마커(10)는 A1의 구 표면에 위치할 수 있고, 경골 마커(20)는 A2의 구 표면에 위치할 수 있다. 대상체 마커(10, 20)와 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계는 변하지 않으므로, 수술 중 대상체 마커(10, 20)가 움직이더라도 기준 포인트 예컨대, 힙 조인트 중심과 앵클 조인트 중심의 위치는 처음 고정 시의 기준위치를 동일해야 한다. 마커 변형 판단부(155)는 위치 산출부(154)로부터 산출된 기준 포인트의 위치가 기준 위치 저장부(153)에 저장된 기준 위치와 동일한지 여부를 판단하여 동일한 경우는 정상으로, 동일하지 않은 경우에는 마커의 변형이 발생한 것으로 판단한다.When the position of the point calculated by the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커 변형 판단부(155)의 동작을 설명하기 위한 것으로, 대상체 마커(10, 20)가 수술 중에 외력 등에 의해 변형이 발생한 경우를 예시한 것이다. 대퇴골(1)에서는 대퇴골 마커(10)가 회전(rotation)이 발생한 경우를 가정하였다. 위치 산출부(154)는 추적기(40)로부터 대퇴골 마커(10)의 위치 및 자세정보를 획득하고, 대상체 정합부(151)에서 산출한 상관관계(FTH)를 이용하여 기준 포인트 예컨대, 힙 조인트 중심의 위치를 산출한다. 대퇴골 마커(10)는 기존의 FMC 좌표계 기준의 원점 위치에서 오른쪽으로 회전하여 FMC' 좌표 계의 자세로 이동하고, 이에 따라 힙 조인트 중심은 기존의 HJC 위치에서 HJC' 위치로 이동된다. 마커 변형 판단부(155)는 기준 위치 저장부(153)에 기 저장된 기준포인트의 위치인 HJC 위치와 현재 추적된 기준 포인트의 위치인 HJC' 위치가 동일한지 여부를 판단한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기준 포인트의 기준 위치(HJC)와 현재 위치(HJC')이 상이하기 때문에, 마커 변형 판단부(155)는 마커가 외력 등에 의해 변형이 발생한 것으로 판단할 수 있다.FIG. 4 is for explaining the operation of the marker
경골(2)에서는 경골 마커(20)가 수직방향으로 평행이동(translation)이 발생한 경우를 가정하였다. 위치 산출부(154)는 추적기(40)로부터 경골 마커(20)의 위치 및 자세정보를 획득하고, 대상체 정합부(151)에서 산출한 상관관계(TTA)를 이용하여 기준 포인트 예컨대, 앵클 조인트 중심의 위치를 산출한다. 경골 마커(20)는 기존의 TMC 좌표계 기준의 원점에서 아래로 평행 이동하여 TMC' 좌표계의 원점으로 이동하고, 이에 따라 앵클 조인트 중심은 기존의 AJC 위치에서 AJC' 위치로 이동된다. 마커 변형 판단부(155)는 기준 위치 저장부(153)에 기 저장된 기준포인트의 위치인 AJC와 현재 추적된 기준 포인트의 위치인 AJC'이 동일한지 여부를 판단한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기준 포인트의 기준 위치(AJC)와 현재 위치(AJC')이 상이하기 때문에, 마커 변형 판단부(155)는 마커가 외력 등에 의해 변형이 발생한 것으로 판단할 수 있다.In the tibia (2), it was assumed that the
본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치는 GUI 생성부(156)를 더 포함할 수 있다. GUI 생성부(156)는 마커의 변형이 검출된 경우 이를 알리는 메시지를 생성하여 디스플레이부(130)에 표시되도록 할 수 있다. 사용자는 화면에 표시된 메시지를 통해 마커가 변형되었음을 알 수 있다.The surgical navigation device according to an embodiment of the present invention may further include a
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에서 마커 변형 발생 시 리커버리 방법에 관해 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치의 제어부(150)의 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치는 정합부(152)로서 로봇 정합부(152b)를 더 포함하고, 리커버리부(157)를 더 포함할 수 있다. Hereinafter, a recovery method when marker deformation occurs in the surgical navigation device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 7 . 5 is a block diagram of the
로봇 정합부(152b)는 정합을 통해 로봇 마커(31)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 로봇 마커(31)와 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출한다. 로봇 정합부(152b)는 우선 로봇 정합부(152b)는 로봇의 암과 로봇 베이스에 마커를 부착하고, 로봇 암을 움직이면서 마커의 위치 및 자세를 추적기(40)를 통해 추적함으로써 로봇 베이스의 위치/자세와 로봇 마커(31)의 위치/자세 간의 상관관계를 도출하여 로봇 정합을 수행한다. 수술 준비가 완료되면 수술 로봇(30)을 수술 가능 영역으로 배치하고, 추적기(40)를 통해 수술 로봇(30)의 베이스에 설치된 로봇 마커(31)와 대상체 마커(10, 20) 및 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출한다. 여기서, 로봇 정합부(152b)는 수술 로봇(30)의 좌표계 또는 로봇 마커(31)의 좌표계를 기준으로 정합 및 수술 대상체, 대상체 마커, 및 로봇 마커 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정합부(152b)의 동작을 설명하기 위한 것이다. 도 6을 참조하면, RM은 로봇 마커(31)의 위치/자세를 의미하고, RMC는 로봇 마커(31)의 위치를 기준으로 하는 좌표계로서 로봇 마커(31)의 위치 및 자세의 기준이 된다. 로봇 정합부(152b)는 추적기(40)로부터 획득한 마커들의 위치 및 자세 정보에 기초하여 로봇 마커(31)와 대상체 마커(10, 20) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTF, RTT)를 도출한다. 이때, 로봇 정합부(152b)는 대상체 정합부(151)에서 산출한 대상체 마커(10, 20)와 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(FTH, TTA)에 기초하여 로봇 마커(31)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTH, RTA)를 도출할 수 있다. The
예컨대, 로봇 마커(31)와 힙 조인트 중심의 기준위치(HJC) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계는 RTH = RTF x FTH 이고, 로봇 마커(31)와 앵클 조인트 중심의 기준위치(AJC) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계는 RTA = RTT x TTA 로 도출할 수 있다. 여기서, RTF 는 로봇 마커(31)에 대한 대퇴골 마커(10)의 변환행렬, RTT 는 로봇 마커(31)에 대한 경골 마커(20)의 변환행렬, RTH 는 로봇 마커(31)에 대한 힙 조인트 중심의 변환행렬, RTA 는 로봇 마커(31)에 대한 앵클 조인트 중심의 변환행렬을 의미한다. For example, the correlation regarding the position and posture between the
로봇 정합부(152b)에서 산출된 로봇 마커(31)와 기준 포인트의 기준 위치 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTH, RTA)는 기준 위치 저장부(153)에 저장된다. 또한, 로봇 정합부(152b)에서 산출한 로봇 마커(31)와 대상체 마커(10, 20) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTF, RTT)는 리커버리를 위해서 기준 위치 저장부(153)에 저장된다. 한편, 기준 위치 저장부(153)는 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트의 기준위치를 저장하되, 로봇 마커(31) 또는 수술 로봇(30)의 베이스의 좌표계 중 하나를 기준으로 하는 위치 및 자세정보를 저장할 수 있다. 리커버리를 위해서는 움직이지 않는 고정된 제3의 위치를 기준으로 하는 기준 포인트의 위치 및 자세정보가 필요하다. 추적기(30)는 수술 중에 이동될 가능성이 있으므로, 본 실시예에서는 리커버리를 위한 기준 포인트의 위치 및 자세정보는 움직이지 않고 고정되어 있는 수술 로봇(30)을 기준으로 하는 좌표계 즉, 수술 로봇(30)의 베이스의 좌표계 또는 로봇 마커(31)의 좌표계를 기준으로 하는 기준위치의 위치 및 자세정보를 저장하여 리커버리 시 사용한다. 또한, 본 실시예에서는 마커 변형 판단부(155)가 로봇 마커(31) 또는 수술 로봇(30)의 베이스의 좌표계를 기준으로 기준 포인트의 위치를 산출하여 기준 위치 저장부(153)에 저장된 값과 비교하여 마커의 변형 여부를 판단할 수 있다. 다른 예에서는 마커 변형 판단부(155)가 추적기(40)의 좌표계를 기준으로 기준 포인트의 위치를 산출하여 기준 위치 저장부(153)에 저장된 값(예, 추적기 좌표계를 기준으로 한 기준위치)과 비교하여 마커의 변형 여부를 판단할 수도 있다. The correlations R T H , R T A with respect to the position and posture between the
리커버리부(157)는 대상체 마커(10, 20)의 변형 전후의 대상체 마커(10, 20)와 로봇 마커(31) 간의 상관관계의 변화에 기초하여 대상체 마커(10, 20)의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하고, 대상체 마커(10, 20)의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 대상체 마커(10, 20)와 상기 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계를 재설정한다. The
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리커버리부(157)의 동작을 설명하기 위한 것이다. 도 7을 참조하면, 도 4와 동일하게 대퇴골(1)에서는 대퇴골 마커(10)가 회전(rotation)이 발생하고, 경골(2)에서는 경골 마커(20)가 수직방향으로 평행이동(translation)이 발생한 경우를 가정한 것이다. 마커 변형 판단부(155)는 위치 산출부(154)에서 산출한 기준 포인트의 위치, 예컨대 힙 조인트 중심의 위치(HJC')와 앵클 조인트 중심의 위치(AJC')가 기준 위치, 예컨대 HJC와 AJC와 동일한지 여부를 판단하고, 대퇴골 마커(10)와 경골 마커(20)에서 모두 변형이 발생한 것으로 판단한다. 마커 변형 판단부(155)에서 마커의 변형이 발생한 것으로 검출하면, 리커버리부(157)는 변경된 마커를 기준으로 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 재설정한다. 7 is for explaining the operation of the
대퇴골 마커(10)의 변형 후의 대상체 마커(10, 20)와 로봇 마커(31)의 상관관계는 추적기(40)를 통해 획득한 위치/자세로부터 산출할 수 있으며, 도 7에서 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 후의 로봇 마커(31)에 관한 경골 마커(20)의 변환행렬 RTF' 로 나타낸다. 전술한 바와 같이, 기준 위치 저장부(153)에는 마커의 변형 발생 전의 로봇 마커(31)에 관한 대퇴골 마커(10)의 변환행렬이 저장되어 있다. The correlation between the
리커버리부(157)는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전후의 로봇 마커(31)에 관한 대퇴골 마커(10)의 변환행렬을 이용하여, 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전후의 대퇴골 마커(10)의 위치 및 자세의 변화에 관한 상관관계를 아래와 같이 도출할 수 있다. The
[수학식 1][Equation 1]
FTF' = inv(RTF)x RTF' ……………(1) F T F' = inv( R T F )x R T F' … … … … … (One)
= inv(RTH x inv(FTH))x RTF' ……………(2) = inv( R T H x inv( F T H ))x R T F' … … … … … (2)
(여기서, FTF'는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전후의 대퇴골 마커(10)의 위치 및 자세의 변화에 관한 변환행렬, RTF'는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 후의 로봇 마커(31)에 관한 대퇴골 마커(10)의 변환행렬, RTF는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전의 로봇 마커(31)에 관한 대퇴골 마커(10)의 변환행렬, RTH 는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전의 로봇 마커(31)에 대한 힙 조인트 중심(기준 위치)의 변환행렬, FTH 는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전의 대퇴골 마커(10)에 대한 힙 조인트 중심(기준 위치)의 변환행렬을 의미하고, inv는 역함수를 의미한다.) 이때, 리커버리부(157)는 기준 데이터 저장부(153)에 RTF 값이 저장된 경우, (1) 수식을 사용하고, 기준 데이터 저장부(153)에 RTH, FTH 값이 저장된 경우, (2) 수식을 사용하여 FTF'값을 산출할 수 있다. (Here, F T F' is a transformation matrix related to the change in the position and posture of the
리커버리부(157)는 대퇴골 마커(10)의 변형 발생 전후의 대퇴골 마커(10)의 위치 및 자세의 변화에 관한 상관관계(FTF')에 기초하여 대퇴골 마커(10)의 변형 후의 대퇴골 마커(10)와 힙 조인트 중심(HJC) 간의 상관관계를 도출하여 재설정할 수 있다. The recovery unit 157 is a femoral marker after deformation of the femur marker 10 based on the correlation (F T F' ) regarding the change in the position and posture of the
[수학식 2][Equation 2]
F'TH = inv(FTF')x FTH F' T H = inv( F T F' )x F T H
(여기서, F'TH는 대퇴골 마커(10)의 변형 후의 대퇴골 마커(10)에 관한 힙 조인트 중심(HJC)의 변환행렬을 의미한다)(Here, F' T H means the transformation matrix of the hip joint center (HJC) with respect to the
동일한 방식으로, 리커버리부(157)는 경골 마커(20)의 변형 발생 전후의 로봇 마커(31)에 관한 경골 마커(20)의 변환행렬을 이용하여, 경골 마커(20)의 변형 발생 전후의 경골 마커(20)의 위치 및 자세의 변화에 관한 상관관계를 아래와 같이 도출할 수 있다. In the same way, the
[수학식 3][Equation 3]
TTT' = inv(RTT)x RTT' ………………………(3) T T T' = inv( R T T )x R T T' … … … … … … … … … (3)
= inv(RTA x inv(TTA))x RTT' ……………………………(4) = inv( R T A x inv( T T A ))x R T T' … … … … … … … … … … … (4)
(여기서, TTT'는 경골 마커(20)의 변형 발생 전후의 경골 마커(20)의 위치 및 자세의 변화에 관한 변환행렬, RTT'는 경골 마커(20)의 변형 발생 후의 로봇 마커(31)에 관한 경골 마커(20)의 변환행렬, RTT는 경골 마커(20)의 변형 발생 전의 로봇 마커(31)에 관한 경골 마커(20)의 변환행렬, RTA 는 경골 마커(20)의 변형 발생 전의 로봇 마커(31)에 대한 앵글 조인트 중심(기준 위치)의 변환행렬, TTA 는 경골 마커(20)의 변형 발생 전의 경골 마커(20)에 대한 앵글 조인트 중심(기준 위치)의 변환행렬을 의미한다.) 이때, 리커버리부(157)는 기준 데이터 저장부(153)에 RTT 값이 저장된 경우, (3) 수식을 사용하고, 기준 데이터 저장부(153)에 RTA, TTA 값이 저장된 경우, (4) 수식을 사용하여 TTT'값을 산출할 수 있다. (Here, T T T' is a transformation matrix related to a change in the position and posture of the
리커버리부(157)는 경골 마커(20)의 변형 발생 전후의 경골 마커(20)의 위치 및 자세의 변화에 관한 상관관계(TTT')에 기초하여 경골 마커(20)의 변형 후의 경골 마커(20)와 앵클 조인트 중심(AJC) 간의 상관관계를 도출하여 재설정할 수 있다. The recovery unit 157 is a tibial marker after deformation of the tibial marker 20 based on the correlation (T T T' ) regarding the change in the position and posture of the
[수학식 4][Equation 4]
T'TA = inv(TTT')x TTA T' T A = inv( T T T' )x T T A
(여기서, T'TA는 경골 마커(20)의 변형 후의 경골 마커(20)에 관한 앵클 조인트 중심(AJC)의 변환행렬을 의미한다)(Here, T' T A means the transformation matrix of the center of the ankle joint (AJC) with respect to the
리커버리부(157)에 의해 재설정된 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계는 대상체 정합부(152a) 및 로봇 정합부(152b)에 저장되고, 위치 산출부(154)는 새롭게 설정된 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계게 기초하여 수술 대상체(1, 2) 위치 및 자세를 추적할 수 있다. The correlation between the
만약, 로봇 마커(31)가 외력 등에 의해 변형이 발생한 경우에는 로봇 마커(31) 확인용 복구(restoration) 마커를 별도로 구비하는 것이 바람직하다.If the
전술한 실시예에서는 대상체 마커(10, 20)상의 기준 포인트의 기준 위치를 저장하고, 수술 중에 대상체 마커(10, 20)의 위치를 추적하고 이로부터 기준 포인트의 변화여부를 확인함으로써 대상체 마커(10, 20)의 변형 여부를 판단하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기준 포인트의 기준 위치로 하는 대상체 마커(10, 20)의 변환 가능 위치에 관한 기준위치관계를 산출하고 이를 기준 위치 저장부(153)에 저장할 수도 있다.In the above-described embodiment, the reference position of the reference point on the
마커 변형 판단부(155)는 추적기(40)로부터 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세정보를 획득하고 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세정보가 기준 위치 저장부(153)에 저장된 기준위치관계를 만족하는지를 판단하여 마커의 변형 여부를 판단할 수 있다. 도 3을 참조하면, 대상체 마커(10, 20)는 기준 포인트의 기준위치를 기준으로 A1 및 A2의 구 표면에만 위치할 수 있다. 예를 들어, A1 및 A2의 구 표면이 기준위치관계가 될 수 있다. The marker
전술한 실시예에서는 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세정보로부터 기준 포인트의 위치 및 자세를 산출하는데 비해, 본 실시예에서는 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세정보가 기준위치관계를 만족하는지 확인한다는 점에서 차이가 있다.In the above-described embodiment, the position and posture of the reference point are calculated from the position and posture information of the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커(10, 20) 변형 여부의 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 전술한 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 방법은 먼저 프로브를 이용하여 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2)의 위치를 인식하는 과정을 통해, 추적기(40)에 의해 획득한 마커의 제1 영상과 수술전에 미리 획득한 수술 대상체(1, 2)에 관한 제2 영상의 정합을 수행한다(S10). 이와 같은 정합 과정을 통해 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계를 도출한다(S11). 8 is a flowchart illustrating a method of determining whether the
이때, 수술 대상체(1, 2)의 다수의 포인트 중에서 대상체의 움직임의 기준이 되는 기준 포인트에 관한 기준 위치를 설정하고 해당 위치값을 저장한다(S12). 본 실시예에서는 수술 대상체(1, 2)는 대퇴골(1) 및 경골(2), 기준 포인트는 힙 조인트 중심 및 앵클 조인트 중심을 포함하는 것으로 설명한다. 또한, 기준 포인트의 기준위치는 추적기(40)의 좌표계를 기준으로 하는 위치값으로 저장된다. At this time, a reference position with respect to a reference point, which is a reference point for movement of the object, among a plurality of points of the
수술 중에 추적기(40)를 통해 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세를 획득하고(S13), 전술한 정합과정에서 산출한 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트의 위치 및 자세의 상관관계를 이용하여 기준 포인트의 위치 및 자세를 도출한다(S14). 수술 대상체(1, 2)에 부착된 대상체 마커(10, 20)와 기준 포인트 사이의 상관관계는 추적기(40)의 이동이나 수술 대상체(1, 2)의 움직임에 의해서도 변경되지 않는다. During surgery, the position and posture of the
마커 변형 판단부(155)는 기준 포인트의 위치가 기준 위치 저장부(153)에 저장된 기준 위치와 동일한지 여부를 판단한다(S15). 만약, 불일치하는 경우 대상체 마커(10, 20)의 변형으로 판단하고(S16), 만약 일치하는 경우에는 대상체 마커(10, 20)가 정상상태인 것으로 판단한다(S17). The marker
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커(10, 20) 변형 여부의 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 전술한 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 9 is a flowchart illustrating a method of determining whether the
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 내비게이션 방법은 먼저 프로브를 이용하여 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2)의 위치를 인식하는 과정을 통해, 추적기(40)에 의해 획득한 마커의 제1 영상과 수술전에 미리 획득한 수술 대상체(1, 2)에 관한 제2 영상의 정합을 수행한다(S20). 이와 같은 정합 과정을 통해 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계를 도출한다(S21). Referring to FIG. 9 , in the surgical navigation method according to another embodiment of the present invention, the
이때, 수술 대상체(1, 2)의 다수의 포인트 중에서 대상체의 움직임의 기준이 되는 기준 포인트의 위치를 기준 위치로 하는 대상체 마커(10, 20)의 변화가능위치에 관한 기준위치관계를 산출하여 기준 위치 저장부(153)에 저장한다(S22). 도 3을 참조하면, A1 및 A2의 구 표면이 기준위치관계가 될 수 있다. At this time, the reference positional relationship with respect to the changeable positions of the
수술 중에 추적기(40)를 통해 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세를 획득하고(S23), 대상체 마커(10, 20)의 위치와 자세가 기준 위치 저장부(153)에 저장된 기준 위치 관계를 만족하는지 여부를 판단한다(S24). 만약, 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세가 기준 위치 관계를 벗어나는 경우 대상체 마커(10, 20)의 변형으로 판단하고(S25), 만약 기준 위치 관계를 만족하는 경우에는 대상체 마커(10, 20)가 정상상태인 것으로 판단한다(S26).During surgery, the position and posture of the
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 내비게이션 장치에 의한 대상체 마커(10, 20) 변형 여부의 판단 및 리커버리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 10 is a flowchart illustrating a method of determining whether the
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 내비게이션 방법은 프로브를 이용하여 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2)의 위치를 인식하는 과정을 통해, 추적기(40)에 의해 획득한 마커의 제1 영상과 수술전에 미리 획득한 수술 대상체(1, 2)에 관한 제2 영상의 정합을 수행한다(S30). 한편, 로봇의 정합을 통해 로봇과 로봇 마커(31)와의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출한다. 또한, 로봇을 수술 가능 영역으로 이동시켜 배치하고, 수술 대상체(1, 2)를 고정시킨다. 추적기(40)를 통해 로봇 마커(31)와 대상체 간의 위치 및 자세의 상관관계, 로봇 마커(31)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출한다(S31). Referring to FIG. 10 , in the surgical navigation method according to an embodiment of the present invention, the
이때, 수술 대상체(1, 2)의 다수의 포인트 중에서 대상체의 움직임의 기준이 되는 기준 포인트에 관한 기준 위치를 설정하고 해당 위치값을 저장한다(S32). 여기서, 기준 포인트에 관한 기준위치는 추적기(40)의 좌표계, 로봇 마커(31)의 좌표계, 및 수술 로봇(30)의 베이스의 좌표계 중 적어도 하나를 기준으로 하는 위치 및 자세정보를 포함한다. 본 실시예에서는 로봇 마커(31) 또는 수술 로봇(30)의 좌표계를 기준으로 하는 기준 포인트의 기준위치는 리커버리 시 사용될 수 있으며, 대상체 마커의 변형 여부의 판단은 추적기(40)의 좌표계, 로봇 마커(31)의 좌표계 및 수술 로봇(30)의 좌표계 중 어느 하나를 기준으로 할 수 있다. 또한, 로봇 정합부(152b)에서 산출된 로봇 마커(31)와 기준 포인트의 기준 위치 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTH, RTA)와, 로봇 마커(31)와 대상체 마커(10, 20) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계(RTF, RTT)는 리커버리 시 기준 위치 저장부(153)에 저장되고, 리커버리 시 사용된다. At this time, a reference position with respect to a reference point, which is a reference point for movement of the object, among a plurality of points of the
수술 중에 추적기(40)를 통해 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세를 획득하고(S33), 전술한 과정에서 산출한 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트의 위치 및 자세의 상관관계를 이용하여 기준 포인트의 위치 및 자세를 산출한다(S34). The position and posture of the
마커 변형 판단부(155)는 기준 포인트의 위치가 기준 위치 저장부(153)에 저장된 기준 위치와 동일한지 여부를 판단한다(S35). 만약, 불일치하는 경우 대상체 마커(10, 20)의 변형으로 판단하고(S36), 리커버리부(157)에 의해 리커버리가 수행된다. 한편, 기준 포인트의 위치가 기준 위치와 동일한 경우 대상체 마커(10, 20)가 정상상태인 것으로 판단한다(S39)The marker
리커버리부(157)는 로봇 마커(31)를 이용하여, 변경된 대상체 마커(10, 20)를 기준으로 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 재설정한다. 리커버리부(157)는 대상체 마커(10, 20)의 변형 발생 전후의 대상체 마커(10, 20)와 로봇 마커(31)의 상관관계의 변화에 기초하여 대상체 마커(10, 20)의 위치 및 자세의 변화에 관한 상관관계를 도출하고(S37), 이에 기초하여 대상체 마커(10, 20)의 변형 후의 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2), 예컨대 수술 대상체(1, 2)의 기준 포인트 간의 상관관계를 도출하여 재설정할 수 있다(S38). The
리커버리부(157)에 의해 재설정된 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계는 대상체 정합부(152a) 및 로봇 정합부(152b)에 저장되고, 위치 산출부(154)는 새롭게 설정된 대상체 마커(10, 20)와 수술 대상체(1, 2) 간의 상관관계에 기초하여 수술 대상체(1, 2)의 위치 및 자세를 추적할 수 있다. The correlation between the
1: 대퇴골 2: 경골
10: 대퇴골 마커 20: 경골 마커
30: 수술 로봇 31: 로봇 마커
40: 추적기 100: 수술 내비게이션 장치
110: 신호수신부 120: 사용자 입력부
130: 디스플레이부 140: 메모리부
150: 제어부 151, 152a: 대상체 정합부
152: 정합부 152b: 로봇 정합부
153: 기준 위치 저장부 154: 위치 산출부
155: 마커 변형 판단부 156: GUI 생성부
157: 리커버리부1: Femur 2: Tibia
10: femur marker 20: tibia marker
30: surgical robot 31: robot marker
40: tracker 100: surgical navigation device
110: signal receiving unit 120: user input unit
130: display unit 140: memory unit
150:
152: matching
153: reference position storage unit 154: position calculation unit
155: marker deformation determination unit 156: GUI generation unit
157: recovery unit
Claims (10)
수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 대상체 정합부;
상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장하는 기준 위치 저장부;
추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 도출된 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 상기 기준 포인트의 위치를 산출하는 위치 산출부;
상기 위치 산출부로부터 산출된 상기 기준 포인트의 위치가 상기 기준위치에서 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 마커 변형 판단부;
수술 로봇에 부착된 로봇 마커를 포함하는 영상에 기초하여 상기 로봇 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 상기 로봇 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 로봇 정합부; 및
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상기 대상체 마커와 상기 로봇 마커 간의 상관관계의 변화에 기초하여 상기 대상체 마커의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하고, 상기 대상체 마커의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 상기 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 상관관계를 재설정하는 리커버리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션장치.
In the surgical navigation device,
A first image including an object marker attached to a surgical object and a second image of a pre-surgery object are matched to derive a correlation with respect to the position and posture between the object marker attached to the operation object and the operation object matching part;
a reference position storage unit for setting and storing a reference position with respect to at least one reference point of the operation target;
a position calculator for receiving position and posture information of the object marker from a tracker, and calculating a position of the reference point of the surgical object based on the derived correlation;
a marker deformation determining unit that determines that the object marker is deformed when the position of the reference point calculated by the position calculating unit deviates from the reference position;
A robot for deriving a correlation with respect to the position and posture between the robot marker and the surgical object, and a correlation regarding the position and posture between the robot marker and the reference point, based on an image including the robot marker attached to the surgical robot matching part; and
Based on the change in the correlation between the object marker and the robot marker before and after the deformation of the object marker, a correlation with respect to the position and posture of the object marker before and after deformation is derived, and in the correlation before and after deformation of the object marker Surgical navigation device, characterized in that it comprises a recovery unit for resetting the correlation between the object marker and the operation object based on the operation.
수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 대상체 정합부;
상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트를 기준위치로 하는 상기 대상체 마커의 변화가능위치에 관한 기준위치관계를 산출하여 저장하는 기준 위치 저장부;
추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 대상체 마커의 위치 및 자세가 상기 기준위치관계를 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 마커 변형 판단부;
수술 로봇에 부착된 로봇 마커를 포함하는 영상에 기초하여 상기 로봇 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 상기 로봇 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 로봇 정합부; 및
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상기 대상체 마커와 상기 로봇 마커 간의 상관관계의 변화에 기초하여 상기 대상체 마커의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하고, 상기 대상체 마커의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 상기 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 상관관계를 재설정하는 리커버리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션장치.
In the surgical navigation device,
A first image including an object marker attached to a surgical object and a second image of a pre-surgery object are matched to derive a correlation with respect to the position and posture between the object marker attached to the operation object and the operation object matching part;
a reference position storage unit for calculating and storing a reference positional relationship with respect to a changeable position of the object marker using at least one reference point of the surgical object as a reference position;
a marker deformation determining unit that receives position and posture information of the object marker from a tracker and determines that the object marker is deformed when the position and posture of the object marker deviates from the reference position relationship;
A robot for deriving a correlation with respect to the position and posture between the robot marker and the surgical object and a correlation regarding the position and posture between the robot marker and the reference point based on an image including the robot marker attached to the surgical robot matching part; and
Based on the change in the correlation between the object marker and the robot marker before and after the deformation of the object marker, a correlation with respect to the position and posture of the object marker before and after deformation is derived, and in the correlation before and after the deformation of the object marker Surgical navigation device, characterized in that it comprises a recovery unit for resetting the correlation between the object marker and the operation object based on the operation.
상기 수술 대상체는 대퇴골 및 경골 중 적어도 하나를 포함하고;
상기 기준 포인트는 힙 조인트 중심 및 앵클 조인트 중심 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션장치.
3. The method of claim 1 or 2,
the surgical subject includes at least one of a femur and a tibia;
The reference point is a surgical navigation device, characterized in that it includes at least one of the center of the hip joint and the center of the ankle joint.
상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준포인트의 기준위치는 상기 추적기의 좌표계와 상기 수술 로봇의 좌표계, 상기 로봇 마커의 좌표계 중 적어도 하나를 기준으로 한 위치인 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션장치.
5. The method of claim 4,
The reference position of the at least one reference point of the surgical object is a position based on at least one of the coordinate system of the tracker, the coordinate system of the surgical robot, and the coordinate system of the robot marker.
수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상을 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상과 정합하여 상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계;
상기 수술 대상체의 적어도 하나의 기준 포인트에 관한 기준위치를 설정하여 저장하는 단계;
수술 로봇에 부착된 로봇 마커를 포함하는 영상에 기초하여 상기 로봇 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 상기 로봇 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계;
추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하고, 상기 도출된 상관관계에 기초하여 상기 수술 대상체의 상기 기준 포인트의 위치를 산출하는 단계;
산출된 상기 기준 포인트의 위치가 상기 기준위치에서 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 단계;
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상기 대상체 마커와 상기 로봇 마커 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계의 변화에 기초하여 상기 대상체 마커의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계; 및
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 상기 대상체 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션 방법.
In the surgical navigation method,
Deriving a correlation with respect to the position and posture between the object marker attached to the operation object and the operation object by matching the first image including the object marker attached to the operation object with the second image about the operation object before surgery ;
setting and storing a reference position with respect to at least one reference point of the surgical object;
Deriving a correlation with respect to the position and posture between the robot marker and the surgical object and a correlation regarding the position and posture between the robot marker and the reference point based on an image including the robot marker attached to the surgical robot ;
receiving position and posture information of the subject marker from a tracker, and calculating a position of the reference point of the surgical subject based on the derived correlation;
determining that the object marker is deformed when the calculated position of the reference point deviates from the reference position;
deriving a correlation with respect to the position and posture of the object marker before and after deformation based on a change in the correlation with respect to the position and posture between the object marker and the robot marker before and after deformation of the object marker; and
and resetting a correlation regarding a position and posture between the object marker and the reference point based on a correlation before and after deformation of the object marker.
수술 대상체에 부착된 대상체 마커를 포함하는 제1 영상과 수술 전 수술 대상체에 관한 제2 영상을 정합하는 단계;
상기 수술 대상체에 부착된 대상체 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계;
적어도 하나의 기준 포인트를 기준위치로 하는 상기 대상체 마커의 변화가능위치에 관한 기준위치관계를 산출하여 저장하는 단계;
수술 로봇에 부착된 로봇 마커를 포함하는 영상에 기초하여 상기 로봇 마커와 상기 수술 대상체 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계, 및 상기 로봇 마커와 상기 기준 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계;
추적기로부터 상기 대상체 마커의 위치 및 자세정보를 수신하는 단계; 및
상기 대상체 마커의 위치 및 자세가 상기 기준위치관계를 벗어난 경우 상기 대상체 마커의 변형으로 판단하는 단계;
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상기 대상체 마커와 상기 로봇 마커 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계의 변화에 기초하여 상기 대상체 마커의 변형 전후의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 도출하는 단계; 및
상기 대상체 마커의 변형 전후의 상관관계에 기초하여 상기 대상체 마커와 상기 포인트 간의 위치 및 자세에 관한 상관관계를 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션 방법.
In the surgical navigation method,
matching the first image including the object marker attached to the surgical object with the second image of the preoperative surgical object;
deriving a correlation with respect to a position and posture between an object marker attached to the operation object and the operation object;
calculating and storing a reference positional relationship with respect to a changeable position of the object marker using at least one reference point as a reference position;
Deriving a correlation with respect to the position and posture between the robot marker and the surgical object and a correlation regarding the position and posture between the robot marker and the reference point based on an image including the robot marker attached to the surgical robot ;
receiving position and posture information of the object marker from a tracker; and
determining that the object marker is deformed when the position and posture of the object marker deviates from the reference position relationship;
deriving a correlation with respect to the position and posture of the object marker before and after deformation based on a change in the correlation with respect to the position and posture between the object marker and the robot marker before and after deformation of the object marker; and
and re-establishing a correlation with respect to a position and posture between the object marker and the point based on a correlation before and after deformation of the object marker.
상기 대상체 마커의 변형이 발생한 경우, 경고 메시지를 생성하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션 방법.
8. The method of claim 6 or 7,
The surgical navigation method further comprising the step of generating and outputting a warning message when the deformation of the object marker occurs.
상기 수술 대상체는 대퇴골 및 경골 중 적어도 하나를 포함하고;
상기 기준 포인트는 힙 조인트 센터 및 앵클 조인트 센터 중 적어도 하나를 포함하며;
상기 기준 포인트의 기준위치는 상기 추적기의 좌표계와 상기 수술 로봇의 좌표계, 상기 로봇 마커의 좌표계 중 적어도 하나를 기준으로 한 위치인 것을 특징으로 하는 수술 내비게이션 방법.
8. The method of claim 6 or 7,
the surgical subject includes at least one of a femur and a tibia;
the reference point includes at least one of a hip joint center and an ankle joint center;
The reference position of the reference point is a position based on at least one of the coordinate system of the tracker, the coordinate system of the surgical robot, and the coordinate system of the robot marker.
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