KR20120058826A - 의료 장비의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

사용자가 조작하는 대로 장비가 패시브하게 움직이면서도 힘 센서 또는 토크 센서 등을 이용하여 사용자의 조작 의도를 파악하여 이를 모터 제어에 반영함으로써 사용자의 로드(구동력)를 감소시킬 수 있도록 한다. 이를 위해 적어도 하나의 축을 통해 이동하거나 관절 운동을 하는 의료 장비의 제어 방법에 있어서, 의료 장비를 이동시키기 위해 사용자에 의해 의료 장비에 가해진 힘의 방향과 크기를 판단하고; 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 사용자에 의해 가해진 힘에 비례하는 크기의 보조력을 발생시켜 의료 장비가 쉽게 이동하도록 한다.

Description

의료 장비의 제어 방법{METHOD OF CONTROLLING MEDICAL EQUIPMENT}

본 발명은 의료 장비의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 크기가 크고 무거운 의료 장비에 관한 것이다.

크고 무거운 의료 장비의 포지셔닝은 크게 모터 구동력을 사용하여 사용자가 입력한 위치로 포지셔닝되는 자동 모드(automatic motorized positioning)와 모터 구동력을 사용하지 않고 사용자(operator)가 의료 장비의 핸들을 잡아 직접 포지셔닝하는 수동 모드(manual positioning)로 구분된다.

자동 모드는 안전성 등을 위해 구동 속도가 제한되어 있어 포지셔닝을 완료하는데 걸리는 시간이 길다. 따라서 수익성 제고를 위해 대부분의 병원에서는 자동 모드 보다는 손으로 직접 포지셔닝하는 수동 모드를 더 선호하고 있다. 수동 모드는 자동 모드에 비해 포지셔닝 시간이 짧은 장점이 있지만 무거운 장비를 직접 손으로 움직여야 하기 때문에 반복적인 작업을 통한 사용자의 부담이 크다고 할 수 있다.

일 측면에 따르면, 사용자가 조작하는 대로 장비가 패시브하게 움직이면서도 힘 센서 또는 토크 센서 등을 이용하여 사용자의 조작 의도를 파악하여 이를 모터 제어에 반영함으로써 사용자의 로드(구동력)를 감소시킬 수 있도록 한다.

다른 측면에 따르면, 반복적으로 많이 사용되는 포지션(자세) 등에 대해 자석의 인력(Attractive force)과 유사한 가상력(Virtual Force)을 인가함으로써 사용자가 해당 자세로 장비를 쉽게 포지셔닝 할 수 있도록 할 수 있도록 한다.

또 다른 측면에 따르면, 자석의 인력(Attractive force)과 유사한 가상력(Virtual Force)을 이용하여 서로 다른 기구물 등의 정렬(alignment)이 손쉽게 이루어질 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 의료 장비의 제어 방법은, 적어도 하나의 축을 통해 이동하거나 관절 운동을 하는 의료 장비의 제어 방법에 있어서, 의료 장비를 이동시키기 위해 사용자에 의해 의료 장비에 가해진 힘의 방향과 크기를 판단하고; 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 사용자에 의해 가해진 힘에 비례하는 크기의 보조력을 발생시켜 의료 장비가 쉽게 이동하도록 한다.

상술한 의료 장비의 제어 방법은, 임피던스 필터가 힘 센서로부터 사용자에 의해 가해진 힘의 정보를 입력받아 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 생성하고; 위치 제어부는 위치 임피던스 필터로부터 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 입력받고 또 모터로부터 위치 정보를 피드백받아 의료 장비의 위치 제어 정보를 생성한다.

상술한 의료 장비의 제어 방법에서, 힘 센서는 스트레인 게이지이다.

상술한 의료 장비의 제어 방법에서, 위치 제어부는 모터의 엔코더로부터 위치 정보를 피드백받는다.

본 발명에 따른 또 다른 의료 장비의 제어 방법은, 적어도 하나의 축을 통해 이동하거나 관절 운동을 하는 의료 장비의 제어 방법에 있어서, 의료 장비를 이동시키기 위해 사용자에 의해 의료 장비에 가해진 힘의 방향과 크기를 판단하고; 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 사용자에 의해 가해진 힘에 비례하는 크기의 제 1 보조력을 발생시켜 의료 장비가 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 쉽게 이동하도록 하고, 의료 장비가 미리 정해진 위치에 근접하면 사용자에 의해 가해진 힘의 반대 방향으로 제 2 보조력을 발생시켜 의료 장비가 미리 정해진 위치에서 정지하도록 하여 의료 장비가 미리 정해진 위치에 정확하게 위치하도록 한다.

상술한 의료 장비의 제어 방법에서, 임피던스 필터가 힘 센서로부터 사용자에 의해 가해진 힘의 정보를 입력받아 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 생성하고; 위치 제어부는 위치 임피던스 필터로부터 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 입력받고 또 모터로부터 위치 정보를 피드백받아 의료 장비의 위치 제어 정보를 생성한다.

일 측면에 따르면, 사용자가 의도를 감지하고 이를 반영하여 장비의 모터를 제어함으로써 무거운 중량의 장비를 쉽게 직관적으로 포지셔닝할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 기존의 자동 모드에 비해 빠른 포지셔닝이 가능하면서 사용자의 로드를 감소시킬 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 자주 사용되는 위치로의 가이드 기능(Snap to Grid)을 통해 사용자의 편의성을 제고하고 포지셔닝의 정확도를 높일 수 있다.

충돌 위험이나 관절 리밋 초과 등을 사용자에 감각적(Haptic)으로 알려줌으로써 이를 직관적인 방법으로 피할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 의료 장비의 제어 흐름을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 나타낸 제어 개념을 그래프로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면.
도 6은 도 5에 나타낸 제어 개념을 그래프로 나타낸 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면이다. 도 1의 (A)와 (B)에 나타낸 의료 장비는 X선 촬영 장치(100)로서, 촬영부(102)와 사용자 인터페이스(104), 핸들(106)로 구성된다. 촬영부(102)는 실제로 X선 촬영이 이루어지는 촬상면을 포함한다. 사용자 인터페이스(104)는 X선 촬영 장치(100)의 사용자가 X선 촬영에 필요한 조작이나 설정 등을 수행하기 위한 것이다. 핸들(106)은 X선 촬영 장치(100)의 사용자가 이 핸들(106)을 잡고 암(arm)(108)을 움직여서 촬영부(102)의 위치를 조절하기 위한 것이다. 물론 촬영부(102)가 목적하는 위치에 도달하면 별도의 고정 장치(미도시)를 통해 암(108)을 고정시켜서 움직이지 않도록 한다.

도 1의 (B)에서, 사용자가 촬영부(102)를 (A)의 경우보다 더 높은 곳에 위치시키기 위해 화살표(110)의 방향 및 크기로 핸들(106) 부분에 힘을 가하면 촬영부(102)는 화살표(112)의 방향 및 크기의 힘에 의해 위쪽으로 이동한다. 이 때 핸들(106)에 가해진 힘(110)의 크기보다 촬영부(102)가 이동하도록 하는 힘(112)의 크기가 더 크기 때문에, 사용자는 적은 힘(110)만으로 무거운 촬영부(102)를 쉽게 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 이는 핸들(106)에 가해지는 힘의 크기와 방향을 고려하여 같은 방향으로 더 큰 힘을 발생시키도록 의료 장비의 각 축(axis)에 마련된 모터의 구동력을 증가시켜서 구현한다.

도 2는 도 1에 나타낸 의료 장비의 제어 흐름을 나타낸 도면이다. 도 2에서 참조 부호 100으로 지시된 점선 블록은 도 1의 의료 장비(100)를 의미한다. 이 점선 블록(즉 의료 장비(100))의 내부에 도시된 서보 제어부(206)와 모터 구동부(208), 모터(210), 센서부(212) 등은 의료 장비(100)를 구성하는 하드웨어들 중 일부를 나타낸 것이고, 점선 블록(100)의 밖에 도시된 임피던스 필터(202)와 위치 제어부(204), 위치 정보(214), 힘 정보(216)는 의료 장비(100)의 마이크로컴퓨터(메인 컨트롤러)에 의해 수행되는 연산 또는 마이크로컴퓨터로 전달되는 정보의 흐름을 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 의료 장비(100)의 제어는 어드미턴스 제어(admittance control)를 기반으로 하며, 위치 제어(position control)가 간접 힘 제어(indirect force control)와 겹쳐진 형태이다.

이를 위해, 먼저 사용자가 의료 장비(100)의 핸들(106)에 가하는 힘의 방향과 크기를 힘 센서를 이용하여 측정한다. 사용자에 의해 가해진 힘(F)에 대한 의료 장비(100)의 제어 시스템의 응답은 아래의 식 1로 표현되는 임피던스 필터(impedance filter)를 사용하여 결정한다.

위의 식 1에서, F는 힘 센서를 통해 측정된 사용자로부터 가해진 힘이고, Md와 Bd는 각각 사용자가 실제로 느끼게 되는 의료 장비(100)의 중량 및 마찰이다. 이 중량(Md)과 마찰(Bd)은 가변적일 수 있으며, 사용자의 편의에 따라 안정화 영역 내에서 조정 및 설정이 가능하다. 일반적인 임피던스 필터는 식 1에 스프링 힘(spring force)이 더 추가되지만, 본 발명의 일 실시 예에서는 의료 장비(100)가 사용자의 힘에 순응하도록 목표 위치(desired position)가 계속 변해야 하므로 스프링 강성(spring stiffness)은 0으로 설정한 것과 같다. 따라서 식 1의 △x는 사용자가 가하는 힘 F에 순응하기 위한 현재 위치의 변화량이다. 따라서 바로 전 목표 위치가 xc라 할 때 매 순간마다의 새로운 목표 위치는 xc+△x이다.

또한 현재 위치의 변화량 △x와, 이 △x의 2차 시간 미분 값(

) 및 1차 시간 미분 값(

)은 사용자에 의해 가해진 힘 F에 비례하므로, 이 힘 F의 크기에 비례하여 의료 장비(100)의 포지셔닝 속도(즉 목표 위치를 찾아가는 속도)가 빨라질 수 있으며, 사용자가 더 이상 힘을 가하지 않는 경우(F=0)는 위의 식 1로부터 △x 역시 0으로 수렴하기 때문에 의료 장비(100)도 더 이상 움직이지 않게 된다. 그리고 의료 장비(100)와 촬영 대상(환자 또는 시편 등)의 안전을 고려하여

와

의 최대 값의 설정을 통해 의료 장비(100)의 움직임의 최고 가속도와 최고 속도 등을 제한할 수 있다.

위치 제어는 임피던스 필터(202)에서 수정된 xc+△x를 제어 명령으로 하여 모터(210)의 현재의 위치 정보(214)를 피드백 받아 제어한다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 의료 장비(100)의 위치 제어(204)는 임피던스 필터(202)에서 수정된 위치 정보(xc+△x)를 발생시키면 이 위치 정보에 기초하여 서보 제어를 위한 제어 명령이 발생하고, 서보 제어부(206)는 이 제어 명령에 기초하여 모터 구동부(208)를 통해 모터(210)를 구동시킨다. 위치 제어(204)는 모터(210)의 엔코더(encoder)나 포텐쇼미터(Potentiometer) 등의 위치 센서를 통해 의료 장비(100)의 각 부분의 위치 정보(214)를 피드백 받아 위치 제어 명령에 반영하고, 임피던스 필터(202)는 역시 센서부(212)의 힘 센서를 통해 의료 장비(100)에 가해지는 힘 정보(216)(예를 들면 도 1의 힘(110)의 정보)를 피드백 받아 위치 정보의 생성에 반영한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면이다. 도 3의 의료 장비는 X선 촬영 장치(300)로서, 촬영부(302)와 사용자 인터페이스(304), 핸들(306)로 구성된다. 촬영부(302)는 실제로 X선 촬영이 이루어지는 촬상면을 포함한다. 사용자 인터페이스(304)는 X선 촬영 장치(300)의 사용자가 X선 촬영에 필요한 조작이나 설정 등을 수행하기 위한 것이다. 핸들(306)은 X선 촬영 장치(300)의 사용자가 이 핸들(306)을 잡고 암(arm)(308)을 움직여서 촬영부(302)의 위치를 조절하기 위한 것이다. 도 3의 X선 촬영 장치(300)는 촬영부(302)가 미리 설정된 위치에 도달하면 움직임을 멈추고 정지한다.

도 3에서, 사용자가 촬영부(302)의 위치를 변경하기 위해 화살표(310)의 방향 및 크기로 핸들(306) 부분에 힘을 가하면 촬영부(302)는 화살표(312)의 방향 및 크기의 힘에 의해 이동한다. 이 때 핸들(306)에 가해진 힘(310)의 크기보다 촬영부(302)가 이동하도록 하는 힘(312)의 크기가 더 크기 때문에, 사용자는 적은 힘(310)만으로 무거운 촬영부(302)를 쉽게 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 이는 핸들(306)에 가해지는 힘의 크기와 방향을 고려하여 같은 방향으로 더 큰 힘을 발생시키도록 의료 장비의 각 축(axis)에 마련된 모터의 구동력을 증가시켜서 구현한다. 또한, 참조 부호 314가 지시하는 것은 촬영부(302)의 미리 설정된 목표 위치인데, 촬영부(302)가 모터의 구동력에 의해 목표 위치(314)에 근처에 도달하면 속도(힘)가 서서히 감소하다가 목표 위치(314)에서 이동을 멈추게 된다. 이로써 촬영부(302)를 미리 설정된 목표 위치로 안내하여 위치시키는 안내 기능(일명 Snap to Grid)이 구현된다. 이 안내 기능을 통해 사용자는 작은 힘만으로도 촬영부(302)를 쉽게 이동시킬 수 있음은 물론, 촬영부(302)가 목표 위치(314)에서 이동을 멈추기 때문에 촬영부(302)를 목표 위치(314)에 정확하게 위치시킬 수 있어 편리하다.

도 4는 도 3에 나타낸 제어 개념을 그래프로 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 제어 개념은, 자주 사용되는 위치들을 목표 위치로서 미리 설정해 두고, 각 모션 축 당 일정한 간격을 중심으로 가상 인력을 생성하여 의료 장비가 설정된 목표 위치에 접근하면 해당 목표 위치로 이동하여 정지하도록 유도하는 것이다.

자주 사용되는 위치나 사용자에게 알려주고 싶은 목표 위치 등을 x* 라 할 때 이 목표 위치를 중심으로 하는 가상 인력은 다음의 수식 2와 같이 표현된다.

위 식에서 xv는 목표 위치 x*으로 가상 인력이 작용하는 범위를 나타내고, 현재 위치 x가 목표 위치 x*으로부터 xv 보다 멀리 있을 때 가상 인력은 0이며, 그렇지 않을 때 가상 인력은

와 Fm의 함수로 결정된다. 이를 그래프로 표현한 것이 도 4이다.

위 식 2에서,

이고, Fm은 가상 인력의 최대 값이다.

식 2에서 계산된 힘 Fv를 앞서 설명한 식 1의 힘 F에 더해주고 도 1 또는 도 3의 실시 예에 따른 제어를 수행함으로써 원하는 위치로의 가상 인력에 의한 안내 기능(일명 Snap to Grid)이 구현된다. 이때 주의할 점은 Fm의 크기가 너무 크면 의료 장비가 x* 으로부터 빠져 나올 수 없게 되므로, 의료 장비가 X*으로부터 빠져 나올 수 있는 크기로 Fm의 크기를 설정한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 의료 장비의 제어 개념을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 의료 장비는 X선 촬영 장치(500)로서, 촬영부(502)와 사용자 인터페이스(504), 핸들(506)로 구성된다. 촬영부(502)는 실제로 X선 촬영이 이루어지는 촬상면을 포함한다. 사용자 인터페이스(504)는 X선 촬영 장치(500)의 사용자가 X선 촬영에 필요한 조작이나 설정 등을 수행하기 위한 것이다. 핸들(506)은 X선 촬영 장치(500)의 사용자가 이 핸들(506)을 잡고 암(arm)(508)을 움직여서 촬영부(502)의 위치를 조절하기 위한 것이다.

도 5에서, 사용자가 촬영부(502)를 (A)의 경우보다 더 높은 곳에 위치시키기 위해 화살표(510)의 방향 및 크기로 핸들(506) 부분에 힘을 가하면 촬영부(502)는 화살표(512)의 방향 및 크기의 힘에 의해 위쪽으로 이동한다. 이 때 핸들(506)에 가해진 힘(510)의 크기보다 촬영부(502)가 이동하도록 하는 힘(512)의 크기가 더 크기 때문에, 사용자는 적은 힘(510)만으로 무거운 촬영부(502)를 쉽게 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 이는 핸들(506)에 가해지는 힘의 크기와 방향을 고려하여 같은 방향으로 더 큰 힘을 발생시키도록 의료 장비의 각 축(axis)에 마련된 모터의 구동력을 증가시켜서 구현한다.

다만, 촬영부(502)가 화살표(512) 방향으로 이동하다가 다른 구조물(550)을 만나게 되면 다른 구조물(550)과 충돌하지 않도록 속도를 줄이고 정지하도록 한다. 이를 위해 X선 촬영 장치(500)의 각 관절이나 주변의 구조물(550) 사이의 거리를 각 X선 촬영 장치의 위치 정보와 주변의 구조물(550)의 위치 정보를 이용하여 계산하고 X선 촬영 장치(500)의 동작 시 충돌 회피 및 관절 리밋 회피를 구현한다. 도 5에서, F(552)와 τ(554)가 충돌을 피하기 위해 X선 촬영 장치(500)에 가해진 가상력이다.

도 6은 도 5에 나타낸 제어 개념을 그래프로 나타낸 도면이다. 도 5에서, 각 관절 리밋으로부터의 거리 또는 각 구조물 사이의 최단 거리 d가 특정한 안전거리 dm보다 작을 경우 가상의 반발력 Fr을 계산하여 이를 식 1의 힘 F에 더해주고 도 1의 실시 예의 제어를 수행함으로써 각 관절의 리밋을 회피하거나 다른 구조물(550)과의 충돌을 피할 수 있다.

또한 거리 센서와 같은 추가적인 센서를 사용하여 X선 촬영 장치(500)와 주변의 구조물(550) 사이의 거리를 관측함으로써 구조물 사이의 충돌뿐만 아니라 외부 장애물과의 충돌 회피도 가능하다.

거리 정보로부터 가상의 반발력의 크기는 일반적으로 아래의 식 3과 같이 정의할 수 있으며, 이 방향은 충돌 위험이 있는 구조물 사이의 최단 거리가 커지는 방향으로 정의한다.

도 5에서, 552와 554로 나타낸 힘의 방향이 충돌을 회피하기 위한 각 관절의 모션 축 방향이다. 이를 일반화하여 표현하면 충돌 위험이 있는 구조물 상의 점을 Pc라 하고 각 관절의 모션을 나타내는 변수들의 집합을 q라고 하면, 각 관절 구동부의 가상 척력은 아래의 식 4와 같이 나타낼 수 있다.

위의 식 4에서 Jc는 충돌점 Pc에 해당하는 자코비언(Jacobian)이다.

Claims (8)

1. 적어도 하나 이상의 축을 통해 이동하거나 관절 운동을 하는 의료 장비의 제어 방법에 있어서,
   상기 의료 장비를 이동시키기 위해 사용자에 의해 상기 의료 장비에 가해진 힘의 방향과 크기를 판단하고;
   상기 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 상기 사용자에 의해 가해진 힘에 비례하는 크기의 보조력을 발생시켜 상기 의료 장비가 쉽게 이동하도록 하는 의료 장비의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   임피던스 필터가 힘 센서로부터 상기 사용자에 의해 가해진 힘의 정보를 입력받아 상기 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 생성하고;
   위치 제어부는 상기 위치 임피던스 필터로부터 상기 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 입력받고 또 상기 모터로부터 위치 정보를 피드백받아 상기 의료 장비의 위치 제어 정보를 생성하는 의료 장비의 제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 힘 센서를 이용하여 상기 사용자의 의도를 측정하는 의료 장비의 제어 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 위치 제어부는 상기 모터의 엔코더와 포텐쇼미터 가운데 적어도 하나로부터 위치 정보를 피드백받는 의료 장비의 제어 방법.
5. 적어도 하나의 축을 통해 이동하거나 관절 운동을 하는 의료 장비의 제어 방법에 있어서,
   상기 의료 장비를 이동시키기 위해 사용자에 의해 상기 의료 장비에 가해진 힘의 방향과 크기를 판단하고;
   상기 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 상기 사용자에 의해 가해진 힘에 비례하는 크기의 제 1 보조력을 발생시켜 상기 의료 장비가 상기 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 쉽게 이동하도록 하고, 상기 의료 장비가 미리 정해진 위치에 근접하면 상기 미리 정해진 위치로 가상 인력을 유발하여 상기 의료 장비가 상기 미리 정해진 위치에 위치하도록 하는 의료 장비의 제어 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   임피던스 필터가 힘 센서로부터 상기 사용자에 의해 가해진 힘의 정보를 입력받아 상기 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 생성하고;
   위치 제어부는 상기 위치 임피던스 필터로부터 상기 의료 장비의 새로운 위치의 정보를 입력받고 또 상기 모터로부터 위치 정보를 피드백받아 상기 의료 장비의 위치 제어 정보를 생성하는 의료 장비의 제어 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 힘 센서가 스트레인 게이지와 압력 센서 중 적어도 하나인 의료 장비의 제어 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 위치 제어부는 상기 모터의 엔코더와 포텐쇼미터 중 적어도 하나로부터 위치 정보를 피드백받는 의료 장비의 제어 방법.

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