[논문]뇌혈종 제거 수술을 위한 무마커 수술 유도 로봇 시스템의 정확도 향상을 위한 캘리브레이션 기법

박규식; 윤현민; 신상균; 조현철; 김영준; 김래현; 이득희

doi:10.7315/cadcam.2015.246

뇌혈종 제거 수술을 위한 무마커 수술 유도 로봇 시스템의 정확도 향상을 위한 캘리브레이션 기법
Application of Calibration Techniques to Enhance Accuracy of Markerless Surgical Robotic System for Intracerebral Hematoma Surgery 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.20 no.3, 2015년, pp.246 - 253

박규식 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 윤현민 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 신상균 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 조현철 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 김영준 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 김래현 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단) , 이득희 (한국과학기술연구원 의공학연구소 바이오닉스연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose calibration methods that can be applied to the markerless surgical robotic system for Intracerebral Hematoma (ICH) Surgery. This surgical robotic system does not require additional process of patient imaging but only uses CT images that are initially taken for a diagnosis purpose. Furthermore, the system applies markerless registration method other than using stereotactic frames. Thus, in overall, our system has many advantages when compared to other conventional ICH surgeries in that they are non-invasive, much less exposed to radiation exposure, and most importantly reduces a total operation time. In the paper, we specifically focus on the application of calibration methods and their verification which is one of the most critical factors that determine the accuracy of the system. We implemented three applications of calibration methods between the coordinates of robot's end-effector and the coordinates of 3D facial surface scanner, based on the hand-eye calibration method. Phantom tests were conducted to validate the feasibility and accuracy of our proposed calibration methods and the surgical robotic system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 뇌혈종(Intracerebral Hematoma) 제거 술을 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용 되는, 3차원 표면 스캔 공간과 로봇 공간 상의 캘리브레이션 기법에 대해 다루어보았다. 적용 가능한 캘리브레이션 기법에 관해 총 세가지 방법을 시스템 상에 구현해 보았으며, 광학식 추적기와 팬텀을 사용한 실험을 통해 각각의 방법들을 적용했을 때의 시스템 정확도 검증을 할 수 있었다.
3333px;">T_N), 총 두가지로 구성된다. 본 연구에서는 전자에 대한 구현 방법 및 검증을 논하기로 한다.
본 연구에서는 혈종(Hematoma) 제거 술을 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용되는, 환자의 얼굴 표면 정보가 담겨 있는 3차원 표면 스캔 공간과 실제로 환부로 침습해야 하는 로봇 공간 상의 캘리브레이션 기법에 대해 다루어보고자 한다. 캘리브레이션 기법에 관해 총 세가지 방법을 구현해보았으며, 팬텀 실험을 통해 각각의 적용 방법들의 정확도를 분석하였다.
캘리브레이션 기법에 관해 총 세가지 방법을 구현해보았으며, 팬텀 실험을 통해 각각의 적용 방법들의 정확도를 분석하였다. 이를 통해 본 시스템에 적합한 환자 공간과 로봇 공간의 캘리브레이션 기법을 도출해내고자 하였다.
이제, 위에서 설명한 Hand-Eye 캘리브레이션 기법을 본 ICH 제거를 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 본 시스템 상의 캘리브레이션은 Fig.

가설 설정

이 때, 스캐너의 위치좌표는 원점이 체스보드 위에 있다고 가정하고, 이 기준(∑CB)에서 3차원 스캐너가 위치한 좌표 정보를 얻는다.

제안 방법

먼저, 실험에 앞서 안면과 머리부위의 피부 및 두개골로 이루어진 팬텀을 1 mm 두께로 CT 촬영하였다(TSX-301A). CT 이미지를 이용하여 시술 계획을 마치고, 3차원 팬텀 표면 스캔 데이터와의 정합을 통해 시술 계획에 따라 로봇을 구동시켰을때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 비교하는 방식으로 각각의 캘리브레이션 기법을 적용한 시스템의 정확도를 비교 검증할 수 있었다. 이 때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 정의하는 데에는 NDI SPECTRA 광학식 추적기를 이용하였다.
이 때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 정의하는 데에는 NDI SPECTRA 광학식 추적기를 이용하였다. 먼저, 광학식 추적기 좌표계를 기준으로 광학식 마커를 부착한 팬텀의 모델 좌표 정보를 정의해 두었다. 그리고, 시술 계획 상의 계획점(planning points)들과 로봇 구동을 하였을 때의 니들 가이드 장치의 타겟점(target points)들의 좌표 정보를 광학식 추적을 통해 얻을 수 있었다(Fig.
먼저, 실험에 앞서 안면과 머리부위의 피부 및 두개골로 이루어진 팬텀을 1 mm 두께로 CT 촬영하였다(TSX-301A). CT 이미지를 이용하여 시술 계획을 마치고, 3차원 팬텀 표면 스캔 데이터와의 정합을 통해 시술 계획에 따라 로봇을 구동시켰을때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 비교하는 방식으로 각각의 캘리브레이션 기법을 적용한 시스템의 정확도를 비교 검증할 수 있었다.
이제, 위에서 설명한 Hand-Eye 캘리브레이션 기법을 본 ICH 제거를 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 본 시스템 상의 캘리브레이션은 Fig. 3에서와 같이 로봇암과 3차원표면스캐너간의캘리브레이션(^EET_S), 로롯암과 수술 유도 장치 간의캘리브레이션(^EET_N), 총 두가지로 구성된다. 본 연구에서는 전자에 대한 구현 방법 및 검증을 논하기로 한다.
통상적으로 혈종(Hematoma) 제거 술에 필요한 정확도 오차는 약 2 mm이다. 위에서 설명한 각각의Hand-Eye 캘리브레이션 방법을 적용한 혈종 제거를 위한 수술 유도 로봇 시스템의 정확도를 검증해보았다. 본 실험에는 펜텀, 광학식 추적기를 이용하여 각각의 캘리브레이션을 적용했을 때의 정확도를 확인해볼 수 있었다.
현재 통상적으로 시행되는 ICH 수술 과정은 환자가 도착하면 CT 영상 등을 통해 환부를 진단하고, 뇌정위 장치(Stereotactic Frame)를 환자의 머리에 부착하여, 다시 CT 촬영을 한다. 이러한 영상을 기반으로 수술을 세우고, 뇌정위 장치를 통한 Catheter 삽입 위치를 계산하여 수술을 시행한다. ICH는 응급 상황임에도 불구하고, 통상적으로 Fig.
이를 개선하기 위해 본 연구에서 소개하는 무마커 방식의 수술 유도 로봇 시스템은 추가 CT 촬영이 없고, 침습적인 마커를 사용하지 않는 장점을 지니고 있다. Fig.
본 연구에서는 혈종(Hematoma) 제거 술을 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용되는, 환자의 얼굴 표면 정보가 담겨 있는 3차원 표면 스캔 공간과 실제로 환부로 침습해야 하는 로봇 공간 상의 캘리브레이션 기법에 대해 다루어보고자 한다. 캘리브레이션 기법에 관해 총 세가지 방법을 구현해보았으며, 팬텀 실험을 통해 각각의 적용 방법들의 정확도를 분석하였다. 이를 통해 본 시스템에 적합한 환자 공간과 로봇 공간의 캘리브레이션 기법을 도출해내고자 하였다.

대상 데이터

그리고, 스캔을 위해 패턴(Pattern)을 뿌려주기 위한 프로젝터는 Optoma사의 PK320을사용하며, 해상도는 WVGA(854 × 480)이다.
본 시스템에사용한 로봇 암은 DENSO사의 VS068 모델로 6-축(6-DOF) 로봇이며 반복 정밀도(Repeat Accuracy)가 0.02 mm이다. 3차원 표면 스캐너는 스테레오 비전(Stereo Vision) 기반의 3차원 표면 스캔장치이며, 2대의 카메라와 1대의 프로젝터를 사용한다.
3차원 표면 스캐너는 스테레오 비전(Stereo Vision) 기반의 3차원 표면 스캔장치이며, 2대의 카메라와 1대의 프로젝터를 사용한다. 카메라는 PointGrey사의 Chameleon(CMLN-13S2M-CS) 제품 2대를 사용하였다. 해상도(Resolution)는 1.

이론/모형

CT 이미지를 이용하여 시술 계획을 마치고, 3차원 팬텀 표면 스캔 데이터와의 정합을 통해 시술 계획에 따라 로봇을 구동시켰을때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 비교하는 방식으로 각각의 캘리브레이션 기법을 적용한 시스템의 정확도를 비교 검증할 수 있었다. 이 때, 시술 계획 상의 카테터 위치와 실제 카테터의 위치를 정의하는 데에는 NDI SPECTRA 광학식 추적기를 이용하였다. 먼저, 광학식 추적기 좌표계를 기준으로 광학식 마커를 부착한 팬텀의 모델 좌표 정보를 정의해 두었다.

성능/효과

스테레오 카메라 영상 정보를 이용하여 Hand-Eye 캘리브레이션을 할 수 있다. 3.2장의 3차원 스캔 데이터을 이용한 캘리브레이션은 스캐너의 위치를 얻기 위해 평면 피팅, 경계선 검출, 교점 검출 등의 다단계의 과정이 필요하지만, 카메라로부터 얻어진 2차원 영상을 이용할 시에는 OpenCV 라이브러리를 이용해 간단히 세 점을 추출해 낼수 있는 장점이 있다(Fig. 6). 세 점을 얻은 후의 캘리브레이션 과정은 3차원 스캐너를 사용한 캘리 브레이션 과정과 동일하다.
수술 유도 로봇 시스템에 들어가는 기술들이 다양하나, 그 중 시스템 오차에 가장 크게 기인하는 요소가 바로 본 연구에서 다룬 캘리브레이션이다. 본 시스템에 적용 가능한 세가지 캘리브레이션 기법을 구현하고 비교해 보았을 때, 스테레오 카메라의 영상 정보를 이용한 Hand-Eye 캘리브레이션 기법이 가장 효과적임을 확인할 수 있었으며 그 오차 또한 시술 상에 필요한 오차 이하(1.83 mm ~1.94 mm)로 충족됨을 확인할 수 있었다.
위에서 설명한 각각의Hand-Eye 캘리브레이션 방법을 적용한 혈종 제거를 위한 수술 유도 로봇 시스템의 정확도를 검증해보았다. 본 실험에는 펜텀, 광학식 추적기를 이용하여 각각의 캘리브레이션을 적용했을 때의 정확도를 확인해볼 수 있었다.
위의 표에서 보는 바와 같이, 광학식 추적기를 사용하는 방법(method 1)에 비하여 체스 보드와 촬영장비를 이용한 캘리브레이션 방법(method 2, 3)이 정확도와 반복성 관점에서 우수함을 확인할수 있었다. 즉, 사람의 손을 통해 광학식 추적 위치를 얻기 때문에 작업 과정 상에서 정확성을 떨어뜨리는 오차를 발생시킨다는 결론을 도출할 수 있었다.
본 연구에서는 뇌혈종(Intracerebral Hematoma) 제거 술을 위한 수술 유도 로봇 시스템 상에 적용 되는, 3차원 표면 스캔 공간과 로봇 공간 상의 캘리브레이션 기법에 대해 다루어보았다. 적용 가능한 캘리브레이션 기법에 관해 총 세가지 방법을 시스템 상에 구현해 보았으며, 광학식 추적기와 팬텀을 사용한 실험을 통해 각각의 방법들을 적용했을 때의 시스템 정확도 검증을 할 수 있었다.
위의 표에서 보는 바와 같이, 광학식 추적기를 사용하는 방법(method 1)에 비하여 체스 보드와 촬영장비를 이용한 캘리브레이션 방법(method 2, 3)이 정확도와 반복성 관점에서 우수함을 확인할수 있었다. 즉, 사람의 손을 통해 광학식 추적 위치를 얻기 때문에 작업 과정 상에서 정확성을 떨어뜨리는 오차를 발생시킨다는 결론을 도출할 수 있었다.
한편, 삼차원 표면 스캐너를 이용한 캘리브레이션 방법(method 2)과 스테레오 카메라를 이용한 캘리브레이션 방법(method 3)을 적용한 결과를 비교해 보았을 때, 정확도 측면에서 거의 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. 두 캘리브레이션 방법의 차이점은 영상 촬영 장비와 좌표 설정 방법이다.

후속연구

캘리브레이션 작업 과정은 사용자에 따라 오차의 범위가 크게 변동하기 때문에, 이러한 편차를 줄일 수 있는 반복성과 안정성을 보장하는 심층적인 기술의 개발과 매뉴얼의 개발이 필요하다. 또한, 수술 유도 로봇 시스템을 구성하는 기술 요소 중 3차원 스캐닝 시의 에러, 이미지 정합 시의 에러 등을 최소화할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.
본 수술 유도 로봇 시스템의 정확도 개선을 위한 추가적인 연구가 필요하다. 캘리브레이션 작업 과정은 사용자에 따라 오차의 범위가 크게 변동하기 때문에, 이러한 편차를 줄일 수 있는 반복성과 안정성을 보장하는 심층적인 기술의 개발과 매뉴얼의 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최소 침습 수술에 어떤 수술 로봇이 적용되고 있는 추세인가요?	의료 기술의 발전으로 점차 보편화되고 있는 최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)은 환자의 회복속도가 기존의 절개 방식의 수술보다 빠르다는 장점을 지닌다. 특히, 최소 침습 수술에 다빈치 (Da Vinci)나 로보닥(ROBODOC)과 같은 수술 로봇이 상용화되어 실제 수술에 적용되고 있는 추세이다. 한편, CT(Computed Tomography)나 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 등의 영상을 이용 하여 환자 상태를 진단하고, 수술 계획을 세우기에 용이하게 해주는 수술 유도 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1-6].
	최소 침습 수술의 장점은?	의료 기술의 발전으로 점차 보편화되고 있는 최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)은 환자의 회복속도가 기존의 절개 방식의 수술보다 빠르다는 장점을 지닌다. 특히, 최소 침습 수술에 다빈치 (Da Vinci)나 로보닥(ROBODOC)과 같은 수술 로봇이 상용화되어 실제 수술에 적용되고 있는 추세이다.
	ICH 수술 과정에 비해서 무마커 방식의 수술 유도 로봇 시스템이 가지는 장점은?	이를 개선하기 위해 본 연구에서 소개하는 무마커 방식의 수술 유도 로봇 시스템은 추가 CT 촬영이 없고, 침습적인 마커를 사용하지 않는 장점을 지니고 있다. Fig. 1에서와 같이, 본 시스템은 진단 영상만을 이용하기 때문에 방사선 피폭량을반으로 줄일 수 있고, 표면 정합의 방법으로 수술 유도를 하여 뇌정위 장치의 사용으로 발생되는 침습적인 부분이 발생하지 않는다. 그리고, 진단 영상 만을 이용하여 수술 유도하므로, 기존의 수술 방식에 비해 빠른 뇌혈종 제거 수술이 가능하게 하는 수술 보조 시스템이다[10].

참고문헌 (13)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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