[논문]C-arm 영상 기반 척추 디스크 내시경 수술을 위한 가이드 바늘 삽입 보조 시스템

윤현민; 조현철; 박규식; 신상균; 이득희

doi:10.7315/cadcam.2015.263

문제 정의

본 연구에서는 이러한 과정 동안 생기는 피폭량을 줄이고, 빠르게 수술을 진행할 수 있도록 기존의 방법처럼 C-arm 영상만을 이용하는 대신, 지속적인 C-arm 촬영이 아닌 3가지 각도에서의 C-arm영상을 획득한 후, 2차원 영상들을 기반으로 컴퓨터를 이용한 3차원 가이드 바늘 삽입 경로 추출 방법을 제안한다. 또한, 계산된 3차원 경로와 로봇을 이용한 바늘 삽입 유도를 통해 더욱 정확한 바늘삽입을 가능하게 하고자 한다.
각도 오차는 일반적인 척추 디스크 바늘 삽입에서 C-arm의 2D 영상만을 이용하여 깊이 방향의 정보를 제공하지 않아, 임상의의 경험에 전적으로 의존한다. 본 연구에서 제안하는 시스템은 이러한 깊이 방향 정보를 주는 것과 동시에, 삽입되는 바늘이 원하는 타깃 위치에 도달하는 것을 목표로 하기 때문에 진입 각도의 정확도는 임상에 사용할 수준이라고 임상의들이 의견을 주었다.
본 연구에서는 디스크를 대상으로 수행되는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 경로를 정의하는데 발생하는 X선 피폭을 줄이기 위하여 3가지 각도에서의 2차원 C-arm 영상을 이용, 3차원 바늘 삽입 경로 추출 알고리즘을 제안하였다. 또한, 기존의 손으로 직접 바늘을 삽입하는 방식에 정확성을 더하기 위해 계산된 3차원 경로에 따른바늘 삽입 유도 툴이 장착된 로봇 제어를 적용시켰다.

가설 설정

Calibration 과정을 마친 후, 시스템의 정확성을 측정하였다. 실험은 미리 정의된 위치의 마커 두개를 이용, 이 둘을 가이드 바늘의 삽입 위치와 디스크 위치라고 가정하여 진행하였다(Fig. 5). 먼저, 두 개의 마커를 C-arm 목업의 3가지 각도에서 카메라로 촬영하고 각각의 2차원 영상 위에 두 위치를 선택하여 2차원 선을 정의하였다.

제안 방법

C-arm 목업 좌표계와 카메라 좌표계 간의 관계를 계산하기 위해서는 Fig. 3과 같이 먼저 광학추적기인 NDI 사의 Polaris Spectra (NDI, Canada)와 목업에 부착된 마커를 이용하여 목업의 회전축을 측정기 기준으로 정의를 하였다. 정의된 회전축을 기준으로 나머지 두 축을 임의로 정의하여 목업의 좌표계를 설정하였으며, 이를 이용하여 목업 좌표계와 마커 좌표계 간의 관계를 계산할 수 있다.
Calibration 과정을 마친 후, 시스템의 정확성을 측정하였다. 실험은 미리 정의된 위치의 마커 두개를 이용, 이 둘을 가이드 바늘의 삽입 위치와 디스크 위치라고 가정하여 진행하였다(Fig.
Calibration을 마친 후, C-arm 목업과 로봇의 위치 및 방향 관계는 앞서 구한 모든 좌표계 관계들을 이용하여 계산하였다.
Fig. 6에 보이다시피, 총 3개의 교선들의 평균을 (분홍색 선) 최종 바늘 삽입 경로라고 정의하였고, 앞서 구한 C-arm 목업과 로봇간의 위치 및 방향 정보를 이용하여 해당 경로에 대한 로봇 제어를 수행하였다.
위치 정확성 같은 경우, 바늘이 툴을 통해 마커 간의 거리만큼 삽입되었을때의 위치가 디스크에 해당하는 마커의 위치와 얼마나 동일한지 계산되었다. 그리고, 방향 정확성은 두 마커 간의 벡터와 툴의 방향 벡터 간의 각도를 계산하여 측정하였다. 이렇게 정확성을 측정한 결과, 위치 정확도는 최소 13.
2와 같이 로봇 엔드 이펙터에 카메라 인식을 위한 평면 마커보드를 장착하여 C-arm 목업 좌표계와 로봇 좌표계 간의 관계를 구할 수 있도록 설정하였다. 두 좌표계 간의 관계를 계산한 후에는 로봇 엔드 이펙터와 바늘 삽입 유도를 위한 툴 간의 좌표계 관계를 정의하였다.
본 연구에서는 디스크를 대상으로 수행되는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 경로를 정의하는데 발생하는 X선 피폭을 줄이기 위하여 3가지 각도에서의 2차원 C-arm 영상을 이용, 3차원 바늘 삽입 경로 추출 알고리즘을 제안하였다. 또한, 기존의 손으로 직접 바늘을 삽입하는 방식에 정확성을 더하기 위해 계산된 3차원 경로에 따른바늘 삽입 유도 툴이 장착된 로봇 제어를 적용시켰다. 제안된 시스템의 정확성 검증을 위하여 미리 정의된 마커들을 이용한 실험을 진행하였고, 그 결과, 위치 오차는 최대 25.
마지막으로, 로봇 엔드 이펙터와 바늘 삽입 툴간의 좌표계 관계를 계산하기 위해, 툴에 적외선 반사 마커를 부착한 상태에서 마커 좌표계를 이용하여 툴 좌표계를 정의하였다. 그 후, 광학추적기와 마커 좌표계 간의 관계, 그리고 로봇 좌표계와 로봇 엔드 이펙터 간의 관계를 이용하여, 역시 동일한 방법으로 Hane-eye Calibration 기법을 적용
5). 먼저, 두 개의 마커를 C-arm 목업의 3가지 각도에서 카메라로 촬영하고 각각의 2차원 영상 위에 두 위치를 선택하여 2차원 선을 정의하였다. 이 때, 계산된 C-arm 목업 좌표계와 카메라 좌표계 간의 관계를 이용하여 앞서 설명한 3차원 평면을 복원하였으며, 각각의 영상에서 얻어진 3차원 평면들 간의 교선을 구하였다.
본 연구에서 제안하는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 보조 시스템의 정확성 확인을 위해 3가지 마커 위치에 대한 실험을 진행하였다. 바늘 삽입 계획에 따른 로봇 제어를 수행한 후 로봇에 부착된 바늘 삽입 유도 툴의 위치 및 방향을 기준 마커와 비교하였다. 위치 정확성 같은 경우, 바늘이 툴을 통해 마커 간의 거리만큼 삽입되었을때의 위치가 디스크에 해당하는 마커의 위치와 얼마나 동일한지 계산되었다.
본 연구에서 제안하는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 보조 시스템은 C-arm과 바늘 삽입을 가이드 하기 위한 로봇으로 구성되어 있다. 실제 시스템 구성을 위한 기술 개발을 위해 C-arm목업(Mock Up)을 제작하였다.
본 연구에서 제안하는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 보조 시스템의 정확성 확인을 위해 3가지 마커 위치에 대한 실험을 진행하였다. 바늘 삽입 계획에 따른 로봇 제어를 수행한 후 로봇에 부착된 바늘 삽입 유도 툴의 위치 및 방향을 기준 마커와 비교하였다.
본 연구에서는 이러한 과정 동안 생기는 피폭량을 줄이고, 빠르게 수술을 진행할 수 있도록 기존의 방법처럼 C-arm 영상만을 이용하는 대신, 지속적인 C-arm 촬영이 아닌 3가지 각도에서의 C-arm영상을 획득한 후, 2차원 영상들을 기반으로 컴퓨터를 이용한 3차원 가이드 바늘 삽입 경로 추출 방법을 제안한다. 또한, 계산된 3차원 경로와 로봇을 이용한 바늘 삽입 유도를 통해 더욱 정확한 바늘삽입을 가능하게 하고자 한다.
본 연구에서 제안하는 최소침습수술을 위한 가이드 바늘 삽입 보조 시스템은 C-arm과 바늘 삽입을 가이드 하기 위한 로봇으로 구성되어 있다. 실제 시스템 구성을 위한 기술 개발을 위해 C-arm목업(Mock Up)을 제작하였다. Fig.
먼저, 두 개의 마커를 C-arm 목업의 3가지 각도에서 카메라로 촬영하고 각각의 2차원 영상 위에 두 위치를 선택하여 2차원 선을 정의하였다. 이 때, 계산된 C-arm 목업 좌표계와 카메라 좌표계 간의 관계를 이용하여 앞서 설명한 3차원 평면을 복원하였으며, 각각의 영상에서 얻어진 3차원 평면들 간의 교선을 구하였다. Fig.
이를 위해, Fig. 2와 같이 로봇 엔드 이펙터에 카메라 인식을 위한 평면 마커보드를 장착하여 C-arm 목업 좌표계와 로봇 좌표계 간의 관계를 구할 수 있도록 설정하였다.
1과 같이 Carm 회전 구동을 위해 Maxon Motor 사의 EPOS제어기와 EC Power Max 모터를 사용하였고(Maxon Motor, Switzerland), 핀홀 카메라로 모델링이 가능한 C-arm의 X-ray 영상을 대체하기 위해 카메라 영상을 사용하였다. 카메라 영상도 핀홀 카메라로 모델링이 가능하기 때문에^[2] 목업에 Point Grey 사의 FL3-U3-32S2M-CS 카메라를 장착하여 C-arm 영상을 대체하였다(Point Grey, Canada). 마지막으로, 바늘 가이드를 위해 Denso사의 VS068, 6-축 로봇을 사용하였다(DensoRobotics, Japan).

대상 데이터

실제 시스템 구성을 위한 기술 개발을 위해 C-arm목업(Mock Up)을 제작하였다. Fig. 1과 같이 Carm 회전 구동을 위해 Maxon Motor 사의 EPOS제어기와 EC Power Max 모터를 사용하였고(Maxon Motor, Switzerland), 핀홀 카메라로 모델링이 가능한 C-arm의 X-ray 영상을 대체하기 위해 카메라 영상을 사용하였다. 카메라 영상도 핀홀 카메라로 모델링이 가능하기 때문에^[2] 목업에 Point Grey 사의 FL3-U3-32S2M-CS 카메라를 장착하여 C-arm 영상을 대체하였다(Point Grey, Canada).
카메라 영상도 핀홀 카메라로 모델링이 가능하기 때문에^[2] 목업에 Point Grey 사의 FL3-U3-32S2M-CS 카메라를 장착하여 C-arm 영상을 대체하였다(Point Grey, Canada). 마지막으로, 바늘 가이드를 위해 Denso사의 VS068, 6-축 로봇을 사용하였다(DensoRobotics, Japan).

이론/모형

이때 얻은 경로를 기반으로 한 로봇의 바늘 삽입 가이드가 가능하다. 3차원 바늘 삽입 경로는 Brost의 연구에 의거하여 C-arm 목업의 다양한 각도에서의 카메라 영상을 이용하여 추출하였다[2]. 각각의 카메라 영상마다 바늘이 삽입되는 지점과 접근하고자 하는 디스크의 위치를 컴퓨터 화면 상에서 선택하면 카메라의 촬영 위치 및 방향 정보를 이용하여 카메라 좌표계 원점으로부터 2차원 영상에 정의된 점들까지의 3차원 삼각 평면을 복원할 수 있다.
마지막으로, 로봇 엔드 이펙터와 바늘 삽입 툴간의 좌표계 관계를 계산하기 위해, 툴에 적외선 반사 마커를 부착한 상태에서 마커 좌표계를 이용하여 툴 좌표계를 정의하였다. 그 후, 광학추적기와 마커 좌표계 간의 관계, 그리고 로봇 좌표계와 로봇 엔드 이펙터 간의 관계를 이용하여, 역시 동일한 방법으로 Hane-eye Calibration 기법을 적용
하였다.
로봇 엔드 이펙터와 마커보드 간의 좌표계 관계는 로봇 엔드 이펙터에 마커보드를 부착한 상태에서 로봇 좌표계와 엔드 이펙터 좌표계 간의 관계, 그리고 카메라와 마커보드 간의 관계를 이용하여 앞서 설명한 동일한 Hand-eye Calibration 기법을 적용하여 계산하였다.
2에 보이다시피, C-arm 목업 좌표계와 로봇 좌표계 간의 관계를 계산하기 위해서는 목업 좌표계와 카메라 좌표계 간의 관계, 그리고 로봇 엔드 이펙터 좌표계와 마커보드 좌표계 간의 관계 정보가 필요하다. 이를위해, Tsai의 Hand-eye Calibration기법을 적용하였다^[3].
정의된 회전축을 기준으로 나머지 두 축을 임의로 정의하여 목업의 좌표계를 설정하였으며, 이를 이용하여 목업 좌표계와 마커 좌표계 간의 관계를 계산할 수 있다. 카메라 좌표계와 마커보드 좌표계간의 관계는 Zhang의 카메라 Calibration 기법을 이용하여 계산하였다^[4]. 계산된 두 관계는 Fig.

성능/효과

본 연구에서 제안한 방법은 단 세 번의 C-arm영상 촬영만을 필요로 하기 때문에, 기존의 방식보다 바늘 삽입 계획 시 발생하는 X선 피폭량을 확연히 줄일 수 있다는 점에 의미가 있다.
그리고, 방향 정확성은 두 마커 간의 벡터와 툴의 방향 벡터 간의 각도를 계산하여 측정하였다. 이렇게 정확성을 측정한 결과, 위치 정확도는 최소 13.5 mm에서 최대 25.6 mm의 오차를 보였고, 방향 정확도는 최소 0.06 radian에서 최대 0.16 radian의 오차가 계산되었다. 각각의 마커 위치에 대한 실험 결과는 Table1에 표시되었다.
또한, 기존의 손으로 직접 바늘을 삽입하는 방식에 정확성을 더하기 위해 계산된 3차원 경로에 따른바늘 삽입 유도 툴이 장착된 로봇 제어를 적용시켰다. 제안된 시스템의 정확성 검증을 위하여 미리 정의된 마커들을 이용한 실험을 진행하였고, 그 결과, 위치 오차는 최대 25.6 mm이고 방향 오차는 최대 0.16 radian이다. 전통적인 척추 디스크 수술에서 임상의들이 요구하는 정확도는 일반적인 디스크 크기, 10 mm 기준으로 최대 8 mm 이내이다.
전통적인 척추 디스크 수술에서 임상의들이 요구하는 정확도는 일반적인 디스크 크기, 10 mm 기준으로 최대 8 mm 이내이다. 제안된 알고리즘의 사용 가능성을 타진하기 위해서 실제 C-arm 영상을 이용하고, 위치 정확도 8 mm 이내로 확보하면 임상적용이 가능하다. 각도 오차는 일반적인 척추 디스크 바늘 삽입에서 C-arm의 2D 영상만을 이용하여 깊이 방향의 정보를 제공하지 않아, 임상의의 경험에 전적으로 의존한다.

후속연구

이때 얻어진 각각의 영상에 해당되는 3차원 평면들의 교선을 계산함으로써 2차원 영상에서 계획한 선의 3차원 정보를 구할 수 있으며,이에 따른 바늘 삽입 경로를 계산할 수 있다. 계산된 3차원 경로를 이용하여 로봇을 통한 바늘 삽입가이드가 가능하며, 이를 통해 더욱 정확한 가이드 바늘 삽입을 기대할 수 있다.
둘째, 사용자가 각각의 2차원 영상 위에 가이드 바늘의 삽입 위치와 디스크 위치를 선택할 때의 정확성으로부터의 오차가 예상된다. 특히, Position 3에서의 오차가 상대적으로 더 크게 나온 이유는 각각의 영상에서 실험에 사용된 마커의 중심점 즉, 대응점을 가져오는 과정에서 사용자의 개입으로 동일한 대응점을 선택하지 못하여 에러가 커진 것으로, 사용자가 정확한 점을 선택할 수 있도록 더욱 고화질 영상을 사용, 또는 영상을 확대해서 볼 수 있는 방식으로 유저 인터페이스를 개선한다면 더 높은 정확성을 얻을 수 있을 것이다.
첫째, 카메라를 이용한 Calibration으로부터 오차가 예상된다. 특히, 카메라와 마커보드 간의 좌표계 관계를 구할 때, 카메라는 빛의 영향을 많이 받기 때문에 Calibration을 수행할 시, 빛 분포도를 최대한 균등하게 설정한다면 더욱 정확한 Calibration결과를 얻을 수 있으리라 기대된다. 둘째, 사용자가 각각의 2차원 영상 위에 가이드 바늘의 삽입 위치와 디스크 위치를 선택할 때의 정확성으로부터의 오차가 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내시경을 이용하는 최소침습수술은 의사의 어떤 계획으로 인해 수행되는가?	허리질환 중 특히 소위 “디스크”로 알려진 추간판탈출증은 심한 경우 수술이 필요하게 된다. 이 때 수행되는 수술 중 내시경을 이용하는 최소침습수술은 내시경과 수술 도구의 삽입을 위한 경로 확보를 위해 가이드 바늘을 삽입하게 되는데, 일반적으로 의사가 실시간으로 Carm 영상을 참고하면서 환자의 등 표면에 선을 그어가며 삽입경로를 계획하게 된다. 이러한 방법은 정확한 바늘 삽입 경로를 결정하기까지 오랜 시간이 소요되며, 이로 인해 환자와 의사 모두 장시간동안 C-arm으로부터 발생하는 X선 피폭이 불가피하게 된다.
	내시경을 이용하는 최소침습수술의 단점은?	이 때 수행되는 수술 중 내시경을 이용하는 최소침습수술은 내시경과 수술 도구의 삽입을 위한 경로 확보를 위해 가이드 바늘을 삽입하게 되는데, 일반적으로 의사가 실시간으로 Carm 영상을 참고하면서 환자의 등 표면에 선을 그어가며 삽입경로를 계획하게 된다. 이러한 방법은 정확한 바늘 삽입 경로를 결정하기까지 오랜 시간이 소요되며, 이로 인해 환자와 의사 모두 장시간동안 C-arm으로부터 발생하는 X선 피폭이 불가피하게 된다. 특히, 디스크 수술의 수요가 점점 증가함에 따라 의사의 피폭 누적량 증가 역시 불가피하게 되고, 이에 대한 해결책이 필요하다.
	CT를 이용한 바늘 삽입 경로 계획은 어떠한 단점이 있는가?	이러한 방사선 피폭을 줄이기 위해 다양한 연구들이 이루어졌다. CT를 이용하여 바늘 삽입 경로를 계획하는 경우에는 의사가 X선 피폭으로부터 안전하지만, CT를 사용하는데 발생하는 추가 비용과 시간이 소요되며, 환자는 CT 촬영을 위해 여전히 피폭되어야 하는 문제가 있다[1].

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