[논문]중재적 심장 질환 시술을 위한 스마트 글래스 삽입관 가이드 시스템 개발

장익규; 허영준; 전금상; 최재순

doi:10.9718/jber.2020.41.5.173

[국내논문] 중재적 심장 질환 시술을 위한 스마트 글래스 삽입관 가이드 시스템 개발
Smart Glasses Cannula Guide System Development for Interventional Cardiology Procedures 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.41 no.5, 2020년, pp.173 - 178

장익규 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 허영준 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 전금상 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 최재순 (울산대학교 의과대학 서울아산병원 의공학교실)

Abstract ▼ AI-Helper

Remote control intervention surgery robotic system improves treatment effect on cardiovascular patients and reduces X-ray exposure. However, at the time of the first procedure, CT (computerized tomography) and other ultrasound diagnostic equipment should be used because the operator must insert the cannula directly into the patient's leg. Improvements to this have been un-met-needs of hospitals. In this paper, we developed a system that can insert the cannula intuitively and quickly by displaying blood vessels at a glance through the system using smart wearable glasses. The core development method is as follows. In order to project augmented reality onto the surgical image, CT scan angiography image is extracted and processed. In the process, three CT-Markers are used to create a coordinate system of blood vessel images. Additionally, a reference marker is photographed on a single camera to obtain a camera coordinate system. Since the CT marker and the reference marker are in the same position, 3D registration is performed. In the text, a detailed explanation will be given.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Registration of two coordinates 그림 1. 두 좌표계의 정합
그림 Fig. 2. AR based cannula guide system 그림 2. AR기반의 캐뉼라 가이드 시스템
그림 Fig. 3. Porting Mechanism in Smart Glasses 그림 3. SW 구성 및 스마트 글래스 포팅
그림 Fig. 4. Positioning of fiducial marker 그림 4. 기준마커의 위치측정
그림 Fig. 5. CT marker positions 그림 5. CT마커의 포지션
표 표 1. 스마트 글래스 사용성 실험 Table 1. Smart Glass Usability Experiment Experimental results
표 표 2. 회전 및 병진운동의 정확성 테스트 결과(표준편차) Table 2. Result on accuracy test of orientation and translation motions (standard deviation)
표 표 3. 회전 및 병진운동의 정확성 테스트 결과(그래프) Table 3. Result on accuracy test of orientation and translation motions(graph)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 심부 정맥 혈관을 직관적으로 관찰하면서 단시간 내에 정맥 천자가 가능한 시스템을 제안하였다. 이를 위해 혈관 영상을 CT 영상에서 추출하여 증강 현실로 스마트 안경에 투영하는 방법을 기반으로 깊이 있는 혈관까지 관찰하여 케뉼러를 직관적으로 삽입할 수 있는 시스템을 개발하였다.

제안 방법

소프트웨어 프로그램에는 카메라 파라미터, 마커의 포지션 트래킹 모듈, 마커 검출 모듈, 좌표계 표시 모듈, 마커의 경계선 검출 모듈 등을 모두 포함 하고 있다. CT촬영 실험 시에 혈관, 근육 및 지방의 밀도 차이를 나타내는 서로 다른 조직 밀도의 인체모형을 3D 프린터(Stratasys-connex 500, Minnesota, USA)를 이용하여 구성하였고 산업용 전산화단층촬영장치(테크밸리㈜-TVXIL1500H, Seoul, Korea)에서 인체 대신 실험을 수행 하였다.
또한 마커 좌표계의 정확도를 측정하기 위해 마찬가지로 30 cm 거리에서 카메라 촬영을 하고 정면, 위쪽, 아래쪽, 왼쪽, 오른쪽 동작을 측정하여 3차원 좌표 및 좌표계 행렬을 도출하여 회전(Roll, Pitch, Yaw)각도와 병진(X, Y, Z) 거리를 측정하여 표준오차를 계산하였다.
마커가 보이는 최대 각도를 측정(사용성 평가)하기 위해 마커가 카메라 중앙에 오도록 팬텀에 마커를 부착하고 카메라에서 30 cm 가량 떨어진 곳에서 위, 아래, 오른쪽 및 왼쪽으로 측정한다. 오른쪽 - 위쪽, 왼쪽 - 위쪽, 아래쪽 - 오른쪽 및 왼쪽 - 아래쪽은 위아래 방향으로 45° 기울기로 적용하고 왼쪽 - 오른쪽 회전 각도를 바꾸어 가면서 혈관AR이 보이는 최대 각도를 측정하였다(UP-DWON DEGREE = ρ RIGHT-LEFT DEGREE = σ).
혈관은 인체모형에서 빈 공간으로 처리 되어 있으며, 영상처리 소프트웨어 에서 3D 재구성 후, 두 개의 마스크를 생성 시킨다. 빈 공간으로 표현된 첫 번째 마스크를 모두 채워줌으로써 두 번째 마스크가 생성되고 두 마스크의 차집합 형태로 혈관을 추출하였다. 그림 5는 CT마커와 기준마커를 동일한 위치에 부착한 것을 보여주고 3차원 이미지를 추출한 혈관 이미지를 나타낸다.
삽입가이드 시스템 개발을 위해 카메라(Logitech-C922, Le Lieu, Swiss) 장치 및 소프트웨어 OpenCV(Berkeley Software Distribution, CA, USA) 라이브러리를 사용하여 리눅스환경(Ubuntu 16.04 LTS) 운영 체제 환경에서 요소 기술을 개발하였다. 소프트웨어 프로그램에는 카메라 파라미터, 마커의 포지션 트래킹 모듈, 마커 검출 모듈, 좌표계 표시 모듈, 마커의 경계선 검출 모듈 등을 모두 포함 하고 있다.
오른쪽 - 위쪽, 왼쪽 - 위쪽, 아래쪽 - 오른쪽 및 왼쪽 - 아래쪽은 위아래 방향으로 45° 기울기로 적용하고 왼쪽 - 오른쪽 회전 각도를 바꾸어 가면서 혈관AR이 보이는 최대 각도를 측정하였다(UP-DWON DEGREE = ρ RIGHT-LEFT DEGREE = σ).
이 논문에서는 3개의 CT 마커를 사용하여 혈관 좌표계를 만들고 CT 마커와 물리적으로 통합 된 단일 기준 마커를 사용하여 CT와 카메라 좌표계를 일치 시켰다. 이를 통해 심부 정맥을 인체에 투사함으로써 시술 초기에 정맥 천자를 용이 하게하여 시술시간을 줄일 수 있으므로 X-ray 피폭시간을 줄일 수 있다.
이 논문에서는 인체에 혈관 AR이미지를 투사하기 위해 아래 그림 1과 같이 CT 마커(XACT skin marker, Portland, USA)와 그림 2의 카메라 기준 마커(64bit fiducial marker), 두가지 종류의 마커를 팬텀의 동일한 위치에 부착하였다. 이후 마커가 부착된 팬텀의 CT촬영을 통해 CT마커의 3차원 위치와 함께 혈관이미지를 획득하였다.
본 연구에서는 심부 정맥 혈관을 직관적으로 관찰하면서 단시간 내에 정맥 천자가 가능한 시스템을 제안하였다. 이를 위해 혈관 영상을 CT 영상에서 추출하여 증강 현실로 스마트 안경에 투영하는 방법을 기반으로 깊이 있는 혈관까지 관찰하여 케뉼러를 직관적으로 삽입할 수 있는 시스템을 개발하였다.
이 논문에서는 인체에 혈관 AR이미지를 투사하기 위해 아래 그림 1과 같이 CT 마커(XACT skin marker, Portland, USA)와 그림 2의 카메라 기준 마커(64bit fiducial marker), 두가지 종류의 마커를 팬텀의 동일한 위치에 부착하였다. 이후 마커가 부착된 팬텀의 CT촬영을 통해 CT마커의 3차원 위치와 함께 혈관이미지를 획득하였다. 다음으로 팬텀을 카메라에서 촬영하여 기준 마커의 좌표를 획득한다.
인체모형은 전산화 단층 촬영 시스템 (CT)을 사용하여 촬영되며 3D 의료 영상 처리 소프트웨어(Materialise-Mimics Research 18.0, Leuven, Belgium)을 사용하여 혈관을 추출 하였다. 혈관은 인체모형에서 빈 공간으로 처리 되어 있으며, 영상처리 소프트웨어 에서 3D 재구성 후, 두 개의 마스크를 생성 시킨다.
좌표 생성을 위해 CT 이미지 프로그램(Volume Graphics-VG Studio Max 3.0, NC, USA)을 사용, 이미지를 로드하여 좌표계를 설정한다. CT 마커에서 세 점을 찍은 후 원점으로 만들려는 점(점 2)의 좌표를 입력하면 점 2의 좌표가 원점으로 변경된다.

성능/효과

5도 였다. 실험결과 충분한 사용가능성을 확인하였다.
첫째, 카메라의 팬과 틸트는 카메라의 축의 전역 좌표를 계산할 수 있다. 평행 이동이 영향을 주지 않는 것을 고려하여 축의 대칭축에 대한 벡터 Zc = (0, 0, 1)에 관한 월드 좌표 Zw를 계산한다(식 2).
측정 결과(Table 1) 인체모형을 정면에서 왼쪽과 오른쪽으로 기울였을 때 왼쪽은 64도, 오른쪽은 73도로 측정 되었고, 방향을 위로45도 바라본 상태에서 왼쪽은 40도 오른쪽은 52도로 측정되었다. 또한 방향을 아래로 45도 바라본 상태에서 왼쪽은 46도 오른쪽은 42도로 측정 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중재적 수술 로봇 시스템은 어떤 문제점이 있는가?	중재적 수술 로봇 시스템은 원격제어라는 방식을 사용하여 환자가 있는 시술장에 시술자가 들어가지 않음으로 X선 노출을 현저히 낮추었다. 그럼에도 불구하고 수술자의 시술 직전에는 수동으로 환자의 다리에 캐뉼러를 삽입해야 하기 때문에[1] CT (Computed Tomography) 또는 CBCT (Cone-Beam CT) 방사선 시스템이 환자와 외과 의사에게 X 선 노출 문제를 일으키고 있다.
	삽입가이드 시스템 개발을 위해 어떤 기술을 개발했는가?	삽입가이드 시스템 개발을 위해 카메라(Logitech-C922, Le Lieu, Swiss) 장치 및 소프트웨어 OpenCV(Berkeley Software Distribution, CA, USA) 라이브러리를 사용하여 리눅스환경(Ubuntu 16.04 LTS) 운영 체제 환경에서 요소 기술을 개발하였다. 소프트웨어 프로그램에는 카메라 파라미터, 마커의 포지션 트래킹 모듈, 마커 검출 모듈, 좌표계 표시 모듈, 마커의 경계선 검출 모듈 등을 모두 포함 하고 있다.
	중재적 수술 로봇 시스템은 어떤 방식을 사용하는가?	중재적 수술 로봇 시스템은 원격제어라는 방식을 사용하여 환자가 있는 시술장에 시술자가 들어가지 않음으로 X선 노출을 현저히 낮추었다. 그럼에도 불구하고 수술자의 시술 직전에는 수동으로 환자의 다리에 캐뉼러를 삽입해야 하기 때문에[1] CT (Computed Tomography) 또는 CBCT (Cone-Beam CT) 방사선 시스템이 환자와 외과 의사에게 X 선 노출 문제를 일으키고 있다.

참고문헌 (6)

Magney JE, Staplin DH, Flynn DM, Hunter DW. A New Approach to Percutaneous Subclavian Venipuncture to Avoid Lead Fracture or Central Venous Catheter Occlusion. Pacing and clinical electrophysiology. 1993;16(11):2133-42.

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Orihashi K, Imai K, Sato K. et al. Extrathosacic Subclavian Venipuncture Under Ultrasound Guidance. Circulation Journal. 2005;69:1111-5.

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Phipps K, Modic A, O'Riordan MA. et al. A randomized trial of the Vein Viewer versus standard technique for placement of peripherally inserted central catheters (PICCs) in neonates. Journal of Perinatology. 2012;32:498-501.

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Wright R, Keith L. Wearable Technology: If the Tech Fits, Wear It. Journal of Electronic Resources in Medical Libraries. 2014;11(4):204-16.

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Dyrby M, Engelsen SB, Norgaard L. Chemometric Quantitation of the Active Substance (Containing C≡N) in a Pharmaceutical Tablet Using Near-Infrared (NIR) Transmittance and NIR FT-Raman Spectra. Applied Spectroscopy. 2002;56(5);579-85.

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Jang IG, Park SB, Jo YH. Nonrestraint master system for surgical robots. Journal of mechanics in medicine and Biology. 2017;17(3).

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저자의 다른 논문 :

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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