[논문]햅틱 피드백 장치를 이용한 치과 수술 시뮬레이션

윤상연; 성수경; 신병석

doi:10.3745/ktsde.2023.12.6.275

햅틱 피드백 장치를 이용한 치과 수술 시뮬레이션
Dental Surgery Simulation Using Haptic Feedback Device 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.12 no.6, 2023년, pp.275 - 284

윤상연 (인하대학교 전기컴퓨터공학과) , 성수경 (인하대학교 전기컴퓨터공학과) , 신병석 (인하대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

가상 현실 시뮬레이션은 다양한 분야에서의 교육과 훈련에 활용이 되며, 특히 최근에는 의료 분야에서 많이 사용되고 있다. 교육/훈련용 시뮬레이터는 의사가 실제 수술 도구를 이용하여 실제 환자에 대해 처치를 하는 것과 같은 느낌이 나게 하는 촉감/역감 생성 및 영상/음향 출력 하드웨어와 여기에 실감 나는 영상과 촉감을 생성해주는 소프트웨어로 이루어진다. 기존의 시뮬레이터들은 수술 시에 사용되는 다양한 수술 도구들을 모사하기 위해 다양한 형태의 하드웨어들을 사용해야 하므로 복잡하고 비용이 많이 소요되는 문제가 있다. 이 논문에서는 포스 피드백 장치와 변형 가능한 햅틱 컨트롤러를 이용한 치과 수술 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 햅틱 하드웨어들은 수술 도구와 수술 부위의 충돌 여부를 파악하고 그에 따른 저항감과 진동감을 제공한다. 특히 길이 변화, 굽힘과 같은 변형이 가능한 햅틱 컨트롤러는 여러 수술 도구들의 형태에 따라 느껴지는 다양한 감각을 표현할 수 있다. 사용자가 햅틱 피드백 장치를 조작하면 햅틱 피드백 장치의 움직임이나 버튼 클릭 등의 이벤트가 시뮬레이션 시스템에 전달되어 치과용 수술 도구와 구강 내부 모델들 사이의 상호작용이 발생하고 이에 따른 햅틱 피드백이 햅틱 피드백 장치로 전달된다. 이러한 기반 기술들을 활용하여 정교한 3차원 모델로 표현된 가상 환경에서 대표적인 치과 수술기법인 매복 사랑니 발치 수술의 현실적인 훈련 경험을 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Virtual reality simulations are used for education and training in various fields, and are especially widely used in the medical field recently. The education/training simulator consists of tactile/force feedback generation and image/sound output hardware that provides a sense similar to a doctor's treatment of a real patient using real surgical tools, and software that produces realistic images and tactile feedback. Existing simulators are complicated and expensive because they have to use various types of hardware to simulate various surgical instruments used during surgery. In this paper, we propose a dental surgical simulation system using a force feedback device and a morphable haptic controller. Haptic hardware determines whether the surgical tool collides with the surgical site and provides a sense of resistance and vibration. In particular, haptic controllers that can be deformed, such as length changes and bending, can express various senses felt depending on the shape of various surgical tools. When the user manipulates the haptic feedback device, events such as movement of the haptic feedback device or button clicks are delivered to the simulation system, resulting in interaction between dental surgical tools and oral internal models, and thus haptic feedback is delivered to the haptic feedback device. Using these basic techniques, we provide a realistic training experience of impacted wisdom tooth extraction surgery, a representative dental surgery technique, in a virtual environment represented by sophisticated three-dimensional models.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Configuration of the proposed simulation system. The force feedback device of our haptic feedback device transmits the position and direction of the morphable haptic controller to the force feedback module of the simulator. The force feedback module uses those data to calculate collisions between surgery tools and teeth or oral objects. In the event of collisions, it activates the motor of the force feedback device to generate a force feedback. The MHC receives a string command delivered through the controller morphing module of the simulator, changes its shape, and transmits data to the controller morphing module when a button click event occurs.
그림 Fig. 2. Prototype of haptic feedback device. The MHC consists of a handle that the user can hold and move and a top connection unit to the arm of the force feedback device with a button attached.
그림 Fig. 3. Components of the MHC. It consists of a length change module with a built-in DC motor, a bending joint with a built-in step motor, a vibration motor, and a button.
그림 Fig. 4. MHC morphing states. A is the state of increas-ing the length of the MHC. B is a bending state of the MHC.
그림 Fig. 5. Simulation results. A is a gum incision using a scalpel, B is a tooth cutting using a drill and a suction device, C is a tooth separation using a dental mirror and a surgical forceps, D is a fragment inhalation using a suction device, and E is a tooth dislocation using a dental mirror and a surgical elevator, F is a gum suture using a surgical needle and a surgical forceps.
그림 Fig. 6. Surgical Environment from the User's Perspective.
그림 Fig. 7. Execution of the impacted wisdom tooth extraction surgery simulator. The red circle shows a deformation of the MHC.
표 Table 1. Survey on Immersion and Educational Effectiveness of Simulation

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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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