수의학 훈련을 위한 슬개골 수술 햅틱 시뮬레이터

슬개골 탈구 수술은 소동물의 수술 중에서도 정교한 작업을 요구하는 수술로 숙련된 수의사가 아닐 경우 수술 자체가 어려운 문제가 있다. 이와 같은 문제로 인하여 주로 훈련은 시청각 자료를 활용하거나, 숙련된 수의사가 슬개골 탈구 수술을 집도하고 그것을 예비 수의사들이 관찰하는 형태로 이루어진다. 슬개골 탈구 수술의 과정은 다음의 그림 1 과 같다. 소동물의 마취가 이루어진 후에, 수의사는 슬개골이 탈구되어 있는 환부를 육안으로 확인하고 이후 손으로 만져 보면서 수술 부위를 결정한다. 이후 피부를 절개하고 튀어나온 슬개골을 수술용 톱을 이용하여 절단을 한다. 절단된 환부는 탈구되 기전 위치로 이동을 시키고, 드릴을 사용하여 구멍을 뚫고 핀으로 환부를 고정시킨 후에 절개된 피부를 봉합하면 수술이 완료된다. 이때 수술용 드릴로 소동물을 관통하는 과정에서 너무 많은 힘이 들어가거나 잘못된 각도로 들어가는 경우 뼈 자체가 부서지는 등의 실수를 할 수 있기 때문에 세심하고 정교한 훈련이 필요 하다[6].

Figure 1. 슬개골 탈구 수술 과정 및 본 논문에서 모델링 하는 범위

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소동물에 대한 슬개골 드릴링 시뮬레이션을 제공해주는 시스템은 아직까지 발표가 되지 않았다. 하지만, 소동물에 대한 정맥 주사 시뮬레이션하는 과정을 햅틱 시뮬레이터를 만들고 이를 증강현실 및 가상현실 환경에서 적용한 사례들은 소개되었다. 해당 연구들에 대한 결과를 보면 소동물에 대한 수술 훈련 과정을 모델링하고 실제 수술과 유사한 햅틱 피드백을 제공해 주는 경우에 좋은 교육 효과를 보인다는 결과를 얻을 수 있었다[9, 10, 11]. 다만 해당 정맥 주사 시뮬레이터의 경우에는 모델링 하는 햅틱 피드백이 단순한 실험이 실패했는지 안 했는지에 따른 진동 피드백을 제공하는 수준이어서 드릴링과 고수준의 햅틱 피드백을 모델링 하기에는 적합하지 않다는 특징이 있다.

한편 햅틱 피드백과 수술 시뮬레이션은 사람을 대상으로 한 두개골 수술, 골반 수술 및 치아 스케일링과 같은 사람의 단단한 뼈나 치아등을 드릴링 하는 과정에서 다양한 햅틱 피드백에 대한 모델링 및 인터페이스들에 대한 연구들이 이루어졌다.

수술 시뮬레이션 과정에서 사용자가 뼈나 치아 같은 부위를 뚫는 과정에서 생기는 저항감을 역감이라고 정의할 수 있으며, 햅틱 인터페이스에서는 이를 Force Feedback이라고 정의하며 실제로는 존재하지 않는 가상의 뼈 같은 경우도 드릴링을 하는 과정에서 저항을 하거나, 드릴 과정에 떨리는 진동을 제공할 수 있다. 일반적인 햅틱 인터페이스를 사용한 연구들은 이러한 Force Feedback을 다양한 상황에 교육용 매체로서 사용하여 사용자에게 새로운 경험을 제공한다는 장점을 가지고 있다[3].

Morris et al.은 인간의 얼굴 수술 그 중에서도 턱관절의 수술을 가능 하게 해주면서 이 부분에 대한 햅틱 렌더링을 제공하는 연구를 발표하였다. 인체의 얼굴 중에서 턱관절이 가지는 특수성인 관절의 복잡도를 고려하여 수술 중에 뼈가 부서지지 않도록 수술 훈련을 할 수 있는 시스템을 개발하였으며, Morris et al.은 사용자가 햅틱 렌더링을 적용할 때, 시각적인 효과와 결합하여 햅틱 수술 과정을 시각화 하는 방법을 제안하여 기존의 햅틱 피드백을 제공하는 경우에 비해서 더 좋은 학습 효과가 있다는 것을 보여주었다 [4, 5]. 한편, Tsail[6]는 사람의 골반의 굴절 수술에서 햅틱 인터페이스를 사용 하였으며 실제 수술에 사용 되는 수술용 칼을 Sensable 사의 Phantom Omni 디바이스의 스타일러스 펜과 결합한 형태의 새로운 인터페이스를 제안 하였다. Kim et al. 은 치과에서 치아 스케일링 과정에서 발생할 수 있는 여러가지 치료 상황들 즉 스케일링만을 하는 경우 및 치아에 대한 드릴링을 하는 경우와 같이 다양한 상황에 따라서 적합한 햅틱 피드백을 제안하고 이를 Sensable 사의 PHANTom Omni 디바이스를 사용한 워크 벤치 시스템을 제안 하였다[7, 8] . 제안한 논문들의 경우 인간의 뼈나 치아에 알맞은 햅틱 역감을 모델링하고 수술 과정의 부분들에 적합한 햅틱 인터페이스를 개발한 시스템을 제안했다는 장점들이 있지만, 소동물의 슬개골 같은 경우는 위의 논문들 보다 훨씬 더 연약하고 부숴 지기 쉬운 특징을 가지고 있다는 점에서 소동물의 슬개골 드릴링 수술에 적합한 방법이 필요한 상황이다.

본 논문에서 제안한 슬개골 수술 시뮬레이터는 다음의 그림 2와 같은 구조로 이루어진다. 먼저, 슬개골 수술 시뮬레이션에서 가상 드릴의 입력 및 햅틱 피드백에 의한 출력을 담당하는 햅틱 인터페이스는 SensAble사의 PHANToM Omni를 사용하였으며 그림 2에 있는 햅틱 관리 모듈을 통해서 사용자로부터 입력 받은 3차원 좌표를 처리하는 좌표 관리 모듈 과 입력 동작들이 슬개골의 3차원 모델과 연동이 이루어져서 역감 생성 모듈과 연동이 이루어진다. 이후 슬개골에 대한 드릴링에 대한 시뮬레이션을 계산하는 시뮬레이션 모듈을 통해서 사용자에게 동물의 슬개골을 뚫을 때 발생하는 Force Feedback을 제공하고, 수술의 성공 여부 및 개선사항에 대한 평가를 훈련 관리 모듈을 통해서 제공해준다. 한편 햅틱 피드백의 경우에는 슬개골의 모델과 햅틱 인터페이스를 활용한 Voxmap-Point Shell 알고리즘에 기반한 Force Feedback을 모델링 하였다[12].

Figure 2. 제안하는 시스템의 구성도

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본 논문에서는 소동물의 슬개골의 구조 및 이들의 특성을 반영한 햅틱 렌더링 모듈을 설계하였다. 슬개골의 구조는 다음의 그림과 같다. 슬개골은 무릎의 앞쪽에 위치한 뼈로 무릎의 관절을 구성하며 다리를 굽히게 할 수 있도록 하는 역할을 한다. 이 슬개골의 내부를 보면 그림 3과 같이 피질골과 수질골로 이루어져 있는데, 피질골은 뼈의 겉부분으로 매우 단단한 조직으로 구성되어 있어 드릴링을 하는 과정에서 강력한 저항하고, 수질골은 뼈의 내부 조직으로 연골과 같은 부드러운 조직으로 구성되어 있다.

Figure 3. 슬개골의 구조 및 드릴링 수술 과정

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본 논문에서 제안한 슬개골의 드릴링 시뮬레이션에 대한 햅틱 피드백을 모델링 하기 위해서는 슬개골 구조에 대한 이해가 필요하다. 그림 3과 같이 드릴이 슬개골을 뚫는 과정에서 강력한 역감을 가지는 피질골을 뚫는 과정이 이루어지고 가장 강한 반력을 받게 된다. 이때 햅틱 인터페이스가 받는 반력 F_cortex의 경우에는 다음의 수식 (1) 과 같이 드릴이 슬개골을 뚫고 들어오는 위치Point(i) 로 부터 피질이 가지고 있는 강성계수(c)와 드릴 역할을 하는 햅틱 인터페이스로부터 받는 힘(N)의 곱으로 계산할 수 있다. 한편, 수질의 반력 F_medulla 는 피질보다 훨씬 더 적은 반력을 가진다. 이를 표현하는 수질의 강성계수(m)을 설계하였으며 피질과 수질의 강성 계수는 수술 경력10년이상전문가의 노하우를 반영하여 실제 슬개골 수술시의 피드백을 재현한 모델링 작업을 수행하였다. 다음의 그림 4는 슬개골 드릴링을 할 때 피질과 수질에 대한 반력 그래프이다. 드릴링의 경우 피질을 관통한 다음 수질을 관통하고 다시 피질을 관통해야 하는 특성을 가지고 있다. 본 본 논문에서는 슬개골 수술 전문가가 만들어진 반력 모델링을 지속적으로 테스트를 하면서 다음의 그림 4와 같은 형태의 그래프로 모델링을 하였다.

c : 피질의 강성 (Stiffness)

m : 수질의 강성 (Stiffness)

i : 피질의 Point

j : 수질의 Point

N : Haptic Interface로 부터 입력되는 힘의 방향

Figure 4. 슬개골의 깊이에 따른 반력 모델링

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본 논문에서 제안한 슬개골 드릴링 시뮬레이션을 사용자들이 효과적으로 수행하기 위해서 수술 시뮬레이션에 집중할 수 있는 케이브형태의 워크 벤치를 구성하였다. 제안한 워크벤치의 경우는 다음의 그림 5와 같이 47인치 대형 LCD 디스플레이 및 검은색 케이브형태의 철로 구성되며, 사용자는 여기서 수술 화면을 보면서 동시에 Sensable PHANToM Omni 인터페이스를 사용하여 수술 시뮬레이션을 수행한다.

Figure 5. 사용자의 집중을 위한 미니케이브 형태의 워크벤치

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