정확한 수술 위치 추적을 위해 제작된 3D 광학 추적 시스템 ‘MicronTracker’
ClaroNav는 어떤 기업?
ClaroNav는 전 세계 주문자 상표 부착 생산업체(OEM)를 위한 강력한 의료용 3D 시각화 및 수술용 내비게이션 솔루션을 개발하는 회사이다. 2000년대 초 세계 최초의 상용 CT 기반 내비게이션 시스 템으로 시작한 ClaroNav는 지속적으로 확장하여 중요한 의료 혁신을 실현해 왔다. Profit Magazine이 선정한 캐나다에서 가장 빠르게 성장하는 기업 중 하나로 선정되었으며, 다수의 티어 1(Tier-1) 의료 기기 OEM과 최고의 의료 기관을 고객으로 두고 있다.
배경
ClaroNav는 수술 절차를 위한 최초의 비전 기반 3D 광학 추적 시스템인 ‘MicronTracker’를 개발했다. MicronTracker는 실시간 으로 스테레오스코픽 비전을 사용하여 특수하게 표시된 물체를 감지하고 추적한다. 이 시스템은 수동으로 또는 로봇을 사용하면서 수행하는 영상 유도 수술, 절제 및 생검을 포함한 다양한 임상 가이드 절차에 사용되었다.
또한 MicronTracker는 증강 현실을 지원하여 임상 절차를 처리하는 데 직관적인 접근 방식을 제공했 다. 또 가시광선과 컴퓨터 비전을 사용하여 완전히 수동적으로 표시된 표적을 감지하고 표준 비디오 이미지를 처리하여 3D로 추적 하는 차세대 추적 시스템을 주도했다.
MicronTracker는 동급에서 가장 작고 가벼운 카메라를 사용 했으며, 공간이 협소한 곳에서도 쉽게 배치할 수 있었다. 초경량 무게 덕분에 거대한 지지대나 삼각대가 필요하지 않았다. 또한 작은 크기와 무게, 적외선 반사에 민감하지 않기 때문에 카메라를 현장 바로 위에 배치할 수 있어 작업 내내 시야를 쉽게 유지할 수있어 카메라 포지셔닝이 빨랐다. 뿐만 아니라 MicronTracker의 가시광선 비디오 이미지는 사용자에게 가시성 경계의 위치를 정확하게 보여주었다.
▲ 차세대 MicronTracker
도전 과제
ClaroNav MicronTracker는 스테레오 카메라와 연결된 컴퓨터 에서 실행되는 모든 이미지 처리 및 수술 추적 소프트웨어로 구성 되었다. 추적 성능은 초당 15~30프레임으로 일부 시술에는 사용할 수 있었지만, 더 까다로운 애플리케이션에는 너무 느렸다. 또한 카메라의 해상도가 1.3MP로 상대적으로 낮고 다이내믹 레인 지가 제한적이었다. 따라서 ClaroNav는 지속적으로 증가하는 현대 수술 절차의 요구 사항을 충족하기 위해 MicronTracker를 개선하기로 결정했다.
솔루션
ClaroNav는 표준 카메라 공급업체의 한계를 뛰어넘는 솔루션이 필요했다. 그래서 Novanta의 자회사인 JADAK과 파트너십을 맺고 차세대 MicronTracker를 개발했다. 이 맞춤형 솔루션은 필요한 시스템 전자 장치를 통합하고 이미징 성능의 모든 측면을 개선했다. 객체 추적 기능의 CPU 집약적인 부분을 호스트 PC에서 FPGA 기반 처리로 옮겨 성능을 초당 60~100프레임으로 최대 6배까지 향상시켰다.
카메라 해상도와 다이나믹 레인지도 대폭 향상되어 어두운 장면에서 작은 물체를 더 세밀하게 포착할 수 있게 되었다. 마지막으로, 카메라에 새로운 프레임 버퍼 관리 기술을 구현하여 시스템 대역폭 한계를 극복하고 고해상도와 고속을 모두 구현했다.
• 프로토타이핑: 맞춤형 아키텍처를 활용하여 JADAK은 스테레오 구성으로 두 대의 알레그로 USB3 카메라를 제공하여 FPGA 기반 프로세싱의 기능을 시연했다. 추적 알고리즘은 알레그로 FPGA에서 프로토타입으로 제작되어 시스템의 벤치마크 목표를 달성했다. 이러한 성공을 통해 ClaroNav는 JADAK과 협력하여 완전 맞춤형 시스템 개발 프로젝트를 진행하는데 필요한 확신을 얻었다.
• 개발: JADAK 엔지니어링 팀은 경쟁 머신 비전 공급업체가 제공할 수 없는 고도로 맞춤화된 비전 솔루션을 설계하고 구축하기 위해 ClaroNav 팀과 긴밀히 협력했다. 모듈성과 재사용성이라는 아키텍처 원칙을 사용하여 개발 주기를 단축하고 JADAK의 광범위한 FPGA 및 소프트웨어 모듈 라이브러리를 구축했다. 차세대 마이크론트래커는 시간이 지남에 따라 확장될 디바이스 제품군의 기반이다. 현재 여기에는 표준 60Hz 버전과 두 배의 프레임 속도로 실행되는 변형이 포함된다.
또한 동급 최고의 정확도를 자랑하는 최첨단 사진 측량 카메라인 MicronMapper 에도 MicronTracker 맞춤형 플랫폼이 사용되었다. 이러한 획기 적인 발전으로 플랫폼의 시장 잠재력은 치과 및 수술용 애플리 케이션을 넘어 일반 로봇 추적 및 이미징 분야까지 확장되었다. JADAK의 맞춤형 솔루션은 두 개의 이미지 센서와 이미지 처리, 위치 추적 및 시스템 제어를 단일 FPGA에 통합한다.
또한 모터 제어, LCD 상태 표시, 시스템 모니터링(IMU, 온도 센서 등)을 포함한 다른 모든 시스템 전자 장치가 JADAK에서 제공하는 보드 세트에 통합되어 있다. 또한 이 솔루션에는 알레그로 USB3 드라이버 세트와 알레그로 USB3 임베디드 소프트웨어를 기반 으로 하는 JADAK 맞춤형 임베디드 소프트웨어, 맞춤형 API 및드라이버 코드가 포함되어 있다.
• 통합 보드: JADAK은 아래 사진의 녹색으로 표시된 MicronTracker용 통합 보드 세트를 제공했다.
혜택
MicronTracker 위치 추적 장치를 JADAK 맞춤형 머신 비전으로 재설계한 결과, 다양한 수술 전문 분야에서 정확하고 효과적으로 일관된 결과를 제공하는 강력한 플랫폼이 탄생했다. 간편한 설치, 경제적인 구매 및 운영 비용, 환자 외상 및 수술 시간 단축을 통한 수술 숙련도가 특징이다. 이 플랫폼을 통해 JADAK은 오늘날 가장 까다로운 수술 분야에서 마킹의 크기를 줄이면서 광학 위치 추적을 크게 가속화할 수 있었다. 이는 MicronTracker 4를 통합한 최초의 임상 시스템인 치과 수술용 신제품 Navident 4 / EVO에서 관찰되는 메인 컨트롤러 모터 컨트롤러 센서 보드 5일 수 있다.
맞춤형 머신 비전 시스템의 이점
• 저렴한 USB3 구성 부품을 사용한 스테레오스코픽 카메라 설정
• 표준 비디오 이미지와 패시브 표시 기기로 매우 정확한 추적 가능
• FPGA에 내장된 패턴 기반 실시간 감지 및 추적 알고리즘은 108fps의 가시광선 추적 기능을 제공
• 맞춤형 반복 및 통합을 위한 구조화
JADAK은 어떤 기업?
Novanta의 사업부인 JADAK은 주문자 상표 부착 생산업체를 위한 머신 비전, RFID, 바코드, 인쇄, 컬러 및 조명 측정 제품 및 서비스 분야의 시장 선도 기업이다. 이 회사는 고객이 고유한 검사, 추적, 스캔 및 문서화 문제를 해결하는 데 도움이 되는 맞춤형 임베디드 감지 및 분석 솔루션을 설계하고 제조한다. 뉴욕주 시러큐스에 본사를 두고 있으며 전 세계에 영업 및 기술 지사를 두고 있다.
자료제공: Novanta(www.novanta.com)
