KR20200022078A - 가상 현실 의료 훈련 시스템 - Google Patents

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KR20200022078A KR1020180097748A KR20180097748A KR20200022078A KR 20200022078 A KR20200022078 A KR 20200022078A KR 1020180097748 A KR1020180097748 A KR 1020180097748A KR 20180097748 A KR20180097748 A KR 20180097748A KR 20200022078 A KR20200022078 A KR 20200022078A
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Abstract

본 발명은 가상 현실 의료 훈련 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 환자의 신장, 몸무게, 체격을 포함하는 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성하며, 하기의 시야 감지부가 감지한 의료진의 시야 방향 및 움직임에 따라 환자 영상을 변화시키는 환자 영상 생성부; 의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지하여 상기 환자 영상 생성부로 제공하는 시야 감지부; 및 상기 환자에 대해 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표 및 상기 병변 위치의 좌표에 대응하는 수술 시행 루트를 설정하고, 설정된 상기 병변 위치의 좌표 및 상기 수술 시행 루트를 상기 환자 영상 생성부에 의해 생성된 환자 영상에 표시하는 수술 루트 설정부를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템이 제공된다.

Description

가상 현실 의료 훈련 시스템{Virtual Real Medical Training System}
본 발명은 가상 현실 의료 훈련 시스템에 관한 것이다.
현대 의학의 발전에 힘입어, 의사들이 시술하는 다양한 의학적 처치는 점점 정밀화되어 가고 있으며, 심지어는 육안과 의사의 손만으로는 수행할 수 없는 섬세한 시술들이 많이 개발되고 있다.
따라서, 외과 의사가 고도로 숙련될 필요가 있는데 반해 외과 의사가 한정된 임상 경험과 시술 경험만으로는 이러한 숙련도를 얻기가 쉽지 않다.
그러므로, 의학적 시술 훈련이 보다 효과적으로 이루어지게 하는 한가지 방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 것이다.
예를 들어, 시술 전에 환자의 의료영상을 3차원으로 재구성하여 수술 계획을 수립하고, 이를 시뮬레이션 환경에 적용하여 모의 수술 훈련을 진행한다.
훈련에 임하는 의사는 수술 도구를 모사한 입력 장비를 통해 필요한 처치를 수행하고 출력되는 결과를 바탕으로 실제 시술에 대비한다.
이와 같이, 현대의 컴퓨터 공학에 의해, 컴퓨터 프로그램에 의해 생성된 가상 환경에서 실재적인 훈련 상황을 제공하는 것이 가능하다. 즉, 컴퓨터에 의하여 시뮬레이션과 관련된 대상물의 3차원 모델이 제공된다.
이와 같이, 외과 분야의 수많은 복잡한 공정들은 컴퓨터에서 완전히 시뮬레이션되는 것이 불가능하지는 않지만 이는 매우 고비용이 필요한 기술이다.
또한 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 컴퓨터 기반의 훈련 환경 역시 정확도와 실재감(presence)의 부족으로 인해 훈련 범위가 제한적이며 상용화도 더딘 실정이다.
따라서 종래의 컴퓨터 기반 절개 시뮬레이션 기법이 가지고 있는 단점을 보완하고 실제 훈련에 폭넓게 응용하기 위해서는 보다 몰입감 높은 가상 환경을 구축하고 훈련 대상에 대한 정확도 높은 상호작용 기법이 절실히 요구된다.
국내특허공개번호 제10-2003-0083695 "외과적 치료의 시뮬레이션 방법 및 시스템" 국내특허공개번호 제10-2009-0043513 "컴퓨터화된 의료 훈련 시스템"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 의료진에게 실제 수술에서와 같은 시뮬레이션 환경을 제공함으로써 의료진이 고난도의 경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하여 환자에 대한 실제 수술의 성공확률을 높일 수 있도록 한 가상 현실 의료 훈련 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 환자의 신장, 몸무게, 체격을 포함하는 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성하며, 하기의 시야 감지부가 감지한 의료진의 시야 방향 및 움직임에 따라 환자 영상을 변화시키는 환자 영상 생성부; 의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지하여 상기 환자 영상 생성부로 제공하는 시야 감지부; 및 상기 환자에 대해 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표 및 상기 병변 위치의 좌표에 대응하는 수술 시행 루트를 설정하고, 설정된 상기 병변 위치의 좌표 및 상기 수술 시행 루트를 상기 환자 영상 생성부에 의해 생성된 환자 영상에 표시하는 수술 루트 설정부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 의료진에게 환자의 신체조건과 같은 시뮬레이션 환경을 제공할 수 있게 되며, 그에 따라 의료진이 실제 수술을 하기 전에 환자의 조건에 따른 훈련을 충분히 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 실제 수술을 수행하기 이전에 의료진이 고난도의 경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하며, 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공확률을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 의료진의 시야 방향에 따른 가상 영상이 변화되도록 하여 몰입도 높은 훈련을 제공할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 수술도구에 움직임 센서를 부착하여 의료진이 정확한 수술 경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하며, 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공 확률을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 이동형 햅틱 기기를 통하여 촉감을 제공함으로서 실제 수술 환경과 동일한 경험을 제공하여 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공 확률을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 환자영상의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 환자영상의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 의료진의 손 또는 손가락 및 제1 움직임 측정부의 설치 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 수술 시행 영상의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 의료진의 수술용 도구 및 제2 움직임 측정부의 설치 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 수술 시행 영상의 예를 나타낸 도면이다.
도 9a와 도 9b는 햅틱 기기와 햅틱 기기 이동부의 일예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템 미 그 방법을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템(100)은 환자 영상 생성부(110), 시야 센서부(112), 수술 루트 설정부(120), 제1 움직임 측정부(130), 수술 영상 표시부(140), 수술 도구 저장부(150),음성 인식부(160), 수술 위치 비교부(170) 및 메시지 출력부(180)를 포함할 수 있다.
환자 영상 생성부(110)는 환자의 신장, 몸무게, 체격 등의 신체조건을 반영하여 3차원의 환자영상을 생성한다.
예를 들어, 환자 영상 생성부(110)는 도 2에 도시한 바와 같이 환자의 성별에 따라 남성 또는 여성의 환자 영상을 생성할 수 있으며, 환자의 신장, 나이, 몸무게 등에 따라 생성된 환자 영상을 조절할 수 있다.
또한, 환자에 대하여 MRI, CT, X-ray 등의 기 촬영된 영상이 있는 경우, 실제 수술이 시행되는 부위에 대응하여 기 촬영된 영상으로부터 도 3에 도시한 바와 같이 근육조직(310), 기관(320), 골격(330), 혈관(340), 신경(350) 등을 분리하며,
분리된 근육조직(310), 기관(320), 골격(330), 혈관(340), 신경(350) 중의 적어도 하나를 환자 영상으로 생성할 수도 있다.
여기서, 도면에는 환자 영상 생성부(110)는 신체 전체에 대한 환자 영상을 생성하는 것으로 도시하였지만, 환자 영상 생성부(110)는 환자의 수술이 시행되는 신체부분에 대한 환자 영상을 생성할 수도 있다.
상기 환자 영상 생성부(110)는 의료진의 머리에 장착하는 헤드 마운트 디스플레이(HMD)일 수 있다.
이러한 헤드 마운트 디스플레이(HMD)는 착용자의 시야가 디스플레이 화면에만 집중될 수 있게 함으로써 가상현실의 현실감을 높일 수 있다는 장점을 가진다.
이와 같은 환자 영상 생성부(110)는 시뮬레이션 환경을 제공하는 시뮬레이션
엔진, 시야 센서부(112)의 감지 신호를 수신하여 연산하기 위한 시야 방향 연산부를 구비한다.
다음으로, 시야 센서부(112)는 환자 영상 생성부(110)가 헤드 마운트 디스플레이(HMD)인 경우에 헤드 마운트 디스플레이에 물리적으로 부착되어 의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지한다.
이와 같은 시야 센서부(112)는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서, 및 GPS 센서를 포함하고, 감지 신호를 외부에 무선으로 전송할 수 있는 무선 신호 송출부를 포함하여 구성될 수 있다.
자이로 센서는 감지 대상(즉 의료진의 머리)의 회전축을 감지할 수 있는250 ~ 2000 dps 3축 자이로(gyro) 센서일 수 있다.
가속도 센서는 감지 대상의 진행 속도를 감지하기 위한 2g ~ 8g의 센싱 감도를 가지는 3축 가속도 센서일 수 있다.
한편 지자기 센서는 자이로 센서로부터 출력되는 감지 신호의 시간에 따른 누적 오차를 보상하기 위하여 지구의 자극 위치를 감지하기 위한 일종의 나침판 센서일 수 있다.
자이로 센서로부터 출력되는 값은 온도나 자기장 변화과 같은 환경의 변화에 민감하기 때문에 미세한 오차가 생길 수 있는데 이것이 시간에 따라 누적되면 무시할 수 없는 정도로 오차가 커질 수 있다.
그러므로 지자기 센서로부터 감지된 지구의 자극과 같이 고정된 값이 기준값으로서 사용되어 오차를 보상할 수 있다.
또한 GPS 센서는 시야 센서부(112)의 위치를 감지하여 출력하기 위한 센서이다.
그리고 무선 신호 송출부는 각종 센서로부터의 신호를 예컨대 펄스폭 변조 신호나 블루투스 신호와 같은 근거리 무선 통신 신호로서 변환하여 전송할 수 있도록 하는 장치일 수 있다.
이에 따라, 시야 센서부(112)의 감지 신호, 즉 시선 방향 또는 시야 방향을 나타내는 센싱 신호는 환자 영상 생성부(110)로 전송하며, 환자 영상 생성부(110)는 이 무선 신호를 수신하기 위하여 무선 신호 송신부를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 환자 영상 생성부(110)는 의료진의 시야 방향에 따라 화면 상에 디스플레이되는 3차원 환자 영상이 변화되도록 한다.
즉, 의료진의 시야 방향에 따라 해당 시야 부분이 의료진에 최근접하게 되도록 환자 영상의 신체를 이동시키거나 회전시킨다.
수술 루트 설정부(120)는 환자에 대해 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표 및 병변 위치의 좌표에 대응하는 수술 시행 루트를 설정하고, 설정된 병변위치의 좌표 및 수술 시행 루트를 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 표시한다.
예를 들어 척추 수술이 시행되는 환자의 경우, 수술 루트 설정부(120)는 환자에 대한 MRI, CT, X-ray 등의 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표를 설정하고, 설정된 병변 위치의 좌표에 대하여 환자의 부담을 최소화하면서 최적의 수술을 수행할 수 있는 수술 시행 루트를 설정하며, 설정된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트를 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 표시한다.
이때, 수술 루트 설정부(120)는 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자영상에 대해 기준위치를 설정하고, 해당 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트에 대한 위치를 인식할 수 있다.
제1 움직임 측정부(130)는 도 4에 도시한 바와 같이 의료진의 수술용 장갑(400)에 설치된 제1 움직임 측정센서(410)에 기초하여, 의료진의 손 및 손가락 중의 적어도 하나에 대한 움직임을 측정한다.
즉, 의료수술 시뮬레이션을 수행하는 의료진의 수술용 장갑(400)에는 복수의 제1 움직임 측정 센서(410)가 설치될 수 있다.
이때, 각각의 제1 움직임 측정 센서(410)는 대응하는 위치의 손가락의 움직임에 따라 서로 다른 신호를 출력하며, 제1 움직임 측정부(130)는 각각의 제1 움직임 측정 센서(410)로부터 출력된 신호를 무선으로 수신하여 적어도 하나의 손가락이나 손의 움직임을 측정할 수 있다.
도 4에는 제1 움직임 측정 센서(410)가 수술용 장갑(400)의 손가락 끝에 설치된 것으로 도시하였으나, 이것은 제1 움직임 측정 센서(410)의 설치 예를 도시한 것뿐이며, 제1 움직임측정센서(410)는 수술용 장갑(400)의 다양한 위치에 설치될 수 있다.
수술 영상 표시부(140)는 수술도구의 영상을 생성하며, 제1 움직임 측정부(130)에 의해 측정된 움직임에 따라 수술 도구에 대응하는 수술 시행 영상을 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자영상에 표시한다.
즉, 수술 영상 표시부(140)는 도 5에 도시한 바와 같이, 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 대하여 수술 루트 설정부(120)에 의해 설정된 병변 위치의 좌표 근처에서 의료진의 수술용 장갑의 영상(400)에 대한 기준위치를 정하고, 해당 수술용 장갑의 영상(400)에 수술도구의 영상(500)을 생성한다.
또한, 수술 영상 표시부(140)는 제1 움직임 측정부(130)에 의해 측정된 움직임에 따라 기준 위치로부터 수술용 장갑의 영상(400) 및 수술도구의 영상(500)에 대응하는 수술 시행 영상을 환자 영상에 표시한다.
한편, 수술 도구 저장부(150)는 수술 도구 명칭 및 그에 대응하는 수술 도구의 영상을 데이터베이스로 저장한다.
즉, 수술 도구 저장부(150)는 수술 도구의 종류에 대응하는 이미지를 해당 수술 도구의 명칭에 매칭시켜 데이터베이스로 저장한다.
음성 인식부(160)는 수술 도구 명칭의 음성 호출을 인식하며, 수술 도구 저장부(150)로부터 인식된 수술 도구 명칭에 대응하는 수술 도구의 영상을 호출하여 수술 영상 표시부(140)에 전송한다.
즉, 의료진이 수술도구의 명칭을 음성으로 호출하면, 음식 인식부(160)는 호출된 수술 도구 명칭을 인식하며, 수술 도구 저장부(150)로부터 인식된 수술 도구
명칭에 대응하는 수술 도구의 영상을 호출하여 수술 영상 표시부(140)에 전송한다.
수술 위치 비교부(170)는 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트와, 수술 영상 표시부(140)에 의해 환자 영상에 표시되는 수술 시행 영상의 위치를 비교한다.
즉, 수술 위치 비교부(170)는 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술시행 루트의 위치를 인식하며, 제1 움직임 측정부(130)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행 영상의 위치를 인식하고, 인식된 각각의 위치를 비교한다.
메시지 출력부(180)는 수술 위치 비교부(170)에 의해 비교된 결과에 따라 메시지를 출력할 수 있다.
예를 들어, 제1 움직임 측정부(130)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행 영상의 위치가 병변 위치의 좌표 또는 수술 시행 루트의 위치로부터 설정된 범위 이상 벗어나는 경우, 메시지 출력부(180)는 그에 대한 경고메시지를 음성으로 출력할 수 있다.
또한, 제1 움직임 측정부(130)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행 영상의 위치가 특정 혈관 또는 특정 신경으로부터 설정된 범위 이내인 경우, 메시지 출력부(180)는 그에 대한 주의 메시지를 음성으로 출력할 수 있다.
그러나, 메시지 출력부(180)에 의해 출력되는 메시지는 음성 메시지에 한정되지 않으며, 환자 영상이 표시되는 화면에 문자메시지로 출력되거나, 알람 등의 경고음향으로 출력될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 현실 의료 훈련 시스템(100)은 환자 영상 생성부(110), 시야 센서부(112), 수술 루트 설정부(120), 제2 움직임 측정부(130-1), 수술 영상 표시부(140), 햅틱 기기(153), 햅틱 기기 이동부(155), 햅틱 기기 제어부(158), 수술 위치 비교부(170) 및 메시지 출력부(180)를 포함할 수 있다.
환자 영상 생성부(110)는 환자의 신장, 몸무게, 체격 등의 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성한다. 예를 들어, 환자 영상 생성부(110)는 도 2에 도시한 바와 같이 환자의 성별에 따라 남성 또는 여성의 환자 영상을 생성할 수 있으며, 환자의 신장, 나이, 몸무게 등에 따라 생성된 환자 영상을 조절할 수 있다.
또한, 환자에 대하여 MRI, CT, X-ray 등의 기 촬영된 영상이 있는 경우, 실제 수술이 시행되는 부위에 대응하여 기 촬영된 영상으로부터 도 3에 도시한 바와 같이 근육조직(310), 기관(320), 골격(330), 혈관(340), 신경(350) 등을 분리하며, 분리된 근육조직(310), 기관(320), 골격(330), 혈관(340), 신경(350) 중의 적어도 하나를 환자 영상으로 생성할수도 있다.
여기서, 도면에는 환자 영상 생성부(110)는 신체 전체에 대한 환자 영상을 생성하는 것으로 도시하였지만, 환자 영상 생성부(110)는 환자의 수술이 시행되는 신체부분에 대한 환자 영상을 생성할 수도 있다.
상기 환자 영상 생성부(110)는 의료진의 머리에 장착하는 헤드 마운트 디스플레이(HMD)일 수 있다.
이러한 헤드 마운트 디스플레이(HMD)는 착용자의 시야가 디스플레이 화면에만 집중될 수 있게 함으로써 가상현실의 현실감을 높일 수 있다는 장점을 가진다.
이와 같은 환자 영상 생성부(110)는 시뮬레이션 환경을 제공하는 시뮬레이션
엔진, 시야 센서부(112)의 감지 신호를 수신하여 연산하기 위한 시야 방향 연산부를 구비한다.
상기 시뮬레이션 엔진은 환자의 신장, 몸무게, 체격을 포함하는 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성한다.
그리고, 시야 방향 연산부는 상기 시야 센서부의 감지 신호를 수신하여 연산하여 상기의 시야 감지부가 감지한 의료진의 시야 방향 및 움직임에 따라 환자 영상을 변화시킨다.
다음으로, 시야 센서부(112)는 환자 영상 생성부(110)가 헤드 마운트 디스플레이(HMD)인 경우에 헤드 마운트 디스플레이에 물리적으로 부착되어 의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지한다.
이와 같은 시야 센서부(112)는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센
서, 및 GPS 센서를 포함하고, 감지 신호를 외부에 무선으로 전송할 수 있는 무선 신호 송출부를 포함하여 구성될 수 있다.
자이로 센서는 감지 대상(즉 의료진의 머리)의 회전축을 감지할 수 있는 250 ~ 2000 dps 3축 자이로(gyro) 센서일 수 있다.
가속도 센서는 감지 대상의 진행 속도를 감지하기 위한 2g ~ 8g의 센싱 감도를 가지는 3축 가속도 센서일 수 있다.
한편 지자기 센서는 자이로 센서로부터 출력되는 감지 신호의 시간에 따른 누적 오차를 보상하기 위하여 지구의 자극 위치를 감지하기 위한 일종의 나침판 센서일 수 있다.
자이로 센서로부터 출력되는 값은 온도나 자기장 변화과 같은 환경의 변화에 민감하기 때문에 미세한 오차가 생길 수 있는데 이것이 시간에 따라 누적되면 무시할 수 없는 정도로 오차가 커질 수 있다.
그러므로 지자기 센서로부터 감지된 지구의 자극과 같이 고정된 값이 기준값으로서 사용되어 오차를 보상할 수 있다.
또한 GPS 센서는 시야 센서부(112)의 위치를 감지하여 출력하기 위한 센서이다.
그리고 무선 신호 송출부는 각종 센서로부터의 신호를 예컨대 펄스폭 변조 신호나 블루투스 신호와 같은 근거리 무선 통신 신호로서 변환하여 전송할 수 있도록 하는 장치일 수 있다.
이에 따라, 시야 센서부(112)의 감지 신호, 즉 시선 방향 또는 시야 방향을 나타내는 센싱 신호는 환자 영상 생성부(110)로 전송하며, 환자 영상 생성부(110)는 이 무선 신호를 수신하기 위하여 무선 신호 송신부를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 환자 영상 생성부(110)는 의료진의 시야 방향에 따라 화면 상에 디스플레이되는 3차원 환자 영상이 변화되도록 한다.
즉, 의료진의 시야 방향에 따라 해당 시야 부분이 의료진에 최근접하게 되도록 환자 영상의 신체를 이동시키거나 회전시킨다.
수술 루트 설정부(120)는 환자에 대해 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표 및 병변 위치의 좌표에 대응하는 수술 시행 루트를 설정하고, 설정된 병변위치의 좌표 및 수술 시행 루트를 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 표시한다.
예를 들어 척추수술이 시행되는 환자의 경우, 수술 루트 설정부(120)는 환자에 대한 MRI, CT, X-ray 등의 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표를 설정하고, 설정된 병변 위치의 좌표에 대하여 환자의 부담을 최소화하면서 최적의 수술을 수행할 수 있는 수술 시행 루트를 설정하며, 설정된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트를 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 표시한다.
이때, 수술 루트 설정부(120)는 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 대해 기준 위치를 설정하고, 해당 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트에 대한 위치를 인식할 수 있다.
제2 움직임 측정부(130-1)는 도 7에 도시한 바와 같이 의료진의 수술용 도구(500)에 설치된 제2 움직임 측정 센서(510)에 기초하여, 수술용 도구(500)에 대한 움직임을 측정한다.
즉, 의료수술 시뮬레이션을 수행하는 의료진의 수술용 도구(500)에는 제2 움직임 측정 센서(510)가 설치될 수 있다.
상기 제2 움직임 측정 센서(510)는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센
서, 및 GPS 센서를 포함하고, 감지 신호를 외부에 무선으로 전송할 수 있는 무선 신호 송출부를 포함하여 구성될 수 있다.
자이로 센서는 감지 대상(즉 수술용 도구)의 회전축을 감지할 수 있는 250 ~ 2000 dps 3축 자이로(gyro) 센서일 수 있다.
가속도 센서는 감지 대상의 진행 속도를 감지하기 위한 2g ~ 8g의 센싱 감도를 가지는 3축 가속도 센서일 수 있다.
한편 지자기 센서는 자이로 센서로부터 출력되는 감지 신호의 시간에 따른 누적 오차를 보상하기 위하여 지구의 자극 위치를 감지하기 위한 일종의 나침판 센서일 수 있다.
자이로 센서로부터 출력되는 값은 온도나 자기장 변화와 같은 환경의 변화에 민감하기 때문에 미세한 오차가 생길 수 있는데 이것이 시간에 따라 누적되면 무시할 수 없는 정도로 오차가 커질 수 있다.
그러므로 지자기 센서로부터 감지된 지구의 자극과 같이 고정된 값이 기준값으로서 사용되어 오차를 보상할 수 있다.
또한 GPS 센서는 수술용 도구(500)의 위치를 감지하여 출력하기 위한 센서이다.
그리고 무선 신호 송출부는 각종 센서로부터의 신호를 예컨대 펄스폭 변조 신호나 블루투스 신호와 같은 근거리 무선 통신 신호로서 변환하여 전송할 수 있도록 하는 장치일 수 있다.
이에 따라, 수술용 도구(500)의 움직임 센싱 신호는 수술 영상 표시부(140)로 전송되며, 수술 영상 표시부(140)는 이 무선 신호를 수신하기 위하여 무선 신호 송신부를 더 포함할 수 있다.
수술 영상 표시부(140)는 수술도구의 영상을 생성하며, 제2 움직임 측정부(130-1)에 의해 측정된 움직임에 따라 수술 도구에 대응하는 수술 시행 영상을 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 표시한다.
즉, 수술 영상 표시부(140)는 도 8에 도시한 바와 같이, 환자 영상 생성부(110)에 의해 생성된 환자 영상에 대하여 수술 루트 설정부(120)에 의해 설정된 병변 위치의 좌표 근처에서 의료진의 수술용 도구(500)에 대한 기준위치를 정하고, 수술 영상 표시부(140)는 제2 움직임 측정부(130-1)에 의해 측정된 움직임에 따라 기준 위치로부터 수술용 도구(500)에 대응하는 수술 시행 영상을 환자 영상에 표시한다.
한편, 햅틱 기기(153)는 수술용 도구(500)가 접촉되는 경우에 환자 영상의 해당 부위에 해당하는 햅틱 패턴을 제공한다.
일예로, 햅틱 기기(153)는 수술용 도구(500)가 접촉하는 환자 영상 부위가 피부인 경우에 그에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하고, 수술용 도구(500)가 접촉하는 환자 영상 부위가 척추인 경우에 그에 해당하는 햅틱 패턴을 제공한다.
다음으로, 햅틱 기기 이동부(155)는 햅틱 기기(153)를 수술 루트 설정부(120)에 의해 설정된 환자 영상의 수술 시행 루트로 이동시킨다.
일반적으로, 인체를 대상으로 하는 의료 행위는 그 부위가 국소적이고 이동거리가 넓지 않기 때문에, 햅틱 기기(153)와 햅틱 기기 이동부(155)를 구비하여 수술 도구(500)가 위치하는 지역에 햅틱 기기(153)를 설치하여 햅틱 패턴을 제공할 수 있다.
이러한 햅틱 기기(153)와 햅틱 기기 이동부(155)는 도 9에 도시된 바와 같이 구현할수 있다.
그리고, 햅틱 기기 제어부(158)는 햅틱 기기 이동부(155)가 햅틱 기기(153)를 수술 루트 설정부(120)에 의해 설정된 환자 영상의 수술 시행 루트로 이동시키도록 제어한다.
또한, 햅틱 기기 제어부(158)는 햅틱 기기(153)에 수술용 도구(500)가 접촉되는 경우에 환자 영상의 해당 부위에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하도록 햅틱 기기(153)를 제어한다.
일예로, 햅틱 기기 제어부(158)는 햅틱 기기(153)가 위치하는 수술 시행 루트가 피부이고, 이러한 피부에 수술용 도구(500)가 접촉하는 경우에 그에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하고, 수술용 도구(500)가 접촉하는 환자 영상 부위가 척추인 경우에 그에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하도록 햅틱 기기(153)를 제어한다.
한편, 수술 위치 비교부(170)는 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트와, 수술 영상 표시부(140)에 의해 환자 영상에 표시되는 수술 시행 영상의 위치를 비교한다. 즉, 수술 위치 비교부(170)는 환자 영상에 표시된 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트의 위치를 인식하며, 제2 움직임 측정부(130-1)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행 영상의 위치를 인식하고, 인식된 각각의 위치를 비교한다.
메시지 출력부(180)는 수술 위치 비교부(170)에 의해 비교된 결과에 따라 메시지를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제2 움직임 측정부(130-1)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행 영상의 위치가 병변 위치의 좌표 또는 수술 시행 루트의 위치로부터 설정된 범위 이상 벗어나는 경우, 메시지 출력부(180)는 그에 대한 경고 메시지를 음성으로 출력할 수 있다.
또한, 제2 움직임 측정부(130-1)에 의해 측정된 움직임에 따라 변위되는 수술 시행영상의 위치가 특정 혈관 또는 특정 신경으로부터 설정된 범위 이내인 경우, 메시지 출력부(180)는 그에 대한 주의 메시지를 음성으로 출력할 수 있다.
그러나, 메시지 출력부(180)에 의해 출력되는 메시지는 음성 메시지에 한정되지 않으며, 환자 영상이 표시되는 화면에 문자 메시지로 출력되거나, 알람 등의 경고 음향으로 출력될 수도 있다.
또한, 메시지 출력부(180)는 햅틱 기기(153)에 수술용 도구(500)가 접촉되는 경우에 환자 영상의 해당 부위에 해당하는 접촉음을 제공할 수 있다.
일예로, 메시지 출력부(180)는 햅틱 기기(153)가 위치하는 수술 시행 루트가 피부이고, 이러한 피부에 수술용 도구(500)가 접촉하는 경우에 그에 해당하는 접촉음을 제공하고, 수술용 도구(500)가 접촉하는 환자 영상 부위가 척추인 경우에 그에 해당하는 접촉음을 제공한다.
도 9a와 도 9b는 햅틱 기기와 햅틱 기기 이동부의 일예를 나타내는 도면이다.
도 9a와 도 9b를 참조하면, 햅틱 기기 이동부는 중앙 부분에 개구부가 형성되어 있는 사각틀형의 베이스 프레임(1000)과, 상기 베이스 프레임에 연결되어 X축, Y축, Z축을 이동하며 햅틱 기기 설치판(2310)이 구비된 축 연동부(2000)와, 프레임 덮개(3000)를 구비하고 있다.
상기 베이스 프레임(1000)은 네개의 판형의 측면판(1010, 1020,1030, 1040)이 중앙 부분에 개구부가 형성되도록 사각틀형을 형성한 것으로, 작동시 진동이나 충격을 방지하기 위하여 중량의 금속 재질로 제작되어 있다.
이러한 베이스 프레임(1000)은 각 측면판(1010, 1020, 1030, 1040)에서 돌출되어 있는 나사홈을 구비한 네개의 고정판(1100a~1100d)으로 이루어진 고정 부재(1100)를 구비하여 나사홈에 나사를 사용하여 벽에 고정될 수 있다.
여기에서, 베이스 프레임(1000)을 벽에 고정하는 방법은 고정부재(1100)의 나사홈에 나사를 사용하는 것이나 이에 한정되지 않고 베니스 프레임(1000)의 각 측면판(1010,1020, 1030, 1040)에 하나 또는 2개의 나사홈을 구비하여 나사를 사용하여 고정할 수 있다.
이와 같은 베이스 프레임(1000)은 중앙 부분에 개구부가 형성된 프레임 덮개(3000)로 덮여 있을 수 있다. 여기에서, 프레임 덮개(3000)는 필수적인 구성요소가 아니며 선택적으로 구비할 수 있다.
한편, 축 연동부(2000)는 X축 연동기(2100), Y축 연동기(2200) 및 Z축 연동기(2300)를 포함한다.
여기에서, X축은 도면에서 베이스 프레임을 바라보았을 때 세로를 의미하며, Y축은 도면에서 베이스 프레임을 바라보았을 때 가로를 의미하며, Z축은 도면에서 베이스 프레임을 바라보았을 때에 지면에서 수직방향을 의미한다.
상기 X 축 연동기(2100)는 한쌍의 X축 가동블록(2110a, 2110b) 및 한쌍의 X축 가이드레일(2120a, 2120b)을 포함한다.
여기에서, 한쌍의 X축 가동블록(2110a, 2110b)은 상부 측면판(1010)과 하부 측면판(1030) 사이에 설치되어 있는 한쌍의 X축 가이드 레일(2120a, 2120b)에 삽입되어 한쌍의 X축 가이드 레일(2120a, 2120b)을 따라 X축 방향으로 이동한다.
이때, 한쌍의 X축 가동블록(2110a, 2110b) 각각은 해당하는 X축 가이드 레일(2120a, 2120b)에 고정되어 있을 수 있는 X축 파지부재와 X축으로 이동할 수 있는 모터를 포함한다. 물론, 상기 모터는 일측의 X축 가동블록(2110a,2110b)에 형성되어 있을 수 있다.
상기 X축 가이드 레일(2120a, 2120b)는 상부 측면판(1010)과 하부 측면판(1030)에 홈을 형성하여 홈에 삽입되어 고정되도록 하거나, 지지부재를 별도로 상부 측면판(1010)과 하부 측면판(1030)의 안쪽에 설치하여 지지부재에 고정되도록 할 수 있다.
다음으로, 상기 Y 축 연동기(2200)는 Y축 가동블록(2210) 및 한쌍의 Y축 가이드레일(2220a, 2220b)을 포함한다.
여기에서, Y축 가동블록(2210)은 일측 X축 가동블록(2110a)과 타측 X축 가동블록(2110b) 사이에 설치되어 있는 한쌍의 Y축 가이드 레일(2220a, 2220b)에 삽입되어 한쌍의 Y축 가이드 레일(2220a, 2220b)을 따라 Y축 방향으로 이동한다.
이때, Y축 가동블록(2210)은 Y축 가이드 레일(2220a, 2220b)에 고정되어 있을 수 있도록 하는 Y축 파지부재와 Y축으로 이동할 수 있는 모터를 포함한다.
상기 Y축 가이드 레일(2220a, 2220b)는 일측 X축 가동블록(2110a)과 타측 X축 가동 블록(2110b)에 홈을 형성하여 홈에 삽입되어 고정되도록 할 수 있다.
다음으로, Z축 연동기(2300)는 노즐 설치판(2310)과, 한쌍의 Z축 가이드레일(2320a, 2320b) 및 이격 제공판(2330)을 포함한다.
여기에서, 노즐 설치판(2310)은 Y축 가동블록(2210a)과 이격 제공판(2330) 사이에 설치되어 있는 한쌍의 Z축 가이드 레일(2320a, 2320b)에 삽입되어 한쌍의 Z축 가이드 레일(2320a, 2320b)을 따라 Z축 방향으로 이동한다.
이때, 햅틱 기기 설치판(2310)은 Z축 가이드 레일(2320a, 2320b)에 고정되어 있을 수 있도록 하는 Z축 파지부재(2310a)와 Z축으로 이동할 수 있는 모터 그리고 햅틱 기기 설치 부재(2310b)를 포함한다.
여기에서, 햅틱 기기 설치 부재(2310b)는 Z축 파지부재(2310a)에 직각으로 형성되어 있는데 이는 햅틱 기기가 설치될 때에 용이하게 설치되도록 하기 위한 것이다.
상기 Z축 가이드 레일(2320a, 2320b)은 Y축 가동블록(2210a)과 이격 제공판(2330)에 홈을 형성하여 홈에 삽입되어 고정되도록 할 수 있다.
상기 이격 제공판(2330)은 ㄷ자 형상이나 이에 한정되는 것은 아니며 일자형으로 형성할 수 있다.
이와 같이 구성된 햅틱 기기 이동부는 나사등을 통하여 설치되고, 햅틱 기기설치판(2310)의 햅틱 기기 설치 부재(2310b)에 햅틱 기기를 설치한 상태에서 햅틱 기기 제어부의 제어에 의해 X축, Y축, Z축으로 이동하면서 수술 루트 설정부에 의해 설정된 환자 영상의 수술 시행 루트로 햅틱 기기를 이동시킨다.
본 발명에 따르면, 의료진에게 환자의 신체조건과 같은 시뮬레이션 환경을 제공할 수 있게 되며, 그에 따라 의료진이 실제 수술을 하기 전에 환자의 조건에 따른 훈련을 충분히 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 실제 수술을 수행하기 이전에 의료진이 고난도의 경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하며, 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공확률을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 의료진의 시야 방향에 따른 가상 영상이 변화되도록 하여 몰입도 높은 훈련을 제공할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 수술도구에 움직임 센서를 부착하여 의료진이 정확한 수술 경험을 충분히 쌓을 수 있도록 하며, 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공 확률을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 이동형 햅틱 기기를 통하여 촉감을 제공함으로서 실제 수술 환경과 동일한 경험을 제공하여 그에 따라 환자에 대한 실제 수술의 성공 확률을 높일 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가상 현실 의료 훈련 시스템
110: 환자 영상 생성부
120: 수술 루트 설정부
130, 130-1: 움직임 측정부
140: 수술 영상 표시부
150: 수술 도구 저장부
153 : 햅틱 기기
155 : 햅틱 기기 이동부
158 : 햅틱 기기 제어부
160: 음성 인식부
170: 수술 위치 비교부
180: 메시지 출력부

Claims (16)

  1. 환자의 신장, 몸무게, 체격을 포함하는 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성하며, 하기의 시야 감지부가 감지한 의료진의 시야 방향 및 움직임에 따라 환자 영상을 변화시키는 환자 영상 생성부;
    의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지하여 상기 환자 영상 생성부로 제공하는 시야 감지부; 및
    상기 환자에 대해 기 촬영된 영상에 기초하여 병변 위치의 좌표 및 상기 병변 위치의 좌표에 대응하는 수술 시행 루트를 설정하고, 설정된 상기 병변 위치의 좌표 및 상기 수술 시행 루트를 상기 환자 영상 생성부에 의해 생성된 환자 영상에 표시하는 수술 루트 설정부를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    의료진의 수술용 장갑에 설치된 제1 움직임 측정 센서에 기초하여 상기 의료진의 손 및 손가락 중의 적어도 하나에 대한 움직임을 측정하는 제1 움직임측정부;
    수술 도구 영상을 생성하며, 상기 제1 움직임 측정부에 의해 측정된 움직임에 따라 상기 수술 도구 영상이 변위하는 수술 시행 영상을 상기 환자 영상 생성부에 의해 생성된 환자 영상에 표시하는 수술 영상 표시부;
    상기 수술 루트 설정부에 의해 환자 영상에 표시되는 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트와 상기 수술 영상 표시부에 의해 표시되는 수술 시행 영상의 위치를 비교하는 수술 위치 비교부; 및
    상기 수술 위치 비교된 결과에 따라 메시지를 출력하는 메시지 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  3. 청구항 2항에 있어서,
    수술 도구 명칭 및 그에 대응하는 수술 도구 영상을 데이터베이스로 저장하는 수술 도구 저장부; 및
    수술 도구 명칭의 음성 호출을 인식하며, 상기 수술 도구 저장부로부터 인식된 수술 도구 명칭에 대응하는 수술 도구 영상을 호출하여 상기 수술 영상 표시부에 전송하는 음성 인식부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  4. 청구항 2항에 있어서,
    상기 제1 움직임 측정부는
    감지대상의 회전축을 감지하기 위한 자이로 센서;
    감지대상의 진행 속도를 감지하기 위한 가속도 센서; 및
    상기 자이로 센서로부터 출력되는 감지 신호의 시간에 따른 누적 오차를 보상하기 위하여 지구의 자극 위치를 감지하기 위한 지자기 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  5. 청구항 4항에 있어서,
    상기 시야 센서부의 감지 신호는 상기 환자 영상 생성부에 무선으로 전송되는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  6. 청구항 4항에 있어서,
    상기 시야 센서부는 위치를 감지하여 출력하기 위한 GPS 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 환자 영상 생성부는 의료진의 머리에 장착하는 헤드 마운트 디스플레이(HMD)이며, 상기 시야 센서부는 상기 헤드 마운트 디스플레이에 물리적으로 부착되어 의료진의 시야 방향 및 움직임을 감지하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  8. 청구항 1항에 있어서,
    상기 환자 영상 생성부는
    환자의 신장, 몸무게, 체격을 포함하는 신체조건을 반영하여 3차원의 환자 영상을 생성하는 시뮬레이션 엔진; 및
    상기 시야 센서부의 감지 신호를 수신하여 연산하여 상기의 시야 감지부가 감지한 의료진의 시야 방향 및 움직임에 따라 환자 영상을 변화시키는 시야 방향 연산부를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  9. 청구항 1항에 있어서,
    의료진의 수술용 도구에 설치된 제2 움직임 측정 센서에 기초하여 상기 의료진의 수술용 도구에 대한 움직임을 측정하는 제2 움직임측정부;
    상기 제2 움직임 측정부에 의해 측정된 움직임에 따라 상기 수술 도구가 변위하는 수술 시행 영상을 상기 환자 영상 생성부에 의해 생성된 환자 영상에 표시하는 수술 영상 표시부;
    상기 수술 루트 설정부에 의해 환자 영상에 표시되는 병변 위치의 좌표 및 수술 시행 루트와 상기 수술 영상 표시부에 의해 표시되는 수술 시행 영상의 위치를 비교하는 수술 위치 비교부; 및
    상기 수술 위치 비교된 결과에 따라 메시지를 출력하는 메시지 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    상기 제2 움직임 측정부는
    감지대상의 회전축을 감지하기 위한 자이로 센서;
    감지대상의 진행 속도를 감지하기 위한 가속도 센서;
    상기 자이로 센서로부터 출력되는 감지 신호의 시간에 따른 누적 오차를 보상하기 위하여 지구의 자극 위치를 감지하기 위한 지자기 센서; 및
    위치를 감지하여 출력하기 위한 GPS 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  11. 청구항 9항에 있어서,
    수술용 도구가 접촉되는 경우에 환자 영상의 해당 부위에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하는 햅틱 기기;
    상기 햅틱 기기를 상기 수술 루트 설정부에 의해 설정된 환자 영상의 수술 시행 루트로 이동시키는 햅틱 기기 이동부; 및
    상기 햅틱 기기 이동부가 상기 햅틱 기기를 이동시키도록 제어하고, 상기 햅틱 기기에 수술용 도구가 접촉되는 경우에 환자 영상의 해당 부위에 해당하는 햅틱 패턴을 제공하도록 상기 햅틱 기기를 제어하는 햅틱 기기 제어부를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  12. 청구항 11항에 있어서,
    상기 햅틱 기기 이동부는
    중앙 부분에 개구부가 형성되어 있으며 고정부재를 구비하여 부착될 수 있는 사각틀형의 베이스 프레임; 및
    상기 베이스 프레임에 연결되어 X축, Y축, Z축으로 이동하며 햅틱 기기 설치판을 구비하고 있는 축 연동부를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  13. 청구항 12항에 있어서,
    상기 베이스 프레임을 덮는 중앙에 개구부가 형성된 프레임 덮개를 더 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  14. 청구항 12항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은
    서로 연결되어 중앙 부분에 개구부가 있는 사각틀형을 형성하는 제1 내지 제4 측면판을 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  15. 청구항 12항에 있어서,
    상기 축 연동부는
    제1 측면판과 이에 대향하는 제3 측면판 사이의 안쪽에 설치되어 있는 한 쌍의 제1 축 가이드 레일과 상기 한쌍의 제1 축 가이드 레일에 각각 삽입되어 제1 축방향으로 이동하는 한쌍의 제1 축 가동블록을 포함하는 제1 축 연동기;
    상기 한쌍의 제1 축 가이드 레일 사이에 설치되어 있는 한 쌍의 제2 축 가이드 레일과 상기 한쌍의 제2 축 가이드 레일에 각각 삽입되어 제2 축방향으로 이동하는 제2 축 가동블록을 포함하는 제2 축 연동기; 및
    상기 제1 축 가동블록에 설치되어 있는 한 쌍의 제3 축 가이드 레일과 상기 한쌍의 제3 축 가이드 레일에 각각 삽입되어 제3 축방향으로 이동하는 햅틱 기기 설치판과 한쌍의 제3 축 가이드레일의 일측에 설치되어 제2 축 가이드 레일이 이격되어 있도록 하는 이격 제공판을 포함하는 제3 축 연동기를 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
  16. 청구항 15항에 있어서,
    상기 축 연동부는
    상기 한쌍의 제1 축 가동블록의 각각은 해당하는 상기 제1 축 가이드 레일에 고정되어 있을 수 있는 제1 축 파지부재와 제1 축으로 이동할 수 있는 모터를 더 포함하는 가상 현실 의료 훈련 시스템.
KR1020180097748A 2018-08-22 2018-08-22 가상 현실 의료 훈련 시스템 Ceased KR20200022078A (ko)

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