KR100908497B1 - Matching Method of 3D and 2D Models for Measuring Body Motion - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 관절 모델을 X-레이를 이용하여 촬영된 2차원 관절 모델과 정합시킴으로써 생체를 해부하지 않고 관절의 3차원 운동 해석을 할 수 있는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional / two-dimensional model matching method for measuring the shape of the human joint movement, more specifically, to dissect the living body by matching the three-dimensional joint model with the two-dimensional joint model photographed using X-ray The present invention relates to a matching method of a three-dimensional and two-dimensional model for measuring the joint shape of a human body that can analyze a three-dimensional motion of a joint.

본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절에 대한 3차원 모델을 얻는 단계와, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 X-레이로 촬영하여 관절에 대한 2차원 실제 이미지를 얻는 단계와, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the matching method of the 3D / 2D model for measuring the shape of the joint motion according to the present invention, the step of obtaining a 3D model for the joint of the human body that is the target of the joint motion shape measurement, and the target of the joint motion shape measurement Imaging the joints of the human body by X-rays to obtain a 2D real image of the joint, and comparing the characteristic values of the 3D model and the 2D real image and matching each other.

생체, 운동역학, CT, MRI Biological, kinematic, CT, MRI

Description

인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법{METHOD OF REGISTRATION 3D/2D MODEL FOR MEASUREMENT OF JOINT KINEMATICS}METHODS OF REGISTRATION 3D / 2D MODEL FOR MEASUREMENT OF JOINT KINEMATICS}

도 1은 스킨마커를 이용한 인체의 운동 관측 방법에 대한 일실시예를 도시한 도면1 is a diagram illustrating an embodiment of a method for observing a motion of a human body using a skin marker

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법을 도시한 흐름도2 is a flowchart illustrating a method of matching a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 대상 관절을 CT로 스캔하여 얻은 3차원 모델을 도시한 도면Figure 3a is a diagram showing a three-dimensional model obtained by scanning the target joint in the CT in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention

도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 대상 관절을 MRI로 스캔하여 얻은 3차원 모델을 도시한 도면3b is a view showing a three-dimensional model obtained by scanning the target joint in the MRI method of matching the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention

도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 CAD를 이용하여 얻은 대상 관절에 대한 3차원 모델을 도시한 도면3c is a view showing a three-dimensional model of the target joint obtained by using the CAD in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention

도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 CT 스캔 데이터와 MRI 스캔 데이터를 결합하여 3차원 모델을 얻는 과정을 도식적으로 도시한 도면3D is a diagram schematically illustrating a process of obtaining a 3D model by combining CT scan data and MRI scan data in a matching method of a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 인체 내에 있는 대상 관절에 대하여 X-레이 촬영으로 얻은 2차원 실제 이미지를 도시한 도면4 is a view showing a two-dimensional actual image obtained by X-ray imaging of the target joint in the human body in the method of registration of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 3차원 모델에 대하여 가상 X-레이 촬영으로 2차원 가상 이미지를 얻는 과정을 도식적으로 도시한 도면5A is a diagram schematically illustrating a process of obtaining a 2D virtual image by virtual X-ray imaging of a 3D model in a method of matching a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention; One drawing

도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 3차원 모델에 대하여 가상 X-레이 촬영으로 얻은 2차원 가상 이미지에 대한 라이브러리를 도시한 도면FIG. 5B illustrates a library of two-dimensional virtual images obtained by virtual X-ray imaging of a three-dimensional model in a method of matching a three-dimensional / two-dimensional model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention. drawing

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 2차원 실제 이미지(타겟 이미지)와 2차원 가상 이미지(추정 이미지)의 일치 정도를 판정하는 과정을 도식적으로 도시한 도면Figure 6 determines the degree of agreement between the two-dimensional real image (target image) and the two-dimensional virtual image (estimated image) in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention Schematic diagram showing the process of

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 2차원 실제 이미지와 라이브러리 내의 2차원 가상 이미지 각각을 비교하여 일치 정도를 도식적으로 도시한 도면7 is a schematic diagram illustrating the degree of matching by comparing the two-dimensional real image and each of the two-dimensional virtual image in the library in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention drawing

본 발명은 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 관절 모델을 X-레이를 이용하여 촬영된 2차원 관절 모델과 정합시킴으로써 생체를 해부하지 않고 관절의 3차원 운동 해석을 할 수 있는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional / two-dimensional model matching method for measuring the shape of the human joint movement, more specifically, to dissect the living body by matching the three-dimensional joint model with the two-dimensional joint model photographed using X-ray The present invention relates to a matching method of a three-dimensional and two-dimensional model for measuring the joint shape of a human body that can analyze a three-dimensional motion of a joint.

인체의 관절 운동형태의 측정은 인체의 관절의 이상 유무를 진단하거나 치료하는데 유용하다. 예를 들면 인체의 관절 운동형태 측정을 통해 비정상적인 관절의 운동과 정상적인 관절의 운동을 비교하여 비정상적인 관절의 운동을 정상적인 관절의 운동에 가깝게 치료할 수 있게 된다. 인체의 관절 운동형태 측정은 관절의 운동을 3차원으로 시뮬레이션함으로써 정확하게 이루어질 수 있다. 종래에는 인체의 3차원 관절 운동형태 측정을 위해서 피부에 스킨마커를 부착하고 인체의 움직임에 따른 스킨마커의 운동을 관측하는 방법이 사용되었다. 도 1은 상기와 같이 스킨마커를 부착하여 인체의 운동을 관측하는 방법을 개념적으로 도시한 것이다.Measurement of the joint motion patterns of the human body is useful for diagnosing or treating abnormalities in the joints of the human body. For example, by measuring the joint motion of the human body it is possible to treat the abnormal joint movement close to the normal joint movement by comparing the movement of the abnormal joint with the movement of the normal joint. The measurement of the joint motion form of the human body can be made accurately by simulating the motion of the joint in three dimensions. Conventionally, a method of attaching a skin marker to the skin and observing the movement of the skin marker according to the movement of the human body is used to measure the three-dimensional joint motion form of the human body. FIG. 1 conceptually illustrates a method of observing a motion of a human body by attaching a skin marker as described above.

그러나, 상기와 같은 인체의 피부에 스킨마커를 부착하여 인체의 운동을 관측하는 방법은 스킨마커가 피부에 부착되어 피부 내의 골격과는 실질적으로 상대적인 운동이 발생되어 정확한 관절의 운동을 해석하기 곤란하다.However, in the method of observing the movement of the human body by attaching the skin marker to the skin of the human body as described above, it is difficult to interpret the exact joint movement because the skin marker is attached to the skin to generate a substantially relative movement with the skeleton in the skin. .

한편, 생체를 절개하지 않고 생체의 골격을 파악하는데, 최근 X-레이, CT(Cmoputed Tomography,컴퓨터단층촬영), MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명단층촬영)를 이용하여 골격의 2차원 데이터나 3차원 데이터를 얻는 방법이 사용되고 있다.On the other hand, the skeleton of the living body is identified without dissecting the living body, and recently, X-rays, CT (Cmoputed Tomography), and MRI (Magnetic Resonance Imaging) have been used to determine two-dimensional data or 3 The method of obtaining the dimensional data is used.

그러나, X-레이 촬영의 경우 생체의 동작 중에 연속적으로 관절에 대한 수개 의 이미지 데이터를 얻을 수 있지만 이는 3차원 데이터가 아니라 2차원의 이미지 데이터이기 때문에 관절의 운동을 정확하게 해석하는데에는 한계가 있다.However, in the case of X-ray imaging, several image data about a joint can be obtained continuously during the operation of a living body, but since this is not three-dimensional data but two-dimensional image data, there is a limit in accurately interpreting the joint movement.

한편, CT나 MRI의 경우 관절에 대한 3차원 데이터를 얻을 수 있다. 그런데, CT나 MRI의 경우 인체의 관절 운동형태 측정에 요구되는 연속적인 3차원 형상을 스캔하는데 기술적, 비용적으로 한계를 갖는다.On the other hand, in the case of CT or MRI can be obtained three-dimensional data about the joint. However, in the case of CT or MRI, there is a technical and cost limitation in scanning a continuous three-dimensional shape required for measuring joint motion patterns of a human body.

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 생체의 관절에 대한 3차원 모델을 생체의 동작 중에 X-레이 촬영한 수개의 2차원 모델과 정합시킴으로써 인체를 절개하지 않고 인체의 3차원 운동을 해석할 수 있는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법을 제공하는 것이다.The present invention was conceived by recognizing the above points, and an object of the present invention is to match a three-dimensional model of a joint of a living body with several two-dimensional models taken by X-rays during the operation of the living body. It is to provide a matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the joint motion to analyze the three-dimensional motion of the human body.

아울러, 본 발명의 다른 목적은 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터를 결합하여 인체의 관절에 대한 보다 정확한 3차원 모델을 얻어 2차원 모델과 정합시킬 수 있는 생체의 운동해석을 위한 3차원-2차원 모델의 정합 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to combine the CT-based three-dimensional data and MRI-based three-dimensional data to obtain a more accurate three-dimensional model of the joints of the human body can be matched with the two-dimensional model of the three-dimensional motion analysis of the living body To provide a matching method for -2D models.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인체의 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절에 대한 3차원 모델을 얻는 단계와, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 X-레이로 촬영하여 관절에 대한 2차원 실제 이미지를 얻는 단계와, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a matching method of the 3D / 2-dimensional model for measuring the joint motion form of the human body according to the present invention comprises the steps of obtaining a three-dimensional model of the joint of the human body to be the target of the joint motion form measurement And obtaining a two-dimensional real image of the joint by X-raying a joint of the human body, which is the object of the joint movement type measurement, and comparing the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image to match each other. Characterized in that it comprises a.

또한, 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계는, 상기 3차원 모델의 각각의 자세에 대하여 3차원 모델을 가상 X-레이로 촬영하여 2차원 가상 이미지를 얻는 단계와, 얻어진 2차원 가상 이미지와 얻어진 2차원 실제 이미지와 비교하여 상기 2차원 실제 이미지와 일치되는 것으로 판정된 2차원 가상 이미지를 선택하는 단계와, 선택된 2차원 가상 이미지가 얻어진 3차원 모델을 2차원 실제 이미지와 정합시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention, the step of comparing the characteristics of the three-dimensional model and the two-dimensional real image and matching each other, each of the three-dimensional model Photographing a three-dimensional model with a virtual X-ray for a posture of 2 to obtain a two-dimensional virtual image, and comparing the obtained two-dimensional virtual image with the obtained two-dimensional real image to determine that the two-dimensional actual image is matched. Selecting a dimensional virtual image, and matching the 3D model from which the selected 2D virtual image is obtained with the 2D real image.

또한, 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, 상기 3차원 모델을 얻는 단계는 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT 또는 MRI로 스캔하여 3차원 모델을 얻는 것을 특징으로 한다.In addition, the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention, the step of obtaining the three-dimensional model is to scan the joint of the human body to be the target of the joint motion shape by CT or MRI It is characterized by obtaining a three-dimensional model.

또한, 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, 상기 3차원 모델을 얻는 단계는, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT로 스캔하여 CT 기반 3차원 데이터와 MRI로 스캔하여 MRI 기반 3차원 데이터를 얻고, 얻어진 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터의 정합시키고 CT 기반 3차원 데이터 중 뼈에 대한 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터 중 연부조직에 대한 데이터를 서로 결합하여 3차원 모델을 얻는 것을 특징으로 한다.In addition, in the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention, the step of obtaining the three-dimensional model, CT scan of the joint of the human body to be the target of the joint motion shape CT MRI-based 3D data is obtained by scanning with MRI-based 3D data and MRI, and the obtained CT-based 3D data and MRI-based 3D data are matched, and the bone data and the MRI-based 3D data are softened. Combining data about the tissues with each other to obtain a three-dimensional model.

또한, 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은, CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터의 정합은 CT 기반 3 차원 데이터의 모든 점들과 그 점들과 가장 가까이 위치된 MRI 기반 3차원 데이터의 점 사이의 거리의 합이 최소가 되도록 하는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention, the registration of the CT-based three-dimensional data and MRI-based three-dimensional data are all points and the points of the CT-based three-dimensional data and It is characterized by using an iterative closest point (ICP) algorithm that minimizes the sum of the distances between the points of the closest located MRI-based three-dimensional data.

이하에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the drawings and embodiments will be described in detail the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법을 도시한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a matching method of a 3D / 2D model for measuring the shape of a human joint motion according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인체 운동해것을 위한 3차원-2차원 모델의 정합 방법은 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절에 대한 3차원 모델을 얻는 단계(S10)와, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 X-레이로 촬영하여 관절에 대한 2차원 실제 이미지를 얻는 단계(S20)와, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계(S30,S40,S50)를 포함하여 구성되며, 특히 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계(S30,S40,S50)는 상기 3차원 모델의 각각의 자세에 대하여 3차원 모델을 가상 X-레이로 촬영하여 2차원 가상 이미지를 얻는 단계(S30)와, 얻어진 2차원 가상 이미지와 얻어진 2차원 실제 이미지와 비교하여 상기 2차원 실제 이미지와 일치되는 것으로 판정된 2차원 가상 이미지를 선택하는 단계(S40)와, 선택된 2차원 가상 이미지가 얻어진 3차원 모델의 자세와 2차원 실제 이미지와 일대일 대응으로 정합시키는 단계(S50)로 구성된다.Referring to Figure 2, the matching method of the three-dimensional two-dimensional model for exercising the human body according to an embodiment of the present invention to obtain a three-dimensional model for the joint of the human body to be the target of the joint motion shape measurement (S10 ), And obtaining a two-dimensional real image of the joint by X-rays of the joints of the human body to be measured by the joint motion form (S20), by comparing the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional actual image It comprises a step (S30, S40, S50) to match each other, in particular the step (S30, S40, S50) of comparing the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image and match each other of the three-dimensional model The step of obtaining a two-dimensional virtual image by photographing the three-dimensional model with a virtual X-ray for the posture of (S30), and compared with the obtained two-dimensional virtual image and the obtained two-dimensional real image to match the two-dimensional real image plate The consists of a step (S40), a step (S50) to match the position and two-dimensional real image with one-to-one correspondence with the selected two-dimensional virtual three-dimensional model images are obtained for selecting a two-dimensional virtual image.

관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절에 대한 3차원 모델을 얻는 단계(S10)에서는 3차원적인 관절 운동형태 측정을 위하여 생체내의 관절이나 인공관절에 대한 3차원 모델을 얻게 된다. 상기와 같은 3차원 모델은 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT 또는 MRI로 스캔하여 얻어질 수 있는데, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 대상 관절을 CT로 스캔하여 얻은 3차원 모델을 도시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 대상 관절을 MRI로 스캔하여 얻은 3차원 모델을 도시한 도면이다. 통상 생체 내의 관절에 대한 3차원 모델은 CT 또는 MRI로 스캔하여 얻어진다. 한편, 인공관절의 경우 그 인공관절의 설계시 작성된 CAD 데이터를 이용하거나 제작된 인공관절을 3차원으로 스캔하여 얻어진 CAD 데이터를 이용하여 3차원 모델을 얻을 수 있다. 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 CAD를 이용하여 얻은 대상 관절에 대한 3차원 모델을 도시한 도면이다.In the step (S10) of obtaining a three-dimensional model of the joint of the human body that is the target of the joint motion shape measurement to obtain a three-dimensional model of the joints or artificial joints in vivo for measuring the three-dimensional joint motion shape. The three-dimensional model as described above may be obtained by scanning the joint of the human body that is the target of the joint motion shape by CT or MRI, Figure 3a is a three-dimensional for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention Figure 3 is a view showing a three-dimensional model obtained by scanning a target joint in a method of matching the two-dimensional model, Figure 3b is a three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to an embodiment of the present invention 3D model obtained by scanning the target joint by MRI in the registration method. Typically, three-dimensional models of joints in vivo are obtained by scanning with CT or MRI. Meanwhile, in the case of an artificial joint, a three-dimensional model may be obtained using CAD data created when the artificial joint is designed or using CAD data obtained by scanning the manufactured artificial joint in three dimensions. 3C is a diagram illustrating a 3D model of a target joint obtained using CAD in a matching method of a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention.

한편, 본 발명은 상기와 같이 얻어진 3차원 모델을 관절에 대한 윤곽을 X-레이로 촬영하여 얻은 2차원 실제 이미지와 일치시키는 과정이 포함되는데, 정확한 인체의 관절 운동형태 측정을 위해서는 상기와 같은 과정에서 정확한 3차원 모델의 확보가 필수적이다. 또한, 상기와 같은 3차원 모델에는 뼈(bone)와 같은 강성조직(hard tissue)뿐만 아니라 근육, 연골, 인대와 같은 연부조직(soft tissue)에 대한 정보가 필수적이다. 그런데, 상기와 같이 생체 내의 관절을 CT로 스캔하여 얻어진 3차원 모델의 경우 강성조직인 뼈에 대한 윤곽은 정확하게 파악되지만 근육이 나 인대와 같은 연부조직에 대한 정보는 부족하다. 반대로, 생체 내의 관절을 MRI로 스캔하여 얻어진 3차원 모델의 경우 뼈에 대한 윤곽이 명확하지 않지만 연부조직에 대한 정보가 많이 포함되어 있다. 따라서, 본 발명은 CT로 스캔하여 얻어진 3차원 데이터와 MRI로 스캔하여 얻어진 3차원 데이터를 결합하여 보다 정확한 3차원 모델을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 도 3d는 상기와 같이 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터를 결합하여 3차원 모델을 얻는 과정을 도식적으로 도시한 도면이다. 상기와 같이 CT 스캔 데이터와 MRI 스캔 데이터를 결합하여 3차원 모델을 얻는 과정은 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT로 스캔하여 CT 기반 3차원 데이터와 MRI로 스캔하여 MRI 기반 3차원 데이터를 얻고, 얻어진 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터를 서로 정합시키고 CT 기반 3차원 데이터 중 뼈에 대한 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터 중 연부조직에 대한 데이터를 서로 결합하여 3차원 모델을 얻는다. 특히, 상기와 같은 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터의 정합은 CT 기반 3차원 데이터의 모든 점들과 그 점들과 가장 가까이 위치된 MRI 기반 3차원 데이터의 점 사이의 거리의 합이 최소가 되도록 하는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 상기와 같은 정합을 위해서는 MRI 기반 3차원 데이터에서 뼈의 윤곽을 정확하게 분리하여야 하는데 MRI 기반 3차원 데이터의 경우 뼈의 윤곽이 명확하지 않은 경우가 많다. 따라서, 본 발명에서는 대상 관절에 대한 MRI 기반 3차원 데이터에서 뼈의 관절구(condyle) 부분과 뼈의 중간 골격(shaft) 부분과 같이 뼈의 윤곽이 비교적 명확한 부분을 이용하는 것이 바람직하다. On the other hand, the present invention includes a process of matching the three-dimensional model obtained as described above with the two-dimensional real image obtained by X-ray image of the contour of the joint, for the accurate measurement of the joint motion form of the human body as described above It is essential to ensure accurate three-dimensional model in. In addition, such a three-dimensional model is required for information about soft tissues such as muscles, cartilage, ligaments, as well as hard tissues (bones). However, in the case of the three-dimensional model obtained by scanning the joints in vivo as described above, the contour of the bone, which is a rigid tissue, is accurately identified, but information on soft tissues such as muscles or ligaments is insufficient. In contrast, in the case of a three-dimensional model obtained by scanning an in vivo joint by MRI, the contour of the bone is not clear, but it contains a lot of information about soft tissue. Therefore, the present invention is characterized in that a more accurate three-dimensional model can be obtained by combining three-dimensional data obtained by scanning with CT and three-dimensional data obtained by scanning with MRI. FIG. 3D is a diagram schematically illustrating a process of obtaining a 3D model by combining CT based 3D data and MRI based 3D data. As described above, a process of obtaining a 3D model by combining CT scan data and MRI scan data is performed by scanning a CT of a human body, which is the object of joint motion measurement, by CT based 3D data and MRI, and then using MRI based 3D. Obtain the data, match the obtained CT-based 3D data and MRI-based 3D data with each other, and combine the data for bone in CT-based 3D data with soft tissues in MRI-based 3D data to form a 3D model. Get In particular, the matching of CT-based 3D data and MRI-based 3D data has a minimum sum of distances between all points of CT-based 3D data and the points of MRI-based 3D data closest to the points. It is preferable to use an ICP (Iterative Closest Point) algorithm. On the other hand, in order to match the above, it is necessary to accurately separate the contour of the bone from the MRI-based three-dimensional data, but in the case of the MRI-based three-dimensional data, the contour of the bone is often not clear. Therefore, in the present invention, it is preferable to use a relatively clear portion of the bone, such as a condyle portion of the bone and an intermediate shaft portion of the bone in the MRI-based three-dimensional data of the target joint.

다음으로 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 X-레이로 촬영하여 관절에 대한 2차원 실제 이미지를 얻는 단계(S20)는 상기와 같이 획득된 3차원 모델을 정합시키기 위한 실체의 2차원 이미지를 얻는 단계이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 인체 내에 있는 대상 관절에 대하여 X-레이 촬영으로 얻은 2차원 실제 이미지를 도시한 도면이다. 도면에는 대상 관절로서 인공관절을 촬영한 이미지이다. Next, the step of obtaining a two-dimensional real image of the joint by X-raying the joints of the human body to be measured by the joint motion form (S20) is the two-dimensional of the entity to match the three-dimensional model obtained as described above Acquiring an image. FIG. 4 is a diagram illustrating a 2D real image obtained by X-ray imaging of a target joint in a human body in a method of matching a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention. . In the figure, an image of a artificial joint taken as a target joint is shown.

상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계(S30,S40,S50)는 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 윤곽 등과 같은 특성치를 비교하여 가장 일치되는 상태의 3차원 모델과 2차원 실제 이미지를 정합시키는 단계이다. 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치의 비교의 한 방법으로 3차원 모델에 대한 2차원 가상 이미지를 얻고 그 2차원 가상 이미지와 2차원 실제 이미지의 윤곽이나 겹쳐지는 정도를 비교하는 방법이다(S30,S40). Comparing and matching the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image (S30, S40, S50) is the three-dimensional model of the most matched state by comparing the characteristic values, such as the contour of the three-dimensional model and the two-dimensional real image And the step of registering the two-dimensional real image. As a method of comparing the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image, a two-dimensional virtual image of the three-dimensional model is obtained, and a contour or overlapping degree of the two-dimensional virtual image and the two-dimensional real image is compared (S30). S40).

상기 3차원 모델의 각각의 자세에 대하여 3차원 모델을 가상 X-레이로 촬영하여 2차원 가상 이미지를 얻는 단계(S30)는 3차원 모델을 2차원 실제 이미지와 정합시키기 위하여 3차원 모델에 대한 2차원 윤곽을 얻는 단계이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 인체 내에 있는 대상 관절에 대하여 X-레이 촬영으로 얻은 2차원 실제 이미지를 도시한 도면이다. 도면을 참조하면 가상의 X-레이(X-ray Focus)로 3차원 모델(3D Model)을 촬영하여 2차원 가상 이미지(Virtual Image)를 얻는다. 상기와 같은 2차원 가상 이미지는 3차원 모델의 6자유도 내에서의 가능한 모든 자세에 대 하여 얻어지며, 도 5b는 상기와 같이 3차원 모델에 대하여 가상 X-레이 촬영으로 얻은 2차원 가상 이미지에 대한 라이브러리를 도시한 도면이다.The step S30 of obtaining a two-dimensional virtual image by photographing the three-dimensional model with a virtual X-ray for each posture of the three-dimensional model is performed on the three-dimensional model in order to match the three-dimensional model with the two-dimensional real image. It is the step of obtaining the dimensional contour. FIG. 4 is a diagram illustrating a 2D real image obtained by X-ray imaging of a target joint in a human body in a method of matching a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention. . Referring to the drawings, a 3D model is photographed with a virtual X-ray (X-ray Focus) to obtain a 2D virtual image. The two-dimensional virtual image as described above is obtained for all possible postures within six degrees of freedom of the three-dimensional model, and FIG. 5B shows the two-dimensional virtual image obtained by virtual X-ray imaging of the three-dimensional model as described above. Figure shows a library for.

다음으로 상기와 같이 얻어진 2차원 가상 이미지와 얻어진 2차원 실제 이미지와 비교하여 상기 2차원 실제 이미지와 일치되는 것으로 판정된 2차원 가상 이미지를 선택하는 단계(S40)는 상기와 같이 얻어진 2차원 가상 이미지 중에서 2차원 실제 이미지와 일치되는 2차원 가상 이미지를 찾는 단계이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법에서 2차원 실제 이미지(타겟 이미지, Target image)와 2차원 가상 이미지(추정 이미지, Estimated image)의 일치 정도를 판정하는 과정을 도식적으로 도시한 도면이다. 도면에는 차원 실제 이미지(타겟 이미지, Target image)와 2차원 가상 이미지(추정 이미지, Estimated image)의 일치 정도를 면적이 일치(Area matching)되는 정도를 산정한 일치도1(Fitness1)과 경계가 일치(Boundary matching)되는 정도를 산정한 일치도2(Fitness2)를 이용하여 전체 일치도(Tatal Fitness)를 산정하는 실시예가 도시되어 있다. 예를 들면 도 6에서와 같이 구해진 일치도1(Fitness1), 일치도2(Fitness2)은 수학식 1에서와 같은 방법을 이용하여 전체 일치도(Total Fitness)를 산정할 수 있게 된다.Next, the step S40 of selecting the two-dimensional virtual image determined to match the two-dimensional real image is compared with the two-dimensional virtual image obtained as described above and the obtained two-dimensional virtual image. This step is to find a 2D virtual image that matches the 2D real image. FIG. 6 illustrates a two-dimensional real image (target image) and a two-dimensional virtual image (estimated image) in a matching method of a 3D / 2D model for measuring a human joint motion pattern according to an embodiment of the present invention. Is a diagram schematically illustrating a process of determining the degree of coincidence. In the drawing, the degree of matching between the dimensional real image (target image) and the two-dimensional virtual image (estimated image) is matched with the boundary of Fitness1, which calculates the degree of area matching. FIG. 1 illustrates an embodiment in which a total fitness is calculated using Fitness2, which calculates a degree of boundary matching. For example, the fitness 1 and the fitness 2 obtained as shown in FIG. 6 may be used to calculate the total fitness using the same method as in Equation 1. FIG.

Total Fitness = μFitness1 + (1-μ)Fitness2Total Fitness = μFitness1 + (1-μ) Fitness2

단, μ:가중치(weight fator)Μ: weight fator

한편, 도 7은 2차원 실제 이미지와 라이브러리 내의 2차원 가상 이미지 각각 을 비교하여 일치 정도를 도식적으로 도시한 도면이다. 도 7에서 흑색 부분은 서로 일치되지 않는 부분에 해당된다.On the other hand, Figure 7 is a diagram showing the degree of matching by comparing each of the two-dimensional real image and the two-dimensional virtual image in the library. In FIG. 7, black portions correspond to portions which do not coincide with each other.

상기와 같이 일치되는 것으로 산정되어 2차원 가상 이미지가 선택된 다음에 정합단계(S50)에서 그 선택된 2차원 가상 이미지가 얻어진 자세를 갖는 3차원 모델 2차원 실제 이미지와 일대일 대응으로 정합된다.The two-dimensional virtual image is selected as matched as described above, and then matched one-to-one correspondence with the three-dimensional model two-dimensional real image having a posture obtained in the matching step (S50).

상기와 같이 3차원 모델을 2차원 실제 이미지와 정합이 이루어지면 3차원 모델을 이용하여 인체의 관절 운동형태 측정을 수행할 수 있게 된다.When the three-dimensional model is matched with the two-dimensional real image as described above, it is possible to perform a joint motion measurement of the human body using the three-dimensional model.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은 생체의 관절에 대한 3차원 모델을 생체의 동작 중에 X-레이 촬영한 수개의 2차원 모델과 정합시킴으로써 인체를 절개하지 않고 인체의 3차원 운동을 해석할 수 있는 장점을 갖는다.According to the above configuration, the matching method of the 3D / 2D model for measuring the shape of the joint motion of the human body according to the present invention includes several two-dimensional models of X-ray photographing the 3D model of the joint of the living body during the operation of the living body. By matching with the body has the advantage of analyzing the three-dimensional motion of the human body without incision.

또한, 본 발명에 따른 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법은 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터를 결합하여 인체의 관절에 대한 보다 정확한 3차원 모델을 얻어 2차원 모델과 정합시킬 수 있는 장점을 갖는다.In addition, the matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion according to the present invention combines CT-based three-dimensional data and MRI-based three-dimensional data to obtain a more accurate three-dimensional model of the joints of the human body 2 It has the advantage of matching with the dimensional model.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 생체의 관절 운동형태 측정을 위한 3차원-2차원 모델의 정합 방법은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.The matching method of the three-dimensional two-dimensional model for measuring the joint motion form of the living body described above and illustrated in the drawings is only one embodiment for carrying out the present invention, and is interpreted as limiting the technical idea of the present invention. It should not be. The scope of protection of the present invention is defined only by the matters set forth in the claims below, and the embodiments which have been improved and changed without departing from the gist of the present invention will be apparent to those skilled in the art. It will be said to belong to the protection scope of the present invention.

Claims (5)

삭제delete 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절에 대한 3차원 모델을 얻는 단계와, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 X-레이로 촬영하여 관절에 대한 2차원 실제 이미지를 얻는 단계와, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계를 포함하되, Obtaining a three-dimensional model of the joint of the human body to be measured for the joint motion pattern, and obtaining a two-dimensional actual image of the joint by taking an X-ray of the joint of the human body to be measured for the joint motion pattern; Comprising, and matching each other by comparing the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image, 상기 3차원 모델과 2차원 실제 이미지의 특성치를 비교하여 서로 정합시키는 단계는, 상기 3차원 모델의 각각의 자세에 대하여 3차원 모델을 가상 X-레이로 촬영하여 2차원 가상 이미지를 얻는 단계와, 얻어진 2차원 가상 이미지와 얻어진 2차원 실제 이미지와 비교하여 상기 2차원 실제 이미지와 일치되는 것으로 판정된 2차원 가상 이미지를 선택하는 단계와, 선택된 2차원 가상 이미지가 얻어진 3차원 모델을 2차원 실제 이미지와 정합시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법.Comparing and matching the characteristic values of the three-dimensional model and the two-dimensional real image, the step of obtaining a two-dimensional virtual image by photographing the three-dimensional model with a virtual X-ray for each posture of the three-dimensional model, Selecting the two-dimensional virtual image determined to be matched with the two-dimensional real image by comparing the obtained two-dimensional virtual image with the obtained two-dimensional real image; Matching method of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the shape of the human joint motion, characterized in that it comprises a step of matching with. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 3차원 모델을 얻는 단계는 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT 또는 MRI로 스캔하여 3차원 모델을 얻는 것을 특징으로 하는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법.The step of obtaining the three-dimensional model registration of the three-dimensional / two-dimensional model for measuring the joint shape of the human body, characterized in that to obtain a three-dimensional model by scanning the joint of the human body that is the target of the joint movement shape measurement by CT or MRI Way. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 3차원 모델을 얻는 단계는, 관절 운동형태 측정의 대상이 되는 인체의 관절을 CT로 스캔하여 CT 기반 3차원 데이터와 MRI로 스캔하여 MRI 기반 3차원 데이터를 얻고, 얻어진 CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터의 정합시키고 CT 기반 3차원 데이터 중 뼈에 대한 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터 중 연부조직에 대한 데이터를 서로 결합하여 3차원 모델을 얻는 것을 특징으로 하는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법.The obtaining of the 3D model may include CT-based 3D data and MRI scan to obtain MRI-based 3D data by scanning a CT of a human body, which is a target of joint motion type measurement, and obtaining the MRI-based 3D data. A method for measuring the shape of the joint motion of a human body, characterized by matching three-dimensional data of MRI-based data and combining three-dimensional data of bone and one of MRI-based three-dimensional data with soft tissue data. Matching method of 3D / 2D models. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein CT 기반 3차원 데이터와 MRI 기반 3차원 데이터의 정합은 CT 기반 3차원 데이터의 모든 점들과 그 점들과 가장 가까이 위치된 MRI 기반 3차원 데이터의 점 사이의 거리의 합이 최소가 되도록 하는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 인체 관절 운동형태 측정을 위한 3차원/2차원 모델의 정합 방법.Matching CT-based three-dimensional data with MRI-based three-dimensional data is an iterative that minimizes the sum of the distances between all points of the CT-based three-dimensional data and the points of the MRI-based three-dimensional data located closest to the points. 3D / 2D model matching method for measuring the shape of the joint motion of the human body, characterized by using a Closest Point (Algorithm) algorithm.
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한국의학물리학회(2004, 8쪽)

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KR20080109379A (en) 2008-12-17

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