KR101286362B1 - 척추 수술시 척추체의 요추체에서 최적의 나사못을 선정하거나 기구 배치를 위한 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 결정 방법 - Google Patents

척추 수술시 척추체의 요추체에서 최적의 나사못을 선정하거나 기구 배치를 위한 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 결정 방법 Download PDF

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Abstract

척추 수술 둥에 척추체의 요추체상에서 나사못의 배치를 용이하게 하기 위하여 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부를 결정하는 방법은 척추체의 3차원 이미지로부터 횡단면상에서 요추체 부근 및 척추체의 외부 표피 표면에 접한 일련의 제1 라인을 제공하는 단계, 상기 일련의 제1라인과 수직하며, 상기 요추체 부근 및 상기 척추체를 통하여 확장된 일련의 제2 라인을 제공하는 단계, 인접한 상기 제2 라인이 상호간 형성하는 최대각이 있는 외부 표피 표면의 영역을 요추체 기저 둘레(pedicle base circumference)로 정의하는 단계, 및 대응하는 상호간 평행에 가까운 상기 제2 라인이 있는 외부 표피 표면의 영역역 요추체 협부라 정의하는 단계를 포함한다. 요추체 협부의 중심은 외부 표피 표면으로부터 확장된 미세한 수직 제2라인의 중심으로부터 추출된 2개의 라인의 교점으로 형성된 단면으로 정의된다.
요추체, 요추체 협부, 요추체 기저 둘레

Description

척추 수술시 척추체의 요추체에서 최적의 나사못을 선정하거나 기구 배치를 위한 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 결정 방법 {Methods for determining the pedicle base circumference and the pedicle isthmus for enabling optimum screw or instrument placement in a pedicle of a vertebral body during spinal surgery}
본 출원은 2006년 1월 24일에 출원된 미국 가특허출원(U.S. Provisional Patent Application) 번호 60/761,365호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 척골수술 분야에 있어서 정확한 요추체 나사못(pedicle screw) 혹은 척골 수술의 기구의 정확한 배치를 위한 계산되고 자동화된 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요추체 기저 환상면(pedicle base circumference), 요추체 협부(pedicle isthmus) 및 요추체 협부의 중심을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
사람의 척골(human spine)에 삽입되는 나사못의 배치는 많은 척골 수술이 시행되면서 사용되는 일반적인 수술 절차이다. 나사못은 전형적으로 요추부(lumbar) 및 천골뼈(sacral spine)에 위치한 개개의 척추(vertebra)의 요추체(pedicle)에 삽입되게 된다.
다른 방법이나 고정술보다 이러한 방법이 갖는 생체역학 이점(biomechanical advantage)이 있는데, 이는 외과의가 요추체 나사(pedicle screw)가 배치되는 척 골(spine) 부분을 확장하는데 있다. 하지만, 척골 부근에는 수많은 생체 조직과 기관이 있으며, 특히 경부 및 흉추 영역(cervical and thoracic spine regions)에서는, 허용 오차가 매우 낮아서 수술에 있어서 심각한 발병 및/혹은 죽음(morbidity and/or mortality)을 유발할 수 있는 상해를 일으킬 수 있다. 이러한 이유로 요추체 나사못의 배치에 관한 연구는 골질(bony)(내부뼈(intraosseous))의 환경내에서 나사못을 유지시키는 정확성을 증진시키는데 집중된다.
이미지 가이드 시스템(Image guided system)은 점점 사용자가 정확한 나사못의 배치를 위한 수술에 보다 친숙해지도록 도와준다. 요추체 나사못을 사람의 척골에 정확히 삽입하데 중요한 변수는 지름, 길이, 궤적 및 실제 나사못의 위치이다. 많은 이미지 가이드 시스템은 외과의의 나사못 배치의 조작 능률을 향상시키는 이러한 변수들의 수동 결정을 허용한다. 최근까지, 자동으로 이상적인 요추체 나사못의 정확한 배치를 위한 요추체 나사의 지름, 길이 및 궤적을 자동으로 결정해주는 활용가능한 시스템은 없었다. 본 발명은 마치 비행능력을 컴퓨터가 제어하는 비행기를 조종하는 파일럿과 비슷한 능력을 제공하며, 개방된 또는 피부를 통한 기술(percutaneous technique)을 사용하여 요추체 나사못의 배치를 허용하게 되는 것이다.
2004년 10월 2일에 공개된 특허공개번호 US 2004/0240715A1은 척골 수술에서 요추체 나사못의 배치를 결정하기 위한 방법 및 컴퓨터 시스템에 관한 것이다. 상기 출원은 최적의 나사못 궤적을 결정하기 위하여 우선 요추체의 지름을 결정하고, 각 요추체의 최적의 궤적을 결정한 후에, 그 후 최대 나사못의 지름 및 길이를 결 정하는 방법을 제시하고 있다. 2차원의 횡단 슬라이스 데이터(two dimensional transverse slice data)가 데이터를 추출하기 위한 선형 최소 제곱근 솔루션(linear least square solution)에 의하여 최적의 궤적을 결정하기 위하여 3차원 데이터를 축적하게 되는데, 상기 솔루션은 전체의 최소 횡단 요추체의 폭을 통하여 얻어진다. 이 방법의 단점은 궤도결정이 어긋나게 되는 것이며, 특히 비틀린 요추체 해부가 되며, 결과적으로 작은 최대지름 및 길이 나사못의 결정은 생체역학상으로 열등한 수술이 된다. 이와는 달리, 새롭고 향상된 본 발명에 따른 방법은 뒤에 자세히 후술하는 바와 같이, 최소교차단면(smallest cross sectional area)(협부, isthmus)의 중심점을 사용하고, 반대방향의 외접면(circumscribed area)에 수직한 선을 컴퓨터로 투사함으로써, 최적의 궤적을 결정하여 요추체를 통과하는 궤적을 집중적으로 배치하게 된다. 새롭고 향상된 본 발명의 방법은 내부뼈(intraosseous) 배치를 위한 최대 나사못 지름 및 길이를 결정해준다.
2005년 9월 1일에 공개된 특허 공개번호 2005/192575-AL은 척추체(vertebral body)에 연결되는 요추제에서 임시적인 인터페이스(transitional interface)를 설명함으로써, 이상적인 요추체 나사못의 지름, 길이 및 궤적을 결정하는 방법론에 관한 것이다. 상기 임시적인 인터페이스는 척추체의 머리쪽 측면에서 본 피층의 밀도처럼 둥근 방사학적으로 전후방향의 방사선 이미지화로 정의된 요추체 기저 둘레(pedicle base circumference, B)를 묘사한다. 상기 요추체 기저둘레의 필수적인 특징은 요추체 협부(X, 요추체 내에 위치한 가장 협소한 영역)와는 다른 것이나, 때때로 동일하기도 하다. 요추체 협부는 외피벽의 손상을 야기하지 않는 요추 체 나사못의 최대 지름을 최대화시키기 위한 제한된 비율 과정이다. 주어진 요추체안에서 요추체 나사못의 지름을 최대화하기 위하여, 요추체 협부가 반드시 결정되어야 한다. 결과적으로, 요추체 협부의 중심은 이상적인 궤적을 따라 집중적 요추체 나사못의 배치가 허용된 이상적인 궤적을 결정하는 것이다.
본 출원은 요추체 기저둘레, 요추체 협부 및 요추체 협부의 중심을 결정하기 위한 새롭고 진보된 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 어떤 적정한 방도에 의한 척추체의 다양한 면(plane)에서 본 일련의 축적된 이미지가 제시된다. 이러한 이미지는 척추체를 트루 3차원 렌더링(true 3-dimensional rendering)하여 획득하여 재구성된다.
일단, 트루 3차원 렌더링을 획득한 후에, 이를 시각화된 횡단면을 절단하고, 외부 표피 모양을 획득한다. 일련의 제1 라인은 외부 표피 표면을 따라 접선방향으로 그려진다. 일련의 제2 라인은 외부 표피 표면이 놓여진 접속에 수직하게 그려지며, 제2 라인은 척추체내에 위치한다.
요추체 부분과 이의 척추체로의 변환에서, 제2 라인은 요추체 기저둘레 및 요추체 협부를 정의한다. 특히, 요추체 기조 둘레는 제2 라인에 인접한 상호간 최대각, 비선형 혹은 불일치한(discordant) 영역으로 정의된다. 요추체 협부는 마주보는(opposing) 제2 라인에서 상호간 가장 평행한 영역으로 정의된다. 외부 표피 표면의 미소한 포인트는 제1 접선면의 배치 및 각각의 제2 수직라인을 위해 활용된다.
요추체 협부가 정의된 후, 집중된 궤적 정의와 요추체 실린더의 형성을 위하여 요추체 협부의 중심을 정의하는 것이 필요하다. 많은 요추체가 달걀모양 혹은 불규칙한 부피를 갖는다 할지라도, 대부분의 요추체는 원통형으로 개념화된다. 이와 같이, 정확히 이러한 요추체의 중심을 결정하는 것이 필수적이다. 본 발명의 방법은 요추체 협부에 의해 정의되는 절단면을 활용하고, 그 후 외부 표피 표면으로부터 수직한 미세한 제2 직교선의 중심으로부터 추축된 2개선의 교차점위에 있는 포인트가 모인 상기 절단면의 중심을 정의한다. 이러한 방법은 요추체의 형상에 상관없이 요추체 협부 중심결정이 가능하다.
도 1A는 척추체의 시상 이미지(sagittal image)의 개략도이다.
도 1B는 척추체의 횡단 이미지의 개략도이다.
도 2는 도 1B에 도시된 척추체의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 척추체의 요추체 부분의 개략도로서, 미소 접선면 라인 및 도 2에 도시된 각각의 수직선을 보인 것이다.
도 4A는 본 발명의 방법에 따라 결정된 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 위치를 보여주는 척추체의 시상 이미지(sagittal image)의 개략도이다.
도 4B는 본 발명의 방법에 따라 결정된 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 위치를 보여주는 척추체의 횡단 이미지(transverse image)의 개략도이다.
도 4C는 본 발명의 방법에 따라 결정된 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 위치를 보여주는 척추체의 관상 이미지(coronal image)의 개략도이다.
도 5A는 본 발명의 방법에 따라 결정된 중심이 도시된 요추체 협부의 개략적인 절단면이다.
도 5B는 본 발명의 방법에 따라 결정된 중심이 도시된 불규칙 모양을 갖는 요추체 협부의 개략적인 절단면이다.
도 5C는 본 발명의 방법에 따라 결정된 중심이 도시된 다른 불규칙 모양을 갖는 요추체 협부의 개략적인 절단면이다.
요추체 기저 둘레( Pedicle Base Circumference) 및 요추체 협부( Pedicle Ishmus)의 결정
본 발명의 방법에 따르면, 어떠한 방법에 의해서건 척추체(vertebral body, 10)의 어떤 평면에서건 연속적인 축적 이미지를 획득할 수 있다. 이들 이미지는 척추체(10)의 트루 3차원 렌더링(true three-dimensional rendering)을 획득하기 위하여 재구성된다. 요추체 기저 둘레(B) 및 요추체 협부(X)는 도 1A 및 도 1B에 개략적으로 도시된 바와 같이 3차원 및 2차원 이미지로 묘사된다.
일단 척추체(10)의 트루 3차원 렌더링을 획득한 후에, 횡단면을 시각화하여 절단하고, 외부 표피 껍질(outer cortical shell)을 획득한다. 일련의 제1 라인(T)는 외부 표피 표면(12)에 수직하고, 이를 따라 그려진다. 일련의 제2 라인(P)는 척추체(10) 내부에 놓인 제2 라인(P)과 함께 외부 표피 표면(12) 상에 놓인 제1 라인(T)에 수직하게 그려진다. 도 2에 도시한 바와 같이, 2개의 제1 접선 라인(T)와, 2개의 제2 수직라인(P)를 예제로서 도시하였다.
요추체(14) 영역 및 이의 척추체(10)의 변환에서, 일련의 제2 수직라인(P)는 요추체 기저 둘레(B) 및 요추체 협부(X)를 정의하게 된다. 특히, 요추체 기조 둘레(B)는, 서로에 대해 선형이 아니거나 일치하지 않는, 인접한 제2 수직라인(P)들이 최대각(A)을 이루는 영역으로 정의된다. 이와는 달리, 요추체 협부(X)는 상호간 가장 평행한 마주보는 제2 수직라인(P)의 영역이다. 외부 표피 표면상의 극소점은 제1 접선 라인(T)과 그들의 각각의 제2 접선라인의 배치에 활용된다. 이러한 예를 도 3에 도시하였다.
요추체 기저 둘레(B) 및 요추체 협부(X)를 정의하는 무한한 횡단부(TS1, TS2, TS3 ...)에서의 점들은 도 4A, 도 4B, 도 4C에 도시된 바와 같이, 요추체 기저 둘레(B) 및 요추체 협부(X)의 해부학적인 3차원적 위치를 결정하기 위하여 맞추어지게 된다. 도 4B 및 도 4C는 각각 요추체(14)의 중심을 지나는 횡단부(TS2)와 그의 횡단 및 관상 투사(transverse and coronal projection) 상의 대응점을 도시한다.
요추체 협부 중심 결정( Pedicle Isthmus Center Determination)
요추체 협부(X)가 결정되면, 요추체 협부의 중심(C)이 더 정의되어야 한다. 이것은 중심궤적 결정 및 요추체 실린더 형성에 필요한 것이다. 대부분의 요추체는 원통형으로 개념화된다; 하지만, 많은 요추체는 달걀형이거나 불규칙한 부피를 가진다. 그러므로, 이러한 요추체의 중심을 결정하는 것이 필요하다. 새롭고 진 보된 본 발명에 따른 방법은 도 5A, 도 5B, 도 5C에 도시된 바와 같이, 요추체 협부(X)에 의하여 정의되는 절단 영역을 활용하고, 미세한 직교의 제2 수직라인(P)의 중심으로부터 도출된 두 라인의 교차되는 점으로 형성된 절단 영역의 중심(C)으로 정의한다. 본 방법은 도 5A, 도 5B, 도 5C에 도시된 바와 같이, 서로 다른 요추체 형상에 관계없이 요추체 협부의 중심결정이 가능하다.
본 발명의 방법은 단순하면서도 쉬운 요추체 기저 둘레, 요추체 협부 및 요추체 협부의 중심의 결정이 가능하며, 이상적인 궤적을 따라 집중된 요추체 나사못의 배치가 가능하다. 이 방법은 어떠한 방식에도 유효하며, 예를 들어 컴퓨터 등과 같은 것을 사용하여 시각적으로 이미지화하거나, 2차원 영역으로부터 수동으로 추출하는 등에도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실용적이고, 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에 포함되어 있슴.

Claims (6)

  1. 척추체(vertebral body)의 3차원 이미지를 형성하는 단계;
    횡단면에서 상기 3차원 이미지의 단면을 취하여 상기 척추체의 외부 표피 껍질(outer cortical shell) 이미지를 형성하는 단계;
    상기 척추체 및 요추체(pedicle) 인접한 외부 표피 표면에 접하는 일련의 제1 라인들(series of first lines)을 상기 3차원 이미지의 단면상에서 제공하는 단계;
    상기 일련의 제1 라인들에 수직한 일련의 제2 라인을 제공하는 단계;
    서로에 대해 선형이 아니거나 일치하지 않는, 인접한 상기 제2 라인들이 최대각을 이루는 외부 표피 표면의 영역을 요추체 기저 둘레(pedicle base circumference)로 정의하는 단계; 및
    서로 마주보는 상기 제2 라인들이 상호간 가장 평행한 외부 표피 표면의 영역을 요추체 협부라 정의하는 단계;
    를 포함하는 척추 수술시 척추체의 요추체에서 최적의 나사못을 선정하거나 기구 배치를 위한 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부의 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 라인 및 상기 제2 라인의 배치를 위하여 상기 외부 표피 표면상의 수많은 점(a large number points)을 사용하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요추체 기저 둘레 및 상기 요추체 협부의 해부학적인 3차원적 위치는 무한한 횡단부에서 상기 요추체 기저 둘레 및 요추체 협부를 정의하여 대조함으로서 결정되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    외부 표피 표면으로부터 확장된 수많은 수직 제2라인의 중심으로부터 추출된 2개의 라인의 교점으로 형성된 단면으로부터 요추체 협부의 중심을 정의하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    컴퓨터에 의해 생성된 이미지로 수행되는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    척추체의 2차원 절단면으로부터 수동으로 수행되는 방법.
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