KR101305806B1 - 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법 - Google Patents

인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

수술이 필요한 슬관절의 절단면을 실시간으로 예측하여 표시해 주는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법을 제시한다. 제시된 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치는 환자의 대퇴골과 경골에 부착된 마커들을 촬영하는 복수의 카메라, 복수의 카메라의 촬영 영상을 기초로 마커들의 3차원 위치 좌표를 계산해 내는 마커 위치정보 획득부, 마커들의 3차원 위치 좌표를 근거로 환자의 고관절 회전중심 및 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 기인한 가상의 해부학적 축을 완성하는 축 완성부, 가상의 해부학적 축으로 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전의 무릎관절 각도를 계산해 내고 수술한 이후의 무릎관절의 움직임에 따른 무릎관절 각도를 계산해 내는 무릎관절 각도 계산부, 기구학적 모델 및 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 절단면 예측부, 절단면의 위치추적이 가능한 절단 보조도구의 움직임에 따라 조정되는 절단면의 위치를 계산하는 절단 보조도구 위치 계산부, 무릎관절 각도 계산부로부터의 수술 전과 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단하는 무릎 각도변화 판단부, 및 절단면 예측부와 절단 보조도구 위치 계산부 및 무릎 각도변화 판단부의 결과를 표시하는 표시부를 포함한다.

Description

인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법{Surgery navigation apparatus and method for total knee arthroplasty}
본 발명은 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환자의 무릎 절단면을 화면상으로 표시해 줄 수 있는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법에 관한 것이다.
슬관절 전치환술은 무릎 관절이 질환이나 외상 등에 의하여 손상되어 장애가 심각하면서도 각종 치료에 효과가 없어 일상생활을 할 수 없는 상태에서 행해지는 치료법이다. 그에 따라, 통상의 슬관절 전치환술은 대퇴와 경골의 손상된 연골과 뼈 일부를 제거하고 인공 보형물을 삽입한다.
하지만, 슬관절 전치환술의 성공률은 환자의 해부학적 특성 및 의사의 숙련도에 따라 달라진다. 수술시 의사는 골수강외 지침자나 골수강내 지침자를 사용하여(혹은 함께 사용하여) 시술자의 이력과 경험을 바탕으로 인공관절 삽입부위의 절개 각도를 결정한다. 시술자의 경험에 의해 시술되기 때문에 숙련자가 아니면 이상적인 대퇴경골의 정렬이 어려워서 대퇴경골의 부정정렬에 따른 삽입물의 마모 또는 파손에 의한 실패 등이 발생한다.
이러한 이유로 수술의 일관성을 유지하고 부정정렬을 방지할 수 있는 보조도구로써 영상유도 항법수술 장치와 같은 과학적 장비의 개발 및 도입이 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2009-0071712호(2009.07.02)
이와 같은 슬관절 전치환술의 과정 중 가장 중요한 단계는 인공관절을 대체하기 위해 관절 면을 절단하는 과정이다. 정확한 각도로 절단해야 대퇴골과 경골의 각도의 부정정렬이 생기지 않기 때문이다.
슬관절 전치환술용 항법 시스템은 이러한 의사의 실력에 의존적인 절단 과정을 보조하여 줄 수 있다. 슬관절 전치환술용 항법 시스템이 관절의 절단면을 예측하여 줄 때에 시술자는 실시간으로 절단면을 정확하게 확인하고 교정해 주기를 바란다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 수술이 필요한 슬관절의 절단면을 실시간으로 예측하여 표시해 주는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치는, 환자의 대퇴골과 경골에 부착된 마커들을 촬영하는 복수의 카메라; 복수의 카메라의 촬영 영상을 기초로 마커들의 3차원 위치 좌표를 계산해 내는 마커 위치정보 획득부; 마커들의 3차원 위치 좌표를 근거로, 환자의 고관절 회전중심 및 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 기인한 가상의 해부학적 축을 완성하는 축 완성부; 가상의 해부학적 축으로 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전의 무릎관절 각도를 계산해 내고, 수술한 이후의 무릎관절의 움직임에 따른 무릎관절 각도를 계산해 내는무릎관절 각도 계산부; 기구학적 모델 및 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 절단면 예측부; 절단면의 위치추적이 가능한 절단 보조도구의 움직임에 따라 조정되는 절단면의 위치를 계산하는 절단 보조도구 위치 계산부; 무릎관절 각도 계산부로부터의 수술 전과 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단하는 무릎 각도변화 판단부; 및 절단면 예측부와 절단 보조도구 위치 계산부 및 무릎 각도변화 판단부의 결과를 표시하는 표시부;를 포함한다.
축 완성부는, 환자의 고관절의 회전중심 좌표를 추출하는 고관절 회전중심 좌표 추출부; 제 1탐침을 이용하여 대퇴골 및 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표를 획득하는 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부; 제 2탐침을 이용하여 대퇴골과 경골의 관절면을 스캔하여 관절면의 좌표를 획득하는 관절면 좌표 획득부; 및 고관절의 회전중심 좌표, 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표, 및 관절면의 좌표를 이용하여 가상의 해부학적 축을 재현하는 축 재현부;를 포함한다.
고관절 회전중심 좌표 추출부는 최소자승법으로 고관절의 회전중심 좌표를 추출하되, 고관절 중심의 좌표, 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표, 및 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 변수로 사용한다.
제 1탐침은 대퇴골 외측상과, 대퇴골 내측상과, 경골외측과, 경골내측과, 외측복사, 및 내측복사에 접촉된다.
제 2탐침은 안쪽관절융기, 가쪽관절융기, 가쪽반달, 및 안쪽반달의 면에 접촉된다.
절단면 예측부는 환자의 무릎관절의 모양을 근거로 기구학적 모델을 통해 결정된 환자의 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 및 인공관절의 모양을 이용하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측한다.
표시부는 절단면 예측부의 예측 결과에 따른 절단 유도선 및 절단 보조도구 위치 계산부의 계산 결과에 따른 실시간 절단면 예측 표시선을 화면표시한다.
절단 유도선 및 실시간 절단면 예측 표시선은 색깔, 두께, 형상중 어느 하나에 의해 서로 상이하게 표시된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법은, 환자의 대퇴골과 경골에 부착된 마커들을 촬영한 복수의 카메라의 촬영 영상을 기초로 마커들의 3차원 위치 좌표를 계산해 내는 단계; 마커들의 3차원 위치 좌표를 근거로, 환자의 고관절 회전중심 및 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 기인한 가상의 해부학적 축을 완성하는 단계; 가상의 해부학적 축으로 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전의 무릎관절 각도를 계산하는 단계; 기구학적 모델 및 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 단계; 절단면의 위치추적이 가능한 절단 보조도구의 움직임에 따라 조정되는 절단면의 위치를 계산하는 단계; 수술한 이후의 무릎관절의 움직임에 따른 수술 후의 무릎관절 각도를 계산하는 단계; 수술 전과 수술 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단하는 단계; 및 예측된 무릎관절의 절단면과 계산된 절단 보조도구의 움직임에 따른 절단면의 위치 및 무릎관절의 각도 변화 판단결과를 표시하는 단계;를 포함한다.
축 완성 단계는, 환자의 고관절의 회전중심 좌표를 추출하는 단계; 제 1탐침을 이용하여 대퇴골 및 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표를 획득하는 단계; 제 2탐침을 이용하여 대퇴골과 경골의 관절면을 스캔하여 관절면의 3차원 좌표를 획득하는 단계; 및 고관절의 회전중심 좌표, 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표, 및 관절면의 좌표를 이용하여 가상의 해부학적 축을 재현하는 단계;를 포함한다.
고관절 회전중심 좌표 추출 단계는 최소자승법으로 고관절의 회전중심 좌표를 추출하되, 고관절 중심의 좌표, 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표, 및 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 변수로 사용한다.
절단면 예측 단계는 환자의 무릎관절의 모양을 근거로 기구학적 모델을 통해 결정된 환자의 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 및 인공관절의 모양을 이용하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측한다.
표시 단계는, 예측된 무릎관절의 절단면에 대해서는 예측된 무릎관절의 절단면에 따른 절단 유도를 표시하는 절단 유도선으로 표시하고, 계산된 절단 보조도구의 움직임에 따른 절단면의 위치에 대해서는 계산된 절단 보조도구의 움직임에 따른 절단면의 위치를 표시하는 실시간 절단면 예측 표시선으로 표시한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 절단을 보조하는 절단 유도선을 화면표시하고 시술자는 실시간으로 절단 보조도구를 조절하여 절단 유도선에 현재 절단될 부위를 일치시킴으로써 시스템의 도움을 받아 손쉽게 시술할 수 있다.
절단면에 인공관절 삽입을 한 후의 각도도 계산하여 인공관절 교체후 예상 관절 각도를 표시해 줌으로써 수술이 잘 되었는지를 쉽게 파악할 수 있게 된다.
숙련도에 상관없이 높은 성공률의 인공슬관절 전치환술을 시술할 수 있게 된다. 특히, 기존의 장비없이 수술하는 방법에 비해 의사 개인 능력에 상관없는 수술 정확도를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법을 이용하여 무릎관절 전치환술을 행하는 과정을 설명하는 플로우차트이다.
도 3은 도 2의 설명에 채용되는 경골 및 대퇴골에 부착되는 마커의 일예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 설명에 채용되는 해부학적 특징의 일예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 설명에 채용되는 관절면의 일예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 설명에 채용되는 해부학적 축의 일예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 설명에 채용되는 기구학적 모델의 일예를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 2에 도시된 최적의 절단면 예측 과정 설명에 채용되는 도면이다.
도 10은 도 1의 표시부상에 표시되는 절단 유도선 및 실시간 절단면 예측 표시선의 일예를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 절단 보조도구의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치는 복수의 카메라(10), 마커 위치정보 획득부(20), 축 완성부(30), 무릎관절 각도 계산부(40), 절단면 예측부(50), 절단 보조도구 위치 계산부(60), 무릎 각도변화 판단부(70), 및 표시부(80)를 포함한다.
카메라(10)는 환자의 대퇴골과 경골 등에 부착된 마커들을 촬영한다. 예를 들어, 카메라(10)는 적외선 조명을 갖춘 CCD카메라로 구성된다. 본 발명의 실시예에서는 두 대 이상의 카메라(10)를 사용한다. 두 대 이상의 카메라(10)는 서로 이격되게 설치되되 환자의 대퇴골과 경골 등에 부착된 마커들이 모두 시야에 들어올 수 있도록 배치된다.
마커 위치정보 획득부(20)는 복수의 카메라(10)의 촬영 영상(즉, 환자의 대퇴골과 경골 등에 부착된 마커를 촬영한 영상)을 기초로 마커들의 3차원 좌표를 계산해 낸다. 마커 위치의 3차원 좌표를 얻기 위해서는 두 대 이상의 카메라(10)로 촬영한 2차원 영상이 필요하다. 마커 위치정보 획득부(20)는 2차원 영상들을 활용하여 마커들의 3차원 좌표를 계산한다. 계산되어 얻어진 마커들의 3차원 좌표는 컴퓨터상에 절대좌표를 기준으로 각각의 고유 좌표를 가진다.
축 완성부(30)는 마커 위치정보 획득부(20)로부터의 마커들의 3차원 좌표를 근거로, 환자의 고관절 회전중심 및 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 기인한 가상의 해부학적 축을 완성한다. 축 완성부(30)는 고관절 회전중심 좌표 추출부(32), 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34), 관절면 좌표 획득부(36), 및 축 재현부(38)를 포함한다.
고관절 회전중심 좌표 추출부(32)는 최적화기법(예컨대, 최소자승법)을 이용하여 고관절의 회전중심 좌표를 추출한다. 고관절 회전중심 좌표 추출부(32)는 고관절 회전중심의 좌표, 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표, 및 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 최소자승법을 적용할 경우의 변수로 사용한다.
대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34)는 탐침을 이용하여 대퇴골 및 경골에 대한 해부학적 특징에 대한 좌표를 획득한다. 여기서, 탐침은 마커가 부착된 것이다. 바람직하게, 해부학적 특징에 대한 좌표를 얻기 위해 탐침은 대퇴골 외측상과, 대퇴골 내측상과, 경골외측과, 경골내측과, 외측복사, 및 내측복사에 접촉된다.
관절면 좌표 획득부(36)는 탐침을 이용하여 환자의 대퇴골과 경골의 관절면을 스캔하여 관절면의 3차원 좌표를 획득한다. 여기서, 관절면이란 환자의 대퇴골과 경골의 관절의 면을 의미한다. 관절면 좌표 획득부(36)는 관절면의 주요 부위인 안쪽관절융기(medial condyle), 가쪽관절융기(lateral condyle), 가쪽반달(lateral meniscus), 안쪽반달(medial meniscus)의 면을 마커가 부착된 탐침으로 스캔하여 면의 정보를 획득한다. 또한, 관절면 좌표 획득부(36)는 대퇴골과 경골의 관절 중심의 정보도 획득한다. 이와 같은 해부학적 정보들도 해부학적 축을 복원하는데 이용되며, 인공관절 교체를 위해 기존 관절 절단을 위한 절단면 예측에도 이용된다.
축 재현부(38)는 고관절의 회전중심 좌표, 대퇴골과 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표, 및 관절면의 3차원 좌표를 이용하여 대퇴골과 경골에 대한 가상의 해부학적 축을 재현(복원)한다.
무릎관절 각도 계산부(40)는 축 재현부(38)에서 재현된 가상의 해부학적 축으로 3차원의 기구학적 모델을 구성한다. 여기서, 3차원의 기구학적 모델은 대퇴골의 해부학적 축과 경골의 해부학적 축 및 3자유도를 갖는 무릎관절을 포함한다. 무릎관절 각도 계산부(40)는 구성된 3차원의 기구학적 모델을 이용하여 폄(extension), 굽힘(flexion), 외전(abduction), 내전(adduction), 외측 뒤틀림, 내측 뒤틀림 등과 같은 경우에 대한 무릎관절의 움직임에 따른 각도를 계산한다. 여기서, 폄을 신전으로 표현하여도 되고, 굽힘을 굴곡으로 표현하여도 무방하다. 다시 말해서, 무릎관절 각도 계산부(40)는 가상의 해부학적 축으로 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전과 수술 후의 무릎관절 각도를 계산해 낸다. 수술 후의 무릎관절 각도를 계산하는 이유는 수술이 정상적으로 잘 되었는지를 파악하기 위해서이다. 그에 따라, 무릎관절 각도 계산부(40)는 수술 후(즉, 절단면에 인공관절을 삽입한 후)에 인공관절 삽입 완료신호를 수신하게 되면 수술 후의 무릎관절 각도를 계산해 낸다.
절단면 예측부(50)는 3차원의 기구학적 모델 및 무릎관절 각도 계산부(40)에서의 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측한다. 다시 말해서, 절단면 예측부(50)는 환자의 무릎관절의 모양을 근거로 3차원의 기구학적 모델을 통해 결정된 환자의 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 및 인공관절의 모양을 이용하여 환자의 무릎관절의 최적의 절단면을 예측해 낸다. 절단면 예측부(50)는 예측된 최적의 절단면을 따라 절단이 이루어지도록 유도하는 절단 유도선을 표시부(80)에 표시한다.
절단 보조도구 위치 계산부(60)는 실시간으로 절단면의 위치추적이 가능한 절단 보조도구(마커가 부착됨; 도시 생략)를 사용자(시술자)가 움직이게 됨에 따른 절단면의 위치를 실시간으로 계산한다. 즉, 사용자가 절단 보조도구를 움직여서 뼈를 절단할 칼날의 위치를 조정하게 되면 실제 칼날에 의해 절단되어질 절단면의 현재 위치(예컨대, 절단각도)가 달라지게 된다. 이를 위해, 절단 보조도구 위치 계산부(60)는 절단 보조도구의 움직임에 따라 새롭게 조정된 절단면의 위치를 실시간으로 계산한다. 이에 의해, 절단 보조도구 위치 계산부(60)는 위치조정된 칼날에 의해 절단되어질 절단면을 예측한 표시선(실시간 절단면 예측 표시선이라고 함)을 표시부(80)에 표시한다.
무릎 각도변화 판단부(70)는 무릎관절 각도 계산부(40)로부터의 수술 전과 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단한다. 무릎 각도변화 판단부(70)는 판단 결과를 표시부(80)상에 디스플레이시킨다.
표시부(80)는 절단면 예측부(50)의 결과(즉, 절단 유도선)와 절단 보조도구 위치 계산부(60)의 결과(즉, 실시간 절단면 예측 표시선) 및 무릎 각도변화 판단부(70)의 결과를 화면표시한다. 물론, 표시부(80)는 해부학적 축을 추가로 표시하여도 된다. 표시부(80)는 영상, 문자, 숫자, 및 기호 등을 표시하는 모니터 등으로 구성될 수 있다. 표시부(80)상에 표시되는 해부학적 축과 절단 유도선 및 실시간 절단면 예측 표시선은 서로 상이한 색깔 또는 서로 상이한 두께 또는 서로 상이한 형상(예컨대, 일점 쇄선, 이점 쇄선 등)으로 표시된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법을 이용하여 무릎관절 전치환술을 행하는 과정을 설명하는 플로우차트이다. 도 3은 도 2의 설명에 채용되는 경골 및 대퇴골에 부착되는 마커의 일예를 나타낸 도면이다. 도 4는 도 2의 설명에 채용되는 해부학적 특징의 일예를 나타낸 도면이다. 도 5는 도 2의 설명에 채용되는 관절면의 일예를 나타낸 도면이다. 도 6은 도 2의 설명에 채용되는 해부학적 축의 일예를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 2의 설명에 채용되는 기구학적 모델의 일예를 나타낸 도면이다. 도 8 및 도 9는 도 2에 도시된 최적의 절단면 예측 과정 설명에 채용되는 도면이다. 도 10은 도 1의 표시부상에 표시되는 절단 유도선 및 실시간 절단면 예측 표시선의 일예를 나타낸 도면이다.
먼저, 인공슬관절 전치환술을 위해서 병변이 있는 환자의 무릎을 절개한다(S10).
환자의 대퇴골과 경골 등에 마커를 부착한다(S12). 마커를 부착할 때에는 복수의 카메라(10)의 시야에 모든 마커가 들어올 수 있도록 각각의 카메라(10)를 배치하여야 한다. 마커는 예를 들어 반사구체 또는 적외선 발광체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 경골과 대퇴골에 부착되는 마커의 갯수는 각각 3개 이상이 될 수 있다. 수술용 항법 시스템에서 골격에 고정된 마커가 해부학적 축의 3차원 복원 후 3차원 영상과의 정합에서 기준점이 된다. 대퇴골과 경골에 부착되어 있는 마커의 일예를 도 3에 도시하였다. 마치 벽에 나사를 고정하듯이 마커를 경골과 대퇴골에 고정시킨다.
이후, 마커 위치정보 획득부(20)는 복수의 카메라(10)에서 촬영한 2차원 영상을 활용하여 마커 위치의 3차원 좌표를 획득한다(S14). 계산되어 얻어진 마커들의 3차원 좌표는 컴퓨터상에 절대좌표를 기준으로 각각의 고유 좌표를 가진다.
이어, 고관절 회전중심 좌표 추출부(32)는 최적화기법을 적용하여 고관절 회전중심의 3차원 좌표를 획득한다(S16). 즉, 도 4에 도시된 고관절의 회전중심은 골반의 해부학적 좌표시스템을 기준으로 산출된다. 여기서, 골반의 해부학적 좌표시스템은 분석을 위한 기준이 되는 것으로 3차원의 경우 원점(0,0,0)과 세 방향의 단위벡터로 구성된다. 즉, 골반은 고정되어 있기 때문에 전역좌표시스템 기준의 회전중심을 산출할 수 있다. 전역좌표시스템은 모든 점의 기준이 되는 (0,0,0)을 정의하고 3차원상의 좌표를 다르게 표시하지 않기 위한 기준이 되는 좌표계를 의미한다. 설계변수로는 3차원 고관절의 x, y, z 좌표이며, 비용함수는 고관절이 3자유도(ball and socket joint)의 구면운동을 한다는 가정으로 아래 식 1과 같이 표현되었다. 구현된 최적화기법은 일반적으로 사용되는 최소자승법(least square method)을 적용하였다.
(식 1)
Figure 112011095366319-pat00001
여기서, xc, yc, zc 는 고관절 중심의 좌표를 의미하고, xi, yi, zi 는 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표를 의미하고, R은 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 의미한다. 상술한 고관절 회전중심 좌표는 고관절 회전중심 좌표 추출부(32)가 복수의 카메라(10) 및 마커 위치정보 획득부(20)와 연계하여 추출해 내는 것으로 이해하면 된다.
그리고, 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34)는 탐침을 이용하여 대퇴골 및 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표를 획득한다(S18). 대퇴골 및 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표를 얻기 위해, 마커가 부착된 탐침을 도 4에서와 같이 고관절 중심을 제외한 6곳(즉, 대퇴골 외측상과, 대퇴골 내측상과, 경골외측과, 경골내측과, 외측복사, 내측복사)에 접촉(연결)시킨다. 탐침에 부착되어 있는 마커의 위치를 알기 때문에 탐침 끝의 위치 또한 알 수 있고, 탐침 끝이 가리키는 뼈 표면 또는 어느 한 부위의 위치를 알 수 있는 것이다. 즉, 탐침 끝을 골격의 해당 특징점에 위치시키면 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34)는 탐침에 부착되어 있는 마커의 3차원 좌표를 통해 탐침 끝의 3차원 좌표를 추적하여 골격의 인체해부학적 특징점의 3차원 좌표를 얻을 수 있다. 다시 말해서, 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34)는 고관절 중심을 제외한 6곳(해부학적 특징이 됨)에 대한 좌표를 측정하게 되어 대퇴골 및 경골의 해부학적 특징에 대한 좌표를 획득한다. 이와 같이 얻어낸 해부학적 특징점의 3차원 좌표들은 후에 해부학적 축을 3차원 복원하는데 이용되는 파라메터들이 된다. 상술한 대퇴골 및 경골의 좌표는 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부(34)가 복수의 카메라(10) 및 마커 위치정보 획득부(20)와 연계하여 획득하는 것으로 이해하면 된다.
그리고, 관절면 좌표 획득부(36)는 도 5에서와 같이 대퇴골과 경골의 관절의 면인 관절면의 주요 부위인 안쪽관절융기(medial condyle), 가쪽관절융기(lateral condyle), 가쪽반달(lateral meniscus), 안쪽반달(medial meniscus)의 면을 탐침으로 스캔하여 면의 정보(즉, 3차원 좌표)를 획득한다(S20). 또한, 관절면 좌표 획득부(36)는 대퇴골과 경골의 관절 중심의 정보도 획득한다. 이러한 해부학적 정보들도 해부학적 축을 복원하는데 이용되며, 인공관절 교체를 위해 기존 관절 절단을 위한 절단면 예측에도 이용된다. 상술한 관절면 좌표는 관절면 좌표 획득부(36)가 복수의 카메라(10) 및 마커 위치정보 획득부(20)와 연계하여 획득하는 것으로 이해하면 된다.
이어, 축 재현부(38)는 추출된 대퇴골과 경골의 해부학적 특징의 좌표와 고관절 회전중심의 좌표 및 관절면의 좌표를 이용하여 도 6과 같은 가상의 3차원의 해부학적 축을 재현(복원)한다(S22).
이와 같이 가상의 해부학적 축이 완성된 이후에는, 무릎관절 각도 계산부(40)는 축 완성부(30)에 의한 해부학적 축을 이용하여 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 수술 전의 무릎 관절의 각도를 계산한다(S24). 즉, 무릎관절 각도 계산부(40)는 해부학적 축을 이용하여 도 7에서와 같은 3차원의 기구학적 모델을 구성한다. 그리고 나서, 무릎관절 각도 계산부(40)는 3차원의 기구학적 모델을 이용하여 폄(extension), 굽힘(flexion), 외전(abduction), 및 내전(adduction) 등과 같은 경우의 무릎관절의 움직임에 따른 각도를 계산한다. 그 계산되는 각종 경우에 대한 무릎관절의 움직임에 따른 각도는 추후에 절단해야 할 절단면을 추적하여 소정의 기울기를 갖는 절단 유도선을 형성하는데 도움이 되는 근거자료가 된다. 여기서, 3차원의 기구학적 모델을 이용하여 무릎관절의 각도를 계산하는 방법에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 3차원의 기구학적 모델은 대퇴골과 경골의 해부학적 축과 3자유도를 갖는 무릎관절로 이루어져 있다. 3자유도를 갖는 무릎관절은 폄(extension), 굽힘(flexion), 외전(abduction), 내전(adduction), 외측뒤틀림(external), 내측뒤틀림(internal)을 표현할 수 있으며 그 각도(θ)를 알 수 있다. 각도(θ)는 내적을 이용하여 두 개의 벡터의 각을 구하는 공식(하기의 식 2 참조)이 이용된다.
(식 2)
Figure 112011095366319-pat00002
여기서, A,B는 두 개의 벡터를 의미한다. 굽힘, 폄의 각도(θ)를 구하기 위해 사용되는 두 개의 벡터(A, B)는 각각 대퇴골과 경골의 가상의 해부학적 축이 된다. 그리고, 외전, 내전의 각도(θ)를 구하기 위해 사용되는 두 개의 벡터(A, B)는 대퇴골의 가상의 해부학적 축과 수직이고 대퇴골 외측상과와 대퇴골 내측상과를 잇는 벡터와, 경골의 가상의 해부학적 축과 수직이고 경골 외측과와 경골내측과를 잇는 벡터이다. 외측뒤틀림(external) 및 내측뒤틀림(internal)은 수술 과정에서 구하지 않아도 되는 파라미터이므로 생략한다.
다시 말해서, 해부학적 축이 컴퓨터로 3차원 복원되었기 때문에 두 개의 축의 각도를 계산할 수 있다. 관절을 움직임으로써 변화하는 굽힘, 폄, 외전, 내전 등에 대한 각도를 구해서 저장해 두고서 수술 후와 비교할 수 있도록 한다.
이와 같이, 무릎관절 각도 계산부(40)에 의한 수술 전의 무릎 관절의 각도 계산이 완료되면 3차원의 기구학적 모델 및 그 계산된 값들은 절단면 예측부(50)에게로 제공된다.
그에 따라, 절단면 예측부(50)는 3차원의 기구학적 모델 및 무릎관절 각도 계산부(40)에서의 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절(즉, 경골 관절, 대퇴골 관절)에 대한 최적의 절단면을 예측하여 표시한 후에 절단한다(S26 ~ S36). 최적의 절단면을 예측하기 위해서는 환자 관절의 모양과 인공관절의 모양을 이용한다. 도 8의 (a) 및 (b)에서와 같이 환자의 관절 면의 점들에 대한 좌표를 탐침으로 스캔하여 관절의 모양을 알아낸다. 도 8의 (a)는 정면에서 바라본 경우이고, 도 8의 (b)는 측면에서 바라본 경우이다. 도 8에서, 참조부호 86은 대퇴골을 의미하고, 88은 경골을 의미한다. 한편, d1, d2, d3, d4는 해당 뼈에서 절단해야 할 부분의 두께를 의미한다. 인공관절은 제조회사마다 다르지만 두께와 모양이 정해져 있다. 따라서, 3차원의 기구학적 모델을 통해 결정된 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 인공관절의 모양을 이용하여 절단면을 결정할 수 있다. 제품마다의 모양이 다르기 때문에 옵션으로 설정할 수 있다. 다시 말해서, 인공관절의 두께 및 모양이 정해져 있고, 관절의 표면 정보와 해부학적 축을 알고 있으므로, 수직 절단면은 도 9에서와 같이 해부학적 축(a)과 수직인 면이 되고, 수직인 면의 높이는 인공관절의 두께가 된다. 그 결과 절단 유도선(b)이 도 9에서와 같이 결정된다. 즉, 경골 관절은 도 9에서와 같이 해부학적 축(a)에 수직으로 잘라내게 된다. 그에 따라, 경골 관절의 절단면은 해부학적 축(a)에 수직이며 인공관절의 두께를 고려하여 결정한다. 대퇴골 관절의 경우, 환자의 대퇴골 관절에 맞는 인공관절 삽입을 위해서는 도 8 및 도 9에서와 같이 여러 각도로 잘라야 한다. 대퇴골 관절의 1차 절단면은 해부학적 축(a)에 수직이며 인공관절의 두께를 고려한 면으로 예측한 후에 절단하면 된다. 이후, 무릎 관절의 대퇴골 부위에 부착될 인공관절이 들어간 모양으로 절단하기 위해 대퇴골 관절 절단면 2차 예측을 행한다. 이 절단면에 따라 인공관절의 부착 위치가 달라지고, 인공관절 부착 위치에 따라 무릎에 있는 인대와 근육을 포함하는 연조직에 걸리는 장력이 달라지기 때문에 압력센서를 포함하는 균형 장치를 이용하여 균형을 고려한 절단면을 설정해야 한다. 이와 같은 대퇴골 관절 절단면 2차 예측에 의해 예측된 절단면으로 절단한다.
상술한 경골 관절 및 대퇴골 관절의 절단면 예측 및 표시에 따른 절단을 하는 과정에서, 절단면 예측부(50)는 환자의 무릎관절의 모양과 해부학적 축(a) 및 절단 유도선(b) 등에 관련된 정보를 표시부(80)에게로 보낸다. 그 결과, 표시부(80)는 도 10에서와 같이 환자의 무릎관절의 모양과 해부학적 축(a) 및 절단 유도선(b) 등을 디스플레이한다. 한편, 절단 보조도구 위치 계산부(60)는 마커가 부착되어 실시간으로 절단면의 위치가 추적이 가능한 절단 보조기구의 마커를 실시간으로 추적하여 최적의 절단면을 유도하기 위해 실시간 절단면 예측 표시선을 만들어 낸다. 절단 보조도구 위치 계산부(60)는 실시간 절단면 예측 표시선을 표시부(80)상에 디스플레이시킨다. 그에 따라, 표시부(80)상에는 도 10에서와 같이 환자의 무릎관절의 모양과 가상의 해부학적 축, 절단 유도선, 실시간 절단면 예측 표시선이 디스플레이된다. 사용자(시술자)는 절단 보조도구를 조절하여 실시간 절단면 예측 표시선과 절단 유도선을 일치시키게 되면 최적의 절단면으로 절단을 할 수 있게 된다. 다시 말해서, 사용자가 다소 수술경력이 적거나 숙련되지 않았다고 하더라도 표시부(80)에 표시되는 실시간 절단면 예측 표시선이 절단 유도선에 일치하도록 절단 보조도구를 조절하면 쉽게 최적의 절단면으로 절단할 수 있게 된다. 한편, 도 10에서는 폄, 굽힘, 외전, 내전에 대한 현재 각도 표시창이 화면표시되므로, 사용자는 표시부(80)상의 화면을 보고서 폄, 굽힘, 외전, 내전에 대한 현재 각도를 확인할 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 실시예는 환자의 무릎관절의 모양과 해부학적 축, 절단 유도선, 실시간 절단면 예측 표시선 등을 표시부상에 보여주지만, 기존에는 그와 같은 해부학적 축, 절단 유도선, 실시간 절단면 예측 표시선 등을 표시하지 않는다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 기존과 대비하여 볼 때 숙련도에 상관없이 높은 성공률의 무릎관절 전치환술을 시술할 수 있게 해 준다.
경골 관절 및 대퇴골 관절에 대한 절단이 완료된 이후에는 경골과 대퇴골에 무릎 인공관절을 각각 삽입한다(S38).
경골과 대퇴골에 무릎 인공관절의 삽입이 완료된 이후에는 시술자는 인공관절 삽입 완료신호를 입력한다. 여기서, 인공관절 삽입 완료신호는 버튼 조작 또는 화면터치에 의해 입력가능하다. 그리고, 조작되는 버튼 및 터치화면의 예에 대해서는 별도로 도시하지 않아도 동종업계에 종사하는 자라면 주지의 기술로 쉽게 이해할 수 있다.
그 인공관절 삽입 완료신호를 입력받은 무릎관절 각도 계산부(40)는 수술 후의 무릎관절 각도를 계산해 낸다. 수술 후의 무릎관절 각도를 계산하는 이유는 수술이 정상적으로 잘 되었는지를 파악하기 위해서이다.
무릎관절 각도 계산부(40)에서 계산된 수술 전의 무릎관절 각도 및 수술 후의 무릎관절 각도는 무릎각도 변화 판단부(70)에게로 전송된다. 무릎각도 변화 판단부(70)는 입력받은 수술 전 및 수술 후의 무릎관절 각도를 상호 비교하여 변화가 있는지를 판단하고 그 결과를 표시부(80)상에 디스플레이시킨다(S42).
수술이 잘 된 경우에는 환자의 경골 및 대퇴골 등에 부착된 마커를 제거하고 수술부위를 봉합한다(S44).
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예 설명에 채용되는 절단 보조도구의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
절단 보조도구(110)는 고정 블록(120), 조정 블록(130), 절단 블록(140), 및 위치 결정 도구(160)를 포함한다. 고정 블록(120)은 뼈(150)에 고정된다. 고정된 고정 블록(120)에 조정 블록(130)이 탈착가능하게 결합된다. 조정 블록(130)에 절단 블록(140)이 슬라이딩 결합되어 있다. 조정 블록(130)은 조절 나사(131,132,133)를 구비하며, 조절 나사(131,132,133)를 이용해 뼈(150)에 대한 절단 블록(140)의 위치를 조정한다. 예를 들어, 조절 나사(131,132,133)에 연결된 스크류와 이와 연동하는 치차가 이용될 수 있다. 절단 블록(140)은 절단 도구(도시 생략)가 삽입 안내되는 슬릿(141)을 구비한다. 고정 블록(120)은 뼈(150)에 박히는 복수개의 돌기(121)가 형성된 일면(122)을 구비한다. 고정 블록(120)은 복수개의 돌기(121)가 뼈(150)에 박힘될 수 있도록 망치(도시 생략)와 같은 수단에 의해 적용되는 외력을 수용하도록 일면(122)에 대향하는 타면(123)을 구비한다. 또한, 고정 블록(120)은 뼈(150)에 고정된 상태에서, 조정 블록(130)이 다양한 위치에 결합될 수 있도록 복수개의 홀(124)이 형성된 측면(125)을 구비한다. 조정 블록(130)은 복수개의 홀(124)에 삽입 결합되는 로드(131)를 구비한다. 조정 블록(130)은 로드(131)의 반대측에 절단 블록(140)이 슬라이딩결합되는 슬라이드 가이드(134)를 구비한다. 슬라이드 가이드(134)에 대한 절단 블록(140)의 고정은 억지 끼워 맞춤에 의해서도 가능하며, 별도의 나사(도시 생략)를 이용하여도 좋으며, 슬라이드 가이드(134) 및 절단 블록(140)이 결합되는 부분에 홈과 돌기(도시 생략)를 형성하여 고정하여도 좋다. 바람직하게, 조정 블록(130)은 위치 고정 홈(136)을 구비한다. 이는 복수개의 홀(124) 내부에 형성된 돌기(도시 생략)와 연동하여 조정 블록(130)을 고정 블록(120)에 보다 확실하게 위치 고정시킨다. 절단 블록(140)은 슬라이드 가이드(134)에 슬라이딩 끼움된다. 절단 블록(140)은 조정 블록(130)에 의해 뼈(150)에 대해 슬릿(141)의 위치가 결정된 후에, 뼈(150)에 고정될 수 있도록 나사가 관통되는 홀(142)을 구비한다. 한편, 조정 블록(130)의 슬라이드 가이드(134)에는 후술할 위치 결정 도구(160)가 삽입되는 삽입구(135)가 형성되어 있다. 바람직하게, 삽입구(135)는 슬릿(141)이 형성하는 면과 평행한 면을 가지도록 형성된다. 이를 통해, 슬릿(142), 절단면 및 삽입구(135)가 평행한 면을 가지게 되며, 따라서 슬릿(142)과 삽입구(135)의 관계는 양자 간의 거리만으로 표시될 수 있다.
위치 결정 도구(160)는 조정 블록(130)에 결합된다. 위치 결정 도구(160)는 수술용 항법 장치가 인식할 수 있도록 적외선 반사구(161,162,163)(즉, 마커)와 조정 블록(130)에 결합되는 블레이드(164)를 구비한다. 위치 결정 도구(160)가 절단 블록(140)의 슬릿(141)이 아니라 조정 블록(130)의 삽입구(135)에 결합됨으로써, 절단 블록(140)의 종류에 관계없이 절단면을 모니터를 통해 표시할 수 있게 된다. 또한 절단 블록(140)을 슬라이드 가이드(134)에 장착하지 않은 상태에서 절단될 뼈의 부분을 의사가 육안으로 보면서 조절 나사(131,132,133)를 이용해 조정 블록(130)의 위치를 조절할 수 있게 된다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
10 : 카메라 20 : 마커 위치정보 획득부
30 : 축 완성부 32 : 고관절 회전중심 좌표 추출부
34 : 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부 36 : 관절면 좌표 획득부
38 : 축 재현부 40 : 무릎관절 각도 계산부
50 : 절단면 예측부 60 : 절단 보조도구 위치 계산부
70 : 무릎 각도변화 판단부 80 : 표시부

Claims (16)

  1. 환자의 대퇴골과 경골에 부착된 마커들을 촬영하는 복수의 카메라;
    상기 복수의 카메라의 촬영 영상을 기초로 상기 마커들의 3차원 위치 좌표를 계산해 내는 마커 위치정보 획득부;
    상기 마커들의 3차원 위치 좌표를 근거로, 상기 환자의 고관절 회전중심 및 상기 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 골격의 특징에 기인한 가상의 해부학적 골격 축을 완성하는 축 완성부;
    상기 가상의 해부학적 골격 축으로 무릎관절에 대한 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전의 무릎관절 각도를 계산해 내고, 수술한 이후의 상기 무릎관절의 움직임에 따른 무릎관절 각도를 계산해 내는 무릎관절 각도 계산부;
    상기 기구학적 모델 및 상기 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 절단면 예측부;
    위치추적이 가능한 절단 보조도구의 움직임에 따라 상기 절단 보조도구에 의해 절단 되어질 절단면의 위치를 계산하는 절단 보조도구 위치 계산부;
    상기 무릎관절 각도 계산부로부터의 수술 전과 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단하는 무릎 각도변화 판단부; 및
    상기 절단면 예측부와 상기 절단 보조도구 위치 계산부 및 상기 무릎 각도변화 판단부의 결과를 표시하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축 완성부는,
    상기 환자의 고관절의 회전중심 좌표를 추출하는 고관절 회전중심 좌표 추출부;
    제 1탐침을 이용하여 상기 대퇴골 및 경골의 해부학적 골격의 특징에 대한 좌표를 획득하는 대퇴골 및 경골의 좌표 획득부;
    제 2탐침을 이용하여 상기 대퇴골과 경골의 관절면을 스캔하여 상기 관절면의 좌표를 획득하는 관절면 좌표 획득부; 및
    상기 고관절의 회전중심 좌표, 상기 대퇴골과 경골의 해부학적 골격의 특징에 대한 좌표, 및 상기 관절면의 좌표를 이용하여 상기 가상의 해부학적 골격 축을 재현하는 축 재현부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고관절 회전중심 좌표 추출부는 최소자승법으로 상기 고관절의 회전중심 좌표를 추출하되, 고관절 중심의 좌표, 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표, 및 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 변수로 사용하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1탐침은 대퇴골 외측상과, 대퇴골 내측상과, 경골외측과, 경골내측과, 외측복사, 및 내측복사에 접촉되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2탐침은 안쪽관절융기, 가쪽관절융기, 가쪽반달, 및 안쪽반달의 면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단면 예측부는 상기 환자의 무릎관절의 모양을 근거로 상기 무릎관절에 대한 3차원의 기구학적 모델을 통해 결정된 상기 환자의 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 및 인공관절의 모양을 이용하여 상기 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 표시부는 상기 절단면 예측부의 예측 결과에 따른 절단 유도선 및 상기 절단 보조도구 위치 계산부의 계산 결과에 따른 실시간 절단면 예측 표시선을 화면표시하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 절단 유도선 및 상기 실시간 절단면 예측 표시선은 색깔, 두께, 형상중 어느 하나에 의해 서로 상이하게 표시되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 장치.
  9. 환자의 대퇴골과 경골에 부착된 마커들을 촬영한 두 대 이상의 카메라의 촬영 영상을 기초로 상기 마커들의 3차원 위치 좌표를 계산해 내는 단계;
    상기 마커들의 3차원 위치 좌표를 근거로, 상기 환자의 고관절 회전중심 및 상기 환자의 대퇴골과 경골의 해부학적 골격의 특징에 기인한 가상의 해부학적 골격 축을 완성하는 단계;
    상기 가상의 해부학적 골격 축으로 무릎관절에 대한 3차원의 기구학적 모델을 구성시켜 무릎관절의 움직임에 따른 수술 전의 무릎관절 각도를 계산하는 단계;
    상기 기구학적 모델 및 상기 수술 전의 무릎관절 각도 계산치에 근거하여 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 단계;
    위치추적이 가능한 절단 보조도구의 움직임에 따라 상기 절단 보조도구에 의해 절단 되어질 절단면의 위치를 계산하는 단계;
    수술한 이후의 상기 무릎관절의 움직임에 따른 수술 후의 무릎관절 각도를 계산하는 단계;
    상기 수술 전과 상기 수술 후의 무릎관절 각도 결과를 근거로 무릎관절의 각도 변화를 판단하는 단계; 및
    예측된 무릎관절의 절단면과 상기 절단 보조도구에 의해 절단 되어질 절단면의 위치 및 상기 무릎관절의 각도 변화 판단결과를 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 축 완성 단계는,
    상기 환자의 고관절의 회전중심 좌표를 추출하는 단계;
    제 1탐침을 이용하여 상기 대퇴골 및 경골의 해부학적 골격의 특징에 대한 좌표를 획득하는 단계;
    제 2탐침을 이용하여 상기 대퇴골과 경골의 관절면을 스캔하여 상기 관절면의 좌표를 획득하는 단계; 및
    상기 고관절의 회전중심 좌표, 상기 대퇴골과 경골의 해부학적 골격의 특징에 대한 좌표, 및 상기 관절면의 좌표를 이용하여 상기 가상의 해부학적 골격 축을 재현하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고관절 회전중심 좌표 추출 단계는 최소자승법으로 상기 고관절의 회전중심 좌표를 추출하되, 고관절 중심의 좌표, 대퇴골에 고정시킨 마커의 좌표, 및 고관절 중심으로부터 대퇴골에 고정시킨 마커와의 거리를 변수로 사용하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1탐침은 대퇴골 외측상과, 대퇴골 내측상과, 경골외측과, 경골내측과, 외측복사, 및 내측복사에 접촉되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 2탐침은 안쪽관절융기, 가쪽관절융기, 가쪽반달, 및 안쪽반달의 면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 절단면 예측 단계는 상기 환자의 무릎관절의 모양을 근거로 상기 무릎관절에 대한 3차원의 기구학적 모델을 통해 결정된 상기 환자의 무릎관절의 중심과 관절 표면의 정보, 및 인공관절의 모양을 이용하여 상기 환자의 무릎관절의 절단면을 예측하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 표시 단계는, 상기 예측된 무릎관절의 절단면에 대해서는 상기 예측된 무릎관절의 절단면에 따른 절단 유도를 표시하는 절단 유도선으로 표시하고, 상기 절단 보조도구에 의해 절단 되어질 절단면의 위치에 대해서는 상기 절단 되어질 절단면의 위치를 표시하는 실시간 절단면 예측 표시선으로 표시하는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 절단 유도선 및 상기 실시간 절단면 예측 표시선은 색깔, 두께, 형상중 어느 하나에 의해 서로 상이하게 표시되는 것을 특징으로 하는 인공슬관절 전치환술을 위한 수술 항법 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160022705A (ko) 2014-08-20 2016-03-02 재단법인 아산사회복지재단 도구의 위치 추적장치
KR102235681B1 (ko) * 2019-12-03 2021-04-05 주식회사 딥노이드 수술 위치 항법 장치 및 그 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101458937B1 (ko) * 2014-06-03 2014-11-10 한양대학교 산학협력단 개방형근위경골절골술의 수술계획을 위한 절골 해석 방법
KR101705199B1 (ko) * 2015-05-12 2017-02-09 주식회사 코어라인소프트 의료 영상을 이용한 전방십자인대 재건 수술의 시뮬레이션 시스템 및 방법
WO2020163355A1 (en) * 2019-02-05 2020-08-13 Smith & Nephew, Inc. Methods for improving robotic surgical systems and devices thereof
CN117653267B (zh) * 2024-01-31 2024-04-23 鑫君特(苏州)医疗科技有限公司 膝关节截骨规划装置、膝关节自动截骨装置和相关设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090071712A (ko) * 2007-12-28 2009-07-02 한국과학기술원 컴퓨터시스템을 이용한 대퇴골 상부골절 수술계획시뮬레이션 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090071712A (ko) * 2007-12-28 2009-07-02 한국과학기술원 컴퓨터시스템을 이용한 대퇴골 상부골절 수술계획시뮬레이션 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160022705A (ko) 2014-08-20 2016-03-02 재단법인 아산사회복지재단 도구의 위치 추적장치
KR102235681B1 (ko) * 2019-12-03 2021-04-05 주식회사 딥노이드 수술 위치 항법 장치 및 그 방법

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