KR101547608B1 - Method for automatically generating surgery plan based on template image - Google Patents

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KR101547608B1 KR1020130120548A KR20130120548A KR101547608B1 KR 101547608 B1 KR101547608 B1 KR 101547608B1 KR 1020130120548 A KR1020130120548 A KR 1020130120548A KR 20130120548 A KR20130120548 A KR 20130120548A KR 101547608 B1 KR101547608 B1 KR 101547608B1
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Abstract

본 개시는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 있어서, 대상의 수술전 영상이 획득되는 단계; 수술 계획 정보 선택의 기초가 되는 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계;로서, 수술 계획 정보는 템플릿 영상을 기초로 대상에 수행될 시술 방법들을 포함하며, 시술 방법들은 대상에 대한 수술 도구의 위치 또는 방향 정보를 포함하는, 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계; 그리고 선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 부가되어 수술 계획 영상이 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method for automatically generating a template image based surgical plan, comprising: obtaining an preoperative image of an object; A step of registering a template image and a preoperative image as a basis for selection of operation plan information, the operation plan information including operation methods to be performed on an object based on a template image, A template image and a pre-operative image are registered, the template image including position or direction information of a surgical tool with respect to a subject; And a step of automatically adding the selected operation plan information to the matched preoperative images so as to generate the operation plan image, and a method of automatically generating the template image based operation plan.

Description

템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법{METHOD FOR AUTOMATICALLY GENERATING SURGERY PLAN BASED ON TEMPLATE IMAGE}METHOD FOR AUTOMATICALLY GENERATING SURGERY PLAN BASED ON TEMPLATE IMAGE [0002]

본 개시(Disclosure)는 전체적으로 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 관한 것으로, 특히 시술 방법 선택의 기초가 되는 템플릿 영상을 사용하여, 수술 대상 영상에 수술 계획을 자동 생성하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 관한 것이다.Disclosure relates generally to a method for automatically generating a template-based surgical plan, and more particularly, to a template-based surgical plan for automatically generating a surgical plan on a surgical object image using a template image as a basis for selecting a procedure method And an automatic generation method.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).Herein, the background art relating to the present disclosure is provided, and these are not necessarily meant to be known arts.

척추 융합 수술(spinal fusion surgery)은 질환이 있는 척추에 가이드 와이어를 대고 척추에 척추경 나사못을 삽입하여 척추 마디들 간에 비정상적인 움직임을 방지하기 위한 수술이다. 척추 융합 수술은 비수술 치료법으로 치료하기 힘들 정도로 증상이 심한 환자들에게 주로 시술되며, 추간판 탈출증, 척추 골절, 요추관 협착증, 척추 탈위증 등의 척추 질환 수술에 효과적인 것으로 평가된다.Spinal fusion surgery is an operation to prevent abnormal movements between the vertebral segments by inserting the guide wire into the affected vertebrae and inserting the pedicle screw into the vertebrae. Spinal fusion surgery is performed mainly in patients with severe symptoms that can not be treated by non-surgical treatment. It is considered effective for surgery of spinal diseases such as herniated disc, vertebral fracture, lumbar stenosis and spinal dystrophy.

척추에는 중요한 혈관과 신경이 지나고 있기 때문에 척추 융합 수술 시, 매우 작은 오차의 여유만이 허용된다. 따라서, 의사는 극도로 주의를 기울이며 시술을 진행하여야 한다.Only a small margin of error is allowed in spinal fusion surgery, since important vessels and nerves pass through the vertebrae. Therefore, the doctor should be extremely careful and proceed with the procedure.

척추 융합 시술에서 피부를 절개하지 않고 피부를 통해(percutaneous) 나사못을 척추에 삽입하는 경우가 많다. 시술을 위해서는 나사못의 삽입점과 삽입 경로를 미리 계획해야 한다. 이때, 나사못의 삽입점과 삽입 경로를 가이드하여 주는 가이드 와이어(Kirschner wire; K-wire)에 대해서도 함께 시술이 계획된다. 척추 융합 시술에서 많게는 나사못이 수십 개 사용되며, 다수의 가이드 와이어에 대해서도 시술이 계획되어야 한다. In spinal fusion surgery, percutaneous screws are inserted into the vertebrae without skin incision. For the procedure, the insertion point of the screw and the insertion route should be planned in advance. At this time, the procedure is also planned for a guide wire (Kirschner wire; K-wire) guiding the insertion point of the screw and the insertion path. In spine fusion procedures, dozens of screws are used at most, and procedures should be planned for multiple guide wires.

그러나 다수의 나사못과 가이드 와이어를 하나씩 계획하고, 시술하고, 계획과 같이 시술되었는지 확인하는 과정을 반복하여 거치게 되면, 시간과 비용이 많이 소요되며, 환자에게도 많은 고통을 주는 문제가 있다. 또한, 극도의 주의를 요하는 과정이 많이 반복되므로 실수의 가능성도 높아지는 문제가 있다.However, if multiple screws and guidewires are planned, performed, and verified as planned, it will take a long time and a lot of cost, and the patient will suffer a lot of pain. Also, there is a problem that the possibility of a mistake increases because the process requiring extreme care is repeated a lot.

한국 등록특허공보 제1264198호에는 삼차원 모델을 이용한 자동 수술 계획 시스템 및 이를 이용한 수술 계획 방법이 개시되어 있다. 이 특허문헌의 개시된 나사못의 삽입 경로 후보군을 선정, 삽입 경로 후보군에 대해 수술 적합성을 연산, 피삽입체와 나사못 간의 간섭 정도의 척도인 안전성 여유의 연산 등의 과정은 사용자로부터 다수의 입력을 요구하며, 복잡한 연산과정을 나사못 수술 계획을 할 때마다 반복해야 하는 문제가 있다. 또한 수술 계획이 시술장에서 어떻게 사용되어 실재 수술 대상의 시술에 도움을 주는지에 대해 개시가 없다.Korean Patent Registration No. 1264198 discloses an automatic surgery planning system using a three-dimensional model and a surgical planning method using the same. The process of calculating the surgical suitability for the insertion path candidate group and the calculation of the safety margin, which is a measure of the degree of interference between the object to be inserted and the screw, requires a large number of inputs from the user , There is a problem that a complicated calculation process must be repeated every time a screw operation plan is made. There is also no disclosure of how the surgical plan is used in the treatment field to aid in the operation of the actual surgical subject.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).

본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 있어서, 대상의 수술전 영상이 획득되는 단계; 수술 계획 정보 선택의 기초가 되는 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계;로서, 수술 계획 정보는 템플릿 영상을 기초로 대상에 수행될 시술 방법들을 포함하며, 시술 방법들은 대상에 대한 수술 도구의 위치 또는 방향 정보를 포함하는, 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계; 그리고 선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 부가되어 수술 계획 영상이 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법이 제공된다.According to one aspect of the present disclosure, there is provided a method of automatically generating a template-based surgical plan, comprising: obtaining a preoperative image of an object; A step of registering a template image and a preoperative image as a basis for selection of operation plan information, the operation plan information including operation methods to be performed on an object based on a template image, A template image and a pre-operative image are registered, the template image including position or direction information of a surgical tool with respect to a subject; And automatically adding the selected operation plan information to the matched preoperative images to generate a surgical plan image.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

도 1은 본 개시에 따른 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 2는 시술전 척추 영상의 일 예를 설명하는 도면,
도 3은 척추 영상을 사용하여 척추의 마디별로 분할되는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 4는 척추의 표준 모델의 일 예를 설명하는 도면,
도 5는 척추의 마디별로 마련되는 템플릿 영상의 일 예를 설명하는 도면,
도 6은 템플릿 영상에 세팅된 시술 방법들의 일 예를 설명하는 도면,
도 7은 나사못의 삽입 경로가 결정되는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 8은 수술 계획 정보가 3차원 시각화된 수술 계획 영상의 일 예를 설명하는 도면,
도 9는 수술 계획 영상에서 수술 계획이 수정되는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 10은 시술장에서 척추의 현재 영상이 획득되는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 11은 시술장에서 획득된 척추의 현재 영상의 일 예를 설명하는 도면,
도 12는 수술 계획 영상과 현재 영상이 정합되는 방법의 일 예를 설명하는 도면.
1 is a diagram illustrating an example of a method for automatically generating a template image based surgical plan according to the present disclosure;
FIG. 2 is a view for explaining an example of a pre-operative spinal image,
FIG. 3 is a view for explaining an example of a method of dividing a spinal image into segments according to vertebrae;
4 is a view for explaining an example of a standard model of a vertebra,
5 is a view for explaining an example of a template image provided for each vertebrae segment,
6 is a view for explaining an example of surgical procedures set on a template image,
FIG. 7 is a view for explaining an example of a method of determining the insertion path of the screw,
8 is a view for explaining an example of a surgery plan image in which surgery plan information is visualized in three dimensions,
9 is a view for explaining an example of a method of modifying a surgical plan in a surgical planning image,
10 is a view for explaining an example of a method in which a current image of a vertebra is acquired in a procedure field,
11 is a view for explaining an example of a current image of a vertebra obtained in a procedure field,
12 is a view for explaining an example of a method in which a surgery plan image and a current image are matched;

이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)). The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 개시에 따른 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of a method for automatically generating a template image-based surgical plan according to the present disclosure.

템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에서, 대상의 수술전 영상이 획득된다(S110, S120). 수술 계획 정보 선택의 기초가 되는 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)된다(S130). 이후, 선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 부가되어 수술 계획 영상이 생성된다(S140). 필요한 경우 사용자에 의해 수술 계획이 수정된다(S150).In the automatic generation method of the template image-based surgical plan, the preoperative image of the subject is acquired (S110, S120). The template image and the pre-operation image, which serve as a basis for selection of the operation plan information, are registered (S130). Thereafter, the selected operation plan information is automatically added to the matched preoperative images to generate the operation plan image (S140). If necessary, the surgical plan is modified by the user (S150).

수술 계획 정보는 템플릿 영상을 기초로 세팅되며, 대상에 수행될 시술 방법들을 포함할 수 있다. 시술 방법들은 수술 도구(예; 나사못 또는 가이드 와이어)의 대상에 대한 위치 및 방향 정보를 포함할 수 있다.The surgical planning information is set based on the template image and may include surgical procedures to be performed on the subject. Procedural methods may include position and orientation information on the object of the surgical tool (e.g., screw or guide wire).

템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법은 사람이나 동물 모두에 적용될 수 있다. 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법은 특히 뼈에 대한 수술을 계획하는 데에 적용될 수 있으며, 뼈 이외의 다른 부분에 대해서도 적용될 수 있다. 이하, 척추를 중심으로 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법을 설명한다.Automatic generation of template-based surgical plans can be applied to both humans and animals. The automatic generation method of the template image based surgical plan can be applied particularly to planning the operation on the bones, and can be applied to other parts than the bones. Hereinafter, a method of automatically generating a template-based surgical plan around the vertebrae will be described.

도 1에서 미설명 도면부호는 후술된다.1 will not be described below.

도 2는 시술전 척추 영상의 일 예를 설명하는 도면이다. 2 is a view for explaining an example of a pre-procedure vertebral image.

먼저, 시술전 3차원 뼈 영상이 획득된다. 도 2(a)에는 척추 영상이 예시되어 있다. 컴퓨터단층촬영(CT) 또는 자기공명영상(MRI)과 같은 의료영상 촬영장치를 사용하여 수술이 필요한 환자의 척추 영상이 획득된다(도 1의 S110).First, a three-dimensional bone image is acquired before the operation. Fig. 2 (a) illustrates a spinal image. A spinal image of a patient requiring surgery is obtained using a medical imaging apparatus such as a computed tomography (CT) or a magnetic resonance imaging (MRI) (S110 in FIG. 1).

척추에 대한 수술 계획, 예를 들어, 나사못 또는 가이드 와이어 수술 계획은 척추의 마디별로 수행될 수 있다. 성인 사람의 척추는 목뼈 7개, 등뼈 12개, 허리뼈 5개 등으로 구성된다. 척추의 마디는 이러한 각각의 뼈를 의미한다.A surgical plan for the spine, for example, a screw or guide wire surgical plan, can be performed on each vertebrae node. The spine of an adult person consists of seven neckbones, twelve spines, and five backbones. The nodes of the vertebrae mean each of these bones.

획득된 척추 영상을 사용하여 척추의 마디별로 분할(segmentation)된다(S120). 예를 들어, 도 2(b)에 도시된 것과 같이, 시술하고자 하는 척추(10)가 분할에 의해 추출될 수 있다. 뼈 마디들 사이에서 Partial Volume Effect 등으로 인해 척추를 마디별로 분할하는 데에 큰 어려움이 있다. 특히, 뼈 마디들이 붙어 있어서 간단한 쓰레쉬홀딩(Thresholding) 및 Connected Component Analysis 방법으로 구분하기가 어렵다.The obtained spinal image is segmented according to the segment of the vertebrae (S120). For example, as shown in Fig. 2 (b), the vertebrae 10 to be treated can be extracted by division. Partial volume effect among bones has a great difficulty in dividing the vertebrae into segments. In particular, it is difficult to distinguish between simple thresholding and connected component analysis because of the presence of bone nodes.

도 3은 척추 영상을 사용하여 척추의 마디별로 분할되는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining an example of a method of dividing a vertebra by using a vertebral image.

예를 들어, Bi-plane C-arm 또는 CT에 의해 회득된 척추 영상으로부터 척추의 마디별로 검출된다. 척추의 마디의 몸체(body), 척추경(pedicle) 등의 위치를 구분하는 등의 과정을 거쳐 척추 마디의 구조가 분석된다. For example, from the spinal image acquired by the Bi-plane C-arm or CT, it is detected for each vertebrae segment. The structure of the spinal nodes is analyzed through the process of distinguishing the positions of the body, the pedicle, and the like of the vertebrae.

예를 들어, CT(Computed Tomography)에 의해 획득된 척추 영상에 쓰레쉬홀딩(thresholding) 기법을 적용하여 척추의 마디별로 분할될 수 있다(도 1의 S120). 로컬 라플라시안(Local Laplacian)을 이용하여 불연속(discontinuity)이 일어나는 복셀(voxel; 5)을 제거하면 척추의 마디와 마디가 만나는 부분이 검출될 수 있다. 예를 들어, 경계 복셀(boundary voxel)들에 대해서 iterative orientation(negative gradient) mapping discontinuity가 일어나는 복셀이 제거된다. 경계면 점(point)이 많은 경우 surface fitting을 이용하여 척추 마디가 분할될 수 있다. 또는, 후술될 표준 척추 모델(spine model)을 이용하여 척추경(pedicle) 부분이 검출될 수 있다.For example, a thresholding technique may be applied to a spinal image acquired by CT (Computed Tomography) to be divided into segments of the vertebrae (S120 in FIG. 1). Removal of the voxel 5 with discontinuity using local Laplacian can detect the part of the vertebrae where the vertebrae meet. For example, voxels are removed where iterative orientation (negative gradient) mapping discontinuity occurs for boundary voxels. If there are many interfacial points, the spinal nodes can be segmented using surface fitting. Alternatively, a pedicle portion may be detected using a standard spine model to be described later.

도 4는 척추의 표준 모델의 일 예를 설명하는 도면이고, 도 5는 척추의 마디별로 마련되는 템플릿 영상의 일 예를 설명하는 도면이다.FIG. 4 is a view for explaining an example of a standard model of a vertebra, and FIG. 5 is a view for explaining an example of a template image provided for each vertebrae.

시술전 척추 영상이 획득된 이후, 척추의 템플릿(template) 영상과 시술전 척추 영상이 척추의 마디별로 정합(registration)된다(도 1의 S130).After the spinal image is acquired before the procedure, the template image of the spinal column and the pre-operation spinal image are registered for each node of the vertebrae (S130 in FIG. 1).

예를 들어, 도 4과 같이, 척추의 표준 모델을 마련하고, 척추의 마디별로 도 5와 같이 템플릿 영상을 준비한다. 템플릿 영상은 척추의 평균적인 형상 또는 지도(atlas)로서, CT 기반의 척추 템플릿 영상이 준비된다.For example, as shown in FIG. 4, a standard model of the vertebra is prepared, and a template image is prepared for each vertebrae as shown in FIG. The template image is an average shape or map of the spine, and a CT based spinal template image is prepared.

예를 들어, 템플릿 영상은 CT 영상에서 자동 또는 반자동으로 척추의 마디를 추출하여 척추의 마디 영상이 생성되는 과정과, 이렇게 생성된 척추의 마디 영상에 대해 3D 이미지 생성 알고리즘(예: 마칭 큐브즈(Marching Cubes) 알고리즘) 등을 이용하여 척추의 마디의 3차원 모델 영상을 생성하는 과정과, 척추의 마디의 시술에 필요한 랜드마크(Landmark) 등을 숙련자가 척추의 마디의 3차원 모델 영상에서 설정하는 과정에 의해 만들어질 수 있다.For example, a template image may be generated by automatically or semi-automatically extracting a segment of a vertebra from a CT image to generate a segment image of the vertebra, and a 3D image generation algorithm (for example, marching cubes (3-D) model image of the vertebrae using the Marching Cubes algorithm), and a landmark required for the operation of the vertebral column. Can be made by the process.

이와 같이, 준비된 척추 마디의 템플릿 영상과 시술전 척추 영상으로부터 추출된 척추 마디의 영상이 정합된다. 예를 들어, 강체정합(rigid registration) 및 deformable한 정합이 이용될 수 있다.In this way, the template image of the prepared vertebrae node and the image of the vertebral node extracted from the preoperative vertebral image are matched. For example, rigid registration and deformable registration can be used.

도면 부호 21은 후술된다.Reference numeral 21 is described later.

도 6은 템플릿 영상에 세팅된 시술 방법들의 일 예를 설명하는 도면이다. 도 7은 나사못의 삽입 경로가 결정되는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다. 도 8은 수술 계획 정보가 3차원 시각화된 수술 계획 영상의 일 예를 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining an example of surgical procedures set on a template image. Fig. 7 is a view for explaining an example of a method of determining the insertion path of the screw. 8 is a view for explaining an example of a surgery plan image in which the surgery plan information is visualized three-dimensionally.

템플릿 영상을 기준으로 척추 마디별로 나사못의 삽입점(entry point) 및 삽입 경로를 포함하는 수술 계획 정보가 정의될 수 있다.Surgical plan information including the insertion point of the screw and the insertion route can be defined for each vertebrae based on the template image.

템플릿 영상을 사용하여 나사못 삽입점 및 삽입 경로가 세팅된 시술 방법들(A, B, C)이, 도 6에 도시된 것과 같이, 예시되어 있다. 각 시술 방법에서 상측 그림은 척추 마디를 관상(몸의 내측에서 바라본 모양)으로, 중간 그림은 횡단면(위에서 본 모양; 도 7의 33)으로, 하측 그림은 시상(옆에서 본 모양; 도 7의 31)으로 나타나 있다. 예를 들어, 시술 방법들(A, B, C)은 축적된 임상 데이터와 템플릿 영상을 바탕으로 최적의 결과를 내기 위해 나사못의 삽입 및 삽입 경로가 미리 세팅된 시술 방법일 수 있다.(A, B, C) in which a screw insertion point and an insertion path are set using a template image are illustrated as shown in Fig. In each procedure, the upper image shows the coronal (coronal) view (from the inside of the body), the middle view shows the transverse view 31). For example, the surgical procedures (A, B, C) may be a surgical procedure in which the insertion and insertion paths of the screws are preset in order to obtain optimal results based on accumulated clinical data and template images.

시술이 필요한 척추의 마디(예; 도 2의 10)에 대응하는 템플릿 영상을 사용하여 시술 방법들(A,B,C)이 정해질 수 있다. 예를 들어, 도 6에서 시술 방법(C)가 선택된 경우, 척추경에 대한 나사못의 삽입점 및 삽입 경로가 결정된다. 이러한 삽입점 및 삽입 경로는 전술된 것과 같이 축적된 임상 데이터와 전문가들의 경험을 바탕으로 척추의 마디의 템플릿 영상에서 최적의 위치로 선택될 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 것과 같이, 시상에서 나사못의 중심축(101)과 횡단면에서 나사못의 중심축(105)이 결정된다. 따라서 나사못의 3차원 공간에서 중심축(109)이 결정된다.Procedural methods (A, B, C) can be determined using a template image corresponding to a vertebral segment (e.g., 10 in Fig. 2) requiring surgery. For example, when the procedure (C) is selected in Fig. 6, the insertion point and insertion path of the screw with respect to the vertebra are determined. These insertion points and insertion paths can be selected as optimal positions in the template image of the vertebrae segment based on accumulated clinical data and expert experience as described above. 7, the central axis 101 of the screw and the central axis 105 of the screw in the transverse section are determined in the sagittal plane. Thus, the center axis 109 is determined in the three-dimensional space of the screw.

이와 같이, 나사못의 삽입점과 삽입 경로가 결정되면, 나사못을 가이드 하는 가이드 와이어의 시술 위치 및 방향(예; 도 5의 21)에 대해서도 수술 계획이 정해질 수 있다. 가이드 와이어(도 8의 45)는 복수의 척추의 마디들에 걸쳐 위치할 수 있다. 복수의 척추의 마디들 각각에 대해 시술 방법이 결정되면, 가이드 와이어의 위치 및 방향도 결정될 수 있다.As such, when the insertion point of the screw and the insertion route are determined, the operation plan can be determined for the position and direction of the guide wire guiding the screw (e.g., 21 in Fig. 5). The guide wire (45 in Fig. 8) can be positioned over the nodes of the plurality of vertebrae. Once the procedure is determined for each of the plurality of vertebral segments, the position and orientation of the guide wire may be determined.

시술전 척추 영상과 템플릿 영상 간의 정합 정보를 사용하여 상기 수술 계획 정보는 정합된 수술전 영상에 자동으로 부가된다(도 1의 S140). 수술 계획 정보는 척추의 마디마다 정합을 통해 시술전 척추 영상으로부터 추출되는 척추의 마디에 적용된다.Using the matching information between the vertebral image and the template image before the operation, the surgical planning information is automatically added to the matched preoperative images (S140 in FIG. 1). Surgical planning information is applied to the nodes of the vertebrae extracted from the pre-operative spinal image through registration of each vertebrae node.

예를 들어, 시술 방법(C)을 마우스로 클릭하면, 시술 방법(C)에 의해 미리 결정된 나사못(도 8의 41)의 삽입점, 삽입 경로 및 가이드 와이어(도 8의 45)의 위치가 수술전 영상에 자동으로 시각화된다. 여러 개의 척추 마디에 대해 이러한 시술 방법이 선택되고, 도 8에 도시된 것과 같이, 자동으로 수술전 척추 영상에 3차원 시각화될 수 있다. For example, when the operation method C is clicked on with a mouse, the insertion point of the screw (41 in Fig. 8), the insertion path and the position of the guide wire (45 in Fig. 8) predetermined by the operation method It is automatically visualized in the whole image. This procedure is selected for several vertebral nodes and can be automatically visualized three-dimensionally in the pre-operative spinal image, as shown in FIG.

예를 들어, 척추의 마디별로 시각화된다. 피부 및 뼈의 삽입점 및 가이드 와이어(K-wire)가 함께 시각화된다. 가이드 와이어는 뼈 속에서 라인(line)이 시각화될 수 있다. For example, it is visualized by the nodes of the vertebrae. The insertion point of the skin and bone and the guide wire (K-wire) are visualized together. The guide wire can visualize a line in the bone.

도 9는 수술 계획 영상에서 수술 계획을 수정하는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.9 is a view for explaining an example of a method of modifying a surgical plan in a surgical plan image.

전술된 것과 같이, 사용자 인터페이스(예; 마우스)에 의해 선택된 시술 방법이 시술전 척추 영상에 자동으로 시각화된다. 환자에게 특화된(patient specific) 최적의 수술 계획을 만들기 위해 의사나 사용자에 의해 수술 계획 영상에서, 또는 템플릿 영상에서 수술 계획 정보가 수정될 수 있다(도 1의 S150).As described above, the procedure selected by the user interface (e.g., a mouse) is automatically visualized in the pre-procedure spine image. Surgical planning information may be modified in a surgical plan image or in a template image by a doctor or a user to create an optimal patient-specific surgical plan (S150 in FIG. 1).

예를 들어, 마우스에 의해 수술 계획 영상에서 나사못(41)의 삽입점(entry point) 및 삽입 경로가 수정되고, 이에 따라 가이드 와이어(45)의 수술 계획도 수정될 수 있다. 수정된 수술 계획 정보는 실시간으로 수술 계획 영상에 시각화된다.For example, the insertion point and insertion path of the screw 41 in the surgical planning image can be modified by the mouse, and the surgical plan of the guide wire 45 can be modified accordingly. The modified surgical planning information is visualized in real time in the surgical planning image.

도 9(a)는 수술 계획 정보가 시각화된 수술전 척추 영상을 보여준다. 도 9(b)는 수술 계획 정보가 시각화된 수술전 척추 영상의 서로 수직한 2차원 영상들을 보여준다. 2차원의 수술전 척추 영상은 3차원의 수술 계획 영상으로부터 virtual C-arm과 같은 방법으로 추출될 수 있다. 도 9(c)는 잘못 계획된 나사못(41)의 삽입점 및 방향을 수정하는 일 예를 보여준다.Fig. 9 (a) shows the preoperative spinal image visualized in the surgical planning information. FIG. 9 (b) shows two-dimensional images perpendicular to each other of the pre-operative spinal image visualizing the surgical planning information. Two-dimensional preoperative vertebral images can be extracted from three-dimensional surgery plan images in the same way as the virtual C-arm. FIG. 9 (c) shows an example of correcting the insertion point and direction of the incorrectly designed screw 41.

이러한 수술 계획의 수정은 복잡한 연산 과정이나, 절차 없이, 수술 계획 영상에서 마우스로 간단히 조작함으로써 이루어질 수 있다.Modification of such a surgical plan can be accomplished by simple manipulation of the operation plan image with a mouse without complicated calculation procedures or procedures.

이와 같이, 본 개시에 따른 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 의하면, 다수의 나사못 및 가이드 와이어가 간단히 시술 방법을 선택함으로써 자동으로 3차원으로 시각화 또는 척추 마디별로 시각화될 수 있다. 따라서 다수의 나사못 및 가이드 와이어에 대한 수술 계획이 용이하게 되고, 환자의 부담을 줄이며 시간과 비용이 절약되며, 실수의 위험이 감소된다.Thus, according to the method of automatically generating a template image-based surgical plan according to the present disclosure, a plurality of screws and guide wires can be automatically visualized three-dimensionally by visualization or vertebral segment by simply selecting the procedure. Therefore, it is possible to plan the operation of a large number of screws and guide wires, to reduce the burden on the patient, to save time and money, and to reduce the risk of mistakes.

도 10은 시술장에서 척추의 현재 영상이 획득되는 방법의 일 예를 설명하는 도면이고, 도 11은 시술장에서 획득된 척추의 현재 영상의 일 예를 설명하는 도면이다.FIG. 10 is a view for explaining an example of a method of acquiring a current image of a vertebra in a procedure field, and FIG. 11 is a view for explaining an example of a current image of a vertebra obtained in a procedure field.

수술 계획 영상이 준비된 환자가 시술장에 위치하고, 척추의 현재 영상이 획득된다(도 1의 S160). 예를 들어, 시술장에서 Bi-plane C-arm사용하여 척추를 촬영하여 서로 수직한 2장의 2차원 현재 영상들(도 11(a) 및 도 11(b) 참조)이 획득된다. Bi-plane C-arm은 C-arm(X-ray) 2개를 직교하도록 장착한 장치이다. 이와 다르게, C-arm을 사용하여 바람직하게는 척추를 직교하는 방향으로 2번 촬영하거나, CBCT를 사용하여 촬영할 수도 있다. 상기 2번 촬영시의 각도 차이를 알 수 있으면 되고, 반드시 직교하는 방향으로 촬영할 필요는 없으며, 10도 이상의 차이가 나도록 촬영하면 무방하다.The patient having the surgery plan image is placed in the treatment field, and the current image of the spine is acquired (S160 in FIG. 1). For example, two vertebrae two-dimensional current images (see Figs. 11 (a) and 11 (b)) perpendicular to each other are obtained by photographing the spine using the Bi-plane C-arm in the procedure field. The Bi-plane C-arm is a device in which two C-arms (X-ray) are mounted orthogonally. Alternatively, the C-arm may be used to photograph the vertebra twice, preferably in the direction orthogonal to the vertebra, or may be photographed using CBCT. It is not necessary to take a photograph in the direction orthogonal to the photographing, and it is sufficient to take a photograph so that a difference of 10 degrees or more is obtained.

현재 영상들에는 가이드 와이어가 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 획득된 현재 영상들은 각각 AP X-ray image, Lateral X-ray image로서 2차원 영상들이다. 여기서 전술된 것과 같이, Lateral X-ray image는 반드시 AP X-ray image와 직교하는 lateral일 필요는 없다.Current images may or may not include guide wires. The acquired images are AP X-ray image and Lateral X-ray image, respectively. As described hereinabove, the lateral X-ray image does not necessarily have to be perpendicular to the AP X-ray image.

도 12는 수술 계획 영상과 현재 영상이 정합되는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.12 is a view for explaining an example of a method in which a surgery plan image and a current image are matched.

수술 계획 영상과 현재 영상이 척추의 마디의 형상을 이용하여 정합(registration)된다(도 1의 S170). The operation plan image and the current image are registered using the shape of the node of the vertebrae (S170 in FIG. 1).

예를 들어, virtual C-arm 방식을 사용하여 3차원인 수술 계획 영상으로부터 2차원의 수술 계획 영상이 추출된다. 2차원의 수술 계획 영상은 Bi-plane C-arm, C-arm, CBCT 등의 의료 영상 장치가 현재 영상을 촬영할 때의 조건(예; 각도)에 맞추어 추출된다. 또는, 2차원의 수술 계획 영상과 현재 영상 간의 각도 차이 등 정합을 위한 정보를 알 수 있으면 된다.For example, a two-dimensional surgical planning image is extracted from a three-dimensional surgical planning image using a virtual C-arm method. The two-dimensional surgical planning image is extracted according to the condition (eg, angle) when the medical imaging device such as Bi-plane C-arm, C-arm, or CBCT captures the current image. Or, it is only necessary to be able to know the information for matching, such as the angle difference between the two-dimensional operation plan image and the current image.

이후, 시술 대상인 척추 마디(10)에 대응하여 현재 영상에 포함된 척추의 마디의 형상(bi-plane boundary; 11, 15)이 찾아질 수 있다. 척추 마디(10)의 2차원 계획 영상과 현재 영상이 정합될 수 있다. 척추의 마디의 형상(11, 15)은 3차원 척추 마디(10)를 특정 각도에서 추출한 것이므로 형상을 기준으로 정합될 수 있다.Thereafter, bi-plane boundaries 11 and 15 of the vertebrae included in the current image corresponding to the vertebrae 10 to be treated can be found. The two-dimensional plan image of the spinal node 10 and the current image can be matched. The shapes (11, 15) of the vertebrae are obtained by extracting the three-dimensional vertebrae 10 from a certain angle, and thus can be matched on the basis of the shape.

이후, 정합된 현재 영상과 수술 계획 정보가 비교되어 시술이 가이드된다.Thereafter, the matched current image is compared with the surgical plan information to guide the procedure.

예를 들어, 가이드 와이어가 수술 계획과 일치하는지 여부를 판단한다(도 1의 S180). 불일치하는 경우, 가이드 와이어의 위치를 수정하고(도 1의 S190) 다시 C-arm 또는 CBCT를 사용하여 척추를 촬영하여 다시 현재 영상을 획득한다. 획득된 현재 영상을 다시 수술 계획과 비교한다.For example, it is judged whether or not the guide wire matches the operation plan (S180 in Fig. 1). If there is a discrepancy, the position of the guide wire is modified (S190 in FIG. 1) and the spinal image is again captured using the C-arm or CBCT to acquire the current image again. The obtained current image is compared with the surgical plan again.

최종 확인된 수술 계획 정보가 로봇 또는 항법 장치로 전송될 수 있다.The final confirmed surgical planning information may be transmitted to the robot or navigation device.

예를 들어, TCP/IP 또는 전용 통신 프로토콜을 이용하여 복수의 가이드 와이어의 삽입점 및/또는 삽입 경로 등이 로봇 또는 항법 장치 등으로 전송되어 시술에 도움이 되게 할 수 있다(도 1의 S200).For example, an insertion point and / or an insertion path of a plurality of guide wires may be transmitted to a robot or a navigation device by using a TCP / IP or a dedicated communication protocol so as to be helpful in the procedure (S200 of FIG. 1) .

이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Various embodiments of the present disclosure will be described below.

(1) 수술 계획 정보는 템플릿 영상을 기초로 대상에 수행될 시술 방법들을 포함하며, 시술 방법들은 대상에 대한 수술 도구의 위치 또는 방향 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(1) The surgical planning information includes the surgical procedures to be performed on the object based on the template image, and the surgical methods include the position or orientation information of the surgical tool on the object. Way.

(2) 수술전 영상이 획득되는 단계는: 3차원 척추(spine) 영상이 획득되는 과정; 그리고 척추의 마디별로 분할(segmentation)되는 과정;을 포함하며, 정합되는 단계는: 척추의 템플릿(template) 영상과 척추 영상이 척추의 마디별로 정합(registration)되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(2) The step of obtaining the pre-operative image includes: a process of acquiring a three-dimensional spine image; And a process of segmenting the vertebrae by a segment of the vertebrae, wherein the step of aligning comprises: a step of registration of a template image of the vertebrae and a vertebral image of the vertebrae; Automatic generation method of template - based surgery plan.

(3) 척추의 템플릿 영상은: 척추의 의료 영상에서 자동 또는 반자동으로 척추의 마디를 추출하여 척추의 마디 영상이 생성되는 과정; 척추의 마디 영상에 대해 3D 이미지 생성 알고리즘을 이용하여 척추의 마디의 3차원 모델 영상이 생성되는 과정; 그리고 척추의 마디의 시술에 필요한 랜드마크(Landmark)를 포함하는 수술 계획 정보가 척추의 마디의 3차원 모델 영상에 설정되는 과정;에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(3) Template images of the vertebrae: The process of extracting the vertebral segments from the medical images of the vertebrae automatically or semiautomatically; A process of generating a three-dimensional model image of a vertebral segment using a 3D image generation algorithm for a vertebral segment image; And a procedure in which surgical planning information including a landmark necessary for the operation of the vertebral column is set in a three-dimensional model image of the vertebrae segment. .

(4) 수술 계획 정보는 척추의 마디별 템플릿 영상을 기초로 척추에 삽입될 나사못 또는 나사못의 삽입을 가이드하는 가이드 와이어의 위치 및 방향 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(4) The operation plan information includes the position and orientation information of the guide wire guiding the insertion of the screw or the screw to be inserted into the vertebrae based on the template image of each vertebrae. Way.

(5) 수술 계획 영상이 생성되는 단계는: 사용자 인터페이스에 의해 수술 계획 정보가 선택되는 과정; 그리고 선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 시각화되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(5) The step of generating the operation plan image includes: a step of selecting the operation plan information by the user interface; And automatically visualizing the selected surgical planning information on the matched preoperative images. ≪ Desc / Clms Page number 19 >

(6) 사용자 인터페이스에 의해 수술 계획 영상에서 나사못의 삽입점(entry point) 및 삽입 경로가 수정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(6) modifying the insertion point and insertion path of the screw in the surgical planning image by the user interface; and automatically generating the template image-based surgical plan.

(7) 각 척추의 마디에 부가된 수술 계획 정보에 의해 복수의 척추 마디에 시술될 가이드 와이어의 위치 및 방향이 자동으로 결정되는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(7) The method of automatically generating a template image-based surgical plan according to claim 1, wherein the position and direction of the guide wire to be performed on the plurality of vertebrae are automatically determined by the surgical planning information added to each vertebrae node.

(8) 척추의 현재 영상이 획득되는 단계; 수술 계획 영상과 현재 영상이 척추의 마디의 형상을 이용하여 정합(registration)되는 단계; 그리고 정합된 현재 영상과 수술 계획 영상이 비교되어 수술이 가이드되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(8) a current image of the vertebra is obtained; The operation plan image and the current image are registered using the shape of the nodule of the vertebrae; And comparing the matched current image with a surgical plan image to guide the surgical operation.

(9) 척추의 현재 영상이 획득되는 단계는; 시술장에서 척추를 촬영하여 2차원 영상으로서 현재 형상이 획득되는 과정;을 포함하며, 계획 영상과 현재 영상이 정합(registration)되는 단계는: 수술 계획 영상으로부터 2차원 수술 계획 영상이 추출되는 과정; 그리고 현재 영상과 2차원 수술 계획 영상이 척추의 마디의 형상을 기준으로 정합되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.(9) the current image of the vertebrae is acquired; A step of acquiring a current shape as a two-dimensional image by photographing a vertebra in a procedure field; and a step of registering a planar image and a current image, the step of: extracting a two-dimensional planar image from the planar image; And a process of matching the current image and the two-dimensional surgical planning image based on the shape of the vertebrae.

본 개시에 따른 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 의하면, 템플릿 영상에 세팅된 시술 방법을 간단히 선택함으로써 시술 방법이 자동으로 3차원으로 시술 대상의 영상에 시각화될 수 있어서, 수술 계획이 용이하게 된다.According to the automatic generation method of the template image-based surgical plan according to the present disclosure, the operation method can be automatically visualized in the three-dimensional image to be treated by simply selecting the operation method set in the template image, do.

또한, 다수의 나사못 또는 가이드 와이어에 대한 수술 계획이 함께 이루어지므로 환자의 부담을 줄이며 시간과 비용이 절약된다.In addition, the surgical planning for multiple screws or guidewires is done together to reduce patient burden and save time and money.

또한, 척추와 같이 시술 허용 여유가 작고, 극도의 주의를 요하는 시술에서 실수의 위험이 감소된다.Also, the risk of mistakes is reduced in procedures that require a small margin of procedure, such as the spine, and require extreme caution.

또한, 복수의 가이드 와이어의 삽입점 및/또는 삽입 경로 등을 로봇 또는 항법 장치 등으로 전송하여 시술에 도움이 되게 할 수 있다.In addition, insertion points and / or insertion paths of a plurality of guide wires can be transferred to a robot or a navigation device to help the procedure.

Claims (10)

템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법에 있어서,
대상의 수술전 영상이 획득되는 단계;
수술 계획 정보 선택의 기초가 되는 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계;로서, 수술 계획 정보는 템플릿 영상을 기초로 대상에 수행될 시술 방법들을 포함하며, 시술 방법들은 대상에 대한 수술 도구의 위치 또는 방향 정보를 포함하는, 템플릿(template) 영상과 수술전 영상이 정합(registration)되는 단계; 그리고
선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 부가되어 수술 계획 영상이 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
A method for automatically generating a template-based surgical plan,
Obtaining a preoperative image of an object;
A step of registering a template image and a preoperative image as a basis for selection of operation plan information, the operation plan information including operation methods to be performed on an object based on a template image, A template image and a pre-operative image are registered, the template image including position or direction information of a surgical tool with respect to a subject; And
Wherein the selected operation plan information is automatically added to the matched preoperative images to generate a surgical plan image.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
수술전 영상이 획득되는 단계는:
3차원 척추(spine) 영상이 획득되는 과정; 그리고
척추의 마디별로 분할(segmentation)되는 과정;을 포함하며,
정합되는 단계는:
척추의 템플릿(template) 영상과 척추 영상이 척추의 마디별로 정합(registration)되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method according to claim 1,
The step of acquiring preoperative images comprises:
A process in which a three-dimensional spine image is acquired; And
A segmentation process of each vertebrae segment,
The matched steps are:
A method for automatically generating a template image-based surgical plan, the method comprising: registering a template image of the vertebrae and a vertebral image for each vertebrae of the vertebrae.
청구항 3에 있어서,
척추의 템플릿 영상은:
척추의 의료 영상에서 자동 또는 반자동으로 척추의 마디를 추출하여 척추의 마디 영상이 생성되는 과정;
척추의 마디 영상에 대해 3D 이미지 생성 알고리즘을 이용하여 척추의 마디의 3차원 모델 영상이 생성되는 과정; 그리고
척추의 마디의 시술에 필요한 랜드마크(Landmark)를 포함하는 수술 계획 정보가 척추의 마디의 3차원 모델 영상에 설정되는 과정;에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 3,
Template images of the vertebrae are:
The process of extracting the nodes of the vertebrae automatically or semiautomatically from the medical images of the vertebrae to generate the nodal images of the vertebrae;
A process of generating a three-dimensional model image of a vertebral segment using a 3D image generation algorithm for a vertebral segment image; And
Wherein the operation plan information including a landmark necessary for the operation of the vertebrae of the vertebra is set in a three-dimensional model image of the vertebrae segment.
청구항 3에 있어서,
수술 계획 정보는 척추의 마디별 템플릿 영상을 기초로 척추에 삽입될 나사못 또는 나사못의 삽입을 가이드하는 가이드 와이어의 위치 및 방향 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 3,
Wherein the surgical planning information includes position and direction information of a guide wire for guiding the insertion of a screw or a screw to be inserted into a vertebra based on a template image of each vertebrae.
청구항 3에 있어서,
수술 계획 영상이 생성되는 단계는:
사용자 인터페이스에 의해 수술 계획 정보가 선택되는 과정; 그리고
선택된 수술 계획 정보가 정합된 수술전 영상에 자동으로 시각화되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 3,
The step of generating a surgical plan image comprises:
A process in which the operation plan information is selected by the user interface; And
And automatically displaying the selected operation plan information on the matched pre-operation image.
청구항 6에 있어서,
사용자 인터페이스에 의해 수술 계획 영상에서 나사못의 삽입점(entry point) 및 삽입 경로가 수정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 6,
And modifying the insertion point and insertion path of the screw in the surgical planning image by the user interface.
청구항 6에 있어서,
각 척추의 마디에 부가된 수술 계획 정보에 의해 복수의 척추 마디에 시술될 가이드 와이어의 위치 및 방향이 자동으로 결정되는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 6,
Wherein the position and orientation of the guide wire to be performed on the plurality of vertebrae are automatically determined by the surgical planning information added to the nodes of each vertebrae.
청구항 3에 있어서,
척추의 현재 영상이 획득되는 단계;
수술 계획 영상과 현재 영상이 척추의 마디의 형상을 이용하여 정합(registration)되는 단계; 그리고
정합된 현재 영상과 수술 계획 영상이 비교되어 수술이 가이드되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 3,
Obtaining a current image of the vertebra;
The operation plan image and the current image are registered using the shape of the nodule of the vertebrae; And
And comparing the matched current image with a surgical plan image to guide the surgical operation.
청구항 9에 있어서,
척추의 현재 영상이 획득되는 단계는:
시술장에서 척추를 촬영하여 2차원 영상으로서 현재 형상이 획득되는 과정;을 포함하며,
계획 영상과 현재 영상이 정합(registration)되는 단계는:
수술 계획 영상으로부터 2차원 수술 계획 영상이 추출되는 과정; 그리고
현재 영상과 2차원 수술 계획 영상이 척추의 마디의 형상을 기준으로 정합되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 템플릿 영상 기반 수술 계획의 자동 생성 방법.
The method of claim 9,
The steps of obtaining a current image of the vertebrae are:
And a step of photographing the vertebrae in the treatment field and acquiring a current shape as a two-dimensional image,
The step of registering the plan image and the current image is:
A process in which a two-dimensional surgical planning image is extracted from an operation plan image; And
Wherein the current image and the two-dimensional surgical planning image are matched on the basis of the shape of the vertebrae of the vertebrae.
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