KR101692442B1 - Method and apparatus for automated pedicle screw placement planning for safe spinal fusion surgery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 척추 수술을 위한 자동화된 최적 나사 삽입 경로 계획 방법을 개시하고 있다. 상기 방버은, (a) 의료 이미지로부터 환자의 척추 뼈 모델을 추출하는 단계 (b) 상기 추출된 척추 뼈 모델을 평균 뼈 모델에 매핑하여 환자 매핑 뼈 모델을 생성하는 단계 (c) 상기 생성된 환자 매핑 뼈 모델에서 환자의 척수관(spinal canal) 영역을 추출하는 단계 및 (d) 상기 환자의 척수관 영역으로부터 척추경(pedicle) 영역을 정의하여, 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 단계를 포함한다.The present invention discloses an automated optimal screw insertion path planning method for spinal surgery. (B) generating a patient mapping bone model by mapping the extracted vertebra bone model to an average bone model; (c) comparing the extracted patient bone model with a mean bone model, Extracting a spinal canal region of the patient from the mapping bone model; and (d) defining a pedicle region from the spinal canal region of the patient to calculate a screw insertion path corresponding to the patient .

Description

안전한 척추 수술을 위한 자동화된 최적 나사 삽입 경로 계획 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATED PEDICLE SCREW PLACEMENT PLANNING FOR SAFE SPINAL FUSION SURGERY}[0001] METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATED PEDICLE SCREW PLACEMENT PLANNING FOR SAFE SPINAL FUSION SURGERY [0002]

본 발명은 최적 나사 삽입 경로 계획 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 척추 융합 수술시에 존재하는 오차를 보상하고 서로 다른 환자간의 최적의 수술 경로를 제시하여 안전한 수술을 할 수 있도록 다양한 척추 및 가장 복잡하고 작은 경추 수술에도 적용가능한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optimal screw insertion path planning method and apparatus, and more particularly, to a method and apparatus for optimizing screw insertion path planning, And to a method and apparatus that are applicable to the most complex and small cervical surgery.

척추 융합 수술은 비정상적인 척추의 움직임으로 인해 환자가 통증을 호소할 때, 두개 이상의 척추 양단에 나사의 삽입과 금속 바(rod)를 이용하여 고정함으로서 통증을 완화시키는 방법이다. 비수술적 방법으로 치료가 힘든 병을 치유하기 힘든 증상이 심한 환자들에게 적용되며, 추간판 탈출증, 척추 골절, 요추관 협착증, 척추 탈위증 등의 다양한 척추 질환 치료에 효과적으로 알려져 있다. Spinal fusion surgery is a method of relieving pain by fixing screws using a metal rod and screw insertion on two or more vertebrae when the patient complains of pain due to abnormal spinal motion. It is effective for the treatment of various spinal diseases such as lumbar disc herniation, vertebral fracture, lumbar spinal stenosis and spinal dystrophy.

이러한 시술에 있어서 문제점은 잘못된 나사 삽입이 약 10% 정도로 발생하며, 그의 절반에 해당하는 5% 가량의 환자가 잘못된 삽입으로 인한 심각한 손상을 받게 된다는 것이 임상적으로 알려져 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 정확한 나사 위치를 확인하기 위한 네비게이션 장치나 혹은 정확한 나사 삽입을 위한 로봇 등 다양한 시스템들이 개발되었음에도 불구하고, 수술 중의 다양한 오차 원인(의사의 영향, 의료 영상의 왜곡, 레지스트레이션(registraion) 오차 등)으로 인하여, 여전히 최대 1.5mm의 위치 오차가 발생하게 되고 있다(D. Togawa, M. M. Kayanja, M. K. Reinhardt, M. Shoham, A. Balter, A. Friedlander, N. Knoller, E. C. Benzel, and I. H. Lieberman, Bone-mounted miniature robotic guidance for pedicle screw and translaminar facet screw placement: part 2--Evaluation of system accuracy, Neurosurgery, vol. 60, pp. 129-139, 2007.에 설명됨). 더욱이 다른 척추 부위에 비해서 경추는 내부에 척수(spinal cord)와 경동맥(vertebral artery)이 지나갈 뿐만 아니라 특히 두 번째 경추인 C2의 경우, 나사를 삽입하는 나사의 크기(직경 3.5-4.0mm)에 비해서 나사를 삽입하는 영역인 척추경(pedicle)의 폭이 평균 5.45mm으로 좁아 삽입에 위험성과 어려움을 가지고 있다.The problem with this procedure is that it is known clinically that about 10% of false screw insertion occurs and about 5% of the patients, half of them, are seriously damaged by wrong insertion. In order to solve these problems, various systems such as a navigation device for confirming the exact screw position or a robot for precise screw insertion have been developed. However, various causes of error during operation (physician effect, medical image distortion, registration ) Errors are still present at a maximum of 1.5 mm (D. Togawa, MM Kayanja, MK Reinhardt, M. Shoham, A. Balter, A. Friedlander, N. Knoller, EC Benzel, and IH Lieberman, Bone-mounted miniature robotic guidance for pedicle screw and translaminar facet screw placement: part 2 - Evaluation of system accuracy, Neurosurgery, vol 60, pp. 129-139, 2007). In addition, not only the spinal cord and the vertebral artery pass through the cervical vertebrae but also the second cervical vertebra C2, compared with the screw size (3.5-4.0 mm in diameter) The width of the pedicle, which is the area where the screw is inserted, is 5.45mm on average, which is dangerous and difficult to insert.

따라서, 안전한 수술을 위해서, 수술 전 단계에서 나사 삽입 경로에 대한 계획을 통해 이러한 요소를 해결할 수 있다. 본 문제를 해결하기 위해서 이미 기존의 특허는 등록번호(1010838890000)(이하 선행특허 1)와 등록번호(10-1264198)(이하 선행특허 2) 등이 제안되었다. 선행특허 1의 경우, 나사 삽입에 대한 고려만 있을 뿐, 삽입에 따른 다양한 결과적 요소를 고려한 최적화가 고려되지 않았을 뿐만 아니라, 수술 시에 특히 요구되는 안전에 대한 요소가 고려되지 않았다. 그리고 일부 단계에서 일련의 사용자의 직접적인 개입이 필요하다. 선행특허 2의 경우, 나사 계획은 요추(lumbar vertebrae)에 국한되어 알고리즘이 개발되어 경추에 적용하기 힘들며, CT 이미지상에 평행한 경로를 고려하여 계획되기 때문에, CT 이미지가 다소 정렬이 되지 않게 촬영이 될 경우, 최적의 경로의 계산에 어려움을 겪을 수 있다.Therefore, for safe operation, these factors can be solved by planning the screw insertion route in the preoperative stage. In order to solve this problem, existing patents have been proposed such as registration number (1010838890000) (hereinafter referred to as prior patent 1) and registration number (10-1264198) (hereinafter referred to as prior patent 2). In the case of the prior patent 1, not only the consideration of screw insertion but also the optimization considering the various outcome factors of the insertion was not taken into consideration, and the safety factor required particularly at the time of operation was not considered. At some stage, a series of user intervention is required. In the case of the prior patent 2, the screwing plan is limited to the lumbar vertebrae, and since the algorithm is developed and is difficult to apply to the cervical vertebrae and is planned considering the parallel path on the CT image, , It may be difficult to calculate an optimal path.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 삽입에 발생하는 오차로부터 기인하는 나사 삽입의 위험을 제거하기 위해서, 융합 수술 전 계획 단계에서 안전 여유(safety margin)을 설정하여 가능한 척수와 경동맥을 손상을 방지할 수 있도록 나사 삽입 경로 계산 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems and to provide a method of removing a risk of screw insertion caused by an insertion error by setting a safety margin in a planning stage before fusion surgery, Thereby providing a method of calculating the thread insertion path so as to prevent damage.

뿐만 아니라, 본 발명의 다른 목적은, 각 환자간의 서로 다른 뼈 모양에 안전하고 나사와 뼈 간의 강한 결합력을 가질 수 있는 최적의 삼차원 수술을 할 수 있도록, 척추 융합 수술에 있어 필요한 데이터(나사 지름, 길이, 경로, 삽입 위치 등)를 사용자인 의사에게 제공하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method and an apparatus for performing an optimal three-dimensional operation, which is safe in different bone shapes among patients and has strong bonding force between screws and bones, Length, path, insertion position, etc.) to the user who is the user.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 안전한 척추 수술을 위한 자동화된 최적 나사 삽입 경로 계획 방법은, (a) 의료 이미지로부터 환자의 척추 뼈 모델을 추출하는 단계 (b) 상기 추출된 척추 뼈 모델을 평균 뼈 모델에 매핑하여 환자 매핑 뼈 모델을 생성하는 단계 (c) 상기 생성된 환자 매핑 뼈 모델에서 환자의 척수관(spinal canal) 영역을 추출하는 단계 및 (d) 상기 환자의 척수관 영역으로부터 척추경(pedicle) 영역을 정의하여, 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an automated optimal screw insertion route planning method for safe spinal surgery, comprising the steps of: (a) extracting a vertebral bone model of a patient from a medical image; (b) (C) extracting a spinal canal region of the patient from the generated patient-mapped bone model; and (d) extracting a spinal canal region from the spinal canal region of the patient, Defining a pedicle region, and calculating a screw insertion path corresponding to the patient.

상기 나사 삽입 경로 계획 방법은 (e) 나사의 크기와 안전 여유(safety margin) 조정을 수행하며, 상기 (d) 단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The screw insertion path planning method may further include performing (e) adjusting a size of a screw and a safety margin, and repeating the step (d).

사용자로부터의 입력에 의해, 후보 경로들에게 할당되는 PS(Performance Score)의 파라미터를 설정하여 경로의 형태를 조정할 수 있다.By setting the parameter of the PS (Performance Score) allocated to the candidate paths by the input from the user, the shape of the path can be adjusted.

상기 (c) 단계는 (c-1) 상기 평균 뼈 모델과 상기 환자의 척추 뼈 모델간의 대략적인 매칭을 위한 초기화를 수행하는 단계 및 (c-2) 상기 환자의 척수관의 추출을 위한 레지스트레이션(registration)을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.(C) performing initialization for approximate matching between the average bone model and the vertebral bone model of the patient, and (c-2) performing registration for extracting the spinal canal of the patient and performing registration.

상기 (c-1) 단계는 상기 환자의 척추 뼈 모델의 점들의 공분산의 고유값들의 크기 순서를 이용하여 모델간의 고유벡터 회전을 통한 최소 거리값을 계산하여 초기화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The step (c-1) may include performing initialization by calculating a minimum distance value through eigenvector rotation between models using the magnitude order of the eigenvalues of the covariance of the spinal bone model of the patient .

상기 (c-2) 단계는 리지드(rigid) 레지스트레이션과 넌-리지드(non-rigid) 레지스트레이션을 통해 상기 평균 뼈 모델과 상기 환자의 척추 뼈 모델의 척추관들간의 대응되는 척추관 영역의 닫음 연산을 통해 정교한 척추관 영역 추출을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The step (c-2) may be performed by performing rigid registration and non-rigid registration to perform a close operation of the corresponding bone region between the average bone model and the vertebrae of the vertebra bone model of the patient, And performing spinal canal region extraction.

상기 (d) 단계는 (d-1) 나사를 삽입 가능한 척추경 영역을 정의하기 위한 윤곽 추출 방식을 이용하여 척추경 영역을 추출하는 단계 및 (d-2) 추출된 척추경 영역을 기반으로 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The step (d) includes the steps of (d-1) extracting a vertebral body region using an outline extraction method for defining a vertebra region capable of inserting a screw, and (d-2) And calculating a screw insertion path corresponding to the screw insertion path.

상기 (d-1) 단계는 양측의 일정 각도 내에 존재하는 소정 조건을 만족시키는 윤곽들을 추출하는 단계 및 상기 추출된 윤곽들 중에서 가장 좁은 영역의 윤곽을 선택하여 내부에 격자점을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step (d-1) includes the steps of extracting outlines satisfying a predetermined condition existing at a predetermined angle on both sides, and selecting an outline of the narrowest region out of the extracted outlines to generate lattice points therein can do.

상기 소정 조건은 1) 윤곽이 척추관 영역의 면을 지나는지 확인하는 조건, 2) 윤곽이 각도당 하나의 윤곽만을 결정하는 조건, 및 3) 만약 척추관 영역의 면을 지나는 윤곽이 복수 개라면 그 중 가장 면적이 넓은 윤곽을 선정하는 조건을 포함할 수 있다.The predetermined conditions include: 1) conditions for confirming whether the contour passes through the surface of the spinal canal region, 2) conditions for determining the contour only one contour per angle, and 3) if there are plural contours passing through the surface of the vertebral region, And may include conditions for selecting the outline with the largest area.

상기 격자점은 가장 좁은 윤곽 내부에만 존재하는 점들이며, 각 점들은 사용자가 결정하거나, 미리 설정된 값에 의한 간격에 의해 유클리드 좌표계로 나타내어질 수 있다.The lattice points are those existing only in the narrowest contour, and the points may be determined by the user, or may be represented by the Euclidean coordinate system by an interval based on a predetermined value.

상기 (d-2) 단계는 (d-2-1) 유효한 경로만을 설별적으로 계산하기 위한 필터링 수행 단계 및 (d-2-2) 각 경로 중 사용자가 선택하는 최적 수술 계획 결과를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.The step (d-2) may further include: (d-2-1) performing filtering to calculate only valid paths; and (d-2-2) obtaining an optimal operation plan result . ≪ / RTI >

상기 (d-2-1) 단계는 (d-2-1-1) 시상면에 대해 소정 각도로 삽입되는 수술 경로를 판별하기 위해 비유효 경로를 필터링하는 단계 및 (d-2-1-2) 삽입 경로가 축추관이나 횡돌공을 관통하여 환자에 피해를 주지 않기 위해 관통 필터링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The step (d-2-1) includes the steps of (d-2-1-1) filtering the ineffective path to determine a surgical path inserted at a predetermined angle with respect to the sagittal plane, and (d-2-1-2 ) Performing the through-pass filtering so that the insertion path does not penetrate the axial tubular or transverse pores and thus does not damage the patient.

상기 (d-2-1-1) 단계는 상기 환자 매핑 뼈 모델의 점들의 평균값을 시상면 위로 투영한 것에 대한 수술 경로와 시상면과의 교점의 거리보다 척추 뼈 모델의 점들의 평균값을 시상면 위로 투영한 것에 대한 시상면과 뼈 모델의 교점의 거리가 더 짧은 조건을 만족하는 경로를 추출하여 후보 경로로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the average value of the points of the spinal bone model is greater than the distance of the intersection of the surgical path and the sagittal plane with respect to the projection of the average value of the points of the patient mapping bone model onto the sagittal plane, A step of extracting a path satisfying a condition that a distance between an intersection of the sagittal plane and the bone model with respect to the projection is shorter than the distance between the intersection of the sagittal plane and the bone model and determining the path as a candidate path.

상기 (d-2-1-2) 단계는 상기 환자 매핑 뼈 모델과 경로 간의 2개를 넘는 교점이 발생하는 경우, 오직 2개의 교점만 발생하는 경로만을 추출하여 후보 경로로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.The step (d-2-1-2) includes a step of extracting only two paths that occur only at two intersection points and determining the path as a candidate path when more than two intersection points occur between the patient mapping bone model and the path .

상기 (D-2-2) 단계는 삽입 깊이, 안전 여유, 나사 삽입면 수직 방향 및 C1 후궁 삽입 중 적어도 하나와 관련된 조건을 고려하여 PS 값이 최대가 되는 경로를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.The step (D-2-2) may include a step of selecting a path having a maximum PS value in consideration of conditions related to at least one of insertion depth, safety margin, vertical direction of the screw insertion surface, and insertion of the C1 herringbone .

상기 삽입 깊이는 상기 나사 삽입 경로와 상기 환자 매핑 뼈 모델 사이의 두 교점간의 거리를 통해 계산될 수 있다.The insertion depth may be calculated through a distance between two intersection points between the screw insertion path and the patient mapping bone model.

상기 안전 여유는 상기 나사 삽입 경로와 상기 환자 매핑 뼈 모델 사이의 가장 가까운 점에 대한 거리에서 선정된 나사의 반지름을 뺀 값으로 계산될 수 있다.The safety margin may be calculated by subtracting the radius of the selected screw from the distance to the nearest point between the screw insertion path and the patient mapping bone model.

상기 나사 삽입면 수직방향 조건은 상기 삽입 깊이 조건을 고려하는 경우, 발생할 수 있는 관절면 상의 삽입점이 결과로 나타나는 것을 방지하기 위해, 상기 관절면 상의 수직 벡터값을 필터링하는 방식으로 처리될 수 있다.The screw-insertion-surface vertical direction condition can be processed in such a way as to filter the vertical vector value on the articulating surface in order to prevent the insertion point on the articulating surface that may occur when considering the insertion depth condition.

상기 CI 후궁 삽입 조건은 사용자가 삽입에 대한 제어가 가능하도록 하방 외측괴와 후궁의 경계 윤곽 평면과의 경로간의 교점을 계산하여 상기 계산된 교점과 경계 윤곽간의 거리들의 값을 이용하여 처리될 수 있다.The CI consecutive interpolation condition may be processed using the calculated distance between the intersection point and the boundary contour by calculating an intersection between the path of the lower contour and the boundary contour plane so that the user can control the insertion .

상기 (e) 단계는 (e-1) 가장 좁은 척추경의 윤곽에 기반하여, 소정 크기의 나사를 선정해, 설정한 안전 여유값 이상을 갖는지 판단하는 단계 (e-2) 나사의 사양에서 상기 소정 크기의 나사보다 작은 나사를 선정해, 상기 설정한 안전 여유값 이상을 갖는지 판단하는 단계 및 (e-3) 가장 작은 직경의 나사를 사용함에도 수술 계획 수립이 불가능할 경우, 상기 추출된 척추경 영역에서 상기 척수관 영역을 제외하는 단계를 포함하되, 상기 (e-1) 단계 및 (e-2) 단계를 순차적으로 반복 수행하되, 상기 설정한 안전 여유값을 만족하는 경우, 다음 단계로 넘어가지 않고 종료될 수 있다.The step (e) includes the steps of: (e-1) selecting a screw having a predetermined size based on the contour of the narrowest vertebra, and determining whether the screw has a set safety margin value or more; (E-3) a step of selecting a screw smaller than the screw of the size and determining whether the thread has a safety margin equal to or greater than the set safety margin; and (E-1) and (e-2) are sequentially performed, and if the set safety margin value is satisfied, the procedure does not proceed to the next step Can be terminated.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 안전한 척추 수술을 위한 자동화된 최적 나사 삽입 경로 계획 장치는, 의료 이미지로부터 환자의 척추 뼈 모델을 추출하는 모델 추출부 상기 추출된 척추 뼈 모델을 평균 뼈 모델에 매핑하여 환자 매핑 뼈 모델을 생성하는 매핑부 상기 생성된 환자 매핑 뼈 모델에서 환자의 척수관(spinal canal) 영역을 추출하는 척수관 영역 추출부 및 상기 환자의 척수관 영역으로부터 척추경(pedicle) 영역을 정의하여, 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 경로 계산부를 포함할 수 있다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an automated optimal screw insertion path planning apparatus for safe spinal surgery, comprising: a model extraction unit extracting a spinal bone model of a patient from a medical image; Mapping unit for generating a patient mapping bone model by mapping a spinal canal region extraction unit for extracting a spinal canal region of a patient from the generated patient mapping bone model and a spinal canal region extraction unit for extracting a pedicle region from the spinal canal region of the patient And a path calculation unit for calculating a screw insertion path corresponding to the patient.

상기 나사 삽입 경로 계획 장치는 나사의 크기와 안전 여유(safety margin) 조정을 수행하면서 상기 경로 계산부의 경로 계산을 반복 수행하는 조정부를 더 포함할 수 있다.The screw insertion path planning apparatus may further include an adjustment unit that repeatedly performs the path calculation of the path calculation unit while adjusting the size of the screw and the safety margin.

본 발명의 안전한 척추 수술을 위한 자동화된 최적 나사 삽입 경로 계획 방법 및 장치에 따르면, 사용자인 척추 융합 수술 전문의가 수술시에 다양한 오차로 인한 환자의 피해를 줄일 수 있도록 안전한 경로를 제안하며, 특히 경추의 경우 존재하는 경동맥의 나사삽입에 의한 피해를 줄일 수 있는 효과가 있다. According to the automated optimal screw insertion path planning method and apparatus for safe spine surgery of the present invention, a user, a spinal fusion surgery specialist, suggests a safe path for reducing the patient's injury due to various errors during surgery, It is possible to reduce the damage caused by the screw insertion of an existing carotid artery.

또한, 서로 다른 형상의 환자에게 맞춤 계획을 함으로서 최적의 수술 경로를 제안할 수 있으며, 따라서, 이러한 알고리즘을 바탕으로 수술 전 계획으로서 사용자가 경로를 확인하기 위한 용도로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 수술 중에도 네비게이션(navigation) 시스템으로서 활용할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to propose an optimal surgical route by making a customized plan for patients having different shapes. Therefore, based on such an algorithm, it is possible not only to utilize the user as a plan for confirming the route as a preoperative plan, There is an effect that can be utilized as a navigation system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 나사 삽입 경로 계획 방법의 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 2는 경추 C2의 평균 모델과 환자 모델 간의 레지스트레이션의 국소 최소점 발생 결과를 나타낸 도면,
도 3은 평균 모델과 환자 모델간의 초기화 방법을 적용한 대략적인 매칭 결과를 나타낸 도면,
도 4는 Rigid 레지스트레이션 결과를 나타낸 도면,
도 5는 Nonrigid 레지스터레이션 결과를 나타낸 도면,
도 6은 척수관의 닫음 연산 결과를 나타낸 도면,
도 7은 척추경 영역에 대한 윤곽 추출 과정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 가장 좁은 척추경 윤곽에 대해 격자점을 생성한 결과를 나타낸 도면,
도 9는 비유효 경로 필터링을 설명하기 위한 도면,
도 10은 관통 필터링을 설명하기 위한 도면,
도 11은 나사 경로의 삽입점이 척추 관절면에 위치하는 경우를 나타낸 도면,
도 12는 C1 경추의 나사 삽입접이 외측괴의 하방에 생성되거나 후궁에 생성되는 경우를 나타낸 도면,
도 13은 외측괴와 후궁의 경계 추출을 설명하기 위한 도면,
도 14는 C1 외측괴와 후궁의 경계 추출을 설명하기 위한 도면,
도 15는 수술 계획의 우선 순위 단계의 결과를 나타낸 도면,
도 16은 C1 및 C2에 대한 알고리즘 결과를 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a process of an optimal screw insertion path planning method according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram showing a result of local minimum point generation of registration between an average model of a cervical vertebra C2 and a patient model,
3 is a diagram showing an approximate matching result using an initialization method between an average model and a patient model,
4 is a diagram showing the results of rigid registration,
5 is a diagram showing a result of Nonrigid registration,
6 is a view showing a result of the operation of closing the spinal canal,
FIG. 7 is a diagram for explaining a process of extracting an outline of a vertebral region,
Figure 8 shows the result of creating lattice points for the narrowest vertebral contour,
9 is a diagram for explaining ineffective path filtering,
10 is a view for explaining through-hole filtering,
11 is a view showing a case where an insertion point of a screw path is located on a spinal joint surface,
Fig. 12 is a view showing a case where the C1 cervical vertebra is generated below the lateral ingot of the screw insertion fold,
13 is a view for explaining boundary extraction between the lateral mass and the arch,
FIG. 14 is a view for explaining the boundary extraction of the C1 outer mass and the arch,
15 is a diagram showing the results of the priority step of the surgical plan,
16 is a diagram showing algorithm results for C1 and C2.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in the present application Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 나사 삽입 경로 계획 방법의 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a process of an optimal screw insertion path planning method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 나사 삽입 경로 계획 방법은 크게 두 단계(S110, S120)로 이루어진다. 첫 번째 단계(S110)는 나사를 삽입 가능한 척추경(pedicle) 영역을 정의하기 위한, 각 환자의 척수관(spinal canal) 추출 단계(S110)이다. 본 단계에서는 서로 다른 모양의 환자의 3차원 뼈 데이터를 하나의 일반적은 척추 뼈의 형상에 대한 정보를 담고 있는 평균 모델 뼈에 대한 대응(mapping)을 하는 레지스트레이션을 수행한다. 레지스트레이션을 수행하여 평균 모델 뼈에서 척수관이라고 정의한 영역으로부터, 각 환자의 대응된 척수관에 대한 영역을 추출할 수 있다. Referring to FIG. 1, an optimal screw insertion path planning method according to an embodiment of the present invention comprises two steps S110 and S120. The first step S110 is a spinal canal extraction step (S110) for each patient to define a pedicle region into which a screw can be inserted. In this step, registration is performed to map a three-dimensional bone data of patients having different shapes and a mapping to an average model bone containing information on the shape of one general vertebra bone. Registration can be performed to extract regions for the corresponding spinal canal of each patient from the area defined as the spinal canal in the average model bone.

두 번째 단계(S120)는 각 환자의 척수관으로부터 척추경을 정의하여, 환자에 적합한 나사 삽입 경로를 계산하는 단계이다. 척추경 영역을 정의하기 위해서 척수관 영역을 포함하면서 뼈의 중심점에 대한 관상면(coronal plane)으로 양측으로 약 45도의 교차하는 윤곽(contour)를 추출할 수 있다. 이때, 나사 삽입에 대한 경로를 계산하기 위해서, 직선 경로를 정의가 필요하고 따라서 하나의 점과 두개의 각을 이용해 정의할 수가 있다. 따라서 추출한 윤곽들 중에서 가장 좁은 면적의 윤곽에 대해서 격자점을 구성하여, 각 점들은 경로 생성에 대한 후보로 사용한다. 또한, 각 점에 대해서 구면 좌표계의 두 개의 각을 정의하여, 각 나사 경로 후보군을 생성할 수 있다. 효율적인 계산과 유효한 경로 생성을 위해서, 원치 않는 경로에 대해서 일련의 필터링을 통해 제거해 유효한 경로 후보군을 얻는다. 최적의 경로를 찾기 위해서 각 후보 경로에 대해 Perfomance Score(PS)를 매겨, 가장 큰 PS에 대해서 최적의 경로로 판단해 선정한다.The second step (S120) is to calculate the screw insertion path suitable for the patient by defining the vertebrae from the spinal canal of each patient. In order to define the vertebral body area, crossing contours of about 45 degrees on both sides can be extracted to the coronal plane of the bone center point, including the spinal canal area. At this time, in order to calculate the path of the screw insertion, the straight path needs to be defined and therefore can be defined by using one point and two angles. Therefore, a grid point is formed for the outline of the narrowest outline among the extracted outlines, and each point is used as a candidate for path generation. Also, two angles of the spherical coordinate system can be defined for each point, and each screw path candidate group can be generated. For efficient computation and efficient path generation, we remove the unwanted path through a series of filtering to obtain a valid path candidate. To find the optimal path, a perfor- mance score (PS) is assigned to each candidate path, and the optimal path is selected for the largest PS.

위 두 단계(S110, 120)를 보다 상세히 살펴보면, 첫 번째 단계인 나사를 삽입 가능한 척추경(pedicle) 영역을 정의하기 위한, 각 환자의 척수관(spinal canal) 추출 단계(s110)는 (1-1) 초기화 방법(Initialization)과 (1-2) 레지스트레이션(Registration) 단계로 이루어질 수 있다. In more detail, the spinal canal extraction step (s110) of each patient to define the first stage pedicle region into which a screw can be inserted is (1- 1) Initialization method and (1-2) Registration step.

또한, 두 번째 단계인 환자에 적합한 나사 삽입 경로를 계산 단계(S120)는 (2-1) 척추경 영역 추출(pedicle region extraction) 단계와 (2-2) 나사 경로 계산(trajectory computation) 단계로 이루어질 수 있다. 환자의 CT 이미지를 통해 최종적으로 위의 4 단계를 거쳐, 사용자에게 나사 삽입 유무, 나사 삽입 경로, 삽입 나사의 지름 및 길이, 나사 삽입 위치, 안전 여유(safety margin), 그리고 삽입 깊이(insertion depth) 등과 관련된 정보를 제공할 수 있다. 위 4 단계를 상세히 살펴보면, 다음과 같다.
In addition, the second step, the thread insertion path suitable for the patient, is performed in steps S120, step 2-1, and step 2-2, trajectory computation . The final CT scan of the patient revealed the presence of screw insertion, screw insertion path, diameter and length of the insertion screw, screw insertion position, safety margin, and insertion depth, And so on. The details of the above four steps are as follows.

(1-1) 초기화 단계(1-1) Initialization step

도 2는 경추 C2의 평균 모델과 환자 모델 간의 레지스트레이션의 국소 최소점 발생 결과를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing the results of local minimum point generation of registration between the average model and the patient model of the cervical vertebra C2.

도 2를 참조하면, 단계 (1-1)의 경우, 평균 모델의 척추와 환자의 척추 모델을 레지스트레이션을 할 때, 대략적은 위치를 맞추어주어 레지스트레이션에서 도 2의 국소최소점이 발생하지 않도록 하기 위해 사용된다. Referring to FIG. 2, in the case of step (1-1), when registering the spinal model of the average model and the spinal model of the patient, it is used to adjust the approximate position so that the local minimum point of FIG. do.

도 3은 평균 모델과 환자 모델간의 초기화 방법을 적용한 대략적인 매칭 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram showing an approximate matching result using an initialization method between an average model and a patient model.

도 3을 참조하면, 평균 모델과 환자 모델, 두 개의 뼈 모델의 형상에 대한 정보를 이용하여 맞추기 위해서는, 각 모델의 점(vertices)의 공분산(covariance)의 고유벡터(eigenvector)와 고유값(eigenvalue)를 계산한다. 고유값의 크기별로 뼈에 대한 대략적인 시상면(sagittal plane), 횡단면(transverse plane), 그리고 전두면(frontal plane) 3개의 면에 대한 법선 벡터로서 고유벡터를 이용할 수가 있다. 그 후, 두 뼈 모델의 평균점을 일치시킨 후, 하나의 모델을 총 8개의 방향(3개의 벡터의 양의 값과 음의 값들의 조합)으로의 회전을 통하여, 두 모델의 점들 간의 가장 작은 거리 합을 나타내는 경우를 택하여 초기화한다. 초기화를 통한 대략적인 두 모델간의 매칭(matching) 결과를 획득할 수 있다(도 3 참조). 여기서, 각 색의 막대는 세 개의 평면에 대한 법선 벡터를 나타낸다.
Referring to FIG. 3, in order to fit an average model, a patient model, and information on shapes of two bone models, an eigenvector and an eigenvalue of a covariance of vertices of each model, ). An eigenvector can be used as a normal vector for three sagittal planes, transverse planes, and frontal planes for the bones according to the magnitude of the eigenvalues. Then, after matching the average points of the two bone models, one model is rotated through a total of eight directions (a combination of positive and negative values of three vectors), and the smallest distance between the points of the two models And the sum indicating the sum is initialized. It is possible to obtain an approximate matching result between the two models through initialization (see FIG. 3). Here, the bar of each color represents a normal vector for three planes.

(1-2) 레지스터레이션 단계(1-2) Registration step

도 4는 Rigid 레지스트레이션 결과를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a Rigid registration result.

도 4를 참조하면, 단계 (1-2)의 경우, 레지스트레이션을 통하여 평균모델과 환자모델간의 척수관의 점들을 대응시켜 각 환자의 척수관 영역을 추출하는 방법을 사용할 수 있다. 또한 이 방법은 총 3개의 방법으로 나눌 수가 있다. 즉, (1-2-1) 단계에서는 rigid 레지스트레이션을 수행하는데, 평균 모델과 환자 모델에 있어서 평균모델을 오직, 크기(scale), 회전(rotation), 그리고 이동(translation) 세 개의 요소만을 고려하여 두 모델간의 대응을 수행한다. 이 단계를 통하여, 두 모델간의 초기화에서 좀 더 맞는 매칭을 수행할 수가 있고, 평균 모델에서 먼저 정렬을 통해 정의한 세 개의 평면(시상면, 횡단면, 전두면)을 각 환자의 모델에 적용할 수가 있다(도 4 참조). 도 4의 위쪽 도면들은 두 모델 간의 초기화 결과를 좀더 정확하게 매칭하는 결과를 나타내며, 아래쪽 도면들은 환자 모델에 대해 세 개의 평면을 정의함을 나타낸다.Referring to FIG. 4, in the case of step (1-2), a method of extracting the spinal canal region of each patient by associating points of the spinal canal between the average model and the patient model through registration can be used. In addition, this method can be divided into three methods in total. That is, in step (1-2-1), rigid registration is performed. In the average model and the patient model, only an average model is considered considering only three factors of scale, rotation, and translation And performs a correspondence between the two models. Through this step, more accurate matching can be performed in the initialization between the two models, and three planes (sagittal, cross-section, frontal plane) defined by the alignment in the average model can be applied to each patient's model (See Fig. 4). The upper diagrams of FIG. 4 show the results of more precisely matching the initialization results between the two models, while the lower diagrams illustrate defining three planes for the patient model.

도 5는 Nonrigid 레지스터레이션 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing the result of Nonrigid registration.

도 5를 참조하면, (1-2-2) 단계에서는 nonrigid 레지스트레이션을 수행하여, 단계 (1-2-1) 단계에서의 rigid 레지스트레이션에서와는 달리 평균 모델의 변형을 고려하여 다른 형상의 환자 모델들의 대응을 계산한다. 이 과정을 통하여 척추뼈의 환자간의 다름에 상관없이 척수관 영역의 대응을 계산해내는 것이 가능하다. 하지만 점들의 대응이 두 모델에 한 점들씩간에 이루이지기 때문에, 환자 모델이 평균 모델에 비해서 많은 점들을 가지고 있을 경우 다소 듬성한 대응이 발생할 수 있다. 따라서, 이를 (1-2-3) 단계에서 대응된 점들에서 대해서 닫음 연산(closing operation)을 사용하여 좀 더 정확한 척수관의 점들을 추출해 낼 수가 있다.Referring to FIG. 5, nonrigid registration is performed in step (1-2-2), and unlike the rigid registration in step (1-2-1), the correspondence of patient models of different shapes . Through this process, it is possible to calculate the correspondence of the spinal canal area regardless of the difference between the patients of the vertebrae. However, since the correspondence of the points is made between the two models one by one, if the patient model has many points as compared with the average model, a more sparse correspondence may occur. Therefore, it is possible to extract more accurate spinal canal points using the closing operation for the corresponding points in step (1-2-3).

도 6은 척수관의 닫음 연산 결과를 나타낸 도면이다.6 is a view showing the result of the close operation of the spinal canal.

도 6을 참조하면, (1-2-2) 단계를 통해 획득한 대응 점들에 대해 닫음 연산을 수행하여 좀더 정확한 척수관의 점들을 추출할 수 있다. 도 6의 좌측 도면은 닫음 연산 전, 즉 nonrigid 레지스트레이션 결과의 대응점들을 도시하고 있고, 도 6의 우측 도면은 닫음 연산 후의 대응점들을 도시하고 있는데, 닫음 연산 결과 척수관에서 더 빽빽하게 점들이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 6, it is possible to extract more accurate spinal canal points by performing a closure operation on corresponding points obtained through (1-2-2). 6 shows the corresponding points of the nonrigid registration result before the closing operation and the right side of FIG. 6 shows the corresponding points after the closing operation. As a result of the closing operation, it can be seen that denser points appear more intensely in the spinal canal have.

(2-1) 척추경 영역 추출 단계(2-1) Extraction of the vertebral body region

도 7은 척추경 영역에 대한 윤곽 추출 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a diagram for explaining an outline extraction process for a vertebra region. FIG.

도 7을 참조하면, 전술한 (1-2_ 단계에서 구한 각 환자모델의 척추관 영역으로부터 시작하는 윤곽(contour)들의 집합을 이용하여 척추경 영역을 정의할 수 있다. 영역은 전두면에 대해서 양쪽으로 각각 0도에서 45~60도 사이의 영역 내로 추출하게 되며, 경추의 경우 대략 이 각도 내에서 경동맥이 지나는 횡돌공(transverse foramen)을 포함하게 된다. 횡돌공을 포함시켜 추출을 해야하는 이유는 경추의 경우 경동맥의 피해없이 수술을 계획하는 것이 중요하기 때문이다. 영역을 추출하기 위해서 전두면을 위에서 정한 각도 내에서 변화시켜가면서 환자 뼈 모델과 교차를 시켜 교점이 발생하는 점들을 찾으며 각 점들을 연결하여 윤곽들을 찾아낸다. 이 때, 다소 불필요한 윤곽들을 구하게 되기 때문에 3가지 요소를 고려할 필요가 있다. 3가지 요소는 다음과 같다: 7, a vertebral body region can be defined by using a set of contours starting from the spinal region of each patient model obtained in the above-described step (1-2_). The cervical vertebrae of the cervical vertebrae should be extracted from the region between 0 and 45 degrees, and the cervical vertebrae should include the transverse foramen through the carotid artery at approximately this angle. In order to extract the region, the frontal plane is changed within the angle defined above, and the intersection with the patient bone model is performed to find the points where the intersecting points occur, and the points are connected to each other At this point, we need to consider three factors because we need some rather unnecessary contours: The three elements are:

① 윤곽은 척추관 영역의 면을 지나야만 한다.① The contour must pass the plane of the spinal canal area.

② 윤곽은 각도 당 하나의 윤곽만을 결정한다.② The contour determines only one contour per angle.

③ 만약 척추관 영역의 면을 지나는 윤곽이 여러 개라면, 그중 가장 면적이 넓은 윤곽을 선정한다.
③ If there are several contours passing through the face of the spinal canal area, select the outline with the largest area.

도 7에 도시된 바와 같이, 단계 (2-1)을 수행한 결과, 전두면에서 보았을 때 비어있는 영역이 보이며 이 영역에 대해서 나사를 삽입 가능한 영역으로 정의할 수가 있다. 여기서, 빨간색 윤곽은 가장 좁은 윤곽을 나타내며, 나사크기의 초기 설정 및 나사 궤적의 후보군 정의에 사용될 수 있다.As shown in FIG. 7, as a result of performing the step (2-1), it is possible to define an empty area when viewed from the front side, and define the area into which the screw can be inserted with respect to this area. Here, the red contour represents the narrowest contour, and can be used to initialize the screw size and define the candidate group of the screw trajectory.

도 8은 가장 좁은 척추경 윤곽에 대해 격자점을 생성한 결과를 나타낸 도면이다.8 is a diagram showing the result of generating lattice points for the narrowest contour of the vertebral body.

도 8을 참조하면, 나사의 경로는 직선으로 나타낼 수가 있는데, 직선을 정의를 하기 위해서는 하나의 점과 두 개의 각도가 필요로 한다. 따라서 본 방법에서는, 하나의 점을 앞서 정한 척추경을 정의한 윤곽들 중 가작 좁은 영역의 윤곽을 택하고 그 내부에 격자점을 구성하여서 각 직선에 대한 후보군을 만들 수 있다. 그리고 각 점에 대해서 구좌표계의 각을 변수로 설정함으로써 미리 설정한 영역 내의 최적의 직선 경로를 결정할 수가 있다. 또한, 가장 작은 윤곽의 정의를 통해 임상적으로 척추경 지름의 80% 이상의 나사를 삽입시에 발생하는 척추의 변형을 방지하기 위해, 그 보다 작은 나사를 선정하기 위한 기준으로서 사용할 수 있다.
Referring to FIG. 8, the path of the screw can be represented by a straight line. To define a straight line, one point and two angles are required. Therefore, in this method, a contour of a narrow area of a contour defining a previously defined vertebra of a point can be selected, and a lattice point can be formed within the contour to form a candidate group for each straight line. Then, by setting the angle of the spherical coordinate system as a variable for each point, it is possible to determine the optimal linear path in the preset area. The definition of the smallest contour can be used as a criterion to select smaller screws to prevent deformation of the vertebra that occurs clinically when more than 80% of the diameter of the vertebral column is inserted.

(2-2) 나사 경로 계산(2-2) Screw path calculation

단계 (2-2)의 경우, 생성한 격자점에서 나사 경로를 생성하고, 경로 후보군들 중에 고려할 필요가 없는 잘못된 경로들은 두 개의 필터링(filtering)을 통하여 제거하여 올바른 결과를 얻도록 할 뿐만 아니라 계산의 효율성을 증대시킬 수 있다.In the case of step (2-2), a thread path is generated at the generated lattice points, and false paths that need not be considered among the path candidates are removed through two filtering to obtain correct results, Can be increased.

필터링에는, 비유효 경로 필터링(fault filtering)과 관통 필터링(penetraion filtering)이 존재한다.
For filtering, there are ineffective fault filtering and penetration filtering.

① 비유효 경로 필터링(fault filtering)① Ineffective path filtering (fault filtering)

도 9는 비유효 경로 필터링을 설명하기 위한 도면이다. 도 14를 참조하면, 비유효 경로 필터링은 수술 경로가 시상면에 대해서 너무 완만하거나 너무 가파르게 삽입 되는 경우를 판단하여 유효한 경로를 선별할 수 있도록 한다. 나사는 일반적으로 양측의 척추경을 통해서 나사의 두 끝이 척추의 앞쪽으로 모이는 형태를 취하게 되며, 시상면과의 교점은 척추 밖에서 이루어지게 된다. 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이, Psag,on에 대한 Psag,out의 거리보다 Psag,on에 대한 Psag의 거리가 더 짧다. 이 때, Psag,on은 척추 모델의 점들의 평균값을 시상면 위로 투영(projection)한 것이고, Psag,out은 수술 경로와 시상면과의 교점을 나타낸 것이며, 그리고 Psag은 시상면과 뼈모델의 교점을 나타낸 것이다. 따라서 수식의 조건을 만족하는 경로의 경우만을 취하여, 경로 후보군으로 판단한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.9 is a diagram for explaining ineffective path filtering. Referring to FIG. 14, ineffective path filtering allows selection of a valid path by determining when the surgical path is too slow or too steep to insert into the sagittal plane. Screws usually take the form of the two ends of the screw being gathered in front of the vertebra through the spinal nerves of both sides, and the intersection with the sagittal plane is done outside the vertebrae. Thus, as shown in FIG. 14, P sag, on the shorter distance for the P P sag sag, P sag, on than a distance out of the. In this case, P sag, on is the projection of the mean value of the points of the spinal model onto the sagittal plane, P sag, out is the intersection of the surgical path with the sagittal plane, and P sag is the sagittal plane, The intersection of model is shown. Therefore, only the path satisfying the condition of the expression is taken, and it is judged to be the path candidate group. This can be expressed as follows.

Figure 112014067666347-pat00001
Figure 112014067666347-pat00001

② 관통 필터링(penetration filtering)② Penetration filtering

도 10는 관통 필터링을 설명하기 위한 도면이다. 도 10를 참조하면, 척추의 나사 삽입 경로를 계산할 때, 반드시 고려되어야 하는 것은 척추의 관통이 발생하여 환자의 치명적인 신경적 혹은 출혈을 일으킬 수 있는 손상을 주지 않아야 하는 것이다. 따라서 추출된 뼈모델에서 유효한 경로를 판별하기 위해서 나사의 경로가 관통 여부를 판단하여야 한다. 따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 유효한 경로의 경우, 경로와 뼈 모델과의 교점이 2개만 생긴다. 반면에, 비유효한 경로의 경우, 관통이 발생하여 동맥이 지나는 횡돌공(transverse foramen)이나 척수가 지나는 척수관에서 추가적으로 교점이 더 생기게 되므로, 2개 초과의 교점이 발생하게 된다. 따라서 관통 필터링에서는 2개의 교점이 생기는 경로만을 취하여 경로 후보군으로 판단한다.10 is a view for explaining through-hole filtering. Referring to FIG. 10, when calculating the screw insertion route of the vertebrae, all that must be considered is that the penetration of the vertebrae should occur so as not to damage the patient's fatal nerve or bleeding. Therefore, in order to determine a valid path in the extracted bone model, it is necessary to determine whether the path of the thread is penetrated. Therefore, as shown in Fig. 10, in the case of a valid path, only two intersections of the path and the bone model occur. On the other hand, in the case of an ineffective path, more than two intersecting points occur because the transverse foramen resulting from the penetration and the transverse foramen passing through the artery or the spinal cord through the spinal cord lead to additional intersections. Therefore, in the through-pass filtering, only the path where two intersection points occur is judged as a path candidate group.

필터링을 거친 경로 후보들을 가지고 각 경로가 얼마나 실제 삽입에 있어서 적합한지를 판단하기 위해서 총 4개의 요소를 통한 계산을 하는 PS를 만들어 가장 큰 값의 경우를 최적의 경로로 선정한다. PS는 아래의 4개의 요소를 가지고 있으며 각 값에 따른 파라미터 값을 조율하여 사용자가 선호하는 결과에 대해 조정가능하다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.In order to determine how appropriate each path is for the actual insertion with the filtered path candidates, a PS is computed with a total of four elements, and the largest path is selected as the optimal path. The PS has the following four elements and adjusts parameter values according to each value to adjust for the user's preferred result. This can be expressed as follows.

Figure 112014067666347-pat00002
Figure 112014067666347-pat00002

여기서, 각 D는 계산된 요소들의 값을 나타내며, λ 값은 사용자가 조율하는 값이다. Ddepth는 삽입 깊이를, Dmg는 안전 여유를, DN은 나사 삽입면 수직방향을, Dclose는 이하 설명하는 Darch,i 값들의 평균값을 나타낸다. 이를 차례로 설명하면 다음과 같다.
Where each D represents the value of the calculated elements, and the lambda value is the value that the user is tuning. D depth is the insertion depth, D mg is the safety margin, D N is the vertical direction of the screw insertion surface, and D close is the average value of the D arch, i values described below. The following explains this in turn.

① 삽입깊이(insertion depth)① Insertion depth

삽입 깊이는 임상적으로 나사를 깊게 박을수록 나사와 척추뼈 간에 결합력이 증가된다는 것이 알려져 있으며(Krag, Martin H., et al. "Depth of insertion of transpedicular vertebral screws into human vertebrae: effect upon screw-vertebra interface strength." Journal of Spinal Disorders & Techniques 1.4 (1988): 287-294 참조), 따라서 앞서 선정된 경로 후보군에서 척추 뼈 모델과 직선이 만나는 두 점을 찾고, 그 두 점 사이의 거리를 계산하여 삽입깊이를 계산할 수 있다.It is known that the insertion depth increases clinically between the screw and the vertebra bone as the screw is deeper (Krag, Martin H., et al. "Depth of insertion of transpedicular vertebral screws into the human vertebrae: (1988): 287-294). Thus, in the previously selected path candidates, two points where a straight line meets the vertebra bone model are found, and the distance between the two points is calculated The insertion depth can be calculated.

② 안전 여유(safety margin)② Safety margin

안전 여유는 앞서 추출한 척추경 영역에 대해서 경로 후보 간의 가장 가까운 점까지의 거리에서 나사의 반지름을 뺀 것이다. 알고리즘의 계산 과정 중 안전 여유의 값의 최소값을 정하여 사용자가 원하는 안전성을 설정할 수가 있다.The safety margin is obtained by subtracting the radius of the screw from the distance to the nearest point between the path candidates for the previously extracted vertebral body area. The safety margin can be set by the user by setting the minimum value of the safety margin during the calculation of the algorithm.

③ 나사 삽입면 수직방향(surface normal vector)③ Surface normal vector

도 11은 나사 경로의 삽입점이 척추 관절면에 위치하는 경우를 나타낸 도면이다. 11 is a view showing a case where the insertion point of the screw path is located on the spinal joint surface.

도 11을 참조하면, PS 함수에서 삽입 깊이의 값이 다소 과하게 평가될 경우 나사의 삽입이 관절면(facet joint)에 나사 경로의 삽입점(entry point)이 만들어 질 수가 있다. 이때, 앞서 설명한 ③ 요소를 이용하여 이러한 경우를 제거할 수 있다. 즉, 뼈 모델의 삽입점에 대한 법선벡터와 그 주변 일정 영역에 대한 법선 벡터를 계산하여, 관절면의 법선벡터와 유사한 값을 가지는 경로는 페널티(penalty)를 주어 지양할 수 있도록 한다.Referring to FIG. 11, when the insertion depth value is slightly overestimated in the PS function, the insertion point of the screw path can be created at the facet joint. At this time, this case can be eliminated by using the ③ element described above. That is, a normal vector for the insertion point of the bone model and a normal vector for a certain surrounding area are calculated, so that a path having a value similar to the normal vector of the joint surface can be given a penalty.

④ C1 후궁 삽입(C1 posterior arch insertion)④ C1 posterior arch insertion

도 12은 C1 경추의 나사 삽입접이 외측괴의 하방에 생성되거나 후궁에 생성되는 경우를 나타낸 도면이다.FIG. 12 is a view showing a case in which the C1 cervical vertebra is generated below the lateral ingot of the screw insertion fold or is generated in the posterosent.

도 12를 참조하면, 도 12의 위쪽 도면은 C1 경추의 나사 삽입점이 외측괴의 하방에 생성되는 경우를, 아래쪽 그림은 후궁에 생성되는 경우를 도시하고 있다. C1의 척추경 삽입에 있어서, 하방 외측괴(inferior lateral mass)와 후궁(posterior arch)의 경계 사이에 나사의 삽입점을 설정하는 Harms technique과 최근 척추경 나사의 발달로 후궁에 나사를 삽입하는 경우 등이 있다. 따라서, 본 알고리즘에서는 사용자가 원하는 삽입이 가능하도록 요소를 통하여 선택할 수 있도록 한다. 이때, 다음의 수학식을 참조할 수 있다.Referring to FIG. 12, the upper diagram of FIG. 12 shows a case where the screw insertion point of the C1 cervical vertebra is generated below the lateral mass, and a lower image shows a case where the insertion point of the C1 cervical vertebra is generated in the medulla. The Harms technique, which sets the insertion point of the screw between the inferior lateral mass and the border of the posterior arch in C1 pedicle insertion, and the recent insertion of a screw in the posterior arch due to the development of pedicle screw . Therefore, this algorithm allows the user to select through the elements so that the desired insertion is possible. At this time, the following equation can be referred to.

Figure 112014067666347-pat00003
Figure 112014067666347-pat00003

도 13은 외측괴와 후궁의 경계 추출을 설명하기 위한 도면이다. 상기 수학식 3에서, dbound,i는 도 13의 추출해낸 하방 외측괴와 후궁의 경계사이를 추출한 윤곽에서, 윤곽 평면과 나사 경로 사이의 교점을 구한 뒤, 교점과 윤곽 점들 사이의 점들의 거리 값들을 의미한다. 이 구한 거리값들이 dthres보다 가까우면 1의 값을 부여하고 dthres보다 멀면 1보다 작은 값들을 부여한다. 최종적으로 Dclose값은 Darch,i값들의 평균값으로 정의된다. 13 is a view for explaining the boundary extraction between the outer mass and the arch. In Equation (3), d bound, i is the intersection between the outline of the extracted lower outer mass and the concavo-convex of Fig. 13, and the intersection between the contour plane and the screw path is obtained. Then, the distance between the intersection point and the contour points Values. If the obtained distance values are closer to d thres , a value of 1 is given; otherwise , values less than 1 are given. Finally, the D close value is defined as the average value of D arch, i .

도 14는 C1 외측괴와 후궁의 경계 추출을 설명하기 위한 도면이다. Fig. 14 is a view for explaining the boundary extraction between the C1 outer mass and the arch.

도 14의 좌측 도면을 참조하면, 하방 외측괴와 후궁의 경계를 추출하는 방법은 앞서 척추경 영역을 추출하던 방법과 같이 좌우의 일정 각도의 전두면과 교차되는 윤곽들을 추출할 수 있다.Referring to the left side of FIG. 14, the method of extracting the lower lateral masses and the hindlimb boundary can extract the frontal sides and the contours intersecting with the right and left angles at the same time as the method of extracting the vertebral body region.

도 14의 우측 도면은 전두면과 교차되는 윤곽들을 추출한 이후, 오른쪽에서 왼쪽으로의 각도에 따른 면들의 면적을 나타내고, 이를 다음의 수학식 4을 이용하여, 누적 평균값에 대한 차를 통해 얻은 값을 최대면적의 약 10%이하가 되는 지점의 윤곽을 선택할 수 있다.The right figure of FIG. 14 shows the area of the faces according to the angles from right to left after extracting the contours intersecting the front two faces, and using the following equation (4) It is possible to select the outline of the point which is less than about 10% of the maximum area.

Figure 112014067666347-pat00004
Figure 112014067666347-pat00004

수학식 4는 C1의 후궁과 외측괴 사이의 경계값을 계산하기 위한 식이다. 이때, 일부 교차되는 면적은 뼈의 형상에 따라 경계로 생각되는 윤곽이 여러 개가 있을 수 있므로, 다수의 윤곽 중에 아래쪽에 위치하는 윤곽을 선택하는 방법을 사용한다.Equation (4) is an equation for calculating the boundary value between C1 and C2. In this case, some intersecting areas have a plurality of contours considered to be boundaries depending on the shape of the bones. Therefore, a method of selecting the contours located at the bottom of the plurality of contours is used.

특히 경추의 경우, 척추경의 폭이 좁은 경우가 많아 가장 작은 직경의 나사와 충분한 안전 여유 값을 가지고 수술을 계획하고자 할 때, 나사 삽입이 불가능한 경우가 있다. 따라서 초기 계획한 나사의 직경에 비해 직경을 줄여가며 계획을 하며, 최소 직경의 나사로도 안전 여유값을 확보가 불가능 할 경우, ?r추관과 횡돌공 중에서 척추관의 안전여유를 포기하고 나사를 삽입한다. 따라서 나사 삽입 계획을 할 때, 단계적으로 나사의 직경 혹은 안전 여유를 줄여가며 수술 계획을 진행한다.Especially in case of cervical vertebrae, the width of the vertebral column is often narrow, so it may not be possible to insert the screw when planning the operation with the smallest diameter screw and sufficient safety margin. Therefore, if you are planning to reduce the diameter compared to the diameter of the initial planned screw, and if it is not possible to secure a safety margin even with a screw of the minimum diameter, insert a screw and give up the safety margin of the spinal canal . Therefore, when planning the screw insertion, plan the procedure by stepping down the screw diameter or safety clearance.

① 가장 좁은 척추경의 윤곽에서 약 70% 크기의 나사를 선정해, 설정한 안전 여유값 이상을 가지는 수술 계획을 한다. 이를 단계별로 설명하면 다음과 같다.① Select a screw of about 70% size from the outline of the narrowest vertebra, and plan the surgery with a safety margin above the set value. The following is a step-by-step explanation.

② 나사의 사양에서 보다 작은 나사를 선정해, 설정한 안전 여유값을 이상을 가지는 수술 계획을 한다.(2) Select a screw smaller than the specification of the screw, and perform a surgical plan with an established safety margin.

③ ②에서 가장 작은 직경의 나사를 사용함에도 계획이 불가능할 경우, 추출한 척추경 영역에서 척수관 영역은 제외하여, 설정한 안전 여유값 이상을 가지는 수술 계획을 한다.③ In ②, if you can not plan even with the smallest diameter screw, plan the operation with the safety margin above the set value, excluding the spinal canal area in the extracted vertebral body area.

각 단계는 수술 계획의 결과를 가지지 않을 경우, 각 단계로 넘어가게 되며, 수술 계획이 만족할 경우 다음 단계로 넘어가지고 않고 계획 과정을 끝내게 된다. 위 3 단계를 통하여, ① ~ ② 과정을 통해 순차적으로 나사의 직경을 줄여가며 수술계획을 하고, 단계 ③에서는 척추관의 안전 여유값을 포기하고 동맥을 좀더 중요하게 보호할 수 있도록 한다. 일반적으로 경추의 단계 ③이 필요하지만 그 외의 척추의 경우는 충분한 너비의 척추경을 가지고 있기 때문에, 단계 ③까지 가지않게 된다. If each step does not have the result of the surgery plan, it goes to each step, and if the surgery plan is satisfied, it goes to the next step and ends the planning process. Through the above three steps, it is planned to reduce the diameter of the screw sequentially through ① ~ ②, and in the step ③, the safety margin of the spinal canal is abandoned and the artery is more importantly protected. In general, the cervical stage ③ is required, but in the case of other vertebrae it has enough width of the vertebrae, so it does not go to step ③.

도 15는 수술 계획의 우선 순위 단계의 결과를 나타낸 도면이다. 15 is a diagram showing the results of the priority stage of the surgical plan.

도 15를 통해, 단계 ③에 의한 결과가 나타나며, 척추관의 안전 여유의 확보된 경우와 좁은 척추경으로 인해 척추관의 안전 여유가 확보되지 않은 경우를 나타내었다.FIG. 15 shows the results of step 3, showing that the safety margin of the spinal canal is secured and that the safety margin of the spinal canal is not secured due to the narrow vertebra.

도 16은 C1 및 C2에 대한 알고리즘 결과를 나타낸 도면이다.16 is a diagram showing algorithm results for C1 and C2.

최종적으로 도 16에서 볼 수 있듯이, 알고리즘을 통해서 경추 C1-C2에 특화하여, 수술 경로를 계산하여 의사에게 삽입 나사의 길이, 직경, 나사 삽입 위치, 경로, 안전여유 등을 계산하여 최적의 경로를 제시할 수 있다. 뿐만 아니라, C1-C2에 비해 형상이 다소 다르기는 하지만 같은 방법으로 다른 척추 뼈들(경추, 흉추, 요추)에 적용할 경우, 일부 PS의 파라미터만을 조정하면 마찬가지로 최적의 경로에 대한 계산이 가능하다.
Finally, as shown in FIG. 16, the algorithm is used to calculate the surgical path, which is specific to the cervical C1-C2, and calculates the optimal path by calculating the insertion screw length, diameter, screw insertion position, path, Can be presented. In addition, when applied to other vertebrae (cervical vertebra, thoracic vertebrae, lumbar vertebrae) in the same way although the shape is somewhat different from that of C1-C2, it is also possible to calculate the optimal path by adjusting only some parameters of PS.

본 알고리즘의 활용Using this algorithm

본 알고리즘에 있어서, 추가적으로 해면골(Cancellous bone)의 밀도에 따라서 나사와 뼈의 결합력을 증대시킬 수 있고, 또는, 골다공증의 심화로 인한 나사 삽입의 불가능을 판단하는 방법 등으로 확장될 수 있다.In this algorithm, it is possible to further increase the coupling force between the screw and the bone depending on the density of the cancerous bone, or to determine the impossibility of screw insertion due to increased osteoporosis.

더욱이, 본 방법을 활용하여 수술 전, 척추 융합 수술의 경로에 대한 확인 및 검증 혹은 수술 중 의료 영상 장비와의 상호 연결을 통한 나사 삽입에 대한 정보를 시술자에게 알려주는 네비게이션으로의 활용 가능성 또한, 존재한다.
Furthermore, it is possible to utilize this method as navigation to inform the operator of the information about the screw insertion by confirming and verifying the path of the spinal fusion surgery before surgery or interconnection with the medical imaging device during surgery, do.

이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions as defined by the following claims It will be understood that various modifications and changes may be made thereto without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (22)

(a) 의료 이미지로부터 환자의 척추 뼈 모델을 추출하는 단계;
(b) 상기 추출된 척추 뼈 모델을 평균 뼈 모델에 매핑하여 환자 매핑 뼈 모델을 생성하는 단계;
(c) 상기 생성된 환자 매핑 뼈 모델에서 환자의 척수관(spinal canal) 영역을 추출하는 단계; 및
(d) 상기 환자의 척수관 영역으로부터 척추경(pedicle) 영역을 정의하여, 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
(a) extracting a vertebral bone model of a patient from a medical image;
(b) mapping the extracted vertebrae model to an average bone model to generate a patient mapping bone model;
(c) extracting a spinal canal region of the patient from the generated patient mapping bone model; And
(d) defining a pedicle region from the spinal canal area of the patient to calculate a thread insertion path corresponding to the patient.
제 1 항에 있어서,
(e) 나사의 크기와 안전 여유(safety margin) 조정을 수행하며, 상기 (d) 단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
The method according to claim 1,
(e) performing a screw margin adjustment and a safety margin adjustment, and (d) repeating the step (d).
제 1 항에 있어서,
사용자로부터의 입력에 의해, 후보 경로들에게 할당되는 PS(Performance Score)의 파라미터를 설정하여 경로의 형태를 조정하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
The method according to claim 1,
A method of planning an automated screw insertion route for spinal surgery, the method comprising: setting a parameter of a performance score (PS) assigned to a candidate path by an input from a user;
제 1 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
(c-1) 상기 평균 뼈 모델과 상기 환자의 척추 뼈 모델간의 1차 매칭을 위한 초기화를 수행하는 단계; 및
(c-2) 상기 환자의 척수관의 추출을 위한 레지스트레이션(registration)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
2. The method of claim 1, wherein step (c)
(c-1) performing initialization for primary matching between the average bone model and the vertebral bone model of the patient; And
(c-2) performing registration for extraction of the spinal canal of the patient. < Desc / Clms Page number 19 >
제 4 항에 있어서, 상기 (c-1) 단계는
상기 환자의 척추 뼈 모델의 점들의 공분산의 고유값들의 크기 순서를 이용하여 모델간의 고유벡터 회전을 통한 최소 거리값을 계산하여 초기화를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
5. The method of claim 4, wherein the step (c-1)
And performing initialization by calculating a minimum distance value through eigenvector rotation between models using a magnitude order of eigenvalues of covariance of points of the patient's spinal bone model. Screw insertion path planning method.
제 4 항에 있어서, 상기 (c-2) 단계는
리지드(rigid) 레지스트레이션과 넌-리지드(non-rigid) 레지스트레이션을 통해 상기 평균 뼈 모델과 상기 환자의 척추 뼈 모델의 척추관들간의 대응되는 척추관 영역의 닫음 연산을 통해 척추관 영역 추출을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
5. The method of claim 4, wherein the step (c-2)
Performing spinal canal region extraction through a closing operation of the corresponding bone region between the average bone model and the vertebrae of the patient's vertebra bone model through rigid registration and non-rigid registration Wherein the method comprises the steps of:
제 1 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
(d-1) 나사를 삽입 가능한 척추경 영역을 정의하기 위한 윤곽 추출 방식을 이용하여 척추경 영역을 추출하는 단계; 및
(d-2) 추출된 척추경 영역을 기반으로 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
2. The method of claim 1, wherein step (d)
(d-1) extracting a vertebral body region using an outline extraction method for defining a vertebra region capable of inserting a screw; And
(d-2) calculating a screw insertion path corresponding to the patient based on the extracted vertebral body area.
제 7 항에 있어서, 상기 (d-1) 단계는
양측의 일정 각도 내에 존재하는 소정 조건을 만족시키는 윤곽들을 추출하는 단계; 및
상기 추출된 윤곽들 중에서 가장 좁은 영역의 윤곽을 선택하여 내부에 격자점을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
8. The method of claim 7, wherein the step (d-1)
Extracting contours satisfying a predetermined condition existing within a certain angle of both sides; And
Selecting an outline of the narrowest region out of the extracted contours to generate grid points therein. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
제 8 항에 있어서,
상기 소정 조건은 1) 윤곽이 척추관 영역의 면을 지나는지 확인하는 조건, 2) 윤곽이 각도당 하나의 윤곽만을 결정하는 조건, 및 3) 만약 척추관 영역의 면을 지나는 윤곽이 복수 개라면 그 중 가장 면적이 넓은 윤곽을 선정하는 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
9. The method of claim 8,
The predetermined conditions include: 1) conditions for confirming whether the contour passes through the surface of the spinal canal region, 2) conditions for determining the contour only one contour per angle, and 3) if there are plural contours passing through the surface of the vertebral region, Wherein the step of selecting an optimal screw insertion path includes a condition for selecting the most wide area contour.
제 8 항에 있어서,
상기 격자점은 가장 좁은 윤곽 내부에만 존재하는 점들이며, 각 점들은 사용자가 결정하거나, 미리 설정된 값에 의한 간격에 의해 유클리드 좌표계로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the lattice points are points existing only in the narrowest contour, and each point is represented by the Euclidean coordinate system by a user or by an interval based on a preset value. .
제 7 항에 있어서, 상기 (d-2) 단계는
(d-2-1) 유효한 경로만을 선별적으로 계산하기 위한 필터링 수행 단계; 및
(d-2-2) 각 경로 중 사용자가 선택하는 최적 수술 계획 결과를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
8. The method of claim 7, wherein the step (d-2)
(d-2-1) a filtering step for selectively calculating valid paths; And
(d-2-2) obtaining an optimal surgical planning result selected by a user from among the respective routes.
제 11 항에 있어서, 상기 (d-2-1) 단계는
(d-2-1-1) 시상면에 대해 소정 각도로 삽입되는 수술 경로를 판별하기 위해 비유효 경로를 필터링하는 단계; 및
(d-2-1-2) 삽입 경로가 축추관이나 횡돌공을 관통하여 환자에 피해를 주지 않기 위해 관통 필터링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
12. The method of claim 11, wherein the step (d-2-1)
(d-2-1-1) filtering the ineffective path to determine a surgical path inserted at a predetermined angle with respect to the sagittal plane; And
(d-2-1-2) an automated screw insertion path planning for spinal surgery, characterized in that the insertion pathway comprises through-pass filtering to prevent damage to the patient through the axial or lateral pores Way.
제 12 항에 있어서, 상기 (d-2-1-1) 단계는
상기 환자 매핑 뼈 모델의 점들의 평균값을 시상면 위로 투영한 것에 대한 수술 경로와 시상면과의 교점의 거리보다 척추 뼈 모델의 점들의 평균값을 시상면 위로 투영한 것에 대한 시상면과 뼈 모델의 교점의 거리가 더 짧은 조건을 만족하는 경로를 추출하여 후보 경로로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
13. The method of claim 12, wherein the step (d-2-1-1)
The intersection of the sagittal plane and the bone model with respect to the projection of the mean value of the points of the vertebral bone model over the sagittal plane relative to the distance of the intersection of the surgical path and the sagittal plane with respect to the projection of the mean value of the points of the patient- And determining the path as a candidate path. The method of claim 1, further comprising:
제 12 항에 있어서, 상기 (d-2-1-2) 단계는
상기 환자 매핑 뼈 모델과 경로 간의 2개를 넘는 교점이 발생하는 경우, 오직 2개의 교점만 발생하는 경로만을 추출하여 후보 경로로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
13. The method of claim 12, wherein the step (d-2-1-2)
And a step of extracting only the paths that occur only at the two intersection points and judging the candidate path as a candidate path when the intersection of more than two points between the patient mapping bone model and the path occurs. Path planning method.
제 11 항에 있어서, 상기 (D-2-2) 단계는
삽입 깊이, 안전 여유, 나사 삽입면 수직 방향 및 C1 후궁 삽입 중 적어도 하나와 관련된 조건을 고려하여 PS 값이 최대가 되는 경로를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
12. The method of claim 11, wherein (D-2-2)
Selecting a path having a maximum PS value in consideration of a condition related to at least one of an insertion depth, a safety margin, a vertical direction of a screw insertion surface, and a C1 herringbone insertion, Path planning method.
제 15 항에 있어서,
상기 삽입 깊이는 상기 나사 삽입 경로와 상기 환자 매핑 뼈 모델 사이의 두 교점간의 거리를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the insertion depth is calculated through a distance between two intersection points between the screw insertion path and the patient mapping bone model.
제 15 항에 있어서,
상기 안전 여유는 상기 나사 삽입 경로와 상기 환자 매핑 뼈 모델 사이의 가장 가까운 점에 대한 거리에서 선정된 나사의 반지름을 뺀 값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the safety clearance is calculated by subtracting the radius of the selected screw from the distance to the closest point between the screw insertion path and the patient mapping bone model.
제 15 항에 있어서,
상기 나사 삽입면 수직방향 조건은 상기 삽입 깊이 조건을 고려하는 경우, 발생할 수 있는 관절면 상의 삽입점이 결과로 나타나는 것을 방지하기 위해, 상기 관절면 상의 수직 벡터값을 필터링하는 방식으로 처리되는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the screw insertion plane vertical direction condition is processed in such a way as to filter the vertical vector values on the articular surface in order to prevent insertion points on the articular surface that may occur when considering the insertion depth condition. Automated screw insertion path planning method for spinal surgery.
제 15 항에 있어서,
상기 CI 후궁 삽입 조건은 사용자가 삽입에 대한 제어가 가능하도록 하방 외측괴와 후궁의 경계 윤곽 평면과의 경로간의 교점을 계산하여 상기 계산된 교점과 경계 윤곽간의 거리들의 값을 이용하여 처리되는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
16. The method of claim 15,
The CI consecutive interpolation condition is calculated by calculating an intersection point between the path of the lower outer contour and the boundary contour plane of the tragus so that the user can control the insertion and using the calculated distances between the intersection point and the boundary contour An automated screw insertion path planning method for spinal surgery.
제 2 항에 있어서, 상기 (e) 단계는
(e-1) 가장 좁은 척추경의 윤곽에 기반하여, 소정 크기의 나사를 선정해, 설정한 안전 여유값 이상을 갖는지 판단하는 단계;
(e-2) 나사의 사양에서 상기 소정 크기의 나사보다 작은 나사를 선정해, 상기 설정한 안전 여유값 이상을 갖는지 판단하는 단계; 및
(e-3) 가장 작은 직경의 나사를 사용함에도 수술 계획 수립이 불가능할 경우, 상기 추출된 척추경 영역에서 상기 척수관 영역을 제외하는 단계를 포함하되,
상기 (e-1) 단계 및 (e-2) 단계를 순차적으로 반복 수행하되, 상기 설정한 안전 여유값을 만족하는 경우, 다음 단계로 넘어가지 않고 종료되는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 계획 방법.
3. The method of claim 2, wherein step (e)
(e-1) selecting a screw having a predetermined size based on the contour of the narrowest vertebra, and judging whether or not the screw has a safety margin equal to or greater than the set safety margin;
(e-2) selecting a screw smaller than the screw of the predetermined size in the specification of the screw, and judging whether or not the screw has the safety margin value set above; And
(e-3) excluding the spinal canal region in the extracted vertebral body region if surgery planning is not possible despite using the smallest diameter screw,
Wherein the step (e-1) and the step (e-2) are repeated in sequence, and if the set safety margin is satisfied, the process is terminated without proceeding to the next step. Screw insertion path planning method.
의료 이미지로부터 환자의 척추 뼈 모델을 추출하는 모델 추출부;
상기 추출된 척추 뼈 모델을 평균 뼈 모델에 매핑하여 환자 매핑 뼈 모델을 생성하는 매핑부;
상기 생성된 환자 매핑 뼈 모델에서 환자의 척수관(spinal canal) 영역을 추출하는 척수관 영역 추출부;
상기 환자의 척수관 영역으로부터 척추경(pedicle) 영역을 정의하여, 환자에 대응하는 나사 삽입 경로를 계산하는 경로 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 연산 장치.
A model extracting unit for extracting a vertebra bone model of the patient from the medical image;
A mapping unit for mapping the extracted vertebrae model to an average bone model to generate a patient mapping bone model;
A spinal canal region extraction unit for extracting a spinal canal region of a patient from the generated patient mapping bone model;
And a path calculation unit for defining a pedicle region from the spinal canal area of the patient and calculating a screw insertion path corresponding to the patient.
제 21 항에 있어서,
나사의 크기와 안전 여유(safety margin) 조정을 수행하면서 상기 경로 계산부의 경로 계산을 반복 수행하는 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 척추 수술을 위한 자동화된 나사 삽입 경로 연산 장치.

22. The method of claim 21,
Further comprising an adjustment unit that repeatedly performs path calculation of the path calculation unit while performing adjustment of a size of a screw and a safety margin.

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