KR101707646B1

KR101707646B1 - 무릎연조직 물성 도출방법

Info

Publication number: KR101707646B1
Application number: KR1020160071256A
Authority: KR
Inventors: 고용곤; 손주현; 강경탁
Original assignee: 주식회사 티제이씨라이프; 손주현; 강경탁
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-02-20

Abstract

무릎연조직 물성 측정방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법(S100)은, (a) 측정대상환자를 눕힌 상태에서 무릎에 대한 MRI 촬영을 실시하여 MRI촬영 데이터를 획득하는 MRI 촬영단계(S110); (b) 측정대상환자를 세운 상태에서 측정대상환자의 체중이 무릎에 가해진 상태를 유지하며 무릎에 대한 X-Ray 촬영을 실시하여 X-Ray촬영 데이터를 획득하는 X-Ray 촬영단계(S120); (c) 상기 MRI촬영단계(S110)를 통해 획득한 MRI촬영 데이터를 이용하여 무릎에 대한 유한요소해석을 위한 3차원 모델을 생성시키고, 무릎연조직을 구성하는 각 연조직의 물성값은 기공지된 평균 물성값으로 설정하는 무릎모델 생성단계(S130); (d) 무릎모델 생성단계(S130)로부터 생성된 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시키는 모델 정합단계(S140); (e) 무릎연조직에 대한 민감도해석을 통해 민감도가 소정 수치값 이상인 연조직을 선별하는 연조직 선별단계(S150); 및 (f) 무릎을 소정각도만큼 구부리며(flexion) 상기 연조직 선별단계를 통해 선별된 연조직의 물성을 최적화하는 물성 최적화단계(S160);를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명의 무릎연조직 물성 측정방법에 따르면, 종래 기술에 따른 일반 MRI장비와 X-Ray장비만을 이용하여 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있고, 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직의 부착부위에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있는 무릎연조직 물성 측정방법을 제공할 수 있다.

Description

무릎연조직 물성 도출방법{Material Properties Prediction Method for Articular Surface}

본 발명은 무릎연조직 물성 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래 기술에 따른 일반 MRI장비와 X-Ray장비만을 이용하여 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있는 무릎연조직 물성 측정방법에 관한 것이다.

도 1에는 종래 기술에 따른 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 장비를 이용하여 측정대상환자를 촬영하고 있는 모습을 나타내는 사진이 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 측정대상환자의 무릎에 대한 MRI촬영 사진으로서, 좌측사진은 일반 MRI 촬영 사진이고, 우측사진은 웨이트 베어링 MRI 촬영 사진이 도시되어 있다.

무릎환자에게 사용되는 인공연골조직은 기성복과 같이 평균화된 물성으로 제작된다.

경우에 따라서, 무릎환자의 정상인 무릎에 대한 무릎연조직 물성을 측정하여, 이와 동일한 물성을 가지는 인공연골조직을 제작하여 무릎환자에게 시술하기도 한다. 이때, 무릎환자의 정상인 무릎에 대한 무릎연조직 물성예측은 여러 가지 방법이 활용된다.

종래 기술에 따른 신체의 무릎연조직 물성예측은, 사체(cadaver)를 이용하거나 생체외(in vitro) 방법이 사용된다.

생체외(in vitro) 방법의 경우, 예측된 물성은 생체내(in vivo) 물성값과 차이를 가진다.

생체내(in vivo) 방법으로 무릎연조직에 대한 물성을 예측하려면, 측정대상 환자의 체중을 무릎에 부여한 상태에서 MRI촬영을 실시해야 한다. 이때 사용되는 장비는, 도 1에 도시된 웨이트 베어링 MRI(Weight bearing MRI) 장비이다.

도 1에 도시된 웨이트 베어링 MRI(Weight bearing MRI) 장비를 이용하여 도 2에 도시된 MRI촬영 사진을 획득할 수 있다.

도 2에 도시된 MRI촬영 사진을 통해 무릎연조직에 대한 물성을 간접적으로 측정할 수 있다.

그러나, 도 1에 도시된 웨이트 베어링 MRI(Weight bearing MRI) 장비는 국내에 널비 보급되지 않은 고가의 장비로서, 전국에 분포된 여러 측정대상 환자에 대한 효율적인 촬영작업을 수행할 수 없다.

더욱이, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이트 베어링 MRI를 수행하기 위해서는 무릎에 인위적인 하중을 가하는 장비를 착용해야 하며, 장비 착용에 있어 많은 시간과 인력이 소요된다. 또한 도 3에 도시된 장비를 착용한 후 웨이트 베어링 MRI 촬영 역시 일반 MRI 촬영 대비 많은 시간이 필요하며 숙련된 장비 운용 능력이 필요하다.

한편, 무릎연조직은 24개의 연조직(meniscus 14개, cartilage 2개, ligament 8개)으로 구성되는 바, 종래 기술에 따른 무릎연조직 물성 측정 방법에서는, 무릎연조직을 구성하고 있는 모든 연조직에 대해 최적화 작업이 필요하여, 측정작업에 긴 시간이 소요된다는 문제점을 가지고 있다.

결과적으로, 무릎환자에게 최적화된 물성을 가지는 인공연골조직을 손쉽게 제작할 수 없다.

따라서, 종래 무릎연조직 물성 측정방법에 따른 문제점을 해결할 수 있는 기술에 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2007-0058372호 (2007년 06월 08일 공개)

본 발명의 목적은, 종래 기술에 따른 일반 MRI장비와 X-Ray장비만을 이용하여 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있고, 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직의 부착부위에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있는 무릎연조직 물성 측정방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 무릎연조직 물성 측정방법은, 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 측정하는 방법으로서, (a) 측정대상환자를 눕힌 상태에서 무릎에 대한 MRI 촬영을 실시하여 MRI촬영 데이터를 획득하는 MRI 촬영단계; (b) 측정대상환자를 세운 상태에서 측정대상환자의 체중이 무릎에 가해진 상태를 유지하며 무릎에 대한 X-Ray 촬영을 실시하여 X-Ray촬영 데이터를 획득하는 X-Ray 촬영단계; (c) 상기 MRI촬영단계(S110)를 통해 획득한 MRI촬영 데이터를 이용하여 무릎에 대한 유한요소해석을 위한 3차원 모델을 생성시키고, 무릎연조직을 구성하는 각 연조직의 물성값은 기공지된 평균 물성값으로 설정하는 무릎모델 생성단계; (d) 무릎모델 생성단계로부터 생성된 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시키는 모델 정합단계; (e) 무릎연조직에 대한 민감도해석을 통해 민감도가 소정 수치값 이상인 연조직을 선별하는 연조직 선별단계; 및 (f) 3차원 모델의 무릎을 소정각도만큼 구부리며(flexion) 상기 연조직 선별단계를 통해 선별된 연조직의 물성을 최적화하는 물성 최적화단계;를 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (a) MRI 촬영단계 및 (b) X-Ray 촬영단계는 소정각도만큼 무릎을 구부린 상태(flexion)에서 촬영될 수 있다.

이때, 상기 무릎을 구부리는 각도는 0도, 30도, 60도 및 90도로 구성되는 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.

또한, 상기 무릎연조직 물성 측정방법은, 상기 무릎을 구부리는 각 각도에 따라 3차원 모델의 반월판 움직임과 반월판 두께를 측정하는 (d-1) 반월판 위치 및 두께 측정단계;를 더 포함하는 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (c) 무릎모델 생성단계는, 인터 옵저버 리프로듀서빌러티(Inter-observer reproducibility) 방법을 이용하여 생성된 3차원 모델을 검증하는 (c-1) 3차원모델 복원검증단계를 포함하는 구성일 수 있다.

이 경우, 상기 (c-1) 3차원모델 복원검증단계는, 3차원 모델에 포함된 반월판(meniscus)의 두께를 측정하여 검증할 수 있다.

또한, 상기 반월판(meniscus)의 두께측정은 2회 이상 실시되어 평균값을 기준으로 3차원 모델을 검증할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (d) 모델정합단계는, 인터액티브 클로세스트 포인트 알고리즘(Interactive closest point algorithm)을 이용하여 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (e) 연조직 선별단계는, 몬테카를로(Monte Carlo) 기법을 이용하여 민감도해석을 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 (e) 연조직 선별단계는, 무릎의 완전이완(Full extension) 상태에서 무릎연조직에 대한 민감도해석이 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (f) 물성 최적화단계는, 3차원 모델의 선별된 연조직의 유한요소해석 결과값이 X-Ray 촬영 데이터 및 MRI 촬영 데이터와 동일한 거동을 보이도록 연조직에 대한 물성값을 도출할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무릎연조직 물성 측정방법에 따르면, MRI 촬영단계, X-Ray 촬영단계, 무릎모델 생성단계, 모델 정합단계, 연조직 선별단계 및 물성 최적화단계를 포함하고 있어, 종래 기술에 따른 일반 MRI장비와 X-Ray장비만을 이용하여 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있고, 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직의 부착부위에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있는 무릎연조직 물성 측정방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 무릎연조직 물성 측정방법에 따르면, 소정각도만큼 무릎을 구부린 상태(flexion)에서 MRI촬영 데이터와 X-Ray촬영 데이터를 획득하여 이를 바탕으로 무릎연조직을 구성하는 부분에 대한 물성 및 반월판의 부착부위의 물성을 더욱 정확히 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 무릎연조직 물성 측정방법에 따르면, 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시킨 후 이를 바탕으로 무릎연조직에 대한 민감도해석을 수행하여 민감도 높은 연조직을 선별하고, 선별된 연조직을 대상으로 물성을 최적화함으로써, 종래 기술 대비 짧은 시간 내에 무릎연조직을 구성하는 각 부분에 대한 물성을 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 무릎연조직 물성 측정방법에 따르면, 측정대상환자의 무릎 연조직 물성을 손쉽게 측정할 수 있고, 결과적으로 측정대상환자의 무릎 연조직 물성과 일치하는 물성을 가지는 인공연골조직을 손쉽게 제작할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 장비를 이용하여 측정대상환자를 촬영하고 있는 모습을 나타내는 사진이다.
도 2는 측정대상환자의 무릎에 대한 MRI촬영 사진으로서, 좌측사진은 일반 MRI 촬영 사진이고, 우측사진은 웨이트 베어링 MRI 촬영 사진이다.
도 3은 측정대상환자의 무릎에 대한 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 촬영을 위해 무릎에 인위적인 하중을 가하는 장비를 착용한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4는 측정대상환자의 무릎을 소정 각도만큼 구부린 상태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 도 5에 도시된 모릎모델 생성단계를 통해 생성된 3차원 모델을 나타내는 그림이다.
도 8은 도 7에 도시된 3차원 모델을 상방에서 내려다본 그림이다.
도 9는 도 5에 도시된 모델 정합단계를 통해 정합된 3차원 모델을 나타내는 정면도이다.
도 10은 도 5에 도시된 모델 정합단계를 통해 정합된 3차원 모델을 나타내는 측면도이다.
도 11은 도 6에 도시된 반월판 위치 및 두께 측정단계를 통해 반월판의 움직임 측정부위를 나타내는 그림이다.
도 12는 도 6에 도시된 반월판 위치 및 두께 측정단계를 통해 반월판의 두께 측정부위를 나타내는 그림이다.
도 13은 도 5에 도시된 연조직 선별단계를 통해 무릎연조직을 구성하는 각 부분에 대한 민감도를 측정한 후 결과값을 나타낸 표이다.
도 14는 도 5에 도시된 연조직 선별단계를 통해 무릎연조직을 구성하는 각 부분에 대한 민감도를 측정한 후 결과값을 나타낸 표이다.
도 15는 도 5에 도시된 물성 최적화단계를 통해 선별된 연조직의 물성을 최적화한 결과값을 나타낸 표이다.
도 16은 본 발명에 따른 무릎연조직 물성 측정방법에 의해 획득한 무릎연조직 모델을 웨이트 베어링MRI(Weight-bearing MRI)에 의해 획득한 무릎연조직 모델과 비교한 그림이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.

이들 도면을 도 7 내지 도 14와 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법(S100)은, MRI 촬영단계(S110), X-Ray 촬영단계(S120), 무릎모델 생성단계(S130), 모델 정합단계(S140), 연조직 선별단계(S150) 및 물성 최적화단계(S160)를 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, MRI 촬영단계(S110)는, 측정대상환자를 눕힌 상태에서 무릎에 대한 MRI 촬영을 실시하여 MRI촬영 데이터를 획득하는 단계이다.

X-Ray 촬영단계(S120)는, 측정대상환자를 세운 상태에서 측정대상환자의 체중이 무릎에 가해진 상태를 유지하며 무릎에 대한 X-Ray 촬영을 실시하여 X-Ray촬영 데이터를 획득하는 단계이다.

본 실시예에 따른 무릎연조직 물성 측정방법(S100)은, 종래 기술에 따른 일반 MRI장비와 X-Ray장비만을 이용하여 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 정확히 측정할 수 있다.

경우에 따라서, 측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직의 부착부위에 대한 물성을 측정하기 위해, 상기 언급한 MRI 촬영단계(S110) 및 X-Ray 촬영단계(S120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 소정각도(a1)만큼 무릎을 구부린 상태(flexion)에서 촬영될 수 있다. 이때, 무릎을 구부리는 각도(a1)는 운용자 또는 측정자의 의도에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 예를 들어 0도, 30도, 60도 및 90도로 구성되는 군에서 하나 이상 선택되는 각도일 수 있다.

무릎모델 생성단계(S130)는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, MRI촬영단계(S110)를 통해 획득한 MRI촬영 데이터를 이용하여 무릎에 대한 3차원 모델을 생성시키는 단계이다.

이때, 사용되는 프로그램은 MRI촬영 데이터를 이용하여 3차원 모델을 생성시킬 수 있는 프로그램이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, Materialise사의 Mimics 프로그램을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이후, 3차원모델 복원검증단계(S131)가 수행될 수 있다. 구체적으로, 3차원모델 복원검증단계(S131)는 인터 옵저버 리프로듀서빌러티(Inter-observer reproducibility) 방법을 이용하여 생성된 3차원 모델을 검증하는 단계이다.

인터 옵저버 리프로듀서빌러티(Inter-observer reproducibility) 방법이란, 관찰자간 재현성에 관한 방법으로서, 둘 이상의 독립적인 관찰자들이 동일한 대상을 관찰함에 있어 그 측정결과가 얼마나 일치하는가를 나타내는 정도를 이용하는 방법이다. 관찰자간 일치도를 측정하는 전통적인 방법은 관찰자 점수들 간의 상관관계나 일치도 계수(예, Kappa coefficient)를 계산하는 방법이다. 점수들 간의 상관관계가 높거나 일치도 계수가 높게 추정되면 관찰자간 일치도가 높은 것을 가정한다. 경우에 따라서, 관찰자에 의해 측정된 결과값의 표준편차(CV, coefficient of Variation)를 구하여 관찰자간 일치도를 판단할 수 있다. 이때, 표준편차(CV) 값이 작을수록 관찰자간 일치도가 높다고 판단한다. 본 발명에서는 표준편차(CV) 값을 이용하여 관찰자간 일치도를 판단하였다.

만약 상관관계가 낮거나 일치도 계수가 낮게 추정되면 일치도가 낮은 것으로 해석하는데, 이 때는 여러 가지 원인이 있을 수 있다. 만약 관찰시 사용한 측정도구의 이 모호한 경우라면 그 기준을 보다 분명히 수정하여야 할 것이다. 측정도구상의 문제가 아니라면 관찰자 훈련을 강화하여 측정도구에 대한 이해를 높임으로써 측정과정상의 오차를 줄일 필요가 있다. 관찰 상황 하에서의 일치도 및 신뢰도 문제분석은 단순지수의 계산보다는 (generalizability theory)의 활용을 통한 보다 면밀한 분석을 요한다

인터 옵저버 리프로듀서빌러티 방법을 이용하여 생성된 3차원 모델을 검증하여, 상관관계가 높을 경우 생성된 3차원 모델은 올바르게 생성된 것으로 판단하고 다음 단계를 수행한다.

또한, 3차원모델 복원검증단계(S131)에서는, 3차원 모델에 포함된 반월판(meniscus)의 두께를 측정하여 검증할 수 있는데, 이때, 반월판(meniscus)의 두께측정은 2회 이상 실시되어 평균값을 기준으로 3차원 모델을 검증함이 바람직하다.

다음 단계로서, 모델 정합단계(S140)가 수행된다. 구체적으로, 모델 정합단계(S140)는, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 무릎모델 생성단계(S130)로부터 생성된 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시키는 단계이다. 이때, 모델정합단계(S140)는, 인터액티브 클로세스트 포인트 알고리즘(Interactive closest point algorithm)을 이용하여 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시킬 수 있다.

인터액티브 클로세스트 포인트 알고리즘(ICP 알고리즘, Interactive closest point algorithm)이란, 정확한 데이터 군(data associations)을 결정하기 위해 측정값들 사이의 변위값(displacement)를 계산하는 알고리즘이다. 더 나아가, 인터액티브 클로세스트 포인트 알고리즘은 측정값들 사이의 변위값을 이용하여 정확한 측정값을 계산해낼 수 있다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 반월판의 위치 및 두께 측정단계(S141)가 추가적으로 수행될 수 있다. 반월판 위치 및 두께 측정단계(S141)는, 무릎을 구부리는 각 각도에 따라 3차원 모델의 반월판 움직임과 반월판 두께를 측정하는 단계이다. 본 실시예에 따른 반월판 위치 및 두께 측정단계(S141)는, 반월판조직 즉, 연골판의 어태치 먼트의 물성을 구하기 위한 과정으로서, 측정하고자 하는 반월판 조직의 종류에 따라 선택적으로 실시될 수 있다.

구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 무릎을 구부리는 각 각도에 따라 연골의 특정 부위의 위치 변위량(a, b, c, d, e f)을 측정할 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 무릎을 구부리는 각 각도에 따라 연골의 특정부위의 두께 변화량(HP, HA)을 측정할 수 있다.

다음 단계로서, 연조직 선별단계(S150)가 수행될 수 있다. 구체적으로, 연조직 선별단계(S150)는, 무릎연조직에 대한 민감도해석을 통해 민감도가 소정 수치값 이상인 연조직을 선별하는 단계이다.

이때, 연조직 선별단계(S150)는 몬테카를로(Monte Carlo) 기법을 이용하여 민감도해석을 수행할 수 있다. 민감도해석을 수행하여 민감도가 다른 인자보다 현저히 높은 인자를 선별할 수 있다.

이때 상기 언급한 몬테카를로(Monte Carlo) 기법이란, 확률론적 시뮬레이션 기법에 관한 것으로서, 불확실한 상황하에서의 의사결정을 목적으로 확률적시스템의 모의 실험에 이용되는 절차를 말한다. 몬테카를로 기법의 핵심은 모형의 확률요소들에 대한 실험인데, 이는 확률적 또는 우연결과를 발생시켜 주는 도구를 이용하여 수행된다. 이 도구는 모형에서 가정한 확률분포에 따라 무작위표본추출에 의해서 우연결과를 발생시켜 주는데 이용된다. 따라서 몬테카를로 기법을 모의적 표본 추출법(simulated sampling technique)이라고도 한다. 우연결과 또는 확률적 결과를 발생시켜 주는데 이용되는 도구로는 주사 위나 룰렛바퀴(roulett wheel), 복권추첨에 이용되는 숫자공 등이 있으며, 가장 일반적으로 쓰이는 것은 난수(random number)이며 컴퓨터에 의해 발생되는 의사난수(pseudo-random number) 등이 있다.

몬테카를로 기법의 시행을 위한 절차는, (1) 확률변수의 확률분포를 얻는 단계, (2) 누적확률분포를 설정하는 단계, (3) 확률변수의 값이나 값의 범위를 나타내기 위해서 적절한 난 수의 집합/난수의 구간을 할당하는 단계, (4) 무작위표본추출을 이용하여 시뮬레이션 실험을 실시하는 단계, (5) 행동방안을 설계/시행하고 통제하는 단계로 구성될 수 있다.

몬테카를로 기법을 이용하여, 인체의 무릎 연조직을 구성하고 있는 수많은 연조직 중 민감도가 현저히 높은 특정 인자를 선별할 수 있다.

인체의 무릎 연조직을 구성하고 있는 각 연조직에 대한 물성값은, 인종별, 대상환자별, 성별별로 큰 차이를 가지고 있으며, 결과적으로 상당히 넓은 표준편차를 가지고 있다. 이 때문에 모든 인자에 대해 물성값 최적화 단계를 수행할 경우, 많은 시간과 인력이 소요되는 문제점이 발생한다.

따라서, 함수로 분포되어 있는 무수한 인자들의 민감도를 분석하기 위해 몬테카를로 기법을 사용하고, 무수히 많은 인자들 중 민감도가 현저히 높은 특정 인자를 손쉽게 선별할 수 있다.

한편, 연조직 선별단계(S150)는, 무릎의 완전이완(Full extension) 상태에서 무릎연조직에 대한 민감도해석이 수행됨이 바람직하다.

도 13 및 도 14에 도시된 표와 같이, 연조직 선별단계(S150)를 통해, 무릎연조직을 구성하는 각 부분에 대한 민감도를 측정한 후 결과값을 바탕으로 소정 수치값 이상인 연조직(붉은 색 그래프)을 선별할 수 있다.

다음 단계로서, 물성 최적화단계(S160)가 수행될 수 있다. 구체적으로, 물성 최적화단계(S160)는, 3차원 모델의 무릎을 소정각도만큼 구부리며(flexion) 연조직 선별단계를 통해 선별된 연조직의 물성을 최적화하는 단계이다.

구체적으로, 물성 최적화단계(S160)는 3차원 모델의 선별된 연조직의 유한요소해석 결과값이 X-Ray 촬영 데이터와 동일한 거동을 보이도록 연조직에 대한 물성값을 도출하는 단계이다.

무릎모델 생성단계(S130)로부터 생성된 3차원 모델의 무릎연조직에는 기공지된 평균 물성값이 설정되어 있다. 이러한 3차원 모델에 대한 유한요소 해석과정을 실시한 후, 해설 결과값이 X-Ray 촬영 데이터 및 MRI 촬영 데이터와 일치함을 판단한다. 만약 일치하지 않을 경우 선별된 연조직에 대한 물성값을 재설정한 후 재차 유한요소 해석과정이 실시된다. 재차실시되는 유한요소 해석과정과 선별된 연조직에 대한 물성값 재설정 과정에 의해, 무릎연조직에 대한 물성값을 최적화 될 수 있다.

본 실시예에 따른 물성 최적화 단계는, 앞서 수행된 연조직 선별단계(S150)를 통해 선별된 연조직에 대한 최적화 작업을 수행한다. 따라서, 모든 연조직에 대한 최적화 작업을 수행하지 않아도 되므로, 모든 연조직에 대해 최적화 작업을 수행하는 종래 기술에 따른 방법 대비 빠른 시간 내에 무릎연조직에 대한 물성을 측정할 수 있다.

도 15에는 도 5에 도시된 물성 최적화단계를 통해 선별된 연조직의 물성을 최적화한 결과값을 나타낸 표가 도시되어 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 선별된 무릎연조직의 물성값(IMP)은 물성 최적화단계(S160)를 통해 최적화된 물성값(OMP)으로 가공될 수 있다.

도 16에는 본 발명에 따른 무릎연조직 물성 측정방법에 의해 획득한 무릎연조직 모델을 웨이트 베어링MRI(Weight-bearing MRI)에 의해 획득한 무릎연조직 모델과 비교한 그림이 도시되어 있다.

도 16의 표 안에 도시된 녹색 부위는 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 장비에 의해 획득한 반월판을 나타내고, 붉은색 부위는 최적화 전(IMP) 반월판을 나타내고, 보라색 부위는 본 발명에 따른 무릎연조직 물성 측정방법에 의해 최적화된 (OMP) 반월판을 나타낸다.

표의 OMP 반월판과 MRI 반월판이 동시에 도시된 가운데 줄에는, OMP 반월판 위치가 MRI 반월판 위치와 동일하여, 푸른색으로 도시된 것을 확인할 수 있다.

도 16에 도시된 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 무릎연조직 물성 측정방법에 의해 획득한 결과값은, 종래 기술에 따른 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 장비를 이용한 방법과 동일함을 알 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따른 무릎연조직 물성 측정방법은, 웨이트 베어링 MRI(Weight-bearing MRI) 장비를 이용한 종래 방법 보다 짧은 시간 내에 동일한 측정 결과를 획득할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10: 측정대상환자의 무릎
11: 연골(cartilage)
12: 인대(ligament)
13: 반월판(meniscus)
14: 무릎에 인위적인 하중을 가하는 장비
S100: 무릎연조직 물성 측정방법
S110: MRI 촬영단계
S120: X-Ray 촬영단계
S130: 무릎모델 생성단계
S131: 3차원모델 복원검증단계
S140: 모델 정합단계
S141: 반월판 위치 및 두께 측정단계
S150: 연조직 선별단계
S160: 물성 최적화단계

Claims

측정대상환자의 무릎연조직을 구성하는 반월판조직 및 연골에 대한 물성을 측정하는 방법으로서,
(a) 측정대상환자를 눕힌 상태에서 무릎에 대한 MRI 촬영을 실시하여 MRI촬영 데이터를 획득하는 MRI 촬영단계(S110);
(b) 측정대상환자를 세운 상태에서 측정대상환자의 체중이 무릎에 가해진 상태를 유지하며 무릎에 대한 X-Ray 촬영을 실시하여 X-Ray촬영 데이터를 획득하는 X-Ray 촬영단계(S120);
(c) 상기 MRI촬영단계(S110)를 통해 획득한 MRI촬영 데이터를 이용하여 무릎에 대한 유한요소해석을 위한 3차원 모델을 생성시키고, 무릎연조직을 구성하는 각 연조직의 물성값은 기공지된 평균 물성값으로 설정하는 무릎모델 생성단계(S130);
(d) 무릎모델 생성단계(S130)로부터 생성된 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시키는 모델 정합단계(S140);
(e) 무릎연조직에 대한 민감도해석을 통해 민감도가 소정 수치값 이상인 연조직을 선별하는 연조직 선별단계(S150); 및
(f) 3차원 모델의 무릎을 소정각도만큼 구부리며(flexion) 상기 연조직 선별단계를 통해 선별된 연조직의 물성값을 최적화하는 물성 최적화단계(S160);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법(S100).
제 1 항에 있어서,
상기 (a) MRI 촬영단계(S110) 및 (b) X-Ray 촬영단계(S120)는 소정각도만큼 무릎을 구부린 상태(flexion)에서 촬영되는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 2 항에 있어서,
상기 무릎을 구부리는 각도는 0도, 30도, 60도 및 90도로 구성되는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 3 항에 있어서,
상기 무릎연조직 물성 측정방법은,
상기 무릎을 구부리는 각 각도에 따라 3차원 모델의 반월판 움직임과 반월판 두께를 측정하는 (d-1) 반월판 위치 및 두께 측정단계(S141);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (c) 무릎모델 생성단계(S130)는, 인터 옵저버 리프로듀서빌러티(Inter-observer reproducibility) 방법을 이용하여 생성된 3차원 모델을 검증하는 (c-1) 3차원모델 복원검증단계(S131)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 5 항에 있어서,
상기 (c-1) 3차원모델 복원검증단계(S131)는, 3차원 모델에 포함된 반월판(meniscus)의 두께를 측정하여 검증하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 6 항에 있어서,
상기 반월판(meniscus)의 두께측정은 2회 이상 실시되어 평균값을 기준으로 3차원 모델을 검증하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 모델정합단계(S140)는, 인터액티브 클로세스트 포인트 알고리즘(Interactive closest point algorithm)을 이용하여 3차원 모델을 X-Ray촬영 데이터에 정합시키는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (e) 연조직 선별단계(S150)는, 몬테카를로(Monte Carlo) 기법을 이용하여 민감도해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (e) 연조직 선별단계(S150)는, 무릎의 완전이완(Full extension) 상태에서 무릎연조직에 대한 민감도해석이 수행되는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (f) 물성 최적화단계는, 3차원 모델의 선별된 연조직의 유한요소해석 결과값이 X-Ray 촬영 데이터 및 MRI 촬영 데이터와 동일한 거동을 보이도록 연조직에 대한 물성값을 도출하는 것을 특징으로 하는 무릎연조직 물성 측정방법.