KR101716105B1 - Ligament optimal trajectory generating method and apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인대 재건 시술 시 뼈를 굴착하여 터널을 형성하기에 앞서, 최적의 터널 경로를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계, (b) 의료 영상 리샘플 및 전처리 단계, (c) Atlas 기반 뼈영역 분할 단계 및 (d) 터널링 최적 경로 산출 단계를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.The present invention relates to a method and apparatus for generating an optimal tunnel path prior to excision of a bone in a ligament reconstruction procedure to form a tunnel, comprising: (a) obtaining a medical image (e.g., MRI); (b) A medical image resample and preprocessing step, (c) an Atlas-based bone region segmentation step, and (d) a tunneling optimal path calculation step.
Description
본 발명은 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 인대 재건 시술 시 뼈를 굴착하여 터널을 형성하기에 앞서, 최적의 터널 경로를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for generating a tunneling optimal path in a ligament reconstruction procedure, and more particularly, to a method and apparatus for generating an optimal tunnel path prior to tunnel formation by bone drilling .
일반적으로 인대 재건 수술 시 인대를 삽입하기 위해 뼈에 터널을 형성하여야 하는데, 터널 내부 표면의 패턴 복잡성이 높을수록 인대 재건 수술의 성공율이 높아질 수 있다. 따라서 인대 재건 수술에 있어 터널 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 이에 따라 최적의 인대 삽입 위치를 미리 설정하는 것이 매우 중요한 절차가 되나, 지금까지 이러한 터널 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하는 절차가 진행됨이 없이 터널을 형성하고 있었다.Generally, a tunnel should be formed in the bone to insert the ligament during ligament reconstruction surgery. The higher the pattern complexity of the inner surface of the tunnel, the higher the success rate of ligament reconstruction surgery. Therefore, it is a very important procedure to evaluate the pattern complexity of the internal surface of the tunnel in ligament reconstruction surgery and to set the optimal ligament insertion position accordingly. However, until now, there is no procedure for evaluating the pattern complexity of the inner surface of the tunnel It was forming a tunnel.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 터널을 형성하기에 앞서, 후보 위치에서의 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 최적의 인대 삽입 위치를 제시할 수 있는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for evaluating pattern complexity of an inner surface at a candidate position before forming a tunnel according to the present invention, And to provide a method and apparatus for generating an optimal tunneling path of a ligament reconstruction procedure.
본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법은 (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계, (b) 의료 영상 리샘플 및 전처리 단계, (c) Atlas 기반 뼈영역 분할 단계, (d) 터널링 최적 경로 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A method for generating a tunneling optimal path of a ligament reconstruction procedure according to the present invention includes the steps of (a) obtaining a medical image (e.g., MRI), (b) medical image resample and preprocessing, (c) , and (d) a tunneling optimum path calculating step.
본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, (d) 단계는 (d-1) 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계, (d-2) 최초 원뿔(cone) 영역 형성 단계, (d-3) 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계, (d-4) 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계 및 (d-5) 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(D) is a step of setting an initial point (an entry point) in a bone, (d-2) a step of setting an initial point (D-3) modifying the cone in accordance with the guideline, (d-4) randomly determining points on the cone base plane, and determining a pattern inside the tunnel based on the determined points, And (d-5) generating an optimal tunnel path based on the evaluated result.
본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치는, 의료 영상을 획득하는 영상획득부, 상기 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부, 상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부 및 상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for generating a tunneling optimal path of a ligament reconstruction procedure according to the present invention includes an image acquisition unit for acquiring a medical image, a resampling and preprocessing unit for resampling and preprocessing the medical image, a resampling and pre- And a path calculating unit for calculating a tunneling optimal path according to a bone area division of the area dividing unit.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터널을 형성하기에 앞서, 후보 위치에서의 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 최적의 인대 삽입 위치를 제시함으로써, 인대 재건 수술의 성공률을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of increasing the success rate of the ligament reconstruction surgery by evaluating the pattern complexity of the inner surface at the candidate position and forming the optimal ligament insertion position before forming the tunnel.
도 1은 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 흐름도.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, 각 단계 별 개념을 설명하는 개념도.
도 7은 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에서 경로에 해당하는 터널 실린더를 보여주는 도면
도 8은 가우시안 혼합분포 측정값 그래프
도 9는 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 따른 최소 Mode 값 선택 결과에 따른 최적 경로를 보여주는 도면BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart showing the overall flow of a method for generating a tunneling optimal path in a ligament reconstruction procedure according to the present invention; FIG.
FIG. 2 to FIG. 6 are conceptual diagrams illustrating the concept of each step in the tunneling optimum path generation method of the ligament reconstruction procedure according to the present invention.
7 is a view showing a tunnel cylinder corresponding to a path in the method of generating the optimal tunneling path of the ligament reconstruction procedure of the present invention
FIG. 8 is a graph showing a Gaussian mixed distribution measurement value graph
9 is a view showing an optimal path according to a result of selecting a minimum mode value according to a method of generating a tunneling optimum path in the ligament reconstruction procedure of the present invention
이하, 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method and apparatus for generating a tunneling optimum path in the ligament reconstruction procedure according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계(Read MRI Data), (b) 의료 영상의 리샘플링 및 전처리 단계(Resampling & Pre-processing), (c)상기 리샘플링 및 전처리 단계를 통한 Atlas 기반의 뼈영역 분할 단계(Atlas-based Bone Segmentation), (d)상기 뼈영역 분할 단계에 따라 터널링 최적 경로의 산출 단계(Optimal Trajectory Planning)를 포함하는 것을 특징으로 한다. As shown in FIG. 1, the method for generating a tunneling optimal path of the ligament reconstruction procedure according to the present invention includes: (a) obtaining a medical image (e.g., MRI) (Read MRI Data); (b) And Atlas-based Bone Segmentation through the resampling and preprocessing step; (d) Atlas-based Bone Segmentation through the resampling and pre-processing, (Optimal Trajectory Planning).
본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, (d) 단계는 (d-1) 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계, (d-2) 최초 원뿔(cone) 영역 형성 단계, (d-3) 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계, (d-4) 상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계 및 (d-5) 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(D) is a step of setting an initial point (an entry point) in a bone, (d-2) a step of setting an initial point (D-3) modifying the cone in accordance with the guideline, (d-4) randomly determining points on the cone base plane, and determining points within the tunnel based on the determined points. Evaluating the pattern; and (d-5) generating an optimal tunnel path based on the evaluated result.
상기 (d-1) 단계는 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 포인트와 엔트리 포인트가 연결된 선으로 미리 설정하여 원뿔 영역의 기준이 되며, 상기 (d-2)는 도 3에 도시된 바와 같이, (0, 0, 0)좌표를 정점으로 초기 원뿔을 만들고 원뿔 축은 x-y에 직교되며, 본 발명의 실시예에서 각도는 30°이며, 반경은 0.5rsinθ로 하였다.As shown in FIG. 2, the step (d-1) is a reference of a conical region by previously setting a line connecting the target point and the entry point, and (d-2) (0, 0, 0) coordinates, and the conical axis is orthogonal to xy. In the embodiment of the present invention, the angle is 30 degrees and the radius is 0.5 r sin.
상기 (d-3) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이, 구형좌표(r, θ, φ)는 (x, y, z)와 관련이 있으며, 다음과 같은 식으로 산출된다.4, the spherical coordinates (r,?,?) Are related to (x, y, z) and are calculated as follows.
[수학식 1][Equation 1]
상기 (d-4) 단계는 원뿔 영역 내에 가이드 라인을 기준으로 원뿔의 베이스 평면의 랜덤 포인트를 옮기며 최적의 궤적을 찾고, 다음과 같은 식으로 각도 별로 Cylinder를 생성하여 Cylinder 외곽 1 pixel surface 영역에서의 Volume Density의 평균을 구하며, 구한 평균 Ⅴ들 중에 Minimum값을 가지는 위치에 해당하는 Cylinder를 재생성한다.In the step (d-4), the random point of the base plane of the cone is moved based on the guideline in the conical region, and an optimal locus is found. Cylinder is generated for each angle in the following manner, The volume density is averaged, and a cylinder corresponding to a position having a minimum value is regenerated.
[수학식 2]&Quot; (2) "
상기 (d-5) 단계는 도 5 및 도 6에 도시된 표면에 해당하는 MRI density를 기반으로 최적의 경로를 찾으며, 추가적으로 Cylinder의 length, Surface의 접촉 면적, Surface에 해당하는 MRI density의 texture(Image feature)의 heterogeneity 등을 통해 trajectory를 최적화한다.In the step (d-5), the optimum path is found based on the MRI density corresponding to the surfaces shown in FIGS. 5 and 6, and the length of the cylinder, the contact area of the surface, the texture of the MRI density corresponding to the surface Image feature) heterogeneity.
이러한 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법을 수행하는 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로 생성 장치는 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 영상획득부, 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부, 상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부 및 상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함한다.The apparatus for generating a tunneling optimal path of the ligament reconstruction procedure according to the present invention for performing the tunneling optimal path generation method of the ligament reconstruction procedure of the present invention includes an image acquisition unit for acquiring a medical image (e.g., MRI) A preprocessing resampling and preprocessing unit, a region dividing unit for dividing a bone region based on the Atlas by the resampling and preprocessing unit, and a path calculating unit for calculating a tunneling optimal path according to the bone region division of the region dividing unit.
또한, 본 발명에 따른 경로 산출부는 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 가이드 라인 설정부, 최초 원뿔(cone) 영역을 형성하는 원뿔형성부, 상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 변형부, 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 패턴평가부 및 상기 패턴평가부에서 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 최적 경로 산출부를 포함한다.In addition, the path calculating unit according to the present invention may include a guide line setting unit for setting an initial point (entry point) in a bone, a conical part forming an initial cone area, A pattern evaluating unit for randomly determining points on a deformed part and a base plane, evaluating a pattern in the tunnel based on the determined points, and an optimum tunnel path generating unit for generating an optimal tunnel path based on the evaluation result of the pattern evaluating unit And an optimal path calculating unit.
또한 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로를 찾기 위한 골질의 통계 분석 정보를 바탕으로 최적의 경로를 다음과 같이 선택하게 된다.The optimal path is selected as follows based on the statistical analysis information of bone quality for finding the optimal tunneling path of the ligament reconstruction procedure of the present invention.
먼저 골질의 통계 분석 정보는 기존의 통계 분석 방법과 유사하여,First, the statistical analysis information of bone quality is similar to the existing statistical analysis method,
- Min(최소값)- Min (minimum value)
- Max(최대값)- Max (maximum value)
- Mean(평균값)- Mean
- Variance(분산)- Variance
- Standard Deviation(표준편차)- Standard Deviation
- Median(중간값)- Median (median)
- Skewness(왜도)- Skewness
- Kurtosis(첨도)- Kurtosis
- Mode(최빈값)- Mode (Mode)
- Gaussian Mixture Model Estimation(가우시안 혼합분포 측정값)의 통계량을 이용하여 최적의 경로를 찾게 되나, 현재 정확한 방법론이 정의되어 있지 않으므로 위 통계량을 바탕으로 최적의 경로를 수동으로 선택하게 된다(기존의 최소의 Mean 값을 가지는 경로를 자동으로 선택).- The optimal path is found using the statistics of the Gaussian Mixture Model Estimation, but since the exact methodology is not defined at present, the optimal path is manually selected based on the above statistics Of the path).
상기 통계량에서 Mode(최빈값)는 Sample data가 가지는 값 중에 가장 빈도수가 높은 값을 나타낸 것으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 경로에 해당하는 Cylinder 내부의 density 값들의 Histogram 분포를 분석하여, 이 분포가 Gaussian Distribution이라는 가정하에 도 8과 같이 분리한다. 이때 분리할 때의 측정값을 사용하게 된다.As shown in FIG. 7, the mode (mode) in the above statistics shows the highest frequency among the values of the sample data. By analyzing the histogram distribution of the density values in the cylinder corresponding to the path, Gaussian distribution. At this time, the measurement value at the time of separation is used.
도 9는 상기한 통계량의 통계 정보를 바탕으로 최소의 Mode 값을 가지는 최적의 경로를 선택한 뼈의 영상을 보여주는 것으로, 도면에서 파란색 부분이 최적의 터널링 경로가 된다.FIG. 9 shows an image of a bone selected as an optimal path having a minimum mode value based on the statistical information of the statistic. In FIG. 9, the blue part represents an optimal tunneling path.
이상 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치는 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치로 구현할 수 있다.Although the method and apparatus for generating the optimal tunneling pathway of the ligament reconstruction procedure according to the present invention have been described as an embodiment, the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiments, and various ligament reconstruction And can be implemented by a method and apparatus for generating an optimal tunneling path.
Claims (9)
의료 영상을 획득하는 단계(Read MRI Data);
상기 의료 영상의 리샘플링 및 전처리 단계(Resampling & Pre-processing);
상기 리샘플링 및 전처리 단계를 통한Atlas 기반 뼈영역 분할 단계(Atlas-based Bone Segmentation); 및
상기 뼈영역 분할 단계에 따라 상기 생성 장치에 의한 터널링 최적 경로의 산출 단계(Optimal Trajectory Planning)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.A method for generating a tunneling optimal path using a generating apparatus for performing a method of generating a tunneling optimal path of a ligament reconstruction procedure,
Acquiring a medical image (Read MRI Data);
Resampling and pre-processing of the medical image;
An Atlas-based Bone Segmentation step through the resampling and pre-processing steps; And
And a step (Optimal Trajectory Planning) of the tunneling optimum path by the generating apparatus according to the bone region dividing step.
상기 터널링 최적 경로의 산출 단계는,
뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계;
최초 원뿔(cone) 영역의 형성 단계;
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계;
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 상기 생성 장치에 의해 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계; 및
평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the tunneling optimum path includes:
Setting an initial point (entry point) in the bone;
Forming an initial cone region;
Deforming the cone in accordance with the guideline;
Determining points randomly on the base plane of the cone and evaluating a pattern in the tunnel by the generator based on the determined points; And
And generating an optimal tunnel path based on the evaluated result. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 뼈에서 최초 가이드 라인을 설정하는 단계는 타겟 포인트와 엔트리 포인트가 연결된 선으로 미리 설정하여 원뿔 영역의 기준이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the step of setting the initial guideline in the bone comprises setting a line connecting the target point and the entry point to be a reference of the conical region in advance.
상기 최초 원뿔(cone) 영역의 형성 단계는 (0, 0, 0) 좌표를 정점으로 초기 원뿔을 만들고, 원뿔 축은 x-y에 직교되도록 하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the forming of the initial cone region comprises making an initial cone with apexes of (0, 0, 0) coordinates and making the conical axes orthogonal to xy.
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계에서 구형좌표(r, θ, φ)는 (x, y, z)와 관련이 있는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
Wherein the spherical coordinates (r,?,?) Are calculated by the following equation related to (x, y, z) in the step of deforming the cone according to the guideline: / RTI >
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계는 상기 원뿔 영역 내에 가이드 라인을 기준으로 원뿔의 베이스 평면의 랜덤 포인트를 옮기며 최적의 궤적을 찾고, 다음과 같은 식으로 각도 별로 Cylinder를 생성하여 상기 Cylinder 외곽 1 pixel surface 영역에서의 Volume Density의 평균을 구하며, 구한 평균 들 중에 Minimum값을 가지는 위치에 해당하는 Cylinder를 재생성하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
The step of randomly pointing to the base plane and evaluating the pattern inside the tunnel based on the determined point moves the random point of the base plane of the cone relative to the guide line within the cone area, And a cylinder corresponding to a position having a minimum value among the averages of the volume densities is regenerated by calculating an average of Volume Density in one pixel surface area outside the cylinder by generating a cylinder according to an angle in the following manner: A method of generating an optimal path for tunneling of reconstruction procedures.
상기 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계는 MRI density를 기반으로 최적의 경로를 찾으며, 추가적으로 Cylinder의 length, Surface의 접촉 면적, Surface에 해당하는 MRI density의 texture(Image feature)의 heterogeneity 등을 통해 trajectory를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법. 3. The method of claim 2,
The step of generating an optimal tunnel path based on the evaluated result finds an optimal path based on the MRI density, and further, the length of the cylinder, the contact area of the surface, the texture of the MRI density corresponding to the surface A method for generating a tunneling optimal path of a ligament reconstruction procedure characterized by optimizing the trajectory through heterogeneity.
의료 영상을 획득하는 영상획득부;
상기 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부;
상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부; 및
상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치.8. A generation apparatus for performing a method for generating a tunneling optimal path of a ligament reconstruction procedure according to any one of claims 1 to 7,
An image acquiring unit acquiring a medical image;
A resampling and preprocessing unit for resampling and preprocessing the medical image;
A region dividing unit dividing a bone region based on the Atlas by the resampling and preprocessing unit; And
And a path calculating unit for calculating a tunneling optimal path according to the bone region division of the region dividing unit.
상기 경로 산출부는,
뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 가이드 라인 설정부;
최초 원뿔(cone) 영역을 형성하는 원뿔형성부;
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 변형부;
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 패턴평가부; 및
상기 패턴평가부에서 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 최적 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치.9. The method of claim 8,
The path calculating unit calculates,
A guideline setting unit for setting an initial guideline (entry point, target point) in the bone;
A conical portion forming an initial cone region;
A deforming portion deforming the cone in accordance with the guideline;
A pattern evaluation unit for randomly determining points on the cone base plane and evaluating a pattern inside the tunnel based on the determined points; And
And an optimal path calculating unit for generating an optimum tunnel path based on the result evaluated by the pattern evaluating unit.
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