KR101738374B1 - 위치 추적 시스템을 포함하는 골을 조작하기 위한 조립체 - Google Patents

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Abstract

골을 조작하기 위한 조립체는 골의 제1 부분에 부착되도록 구성되는 제1 조작 요소로서, 신호 방출 위치를 포함하는, 제1 조작 요소, 및 골의 제2 부분에 부착되도록 구성되는 제2 조작 요소로서, 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 위치 및 배향 신호를 제공하기 위해 신호 방출 위치를 검출하는 센서를 포함하는, 제2 조작 요소를 포함한다. 조립체는 또한 위치 및 배향 신호를 사용하여 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 움직임을 복수의 차원으로 추적하는 프로세서를 포함하는 추적 유닛을 포함한다.

Description

위치 추적 시스템을 포함하는 골을 조작하기 위한 조립체{ASSEMBLY FOR MANIPULATING A BONE COMPRISING A POSITION TRACKING SYSTEM}
우선권 주장
본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 포함된, 2011년 6월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "위치설정을 위한 초음파 CT 정합(Ultrasound CT Registration for Positioning)"인 미국 가출원 제61/499,849호 및 2011년 6월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "위치설정을 위한 초음파 CT 정합(Ultrasound CT Registration for Positioning)"인 미국 가출원 제61/499,838호에 대해 우선권을 주장한다.
CT(Computed Tomography, 컴퓨터 단층 촬영)는 흔히 이러한 CT가 고해상도 3차원 이미지의 구성을 허용하기 때문에 골을 이미지 형성하기 위해 사용된다. 이들 고해상도 이미지는 골절, 인대 손상 및 탈구의 파악을 용이하게 하고, 치료 계획의 수립을 돕는다. 그러나, CT 스캐너(scanner)는 치료 시술 동안 사용하기에 불편한 대형의 부피가 큰 장치이다. 초음파 이미지 형성 장치가 부피가 덜 크고 시술 동안 사용하기에 보다 편리하다. 그러나, 이들 장치에 의해 생성되는 이미지는 CT 스캐너에 의해 생성되는 이미지보다 덜 정확하고 포괄적이며, 그 결과 정밀성을 요하는 시술에서의 유용성이 제한되었다.
본 발명은 골의 제1 부분에 부착되도록 구성되는 제1 조작 요소(manipulating element)로서, 신호 방출 위치를 포함하는, 제1 조작 요소, 및 골의 제2 부분에 부착되도록 구성되는 제2 조작 요소로서, 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 위치 및 배향 신호를 제공하기 위해 신호 방출 위치를 검출하는 센서를 포함하는, 제2 조작 요소를 포함하는, 골을 조작하기 위한 조립체에 관한 것이다. 조립체는 또한 위치 및 배향 신호를 사용하여 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 움직임을 복수의 차원으로 추적하는 프로세서를 포함하는 추적 유닛(tracking unit)을 포함한다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템의 개략도.
<도 2>
도 2는 도 1의 시스템을 사용하여, 절골술 시술이 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 수행되도록 의도되는 골의 사시도.
<도 3>
도 3은 제1 손잡이 요소가 그의 제1 부분에 부착된 도 2의 골의 사시도.
<도 4>
도 4는 마커가 그의 제2 부분 내로 삽입된 도 2의 골의 사시도.
<도 5>
도 5는 제2 손잡이가 골의 제2 부분 상에 장착된 도 2의 골의 사시도.
<도 6>
도 6은 골의 제1 및 제2 부분이 서로에 대해 조작될 수 있도록 컷이 그 내부에 형성된 도 2의 골의 사시도.
<도 7>
도 7은 도 1의 시스템을 사용하여, 척추 측만증을 치료하기 위한 시술이 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 수행되는 척추의 일부분의 사시도.
<도 8>
도 8은 마커가 그의 제1 추골 내로 삽입된 도 7의 척추의 사시도.
<도 9>
도 9는 제1 손잡이 요소가 마커 위에 장착된 도 7의 척추의 사시도.
<도 10>
도 10은 제2 손잡이 요소가 그의 제2 추골에 부착된 도 7의 척추의 사시도.
<도 11>
도 11은 도 1의 시스템을 사용하여, 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 척추 측만증 시술을 사용해서 치료될 척추의 일부분의 사시도.
<도 12>
도 12는 제1 마커가 그의 제1 추골 내로 삽입된 도 11의 척추의 사시도.
<도 13>
도 13은 초음파 장치가 그의 제2 추골을 스캔하는 도 11의 척추의 사시도.
<도 14>
도 14는 제1 및 제2 손잡이 요소가 각각 제1 및 제2 추골에 부착된 도 11의 척추의 사시도.
<도 15>
도 15는 도 1의 시스템을 사용하여, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 치료될 골절된 골의 사시도.
<도 16>
도 16은 제1 마커가 그의 제1 골절된 부분을 통해 삽입된 도 15의 골의 사시도.
<도 17>
도 17은 제2 마커가 그의 제2 골절된 부분을 통해 삽입된 도 15의 골의 사시도.
<도 18>
도 18은 제1 및 제2 손잡이 요소가 각각 제1 및 제2 골절된 부분에 부착된 도 15의 골의 사시도.
본 발명은 하기의 설명 및 첨부 도면을 참조하여 추가로 이해될 수 있으며, 첨부 도면에서 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 지칭된다. 본 발명은 골을 치료하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히 치료 시술 동안 획득되는 초음파 데이터가 시술 동안 골의 하나 이상의 부분의 위치를 정확하게 추적하도록 이전에 획득된 CT 이미지 데이터를 조작하는 것을 돕기 위해 채용될 수 있도록 골 상의 하나 이상의 마커(marker)의 위치를 지시하는 정합된 초음파 및 CT 데이터를 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예는 골의 제1 부분이 골의 제1 부분에 결합되는 제1 손잡이 요소를 통해 조작됨에 따라 획득되는 데이터가 골의 제1 부분의 움직임을 보여주도록 CT 이미지를 조작하기 위해 사용될 수 있도록 제1 손잡이 요소의 CT 이미지 내에서의 위치를 확립하기 위해 CT 이미지 데이터에 정합되는 데이터를 참조하기 위한 시스템 및 방법을 기술한다. 제2 손잡이 요소가 골의 제2 부분에 결합될 수 있어서, 제1 및 제2 손잡이 요소의 상대 위치를 지시하는 정합된 데이터가 골의 제1 및 제2 부분의 상대적 움직임을 보여주도록 CT 이미지를 실시간으로 조작하기 위해 사용될 수 있다. 당업자는 예시적인 실시예가 각각 골의 제1 및 제2 부분에 결합되는 제1 및 제2 손잡이 요소를 기술하지만, 제1 및 제2 손잡이 요소는 또한 제1 및 제2 골 상에 또는 임의의 다른 실질적 강체 구조체 상에, 이 구조체의 이전에 획득된 CT 이미지 데이터가 시술 동안 구조체의 움직임을 보여주기 위해 조작될 수 있도록 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템(100)은 골의 초음파 데이터(124)(예컨대, 초음파 이미지 데이터)를 획득하도록 그리고 초음파 데이터(124)를 초음파 데이터(124)의 수집 전에 획득되는 CT 데이터(126)(예컨대, CT 이미지)와 정합시켜 CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치를 결정하는 추적 스테이션(104)으로 이러한 초음파 데이터를 전송하도록 구성되는 휴대용 초음파 장치(102)를 포함한다. 초음파 장치(102)는 골의 초음파 데이터(124)를 획득하기 위한 초음파 스캐너(110) 및 획득된 초음파 데이터(124)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치의 광학 추적을 용이하게 하는 카메라(112)를 포함한다. 카메라(112)는 광원(114) 및 예를 들어 유리 스케일(glass scale) 상의 고정 패턴(116)을 포함할 수 있다. 초음파 장치(102)에 대한 제1 손잡이(106)의 위치 및/또는 배향에 대응하는 데이터를 비롯한 제1 손잡이 데이터(132)를 최대 6차원으로 제공하기 위해 고정 패턴(116)의 음영이 드리워지고 제1 손잡이(106)의 센서(128)에 의해 검출된다. 수집된 데이터를 사용하여, 추적 스테이션(104)은 CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치를 결정하기 위해 초음파 데이터(124)와 CT 데이터(126)를 정합(예컨대, 상관)시킬 수 있다. 일단 정합이 완료되면, 골은 더욱 상세히 후술되는 바와 같이 본 발명에 따른 예시적인 시스템 및 방법에 따라 조작될 수 있다.
제1 손잡이 요소(106)는 골의 제1 부분 상에 위치되는 반면, 제2 손잡이 요소(108)는 골의 제2 부분 상에 위치된다. 제2 손잡이 요소(108)는 제1 손잡이 요소(106)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치를 지시하는 제2 손잡이 데이터(134)를 제공하기 위해 제1 손잡이 요소(106) 상의 센서(128)와 통신하는, LED 어레이와 같은 발광 장치(light emitting apparatus)(130)를 포함한다. 추적 스테이션(104)은 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치를 결정하기 위해 제2 손잡이 데이터(134)를 사용하고, 제1 및/또는 제2 손잡이 요소(106, 108)의 위치를 CT 데이터(126)에 대해 디스플레이(120) 상에 표시한다. 도 2 내지 도 6에 관하여 더욱 상세히 후술될 바와 같이, 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)는 초기에 강성 골 상에 위치되고 후속하여 그들의 위치 정합 후에 커팅된다. 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)가 사용자에 의해 조작되고 서로에 대해 이동됨에 따라, 골의 제1 및 제2 부분의 서로에 대한 대응하는 움직임이 추적되고, CT 데이터(126)가 이러한 상대적 움직임을 표시하도록 조작된다. 즉, 사용자가 디스플레이(120) 상에서 골의 제1 및 제2 부분의 움직임을 실시간으로 보도록 골의 제1 및 제2 부분에 대응하는 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지의 부분들이 제2 손잡이 데이터(134)에 기초하여 서로에 대해 이동된다.
초음파 장치(102)의 스캐너(110)는 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 골의 2D 또는 3D 이미지를 촬영할 수 있다. 추적 스테이션(104)은 이어서 골의 동일한 부분에 대응하는 초음파 데이터(124) 및 CT 데이터(126)의 부분들을 식별하도록 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지의 부분들에 대한 윤곽의 유사성을 가진 부분들을 찾기 위해 초음파 데이터(124)를 검토한다. 초음파 데이터(124)와 CT 데이터(126)는 골의 동일한 부분을 표현하는 데이터의 이들 식별된 부분들 사이의 정확한 정합을 보장하도록 초음파 장치(102)가 별개의 시간 주기에 걸쳐 수개의 초음파 이미지를 촬영할 것을 요구하는 수개의 유사점을 가질 수 있다. 요구되는 2D 이미지의 수는 예를 들어 골의 윤곽의 균질성과 초음파 및 CT 데이터(124, 126)의 세밀도에 좌우될 수 있다. 따라서, CT 데이터(126)의 수개의 후보 위치가 식별될 수 있고, 이러한 수개의 후보 위치 중 하나가 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지의 선택된 부분에 정확하게 대응하는 것으로 확인될 때까지 추가의 초음파 데이터(120)가 수집될 수 있다.
당업자에 의해 이해될 바와 같이, 제1 손잡이 요소(106)는 제1 손잡이 요소(106)가 그 상에 장착되는 골의 제1 부분이 제1 손잡이 요소(106)의 움직임을 통해 조작될 수 있도록 외과 의사 또는 다른 사용자에 의해 파지되도록 크기설정되고 형상화될 수 있다. 제1 손잡이 요소(106)는 그 내부에, 제1 손잡이 요소(106)와 초음파 장치(102) 사이의 상대 위치 및/또는 배향에 관한 데이터를 포함하는 제1 손잡이 데이터(132)를 제공하는 센서(128)를 포함한다. 센서(128)는 초음파 장치(102)의 광원(114)과 고정 패턴(116)을 통해 그 상에 드리워지는 음영을 검출한다. 음영의 패턴의 크기 및/또는 왜곡이 초음파 장치(102)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치 및 배향을 6차원으로 결정하기 위해 사용된다. 이러한 제1 손잡이 데이터(132)는 CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치를 결정하기 위해 추적 스테이션(104)으로 전송된다.
제2 손잡이 요소(108)가 또한 제2 손잡이 요소(108)가 그 상에 장착되는 골의 제2 부분이 제2 손잡이 요소(108)를 통해 조작될 수 있도록 사용자에 의해 파지되도록 크기설정되고 형상화된다. 제2 손잡이 요소(108)는 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 사이의 상대 위치에 관한 데이터를 포함하는 제2 손잡이 데이터(134)를 제공하는, 예를 들어 LED어레이와 같은 발광 장치(130)를 포함한다. 발광 장치(130)는 제1 손잡이 요소(106)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치 및 배향을 6차원으로 결정하기 위해, 장치(130)로부터의 광을 검출하는 센서(128)와 통신하도록 구성된다. 이러한 제2 손잡이 데이터(134)는 추적 스테이션(104)으로 전송된다. 제1 손잡이 요소(106)의 위치가 CT 데이터(126)에 대해 알려져 있기 때문에, 추적 스테이션(104)은 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치를 결정하기 위해 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 사이의 상대 위치 및 배향을 사용한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 사이의 상대적 추적이 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 중 하나 상에 제공되는 필드 발생기(field generator)(도시 안됨)에 의해 제공될 수 있으며, 필드 발생기는 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 중 다른 하나 상에 제공되는 필드 센서(도시 안됨)와 통신한다.
추적 스테이션(104)은 프로세서(118) 및 디스플레이(120)를 포함하는 컴퓨터 또는 다른 처리 장치일 수 있다. 초음파 데이터(124), CT 데이터(126), 제1 손잡이 데이터(132) 및 제2 손잡이 데이터(134)는 예를 들어 추적 스테이션(104)의 메모리(122) 상에 저장될 수 있고, 제1 손잡이 요소(106)를 CT 데이터(126)에 정합시키기 위해 사용될 수 있다. 프로세서(118)는 초음파 데이터(124)와 CT 데이터(126)를 상관시키고, CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치를 결정하기 위해 제1 손잡이 데이터(132)를 사용한다. 프로세서(118)는 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이 요소(106)의 위치를 유사하게 결정할 수 있다. 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)의 위치는 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지에 대해 디스플레이(120) 상에 실시간으로 표시될 수 있다. 따라서, 정합 과정의 완료 및/또는 골의 치료에 관한 실시간 정보가 사용자에게 제공될 수 있다. 당업자는 추적 스테이션(104)이 분산 시스템(distributed system)일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 메모리와 프로세서는 수술실 내의 디스플레이와 통신하는 서버 내에 위치될 수 있다.
일단 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108) 둘 모두의 위치가 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지에 대해 결정되었으면, 외과 의사는 제1 및 제2 손잡이 부재(108)를 사용하여 골의 제1 및 제2 부분을 서로에 대해 이동시킬 수 있다. 골의 제1 및 제2 부분들 사이의 상대적 움직임을 보여주는 조작된 CT 이미지가 디스플레이(120) 상에 표시될 수 있도록 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 사이의 상대적 움직임이 연속적으로 추적되고 모니터링될 수 있다. 따라서, 외과 의사는 디스플레이(120) 상의 조작된 CT 이미지를 보고서 골의 부분들을 골의 부분들 사이의 원하는 공간 관계가 획득될 때까지 이동시킬 수 있다.
시스템(100)은 다양한 상이한 골 치료 시술에 사용될 수 있다. 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같은 하나의 예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 골(10)이 짧아지거나 길어지거나 그의 정렬을 변화시키도록 커팅되는 골(10)의 절골술을 수행하는 데 사용된다. 절골술 시술 전에 골(10)의 CT 이미지가 촬영되고, 그로부터 획득되는 CT 데이터(126)가 추적 스테이션(104)으로 전송된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 마커(136)가 골(10)의 제1 부분(12) 내에 위치된다. 전체적으로 사용되는 용어 "마커"는 당업자가 이해할 바와 같이, 원하는 강성 및 회전 안정성을 갖는 예를 들어 K-와이어(wire), 션트 스크류(shunt screw), 핀(pin) 또는 다른 골 고정 요소와 같은 임의의 적합한 골 마커를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이어서 초음파 데이터(124)와 제1 손잡이 데이터(132)를 획득하기 위해 제1 손잡이 요소(106)가 도 3에 도시된 바와 같이 제1 마커(136) 위에 장착되고 초음파 장치(102)가 골(10)의 일부분 위에 위치된다. 초음파 데이터(124)와 제1 손잡이 데이터(132)는 추적 스테이션(104)으로 전송되고, 프로세서(118)는 초음파 데이터(124)를 CT 데이터(126)에 자동적으로 정합시킨다. 초음파 데이터(124)는 골(10)의 하나 이상의 3D 초음파 이미지로부터 획득될 수 있다. 스캐너(110)에 부착되는 드릴-가이드(drill-guide)(도시 안됨)를 사용하여, 더욱 상세히 후술될 바와 같이 골의 제1 및 제2 부분들 사이의 상대적 추적을 허용하기 위해 제2 마커(138)가 골(10)의 다른 부분 내로 삽입된다. 추적 스테이션(104)은 이어서 골의 동일한 부분에 대응하는 초음파 데이터(124) 및 CT 데이터(126)의 부분들을 식별하도록 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지의 부분들에 대한 윤곽의 유사성을 가진 부분들을 찾기 위해 3D 초음파로부터의 초음파 데이터(124)를 검토한다. 구체적으로, 제2 마커(138)는 도 4에 도시된 바와 같이 골(10)의 제2 부분(14) 내로 삽입된다. 제2 마커(138)는 예를 들어 초음파 장치(102) 내의 개구를 통해, 제2 마커가 그를 통해 안내되도록 제2 부분(14) 내로 삽입된다. 대안적으로, 제2 마커(138)는 초음파 장치(102)를 통해 안내됨이 없이 자유로이 제2 부분(14) 내에 위치될 수 있다. 더욱 상세히 후술되는 바와 같이, 그러한 실시예는 제2 마커(138)가 이식 후에 초음파 장치(102)를 거쳐 위치될 것을 필요로 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 손잡이 요소(108)는 제2 마커(138) 위에, 그의 회전을 방지하도록 장착될 수 있다. 제1 마커(136) 상에서의 제1 손잡이 요소(106)의 위치와 제2 마커(138)의 위치를 사용하여, 제1 손잡이 데이터(132)를 사용해서 CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치가 정합된다. CT 데이터(126)에 의해 표현되는 CT 이미지와 그 상에서의 제1 손잡이 요소(106)의 위치가 디스플레이(120) 상에 표시된다. 이어서 제2 손잡이 데이터(134)(즉, 제1 및 제2 손잡이 요소들(106, 108) 사이의 상대 위치에 관한 데이터)를 추적 스테이션(104)에 제공하기 위해 제2 손잡이 요소(108)의 발광 장치(130)가 제1 손잡이 요소(106)의 센서(128)와 통신한다. 제2 손잡이 데이터(134)를 사용하여, 프로세서(118)는 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치를 결정한다. 이어서 제2 손잡이 요소(108)의 위치가 CT 이미지 상에서 디스플레이(120) 상에 표시된다. 당업자가 이해할 바와 같이, 3D 초음파의 사용은 3D 초음파 데이터(124)의 사용이 스캐너(110)의 위치를 추적할 필요 없이 정합을 위해 대응하는 CT 데이터(126)를 구축하도록 허용한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 외과 의사는 이어서 제1 및 제2 부분들(12, 14) 사이에서 골(10) 내에 컷(cut)(16)을 형성하여, 골의 제1 및 제2 부분(12, 14)이 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)의 조작을 통해 서로에 대해 자유로이 이동하게 한다. 프로세서(118)는 그들 사이의 상대적 움직임을 추적하고, 골의 제1 및 제2 부분(12, 14)이 원하는 대로 정렬될 때까지 외과 의사가 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)를 조작할 수 있도록 그러한 상대적 움직임을 실시간으로 보여주는 조작된 CT 이미지를 디스플레이(120) 상에 생성한다.
도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같은 다른 예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 척추 측만증을 앓는 환자를 치료하기 위해 사용된다. 전술된 절골술 시술과 유사하게, 시술 전 척추(20)의 일부분의 CT 이미지가 획득되고, CT 데이터(126)가 추적 스테이션(104)으로 전송된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 손잡이 요소(106)일 수 있는 기준 장치가 척추에 부착됨이 없이 척추(20)에 근접하게 위치될 수 있다. 이어서 초음파 장치(102)가 척추(20)의 제1 추골(22)의 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 사용됨과 동시에 또한 제1 손잡이 데이터(132)를 추적 스테이션(104)에 제공하기 위해 제1 손잡이 요소(106)의 센서(128)와 통신한다. 초음파 데이터(124)는 제1 추골(22)의 하나 이상의 2D 초음파 이미지로부터 획득될 수 있다. 프로세서(118)는 초음파 및 CT 데이터(124, 126)를 정합시키고, 척추 측만증 치료 시술에 사용되는 드릴-가이드를 추적하기 위해 사용될 수 있는 제1 손잡이 데이터(132)를 결정하며, 이 경우 드릴-가이드는 초음파 스캐너(110)에 부착될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 사용되는 초음파 스캐너(110)는 위치 및 배향 데이터를 제공하기 위해 기준 장치를 사용하여 초음파 데이터(124)의 3D 세트를 구축하도록 3차원으로 추적된다(즉, 골의 동일한 부분에 대응하는 부분들을 식별하도록 CT 데이터(126)에 의해 표현되는 이미지의 부분들에 대한 윤곽의 유사성을 가진 부분을 찾기 위해 초음파 데이터(124)를 검토하도록 추적 스테이션(104)을 사용함). CT 데이터(126)에 의해 표현되는 정합된 CT 이미지가 디스플레이(120) 상에 표시된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 마커(136)가 예를 들어 초음파 장치(102) 내의 개구를 통해 제1 추골(22) 내로 삽입되고, 기준점을 사용하여, 제1 마커(136)가 삽입되는 제1 추골(22) 상의 위치가 확립된다. 이어서 기준점으로서 사용되었던 제1 손잡이 요소(106)가 제1 마커(136) 위에 위치된다. 제1 마커(136)의 위치가 알려져 있기 때문에, CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이 요소(106)의 위치가 정합될 수 있다. 당업자는 제1 추골(22)이 제1 마커의 삽입을 용이하게 하기 위해 제1 마커(136)의 삽입 전에 드릴링될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이어서 제1 손잡이(106)가 도 9에 도시된 바와 같이 제1 마커(136) 위에 장착된다. CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이(106)의 위치가 결정되었기 때문에, 제1 추골(22)에 대한 제1 손잡이(106)의 배치가 프로세서(118)에 의해 추적되고 디스플레이(120) 상에 표시된다.
이어서 제2 추골(24)에 대한 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 초음파 장치(102)가 제2 추골(24) 위에 위치된다. 유사하게, 제2 추골(24)의 초음파 데이터(124)는 그의 하나 이상의 2D 초음파 이미지로부터 획득될 수 있다. 초음파 장치(102)는 또한 제1 손잡이 요소(106)에 대한 그의 위치 및 배향을 결정하기 위해 제1 손잡이 요소(106)와 통신할 수 있다. 제2 추골(24)의 초음파 데이터(124)와 초음파 장치(102)의 위치에 관한 데이터가 제2 추골(24)의 초음파 데이터(124)를 척추(20)의 CT 데이터에 정합시키기 위해 추적 스테이션(104)으로 전송된다. 제2 손잡이 요소(108)가 도 10에 도시된 바와 같이 제2 추골(24)에 부착되고, 제2 손잡이 데이터(134)를 추적 스테이션(104)에 제공하기 위해 제1 손잡이 요소(106)와 통신한다. 프로세서(118)는 디스플레이(120) 상에 표시될 수 있는 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이(108)의 위치를 결정하기 위해 제2 손잡이 데이터를 사용한다. 일단 제1 및 제2 손잡이(106, 108) 둘 모두의 위치가 CT 데이터(126)에 대해 결정되었으면, 척추(20)의 정렬을 조작하기 위해 제1 및 제2 추골(22, 24)이 제1 및 제2 손잡이(106, 109)를 통해 서로에 대해 이동될 수 있다. 추적 스테이션(104)은 척추(20)의 원하는 정렬을 용이하게 하도록 제1 및 제2 추골(22, 24)의 서로에 대한 움직임에 대응하는 조작된 CT 이미지를 그 상에 표시하기 위해 척추(20)의 움직임을 연속적으로 추적하고 모니터링한다.
도 11 내지 도 14는 아래에서 지적되는 바를 제외하고는 전술된 실시예와 실질적으로 유사한, 척추(20')의 척추 측만증을 치료하기 위한 대안적인 실시예를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 척추(20')의 이전에 획득된 CT 데이터(126)와 정합되는 제1 추골(22')의 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 초음파 장치(102)가 제1 추골(22') 위에 위치된다. 그러나, 초음파 데이터(124)는 제1 추골(22')의 3D 초음파 이미지로부터 획득될 수 있다. 이어서 제1 마커(136)가 도 12에 도시된 바와 같이 초음파 장치(102)의 개구를 통해 제1 추골(22') 내로 삽입될 수 있다. 제1 손잡이 요소(106)가 도 13에 도시된 바와 같이 제1 마커(136) 위에 장착되고, 제1 손잡이 요소(106)의 위치가 CT 데이터(126)에 대해 결정된다. 이어서 초음파 장치(102)가 예를 들어 3D 초음파 이미지를 사용하여 제2 추골(24')에 대한 초음파 데이터(124)를 획득하도록 그리고 제1 손잡이 데이터(124)를 추적 스테이션(104)에 제공하기 위해 제1 손잡이 요소(106)와 통신하도록 제2 추골(24') 위에 위치된다. 프로세서(118)는 제2 추골(24')의 초음파 데이터(124)를 척추(20')의 CT 데이터(126)와 정합시키고, CT 데이터(126)에 대한 제1 손잡이(106)의 위치를 결정한다. 이어서 제2 손잡이 요소(108)가 제1 손잡이 요소(106)와 통신하기 위해 그리고 제2 손잡이 데이터(134)(즉, 제1 손잡이 요소(106)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치 및 배향에 관한 데이터)를 추적 스테이션(104)에 제공하기 위해 도 14에 도시된 바와 같이 제2 추골(24')에 부착된다. 프로세서(118)는 CT 데이터(126)에 대한 제2 손잡이 요소(108)의 위치를 결정하기 위해 수집된 데이터를 사용한다. CT 데이터(126)에 대한 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)의 위치가 실시간으로 디스플레이(120) 상에 표시될 수 있어서, 외과 의사가 제1 및 제2 추골(22', 24')을 제1 및 제2 손잡이(106, 108)를 통해 서로에 대해 이동시킬 수 있다. 제1 및 제2 손잡이들(106, 108) 사이의 상대적 움직임은 외과 의사가 조작된 CT 이미지를 봄으로써 제1 및 제2 추골(22', 24')을 서로에 대해 원하는 공간 관계로 이동시킬 수 있도록 이러한 조작된 CT 이미지를 디스플레이(120) 상에 생성한다.
도 15 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 또한 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 골절된 골(30)을 치료하기 위해 사용될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 골절된 부분(32)의 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 초음파 장치(102)가 골(30)의 제1 골절된 부분(32) 위에 위치된다. 특히, 초음파 장치(102)는 골(30)의 이전에 획득된 CT 데이터(126)와 정합될 수 있는 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 3D 이미지 형성을 이용할 수 있다. 제1 마커(136)가 초음파 장치(102) 내의 개구를 통해 제1 골절된 부분(32) 내로 삽입될 수 있어서, 제1 마커(136) 위에 장착될 때 제1 손잡이(106)의 위치가 CT 데이터(126)에 대해 알려진다. 도 16에 도시된 바와 같이, 골(30)의 CT 데이터(126)와 정합될 수 있는 제2 골절된 부분에 대한 초음파 데이터(124)를 획득하기 위해 이 과정이 제2 골절된 부분(34)에 대해 반복될 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 제2 마커(138)가 초음파 장치(102) 내의 개구를 통해 제2 골절된 부분(34) 내로 삽입될 수 있다. 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)가 도 18에 도시된 바와 같이 각각 제1 및 제2 마커(136, 138) 위에 장착될 수 있고, 그에 대한 제1 및 제2 손잡이 요소(106)의 위치를 포함하는 CT 데이터(126)가 디스플레이(120) 상에 표시될 수 있다. 제1 및 제2 손잡이 요소(106, 108)는 그들의 상대적 움직임이 추적되고 조작된 CT 이미지로서 디스플레이(120) 상에 표시되도록 서로에 대한 위치를 결정하기 위해 계속 서로 통신할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 골절된 부분(32, 34)은 디스플레이(120) 상의 조작된 CT 이미지를 봄으로써 원하는 대로 서로에 대해 이동될 수 있다.
도 1 내지 도 18에 도시된 시스템은 조작이 수행될 수 있도록 마커 위치를 식별하고 손잡이를 설치하기 위해 CT-초음파 정합을 사용하는 것으로 기술되었다. 그러나, 당업자는 임의의 마커 정합 과정이 마커 위치를 확립하기 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 마커가 골 내에 위치될 수 있고, 이어서 골 상에서의 마커의 위치 정보를 획득하기 위해 CT 스캔이 수행될 수 있다.
본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어남이 없이, 본 발명의 구조 및 방법에 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그 등가물의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 골(bone)을 조작하기 위한 조립체로서,
    골의 제1 부분에 부착되도록 구성되고, 신호 방출 위치를 포함하는 제1 조작 요소(manipulating element);
    골의 제2 부분에 부착되도록 구성되는 제2 조작 요소로서, 상기 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 위치 및 배향 신호를 제공하기 위해 상기 신호 방출 위치를 검출하는 센서를 포함하는, 상기 제2 조작 요소; 및
    이전에 획득된 CT 이미지 데이터를 조작하고, 상기 위치 및 배향 신호를 사용하여 복수의 차원으로 상기 제1 및 제2 조작 요소의 서로에 대한 움직임을 추적하는 프로세서를 포함하는 추적 유닛(tracking unit);을 포함하는, 골 조작 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 조작 요소는 각각 상기 골의 제1 및 제2 부분을 이동하기 위해 사용자에 의해 파지되도록 크기설정되고 형상화된 손잡이를 포함하는, 골 조작 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호 방출 위치는 발광 어레이(light emitting array)인, 골 조작 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 신호 방출 위치는 필드 발생기(field generator)인, 골 조작 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 조작 요소 중 하나의 상대 위치를 결정하기 위해 상기 제2 조작 요소에 연결되는 스캐닝 유닛(scanning unit)을 추가로 포함하는, 골 조작 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스캐닝 유닛은 광원을 포함하고, 상기 광원은 상기 제1 조작 요소의 센서에 의해 검출될, 상기 스캐닝 유닛의 고정 패턴의 음영을 드리워, 상기 스캐닝 유닛에 대한 상기 제1 조작 요소의 위치 및 배향이 결정되는, 골 조작 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 골의 표면 데이터에 대한 상기 제1 및 제2 조작 요소 중 하나의 위치를 보여주는 디스플레이를 추가로 포함하는, 골 조작 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 조작 요소는 마커(marker)인, 골 조작 조립체.
  9. 제1항에 따른 제1 조작 요소 및 제2 조작 요소 중의 하나를 포함하는 조작 요소로서,
    골의 일부분에 부착되도록 구성되는 손잡이로서, 상기 손잡이가 부착되는 상기 골의 일부분을 이동하기 위해 사용자에 의해 파지되도록 크기설정되고 형상화되는, 상기 손잡이; 및
    위치 신호를 복수의 차원으로 검출하는 센서;를 포함하는, 조작 요소.
  10. 제1항에 따른 제1 조작 요소 및 제2 조작 요소 중의 하나를 포함하는 조작 요소로서,
    골의 일부분에 부착되도록 구성되는 손잡이로서, 상기 손잡이가 부착되는 상기 골의 일부분을 이동하기 위해 사용자에 의해 파지되도록 크기설정되고 형상화되는, 상기 손잡이; 및
    위치 신호를 방출하는 방출기 어레이로서, 상기 손잡이가 파지될 때 상기 방출기 어레이가 가시적이도록 상기 손잡이 상에 배열되는, 상기 방출기 어레이;를 포함하는, 조작 요소.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방출기 어레이는 발광 다이오드인, 조작 요소.

  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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