KR101766771B1 - 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템 - Google Patents

무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101766771B1
KR101766771B1 KR1020150147317A KR20150147317A KR101766771B1 KR 101766771 B1 KR101766771 B1 KR 101766771B1 KR 1020150147317 A KR1020150147317 A KR 1020150147317A KR 20150147317 A KR20150147317 A KR 20150147317A KR 101766771 B1 KR101766771 B1 KR 101766771B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
landmark
server
bone
probe tool
tool
Prior art date
Application number
KR1020150147317A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170046996A (ko
Inventor
김영준
박세형
조현철
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020150147317A priority Critical patent/KR101766771B1/ko
Publication of KR20170046996A publication Critical patent/KR20170046996A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101766771B1 publication Critical patent/KR101766771B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2072—Reference field transducer attached to an instrument or patient
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2074—Interface software

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

본 발명은 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템에 관한 것으로서, CT 촬영 데이터를 기초로 대퇴골 및 경골의 3차원 모형을 생성하고 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 설정하며, 상기 3차원 모형의 무릎뼈의 위치 및 실제 무릎뼈의 위치를 정합하고, 상기 실제 무릎뼈의 위치 및 수술 도구의 위치를 추적하여 상기 터널을 형성할 위치를 제안하는 영상 유도 수술 서버, 및 상기 실제 무릎뼈의 위치를 획득하기 위하여, 구비된 터치 센서를 통해 상기 실제 무릎뼈의 3차원 점에 해당하는 랜드마크를 획득하는 프로브 도구를 포함한다.

Description

무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템{IMAGE GUIDED SURGERY SYSTEM FOR ACCURACY IMPROVEMENT OF ENTERING 3D COORDINATE OF KNEECAP}
본 발명은 관절경 기반 무릎 전방 십자인대 재건술에서, CT 기반 수술 계획 설정 및 수술 시 드릴링 위치를 안내해주는 영상 유도 수술 시스템에 관한 것이다.
전방 십자인대 재건술은 무릎 피부에 작은 구멍을 뚫고 관절경을 통해 내부를 보며 전방 십자인대의 부착 부위를 찾아서 대퇴골 및 경골에 드릴로 터널을 만들고 인대를 통과시켜 고정하는 방법으로 시행되는 수술이다. 이 때, 경험이 많지 않은 의사의 경우 좁은 관절경의 시야를 통해 인대의 부착 부위를 찾기가 매우 어려운 문제가 있다. 또한 잘못된 위치에 터널을 만들 경우 대퇴골의 다른 부위나 경골에 간섭하여 파손을 일으키거나, 터널이 생성된 부분에 파손이 일어날 수 있다.
전방 십자인대 재건술의 성공률 향상을 위해서 대퇴골 및 경골의 정확한 부위에 터널을 만들 수 있도록 CT 영상을 통해 수술 경로를 계획하고, 수술 시 환자의 무릎뼈와 수술 도구의 위치를 추적하여 표시해주는 방법이 개발되어 왔다. 이러한 필요성에 의해 외국에서 'OrthoPilot' 등의 수술 내비게이션 시스템이 소개되었으나, 수술 준비과정이 까다롭고 만족할만한 정확도가 보장되지 않아 널리 사용되지 않는 실정이다.
한국 등록특허 제10-0957727호는 수술용 도구 및 수술용 내비게이션 방법에 관한 것으로, 뼈에 핀을 고정한 후 CT를 촬영하고 이 핀을 통해 정합을 하는 과정을 거친다. 그러나, 정확한 정합을 위한 오차 감쇄 단계를 제공하지는 못한다.
'Keiji Tensho' 등은 "Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, 19(3), 378-383."에 "Anatomic double-bundle anterior cruciate ligament reconstruction, using CT-based navigation and fiducial markers"라는 논문을 개제하였다. 본 논문은 기준 마커를 피부에 부착하여 CT 촬영 후, 수술 시 피부 마커의 위치를 프로브로 찾아서 정합한다. 정합 후 가이드 툴을 이용하여 터널을 생성할 위치를 안내한다. 그러나, 피부에 부착하는 마커를 이용하면 환자의 자세에 따라 정합오차가 커질 수 있어서, 정합 오차가 일정 기준을 충족할 때까지 정합 과정을 반복해야 하는 문제가 있다.
이렇듯 관절경 기반 전방 십자인대 재건술 시, 관절경의 좁은 시야에 의존하여 대퇴골 및 경골의 정확한 위치에 터널을 생성하는 것은 많은 경험과 기법의 숙달이 필요한 어려운 작업이다. 따라서 수술 도구의 위치를 실시간으로 추적하여 터널이 생성될 위치를 표시함으로써, 정확한 경로로 터널을 만들 수 있도록 안내하는 기법이 필요하다. 정확한 내비게이션을 위해서는 CT 촬영을 통해 얻은 환자의 대퇴골, 경골의 모형과 실제 수술 시 환자 무릎뼈의 위치를 정확하게 정합하는 것이 중요하다.
한국 등록특허 제10-0957727호
Keiji Tensho et. al., Anatomic double-bundle anterior cruciate ligament reconstruction, using CT-based navigation and fiducial markers, Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, 19(3), 378-383.
본 발명의 목적은 전방십자인대 재건술시 간소화된 방법으로 정확한 정합을 위한 영상 유도 수술 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 프로브 도구를 통하여 획득한 실제 무릎뼈의 랜드마크를 영상 유도 수술 서버에 제공하여 영상 유도 수술 서버가 실제 무릎뼈의 위치를 설정할 수 있는 영상 유도 수술 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 터치 센서를 구비한 프로브 도구를 이용하여 사용자에 의한 별도의 명령 또는 신호 없이, 프로브 도구의 터치 센서가 실제 무릎뼈에 접촉되기만 하면 해당 접촉 위치를 기초로 실제 무릎뼈의 랜드마크를 바로 획득하여 영상 유도 수술 서버에 제공할 수 있는 영상 유도 수술 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템으로서, CT 촬영 데이터를 기초로 대퇴골 및 경골의 3차원 모형을 생성하고 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 설정하며, 상기 3차원 모형의 무릎뼈의 위치 및 실제 무릎뼈의 위치를 정합하고, 상기 실제 무릎뼈의 위치 및 수술 도구의 위치를 추적하여 상기 터널을 형성할 위치를 제안하는 영상 유도 수술 서버, 및 상기 실제 무릎뼈의 위치를 획득하기 위하여, 구비된 터치 센서를 통해 상기 실제 무릎뼈의 3차원 점에 해당하는 랜드마크를 획득하는 프로브 도구를 포함한다.
바람직하게, 상기 프로브 도구는 상기 랜드마크를 획득하고 상기 영상 유도 수술 서버에 제공하여, 상기 영상 유도 수술 서버가 상기 실제 무릎뼈의 위치를 설정하도록 하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로브 도구의 제어부는 상기 프로브 도구의 일단에 구비된 터치 센서로부터, 상기 프로브 도구와상기 실제 무릎뼈가 접촉되었는지 여부에 대한 접촉 상태 정보를 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로브 도구의 제어부는 상기 접촉 상태 정보가 접촉인 경우에는, 해당 접촉 위치를 기초로 상기 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하여 상기 영상 유도 수술 서버에 제공할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로브 도구의 제어부는 상기 접촉 상태 정보가 비접촉인 경우에는, 해당 접촉 위치를 기초로 상기 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하지 않을 수 있다.
바람직하게, 상기 프로브 도구는 상기 터치 센서를 통하여 획득한 접촉 상태 정보에 따라, 소정의 사운드를 출력하는 스피커 또는 소정의 빛을 발광하는 LED를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전방십자인대 재건술을 위한 CT 영상 기반 대퇴골 및 경골의 터널링 계획을 쉽게 세울 수 있고, 효율적이고 정확한 정합을 통해 환자의 무릎과 수술 도구의 위치를 정확하게 추적하여 표시해줌으로써 수술의 성공률을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 프로브 도구의 터치 센서가 실제 무릎뼈에 접촉되기만 하면 사용자에 의한 별도의 명령 또는 신호 없이 바로 랜드마크를 획득할 수 있으므로, 실제 무릎뼈의 랜드마크를 획득하는 과정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 전방십자인대 재건술의 전체 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3는 본 발명에 의한 영상 유도 수술 서버에서 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 계획하는 것을 설명하는 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명에 의한 영상 유도 수술 서버에서 트래커 장비에서 적외선 카메라를 통해 다른 물체와 구분하여 마커를 인식하는 것을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 프로브 도구에 대한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 영상 유도 수술 서버에서 랜드마크를 획득하는 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 영상 유도 수술 서버에서 정합 과정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 영상 유도 수술 서버에서 랜드마크 포인트 유도 과정을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템에 관한 도면이다.
도 1을 참조하면, 영상 유도 수술 시스템(100)은 영상 유도 수술 서버(110), 및 프로브 도구(120)를 포함한다.
영상 유도 수술 서버(110)는 전방십자인대 재건술의 전체 과정을 수행하는 장치로서, CT 촬영 데이터를 기초로 대퇴골 및 경골의 3차원 모형을 생성하고 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 설정하며, 3차원 모형에서 무릎뼈의 위치 및 실제 무릎뼈의 위치를 정합하고, 실제 무?내응? 위치 및 수술 도구의 위치를 추적하여 터널을 형성할 위치를 제안한다. 또한, 영상 유도 수술 서버(110)는 전방십자인대 재건술의 전체 과정 중 특정 단계에서는 사용자 또는 외부로부터 데이터를 제공받고 이를 기초로 해당 특정 단계를 수행할 수 있다.
프로브 도구(120)는 영상 유도 수술 서버(110)와 연결되어 실제 무릎뼈의 3차원 점에 해당하는 랜드마크를 획득하는 장치로서, 획득한 랜드마크를 영상 유도 수술 서버(110)에 제공하여 영상 유도 수술 서버(110)가 전방십자인대 재건술의 전체 과정 중 특정 단계를 수행할 수 있도록 한다. 일 실시예에서, 프로브 도구(120)는 터치 센서, 스피커, LED, 또는 제어부를 구비할 수 있으며, 이에 대하여는 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 전방십자인대 재건술의 전체 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 영상 유도 수술 서버(110)는 CT 영상 기반 환자의 대퇴골과 경골의 터널 생성 경로를 계획하는 수술 계획 단계(200), 수술 직전 CT 영상 기반 수술 계획과 환자 무릎의 위치를 정합하는 환자 정합 단계(210), 그리고 수술 시 환자 무릎과 수술 도구의 위치를 추적하여 터널을 만들 위치를 정확하게 안내하는 수술 내비게이션 단계(220)를 수행한다. 이하 도 3 내지 도 9를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 수술 계획 단계(200)는 환자 진단을 위한 CT 촬영 단계(202), CT 데이터로부터 대퇴골 및 경골의 3차원 모형 추출 단계(204), 대퇴골 및 경골의 인대 부착 위치 지정 단계(206), 인대를 고정하기 위한 터널의 경로 설정의 단계(208)를 포함한다.
인대 파열 환자의 진단을 위해서 먼저 영상촬영장치를 통하여 CT가 촬영되면(202), 영상 유도 수술 서버(110)는 CT 촬영 데이터를 제공받아 CT 촬영 데이터를 기초로 대퇴골 및 경골의 3차원 모형을 추출한다(204). 구체적으로, 영상 유도 수술 서버(110)는 CT 볼륨 데이터에서 뼈를 나타내는 +700 ~ +3000사이의 Hounsfiled Unit(HU)값을 통해 뼈의 부위를 찾아내고, 이 부분에 Marching Cube 알고리즘을 적용하여 다리뼈 모형을 복원할 수 있다. 또한, 영상 유도 수술 서버(110)는 복원된 다리뼈 모형에서 대퇴골과 경골부분을 남기고 필요없는 부분을 제거하여 최종 모형을 추출할 수 있다.
다음으로, 영상 유도 수술 서버(110)가 대퇴골 및 경골의 인대 부착 위치를 지정하는 단계(206)에서, 인공 인대나 자가 인대를 부착하는 위치는 원래 환자의 인대가 부착되어 있었던 위치에 최대한 근접하게 설정되는 것이 좋다. 이를 위해서 기존에 2차원 X-ray 이미지 기반으로 통계적으로 대퇴골 및 경골에 인대가 부착되어 있는 위치를 예측하는 'Quadrant Method'가 사용될 수 있다. 이 Quadrant Method를 3차원으로 확장되는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 영상 유도 수술 서버(110)는 3차원 대퇴골, 경골 모형에 Quadrant 평면을 생성하고, Quadrant 평면에서의 인대 부착 위치를 결정하면, Quadrant 평면에서 결정된 위치를 실제 대퇴골, 경골 모형에 프로젝션하여, 대퇴골, 경골 모형 상에서의 인대 부착 위치를 계산할 수 있다.
인대 부착 위치가 결정되면, 영상 유도 수술 서버(110)는 인대 부착 위치로부터 터널을 만들 방향을 결정한다(208). 도 3은 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 계획하는 것을 설명하는 도면이다. 이때, 영상 유도 수술 서버(110)는 터널 부위 파손을 방지하기 위해 터널의 길이를 충분하게 설정하고, 터널을 만드는 방향에 따라 대퇴골의 다른 부분이나 경골이 파손되지 않도록 안전한 방향을 설정하여야 한다. 이러한 조건을 만족하는 터널 방향이 설정될 수 있도록, 영상 유도 수술 서버(110)는 사용자에 의하여 입력된 터널 방향의 정보를 기초로, 즉, 사용자가 3차원으로 대퇴골과 경골의 모형을 확인하며 터널의 방향을 마우스로 움직여 설정한 정보를 기초로 터널의 방향을 설정할 수 있다.
다음으로, 환자 정합 단계(210)는 환자의 대퇴골과 경골에 마커를 고정하는 마커 고정 단계(212), 포탈(portal)을 통해서 프로브 도구(120)를 넣어 무릎뼈 표면의 점들을 얻는 랜드마크(Landmark) 획득 단계(214), 랜드마크를 이용하여 실제 환자 무릎뼈의 위치와 CT에서 얻은 무릎뼈 모형의 위치를 일치시키고, 반복적으로 정합 오차를 측정하며 최적 정합을 유도하는 정합 단계(216)를 포함한다. 이러한 환자 정합 단계는 수술 중에 환자의 무릎에 포탈을 뚫은 후 대퇴골과 경골에 터널을 생성하기 직전에 수행된다. 환자 정합 단계가 필요한 이유는 수술 계획 단계(200)에서 추출한 대퇴골, 경골 모형의 위치와 실제 수술 시 환자의 대퇴골 및 경골의 위치를 정합해야 만 수술 계획위치로 수술 도구가 정확하게 안내될 수 있기 때문이다.
먼저 마커 고정 단계(212)는 사용자에 의하여 기준이 되는 마커가 환자의 대퇴골과 경골에 고정되는 것이다. 예를 들어, Kirschner wire(K-wire)가 환자의 무릎뼈에 고정되고, 여기에 마커가 고정된다. 이때 마커 고정 위치가 터널을 생성할 위치에 최대한 가깝게 설정되어야 최종 터널의 위치 오차 감소에 도움이 된다.
본 발명의 실시예에서 사용된 마커는 NDI 사의 3차원 위치 트래커 장비에서 인식하는 적외선 반사 물질이 코팅된 4개의 구형 마커가 배치되어 사용될 수 있다. 도 4 및 도 5는 동물 실험에서 마커를 고정하는 것과, NDI 사의 3차원 위치 트래커 장비를 보여주는 도면이다. NDI 트래커에서 이 마커를 인식하여 마커의 3차원 위치와 회전을 트래킹 할 수 있고, 이에 따라 이 마커가 고정된 대퇴골과 경골의 위치를 상대적으로 알 수 있다. 구체적으로 도 4 및 도 5를 참고하면, 십자가 모형에 부착된 흰 구에 적외선 반사 코팅을 하여, 트래커 장비에서 적외선 카메라를 통해 다른 물체와 구분하여 마커를 인식한다. 공간상의 위치와 회전 이동을 동시에 인식하기 위해, 3점이상의 마커를 세트로 이용하는 것이 바람직하며, NDI에서는 인식률을 높이기 위해 4점을 이용할 수 있다.
다음으로, 랜드마크 획득 단계(214)는 마커가 부착된 프로브 도구(120)로부터 획득된 실제 환자 무릎뼈 표면상의 점을 영상 유도 수술 서버(110)가 제공받는 것이다. 보다 구체적으로, 프로브 도구(120)는 포탈을 통해 집어넣어져 실제 환자 무릎뼈의 표면상에 접촉하고, 이를 통하여 프로브 도구(120)는 실제 환자 무릎뼈 표면상의 점을 획득하여 영상 유도 수술 서버(110)에 제공한다. 실제로는 대퇴골 및 경골에 고정된 마커의 위치를 기준으로 프로브 도구(120)의 상대적인 위치가 구해지는 것이다. 보다 구체적으로, 도 6을 참조하여 랜드마크 획득 단계(214)를 설명한다.
도 6을 참조하면, 프로브 도구(120)는 터치 센서, 및 제어부를 포함하고,여기에서, 터치 센서는 프로브 도구(120)의 한쪽 끝 부분(610)에 구비되어 뼈와의 접촉 여부를 검출할 수 있고, 제어부는 도면에 도시되지 않았지만 프로브 도구(120)의 일 부분에 구비될 수 있다. 일 실시예에서, 터치 센서는 압력 센서로 대체될 수 있으며, 프로브 도구(120)는 특정 위치(620)에 스피커 또는 LED를 구비할 수 있다. 바람직하게, 프로브 도구(120)는 실제 무릎뼈의 위치를 획득하기 위하여, 터치 센서를 통해 실제 무릎뼈의 3차원 점에 해당하는 랜드마크를 획득하여 영상 유도 수술 서버(110)에 제공하는 도구이다.
보다 구체적으로, 프로브 도구(120)는 제어부를 통하여 랜드마크를 획득하고 제어부의 통신 모듈을 통하여 영상 유도 수술 서버(110)에 제공한다. 이를 통하여 영상 유도 수술 서버(110)는 실제 무릎뼈의 위치를 설정하고 정합 단계(216)를 수행할 수 있다. 바람직하게, 프로브 도구(120)의 제어부는 터치 센서로부터 프로브 도구(120)와 실제 무릎뼈가 접촉되었는지 여부에 대한 접촉 상태 정보를 획득하고, 접촉 상태 정보가 접촉에 해당하는 경우에는, 해당 접촉 위치를 기초로 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하여 영상 유도 수술 서버(110)에 제공한다. 또한, 접촉 상태 정보가 비접촉에 해당하는 경우에는, 프로브 도구(120)의 제어부는 해당 접촉 위치를 기초로 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 프로브 도구(120)는 터치 센서를 통하여 실제 무릎뼈와의 접촉이 감지되기만 하면 해당 접촉 위치에 대한 랜드마크를 획득할 수 있고, 따라서 실제 무릎뼈와 접촉이 발생할 때마다 랜드마크를 획득하여 바로 영상 유도 수술 서버(110)에 제공할 수 있다. 도 7은 영상 유도 수술 서버(110)에서 프로브 도구(120)로부터 제공받아 획득한 랜드마크를 보여주는 도면이다.
일 실시예에서, 프로브 도구(120)는 스피커 또는 LED를 더 구비하여 터치 센서가 실제 무릎뼈에 접촉되었는지 여부에 따라 소정의 소리 또는 빛의 발광을 출력할 수 있다. 예를 들어, 터치 센서(610)가 실제 무릎뼈에 접촉된 경우에는, 프로브 도구(120)의 제어부는 LED(620)를 통하여 녹색 빛이 발광되도록 하거나 또는 스피커(620)를 통하여 특정 소리가 출력되도록 할 수 있고, 터치 센서(610)가 실제 무릎뼈에 접촉되지 않은 경우에는, 프로브 도구(120)의 제어부는 LED(620)를 통하여 빨간색 빛이 발광되도록 하거나 또는 스피커(620)를 통하여 접촉되었을 때와는 다른 특정 소리가 출력되도록 할 수 있다.
즉, 기존의 시스템에서는 프로브 도구를 뼈 표면에 가져다 대고, 다른 버튼을 한번 더 누르거나, 마우스로 명령 버튼을 누르거나, 또는 별도의 풋 페달(발로 밝는 입력 장치)을 이용하여 신호를 주는 것을 통하여 실제 무릎뼈의 3차원 점을 획득하였으나, 본 발명에 따른 프로브 도구(120)에 의하면, 프로브 도구를 뼈 표면에 가져다 대기만 하면, 터치 센서에 의하여 접촉 상태 정보가 획득되고, 접촉인 경우에는 랜드마크가 바로 획득될 수 있으므로 랜드마크를 획득하는 것을 단순화하는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에서는 정합에 효율적인 위치에서 랜드마크를 얻기 위해서, 영상 유도 수술 서버(110)는 먼저 대퇴골에서 표면의 점을 얻을 수 있는 부위를 나누고, 여러 부위에서 랜드마크를 획득할 수 있도록 한 다음, 사용자에게 랜드마크가 필요한 부위를 계속적으로 안내해 줄 수 있다. 정합 단계(216)에서, 랜드마크 포인트의 수가 너무 적거나 랜드마크 포인트들의 위치가 작은 영역 내에 몰려있으면 정합을 정확하게 계산할 수 없기 때문이다. 예를 들어, 대퇴골의 무릎 부분 앞쪽의 랜드마크만 획득할 경우, 무릎에서 먼 위치의 영역에서는 차이가 많이 나게 정합이 될 가능성이 크다. 도 8에서 초록색 모델은 정확한 정합 위치를 나타내고, 빨간색 모델은 주어진 랜드마크 포인트를 이용하여 정합한 결과를 나타낸다.
또한, 어떤 부위에서 프로브 도구(120)를 이용하여 랜드마크 포인트를 획득하여야 하는지를 사용자에게 알려주기 위하여, 영상 유도 수술 서버(110)는 실제 무릎뼈에서 프로브 도구(120)로 접근이 가능하면서 정확한 정합을 위해 필수적인 영역을 도 9에 도시된 바와 같이 미리 정의하는 것이 바람직하다.
영상 유도 수술 서버(110)는 도 9와 같이 정의된 영역을 순차적으로 사용자에게 안내하면서, 프로브 도구(120)를 통하여 해당 영역에서 랜드마크 포인트를 획득하도록 유도할 수 있다. 이때, 영상 유도 수술 서버(110)는 랜드마크 포인트를 저장할 때 현재 선택된 영역의 ID를 동시에 저장하여, 어떤 영역에서 몇 개의 랜드마크를 획득하였는지 표시할 수 있다.
다음으로, 정합 단계(216)는 획득한 랜드마크 포인트들을 CT 촬영 데이터에서 추출한 대퇴골, 경골 모형의 위치와 일치시키는 단계이다. 구체적으로, 영상 유도 수술 서버(110)가 대퇴골 및 경골에 고정된 마커의 위치와 회전이동을 추적하고, 이 마커를 기준으로 한 대퇴골 및 경골의 상대 위치를 계산하면 결과적으로 실제 환자의 대퇴골 및 경골의 위치 및 회전이동을 추적할 수 있는데, 이 상대위치를 계산하기 위한 과정이 정합 과정이 된다.
정합 단계(216)에서는, 예를 들어 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘이 사용될 수 있다. 이 알고리즘은 각 랜드마크 포인트에서 가장 가까운 뼈 모형 표면으로의 방향 벡터를 계산하고, 이 방향 벡터로부터 제곱 평균 오차를 최소화하는 변환 행렬을 도출한다. 그 다음, 변환 행렬에 따라 랜드마크 포인트들을 뼈 모형으로 이동시킨 후, 뼈 모형과 각 랜드마크 포인트들 간의 거리 오차를 계산하고, 이 거리 오차가 일정 수준이하가 될 때까지 반복 계산한다.
이러한 정합 단계(216)에서는 랜드마크 획득시 오차로 인한 오차 경고와, 오차가 큰 영역에 대해 랜드마크 재획득 유도를 통해, 정확한 정합을 하는 것이 중요하다.
예를 들어, 사용자가 랜드마크 획득 시 관절경의 좁은 시야에만 의존하여 무릎뼈의 표면을 찾아야 하기에, 프로브 도구(120)로 표면 상의 점을 얻는 중에 조금 미끄러지거나, 뼈의 표면이 아닌 뼈의 막 위에서 점을 얻거나, 수술 도구의 구조 상 한계 때문에 정확한 표면 상의 점을 얻지 못하는 경우, 정합 오차에 영향을 주는 경우가 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 영상 유도 수술 서버(110)는 프로브 도구(120)의 위치를 일정 프레임동안 얻어서 랜드마크 점의 위치를 정할 때, 일정 프레임동안 얻은 프로브 도구(120) 위치 값들의 RMS(Root Mean Square) 오차와 최대 오차를 계산한다. 이것이 일정 값을 초과하면, 영상 유도 수술 서버(110)는 랜드마크를 지정하는 동안 프로브 도구(120)를 움직인 것으로 인식하여, 다시 랜드마크를 획득하도록 유도한다.
아울러, 영상 유도 수술 서버(110)는 현재 획득된 랜드마크 포인트 중 뼈 모형 표면까지의 거리오차가 일정 값 이상인 점들을 표시하고, 오차가 큰 랜드마크 포인트가 속한 영역에 대해 다시 점을 획득하도록 유도하는 것이 바람직하다. 이렇게 오차가 발생하는 이유는, 프로브 도구(120)의 끝단, 즉 터치 센서가 뼈의 표면이 아닌 뼈의 얇은 막 위에 위치되거나, 프로브 도구(120)의 끝단이 아닌 중간 부위에 뼈가 걸쳐진 상태에서 랜드마크가 획득되는 등의 경우 때문이다. 이러한 경우에는, 영상 유도 수술 서버(110)는 ICP를 통한 정합 후, 각 랜드마크 포인트와 정합된 CT 무릎뼈 모델과의 거리 오차를 계산하여, 거리 오차가 특히 높은 일정 랜드마크 포인트에 대해서 경고 표시를 해줄 수 있다. 사용자는 영상 유도 수술 서버(110)로부터 표시된 경고 표시를 기초로, 정합 오차가 큰 랜드마크 포인트가 삭제되도록 하고, 해당 영역에서 랜드마크를 추가로 획득하는 과정을 거쳐 정확한 정합이 될 수 있게 된다.
다음으로, 수술 내비게이션 단계(220)는 가이드 툴 트래킹 단계(222), 가이드 핀 삽입위치 안내 단계(224), 드릴링 단계(226) 및, 인대 재건 단계(228)를 포함한다.
영상 유도 수술 서버(110)를 통하여 정합이 완료된 환자 대퇴골 및 경골에 정확한 계획 경로에 따라 터널을 만들기 위해 가이드 도구가 사용된다. 기존의 전방십자인대 재건술 중 Outside-In 방식으로 터널을 가공하기 위해 가이드 핀이 삽입될 때, 드릴의 방향을 잡아주는 용도로 가이드 툴이 사용될 수 있다. 영상 유도 수술 서버(110)는 가이드 툴에 부착된 마커를 기준으로 가이드 툴에 의해 생성될 터널의 상대적인 위치와 방향을 미리 계산하고, 이에 따라 가이드 툴에 부착된 마커를 추적하면, 가이드 툴의 위치에 따라 생성될 터널의 위치와 방향을 화면에 실시간으로 표시할 수 있다.
영상 유도 수술 서버(110)에 의하여 가이드 툴의 위치가 화면에 표시되면, 집도의는 포탈을 통해 가이드 툴을 삽입하여 계획된 터널 경로와 가이드 툴에 의해 생성이 될 터널의 경로가 일치하도록 가이드 툴의 위치를 조절한다. 이 때 영상 유도 수술 서버(110)는 여러 방향에서 본 뼈 모형과 가이드 툴 모형의 위치를 표시해주어, 집도의가 쉽게 가이드 툴의 위치를 조절하도록 도울 수 있다.
집도의는 가이드 툴을 일치시킨 후, 가이드 핀을 먼저 삽입하고 가이드 핀을 따라 필요한 직경에 따라 드릴을 이용하여 환자의 대퇴골 및 경골에 터널을 생성한다. 이후 인대 고정 과정은 기존의 십자인대 재건술에서 행하는 과정과 동일하게 진행된다.
전술한 본 발명에 따른 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템 에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100: 영상 유도 수술 시스템
110: 영상 유도 수술 서버
120: 프로브 도구
610: 터치 센서
620: 스피커 또는 LED

Claims (6)

  1. 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템에 있어서,
    CT 촬영 데이터를 기초로 대퇴골 및 경골의 3차원 모형을 생성하고 인대를 고정하기 위한 터널의 경로를 설정하며, 상기 3차원 모형의 무릎뼈의 위치 및 실제 무릎뼈의 위치를 정합하고, 상기 실제 무릎뼈의 위치 및 수술 도구의 위치를 추적하여 상기 터널을 형성할 위치를 제안하는 영상 유도 수술 서버; 및
    상기 실제 무릎뼈의 위치를 획득하기 위하여, 구비된 터치 센서를 통해 상기 실제 무릎뼈의 3차원 점에 해당하는 랜드마크를 획득하는 프로브 도구를 포함하되,
    상기 영상 유도 수술 서버는, 상기 정합을 위하여, 상기 실제 무릎뼈에 대해 상기 프로브 도구를 이용하여 필수적으로 랜드마크가 획득되어야 하는 기정의된 영역을 상기 3차원 모형상에서 순차적으로 안내하고,
    상기 프로브 도구의 제어부는, 상기 프로브 도구의 일단에 구비된 터치 센서로부터, 상기 프로브 도구와 상기 실제 무릎뼈가 접촉되었는지 여부에 대한 접촉 상태 정보를 획득하고, 상기 접촉 상태 정보가 접촉인 경우에는, 해당 접촉 위치를 기초로 상기 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하여 상기 영상 유도 수술 서버에 제공하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 수술 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로브 도구의 제어부는
    상기 랜드마크를 획득하고 상기 영상 유도 수술 서버에 제공하여, 상기 영상 유도 수술 서버가 상기 실제 무릎뼈의 위치를 설정하도록 하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 수술 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 프로브 도구의 제어부는
    상기 접촉 상태 정보가 비접촉인 경우에는, 해당 접촉 위치를 기초로 상기 실제 무릎뼈에 대한 랜드마크를 획득하지 않는 것을 특징으로 하는 영상 유도 수술 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로브 도구는
    상기 터치 센서를 통하여 획득한 접촉 상태 정보에 따라, 소정의 사운드를 출력하는 스피커 또는 소정의 빛을 발광하는 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 유도 수술 시스템.
KR1020150147317A 2015-10-22 2015-10-22 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템 KR101766771B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150147317A KR101766771B1 (ko) 2015-10-22 2015-10-22 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150147317A KR101766771B1 (ko) 2015-10-22 2015-10-22 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170046996A KR20170046996A (ko) 2017-05-04
KR101766771B1 true KR101766771B1 (ko) 2017-08-10

Family

ID=58743233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150147317A KR101766771B1 (ko) 2015-10-22 2015-10-22 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101766771B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110043761A (zh) * 2019-05-09 2019-07-23 贵州理工学院 一种矿井智能化机械眼
KR102270942B1 (ko) * 2019-10-30 2021-06-30 가톨릭관동대학교산학협력단 수술용 내비게이션 장치 및 방법
CN111540043A (zh) * 2020-04-30 2020-08-14 京东方科技集团股份有限公司 骨骼模型表面轮廓生成装置、方法、存储介质及电子设备
CN116798613B (zh) * 2023-08-23 2023-11-28 山东大学齐鲁医院(青岛) 一种基于关节镜成像的膝骨性关节炎诊断方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008515601A (ja) 2004-10-13 2008-05-15 スミス アンド ネフュー インコーポレーテッド 単顆膝関節形成の手術ナビゲーションシステムおよび方法
JP2012090997A (ja) 2005-06-03 2012-05-17 Tyco Healthcare Group Lp センサを使用する外科手術用器具

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008515601A (ja) 2004-10-13 2008-05-15 スミス アンド ネフュー インコーポレーテッド 単顆膝関節形成の手術ナビゲーションシステムおよび方法
JP2012090997A (ja) 2005-06-03 2012-05-17 Tyco Healthcare Group Lp センサを使用する外科手術用器具

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170046996A (ko) 2017-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10786307B2 (en) Patient-matched surgical component and methods of use
US10449004B2 (en) Intraoperative systems and methods for determining and providing for display a virtual image overlaid onto a visual image of a bone
USRE49930E1 (en) Methods and systems for computer-aided surgery using intra-operative video acquired by a free moving camera
US11382698B2 (en) Surgical navigation system
US20210121237A1 (en) Systems and methods for augmented reality display in navigated surgeries
US6718194B2 (en) Computer assisted intramedullary rod surgery system with enhanced features
CN103997982B (zh) 将手术器械相对患者身体进行定位的机器人辅助装置
US20030029464A1 (en) Video-based surgical targeting system
US20050159759A1 (en) Systems and methods for performing minimally invasive incisions
US20050197569A1 (en) Methods, systems, and apparatuses for providing patient-mounted surgical navigational sensors
US20060161052A1 (en) Computer assisted orthopaedic surgery system for ligament graft reconstruction
KR101766771B1 (ko) 무릎뼈의 3차원 좌표 입력의 정확도 향상을 위한 영상 유도 수술 시스템
US20070016008A1 (en) Selective gesturing input to a surgical navigation system
JP2005137904A (ja) 手術中にディジタル化される標認点に対して二次元画像データを位置合わせするシステムおよび方法
JP2002538884A (ja) 靭帯移植片配置のため造影し、計画する装置
US20190076195A1 (en) Articulating laser incision indication system
KR101655309B1 (ko) 전방십자인대 재건술을 위한 컴퓨터 내비게이션 방법
CN111870343A (zh) 手术机器人系统
AU2022401872A1 (en) Bone reamer video based navigation
JP2009172124A (ja) 手術ナビゲーションシステム、画像表示方法、コンピュータプログラム及び記録媒体
US20230233259A1 (en) Augmented reality headset systems and methods for surgical planning and guidance for knee surgery
CN116687437A (zh) 医疗透视设备、医疗导航系统以及医学图像处理方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant