KR101801827B1 - 수술 가이드 시스템 및 방법 - Google Patents

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이원진
이상정
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 수술 가이드 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 수술 가이드 시스템은 수술 전 환자의 제1 골편에 대응하는 제1 골편 가상모델, 수술 전 환자의 제2 골편에 대응하는 제2 골편 가상모델 및 제1 골편 가상모델과 상기 제2 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제1 가상모델을 생성하는 제1 가상모델 생성부, 사용자의 입력에 기초하여 제1 골편 가상모델이 변형된 제3 골편 가상모델, 제2 골편 가상모델이 변형된 제4 골편 가상모델 및 제3 골편 가상모델과 제4 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제2 가상모델을 생성하는 제2 가상모델 생성부, 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 실제 좌표와 제1 가상모델 및 제2 가상모델의 좌표를 정합하고 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 위치를 추적하는 위치 추적부, 그리고 위치 추적 결과에 기초하여 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 위치가 반영된 제1 가상모델과 제2 가상모델 사이의 오차를 출력하는 위치 출력부를 포함한다.

Description

수술 가이드 시스템 및 방법{SURGICAL GUIDE SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 수술 가이드 시스템 및 방법에 관한 것으로, 환자의 복합체 골편의 위치를 바로 잡는 수술에서 수술 전 3차원 가상 모델을 이용하여 수술 시뮬레이션을 제공하고 수술 중 환자의 골편 복합체의 실제 위치와 미리 설정되어 있는 목표 위치 간의 오차를 가시화하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
악교정 수술은 교정치료의 한계를 벗어나는 얼굴 비대칭, 얼굴 기형, 주걱턱, 무턱 및 부정교합 등의 증상을 개선하기 위한 것으로 골절단술을 통해 환자의 상악과 하악의 골격적 차이(skeletal discrepancy)를 제거하여 정상교합을 회복하고 턱관절 장애를 개선하며 부가적으로 골격적 이동을 통해 얼굴 전체의 윤곽과 턱 라인을 바로 잡아 외모를 향상시키는 수술이다.
종래 악교정 수술은 3D CT(Computed Tomography, 컴퓨터단층촬영)을 통해 환자의 얼굴을 입체적으로 촬영하여 상태를 판단하고, 환자에게 적합한 수술 계획을 수립한 후 계획에 따라 상악과 하악을 절골해 턱을 교정하는 방법으로 이루어진다. 그러나 악교정 수술환자는 대부분 치아 교정용 금속 장치를 착용하고 있다는 점에서 CT 촬영시 보철 금속과 치아 교정용 장치 등으로 인한 금속 잡음이 발생하며 CT 영상의 해상도가 낮아 치아의 크기나 배열 등을 정확히 파악하기 어렵다. 또한, 술자의 경험 및 숙련도에 따라 수술 결과가 좌우되는 점에서 수술 정확도가 저하될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예가 해결하려는 과제는 환자의 복합체 골편의 위치를 바로 잡는 수술에서 환자의 복합체 골편에 대응하는 가상모델을 통해 수술 결과를 시뮬레이션하는 수술 가이드 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시예가 해결하려는 과제는 환자의 복합체 골편의 위치를 바로 잡는 수술에서 수술 중 환자의 복합체 골편의 위치와 미리 계획된 목표 위치 사이의 오차를 정량적 및 정성적으로 가시화하여 출력하는 수술 가이드 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 수술 전 환자의 제1 골편에 대응하는 제1 골편 가상모델, 수술 전 환자의 제2 골편에 대응하는 제2 골편 가상모델 및 제1 골편 가상모델과 상기 제2 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제1 가상모델을 생성하는 제1 가상모델 생성부, 사용자의 입력에 기초하여 제1 골편 가상모델이 변형된 제3 골편 가상모델, 제2 골편 가상모델이 변형된 제4 골편 가상모델 및 제3 골편 가상모델과 제4 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제2 가상모델을 생성하는 제2 가상모델 생성부, 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 실제 좌표와 제1 가상모델 및 제2 가상모델의 좌표를 정합하고 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 위치를 추적하는 위치 추적부, 그리고 위치 추적 결과에 기초하여 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 위치가 반영된 제1 가상모델과 제2 가상모델 사이의 오차를 출력하는 위치 출력부를 포함하는 수술 가이드 시스템을 제안한다.
여기서, 사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 제1 골편 가상모델과 제2 골편 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 수술 시뮬레이션부를 더 포함할 수 있다.
또한, 위치 출력부는 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체에 대응하는 제1 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력할 수 있다.
또한, 위치 출력부는 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체에 대응하는 제1 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 수술 전 환자의 상악에 대응하는 제1 상악 가상모델, 수술 전 환자의 하악에 대응하는 제1 하악 가상모델 및 제1 상악 가상모델과 제1 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제1 상하악 가상모델을 생성하는 제1 가상모델 생성부, 사용자의 입력에 기초하여 제1 상악 가상모델이 변형된 제2 상악 가상모델, 제1 하악 가상모델이 변형된 제2 하악 가상모델 및 제2 상악 가상모델과 제2 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제2 상하악 가상모델을 생성하는 제2 가상모델 생성부, 환자의 상하악 복합체의 실제 좌표와 제1 상하악 가상모델 및 제2 상하악 가상모델의 좌표를 정합하고 수술 중 환자의 상하악 복합체의 위치를 추적하는 위치 추적부, 그리고 위치 추적 결과에 기초하여 수술 중 환자의 상하악 복합체의 위치가 반영된 제1 상하악 가상모델과 제2 상하악 가상모델 사이의 오차를 출력하는 위치 출력부를 포함하는 수술 가이드 시스템을 제안한다.
여기서, 제1 가상모델 생성부는, 환자의 치아 또는 치아 모형의 표면을 3D 스캔하여 제1 이미지를 생성하는 제1 이미지 생성부, 환자의 치아를 CT(Computed Tomography) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 이미지 생성부, 그리고 제1 이미지와 제2 이미지를 정합하여 제1 상하악 가상모델을 생성하는 복합체 가상모델 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 제1 상악 가상모델과 제1 하악 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 수술 시뮬레이션부를 더 포함할 수 있다.
또한, 위치 출력부는 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력할 수 있다.
또한, 위치 출력부는 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력할 수 있다.
또한, 위치 출력부는 제1 기준점과 제2 기준점 사이의 오차가 미리 설정된 값 이하인 경우 제1 기준점과 제2 기준점을 동일한 색상으로 출력할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 수술 전 환자의 상악에 대응하는 제1 상악 가상모델, 수술 전 환자의 하악에 대응하는 제1 하악 가상모델 및 제1 상악 가상모델과 제1 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제1 상하악 가상모델을 생성하는 단계, 제1 상악 가상모델이 변형된 제2 상악 가상모델, 제1 하악 가상모델이 변형된 제2 하악 가상모델 및 제2 상악 가상모델과 제2 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제2 상하악 가상모델을 생성하는 단계, 수술 전 환자의 상하악 복합체의 실제 좌표와 제1 상하악 가상모델 및 제2 상하악 가상모델의 좌표를 정합하는 단계, 환자의 수술 중 상하악 복합체의 위치를 추적하는 단계, 그리고 위치 추적 결과에 기초하여 수술 중 상하악 복합체의 위치가 반영된 제1 상하악 가상모델과 제2 상하악 가상모델 사이의 오차를 출력하는 단계를 포함하는 수술 가이드 방법을 제안한다.
여기서, 사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 미리 설정되어 있는 기준점을 중심으로 제1 상악 가상모델과 제1 하악 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 좌표 정합 단계는 환자의 두개골에 설치되어 있는 제1 추적마커를 기준으로 환자의 치아에 결합되며 정합용 스프린트에 설치되어 있는 제2 추적마커의 위치를 산출하여 제1 상하악 가상모델의 좌표와 정합시키는 단계, 그리고 제1 추적마커를 기준으로 환자의 치아에 결합되며 최종교합 스프린트에 설치되어 있는 제3 추적마커의 위치를 산출하여 제2 상하악 가상모델의 좌표와 정합시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 오차 출력 단계는 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력할 수 있다.
또한, 오차 출력 단계는 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력할 수 있다.
또한, 오차 출력 단계는 제1 기준점과 제2 기준점 사이의 오차가 미리 설정된 값 이하인 경우 제1 기준점과 제2 기준점을 동일한 색상으로 출력할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면 3D 가상모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 수술 결과를 미리 확인하고 수술 정확도 및 성공률을 향상시킬 수 있다. 또한, 고해상도 영상을 통해 수술 중 환자의 복합체 골편의 위치와 미리 설정되어 있는 목표 위치 사이의 오차를 고려하여 수술 진행 상황을 확인할 수 있고 수술 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수술 가이드 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 이미지이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 이미지이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 상하악 가상모델이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 기준점 설정 예시 화면이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 상하악 가상모델을 나타낸다.
도 7은 도 1의 수술 가이드 시스템을 이용한 수술 시뮬레이션 방법을 나타낸다.
도 8은 도 1의 수술 가이드 시스템을 이용한 수술 가이드 방법을 나타낸다.
도 9는 제1 실시예에 따른 오차 출력 화면이다.
도 10은 제2 실시예에 따른 오차 출력 화면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려진 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서, '제1 상하악 가상모델'은 환자의 수술 전 상하악 교합관계 및 치아 상태를 나타내는 3차원 가상모델이며, '제2 상하악 가상모델'은 의사에 의해 미리 계획된 환자의 수술 후 상하악 교합관계 및 치아 상태를 나타내는 3차원 가상모델을 의미한다.
본 명세서에서, '사용자'는 환자의 수술을 집도하는 의사를 의미한다.
아래에서는 설명의 편의를 위해 환자의 복합체 골편의 위치를 바로 잡는 수술 중 하나인 악교정 수술을 예로 들어 수술 가이드 시스템 및 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수술 가이드 시스템의 구성을 나타낸다.
도 1의 악교정 수술 가이드 시스템은 제1 가상모델 생성부(100), 수술 시뮬레이션부(200), 제2 가상모델 생성부(300), 저장부(400), 위치 추적부(500), 그리고 위치 출력부(600)를 포함한다.
제1 가상모델 생성부(100)는 환자의 상하악 교합 관계 및 치아 상태를 나타내는 제1 상하악 가상모델을 생성하며, 제1 이미지 생성부(110), 제2 이미지 생성부(120), 그리고 복합체 가상모델 생성부(130)를 포함한다.
제1 이미지 생성부(110)는 3D 스캐너를 이용하여 환자의 치아 표면에 대한 제1 이미지를 생성한다. 또한, 환자의 치아를 본 뜬 석고 모형을 3D 스캐너로 스캔하여 제1 이미지를 생성할 수 있다. 여기서, 제1 이미지는 치아의 크기, 배열 및 형상 등을 포함한다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 이미지이다.
도 2에서 보면, (a)는 환자의 윗니를 스캔한 이미지이며, (b)는 환자의 아랫니를 스캔한 이미지이고, (c)는 사용자(의사)의 입력에 따라 계획된 수술 후 윗니와 아랫니의 교합관계를 나타내는 모델이다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 제2 이미지 생성부(120)는 환자의 치아를 CT(Computed Tomography, 컴퓨터단층촬영) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상) 촬영하여 제2 이미지를 생성한다. 여기서, 제2 이미지는 환자가 착용하고 있는 치아 교정용 장치로 인한 금속 잡음을 포함하며 공간 해상도(spatial resolution)가 낮을 수 있다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 이미지이다.
도 3의 (a)는 환자의 상악과 윗니를 포함하는 CT 이미지이며, (b)는 환자의 하악과 아랫니를 포함하는 CT 이미지이다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 복합체 가상모델 생성부(130)는 제1 이미지와 제2 이미지를 포함하는 제1 상하악 가상모델을 생성한다.
본 발명의 실시예에 따른 복합체 가상모델 생성부(130)는 사용자의 입력에 기초하여 제1 이미지와 제2 이미지의 동일한 위치에 각각 대응점을 설정하고 대응점을 매칭시켜 1차 정합을 수행한다. 1차 정합 후 ICP(Iterative Closest Point) 방법으로 제1 이미지와 제2 이미지에 대한 2차 정합을 수행하여 제1 상하악 가상모델을 생성한다. 구체적으로, 윗니를 포함하는 도 2의 (a)와 상악과 윗니를 포함하는 도 3의 (a)에 대해 1차 정합 및 2차 정합을 수행하여 상악 가상모델을 생성하고, 아랫니를 포함하는 도 2의 (b)와 하악과 아랫니를 포함하는 도 3의 (b)에 대해 1차 정합 및 2차 정합을 수행하여 하악 가상모델을 생성한다. 이후, 상악 가상모델과 하악 가상모델을 결합하여 제1 상하악 가상모델을 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 상하악 가상모델이다.
도 4는 제1 이미지와 제2 이미지를 정합하여 생성된 제1 상하악 가상모델을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면 고해상도의 제1 이미지와 금속 잡음을 포함하는 제2 이미지를 정합함으로써 금속 잡음이 제거된 고해상도 제1 상하악 가상모델을 생성할 수 있다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 수술 시뮬레이션부(200)는 제1 상하악 가상모델에 기준점을 설정하고 사용자의 입력에 기초하여 설정된 기준점을 중심으로 제1 상하악 가상모델의 이동을 시뮬레이션한다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 기준점 설정 예시 화면이다.
도 5는 복합체 가상모델 생성부(130)를 통해 생성된 상악 가상모델의 치아 표면에 기준점을 설정하는 화면이다. 도 5에서는 상악 가상모델에 기준점을 설정하는 화면을 도시하고 있으나, 복합체 가상모델 생성부(130)를 통해 생성된 하악 가상모델의 치아 표면에도 기준점을 설정할 수 있다. 여기서, 기준점은 미리 저장되어 있는 좌표값에 따라 설정하거나, 사용자 입력에 따라 설정할 수 있다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 본 발명의 실시예에 따른 수술 시뮬레이션부(200)는 도 5와 같이 설정된 기준점을 중심으로 사용자의 입력에 따라 제1 상하악 가상모델의 상악 가상모델과 하악 가상모델의 평행 이동 및 회전 이동을 시뮬레이션한다.
제2 가상모델 생성부(300)는 상악 가상모델과 하악 가상모델의 평행 이동 및 회전 이동 결과를 저장부(400)에 저장하고, 수술 계획 결과에 대응하는 제2 상하악 가상모델을 생성하여 저장부(400)에 저장한다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 상하악 가상모델을 나타낸다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 위치 추적부(500)는 수술 시뮬레이션부(200)에서 설정된 기준점에 기초하여 환자의 실제 상하악 좌표와 제1 상하악 모델 좌표의 정합한 후 수술 중 환자의 실제 상하악 위치를 추적한다. 본 발명의 실시예에 따른 위치 추적부(500)는 환자의 두개골과 치아에 부착되어 있는 추적 마커를 바탕으로 환자의 상하악 초기 좌표를 설정하고 수술 중 환자의 상하악 이동 좌표를 추적한다.
위치 출력부(600)는 위치 추적부(500)를 통해 획득한 환자의 상하악 복합체의 현재 위치를 출력하고, 환자의 상하악 복합체에 포함되어 있는 기준점들의 위치와 제2 상하악 가상모델의 기준점들의 위치를 비교한 후 오차를 정량화하여 출력한다.
도 7은 도 1의 수술 가이드 시스템을 이용한 수술 시뮬레이션 방법을 나타낸다.
먼저, 제1 이미지 생성부(110)를 통해 환자의 치아 모형을 3D 스캔하여 제1 이미지를 생성한다(S10).
이후, 제2 이미지 생성부(120)를 통해 환자의 치아를 CT(Computed Tomography, 컴퓨터단층촬영) 촬영하여 제2 이미지 생성한다(S20).
이후, 복합체 가상모델 생성부(130)를 통해 제1 이미지와 제2 이미지를 정합하여 제1 상하악 가상모델을 생성한다(S30). S30 단계에서는 제1 이미지의 상악 가상모델과 하악 가상모델 및 제2 이미지의 상악 가상모델과 하악 가상모델의 동일한 위치에 대응점을 설정한 후 대응점을 매칭시켜 제1 상하악 가상모델을 생성할 수 있다.
이후, 수술 시뮬레이션부(200)를 통해 S30 단계에서 생성된 제1 상하악 가상모델에 하나 이상의 기준점을 설정하고(S40), 사용자로부터 평행 이동 및 회전 이동 좌표값이 수신되는 경우 수신된 좌표값에 따라 설정된 기준점을 중심으로 S30 단계에서 생성된 제1 상하악 가상모델의 이동을 시뮬레이션한다(S50, S60). S60 단계에서는 제1 상하악 가상모델의 상악 가상모델과 하악 가상모델 각각의 이동을 시뮬레이션할 수 있다.
이후, 제2 가상모델 생성부(300)를 통해 S60 단계의 상악 가상모델과 하악 가상모델의 평행 이동 및 회전 이동 결과를 저장하고, 수술 계획 결과로 확정된 제2 상하악 가상모델을 생성한다(S70). S70 단계에서는 평행 이동 및 회전 이동 결과와 제2 상하악 가상모델을 저장부(400)에 저장한다.
도 8은 도 1의 수술 가이드 시스템을 이용한 수술 가이드 방법을 나타낸다.
먼저, 위치 추적부(500)를 통해 수술 전 환자의 상하악에 대한 물리적 좌표와 제1 상하악 가상모델의 좌표를 정합한다(S110). 구체적으로, 환자의 두개골에 제1 추적마커를 부착하고 제2 추적마커가 부착된 정합용 치아 스프린트를 환자의 치아에 결합시킨 후, 제1 추적마커에 대한 제2 추적마커의 위치를 산출하여 제1 상하악 가상모델에 정합시킨다. 이후, 제2 추적마커가 부착된 정합용 치아 스프린트를 제거하고 제3 추적마커가 부착된 최종교합 치아 스프린트를 환자의 치아에 결합시킨 후, 제1 추적마커에 대한 제3 추적마커의 위치를 산출하여 제2 상하악 가상모델에 정합시킨다. 이후, 제3 추적마커가 부착된 최종교합 치아 스프린트를 제거한다. 여기서, 정합용 치아 스프린트는 제1 상하악 가상모델을 기준으로 제작된 기구이며, 최종교합 치아 스프린트는 제2 상하악 가상모델을 기준으로 제작된 기구이다.
이후, 의사에 의한 Le fort I(상악수술) 및 SSRO와 같은 골절제술 진행 후(120), 환자의 치아에 제3 추적마커가 부착된 최종교합 치아 스프린트를 결합하고 제1 추적마커와 제3 추적마커를 바탕으로 환자의 상하악 복합체의 현재 위치를 산출한다(S130). S130 단계에서는 아래 수학식 1을 이용하여 현재 위치를 산출할 수 있다.
Figure 112016075988660-pat00001
여기서, TMMC _ physical는 제3 추적마커의 현재 위치이고, Tref _ physical는 제1 추적마커의 현재 위치이며, TMMC _ init는 제3 추적마커의 초기 위치이고, Tref _ init는 제1 추적마커의 초기 위치이다.
이후, S130 단계에서 산출된 환자의 상하악 복합체의 현재 위치와 S110 단계에서 정합된 제2 상하악 가상모델을 비교한 결과를 출력한다(S140). S140 단계에서는 수술 전 시뮬레이션된 상하악 복합체의 최종 위치와 수술 중 상하악 복합체의 현재 위치를 동시에 출력할 수 있다.
도 9는 제1 실시예에 따른 오차 출력 화면이다.
도 9에서 보면, 도 8의 S140 단계에서는 수술 중 상하악 복합체의 기준점과 제2 상하악 가상모델의 기준점을 동시에 출력한다. 이때, 수술 중 상하악 복합체의 기준점과 제2 상하악 가상모델의 기준점은 서로 다른 색으로 표현할 수 있다. 또한, 수술 중 상하악 복합체의 기준점 중의 하나인 제1 기준점과 이에 대응하는 제2 상하악 가상모델의 기준점 중의 하나인 제2 기준점의 오차를 정량화하여 출력할 수 있다.
도 10은 제2 실시예에 따른 오차 출력 화면이다.
도 10에서 보면, 제1 기준점과 제2 기준점의 오차가 미리 설정된 값 이하인 경우 제1 기준점과 제2 기준점을 동일한 색으로 출력한다. 이로 인해, 의사는 환자의 상하악 복합체의 현재 위치가 미리 계획한 제2 상하악 가상모델의 위치를 만족하는 것으로 판단하고 추가 골절제술이 필요한 부분 또는 수술 종료를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 수술 중 환자의 실제 상하악 복합체의 위치를 가상모델을 통해 3차원 영상으로 출력하고 미리 계획된 가상모델과 비교한 결과를 출력할 수 있다. 이로 인해, 사용자는 환자의 실제 상하악 복합체의 현재 위치와 수술 진행 상황 및 실제 상하악 복합체와 미리 계획된 상하악 복합체의 오차를 정성적 및 정량적으로 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 수술장에서 측정하기 어려운 해부학적 기준점을 미리 설정하고 치아 이외의 다른 부분(물리적 접근이 불가능한 부분)에 기준점을 설정하여 수술을 가이드할 수 있으며, 수술 중 피부에 의해 가려진 골편의 위치를 3D 영상을 통해 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가이드 시스템 및 방법은 성형외과 및 정형외과 분야에서 복합체 골편의 위치를 바로 잡는 수술을 진행하는 경우 활용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가이드 방법은 장치에 설치되거나 사용자에 의해 직접 설치된 프로그램으로 구현되어 컴퓨터에 의해 읽힐 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 데스크탑, 노트북, 스마트폰, 태블릿 PC, PDA(개인정보단말기), 이동통신장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 미디어 저장장치 등을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
100 : 제1 가상모델 생성부
110 : 제1 이미지 생성부
120 : 제2 이미지 생성부
130 : 복합체 가상모델 생성부
200 : 수술 시뮬레이션부
300 : 제2 가상모델 생성부
400 : 저장부
500 : 위치 추적부
600 : 위치 출력부

Claims (16)

  1. 수술 전 환자의 제1 골편에 대응하는 제1 골편 가상모델, 수술 전 환자의 제2 골편에 대응하는 제2 골편 가상모델 및 상기 제1 골편 가상모델과 상기 제2 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제1 가상모델을 생성하는 제1 가상모델 생성부,
    사용자의 입력에 기초하여 상기 제1 골편 가상모델이 변형된 제3 골편 가상모델, 상기 제2 골편 가상모델이 변형된 제4 골편 가상모델 및 상기 제3 골편 가상모델과 상기 제4 골편 가상모델의 결합 관계를 포함하는 제2 가상모델을 생성하는 제2 가상모델 생성부,
    상기 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 실제 좌표와 상기 제1 가상모델의 좌표를 정합하여 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체의 위치를 추적하는 위치 추적부, 그리고
    상기 복합체의 실제 좌표가 정합되어 있는 상기 제1 가상모델의 좌표와 상기 제2 가상모델의 좌표를 정합한 결과에 기초하여 수술 중 상기 제1 가상모델과 상기 제2 가상모델의 오차를 출력하는 위치 출력부
    를 포함하는 수술 가이드 시스템.
  2. 제1항에서,
    사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 상기 제1 골편 가상모델과 상기 제2 골편 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 수술 시뮬레이션부를 더 포함하는 수술 가이드 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 위치 출력부는 상기 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체에 대응하는 제1 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력하는 수술 가이드 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 위치 출력부는 상기 수술 중 환자의 제1 골편과 제2 골편을 포함하는 복합체에 대응하는 제1 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력하는 수술 가이드 시스템.
  5. 수술 전 환자의 상악에 대응하는 제1 상악 가상모델, 수술 전 환자의 하악에 대응하는 제1 하악 가상모델 및 상기 제1 상악 가상모델과 상기 제1 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제1 상하악 가상모델을 생성하는 제1 가상모델 생성부,
    사용자의 입력에 기초하여 상기 제1 상악 가상모델이 변형된 제2 상악 가상모델, 상기 제1 하악 가상모델이 변형된 제2 하악 가상모델 및 상기 제2 상악 가상모델과 상기 제2 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제2 상하악 가상모델을 생성하는 제2 가상모델 생성부,
    상기 환자의 상하악 복합체의 실제 좌표와 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표를 정합하여 수술 중 환자의 상하악 복합체의 위치를 추적하는 위치 추적부, 그리고
    상기 상하악 복합체의 실제 좌표가 정합되어 있는 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표와 상기 제2 상하학 가상모델의 좌표를 정합한 결과에 상기 수술 중 상기 제1 상하악 가상모델과 상기 제2 상하악 가상모델의 오차를 출력하는 위치 출력부
    를 포함하는 수술 가이드 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 가상모델 생성부는,
    상기 환자의 치아 또는 치아 모형의 표면을 3D 스캔하여 제1 이미지를 생성하는 제1 이미지 생성부,
    상기 환자의 치아를 CT(Computed Tomography) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 이미지 생성부, 그리고
    상기 제1 이미지와 상기 제2 이미지를 정합하여 제1 상하악 가상모델을 생성하는 복합체 가상모델 생성부를 포함하는 수술 가이드 시스템.
  7. 제5항에서,
    사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 상기 제1 상악 가상모델과 상기 제1 하악 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 수술 시뮬레이션부를 더 포함하는 수술 가이드 시스템.
  8. 제5항에서,
    상기 위치 출력부는 상기 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력하는 수술 가이드 시스템.
  9. 제5항에서,
    상기 위치 출력부는 상기 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력하는 수술 가이드 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 위치 출력부는 상기 제1 기준점과 상기 제2 기준점 사이의 오차가 미리 설정된 값 이하인 경우 상기 제1 기준점과 상기 제2 기준점을 동일한 색상으로 출력하는 수술 가이드 시스템.
  11. 수술 전 환자의 상악에 대응하는 제1 상악 가상모델, 수술 전 환자의 하악에 대응하는 제1 하악 가상모델 및 상기 제1 상악 가상모델과 상기 제1 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제1 상하악 가상모델을 생성하는 단계,
    상기 제1 상악 가상모델이 변형된 제2 상악 가상모델, 상기 제1 하악 가상모델이 변형된 제2 하악 가상모델 및 상기 제2 상악 가상모델과 상기 제2 하악 가상모델의 교합 관계를 포함하는 제2 상하악 가상모델을 생성하는 단계,
    상기 상하악 복합체의 실제 좌표와 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표를 정합하여 수술 중 상기 상하악 복합체의 위치를 추적하는 단계, 그리고
    상기 상하악 복합체의 실제 좌표가 정합되어 있는 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표와 상기 제2 상하악 가상모델의 좌표를 정합한 결과에 기초하여 상기 수술 중 상기 제1 상하악 가상모델과 상기 제2 상하악 가상모델의 오차를 출력하는 단계
    를 포함하는 수술 가이드 방법.
  12. 제11항에서,
    사용자로부터 입력되는 값에 기초하여 미리 설정되어 있는 기준점을 중심으로 상기 제1 상악 가상모델과 상기 제1 하악 가상모델의 이동 및 변형을 시뮬레이션하는 단계를 더 포함하는 수술 가이드 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 위치 추적 단계는,
    상기 환자의 두개골에 설치되어 있는 제1 추적마커를 기준으로 상기 환자의 치아에 결합되며 정합용 스프린트에 설치되어 있는 제2 추적마커의 위치를 산출하여 상기 상하악 복합체의 실제 좌표와 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표를 정합시키며,
    상기 오차 출력 단계는,
    상기 제1 추적마커를 기준으로 상기 환자의 치아에 결합되며 최종교합 스프린트에 설치되어 있는 제3 추적마커의 위치를 산출하여 상기 제1 상하악 가상모델의 좌표와 상기 제2 상하악 가상모델의 좌표를 정합시키는 수술 가이드 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 오차 출력 단계는 상기 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점 사이의 오차를 수치화하여 출력하는 수술 가이드 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 오차 출력 단계는 상기 수술 중 환자의 상하악 복합체에 대응하는 제1 상하악 가상모델의 제1 기준점과 상기 제1 기준점과 동일한 좌표를 갖는 상기 제2 상하악 가상모델의 제2 기준점을 서로 다른 색상으로 출력하는 수술 가이드 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 오차 출력 단계는 상기 제1 기준점과 상기 제2 기준점 사이의 오차가 미리 설정된 값 이하인 경우 상기 제1 기준점과 상기 제2 기준점을 동일한 색상으로 출력하는 수술 가이드 방법.
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