KR101961682B1 - 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법 - Google Patents

골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계; 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 단계; 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출하는 단계; 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 제 3 기준 좌표계를 설정하고, 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈에 대해 제 4 기준 좌표계를 설정하는 단계; 및 제 3 기준 좌표계와 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 방법이 개시된다.

Description

골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법{NAVIGATION APPARATUS AND METHOD FOR FRACTURE CORRECTION}
본 발명은 의료 시술을 위한 내비게이션 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 골절 교정 시술을 위한 내비게이션 장치 및 방법에 관한 것이다.
기존의 골절 교정 및 골절 변형에 있어서 수술 내비게이션 장치는 수술 전(preoperative) 영상과 수술 중(intraoperative) 영상을 이용하여 수술 계획상의 목표점 또는 수술 경로 등의 수술 정보를 전달하는 역할을 수행한다. 이때 일반적으로 수술 전 영상은 CT 영상과 같은 3D 이미지가 사용되고, 수술 중 영상은 X-ray 영상과 같은 2D 이미지가 사용된다. 수술 내비게이션 장치는 수술 전 영상에 수술 도구의 위치와 더불어 수술 계획 정보를 포함한 실시간의 수술 중 정보를 중첩하여 통합된 정보를 사용자에게 전달해 준다.
그러나, 기존의 수술 내비게이션 장치를 사용하기 위해서는 수술 전 영상을 위해 환자에게 CT 촬영을 요구하기 때문에 많은 방사선 노출과 비용 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법은 환자에 대한 방사선 피폭량을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법은 골절 교정 시술의 정확성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 방법은,
소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계; 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 단계; 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출하는 단계; 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 제 3 기준 좌표계를 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈에 대해 제 4 기준 좌표계를 설정하는 단계; 및 상기 제 3 기준 좌표계와 상기 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계는, 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 복수의 2D 이미지 각각을 상기 표준 3D 이미지에 정합하는 단계; 상기 표준 3D 이미지로부터 생성되는 가상의 2D 이미지가 상기 복수의 2D 이미지 각각에 대응하도록 상기 표준 3D 이미지를 변형하는 단계; 및 상기 변형된 표준 3D 이미지의 각 복셀 값들을 보외법을 통해 보정하여 상기 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 단계는, 상기 제 1 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈를 기준으로 제 2 부분 뼈의 위치 및 회전 정도 중 적어도 하나를 변형시키면서 상기 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지에 정합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변환 관계(C)를 추출하는 단계는, 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에서 제 1 특징점들을 추출하는 단계; 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈 및 제 2 부분 뼈에서 제 2 특징점들을 추출하는 단계; 상기 제 1 특징점들과 상기 제 2 특징점들을 매핑시켜 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계와 상기 제 1 기준 좌표계 사이의 변환 관계(A) 및 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계와 상기 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(B)를 산출하는 단계; 및 상기 변환 관계(A) 및 상기 변환 관계(B)를 이용하여 상기 변환 관계(C)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 3 기준 좌표계를 설정하는 단계는, 소정의 기준 축이 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈의 중심 축과 평행하는 제 3 기준 좌표계를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 교정 목표치를 산출하는 단계는, 상기 제 3 기준 좌표계의 소정의 기준축과 상기 제 4 기준 좌표계의 소정의 기준축이 서로 동일한 방향으로 정렬하도록 상기 제 2 부분 뼈를 이동시킬 때의 앵귤레이션(angulation) 각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 교정 목표치를 산출하는 단계는, 상기 제 3 기준 좌표계와 제 4 기준 좌표계에서 상기 소정의 기준축 이외의 축들이 서로 일치하도록 상기 제 2 부분 뼈를 회전시킬 때의 로테이션(rotation) 각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 교정 목표치를 산출하는 단계는, 상기 제 3 기준 좌표계에서의 기준점과 제 4 기준 좌표계에서 기준점 사이의 상기 소정 기준축 상의 거리(length)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내비게이션 방법은, 상기 앵귤레이션 각, 상기 로테이션 각 및 상기 거리 중 적어도 하나를 디스플레이에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 내비게이션 장치는,
소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하고, 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 이미지 처리부; 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출하는 변환 관계 산출부; 및 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 제 3 기준 좌표계를 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈에 대해 제 4 기준 좌표계를 설정하고, 상기 제 3 기준 좌표계와 상기 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 교정 목표치 산출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법은 환자에 대한 방사선 피폭량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법은 골절 교정 시술의 정확성을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 교정을 위한 내비게이션 장치 및 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치가 사용되는 환경을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 표준 3D 이미지로부터 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제 1 변형 3D 이미지로부터 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈의 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈의 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제 1 변형 3D 이미지에 기준 좌표계를 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제 2 변형 3D 이미지에서 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 디스플레이에 표시된 교정 목표치를 도시하는 예시적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부(유닛)', '모듈' 등으로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치(100)가 사용되는 환경을 도시하는 예시적인 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치(100)는 범용의 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 통신 기능, 이미지 처리 기능 및 디스플레이 기능을 포함할 수 있다. 또한, 내비게이션 장치(100)는 메모리, 디스플레이 및 제어부를 포함할 수 있으며, 메모리와 제어부는 적어도 하나의 프로세서로 구현되어 메모리에 저장된 프로그램에 따라 동작할 수 있다.
내비게이션 장치(100)는 2D 이미징 장치(200)에 의해 촬영되는 환자(10)의 2D 이미지를 2D 이미징 장치(200)로부터 수신하거나, 기타, 별도의 서버로부터 수신할 수 있다. 상기 2D 이미징 장치(200)는 엑스선 장치를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 환자(10)의 2차원의 영상을 얻을 수 있다면 다른 장치가 적용될 수 있다.
환자(10)는 2D 이미징 장치(200), 예를 들어, C 암(c-arm) 타입의 엑스선 장치의 이미징 영역, 즉, 엑스선 소스(210)와 디텍터(250) 사이에서 엑스선 촬영을 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 내비게이션 장치는 시술이 진행되기 전에 환자(10)에 대한 3D 촬영을 요구하기 때문에 치료비의 증가와 환자(10)에게 가해지는 피폭량이 현저하다는 문제점이 있었는데, 본 발명의 일 실시예에서는 표준 3D 이미지를 이용하여 환자 맞춤형 3D 이미지를 생성하므로, 환자(10)에 대한 피폭량을 대폭 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
S210 단계에서, 내비게이션 장치(100)는 소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자(10)의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성한다.
표준 3D 이미지는 여러 사람들의 뼈에 대한 2D 이미지, 3D 이미지 등으로부터 생성된 것으로서, 예를 들어, 표준 3D 이미지는 여러 사람의 뼈의 평균 3D 모델 (SSM: Statistical Shape Model)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 변형 3D 이미지는 환자(10)의 골절되지 않은 뼈에 대한 환자 맞춤형 3D 이미지로서, 예를 들어, 환자(10)의 우측 다리의 뼈에 골절이 발생한 경우, 골절이 되지 않은 좌측 다리의 뼈에 대한 환자 맞춤형 3D 이미지를 나타낸다.
도 3은 표준 3D 이미지(310)로부터 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3을 참조하면, 내비게이션 장치(100)는 환자(10)의 골절되지 않은 뼈의 2D 이미지(330)들과 표준 뼈의 표준 3D 이미지(310)를 정합하여 표준 3D 이미지(310)를 변형할 수 있다. 구체적으로, 내비게이션 장치(100)는 환자(10)의 복수의 2D 이미지(330)들 각각을 표준 3D 이미지(310)에 정합시키고, 정합된 상태에서 표준 3D 이미지(310)를 투영하여 생성된 가상의 2D 이미지가 환자(10)의 2D 이미지(330)에 대응되도록 표준 3D 이미지(310)의 뼈의 형상을 변형할 수 있다. 예를 들어, 환자(10)의 어느 하나의 2D 이미지(330)를 특정 방향에서 바라본 표준 3D 이미지(310)에 정합시키고, 상기 특정 방향으로부터 투영된 가상의 2D 이미지의 뼈가 상기 환자(10)의 어느 하나의 2D 이미지(330)의 뼈와 동일해지도록 표준 3D 이미지(310)의 각 복셀 값을 변경할 수 있는 것이다.
이와 같이, 내비게이션 장치(100)는 복수의 2D 이미지(330) 각각을 표준 3D 이미지(310)에 정합시켜가면서 표준 3D 이미지(310)를 변형한 후, 변형된 표준 3D 이미지의 각 복셀 값들을 보외법을 통해 보정하여 상기 제 1 변형 3D 이미지를 생성할 수 있다.
다음으로, S220 단계에서, 내비게이션 장치(100)는 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자(10)의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성한다.
제 1 변형 3D 이미지는 환자(10)의 골절되지 않은 뼈에 대한 환자 맞춤형 3D 이미지이므로, 이를 변형하여 환자(10)의 골절된 뼈에 대한 환자 맞춤형 3D 이미지인 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 것이다.
도 4는 제 1 변형 3D 이미지(410)로부터 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 내비게이션 장치(100)는 우선 제 1 변형 3D 이미지(410)에 포함된 뼈를 제 1 부분 뼈(412)와 제 2 부분 뼈(414)로 분할한다. 다음으로, 제 1 부분 뼈(412)를 기준으로 제 2 부분 뼈(414)의 위치 및/또는 회전 정도를 변형하면서, 환자(10)의 골절된 뼈에 대하여 촬영된 2D 이미지(420)에 정합한다. 내비게이션 장치(100)는 제 2 부분 뼈(414)의 위치 및/또는 회전 정도를 변형하는 동안 소정 기준을 만족하는 정합 값이 도출된 경우, 해당 상태의 제 1 변형 3D 이미지를 제 2 변형 3D 이미지로 획득할 수 있다.
S230 단계에서, 내비게이션 장치(100)는 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출한다. 제 1 기준 좌표계 및 제 2 기준 좌표계 각각은 제 1 부분 뼈 및 제 2 부분 뼈에 대해 임의로 설정될 수 있다. 내비게이션 장치(100)는 제 1 변형 3D 이미지에서 추출되는 제 1 특징점들과 제 2 변형 3D 이미지에서 추출되는 제 2 특징점들을 이용하여 변환 관계(C)를 추출할 수 있다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 제 1 변형 3D 이미지(410)에 포함된 뼈에 대해 기준 좌표계(a)가 설정되고, 제 2 변형 3D 이미지(510)에 포함된 제 1 부분 뼈(512)에 대해 제 1 기준 좌표계(b)가 설정되고, 제 2 변형 3D 이미지(510)에 포함된 제 2 부분 뼈(514)에 대해 제 2 기준 좌표계(c)가 설정된다. 내비게이션 장치(100)는 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에서 제 1 특징점(412)들을 추출하고, 제 2 변형 3D 이미지(510)에 포함된 제 1 부분 뼈(512) 및 제 2 부분 뼈(514)에 대해 제 2 특징점(515)들을 추출한다. 제 1 변형 3D 이미지(410)와 제 2 변형 3D 이미지(510)는 모두 환자 맞춤형 이미지이므로, 제 1 특징점(412)들과 제 2 특징점(515)들은 서로 매핑된 관계에 해당할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에서 추출된 제 1 특징점(412)의 일부는 제 1 부분 뼈(512)에서 추출된 제 2 특징점(515)과 대응하므로, 기준 좌표계(a)를 기준으로 한 제 1 특징점(412)의 좌표와 제 1 기준 좌표계(b)를 기준으로 한 제 2 특징점(515)의 좌표를 이용하여 기준 좌표계(a)와 제 1 기준 좌표계(b) 사이의 변환 관계(A)를 산출할 수 있다. 서로 다른 기준 좌표계를 갖는 두 개의 영상에서 서로 대응하는 지점의 좌표 정보를 이용하여, 두 기준 좌표계 사이의 변환 관계(또는 변환 매트릭스)를 산출하는 것은 당업계에 자명한 사항인바 상세한 설명은 생략한다.
마찬가지로, 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에서 추출된 제 1 특징점(412)의 일부는 제 2 부분 뼈(514)에서 추출된 제 2 특징점(515)과 대응하므로, 기준 좌표계(a)를 기준으로 한 제 1 특징점(412)의 좌표와 제 2 기준 좌표계(c)를 기준으로 한 제 2 특징점(515)의 좌표를 이용하여 기준 좌표계(a)와 제 2 기준 좌표계(c) 사이의 변환 관계(B)를 산출할 수 있다. 이후, 내비게이션 장치(100)는 변환 관계(A)와 변환 관계(B)를 통해 제 1 기준 좌표계(b)와 제 2 기준 좌표계(c) 사이의 변환 관계(C)를 산출할 수 있다.
다시 도 2를 보면, S240 단계에서, 내비게이션 장치(100)는 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 제 3 기준 좌표계를 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈에 대해 제 4 기준 좌표계를 설정한다.
도 6을 참조하면, 기준 축(예를 들어, z축)이 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈의 중심축(415)에 평행하는 기준 좌표계를 임의로 설정할 수 있는데, 내비게이션 장치(100)는 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계를 제 2 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈에 대한 제 3 기준 좌표계로 설정할 수 있다. 구현예에 따라서는, 제 2 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈의 중심축에 평행하는 기준 축을 갖는 제 3 기준 좌표계를 제 1 부분 뼈에 대해 설정할 수도 있다. 상기 뼈에 대한 중심축은 당업계에 자명한 범위 내에서 다양한 방법으로 식별될 수 있다.
내비게이션 장치(100)는 제 1 기준 좌표계와 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 알고 있으므로, 제 3 기준 좌표계에 변환 관계(C)를 적용하여 제 2 부분 뼈에 대한 제 4 기준 좌표계를 설정할 수 있다.
S250 단계에서, 내비게이션 장치(100)는 제 3 기준 좌표계와 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출한다.
교정 목표치는 예를 들어, 제 2 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈와 제 2 부분 뼈 사이의 앵귤레이션(angulation) 각, 로테이션(rotation) 각 및 거리(length) 중 적어도 하나를 포함할 수 있는데, 이들을 산출하는 방법에 대해서는 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 최초 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에 대해 기준 좌표계(d)가 설정되는 과정을 도시하고 있다(①). 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈의 중심축에 평행하는 기준축을 갖는 기준 좌표계(d)가 설정될 수 있다.
다음으로, 제 1 변형 3D 이미지(410)의 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계(d)와 동일한 기준 좌표계가 제 2 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈(512)의 제 3 기준 좌표계(e)로 설정되고, 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈(514)의 제 4 기준 좌표계(f)가 설정된다(②). 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축은 제 1 부분 뼈(512)의 중심 축에 평행할 수 있다.
다음으로, 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축(예를 들어, z축)과 제 4 기준 좌표계(f)의 기준 축(예를 들어, z축)이 서로 동일한 방향으로 정렬하도록 (기준축의 방향 벡터가 동일하도록) 제 2 부분 뼈(514)를 이동시킨다(③, ④). 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축과 제 4 기준 좌표계(f)의 기준 축이 정렬해질 동안 제 2 부분 뼈(514)가 회전한 각은 앵귤레이션 각이 될 수 있다.
다음으로, 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축 이외의 축들과 제 4 기준 좌표계(f)의 기준 축 이외의 축들이 각각 서로 일치하도록 제 2 부분 뼈(514)를 회전 시킨다(⑤). 예를 들어, 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축 이외의 축들과 제 4 기준 좌표계(f)의 기준 축 이외의 축들이 각각 서로 일치하도록 기준 축을 중심으로 제 2 부분 뼈(514)를 회전 시킬 수 있다. 제 3 기준 좌표계(e)의 기준 축 이외의 축들과 제 4 기준 좌표계(f)의 기준 축 이외의 축들 각각이 일치해질 동안 제 2 부분 뼈(514)가 회전한 각은 로테이션 각이 될 수 있다.
다음으로, 제 3 기준 좌표계(e)에서의 기준점(예를 들어, 제 1 부분 뼈(512)에 포함된 임의의 특징점)과 제 4 기준 좌표계(f)에서 기준점(예를 들어, 제 2 부분 뼈(514)에 포함된 임의의 특징점) 사이의 상기 소정 기준축 상의 거리(length)를 산출한다. 예를 들어, 제 3 기준 좌표계(e)에서의 기준점이 원점이고, 제 4 기준 좌표계(f)에서의 기준점이 원점인 경우, 제 3 기준 좌표계(e)의 원점과 제 4 기준 좌표계(f)의 원점 사이의 소정 기준축 상의 거리가 산출될 수 있는 것이다.
다음으로, 내비게이션 장치(100)는 도 8에 도시된 바와 같이, 산출된 교정 목표치 중 적어도 하나를 디스플레이(800)에 표시하여 의료진으로 하여금 골절 시술을 위해 부분 뼈를 어떻게 교정하여야 할지를 쉽게 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 장치(100)는 메모리(910), 이미지 처리부(930), 변환 관계 산출부(950) 및 교정 목표치 산출부(970)를 포함할 수 있다. 메모리(910), 이미지 처리부(930), 변환 관계 산출부(950) 및 교정 목표치 산출부(970)는 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있으며, 메모리(910)에 저장된 프로그램에 따라 동작할 수 있다.
메모리(910)는 여러 사람들의 뼈의 이미지 등으로부터 생성된 표준 3D 이미지를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(910)는 환자(10)의 골절된 뼈 및 골절되지 않은 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지를 저장할 수 있다.
이미지 처리부(930)는 소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자(10)의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하고, 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자(10)의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성한다.
변환 관계 산출부(950)는 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 산출한다.
교정 목표치 산출부(970)는 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 제 3 기준 좌표계를 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 제 2 부분 뼈에 대해 제 4 기준 좌표계를 설정하고, 제 3 기준 좌표계와 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출한다.
교정 목표치 산출부(970)는 상기 산출된 교정 목표치를 디스플레이를 통해 표시할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 작성된 프로그램은 매체에 저장될 수 있다.
상기 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 내비게이션 장치
200: 2D 이미징 장치
910: 메모리
930: 이미지 처리부
950: 변환 관계 산출부
970: 교정 목표치 산출부

Claims (10)

  1. 소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계;
    상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 단계;
    상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출하는 단계;
    소정의 기준축을 설정한 후, 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 상기 기준축을 기준으로 하는 제 3 기준좌표계를 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 2 부분 뼈에 대해 상기 기준축을 기준으로 하는 제 4 기준 좌표계를 설정하는 단계; 및
    상기 제 3 기준 좌표계와 상기 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 골절 교정 내비게이션 장치에 의한 내비게이션 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계는,
    환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 복수의 2D 이미지 각각을 상기 표준 3D 이미지에 정합하는 단계;
    상기 표준 3D 이미지로부터 생성되는 가상의 2D 이미지가 상기 복수의 2D 이미지 각각에 대응하도록 상기 표준 3D 이미지를 변형하는 단계; 및
    상기 변형된 표준 3D 이미지의 각 복셀 값들을 보외법을 통해 보정하여 상기 제 1 변형 3D 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 단계는,
    상기 제 1 변형 3D 이미지의 제 1 부분 뼈를 기준으로 제 2 부분 뼈의 위치 및 회전 정도 중 적어도 하나를 변형시키면서 상기 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지에 정합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변환 관계(C)를 추출하는 단계는,
    상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에서 제 1 특징점들을 추출하는 단계;
    상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈 및 제 2 부분 뼈에서 제 2 특징점들을 추출하는 단계;
    상기 제 1 특징점들과 상기 제 2 특징점들을 매핑시켜 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계와 상기 제 1 기준 좌표계 사이의 변환 관계(A) 및 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈에 대해 설정된 기준 좌표계와 상기 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(B)를 산출하는 단계; 및
    상기 변환 관계(A) 및 상기 변환 관계(B)를 이용하여 상기 변환 관계(C)를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기준축은
    상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈의 중심 축과 평행하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 교정 목표치를 산출하는 단계는,
    상기 제 3 기준 좌표계의 소정의 기준축과 상기 제 4 기준 좌표계의 소정의 기준축이 서로 동일한 방향으로 정렬하도록 상기 제 2 부분 뼈를 이동시킬 때의 앵귤레이션(angulation) 각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교정 목표치를 산출하는 단계는,
    상기 제 3 기준 좌표계와 제 4 기준 좌표계에서 상기 소정의 기준축 이외의 축들이 서로 일치하도록 상기 제 2 부분 뼈를 회전시킬 때의 로테이션(rotation) 각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 교정 목표치를 산출하는 단계는,
    상기 제 3 기준 좌표계에서의 기준점과 제 4 기준 좌표계에서 기준점 사이의 상기 소정의 기준축 상의 거리(length)를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내비게이션 방법은,
    상기 앵귤레이션 각, 상기 로테이션 각 및 상기 거리 중 적어도 하나를 디스플레이에 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 방법.
  10. 소정의 뼈에 대한 표준 3D 이미지로부터 환자의 골절되지 않은 뼈에 대한 제 1 변형 3D 이미지를 생성하고, 상기 제 1 변형 3D 이미지에 포함된 뼈를 2개의 부분으로 나눈 후, 이를 환자의 골절된 뼈에 대해 촬영된 2D 이미지와 대비시켜 제 2 변형 3D 이미지를 생성하는 이미지 처리부;
    상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 설정된 제 1 기준 좌표계와 제 2 부분 뼈에 대해 설정된 제 2 기준 좌표계 사이의 변환 관계(C)를 추출하는 변환 관계 산출부; 및
    소정의 기준축을 설정한 후, 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 1 부분 뼈에 대해 상기 기준축을 기준으로 하는 제 3 기준좌표계로 설정하고, 상기 추출된 변환 관계(C)에 기초하여 상기 제 2 변형 3D 이미지에 포함된 제 2 부분 뼈에 대해 상기 기준축을 기준으로 하는 제 4 기준 좌표계를 설정하며, 상기 제 3 기준 좌표계와 상기 제 4 기준 좌표계 사이의 위치 관계에 기초하여 상기 골절된 뼈의 교정 목표치를 산출하는 교정 목표치 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 교정 내비게이션 장치.
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