KR102477758B1 - 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터 보조 수술을 이용한 인공무릎관절 전치환술의 수술 계획 설계 방법에 관한 것으로서, 컴퓨터 보조 수술법을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 대퇴골의 전방부 파임 현상이나 시상면측에서의 과신전되는 문제를 개선할 수 있는 하는 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계방법을 제공한다. 본 발명에 따른 컴퓨터 보조 수술을 이용한 인공무릎관절 전치환술에서 시상면 측상 과신전되는 문제를 방지하는 수술 계획 설계 방법은, 컴퓨터단층촬영 영상을 기반으로 수술 대상 환자의 대퇴골을 3D 이미지로 모델링하는 단계와; 대퇴골 3D 모델을 기반으로 대퇴골의 해부학적 특징들을 지정하는 단계와; 대퇴골의 해부학적 특징들을 기반으로 대퇴골의 기준 해부학적축과, 기준 역학적축을 생성하는 단계와; 대퇴골의 시상면 측에서 상기 기준 역학적축을 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 따른 굴곡각도만큼 회전시켜 신규 역학적축으로 재생성하는 단계와; 상기 재생성된 신규 역학적축을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드를 설계하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법{Patient-specific pin guide design method to prevent hyperextension in the sagittal plane during total knee arthroplasty using a computer-assisted surgical system}

본 발명은 컴퓨터 보조 수술을 이용한 인공무릎관절 전치환술의 수술 계획 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컴퓨터 보조 수술법을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 대퇴골의 전방부 파임 및 시상면측에서의 과신전(過伸展, hyperextension)되는 문제를 방지할 수 있는 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법에 관한 것이다.

컴퓨터를 이용한 외과적 수술은 1986년 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography, CT)을 이용하여 로봇이 대퇴 골두(Femoral head)의 중심을 잡는 방법에서 시작되었으며, 1990년대에는 정형외과 분야에서 고관절과 슬관절 치환술에 주로 사용되어 왔다.

컴퓨터 보조 수술 시스템은 수행하는 행위의 정도에 따라 능동형(Active), 반능동형(Semi-active) 및 수동형(Passive) 등으로 나눌 수 있다.

능동형은 수술준비 및 시행과정의 일부 또는 전부를 컴퓨터 보조 수술 시스템이 시행하는 형식으로 로봇(Robot)을 예로 들 수 있다. 반능동형은 수술행위를 컴퓨터 보조 수술 시스템을 활용하여 집도의가 함께 진행할 수 있는 것으로, 집도의의 수술을 유도하거나 정상범위를 벗어났을 때 자동으로 멈추는 등의 기능이 있다. 그리고, 수동형은 수술이 전적으로 집도의에 의해 진행되는 것으로, 여기에는 항법장치(Navigation system)를 이용하는 수술과, 환자맞춤형 기구(Patient-Specific Instrument)를 이용하는 수술 등이 있다.

항법장치를 이용하는 수술은 컴퓨터에 환자의 정보를 입력하고 이를 토대로 수술기구의 위치 및 절제 부위를 정확하게 잡아주는 수술이다. 그리고, 환자맞춤형 기구를 이용하는 수술은 컴퓨터단층촬영이나 자기공명영상장치(Magnetic Resonance Imaging, MRI)를 통해 환자의 골을 도 2에 도시된 형태와 같이 3D 이미지로 구현하고, 환자 개개인의 해부학적 정보에 따라 정렬을 맞추고 이를 기반으로 도 1에 도시된 형태와 같은 환자맞춤형 핀 가이드를 제작하여 골 절제에 이용하게 된다. 여기서, 도 2의 FAA(Femoral anatomical axis)는 대퇴골의 해부학적축이고, FMA(Femoral mechanical axis)는 대퇴골의 역학적축이다.

한편, 컴퓨터를 이용하는 인공무릎관절 수술은 수술 시간이 단축되고 정확성이 높은 장점을 가지고 있다. 또한 골수강내지침자의 사용이 불필요하여 출혈량이 적으며 색전증의 빈도 또한 줄어드는 장점이 있다. 아울러, 도 3에서 보는 것과 같이 골의 원위부 부분을 역학적축(FMA)과 수직한 방향으로 절단하여 시술함으로써 임상적 결과에서도 관상면에서의 정렬에 대한 정확도가 높은 장점이 있다.

반면, 단점도 존재하는데, 컴퓨터수술 시행 초기 적응기간에는 수술시간이 길어질 수 있고, 비용 부담이 상대적으로 크며, 임상적 결과에 대해서도 제한적인 부분들이 존재하는 단점이 있다.

또한, 환자의 절삭된 뼈에 임플란트가 제대로 삽입되기 위해서는 뼈와 임플란트 사이의 접촉면이 정확히 맞아 떨어야 한다. 즉, 임플란트 내 접촉면의 각도와 치수, 정형화된 형태에 따라 뼈의 절삭이 이루어져야만 임플란트가 뼈에 정확히 삽입되고 올바른 하지 정렬과 정상적인 보행을 기대할 수 있다.

그러나, 시술대상 환자 뼈의 해부학적 정렬에 따라 적당한 굴곡각도를 갖도록 설계된 임플란트라 하더라도 회전정렬이 맞지 않거나 환자 뼈의 휨(Bowing) 정도에 따라 뼈에 전방부 파임(Anterior-Notching)이 발생하거나 과신전되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

도 4는 임플란트 삽입을 위해 절단되는 대퇴골의 절단부위에 전방부 파임(빗금친 부분)이 발생된 모습을 시상면 및 관상면 측에서 각각 바라본 모습을 도시한 것이다. 이렇게 대퇴골의 전방부에 파임(Notching)이 발생하면 삽입된 임플란트 주위로 골절(도 5 참조)이 발생하거나 후방측의 골 절제가 상대적으로 적어지게 되므로 굴곡간격이 좁아지게 되어 예후가 좋지 않게 되는 문제가 있었다.

대한민국 특허등록 제10-1738109호(2017.05.15)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 컴퓨터 보조 수술법을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 현상이나 전방부 파임이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 컴퓨터 보조 수술을 이용한 인공무릎관절 전치환술에서 시상면 측상 과신전되는 문제를 방지하는 수술 계획 설계 방법은, (a)컴퓨터단층촬영 영상을 기반으로 수술 대상 환자의 대퇴골을 3D 이미지로 모델링하는 단계와; (b)대퇴골 3D 모델을 기반으로 대퇴골의 해부학적 특징들을 지정하는 단계와; (c)대퇴골의 해부학적 특징들을 기반으로 대퇴골의 기준 해부학적축과, 기준 역학적축을 생성하는 단계와; (d)대퇴골의 시상면 측에서 상기 기준 역학적축을 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 따른 굴곡각도만큼 회전시켜 신규 역학적축으로 재생성하는 단계와; (e)상기 재생성된 신규 역학적축을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드를 설계하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 (b) 단계에서는 대퇴골의 외측상과(Lateral epicondyle) 부분과, 내측상과(Medial epicondyle)의 후방부쪽 홈 부분에 각각 점을 생성하고, 대퇴골의 횡단면 기준으로 원위부(Distal Lateral, Distal Medial)의 중앙 부분과, 관상면 기준으로 후방부(Posterior Medial, Posterior Lateral) 중앙 부분에 각각 점을 생성하는 작업을 수행할 수 있다.

그리고, 상기 (b) 단계는, (b-1)대퇴골에 구(球) 형상을 갖는 대퇴골두(Femoral head)를 생성하는 단계와; (b-2)대퇴골의 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 점을 생성하는 단계와; (b-3)대퇴골에 골수강내지침자가 삽입될 대퇴골 삽입점(Entry point)을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 (b-3) 단계의 대퇴골 삽입점(Entry point)은 융기사이 패임(Intercondylar notch) 가장 안쪽 지점으로부터 10mm지점에 생성될 수 있다.

한편, 상기 (c) 단계에서는, 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 생성된 점과 대퇴골 삽입점(Entry point)을 잇는 기준 해부학적축과, 대퇴골두(Femoral head)의 중심과 대퇴골 삽입점(Entry point)을 잇는 기준 역학적축을 각각 생성할 수 있다.

그리고, 상기 (d) 단계는, (d-1)대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 따른 골수강내지침자축을 생성하는 단계와; (d-2)대퇴골의 시상면 측에서 상기 기준 역학적축과 골수강내지침자축이 이루는 굴곡각도인 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 확인하는 단계와; (d-3)대퇴골의 시상면 측에서 골수강내지침자가 삽입되는 대퇴골 삽입점(Entry point)을 기준으로 상기 기준 역학적축을 상기 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축을 재생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 (d-1) 단계는, 기준 해부학적축에 수직한 평면을 대퇴골 삽입점(Entry point)으로부터 일정거리 이격된 제1지점까지 이동시키고, 상기 제1지점에서 상기 평면과 만나는 대퇴골 면으로 정의되는 스케치 면을 생성하는 단계와; 상기 스케치 면에 중심점을 생성하는 단계와; 상기 대퇴골 삽입점(Entry point)과 상기 스케치 면의 중심점을 잇는 골수강내지침자축을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 (d-2) 단계에서는, 대퇴골의 화이트사이드 라인(Whiteside's line)을 기반으로 하는 대퇴골의 시상면에 상기 기준 역학적축과 골수강내지침자축을 각각 투영시켜 두 축 간의 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 확인할 수 있다.

또한, 상기 (d-3) 단계로부터 재생성된 신규 역학적축은 대퇴골의 관상면에서 보았을 때 상기 기준 역학적축과 동일 평면에 위치하고, 시상면에서 보았을 때 상기 골수강내지침자축과 동일 평면에 위치할 수 있다.

상기한 본 발명에 따르면, 환자 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 따라 골수강내지침자축을 생성하고, 대퇴골의 시상면 측에서 기준 역학적축과 골수강내지침자축을 투영시켜 상기 두 축 간의 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 생성하고, 골수강내지침자가 삽입되는 대퇴골 삽입점(Entry point)을 기준으로 상기 기준 역학적축을 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축으로 재생성하여, 상기 재생성된 신규 역학적축을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드를 설계함에 따라, 기존과 같이 회전정렬이 부정확하거나 환자 대퇴골의 휨 정도에 의해 발생되던 시상면 측에서의 과신전 현상과 전방부 파임 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 환자의 대퇴골 휨 정도와 관계없이 임플란트 내 접촉면과 정확하게 맞물릴 수 있는 대퇴골의 절삭이 가능해지기 때문에 기존과 같이 대퇴골의 전방부 파임에 의해 임플란트 주위에 발생되던 골절을 방지할 수 있고 대퇴골의 후방측 골 절삭이 충분하게 이루어져 굴곡간격이 좁아지는 등의 문제도 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 인공무릎관절 시술시 대퇴골과 경골 부위에 환자맞춤형 핀 가이드가 장착된 모습을 보여주는 이미지.
도 2는 컴퓨터단층촬영을 통해 생성된 환자의 대퇴골 및 경골의 3D 이미지를 보여주는 도면.
도 3은 대퇴골 3D 이미지를 관상면에서 바라본 것으로, 대퇴골의 원위부가 역학적축에 수직하게 절삭되는 모습을 보여주는 이미지.
도 4는 대퇴골에 발생되는 전방부 파임을 대퇴골의 시상면과 관상면 측에서 각각 바라본 도면.
도 5는 대퇴골의 전방부 파임에 의해 임플란트 주변에 골절이 발생하는 것을 예시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계과정을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 7은 컴퓨터단층촬영 영상을 통해 수술대상 환자의 대퇴골 3D 이미지를 재건하는 과정을 보여주는 이미지.
도 8 및 도 9는 환자의 대퇴골 3D 모델을 기반으로 대퇴골의 해부학적 특징을 지정하는 위치를 나타낸 이미지.
도 10은 해부학적 특징들을 기반으로 대퇴골의 기준 해부학적축과 역학적축을 생성하는 것을 보여주는 이미지.
도 11은 환자 대퇴골의 휨 정도를 고려하여 골수강내지침자축을 생성하는 모습을 보여주는 이미지.
도 12는 시상면의 기준이 되는 대퇴골의 전후방 축(Whiteside's line)의 모습을 나타낸 이미지.
도 13은 시상면 측에 투영된 기준 역학적축을 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 신규 역학적축을 생성하는 것을 보여주는 이미지.
도 14는 대퇴골의 관상면 및 시상면 측에서 바라본 신규 역학적축과 골수강내지침자축의 위치를 비교 도시한 이미지.
도 15는 신규 역학적축을 기반으로 대퇴골이 절단된 모습과, 절단된 부분에 임플란트가 삽입된 모습을 도시한 이미지.
도 16은 기존의 경우와 같이 환자의 대퇴골 휨(Bowing) 정도를 고려하지 않고 시뮬레이션을 진행했을 경우에 대퇴골 전방부에 파임이 발생된 모습을 예시한 이미지.

아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 전체 설계과정을 보여주는 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계방법은, 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상을 기반으로 수술대상 환자의 대퇴골에 대한 3D 이미지를 생성하는 단계(S110)와, 생성된 대퇴골의 3D 모델을 기반으로 환자 대퇴골의 해부학적 특징들을 지정하는 단계(S120)와, 대퇴골의 해부학적 특징들을 기반으로 대퇴골의 기준 해부학적축(FAA)과 기준 역학적축(FMA)을 생성하는 단계(S130)와, 환자의 대퇴골 휨(Bowing) 정도에 따른 골수강내지침자축(IMA)을 생성하는 단계(S140)와, 시상면 측에서 기준 역학적축(FMA)과 골수강내지침자축(IMA)이 형성하는 대퇴원위굴곡각도(Distal Femoral Flexion Angle; DFFA)를 확인하는 단계(S150)와, 대퇴골의 시상면(Sagittal plane) 측에서 기준 역학적축(FMA)을 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 따른 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 신규 역학적축(FMA/F)으로 재생성하는 단계(S160)와; 재생성된 신규 역학적축(FMA/F)을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드를 제작하는 단계(S170);를 포함하여 구성된다.

도 7 내지 도 15는 상기 도 6에 도시된 본 발명의 인공무릎관절 시술용 환자맞춤형 핀 가이드 설계과정을 각 단계별로 구체적으로 보여주는 것이다.

도 6 및 도 7 내지 도 15를 참조하면, 먼저, 도 6의 (S110) 단계에서는 도 7에서 보는 것과 같이 인공무릎관절 수술 대상 환자의 컴퓨터단층촬영(CT) 영상을 기반으로 환자의 대퇴골에 대한 3D 이미지를 생성한다.(도 7의 우측 하단 이미지 참조)

이렇게 컴퓨터단층촬영(CT) 영상에 기반한 환자의 대퇴골에 대한 3D 이미지가 생성되면, 다음으로, (S120) 단계에서는 상기 (S110) 단계로부터 생성된 대퇴골의 3D 모델을 기반으로 환자 대퇴골에 대한 해부학적 특징들을 지정한다.

도 8은 환자의 대퇴골 3D 모델로부터 해부학적 특징을 지정하기 위해 대퇴골의 각 부위별로 점을 생성하는 모습을 나타낸 것이다.

즉, (S120) 단계에서는 도 8의 (a) 및 (c)에 나타낸 바와 같이 대퇴골의 중심을 기준으로 외측 방향으로 가장 튀어나온 돌기(융기) 부분인 외측상과(Lateral epicondyle) 부분에 점을 생성하고, 대퇴골의 내측 방향으로 가장 튀어나온 돌기 부분인 내측상과(Medial epicondyle)의 후방부쪽 움푹 들어간 홈 부분(sulcus)에 점을 생성한다.

아울러, 대퇴골의 횡단면 기준으로 하방으로 가장 멀리 떨어진 원위부 2곳(Distal Lateral, Distal Medial)의 각 중앙 부분과, 도 8의 (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이 관상면(Coronal plane)을 기준으로 대퇴골의 후방부 쪽으로 멀리 떨어진 후방부 2곳(Posterior Medial, Posterior Lateral)의 각 중앙 부분에 점을 생성한다.

이와 함께, 상기 (S120) 단계에서는 도 9에 나타낸 바와 같이, 대퇴경부를 제외한 대퇴골두(Femoral head)만을 지정하여 이 영역을 기반으로 대퇴골의 대퇴골두 부분에 구(球)를 생성한다.

또한, 대퇴골의 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 점을 생성하고, 고식적(姑息的) 수술법에서 골수강내지침자(IM Rod)가 삽입되는 지점인 대퇴골 원위부에 위치한 대퇴골 삽입점(Entry point;EP) 부분에 점을 생성한다.

여기서, 골수강내지침자(IM Rod)가 삽입되는 부분인 대퇴골 삽입점(EP)은 대퇴골 원위부의 융기사이 패임(Intercondylar notch) 가장 안쪽 지점으로부터 약 10mm 지점에 생성될 수 있다.

다음으로, (S130) 단계에서는 상기 도 8 및 도 9로부터 지정된 환자 대퇴골의 해부학적 특징들을 기반으로 환자 대퇴골의 기준 해부학적축(FAA)과 기준 역학적축(FMA)을 생성한다.

여기서, 기준 해부학적축(FAA)은 도 10에 나타낸 바와 같이, 환자 대퇴골의 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 생성된 점과 대퇴골 삽입점(EP)을 서로 연결하여 생성할 수 있고, 기준 역학적축(FMA)은 대퇴골두(Femoral head)의 중심점과 대퇴골 삽입점(EP)을 서로 연결함으로써 생성할 수 있다.

다음으로, (S140) 단계에서는 환자의 대퇴골 휨(Bowing) 정도를 고려하여 골수강내지침자가 대퇴골 삽입점(EP)으로부터 대퇴골 내부로 삽입되는 기반 축을 확보하기 위해 골수강내지침자축(IMA)을 생성한다.

도 11은 환자의 대퇴골 휨 정도에 부합되는 골수강내지침자축(IMA)이 생성되는 것을 보여주고 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 환자의 대퇴골 휨 정도에 따른 골수강내지침자축(IMA)의 생성은, 먼저 기준 해부학적축(FAA)에 수직한 평면(S1)을 대퇴골 삽입점(EP)을 기준으로 상부측으로 일정거리 이격된 제1지점(D)까지 이동시켜, 상기 제1지점(D)에서 상기 평면(S1)과 만나는 대퇴골 면으로 정의되는 스케치 면(SF)을 생성한다.

이 경우, 상기 평면(S1)이 이동되는 제1지점(D)은 골수강내지침자가 삽입되는 높이와 대응하는 위치로서, 상기 제1지점(D)은 대퇴골 삽입점(EP)으로부터 180mm ~ 200mm의 위치상에 설정될 수 있다.

이는 고식적인 수술방법에서 정렬(Alignment)을 잡기 위해 해부학적축을 따라 실제 골수강내지침자가 들어가는 깊이로서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1지점(D)의 높이가 180mm인 경우가 일 예로서 제시되어 있다.

다음으로, 상기 제1지점(D)으로 이동된 평면(S1)과 교차하는 대퇴골 횡단면인 스케치 면(SF)의 중심에 중심점을 생성하고, 상기 스케치 면(SF)의 중심점과 대퇴골 삽입점(EP)을 잇는 골수강내지침자축(IMA)을 생성한다. 이와 같은 과정을 통해 생성된 골수강내지침자축(IMA)은 환자의 대퇴골 휨 상태에 맞게 골수강내지침자가 삽입될 수 있도록 새롭게 생성된 축이다.

이와 같이, 골수강내지침자축(IMA)이 생성된 후, 다음으로 (S150) 단계에서는 시상면 측에서 기준 역학적축(FMA)과 골수강내지침자축(IMA) 간의 굴곡각도를 확인하게 된다.

이 경우, 도 13의 (a)에 나타낸 바와 같이 대퇴골의 시상면에 스케치(S2)를 생성하여 기준 역학적축(FMA)과 골수강내지침자축(IMA)을 투영시켜 두 축 간의 각도를 확인하게 되는데, 이 각도는 대퇴원위굴곡각도(Distal Femoral Flexion Angle; DFFA)로 정의되는 각도이다.(ex. 4.71°)

이때, 상기 대퇴원위굴곡각도(DFFA)는 환자의 대퇴골 휨 정도에 따라 달라질수 있는 굴곡각도로서, 보통 2°~6°범위 내에 존재하게 되며, 또한, 대퇴골의 기준 역학적축(FMA)과 골수강내지침자축(IMA) 간의 굴곡각도인 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 확인하게 되는 시상면은 대퇴골의 전후방 축(Whiteside's line)을 기반으로 정의되는 면으로서 상기 대퇴골의 전후방 축(WL)은 도 12에 나타낸 것과 같이 대퇴골 원위부에서 융기사이패임(Intercondylar notch)과 활차구(Trochanter groove)의 중심을 따라 잇는 축을 말한다.

그리고, 상기 (S150) 단계로부터 기준 역학적축(FMA)과 골수강내지침자축(IMA) 간의 굴곡각도인 대퇴원위굴곡각도(DFFA)가 확인되면, 다음으로 (S160) 단계에서는 대퇴골의 시상면(Sagittal plane) 측에서 기준 역학적축(FMA)을 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축(FMA Flexion)으로 재생성하게 된다.

즉, 대퇴골의 시상면 측에서 골수강내지침자가 삽입되는 대퇴골 삽입점(EP)을 기준으로 기준 역학적축(FMA)을 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축(FMA/F)을 생성하게 된다.

이와 같은 과정으로 재생성된 신규 역학적축(FMA/F)은 도 14에 나타낸 바와 같이 대퇴골의 관상면에서 보았을 때 기준 역학적축(FMA)과 동일 평면상에 위치하게 되고, 시상면에서 보았을 때 골수강내지침자축(IMA)과 동일 평면상에 위치되어 골수강내지침자축(IMA)과 평행을 이루게 된다.

그 다음에는 상기 (S160) 단계를 거쳐 재생성된 신규 역학적축(FMA/F)을 기반으로 시뮬레이션을 진행하고, 최종적으로 상기 시뮬레이션을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드를 제작하여 수술에 적용하게 된다.(S170)

이와 같이 환자 대퇴골의 휨 정도에 맞게 재생성된 신규 역학적축(FMA/F)을 기반으로 시뮬레이션을 진행하여 제작된 환자맞춤형 핀 가이드를 인공무릎관절 수술에 적용하게 됨에 따라, 도 15의 (a)에서 보는 것과 같이 신규 역학적축(FMA/F)을 기반으로 절삭된 대퇴골은 전방부 파임(Anterior-notching)이 발생하지 않게 된다. 이에 따라 기존처럼 전방부 파임에 의해 발생되는 골절이나 후방측 골 절삭 부족으로 인해 굴곡간격이 좁아지는 등의 문제를 해소할 수 있다.

아울러, 도 15의 (b)에 나타낸 바와 같이 대퇴골의 절삭부위에 삽입되는 임플란트(I)는 적절한 굴곡각도를 이루며 대퇴골의 절삭면과 정확하게 접촉되면서 삽입되기 때문에 올바른 하지 정렬과 함께 정상적인 보행을 기대할 수 있다.

참고적으로, 도 16은 전술된 경우와 같은 환자 대퇴골의 휨에 따른 대퇴원위굴곡간도(DFFA)를 고려하지 않고 시뮬레이션을 진행했을 경우 대퇴골 전방부에 파임이 발생된 모습을 보여주고 있다.

도 16에서 보는 바와 같이 환자 대퇴골의 휨 정도를 고려하지 않고 기존의 역학적축(본 발명의 기준 역학적축에 해당됨)을 기반으로 시뮬레이션을 진행하여 골절삭을 하게 되면 대퇴골의 전방부 측에 절삭이 과도하게 이루어진 전방부 파임이 발생하여 골절 가능성이 커질 수밖에 없다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 환자의 해부학적 데이터를 기반으로 하여 시상면에서 기준 역학적축(FMA)을 골수강내지침자축(IMA)과의 각도인 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 굴곡시켜 새로운 신규 역학적축(FMA/F)을 생성하고, 새롭게 정의된 신규 역학적축(FMA/F)을 기반으로 대퇴골의 시술부위 전방부를 절삭하게 됨으로써 해부학적축을 고려하지 않고 절삭을 했을 때 보다 임플란트(I)가 더 굴곡되게 삽입되어 안정적인 결과를 얻을 수 있고, 기존과 같이 대퇴골의 전방부 파임에 의해 발생되는 골절이나 후방측 골 절삭 부족으로 인해 굴곡간격이 좁아지는 등의 문제를 극복할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다

FAA : 기준 해부학적축 FMA : 기준 역학적축
FMA/F : 신규 역학적축 I : 임플란트
IMA : 골수강내지침자축 WL : (대퇴골의)전후방 축

Claims (9)

1. 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 환자 대퇴골의 휨(Bowing)에 의해 발생되는 시상면 측에서의 과신전(Hyperextension)되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법에 있어서,
   (a) 수술 대상 환자의 컴퓨터단층촬영 영상을 기반으로 환자 대퇴골의 3D 이미지를 생성하여 모델링하는 단계;
   (b) 상기 모델링된 환자 대퇴골의 3D 이미지를 기반으로 대퇴골의 각 부위별로 점을 생성하여 환자 대퇴골에 대한 해부학적 특징들을 지정하는 단계;
   (c) 상기 지정된 환자 대퇴골의 해부학적 특징들을 기반으로, 환자 대퇴골에 대한 기준 해부학적축(FAA)과 기준 역학적축(FMA)을 각각 생성하는 단계;
   (d) 상기 생성된 기준 역학적축을 대퇴골의 시상면(Sagittal plane) 측에서 환자 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 부합되는 특정 굴곡각도만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축(FMA/F)으로 재생성하는 단계;
   (e) 상기 재생성된 신규 역학적축을 기반으로 환자맞춤형 핀 가이드의 형상을 생성하는 단계;를 포함하되,
   상기 (d) 단계는,
   (d-1) 환자 대퇴골의 휨(Bowing) 정도에 부합되는 골수강내지침자축(IMA)을 신규 생성하는 단계와;
   (d-2) 대퇴골의 시상면 측에서 상기 기준 역학적축과 상기 신규 생성된 골수강내지침자축이 이루는 굴곡각도인 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 확인하는 단계와;
   (d-3) 대퇴골의 시상면 측에서 골수강내지침자가 삽입되는 대퇴골 삽입점(Entry point)을 기준으로 상기 기준 역학적축을 상기 대퇴원위굴곡각도(DFFA)만큼 회전시켜 새로운 신규 역학적축을 재생성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 (d-1) 단계는,
   상기 기준 해부학적축에 수직한 평면을 상기 대퇴골 삽입점(Entry point)으로부터 180mm ~ 200mm 이격된 제1지점까지 이동시키고, 상기 제1지점에서 상기 평면과 만나는 대퇴골 면으로 정의되는 스케치 면을 생성하는 단계;
   상기 스케치 면에 중심점을 생성하는 단계;
   상기 대퇴골 삽입점(Entry point)과 상기 스케치 면의 중심점을 잇는 골수강내지침자축을 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 (d-2) 단계에서는,
   대퇴골의 화이트사이드 라인(Whiteside's line)을 기반으로 하는 대퇴골의 시상면에 상기 기준 역학적축과 골수강내지침자축을 각각 투영시켜 두 축 간의 대퇴원위굴곡각도(DFFA)를 확인하고,
   상기 (d-3) 단계로부터 재생성된 신규 역학적축은 대퇴골의 관상면에서 보았을 때 상기 기준 역학적축과 동일 평면에 위치하고, 시상면에서 보았을 때 상기 골수강내지침자축과 동일 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서는,
   상기 환자 대퇴골의 3D 이미지에서 외측상과(Lateral epicondyle) 부분과, 내측상과(Medial epicondyle)의 후방부쪽 홈 부분에 각각 점을 생성하고,
   대퇴골의 횡단면 기준으로 하방의 원위부 2점(Distal Lateral, Distal Medial) 중앙 부분과, 관상면 기준으로 대퇴골의 후방부 쪽의 2점(Posterior Medial, Posterior Lateral) 중앙 부분에 각각 점을 생성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
   (b-1) 상기 환자 대퇴골의 3D 이미지에서 구(球) 형상을 갖는 대퇴골두(Femoral head)를 생성하는 단계;
   (b-2) 상기 환자 대퇴골의 3D 이미지의 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 점을 생성하는 단계;
   (b-3) 상기 환자 대퇴골의 3D 이미지에서 골수강내지침자가 삽입될 대퇴골 삽입점(Entry point)을 생성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 (b-3) 단계에서 상기 대퇴골 삽입점(Entry point)은 융기사이 패임(Intercondylar notch) 가장 안쪽 지점으로부터 대퇴골의 화이트사이드 라인(Whiteside's line) 방향으로 10mm지점에 생성되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 (c) 단계에서는,
   상기 대전자(Greater trochanter) 끝 지점에 생성된 점과 상기 대퇴골 삽입점(Entry point)을 잇는 기준 해부학적축과,
   상기 대퇴골두(Femoral head)의 중심과 상기 대퇴골 삽입점(Entry point)을 잇는 기준 역학적축을 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보조 수술 시스템을 이용하는 인공무릎관절 전치환술시 시상면 측에서 과신전되는 문제를 방지하기 위한 환자맞춤형 핀 가이드 설계 방법.
   
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