KR20140022360A - 임플란트 최적화를 위한 수술 중 스캐닝 - Google Patents

임플란트 최적화를 위한 수술 중 스캐닝 Download PDF

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마이클 딘 휴즈
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스미스 앤드 네퓨, 인크.
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Abstract

수술 중 스캐닝을 사용한 임플란트 최적화 시스템 및 방법이 명시되어 있다. 일 실시 예에 의하면, 관절 표면을 수술 중 스캔하는 단계, 스캔을 진행하여 3차원 컴퓨터 모델을 생성하는 단계, 3차원 컴퓨터 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하는 단계, 시뮬레이션 분석을 통해 최적 임플란트 속성을 결정하는 단계, 최적 임플란트를 선택하는 단계, 스캔된 해부학적 특징을 기준으로 선택된 임플란트의 이상적인 위치 및 방향을 결정하는 단계, 선택된 임플란트의 이상적인 위치 및 방향을 달성하기 위한 해부학적 표면 준비를 용이하게 하기 위해 신속하게 환자 맞춤형 가이드를 생성하는 단계, 환자 맞춤형 가이드를 사용하여 표면을 준비하는 단계, 그리고 최적 임플란트를 이식하는 단계를 포함하는 방법이 명시되어 있다.

Description

임플란트 최적화를 위한 수술 중 스캐닝 {INTRAOPERATIVE SCANNING FOR IMPLANT OPTIMIZATION}
무릎 및 기타 관절 성형술(arthroplasty) 절차에 있어 이용되는 시스템, 방법, 장치 그리고 다른 구성요소
하나 이상의 무릎 관절 표면을 인공 임플란트로 교체하는 수술과 같은, 관절 성형술은 복잡한 절차이다. 이러한 절차는 종종 환자가 임플란트를 이식받기 위한 준비과정으로서 환자의 해부학적 구조의 변형을 요한다. 어떤 경우에는, 이러한 변형 중에 절제(resecting), 절삭(milling), 또는 환자의 해부학적 구조에 존재하는 뼈, 연골 및/또는 다른 조직을 제거하는 과정이 포함된다. 이러한 변형의 위치 및 방향(orientations)이 환자의 해부학적 구조에 대해 적어도 소정의 자유도(some degrees of freedom)를 가지도록 설치된 인공 임플란트의 위치 및 방향을 결정할 수 있다. 임플란트의 적절한 위치와 방향을 얻는 것은 관절 성형술 절차의 성공에 있어서 중요한 요소가 될 수 있고, 마찬가지로, 적어도 어떤 경우에 있어서는, 절제 및/또는 해부학적 구조에 대한 다른 변형의 위치 및/또는 방향을 적절히 결정하는 것이 중요할 것이다.
통상적으로, 표준화된 커팅 블록(cutting blocks) 및 기타 일반 장비 세트가 관절 성형술 중 해부구조의 변형을 가이드 하는데 사용되었다. 어떤 경우에는, 커팅 블록 및 기타 장비가 특정 환자 전용으로 특별히 디자인되기도 한다. 그러나, 기존의 장비, 방법 및 시스템은 몇몇 단점이 있는데, 본 발명은 적어도 그러한 단점에 대해 개선된 실시 예들을 제공한다.
이 출원은 2010.08.25일자 미국 가출원 61/376,853 및 2011.04.29일자 미국 가출원 61/480,761에 대해 우선권을 주장하고, 양 출원은 모두 참고로서 본 명세서에 원용된다(cited by reference).
본 발명의 실시 예들은 커팅 블록, 기타 장비, 또는 기타 수술 보조기구를 커스터마이즈(customize) 하기 위한 수술 중 이미징 데이터(intraoperative imaging data)를 사용하는 시스템 및 방법들을 제공하여 뼈, 관절연골(articular cartilage) 및/또는 다른 해부학적 준비와 임플란트 위치의 정확성을 향상시킬 수 있게 된다. 일 실시 예에서, 이러한 방법은 관절 표면을 수술 중에 스캔하는 단계, 스캔을 진행하는 단계, 3차원 컴퓨터 모델을 만드는 단계, 3차원 컴퓨터 모델 상에서 시뮬레이션을 수행하는 단계, 시뮬레이션 분석을 통해 최적 임플란트 속성(optimal implant attribute)을 결정하는 단계, 최적 임플란트를 선택하는 단계, 스캔된 해부학적 특징에 대한 선택된 임플란트의 이상적인 위치 및 방향을 결정하는 단계, 적어도 소정의 자유도를 가지는 선택된 임플란트의 이상적인 위치 및 방향을 달성하는 방식으로 뼈 및 기타 해부학적 변형을 용이하게 하기 위한 환자 맞춤형 가이드(patient-matched guide)를 신속하게 생성하는 단계, 환자 맞춤형 가이드를 이용해 해부학적 구조를 변형하는 단계 및/또는 최적 임플란트를 이식하는 단계 중에서 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 스캔 데이터를 얻기 위하여 몸체부를 수술 중 스캔할 수 있는 스캐너, 스캐너와 통신 가능하며 몸체부 모델 생성을 구성할 수 있는 이미지 프로세서, 이미지 프로세서와 통신 가능하며 몸체부 모델과 적어도 하나의 다른 구성요소와의 상호작용을 시뮬레이션 하도록 구성되어 있으며 나아가 적어도 하나의 최적 임플란트 속성(시뮬레이션 된 상호작용에 적어도 부분적으로 기초한다)을 결정하도록 구성된 모델링 프로세서, 적어도 하나의 특징(적어도 한 최적 임플란트의 제1 속성에서 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다)을 가지는 임플란트 구성요소, 그리고 준비 가이드(preparation guide)(적어도 한 최적 임플란트의 제2 속성에서 적어도 부분적으로 기초하여 구성된다)를 포함하는 수술 시스템을 포함한다. 제1 및 제2 최적 속성은 같을 수 있다. 다른 실시 예들에 의하면, 수술 중 스캔 데이터를 얻기 위해 적어도 무릎 관절의 일부분을 수술 중 스캔하는 단계, 수술 중 스캔 데이터에 적어도 부분적으로 기초한 무릎 관절 3차원 모델을 렌더링 하는 단계, 몸체부 모델과 적어도 하나의 다른 구성요소의 상호작용을 시뮬레이션 하고 나아가 시뮬레이션 된 상호작용에 적어도 부분적으로 기초한 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 결정하는 단계, 최적 임플란트 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 적어도 하나의 특징을 가지는 임플란트 구성요소를 선택하는 단계, 및 최적 임플란트 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 구성된 준비 가이드를 제공하는 단계가 제공된다.
소정 실시 예들에 의하면, 수술 시스템 또는 방법은 전체의 무릎 관절 성형술 절차에 사용되도록 구성될 수 있다. 소정 실시 예들에서는 몸체부는 하나 이상의 대퇴골(femur) 말단부, 경골(tibia) 근단부, 비골(fibula)의 근단부, 슬개골(patella), 무릎 관절(knee joint) 또는 인대 부착점(ligament attachment point)을 포함한다. 또 다른 실시 예들에서, 이미지 프로세서는 3차원 몸체부 모델을 생성하는데, 이것은 무릎 관절부가 될 수도 있다. 또 다른 실시 예들에서는, 모델링 프로세서가 임플란트 구성요소, 다른 몸체부, 준비 가이드 중 하나 이상을 갖는 몸체부 모델의 상호작용을 시뮬레이션하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 예들에서는, 최적 임플란트 속성이 임플란트 구성요소의 크기, 임플란트 구성요소의 위치 또는 방향, 또는 임플란트 구성요소의 배열(alignment)을 식별한다. 소정 실시 예들에서는, 임플란트 구성요소의 크기가 최적 임플란트 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다.
또 다른 실시 예에 따르면, 준비 가이드는 환자 맞춤형 준비 가이드, 커팅 블록(cutting block), 조절 준비 가이드(adjustable preparation guide)일 수 있고, 최적 임플란트 속성에 기초한 가이드 세트로부터 선택될 수 있거나, 또는 신속 프로토타입(rapid prototype)이 될 수 있다. 소정 실시 예에서 모델링 프로세싱은 사용자로 하여금 시뮬레이션 된 다양한 임플란트 설정으로 실험을 수행할 수 있게 하고 어떤 임플란트 설정이 사용자가 가장 원하는 성능 메트릭(performance metric)을 달성할 것인지를 식별하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 예에서는, 모델링 프로세서는 수술 전(pre-operative) 스캐닝으로부터 얻어진 이미지 데이터와 스캔 데이터를 결합하도록 구성될 수 있다. 소정 실시 예에서, 이미지 데이터는 기계적 축(mechanical axis)을 식별하기 위해 수술 전에 얻어질 수 있다. 다른 실시 예에서, 몸체부 모델은 운동학(kinematics)적 또는 생체역학(biomechanics)적 정보를 포함하고 관절 모델을 표현할 수 있으며 관절 표면 속성을 포함할 수 있다. 이러한 관절 표면 속성에는 경골 회전(tibial rotation), 대퇴부 롤백(femoral rollback), 슬개골 정렬(patellar alignment), 사두근 효율화(quadriceps efficiency) 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 소정 실시 예에 따르면 모델링 프로세싱은 사용자가 원하는 슬개대퇴부 관절 라인(patellafemoral joint line)과 같은 성능 메트릭들을 결정하도록 구성된다.
다른 실시 예들에 의하면, 실제 수술 결과를 모니터링할 수 있는 CAS 시스템이 활용되고 있고 모델링 프로세서는 나아가 예측한 수술 결과와 실제 수술 결과를 비교하도록 구성되어 있다. 또 다른 실시 예에서는, 모델링 프로세서는 제2 수술 중 스캔 데이터를 수신할 수 있고 실제 임플란트 구성요소의 배치와 제2 수술 중 스캔 데이터에 기초한 예측 배치를 비교하도록 구성되어 있다. 모델링 프로세서 및 이미지 프로세서는 하나의 물리적 중앙 처리장치(physical central processing unit) 또는 각각 별도의 물리적 처리장치(physical processing units)를 포함할 수 있다.
소정 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 절개(incision)를 통해 환자의 관절을 노출하는 단계, 이미지 데이터를 얻기 위하여 광학 스캐너를 사용해 노출된 관절을 스캔하는 단계, 이미지 데이터를 사용하는 단계, 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계, 관절 컴퓨터 모델과 컴퓨터 프로세서를 사용하는 단계, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계, 및 관절에 대해 식별된 임플란트 속성을 포함하는 임플란트를 이식하는 단계를 포함하는, 관절에 대한 임플란트 이식 방법이 제공된다. 소정 실시 예들에 따르면, 노출된 관절은 무릎 관절이고 이식 방법은 무릎 관절에 관련된 인대 부착점 및 관절 표면의 노출을 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에 의하면, 토포그래피 스캐너는 관절을 스캔하는데 사용된다. 또 다른 실시 예들에 의하면, 이식 방법은 노출된 관절을 스캔하기에 앞서 관절에 관련된 인대 부착점을 마킹(marking)하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시 예들에서, 노출된 관절을 스캔하는 단계는 경골, 대퇴골, 및 슬개골과 관련된 표면을 스캔하는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시 예들에서, 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 관절의 3차원 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있고, 기계적 축을 관절에 관련시킨 정보가 통합되는 단계를 선택적으로(optionally) 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예들에서, 관절의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 관절에 대한 적어도 하나의 인대 부착점에 관한 정보를 통합하는 단계를 포함한다. 소정 실시 예에서, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계는 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하기 위해 컴퓨터 프로세서와 관절의 컴퓨터 모델을 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시 예들에서, 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하는 단계는 임플란트의 이식 이후 관절의 움직임을 시뮬레이션 하는 단계; 관절에 대한 이식을 위한 잠재적 임플란트 구성요소를 시뮬레이션 하는 단계; 사용 가능한 임플란트 구성요소의 라이브러리에서 선택된 사용 가능한 임플란트 구성요소를 시뮬레이션 하는 단계; 또는 관절에 대한 이식을 위해 잠재적 임플란트의 위치 및 방향을 시뮬레이션 하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시 예들에 따르면, 또한 이식 방법은 관절 컴퓨터 모델 및 식별된 최적 임플란트 속성을 사용하여 사용자 정의 뼈 프렙 정보(custom bone preparation information)를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 소정 실시 예들에서, 사용자 정의 뼈 프렙 정보는 신속하게 사용자 정의 커팅 가이드(custom cutting guide)를 제조하는데 사용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 사용자 정의 뼈 프렙 정보는 조절 커팅 장치(adjustable cutting device)를 조절하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 이식 방법은 관절에 대해 식별된 최적 임플란트 속성을 포함하는 임플란트를 이식하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 절개를 통해 환자의 무릎 관절(무릎 관절과 관련된 인대 부착점 및 관절 표면을 포함한다)을 노출시키는 단계, 인대 부착점을 마킹하는 단계, 이미지 데이터를 얻기 위하여 광학 스캐너를 사용해 마킹된 인대 부착점을 포함한 노출된 관절을 스캔하는 단계, 이미지 데이터를 사용하는 단계, 관절에 대한 인대 부착점에 관한 정보가 통합된 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계, 컴퓨터 프로세서 및 관절 컴퓨터 모델을 사용하는 단계, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계, 및 관절에 대해 식별된 최적 임플란트 속성을 포함하는 임플란트를 이식하는 단계가 명시되어 있다. 소정 실시 예들에서, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계는 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하기 위해 컴퓨터 프로세서 및 관절 컴퓨터 모델을 사용하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예들에서, 하나 이상의 절개를 통해 환자의 무릎관절을 노출시키는 단계, 이미지 데이터를 얻기 위하여 광학 스캐너를 사용해 노출된 관절을 스캔하는 단계, 이미지 데이터를 사용하는 단계, 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계, 컴퓨터 프로세서 및 관절 컴퓨터 모델을 사용하는 단계, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계(적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계는 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하기 위해 컴퓨터 프로세서 및 관절 컴퓨터 모델을 사용하는 단계를 포함한다), 및 관절에 대해 식별된 최적 임플란트 속성을 포함하는 임플란트를 이식하는 단계를 포함하는, 관절에 대해 임플란트를 이식하는 방법이 명시되어 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시 예들로서 사용되는 시스템 샘플을 도시한다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시 예들에 따라 수행할 수 있는 방법 샘플을 도시한다.
도 3은 뼈 표면 모델을 도시하는데, 특정 실시 예에서, 이는 대퇴골 원위부의 뼈 표면 모델이다.
도 4는 시뮬레이션 된 임플란트 구성요소와 함께 3차원 관절 컴퓨터 모델을 도시한다.
도 5는 환자 맞춤형 커팅 가이드를 도시하는데, 특정 실시 예에서, 이는 경골 근위부의 절제를 가이드 하기 위한 커팅 가이드이다.
도 6은 환자의 뼈 위에 알맞게 결합한 환자 맞춤형 커팅 가이드를 도시한다.
본 발명의 실시 예들은 다음의 상세한 설명, 예시 및 도면과 그것들의 전술 및 후술한 설명을 참고하면 더 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 발명의 상세한 설명, 예시 및 도면에 제시되는 소정 실시 예들에 의해 제한되지 않는다. 이러한 실시 예들은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로 인식되어야 한다. 실시 예들의 수많은 수정 및 적용은 본 발명의 기술 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 범위에서 통상의 기술자가 용이하게 도출할 수 있다.
도면들을 참고하면(여러 도면에서 각각의 숫자들은 각각의 구성요소를 가리킨다), 도 1은 무릎 관절 성형술 절차를 수행하기 위한 수술 환경(100)을 도시한다. 도시된 환경(100)은 관절(150) 이미지를 얻기에 적절한 스캔 장비(102)를 포함한다. 스캔 장비(102)는 휴대용 스캐너가 될 수도 있고 혹은 수술대, 픽스처(fixture), 지그(jig), 또는 벽이나 천장 같은 수술실의 일부 부분에 배치될 것일 수 있다. 소정 실시 예들에 따르면, 스캔 장비는 레이저 스캐너 또는 다른 적절한 토포그래피 스캐너(topographical scanner)일 수 있다. 또한 도 1에 도시되었듯이, 프로세싱 장치(104)는 이미지 프로세서(106)와 모델링 프로세서(108)을 포함하고 있다. 이미지 프로세서(106)은 스캔 장치(102)로부터 데이터를 받을 수 있고 모델링 프로세서(108)가 수신할 데이터를 준비할 수 있다. 모델링 프로세서(108)은 데이터를 수신하여 스캔된 무릎관절의 3차원 이미지를 생성할 수 있는데, 3차원 이미지는 메모리(116)에 저장되고 출력장치(110)로 출력될 수 있다. 예를 들어, 출력장치(110)은 사용자가 입력장치(112)로 조작 가능한 관절 3차원 모델을 표시할 수 있다. 이러한 조작은 회전, 확대, 패닝(panning) 등을 포함할 수 있다.
관절 3차원 모델뿐만 아니라, 프로세싱 장치(104) 역시 사용 가능한 임플란트 구성요소의 3차원 모델을 출력(또는, 어떤 실시 예에서는 기존의 데이터베이스에 접속)할 수 있고, 실제 퍼포먼스(performance)를 예측하여 표시하는 방식으로 사용 가능한 임플란트 구성요소의 3차원 모델을 관절 3차원 모델과 상호작용시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 의사는 다양한 임플란트 크기, 위치, 방향 및/또는 다른 변수들을 가상적으로 실험할 수 있다. 예를 들어, 절제방법, 또는 절제 위치 및 방향을 조금씩 변화시키는 방법과 모델링 프로세서가 제안된 절제방법에서 얻어진 다양한 임플란트 방향 결과와 임플란트 및 관절의 퍼포먼스를 비교하고 시뮬레이션 하는 방법에 의해 의사가 원하는 관절 위치 및 배열을 얻기 위해 가상 시뮬레이션을 사용하여 이상적인 뼈 절제방법을 결정할 수 있다.
또한 가이드 생성 장치(114)가 도 1에 도시되어 있다. 가이드 생성 장치(114)는 첨가 또는 제거 제조 장치와 같은 신속한 제조 기술을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 레이저 소결(sintering)은 나일론 또는 다른 적절한 고분자, 금속, 또는 고분자와 금속 및 다른 재료의 혼합물로 이루어진 가이드를 신속하게 생성하는데 사용될 수 있다. 소정 실시 예들에서, 재사용 가능한 장치가 사용될 수 있는데, 재사용 가능한 장치는 멈춤 나사, 손잡이 및 유사한 조절 형상(사용자가 원하는 가이드 설정을 얻기 위해 서로에 대해 모듈 구성요소를 잠그고 풀고 조절하고 회전한다)을 구비한 수많은 조절 가능한 가이드 구성요소를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 소정 실시 예들에 따라 사용될 수 있는 방법(200)을 도시한다. 예시 방법(200)을 수행하기에 앞서, 환자는 전형적인 방식으로 수술 준비 되어있고 관절성형술을 시술할 무릎은 하나 이상의 절개를 통해 노출되어 있다. 무릎의 관절 표면 또는 다른 표면이 노출되면, 또는 적어도 무릎의 특정 일부분이 노출되면, 무릎 관절을 광학 스캔하는 단계가(202) 수행될 수 있다. 스캔은 예를 들면 레이저 간섭측정법(interferometry)과 같은 방법을 통해 이루어질 수 있으며, 또는 상세한 무릎 이미지를 얻기에 적절한 다른 광학 스캔 기술을 통해 이루어질 수 있다. 광학 스캔은 무릎 해부 구조, 분절 표면(articulation surfaces), 인대 부착점 및/또는 관절의 다른 특성을 나타내는 이미지 데이터를 캡쳐(capture)할 수 있다. 토포그래피 스캐너의 사용은 적어도 어떤 실시 예들에서는 MRI 또는 CT 촬영방법 이상의 장점을 가지는데, 이것은 MRI나 CT 스캔에서 얻어지는 이미지 "조각(slices)"을 컴파일(compile) 할 필요가 없으며 이후 종종 2mm 섹션에서 수행되는 그 조각들 사이의 보간 역시 할 필요가 없기 때문이다. 따라서, (적어도 어떤 실시 예들에서는) 스캔된 해부학적 구조를 더 이상 세분화(segmentation) 할 필요가 없고 특정 경우에 있어서 관절 표면 및 인대 부착점을 포함한 더 정확한 해부학적 구조의 표현을 얻을 수 있다. 캡쳐 이미지 데이터의 일부로서, 마커(markers)가 광학 스캐닝 중 인대 부착점을 캡쳐하는 기능을 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 마커는 CMM 시스템에서 사용되는 능동적 또는 수동적 적외선 마커일 수 있고, 레이저 기반의 CMM 시스템에서 사용되는 리플렉터(reflector)를 포함할 수 있으며, 또는 광학 스캔의 인대 부착점을 마킹하도록 구성된 다른 적절한 장치들을 포함할 수 있다. 광학스캐너의 사용을 통해 수술 중 이미지 데이터를 얻음으로써, 이미지 데이터는 수술 몇 주 전에 수술 전 MRI 데이터(pre-operative MRI data)로부터 얻은 이미지 데이터보다 수술 시에 더 정확하게 환자의 해부구조를 반영한다. 또한, 수술 중 광학 스캐닝은 MRI 데이터에 비해 더 높은 해상도의 이미지 데이터를 얻을 수 있고, 마커가 인대 부착점의 식별을 향상시키는데 사용되지 않는 상황에서도 인대 부착점을 더 쉽게 식별하도록 할 수 있다.
일단 무릎 관절의 광학 스캔 데이터가 얻어지면, 특정한 실시 예의 방법(200)은 204 단계로 진행되는데, 204 단계에서는 스캔된 이미지 데이터와 통합하여 무릎 관절 3차원 컴퓨터 모델을 생성하기 위해 이미지 데이터가 처리된다. 미가공 이미지 데이터(raw image data)를 처리하는 것은 스무딩(smoothing) 기능, 보간, 또는 다른 데이터 프로세싱 기술을 적용하여 무릎 관절 컴퓨터 모델에 대한 이미지 데이터를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 수술 중 스캔으로부터 광학 이미지 데이터를 처리하는 것은 MRI 이미지의 세분화 때문에 MRI 데이터를 처리하는 것보다 일반적으로 더 빠르다. 무릎 관절 컴퓨터 모델은 수술 전 x-ray에서 얻은 기계적 축들과 관련된 정보를 포함할 수 있고 수술 중 광학 스캐닝에서 얻었던 뼈의 형태(morphology) 및 인대 부착점을 나타낸 이미지 데이터에 대한 정보를 조정할 수 있다.
일단 이미지 데이터가 적절히 처리되면, 컴퓨터 기능은 기계적 축, 형태 및 인대 부착점을 식별하는 정보를 포함하는 무릎 관절 3차원 모델을 렌더링(rendering) 할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 기능은 관절(150)을 포함하는 뼈의 기하학적 표면을 묘사한 수학적 모델을 생성함으로써 3차원 모델을 렌더링 할 수 있는데, 이 모델은 예컨대 확장자가 STL인 파일을 사용하는 스테레오-리소그래피(stereolithograpy) CAD 소프트웨어에서 사용될 수 있다. 도 3은 관절(150)의 일부분을 포함하는 대퇴골(153)의 표면 모델(154)을 도시하는데, 이 모델은 모델링 프로세서(108)에 의해 렌더링될 수 있고, 메모리(116)에 저장될 수 있으며, 출력장치(110)을 통해 출력될 수 있다. 대퇴골(153)의 표면 모델(154)은 임플란트 구성요소의 표면 모델과 함께 컴퓨터로 생성된 경골(152) 표면 모델과 합쳐져서, 도 4에서 도시된 것과 같이 3차원 관절 모델(150)을 생성할 수 있다. 도 4에서 나타난 특정 실시 예에서, 3차원 모델은 목적하는 절제방법으로 이식된(그렇지 않다면 선택된 방법대로 위치 및 방향이 결정된) 대퇴부 및 경골부 임플란트 구성요소를 포함할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 몇몇 관절 모델(150)은 다른 절제부 및/또는 임플란트 위치, 방향, 크기 및/또는 다른 설정을 포함하도록 생성될 수 있다. 도면에는 표시되지 않지만, 어떤 실시 예들에서는, 관절 모델은 또한 단지 대퇴골, 경골, 및/또는 슬개골의 해부학적 3차원 모델뿐만 아니라, 그 이외의 정보를 포함 또는 그렇지 않다면 통합할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시 예들에서는, 관절 모델은 인대 및 다른 연부 조직 부착점과 관련된 정보 및/또는 운동학적, 생체역학적으로 관련된 다른 정보 및/또는 환자의 관절에 관한 다른 데이터를 반영할 수 있다.
일단 무릎 관절의 3차원 모델이 얻어지면, 실시 예의 방법(200)은 206 단계로 진행되는데, 206 단계에서는 3차원 컴퓨터 모델을 사용하여 시뮬레이션이 수행된다. 3차원 모델을 사용하여 시뮬레이션을 생성하기 위해, LifeMOD's KneeSim 소프트웨어, CAS(computer assisted surgery) 소프트웨어, FEA(finite element analysis) 프로그램, 또는 다른 적절한 모델링 소프트웨어가 사용될 수 있다. 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 잠재적 임플란트 구성요소와 함께 무릎의 움직임을 가상적으로 모델링 하여 임플란트의 속성 및 적절한 경골부 회전, 대퇴부 롤백, 슬개부 정렬, 사두근 효율화 방법 등의 관절면 분석 수행이 가능하며, 일반적으로 임플란트와 무릎관절의 내구성 및 견고성을 향상 시킬 수 있다. 컴퓨터로 생성된 무릎 시뮬레이션을 사용하여, 넓은 범위의 파라미터들을 실험적으로 볼 수 있고 모든 가능한 변형을 고려하여 최적화하기 위해 수 백개의 구현 가능한 형태를 시험해 볼 수 있다.
(도 4에서 나타난 모델과 같은) 3차원 컴퓨터 모델로 시뮬레이션을 분석하여, 도 2에 도시된 것과 같이 특정 실시 예의 208 단계에서 최적 임플란트 속성을 결정할 수 있다. 어떤 임플란트 속성이 사용자가 가장 원하는 성능 메트릭을 달성할 수 있는지를 식별하기 위해 시뮬레이션의 분석이 수동적으로 또는 소프트웨어의 도움을 받아 이루어질 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어는 주변의 해부학적 구조를 정렬하는 동안 어떤 크기의 인공 구성요소가 사용자가 가장 원하는 슬개대퇴부 관절 라인을 달성할 수 있는지를 결정하는데 사용될 수 있다.
크기, 형상, 또는 구성(예를 들면)과 같은 최적 임플란트 속성 세트는 210 단계에서 식별된 속성에 부합하는 최적 임플란트를 선택하는데 사용될 수 있다. 임플란트는 사전에 만들어진 임플란트 라이브러리에서 선택될 수 있거나 식별된 속성을 기반으로 생성될 수 있다.
일단 최적 임플란트가 선택되면, 스캔된 해부학적 특징과 관련하여 선택된 임플란트의 이상적인 위치 및 방향 선정이 212 단계에서 결정된다. 임플란트 선택과 마찬가지로, 적절한 위치 선정은 능숙한 의사 또는 다른 사용자에 의해 수동적으로 수행될 수 있고, 또는 모델링 프로세서(108)에 의해 도움 받아 수행될 수 있다. 예를 들어, 모델링 프로세서(108)는 관절(150)을 포함하는 뼈 표면의 3차원 표현을 시뮬레이션 하여 생성할 수 있고 또한 도 4에 도시된 바와 같이 임플란트 구성의 3차원 표현을 시뮬레이션 하여 생성할 수 있다. 그 다음에 모델링 프로세서(108)는 시뮬레이션 된 관절 및 임플란트 구성요소의 3차원 표현을 실제 움직임, 부하, 그리고 스트레스를 시뮬레이션 하기 위해 다양한 위치 및 방향으로 움직일 수 있고, 환자 개개인의 뼈 형태 및 인대 부착점을 확인할 수 있다. 모델링 프로세서(108)은 실제 부하 및 스트레스를 시뮬레이션 할 수 있고 환자 개개인의 뼈 형태 및 인대 부착점을 확인할 수 있기 때문에, 최적의 위치 및 그에 대응되는 뼈 프렙이 결정되어 원하는 임플란트 결과를 달성할 수 있다.
일단 선택된 임플란트 구성요소의 이상적인 위치 및 방향 선정이 결정되면, 실시 예의 방법(200)은 214 단계로 진행되는데, 단계에서는 사용자 정의 뼈 프렙 정보를 의사 또는 다른 사용자에게 제공한다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 환자 맞춤형 커팅 가이드가 생성되어 관절(150) 표면의 준비를 용이하게 한다. 다른 실시 형태들에 따르면, 사용자 정의 뼈 프렙 정보를 제공하는 것은 이상적인 뼈 프렙을 위해 측정정보 또는 다른 지침을 의사 또는 다른 사용자에게 제공하는 것을 포함할 수 있다. 도 2에 표시된 예에서, 환자 맞춤형 커팅 가이드는 수많은 기술들을 사용하여 신속하게 생성될 수 있다. 예를 들어, 신속 제조 장치는 환자의 고유한 관절 표면 해부구조와 일치하도록 구성된 커팅 가이드를 생성하는데 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 사용자 정의 가이드(500)는 표면 접촉점(502-508)을 포함한다. 사용자 정의 가이드(500)는 많은 표면 접촉점(surface contact points)을 포함하지만, 도 5에서는 설명을 목적으로 한 몇 부분만 번호가 매겨져 있다. 표면 접촉점(502-508)은 관절 표면(150)의 스캔으로부터 유래된 표면 정보를 기반으로 하여 디자인 되어 있어, 정확한 높이와 모양을 통해 커팅 블록에 의해 준비된 뼈 및/또는 연골의 바깥 면과 일치될 수 있다. 예를 들어, 커팅 가이드(500)는 도 6에서 도시된 바와 같이 경골(152) 부분에 배치될 수 있다. 접촉점(502-506)은 경골(152)의 고유한 기하구조에도 불구하고 경골면에 단단히 고정되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 고유의 기하구조와 일치하도록 사용자 정의 하였기 때문이다. 접촉면은 관절 표면의 미러 이미지인 하나의 연속적인 접촉면을 형성할 수 있거나 또는 미리 결정된 소정 위치에서 관절 표면에 접촉만 하도록 구성될 수 있다.
일부 실시 형태들에서, 조절 커팅 장치(adjustable cutting device)는 멈춤 나사(set screws) 또는 조절 가능한 구조를 조절하여 환자의 해부학적 표면구조와 매치되도록 만들어질 수 있고 따라서 커팅 장치가 관절 표면의 결정된 지점에 접촉할 수 있다. 멈춤 나사(set screws)의 조절은 프로세싱 장치(104)에 의해 용이하게 될 수 있는데, 프로세싱 장치는 사용자에게 조절 커팅 장치의 각 가변 부분(variable portion)에 대한 조절 값이 명시된 측정값 세트를 제공하여 각 조절 가능한 부분이 환자의 특정 관절 표면에 정확하게 정렬되고, 접촉할 수 있게 한다.
소정 실시 예들에 따르면, CAS 시스템은 뼈 프렙을 가이드 할 때 커팅 블록 대신에 사용되어 임플란트가 최적의 위치 및 방향으로 자리 잡도록 할 수 있다. CAS 시스템을 사용하면 특정 환자를 위한 커팅 블록을 생성하거나 구성할 시간을 줄일 수 있다. CAS 시스템을 사용하면 예측한(수술 전) 성능 결과와 실제(수술 후) 성능 결과를 비교하는 시뮬레이션 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다는 점에서 장점이 있다. 이 방법을 통해, 한번 실제 커트가 만들어지면, CAS 시스템은 실제 커트 위치와 제안된 커트 위치를 비교하여 원래 제안된 수술 계획과 실제 성능의 이득치 또는 손실치를 결정하여 출력할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 환자 맞춤형 가이드의 실시 예는 관절(150)의 해부 준비를 용이하게 한다. 예를 들면, 사용자 정의 가이드(500)은 슬롯(510)을 포함하는데 이 슬롯은 접촉점(502-508)이 경골(152)에 자리 잡자마자 경골(152)의 절제 방법을 가이드 한다. 슬롯(510)의 정확한 방향이 접촉점(502-508)에 대해 조정되어 이상적인 임플란트 위치 및 방향을 얻을 수 있도록 절제가 가능해진다. 모델링 프로세서(108)가 관절의 기계적 축, 뼈 형태, 그리고 인대 접촉점과 관련한 정보를 통합한 인공 구성요소 및 관절의 가상 3차원 모델을 포함하기 때문에, 모델링 프로세서는 관절 표면에 대한 뼈의 정확한 절제 위치를 식별할 수 있고 더 선호되는 임플란트 배치를 얻을 수 있게 된다. 관절 표면에 대한 절제 위치는 모델링 프로세서(108)에 의해 접촉점(502-508)에 대한 슬롯(510)의 상대적인 위치로 바뀌어질 수 있고, 신속 프로토타입 커팅 블록(rapid prototype cutting block)으로 통합되어, 조절 커팅 가이드의 가변 부분에 대한 조정 수치로 바뀌고, 또는 그렇지 않으면 CAS 또는 뼈 프렙을 하기 위해 사용되는 통상적이고 가이드 되지 않은 의료 장비에서의 사용을 위해 의사가 알 수 있는 측정 값으로 변환될 수 있다.
일단 환자 맞춤형 가이드가 생성되면, 실시 예의 방법(200)은 216 단계로 진행되는데, 216 단계에서 관절 표면은 환자 맞춤형 가이드를 이용하여 준비되고, 임플란트 구성요소들은 관절 표면 준비에 기초하여 최적의 위치 및 방향에 위치한다. 소정 실시 예들에 따르면, 임플란트 구성요소들이 위치한 이후, 제2 수술 중 광학 스캔(intra-operative optical scan)이 얻어질 수 있다. 그 다음 제2 광학 스캔으로부터 얻어진 데이터는 얼마나 정확하게 임플란트 구성요소 위치를 달성했는지를 결정하기 위해 그리고 실제 위치 및 예측했던 이상적인 배치로부터 필요한 수정사항이 있는지 식별하기 위해 컴퓨터 모델 및 예측했던 임플란트 위치와 비교될 수 있다. 일단 임플란트 구성요소들이 배치되고 의사가 그 결과에 만족하면, 수술 절차는 안전한 의료 기술(sound medical technique)에 따라 완료될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 본 발명의 다양한 목적 성취를 위해 기술되어 있다. 이러한 실시 예들은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이라는 점이 인정되어야 한다. 실시 예들의 수많은 수정 및 적용은 본 발명의 기술적 사상 및 발명의 범위를 벗어나지 않는 범주에서 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (17)

  1. 관절에 대해 임플란트(implant)를 이식하는 방법으로서,
    (a) 하나 이상의 절개(incision)를 통하여 환자의 관절을 노출하는 단계;
    (b) 이미지 데이터를 얻기 위하여 광학 스캐너(optical scanner)를 사용해 상기 노출된 관절을 스캔하는 단계;
    (c) 상기 이미지 데이터를 사용하여, 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계;
    (d) 상기 관절 컴퓨터 모델 및 컴퓨터 프로세서를 사용하여, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성(optimal implant attribute)을 식별하는 단계; 및
    (e) 상기 관절에 대해 상기 식별된 최적 임플란트 속성을 포함하는 임플란트를 이식하는 단계를 포함하는 임플란트 이식 방법
  2. 제1 항에 있어서, 상기 관절을 노출하는 단계는 무릎 관절을 노출하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  3. 제2 항에 있어서, 상기 무릎 관절을 노출하는 단계는 무릎 관절과 관련된 인대 부착점(ligament attachment points) 및 관절 표면(articular surfaces)을 노출하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  4. 제1 항에 있어서, 상기 광학 스캐너를 사용해 노출된 관절을 스캔하는 단계는 토포그래피 스캐너(topographical scanner)를 사용해 상기 노출된 관절을 스캔하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  5. 제1 항에 있어서, 노출된 관절을 스캔하기 전에 상기 관절과 관련된 인대 부착점을 마킹(marking)하는 단계를 더 포함하는, 임플란트 이식 방법
  6. 제1 항에 있어서, 상기 노출된 관절을 스캔하는 단계는 경골(tibia), 대퇴골(femur), 그리고 슬개골(patella)과 관련된 표면을 스캔하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  7. 제1 항에 있어서, 상기 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 3차원 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  8. 제1 항에 있어서, 상기 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 기계적 축(mechanical axis)을 상기 관절에 관련시킨 정보가 통합된 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  9. 제1 항에 있어서, 상기 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 적어도 하나의 인대 부착점 위치를 상기 관절에 관련시킨 정보가 통합된 관절 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  10. 제1 항에 있어서, 적어도 하나의 최적 임플란트 속성을 식별하는 단계는 상기 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하기 위해 상기 컴퓨터 프로세서 및 상기 관절 컴퓨터 모델을 사용하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  11. 제10 항에 있어서, 상기 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하는 단계는 상기 임플란트의 이식 후 관절의 움직임을 시뮬레이션 하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  12. 제11 항에 있어서, 상기 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하는 단계는 상기 관절에 대해 이식하기 위한 잠재적 임플란트 구성요소를 시뮬레이션 하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  13. 제12 항에 있어서, 상기 잠재적 임플란트 구성요소를 시뮬레이션 하는 단계는 사용가능한 임플란트 구성요소 라이브러리(library)에서 선택된 사용가능한 임플란트 구성요소를 시뮬레이션 하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  14. 제11 항에 있어서, 상기 관절에 대해 이식된 임플란트를 시뮬레이션 하는 단계는 상기 관절에 대해 이식하기 위한 잠재적 임플란트 위치 및 방향을 시뮬레이션 하는 단계를 포함하는, 임플란트 이식 방법
  15. 제1 항에 있어서, 상기 관절 컴퓨터 모델 및 상기 식별된 최적 임플란트 속성을 사용하여 사용자 정의 뼈 프렙 정보(custom bone preparation information)를 결정하는 단계를 더 포함하는, 임플란트 이식 방법
  16. 제15 항에 있어서, 상기 사용자 정의 뼈 프렙 정보를 사용하여 신속히 사용자 정의 커팅 가이드(custom cutting guide)를 제조하는 단계를 더 포함하는, 임플란트 이식 방법
  17. 제15 항에 있어서, 상기 사용자 정의 뼈 프렙 정보를 사용하여 조절 커팅 장치(adjustable cutting device)를 조절하는 단계를 더 포함하는, 임플란트 이식 방법
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