KR20150014442A

KR20150014442A - 시술 동안 임플란트 시스템을 정렬시키기 위한 휴대식 추적 시스템 및 장치

Info

Publication number: KR20150014442A
Application number: KR1020147031020A
Authority: KR
Inventors: 아난사라만 듀시안; 케탄 자잘; 사친 싱할; 히테시 간주; 딕샤 밥후타; 디네시 샤르마; 비제이 찬드라 보스; 아담 바스티안
Original assignee: 스트라이커 글로벌 테크놀로지 센터
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2015-02-06
Also published as: EP2844180A4; CN104271068A; WO2013164770A2; AU2013255438A1; JP2015516228A; WO2013164770A3; EP2844180A2; CA2871997A1; IN2012DE01345A

Abstract

본 발명은 휴대식 추적 시스템 및 장치에 관한 것으로, 수술 임플란트 시스템과 기구를 환자의 아나토미를 참고하여 수술중 정렬 또는 포지셔닝하기 위해 적어도 하나의 휴대식 트래킹 장치를 포함한다. 휴대식 추적 시스템은 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트를 더 포함한다. 휴대식 장치는 홀딩 수단을 이용하여 제안되는 이식 장소에 장착되고 반면 추적가능한 엘리먼트는 미리결정된 위치에 장착되어, 환자와 수술 기구의 위치와 관련된 추적가능 엘리먼트로부터의 데이터는 연속적으로 휴대식 장치로 입력된다. 이어서 휴대식 장치는 프로세싱 수단에서 미리로딩된 수술전 스캔 이미지에 기반하여 데이터를 처리하여 살균 환경에서 상기 임플란트 시스템의 정확한 배치를 관찰할 수 있다.

Description

시술 동안 임플란트 시스템을 정렬시키기 위한 휴대식 추적 시스템 및 장치{HANDHELD TRACKING SYSTEMS AND DEVICES FOR ALIGNING IMPLANT SYSTEMS DURING SURGERY}

본 발명은 시술 동안 임플란트 시스템을 정렬시키기 위한 휴대식 추적 시스템 및 장치, 그리고 휴대식 추적 장치를 이용하여 침습적 외과적 추적을 최소로 수행하는 프로세스에 관한 것이다.

본 명세서는 특허법 1970의 섹션9(2)에 의거하여 2012년 5월 2일 출원된 가출원번호 1345/DEL/2012, 2012년 10월 25일 출원된 3283/DEL/2012와 관련된다.

시간의 경과와 반복된 사용에 따라, 뼈와 관절은 손상(damaged)되거나 퇴화(worn)될 수 있다. 물리적 활동 중에 관절에 쿠션 기능을 제공하는 관절 영역의 연골(cartilage)은 육상 활동(athletic activity)의 경우, 또는 외상을 초래하는 사건(traumatic event)을 당했을 때와 같이 뼈와 관절 상에 반복적 압박이 가해지는 것에 의해, 또는 골관절염(osteoarthritis)과 같은 특정 질병에 의해 퇴화되거나 손상될 수 있다. 이런 상태는 환자에게 통증, 결림(stiffness), 환장의 이동성을 감소로 나타난다.

병든 관절을 인공 관절로 교체하기 위해 관절성형술(arthroplasty procedure)이 일반적으로 이용되고 있다. 통상의 관절성형술 동안, 관절염(arthritic) 또는 기타 제기능을 못하는(dysfunctional) 관절은 재성형(reshape) 및/또는 재배열(realigned)되고, 임플란트 시스템은 손상된 영역에 정밀하게 포지셔닝된다. 관절성형술은 무릅, 힙, 어깨, 팔꿈치를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는 신체의 상이한 영역 내의 어떤 관절에도 시술될 수 있다.

관절성형술의 중요 목적 중 하나는 환자의 아나토미(anatomy)을 회복시키는 것이며, 특히 아나토미(anatomy)에 기준하여 임플란트 컴포넌트를 정렬 또는 포지셔닝하는 것이다. 이와 같은 임플란트를 아나토미에 맞춰 정렬하는 것은 기계식 기구 및/또는 네비게이션 시스템을 사용하여 수행된다. 기계식 기구를 사용할 때의 단점은 이들이 평균 아나토미 관계(average anatomical relationships)에 기반하고 있고 또한 특이한 환자 또는 외과적 셋업(surgical setup)에 대한 파라미터를 고려하지 않기 때문에 부정확한 정렬의 가능성이 있다는 점이다. 또한 이들 기계식 기구는 직관적이지 않고 사용이 쉽지 않으며, 기구의 연속적인 모니터링을 위해 큰 외과적 절개를 요구하며, 기구를 바디(body) 상의 키 아나토미 랜드마크(key anatomical landmarks)에 수동으로 정렬시켜야 한다. 이들 아나토미 랜드마크는 불안정적이기 때문에 부정확한 판단을 초래할 수 있다.

또한 관절성형술에 있어서의 현존하는 네이게이션 시스템은 매우 복잡하고 고가이다. 이러한 시스템을 이용하는 것은 수술실 내의 살균 영역의 외측의 네비게이션 컴퓨를 조작하기 위한 추가의 인원을 필요로 한다. 이외에도, 현존하는 네비게이션 시스템은 살균 환경 외측에 배치된 외부 카메라(external cameras) 또는 적외선 센서(infrared)와 수술실의 살균 영역 내측에서 이용되는 네비게이션 기구 사이의 직-가시선(direct line-of-sight)에 의존한다. 이는 수술 절차를 어렵게 만들고 외과의는 수술실 밖으로 자주 이동하여 살균 영역 외측에 존재하는 카메라 시스템으로 살균 영역 내측에 위치한 추적 시스템을 볼 수 있다.

따라서 높은 정확도를 가지면서 외과적 수술 동안 간단하게 사용할 수 있고, 수술 중 환자의 임플란트 시스템을 정렬할 수 있는 휴대식 추적 시스템 및 장치가 필요하고, 이는 살균 영역 내측에서 제어 및 사용되어 외과의에게 수술중 더 많은 융통성을 제공한다.

전술한 단점들은 관절성형술의 학술지에 "Improving acetabular cup orientation in the total hip arthroplasty by using smartphone technology"라는 제목으로 실린 기사에서 다루어지고 있고, 이는 비구(acetabular) 배치를 위한 스마트폰의 용도에 대해 시사하고 있다. 시술 지원 스마트폰의 사용의 이점은 매우 많은데, 정밀한 디지털 경사도(inclination), 소요 시간 단축, 외부참조절개(external reference incisions)의 필요 없음, 최소한의 셋업 요건(minimum set up requirements)을 예로 들 수 있다. 그러나 이 기사는 임계 각도(critical angle)인 전경 방위(anteversion orientation)를 정확하게 검출하는 것에 관한 정보는 언급하고 있지 않다. 전경 방위에 있어서의 부정확함은 전위(dislocation)가 반복되는 것과 같은 수술후 문제(post-surgery complications)를 상당히 증가시키게 된다.

본 발명의 목적은 수술중 아나토미와 관련된 수술중 정렬 임플란트 시스템 및/또는 외과 기구를 위한 휴대식 추적 시스템 및 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수술 동안 환장의 아나토미에 관련된 임플란트 시스템의 정확한 포지셔닝 및/또는 사이징(sizing)을 위한, 살균 영역 외측의 가시선(line-of-sight) 연결에 의존함이 없는, 간단하고 셋업이 쉬운 휴대식 추적 시스템 및 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 외과 수술 동안 청각 및/또는 시각적 수단을 통해 포지션 및/또는 사이즈를 지시(indicating)할 수 있는 휴대식 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 살균 환경 내에서 실시간 임플란트 시스템 정보를 검출 및 디스플레이할 수 있는 센서를 구비한 적어도 하나의 휴대식 장치를 포함하는 휴대식 추적 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수술 동안 다양한 타입의 기구에 장착(mounted)될 수 있고, 또한 환자에게 고정(anchored)될 수 있는 휴대식 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 환자 데이터에 기반한 수술전(pre-operative) 이미지, 또한 임플란트 시스템, 기구 및/또는 환자 포지션으로부터의 수술중(intra-operative) 이미지를 판독 및 처리할 수 있는 기능을 가진 휴대식 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 외부 장치 또는 리퍼런스(reference) 없이 데이터 통신 링크 또는 프로토콜을 사용하여 무선으로 통신할 수 있는 휴대식 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 시스템 및 장치를 사용하는 휴대식 외과수술(surgical) 추적 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 다양한 외과 수술 동안 외과의에 의해 이용되기 쉬운, 비용 효과적이고 다루기 편한 추적 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은 환자의 아나토미와 관련하여 임플란트 시스템과 기구를 수술중 정렬 또는 포지셔닝하기 위한 적어도 하나의 휴대식 추적 장치를 포함한다. 본 발명은 또한 본 발명의 시스템 및 장치를 사용하여 살균 환경 내에서 외과수술적인 추적을 최소화하는 프로세스를 제공한다.

따라서 이 발명은 수술 기구(surgical instruments) 및/또는 임플란트 시스템의 수술중 정렬(alignment)을 위한 휴대식 추적 시스템(handheld tracking system)을 제공한다. 휴대식 추적 시스템은 적어도 하나의 휴대식 장치(handheld device)를 포함하고, 휴대식 장치는 데이터 입력 수단, 프로세싱 수단, 스토리지 수단, 및 프로세싱된 데이터의 출력 수단 및 재충전가능한 전원을 포함한다. 휴대식 추적 시스템은 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트 및 살균 환경(sterile environment)에서 상기 휴대식 장치를 고정하기 위한 적어도 하나의 홀딩 수단(holding means)을 더 포함한다.

수술전 스캔 데이터와 기타 환자 특정 데이터가 로딩된 휴대식 장치는 홀딩 수단에 의해 제안되는 이식 장소(implantation site)에 장착되고, 추적가능 엘리먼트는 미리결정된 위치(location)에 장착된다. 배치된 추적가능 엘리먼트로부터 환자와 수술 기구의 위치와 관련된 데이터는 상기 입력수단을 통해 연속적으로 입력되고, 상기 데이터는 사전-로딩된 수술전 스캔 이미지에 기초하여 프로세싱 수단에서 더 연속적으로 처리되고, 살균 환경의 현장에서 임플란트 시스템의 정확한 배치를 모니터링하기 위해 연속적인 처리 데이터가 제공된다.

본 발명의 다른 양태에서, 본 발명은 휴대식 추적 시스템의 사용하는 방법이 제공된다. 이 방법은 환자 특정 수술전 스캔(preoperative scan)을 휴대식 장치에 업로딩하는 단계를 포함한다. 추가적으로 이 방법은, 수술의 완료시 환자의 다리 길이(leg length)의 길이 차이(length discrepancy)를 방지하기 위해 대퇴부(femur)의 헤드부 상에 위치된 추적가능 엘리먼트의 위치 데이터를 휴대식 장식에 업로딩하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은 휴대식 장치를 환자 아나토미/뼈에 장착하고 이를 홀딩 수단으로 고정하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트를 수술 기구에 포지셔닝하고, 임플란트 시스템의 바람직한 위치를 결정하기 위해 환자를 휴대식 장치 상에 저장된 수술전 스캔에 정렬하고, 수술의 정확한 코스와 임플란트 시스템의 순차적인 이식(implantation)을 확인하기 위해, 식별된 참조 위치에 관하여 수술 기구를 동적으로 추적하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면 셋업(setup)이 용이하고, 비용 효과적이면서, 다루기 쉽고, 다양한 외과 수술 동안 외과의에 의해 쉽게 사용될 수 있는 외과수술 네비게이션 시스템과 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 특징이 구현될 수 있는 휴대식 추적 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 휴대식 장치의 다른 특징을 도시한 휴대식 장치의 정면도.
도 3은 상대적 측정(relative measurements)에 관한 정보를 디스플레이하는, 휴대식 장치의 정면도.
도 4는 휴대식 장치의 특징을 나타내는 배면도.
도 5는 환자에게 휴대식 장치를 배치한 것을 나타낸 도면.
도 6은 장치 홀더의 특징을 도시하는 도면으로, 장치 홀더 내에 휴대식 장치를 고정한 고정 매커니즘을 나타낸 도면.
도 7은 환자에게 휴대식 추적 시스템을 다양하게 배치하는 특징을 나타낸 도면.
도 8은 휴대식 추적 시스템과 장치의 구현을 나타낸 도면으로, 구체적으로는 환자에게 휴대식 장치 1과 2를 상대적으로 배치한 도면.
도 9는 휴대식 장치에 있어서 수술 기구/임플란트의 초기 포지션을 고정하기 위한 아나토믹하게 매칭된 블럭을 나타낸 도면.
도 10은 관절성형술에 있어서 원하는 깊이로 리밍 단계(reaming step)을 수행하는 것을 도시한 도면.
도 11은 관절성형술에 있어서 원하는 다리 길이(leg length)를 얻기 위한 임플란트 시스템 정렬를 도시한 도면.
도 12는 수술 동안 휴대식 추적 시스템의 사용을 도시한 처리 흐름도.

본 발명은 종래 기술에 있어서의 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 수수 동안 임플란트 시스템을 정렬하기 위한 휴대식 추적 시스템 및 장치를 제공한다. 상기 휴대식 추적 시스템은 수술중 임플란트 정렬 시스템을 위한 휴대식 장치 및/또는 관절성형술 동안 환자의 아나토미(anatomy)에 관련된 수술 기구를 포함한다. 본 발명의 시스템은 수술 동안 환자의 아나토미에 관련된 임플란트 시스템의 포지셔닝(positioning) 및/또는 사이즈(size)를 정확하게 결정하는데 이용된다. 본 명세서에서 용어 "관절성형술(arthroplasty) 또는 관절성형술 수술(arthroplasty procedures)"은 정형외과(orthopedic surgery)의 수술절차로 언급되고, 여기서 관절염 또는 기타 제기능을 수행하지 못하는 관절이 성형(reshaped) 및/또는 재정렬(realigned)되고, 필요에 따라 임플란트 시스템이 손상된 영역에 위치된다. 관절성형술 수술은 무릅, 힙, 발목, 어깨 및 팔꿈치를 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않는 바디의 상이한 영역 내의 모든 관절에 시술될 수 있다. 용어 "홀딩 수단(holding means)"은 살균 환경에서 환자의 아나토미 또는 수술 기구에 휴대식 장치를 고정하기위한 수단으로 언급된다.

관절성형술 수술의 경우 임플란트의 정확한 포지셔닝은 매우 중요하다. 임플란트의 부정확한 포지셔닝은 관절의 탈구(dislocation), 좋지 못한 로딩 상태(loading condition)와 같은 수술후 불편함을 유도할 수 있고, 그에 따라 임플란트 시스템의 결함이 발생되어, 전문 외과의에 의해 비싸고 매우 어려운 교정(correction)/수정(revision) 수술을 받아야만 한다. 본 발명은 적어도 하나의 휴대식 장치를 포함하는 시스템에 대해 개시한다. 휴대식 장치는 관절성형 수술 동안 외과의에 의해 사용될 수 있는 기구에 부착될 수도 있고 또한 홀딩 수단에 의해 환장의 바디의 아나토믹한 부분에 결합될 수도 있는데, 적어도 하나의 휴대식 장치는 청각적 및/또는 시각적 수단을 통해 포지션 및/또는 사이즈 정보를 나타낼 수 있다.

도 9는 하나의 휴대식 장치를 포함하는 휴대식 추적 시스템을 나타내고, 도 1, 도 7 및 도 8은 두개의 휴대식 장치(1,2)를 구비한 휴대식 추적 시스템을 나타낸다.

도 2, 도 3, 도 4는 휴대식 추적 장치를 나타내고, 도 9, 도 10, 도 11은 관절성형술에서의 휴대식 추적 시스템의 사용 방법을 나타낸다.

도 9에 도시된 휴대식 추적 시스템은 하나의 휴대식 장치(2)와 추적가능 엘리먼트(3200)를 포함한다. 휴대식 장치는 홀딩 수단(1027)에 의해 환자 바다(800)의 아나토미 상에 장착되고, 휴대식 장치에 의해 판단가능한 추적가능 엘리먼트(3200)는 슬롯(3101)을 통해 수술 기구(1004) 상에 장착된다. 추적가능 엘리먼트(3200)는 반사 재료로 만들어지거나 고유의 컬러를 가지고 있다. 휴대식 장치(2)가 추적가능 엘리먼트(3201)를 용이하게 검출하도록 추적가능 엘리먼트(3200)는 슬롯 수단(3101)을 통해 수술 기구(1004)에 고정된다.

휴대식 장치(2)는 프로세서, 재충전 또는 일회용 배터리, 스피커, 터치스크린 디스플레이, 카메라 센서, 가속도계(accelerometer) 센서, 자이로(gyro) 센서, 플래쉬라이트 등을 포함할 수 있다. 휴대식 장치(2)에 포함된 센서는 상호 통신가능하고 또는 어떤 외부 장치 또는 리퍼런스없이 외과수술팀과 통신가능하며, 살균 환경에서 실시간 임플란트 시스템을 검출하고 디스플레이할 수 있다.

도 2, 도 3 및 도 4는 예시적인 휴대식 추적 장치를 상세히 도시한 도면이다. 휴대식 장치는 디스플레이 스크린(300), 휴대식 장치의 정면과 배면에 각각이 설치된 디지털 카메라(200A,200B), 내장 스피커(400), 휴대식 장치의 정면과 배면에 각각이 설치된 내장 플래시라이트(500,5001)를 포함한다. 휴대식 장치는 또한 수술의 여러 단계에서 유용한 수술전 그리고 수술중 데이터를 저장하기 위한 디지털 메모리를 더 포함할 수도 있다.

디지털 카메라(200A,200B)는 이미지를 캡처하기 위한 센서, 캡처 이미지를 처리하는 프로세서를 포함하고 결과는 디스플레이 스크린(300)에 디스플레이된다. 디스플레이 스크린은 또한 외과의에 의해 추적가능 엘리먼트의 원하는 시작 위치(201)를 기록하기 위한 입력으로서 사용될 수 있는 터치 스크린일 수도 있다. 디스플레이 스크린은 시작 위치(201) 뿐만 아니라 추적가능 엘리먼트의 현재 동적인 위치(dynamic position)(220)를 디스플레이할 수도 있다. 휴대식 장치는 트래커 형태(tracker shape)를 인식하고 이미지 프로세싱을 사용하여 원형, 사각형, 타원형일 수도 있는 트래커 시스템(210)의 경계를 디스플레이한다. 디스플레이 스크린은 수술 중 특정 수술 단계에 관련하여 추적가능 엘리먼트의 시작 및 현재 위치 사이에 상대 차이(relative difference)를 나타내는 정보를 제공할 수 있다. 상기 정보는 수술 절차에 있어 매우 유용한데, 예를 들면 전체 힙 관절성형술에 있어서, 비구컵(acetabular cup)의 위치, 전경(anteversion), 경사(inclination), 리밍의 깊이 등과 같은 것들을 나타낸다.

휴대식 장치(1,2)의 내장 스피커(400)는 확인 음향 또는 경계외 "경고 비프"와 같은 수술 동안 특정 피드백을 제공할 수 있다. 내장 카메라(200A,200B)와 함께 내장 플래쉬라이트(500,501)는 복잡한 배경(background)에서도 추적가능 엘리먼트(2500,3200,3300,3500) 위치를 정확하게 캡처할 수 있도록 한다.

관절성형술 수술에 있어서 본 발명의 시스템과 장치는 살균 영역 내에 쉽게 배치될 수 있다. 도 4는 살균 환경 내에 휴대식 장치(1,2)를 유지하기 위한 장치 홀더를 나타낸다. 장치 홀더(1020)는 재사용가능하거나 일회성 투명 살균 백(bag)을 포함할 수 있다.

도 5는 환자의 아나토미 또는 뼈(800) 상으로의 휴대식 장치(2)의 장착 배열(mounting arrangement)(1025,1026,1027)을 나타낸다. 장착 배열은 기구(1025), 살균 슬리브(sterile sleeve)(1026) 및 살균 핀(1027)의 조립체를 포함한다.

도 5는 환자의 아나토미 상으로의 휴대식 장치(2)의 홀딩 수단을 나타낸다. 산균 핀 또는 스크류(1027)의 한쪽은 환자의 아나토미 또는 뼈(800)에 연결되는 반면 다른쪽은 장치 홀더(1020)에 연결된다. 살균 핀 또는 스크류(1027)는 살균 슬리브(1026) 내측에서 유지되어 살균 핀은 비살균 환경인 경우에도 환자 뼈(800)로 삽입될 수 있고, 따라서 외과의는 수술 전 및/또는 수술 도중에 휴대 장치를 원하는 위치에 위치시킬 수 있다.

도 6은 환자의 아나토미 상으로의 휴대식 추적 장치(2)의 다른 홀딩 매커니즘을 나타낸 도면이다. 이 장치 홀더(2000)는 고정 피트(secured fit)(2030)에 대해 휴대식 장치(2)가 일치하도록 형성된 베이스(2010)를 포함한다. 장치 홀더(2000)는 밀착고정식 인클로저(a close and secure enclosure)를 형성하여 휴대식 장치(2)를 보호하도록 장치 홀더(2010)의 베이스에 대해 힌지(hinge)될 수 있는 도어(door)형 메커니즘(2020)을 구비한다. 장치 홀더(2010)의 베이스는 개부부(2031)를 구비하여 휴대식 장치(2)의 카메라/센서의 바람직한 기능을 보장한다. 휴대식 장치(2)는 장치 홀더(2000)와 스크류 메커니즘을 통해 고정된 핀(1027)의 조립체를 통해 뼈에 장착될 수 있다.

도 1의 (A), (B), 도 7 및 도 8은 두개의 휴대식 장치(1,2)가 도시된, 살균 환경에서의 휴대식 추적 시스템 및 장치를 나타낸 도면이다. 휴대식 장치(1)는 수술 기구(1000,1003)에 고정된 반면 다른 휴대식 장치(2)는 환자의 아나토미(800)에 장착된다. 휴대식 장치(2)는 홀딩 장치(1030) 또는 1020-1025-1026-1027 또는 1027-2000의 조립체를 통해 환자의 아나토미 또는 뼈에 고정된다. 환자는 환자의 포지셔닝을 도울수 있는 그리드(grids) 및/또는 마크(marks)를 가질 수도 있는 외과수술 테이블의 평탄한 표면(1010) 상에 위치된다. 휴대식 장치(1) 채널(600)과 휴대식 장치(2) 채널(700) 사이에 양방향 데이터 통신이 발생된다.

도 7은 그들 각각의 휴대식 장치(1,2) 상의 동일 또는 상이한 평면에서 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트(3500,2500)의 배열을 나타낸 도면이다. 추적가능 엘리먼트는 반사 재료 또는 카메라 센서가 엘리먼트를 쉽게 식별하도록 고유의 칼라를 가진 것으로 이루어진다. 도 7은 정확한 외과수술 결과를 위해 환자 아나토미(800)에 대한 수술 동안 위치가 추적되는 수술 기구(1003)의 축(1002)도 나타내고 있다.

도 8은 도 7에 도시한 배열의 다른 상세한 도면이다. 이는 장치 홀더(2000 및/또는 1020)에 대한 구조와 유사한 장치 홀더(3000)를 나타낸다. 휴대식 장치(1)의 장치 홀더(3000)는 휴대식 장치(1)를 보호하기 위해 밀착고정식 인클로저를 형성하도록 장치 홀더(3030)의 베이스에 대해 힌지될 수 있는 도어식 메커니즘(3020)을 구비한다. 장치 홀더(3030)의 베이스는 개구부(3031)를 포함하여 이 개구부는 휴대식 장치(1)의 카메라/센서의 정상적인 기능을 보장한다.

도 12는 휴대식 추적 시스템을 사용하는 방법을 설명하는 흐름도이고, 이 방법은 환자 특정 수술전 스캔(preoperative scan)을 휴대식 장치(1,2)에 업로딩하는 단계, 외과의에 의해 추가적인 환자 특정 데이터(patient-specific data)를 휴대식 장치에 업로딩하는 단계, 수술의 완료시 환자의 다리 길이(leg length)의 길이 차이(length discrepancy)를 방지하기 위해 대퇴부(femur)의 헤드부 상에 위치된 추적가능 엘리먼트(2700)의 위치 데이터를 휴대식 장식에 업로딩하는 단계, 휴대식 장치를 환자 아나토미/뼈에 장착하고 이를 홀딩 수단으로 고정하는 단계, 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트(2500,3200,3300,3500)를 수술 기구에 포지셔닝하는 단계, 임플란트 시스템의 바람직한 위치를 결정하기 위해 환자를 상기 휴대식 장치 상에 저장된 수술전 스캔에 정렬하는 단계, 아나토믹하게(anatomically) 매칭된 환자 특정 블럭(patient specifi block)(810)을 수술 기구 상에 장착하고, 이를 수술전 스캔에 정렬시키고, 임플란트의 바람직한 위치를 휴대식 장치의 디스플레이 수단(300) 상에 참조 위치로서 고정(fixing)하는 단계, 수술의 정확한 코스와 임플란트 시스템의 순차적인 이식(implantation)을 확인하기 위해, 식별된 참조 위치에 관하여 수술 기구를 동적으로 추적하는 단계를 포함한다.

예제

예시적인 실시예에서, 이 발명은 힙 관절성형술에 대해 휴대식 추적 시스템과 장치의 사용을 제공한다. 힙 관절성형술은 힙 관절이 보철(prosthetic) 임플란트 시스템으로 대체되는 외과 수술로서, 비구(acetabulum, 소켓(socket)) 측에 컵 설치(cup placement)와 대퇴골(femur, 볼(ball)) 측에 스텝 설치(setp placement)하는 것을 포함한다. 힙 관절성형술은 완전 대체 또는 반 대체로 수행될 수 있다. 이런 관절성형술 수술은 둔두골절 치료의 일부분으로 극심한 물리적 관절 손상을 고치기 위해 또는 관절염 통증을 완화하기위해 통상적으로 시술된다.

통상적으로, 컵 설치 절차는 사용되는 임플란트 종류에 따라 두개 또는 세개의 단계로 나뉜다. 시멘트질 컵 임플란트의 경우, 첫 단계로 비구가 리머(reamer)를 사용하여 리밍되고 이어서 컵이 시멘트를 따라 배치된다. 비시멘트질 압입-맞춤(press-fit) 임플란트의 경우, 비구가 리밍되고 이어서 임팩트 툴(impaction tool)을 사용하여 뼈 위에 컵이 압입-맞춤된다.

힙 관절성형술 수술은 일반적으로 비구 깊이, 크기 및 해부학적 랜드마크를 가능하기 위해 X-Ray, CT 스캔 또는 MRI 스캔과 같은 수술전 스캔으로 시작된다. 수술전 스캔은 또한 환자 아토나미에 대해 적합한 가장 바람직한 임플란트 크기의 선택에도 도움을 준다. 이 단계 이후에 적절한 환자 데이터가 휴대식 장치로 전달 및/또는 저장된다.

수술 동안, 휴대식 장치(2)는 골반뼈(pelvis born)(800) 상에 단단하게 장착되고, 추적가능 엘리먼트(3200)는 도 9에 도시한 바와 같이 리머(reamer)와 같은 수술 기구상에 장착된다. 휴대식 장치(2)의 카메라 센서(200A)는 추적가능 엘리먼트(3200) 및/또는 기구(1003,1004)의 기구축(instrument axis)(1002)의 원하는위치를 캡처한다. 이 캡처된 위치는 수술전 데이터(pre-op data), 아나토믹하게 매칭된 블록(810) 또는 외과의 수술중 임상 판단(clinical judgment) 중 하나를 이용하여 최적화될 수 있다. 이 캡처된 정보는 처리되어 휴대식 장치(2)의 스크린(300) 상에서 디스플레이(201)된다.

일단 원하는 위치가 외과의에 의해 승인되면, 휴대식 장치는 계획된/바람직한/승인된 기구 축을 재생성(reproduce)하여 순차적인 외과수술 단계로 외과의를 안내한다. 예를 들면, 리밍 절차 동안 비구를 준비하기 위해 다양한 크기의 리머가 사용된다. 휴대식 장치(2)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 원하는 위치뿐만 아니라 추적가능 엘리먼트(3200) 및/또는 기구의 현재 동적인 위치를 디스플레이한다. 이는 외과의가 수술 기구의 위치를 교정하고 리밍과 임팩션(impaction)의 전체 절차 동안 반복해서 미리식별된 바람직한 위치로 돌아가는 것을 허용하여 결과적으로 정확하게 비구 임플란트 컴포넌트가 배치된다.

다른 실시예에서, 기구(1004)에 장착된 추적가능 엘리먼트는 정의된 치수(defined dimensions)를 가진다. 휴대식 장치(2)는 추적가능 엘리먼트 이미지(201)를 처리하고, 원형, 타원형, 또는 사각형 등의 형태로 있는 특정 치수를 가진 오브젝트로서 이를 인식할 수 있다. 이는 휴대식 장치(2)가 각도, 거리, 직경 등과 같은 크리티칼(critical) 정보를 나타내는 것을 허용한다. 예를 들면, 도 10은 리밍의 깊이를 나타내는 정의된 치수의 두개 원형의 추적가능 엘리먼트(3200,3300)를 나타낸다.

다른 실시예에서, 추적가능 엘리먼트(2700)는 하나의 뼈에 장착가능하고, 휴대식 장치는 다른 뼈에 장착될 수 있다. 이런 상태에서 휴대식 추적 시스템은 임플란트 시스템의 정확한 포지셔닝을 도와주고 따라서 관절내에 뼈의 상대적 위치를 정확하게 정렬한다. 예를 들면, 힙 관절성형술 수술에 있어서, 도 11은 간단한 추적가능 엘리먼트(2700)를 나타내고, 추적가능 엘리먼트는 소형의 버튼 타입 트래커 또는 수술 동안 특정 영역을 마킹하기 위해 메틸렌 블루 펜(methylene blue pen)을 사용하여 대퇴골 뼈(801)에 부착된다. 이러한 추적가능 엘리먼트/마크는 골반뼈(800)에 부착된 카메라에 의해 검출될 수 있고, 이 추적가능 엘리먼트(215)의 처리된 이미지는 휴대식 장치(2) 상에 표시될 수 있다. 이런 추적가능 엘리먼트 위치는 관절을 열기 전에 외과의에 의해 최초로 기록될 수 있다. 이 위치는 환자에게 요구되는 다리 길이를 정확하게 구현하기 위해 스템(stem) 및 컵 설치 동안 이후의 단계에서 이용될 수 있다.

전술한 처리는 힙 관절성형술에서 이용되었지만, 본 발명의 처리는 환자 아나토미의 개조(recreation)가 중요한 다른 외과적 수술에 대해 변형 및 적응될 수 있다. 이러한 외과 수술은 무릅 관절성형술 힙 관절성형술, 어깨 관절성형술, 손목 관절성형술, 발목 관절성형술, 척추수술, 및 골절술을 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 휴대식 추적 시스템은 살균 영역의 외측으로부터 외부적인 리퍼런스를 사용함이 없이 환자 바디의 본래의 아나토미에 대해 임플란트 시스템 및/또는 수술 기구의 포지션을 정확하게 검출할 수 있다. 본 발명의 휴대식 시스템은 살균 영역 외측의 어떤 리퍼런스의 가시선에 있을 필요가 없다.

따라서 본 발명은 단순하고, 셋업이 용이하고, 비용효과적이면서 다루기 쉽고, 다양한 외과 수술 동안 외과의에 의해 쉽게 사용될 수 있는 외과수술 네비게이션 시스템과 장치를 제공한다.

Claims

수술 기구(surgical instruments) 및/또는 임플란트 시스템의 수술중 정렬(alignment)을 위한 휴대식 추적 시스템(handheld tracking system)에 있어서,
상기 휴대식 추적 시스템은,
- 적어도 하나의 휴대식 장치(handheld device)(1,2)로서, 상기 휴대식 장치는 데이터 입력 수단(200A,200B,300), 프로세싱 수단, 스토리지 수단, 및 프로세싱된 데이터의 출력 수단(300,400) 및 재충전가능한 전원을 포함하고, 환자 특정 수술전 스캔 이미지와 환자 특정 데이터가 로딩되는 휴대식 장치(1,2),
- 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트(2500,3200,3300,3500), 및
- 살균 환경(sterile environment)에서 상기 휴대식 장치를 고정하기 위한 적어도 하나의 홀딩 수단(holding means)(1020,1030,1027,1025,3500)을 포함하고,
상기 휴대식 장치는 홀딩 수단을 사용하여 제안된 이식 장소(implantation site)에 장착되고, 상기 추적가능 엘리먼트(2500,3200,3300,3500)는 미리결정된 위치(location)에 장착되고,
배치된 추적가능 엘리먼트로부터 환자와 수술 기구의 위치와 관련된 데이터는 상기 입력수단을 통해 연속적으로 입력되고, 상기 데이터는 사전-로딩된 수술전 스캔 이미지와 환자 특정 정보에 기초하여 처리되고, 살균 환경의 현장에서 임플란트 시스템의 정확한 배치를 모니터링하기 위해 연속적인 처리 데이터가 제공되는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
상기 입력 수단은 적어도 하나의 디지털 카메라(200A,200B), 복수의 센서, 터치 스크린, 터치 패드, 키보드, 음성 입력 시스템으로부터 선택된 것들의 조합인 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
상기 출력 수단은, 디스플레이 수단, 청각 수단, 시청각 수단, 터치스크린으로부터 선택된 것들의 조합으로서, 외과의에 의한 시작 입력을 포함하는 런타임(runtime) 정보를 제공할 수 있고, 다양한 수술 단계 동안 수술 기구의 특정 위치와 계측 특정 각도를 기록할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 센서는 내장식 디지털 카메라 센서, 자이로 메터 센서, 가속도메터 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
추적가능 엘리먼트의 미리결정된 위치는 대퇴골 뼈 헤드(femur born head)와 같은 뼈 및/또는 수술에 채용된 수술 기구로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
추적가능 엘리먼트는 반사 재료, 고유 칼라의 재료, 메틸블루마커, 버튼(button) 및 센서가 추적가능 엘리먼트의 위치를 정확하게 검출할 수 있는 다른 엘리먼트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
상기 홀딩 수단은, 홀딩 장치(1030), 슬롯(1100)을 구비한 장치 홀더(1020)를 가진 홀딩 조립체(1025-1027-1030) 및 슬롯(1100)을 구비한 장치 홀더(1020)를 고정하기 위한 살균 핀(sterile pin)(1027)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제7항에 있어서,
상기 홀딩 조립체는 상기 장치 홀더(1020)에 연결되는 홀딩 기구(1025), 제거가능한 살균 슬리브(sterile sleeve)(1026) 및 살균 핀(1027)을 포함하고, 상기 홀딩 기구는 상기 제거가능한 살균 슬리브(1026) 내에 배치되고 살균 핀(1027)을 사용하여 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제7항에 있어서,
상기 살균 핀(1027)은 휴대식 장치의 장치 홀더(1020)를 환자의 뼈에 직접 연결하는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제7항에 있어서,
홀딩 장치(1030)는 휴대식 장치를 환자의 아나토미(anatomy)에 엄격하게(rigidly) 연결하는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제7항에 있어서,
상기 장치 홀더는 슬롯(slots)을 가진 살균 백(sterile bag)인 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대식 장치는 재충전가능한 배터리를 구비한 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대식 추적 시스템은, 하나 이상의 휴대식 장치(1,2)를 포함하고, 상기 하나 이상의 휴대식 장치의 각각은 외부 장치 또는 리퍼런스 없이 데이터 통신 링크 또는 프로토콜을 사용하여 상호 무선으로 통신가능한 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템.
수술 기구(surgical instruments)/임플란트 시스템을 정렬(aligning)하기 위해 휴대식 추적 시스템(handheld tracking system)을 이용하기 위한 방법에 있어서,
- 환자 특정 수술전 스캔(preoperative scan)을 휴대식 장치(1,2)에 업로딩하는 단계,
- 외과의에 의해 추가적인 환자 특정 데이터(patient-specific data)를 휴대식 장치에 업로딩하는 단계, 대
- 수술의 완료시 환자의 다리 길이(leg length)의 길이 차이(length discrepancy)를 방지하기 위해 대퇴부(femur)의 헤드부 상에 위치된 추적가능 엘리먼트(2700)의 위치 데이터를 휴대식 장식에 업로딩하는 단계,
- 휴대식 장치를 환자 아나토미/뼈에 장착하고 이를 홀딩 수단(1020, 1030, 1025, 1026, 1027)으로 고정하는 단계,
- 적어도 하나의 추적가능 엘리먼트(200)를 수술 기구에 포지셔닝하는 단계,
- 임플란트 시스템의 바람직한 위치를 결정하기 위해 환자를 상기 휴대식 장치 상에 저장된 수술전 스캔에 정렬하는 단계,
- 아나토믹하게(anatomically) 매칭된 환자 특정 블럭(patient specifi block)(810)을 수술 기구 상에 장착하고, 이를 수술전 스캔에 정렬시키고, 임플란트의 바람직한 위치를 휴대식 장치의 디스플레이 수단(300) 상에 참조 위치로서 고정(fixing)하는 단계,
- 수술의 정확한 코스와 임플란트 시스템의 순차적인 이식(implantation)을 확인하기 위해, 식별된 참조 위치에 관하여 수술 기구를 동적으로 추적하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대식 추적 시스템을 이용하기 위한 방법.