KR20180114438A - System for Designing and Making Implant for Spinal Deformation Calibration with Patient customization and Controlling Method for the Same - Google Patents

System for Designing and Making Implant for Spinal Deformation Calibration with Patient customization and Controlling Method for the Same Download PDF

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Abstract

The present invention provides a patient-customized implant designing and manufacturing system for correction of spinal deformity. The system comprises: a first module for extracting a three-dimensional model from a CT image of a spinal patient under control of a control module and selecting a virtual implant model as a plurality of candidate groups on the basis of the extracted three-dimensional model; a second module for performing a fine model modeling in a three-dimensional manner according to spinal curvature of a patient on the basis of a virtual implant model selected by a clinician among the virtual implant models of the candidate groups; a third module for analyzing a three-dimensional implant model optimally designed by the second module by using a finite element scheme under control of the control module, simulating the analyzed three-dimensional implant model, and continuously correcting an error part to analyze a final implant model so that an actual implant has an optimal curve or an optimal curvature; and a fourth module for actually manufacturing a spinal deformity correction implant including a spiral rod and threads customized for an actual spinal patient while having a final virtual implant model analyzed by the third module under control of the control module. According to the present invention, an optimized implant corresponding to a surgical site of each vertebral patient is designed and manufactured to be provided to a surgeon. The present invention significantly reduces a spinal deformity error and a trial-and-error process which a surgeon may be faced by, thereby significantly reducing a time for a spinal correction operation.

Description

환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템과 그 제어방법{System for Designing and Making Implant for Spinal Deformation Calibration with Patient customization and Controlling Method for the Same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a system and a control method for a patient-customized spinal deformation correction implant,

본 발명은 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템과 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템을 통해 각 척추환자의 수술부위에 대응하는 최적화된 임플란트를 설계 및 제작하여 외과의사에게 제공하여 외과의사가 직면할 수 있는 척추변형 오차 및 시행착오 과정을 줄이는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for designing and manufacturing implantable orthodontic prostheses for orthodontic patients, and more particularly, by designing and manufacturing an optimized implant corresponding to a surgical site of each spinal patient through a three-dimensional applied implant design and manufacturing system, The present invention relates to a system and method for designing and manufacturing a patient-tailored orthodontic orthodontic prosthesis that reduces the vertebral deformity error and trial-and-error process that a surgeon can face.

일반적으로 사람의 척추는 인체의 중심을 이루어 신체의 등 중앙에 길이 방향으로 위치하는 신체 기관이며, 7개의 경추, 12개의 흉추, 5개의 요추, 선골; 및 미추로 구성되어 위쪽으로 머리를 받치고, 아래쪽은 골반과 연결되어 체중을 하지로 전달하는 기능을 수행하고, 척추골 사이에는 섬유 연골성 추간판(디스크)이 형성되어 두개골로부터 골반골까지 강한 인대와 근육이 결합되어 있어 신체를 지지하고 평형을 유지한다. 그런데, 상기와 같은 척추는 여러원인 즉, 잘못된 자세나 과도한 운동 혹은 척추 퇴행성 질환, 예를 들어 퇴행성 척추 전방 전위증, 골절 척추, 흉부 요추, 척추의 다양한 급성 및 만성 불안정성 기형 등이 발생할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 척추변형을 교정하기위해 통상 외과적 수술을 실행하는데, 그러한 외과적 수술에는 변형된 척추를 고정 및 보조하여 안정성을 높이기 위해 티타늄, 스테인리스, 크롬코발트 등과 같은 생체 적합성 물질로 제작된 척추경 나사 고정시스템을 이용한 척추고정술이 널리 사용되고 있다(Arthit Sitiso, John Wagner, Frank Bailly, “Polyaxial pedicle screw system”, US 20040158247 A1, 2004 참조). 그리고 상기와 같은 종래 척추경 나사 고정시스템은 나사 (screw), 고리 (hook), 막대 (rod), 이음기 (connector), 외과수술장비 등으로 구성되어 있으며 각각의 요소들 마다 모양, 지름, 길이에 따른 다양한 종류와 치수의 부품들이 하나의 세트로 포장되어 있고, 척추고정술 1회 수술 시 한 세트가 외과의에게 제공되어 수술이 진행된다.In general, the human spine is the body organs located centrally in the center of the body, centered on the dorsum of the body, 7 cervical, 12 thoracic, 5 lumbar, cartilaginous; And the spine is connected to the pelvis to support the upper head, and the lower part is connected to the pelvis to transmit weight to the lower body. A fibrous cartilaginous intervertebral disc (disc) is formed between the vertebrae and a strong ligament and muscle To support the body and maintain equilibrium. However, such vertebrae can be caused by a variety of causes, such as erroneous posture, excessive exercise or spinal degenerative diseases such as degenerative spondylolisthesis, fracture spine, thoracic lumbar spine, various acute and chronic instability anomalies of the spine. Therefore, in order to correct such vertebral deformities, a surgical operation is usually performed. Such surgery is performed by using a biocompatible material such as titanium, stainless steel, chromium cobalt or the like to fix and assist the deformed vertebrae to improve stability. Spinal fixation using a pedicle screw fixation system is widely used (Arthit Sitiso, John Wagner, and Frank Bailly, "Polyaxial pedicle screw system", US 20040158247 A1, 2004). The conventional pedicle screw fixation system is composed of a screw, a hook, a rod, a connector, a surgical instrument, etc. Each element has a shape, a diameter, a length And a set of components of various types and sizes according to the size of the patient are packaged in a single set, and one set of operations for the spinal fixation is provided to the surgeon and the operation is performed.

그러면, 상기와 같은 종래 척추경 나사 고정시스템을 이용한 척추변형 고정방법을 도 1을 참고로 살펴보면, Referring to FIG. 1, a method for fixing a vertebra using a conventional pedicle screw fixation system as described above,

수술 준비 기간에 외과의사가 환자의 X-ray, CT 영상 등을 참고하여 척추수술에 적합한 부품을 선택하는 제1 단계(200)와;A first step (200) in which a surgeon selects an appropriate part for spinal surgery by referring to a patient's X-ray, CT image,

상기 제1 단계(200)에 의해서 선택된 부품을 이용하여 외과의사가 환자 개인의 척추에 맞는 지름과 길이를 가진 나사를 선정하고 수술 범위와 굴곡진 척추 만곡에 대략적으로 사용할 수 있는 막대를 선정하여 수술을 실행하는 제2 단계(210)와;Using the part selected by the first step 200, the surgeon selects a screw having a diameter and a length suitable for the patient's spine, selects a rod that can be roughly used for the scope of surgery and curvature of the curved vertebra, A second step (210) of executing the first step (210);

상기 제2 단계(210)에 의해 선정되어 사용 예정이었던 부품들이 실제 수술 진행과정 중에 변경이 발생할 경우 외과의사가 해당 막대를 수술장비를 이용하여 수술환자에 맞게 조작한 후 환자에 시술하는 제3 단계(220)를 포함하여 구성된다.A third step in which the surgeon manipulates the bar in accordance with the operation of the patient using the surgical instrument and performs the operation on the patient in the case that the parts selected by the second step 210 and used for the change are changed during the course of the actual operation (220).

여기서, 상기 종래 척추경 나사 고정시스템을 이용한 척추변형 고정방법을 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저, 수술 준비 기간에 외과의사는 환자의 CT영상을 참고하여 척추수술에 적합한 부품을 선택한다. 그리고 상기 외과의사는 상기 과정에서 선택된 부품을 이용하여 환자 개인의 척추에 맞는 지름과 길이를 가진 나사를 선정하고 수술 범위와 굴곡진 척추 만곡에 대략적으로 사용할 수 있는 막대를 선정하여 수술을 실행한다. 이때 상기 외과의사는 선정되어 사용 예정이었던 부품들이 실제 수술 진행과정 중에 변경이 발생할 경우 외과의사가 해당 막대를 수술장비를 이용하여 수술환자에 맞게 조작한후 환자에 시술하게된다. 즉, 상기 수술환자의 척추 만곡이 개개인마다 다르기때문에 일률적으로 생산된 막대는 반드시 환자에 맞게 외과의가 수술장비를 이용해 굽힘을 주어 수술을 진행하게 된다.Hereinafter, the spinal deformity fixing method using the conventional pedicle screw fixation system will be described in more detail. First, the surgeon selects a suitable part for spinal surgery by referring to the CT image of the patient during the preparation period. Then, the surgeon selects a screw having a diameter and a length suitable for the patient's spine using the selected parts in the above procedure, and performs a surgery by selecting a rod that can roughly be used for the operation range and the curved vertebra curvature. At this time, the surgeon will perform surgery on the patient after the surgeon manipulates the rod using the surgical equipment to match the operation patient, in case the parts that are scheduled to be used are changed during the actual operation progress. That is, since the curvature of the vertebrae of the operation patient is different for each individual, the uniformly produced rod must be bent according to the patient's surgical equipment to perform the operation.

그러나, 상기와 같은 종래 척추경 나사 고정시스템을 이용한 척추변형 고정방법은 외과의사가 환자의 의료영상만을 참고로하여 자신의 경험에 비추어 부품을 선택하고 막대의 굽힘 정도를 예상하는 방식이기 때문에 환자의 실제상태에 따라 예기치 않은 오차가 발생할 가능성이 매우 높고 또한 수술 계획 변경, 막대 굽힘 과정에서의 착오 등으로 인해 수술시간이 지연되는 경우가 빈번하게 발생되고 있으며, 또한 숙련도가 낮은 초임의 외과의사에게는 상기와 같은 오차와 시간 지연이 수술 결과에 많은 영향을 미치기때문에 환자에게 잘못된 결과를 초래할 수 있다는 문제점이 있었다.However, since the spinal deformity fixing method using the conventional pedicle screw fixation system as described above is a method in which the surgeon selects only the medical image of the patient and selects the part based on his own experience and estimates the degree of bending of the rod, It is very likely that unexpected errors will occur depending on the actual conditions, and the operation time is often delayed due to a change in the operation plan or an error in the bending process of the bar. In addition, And a time delay may have a large effect on the surgical result, which may lead to a wrong result to the patient.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기위해 발명된 것으로, 수술 전 계획단계에서 유한요소법 등과 같은 전산역학 (Computational mechanics) 수법을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션을 도입하여 가상 척추변형 교정술을 수행하고, 시뮬레이션 결과를 통해 환자의 척추에 맞는 임플란트를 탐색, 설계, 생산할 수 있는 프로시져 (Procedure)를 구축함으로써, 최적의 수술 결과를 도출함과 동시에 안정성과 편의성을 환자와 외과의사에게 제공하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템과 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a computer simulation method using computational mechanics such as a finite element method, , And the procedure is designed to search, design, and produce implants that fit the spine of the patient through the simulation results. The patient-specific vertebra, which provides the patient and the surgeon with stability and convenience, And to provide a deformation-correcting implant designing and manufacturing system and a control method thereof.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은 삼차원의 가상 임플란트 모델에 대한 구축과정과, 상기 삼차원 가상 임플란트 모델을 이용하여 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 전체 프로세스를 설계, 관리 및 제어하는 제어모듈과; According to another aspect of the present invention, there is provided a method for designing an implant for vertebroplasty, the method comprising: constructing a three-dimensional virtual implant model; and;

상기 제어모듈의 기능제어하에 상기 척추환자의 X-ray, CT 영상 등에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러 후보군으로 선정하는 제1 모듈과;Under the control of the control module, a three-dimensional model is extracted from the X-ray and CT image of the spine patient, and based on the extracted three-dimensional model of the spine patient, the virtual implant model is classified into various candidates A first module for selecting the first module;

상기 제1 모듈에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델을 기반으로 제어모듈의 기능제어하에 스파이럴로드를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제 2 모듈과; And designing the spiral load according to the vertebral curvature of the patient under the control of the function of the control module based on the virtual implant model selected by the clinician among the virtual implant models of the plurality of candidate groups selected by the first module, A second module for modeling;

상기 제2 모듈에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델을 제어모듈의 기능제어하에 유한요소법을 이용하여 해석한 후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델을 해석하는 제3 모듈과;The three-dimensional implant model designed by the second module is analyzed by the finite element method under the control of the control module, and the analyzed three-dimensional implant model is simulated and the error part is continuously corrected. A third module for interpreting the final implant model to obtain a curve or optimal curvature;

상기 제어모듈의 기능제어하에 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사들 및 스파이럴 로드가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 제4 모듈을 포함하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템을 제공한다.A fourth module for actually fabricating a vertebral deformation correcting implant having a final virtual implant model interpreted by a third module under the control of the control module and including spinal patient alignment screws and spiral rods; Provides a system for design and manufacture of vertebral deformation correction implants.

본 발명의 또 다른 특징은 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어모듈이 제1 모듈을 통해 척추환자의 CT 영상에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정시키는 제1 과정과;Another feature of the present invention is that the control module of the implant design and manufacturing system extracts a three-dimensional model from a CT image of a spinal patient through a first module, and based on the extracted three-dimensional model of the spine patient, And selecting each of the candidate groups as a candidate group;

상기 제1 과정의 제1 모듈에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델을 기반으로 제어모듈이 제2 모듈을 통해 스파이럴로드를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제2 과정과;The control module may design the spiral load according to the vertebral flexion of the patient through the second module based on the virtual implant model selected by the clinician among the virtual implant models of the plurality of candidate groups selected by the first module of the first process A second step of three-dimensionally finely modeling the object;

상기 제2 과정의 제2 모듈에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델을 제어모듈이 제3 모듈을 통해 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델을 해석하는 제3 과정과; The control module analyzes the three-dimensional implant model designed by the second module of the second process using the finite element method through the third module, simulates the analyzed three-dimensional implant model, and continuously corrects the error portion A third step of analyzing the final implant model so that the actual implant has an optimal curve or an optimal curvature;

상기 제3 과정의 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 제어모듈이 제4 모듈을 통해 실제 척추환자 맞춤의 나사들 및 스파이럴 로드가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 제4 과정을 포함하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법을 제공한다. The fourth module is a fourth virtual module for verifying the final virtual implant model analyzed by the third module of the third process, and the fourth module for actually verifying the vertebrae orthodontic implant including the spinal- The present invention provides a control method of a system for designing and manufacturing a patient-customized vertebrae orthodontic prosthesis.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템을 통해 각 척추환자의 수술부위에 대응하는 최적화된 임플란트를 설계 및 제작하여 외과의사에게 제공함으로써, 척추환자 수술중에 예기치 못한 상황으로 인해 외과의사가 직면할 수 있는 척추변형 오차 및 시행착오 과정을 상당히 줄일수 있으므로 그에 따라 척추교정수술 시간을 상당히 단축시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the optimized implant corresponding to the surgical site of each spinal patient is designed and manufactured through the three-dimensional applied implant designing and manufacturing system, and provided to the surgeon. Thus, It is possible to significantly reduce the vertebral deformity error and the trial-and-error process that the doctor can face, thereby significantly shortening the time of the chiropractic operation.

또한 상기와 같은 본 발명에 의하면, 외과의사의 숙련도에 거의 영향을 받지 않는 최적화된 임플란트를 환자에게 시술할 수 있으므로 그에 따라 환자는 물론 외과의사에게도 안전하고 성공적인 수술이 가능하도록 지원하는 효과도 있다.In addition, according to the present invention as described above, the optimized implant that is hardly affected by the proficiency of the surgeon can be implanted in the patient, thereby providing a safe and successful operation to the surgeon as well as the patient.

도 1은 종래 척추경 나사 고정시스템을 이용한 척추변형 고정방법의 일례를 설명하는 설명도.
도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템을 설명하는 설명도.
도 3은 본 발명 시스템을 이용하여 원하는 부분만을 추출한 삼차원 모델에서 상세 수정 단계까지 완성한 모델을 설명하는 설명도.
도4는 본 발명 시스템에 의해 선정된 가상 임플란트 모델의 여러후보군중 어느 하나의 가상 임플란트 모델을 삼차원 모델화하는 것을 표시하는 설명도.
도 5는 본 발명 시스템을 이용하여 척추환자의 삼차원 모델에 가상 임플란트 모델을 삽입시킨 것을 표시하는 설명도.
도 6은 본 발명 시스템을 이용하여 가상 임플란트 모델이 삽입된 척추환자의 삼차원 모델에 접촉 조건과 경계 조건을 설정하여 유한요소법으로 해석한 후 각 부분의 응력 (Stress) 분포를 시각화한 설명도.
도 7은 본 발명 시스템을 이용하여 시뮬레이션을 한후 확정하여 제작된 최종 임플란트를 보여주는 설명도.
도 8은 본 발명의 플로우차트.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a method of fixing a spinal deformity using a conventional pedicle screw fixation system.
FIG. 2 is an explanatory view illustrating a system for designing and manufacturing a patient-customized spinal deformation correction implant according to the present invention; FIG.
FIG. 3 is an explanatory view for explaining a model completed from a three-dimensional model to a detailed modification step by extracting only a desired portion using the system of the present invention. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing three-dimensional modeling of a virtual implant model among various candidate groups of a virtual implant model selected by the system of the present invention; FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a virtual implant model inserted into a three-dimensional model of a spinal patient using the system of the present invention; FIG.
FIG. 6 is an explanatory view showing a stress distribution of each part after analyzing the three-dimensional model of a vertebral patient having a virtual implant model inserted using the system of the present invention by setting the contact condition and the boundary condition, and analyzing them by the finite element method.
FIG. 7 is an explanatory view showing a final implant manufactured after a simulation using the system of the present invention. FIG.
8 is a flowchart of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템 의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a patient-customized vertebra deformational implant designing and manufacturing system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)." 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. However, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the embodiments of the implantable prosthetic implant design and fabrication system according to the present invention described herein. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The term " comprises " And / or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements, steps, operations, and / or elements.

실시예Example

도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템을 설명하는 설명도이고, 도 3은 본 발명 시스템을 이용하여 원하는 부분만을 추출한 삼차원 모델에서 상세 수정 단계까지 완성한 모델을 설명하는 설명도이며, 도4는 본 발명 시스템에 의해 선정된 가상 임플란트 모델의 여러후보군중 어느 하나의 가상 임플란트 모델을 삼차원 모델화하는 것을 표시하는 설명도이고, 도 5는 본 발명 시스템을 이용하여 척추환자의 삼차원 모델에 가상 임플란트 모델을 삽입시킨 것을 표시하는 설명도이며, 도 6은 본 발명 시스템을 이용하여 가상 임플란트 모델이 삽입된 척추환자의 삼차원 모델에 접촉 조건과 경계 조건을 설정하여 유한요소법으로 해석한 후 각 부분의 응력 (Stress) 분포를 시각화한 설명도이고, 도 7은 본 발명 시스템을 이용하여 시뮬레이션을 한후 확정하여 제작된 최종 임플란트를 보여주는 설명도이며, 도 8은 본발명의 플로우차트이다.FIG. 2 is an explanatory view illustrating a system for designing and manufacturing a patient-customized vertebra deformational correction according to the present invention. FIG. 3 is a view for explaining a model completed from a three- FIG. 4 is an explanatory diagram showing three-dimensional modeling of a virtual implant model among several candidate groups of a virtual implant model selected by the system of the present invention. FIG. 6 is an explanatory view showing insertion of a virtual implant model into a three-dimensional model. FIG. 6 is a view illustrating a three-dimensional model in which a virtual implant model is inserted using a system of the present invention. FIG. 7 is a view showing a stress distribution of each part after the present invention system FIG. 8 is a flowchart of the present invention. FIG. 8 is a flowchart illustrating the final implant according to the present invention.

도 2 내지 도7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템은, 2 to 7, a three-dimensional applied implant designing and manufacturing system according to an embodiment of the present invention includes:

삼차원의 가상 임플란트 모델에 대한 구축과정과, 상기 삼차원 가상 임플란트 모델(2)을 이용하여 척추변형교정용 임플란트(8)를 실제 제작하는 전체 프로세스를 설계, 관리 및 제어하는 제어모듈(1)과; A control module 1 for designing, managing and controlling the whole process of actually manufacturing the vertebrae deformation correction implant 8 using the three-dimensional virtual implant model 2;

상기 제어모듈(1)의 기능제어하에 상기 척추환자의 X-ray, CT 영상 등에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델(2)을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정하는 제1 모듈(3)과;A three-dimensional model is extracted from the X-ray or CT image of the vertebrae under the control of the control module 1, and based on the extracted three-dimensional model of the spine patient, A first module (3) for classifying a plurality of candidate groups into a plurality of candidate groups;

상기 제1 모듈(3)에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델(2)중 임상의사가 선택한 가상 임플란트 모델(2)을 기반으로 제어모듈(1)의 기능제어하에 스파이럴로드(7)를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제2 모듈(4)과; The spiral load 7 is placed under the control of the control module 1 on the basis of the virtual implant model 2 selected by the clinician among the plurality of candidate implant virtual models 2 selected by the first module 3, A second module (4) for precisely modeling in three dimensions including designing in accordance with the vertebral curvature of the vertebra;

상기 제2 모듈(4)에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델(2)을 제어모듈(1)의 기능제어하에 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델(2)을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델(2)을 해석하는 제3 모듈(5)과;Dimensional implant model 2 designed optimally by the second module 4 is analyzed using the finite element method under the control of the function of the control module 1 and then the simulated three-dimensional implant model 2 is simulated and an error A third module (5) for interpreting the final implant model (2) so that the actual implant is the optimal curve or the optimal curvature,

상기 제어모듈(1)의 기능제어하에 제3 모듈(5)에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델(2)을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사들(6) 및 스파이럴 로드(7)가 포함되는 척추변형교정용 임플란트(8)를 실제 제작하는 제4 모듈(9)을 포함하여 구성된다. With the final virtual implant model (2) interpreted by the third module (5) under the control of the function of the control module (1), the vertebrae deformations comprising the actual vertebrae tailoring screws (6) and the spiral rods (7) And a fourth module (9) for actually manufacturing the orthodontic implant (8).

그리고, 상기 제1 모듈(3)은 도 3에 도시된 바와같이 척추환자의 X-ray, CT영상 등에서 수술 예상 범위를 지정하여 예컨대, Mimics 등의 프로그램을 이용하여 정교한 척추 삼차원 유한요소모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델(12)을 근거로 하여 가상 임플란트 모델(2)을 환자에게 적합한 여러 종류의 수술 방식의 후보군을 선정한다.As shown in FIG. 3, the first module 3 designates an expected range of operation in an X-ray or a CT image of a spinal patient and extracts a sophisticated spinal three-dimensional finite element model using a program such as Mimics Based on the three-dimensional model (12) of the extracted vertebral patients, the virtual implant model (2) is selected for the candidates of various surgical methods suitable for the patient.

또한 상기 제2 모듈(4)은 상기 제1 모듈(3)에 의해 선정된 각각의 가상 임플란트 후보군에 필요한 여러 치수의 나사, 막대 등의 후보군을 선정하여 다양한 종류의 시스템 세트를 설계하며, 각 가상 임플란트 후보군 선정 시 환자의 신체 정보, 예를 들어, 골격, 골밀도, 척추 만곡 등을 고려하여 선정한다. Also, the second module (4) designs various types of system sets by selecting candidates such as screws and rods of various dimensions necessary for each virtual implant candidate group selected by the first module (3) When selecting the implant candidate group, the patient's physical information, for example, skeleton, bone density, and curvature of the vertebrae are considered.

더 나아가, 상기 제2 모듈(4)은 상기 제1 모듈(3)에 의해 선정된 가상 임플란트 후보군 각각을 삼차원 모델화 하여 추출된 환자 모델에 삽입시키되, 이때, 상기 삽입과정에서는 예컨대, Solid-works, Inventor 등의 프로그램을 이용하여 각각 후보군을 구체적인 가상 임플란트 모델(2)로 설계하고 특히, 스파이럴 로드(7: 혹은 막대)의 경우 기존 시장에 보인 통상적인 제품을 모델하는 것이 아닌, 환자의 척추 만곡에 따른 곡률에 맞게 모델화한다. Furthermore, the second module 4 inserts each of the virtual implant candidates selected by the first module 3 into a three-dimensional model and extracts the patient model. At this time, in the insertion process, In the case of the spiral load (7: or rod), it is not designed to model the conventional product in the existing market, but to the patient's vertebral flexion And model it according to the curvature.

즉, 상기 제2 모듈(4)에서는 도 4에 도시된 바와같이 가상 임플란트 모델(2)을 임상의사가 척추환자 시술시 최적으로 임플란트를 선택할 수 있도록 몇가지 케이스 혹은 후보군으로 만들어 선정한다. That is, in the second module 4, as shown in FIG. 4, the virtual implant model 2 is selected as a case or candidate group so that a clinician can optimally select an implant when performing a spinal patient procedure.

그리고 상기 제3 모듈(5)은 또한 도 5 내지 도 6에 도시된 바와같이 상기와 같이 모델화한 가상 임플란트 모델(2)을 유한요소법으로 해석을 진행하여 각각의 결과 정보를 산출한다. 이때, 상기 결과정보 산출과정중에 임플란트 설계 및 제작시스템(10)의 제3 모듈(5)은 삽입된 환자의 삼차원 모델(12)을 Ansys, Abaqus 등의 유한요소해석 프로그램을 이용하여 결과를 산출하되, 특히 더욱더 정확한 결과 정보를 얻을 필요가 있는 경우 환자의 Micro CT 영상을 확보하여 정교한 해면골 (cancellous bone)내부까지 삼차원 모델화하여 해석을 실행한다. 이때, 상기 제3 모듈(5)은 또한 상기와 같이 유한요소법을 이용하여 해석된 삼차원 가상 임플란트 모델(2)을 시뮬레이션을 실행하고 그 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트(8)가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종적인 가상 임플란트 모델(2)을 산출한다. 5 to 6, the third module 5 also analyzes the virtual implant model 2 modeled as described above by the finite element method to calculate the respective result information. During the process of calculating the result information, the third module 5 of the implant designing and manufacturing system 10 calculates the result of the inserted three-dimensional model 12 using a finite element analysis program such as Ansys or Abaqus Especially, if more accurate result information is needed, the patient's micro CT image is obtained and the analysis is performed by three-dimensional modeling to the inside of a sophisticated cancellous bone. At this time, the third module 5 also executes the simulation of the three-dimensional virtual implant model 2 interpreted using the finite element method as described above, and continuously corrects the error part, so that the actual implant 8 is optimized The final virtual implant model (2) is calculated to obtain a curve or optimal curvature.

여기서, 상기 제3 모듈(5)의 해석과정을 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 제3 모듈(5)은 하중 조건과 지지 조건을 설정한 이후 4종류의 물리학적 운동에 대한 시뮬레이션을 실행한다. 이때 상기 제3 모듈(5)은 환자의 체중만이 하중으로 작용하는 상태인 자중 (Self load), 환자가 앞쪽으로 허리를 굽힐 때의 하중 작용인 굽힘 하중 (Flexion load), 이와 반대로 뒤쪽으로 굽힐 경우의 연장 하중 (Extension load), 허리를 회전할 경우의 비틀림 하중 (Torsion load) 등 이 4종류 운동에 대한 해석을 진행한다. 또한 상기 제3 모듈(5)은 상기와 같은 해석시 선형 해석 (Linear analysis), 비선형 해석 (Nonlinear analysis), 동역학 해석 (Dynamics analysis), 골절 해석 (Fracture analysis) 등 4종류의 해석으로 진행하여 총 16종류의 해석 결과가 도출된다. 이때, 상기 제3 모듈(5)은 각각의 해석 완료 후 출력되는 결과 도면으로 전체 변형 (Total deformation), 등가 탄성변형 (Equivalent elastic strain), 등가 응력 (Equivalent stress) 등 3종류의 도면을 분석하여 Screw system 과 뼈 부분에 작용하는 최대 응력 (Maximum stress) 과 최대 변위 (Maximum displacement) 값을 확인한다. 여기서, 상기 제3 모듈(5)은 상기 해석 정보를 바탕으로 물리학적 운동 이후 Screw system(혹은 임플란트) 에 가장 취약한 파트와 환자의 뼈에 하중과 Screw system(혹은 임플란트) 이 어떠한 영향을 미치는 가를 확인한다.Here, the analysis process of the third module 5 will be described in more detail. After the load condition and the support condition are set, the third module 5 performs simulation on four kinds of physical motions. At this time, the third module (5) has a self load (self load) in which only the body weight of the patient acts as a load, a flexion load which is a load action when the patient bends the waist forward, Extension load of the case, torsion load when the waist is rotated, and so on. In addition, the third module 5 performs the above-described analysis in four kinds of analyzes such as linear analysis, nonlinear analysis, dynamics analysis, and fracture analysis, 16 kinds of analysis results are derived. At this time, the third module 5 analyzes the three types of drawings such as total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent stress, which are output results after each analysis is completed Check the maximum stress and maximum displacement acting on the screw system and bones. Here, the third module 5 determines, based on the analysis information, the influence of the load and the screw system (or implant) on the part most vulnerable to the screw system (or implant) after the physical exercise and the bone of the patient do.

한편 상기 제4 모듈(9)은 도 7에 도시된 바와같이 상기 제3 모듈(5)에 의해 해석된 최종적인 가상 임플란트 모델(2)을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사(6)와 스파이럴로드(7)를 포함하여 척추변형교정용 임플란트(8)를 실제 제작한다. 즉, 상기 제4 모듈(9)은 예컨대, 스파이럴 로드(7)를 환자 척추 만곡의 곡률에 맞춰서 굽힘을 주어 제작하고, 모든 제작이 끝난 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트와 외과수술장비를 외과의사가 이용하기 쉽게 포장세트에 포장한다. The fourth module 9, on the other hand, has a final virtual implant model 2 interpreted by the third module 5 as shown in Fig. 7, and the screw 6 and the spiral rod 7) to make a vertebrae orthodontic implant (8). That is, the fourth module 9 can be manufactured by bending the spiral rod 7 in accordance with the curvature of the patient's vertebra, for example, and a set of all-manufactured patient-customized vertebra correction implants 8, The equipment is packaged in a packaging set that is easy for the surgeon to use.

이에 더하여, 상기 제4 모듈(9)은 수술중에 긴급상황이 발생하여 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트가 파손될시 사용할 예비 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트를 추가로 제공한다. In addition, the fourth module (9) further includes a set of preliminary patient-adapted vertebra correction orthodontic appliances (8) to be used when an emergency occurs during surgery and the set of patient-customized vertebrae orthodontic appliances (8) to provide.

여기서, 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템(10)에는 저장수단(11), 모니터링수단(13), 유무선송수신수단(14) 및 키패널이 추가로 더 구비된다. Here, the three-dimensional applied implant designing and manufacturing system 10 further includes storage means 11, monitoring means 13, wire / wireless transmitting / receiving means 14, and a key panel.

다음에는 상기와 같은 구성으로된 본 발명의 제어방법을 설명한다.Next, the control method of the present invention having the above-described configuration will be described.

본 발명의 방법은 도 8에 도시된 바와같이 초기상태(S1)에서 제어모듈이 제1 모듈을 통해 척추환자의 의료영상에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정시키는 제1 과정(S2)과;8, in the initial state S1, the control module extracts a three-dimensional model from a medical image of a spinal patient through a first module and generates a virtual image based on the extracted three- A first step (S2) of classifying the implant model into various candidates by classifying the implant model according to the surgical method and each dimension;

상기 제1 과정(S2)의 제1 모듈에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델을 기반으로 제어모듈이 제2 모듈을 통해 스파이럴로드를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제2 과정(S3)과;Based on the virtual implant model selected by the clinician among the virtual implant models of various candidates selected by the first module in the first step S2, the control module controls the spiral load through the second module according to the curvature of the vertebra of the patient A second step (S3) of precise modeling in three dimensions including designing as a three-dimensional model;

상기 제2 과정(S3)의 제2 모듈에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델을 제어모듈이 제3 모듈을 통해 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델을 해석하는 제3 과정(S4)과; The control module analyzes the three-dimensional implant model designed by the second module of the second process (S3) using the finite element method through the third module, simulates the interpreted three-dimensional implant model, (S4) of analyzing the final implant model so that the actual implant has an optimal curve or an optimal curvature;

상기 제3 과정(S4)의 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 제어모듈이 제4 모듈을 통해 실제 척추환자 맞춤의 나사들 및 스파이럴 로드가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 제4 과정(S5)을 포함하여 구성된다.The final virtual implant model analyzed by the third module of the third step S4 is used to actually make the vertebrae correction orthodontic implant in which the control module includes actual spinal patient fitting screws and spiral rods through the fourth module (Step S5).

그리고, 상기 제1 과정(S2)은 정교한 척추 삼차원 유한요소모델을 추출하기위해 예컨대, Mimics 등의 프로그램을 이용하여 처리하는 삼차원모델 처리단계를 더 포함한다.In addition, the first step S2 further includes a three-dimensional model processing step of processing a sophisticated spinal three-dimensional finite element model using a program such as Mimics, for example.

또한 상기 제1 과정(S2)에는 제1 모듈(3)에 의해 선정된 각각의 가상 임플란트 후보군에 필요한 여러 치수의 나사, 스파이럴로드(혹은 막대 등)의 후보군을 선정하여 다양한 종류의 시스템 세트를 설계하되, 각 가상 임플란트 후보군 선정 시 환자의 신체 정보, 예를 들어, 골격, 골밀도, 척추 만곡 등을 고려하여 선정하는 정밀환자정보 고려단계를 더 포함한다. In the first step S2, various sets of system sets are selected by selecting candidates of screws, spiral rods (or rods, etc.) having various dimensions required for each virtual implant candidate group selected by the first module 3 And further includes a step of considering precision patient information in consideration of the patient's body information, for example, skeleton, bone density, vertebral curvature, etc., when selecting each virtual implant candidate group.

이에 더하여 상기 제2 과정(S3)에는 제2 모듈(4)이 제1 모듈에 의해 선정된 가상 임플란트 후보군 각각을 삼차원 모델화 하여 추출된 환자 모델에 삽입시키되, 이때, 상기 삽입과정에서는 예컨대, Solid-works, Inventor 등의 프로그램을 이용하여 각각 후보군을 구체적인 가상 임플란트 모델로 설계하고 특히, 스파이럴 로드(혹은 막대)의 경우 기존 시장에 보인 통상적인 제품을 모델하는 것이 아닌, 환자의 척추 만곡에 따른 곡률에 맞게 모델화하는 척추곡률 적용단계를 더 포함한다. In addition, in the second step S3, the second module 4 inserts each of the virtual implant candidates selected by the first module into the extracted patient model by three-dimensionally modeling the virtual implant candidates. At this time, works, and Inventor. In particular, the spiral load (or rod) is not a model of a conventional product seen in the existing market, but a curvature due to the curvature of the patient's vertebrae And further includes a spinal curvature application step to model properly.

즉, 상기 제2 과정(S3)에서는 제2 모듈에 의해 가상 임플란트 모델을 임상의사가 척추환자 시술시 최적으로 임플란트를 선택할 수 있도록 몇가지 케이스 혹은 후보군으로 만들어 선정한다. That is, in the second step (S3), a virtual implant model is selected by the second module as a case or candidate group so that a clinician can optimally select an implant for a spinal patient.

그리고 상기 제3 과정(S4)에는 제3 모듈이 모델화한 가상 임플란트 모델을 유한요소법으로 해석을 진행하여 각각의 결과 정보를 산출하는 해석결과정보 산출단계를 더 포함한다. 이 과정에서, 상기 해석결과정보 산출단계중에는 임플란트 설계 및 제작시스템의 제3 모듈이 삽입된 환자의 삼차원 모델을 예컨대, Ansys, Abaqus 등의 유한요소해석 프로그램을 이용하여 결과를 산출하되, 특히 더욱더 정확한 결과 정보를 얻을 필요가 있는 경우 환자의 Micro CT 영상을 확보하여 정교한 해면골 (cancellous bone)내부까지 삼차원 모델화 하여 해석을 실행하는 삼차원정밀 모델화단계를 더 포함한다. 이때, 상기 해석결과정보 산출단계중에는 제3 모듈이 유한요소법을 이용하여 해석된 삼차원 가상 임플란트 모델을 시뮬레이션을 실행하고 그 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종적인 가상 임플란트 모델을 산출하는 최종 임플란트모델 산출단계를 더 포함한다. 더 나아가, 상기 제3 과정(S4)에는 제3 모듈이 하중 조건과 지지 조건을 설정한 이후 4종류의 물리학적 운동에 대한 시뮬레이션을 실행하되, 환자의 체중만이 하중으로 작용하는 상태인 자중 (Self load), 환자가 앞쪽으로 허리를 굽힐 때의 하중 작용인 굽힘 하중 (Flexion load), 이와 반대로 뒤쪽으로 굽힐 경우의 연장 하중 (Extension load), 허리를 회전할 경우의 비틀림 하중 (Torsion load) 등의 4종류 운동에 대한 해석을 진행하는 정밀운동 해석단계를 더 포함한다. 또한 상기 제3 과정(S4)에는 제3 모듈이 해석시 선형 해석 (Linear analysis), 비선형 해석 (Nonlinear analysis), 동역학 해석 (Dynamics analysis), 골절 해석 (Fracture analysis) 등 4종류의 해석으로 진행하여 총 16종류의 해석 결과가 도출하는 구체해석 실행단계를 더 포함한다. 이때, 상기 구체해석 실행단계에는 제3 모듈이 각각의 해석 완료 후 출력되는 결과 도면으로 전체 변형 (Total deformation), 등가 탄성변형 (Equivalent elastic strain), 등가 응력 (Equivalent stress) 등 3종류의 도면을 분석하여 Screw system 과 뼈 부분에 작용하는 최대 응력 (Maximum stress) 과 최대 변위 (Maximum displacement) 값을 확인하는 해석결과도면 확인단계를 더 포함한다. In the third step S4, an analysis result information calculation step of analyzing the virtual implant model modeled by the third module by the finite element method and calculating each result information is further included. During the analysis result information calculation step, the results of the three-dimensional model of the patient in which the third module of the implant design and production system is inserted are calculated using a finite element analysis program such as Ansys or Abaqus, Dimensional precision modeling step of obtaining a micro CT image of a patient and performing a three-dimensional modeling into a sophisticated cancellous bone to perform an analysis if the result information needs to be obtained. At this time, during the analysis result information calculation step, the third module executes the simulation of the three-dimensional virtual implant model analyzed by using the finite element method, and continuously corrects the error part, so that the actual implant becomes the optimum curve or the optimum curvature And a final implant model calculation step of calculating a final virtual implant model. Further, in the third step (S4), the third module performs simulation of four kinds of physical motions after setting the load condition and the support condition, and the simulation is performed in which the weight of the patient, Self load, Flexion load which is the load action when the patient bends forward, Extension load when backward bending, Torsion load when the waist is rotated, etc. And a precise motion analysis step in which the analysis of the four types of motion is performed. In the third step S4, the third module is analyzed by four kinds of analysis such as linear analysis, nonlinear analysis, dynamics analysis, and fracture analysis. And a concrete analysis execution step in which 16 kinds of analysis results are derived. At this time, in the concrete analysis execution step, there are three kinds of drawings such as total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent stress, which are output results of the third module after each analysis is completed And analyzing the result of the analysis to confirm the maximum stress and maximum displacement value acting on the screw system and the bone part.

여기서, 상기 제3 과정(S4)에는 제3 모듈이 해석 정보를 바탕으로 물리학적 운동 이후 Screw system 에 가장 취약한 파트와 환자의 뼈에 하중과 Screw system 이 어떠한 영향을 미치는 가를 확인하는 취약부분 확인단계를 더 포함한다.In the third step (S4), the third module analyzes the weakest part of the screw system after the physical exercise based on the analysis information, and the weak part confirming the influence of the load and the screw system on the bone of the patient .

한편 상기 제4 과정(S5)에는 제4 모듈이 제3 모듈에 의해 해석된 최종 임플란트 모델을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사와 막대을 포함하여 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 최종 임플란트 제작단계를 더 포함한다. 이때, 상기 최종 임플란트 제작단계에서는 제4 모듈이 예컨대, 스파이럴 로드를 환자 척추 만곡의 곡률에 맞춰서 굽힘을 주거나 3D 프린터 등을 이용하여 제작 , 모든 제작이 끝난 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트의 세트와 외과수술장비를 외과의사가 이용하기 쉽게 포장세트에 포장한다. Meanwhile, in the fourth step S5, the fourth module includes a final implant model analyzed by the third module, and a final implant preparation step in which the vertebrae correction orthodontic implant is actually manufactured . At this time, in the final implant manufacturing step, the fourth module is used, for example, to bend the spiral rod according to the curvature of the patient's vertebra or to make a 3D printer or the like, Surgical equipment is packaged in a packaging set for easy access by the surgeon.

이에 더하여, 상기 제4 과정(S5)에는 제4 모듈이 수술중에 긴급상황이 발생하여 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트의 세트가 파손될시 사용할 예비 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트의 세트를 추가로 제공하는 예비 임플란트세트 제공단계를 더 포함한다. In addition, in the fourth step S5, the fourth module further provides a set of preliminary patient-customized vertebra correction implants to be used when an emergency situation occurs during surgery and a set of patient-customized vertebrae correction implants is broken And a preliminary implant set providing step.

환언하면, 본 발명에 따른 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템을 사용하려면, 먼저 제어모듈(1)이 제1 모듈(3)을 통해 척추환자의 CT 영상에서 삼차원 모델(12)을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델(2)을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정하게 되는데, 이때, 정교한 척추 삼차원 유한요소모델을 추출하기위해 예컨대, Mimics 등의 프로그램을 이용하여 처리한다. 그리고 상기 제어모듈(1)은 제1 모듈(3)에 의해 선정된 각각의 가상 임플란트 후보군에 필요한 여러 치수의 나사(6), 스파이럴로드(7: 혹은 막대 등)의 후보군을 선정하여 다양한 종류의 시스템 세트를 설계하되, 각 가상 임플란트 모델 후보군 선정 시 환자의 신체 정보, 예를 들어, 골격, 골밀도, 척추 만곡 등을 고려하여 선정한다. In other words, in order to use the three-dimensional applied implant designing and manufacturing system according to the present invention, the control module 1 first extracts the three-dimensional model 12 from the CT image of the spinal patient through the first module 3, Based on the three-dimensional model of the spine patient, the virtual implant model (2) is classified into various candidates by the surgical method and each dimension. In order to extract the elaborate spinal three-dimensional finite element model, . The control module 1 selects candidates of screws 6, spiral rods 7 (or rods, etc.) having various dimensions required for each virtual implant candidate group selected by the first module 3, The system set is designed, and the patient's physical information such as skeleton, bone density, and vertebral curvature are taken into consideration when selecting candidate virtual implant models.

한편, 상기와 같은 후보군 선정과정후에 제어모듈(1)은 제1 모듈(3)에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델(2)중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델(2)을 기반으로 제2 모듈(4)을 통해 스파이럴 로드(7)를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계함과 더불어 기타 구조물들에 대해 삼차원으로 정밀 모델화한다. 여기서, 상기 삼차원 모델화과정에서, 상기 제2 모듈(4)은 제1 모듈(3)에 의해 선정된 가상 임플란트 후보군 각각(2)을 삼차원 모델화 하여 추출된 환자 모델(12)에 삽입시키되, 이때, 상기 삽입과정에서는 예컨대, Solid-works, Inventor 등의 프로그램을 이용하여 각각 후보군을 구체적인 가상 임플란트 모델(2)로 설계하고 특히, 스파이럴 로드(7: 혹은 막대)의 경우 기존 시장에 보인 통상적인 제품을 모델하는 것이 아닌, 환자의 척추 만곡에 따른 곡률에 맞게 모델화한다. 즉, 상기 제2 모듈(4)은 임상의사가 척추환자 시술시 최적으로 임플란트를 선택할 수 있도록 가상 임플란트 모델(2)을 몇가지 케이스 혹은 후보군으로 만들어 선정한다. After the candidate group selection process is completed, the control module 1 determines whether or not the virtual implant model 2 of the plurality of candidates selected by the first module 3 is the second virtual implant model 2, Through the module 4, the spiral rod 7 is specifically designed according to the patient's vertebral curvature and is precisely modeled on the other structures in three dimensions. Here, in the three-dimensional modeling process, the second module 4 inserts each of the virtual implant candidates 2 selected by the first module 3 into the extracted patient model 12 by three-dimensional modeling, In the insertion process, for example, a candidate group is designed as a specific virtual implant model 2 using a program such as Solid-works or Inventor, and in particular, a spiral load (7: rod) Instead of modeling, model the patient according to the curvature of the vertebral curvature. That is, the second module (4) selects a virtual implant model (2) as a case or candidate group so that a clinician can optimally select an implant when performing a spinal patient procedure.

한편, 상기와 같이 제2 모듈(4)에 의해 삼차원 임플란트 모델이 최적화로 설계될 경우 제어모듈(1)은 그 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델(2)을 제3 모듈(5)을 통해 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델(2)을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델(2)을 해석한다. 여기서, 상기와 같은 해석과정에서, 상기 제3 모듈(5)은 모델화한 가상 임플란트 모델(2)을 유한요소법으로 해석한 후 각각의 결과 정보를 산출하게 된다. 즉, 이 과정에서, 상기 임플란트 설계 및 제작시스템(10)의 제3 모듈(5)은 삽입된 환자의 삼차원 모델을 예컨대, Ansys, Abaqus 등의 유한요소해석 프로그램을 이용하여 결과를 산출하되, 특히 더욱더 정확한 결과 정보를 얻을 필요가 있는 경우 환자의 Micro CT 영상을 확보하여 정교한 해면골 (cancellous bone)내부까지 삼차원 모델화 하여 해석을 실행한다. 이때, 상기 해석결과정보 산출단계중에는 제3 모듈(5)이 유한요소법을 이용하여 해석된 삼차원 가상 임플란트 모델(2)을 시뮬레이션을 실행하고 그 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트(8)가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종적인 가상 임플란트 모델(2)을 산출한다. 더 나아가, 상기 제3 모듈(5)은 하중 조건과 지지 조건을 설정한 이후 4종류의 물리학적 운동에 대한 시뮬레이션을 실행하되, 환자의 체중만이 하중으로 작용하는 상태인 자중 (Self load), 환자가 앞쪽으로 허리를 굽힐 때의 하중 작용인 굽힘 하중 (Flexion load), 이와 반대로 뒤쪽으로 굽힐 경우의 연장 하중 (Extension load), 허리를 회전할 경우의 비틀림 하중 (Torsion load) 등의 4종류 운동에 대한 해석을 진행하는 정밀운동 해석을 더 포함한다. 또한 상기 제3 모듈(5)은 정밀운동 해석시 선형 해석 (Linear analysis), 비선형 해석 (Nonlinear analysis), 동역학 해석 (Dynamics analysis), 골절 해석 (Fracture analysis) 등 4종류의 해석으로 진행하여 총 16종류의 해석 결과가 도출한다. 이때, 상기 구체해석 실행과정중에 제3 모듈(5)은 각각의 해석 완료 후 출력되는 결과 도면으로 전체 변형 (Total deformation), 등가 탄성변형 (Equivalent elastic strain), 등가 응력 (Equivalent stress) 등 3종류의 도면을 분석하여 Screw system 과 뼈 부분에 작용하는 최대 응력 (Maximum stress) 과 최대 변위 (Maximum displacement) 값을 확인한다. When the three-dimensional implant model is designed to be optimized by the second module 4, the control module 1 performs the finite element method on the three-dimensional implant model 2 designed by the optimization through the third module 5 And then analyzes the analyzed three-dimensional implant model (2) and continuously analyzes the error part to analyze the final implant model (2) so that the actual implant has the optimal curve or the optimum curvature. Here, in the above-described analysis process, the third module 5 analyzes the modeled virtual implant model 2 by the finite element method, and then calculates each result information. That is, in this process, the third module 5 of the implant design and manufacturing system 10 calculates the results of the inserted patient's three-dimensional model using a finite element analysis program such as Ansys or Abaqus, If more accurate result information is needed, the patient's micro CT image is acquired and the analysis is performed by three-dimensional modeling to the inside of a sophisticated cancellous bone. At this time, during the analysis result information calculation step, the third module 5 executes simulation on the three-dimensional virtual implant model 2 interpreted by using the finite element method, and continues to correct the error part, so that the actual implant 8 The final virtual implant model (2) is calculated to obtain an optimal curve or optimal curvature. Furthermore, the third module 5 executes the simulation of four kinds of physical motions after setting the load condition and the support condition, that is, the self load, which is a state where only the weight of the patient acts as a load, Flexion load, which is the load action when the patient bends the waist forward, and extension load when bending backward, and torsion load when the waist is rotated. And a precise motion analysis to proceed with the analysis of the motion. In addition, the third module 5 performs four kinds of analyzes such as linear analysis, nonlinear analysis, dynamics analysis, and fracture analysis in precision motion analysis, The result of analysis of the kind is derived. In this case, during the execution of the specific analysis, the third module 5 is a result display after the completion of each analysis and includes three types of total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent stress The maximum stress and maximum displacement values acting on the screw system and the bony part are analyzed by analyzing the drawing.

여기서, 상기 해석과정중에 상기 제3 모듈(5)은 해석 정보를 바탕으로 물리학적 운동 이후 Screw system 에 가장 취약한 파트와 환자의 뼈에 하중과 Screw system 이 어떠한 영향을 미치는 가를 확인하는 과정을 더 포함한다.Here, during the analysis process, the third module 5 further includes a process of confirming the influence of the load and the screw system on the parts most vulnerable to the screw system and the patient's bones after the physical exercise, based on the analysis information do.

한편, 상기와 같은 해석과정후에 제어모듈(1)은 제3 모듈(5)에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델(2)을 가지고 제4 모듈(9)을 통해 실제 척추환자 맞춤의 나사들(6) 및 스파이럴 로드(7)가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작한다. 즉, 상기 제4 모듈(9)은 제3 모듈(5)에 의해 해석된 최종 임플란트 모델(2)을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사와 막대을 포함하여 척추변형교정용 임플란트(8)를 실제 제작하게 되는데, 이때, 상기 최종 임플란트 제작과정에서는 제4 모듈(9)이 예컨대, 스파이럴 로드(7)를 환자 척추 만곡의 곡률에 맞춰서 굽힘을 주거나 3D 프린터 등을 이용하여 제작하고, 모든 제작이 끝난 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트와 외과수술장비를 외과의사가 이용하기 쉽게 포장세트에 포장한다. 그리고 그에 더하여, 상기 제4 모듈(9)은 수술중에 긴급상황이 발생하여 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트가 파손될시 사용할 예비 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트(8)의 세트를 추가로 제공하는 것을 더 포함한다. After the above-described analysis process, the control module 1 has the final virtual implant model 2 interpreted by the third module 5 and the actual vertebrae-adapted screws 6 ) And a spiral rod (7) are actually manufactured. That is, the fourth module 9 actually includes the screw and rod of the actual vertebrae patient with the final implant model 2 interpreted by the third module 5 to actually make the vertebrae correction orthodontic implant 8 At this time, in the final implant manufacturing process, for example, the fourth module 9 is manufactured by bending the spiral rod 7 according to the curvature of the patient's vertebra, using a 3D printer or the like, A set of vertebrae orthodontic implants (8) and surgical surgical equipment are packaged in a packaging set that is easily accessible to the surgeon. In addition, the fourth module (9) adds a set of preliminary patient-adapted vertebra correction orthodontic implants (8) to be used when an emergency occurs during surgery and the set of patient-customized vertebrae orthodontic appliances (8) As shown in FIG.

여기서, 본 발명의 삼차원 적용 임플란트 설계 및 제작시스템(10)은 모니터링 수단(13)을 통해 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작과정을 확인하게되고, 이 처리과정에서 산출되는 모든 데이터를 저장수단(11)에 저장되며, 유무선송수신수단(14)을 통해 인터넷 및 근거리 통신망 혹은 이동통신망에 접속하여 휴대폰(15)이나 무선장비로도 상기 처리데이터를 송수신할 수 있다.Here, the three-dimensional applied implant designing and manufacturing system 10 of the present invention confirms the design and manufacturing process of the patient-customized vertebra deformation correction implant through the monitoring means 13, And can transmit and receive the processing data to the mobile phone 15 or wireless equipment by accessing the Internet, a local area network, or a mobile communication network through the wired / wireless transmitting / receiving unit 14.

여기서, 상기와 같은 본 발명의 임플란트 설계 및 제작방법을 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저, 추출 및 선정과정에서, 삼차원 모델을 추출하기 위해 해당 환자의 X-ray,CT등 의료영상을 확보한다. 이때, 상기 환자의 수술 예상 범위를 촬영하고 더욱 정밀한 모델을 완성하기 위해 영상 이미지가 가장 중요하므로 촬영 시 촬영 단면을 최대한 세밀하게 나누어 촬영하여 이미지의 품질을 높인다. 또한 상기과정에서 확보한 의료영상 이미지를 바탕으로 이미지에서 삼차원 모델을 추출하는 프로그램 (Mimics 등) 을 사용하여 이미지에 나타난 골격에 해당하는 부분을 첫번째로 추출하고 수술 예상 범위 밖의 나머지 골격 부위들은 제거를 하여 우리에게 필요한 부분만 삼차원 모델로 추출한다. 그리고 상기 추출과정에서는 골격 뿐만 아니라 인체의 거동에 영향을 미치는 부위들이 다양하게 존재하므로 의료영상에서 추출이 불가능한 부위들은 삼차원 모델 제작 프로그램을 이용하여 직접 제작하여 삼차원 골격 모델에 추가시킨다. 여기서, 상기 모델은 후에 유한요소해석에 사용하기 위함이므로 해석에 가장 최적화된 형태로 상세 수정을 하여 삼차원 모델을 최종 완성한다. 상기 도 3은 원하는 부분만을 추출한 삼차원 모델에서 상세 수정 단계까지 완성한 모델이고, 3번 요추 (lumbar) 부터 골반 (ilium) 부분까지의 모델을 나타내고 있다. 각 부분별로 색상을 다르게 지정하였으며 각 요추 사이의 디스크 (disk), 골격 사이의 움직임에 제한을 주는 인대 (ligament) 까지 제작하여 인체의 삼차원 모델을 완성한다. 이에 더하여 외과의사와 논의를 통해 환자에게 적합한 여러 종류의 수술 방식을 환자의 골격, 골밀도, 척추 만곡 등을 고려하여 상위 후보군에 포함시키고, 각 후보군 별로 나사, 막대 등의 지름이나 길이 수치를 세분화하여 여러 하위 후보군을 또한 분류한다. 또한 환자의 골밀도가 현저히 낮을 경우 정밀한 해석이 필요하므로 해면골의 내부 영상이 필요하다. 이 영상은 Micro CT 로 촬영이 가능하며 해면골의 내부까지 추출하여 정교한 삼차원 모델이 완성된다.Hereinafter, the method for designing and manufacturing the implant according to the present invention will be described in more detail. First, in extracting and selecting, a medical image such as X-ray and CT of a patient is acquired in order to extract a three-dimensional model. At this time, since the image image is most important for photographing the expected range of the patient's surgery and completing a more precise model, the photographing section is divided as much as possible and the image quality is improved. In addition, based on the medical image obtained in the above process, a program corresponding to the skeleton shown in the image is firstly extracted using a program (Mimics, etc.) for extracting a three-dimensional model from the image, and the remaining skeletal parts And extracts only the parts necessary for us as a three-dimensional model. In addition, since there are various parts that affect the behavior of the human body as well as the skeleton in the extraction process, the parts which can not be extracted from the medical image are directly produced by using the three-dimensional modeling program and added to the three-dimensional skeleton model. Here, since the model is used for finite element analysis later, the 3D model is finally finalized by making detailed modifications in the form optimized most for the analysis. FIG. 3 shows a model from a lumbar lumbar region to an ilium region, which is a model completed from a three-dimensional model obtained by extracting only a desired portion to a detailed correction process. Different colors are assigned to each part, and the disk between each lumbar vertebra and the ligament that restricts the movement between the skeletons are made to complete the three-dimensional model of the human body. In addition, we discussed with the surgeon various types of surgical methods appropriate for the patient, including the patient's skeleton, bone density, vertebral curvature, and so on, and subdivided the diameter and length of screws, rods, etc. into each candidate group We also classify several subordinate candidates. In addition, if the patient's bone density is significantly low, accurate interpretation is required, so internal images of cancellous bone are needed. This image can be photographed by Micro CT and extracted into the cancellous bone, completing a sophisticated three-dimensional model.

특히 상기 제2 과정(S3)에서는 인체의 삼차원 모델을 추출하였고 이 과정에서 인체 모델에 삽입될 가상 임플란트 모델(혹은 척추경 나사 고정 시스템)을 설계 프로그램 (Solid works, Inventor 등)을 이용하여 삼차원 모델을 제작한다. 이때 상기 가상 임플란트 모델의 후보군을 설정할 시 많은 수의 부품들이 모델화가 필요함으로 정형화한 몇가지의 대표 품목을 설계하여 수술 계획의 시점에 앞서 설계한 삼차원 모델을 미리 제작해 놓은 상태에서 세부적인 수치는 재조정하여 다수의 부품들을 모델화한다. 그리고 수술 방식에 따라 분류한 각각 후보군의 형상에 따라 모델화한 부품들을 조립하고 후보군을 유형별로 분류한다. 여기서, 상기와 같이 가상 임플란트 모델을 모델화할 경우 주의할 점은 스파이럴 로드(혹은 막대)를 설계할 시 기존의 정형화된 제품을 제작하는 것이 아니라 척추 만곡의 곡률 수치에 따라 삼차원 모델을 제작한다. 이때 상기 도 4는 가상 임플란트 모델의 여러 후보군 중의 하나인 예컨대, S2AI screw system 을 삼차원 모델화하여 나타낸 도면이다. 상기 도면과 같은 형상으로 가상 임플란트 모델의 하위 후보군에 여러 치수를 가진 모델들을 제작하며 도면과 다른 형식의 후보군의 모델들도 다수 제작한다. 이때, 상기 스파이럴 로드의 곡률은 척추의 곡률을 따라 형상화 하였다. Particularly, in the second step (S3), a three-dimensional model of the human body is extracted and a virtual implant model (or a pedicle screw fixation system) to be inserted into the human body model is designed using a design program (Solid works, Inventor, . At this time, when setting a candidate group of the virtual implant model, many parts need to be modeled, and some representative items that are formalized are designed, and the three-dimensional model designed before the start of the operation plan is prepared in advance. Thereby modeling a plurality of parts. Then, the modeled parts are assembled according to the shape of each candidate group classified according to the operation method, and the candidate groups are classified into types. When modeling a virtual implant model as described above, it is important to design a spiral rod (or a rod) to construct a three-dimensional model based on the curvature value of the vertebral curvature, rather than making a conventional shaped product. 4 is a view showing a screw system of, for example, the S2AI screw, which is one of various candidates of the virtual implant model, by three-dimensional modeling. Models having various dimensions in the lower candidate group of the virtual implant model are formed in the shape as shown in the figure, and a large number of models of candidates of different types are generated. At this time, the curvature of the spiral rod was shaped along the curvature of the spine.

한편, 상기와 같은 과정을 경유하여 삼차원 모델화후에 그 추출한 삼차원 모델과 선택된 가상 임플란트 모델(혹은 척추경 나사 고정 시스템)을 도 5에 도시된 바와같이 결합하게 되는데, 이때, 삼차원 모델 프로그램을 이용하여 각각의 시스템 모델을 척추 모델의 정해진 좌표에 위치시키고 실제 수술과 같은 방법으로 척추 모델에 나사 직경과 같은 크기의 구멍을 뚫고 시스템 모델을 삽입한다.The 3D model and the selected virtual implant model (or pedicle screw fixation system) are combined as shown in FIG. 5 after the 3D modeling is performed through the above process. At this time, the three-dimensional model and the selected virtual implant model The system model of the spine model is located at a predetermined coordinate of the spine model and the system model is inserted by drilling a hole of the same size as the screw diameter in the spinal model in the same manner as the actual operation.

그리고 상기와 같은 과정을 경유하여 전체적인 삼차원 모델이 완성되었다면 도 6에 도시된 바와같이 공학적 해석을 통하여 시뮬레이션을 진행한다. 이때, 첫번째로 삼차원 모델의 부분별 접촉 조건을 설정해야 하며, 예를 들면 요추와 디스크 간의 변위는 없으므로 두 부분은 완전히 결합되어 있는 상태로 조건을 설정하고 요추와 나사 간의 변위는 환자의 골밀도 등 여러 환경에 의해 나타날 수 있으므로 마찰계수 등을 입력하여 마찰 조건으로 설정할 수 있다. 그리고 다음으로 경계 조건을 설정해야 하고 하중 조건과 지지 조건으로 나눌 수 있다. 여기서, 상기 하중 조건에는 힘 (Force), 압력 (Pressure), 모멘트 (Moment) 등이 있으며, 지지 조건에는 고정 지지 (Fix support), 마찰 지지 (Frictional support) 등이 있다. 상기 삼차원 모델의 물리학적 운동에 따라 위의 조건들을 역학적으로 분석하여 적용하고 다른 여려 종류의 운동 경우를 설정하여 각각의 역학적 해석결과를 도출한다. Then, if the overall three-dimensional model is completed through the above-described process, the simulation proceeds through engineering analysis as shown in FIG. In this case, first, the contact condition of each part of the three-dimensional model should be set. For example, since there is no displacement between the lumbar spine and the disk, the condition is set in a state where the two parts are completely coupled. It can be set as the friction condition by inputting the friction coefficient or the like. Next, the boundary condition must be set up, and it can be divided into the load condition and the support condition. Here, the load conditions include a force, a pressure, and a moment, and the support conditions include a fix support, a friction support, and the like. The above-mentioned conditions are dynamically analyzed and applied according to the physical motion of the three-dimensional model, and different kinds of motion cases are set to derive the respective mechanical analysis results.

한편, 상기와 같이 가상 임플란트 모델이 결합된 삼차원 모델의 각 후보군에 대해 유한요소해석 결과가 도출되었을 경우 이 결과들을 바탕으로 여러 엔지니어, 외과의가 논의를 거쳐 최종 후보를 선정하게 된다. 이때, 다양한 운동 상태에 따른 응력 (Stress) 분포, 변형률 (Strain) 분포, 변위 (Deformation) 분포 등의 결과 정보를 활용하여 환자에게 최적화된 모델 후보를 최종 선정한다. 이후 적용 가능성 평가에서 적합하지 않는 경우가 발생할 수 있으므로 2순위, 3순위 후보의 모델을 또한 선정한다.On the other hand, when the finite element analysis result is derived for each candidate group of the three-dimensional model in which the virtual implant model is combined as described above, various engineers and surgeons discuss the results and select the final candidate. At this time, the optimized model candidates are finally selected using the result information such as stress distribution, strain distribution, and deformation distribution according to various exercise conditions. Since there may be cases in which the applicability evaluation is not appropriate, a model of the second and third candidates is also selected.

한편, 상기와 같은 과정을 거쳐 최종 후보로 선정된 가상 임플란트 모델을 실제 환자에게 적용 가능성에 대해 최종적으로 평가하게되는데, 수술 과정, 수술 후 환자의 생활 등의 경우에서 안전성, 경제성, 편의성 등의 항목을 평가하여 적용 가능 여부를 판단한다. 그리고 이 과정에서 적용 가능의 판단이 도출되면 다음 단계로 이어나가고 불가능으로 판단되면 상기 2순위 후보로 선정된 모델을 다시 평가하여 적용 가능으로 결론이 도출될 때까지 평가를 반복 진행한다.Meanwhile, the virtual implant model selected as the final candidate through the above process is finally evaluated for the applicability to the actual patient. In the case of the surgical procedure and the patient's life after the operation, safety, economical efficiency, convenience And judges whether or not it is applicable. If it is judged that the applicability is judged to be applicable in this process, the process proceeds to the next step. If it is judged to be impossible, the model selected as the second candidate is re-evaluated and evaluated repeatedly until the conclusion can be obtained.

또한, 상기와 같은 과정을 경유하여 최종 가상 임플란트 모델(혹은 척추경 나사 고정 시스템의 모델)이 선택되면 도 7에 도시된 바와같이 실제 제품으로 제작하게되는데, 나사, 고리 등의 제품을 삼차원 모델의 치수에 맞게 제작하며, 스파이럴 로드(혹은 막대)는 제4 모듈을 통한 삼차원 모델을 3D 프린터를 이용하여 제작하는 방법 또는 굽힘을 고려한 길이의 직선 형태로 제작을 하고, 삼차원 모델의 곡률 수치를 입력하여 직선의 막대에 모델과 같은 형태의 굽힘을 주는 방식으로 진행한다.When a final virtual implant model (or a model of a pedicle screw fixation system) is selected via the above-described process, an actual product is manufactured as shown in FIG. 7. When a product such as a screw, a ring, The spiral rod (or bar) is manufactured in accordance with the dimension, and the 3D model through the fourth module is manufactured by using a 3D printer, or the bending is taken into a linear shape, and the curvature values of the three- Proceed in such a way that the bend of the shape of the model is given to the bar of the straight line.

한편, 상기와 같은 과정을 거쳐 최종 임플란트(혹은 척추경 나사 고정 시스템)의 제작이 완료될 경우 그 제작된 최종 임플란트를 외과수술장비와 함께 포장하여 외과의사에게 제공하게되는데, 부품들을 상자 안에 같은 형태로 배치하여 시스템 상자에 포장을 한다. 이때, 수술과정에서 긴급한 상황이 발생할 가능성이 있으므로 현재 기존 시장에서 상용화되고 위의 시뮬레이션 과정을 거치지 않은 여러 치수의 제품들이 포함된 예비 시스템 세트까지 외과의사에게 제공하여 긴급상황을 대비한다.If the final implant (or screw fixation system of the pedicle screw) is completed through the above process, the final implant is packed with the surgical instrument and is provided to the surgeon. And pack it in the system box. At this time, since there is a possibility of an emergency in the surgical procedure, a surgeon provides a set of preliminary systems including products of various sizes that are commercially available in the existing market and not subjected to the above simulation process to prepare for an emergency.

따라서, 상기와 같은 본 발명을 적용할 경우, 수술 준비과정에서 시뮬레이션을 진행함으로써 다양한 방법들의 결과를 예측할 수 있고, 환자에게 적합한 최적의 방법을 수술 전 결정하여 외과의사의 빠른 판단을 기대할 수 있게하며, 따라서 각각의 시뮬레이션을 통해 오차를 줄이고 수술 시간을 단축하여 외과의사와 환자에게 안정성, 신속성, 편의성을 제공하고 수술에 대한 부담을 상당히 줄이게 될 수 있다. Therefore, when the present invention as described above is applied, the results of various methods can be predicted by performing the simulation in the surgical preparation process, the optimal method suitable for the patient can be determined before the surgery, and the surgeon's quick judgment can be expected Thus, each simulation can reduce errors and shorten the operation time, providing stability, promptness, and convenience to the surgeon and patient and greatly reducing the burden on the operation.

1 : 제어모듈 2 : 가상 임플란트 모델
3 : 제1 모듈 4 : 제2 모듈
5 : 제3 모듈 6 : 나사
7 : 스파이럴 로드 8 : 척추변형교정용 임플란트
9 : 제4 모듈 10: 임플란트 설계 및 제작시스템
11: 저장수단 12: 삼차원 모델
13: 모니터링수단 14: 유무선 송수신수단
15: 휴대폰
1: Control module 2: Virtual implant model
3: first module 4: second module
5: Third module 6: Screw
7: Spiral load 8: Implant for correcting spinal deformity
9: Fourth module 10: Implant design and manufacturing system
11: storage means 12: three-dimensional model
13: Monitoring means 14: Wired / wireless transmission / reception means
15: Mobile phone

Claims (18)

삼차원의 가상 임플란트 모델에 대한 구축과정과, 상기 삼차원 가상 임플란트 모델을 이용하여 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 전체 프로세스를 설계, 관리 및 제어하는 제어모듈과;
상기 제어모듈의 기능제어하에 상기 척추환자의 의료영상에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정하는 제1 모듈과;
상기 제1 모듈에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델을 기반으로 제어모듈의 기능제어하에 스파이럴로드를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제 2 모듈과;
상기 제2 모듈에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델을 제어모듈의 기능제어하에 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델을 해석하는 제3 모듈과;
상기 제어모듈의 기능제어하에 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 실제 척추환자 맞춤의 나사들 및 스파이럴 로드가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 제4 모듈을 포함하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
A control module for designing, managing, and controlling the entire process of actually manufacturing the vertebral deformation correction implant using the three-dimensional virtual implant model;
A first step of extracting a three-dimensional model from the medical image of the spinal patient under the control of the control module and selecting the virtual implant model as a candidate group by classifying the virtual implant model according to the surgical method and each dimension based on the extracted three- A module;
And designing the spiral load according to the vertebral curvature of the patient under the control of the function of the control module based on the virtual implant model selected by the clinician among the virtual implant models of the plurality of candidate groups selected by the first module, A second module for modeling;
The three-dimensional implant model designed by the second module is analyzed by the finite element method under the control of the control module, and the analyzed three-dimensional implant model is simulated and the error part is continuously corrected. A third module for interpreting the final implant model to obtain a curve or optimal curvature;
A fourth module for actually fabricating a vertebral deformation correcting implant having a final virtual implant model interpreted by a third module under the control of the control module and including spinal patient alignment screws and spiral rods; Implant design and fabrication system for orthodontic spine deformity.
제1항에 있어서,
상기 제2 모듈은 제1 모듈에 의해 선정된 각각의 가상 임플란트 후보군에 필요한 여러 치수의 나사, 스파이얼 로드의 후보군을 포함하는 여러종류의 시스템 세트를 설계하며, 상기 각 가상 임플란트 후보군 선정 시 골격, 골밀도, 척추 만곡정보가 포함되는 환자의 신체 정보를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
The second module designing various types of system sets including a screw of a plurality of dimensions and a candidate group of a spiral rod necessary for each virtual implant candidate group selected by the first module, Bone density, and vertebral curvature information of the patient, based on the body information of the patient.
제1항에 있어서,
상기 제2 모듈은 제1 모듈에 의해 선정된 가상 임플란트 후보군 각각을 삼차원 모델화 하여 추출된 환자 모델에 삽입시켜 설계하되, 상기 삽입과정에서 Solid-works, Inventor의 프로그램중 어느 하나를 이용하여 각각 후보군을 구체적인 가상 임플란트 모델로 설계하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
The second module is designed by inserting each of the virtual implant candidates selected by the first module into the extracted patient model by three-dimensionally modeling the virtual implant candidates, and using the Solid-works or Inventor program, Wherein the implantable prosthesis is designed with a specific virtual implant model.
제3항에 있어서,
상기 삽입과정에는 스파이럴 로드(혹은 막대)의 경우 환자의 척추 만곡에 따른 곡률에 맞게 모델화하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method of claim 3,
Wherein the spiral load (or rod) is modeled according to the curvature of the patient's vertebral curvature in the insertion process.
제1항에 있어서,
상기 제3 모듈은 모델화한 가상 임플란트 모델을 유한요소법으로 해석을 진행하여 각각의 결과 정보를 산출하되, 환자의 Micro CT 영상을 이용하여 정교한 해면골 (cancellous bone)내부까지 삼차원 모델화 하여 해석을 실행하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
The third module analyzes the modeled virtual implant model using the finite element method, calculates each result information, and performs a three-dimensional modeling of the inside of the sophisticated cancellous bone using the patient's micro CT image to perform the analysis A system for the design and manufacture of patient - tailored orthodontic orthodontics.
제1항에 있어서,
상기 제3 모듈은 해석된 삼차원 가상 임플란트 모델에 대해 시뮬레이션을 실행하고 그 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트에 근접한 커브 혹은 만곡도가 되도록 최종적인 가상 임플란트 모델을 산출하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the third module performs a simulation on the interpreted three-dimensional virtual implant model and continues to correct the error portion to yield a final virtual implant model with a curve or curvature close to the actual implant. Deformation correction implant design and fabrication system.
제1항에 있어서,
상기 제3 모듈은 환자의 체중만이 하중으로 작용하는 상태인 자중 (Self load), 환자가 앞쪽으로 허리를 굽힐 때의 하중 작용인 굽힘 하중 (Flexion load), 뒤쪽으로 굽힐 경우의 연장 하중 (Extension load) 및 허리를 회전할 경우의 비틀림 하중 (Torsion load)을 포함하는 4종류 운동에 대한 물리학적 해석으로 시뮬레이션을 실행하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
The third module includes a self load which is a state in which only the patient's body weight acts as a load, a flexion load which is a load action when the patient bends the front waist, an extension load when the patient bends back, wherein the simulations are carried out with a physical analysis of the four types of movements including the load and the torsion load when the waist is rotated.
제7항에 있어서,
상기 제3 모듈은 시뮬레이션시 선형 해석 (Linear analysis), 비선형 해석 (Nonlinear analysis), 동역학 해석 (Dynamics analysis), 골절 해석 (Fracture analysis)을 포함하는 4종류의 해석으로 진행하여 16종류의 해석 결과가 도출되도록 하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
8. The method of claim 7,
The third module has four kinds of analysis including simulation of linear analysis, nonlinear analysis, dynamics analysis, and fracture analysis, and 16 kinds of analysis result Wherein the implantable prosthesis comprises a plurality of implantable implantable prostheses.
제7항에 있어서,
상기 제3 모듈은 각각의 해석 완료 후 출력되는 결과 도면으로 전체 변형 (Total deformation), 등가 탄성변형 (Equivalent elastic strain), 등가 응력 (Equivalent stress)의 3종류의 도면을 분석하여 Screw system과 뼈 부분에 작용하는 최대 응력 (Maximum stress)과 최대 변위 (Maximum displacement)값을 확인하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
8. The method of claim 7,
The third module analyzes the three types of diagrams of Total Deformation, Equivalent Elastic Strain, and Equivalent Stress, which are output results after each analysis, Wherein a maximum stress and a maximum displacement value acting on the vertebrae vertebrae are identified.
제9항에 있어서,
상기 제3 모듈은 상기 해석 정보를 바탕으로 물리학적 운동 이후 Screw system 에 가장 취약한 파트와 환자의 뼈에 하중과 Screw system 이 어떠한 영향을 미치는 가를 확인하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
10. The method of claim 9,
The third module is based on the interpretation information, and it confirms the influence of the load and the screw system on the parts most vulnerable to the screw system after the physical exercise and the bones of the patient, and the patient-customized spine deformation correction implant design And production system.
제1항에 있어서,
상기 제4 모듈은 수술중에 긴급상황이 발생하여 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트의 세트가 파손될시 사용할 예비 환자 맞춤형 척추변형교정용 임플란트의 세트를 추가로 더 제작하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템.
The method according to claim 1,
Wherein said fourth module further fabricates a set of preliminary patient-customized vertebra correction implants to be used when an emergency occurs during surgery and a set of patient-customized vertebrae correction implants is broken. ≪ RTI ID = 0.0 > Implant design and manufacturing system.
임플란트 설계 및 제작시스템의 제어모듈이 제1 모듈을 통해 척추환자의 CT 영상에서 삼차원 모델을 추출하고 그 추출된 척추환자의 삼차원모델을 근거로 하여 가상 임플란트 모델을 수술 방식과 각 치수별로 분류하여 여러후보군으로 선정시키는 제1 과정과;
상기 제1 과정의 제1 모듈에 의해 선정된 여러 후보군의 가상 임플란트 모델중 임상의가 선택한 가상 임플란트 모델을 기반으로 제어모듈이 제2 모듈을 통해 스파이럴로드를 환자의 척추 만곡에 따라 구체적으로 설계하는 것을 포함하여 삼차원으로 정밀 모델화하는 제2 과정과;
상기 제2 과정의 제2 모듈에 의해 최적화로 설계된 삼차원 임플란트 모델을 제어모듈이 제3 모듈을 통해 유한요소법을 이용하여 해석한후 그 해석된 삼차원 임플란트 모델을 시뮬레이션을 하고 에러가 난 부분을 계속 보정하여 실제 임플란트가 최적의 커브 혹은 최적의 만곡도가 되도록 최종 임플란트 모델을 해석하는 제3 과정과;
상기 제3 과정의 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 제어모듈이 제4 모듈을 통해 실제 척추환자 맞춤의 나사들 및 스파이럴 로드가 포함되는 척추변형교정용 임플란트를 실제 제작하는 제4 과정을 포함하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
The control module of the implant design and manufacturing system extracts the 3D model from the CT image of the spine patient through the first module and classifies the virtual implant model according to the surgical method and each dimension based on the extracted three- A first step of selecting a candidate group;
The control module may design the spiral load according to the vertebral flexion of the patient through the second module based on the virtual implant model selected by the clinician among the virtual implant models of the plurality of candidate groups selected by the first module of the first process A second step of three-dimensionally finely modeling the object;
The control module analyzes the three-dimensional implant model designed by the second module of the second process using the finite element method through the third module, simulates the analyzed three-dimensional implant model, and continuously corrects the error portion A third step of analyzing the final implant model so that the actual implant has an optimal curve or an optimal curvature;
The fourth module is a fourth virtual module for verifying the final virtual implant model analyzed by the third module of the third process, and the fourth module for actually verifying the vertebrae orthodontic implant including the spinal- A method for controlling a patient - customized spinal deformation correction implant design and manufacturing system including a method.
제12항에 있어서,
상기 제2 과정에는 가상 임플란트 모델설계시 스파이럴 로드(혹은 막대)를 환자의 척추 만곡에 따른 곡률에 맞게 모델화하는 척추곡률 적용단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
13. The method of claim 12,
The second step further includes a spinal curvature application step of modeling the spiral load (or rod) according to the curvature of the patient's vertebrae when designing the virtual implant model, and designing and manufacturing the patient-customized vertebra correction implant Method of controlling the system.
제12항에 있어서,
상기 제3 과정에는 제3 모듈이 모델화한 가상 임플란트 모델을 유한요소법으로 해석할 경우 환자의 Micro CT 영상을 근거로 정교한 해면골 (cancellous bone)내부까지 삼차원 모델화 하여 해석을 실행하는 삼차원정밀 모델화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
13. The method of claim 12,
In the third step, when the virtual implant model modeled by the third module is analyzed by the finite element method, a three-dimensional precision modeling step of performing three-dimensional modeling to a sophisticated cancellous bone based on the patient's micro CT image Wherein the implantable prosthesis comprises a plurality of implantable prostheses.
제12항에 있어서,
상기 제3 과정에는 제3 모듈이 하중 조건과 지지 조건을 설정한 이후 4종류의 물리학적 운동에 대한 시뮬레이션을 실행하되, 환자의 체중만이 하중으로 작용하는 상태인 자중 (Self load), 환자가 앞쪽으로 허리를 굽힐 때의 하중 작용인 굽힘 하중 (Flexion load), 뒤쪽으로 굽힐 경우의 연장 하중 (Extension load), 허리를 회전할 경우의 비틀림 하중 (Torsion load)의 4종류 운동에 대한 물리적인 해석을 진행하는 정밀운동 해석단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
13. The method of claim 12,
In the third step, after the third module sets the load condition and the support condition, a simulation is performed on four kinds of physical motions. Self load, which is a state in which only the weight of the patient acts as a load, Physical analysis of four types of motion: flexion load (flexion load) when the waist is bent forward, extension load when bending backward, and torsion load when the waist is rotated. Further comprising a precise motion analysis step of performing a precise motion analysis of the spine deformation correction prosthesis.
제12항에 있어서,
상기 제3 과정에는 제3 모듈이 해석시 선형 해석 (Linear analysis), 비선형 해석 (Nonlinear analysis), 동역학 해석 (Dynamics analysis), 골절 해석 (Fracture analysis)의 4종류의 해석으로 진행하여 총 16종류의 해석 결과가 도출하는 구체해석 실행단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
13. The method of claim 12,
In the third step, the third module is analyzed by four types of analysis: linear analysis, nonlinear analysis, dynamics analysis, and fracture analysis. Further comprising a specific analysis execution step in which the analysis result is derived.
제16항에 있어서,
상기 구체해석 실행단계에는 제3 모듈이 각각의 해석 완료 후 출력되는 결과 도면으로 전체 변형 (Total deformation), 등가 탄성변형 (Equivalent elastic strain), 등가 응력 (Equivalent stress)을 포함하는 3종류의 도면을 분석하여 Screw system과 뼈 부분에 작용하는 최대 응력 (Maximum stress)과 최대 변위 (Maximum displacement) 값을 확인하는 해석결과도면 확인단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
17. The method of claim 16,
In the concrete analysis execution step, three kinds of drawings including total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent stress are shown as a result drawing after the completion of each analysis of the third module And analyzing the results of the analysis to determine the maximum stress and maximum displacement value acting on the screw system and the bones, and designing and preparing the patient-customized vertebral deformational correction implant Method of controlling the system.
제12항에 있어서,
상기 제3 과정의 제3 모듈에 의해 해석된 최종 가상 임플란트 모델을 가지고 제어모듈이 제4 모듈을 통해 실제 스파이럴 로드를 3D프린터 또는 굽힘을 주는 장비를 통해 가상 임플란트 모델과 같은 형태로 실제 제작하는 제작단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 척추변형 교정용 임플란트 설계 및 제작시스템의 제어방법.
13. The method of claim 12,
The final virtual implant model analyzed by the third module of the third process, and the control module actually manufactures the actual spiral load through the fourth module in the form of a virtual implant model through a device for giving a 3D printer or a bend Further comprising the step of: < RTI ID = 0.0 > - < / RTI >
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