KR20200118255A - 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 방법은 해부학적 구조 상에 이식될 가상 임플란트 모델의 기하학적 형상에 기초하여 표준 햅틱 경계를 설정하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 가상 임플란트 모델과 관련된 기준 특징을 설정하는 단계, 및 설정된 기준 특징과 환자의 해부학적 구조와 관련된 가상 모델 사이의 공통부분을 결정하는 단계를 포함한다. 설정된 기준 특징과 해부학적 구조의 가상 모델 사이의 공통부분의 해부학적 주위는 해부학적 구조의 가상 모델 상에서 결정된다. 표준 햅틱 경계는 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위해 해부학적 특징에 기초하여 수정된다.

Description

커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR GENERATING CUSTOMIZED HAPTIC BOUNDARIES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2013년 12월 31일 출원된 미국 가특허출원 번호 61/922,740의 이익 및 우선권을 주장하고, 이 가특허출원의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 개시는 일반적으로 컴퓨터-지원식 수술("CAS") 시스템과 관련된 힘 피드백 시스템에 관한 것이고, 더 상세히 설명하면 환자-특유의 정보에 기초한 CAS 시스템과 관련된 대화형 햅틱 경계를 커스터마이징(customizing)하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
슬관절은 대퇴골의 원위 단부와 경골의 근위 단부 사이에 접합면을 포함한다. 적절하게 기능하는 슬관절에서, 대퇴골의 내측과 및 외측과는 경골의 각각의 내측과 및 외측과에 부착된 반월판을 따라 원활하게 선회된다. 슬관절이 손상된 경우, 자연 골 및 관절을 형성하는 연골은 적절히 관절운동을 할 수 없을 것이고, 이것은 관절통을 유발할 수 있고, 경우에 따라 관절의 정상적인 사용에 지장을 줄 수 있다.
일부의 상황에서는, 관절의 정상적인 사용을 회복하고, 통증을 감소시키기 위해 수술이 요구된다. 손상의 중증도에 따라, 수술은 보철 컴포넌트로 관절을 부분적으로 또는 전체적으로 대체하는 것을 수반할 수 있다. 이러한 슬치환 처치 중에, 의사는 건강한 조직을 손상되지 않은 상태로 남겨두도록 노력하면서 골과 연골의 손상 부위를 절제한다. 다음에 의사는 절제된 조직을 재현하여 적절한 슬관절 작용을 회복하도록 설계된 인공 보철 컴포넌트를 건강한 조직에 끼워맞춘다.
전형적으로, 수술 전에, 의사는 수술을 수행하는 가이드의 역할을 하는 예비("수술전") 계획을 세운다. 수술전 계획입안의 일부로서, 의사는 환자의 관절의 크기, 형상, 운동학적 기능, 및 상태를 조사한다. 컴퓨터-지원식 수술 시스템을 이용하는 이 조사는 관절의 컴퓨터를 이용한 이미지를 획득하고, 가상 소프트웨어 공간 내에서 환자의 관절의 컴퓨터를 이용한 모델을 생성함으로써 수행될 수 있다. 이러한 가상 모델을 이용하여, 의사는 관절의 해부학적 특징의 상태를 평가할 수 있고, 특히 제거될 필요가 있는 골의 위치와 양 및 정상 관절 기능을 회복하기 위해 골 상에 이식되어야 하는 보철 컴포넌트의 위치 및 배향을 계획입안할 수 있다.
비록 의사는 환자의 고유한 해부학적 구조에 기초하여 수술의 대부분의 국면을 커스터마이징하는데 큰 융통성을 가지지만, 의사는 전형적으로 한정된 수의 상이한 보철 임플란트 컴포넌트 중에서 선택하는 제한을 받는다. 많은 상황에서, 의사는 해부학적 구조가 이용가능한 임의의 보철 임플란트 컴포넌트와 정확하게 일치되지 않는 환자에 대해 수술을 수행한다. 그 결과, 의사는 환자의 해부학적 구조에 가장 근접하게 일치되지만 정확하게 일치되지 않는 보철 임플란트를 선택할 수 있다. 그러면 의사는 선택된 보철 컴포넌트를 수용하기 위해(수술전 또는 수술후에) 수술 계획을 수정할 수 있다.
상황에 따라, CAS 시스템은 힘 피드백 제어 시스템을 포함할 수 있고, 이 힘 피드백 제어 시스템은 하나 이상의 수술 기구(예를 들면, 절단 도구)에 결합되고, 수술 중에 수술 기구를 제어하기 위한 힘 피드백을 제공하도록 구성된다. 이 힘 피드백 제어 시스템은 어떤 사전에 정의된 경계 내에 수술 도구의 위치 또는 작동을 제한하도록 절단 도구를 제약한다. 사용자가 힘 피드백 제어 시스템과 관련된 가상 경계의 배치를 전략적으로 확정할 수 있도록 함으로써, 이들 CAS 시스템에 의해 의사는 보철 임플란트를 수용하기 위한 전처리에서 골의 절제 및 조각(sculpting)을 정밀하고 정확하게 제어할 수 있다.
CAS 시스템은 수술 기구의 표면이 작동될 수 있는 경계를 한정함으로써 골 절단을 정확하게, 신뢰성 있게, 그리고 정밀하게 실행할 수 있는 해결책을 제공하므로, 현재 일부의 CAS 시스템은 이용가능한 보철 임플란트의 크기 및 형상에 일치하는 가상 소프트웨어 모델을 포함한다. 임플란트(들)의 가상 소프트웨어 모델은 수술 처치 전 또는 수술 중에(소프트웨어에서) 환자의 관절의 가상 모델(들)에 대해 위치될 수 있다. 일단 위치되면, 이 임플란트의 소프트웨어 모델은 환자의 해부학적 구조의 가상 모델에 "등록"될 수 있으므로 절단 표면은 임플란트의 소프트웨어 모델에 의해 한정되는 영역 내에서만 작동하도록 제한되고, 조직 제거는 임플란트의 등록된 설치와 관련된 환자의 골의 구체적 영역으로 제한된다.
가상 모델을 제공하는 시스템, 및 이용가능한 임플란트의 선택과 관련된 대응하는 햅틱 경계로 인해 의사는 임플란트를 수용하기 위한 골을 전처리하기 위한 절제 패턴을 신속하고 효과적으로 결정할 수 있다. 일반적으로, 각각의 가상 임플란트 모델은 가상 임플란트 모델과 관련된 기하학적 형상의 크기 및 형상에 기초할 수 있는 대응하는 고정된 햅틱 경계와 관련될 수 있다. 그러나, 특정의 상황에서 의사는 표준보다 작은 보철 임플란트를 선택하지만, 그럼에도 불구하고 표준보다 작은 보철 임플란트를 수용하기 위해 요구되는 경계를 초과하여 위치될 수 있는 병적 조직 또는 손상 조직의 영역을 제거하기를 원한다.
하나의 양태에 따르면, 본 개시는 환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 햅틱 경계를 커스터마이징하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은 해부학적 구조 상에 이식될 가상 임플란트 모델의 기하학적 형상에 기초하여 표준 햅틱 경계를 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 가상 임플란트 모델과 관련된 기준 특징을 설정하는 단계, 및 설정된 기준 특징과 환자의 해부학적 구조와 관련된 가상 모델 사이의 공통부분을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 설정된 기준 특징과 해부학적 구조의 가상 모델 사이의 공통부분의 해부학적 주위(perimeter)는 해부학적 구조의 가상 모델 상에서 결정될 수 있다. 표준 햅틱 경계는 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위해 하나 이상의 해부학적 특징에 기초하여 수정될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 본 개시는 환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 햅틱 경계를 커스터마이징하기 위한 다른 방법에 관한 것이다. 본 방법은 가상 좌표 공간 내에서 임플란트의 그래픽 표상(representation)을 디스플레이하는 단계, 및 가상 좌표 공간 내에서 골의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 사용자의 입력에 기초하여 골의 그래픽 표상에 대해 임플란트의 그래픽 표상을 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 임플란트의 기하학적 형상에 기초하여 표준 햅틱 경계의 그래픽 표상을 표시하는 단계, 및 임플란트의 그래픽 표상에 관련된 기준 특징 정보를 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 추출된 기준 특징과 골의 그래픽 표상 사이의 공통부분에서 해부학적 주위가 매핑(mapping)될 수 있고, 기준 특징과 골의 그래픽 표상의 공통부분으로부터 골의 그래픽 표상 상에 하나 이상의 해부학적 특징이 또한 매핑될 수 있다. 본 방법은 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위해 하나 이상의 해부학적 특징에 기초하여 표준 햅틱 경계를 수정하는 단계, 및 가상 좌표 공간 내에서 커스터마이징된 햅틱 경계의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 하나의 다른 양태에 따르면, 본 개시는 디스플레이, 사용자에 의해 입력된 데이터를 수신하도록 구성된 입력 장치, 및 입력 장치 및 디스플레이에 작동가능하게 결합되는 프로세서를 포함하는 컴퓨터-지원식 수술 시스템에 관한 것이다. 프로세서는 해부학적 구조 상에 이식될 가상 임플란트 모델의 기하학적 형상에 기초하여 표준 햅틱 경계를 설정하고, 가상 임플란트 모델에 관련된 기준 특징을 설정하고, 환자의 해부학적 구조에 관련된 가상 모델과 설정된 기준 특징 사이의 공통부분을 결정하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 설정된 기준 특징과 해부학적 구조의 가상 모델 사이의 공통부분에서 해부학적 주위를 설정하고, 기준 특징과 해부학적 구조의 가상 모델의 공통부분으로부터 해부학적 구조의 가상 모델 상의 하나 이상의 해부학적 특징을 결정하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위해 하나 이상의 해부학적 특징에 기초하여 표준 햅틱 경계를 수정하고, 디스플레이 상에 환자의 해부학적 구조에 관련된 가상 모델 및 커스터마이징된 햅틱 경계를 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 추가의 목적 및 장점은 부분적으로 후술하는 설명란에서 설명되고, 부분적으로 설명란으로부터 자명할 것이고, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적 및 장점은 특히 첨부된 청구항에서 지적된 요소 및 조합에 의해 실현 및 획득될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명의 양자 모두는 예시적 및 설명적인 것에 불과하고, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서의 내에 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리 및 특징을 설명하는 역할을 하는 여러 가지 실시형태를 도시한다.
도 1은 보철 시스템을 끼워맞춘 수술후 보철 슬관절의 사시도를 도시하고;
도 2는 개시된 실시형태와 일치되는 특정 방법이 구현될 수 있는 예시적 컴퓨터-지원식 수술(CAS)의 개략도를 제공하고;
도 3은 도 2에 도시된 CAS 시스템과 관련된 하나 이상의 컴포넌트에서 사용될 수 있는 예시적 컴퓨터 시스템의 개략 다이어그램을 제공하고;
도 4는 특정 실시형태에 따른 CAS 시스템의 그래픽 사용자 인터페이스와 관련된 예시적 스크린 샷을 도시하고;
도 5는 경골 보철 컴포넌트를 위한 표준 햅틱 경계의 가상 표상을 도시한다.
도 6은 골 모델과 평면의 중첩에 기초한 커스텀 햅틱 경계의 가상 표상을 도시한다.
도 7은 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계의 가상 표상을 도시한다.
도 8은 환자-특유의 해부학적 데이터에 기초한 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위한 예시적 방법을 도시하는 흐름도를 제공하고;
도 9는 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 일 단계의 가상 표상을 도시한다.
도 10은 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 또 다른 단계의 가상 표상을 도시한다.
도 11은 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 또 다른 단계의 가상 표상을 도시한다.
도 12은 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 또 다른 단계의 가상 표상을 도시한다.
도 13은 특정의 개시된 실시형태에 따른 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하는 또 다른 단계의 가상 표상을 도시한다.
도 14는 환자-특유의 해부학적 데이터에 기초한 커스터마이징된 햅틱 경계를 생성하기 위한 또 다른 예시적 방법을 도시하는 흐름도를 제공한다.
이하, 본 개시의 예시적 실시형태를 상세히 설명한다. 이 예시적 실시형태의 실시예는 첨부한 도면에 도시되어 있다.
건강한 슬관절은 대퇴골의 원위 단부와 경골의 근위 단부 사이에 접합면을 포함한다. 만일 건강한 슬관절이, 예를 들면, 부상이나 질병으로 인해 손상되면, 관절의 정상 구조 및 기능을 회복시키기 위해 무릎 수술이 요구될 수 있다. 만일 무릎의 손상이 심각하면, 인공슬관절 전치환술("TKA")이 요구될 수 있다. 전형적으로 TKA는 관절의 손상 부위의 제거 및 하나 이상의 보철 컴포넌트로 관절의 손상 부위의 대체를 수반한다.
TKA 처치에서, 십자인대(전십자인대 및/또는 후십자인대를 포함함) 중 하나 이상은 새로운 슬관절을 형성하는 보철 임플란트와 함께 재사용되도록 무손상으로 유지될 수 있다. 이러한 "십자인대-보존" 용도에서, 보철 임플란트 컴포넌트는 슬관절의 과간 영역을 통과하는 유지된 십자인대와 간섭 또는 충돌하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 대퇴골 보철 컴포넌트 및 경골 보철 컴포넌트의 각각은 보철 컴포넌트의 후부로부터 보철 컴포넌트의 전부를 향해 연장되는 과간 "노치"를 구비하도록 설계될 수 있다. 대퇴골 과간 노치와 경골 과간 노치는 십자인대가 대퇴골 과간와로부터 하방으로 경골 융기까지 통과할 수 있는 통로를 제공한다.
십자인대는 정상적인 슬관절의 사용 중에 상당한 인장력에 노출되므로, 십자인대가 대퇴골 및 경골에 부착되는 부착 부위는 십자인대를 골에 적절히 고정시키기 위한 충분한 강도를 가지는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 십자인대에 의해 가해지는 힘은 부착 부위의 주위의 조직을 변형시키고, 관절의 기능부전을 유발할 가능성이 있고, 이것은 수복을 위한 교정 수술을 필요로 할 수 있다. 이러한 기능부전의 가능성을 제한하기 위한 하나의 방법은 부착 부위(즉 경골의 대퇴골의 과간와와 경골 융기(101a))에서 또는 그 근처에서 절제되는 골의 양을 제한하는 것이다. 부착 부위에서 천연 조직의 침해의 양을 제한하면 조직의 천연의 고정 메커니즘을 보존하는 것에 도움이 되고, 이것은 부착 부위의 기능부전의 가능성을 감소시킨다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 보철 임플란트 시스템(110)은 천연 슬관절의 절제된 부분을 대체하도록 구성된 다수의 컴포넌트를 포함한다. 하나의 실시형태에 따르면, 보철 임플란트 시스템(110)은 천연 경골(101)의 절제된 부분을 대체하도록 구성된 경골 임플란트 시스템(120)을 포함한다. 보철 임플란트 시스템(110)은 또한 천연 대퇴골(102)의 절제된 부분을 대체하도록 구성된 대퇴골 컴포넌트(130)를 포함한다. 경골 임플란트 시스템(120)과 대퇴골 컴포넌트(130)은 슬치환 수술 중에 이식 후에 천연 슬관절의 형태 및 기능을 재현하도록 협력한다.
대퇴골 컴포넌트(130)는 대퇴골(102)의 원위 단부에 고정되고, 슬관절(100)의 천연 대퇴골 부분의 구조 및 기능을 대체하도록 구성된다. 따라서, 대퇴골 컴포넌트(130)는 슬관절의 요구되는 힘을 지지하기 위한 충분한 강도를 제공하기 위한 실질적으로 강성인 수술-등급 금속 또는 금속 합금 재료(예를 들면, 수술-등급 강, 타이타늄 또는 타이타늄 합금, 코발트-크로뮴 합금, 지르코늄 합금, 또는 탄탈럼)으로 제조될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 대퇴골 컴포넌트(130)는 각각 슬관절(100)과 관련된 특수 기능을 수행하도록 구성되는 다수의 다양한 구조적 특징을 갖는 단일의 컴포넌트를 구현할 수 있다. 예를 들면, 대퇴골 컴포넌트(130)는 한 쌍의 관절과(132)를 포함할 수 있고, 이들 각각은 슬개골 가이드 부분(133)에 연결된다. 이 한 쌍의 관절과(132)는 전십자인대(ACL)(103a) 및/또는 후십자인대(PCL)(103b)와 같은 하나 이상의 십자인대(103)가 통과할 수 있는 채널을 제공하는 과간 노치(138)에 의해 서로 분리된다.
경골 임플란트 시스템(120)은 적절한 슬관절 기능을 회복하기 위해 대퇴골 컴포넌트(130)와 관절결합되는 안정한 표면을 제공하도록 공동작용하는 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 경골 임플란트 시스템(120)은 베이스 부분(121)과 하나 이상의 삽입 부분(123)을 포함한다. 슬치환 처치 중에, 베이스 부분(121)은 이 베이스 부분(121)을 수용하기 위해 손상된 골 및 조직을 제거하고, 건강한 골을 재성형함으로써 수술에 의해 전처리된 경골(101)의 근위 단부에 고정된다. 일단 베이스 부분(121)이 경골(101)에 고정되면, 의사는 베이스 부분(121) 내에 삽입 부분(123)을 맞물려 고정시킴으로써 경골 임플란트 시스템(120)의 조립을 완성한다. 경골 보철 시스템의 베이스 부분(121)은 유지된 십자인대(103)와 경골 융기(101a) 사이의 연결을 허용하기 위해 중심을 통과하는 통로를 구비하도록 구성될 수 있다.
베이스 부분(121)은 경골(101)의 상면의 구조 및 기능을 모방하도록 구성될 수 있다. 따라서, 대퇴골 컴포넌트(130)와 유사하게, 베이스 부분(121)은 보철 관절의 잔부를 재구축하기 위해 안정한 베이스를 제공하기 위한 실질적으로 강성인 수술-등급 금속 또는 금속 합금 재료(예를 들면, 수술-등급 강, 타이타늄 또는 타이타늄 합금, 코발트-크로뮴 합금, 지르코늄 합금, 또는 탄탈럼)으로 제조될 수 있다.
삽입 부분(123)은 특히 슬관절의 내측 및 외측 반월판을 포함하는 천연 대퇴경골 접합면의 특정의 컴포넌트의 형태 및 기능을 모방하도록 설계될 수 있다. 따라서, 삽입 부분(123)은 매끈한 반강성의 합성 또는 반합성 플라스틱, 고무, 또는 폴리머 재료로 구성될 수 있다. 삽입 부분(123)은 정상적인 무릎 작용 중에 대퇴골 컴포넌트(130)와 관절결합되도록 설계되는 매끈한 표면을 제공하도록 구성될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 삽입 부분(123)은 베이스 부분(121)과 착탈가능하게 맞물리도록 구성된다. 따라서, 삽입 부분(123)은 이 삽입 부분(123)이, 예를 들면, 과도한 마모에 기인되어 경시적으로 열화되는 경우에 주기적으로 대체되도록 구성된다.
보철 임플란트를 수용하기 위해 관절의 정밀하고 정확한 전처리를 보장하기 위해, 수술 부위의 그래픽 표상, 및 의사가 환자의 해부학적 구조와의 상호작용 전에 도구를 적절히 정렬하는 것을 도와줄 수 있는 대응하는 가상 가이드를 생성하기 위해 CAS 시스템이 사용될 수 있다. 많은 CAS 시스템은 사용자가 어떤 해부학적 특징(예를 들면, 골, 연조직 등), 수술 기구, 및 수술 부위와 관련된 기타 경계표를 전자적으로 등록할 수 있는 소프트웨어를 포함한다. CAS 시스템은 해부학적 특징의 등록에 기초하여 수술 부위의 그래픽 표상을 발생시킬 수 있다. 또한 CAS 소프트웨어는 사용자가 수술 처치의 특정의 상황을 계획입안할 수 있도록, 그리고 수술 부위의 그래픽 표상으로 디스플레이하기 위해 이들 상황을 등록할 수 있도록 허용한다. 예를 들면, 슬관절 치환 처치에서, 의사는 표적 네비게이션 지점, 골 및 조직의 절단의 위치 및 깊이, 햅틱 힘의 적용을 위한 대응하는 기준과 관련될 수 있는 가상 경계, 및 기타 수술의 상황을 등록할 수 있다.
도 2은 특정의 개시된 실시형태와 관련된 프로세스와 특징이 구현될 수 있는 예시적 컴퓨터 지원식 수술(CAS) 시스템(200)의 개략도이다. CAS 시스템(200)은, 예를 들면, 부분 또는 전체 관절 치환 수술과 같은 매우 다양한 정형외과적 수술 처치를 수행하도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, CAS 시스템(200)은 추적 시스템(201), 컴퓨터-지원식 네비게이션 시스템(202), 하나 이상의 디스플레이 장치(203a, 203b), 및 로봇 시스템(204)을 포함한다. 본 명세서에 기재된 CAS 시스템(200), 뿐만 아니라 방법 및 프로세스는 많은 상이한 유형의 관절 치환 처치에 적용될 수 있다. 비록 특정의 개시된 실시형태가 슬치환 처치에 대해 설명될 수 있으나, 본 명세서에 개시된 개념 및 방법은 부분 고관절 치환수술, 전 고관절 표면재건 또는 부분 고관절 표면재건, 견관절 치환수술 또는 견관절 표면재건 처치, 및 기타 유형의 정형외과적 처치와 같은 다른 유형의 정형외과적 수술에 적용될 수 있다.
로봇 시스템(204)은 환자에 대해 슬치환 처치와 같은 수술 처치를 수행하기 위해 의사에 의해 대화형 형식으로 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(204)은 베이스(205), 관절식 암(206), 힘 시스템(도시되지 않음), 및 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. 수술 도구(210)(예를 들면, 톱, 리머, 또는 버와 같은 작동 부재를 가진 엔드 이펙터)는 관절식 암(206)에 연결될 수 있다. 의사는 관절식 암(206) 및/또는 수술 도구(210)를 파지하여 수조작으로 이동시킴으로써 수술 도구(210)를 조작할 수 있다.
힘 시스템 및 제어기는 수술 도구의 조작 중에 의사에게 제어 또는 지침을 제공하도록 구성된다. 이 힘 시스템은 관절식 암(206)을 통해 수술 도구에 적어도 일부의 힘을 제공하도록 구성되고, 제어기는 힘 시스템을 제어하기 위한 제어 신호를 발생하도록 프로그래밍되어 있다. 하나의 실시형태에서, 힘 시스템은 액츄에이터 및 후방-구동가능한 트랜스미션을 포함하고, 이것은, 예를 들면, 참조에 의해 그 전체가 본원에 포함되는 미국 특허 번호 8,010,180 및/또는 2009년 12월 22에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/654,519(미국 특허 공개 번호 2010/0170362)에 기재된 바와 같이, 햅틱 물체에 의해 한정되는 사전정의된 가상 경계를 초과하여 수술 도구를 의사가 수동으로 이동시키는 것을 억제 또는 방지하기 위해 햅틱(또는 힘) 피드백을 제공한다. 하나의 실시형태에 따르면, CAS 시스템(200)은 플로리다의 포트 로더데일(Fort Lauderdale)에 소재하는 MAKO Surgical Corp.사에 의해 제조되는 RIO® Robotic Arm Interactive Orthopedic System이다. 이 힘 시스템 및 제어기는 로봇 시스템(204) 내에 수용될 수 있다.
추적 시스템(201)은 (로봇 시스템(204)에 결합된) 수술 도구(210)의 상대적 위치, 위치, 배향, 및/또는 자세, 및/또는 골과 같은 환자의 해부학적 구조의 등록된 부분의 위치를 추적하도록 구성된 임의의 적절한 장치 또는 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 광학적, 기계적, 또는 전자기적 자세 추적 기술을 사용할 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 추적 시스템(201)은 시각에 기초한 자세 추적 기술을 포함하고, 여기서 카메라나 적외선 센서와 같은 광학적 검출기가 하나 이상의 광학적 트랜스폰더(도시되지 않음)의 위치를 결정하도록 구성된다. 광학적 트랜스폰더의 위치에 기초하여, 추적 시스템(201)은 그 트랜스폰더나 일련의 트랜스폰더에 등록된 환자의 해부학적 구조의 일부의 자세(즉, 위치 및 배향) 정보를 획득할 수 있다.
네비게이션 시스템(202)은 추적 시스템(201)에 통신가능하게 연결될 수 있고, 추적 시스템(201)으로부터 추적 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 수신된 추적 데이터에 기초하여, 네비게이션 시스템(202)은 수술 도구(210) 또는 환자의 해부학적 구조의 부분과 같은 수술 환경의 하나 이상의 등록된 특징과 관련되는 위치 및 배향을 측정할 수 있다. 또한 네비게이션 시스템(202)은 수술 처치 중에 의사나 수술 지원 스태프에 의해 사용될 수 있는 수술 계획입안 및 수술 지원 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 관절 치환 처치 중에, 네비게이션 시스템(202)는 디스플레이 장치(203a, 203b) 중 하나 또는 양자 모두에 수술 처치에 관련되는 이미지를 디스플레이할 수 있다.
네비게이션 시스템(202)(및/또는 CAS 시스템(200)의 하나 이상의 구성요소인 컴포넌트)은 개시된 실시형태와 일치되는 처리 및 방법이 구현될 수 있는 프로세서에 기초한 시스템(예를 들면, 범용 컴퓨터 또는 전용 컴퓨터)을 포함하거나 구현할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, CAS 시스템(200)은 추적 소프트웨어, 수술 네비게이션 소프트웨어, 3-D 골 모델링 또는 촬상 소프트웨어, 및/또는 수술 도구(210)에 햅틱 피드백을 제공하기 위해 힘 시스템과 함께 사용될 수 있는 가상 햅틱 경계를 설정 및 수정하기 위한 소프트웨어와 같은 소프트웨어 프로그램을 실행하도록 구성된 소프트웨어 컴포넌트 및/또는 하나 이상의 하드웨어 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들면, CAS 시스템(200)은 예를 들면, 중앙 처리 유닛(CPU)(프로세서(231))과 같은 하나 이상의 하드웨어 컴포넌트; 랜덤 액세스 메모리(RAM) 모듈(232), 독출 전용 메모리(ROM) 모듈(233), 및 저장 장치(234)와 같은 컴퓨터-독출가능 매체; 데이터베이스(235); 하나 이상의 입력/출력(I/O) 장치(236); 및 네트워크 인터페이스(237)를 포함할 수 있다. CAS 시스템(200)에 관련된 컴퓨터 시스템은 위에 열거된 것에 추가되거나, 이보다 적거나, 및/또는 이와 다른 컴포넌트를 포함할 수 있다. 위에 열거된 컴포넌트는 예시적인 것에 불과하고, 제한을 의도하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
프로세서(231)는 하나 이상의 마이크로프로세서를 포함할 수 있고, 각각은 CAS 시스템(200)과 관련된 하나 이상의 기능을 수행하도록 명령 및 처리 데이터를 실행하도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 프로세서(231)는 RAM(232), ROM(233), 저장 장치(234), 데이터베이스(235), I/O 장치(236), 네트워크 인터페이스(237)에 통신가능하게 결합될 수 있다. 프로세서(231)는 이하에서 상세히 설명된 다양한 처리를 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령의 시퀀스를 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 프로세서(231)에 의한 실행을 위해 RAM 내에 로드될 수 있다.
RAM(232), ROM(233), 및 저장 장치(234)와 같은 컴퓨터-독출가능 매체는 컴퓨터-독출가능 명령을 저장하도록 구성될 수 있고, 이 명령이 프로세서(231)에 의해 실행된 경우 CAS 시스템(200) 또는 하나 이상의 구성요소인 컴포넌트(예를 들면, 네비게이션 시스템(202))는 CAS 시스템(200)과 관련된 기능 또는 과제를 수행하게 된다. 예를 들면, 컴퓨터 독출가능 매체는 슬관절 치환술 처치 후에 슬관절의 파라미터의 변화를 결정하기 위한 하나 이상의 방법을 수행하도록 CAS 시스템(200)을 유도하는 명령을 포함할 수 있다. 컴퓨터-독출가능 매체는 또한 추적 시스템(201)으로 하여금 수술 도구(210) 또는 환자의 해부학적 구조의 일부와 같은 특정의 등록된 대상물에 관련된 복수의 해부학적 경계표의 위치를 포착하도록 하고, 네비게이션 시스템(202)으로 하여금 I/O 장치(236) 상에 표시될 등록된 대상물의 가상 표상을 생성하도록 하는 명령을 포함한다. 컴퓨터-독출가능 매체가 명령을 포함하기 위한 예시적 방법을 이하에서 더 상세히 설명한다. 본 명세서에 기재된 방법의 각각의 부분은 CAS 시스템(200)의 하나 이상의 컴포넌트로 하여금 전술한 방법을 수행하도록 하기 위한 컴퓨터-독출가능 매체 내에 저장된 대응하는 명령을 가질 수 있다고 생각된다.
I/O 장치(236)는 CAS 시스템(200)과 관련된 사용자와 정보를 교신하도록 구성된 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들면, I/O 장치(236)는 사용자(예를 들면, 의사)가 CAS 시스템(200)과 관련된 파라미터(예를 들면, 의사의 커맨드(250))를 입력할 수 있도록 허용하는 결합된 키보드 및 마우스를 구비하는 콘솔을 포함할 수 있다. I/O 장치(236)는 또한 모니터 상에 정보를 출력하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 모니터(203a, 203b)와 같은 디스플레이를 포함할 수 있다. 또한 I/O 장치(236)는, 예를 들면, CAS 시스템(200)과 관련된 정보를 인쇄하기 위한 프린터, 사용자가 휴대용 매체 장치 상에 저장된 데이터를 입력할 수 있도록 하는 사용자-액세스 가능한 디스크 드라이브(예를 들면, USB 포트, 플로피, CD-ROM, 또는 DVD-ROM 드라이브 등), 마이크, 스피커 시스템, 또는 임의 다른 적절한 유형의 인터페이스 장치와 같은 주변 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, I/O 장치(236)는 사용자가 환자 컴퓨터 단층촬영(CT) 데이터(260)를 CAS 시스템(200) 내에 입력할 수 있도록 하는 전자 인터페이스를 포함할 수 있다. 다음에 이러한 CT 데이터는 소프트웨어 내에서 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 경골(101)의 가상 모델)의 일부의 가상 표상을 생성 및 조작하기 위해 사용될 수 있다.
CAS 시스템(200)과 관련된 소프트웨어는 수술 계획입안, 네비게이션, 및 기본 이미지 가이드식 수술 능력을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, CAS 시스템(200)과 관련된 소프트웨어는 이미지 데이터 세트로부터 이미지(캡처된 이미지 또는 컴퓨터-생성된 캡처된 이미지)를 생성 및 디스플레이하기 위한 컴퓨터-구현식 처리, 수술 기구의 팁의 위치 수술 기구의 축선의 배향을 결정하기 위한 컴퓨터-구현식 처리, 및 추적 시스템(201)의 좌표 프레임에 환자 및 이미지 데이터 세트를 등록하기 위한 컴퓨터-구현식 처리를 포함할 수 있다. 이들 처리로 인해, 예를 들면, CAS 시스템(200)은 환자의 해부학적 구조의 하나 이상의 이미지 상에 중첩된 추적된 수술 기구(및/또는 보철 임플란트)의 가상 표상을 디스플레이 장치(들)(203a, 203b) 상에 디스플레이할 수 있고, 수술 처치 중에 실시간으로 추적된 기구의 가상 표상을 업데이트할 수 있다. 이미지 데이터 세트로부터 생성된 이미지는 2 차원이거나, 3 차원 이미지 데이터 세트의 경우에는, 예를 들면, 이미지 데이터 세트의 세그멘테이션에 기초한 3 차원 복원(reconstruction)일 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 이미지 데이터 세트와 관련된 이미지는 환자의 해부학적 구조, 보철 임플란트, 또는 임의의 대상물과 관련된 CT 스캔 데이터를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(들)(203a, 203b) 상에 2 개 이상의 이미지가 표시된 경우, CAS 시스템(200)은 상이한 이미지들 중에서 추적된 기구의 표상을 정합시킨다.
다른 실시형태에서, 소프트웨어 내에서 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 경골(101)의 가상 모델)의 일부의 가상 표상을 생성 및 조작하기 위해 이미지리스(imageless) 시스템이 사용될 수 있다. 이미지리스 시스템은 골 모핑(morphing)의 통계적으로 성형된 모델 및 방법을 사용하는 시스템과 같이 본 기술분야에 주지된 기술을 포함한다. 이미지리스 시스템의 하나의 형태에서, 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 프로브 도구를 사용하여 환자의 해부학적 구조를 물리적으로 터치함으로써 얻어지는 해부학적 경계표)의 일부의 가상 표상은 환자-특유의 특성에 기초하여 생성된다. 다른 이미지리스 시스템에서, 환자의 해부학적 구조의 일부의 3 차원 가상 표상은 골 모델의 데이터베이스 또는 라이브러리로부터 3 차원 모델을 선택함으로써 얻어진다. 다음에 선택된 골 모델은 환자-특유의 특성에 기초하여 변형되어 환자의 해부학적 구조의 3 차원 표상을 생성할 수 있다.
CAS 시스템(200)과 관련된 프로세서(231)는 환자의 해부학적 구조의 하나 이상의 특징과 관련된 가상 햅틱 기하학적 형상을 확립하도록 구성될 수 있다. 설명된 바와 같이, CAS 시스템(200)은 수술 부위의 가상도를 생성하도록 구성될 수 있고, 이것은, 예를 들면, 환자의 해부학적 구조의 가상도, 수술 처치 중에 사용되기 위한 수술 기구, 수술 부위 내의 다른 물체를 검출하기 위한 프로브 도구, 및 수술 부위와 관련되는 임의의 다른 물체를 포함한다.
물리적 물체에 더하여, CAS 시스템(200)은 소프트웨어 내에 존재하고, 수술 처치의 수행 중에 유용할 수 있는 가상 물체를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, CAS 시스템(200)은 가상 경계를 생성하도록 구성될 수 있고, 이것은, 의사가 절단, 제거, 또는 아니면 변경하도록 계획입안하는 골의 영역을 한정하는 경계와 같은 골을 전처리하기 위한 의사의 계획에 대응한다. 대안적으로 또는 추가적으로, CAS 시스템(200)은 특별한 작업을 수행하기 위해 수술 도구(210)의 일부가 유도되는 원하는 경로 또는 진로에 대응하는 가상 물체를 형성할 수 있다.
가상 경계 및 기타 가상 물체는, 수술 기구의 추적된 위치가 가상 경계 또는 물체와 상호작용하는 경우에, 수술 기구에 햅틱 피드백이 제공되는 경계의 역할을 하는 가상 좌표 공간(전형적으로 환자의 해부학적 구조에 대해 정의됨) 내의 점, 선, 또는 면을 한정할 수 있다. 예를 들면, 의사가 골 절단 수술을 수행할 때, CAS 시스템(200)의 추적 시스템(201)은 절단 도구의 위치를 추적하고, 절단 도구의 가상 표상이 햅틱 경계(501)에 접근하지 않는 상태에서 의사가 작업공간 내에서 도구를 자유롭게 이동시킬 수 있도록 한다. 그러나, 이 도구의 표상이 가상 햅틱 경계(이것은 환자의 해부학적 구조에 등록되어 있음)에 근접해 있는 경우, CAS 시스템(200)은, 의사가 절단 도구로 가상 햅틱 경계를 침투하는 것을 억제하는 경향을 갖는, 햅틱 지침을 제공하기 위해 힘 피드백 시스템을 제어한다. 예를 들면, 가상 햅틱 경계는 보철 임플란트의 가상 모델의 기하학적 형상과 관련될 수 있고, 햅틱 지침은 가상 경계에 매핑되고, 도구가 이 가상 경계를 침투하는 것을 억제하는 저항으로서 의사가 경험하는 힘 및/또는 토크를 포함할 수 있다. 따라서, 의사는 마치 절단 도구가 벽과 같은 물리적 물체와 조우한 것처럼 느낄 수 있다. 이러한 방식으로, 가상 경계는 가상 절단 가이드로서 기능한다. 따라서, CAS 시스템(200)의 힘 피드백 시스템은 가상 경계에 대한 도구의 위치에 관하여 의사에게 정보를 통신하고, 실제 절단 프로세스 중에 절단 도구를 안내하기 위한 물리적 힘 피드백을 제공한다. 또한 카스 시스템(200)의 힘 피드백 시스템은 수술 도구를 조작하는 사용자의 능력을 제한하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시형태와 일치되는 시스템 및 방법은 가상 햅틱 경계를 커스터마이징하고, 수술 기구를 안내하기 위한 햅틱 피드백을 제공하기 위한 해결책을 제공한다. 하나의 실시형태에 따르면, 가상 햅틱 경계는 대응하는 임플란트의 기하학적 형상과 관련된 디폴트 경계를 수정하기 위해 사용자의 요청에 기초하여 커스터마이징될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 가상 햅틱 경계는 적어도 부분적으로 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 연조직의 위치, 골의 주위의 연부 등)의 검출에 기초하여 커스터마이징될 수 있다. 가상 햅틱 경계를 커스터마이징하기 위한 프로세스는 임플란트의 계획입안 단계의 일부일 수 있고, 이 때 의사는 수술 전이나 수술 중에 보철 임플란트의 배치 및 임플란트를 수용시키기 위해 대응하는 관절 조직의 변경/제거를 계획입안한다. 도 4는 CAS 시스템(200)을 위한 계획입안 소프트웨어와 관련된 그래픽 사용자 인터페이스의 예시적 스크린 샷을 제공한다.
도 4는 CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어의 그래픽 사용자 인터페이스 스크린과 관련된 예시적 스크린 샷(400)을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 계획입안 소프트웨어는 경골 임플란트 시스템(120)과 관련된 경골 베이스 부분(121)과 같은 보철 임플란트의 가상 모델을 포함할 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 가상 임플란트 모델은 보철 임플란트의 제조사에 의해 제공될 수 있고, 보철 임플란트의 기하학적 형상의 그래픽 표상을 제공할 수 있다. 가상 햅틱 경계는 기하학적 형상의 그래픽 표상을 사용하여 생성될 수 있고, 가상 임플란트 모델과 관련될 수 있다.
그래픽 사용자 인터페이스(400)는 복수의 서브-스크린을 포함할 수 있고, 이들 각각은 임플란트의 계획입안의 특별한 특징을 디스플레이하도록 구성된다. 예를 들면, 그래픽 사용자 인터페이스(400)는 선택된 가상 임플란트 모델(예를 들면, 경골 베이스 부분(121)과 관련된 모델)를 디스플레이하기 위한 제 1 서브 스크린(예를 들면, 좌상부)을 포함할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스(400)는 임플란트가 위치될 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 경골(101))와 관련된 가상 모델을 디스플레이하기 위한 제 2 서브 스크린을 포함할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스(400)는 환자의 해부학적 구조 내에 가상 임플란트 모델의 계획입안된 배치를 디스플레이하기 위한 제 3 서브 스크린(좌하부)를 포함할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스(400)는 또한 계획입안된 임플란트의 배치와 관련된 각각 내측 및 외측 절제 부분(401a, 401b)의 도면을 디스플레이하기 위한 제 4 서브 스크린(후하부)를 포함할 수 있다. 서브 스크린의 수와 뷰(view)는 도 4에 도시된 예시적 실시형태에 제공된 것과 다를 수 있다고 생각된다. 또한 서브 스크린 중 하나 이상은 뷰 및/또는 이 뷰 내의 컴포넌트를 사용자가 대화식으로 업데이트할 수 있다고 생각된다. 예를 들면, 비록 우하부 스크린은 좌하부 서브 스크린에 표시된 계획입안된 임플란트 배치에 기초하여 환자의 경골(101)의 시뮬레이션된 절제의 평면도를 도시하고 있으나, 사용자는 서브 스크린의 내용을 디스플레이하기 위해 다양한 뷰(예를 들면, 전면도, 후면도, 측면도, 저면도 등)를 선택할 수 있다고 생각된다.
임플란트 계획입안 단계 중에, 의사 또는 의료 종사자는 환자의 해부학적 구조 상에 또는 그 내부에 보철 임플란트의 배치를 계획입안하기 위해 CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어를 사용할 수 있다. 그러므로, 보철 임플란트, 환자의 해부학적 구조, 수술 기구(예를 들면, 절단 도구(들)), 및 수술 처치 중에 사용될 수 있는 임의의 다른 물리적 대상물의 가상(즉, 소프트웨어) 3-D 모델이 가상 좌표 공간(일반적으로 환자의 해부학적 구조에 대응하는 공간)에 생성 및 등록될 수 있다. 의사는 계획입안 소프트웨어를 사용하여 환자의 해부학적 구조에 대해 보철 임플란트를 가상적으로 위치시킬 수 있다. 가상 보철 임플란트 모델에 기초하여, 계획입안 소프트웨어는 표준 햅틱 경계(12)를 생성할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 표준 햅틱 경계(12)는 절단 도구(10)로서 개략적으로 도시된 절단 도구의 절단 프로파일 및 크기를 수용하도록 구성될 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이, 가상 임플란트 모델에 기초한 표준 햅틱 경계(12)는 임플란트를 수용하기 위해 절제가 필요한 실제의 골 영역(11)을 과도하게 또는 부족하게 절제할 수 있다. 과도한 절제는 슬관절 내의 측부 인대와 같은 연조직을 손상시킬 우려가 있고, 부족한 절제는 절제되지 않은 골을 남길 수 있고, 이것은 스내핑(snapping) 또는 크래킹(cracking) 및/또는 랑쥐르(rongeur)를 이용한 수조작에 의한 트리밍(trimming)을 필요로 할 수 있다. 그러나, 골 모델 상의 임플란트 모델의 기준 평면의 공통부분(11)의 경계(16)에 관련되는 햅틱 경계(12)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 일부의 영역에서 절단 도구(10)의 크기 및 형상을 수용할 수 없다. 진동 톱 블레이드와 같은 절단 도구는 넓은 유효 형상을 갖고, 이것은 도 6에 도시된 커스텀 햅틱 주위의 불규칙한 기하학적 형상 내에 끼워맞춰질 가능성이 없다.
도 7은 표준 햅틱 경계(12)의 구성에 기초하고, 환자의 골과 임플란트의 기준 표면의 공통부분(11)의 주위에서 어떤 해부학적 특징(20)을 수용하는 커스터마이징된 햅틱 경계(18)를 도시한다. 그러므로 이 The 커스터마이징된 햅틱 경계(18)는 절단 도구(10)를 수용할 수 있고, 또한 골의 부족한 절제 또는 과도한 절제를 최소화하기 위해 골의 제거를 위해 필요한 영역에 더 근접하게 부합된다. 이하에서 커스터마이징된 햅틱 경계(18)의 생성을 도 8 내지 도 14에 관하여 상세히 설명한다.
도 8은 환자-특유의 가상 햅틱 경계를 자동적으로 생성하기 위한 예시적 방법을 도시하는 흐름도(800)를 제공한다. 하나의 실시형태에 따르면, 도 8에 도시된 이 방법은 수술 처치의 수행에 관련된 임플란트 배치 계획입안 단계 중에 구현될 수 있다. 이 계획입안 단계는 수술 처치의 개시 전에 의사 또는 다른 의료 종사자에 의해 수술전에 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 계획입안 단계는 의료 처치 중에 수술중에 수행(또는 반복)될 수 있다.
도 8의 흐름도(800)에 도시된 바와 같이, 일단 가상 임플란트 모델이 환자의 해부학적 구조에 대해 원하는 위치에 설치되면, 본 방법은 사용될 임플란트와 관련된 임플란트 모델(13)의 크기 및 형상, 절단 도구의 형상, 및 이 절단 도구의 접근 각도에 기초하여 표준 햅틱 경계(12)를 설정함으로써 개시된다(단계 810). 전형적으로 이러한 표준 햅틱 경계(12)는 보철 임플란트의 기하학적 형상에 밀접하게 대응된다. 그러나, 하나의 실시형태에 따르면, 이것은 임플란트의 기하학적 형상과 약간 다를 수 있다. 예를 들면, 수술 도구(10)의 접근을 위한 충분한 공간을 허용하기 위해(예를 들면, 절단 도구의 폭을 수용하기 위해), 또는 가상 햅틱 경계에 의해 형성되는 체적 내로 진입하기 위한 영역을 제공하기 위해 표준 햅틱 경계는 보철 임플란트보다 약간 클 수 있다. 바람직하게 이 표준 햅틱 경계(12)는 임플란트 모델에 관계된 사전 결정된 햅틱이고, 새로운 햅틱 생성을 필요로 하지 않는다. 도 9에는 경골의 근위 단부의 가상 골 모델(14)과 같은 해부학적 구조의 가상 모델에 대한 표준 햅틱 경계(12)가 도시되어 있다.
일단 표준 햅틱 경계(12)가 설정되면, 가상 좌표 공간 내의 가상 임플란트 모델과 관련된 기준 특징(15)의 위치 및 배향이 설정된다(단계 820). 가상 임플란트 모델의 기준 특징(15)은 가상 임플란트 모델의 하나 이상의 점, 선, 평면, 또는 표면을 구현할 수 있고, 확대 해석하면 이들과 관련된 보철 모델을 구현할 수 있다. 이 기준 특징(15)은 임플란트 모델(13)의 기준 평면인 상면, 저면 또는 기타 표면, 아니면 임플란트 모델과 관련된 평면일 수 있다. 도 10의 실시형태에서, 기준 특징(15)은 가상 골 모델(14)에 대해 도시된 평면이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기준 특징(15)은 의사가 가상 햅틱 경계를 커스터마이징하는 기준으로서 사용하고자 하는 임플란트와 관련된 임의의 특징을 포함하거나 구현할 수 있다.
일단 가상 임플란트 모델(13)과 관련된 기준 특징(15)이 확립되면, 설정된 기준 특징(15)과 환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14) 사이의 공통부분이 결정될 수 있다(단계 830). 이 기준 특징(15)과 환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14) 사이의 공통부분은 도 11에 도시된 바와 같이 환자-특유의 해부학적 주위(16)를 설정한다(단계 840).
해부학적 주위(16)의 결정 시에, CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어는 환자의 해부학적 구조에 특이적인 어떤 특징을 설정하도록 구성될 수 있다(단계 850). 도 12에 도시된 바와 같이, 해부학적 특징(20)은 해부학적 주위(16)에서 설정된다. 해부학적 특징(20)은, 예를 들면, 최내측 경계표, 최후방-내측 경계표, 최후방-외측 경계표, 및 최외측 경계표를 포함할 수 있다.
자동 검출의 대안으로 또는 자동 검출에 더하여, 설정된 해부학적 특징의 수정을 포함하는 해부학적 특징(20)을 나타내는 정보는 사용자의 입력에 기초하여 수신될 수 있다. 예를 들면, 의사는 프로브 도구를 이용하여 가상 좌표 공간을 이용하여 등록된 환자의 해부학적 구조의 점, 선, 또는 면적을 물리적으로 터치함으로써 수조작에 의해 해부학적 경계표로서 환자의 해부학적 구조의 하나 이상의 점, 선, 또는 면적을 지정할 수 있다. 다른 실시형태에서, CAS 시스템(200)의 사용자는 계획입안 소프트웨어와 관련된 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 해부학적 경계표와 관련된 정보를 입력할 수 있다. 특히, 사용자는 마우스 또는 기타 입력 장치를 이용하여 환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14) 상이나 해부학적 주위(16) 상의 하나 이상의 점, 선, 표면, 또는 영역을 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 선택할 수 있다. 예를 들면, 환자의 해부학적 구조 상의 돌출하는 골극(osteophyte)은 의도하지 않게 원하는 절단 영역의 외측에 컴퓨터 발생된 경계표를 생성한다. 그러면 의사는 네비게이션 프로브 도구를 사용하여, 또는 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하는 가상 모델 상에서 경계표를 배제함으로써 이 경계표를 배제할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 일단 해부학적 특징(20)이 해부학적 구조의 가상 모델(14) 및/또는 해부학적 주위(16) 상에 설정되면, CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어가 해부학적 특징(20)에 기초하여 표준 햅틱 경계(12)를 수정하도록 구성될 수 있다. 표준 햅틱 경계(12)는 해부학적 주위(16)와 더 근접하게 일치되도록 신장되거나 수축될 수 있다. 특정의 실시형태에서, 표준 햅틱 경계(12)의 연부만이 단순식 백분율에 기초하여 이동될 수 있다. 또한 임플란트의 형상의 기형화를 방지하기 위해 필요한 경우 특수한 기하학적 형상이 고정될 수 있다. 다른 예시적 실시형태에서, 표준 햅틱 주위(12)는 일련의 단순 선 또는 정점(vertex)들로 이루어지는 연부로 구성될 수 있다. 각각의 정점은 특정의 방향으로만 신장되도록, 또는 전형 신장되지 않도록(즉 고정된 상태로 유지되도록), 또는 어떤 특정량 만큼 이하로 신장되도록 지정될 수 있다. 예를 들면, 경골 컴포넌트를 위한 표준 햅틱 경계(12)의 내측 연부의 정점들은 내측-외측으로만 이동/신장되도록, 그리고 기본 형상을 유지하기 위해 단체로 함께 이동/신장되도록 지정될 수 있다. 정점들의 적응성의 제어는 커스터마이징된 햅틱 경계(18)가 절단 도구(10)를 수용할 수 있는 형상을 확실히 유지하도록 돕는다.
대안적으로 또는 추가적으로, 햅틱 경계(12)를 수정하는 단계는 의사에 의한 수조작 프로세스로서 수행될 수 있다. 예를 들면, (계획입안 소프트웨어에 의해 자동적으로 또는 의사의 수조작에 의해) 해부학적 주위(16)가 설정되거나 및/또는 해부학적 특징(20)이 결정된 후, 의사는 이전에 확립된 표준 가상 햅틱 경계(12), 또는 자동적으로 확립된 커스터마이징된 햅틱 경계(18)를 수정할 수 있다. 특히, 의사는 계획입안 소프트웨어와 관련된 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 햅틱 경계를 이동시키는 것과 관련된 정보를 입력할 수 있다. 예를 들면, 의사는 경골 융기의 근처에서 절단 도구의 작업을 제한하고, 이것에 부착되는 연조직(예를 들면, ACL 또는 PCL)의 불의의 손상의 가능성을 방지하기 위해 경골 컴포넌트 베이스 부분과 관련된 가상 햅틱 경계의 내측 연부를 수축시키는 것을 원할 수 있다. 이를 수행하기 위해, 의사는 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 햅틱 경계의 하나 이상의 경계 또는 정점을 선택할 수 있고, 마우스 또는 기타 입력 장치를 사용하여 이 경계를 신축/이동시키기 위한 조작을 가할 수 있다.
하나의 실시형태에서, 의사는 신축가능한 경계를 위한 일련의 오프셋 우선권(preference)을 설정한다. 예를 들면, 의사는 절단 도구가 향상된 절단 효율을 위해 골 주위의 외측을 절단할 수 있도록 설정된 거리 만큼 해부학적 경계표로부터 외방향으로 햅틱 경계가 오프셋되기를 바랄 수 있다. 반대로, 의사는 보수적으로 연조직을 보호하도록 설정된 거리만큼 해부학적 경계표로부터 내방향으로 햅틱 경계가 오프셋되기를 바랄 수 있다.
일단 생성되면 커스터마이징된 햅틱 경계는 환자의 해부학적 구조에 등록될 수 있고, CAS 시스템(200)의 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다. 특히, 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)가 생성되는 경우, CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어는 환자의 해부학적 구조와 관련된 가상 좌표 공간에 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)을 형성하는 가상 표면 및 특징을 매핑하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)과 관련된 경계 표면은 환자의 해부학적 구조에 링크됨으로써 수술 기구가 작동될 수 있는 환자의 해부학적 구조의 영역을 한정한다. 환자의 해부학적 구조에 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)을 등록함으로써 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)는 환자의 해부학적 구조에 가상적으로 링크되므로 커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)는 수술 처치 중에 환자의 해부학적 구조의 구체적인 이동, 수정, 및 조절에 대해 추적(및 관찰)될 수 있다. 따라서 CAS 시스템(200)은 수술 기구에 가상 햅틱 경계를 적용할 수 있다.
도 14는 환자-특유의 파라미터에 기초하여 햅틱 경계를 커스터마이징하기 위한 또 하나의 예시적 방법(1400)을 도시하는 흐름도를 제공한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 이 방법은 환자의 해부학적 구조와 관련된 수술전 이미지(들) 또는 이미지 데이터를 수신함으로써 개시된다(단계 1405). 수술전 이미지(들)은, 예를 들면, X선, 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명(MR), 양전자 방출 단층촬영(PET), 단광자 방출 컴퓨터 단층촬영(SPECT), 초음파 등과 같은, 환자의 해부학적 구조와 관련된 이미지를 기록하기 위한 임의의 적절한 촬상 프로세스를 사용하여 획득된 임의의 2 차원 또는 3 차원 이미지 데이터 세트를 포함할 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, CAS 시스템(200)의 I/O 장치(236)는 이것이 적용될 구체적인 환자의 해부학적 구조와 관련된 수술전 CT 스캔 데이터(260)를 수신할 수 있다.
CAS 시스템(200)과 관련된 소프트웨어는 환자의 해부학적 구조의 수술전 이미지를 수신하면 환자의 해부학적 구조의 3-D 가상 모델을 생성한다(단계 1410). 예를 들면, CAS 시스템(200)은 환자의 해부학적 구조와 관련된 수신된 2-D(또는 3-D) 이미지 데이터 세트에 기초하여 대상물의 3-D 모델을 렌더링(rendering)하기 위한 다수의 상이한 소프트웨어 도구들 중 하나를 포함할 수 있다. 대안적 실시형태에서, 이미지리스 시스템을 이용하여 환자의 해부학적 구조의 3-D 가상 모델이 생성된다.
환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14)이 생성된 후에, 이것은, CAS 시스템(200)이 가상 소프트웨어 공간 내에서 실제의 환자의 해부학적 구조의 위치 및 배향을 가상으로 추적할 수 있도록, 실제의 환자의 해부학적 구조와 함께 등록될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 이 등록 프로세스는 환자의 해부학적 구조의 복수의 점을 가상 모델의 대응하는 점과 관련시키는 단계를 수반한다. 이러한 관련시키는 단계는 가상 좌표 공간 내에 등록된 프로브 도구를 사용하여 실시될 수 있고, 여기서 환자의 해부학적 구조의 복수의 점은 프로브 도구의 팁을 사용하여 환자의 해부학적 구조의 하나 이상의 표면을 터치하거나 "탐색(exploring)"함으로써 수집된다. 일단 가상 모델(14)이 환자의 해부학적 구조와 함께 등록되면, CAS 시스템(200)은 가상 좌표 공간 내에서 환자의 해부학적 구조의 위치 및 배향을 추적할 수 있다.
환자의 해부학적 구조의 3-D 가상 모델(14)이 수집되어 환자의 골에 등록된 후, CAS 시스템(200)의 계획입안 소프트웨어는 환자의 해부학적 구조 내의 보철 임플란트의 계획입안을 촉진시킨다(단계 1415). 특히, CAS 시스템(200)의 계획입안 소프트웨어는 사용자의 입력에 기초하여 환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14)에 대한 가상 임플란트 모델(13)의 배치를 결정한다. 예를 들면, 의사는 수술을 위해 이용가능한 임플란트의 데이터베이스로부터 가상 임플란트 모델(13)(예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같은 경골 베이스 부분(121)과 관련된 가상 모델)을 선택할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스(400)를 사용하여, 의사는 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 경골(101))에 대한 가상 임플란트 모델(13)의 위치를 조작할 수 있고, 이것은 도 4의 그래픽 사용자 인터페이스(400)의 좌하부 서브 스크린에 도시된 바와 같이, 가상 임플란트를 끼워맞춘 경골의 가상 표상을 생성한다. 임플란트 배치를 가상적으로 계획입안하기 위한 이러한 프로세스로 인해 의사는 골 절제 프로세스를 개시하기 전에 시뮬레이션된 소프트웨어 환경 내에서 환자의 해부학적 구조에 대한 임플란트의 위치를 정밀하게 조절할 수 있다.
일단 환자의 해부학적 구조의 가상 모델(14)에 대한 가상 임플란트 모델(13)의 배치가 최종결정되면, 표준 햅틱 경계(12)가 생성된다(단계 1420). 이 표준 햅틱 경계(12)는 보철 임플란트의 기하학적 형상과 밀접하게 대응할 수 있다. 기준 특징(15) 정보가 가상 임플란트 모델(13)로부터 추출된다(단계 1425). 하나의 실시형태에 따르면, 가상 임플란트 모델의 이 기준 특징(15)은 가상 임플란트 모델(13)의 하나 이상의 점, 선, 평면, 또는 표면을 구현할 수 있다. 위에 기재된 실시형태에서 설명된 바와 같이, 기준 특징(15)은 임플란트 모델(13)과 관련된 평면이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기준 특징(15)은 의사가 가상 햅틱 경계를 커스터마이징하는 기준으로서 사용하고자 하는 임플란트와 관련된 임의의 특징을 포함하거나 구현할 수 있다. 예를 들면, 기준 특징(15)은 환자의 해부학적 구조와 관련된 가상 모델(14)의 표면에 직접적으로 맞닿거나 대면하는 가상 임플란트 모델(13)과 관련된 임의의 표면을 포함할 수 있다.
기준 특징 정보를 추출하면, CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어는 환자의 해부학적 구조의 좌표 공간 상에 기준 특징 정보를 매핑한다(단계 1430). 즉, CAS 시스템(200)과 관련된 계획입안 소프트웨어는 환자의 골의 가상 모델(14)에 가상 임플란트 모델(13)의 기준 특징(15)을 등록함으로써 기준 표면(15)이 환자의 골의 위치에 대해 추적되도록 한다.
도 14를 더 참조하면, CAS 시스템(200)의 계획입안 소프트웨어는 매핑된 기준 표면(15)과 환자의 해부학적 구조(14) 사이의 공통부분을 결정하고, 결정된 공통부분에 기초하여 조직을 가상적으로 절제한다(단계 1435). CAS 시스템(200)의 계획입안 소프트웨어는 또한 해부학적 구조의 절제 중에 획득된 정보에 기초하여 커스터마이징된 햅틱 경계(18)를 생성하도록 표준 햅틱 경계(12)를 수정하도록 구성될 수 있다(단계 1440). 위에서 설명한 바와 같이, 커스터마이징된 햅틱 경계(18)는 기준 표면(15)과 환자의 해부학적 구조(14)의 공통부분에 의해 한정되는 해부학적 주위(16) 상에 위치되는 하나 이상의 해부학적 특징(20)에 기초하여 표준 햅틱 경계(12)를 신장/이동시킴으로써 발생될 수 있다. 해부학적 특징(20)의 설정은 CAS 시스템(200)에 의해 자동적으로 실행되거나, 의사에 의해 수조작으로 수행될 수 있다. 유사하게, 표준 햅틱 경계(12)의 수정은 이전에 설정된 해부학적 특징(20)에 기초하여 자동적으로 수행되거나, 의사에 의해 수조작으로 수행될 수 있고, 의사는 구체적인 환자의 해부학적 구조에 기초하여, 또는 원하는 절단 방법 및 기법에 따라, 즉 경골 융기의 부근에서 절단 도구의 작동을 제한하고, 경골 융기에 부착된 연조직을 의도하지 않게 손상시킬 가능성을 방지하기 위해, 경계를 이동/신장시킨다.
커스터마이징된 가상 햅틱 경계(18)를 생성하면, CAS 시스템(200)의 계획입안 소프트웨어는 사용자에게 가상 햅틱 경계를 최종결정하기 위한 선택지를 제공한다(단계 1445). 사용자가 가상 햅틱 경계를 최종결정하는 것을 결정한 경우, CAS 시스템(200)은 힘 시스템을 가상 햅틱 경계의 좌표로 업데이트할 수 있다. 그러므로, CAS 시스템(200)은 가상 햅틱 경계에 대한 수술 기구의 추적된 위치에 기초하여 수술 기구에 가상 햅틱 힘을 선택적으로 가한다(단계 1450).
가상 햅틱 경계를 커스터마이징하기 위한 개시된 본 시스템 및 방법은 컴퓨터-지원식 수술 시스템을 위한 힘 피드백 제어 시스템과 관련된 가상 햅틱 경계를 조절하기 위한 해결책을 제공한다. 하나의 실시형태에 따르면, 이 해결책은 사용자가 하나 이상의 해부학적 경계표에 일치하도록 기존의 햅팁 경계를 신장 또는 수축시킴으로써 햅틱 경계를 수정하는 것을 가능하게 한다. 계획입안 소프트웨어는 신장된(또는 수축된) 경계와 환자의 해부학적 구조의 가상 모델 사이의 공통부분을 결정하여 새로운 가상 햅틱 경계의 위치를 한정하고, 결정된 공통부분에 기초하여 새로운 가상 햅틱 경계를 형성한다.
상기 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되었다. 이것은 비포괄적인 것이고, 개시된 실시형태를 개시된 정확한 형태로 제한하지 않는다. 수정 및 변경이 위의 교시를 고려하여, 또는 개시된 실시형태의 실시로부터 가능하다. 예를 들면, 기재된 구현형태는 소프트웨어를 포함하지만, 개시된 실시형태는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로서, 또는 펌웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어의 예는 퍼스널 컴퓨터, 서버, 랩탑, 메인프레임, 마이크로프로세서 등을 포함하는 컴퓨팅 시스템이나 처리 시스템을 포함한다. 또한, 개시된 양태가 메모리 내에 저장되는 것으로 설명되었으나, 본 기술분야의 당업자는 이들 양태가 하드 디스크, 플로피 디스크, CD-ROM, USB 매체, DVD, 또는 기타 형태의 RAM 또는 ROM과 같은 이차적 저장 장치와 같은 다른 유형의 컴퓨터-독출가능 저장 장치에 저장될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
환자-특유의 데이터에 기초하여 대화형 햅팁 경계를 커스터마이징하기 위한 개시된 시스템 및 관련 방법에 대해 다양한 수정 및 변경이 실시될 수 있다는 것이 본 기술분야의 당업자에게는 분명하다. 명세서의 고려 및 본 개시의 실시로부터 본 기술분야의 당업자에게 본 개시의 다른 실시형태가 명백해질 것이다. 본 명세서 및 실시예는 예시에 불과한 것으로 간주되어야 하고, 본 개시의 진정한 범위는 다음의 청구항 및 그 등가에 의해 제시된다.

Claims (30)

  1. 환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징(customizing)하기 위한 방법으로서,
    표준 가상 경계를 획득하는 단계;
    상기 표준 가상 경계에 관련된 기준 특징과 환자의 해부학적 구조에 관련된 가상 표상(representation) 사이의 공통부분을 결정하는 단계;
    상기 기준 특징과 상기 해부학적 구조의 가상 표상 사이의 공통부분에서 해부학적 주위(perimeter)를 설정하는 단계;
    상기 기준 특징과 상기 해부학적 구조의 가상 표상의 공통부분으로부터 상기 해부학적 구조의 가상 표상에 대한 해부학적 특징을 결정하는 단계; 및
    커스터마이징된 가상 경계를 생성하기 위해 하나 이상의 해부학적 특징에 기초하여 표준 가상 경계를 수정하는 단계를 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위 상에 설정되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 내측 방향, 외측 방향, 전방 방향 및 후방 방향 중 임의의 방향으로 최외측 점에서 상기 해부학적 주위 상에 설정되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위의 내부에서, 또는 외부에서, 또는 양자 모두에서 해부학적 구조의 가상 표상 상에 설정되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    디스플레이 상에 상기 생성된 커스터마이징된 가상 경계, 상기 환자의 해부학적 구조에 관련되는 가상 표상, 및 가상 임플란트 표상 중 하나 이상을 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상 임플란트 표상은 보철 임플란트에 대응하고, 상기 가상 임플란트 표상에 관련된 상기 기준 특징은 상기 보철 임플란트에 관련된 평면의 가상 표상을 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 평면은 상기 환자의 해부학적 구조에 맞닿은 상기 보철 임플란트의 표면에 관련되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상 임플란트 표상은 경골 보철 베이스의 가상 표상을 포함하고, 상기 기준 특징은 상기 경골 보철 베이스의 저면에 관련된 평면을 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    사용자에 의해 정의된 해부학적 특징을 나타내는 정보를 포함하는 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 해부학적 특징을 설정하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 표준 가상 경계 또는 상기 커스터마이징된 가상 경계에 대해 사용자-정의된 수정을 나타내는 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 표준 가상 경계 또는 상기 커스터마이징된 가상 경계를 수정하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 표준 가상 경계의 사용자-정의된 오프셋을 나타내는 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 표준 가상 경계의 위치를 조절하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 환자의 해부학적 구조에 관련된 컴퓨터 단층촬영(CT) 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 CT 데이터에 기초하여 상기 환자의 해부학적 구조에 관련된 상기 가상 표상을 생성하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    이미지리스(imageless) 시스템을 사용하여 상기 환자의 해부학적 구조에 관련된 상기 가상 표상을 생성하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  14. 환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법으로서,
    가상 좌표 공간 내에 임플란트의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계;
    가상 좌표 공간 내에 골(bone)의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계;
    사용자의 입력에 기초하여 상기 골의 그래픽 표상에 대해 상기 임플란트의 그래픽 표상을 위치시키는 단계;
    상기 임플란트의 기하학적 형상에 기초하여 표준 가상 경계의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계;
    상기 임플란트의 그래픽 표상에 관련된 기준 특징 정보를 추출하는 단계;
    상기 추출된 기준 특징과 상기 골의 그래픽 표상 사이의 공통부분에서 해부학적 주위를 매핑(mapping)하는 단계;
    상기 기준 특징과 상기 골의 그래픽 표상의 공통부분으로부터 상기 골의 그래픽 표상 상에 해부학적 특징을 매핑하는 단계;
    커스터마이징된 가상 경계를 생성하기 위해 하나 이상의 해부학적 특징에 기초하여 상기 표준 가상 경계를 수정하는 단계; 및
    가상 좌표 공간 내에서 상기 커스터마이징된 가상 경계의 그래픽 표상을 디스플레이하는 단계를 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위 상에 매핑되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위의 내부에서, 또는 외부에서, 또는 양자 모두에서 상기 골의 그래픽 표상 상에 매핑되는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 가상 임플란트 표상은 보철 임플란트에 대응하고, 상기 가상 임플란트 표상에 관련된 상기 기준 특징은 상기 보철 임플란트에 관련된 평면의 가상 표상을 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 가상 표준 가상 경계를 조절하기 위한 사용자-정의된 경계표(landmark)를 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 커스터마이징된 가상 경계를 생성하는 단계는 상기 표준 가상 경계 또는 상기 커스터마이징된 가상 경계에 대한 사용자-정의된 수정을 나타내는 사용자의 입력을 수신하는 단계를 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    사용자의 입력에 기초한 수치 오프셋을 나타내는 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 수치 오프셋 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 수정된 가상 경계를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    환자-특유의 해부학적 구조에 기초하여 가상 경계를 커스터마이징하기 위한 방법.
  21. 컴퓨터-지원식 수술 시스템으로서,
    디스플레이;
    사용자에 의해 입력된 데이터를 수신하도록 구성된 입력 장치; 및
    상기 입력 장치와 상기 디스플레이에 작동가능하게 결합되는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는
    표준 가상 경계를 설정하고;
    상기 표준 가상 경계에 관련된 기준 특징과 환자의 해부학적 구조에 관련된 가상 표상 사이의 공통부분을 결정하고;
    상기 설정된 기준 특징과 상기 해부학적 구조의 가상 표상 사이의 공통부분에서 해부학적 주위를 설정하고;
    상기 기준 특징과 상기 해부학적 구조의 가상 표상의 공통부분으로부터 상기 해부학적 구조의 가상 표상에 대한 해부학적 특징을 결정하고; 및
    커스터마이징된 가상 경계를 생성하기 위해 상기 해부학적 특징에 기초하여 상기 표준 가상 경계를 수정하고;
    상기 커스터마이징된 가상 경계를 상기 디스플레이 상에 디스플레이하도록 구성되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위 상에 설정되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 내측 방향, 외측 방향, 전방 방향 및 후방 방향 중 임의의 방향에서 최외측 점에서 상기 해부학적 주위 상에 설정되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 해부학적 특징은 상기 해부학적 주위의 내부에서, 또는 외부에서, 또는 양자 모두에서 해부학적 구조의 가상 표상 상에 설정되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 가상 임플란트 표상은 보철 임플란트에 대응하고, 상기 가상 임플란트 표상에 관련된 상기 기준 특징은 상기 보철 임플란트에 관련된 평면의 가상 표상을 포함하는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 평면은 상기 환자의 해부학적 구조에 맞닿은 상기 보철 임플란트의 표면에 관련되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 가상 임플란트 표상은 경골 보철 베이스의 가상 표상을 포함하고, 상기 기준 특징은 상기 경골 보철 베이스에 관련된 평면을 포함하는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 프로세서는 더욱,
    사용자에 의해 정의된 해부학적 특징을 나타내는 정보를 포함하는 신호를 수신하고;
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 해부학적 특징을 설정하도록 구성되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 프로세서는 더욱,
    상기 표준 가상 경계 또는 상기 커스터마이징된 가상 경계에 대해 사용자-정의된 수정을 나타내는 신호를 수신하고;
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 표준 가상 경계 또는 상기 커스터마이징된 가상 경계를 수정하도록 구성되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
  30. 제 21 항에 있어서,
    상기 프로세서는 더욱,
    상기 표준 가상 경계의 사용자-정의된 오프셋을 나타내는 신호를 수신하고;
    상기 수신된 신호에 기초하여 상기 표준 가상 경계의 위치를 조절하도록 구성되는,
    컴퓨터-지원식 수술 시스템.
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