KR20220086601A - 정합 방법 및 내비게이션 시스템 - Google Patents

정합 방법 및 내비게이션 시스템 Download PDF

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디르크 무차
카이 데신거
니콜라스 노르만
로버트 헤더만
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인터섹트 엔트 인터내셔널 게엠베하
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Abstract

본 발명은 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법에 관한 것이고, 이 방법은,
- 대상체의 수술 전 획득된 모델을 제공하는 단계;
- 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 적어도 하나의 마커 캐리어를 제공하는 단계 - 적어도 하나의 마커 정위 요소는 전자기장에서의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성되고, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적인 거리 및 방향은 알려져 있음 -;
- 대상체의 외부 표면 상에 적어도 하나의 마커 캐리어를 배열하는 단계;
- 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께, 생성된 형광 이미지에서 보이도록, 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께, 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 이미지를 생성하는 단계;
- 적어도 전자기장에서 배열된 마커 캐리어의 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계; 및
- 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향, 및 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향, 및/또는 복수의 마커 중 추가 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계를 사용해, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키는 단계를 포함한다.

Description

정합 방법 및 내비게이션 시스템
본 발명은 대상체(object)를 자동으로 정합(register)하기 위한 정합 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 정합 방법을 수행하도록 구성된 내비게이션 시스템(navigation system)에 관한 것이다.
외과의가 수술 절차에서 의료 기구를 사용하는 것을 지원하기 위해 환자의 신체 내부에서 의료 기구의 위치를 추적하고 예를 들어, 모니터 상의 환자 모델의 단면 이미지(sectional images)에서 기구의 위치를 표시하는 것이 알려져 있다.
이를 위해 일반적으로 데이터 처리 유닛, 모니터, 다수의 정위 요소(localization elements) 및 위치 검출 시스템을 포함하는 내비게이션 시스템이 사용된다. 위치 검출 시스템은 예를 들어, 광학, 초음파 기반 또는 전자기 위치 검출 시스템일 수 있다. 위치 검출 시스템은 일반적으로 정위 요소의 위치와 방향을 결정하도록 구성된다.
예로서, 교류 전자기장을 생성하기 위한 장 생성기(field generator)를 갖는 전자기 위치 검출 시스템이 알려져 있다. 전자기 위치 검출 시스템과 함께 사용될 의료 기구에는 일반적으로 하나 이상의 코일을 포함하는 정위 요소가 장착되어 있다.
교류 전자기장에 노출되면 정위 요소의 코일에서, 교류 전자기장에서의 각 코일의 위치와 방향에 따라 전압이 유도된다. 유도 전압을 나타내는 탭핑된 전압 신호(tapped voltage signal)를 분석하여 정위 요소의 위치와 방향이 결정될 수 있다. 전형적으로, 의료 기구의 정위 요소의 위치 및 방향은 마찬가지로 코일을 포함할 수 있고 환자에 상대적으로 고정된 상태로 유지되는 기준 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적으로 결정된다.
환자의 모델의 단면 이미지에서 기구의 위치를 내비게이션 시스템의 모니터 상에 표시하려면 먼저 모델이 정합되어야 한다. 일반적으로 환자의 모델은 예를 들어, 컴퓨터 단층 촬영(computed tomography; CT), 자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging; MRI) 또는 C-arm 형광 투시 이미징(C-arm fluoroscopic imaging)을 통해서와 같이 단층 촬영에 의해 수술 전(preoperatively) 획득된 환자의 2차원, 3차원 또는 4차원 이미지로부터 생성된 지형 이미지(topographic image)이다. 처음에 모델은 각각의 2차원, 3차원 또는 심지어 4차원 이미지의 좌표계에서 좌표로 정의된다.
정합은 실제 공간(때로는 환자 공간이라고도 함)에서 환자의 위치 및 방향과 모델을 생성하기 위해 사용된 각각의 2차원, 3차원 또는 4차원 이미지의 좌표계에서 좌표로 정의된 모델 사이의 공간적 상관관계를 획득하는 것을 지칭한다. 특히, 환자와 모델 사이의 공간적 상관관계를 얻기 위해, 예를 들어, 환자 공간에서의 좌표를 환자의 모델의 모델 포인트(model point)의 각각의 좌표에, 또는 그 반대로 관련시키는 방법을 정의하는 변환 함수가 수립된다.
정합 방법의 범위 내에서 변환 함수를 수립하기 위해 예를 들어, 표면 기반 정합 및 포인트 기반 정합과 같은 다양한 접근 방식이 알려져 있다.
포인트 기반 정합에서 환자 상에 배열된 마커 또는 기준점으로 사용되는 해부학적 지표(anatomical landmarks)는 각각 환자의 2차원, 3차원 또는 4차원 이미지로부터 생성된 환자 모델에서의 그리고 환자에서의 기준 좌표계를 수립하는 데 사용된다.
포인트 기반 정합은 예를 들어, 위치 검출 시스템을 사용해 추적되는 포인터 기구 또는 감지 기구를 사용해 이러한 마커 또는 지표를 터치하여 수행될 수 있다. 추적된 기구를 사용해 마커 또는 지표를 터치하여 환자의 실제 표면 상의 포인트가 식별되고 위치 검출 시스템을 사용해 결정된 정위 요소의 대응 위치 값은 동일한 마커 또는 지표 위치를 나타내는 모델의 각 모델 포인트에 관련된다. 마커 또는 지표의 위치로부터, 모델에서 그리고 환자에서 기준 좌표계가 수립되고 기준 좌표계로부터 필요한 변환 함수가 결정된다.
모델이 환자에게 정합되면 의료 기구의 위치가 모델의 단면 이미지에 표시되어 외과의가 의료 기구를 내비게이팅하는 데 도움을 줄 수 있다. 모델의 단면 이미지에서 의료 기구의 위치를 표시하기 위해, 의료 기구의 정위 요소의 결정된 위치와 방향은 환자의 모델의 모델 포인트의 각각의 좌표로 변환된다.
대상체를 자동으로 정합하기 위한 개선된 정합 방법을 제공하고, 자동 정합 방법을 수행하도록 구성된 개선된 내비게이션 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
정합 방법에 관해서는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 정합 방법에 의해 목적이 달성된다. 정합 방법은,
- 대상체의 수술 전 획득된 모델을 제공하는 단계;
- 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 적어도 하나의 마커 캐리어를 제공하는 단계 - 적어도 하나의 마커 정위 요소는 교류 전자기장에서 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성되고, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적인 거리 및 방향은 알려져 있음 -;
- 대상체의 외부 표면 상에 적어도 하나의 마커 캐리어를 배열하는 단계;
- 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께, 생성된 형광 이미지에서 보이도록 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 이미지를 생성하는 단계;
- 전자기장에서 배열된 마커 캐리어의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계; 및
- 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키는 단계를 포함한다.
생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키는 것은 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향, 및 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향을 사용하여 수행될 수 있다.
적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향을 사용하는 것에 추가적으로 또는 대안적으로, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키는 것은 복수의 마커 중의 추가 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계를 사용하여 수행될 수 있다.
이 단계들 중 "적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 투시 이미지를 생성하는" 단계는 "적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는" 단계 전 또는 후에 또는 바람직하게는 동시에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법으로, 포인터 기구 또는 감지 기구를 사용해 마커 또는 지표를 접촉할 필요 없이 대상체가 자동으로 정합될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 정합 방법을 사용하면, 서로에 상대적으로 이동할 수 있는 여러 요소를 포함하는 대상체를 정합하고, 내비게이팅되는 절차 동안에 대상체의 요소들이 서로에 상대적으로 이동하더라도 내비게이팅되는 절차의 지속 기간 동안 정합 정확도를 유지하는 것이 가능하다.
대상체의 요소가 서로에 상대적으로 이동할 때에도 내비게이팅되는 절차의 지속 기간 동안 정합 정확도를 유지하는 것은 대상체가 세그먼트식으로(segmentwise), 즉, 세그먼트 단위로(segment by segment) 정합된다는 점에서 본 발명에 따른 정합 방법에 의해 달성된다.
세그먼트식 정합은 대상체를 세그먼트들로 분할하고 대상체의 각 세그먼트에 대해 개별 변환 함수를 수립하는 것을 지칭한다. 바람직하게는, 각각의 세그먼트는 각각의 세그먼트 상에 배열된 각각의 마커 캐리어와 연관된다. 복수의 마커 캐리어가 대상체의 각 세그먼트 상에 배열되는 것이 가능하다. 또한, 마커 캐리어는 대상체를 정합하기 위해 세그먼트 단위로 변위될 수 있다.
세그먼트의 크기는 다양한 기준에 따라 정의될 수 있다. 대상체가 복수의 요소를 포함하는 경우, 대상체의 각 세그먼트는 대상체의 요소 중 다른 하나, 즉, 세그먼트당 하나의 요소를 포함할 수 있다. 하나의 세그먼트가 대상체의 2개 이상의 요소를 포함하는 것도 가능하다. 하나의 세그먼트가 2개 이상의 요소를 포함하는 경우 세그먼트의 크기는 세그먼트에 의해 포함된 2개 이상의 요소 간의 상대적 이동이 정합 정확도에 대해 무시해도 되는(negligible) 방식으로 선택될 수 있다. 세분화 방식이 이미 대상체 자체의 형상에 의해 제안되었을 수도 있는데, 예를 들어, 대상체가 환자의 척추인 경우, 하나의 세그먼트는 하나 이상의 척추골을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법에서, 초기에, 마커 캐리어 및 대상체의 수술 전 획득된 모델이 제공된다.
수술 전 획득된 모델은 예를 들어, 단층 촬영에 의해 기록된 이미지 데이터로부터 생성될 수 있다. 모델은 대상체의 2D 또는 3D 또는 4D 모델일 수 있다. 그러나 바람직하게는, 모델은 3D 모델에 정합된 2D 형광 투시 이미지로부터 생성된 3D 모델이다. 초기에, 모델은 모델이 생성되는 이미지 데이터의 좌표를 통해, 예를 들어, 환자의 단층 촬영 이미지의 좌표를 통해 정의된다.
본 발명에 따른 정합 방법 내에서 사용되는 적어도 하나의 마커 캐리어는, 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 것을 특징으로 하며, 여기서 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적인 거리 및 방향이 알려져 있다.
적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향은 적어도 하나의 마커 정위 요소와 고정되어 있는, 즉 서로에 대해 일정하고 대상체를 정합하기 전에 사용 가능한 적어도 하나의 마커 사이의 상대적인 거리 및 방향을 지칭한다.
특히, 알려진 공간적 관계는 마커 캐리어의 고유한 기하학적 속성이므로 정합 전에 사용할 수 있다. 알려진 공간적 관계는 고정된 기하 데이터 형태로 내비게이션 시스템 및 정합 방법에 대한 입력으로서 제공된다. 고정된 기하 데이터는 바람직하게는 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 공간적 관계를 나타내는 상수 벡터 또는 행렬을 통해 제공된다. 예를 들어, 기하 데이터는 마커 정위 요소의 좌표계에서 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 공간적 관계를 정의하는 벡터를 형성할 수 있다.
마커 정위 요소와 여러 마커 사이의 공간적 관계 및/또는 여러 마커 사이의 공간적 관계가 알려진 경우, 알려진 공간적 관계는 각각의 기하 데이터를 포함하는 기하 데이터 세트의 형태로 내비게이션 시스템 및 정합 방법에 대한 입력으로서 제공될 수 있다.
형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 예를 들어, 마커 캐리어의 표면 위에 분포된 금판일 수 있다. 일반적으로, 마커는 마커 캐리어 자체보다 다소 방사선 불투과성인 물질로 제조되기 때문에 형광 투시적으로 검출 가능하다. 그러나, 바람직하게는, 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 생성된 형광 투시 이미지에서 기준점으로서 사용될 수 있도록 구성된다. 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 예를 들어, 0차원 또는 1차원 기하 구조를 가질 수 있다.
마커 캐리어에 부착된 마커 정위 요소는 형광 투시적으로 검출 가능한 마커의 위치에, 즉, 합동으로 배열될 수 있다. 마커 정위 요소는 또한 형광 투시적으로 검출 가능한 마커가 배열되는 위치와는 다른 위치에 배열될 수 있다. 그러나 적어도 하나의 마커 정위 요소는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 것이 요구된다. 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나 사이의 이러한 알려진 공간적 관계는 적어도 위치 검출 시스템의 좌표계에서 알려진 공간적 관계를 갖는 마커의 위치를 결정하고, 그 반대의 경우, 생성된 형광 투시 이미지의 좌표계에서 마커 정위 요소의 위치를 결정하는 것을 허용한다.
마커 정위 요소는 전자기장, 예를 들어, 교류 전자기장을 포착하고 전자기장에서 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성된다. 제공된 센서 신호는 수신된 센서 신호를 분석함으로써 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하도록 구성된 위치 검출 시스템에 케이블을 통해 또는 무선으로 송신될 수 있다.
바람직하게는, 마커 정위 요소는 하나 이상의 센서 코일을 포함한다. 마커 정위 요소는 바람직하게는 6 자유도(degree of freedom; DOF)를 포착하도록 구성된다. 이러한 6 DOF 마커 정위 요소는 예를 들어, 서로에 대해 각진, 예를 들어, 직교하게 배열된 적어도 2개의 센서 코일을 포함한다는 점에서 구현될 수 있다. 마커 정위 요소가 하나 이상의 코일을 포함하는 경우, 교류 전자기장에서 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 전압 신호가 탭핑되어 위치 검출 시스템으로 송신될 수 있다.
정위 요소를 갖는 마커 캐리어는 위치 검출 시스템의 장 생성기에 의해 생성된 전자기장에서 마커 캐리어에 상대적으로, 정위 요소가 유사하게 장착된 의료 기구를 내비게이션하기 위한 기준 정위 요소로서도 사용될 수 있다. 정위 요소를 갖는 마커 캐리어는 또한, 기준 정위 요소로서 사용되는 마커 캐리어의 정위 요소의 위치에 상대적인, 각각의 추가 마커 캐리어의 하나 이상의 추가 마커 정위 요소의 위치를 추적하기 위한 기준 정위 요소로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법을 위해, 마커 캐리어는 대상체의 외부 표면 상에 배열된다. 마커 캐리어 자체를 이동시키지 않고 정합이 여러 번 수행될 수 있도록 마커 캐리어는, 내비게이팅되는 절차 동안 대상체의 외부 표면 상에 머무르는 것이 바람직하다. 각 정합에 대해 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열되고 나중에 제거될 수도 있다. 그런 다음, 변환 함수는 내비게이팅되는 절차 동안 반복적으로 결정될 수 있으며 각각의 새로 수행된 정합으로 갱신될 수 있다. 수립된 변환 함수를 반복적으로 갱신하여, 내비게이팅되는 절차 동안 대상체의 요소가 서로에 대해 상대적으로 이동하더라도 정합이 정확하게 유지된다.
정합될 대상체는 서로에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 복수의 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여러 개의 요소를 갖는 대상체는 환자의 척추일 수 있고, 그 요소는 척추의 척추골일 수 있다. 대상체가 척추인 경우, 마커 캐리어는 노출된 척추 바로(directly) 위에 또는 환자의 피부 상에, 예를 들어, 환자의 척추 위에 거리를 두고 배열될 수 있다. 대상체의 외부 표면 상에 마커 캐리어를 배열한다는 것은 예를 들어, 환자의 척추와 같은 실제 관심 구조에 거리를 두고 환자의 피부 상에 마커 캐리어가 배열되는 상황을 지칭할 수도 있다. 바람직하게는, 마커 캐리어는 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 대상체의 투영에서, 마커 캐리어의 형광 투시적으로 검출 가능한 적어도 2개가 관심 구조, 예를 들어, 환자의 척추의 3개 내지 4개의 척추골과 함께 보이도록 대상체의 외부 표면 상에 배열된다.
대상체의 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되어 형광 투시 이미지에서 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 보인다. 형광 투시 이미지는, 형광 투시 이미지를 생성하기 위해 예를 들어, X선 소스 및 X선 검출기를 갖는 X선 디바이스로 기록된 형광 투시 이미지 데이터로부터 재구성되는 이미지 포인트를 포함한다.
세그먼트는 바람직하게는 대상체의 외부 표면의 제한된 영역을 지칭한다. 대상체가 척추인 경우를 예로 들면, 세그먼트는 예를 들어, 척추의 척추골을 지칭한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 척추골 상에 마커 캐리어가 배열되어 있는 3개 내지 4개의 척추골이 생성된 형광 투시 이미지에서 보인다. 척추의 세그먼트가 하나보다 많은 척추골, 예를 들어, 2개, 3개 또는 4개의 척추골을 포함하는 것도 가능하다. 세그먼트로 정합될 대상체의 세분화는 예를 들어, 각각의 세그먼트가 대상체의 요소들 중 다른 하나를 포함하도록 또는 각각의 세그먼트에 의해 포함된 2개 이상의 요소들의 상대적 이동이 정합 정확도와 관련하여 무시해도 되도록 선택될 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 따른 자동 정합 방법으로 대상체의 2개 이상의 세그먼트 사이의 상대적 이동을 검출하는 것이 가능하다.
세그먼트 영역은 마커 캐리어에 의해 덮인 외부 표면의 부분보다 클 수 있다.
마커 캐리어는 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 포함하기 때문에, 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향은, 예를 들어, 제공된 센서 신호를 분석하도록 구성된 위치 검출 시스템에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로 위치 검출 시스템은 위치 검출 시스템의 좌표계에서 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하도록 구성된다.
대상체의 외부 표면 상에 배열되는 마커 캐리어의 위치 및 방향은 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향에 의해 계산될 수 있다. 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열되면, 마커 정위 요소의 위치 및 방향은 실제 공간, 예를 들어, 환자 공간에서 대상체의 외부 표면 상의 포인트에 대응하는 것으로 결정될 수 있다. 이는, 예를 들어, 위치 검출 시스템의 좌표계를 변환하여, 그 원점이 마커 캐리어의 마커 정위 요소에 대해 알려진 공간적 관계를 갖는 대상체 표면 상의 포인트가 되도록 대상체에서의 기준 좌표계를 수립할 수 있게 한다.
적어도 하나의 마커 정위 요소가 마커 캐리어의 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 가지므로, 위치 검출 시스템의 좌표계와 실제 공간에서 알려진 공간적 관계를 갖는, 즉, 대상체의 외부 표면 상의 포인트에 상대적으로 이 마커의 좌표를 계산하는 것이 가능하다. 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 기존의 정합 방법에서 추적되는 포인터 기구 또는 감지 기구를 사용해 터치되었을 인공 지표로서 사용될 수 있다. 대상체의 실제 표면 상의 포인트에 대응하는 마커 정위 요소의 결정된 위치에 의해 대상체에 기준 좌표계가 수립될 수 있다. 대상체에서 기준 좌표계를 수립하기 위해, 추가적으로, 마커 정위 요소에 대해 알려진 공간적 관계를 갖는 적어도 하나의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커의 알려진 공간적 관계가 사용될 수 있다.
변환 함수를 찾기 위해서는, 기준 좌표계는 수술 전 획득된 모델에서도 수립될 필요가 있다.
본 발명에 따른 정합 방법에서 모델에서 기준 좌표계를 수립하는 것은 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 마커 캐리어의 형광 투시 이미지를 생성함으로써 달성된다. 생성된 형광 투시 이미지에서 - 마커 캐리어의 적어도 하나의 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소 사이의 알려진 공간적 관계로 인해 - 대상체의 실제 공간에서 좌표로 표현될 수 있는 적어도 2개의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커가 보인다. 예를 들어, 해부학적 지표를 나타내는 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 각 모델 포인트에 연관시킴으로써, 수술 전 획득된 모델에서의 기준 좌표계를 수립하고 모델 포인트를 대상체의 실제 공간에서의 좌표로 또는 그 반대로 변환하기 위한 변환 함수를 찾을 수 있다. 정합이 수행된 후 마커 캐리어에 상대적으로 내비게이팅되는 추적된 의료 기구의 위치는 모니터 상에 시각화되는 수술 전 획득된 모델의 단면 이미지에서 표시될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법은, 정합이 갱신되고 정확하게 유지될 수 있도록 내비게이팅되는 절차의 지속 기간 동안 여러 번 반복될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법을 사용하면 내비게이팅되는 절차 동안 여러 번 대상체의 복수의 개별 세그먼트, 및 특히 마커 캐리어가 배열되는 이 대상체의 세그먼트를 정합할 수 있다. 유리하게는, 정합이 수행될 때마다 정합 순간의 대상체의 실제의 형상에 따라 변환 함수가 수립된다. 대상체의 정합이 수행되는 빈도는 예를 들어, 미리 정의된 문턱값을 초과하는 대상체의 요소들 사이의 상대적 이동에 따라 적응될 수 있다. 의료 기구를 대상체의 세그먼트 단위로 내비게이팅할 때 각 세그먼트의 각 변환 함수를 사용하여 대상체의 수술 전 획득된 모델의 단면 이미지에서 의료 기구의 위치를 정확하게 표시할 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법의 다음의 바람직한 변형이 설명된다.
바람직하게는, 모델 포인트는 모델 표면이 대상체의 외부 표면에 대응하는, 수술 전 획득된 모델의 모델 표면의 포인트이다. 모델 표면은 대상체의 지형 이미지가 될 수 있다. 모델 포인트와 이에 따라 수술 전 획득된 모델은 단층 촬영을 통해 획득된 2차원, 3차원 또는 4차원 이미지로부터 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 자동 정합 방법의 변형에서, 대상체의 외부 표면 상에 배열된 마커 캐리어는 가요성일 수 있는데, 즉 외부 표면의 지형에 그 형상을 적응시킬 수 있다. 가요성 마커 캐리어는 예를 들어, 벨트이거나 벨트의 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 가요성 마커 캐리어 상의 고정 위치에 고정된다. 가요성 마커 캐리어는 가요성 마커 캐리어 상에 고정된 마커의 상대적 위치가 유지되도록 신장(stretch)될 수 없는 강성을 가질 수 있다.
가요성 마커 캐리어가 사용되는 정합 방법의 이 변형에서,
- 가요성 마커 캐리어는 대상체의 외부 표면 상에 배열되고,
- 복수의 마커는, 3개의 마커의 각각의 그룹이 생성된 형광 투시 이미지에서 다른 마커 그룹에 의해 형성된 패턴과는 구별될 수 있는 패턴을 각각 형성하는 방식으로 상기 마커 캐리어 상에 고정되고,
- 대상체의 적어도 2개의 세그먼트는 각각의 세그먼트가 상기 마커에 의해 형성된 상이한 패턴에 할당된다는 점에서 적어도 하나의 생성된 형광 투시 이미지에서 식별 가능하다.
가요성 마커 캐리어는 형광 투시적으로 검출 가능한 마커가, 적어도 3개의 마커의 각각의 그룹이 가요성 마커 캐리어 상에서 고유한 패턴을 각각 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 그룹이 삼각형을 형성하는 3개의 마커를 포함하는 경우, 삼각형은 마커의 각각의 다른 그룹에 의해 형성된 다른 패턴과 구별될 수 있다.
각각의 마커 패턴은 대상체의 여러 세그먼트 중의 다른 세그먼트를 정의하거나 식별하는 데 할당되거나 사용될 수 있다. 복수의 여러 구별 가능한 패턴으로 인해, 가요성 마커 캐리어는 개별 마커 패턴을 갖는 개별 마커 캐리어 각각과 함께 스티칭되는(stitched) 여러 개별 마커 캐리어로서 해석될 수 있다.
대상체의 적어도 2개의 세그먼트가 각각 연관된 마커 패턴에 의해 식별 가능하도록 가요성 마커 캐리어의 형광 투시 이미지를 생성할 때, 적어도 이들 2개의 세그먼트 내에서 대상체의 지형을 재구성하는 것이 가능하다. 대상체의 지형의 재구성은, 각각의 세그먼트에 연관된 마커 패턴이 세그먼트와 함께, 생성된 투시 이미지에서 보이기 때문에 달성될 수 있다. 마커 캐리어가 가요성이기 때문에 각 패턴은 대상체의 외부 표면의 지형에 대응하는 변형된 방식으로 보일 수 있다. 패턴의 변형 및 각 패턴 간의 공간적 관계가 세그먼트와 함께, 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 것으로부터, 외부 표면의 지형이 계산적으로 재구성될 수 있다.
생성된 지형의 지표, 특히 이러한 지표를 나타내는 형광 투시 이미지의 이미지 포인트는 본 발명에 따른 자동 정합 방법의 범위 내에서 변환 함수를 찾기 위해 수술 전 획득된 모델의 대응 모델 포인트에 할당될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법의 또 다른 변형에서, 여러 마커 캐리어, 즉 적어도 2개의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열된다. 사용된 마커 캐리어는 동일하게 구성될 수 있거나 다르게 구성될 수 있다. 바람직하게는, 사용된 마커 캐리어는 강성인데, 즉, 가요성이 아니다.
여러 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열되는 이 변형에서
- 적어도 2개의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열되고,
- 각 세그먼트에 대해, 배열된 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 각각의 세그먼트와 함께, 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 방식으로 대상체의 적어도 2개의 세그먼트의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되고,
- 형광 투시 이미지가 생성된 세그먼트들 사이의 공간적 관계는 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 결정된다.
예를 들어, 여러 마커 캐리어는 척추를 따라, 예를 들어, 노출된 척추를 바로 따라서 또는 척추 위에 거리를 두고 환자의 피부 상에 배열될 수 있다. 각각의 마커 캐리어는 적어도 하나의 마커 정위 요소를 포함하기 때문에, 각각의 마커 캐리어의 위치 및 방향은 위치 검출 시스템을 사용해 독립적으로 추적될 수 있다. 마커 캐리어가 분류되거나 레이블링되는 경우 유리하다. 예를 들어, 각각의 마커 캐리어를 독립적으로 추적하기 위해, 대상체의 외부 표면 상에 배열되는 마커 캐리어는 단순히 숫자 1, 2, 3 등으로 레이블링될 수 있다. 마커 캐리어는 예를 들어, 클러스터로서 또는 선을 따라 상이한 패턴들로 대상체의 외부 표면 상에 배열될 수 있다. 마커가 그 형상을 변경할 것으로 예상되는 대상체의 외부 표면의 부분 상에, 즉, 서로에 상대적으로 이동할 수 있는 여러 요소를 포함하는 대상체의 부분 상에 배열되는 것이 바람직하다. 대상체를 세그먼트식으로 정합하기 위해, 복수의 마커 캐리어를 사용하여, 서로에 상대적으로 이동할 수 있는 여러 요소를 포함하는 대상체의 부분이 하나 이상의 요소를 각각 포함하는 세그먼트로 분할될 수 있으므로 대상체의 각 세그먼트는 개별적으로 정합될 수 있다.
바람직하게는, 대상체가 척추인 경우, 생성된 형광 투시 이미지에서 3개 내지 4개의 척추골, 예를 들어, 세그먼트가 보인다. 각각의 척추골에서 또는 그 위에 각각의 마커 캐리어가 배열되어 척추골 각각이 개별적으로 정합되고 추적될 수 있다.
유리하게는, 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열되기 때문에, 형광 투시 이미지를 생성하기 위해 형광 투시 이미지 데이터는 한 번만 기록되어야 하므로 대상체의 X선 노출이 감소될 수 있다.
마커 캐리어의 정위 요소 중 하나를 다른 마커 캐리어의 위치를 추적하기 위한 그리고/또는 이 기준 정위 요소에 상대적인, 정위 요소가 장착된 의료 기구의 위치를 추적하기 위한 기준 정위 요소로서 사용할 수 있다.
형광 투시 이미지는, 적어도 2개의 세그먼트와, 이들 세그먼트 각각에 대해 각각 배열된 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 보이는 방식으로 생성되기 때문에, 세그먼트들 중 하나에 각각 할당된 보이는 마커의 위치에 기초해 보이는 세그먼트들 간의 공간적 관계를 결정할 수 있다. 각 세그먼트에 대해 보이는 적어도 2개의 마커가 서로에 대해 알려진 공간적 관계를 갖기 때문에 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 세그먼트들 간의 공간적 관계를 결정하는 것이 달성될 수 있다. 각각의 세그먼트의 마커들의 알려진 공간적 관계는 생성된 형광 투시 이미지에서도 보이는 이웃 세그먼트들의 마커와 이러한 마커 사이의 공간적 관계를 결정하는 데 사용될 수 있다. 세그먼트의 결정된 공간적 관계로부터 대상체의 지형이 재구성될 수 있고 그리고/또는 세그먼트의 상대적 이동이 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법의 또 다른 변형에서, 마커 캐리어는 세그먼트 단위로 변위된다. 예를 들어, 대상체가 척추인 경우, 마커 캐리어는 척추골 단위로(vertebra by vertebra) 변위될 수 있으며 각 위치에서 형광 투시 이미지가 생성된다. 생성된 형광 투시 이미지 각각은 개별적으로 각각의 세그먼트를 정합하는 데 사용될 수 있다. 또한, 생성된 모든 형광 투시 이미지를 스티칭하고 대상체를 정합하기 위해 스티칭된 형광 투시 이미지를 사용할 수도 있다.
마커 캐리어가 단계적으로 변위되는 본 발명에 따른 자동 정합의 변형에서
- 연속적인 단계들에서 마커 캐리어는 대상체의 외부 표면 상에 배열되고,
- 각각의 연속적인 단계에서 적어도 하나의 세그먼트와 함께 배열된 마커 캐리어의 형광 투시 이미지가 대상체의 각 세그먼트와 함께 형광 투시 이미지에서 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 보이는 방식으로 생성되며,
- 형광 투시 이미지가 생성된 세그먼트들 사이의 공간적 관계는 각 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 결정된다.
이 변형에서 하나의 마커 캐리어, 예를 들어, 대상체의 첫 번째 세그먼트 상에 배열된 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 머무르는 동안 추가 마커 캐리어는 대상체를 정합하기 위해 세그먼트 단위로 변위될 수도 있다. 외부 표면 상에 남아 있는 마커 캐리어는 추가 마커 캐리어의 상대적 위치를 추적하기 위해 그리고/또는 기구 정위 요소가 장착되고 대상체에 상대적으로 내비게이팅되는 의료 기구의 상대적 위치를 추적하기 위한 기준 정위 요소로서 사용될 수 있다.
또한, 마커 캐리어가 단계적으로 변위되는 변형에서, 형광 투시 이미지가 생성된 세그먼트들 사이의 공간적 관계는 각각의 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 결정될 수 있다. 세그먼트들 사이의 결정된 공간적 관계로부터 대상체의 지형이 재구성될 수 있고 그리고/또는 세그먼트의 상대적 이동이 검출될 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 세그먼트의 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해 여기에 설명된 자동 정합 방법에서, 이들 형광 투시 이미지들 각각의 이미지 포인트들은 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트들에 대해 세그먼트별로(segmentally), 즉, 세그먼트식으로(segmentwise) 관련되어 있다. 따라서 각 세그먼트에 대해 개별 변환 함수가 수립될 수 있다. 대상체의 수술 전 획득된 모델의 단면 이미지에서 의료 기구의 위치를 표시하기 위해, 적용되는 변환 함수는 현재 의료 기구가 위치한 세그먼트에 따라 선택될 수 있다.
개별 세그먼트의 정합으로부터 정합 오류가 결정될 수 있는 것은 대상체를 세그먼트별로 정합하는 것의 이점이다. 특히, 각각의 모델 포인트와 관련된 적어도 2개의 세그먼트의 이미지 포인트와 적어도 2개의 세그먼트 간의 알려진 공간적 관계로부터 정합 오류가 결정될 수 있다. 이는 각 세그먼트에 대해 개별 변환 함수가 수립되기 때문에 가능하다. 각각의 수립된 변환 함수를 사용한 좌표 변환의 결과를 비교하여 정합 오류를 결정할 수 있다. 각 개별 세그먼트에 대한 정합 정확도를 개선하기 위해 결정된 정합 오류를 교정하기 위해 변환 함수가 갱신되거나 수정될 수 있다.
여기에 설명된 자동 정합 방법은,
- 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키는 것에 따라, 이미지 디스플레이 유닛 상의 상기 모델 상의 관측 방향(viewing direction)이 적어도 하나의 세그먼트의 형광 투시 이미지를 생성하기 위해 사용된 형광 투시 이미지 데이터가 기록된 기록 방향에 대응하도록 시각화된 모델이 정렬되는 방식으로, 수술 전 획득된 모델을이미지 디스플레이 유닛, 예를 들어, 내비게이션 시스템의 모니터 상에 시각화하는 단계를 포함할 수 있다.
시각화된 모델이 형광 투시 이미지에서 보이는 투영에 정렬되면, 사용자가 생성된 형광 투시 이미지를 내비게이팅되는 절차 중에 모니터 상에 시각화되는 수술 전 획득된 모델과 비교하는 것이 더 쉬울 수 있다. 생성된 형광 투시 이미지의 관점에 대한 모델 상의 관측 방향의 정렬은, 예를 들어, 수립된 기준 좌표계에서 정의된, 이미지 포인트 및 모델 포인트의 좌표의 공간적 관계가 분석되고, 그에 따라 모델 상의 관측 방향이 적응될 수 있기 때문에 달성될 수 있다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키는 것에 따라, 모델 상의 관측 방향이 생성된 형광 투시 이미지의 관측 방향에 대응하도록 모델이 이미지 디스플레이 유닛 상에서 시각화될 수 있다.
여기에 설명된 자동 정합 방법은,
- 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터 수술 전 획득된 모델의 적어도 하나의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 대상체의 요소의 상대적 이동을 검출하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
대상체의 요소가 초기 정합 후 다른 요소에 상대적으로 또는 기준 정위 요소에 대해 상대적으로 이동하는 경우, 대상체의 세그먼트에 대해 수립된 변환 함수는, 이미지 포인트가 이미지 포인트와는 대상체의 동일한 특징을 나타내지 않는 모델 포인트에 관련되도록 부정확해질 수 있다. 본 발명에 따른 자동 정합이 다시 수행되면, 대상체의 요소가 상대적으로 이동하기 전에 동일한 이미지 포인트에 대응한 모델 포인트와는 다른 대응하는 모델 포인트에 이미지 포인트가 관련되도록 새로운 변환 함수가 수립된다. 이전 대응 모델 포인트에 대한 새로운 대응 모델 포인트의 편차, 예를 들어, 기준 좌표계의 편차 벡터가 계산될 수 있고, 이것으로부터 대상체의 요소의 상대적 이동이 검출될 수 있다. 예를 들어, 수술 동안에 척추골의 상대적 이동이 수술 중에 검출될 수 있다.
전술된 바와 같이 "대응하는 이미지 포인트로부터의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 대상체의 요소의 상대적 이동을 검출하는" 단계를 포함하는 본 발명에 따른 자동 정합 방법은,
- 결정된 편차를 사용하여 대상체의 수술 전 획득된 모델을 세그먼트별로 적응시키는 추가적인 단계를 또한 포함할 수 있다.
따라서 단층 촬영에 의해 획득된 환자의 2차원, 3차원 또는 4차원 이미지로부터 생성된 수술 전 획득된 모델은 결정된 편차에 기초해 적응될 수 있다. 결정된 편차에 기초해 모델이 갱신되면, 사용자는 내비게이팅되는 절차 이전에 수술 전 획득된 모델을 생성한 이후 또는 내비게이팅되는 절차 동안 모델의 마지막 적응 이후 형상이 변경된 대상체의 실제 형상을 나타내는 모델을 사용할 수 있다. 유리하게는, 각 세그먼트에 대해 세그먼트별로 수행된 정합으로 인해 모델이 세그먼트식으로 적응될 수 있도록 개별 편차가 결정될 수 있다. 수술 전 획득된 모델을 세그먼트별로 적응시키는 것은 바람직하게는 그에 따라 구현된 알고리즘을 실행하도록 구성된 내비게이션 시스템에 의해 수술 중에 수행된다.
특히, 선택적으로 또한 이전에 설명된 바와 같이 수술 전 획득된 모델이 결정된 편차에 따라 세그먼트별로 적응되는 것을 포함할 수 있는, 대응하는 이미지 포인트로부터의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 대상체의 요소의 상대적 이동이 검출되는 자동 정합 방법은 또한,
- 전자기장에서 위치 및 방향을 결정하기 위한 기구 정위 요소를 갖는 기구를 제공하는 단계;
- 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인, 전자기장에서의 기구 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계;
- 상기 기구의 적어도 일부와 함께 이미지 디스플레이 유닛 상에 대상체의 적응된 모델을 시각화하는 단계를 포함할 수 있으며,
- 상기 모델의 시각화에서 상기 기구의 위치 및 방향은 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 적어도 하나의 모델 포인트의 결정된 편차를 사용하여 적응된다.
대상체의 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 마커 정위 요소는 기구 정위 요소가 유사하게 장착된 기구, 예를 들어, 의료 기구에 대한 기준 정위 요소로서 사용될 수 있다. 사전에 획득한 모델이 대상체에 정합된 경우, 적어도 기구의 일부의 위치 아이콘 또는 디지털 표현은, 사용자가 대상체에 상대적으로 기구를 내비게이팅할 때 표시된 모델 상에 자신을 배향할 수 있도록 대상체의 수술 전 획득된 모델에 표시될 수 있다.
수술 전 획득된 모델은 대응하는 이미지 포인트로부터의 모델 포인트의 결정된 편차에 따라 적응될 수 있기 때문에, 실제 내비게이션 상황에 가능한 한 가까운 표현을 제공하기 위해 마찬가지로, 적응된 모델에서 기구의 위치를 적응시키는 것이 바람직하다. 기구의 위치를 적응된 모델의 대응 모델 포인트의 좌표로 변환하기 위해, 결정된 편차, 예를 들어, 편차 벡터가 사용될 수 있다. 결정된 편차에 따라 모델 및 모델에서의 계측기의 위치가 적응되면, 사용자는 정확한 방식으로 대상체에 상대적으로 기구를 내비게이팅할 수 있으며 시각화된 모델에서 기구 위치의 부정확한 표현으로 인해 발생하는 내비게이팅 오류가 회피될 수 있다.
생성된 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 적어도 하나의 모델 포인트의 결정된 편차를 사용하여 모델의 시각화에서 기구의 위치 및 방향이 적응되는 자동 정합 방법에서, 바람직하게는 적응된 모델의 시각화에서 기구의 위치 및 방향을 적응시키는 것은 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 대상체의 각 세그먼트에 대해 세그먼트별로 수행된다. 각 세그먼트에 대한 본 발명에 따른 자동 정합 방법의 범위 내에서 각 세그먼트에서 기구의 위치 및 방향의 적응을 위해 사용될 수 있는 개별 정합 함수가 수립되기 때문에, 적응된 모델의 시각화에서 기구의 위치 및 방향을 세그먼트별로 적응시키는 것이 가능하다.
여기에 설명된 자동 정합 방법은,
- 대상체에 대한 고정된 공간적 관계로 적어도 하나의 기준 정위 요소를 배열하는 단계 - 적어도 하나의 기준 정위 요소는 전자기장에서 기준 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 기준 센서 신호를 제공하도록 구성됨 -; 및
- 적어도 하나의 기준 마커 정위의 위치 및 방향에 상대적인, 전자기장에서의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계를 포함한다.
때때로 환자 정위기라고도 하는 기준 정위 요소는 내비게이션 시스템의 추가 요소가 될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 기준 정위 요소는 대상체에 대해 고정되어 배열된다. 기준 정위 요소는 대상체 옆에 배열하거나 대상체 자체에 단단히 부착될 수 있다. 기준 정위 요소의 위치 및 방향은 전자기장에서 기준 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 제공된 기준 센서 신호를 분석하도록 구성된 위치 검출 시스템에 의해 결정될 수 있다.
기준 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인, 마커 캐리어의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향은 전자기장, 예를 들어, 교류 전자기장을 생성하기 위한 장 생성기를 갖는 위치 검출 시스템에 의해 결정될 수 있다.
특히, 적어도 하나의 기준 정위 요소가 대상체 옆에 배열되거나 대상체에 부착되어 배열되는 경우, 본 발명에 따른 정합 방법을 수행할 때 자동 정합 방법은,
- 시간의 첫 번째 순간과 시간의 나중 추가 순간에서 적어도 하나의 기준 정위 요소에 상대적인 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계; 및
- 시간의 더 이른 첫 번째 순간과 관련하여 시간의 나중 순간에서의 적어도 하나의 기준 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인 마커 정위 요소의 위치 및/또는 방향의 변화를 검출하는 단계를 포함한다.
마커 정위 요소의 위치와 방향은 기준 정위 요소에 상대적으로 추적될 수 있다. 추가적으로, 또한, 기구 정위 요소가 장착된 기구의 위치 및 방향은 기준 정위 요소에 상대적으로 또는 마커 정위 요소에 상대적으로 또는 둘 다에 상대적으로 추적될 수 있다. 시간의 더 이른 첫 번째 순간과 관련하여 시간의 나중 순간에 기준 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인 마커 정위 요소의 위치 및/또는 방향의 변화를 검출함으로써, 내비게이팅되는 절차 동안 객체의, 특히 객체의 요소의 상대적 이동을 검출하는 것이 가능하다. 기준 정위 요소에 상대적으로 이동된 대상체 또는 대상체의 요소 중 적어도 하나에 대한 정보는 적어도 하나의 수립된 변환 함수를 갱신하기 위해 대상체의 새로운 자동 정합을 트리거하는 데 사용할 수 있다. 마커 캐리어는 대상체의 각 세그먼트와 연관되어 있으므로, 예를 들어, 또 다른 세그먼트 또는 기준 정위 요소에 대한 특정 세그먼트의 상대적 이동을 검출할 수 있다. 개별 세그먼트의 상대적 이동이 검출될 수 있으므로, 이 특정 대상체와 관련된 변환 함수만 갱신할 수 있으며 상대적 이동이 검출되지 않은 다른 세그먼트에 대해 수립된 변환 함수는 여전히 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 자동 정합 방법이 환자의 척추를 정합하기 하기 위해 수행되는 경우, 자동 정합 방법은,
- 대상체가 환자의 척추이고 척추의 적어도 하나의 세그먼트가 하나 이상의 척추골을 포함하는 것,
- 수술 전 획득된 모델이 적어도 척추의 일부의 모델인 것,
- 적어도 하나의 마커 캐리어가 척추 상에 배열되는 것,
- 마커 캐리어의 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 2개가 적어도 하나의 척추골과 함께 보이는 방식으로 자신 상에 배열된 마커 캐리어를 갖는 척추골을 적어도 포함하는 세그먼트의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되는 것, 및
- 하나 이상의 척추골의 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 이들 형광 투시 이미지 각각의 이미지 포인트가 수술 전 획득된 척추 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련되는 것에서 명시될 수 있다
바람직하게는, 세그먼트는 1개 또는 2개의 척추골을 포함하고 3개 내지 4개의 척추골이 보이는 방식으로 형광 투시 이미지가 생성된다. 마커 캐리어는 노출된 척추의 하나 이상의 척추골 바로 위에 배열될 수 있거나 환자의 외부 피부 상에 배열될 수 있고 따라서 각각의 하나 이상의 척추골 위에 거리를 두고 배열될 수 있다.
대상체가 척추인 본 발명에 따른 자동 정합 방법에서 척추골을 나타내는 형광 투시 이미지의 이미지 포인트는 수술 전 획득된 척추 모델에서 동일한 척추골의 각 모델 포인트에 관련되는 것이 특히 바람직하다. 척추골은 척추를 정합하기 위한 해부학적 지표로서 사용될 수 있다.
대상체가 척추인 본 발명에 따른 자동 정합 방법에서, 척추를 자동으로 정합하기 위해 여러 마커 캐리어가 척추를 따라 동시에 배열될 수 있다. 예를 들어, 척추 수술 중에 여러 마커 캐리어가 척추를 따라 동시에 배열되는 자동 정합 방법은,
- 적어도 자신 상에 배열된 마커 캐리어를 갖는 척추골의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되는 것, 및
- 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 척추골을 나타내는 형광 투시 이미지의 이미지 포인트가 수술 전 획득된 척추 모델에서 동일한 척추골을 나타내는 대응 모델 포인트에 관련되는 것을 포함할 수 있다.
척추골 상의 포인트를 나타내는 이미지 포인트를 척추골 모델 상의 동일한 포인트를 나타내는 대응하는 모델 포인트와 관련시킴으로써, 각각의 척추골은 개별적으로, 즉, 척추골 단위로 세그먼트별로 정합될 수 있으며, 그 결과 각 척추골에 대한 세그먼트식 정합의 결과로서, 개별 변환 함수가 수립될 수 있다. 척추를 세그먼트별로 정합한 결과, 다른 척추의 척추골에 상대적인 또는 기준 정위 요소에 상대적인 각각의 척추골의 이동이 개별적으로 추적될 수 있다. 척추골의 상대적 이동이 검출된 경우에, 각각의 척추골를 다시 정합하여 대응 변환 함수가 갱신될 수 있다.
척추 또는 척추의 척추골의 상대적 이동은, 예를 들어, 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 수술 전 획득된 척추 모델의 적어도 하나의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 수술 중 검출될 수 있다.
유리하게는, 본 명세서에 설명된 자동 정합 방법은 절차를 계획하기 위해 척추 수술 전에 또는 절차를 수행하는데 있어서 외과의를 돕기 위해 환자의 척추를 정합하기 위해 척추 수술 중에 수행될 수 있다.
예를 들어, 척추골 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어를 사용하여 척추를 수술 전 또는 수술 중 정합하는 것 또는 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 배열되고 이후에 제거되는 적어도 하나의 마커 캐리어를 사용하는 것을 포함하는 척추 유합술(spinal fusion)이 수행될 수 있다. 척추 수술 동안, 하나 이상의 수립된 변환 함수를 반복적으로 갱신하기 위해 여러 번 적어도 하나의 마커 캐리어가 정합을 위해 배열되고 이후에 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 자동 정합 방법을 적용하여 정합된 척추 상에 수행되는 척추 유합술에서는, 예를 들어, 2개 이상의 척추골이 척추경 나사못, 플레이트, 또는 케이지(cage) 의해 접합될 수 있다. 척추 유합술에 의해, 예를 들어, 척추 협착증, 척추전방전위증, 척추증, 척추 골절, 척추골 골절, 척추 종양 측만증, 후방 라미 증후군, 퇴행성 디스크 질환, 척추 디스크 탈출증, 추간판성 통증 또는 후만증이 치료될 수 있다.
대상체가, 수술 중 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어를 사용하거나, 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 배열되고 이후에 제거되는 적어도 하나의 마커 캐리어를 사용하는 본 발명에 따른 정합 방법을 수행함으로써 자동으로 정합되는 척추이면, 예를 들어, 척추 수술에서, 다축 나사는 자신 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어를 갖는 각각의 척추에 고정(screw)될 수 있다. 일반적으로 척추 수술에서 다축 나사는 예를 들어, 퇴행성 경추증 및 만곡을 치료하기 위해 척추골을 막대(rods)에 접속하는 데 사용된다. 바람직하게는, 나사의 위치는 위치 검출 시스템을 사용해, 예를 들어, 다축 나사에 또는 다축 나사 내에 정위 요소를 배열함으로써 추적될 수 있다. 수술 중 추적된 다축 나사의 위치는 외과의가 다축 나사를 배치하는 데 도움이 되도록 척추 모델에 표시될 수 있다.
특히, 최소 침습 척추 수술 전 또는 동안, 본원에 설명된 자동 정합 방법을 사용하여 척추를 정합할 수 있다. 척추를 최소 침습 척추 수술의 일부로서 정합하기 위해서는, 수술 중 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 적어도 하나의 마커 캐리어가 배열될 수 있거나, 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 적어도 하나의 마커 캐리어가 배치되고 이후에 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 자동 정합 방법을 수행하여 척추가 정합되는 최소 침습 척추 수술은 전방 경추 디스크 절제술, 인공 디스크 교체 또는 전체 디스크 교체, 경막외 유착 용해, 후궁 절제술, 절편절개술, 경사 외측 요추 체간 융합(oblique lateral lumbar inter body fusion; OLLIF), 경피적 척추 성형술, 내시경 디스크 절제술을 포함할 수 있다. 정합된 척추에 대한 최소 침습 척추 수술은 퇴행성 디스크 질환, 디스크 탈출증, 골절, 종양, 감염, 불안정성 및 기형의 치료를 위해 수행될 수 있다.
또한, 척추에 대해 골수 생검이 시행되어야 하는 경우를 대비하여 여기에서 설명된 자동 정합 방법을 수행하여 척추를 정합하는 것이 또한 유리하다. 바람직하게는, 골수 생검의 대상이 되는 척추는, 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서, 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 정합된다. 골수 생검으로 백혈병, 다발성 골수종, 림프종, 빈혈, 및 범혈구감소증을 포함한 여러 상태에 대한 진단을 수립하는 것이 가능하다.
여기에 설명된 자동 정합 방법을 수행하여 정합된 척추에 잠쉬디 바늘(Jamshidi needle)이 또한 삽입될 수 있다. 잠쉬디 바늘은 골수 생검이 수행될 수 있는 테이퍼드 절단 팁을 가진 캐뉼레이팅된 바늘(cannulated needle)이다. 잠쉬디 바늘 자체는 기구 정위 요소를 포함한다는 점에서 위치 검출 시스템에 접속될 수 있다. 위치 검출 시스템을 사용하면 환자의 신체 상에 배열된 마커 캐리어 중 적어도 하나의 위치에 상대적인 그리고/또는 기준 정위 요소의 위치에 상대적인, 정위 요소가 장착된 잠쉬디 바늘의 위치를 추적하는 것이 가능하다. 외과의가 환자의 신체에서 잠쉬디 바늘의 위치를, 그리고 특히 모니터 상에서 가상으로 척추골체의 단층 촬영으로 획득된 단면 이미지에서 척추골체로 잠쉬디 바늘의 침투를 따라갈 수 있도록, 잠쉬디 바늘의 위치는 환자의 수술 전 획득된 모델에 표시될 수 있다.
본 발명에 따른 정합 방법을 수행하여 정합된 환자에 대해 수행된 외과적 절차에 사용될 수 있는 또 다른 의료 기구는 미세 바늘 흡인 생검(fine-needle aspiration biopsy; FNAB)에 사용하도록 구성된 중공 바늘(hollow needle)이다. 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 환자를 정합하기 위해 환자 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 환자를 정합하기 위해서만 환자 상에 배열되고 이후에 제거되면서 환자가 자동으로 정합될 수 있고, 중공 바늘은 미세 바늘 흡인 생검(FNAB)을 수행하기 위해 환자의 신체에 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 중공 바늘은, 환자의 척추 또는 다른 신체 부분일 수 있는 타겟 위치로 중공 바늘을 안내할 때 환자에 상대적인 중공 니들의 위치를 추적하는 데 사용되는 정위 요소를 갖추고 있다.
적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서 척추를 정합하기 위한 자동 정합 방법에서, 위치 및 방향 정보를 제공하기 위한 적어도 하나의 기구 정위 요소를 포함하는 예를 들어, 카테터 또는 중공 바늘과 같은 캐뉼레이팅된 의료 기구가 환자의 신체에 삽입될 수 있다. 기구 정위 요소는 예를 들어, 의료 기구가 환자의 신체 내부의 타겟 위치로 내비게이팅된 후에 제거될 수 있도록 예를 들어, 캐뉼레이팅된 의료 기구의 루멘(lumen)에 이러한 방식으로 배열될 수 있다. 기구 정위 요소가 장착된 의료 기구의 위치는 환자에 상대적으로, 그리고 예를 들어, 마커 정위 요소에 상대적으로, 그리고/또는 기준 정위 요소에 상대적으로 위치 검출 시스템을 사용해 추적될 수 있다. 기구 정위 요소가 의료 기구의 루멘으로부터 제거된 후, 루멘은 예를 들어, 흡입 또는 관주(irrigation) 목적을 위해, 예를 들어, 환자에게 약물을 전달하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 척추를 정합하기 위한 자동 정합 방법에서 또한, 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열될 수 있거나, 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 척추를 정합하기 위해서만 척추 상에 배열되고 이후에 제거될 수 있으며, 캐뉼레이팅된 의료 기구는 추가 의료 기구를 위한 작업 채널을 제공하기 위해 환자의 신체에 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 추가 의료 기구는 위치 및 방향 정보를 제공하기 위한 적어도 하나의 기구 정위 요소를 포함한다. 캐뉼레이팅된 의료 기구의 작업 채널을 통해 안내되는 추가 의료 기구의 위치는 내비게이션 시스템의 모니터 상의 수술 전 획득된 모델에 표시될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 자동 정합 방법에 사용될 수 있는 마커 캐리어는 다양한 형상, 예를 들어, 케이지, 플레이트, 스틱, 실린더, 큐브 등의 형상으로 구현될 수 있으며, 다양한 재료 또는 재료 조합, 바람직하게는 실리콘과 같은 합성 재료로 제조될 수 있다. 특히, 본 명세서에서 설명된 자동 정합 방법에 사용될 수 있는 마커 캐리어는 국제 특허출원공개공보 제WO 2014/184382 A1호의 도 4 내지 9와 관련하여 도시되고 설명된 기준체(reference bodies)의 형상으로 실현될 수 있다. 바람직하게는, 본 명세서에 설명된 자동 정합 방법에 사용될 수 있는 마커 캐리어는 생성된 형광 투시 이미지에서 개별 마커로서 식별될 수 있도록 복수의 형광 투시 검출 가능한 마커를 배열할 수 있는 크기를 갖는다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 자동 정합 방법에 사용되는 마커 캐리어는 자신 상에 고정된 형광 투시적으로 검출 가능한 마커보다 방사선 불투과성이 적은 재료로 제조된다. 본 발명에 따른 자동 정합 방법에 사용되는 마커 캐리어는 X선에 대해 실질적으로 투명한 재료로 제조될 수 있다.
본 명세서에 설명된 자동 정합 방법에 사용될 수 있는 마커 캐리어는 공통적으로, 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커와 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 가지고 있다. 적어도 하나의 마커 정위 요소는 교류 전자기장에서의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성된다. 특히, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 마커 캐리어의 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향이 알려져 있다.
내비게이션 시스템과 관련하여, 전술된 목적은 여기에 설명된 자동 정합 방법 중 하나에 따른 정합 방법을 수행하도록 구성된 내비게이션 시스템에 의해 달성된다. 내비게이션 시스템은 적어도 하나의 마커 캐리어, 위치 검출 시스템, X선 디바이스 및 정합 유닛을 포함한다.
적어도 하나의 마커 캐리어는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는다. 적어도 하나의 마커 정위 요소는 전자기장에서 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성된다. 마커 정위 요소 및 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향이 알려지도록 배열된다.
마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열되면, 실제 공간에서 대상체의 외부 표면 상의 위치에 대응하거나 이 위치에 관련될 수 있는 마커 정위 요소의 위치는 위치 검출 시스템을 사용해 결정될 수 있다. 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나가 마커 정위 요소에 대해 알려진 공간적 관계를 가지므로, 실제 공간에서 대상체의 외부 표면 상의 포인트의 위치는, 내비게이션 시스템의 정합 유닛을 통해 수립된 변환 함수를 통해 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트의 좌표로 변환될 수 있다.
위치 검출 시스템은 전자기장, 예를 들어, 교류 전자기장을 생성하기 위한 장 생성기를 가지고 있다. 위치 검출 시스템은 전자기장에서 적어도 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하도록 구성된다.
X선 디바이스는, 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 생성된 형광 투시 이미지에서 보이도록 적어도 마커 캐리어의 형광 투시 이미지가 생성될 수 있는 형광 투시 이미지 데이터를 기록하기 위한 X선 소스 및 X선 검출기를 갖는다. 예를 들어, X선 디바이스는 C-arm일 수 있다.
정합 유닛은 생성된 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된다. 특히, 정합 유닛은 위치 검출 시스템에 접속되어 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향에 액세스하고 이를 사용한다. 정합 유닛은 또한, 예를 들어, 정합 유닛 자체에 의해, 또는 형광 투시 이미지를 생성하기 위해 X선 디바이스로 기록된 형광 투시 이미지 데이터로부터 형광 투시 이미지 포인트를 재구성하도록 구성된 또 다른 적합한 처리 유닛에 의해 생성될 수 있는 형광 투시 이미지의 이미지 정보를 처리하도록 구성된다.
특히, 정합 유닛은, 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향, 및 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향, 및/또는 복수의 마커 중 추가 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계를 사용하도록 구성된다.
마커 정위 요소와 마커 중 적어도 하나 사이의 알려진 공간적 관계는 예를 들어, 마커 정위 요소의 좌표로부터 마커의 좌표를 가리키는 벡터로 표현될 수 있다. 예를 들어, 벡터는 마커 정위 요소의 좌표계에서 정의할 수 있다. 위치 검출 시스템을 사용하면 예를 들어, 장 생성기와 연관될 수 있는 위치 검출 시스템의 좌표계에 상대적으로 마커 정위 요소 좌표계의 위치와 방향이 결정될 수 있다. 알려진 공간적 관계를 나타내는 벡터는 예를 들어, 상이한 좌표계들로 변환될 수 있고, 본 발명에 따른 자동 정합 방법의 범위 내에서 변환 함수를 수립하는데 사용될 수 있다.
정합 유닛은, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시킴으로써 수술 전 획득된 모델에서와 대상체에서 수립된 기준 좌표계 사이의 좌표를 변환하기 위한 변환 함수를 수립하도록 구성된다. 정합 유닛은 내비게이션 시스템의 데이터 처리 유닛의 일부이거나 또는 예를 들어, 데이터 처리 유닛에 그리고/또는 내비게이션 시스템의 모니터에 접속된 별도의 컴포넌트일 수 있다. 생성된 형광 투시 이미지가 하나 이상의 세그먼트를 보여주는 경우, 하나 이상의 세그먼트의 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 이들 형광 투시 이미지 중 각각의 이미지 포인트가 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련될 수 있도록 정합 유닛이 구성되는 것이 특별히 선호된다. 정합 유닛은 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 각각의 마커 캐리어의 마커에 따라 대상체의 세그먼트를 식별 및/또는 정의하도록 구성될 수 있다.
기구 정위 요소를 포함하는 기구, 예를 들어, 의료 기구는 내비게이션 시스템에 접속될 수 있다. 이 접속은 대상체에 상대적인, 그리고 예를 들어, 기준 정위 요소에 상대적인, 또는 기준 정위 요소로서 사용되는 마커 정위 요소에 상대적인 기구의 위치를 추적하는 것을 허용하다. 추적된 기구의 위치는 사용자가 기구를 내비게이션하는 것을 돕기 위해 대상체의 수술 전 획득된 모델에서 사용자에게 표시될 수 있다.
다음에서, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 설명될 것이다. 도면들 중,
도 1은 대상체를 자동으로 정합하기 위한 정합 방법을 나타내는 흐름도를 도시한다;
도 2는 대상체를 자동으로 정합하기 위한 정합 방법을 수행하도록 구성된 내비게이션 시스템을 도시한다;
도 3은 환자를 정합하기 위한 가요성 마커 캐리어를 포함하는 내비게이션 시스템을 도시한다;
도 4는 환자의 척추의 자동 2D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템을 도시한다;
도 5는 환자의 척추의 자동 2D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템을 도시한다;
도 6은 환자의 노출된 척추의 자동 3D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템을 도시한다;
도 7은 환자의 척추의 최소 침습 자동 3D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템을 도시한다.
도 1은 대상체를 자동으로 정합하는 방법을 나타내는 흐름도를 도시한다.
방법의 단계 S1에서, 대상체의 수술 전 획득된 모델이 제공된다. 모델은 단층 촬영을 통해 기록된 2D, 3D 또는 4D 이미지 데이터로부터 생성된 2D, 3D 또는 4D 모델일 수 있다. 예를 들어, 수술 전 획득된 모델은 3D 모델에 정합된 2D 형광 투시 이미지로부터 생성될 수 있다. 모델은 대상체의 외부 표면 또는 대상체의 적어도 일부를 나타내도록 대상체의 지형 이미지로서 생성될 수 있다.
사용자가 대상체에 상대적으로 기구를 내비게이팅하는 데 도움을 주기 위해, 내비게이션 시스템의 모니터 상에 모델이 표시될 수 있다. 기구에 기구 정위 요소가 장착되어 있는 경우, 대상체의 모델에서 기구의 위치를 표시하기 위해 내비게이션 시스템의 위치 검출 시스템을 사용해 기구의 위치가 추적될 수 있다.
예를 들어, 아이콘의 관점에서 또는 기구의 디지털 표현의 관점에서 시각화된 모델에서 기구의 위치를 표시할 수 있기 위해서는, 초기에, 모델이 대상체에 정합될 필요가 있다.
자동 정합 방법에서, 정합은 단계 S2에서 초기에 제공되는 하나 이상의 마커 캐리어를 사용하여 수행된다. 마커 캐리어 중 적어도 하나는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는다. 특히, 정합 방법에 사용되는 하나 이상의 마커 캐리어는 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명된 마커 캐리어와 동일한 방식으로 구성될 수 있다.
마커 정위 요소는 하나 이상의 센서 코일, 예를 들어, 서로 직교하게 배열되고 전자기장을 포착하도록 구성된 2개의 센서 코일을 포함할 수 있다. 마커 정위 요소에 의해 포착될 전자기장, 예를 들어, 교류 전자기장은 내비게이션 시스템의 장 생성기에 의해 생성되는 전자기장일 수 있다. 마커 정위 요소에 의해 포착된 전자기장은 전자기장에서의 마커 정위 요소의 위치와 방향에 따라 센서 코일에 전압을 유도하다. 센서 코일에 유도된 전압을 나타내는 탭핑된 센서 신호로부터, 예를 들어, 센서 신호를 수신하기 위한 케이블을 통해 마커 정위 요소에 접속된 위치 검출 시스템에 의해 마커 정위 요소의 위치 및 방향이 도출될 수 있다. 특히, 2개의 직교하게 배열된 센서 코일을 포함하는 마커 정위 요소를 사용해, 6개의 자유도에서 위치 및 방향을 결정하는 것이 가능하다.
마커 캐리어의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 예를 들어, 금판일 수 있다. 마커 캐리어의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는 생성된 형광 투시 이미지에서 기준점 역할을 할 수 있다.
형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 적어도 하나의 마커 캐리어에 대해, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향이 알려져 있다.
특히, 알려진 공간적 관계는 고정된 기하 데이터의 형태로 선험적으로 사용 가능하며, 예를 들어, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 고정된 공간적 관계를 나타내는 상수 벡터 또는 행렬을 통해 자동 정합 방법에 대한 입력으로서 제공될 수 있다.
예를 들어, 기하 데이터는 초기에 마커 정위 요소의 좌표계에서의 마커 정위 요소와 마커 간의 공간적 관계를 나타내는 벡터 형태로 제공될 수 있다. 정합 방법의 범위 내에서 벡터는 예를 들어, 대상체를 정합하기 위한 기준 좌표계로 변환될 수 있다.
자동 정합 방법을 수행하기 위해, 단계 S3에서 적어도 하나의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열된다. 정합 방법의 다양한 변형에서 2개 이상의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열된다. 정합 방법의 다른 변형에서는 하나 이상의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 연속 단계들에서 배열된다.
단계 S4에서, 대상체의 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 생성된다. 특히, 형광 투시 이미지는, 배열된 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께, 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 방식으로 생성된다.
바람직하게는, 대상체의 세그먼트의 영역은 세그먼트에 포함된 요소의 상대적 이동이 정합 정확도와 관련하여 무시해도 되도록 정의된다. 예를 들어, 대상체 자체는 각 세그먼트의 영역 내에서 2개의 개별 포인트 사이의 잠재적인 상대적 이동이 무시해도 되도록 보장하는 데 필요한 만큼 많은 세그먼트로 분할될 수 있다. 정합 방법의 범위 내에서 서로에 대한 세그먼트의 상대적 이동이 결정될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 세그먼트 상에 마커 캐리어가 배열되고 각각의 세그먼트와 연관된다. 대상체의 형광 투시 이미지를 생성하기 위해, 복수의 마커 캐리어가 대상체의 각 세그먼트 상에 배열될 수 있다. 자동 정합 방법의 변형에서, 마커 캐리어는 세그먼트 단위로 변위되고 마커 캐리어를 배열하는 각 단계에서 마커 캐리어가 배열된 각 세그먼트와 함께 마커 캐리어의 형광 투시 이미지가 생성된다. 형광 투시 이미지는 이전에 기록된 형광 투시 이미지 데이터로부터 생성된다.
복수의 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열되는 경우, 바람직하게는 적어도 하나의 투시 형광 이미지는, 배열된 마커 캐리어 각각의 적어도 2개의 마커가 각각의 세그먼트와 함께 보이는 방식으로 생성된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 생성된 형광 투시 이미지에서 여러 세그먼트 및 각 세그먼트에 대해 이 세그먼트 상에 배열된 각각의 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 보인다. 복수의 마커가 서로 알려진 공간적 관계를 갖는 경우, 각각의 세그먼트와 함께 보이는 적어도 2개의 마커 각각은 예를 들어, 대상체의 지형을 재구성하기 위해 형광 투시 이미지의 좌표계에서 보이지 않는 마커의 좌표를 계산하는 데 사용될 수 있다. 대상체 상에 동시에 배열된 마커 캐리어가 예를 들어, 숫자 1, 2, 3 등으로 레이블링되면 유리하다. 마커 캐리어의 레이블링은 보이는 마커를 대응 세그먼트에 관련시키기 위해 유리하다. 생성된 형광 투시 이미지에서 여러 개의 세그먼트 및 각 세그먼트에 대해 적어도 2개의 마커가 보이기 때문에, 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치에 의해 세그먼트들 사이의 공간적 관계를 결정할 수 있다.
자동 정합 방법에서 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 연속적인 단계들에서 배열되면, 연속적인 각 단계에서 마커 캐리어와 적어도 마커 캐리어가 배열된 세그먼트의 형광 투시 이미지가 생성될 수 있다. 그 결과, 각각의 연속적인 단계에서 마커 캐리어 및 각각의 세그먼트의 개별 형광 투시 이미지가 생성된다. 연속적인 단계들에서 생성된 형광 투시 이미지는 각각의 이웃하는 형광 투시 이미지와 중첩되도록 생성될 수 있다.
각각의 개별 형광 투시 이미지는 대상체의 각 세그먼트에 모델을 세그먼트별로 정합하는 데 사용될 수 있다. 형광 투시 이미지가 생성된 모든 세그먼트를 보여주는 더 큰 형광 투시 이미지로 형광 투시 이미지들이 스티칭되는 것도 가능하다. 스티칭된 형광 투시 이미지에서, 바람직하게는 마커 캐리어가 연속적인 단계들에서 배열된 각 세그먼트에 대해, 적어도 2개의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커가 각각의 세그먼트와 함께 보인다. 여러 세그먼트 및 각 세그먼트에 대해 적어도 2개의 연관된 마커를 보여주는 스티칭된 형광 투시 이미지는 대상체 상에 동시에 배열된 복수의 마커 캐리어의 생성된 형광 투시 이미지와 유사하다. 여러 개의 개별 형광 투시 이미지가 하나의 형광 투시 이미지에 스티칭되는 경우, 스티칭된 형광 투시 이미지를 사용하여 수술 전 획득된 모델을 대상체에 정합할 수 있다. 스티칭되거나 스티칭되지 않은 여러 개별 형광 투시 이미지로부터, 각 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 세그먼트들 사이의 공간적 관계를 결정할 수 있다.
대상체를 정합하기 위해, 가요성 마커 캐리어, 예를 들어, 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 벨트를 사용하는 것도 가능하다. 가요성 마커 캐리어는 대상체의 외부 표면 상에 배열될 수 있고 외부 표면의 지형에 그 형상을 채택할 수 있다. 바람직하게는, 형광 투시적으로 검출 가능한 마커는, 적어도 3개의 마커의 각각의 그룹이 생성된 형광 투시 이미지에서 마커의 다른 그룹에 의해 형성된 패턴과는 구별될 수 있는 패턴을 각각 형성하는 방식으로 가요성 마커 캐리어 상에서 벨트에 고정된다. 적어도 3개의 마커의 각 그룹이 적어도 3개의 마커의 또 다른 그룹과 구별될 수 있기 때문에, 대상체의 세그먼트는 마커의 각 그룹에 세그먼트를 관련시킴으로써 생성된 형광 투시 이미지에서 식별 가능하다.
예를 들어, 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 3개의 마커의 그룹에 의해 형성된 삼각형의 변형으로부터, 대상체의 외부 표면에 대한, 그리고 특히 대상체의 연관된 세그먼트에 대한 삼각형의 방향을 결정할 수 있기 때문에, 적어도 3개의 마커의 그룹을 사용하는 것은 이롭다. 적어도 3개의 마커의 이러한 그룹 중 여러 개는 마커 캐리어 상에 고정되기 때문에, 여러 세그먼트에 대해 각각의 세그먼트의 표면에 대한 마커의 각 그룹의 방향이 결정될 수 있다. 이 정보는 대상체의 외부 표면의 지형을 재구성하는 데 사용할 수 있다.
적어도 하나의 형광 투시 이미지를 생성하기 전 또는 적어도 하나의 투시 이미지를 생성하는 것과 동시에 또는 적어도 하나의 투시 이미지를 생성한 후, 자동 정합 방법의 단계 S5에서 대상체의 외부 표면 상에 배열된 마커 캐리어의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향이 결정된다. 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 것은 예를 들어, 내비게이션 시스템의 위치 검출 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.
마커 정위 요소를 가진 마커 캐리어가 대상체의 외부 표면 상에 배열되기 때문에, 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향은 실제 공간에서 대상체의 외부 표면 상의 포인트의 위치에 관련될 수 있다. 대상체의 외부 표면 상의 포인트에 관련될 수 있는 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향은 대상체에서 기준 좌표계를 수립하는 데 사용될 수 있다.
기준 좌표계는 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향과 형광 투시적으로 검출 가능한 마커의 위치를 사용하여 대상체에서 수립될 수 있다. 이것은 적어도 하나의 마커 정위 요소와 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향이 알려져 있기 때문에 가능하다.
대상체를 정합하기 위해서는, 기준 좌표계는 또한, 2개의 기준 좌표계 간의 좌표를 변환하기 위한 변환 함수를 찾기 위해 수술 전 획득된 모델에서도 수립될 필요가 있다.
수술 전 획득된 모델에서 기준 좌표계를 수립하기 위해, 자동 정합 방법의 단계 S6에서, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트는 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련된다. 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 모델의 각각의 모델 포인트에 관련시키기 위해, 마커 정위 요소와 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나 사이의 알려진 공간적 관계가 사용될 수 있다. 마커 정위 요소와 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 하나 사이의 알려진 공간적 관계를 사용하는 것에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 또한 마커 정위 요소의 위치 및 방향, 그리고 또 다른 마커와 마커 정위 요소에 대해 알려진 공간적 관계를 갖는 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계가 사용될 수 있다. 또한, 위치 검출 시스템의 좌표계에서 각 좌표가 마커 정위 요소의 위치와 방향을 검출하여 결정될 수 있는 실제 공간에서 대상체의 외부 표면 상의 포인트의 위치는, 예를 들어, 대상체의 실제 표면 상의 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키기 위해 사용될 수 있다.
유리하게는, 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대한 자동 정합 방법에서, 이미지 포인트는 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련될 수 있다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 세그먼트별로 관련시키는 것은 대상체의 수술 전 획득된 모델의 대응하는 세그먼트의 모델 포인트에 대상체의 세그먼트의 이미지 포인트를 관련시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인공 또는 해부학적 지표가 식별될 수 있고 이 지표를 나타내는 이미지 포인트가 대응 모델 포인트에 관련될 수 있다. 세그먼트식 정합은 다른 세그먼트에 대해 수립된 변환 함수와 독립적으로 갱신될 수 있는 개별 변환 함수를 각 세그먼트에 대해 수립하는 것을 포함한다. 세그먼트식 정합을 통해 다른 세그먼트에 상대적인 그리고/또는 기준 정위 요소에 상대적인 특정 세그먼트의 상대적 이동을 검출하고 이 특정 세그먼트를 다시 정합하여 높은 정합 정확도를 유지하기 위해 이 세그먼트와 연관된 변환 함수를 갱신할 수 있다.
대상체의 개별 세그먼트 각각에 대해 개별 변환 함수가 수립될 수 있으므로, 정합 정확도를 개선하기 위해 수정할 수 있는 정합 오류를 검출할 수 있다. 정합 오류는 예를 들어, 전자기장의 변동으로 인해 초기 정합에서 이미 발생할 수 있거나, 예를 들어, 대상체의 요소들 중 하나 이상의 상대적 이동으로 인해 초기 정합 후에 발생할 수 있다. 여러 수립된 변환 함수가 분석될 수 있고 각각의 좌표 변환이 또한 내비게팅 절차 동안에 수술 중 비교될 수 있기 때문에 정합 오류를 검출하는 것이 가능하다.
세그먼트식 정합으로 인해 다른 세그먼트에 상대적인 또는 기준 정위 요소에 상대적인 대상체의 요소 중 적어도 하나의 상대적 이동을 검출하는 것도 가능하다. 대상체의 요소 중 하나의 상대적 이동이 검출되면, 예를 들어, 다른 세그먼트에 상대적으로 이동한 세그먼트와 연관된 하나 이상의 변환 함수는 각 세그먼트의 정합을 반복하여 갱신될 수 있다. 특히, 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 수술 전 획득된 모델의 적어도 하나의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 대상체의 요소의 상대적 이동이 검출될 수 있다. 결정된 편차는 예를 들어, 이 요소의 상대적 이동의 방향 및 상대적 거리를 정의하는 편차 벡터의 관점에서 요소의 상대적 이동에 대한 측정값(measure)을 나타낼 수 있다.
대상체가 세그먼트식으로 정합될 수 있다는 것이 자동 정합 방법의 장점이다. 자동 정합 방법은 서로에 상대적으로 이동할 수 있는 복수의 요소를 포함하는, 대상체의 개별 세그먼트를 정합하는 데 특히 적합하다. 예를 들어, 대상체는 환자의 척추가 될 수 있고 세그먼트는 척추골이 될 수 있다. 척추를 정합하기 위해, 예를 들어, 개별적으로 정합될 수 있는 하나 이상의 척추골을 포함하는 세그먼트를 정의하기 위해 여러 마커 캐리어가 척추를 따라 배열될 수 있다. 복수의 세그먼트 사이의 상대적 이동은 세그먼트식으로 추적될 수 있고, 변환 함수는 세그먼트들 간의 검출된 상대적 이동에 따라 갱신될 수 있다.
도 2는 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명된 정합 방법을 수행하기 위해 대상체를 자동으로 정합하기 위한 정합 방법을 수행하도록 구성된 내비게이션 시스템(200)을 도시한다.
내비게이션 시스템(200)은 2개의 마커 캐리어(202, 204), X선 소스(206) 및 X선 검출기(208)를 포함하는 X선 디바이스, 전자기장을 생성하기 위한 장 생성기(212)를 포함하는 위치 검출 시스템(210), 정합 유닛(214) 및 모니터(216)를 포함한다.
예로서, 마커 캐리어(202, 204)는 대상체(218)의 외부 표면(217) 상에 배열된다. 각각의 마커 캐리어(202, 204)는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(220) 및 자신 상에 고정된 마커 정위 요소(222)를 갖는다. 내비게이션 시스템(200)의 마커 캐리어(202, 204)는 도 1을 참조하여 설명된 마커 캐리어와 동일한 방식으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 마커 캐리어는 강성(rigid) 또는 가요성 마커 캐리어일 수 있거나, 도 3 내지 7을 참조하여 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 내비게이션 시스템(200)은 마커 캐리어(202, 204) 중 하나만을 포함하는 것이 가능하다. 대상체(218)를 정합하기 위해, 마커 캐리어는 세그먼트 단위로 변위될 수 있다. 내비게이션 시스템(200)이 2개보다 많은 마커 캐리어(202, 204)를 포함하는 것도 가능하며, 대상체(218)를 정합하기 위해 여러 마커 캐리어는 대상체(218)의 외부 표면(217) 상에 예를 들어, 클러스터로서 또는 라인을 따라 동시에 배열된다. 내비게이션 시스템은 전자기장을 포착하도록 구성되고 대상체(218)에 상대적으로 고정되어 배열되는 기준 정위 요소(도시되지 않음)를 선택적으로 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 기준 정위 요소는 대상체(218) 자체에 고정될 수 있거나 대상체(218)로부터 거리를 두고 고정적으로 배열될 수 있다. 마커 캐리어(202, 204)의 위치 및 방향은 위치 검출 시스템(210)을 사용해, 예를 들어, 기준 정위 요소의 위치에 상대적으로 결정될 수 있다.
마커 정위 요소(222)는 위치 검출 시스템(210)의 장 생성기(212)에 의해 생성된 전자기장을 포착하고 전자기장에서 마커 정위 요소(222)의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성된다. 마커 정위 요소(222)가 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 경우, 제공된 센서 신호는 코일에서 유도되고 전자기장에서 마커 정위 요소(222)의 위치 및 방향에 의존하는 전압을 나타낸다.
마커 캐리어(202, 204) 중 하나가 대상체(218)의 외부 표면(217) 상에 배열되면, 마커 정위 요소(222)의 위치 및 방향이 결정되고 실제 공간(219)에서 대상체(218)의 외부 표면(217) 상의 포인트의 위치에 관련될 수 있다. 마커 정위 요소(222)와 대상체의 외부 표면(217) 상의 포인트의 위치 사이의 알려진 공간적 관계에 기초하여, 포인트의 위치는 위치 검출 시스템의 좌표계(211)의 좌표로 표현될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
마커 캐리어(202)는, - 마커 캐리어가 외부 표면(217) 상에 배열되는 경우 - 마커 정위 요소(222)가 외부 표면(217) 바로 위에 배열되도록 설계될 수 있어, 위치 검출 시스템(210)을 사용해 결정된 마커 정위 요소(222)의 위치는 대상체(218)의 외부 표면(217) 상의 포인트의 위치에 직접적으로 대응한다. 또한, 마커 캐리어(202)는, - 마커 캐리어(202)가 외부 표면(217) 상에 배열되는 경우 - 마커 정위 요소(222)가 외부 표면(217) 위에서 거리를 두고 위치하여, 외부 표면(217) 상의 각 포인트의 위치 검출 시스템의 좌표계(211)의 좌표가 표면 포인트와 마커 정위 요소(222)의 위치 사이의 상대적 거리를 나타내는 오프셋을 고려하여 계산될 수 있다.
형광 투시적으로 검출 가능한 마커(220) 중 적어도 하나는 마커 정위 요소(222)에 대해 선험적으로 알려진 공간적 관계(화살표(221)로 표시됨)를 갖기 때문에, 마커의 위치는 위치 검출 시스템의 좌표계(211)의 좌표와 대상체 공간(219)의 좌표로 표현될 수 있다. 마커 정위 요소(222)의 위치 및 방향에 의해, 그리고 선택적으로, 마커 정위 요소(222)에 대한 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 적어도 하나의 마커(220)를 사용함으로써, 기준 좌표계(224)가 대상체(218)에서 수립될 수 있다.
X선 디바이스, 예를 들어, C-arm으로, 마커 캐리어(202, 204) 중 적어도 하나 및 대상체(218)의 적어도 하나의 세그먼트(226, 228)를 나타내는 형광 투시 이미지 데이터가 기록될 수 있다. 기록된 형광 투시 이미지 데이터로부터, 형광 투시 이미지는, 형광 투시 이미지 데이터로부터의 이미지 포인트를 재구성함으로써 생성될 수 있다. 바람직하게는, 형광 투시 이미지에서 각각의 마커 캐리어(202, 204)의 적어도 2개의 마커(220)가 대상체(218)의 적어도 하나의 세그먼트(226, 228)와 함께 보이도록 형광 투시 이미지가 생성된다. 이것은 수술 전 획득된 모델에서 기준 좌표계를 수립하고 모델의 모델 포인트의 좌표를 실제 공간에서 대상체(218)의 표면(217) 상의 포인트의 좌표로 변환하기 위한 변환 함수를 찾는 것을 허용한다.
대상체의 정합, 즉, 대상체(218)에서의 기준 좌표계(230)와 모델에서의 기준 좌표계(232) 사이의 좌표를 변환하기 위한 변환 함수(229)를 수립하는 것은 정합 유닛(214)에 의해 수행된다. 정합 유닛(214)은 생성된 형광 투시 이미지에 액세스하고 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 대상체(218)의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된다. 수술 전 획득된 모델을 나타내는 모델 데이터는 정합 유닛에서 각 저장 매체 상에 저장될 수 있다. 정합 유닛(214)은 또한 마커 정위 요소(222)의 결정된 위치 및 방향에 액세스하기 위해 위치 검출 시스템(210)에 접속된다.
내비게이션 시스템(200)의 정합 유닛(214)은 내비게이션 시스템(200)의 데이터 처리 유닛(미도시)의 일부이다. 대안적인 실시예에서 정합 유닛은 위치 검출 시스템의 일부이다. 또 다른 대안적인 실시예에서 위치 검출 시스템 및 정합 유닛은 내비게이션 시스템의 동일한 데이터 처리 유닛의 컴포넌트이다.
정합 유닛(214)은 마커 정위 요소(222)의 결정된 위치 및 방향, 그리고 선택적으로 적어도 하나의 마커(220)와 마커 정위 요소(222) 사이의 공간적 관계를 사용하여 대상체에서 기준 좌표계(230)를 수립하도록 구성된다. 정합 유닛(214)은, 적어도 2개의 마커(220)가 적어도 하나의 세그먼트와 함께 보이면서 생성된 형광 투시 이미지를 사용하여 모델에서 기준 좌표계(232)를 수립하도록 구성된다. 정합 유닛(214)이, 마커 정위 요소(222)의 결정된 위치 및 방향, 및 마커 정위 요소(222)와 형광 투시적으로 검출 가능한 마커들(220) 중 적어도 하나 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향, 및/또는 마커 정위 요소(222)에 대해 알려진 공간적 관계를 갖는 마커와 또 다른 마커 사이의 공간적 관계를 사용하여 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 모델의 각각의 모델 포인트에 관련시키도록 구성되기 때문에, 모델에서 기준 좌표계를 수립하는 것이 정합 유닛(214)에 의해 달성될 수 있다.
마커 정위 요소(222)와 마커(220) 사이의 알려진 공간적 관계는 정합 전에 기하 데이터로서 정합 유닛(214)에 대한 입력으로서 제공된다. 기하 데이터는 예를 들어, 사용자에 의해 입력으로서 제공될 수 있거나, 정합 유닛(214)이 저장 매체로부터 기하 데이터를 판독할 수 있도록 저장 매체 상에 저장될 수 있다. 기하 데이터는 예를 들어, 마커 정위 요소(222)와 마커들(220) 중 하나 사이의 고정된 공간적 관계를 나타내는 상수 벡터 또는 행렬의 형태로 제공될 수 있다. 마커 정위 요소(222)와 둘 이상의 마커(220) 사이의 공간적 관계가 알려진 경우, 기하 데이터 세트는 정합 유닛(214)에 대한 입력으로 제공될 수 있으며, 기하 데이터 세트는 정합 유닛(214)에 대한 입력으로서 제공될 수 있고, 기하 데이터 세트는 알려진 공간적 관계들 각각의 기하 데이터를 포함한다.
특히, 정합 유닛(214)은 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련시키도록 구성된다.
정합 유닛(214)은 내비게이션 시스템의 모니터(216)에 접속된다. 예를 들어, 기구 정위 요소가 장착된 기구(미도시)가 내비게이션 시스템(200)과 함께 사용되는 경우, 기구의 위치 및 방향은 수술 전 획득된 모델의 각 단면 이미지에서 모니터(216) 상에 표시될 수 있다. 내비게이션 시스템(200)은 사용자가 대상체(218)에 상대적으로 기구를 내비게이팅하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다.
도 3에는 환자(302)를 정합하기 위한 내비게이션 시스템(300)이 도시되어 있다. 내비게이션 시스템(300)은 위치 검출 시스템(304), 정합 유닛(305), C-arm(306), 기준 정위 요소(308), 및 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(312) 및 자신 상에 고정된 마커 정위 요소(314)를 갖는 마커 캐리어(310)를 포함한다.
마커 캐리어(310)는 환자(302)의 피부 상에 배치된다. 마커 캐리어(310)는 대상체(여기서는 환자(302))의 외부 표면 상에 배치될 때 마커 캐리어(310)가 외부 표면의 지형에 그 형상을 적응시킬 수 있도록 가요성 벨트로서 구성된다.
가요성 벨트(310) 상에 고정된 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(312)는 생성된 형광 투시 이미지에서 다른 마커 그룹에 의해 형성된 패턴과는 구별될 수 있는 패턴을 형성하는 적어도 3개의 마커의 그룹으로 배열된다. 이 예에서는 2개의 패턴이 도시된다. 제1 패턴(320)은 3개의 마커를 포함하고 제2 패턴(322)은 4개의 마커를 포함한다. 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(312)와 거리를 두고, 마커 정위 요소(314)가 가요성 벨트(310) 상에 고정된다. 가요성 벨트(310)에 대해, 모든 마커(312)와 마커 정위 요소(314) 사이의 상대적 거리 및 방향이 고정된다. 여기서, 각각의 마커(312)와 마커 정위 요소(314) 사이의 상대적 거리 및 방향은 마커 캐리어(310)의 표면을 따라 정의된다. 상대적 거리는 각각의 마커(312)와 마커 정위 요소(314) 사이의 가요성 마커 캐리어(310)의 외부 표면을 따른 최단 거리를 지칭한다.
C-arm(306)은 X선 소스(316) 및 X선 검출기(318)를 가지며 환자(302)의 형광 투시 이미지를 생성하도록 구성된다. 특히, 환자(302)의 형광 투시 이미지는, 각 세그먼트가 마커(312)에 의해 형성된 상이한 패턴(320, 322)에 할당된다는 점에서 대상체의 적어도 2개의 세그먼트가 생성된 형광 투시 이미지에서 식별 가능하도록 생성될 수 있다. 마커(312)는 마커 캐리어(310) 상의 고정된 위치에 배열되어 다른 패턴과 구별될 수 있는 패턴을 형성하므로, 환자(302)의 외부 표면의 지형을 결정할 수 있다. 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 패턴의 투영에서 마커들 사이의 상대적 거리 및 방향의 견지에서 패턴의 편차가 결정될 수 있도록 마커들 사이의 상대적 거리 및 방향이 알려져 있기 때문에, 환자(302)의 외부 표면의 지형을 결정하는 것이 달성될 수 있다. 이 편차로부터 형광 투시 이미지에서 보이는 투영면에 대한 패턴의 각도가 결정되고 환자의 피부의 지형을 재구성하는 데 사용될 수 있다.
위치 검출 시스템(304)은 기준 정위 요소(308)의 위치 및 방향을 결정하고 마커 정위 요소(314)의 위치 및 방향을 결정하도록 구성된다. 특히, 마커 정위 요소(314)의 위치 및 방향은 기준 정위 요소(308)의 위치 및 방향에 상대적으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 마커 정위 요소(314)는 2개의 직교하게 배열된 센서 코일을 포함하고 6 DOF 센서를 구현한다. 특히, 마커 캐리어(310)가 환자의 피부 상에 배열되는 경우, 마커 정위 요소(314)의 결정된 위치 및 방향은 환자(302)의 피부 상의 포인트의 위치에 직접 할당될 수 있다. 환자(302)의 피부 상의 포인트의 위치에 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 할당한 결과로서, 환자(302) 상의 각각의 포인트는 위치 검출 시스템의 좌표계(324)의 좌표로 표현될 수 있고, 그 반대의 경우, 마커 정위 요소의 위치 및 방향은 환자 공간 내의 좌표로 표현될 수 있다. 따라서 마커 정위 요소(314)는 환자(302)에서의 기준 좌표계를 수립하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 환자에서의 기준 좌표계는 위치 검출 시스템의 좌표계(324)를 변환하여, 그 위치와 방향이 마커 정위 요소(314)의 결정된 위치 및 방향과 일치하는, 환자의 피부 상의 포인트에 원점이 놓이도록 수립될 수 있다.
위치 검출 시스템(304)은 환자(302)를 정합하도록 구성된 정합 유닛(305)을 포함한다. 특히, 정합 유닛(305)은 C-arm(306)에 의해 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 환자(302)의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된다. 정합 유닛은 마커 정위 요소(314)의 결정된 위치 및 방향, 그리고 마커(312) 각각과 마커 정위 요소(314) 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향을 사용하도록 구성된다. 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향 그리고 마커(312)와 마커 정위 요소(314) 사이의 알려진 부분적 관계에 기초하여, 환자에서와 환자(302)의 수술 전 획득된 모델에서의 기준 좌표계를 수립하고 2개의 기준 좌표계 사이의 좌표를 변환하기 위한 변환 함수를 찾는 것이 가능하다.
도 4는 보간을 통해 환자의 척추(402)의 자동 2D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템(400)을 도시한다.
내비게이션 시스템(400)은 위치 검출 시스템(404), 기준 정위 요소(406), X선 소스(408) 및 X선 검출기(410)를 갖는 X선 디바이스, 및 2개의 마커 캐리어(412, 414)를 포함한다.
각각의 마커 캐리어(412, 414)는 대략 삼각형의 베이스 영역과 원형 천공(416)을 특징으로 하는 플레이트로서 설계된다. 각각의 마커 캐리어(412, 414)는 복수의 형광 투시적으로 검출가능한 마커(418) 및 마커 정위 요소(420)를 갖는다.
척추(402)를 정합하기 위해, 척추(402)의 2개의 반대편 측부 각각 상에, 2개의 마커 캐리어(412, 414) 중 각각의 하나가 배열된다. 예를 들어, 2개의 마커 캐리어(412, 414) 중 하나는 환자의 등(back)의 척추에 대해 거리를 두고 배열될 수 있고 다른 마커 캐리어는 환자의 반대편 측부, 예를 들어, 환자의 위장 상에 배열될 수 있다. 척추(402)가 노출되면 마커 캐리어(412, 414)도 척추 자체에 더 가깝게 배열될 수 있고 척추의 척추골에도 부착될 수 있다. 척추(402)는 2개의 마커 캐리어(412, 414) 사이에 배열되기 때문에, 척추(402)의 자동 2D 정합을 위해, 척추의 외부 표면 상의 포인트의 위치는 2개의 마커 캐리어들(412, 414)에 대한, 그리고 특히 마커 캐리어들(412, 414) 각각의 마커 정위 요소(420)의 결정된 위치 및 방향에 대한 보간에 의해 결정될 수 있다. 2개의 마커 캐리어(412, 414) 사이의 상대 거리 및 방향이 위치 검출 시스템(404)을 사용해 마커 캐리어(412, 414) 각각의 마커 정위 요소(420)의 위치 및 방향을 검출함으로써 결정될 수 있기 때문에, 보간에 의해 척추의 외부 표면 상의 포인트의 위치를 결정하는 것이 가능하다.
각각의 마커 캐리어(412, 414)의 마커 정위 요소(420)의 위치 및 방향은 위치 검출 시스템(404)을 사용해, 예를 들어, 전자기장에서 기준 정위 요소(406)의 위치 및 방향에 상대적으로 결정될 수 있다. 기준 정위 요소(406)는 환자 자체에 부착될 수 있으며, 예를 들어, 피부에 부착되거나, 척추가 노출된 경우 척추의 척추골에 바로 부착될 수 있다.
X선 디바이스를 사용해, 척추(404)의 반대편 측부 상에 배열된 2개의 마커 캐리어(412, 414)의 형광 투시 이미지가 생성될 수 있어, 형광 투시 이미지에서 2개의 마커 캐리어(412, 414) 각각의 적어도 2개의 마커(418) 및 바람직하게는 척추(402)의 2개 내지 4개의 척추골이 보인다.
위치 검출 시스템(404)은 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 척추(402)의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된 정합 유닛(422)을 포함한다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키는 것은, 마커 캐리어(412, 414) 각각의 마커 정위 요소(420)의 결정된 위치 및 방향, 및 2개의 마커 캐리어(412, 414) 각각의 마커 정위 요소(420)와 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(418) 사이의 알려진 공간적 관계를 사용하여 정합 유닛(422)에 의해 수행될 수 있다.
도 5에서, 외삽을 통해 환자의 척추(502)의 자동 2D 정합을 수행하기 위한 내비게이션 시스템(500)이 도시된다.
내비게이션 시스템(500)은 위치 검출 시스템(504), 마커 캐리어(506), 기준 정위 요소(508), 및 X선 소스(510) 및 X선 검출기(512)를 갖는 X선 디바이스를 포함한다.
마커 캐리어(506)는 기저면에 대해 서로 평행하게 배열된 2개의 플레이트를 포함한다. 2개의 플레이트는 3개의 핀(pins)을 통해 서로 단단히 접속되어 있다. 핀을 사용하여 2개의 플레이트가 서로에 대해 고정된 상대적 거리에 배열된다. 2개의 플레이트 각각 상에 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(514)가 고정되고 플레이트 중 하나 상에 마커 정위 요소(516)가 고정된다. 2개의 플레이트의 각각의 마커(514)와 마커 정위 요소(516) 사이의 상대적인 거리 및 방향은 알려져 있다.
척추(502)를 정합하기 위해, 마커 캐리어(506)는 척추(502) 상에 배열된다. 척추(502) 상에 마커 캐리어(506)를 배열하는 것은 마커 캐리어(506)가 노출된 척추(502) 바로 위에 배열되거나 환자의 외부 피부 상에 척추(502)에 거리를 두고 배열되는 것을 포함할 수 있다. 내비게이션 시스템(510)은 또한, 마커 캐리어(506)와 동일하고 예를 들어, 환자의 척추의 길이를 따라 환자 상에 동시에 배열될 수 있는 추가 마커 캐리어를 포함할 수 있다.
마커 캐리어(506)가 척추 상에 배열되면, 마커 정위 요소(516)의 위치 및 방향은 위치 검출 시스템(504)을 사용해 예를 들어, 기준 정위 요소(508)의 위치에 상대적으로 결정될 수 있다. 척추(502)가 노출되면 기준 정위 요소(508)는 척추의 척추골에 바로 단단히 부착될 수 있다. 그러나 기준 정위 요소(508)는 또한 환자의 외부 피부에 부착될 수 있거나 환자 옆에 거리에 두고 단단히 배열될 수 있다. 마커 정위 요소(516)의 결정된 위치 및 방향 및 기준 요소(508)의 위치 및 방향으로부터 위치 검출 시스템의 좌표계에서 척추(502) 상의 포인트의 위치가 외삽될 수 있다.
형광 투시 이미지에서 적어도 2개의 마커(514)가 척추(502)의 적어도 하나의 세그먼트, 예를 들어, 적어도 하나의 척추골과 함께 보이도록 X선 디바이스를 사용해 마커 캐리어(506)의 형광 투시 이미지가 생성될 수 있다.
위치 검출 시스템(504)은, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 척추(502)의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키기 위해, 생성된 형광 투시 이미지 및 마커 정위 요소(516)의 결정된 위치 및 방향에 액세스하도록 구성된 정합 유닛(518)을 포함한다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키기 위해, 정합 유닛(518)은 마커 정위 요소(516)의 결정된 위치 및 방향, 그리고 마커(514)와 마커 정위 요소(516) 사이의 알려진 공간적 관계를 사용한다.
도 6에서, 예를 들어, 노출된 척추(602)를 정합하기 위해 사용될 수 있는 내비게이션 시스템(600)이 도시되어 있다.
내비게이션 시스템(600)은 위치 검출 시스템(604), X선 소스(606) 및 X선 검출기(608)를 갖는 X선 디바이스, 기준 정위 요소(620) 및 마커 캐리어(612)를 포함한다.
마커 캐리어(612)는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(614) 및 자신 상에 고정된 마커 정위 요소(616)를 갖는다. 마커 캐리어(612)는 노출된 척추골을 둘러싸기 위해 척추(602) 상에 마커 캐리어(612)가 배열될 수 있도록 케이지 형상으로 구현된다. 따라서 척추의 자동 3D 정합이 가능하다. 마커 캐리어(612)는 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(614)가 서로에 대해 그리고 마커 정위 요소(616)에 대해 알려진 공간적 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
마커 정위 요소의 위치 및 방향은 위치 검출 시스템(604)을 사용해 결정될 수 있다. 특히, 마커 정위 요소(616)의 위치 및 방향은 척추의 척추골에 단단히 고정된 기준 정위 요소(610)의 위치 및 방향에 상대적으로 위치 검출 시스템(604)에 의해 결정될 수 있다.
내비게이션 시스템(600)은 마커 캐리어(612)와 동일한 방식으로 구성될 수 있는 추가 마커 캐리어를 포함하는 것이 가능하다. 내비게이션 시스템(600)이 케이지 형상의 마커 캐리어를 포함하는 경우, 여러 마커 캐리어는 노출된 척추골을 둘러싸는 노출된 척추(602)를 따라 배열될 수 있다.
X선 디바이스를 사용해, 마커 캐리어(612)의 형광 투시 이미지는 척추의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 생성될 수 있다. 세그먼트는 하나의 척추골, 예를 들어, 생성된 형광 투시 이미지에서 바람직하게는 이 척추골이 2개 내지 3개의 이웃 척추골과 함께 보이도록 마커 캐리어(612)가 배열되는 척추골을 포함할 수 있다.
내비게이션 시스템(600)의 위치 검출 시스템(604)은 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 척추의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된 정합 유닛(618)을 포함한다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키기 위해, 정합 유닛(618)은 마커 정위 요소(616)의 결정된 위치 및 방향, 그리고 마커(614) 중 적어도 하나와 마커 위치 인식 요소(616) 사이의 알려진 상대적 거리 및 방향을 사용하도록 구성된다.
도 7에서, 최소 침습 절차에서 척추(702)의 자동 3D 정합을 수행하기 위해 사용될 수 있는 내비게이션 시스템(700)이 도시되어 있다.
내비게이션 시스템(700)은 2개의 마커 캐리어(704, 706), 위치 검출 시스템(708), 기준 정위 요소(710), 및 X선 소스(712) 및 X선 검출기(714)를 갖는 X선 디바이스를 포함한다.
2개의 마커 캐리어(704, 706) 각각은 스틱(stick)의 형상으로 구현되고 스틱의 길이를 따라 배열된 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커(718)를 포함한다. 마커 캐리어(704, 706)는 각각 자신 상에 고정된 마커 정위 요소(720)를 가지며, 여기서 마커(718)와 마커 정위 요소(720) 사이의 상대적 거리 및 방향은 알려져 있다. 마커 캐리어(704, 706)의 각 마커 정위 요소(720)는 케이블(722)을 통해 위치 검출 시스템(708)에 접속되어, 위치 검출 시스템의 장 생성기(미도시됨)에 의해 생성된 전자기장에서 각각의 마커 정위 요소(720)의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 송신한다. 특히, 마커 정위 요소(720)의 위치 및 방향은 척추의 척추골에 단단히 고정된 기준 정위 요소(710)의 위치 및 방향에 상대적으로 위치 검출 시스템(708)에 의해 결정될 수 있다.
최소 침습 절차에서, 2개의 마커 캐리어(704, 706)는 환자의 신체에 삽입되고 환자의 척추(702)로 내비게이팅되어, 척추의 2개의 반대편 측부 각각 상에 마커 캐리어(704, 706) 중 개별 하나가 배열되도록 할 수 있다. 이에 의해 척추(702)의 자동 3D 정합을 수행하는 것이 가능하다.
2개의 마커 캐리어(704, 706)가 환자의 척추(702) 옆에 배열되면 X선 디바이스에 의해 형광 투시 이미지가 생성될 수 있다. 바람직하게는, 형광 투시 이미지에서 각각의 마커 캐리어(704, 706)의 적어도 2개의 마커(718)가 척추(702)의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 보이도록 형광 투시 이미지가 생성된다. 예를 들어, 생성된 형광 투시 이미지에서 3개 내지 4개의 척추골이 보이는 것이 바람직하다.
내비게이션 시스템의 위치 검출 시스템(708)은 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 환자의 척추(702)의 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된 정합 유닛(716)을 포함한다. 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키기 위해, 정합 유닛(716)은 마커 캐리어들(704, 706) 각각의 마커 정위 요소(720)의 결정된 위치 및 방향, 및 마커들(718) 중 적어도 하나와 각각의 마커 정위 요소(720) 사이의 알려진 공간적 관계를 사용하도록 구성된다.

Claims (29)

  1. 대상체를 자동으로 정합(register)하기 위한 방법에 있어서,
    - 상기 대상체의 수술 전 획득된 모델을 제공하는 단계;
    - 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소(marker localization element)를 갖는 적어도 하나의 마커 캐리어(marker carrier)를 제공하는 단계 - 상기 적어도 하나의 마커 정위 요소는 전자기장에서 상기 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성되고, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 상기 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향은 알려져 있음 -;
    - 상기 대상체의 외부 표면 상에 적어도 하나의 마커 캐리어를 배열하는 단계;
    - 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 상기 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께, 생성된 형광 이미지에서 보이는 방식으로, 상기 대상체의 적어도 하나의 세그먼트와 함께 상기 외부 표면 상에 배열된 적어도 하나의 마커 캐리어의 적어도 하나의 형광 이미지를 생성하는 단계;
    - 전자기장에서 상기 배열된 마커 캐리어의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계; 및
    - 적어도 하나의 마커 정위 요소의 상기 결정된 위치 및 방향, 및 적어도 하나의 마커 정위 요소와 상기 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상기 알려진 상대적 거리 및 방향, 및/또는 상기 복수의 마커 중 추가 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 상기 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계를 사용해, 상기 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키는 단계
    를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모델 포인트는 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 표면의 포인트이고, 상기 모델 표면은 상기 대상체의 상기 외부 표면에 대응하는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 가요성 마커 캐리어는 상기 대상체의 외부 표면 상에 배열되고,
    - 상기 복수의 마커는, 3개의 마커의 각각의 그룹이 상기 생성된 형광 투시 이미지에서 다른 마커 그룹에 의해 형성된 패턴과는 구별될 수 있는 패턴을 각각 형성하는 방식으로 상기 마커 캐리어 상에 고정되며,
    - 상기 대상체의 적어도 2개의 세그먼트는, 상기 세그먼트 각각이 상기 마커에 의해 형성된 상이한 패턴에 할당된다는 점에서 상기 적어도 하나의 생성된 형광 투시 이미지에서 식별가능한 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 적어도 2개의 마커 캐리어가 상기 대상체의 외부 표면 상에 동시에 배열되고,
    - 각 세그먼트에 대해 배열된 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 각각의 세그먼트와 함께, 상기 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 방식으로 상기 대상체의 적어도 2개의 세그먼트의 상기 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되며,
    - 상기 형광 투시 이미지가 생성된 상기 세그먼트들 사이의 공간적 관계는 상기 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 결정되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 연속적인 단계들에서 상기 마커 캐리어는 상기 대상체의 외부 표면 상에 배열되고,
    - 상기 대상체의 각 세그먼트와 함께 상기 형광 투시 이미지에서 상기 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 보이는 방식으로, 상기 연속적인 단계들 각각에서 적어도 하나의 세그먼트와 함께 상기 배열된 마커 캐리어의 형광 투시 이미지가 생성되며,
    - 상기 형광 투시 이미지가 생성된 상기 세그먼트들 사이의 공간적 관계는 상기 각 형광 투시 이미지에서 보이는 마커의 위치를 사용하여 결정되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 세그먼트의 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 이들 형광 투시 이미지 각각의 이미지 포인트는 상기 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 모델 포인트와 관련된 적어도 2개의 세그먼트의 이미지 포인트 및 상기 적어도 2개의 세그먼트들 사이의 알려진 공간적 관계로부터 정합 오류가 결정되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 이미지 포인트를 모델 포인트에 관련시키는 단계에 따라, 이미지 디스플레이 유닛 상에서 상기 모델 상의 관측 방향이 적어도 하나의 세그먼트의 상기 형광 투시 이미지를 생성하기 위해 사용된 형광 투시 이미지 데이터가 기록된 상기 기록 방향에 대응하도록 시각화된 모델이 정렬되는 방식으로, 상기 이미지 디스플레이 유닛 상에 상기 수술 전 획득된 모델을 시각화하는 단계를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 상기 수술 전 획득된 모델의 적어도 하나의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써 상기 대상체의 요소의 상대적 이동을 검출하는 단계를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    - 상기 결정된 편차를 사용하여 상기 대상체의 상기 수술 전 획득된 모델을 세그먼트별로 적응시키는 단계를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    - 전자기장에 상대적인 위치 및 방향을 결정하기 위한 기구 정위 요소를 갖는 기구를 제공하는 단계;
    - 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인, 전자기장에서의 상기 기구 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계;
    - 상기 기구의 적어도 일부와 함께 이미지 디스플레이 유닛 상에 상기 대상체의 상기 적응된 모델을 시각화하는 단계를 포함하며,
    - 상기 모델의 시각화에서 상기 기구의 위치 및 방향은 상기 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 적어도 하나의 모델 포인트의 상기 결정된 편차를 사용하여 적응되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적응된 모델의 시각화에서 상기 기구의 위치 및 방향을 적응시키는 단계는 상기 생성된 형광 투시 이미지에서 보이는 상기 대상체의 각 세그먼트에 대해 세그먼트별로 수행되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 대상체에 대한 고정된 공간적 관계로 적어도 하나의 기준 정위 요소를 배열하는 단계 - 상기 적어도 하나의 기준 정위 요소는 전자기장에서 상기 기준 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 기준 센서 신호를 제공하도록 구성됨 -; 및
    - 적어도 하나의 기준 마커 정위의 위치 및 방향에 상대적인, 전자기장에서의 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    - 시간의 첫 번째 순간과 시간의 나중 추가 순간에서 적어도 하나의 기준 정위 요소에 상대적인 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하는 단계; 및
    - 시간의 상기 더 이른 첫 번째 순간과 관련하여 시간의 상기 나중 순간에서의 적어도 하나의 기준 정위 요소의 위치 및 방향에 상대적인 상기 마커 정위 요소의 위치 및/또는 방향의 변화를 검출하는 단계를 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    - 상기 대상체는 환자의 척추이고 상기 척추의 상기 적어도 하나의 세그먼트는 하나 이상의 척추골을 포함하고,
    - 상기 수술 전 획득된 모델은 상기 척추의 적어도 일부의 모델이고,
    - 상기 적어도 하나의 마커 캐리어는 상기 척추 상에 배열되고,
    - 상기 마커 캐리어의 상기 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 중 적어도 2개가 적어도 하나의 척추골과 함께 보이는 방식으로, 자신 상에 배열된 상기 마커 캐리어를 갖는 상기 척추골을 포함하는 적어도 상기 세그먼트의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되며,
    - 하나 이상의 척추골의 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 이들 형광 투시 이미지 중 각각의 이미지 포인트는 상기 수술 전 획득된 척추 모델의 모델 포인트에 세그먼트별로 관련되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    보이는 척추골과 연관된 상기 형광 투시 이미지의 이미지 포인트는 상기 수술 전 획득된 척추 모델에서의 동일한 척추골의 각 모델 포인트에 관련되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    척추 수술 동안 상기 척추를 따라 다수의 마커 캐리어가 동시에 배열되고,
    - 적어도 자신 상에 배열된 상기 마커 캐리어를 갖는 상기 척추골의 적어도 하나의 형광 투시 이미지가 생성되며,
    - 각각의 생성된 형광 투시 이미지에 대해, 보이는 척추골과 연관된 상기 형광 투시 이미지의 이미지 포인트는 상기 수술 전 획득된 척추 모델에서의 동일한 척추골을 나타내는 각각의 모델 포인트에 관련되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 생성된 형광 투시 이미지의 대응하는 이미지 포인트로부터의 상기 수술 전 획득된 척추 모델의 적어도 하나의 모델 포인트의 편차를 결정함으로써, 상기 척추의 척추골 중 적어도 하나의 상대적 이동이 수술 중 검출되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 척추 유합술(spinal fusion)이 수행되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    척추 유합술은 2개 이상의 척추골이 척추경 나사못, 플레이트, 또는 케이지에 의해 접합되는 것을 포함하는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 다축 나사는 자신 상에 배열된 상기 적어도 하나의 마커 캐리어를 갖는 상기 각각의 척추골에 고정되는(screwed) 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 최소 침습 척추 수술이 수행되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 골수 생검이 상기 척추에 대해 수행되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    잠쉬디 바늘(Jamshidi needle)이 상기 척추에 삽입되는 것을 포함하는, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  25. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되면서 또는 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되면서, 환자의 신체에 중공 바늘(hollow needle)을 삽입하여 미세 바늘 흡인 생검(fine-needle aspiration biopsy; FNAB)이 수행되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되거나, 또는 상기 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되며, 캐뉼레이팅된 의료 기구(cannulated medical instrument)는 위치 및 방향 정보를 제공하기 위한 적어도 하나의 기구 정위 요소를 포함하며 환자의 신체에 삽입되는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해 척추골 상에 배열되거나, 또는 상기 적어도 하나의 마커 캐리어가 수술 중 상기 척추를 정합하기 위해서만 상기 척추 상에 배열되고 이후에 제거되며, 캐뉼레이팅된 의료 기구는 추가 의료 기구를 위한 작업 채널을 제공하기 위해 환자의 신체에 삽입되고, 상기 추가 의료 기구는 위치 및 방향 정보를 제공하기 위한 적어도 하나의 기구 정위 요소를 포함하는 것인, 대상체를 자동으로 정합하기 위한 방법.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 정합하기 위한 방법에 사용하기 위한 마커 캐리어에 있어서,
    - 상기 마커 캐리어는 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커와 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 가지며,
    - 상기 적어도 하나의 마커 정위 요소는 전자기장에서 상기 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성되고,
    - 적어도 하나의 마커 정위 요소와 상기 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향은 알려져 있는 것인, 마커 캐리어.
  29. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 정합하기 위한 방법을 수행하도록 구성된 내비게이션 시스템에 있어서,
    - 복수의 형광 투시적으로 검출 가능한 마커 및 자신 상에 고정된 적어도 하나의 마커 정위 요소를 갖는 적어도 하나의 마커 캐리어 - 상기 적어도 하나의 마커 정위 요소는 전자기장에서 상기 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 나타내는 센서 신호를 제공하도록 구성되고, 적어도 하나의 마커 정위 요소와 상기 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상대적 거리 및 방향은 알려져 있음 -;
    - 전자기장을 생성하기 위한 장 생성기(field generator)를 갖고 전자기장에서의 상기 적어도 하나의 마커 정위 요소의 위치 및 방향을 결정하도록 구성된 위치 검출 시스템;
    - 상기 마커 캐리어의 적어도 2개의 마커가 상기 생성된 형광 투시 이미지에서 보이도록 적어도 상기 마커 캐리어의 형광 투시 이미지가 생성될 수 있는 형광 투시 이미지 데이터를 기록하기 위한, X선 소스 및 X선 검출기를 갖는 X선 디바이스; 및
    - 적어도 하나의 마커 정위 요소의 결정된 위치 및 방향, 및 적어도 하나의 마커 정위 요소와 상기 복수의 마커 중 적어도 하나의 마커 사이의 상기 알려진 상대적 거리 및 방향, 및/또는 상기 복수의 마커 중 추가 마커와 적어도 하나의 마커 정위 요소에 대해 알려진 상대적 거리 및 방향을 갖는 상기 적어도 하나의 마커 사이의 알려진 공간적 관계를 사용해, 생성된 형광 투시 이미지의 이미지 포인트를 수술 전 획득된 모델의 모델 포인트에 관련시키도록 구성된 정합 유닛
    을 포함하는, 내비게이션 시스템.
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