KR20220129534A - 3d 스캔을 구현하는 컴퓨터 지원 수술 내비게이션 시스템 및 방법 - Google Patents

3d 스캔을 구현하는 컴퓨터 지원 수술 내비게이션 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20220129534A
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surgical tool
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handheld surgical
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handheld
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리카르도 시그노레티
루이-프랑소와 라프앙트
제니퍼 가스
오비나 느와나
레이몬드 벨론
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발데마르 링크 게엠베하 운트 코.카게
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Abstract

컴퓨터 지원 수술을 제공하기 위한 수술 내비게이션 시스템. 수술 내비게이션 시스템은 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구와, 그래픽 사용자 인터페이스 모듈과, 선택적으로 이미징 장치를 포함한다. 핸드헬드형 수술 도구는 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있는 핸들을 포함한다. 컴퓨팅 장치 및 적어도 하나의 디스플레이 장치는 핸드헬드형 수술 도구와 연관되고, 수술 절차를 위한 핸드헬드형 수술 도구의 타겟 궤적을 디스플레이하도록 구성된다.

Description

3D 스캔을 구현하는 컴퓨터 지원 수술 내비게이션 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 10월 28일자로 출원된 미국 가출원 제 62/926,657 호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 문헌은 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구(handheld surgical tool)를 갖는 수술 내비게이션 시스템(surgical navigation system)에 관한 것이다. 핸드헬드형 수술 도구는 하우징, 기구 샤프트(instrument shaft) 및 센서 유닛을 포함한다. 수술 내비게이션 시스템은 해부학적 표면의 3차원 모델/윤곽을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 이미징 유닛과, 3차원 표면/윤곽 및 핸드헬드형 수술 도구의 위치를 표시하도록 구성된 그래픽 사용자 인터페이스 모듈을 더 포함한다.
고관절 인공관절 치환술, 슬관절 인공관절 치환술, 견관절 인공관절 치환술(TSA) 및 척추 인공관절 치환술과 같은 정형외과적 이식 절차는 두 가지 주요 단계를 포함할 수 있다: 관심있는 뼈에 대해 가상 기준 프레임(예를 들어, 카메라에 의해 제공됨)을 실제 기준 프레임과 매칭시키는 정합 단계; 및 이식 장치를 환자 내로 이식하는 이식물 타겟팅/배치 단계. 환자의 해부학적 구조에 대하여, 수술 도구 및 이식물의 적절한 위치설정은 최상의 결과를 보장하기 위해 극히 중요하다. 예를 들어, 이러한 이식 절차에서, 수술 가이드, 절단 도구 및 이식물의 적절한 배향은 관절 치환 기능을 보장하는 데 필수적이다. 수술 가이드, 절단 도구 및/또는 이식물의 오정렬은 관절 탈구, 관절 운동 및 이동성 저하, 주변 조직에 대한 손상, 장기간의 통증 및 조기 이식 실패와 같은 해로운 결과를 초래할 수 있다. 특히 고관절 인공관절 치환술의 경우, 다양한 문제로 인해 정확한 이식물 위치설정이 어려울 수 있으며, 이는 재수술 사례에서의 해부학적 구조 변경, 관절와 뼈(glenoid bone) 손실 및 신뢰성없는 랜드마크(landmark)가 환자 집단에서 흔히 발생하기 때문이다. 이러한 경우에, 충분한 골주(bone stock)를 갖는 적절한 축을 따라 관절와 베이스플레이트를 지향시키는 것은 어려운 수술중 작업일 수 있다.
수술 가이드, 절단 도구 및 이식물을 적절하게 배치하는 능력은 외과의에게 종종 어려운 일이며, 약간의 배향 변경으로도 부적절한 이식물 정렬을 초래할 수 있다. 이러한 절차 동안에 외과의를 안내하고 배향시키기 위해 물리적 랜드마크가 해부학적 구조에 부착될 수 있다. 그러나, 그러한 방법은 불완전하고, 다양한 이유로 인해 오정렬을 초래할 수 있으며, 예컨대 뼈의 위치에 대해 마커의 위치를 정합시키는 데 에러가 있거나; 마커가 고정되지 않고 뼈에 대해 움직이거나; 또는 마커를 덮을 수 있는 수술로부터의 유체 또는 재료가 존재하기 때문에 카메라가 마커를 검출할 수 없다. 외과의가 마커를 부착하지 않고 정합을 위한 신체의 다른 물리적 특징부를 사용하는 경우에, 해당 물리적 특징부가 부정확하게 측정되거나, 외과의가 환자의 해부학적 구조를 적절하게 배향시키지 않으면 에러가 발생할 수 있다. 그리고, 컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI) 스캔의 3차원 재구성은 수술 계획을 개선할 수 있지만, 수술 동안에 동일한 계획을 재생성하는 것은 힘든 작업일 수 있다.
상기 문제 중 적어도 일부를 해결하려고 시도하기 위해, 수술 동안의 도구의 적절한 배치를 도울 수 있는 기술을 개발하려는 노력이 있어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제 8,057,482 B2 호는 개선된 위치 정확도를 위해 제공되는 특정 내비게이션 특징부를 갖는 핸드헬드형 수술 도구를 기술한다. 이 도구는 장치가 도구를 영점조정하는 기본 기준 위치에 도달할 때 눌려야 하는 버튼을 특징으로 한다. 이것이 완료되면, 도구는 외과의에 의해 자유롭게 조작될 수 있으며, 그 케이싱에 제공된 3개의 수치 디스플레이 상에 공간에서의 위치설정을 나타낼 것이다. 디스플레이는 공간에서의 도구의 3차원 각도 배향을 나타낸다. 이러한 장치는 일반적으로 접근이 제한되고 결과적으로 시각적 관찰이 제한된 영역에서의 도구의 위치설정을 결정하는 외과의의 능력을 향상시킨다. 그러나, 원하는 배향에 이미 도달했는지 또는 원하는 배향이 유지되고 있는지 여부를 확인하기 위해 외과의가 복수의 디스플레이를 제어하는 것은 다소 어려울 수 있다. 더욱이, 이 장치는 수술 도구의 위치를 원하는 배향과 비교하도록 구성되어 있지 않으며, 외과의가 수술 도구의 배치를 시각화할 수 있도록 해부학적 모델(들)을 생성하도록 구성되어 있지도 않다. 따라서, 미국 특허 제 8,057,482 B2 호에 따른 수술 도구는 의료 시술 동안에 수술 도구의 오정렬을 적절하게 방지하지 못한다.
환자 맞춤형 기구(patient-specific instrumentation; PSI)는 고관절, 슬관절 및 견관절 인공관절 전치환술, 골반 및 비구 시술, 척추 기형과 같은 정형외과 하위 전문분야에서 인기를 얻고 있으며, 성공의 정도는 다양하다. 그러나 PSI는 수술 전에 기구를 수용하기까지 2주 이상의 리드타임을 필요로 하는 단점을 가지며, 수술 동안에는 선택된 이식물 또는 그 배향을 수정하는 것이 가능하지 않다.
따라서, 신뢰성있고 재현 가능하며, 그 결과 이식물이 정확하게 위치설정 및 정렬되게 하는 정형외과 이식 절차에 대한 요구가 당업계에 남아있다.
본 발명의 주요 양태 중 일부가 하기에 요약되어 있다. 추가적인 양태는 본 개시의 발명의 상세한 설명, 실시예 및 청구범위 섹션에 설명되어 있다. 본 개시의 각 섹션에서의 설명은 다른 섹션과 함께 읽혀지도록 의도된다. 또한, 본 개시의 각 섹션에서 설명된 다양한 실시예는 다양한 방식으로 조합될 수 있으며, 이러한 모든 조합은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
따라서, 본 개시는 환자에게 사용하기 위한 수술 내비게이션 시스템을 제공하며, 수술 내비게이션 시스템은, (a) 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구로서, 핸드헬드형 수술 도구는 핸들 및 기구 샤프트를 포함하는, 상기 핸드헬드형 수술 도구와, (b) 적어도 하나의 컴퓨팅 장치 및 핸드헬드형 수술 도구의 위치를 표시하도록 구성된 시각적 디스플레이를 포함하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 모듈을 포함한다. 일부 실시예에서, 수술 내비게이션 시스템은 또한 이미징 장치를 포함한다.
핸들은 프로세서 및 적어도 하나의 센서 유닛을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서 유닛은 3축 가속도계, 3축 속도 자이로스코프, 3축 자력계, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 센서 유닛은 핸드헬드형 수술 도구의 배향 데이터를 생성하도록 구성된다.
프로세서 또는 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 배향 데이터에 기초하여 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서 또는 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향과 비교하도록 구성된다.
시각적 디스플레이는 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향으로부터 핸드헬드형 수술 도구의 배향의 임의의 편차를 표시하도록 구성될 수 있다.
이미징 장치는 3차원 이미지 또는 윤곽으로 변환될 수 있는 데이터를 생성하도록 구성될 수 있다. 이미징 장치는 비행시간 카메라, 한 쌍의 입체 카메라, 또는 3차원 스캐닝 도구를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 수술 내비게이션 시스템은 환자의 해부학적 구조의 일부에 부착 가능한 적어도 하나의 마커와, 특정 실시예에서 환자의 해부학적 구조의 상이한 부분에 각각 부착 가능한 두 개의 마커를 더 포함할 수 있다. 마커 인게이저가 핸드헬드형 수술 도구에 부착될 수 있고, 마커 인게이저는 설정된 배향으로 하나 이상의 마커와 결합하도록 구성된다. 프로세서는 하나 이상의 마커의 배향을 검출하도록 구성될 수 있으며, 일부 실시예에서 하나 이상의 마커에 대한 해부학적 특징부의 선형 거리 및 각도 배향을 측정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 컴퓨팅 장치는 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 표면의 3차원 모델 또는 윤곽을 생성하도록 구성된다. 3차원 모델 또는 윤곽은 이미징 장치로부터의 데이터에 기초하여 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, GUI 모듈은 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 원하는 위치로부터의 핸드헬드형 수술 도구의 위치의 편차, 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 및 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 3차원 모델 중 하나 이상에 대한 데이터를 수신하도록 구성된다. 특정 실시예에서, GUI 모듈은 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 3차원 모델, 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 중 하나 이상을 오버레이하도록 구성된다. 추가 실시예에서, GUI 모듈은 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 3차원 모델, 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 중 하나 이상을 디스플레이하도록 구성된다. 일부 실시예에서, GUI 모듈은 오버레이를 디스플레이하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에서, GUI 모듈은 핸드헬드형 수술 도구의 위치와 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 사이의 편차를 정성적으로 또는 정량적으로 표시하도록 구성된다. 편차는 하나 이상의 시각적, 청각적, 촉각적 표시에 의해 표시될 수 있다.
수술 내비게이션 시스템은 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법에 사용될 수 있다. 또한, 수술 내비게이션 시스템은 인공관절 치환술을 받는 환자에게의 보철물 이식의 정확도를 개선하는 데 사용될 수 있다. 인공관절 치환술은 고관절 인공관절 치환술, 슬관절 인공관절 치환술, 또는 견관절 인공관절 치환술일 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 양태는 본 발명의 수술 내비게이션 시스템을 사용하여 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법과 관련된다. 상기 방법은, (i) 인공관절 치환술의 관절을 노출시키는 것과, (ii) 관절의 해부학적 특징부 상에 하나 이상의 마커를 배치하는 것과, (iii) 핸드헬드형 수술 도구를 하나 이상의 마커와 결합하고, 결합 동안 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 기록하는 것과, (iv) 관절의 배향에 대한 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 정합시키는 것과, (v) 핸드헬드형 수술 도구의 배향 및 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향을 시각적 디스플레이 상에 디스플레이하는 것과, (vi) 핸드헬드형 수술 도구 및 시각적 디스플레이를 사용하여 보철물을 이식하는 것을 포함할 수 있으며, 핸드헬드형 수술 도구의 배향은 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향에 따라 조정된다.
대안적으로, 상기 방법은, (i) 인공관절 치환술의 관절을 노출시키는 것과, (ii) 이미징 장치를 사용하여 관절 또는 그 일부의 해부학적 구조의 이미지 데이터를 기록하는 것과, (iii) GUI 모듈을 사용하여 관절 또는 그 일부의 해부학적 구조의 3차원 이미지 또는 윤곽을 생성하는 것과, (iv) 핸드헬드형 수술 도구를 관절 상의 하나 이상의 해부학적 특징부와 결합하고, 결합 동안 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 기록하는 것과, (v) 관절의 배향에 대한 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 정합시키는 것과, (vi) 3차원 이미지 또는 윤곽, 핸드헬드형 수술 도구의 배향 및 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향 중 하나 이상을 시각적 디스플레이 상에 디스플레이하는 것과, (vii) 핸드헬드형 수술 도구 및 시각적 디스플레이를 사용하여 보철물을 이식하는 것을 포함할 수 있으며, 핸드헬드형 수술 도구의 배향은 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향에 따라 조정된다.
예로서 주어지고 본 발명을 개시된 세부사항에 제한하는 것으로 의도되지 않는 하기의 설명은 유사한 참조 부호가 유사하거나 비슷한 요소 및 부품을 나타내는 첨부 도면과 함께 이루어진다:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핸드헬드형 수술 도구의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술 내비게이션 시스템의 요소의 기능 블록을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시각적 디스플레이 상에 나타난 관절가동 범위 모델 입력의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 이미징 장치(500)가 핸드헬드형 수술 도구와 통합되거나 다른 방식으로 핸드헬드형 수술 도구에 부착되는 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시한다.
도 6의 A 및 도 6의 B는 환자가 고관절 인공관절 치환술 동안에 누울 수 있는 앙와위(도 6의 A) 및 측와위(도 6의 B)를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 크로스-전상장골극(Cross-ASIS) 바아를 도시한다.
도 8의 A 및 도 8의 B는 본 발명의 실시예에 따른 Cross-ASIS 바아의 사용을 도시한다. 도 8의 A는 동측 ASIS 및 대측 ASIS 상에의 Cross-ASIS 바아의 배치를 나타내고, 도 8의 B는 골반에서의 동측 ASIS 및 대측 ASIS의 위치를 나타낸다.
도 9의 A 및 도 9의 B는 본 발명의 실시예에 따른 Cross-ASIS 바아의 사용을 도시한다. 도 9의 A는 동측 ASIS 및 치골 결합부 상에의 Cross-ASIS 바아의 배치를 나타내고, 도 9의 B는 골반에서의 동측 ASIS 및 치골 결합부의 위치를 나타낸다.
도 10의 A 및 도 10의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 전두면을 정합시키기 위한 핸드헬드형 수술 장치의 사용을 도시한다.
도 11의 A 및 도 11의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 수평면을 정합시키기 위한 핸드헬드형 수술 장치의 사용을 도시한다.
도 12의 A 및 도 12의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 수술 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시한다. 특히, 도 12의 A는 골반 상에의 제 1 마커의 배치를 도시하고, 도 12의 B는 핸드헬드형 수술 도구와 마커의 결합을 도시한다.
도 13의 A 및 도 13의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 수술 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 추가로 도시한다. 특히, 도 13의 A는 대퇴골 상에의 제 2 마커의 배치를 도시하고, 도 13의 B는 중립 위치로의 다리의 재위치설정을 도시한다.
도 14의 A 및 도 14의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 수술 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 추가로 도시한다. 특히, 도 14의 A는 대퇴골 상에 배치된 제 2 마커와 핸드헬드형 수술 도구의 결합을 도시하고, 도 14의 B는 핸드헬드형 수술 도구를 사용하여 대퇴골의 원위 측면과 일직선을 이루는 대퇴골 축을 캡처하는 것을 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 선형 측정 장치(LMD)를 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른, 다른 작동 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시하며, 여기서 이미징 장치는 관련 환자 해부학적 구조를 이미지화한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타난 검출된 마커를 갖는 초기 다리 오프셋 스캔의 예를 도시한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른, 다른 작동 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시하며, 여기서 이미징 장치는 절제 후의 관련 해부학적 구조를 이미지화하고, 비구 상에 복수의 점이 위치되어 있다.
도 19의 A 내지 도 19의 C는 본 발명의 실시예에 따른, 다른 작동 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시한다. 도 19의 A는 기준점을 설정하기 위해 핸드헬드형 수술 도구를 제 1 마커와 결합하는 것을 나타내고, 도 19의 B는 핸드헬드형 수술 도구에 부착된 컵 임팩터의 사용을 나타내며, 도 19의 C는 시각적 디스플레이가 컵 임팩터를 적절하게 배향시키기 위한 안내를 제공하는 방법을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타난 회전 중심 검출을 위한 비구의 반달면 상의 점의 브러시 선택의 예를 도시한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타난 검출된 회전 중심 및 비구 직경의 예를 도시한다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타난 리밍 및 컵 배향 내비게이션을 위한 타겟팅 인터페이스의 예를 도시한다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타난 관절가동 범위 모델 출력 그래프로부터의 컵 배향 각도의 선택을 도시한다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른, 다른 작동 단계 동안의 수술 내비게이션 시스템의 구성요소를 도시하며, 여기서 새로운 3차원 윤곽/표면이 추가 스캐닝으로부터 생성된다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른, 시각적 디스플레이 상에 나타나고, 검출된 마커, 검출된 시험 헤드 및 회전 중심, 이식된 컵의 림 상의 선택된 점 및 검출된 컵 배향을 디스플레이하는 시험 회전 중심 스캔을 도시한다.
도 26은 K-Wire가 핸드헬드형 수술 도구 및 부착된 K-Wire 가이드에 의해 안내되면서 관절와 내로 드릴링되는 실례를 도시한다.
도 27의 A 및 도 27의 B는 본 발명의 실시예에 따른, 수술 내비게이션 시스템에 의해 제공되는 K-Wire 궤적 안내 인터페이스의 예를 도시한다.
본 수술 내비게이션 시스템 및 대응하는 방법의 상세한 실시예가 본원에 개시되어 있다. 그러나, 개시된 실시예는 다양한 형태로 구현될 수 있는 수술 내비게이션 시스템 및 방법의 단지 예시인 것으로 이해되어야 한다. 또한, 시스템 및 방법의 다양한 실시예와 관련하여 주어진 예들 각각은 제한적인 것이 아니라, 예시적인 것으로 의도된다. 또한, 도면 및 사진은 반드시 일정한 축척으로 된 것은 아니며, 일부 특징은 특정 구성요소의 세부사항을 나타내도록 과장될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 임의의 측정치, 사양 등은 제한적인 것이 아니라, 예시적인 것으로 의도된다. 따라서, 본원에 개시된 특정의 구조적 및 기능적 세부사항은 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 단지 본 시스템 및 방법을 다양하게 이용하도록 당업자에게 교시하기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다.
수술 내비게이션 시스템
본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 핸드헬드형 수술 도구 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 모듈과, 선택적으로 이미징 장치를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 핸들(210) 및 기구 샤프트 또는 단부 도구(250)를 포함할 수 있다. GUI 모듈(400)은 컴퓨팅 장치(405) 및 적어도 하나의 시각적 디스플레이(410)와, 선택적으로 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 메모리 유닛(도 2 참조)을 포함할 수 있다.
기구 샤프트(250)는 핸들(210)의 근위 단부에 부착된다. 핸들(210)의 근위 단부는, 예를 들어 범용 또는 공통 연결부를 사용하여, 다수의 상이한 유형의 기구 샤프트를 수용하도록 구성된다. 기구 샤프트(250)는 원위 단부 팁(251) 및 근위 단부(252)를 포함한다.
일부 실시예에서, 기구 샤프트(250)는 그 자체가 도구일 수 있다. 다른 실시예에서, 기구 샤프트(250)는 리머(reamer), 절단 지그, 컵 임팩터(cup impactor), 마커 인게이저(marker engager), X-지그(본원에 설명됨) 등과 같은 도구를 상호 교환 가능한 방식으로 수용하기 위한 부착 지점으로서 구성될 수 있다.
특정 실시예에서, 기구 샤프트(250)는 수술 기구를 안내하기 위한 내부 중공 도관을 갖는 가이드일 수 있으며, 수술 기구를 정확한 방식으로 배치하기 위해, 수술 기구는 팁이 타겟 위치에 특정 배향으로 배치될 수 있으며, 이는 수술 기구가 타겟 위치와 상호작용하는 각도를 결정한다.
핸들은 하우징에 봉입된 다수의 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 핸들은 도 2에 도시된 바와 같이 프로세서(220) 및 적어도 하나의 센서 유닛(260)(관성 측정 유닛으로도 알려짐)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 센서 유닛은, 예를 들어 핸들에 부착될 수 있는 센서 하우징에 있는 별도의 구성요소일 수 있다.
센서 유닛(260)은 핸드헬드형 수술 도구의 배향 데이터를 제공할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 센서 유닛(260)은 3축 가속도계, 3축 속도 자이로스코프, 3축 자력계 또는 이들의 조합의 형태인 관성 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 유닛(260)은 3축 가속도계 및 3축 자이로스코프를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 센서 유닛(260)은 또한 온도 센서를 포함할 수 있다. 프로세서(220) 또는 컴퓨팅 장치(410)는 센서 유닛(들)으로부터의 배향 데이터에 기초하여 공간에서의 핸드헬드형 수술 도구(200)의 배향을 결정하도록 구성될 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 센서 유닛(260)은 위치 정보를 생성하도록 구성된 다른 유형의 센서를 포함할 수 있다. 데이터 융합 모듈(도시되지 않음)은 일반적으로 알려진 방식(필터링, 정규화, 교정 등)으로 센서 유닛의 출력 신호를 처리하고, 일부 실시예에서는 처리된 신호를 병합하여 통일되고 통합된 출력 위치 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 병합에는, 일반적으로 알려진 기술(예를 들어, 칼만 필터(Kalman-filter), 쿼터니언-그래디언트(Quaternion-gradient), 상보 필터(complementary filter) 등)이 사용될 수 있다. 선택적으로, 데이터 융합 모듈은 짐벌 로크(gimbal lock) 문제와 같은 특이점을 회피하기 위해 쿼터니언에 의해 출력을 코딩하도록 추가로 구성된다. 대안적인 실시예에 따르면, 데이터 융합 모듈은 프로세서(220)에 통합될 수 있다.
데이터 융합 모듈의 통합된 출력 위치 신호는 프로세서(220)에 공급된다. 이러한 신호에 기초하여, 오일러 각도 또는 3차원 벡터로의 변환이 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 위치 신호는 쿼터니언에 기초하는 데이터를 포함하며, 이후에 3차원 벡터로 변환되고 거기로부터 2D 벡터로 변환된다. 위치 메모리(224)는 모든 위치 데이터를 저장하도록 구성된다.
설정 키(240)가 핸드헬드형 수술 도구(200)의 핸들(210) 상에 제공되어, 도구를 교정하거나 도구의 현재 위치를 저장하는 데 사용될 수 있다. 설정 키(240)에 대한 대안으로서, 마이크로폰(240')이 제공될 수 있으며, 여기서는 음성 활성화(voice activation)가 설정 키(240)를 물리적으로 누르는 것을 대체할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 프로세서(220)는 위치 메모리(224), 설정 키(240), 좌측 제어 키(242) 및 우측 제어 키(244)에 작동적으로 연결될 수 있다. 제어 키는 특정 궤도를 변경할 뿐만 아니라, 사용자가 GUI 모듈(400)과 직접 상호작용하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 또한, 프로세서(220)는 위치 메모리(224)로부터 데이터를 호출하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 프로세서(220)는 설정 키(240)의 활성화에 의해 선택될 수 있는 2개의 작동 모드로 구성된다. 제 1 작동 모드에서, 프로세서(220)는 일반적으로 위치 메모리(224)로부터 저장된 불완전한 위치를 호출하고, 이것을 센서 유닛(들)(261)에 의해 공급된 실제 위치 표시에 대해 비교하도록 구성된다. 이러한 위치 표시들 사이의 차이에 기초하여, 프로세서(220)는 경사각(inclination)과 같은 하나의 방향에 대한 제 1 편차 신호(또는 전경각(anteversion)과 같은 다른 방향에 대한 제 1 편차 신호)를 생성한다. 제 2 작동 모드에서, 프로세서(220)는 전체 위치 표시를 호출하고, 이것을 센서 유닛(들)(261)에 의해 공급되는 실제 위치 표시에 대해 비교하도록 구성된다. 이러한 위치 표시들 사이의 차이에 기초하여, 프로세서(220)는 바람직한 실시예에서 경사각 및 전경각과 같은 제 1 편차 신호보다 하나 많은 치수를 갖는 상이한 편차 신호를 생성한다. 제 1 작동 모드로부터 제 2 작동 모드로의 전환은 일부 실시예에서 설정 키(240)에 의해 사용자가 제어할 수 있다. 본원의 특정 실시예는 프로세서(220)에 의해 생성 및 공급되는 편차 신호를 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 위치 데이터의 처리는 GUI 모듈, 핸드헬드형 수술 도구 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다.
편차 신호는 수술 내비게이션 시스템의 GUI 모듈(400)에 공급되거나 일부 실시예에서는 GUI 모듈(400)에 의해 생성된다. GUI 모듈(400)은 컴퓨팅 장치(405) 및 적어도 하나의 시각적 디스플레이(410)와, 선택적으로 데이터(예를 들어, 핸드헬드형 수술 도구(200)로부터의 위치 데이터)를 저장하기 위한 적어도 하나의 메모리 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, GUI 모듈(400)은 편차 신호에 의해 정의된 바와 같은 임의의 편차의 방향 및 위치(및 정성적 및/또는 정량적 방식으로, 크기)를 표시하도록 구성될 수 있다. GUI 모듈(400)은 또한 시각적 표시기(visual indicator)를 포함할 수 있으며, 시각적 표시기는 시각적 디스플레이(410)에 의해 형성된다. 실시예에 따르면, 시각적 표시기를 형성하는 시각적 디스플레이(410)는 크로스헤어 패턴(crosshair pattern) 내의 불스아이 디스플레이(bullseye display)를 포함한다(도 3 참조). 일부 실시예에 따르면, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, GUI 모듈(400)은 핸드헬드형 수술 도구(200)와 통신할 수 있다. 예를 들어, GUI 모듈(400)은 무선 송신기(248, 249)를 통해 핸드헬드형 수술 도구(200)와 무선으로 통신할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 촉각적 표시기(246), 청각적 표시기(247), 시각적 표시기(도시되지 않음), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 촉각적 표시기(246)는 하우징(210)의 대향 측면들과, 하우징(210)의 상부면 및 하부면에 각각 배열된 두 쌍의 진동 변환기(246' 및 246")를 포함할 수 있다. 청각적 표시기로서, 핸드헬드형 수술 도구(200) 또는 GUI 모듈(400)의 일부를 형성하는 사운드 모듈(247')에 의해 구동되는 스피커(247)가 제공될 수 있다. 시각적 표시기는 LCD 디스플레이와 같은 디스플레이의 형태일 수 있거나, LED와 같은 하나 이상의 조명 장치의 형태를 취할 수 있다.
또한, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 GUI 모듈(400) 상의 무선 송신기(249)와 통신하도록 구성된 무선 송신기(248)를 갖도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 촉각적 표시기(246), 청각적 표시기(247) 및/또는 시각적 표시기는 시각적 디스플레이(410)를 대체할 수 있다. 그러한 실시예에서, 크로스헤어 패턴 내의 불스아이 디스플레이는 생략될 수 있고, 오히려 핸드헬드형 수술 도구(200)는, 예컨대 청각적 표시기(247)에 의해 제공되는 오디오 신호를 통해, 방향 및 위치의 표시를 제공할 수 있다.
공급 라인(도시되지 않음)을 통해 핸드헬드형 수술 도구의 다양한 구성요소에 공급하는 충전식 또는 일회용 배터리(270)가 제공될 수 있다. 배터리(270)를 충전하기 위해, 무선 충전하도록 구성된 충전 코일(271)이 제공될 수 있다.
수술 내비게이션 시스템의 이미징 장치(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 3차원 표면(들)/윤곽(들)을 생성하는 데 사용되는 이미징 데이터를 생성하기 위해 해부학적 구조의 일부를 이미지화하도록 구성된다. 특정 실시예에 따르면, 이미징 장치(500)는 핸드헬드형 수술 도구(200)에 통합되거나 다른 방식으로 부착된다. 대안적인 실시예에 따르면, 이미징 장치(500)는 별도의 장치이고, 핸드헬드형 수술 도구(200) 및/또는 GUI 모듈(400)과 통신하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 수술 내비게이션 시스템은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 명령을 갖는 프로세서를 포함할 수 있으며, 명령은, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 2개의 별개의 작동 모드로 작동하게 하고, 2개의 별개의 작동 모드 중 하나의 작동 모드에서, 감소된 위치 표시가 처리된다. 감소된 위치 표시는 제 2 작동 모드의 전체 위치 표시와 비교하여 1 자유도에 대한 적어도 하나의 표시가 없는 위치 표시이다. 예를 들어, 유클리드 공간에서, 3차원 공간에서의 장치의 배향을 설명하기 위해 3개의 각도 표시가 사용될 수 있다. 그러나, 절대 위치가 모니터링될 필요가 없는 경우, 3개의 각도 대신에 2개의 각도가 모니터링될 수 있으며, 이는 완전히 고정된 배향을 제공하지 않지만 대신에 1 자유도를 유지할 것이다. 예를 들어, 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw)에 대한 각도가 사용되는 경우, 불완전한 위치 표시는 자유도로서 피치를 남겨두고 롤 및 요 표시만을 가질 수 있다. 다른 예로서, 3개의 각도가 아닌 2개의 각도만이 사용되어야 하는 경우(예를 들어, 롤이 무시되어야 하는 경우), 전체 위치 표시는 두 각도(예를 들어, 피치 및 요)를 갖는 반면, 불완전한 위치 표시는 하나의 각도만(예를 들어, 요만)을 표시할 것이다. 본원에 포함되는 2개의 작동 모드를 구현하는 상세한 실시예는 공계류 중인 미국 특허 출원 제 16/442,155 호에서 추가로 설명되어 있다. 추가적으로, 그리고 고관절 인공관절 치환술 응용을 특별히 참조하면, 각도는 컵 경사각 및 전경각일 수 있다.
수술 내비게이션 시스템의 사용 방법
본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법과, 인공관절 치환술을 받는 환자에게의 보철물 이식의 정확도를 개선하는 방법에 사용될 수 있다.
그러한 방법의 경우, 수술 내비게이션 시스템은 수술실 내에 셋업될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 이미징 장치(500)는 수술대 상에 있는 환자 옆에 위치될 수 있다.
센서 유닛(260)이 핸들(210)에 부착되어야 하는 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 조립될 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 핸들(210)은 살균 포장된다. 살균 파우치(sterile pouch)가 개방되고, 핸들(210)의 후면으로부터 뚜껑이 제거되며, 센서 유닛(260)이 핸들(210)과 완전히 결합되어 그와 동일 평면상에 있을 때까지 삽입된다. 다음에, 뚜껑이 폐쇄되어, 핸들(210) 내에 센서 유닛(260)을 밀봉할 수 있다.
원하는 기구 샤프트(250)(즉, 단부 도구)가 선택되어 핸들(210)의 근위 단부에 부착된다.
핸드헬드형 수술 도구(200)가 활성화될 수 있다. 단지 예로서, 핸드헬드형 수술 도구(200) 상의 당김 탭(pull tab)의 제거는 배터리(270)가 핸드헬드형 수술 도구(200)의 구성요소에 전력을 공급하게 할 수 있다. 대안적으로, 스위치를 눌러서 핸드헬드형 수술 도구(200)의 구성요소에 전력을 공급할 수 있다.
일부 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 초기화될 수 있다. 초기화 동안, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 자체의 센서 유닛(260)을 사용하여 중력 방향을 측정하여, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 공간에서의 위치가 좌표계에 대해 설정되게 한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 초기화 동안에 부동 상태로 유지되어야 한다. 초기화가 완료되었음을 표시기가 나타낼 수 있다. 표시기의 예는 발광 다이오드(LED) 조명등, 예컨대 녹색 LED 조명등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 맥락에서 용어 "공간에서의 위치" 및 그의 축약 형태 "위치"는 일반적으로 절대 위치 및 배향을 포함할 수 있는 6 자유도를 갖는 시스템을 지칭한다. 위치는 수직 축을 갖는 3차원 공간의 좌표(예를 들어, X, Y, Z)로서 표현될 수 있으며, 배향은 오일러 각도(예를 들어, 요, 피치 및 롤; 알파(α), 베타(β) 및 감마(γ); 파이(φ), 세타(θ) 및 프사이(ψ)) 또는 쿼터니언에 의해 제공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 핸드헬드형 장치의 좌표계는 Y축이 중력 방향과 반대 방향으로 배향되도록 중력에 대해 설정될 것이다.
정의에 의해, 인체에 대한 좌표계는 X축을 좌우(좌측에서 우측, 우측에서 좌측, 즉 외측-내측 방향)로 하고, Y축을 상하(발에서 머리, 머리에서 발, 즉 상위/두부-하위/미부 방향)로 하고, X축 및 Y축에 직교하는 Z축(전면에서 후면, 후면에서 전면, 즉 전방/복측-후방/배측 방향)을 깊이를 나타내는 것으로 하여 정의될 수 있다. 대안적으로, 인체에 대한 좌표계는 Y축이 중력 방향과 반대 방향이 되도록 할 수 있고; 결과적으로, 인체와 비교하는 좌표계의 정렬은 환자의 위치에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 환자가 머리가 정면을 향한 상태로 등을 대고 누운 경우, Y축은 전방/복측-후방/배측 방향으로 정렬되고, X축은 상위/두부-하위/미부 방향으로 정렬되며, Z축은 외측-내측 방향으로 정렬될 것이다.
이미징 장치(500)는 환자의 관련 해부학적 구조를 이미지화할 수 있다. (예를 들어, 핸드헬드형 수술 도구(200) 상에 표시된 코드를 입력함으로써) 핸드헬드형 수술 도구(200)와 GUI 모듈(400) 사이의 연결(예를 들어, 무선 연결)이 활성화될 수 있고, (예를 들어, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 일부를 이동시킴으로써) 시각적 디스플레이(410) 상의 대응하는 아이콘(예를 들어, 핸들 아이콘)이 동시에 이동하는 것을 확인함으로써 연결이 검증될 수 있다.
절차의 양상(예를 들어, 수술 레벨, 이식물 크기, 컵 크기 등)은 GUI 모듈(400) 및/또는 핸드헬드형 수술 도구(200)에 사전 저장되거나 제공될 수 있다. 예를 들어, 원하는 수술 절차의 제공된 양상에 기초하여, 의도된 수술에 적절한 시작 타겟 각도에 대한 기본 값이 입력될 수 있다. GUI 모듈(400) 및/또는 핸드헬드형 수술 도구(200)에는, 효과적인 수술을 위해 수술 도구가 배향될 필요가 있는 각도에 근사하는, 각 유형의 수술에 대해 (예를 들어, 연구, 공개된 소스 또는 수술전 이미징 데이터로부터의) 인공관절 치환 구성요소 위치설정을 위한 이러한 기본 타겟 각도 값 및/또는 거리 값이 프로그래밍된다. 이것은 (예컨대, 초기 궤적이 GUI 모듈(400)의 시각적 디스플레이(410) 상의 크로스헤어 내에 있을 수 있게 함으로써) 실제 수술을 위한 궤적을 설정하는 데 필요한 (후술하는 다른 단계에서의) 조정의 양을 제거하거나 최소화한다.
일 예로서, 고관절 인공관절 치환술의 경우, 컵 치환 모델로서 "관절가동 범위 모델(Range of Motion model)"이 선택될 수 있고, GUI 모듈(400)의 시각적 디스플레이(410)는 도 4에 도시된 바와 같이 나타날 수 있으며, 도 4는 환자의 원하는 수술후 관절가동 범위, 이식물의 기하학적 파라미터 및 환자의 골반 경사(pelvic tilt)가 입력으로서 필요하다는 것을 나타낸다. 관절가동 범위 모델은 입력에 기초하여 전경각 및 경사각에 의해 정의된 컵 배향의 "히트맵(heatmap)"을 생성하도록 구성된다. 히트맵은 예를 들어 녹색 색상을 사용하여 나타나며, 여기서 배향은 충돌없는 운동을 야기할 것이다.
실시예에 따르면, 그리고 도 3에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 마커는 수술 절차의 위치에 대응하는 환자의 해부학적 구조의 부분, 즉 인공관절 치환술에 관여되는 하나 이상의 뼈에 배치될 수 있다. 마커는 핸드헬드형 수술 도구(200)와 결합하도록 설계될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 마커 인게이저(610)와 같은 도구는 핸드헬드형 수술 도구(200), 예를 들어 핸드헬드형 수술 도구(200)의 원위 단부 팁(251)에 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 뼈 나사와 같은 제 1 마커(601)는 관절의 뼈 형성 부분에 배치된다. 일부 실시예에서, 제 1 마커(601)는 특유한 형상을 가질 수 있고, 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된 마커 인게이저(610)는 상보적인 형상을 가질 수 있으며, 그에 따라 제 1 마커(601)와 마커 인게이저(610)가 단일 배향으로 맞물릴 수 있다. 이것은 마커 인게이저(610)가 특정 배향으로 제 1 마커(601) 위로(또는 내로) 끼워맞춰질 수 있게 한다. 일단 배치되면, 마커 인게이저(610)는 제 1 마커(601)에 맞물리고, 다음에 핸드헬드형 수술 도구(200)는 (예를 들어, 설정 키(240)를 누르거나, 수술 팀원 또는 대리자가 GUI 모듈(400) 상의 버튼을 클릭함으로써) 이러한 위치에 대해 영점조정/교정된다. 제 1 마커(601)의 위치는 해부학적 구조의 시스템에 의해(예를 들어, 3차원 표면/모델(700)에서의 검출을 통해) 사전에 설정될 수 있고, 이와 같이 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치는 유사하게 알려져 있다. 이러한 방식으로, 내비게이션 필드 내에서의 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치의 영점조정이 수행될 수 있다. 이것은 또한 제 1 마커(601) 및 제 1 마커(601)에 대한 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치 정보의 생성을 허용한다.
다음에, 마커 인게이저(610)는 제 1 마커(601)로부터 제거되고, 수평 벡터를 캡처하기 위해 해부학 구조의 하나 이상의 다른 특징부와 접촉하게 될 수 있다. 다음에, 이러한 위치에서의 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치는, 예를 들어 설정 키(240)의 누름에 의해, 저장된다. 이러한 위치 정보에 의해, 수평 벡터(301)에 대한 제 1 마커(601)의 상대 위치가 결정된다.
일부 실시예에서, 수술 절차에 따라 환자의 해부학적 구조의 다른 부분에, 예컨대 관절의 일부를 형성하는 다른 뼈에, 제 2 마커(602)(제 1 마커(601)와 유사하거나 동일함)가 배치될 수 있다. 제 1 마커(601) 및 제 2 마커(602) 모두가 배치되면, 환자는 중립 위치가 달성되도록 재위치설정된다.
일부 실시예에서, 제 1 마커(601)와 유사하게, 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된 마커 인게이저(610)는 제 2 마커(602)에 맞물리고, 다음에 핸드헬드형 수술 도구(200)는 이러한 위치에 대해 영점조정/교정된다. 제 2 마커(602)의 위치는 해부학적 구조의 시스템에 의해(예를 들어, 3차원 표면/모델(700)에서의 검출을 통해) 사전에 설정될 수 있다. 다음에, 마커 인게이저(610)는 제 2 마커(602)로부터 제거되고, 수평 벡터를 캡처하기 위해 해부학 구조의 하나 이상의 다른 특징부와 접촉하게 될 수 있다. 다음에, 이러한 위치에서의 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치는 저장된다.
일부 실시예에서, 이미징 장치(500)는 제 1 마커(601)와, 존재하는 경우 제 2 마커(602)를 포함하는 관련 환자 해부학적 구조를 이미지화할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미징 장치(500)는 마커(들)가 위치될 뼈의 형상/표면뿐만 아니라 마커(들)의 위치 및 배향에 대응하는 데이터를 캡처하는 3차원 스캐닝 도구일 수 있다. 그러한 데이터는 뼈의 관련 영역 주위로 스캐닝 도구를 이동시키고 이동 동안에 이미징 데이터를 캡처함으로써 캡처될 수 있다.
프로세서(예를 들어, 핸드헬드형 수술 도구의 프로세서, GUI 모듈의 프로세서 등)는 이미징 데이터를 획득하고, 마커(들) 및 해부학적 구조의 3차원 표면/모델을 생성할 수 있다. 3차원 표면/모델은 스캐닝되는 해부학적 구조의 관련 부분의 표현만일 필요가 있으며, 전체 해부학적 구조의 표현일 필요는 없다는 점에 주목해야 한다. 프로세서는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 명령을 가지며, 이 명령은 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 마커(들)의 도움으로 3차원 표면/모델로부터 해부학적 구조의 관련 특징부를 검출하게 한다. 프로세서는 또한 환자의 해부학적 구조와 관련하여 관련 배향(예를 들어, 각도 배향) 및 거리를 계산할 수 있다. 그러한 정보는 수술을 위해 뼈가 어떻게 수정되어야 하는지(예를 들어, 뼈가 절단, 쉐이빙(shaving) 등이 되어야 위치)를 결정함에 있어서 정확도를 더하는 데 도움이 될 수 있다.
일부 실시예에서, 본원에 설명된 마커를 부착하고 스캐닝하는 프로세스는 필요에 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 추가 마커가 상이한 뼈 또는 해부학적 특징부에 부착될 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 마커는 뼈 또는 다른 해부학적 특징부에 부착되지 않고, 대신에 핸드헬드형 수술 도구(200)가 환자의 타겟 해부학적 구조 옆에 배치된다. 다음에, 이미징 장치는 핸드헬드형 수술 도구(200)와 함께 타겟 해부학적 구조(예를 들어, 고관절)를 이미지화한다. 이러한 이미징 데이터로부터 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치가 프로세서에 의해 검출된다. 핸드헬드형 수술 도구(200)는 이러한 정보에 기초하여 내비게이션 공간에 대해 교정될 수 있다.
일부 실시예에서, 수술은 뼈의 일부를 절단하거나 제거할 필요가 있을 수 있다. 캡처된 위치 정보를 사용하여, 시각적 디스플레이(410)는, 예를 들어 절단부의 위치 및 각도가 정확하도록 절단 지그가 특정 해부학적 특징부와 적절하게 정렬되도록 배치되어야 하는 위치를 표시할 수 있다.
특정 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 기구 샤프트(250)의 원위 단부(251)는 절차를 위한 시작 기준점을 설정하기 위해 실제 공간에서 시작점에, 예컨대 마커 내에 또는 마커 상에 배치될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시작점은 시스템의 가상 공간의 점으로서 GUI 모듈 상에 정합될 수 있다(예를 들어, 바람직하게는 X=0, Y=0, Z=0; 즉, 시작점은 바람직하게는 시스템의 가상 공간의 원점으로서 설정됨). 또한, 기구 샤프트(250)의 근위 단부(252)는 시스템의 가상 공간의 시작점에 대한 시스템의 가상 공간의 점으로서 정합될 수 있으며, 그에 따라 실제 공간의 시작점 및 기본 타겟 각도/궤적/배향에 대한 실제 공간에서의 기구 샤프트(250)의 배향이 시스템의 가상 공간에서 시스템에 의해 결정 가능하고 표현 가능하다. 핸드헬드형 수술 도구(200)는 시작점에 대한 실제 공간에서의 샤프트의 배향이 기본 타겟 각도/궤적/배향과 정렬된다는 것을 시각적 디스플레이(410)가 표시할 때까지 실제 공간의 시작점에 대해 기구 샤프트(250)를 각도조정하기 위해 실제 공간에서 이동될 수 있다.
예를 들어, 사전지정된 궤적이 관련 메모리(예를 들어, 위치 메모리(224))로부터 호출될 수 있으며, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 실제 공간에서 이동될 수 있고, 시각적 디스플레이(410) 상의 표시기(예를 들어, 기구 샤프트의 근위 단부(252)를 나타내는 녹색 도트)의 위치는 타겟 지점(예를 들어, 불스아이의 크로스헤어의 중심에 대응하는 원위 단부 팁(251))의 위치에 대해 표시되며, 위치가 정렬되는 경우, 시스템은 기구 샤프트(250)가 사전지정된 궤적(예를 들어, 문헌 또는 수술전 이미징 데이터에 기초하여 설정된 궤적)에 대해 실제 공간에서 배향되고, 디스플레이(410)는 (예를 들어, GUI 모듈 색상을 주로 녹색으로 변경함으로써) 정렬에 대해 사용자에게 경고한다. 특정 실시예에 따르면, 사전지정된 궤적은 외과의에 의해 결정된 사전계획된 경사각/전경각 등에 기초한다. 대안적인 실시예에 따르면, 환자 이미지는 사전지정된 궤적을 검증하기 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 사전지정된 궤적이 만족스러우면, 수술 절차가 실행된다(예를 들어, 뼈의 리밍(reaming) 또는 절단).
또한, 3차원 표면/윤곽(700)이 시각적 디스플레이(410) 상에 생성 및 디스플레이되어, 관련 해부학적 구조, 핸드헬드형 수술 장치(200)의 기구 샤프트(250) 및 핸드헬드형 수술 장치(200)를 보여줄 수 있다. 시각적 디스플레이(410)는 또한 이미지 또는 3차원 표면/모델에서 (예를 들어, 샤프트의 종축을 따른 선에 의해) 샤프트의 배향 각도를 표시할 수 있다. 추가적으로, 시각적 디스플레이(410)는 가상 공간에서 변경 가능한 상대 각도/궤적/배향 표시기(예를 들어, 원위 단부 팁(251)의 위치에 대응하는, 시작점(256)에 대한 3차원 표면/모델 내의 가상 공간에서 회전 가능한 선)를 표시한다. 사용자는 제어 키(242 및 244)를 사용하여, GUI 모듈(400) 상에서 직접적으로, 또는 다른 적합한 수단에 의해, 기본 각도/궤적/배향(예를 들어, 이미지 상에 또는 3차원 표면/모델에 표시된 기준 해부학적 랜드마크)으로부터 가상 공간의 표시기의 각도/궤적/배향을 변경할 수 있다. 예를 들어, 표시기가 비구와 관련하여 적절하게 배향되지 않은 것을 사용자가 아는 경우, 사용자는 선이 원하는 해부학적 구조를 통과할 때까지 표시기의 각도/궤적/배향을 변경할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 사용자는, 예를 들어 설정 키(240)를 누름으로써, 원하는 각도/궤적/배향을 확인할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 적절한 각도/궤적/배향에 있다고 결정하는 경우, 사용자는 설정 키(240)를 누를 수 있다. 확인 시에, 타겟 각도/궤적/배향은 기본 각도/궤적/배향(예를 들어, 연구 및 문헌 소스로부터 취해진 것)으로부터 원하는 각도/궤적/배향(예를 들어, 사용자에 의해 설정된 것)으로 변경된다. 다음에, 새로운 타겟 각도/궤적/배향(즉, 원하는 각도/궤적/배향)에 대한 데이터가 위치 메모리(224)에 저장된다. 새로운 타겟 각도/궤적/배향에 대한 데이터는 추가적으로 또는 대안적으로 핸드헬드형 수술 도구(200)의 하우징 외부에 수용된 위치 메모리(예를 들어 별도의 컴퓨터, 하드 드라이브 등과 같은 별도의 장치)에 저장될 수 있다. 다음에, 이것은 원하는 각도/궤적/배향에서 로킹된다.
핸드헬드형 수술 도구(200)는 각도조정될 수 있으며, 시각적 디스플레이(410)는 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치의 표시를 제공하고, 도구가 새로운 원하는 각도/궤적/배향과 정렬될 때를 표시할 수 있다. 바람직하게는, 위치가 정렬될 때, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 실제 공간에서 정렬된 위치에 유지되고, 부위(site)가 준비된다(예를 들어, 외과의가 비구를 리밍하고, 비구 컵을 배치하는 것 등). 절차 동안에 언제든지, 영상을 사용하여 선택된 3차원 궤적/배향/위치의 정확도를 확인하기 위해 이미징이 사용될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 초기 기본 각도/궤적/배향 값은 직접적인 타겟팅에 기초할 수 있다. 초기 3차원 궤적/배향/위치는 하드웨어(예를 들어, 고정 핀)를 타겟 해부학적 구조에 부착한 후에 하드웨어가 부착된 궤적/배향을 결정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 수동으로 배치된 기구 또는 이식물의 디지털 궤적/배향을 캡처할 수 있다. 이식물 전달을 위해 타겟팅할 때 기존의 수술 방법에 따르면, 시험 이식물, 가이드와이어, 임시 고정 핀, 드릴 비트 등을 임시로 배치하고, 방사선 촬영을 하여 알려진 랜드마크와 관련하여 이식물 배치의 위치설정을 평가하는 것은 흔한 일이다. 완전 수동 환경에서, 외과의는 아날로그 조정을 할 필요가 있으며, 예를 들어 최종 이식물 배치는 몇 도 더 측방향으로, 그리고 몇 도 상향으로 배향되어야 한다. 이러한 프로세스는 임의적이고, 에러가 많고, 높은 레벨의 공간 배향 인식을 필요로 하며, 잘못 판단하고 하드웨어를 부적절하게 배치하게 할 수 있다. 수술 내비게이션 시스템(100)은 이러한 프로세스를 개선할 수 있다. 핸드헬드형 수술 도구(200)의 기구 샤프트(250)는 임시로 지향된 시험 이식물, 가이드와이어, 고정 핀 등 위에 배치될 수 있고, 시스템은 실시간으로 디지털 배향을 캡처하여, 외과의가 최종 배치를 보다 정확하게 조정하게 할 수 있다. 예시적인 예에 따르면, 임시 요소(예를 들어, 시험 비구 컵)가 구현된다. 다음에, 기구 샤프트(250)가 이러한 고정 요소에 부착된다(또는 그에 대해 배치됨). 일단 정렬되면, 샤프트(250)의 3차원 궤적/배향이 (예를 들어, 설정 키(240)를 누름으로써) 정합될 수 있다. 그 후에, 샤프트가 제거될 수 있다. 다음에, 이미징 장치(500)는 환자의 해부학적 구조 및 고정 요소를 묘사하는 제 1 이미징 데이터를 획득한다(예를 들어, 제 1 3차원 표면/모델의 생성을 허용함)(또는 대안적으로 관련 해부학적 구조를 X-선 촬영하여 고정 요소를 관찰할 수 있음). 전술한 프로세스와 유사하게, 장치의 초기 정렬로부터 정합된 궤적/배향은 이러한 정합된 궤적/배향에 대한 표시를 제공한다. 제어 키(242 및 244)(또는 GUI 모듈)를 사용하여, 원하는 궤적/배향이 획득될 때까지 타겟 궤적/배향이 수정될 수 있고, 다음에 (예를 들어, 설정 키(240)를 사용하여) 로킹될 수 있다. 마지막으로, 도구(200)의 샤프트(250)가 수술 부위에 배치되고, 시각적 디스플레이(410)는 (도구 샤프트(250)의 적절한 정렬을 안내하기 위해 도 3에 예시된 바와 같이) 불스아이 유형 디스플레이를 디스플레이할 수 있다.
뼈가 절차에 따라 절단/리밍되거나 다른 방식으로 수정되면, 임의의 마커를 포함하는 뼈를 이미지화함으로써 생성된 이미지 데이터에 기초하는 새로운 3차원 윤곽/표면(700)이 생성될 수 있다. 예를 들어 이식물 장치의 위치설정 및 각도 결정을 하는 업데이트된 계산은 이식물 장치에 대한 임의의 조정이 필요한 위치를 식별하는 데 도움이 될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 이미징 장치(500)는 도 5에 도시된 바와 같이 핸드헬드형 수술 도구(200)와 통합되거나 다른 방식으로 부착될 수 있다. 이러한 추가 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 센서 유닛(261)을 포함하고, GUI 모듈(400)과 통신할 수 있다. 그것의 변형예에 따르면, 센서 유닛(261) 및 마커가 생략될 수 있다. 예를 들어, 통합 이미징 장치에 의해, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 상대 배향이 이미징 장치(500)에 대해 고정된다. 따라서, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 이동은 이미징 장치(500)에 의해 경험된다. 따라서, 위치 센서는 핸드헬드형 수술 도구(200)의 상대 이동을 측정할 필요가 없고, 대신에 이미징 데이터 자체가 핸드헬드형 수술 도구(200)의 이동을 검출하는 데 사용될 수 있다. 마커(605)는 핸드헬드형 수술 도구(200)를 배향시키는 것을 돕기 위해 해부학적 구조에 배치될 수 있다는 점이 주목된다.
이미징 장치(500)는 또한 환자 내로 이미지를 투영하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에 따르면, 이미징 장치(500)는 절단 위치를 시각적으로 나타내기 위해 (예컨대, 레이저 투영을 통해) 라인 빔을 뼈 상에 투영한다. 그러한 실시예는 이미징 장치(500)가 회전/이동될 수 있게 하는 전동 헤드를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 그러한 이미지는 3차원 표면/윤곽(700) 상에 투영될 수 있다.
고관절 인공관절 치환술
본 발명의 실시예에서, 본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 고관절 인공관절 치환술을 수행하는 데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 정확한 이식물 위치설정을 달성하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 고관절 인공관절 치환술은 정합 및/또는 이식의 상이한 양상이 설정될 수 있는 사전 계획 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비구 컵의 배치를 위한 설정은 컵을 원하는 배향으로 이식하는 데 사용되는 컵 배치 모델의 선택; 원하는 컵 배향을 결정하는 데 사용되는 기준 평면; 및 최종 컵 배향 측정을 포함할지 여부를 포함할 수 있다.
컵 치환 모델은 관절가동 범위 모델 또는 확장 르윈넥(Extended Lewinnek) 모델로부터 선택될 수 있다. 관절가동 범위 모델은 타겟 관절가동 범위 세트, 환자의 골반 경사, 및 대퇴골 내의 3D 각도 경부(neck) 및 스템(stem) 배향에 기초하여 컵 배향의 충돌없는 구역을 계산하는 알고리즘의 적용을 포함한다(Hsu J et al, J. Biomech., 82: 193-203, 2018). 확장 르윈넥 모델은 타겟 영역으로서 "르윈넥 안전 구역(Lewinnek Safe Zone)"를 정의하지만(Lewinnek GE et al, J. Bone Joint Burg. Am., 60-A: 217-220, 1978), 특정 입력 정보를 적용한다.
기준 평면은 전방 골반면 또는 관상면으로부터 선택될 수 있다. 전방 골반면은 2개의 전상장골극(anterior superior iliac spine; ASIS) 및 치골 결절(pubic tubercle)의 중간점에 의해 정의되는 해부학적 평면이다. 관상면은 기능적 평면이고, 신체를 복측 및 배측 섹션으로 분할하는 임의의 수직 평면으로서 정의된다.
일부 실시예에서, 사전 계획 단계는 다리 길이의 변화를 검출할지 여부를 선택하는 것도 포함할 수 있다. 선택된 경우, 다리 길이, 내외측 오프셋 및 전후방 위치를 포함하여, 다리 위치의 상이한 양상이 이식 이전 및 이후에 측정되어, 만약에 있다면 어떤 변화가 발생했는지를 결정할 수 있다. 선택은 수술후 측정을 수행할 때 대퇴골이 동일한 배향으로 복귀될 수 있도록 대퇴골의 초기 배향을 기록하는 것을 포함할 수 있다.
환자 좌표계의 정합을 수행하기 위해, 즉 관절의 가상 기준 프레임(핸드헬드형 수술 장치(200)의 배향을 포함함)과 관절의 실제 기준 프레임(예를 들어, 관절의 실제 배향) 사이의 관계를 설정하기 위해, 핸드헬드형 수술 도구가 환자의 해부학적 평면에 대응하는 벡터를 캡처하는 데 사용될 수 있다. 각각의 벡터는 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 기록함으로써(즉, 핸드헬드형 수술 장치의 현재 쿼터니언을 기록함으로써) 캡처되고, 벡터는 기록된 쿼터니언으로부터 구성된다. 바람직한 실시예에서, 2개의 평면에 대응하는 적어도 2개의 벡터가 캡처된다.
환자의 자세, 즉 환자가 앙와위(도 6의 A 참조) 또는 측와위(도 6의 B 참조)로 있는지 여부에 따라, 상이한 벡터가 캡처될 수 있다. 환자가 앙와위로 있는 경우, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 시상면 및 전방 골반면을 캡처할 수 있다. 일부 실시예에서, Cross-ASIS 바아(900)와 같은 도구가 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, Cross-ASIS 바아(900)는 근위 단부(907) 및 원위 단부(908)를 갖는 바아(905)를 포함하며, Cross-ASIS(900)의 근위 단부(907)는 핸드헬드형 수술 도구(200)의 원위 단부 팁(251)과 결합하도록 구성된다. Cross-ASIS 바아(900)는 바아(905)로부터 동일한 방향으로 연장되고 바아(905)의 장축에 수직인 제 1 푸트(foot)(910) 및 제 2 푸트(912)를 더 포함한다. Cross-ASIS 바아(900)는 Cross-ASIS 바아(900)가 평면을 식별할 때 핸드헬드형 수술 도구(200)의 배향이 기록될 수 있도록 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된다. 시상면을 정합시키기 위해, 제 1 푸트(910)는 동측 ASIS(915)(즉, 수술 고관절에 대해 동측임) 상에 배치되고, 제 2 푸트(912)는 대측 ASIS(917) 상에 배치되며, 핸드헬드형 수술 장치의 결과적인 쿼터니언이 기록된다(도 8 참조). 이러한 쿼터니언으로부터, 벡터가 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, Cross-ASIS 바아의 장축 방향을 가리키는 이러한 벡터는 환자의 관상면 상으로 투영될 수 있다. 앙와위에서의 환자의 관상면은 핸드헬드형 장치에 전력이 공급될 때 자동으로 검출되고 핸드헬드형 수술 장치(200)의 Y축을 정의하는 데 사용되는 중력 방향에 수직인 평면과 동일한 것으로 가정할 수 있으며; 결과적으로, Y축에 대한 교정이 필요하지 않다. 핸드헬드형 장치-환자 조정 쿼터니언은 관상면 상에 투영된 핸드헬드형 장치 좌표에서 ASIS 간 벡터와 단위 X축 사이의 회전으로서 정의될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 측정은 수술대가 중력 방향에 수직으로(즉, 수평으로) 유지되는 동안에 수행된다.
전방 골반면을 정합시키기 위해, 2개의 벡터가 캡처된다. 제 1 벡터는 시상면을 정합시키기 위해 기록된 것과 동일한 벡터이지만, 제 1 벡터를 기록한 후에, 제 1 푸트(910)가 동측 Cross-ASIS 바아 상에 유지되고 제 2 푸트(910)가 동측 골반의 치골 결합부(920)로 이동되도록 Cross-ASIS 바아가 피봇될 수 있다(도 9 참조). 이러한 피봇된 위치에서 벡터가 캡처되며, 다음에 양 벡터 모두가 전방 골반면을 식별하고 정합시키는 데 사용될 수 있다. 이것은 또한 골반 경사를 정합시킨다. 골반 경사는 양의 Z축과 시상면 상에 투영된 Cross-ASIS 바아의 장축에 의해 주어진 환자 좌표에서의 벡터 사이의 각도이다. 골반 경사가 0이 아닌 경우, 후속적으로 기록된 경사각 및 전경각은 골반 기준 프레임으로 조정된다.
환자가 측와위로 있는 경우, 핸드헬드형 수술 도구(200)가 전두면(관상면) 및 수평면을 캡처하는 데 사용될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전두면은 환자가 완전히 측방향으로 있고 바닥과 직교하여 있다고 가정하고 핸드헬드형 수술 도구가 ASIS를 수직으로 가로지를 때 생성된 벡터를 기록함으로써 정합될 수 있다. 수평면은 핸드헬드형 수술 도구가 환자의 주축과 정렬될 때 생성된 벡터를 기록함으로써 정합될 수 있다(도 11 참조).
일부 실시예에서, 이러한 정합 단계 동안의 핸드헬드형 수술 장치의 기록은 핸드헬드형 수술 장치-환자 조정 쿼터니언을 생성한다.
본 발명의 실시예에서, 하나 이상의 마커가 골반 및/또는 대퇴골 상에 설치될 수 있다. 마커는 수동 방법(망치(mallet) 또는 유사한 도구를 사용하여 마커의 단부를 뼈 내로 두드린 후에, 마커가 뼈에 완전히 들어갈 때까지 나사결합함) 또는 전동 방법(드릴 등을 사용하여 마커를 설치함)에 의해 설치될 수 있다. 드릴은 또한 수동 방법에 의해 마커를 설치하기 전에 또는 마커를 나사결합하기 전에 파일럿 구멍(pilot hole)을 생성하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 마커(601)는 도 12의 A에 예시된 바와 같이 골반(800)에 부착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제 1 마커(601)는 비구의 전상 림(superior-anterior rim) 상에 부착된다. 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된 마커 인게이저가 제 1 마커(601)에 결합될 수 있으며, 다음에 제 1 마커(601)와 결합된 핸드헬드형 수술 도구(200)의 배향은 핸드헬드 수술 도구(200)에 대한 제 1 마커(601)의 위치 정보를 생성하기 위해 기록될 수 있다(도 12의 B 참조). 일부 실시예에서, 이러한 위치 정보는 기록된 마커 결합 쿼터니언으로 지칭될 수 있다.
기록된 마커 결합 쿼터니언 및 핸드헬드형 수술 장치-환자 조정 쿼터니언은 골반 마커 배향을 정의하는 환자 좌표에서의 2개의 벡터를 구성하는 데 사용될 수 있으며; 하나의 벡터는 마커 결합 축을 따라 지향되고, 하나의 벡터는 롤을 정의하도록 수직이다. 수학적으로, 핸드헬드형 장치로부터의 결합 쿼터니언은 해밀턴 곱(Hamiltonian product)을 계산함으로써 환자 좌표로 조정된다: qengagement.patient = qhandtool to patient * qengagement.handtool. 환자의 직교 축은 마커 결합 축 및 롤 벡터를 획득하기 위해 이러한 쿼터니언에 의해 회전된다.
원위치에서 대퇴골을 브로칭(broaching)하는 것을 포함할 수 있는 대퇴골 절제술이 수행된다. 일부 실시예에 따르면, 대퇴골(825)이 적절하게 노출된 후에, 그리고 도 13, 도 14 및 도 16에 도시된 바와 같이, 제 2 마커(602)(예를 들어, 뼈 나사)가 대퇴골(825), 특히 대전자(greater trochanter)(도 13의 A 참조) 상에 배치될 수 있다. 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된 마커 인게이저(610)는 제 2 마커(602)와 결합될 수 있다(도 14의 A 참조). 제 2 마커(602)는 특유한 형상을 가질 수 있는 반면, 마커 인게이저(610)는 상보적인 형상을 가지며, 그에 따라 이들은 단일 배향으로 맞물릴 수 있다. 이것은 마커 인게이저(610)가 특정 배향으로 제 2 마커(602)와 끼워맞춰지거나, 제 2 마커(602) 위에 또는 내에 끼워맞춰질 수 있게 한다. 일단 배치되면, 마커 인게이저(610)는 제 2 마커(602)에 맞물리고, 다음에 (예를 들어, 설정 키(240)를 누르거나, 수술 팀원 또는 대리자가 GUI 모듈(400) 상의 버튼을 클릭함으로써) 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치가 기록된다. 제 2 마커(602)의 위치가 시스템에 의해(예를 들어, 3차원 표면/모델(700)에서의 검출을 통해) 사전에 설정되기 때문에, 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치는 유사하게 알려져 있다. 다음에, 마커 인게이저(610)는 제 2 마커(602)로부터 제거될 수 있고, 일부 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구(200)는 대퇴골(825)의 원위 측면과 일직선을 이루는 직선인 대퇴골 축(302)을 캡처하기 위해 대전자의 외측 측면과 접촉하게 될 수 있다(도 14의 B 참조). 핸드헬드형 수술 도구(200)의 위치는 예를 들어 설정 키(240)를 누름으로써 저장될 수 있다. 이러한 위치 정보에 의해, 대퇴골 축(302)에 대한 제 2 마커(602)의 상대 위치가 결정되고, 대퇴골 축(302)에 대한 수평 축(301)의 상대 각도가 결정된다.
일부 실시예에서, 제 1 마커(601) 및 제 2 마커(602) 모두가 배치되면, 환자는 다리의 중립 위치(즉, 중립 굴곡/신전(flexion/extension), 내전/외전(adduction/abduction), 및 내회전/외회전)가 달성되도록 재위치될 수 있다(도 13의 B 참조).
일부 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구가 초기 다리 위치를 측정하는 데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 초기 선형 측정을 위한 도구, 예를 들어 도 15에 도시된 바와 같은 선형 측정 장치(Linear Measurement Device; LMD)가 사용될 수 있다. LMD(950)는 근위 단부(957) 및 원위 단부(958)를 갖는 제 1 아암(955)과, 근위 단부(962) 및 원위 단부(963)를 갖는 제 2 아암(960)을 포함한다. 제 1 아암(955)과 제 2 아암(960)은 조인트(965)에 의해 연결되고, 조인트(965)는 제 1 아암(955)과 제 2 아암(960)이 서로에 대해 회전할 수 있게 한다. 제 1 아암(955)의 근위 단부(957) 및 제 2 아암(960)의 근위 단부(962)는 각각 마커와 결합하도록 구성된다. 제 1 아암(955)의 원위 단부(958) 및 제 2 아암(960)의 원위 단부(963)는 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착된 마커 인게이저(610)와 결합하도록 구성된다. 사용 동안, LMD(950)는 골반 마커(601) 및 대퇴골 마커(602) 모두와 결합된다. 핸드헬드형 수술 도구(200)는 LMD(950)의 제 1 아암(955)과 결합되어 기록되고, 다음에 핸드헬드형 수술 도구(200)는 LMD(900)의 제 2 아암(960)과 결합되어 기록된다. 소프트웨어에서, LMD(900)의 아암(955, 960) 각각을 나타내는 벡터는 핸드헬드형 수술 도구(200)의 기록된 쿼터니언으로부터 환자 좌표에 구성된다. 기록된 제 2 벡터는 기록된 제 1 벡터로부터 감산된다. 이러한 벡터는 골반 마커(601)로부터 대퇴골 마커(602)로 향하는 2개의 마커 사이의 거리를 나타낸다.
도 16에 도시된 바와 같이, 이미징 장치(500)는 제 1 마커(601) 및 제 2 마커(602)를 포함하여, 관련 환자의 해부학적 구조를 이미지화한다. 예를 들어, 이미징 장치(500)는 골반의 형상/표면 및 마커(601 및 602)의 위치 및 배향에 대응하는 데이터를 캡처하는 3차원 스캐닝 도구일 수 있다. 프로세서는 이미징 데이터로부터 골반 및 마커(601 및 602)의 3차원 표면/모델(700)을 생성한다. 3차원 표면/모델(700)에 기초하여 비구의 형상(관상면 및 시상면)과 같은 뼈 특징부뿐만 아니라, 마커 및 환자 해부학적 구조에 대한 마커의 배향이 검출될 수 있다. 추가적으로, 시스템이 서로에 대한 그리고 수평 벡터(301)에 대한 중립 위치에서의 마커(601 및 602)의 위치 정보를 갖기 때문에, 프로세서는 수술중 다리 길이(ILL), 다리 길이 불일치(LLD), 및 고관절 치환 절차 이전(및 이후)의 환자에 대한 오프셋과 같은 관련 배향 및 거리를 계산할 수 있다. 이것은 시스템이 대퇴골의 두부(head)의 절단을 위한 대퇴골의 경부(neck)에 대한 적합한 시작 위치 및 적절한 각도를 결정할 수 있게 한다. 또한, 중립 위치에서 이미지화함으로써, 정확한 다리 길이가 계산될 수 있다.
일부 실시예에서, 3차원 스캐닝 도구는 골반 및 대퇴골 마커 모두가 보이는 단일 포인트 클라우드 파일(single point cloud file)을 획득하는 데 사용된다(도 17 참조). 프로세스는 3차원 스캔에 대해 포인트 클라우드 매칭 알고리즘을 실행하여 스캔 좌표에서의 각 마커의 위치 및 배향을 식별할 수 있다. 알려진 배향을 갖는 개별 마커의 사전 스캐닝된 포인트 클라우드는 매칭을 위한 소스 데이터로서 알고리즘에 제공될 수 있다. 포인트 클라우드 매칭 알고리즘은 랜덤 샘플 컨센서스(random sample consensus)를 사용하여 타겟 스캔에서 제 1 마커(601) 및 제 2 마커(602)에 대한 근사 변환(즉, 위치 및 배향)을 찾을 수 있다. 다음에, 근사 변환은 반복 최근접점 계산(iterative closest point calculation)에 의해 정확한 변환으로 정제된다.
골반 마커 배향이 기록된 실시예에서, 스캔 축과 환자 축 사이의 쿼터니언 회전이 계산될 수 있다. 먼저, 스캔 좌표의 골반 마커 결합 축으로부터 환자 좌표의 결합 축으로의 쿼터니언 회전 qengagement correction이 계산된다. 다음에, 롤은 qengagement correction만큼 회전된 스캔 좌표의 롤 벡터로부터 환자 좌표의 롤 벡터로의 쿼터니언 회전으로서 qroll correction을 찾음으로써 설명된다. 그러면, 전체 스캔-환자 좌표 쿼터니언은 qscan to patient = qroll correction * qengagement correction이 된다. 다음에, 2개의 마커의 중심을 연결하는 벡터는 하기와 같이 qscan to patient만큼 스캔 좌표에서 동일한 벡터를 회전시킴으로써 환자 좌표에서 계산 및 기록된다: vintermarker,patient = qscan to patient * vintermarker,scan * qscan to patient -1. 골반 및 대퇴골 마커 배향 벡터는 유사하게 환자 좌표로 변환된다.
일부 실시예에서, 양쪽 마커를 연결하는 강성 가이드는 양쪽 마커의 스캔을 획득하는 프로세스를 단순화하기 위해 상처에 배치될 수 있다. 이러한 가이드는 3차원 스캐너가 하나의 마커로부터 다른 마커로 고정된 경로를 추종할 수 있게 하여, 이동성 연조직을 가로지르는 경로를 스캐닝하는 기술적인 어려움을 회피할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 16에 도시된 바와 같이, 마크(603)(예를 들어, 디보트(divot), 버어(bur) 또는 보위(bowie))가 대퇴골 두부 상에 추가로 배치될 수 있다. 이미징 유닛은 마커(601 및 602) 및 마크(603)를 캡처하기 위해 수술 영역을 다시 이미지화한다. 도 16에 추가로 도시된 바와 같이, 대퇴골 축(302)은 후속적으로 생성되는 3차원 표면/윤곽(700) 상에 디스플레이될 수 있다.
이러한 위치 정보에 의해, 시각적 디스플레이(410)는 대퇴골 두부가 적절하게 절제(즉, 적절한 각도로 절단)되도록 대퇴골 축(302)과 적절하게 정렬되도록 절단 지그가 배치되어야 하는 위치를 표시할 수 있다.
일부 실시예에서, 이미징 장치(500)는 비구의 특징부와 같은 관련 해부학적 특징부를 생성하기 위해 절제 후에 관련 해부학적 구조를 이미지화한다. 실시예에 따르면, 3차원 표면/윤곽(700)이 이미지 데이터로부터 생성되고, 도 18에 도시된 바와 같이 비구 상의 복수의 지점(604)의 위치를 파악하기 위해 분석된다. 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 이러한 지점은 비구 절흔(acetabular notch)과, 상부, 좌측 및 우측 비구 림에 대응한다. 이러한 정보에 의해, 시스템은 3차원 표면/윤곽(700)과 함께 시각적 디스플레이(410) 상에 디스플레이될 수 있는 관상면을 결정한다.
컴퓨터 지원 수술 절차를 실행하기 위해 일련의 단계가 수행될 수 있다. 핸드헬드형 수술 도구(200)는, 절차를 위한 시작 기준점을 설정하기 위해, 도 19에 도시된 바와 같이 실제 공간에서 시작점에, 예컨대 마커(601) 내에/상에 배치될 수 있다.
특정 실시예에서, 이미징 장치(500)는 골반 마커 및 비구의 반달면(lunate surface)이 보이는 단일 포인트 클라우드 파일을 획득한다. 포인트 클라우드 매칭 알고리즘이 이미징 데이터에 대해 실행되어, 스캔 좌표에서의 골반 마커의 위치 및 배향을 식별할 수 있으며, 다음에 배향은 환자 좌표로 조정된다. 특정 실시예에 있어서, UI에서, 브러시 선택기 도구(505)(도 20 참조)가 비구의 반달면 상의 지점을 선택하는 데 사용될 수 있으며, 최소 제곱(least square) 계산을 사용하여 해당 지점에 구(sphere)가 피팅(fitting)된다. 골반 마커의 중심에 대한 환자 좌표에서의 최적 적합(best fit) 구의 중심은 고관절의 네이티브 회전 중심(native center of rotation)을 제공한다(도 21 참조). 구의 직경은 외과의에게 컵 크기 및 리밍 순서를 제안하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 컵 배향 타겟팅을 시작하기 전에, 또는 환자 좌표에서 골반 마커 배향 벡터를 기록한 후에 원하는 임의의 다른 시간에, 핸드헬드형 수술 장치는 핸드헬드형 수술 장치-환자 조정 쿼터니언을 재설정하도록 타겟팅될 수 있으며, 이는 핸드헬드형 장치의 축이 시간 경과에 따라 드리프트(drift)하거나 골반이 수술대에서 이동할 수 있기 때문이다. 핸드헬드형 장치는 특유한 배향으로 골반 마커와 결합될 수 있고, 배향은 (예를 들어, 설정 키를 누름으로써) 기록된다. 핸드헬드형 장치-환자 조정 쿼터니언은 핸드헬드형 장치 좌표에서의 마커 결합 축으로부터 환자 좌표에서의 마커 결합 축으로의 쿼터니언 회전을 찾음으로써 재계산될 수 있다(본원에 설명된 바와 같이 기록됨).
일부 실시예에 따르면, 핸드헬드형 수술 도구의 샤프트는 리밍 도구 또는 컵 임팩터가 비구 내에 위치되도록 리밍 도구 또는 컵 임팩터(850)의 기구 샤프트와 끼워맞춰질 수 있다(도 19의 B 참조). 핸드헬드형 장치가 결합될 때, 소프트웨어는 불스아이 타겟팅 인터페이스를 통해 컵 임팩터 또는 리머를 원하는 배향으로 유지하도록 외과의를 안내한다(도 19의 C 및 도 22 참조). 비구가 적절하게 리밍되면, 인공 컵이 그 내부에 이식된다.
일부 실시예에서, 컵이 비구에 배치된 후에, 외과의는 관절가동 범위 모델에 의해 정의된 충돌없는 구역 내의 위치에 관한 소프트웨어로부터의 피드백에 따라 컵의 배향을 조정할 수 있다(도 23 참조). 외과의는 원하는 배향을 선택하여, 관절가동 범위 모델로부터의 피드백을 환자의 특정 해부학적 구조와 통합할 수 있다.
일부 실시예에서, 컵에 충격이 가해진 후에, 라이너가 컵 내에 배치된다. 특정 실시예에서, 포인트 클라우드 매칭 알고리즘에 의한 새로운 회전 중심의 검출을 용이하게 하기 위해, 적절하게 크기설정된 시험 헤드가 스캐닝 전에 라이너 내에 배치된다. 특정 실시예에서, 회전 중심은 빈 라이너를 스캐닝하고 라이너의 구면 상에서 선택된 지점에 구를 피팅함으로써 검출된다.
도 24가 도시하는 바와 같이, 이미징 장치(500)에 의해 생성된 비구의 이미지 데이터에 기초하고 제 1 마커(601) 및 이식된 컵을 포함하는 새로운 3차원 윤곽/표면(700)이 생성될 수 있다. 다음에, 업데이트된 비구 평면이 계산될 수 있고, 3차원 윤곽/표면(700)에 대해 디스플레이될 수 있다. 이식된 컵의 전경각 및 경사각은 또한 3차원 윤곽/표면(700)으로부터 계산될 수 있다.
일부 실시예에서, 이미징 장치(500)는 골반 마커, 이식된 컵의 림 및 시험 헤드가 보이는 단일 포인트 클라우드 파일을 획득할 수 있다(도 25 참조). 포인트 클라우드 매칭 알고리즘은 3차원 스캔에 대해 실행되어, 스캔 좌표에서의 골반 마커의 위치와 배향과, 골반 마커에 대한 회전 중심의 위치를 식별할 수 있다. 이러한 값은 환자 좌표로 변환된다. 특정 실시예에서, 이식된 비구 컵의 림을 따라 여러 지점이 선택되고, 컵의 방사선 촬영 경사각 및 전경각이 해당 선택된 지점의 최적 적합 평면에 대한 법선 벡터로부터 계산된다(즉, 컵 축,
Figure pct00001
). 다음에, 컵 축은 하기의 식에 의해 관상면(관상 법선 벡터
Figure pct00002
) 상에 투영된다:
Figure pct00003
. 경사각은
Figure pct00004
과 환자의 종축(
Figure pct00005
) 사이의 각도로서 계산된다:
Figure pct00006
. 전경각은 컵 축과 관상면에 대한 컵의 투영부 사이의 각도로서 계산된다:
Figure pct00007
. 다른 실시예에서, 컵 축의 방사선 촬영 경사각 및 전경각은, 포인트 클라우드 매칭 알고리즘을 사용하여, 알려진 배향을 갖는 컵 림의 3차원 모델을 3차원 스캔에 매칭시킴으로써 계산된다.
일부 실시예에서, 대퇴골은 비구 컵 배치 전에 브로칭될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 대퇴골은 비구 컵 배치 후에 브로칭될 수 있다.
컵이 이식되고 대퇴골이 절제되면, 시험 스템이 대퇴골 내에 배치될 수 있다. 이미징 데이터 및 결정된 배향/각도/거리에 기초하여, 시스템은 최적의 스템, 헤드, 인서트 및 어댑터와 같은 최적의 보철 구성요소를 계산할 수 있다. 이미징 장치(500)는 보철물의 적합성(conformity)을 테스트하기 위해 시험품이 이식될 때 관련 해부학적 구조를 이미지화할 수 있다.
일부 실시예에서, 이미징 장치(500)가 대퇴골 및 골반 마커 모두를 포함하는 단일 포인트 클라우드 파일을 획득하는 데 사용된다. 포인트 클라우드 매칭 알고리즘은 3차원 스캔에 대해 실행되어, 스캔 좌표에서의 각 마커의 위치 및 배향을 식별할 수 있다. 골반 마커 배향은 환자 좌표에서 알려져 있기 때문에, 스캔 축과 환자 축 사이의 쿼터니언 회전이 계산될 수 있다. 마커의 배향 벡터 및 2개의 마커의 중심을 연결하는 벡터가 계산되어 환자 좌표에 기록된다.
최종 보철물이 이식되면, 다른 이미징 장치(500)가 관련 해부학적 구조를 다시 이미지화하여, 다리 길이 불일치(LLD) 및 오프셋을 측정하고 이식물 요소의 선택을 미세 조정하여 LLD 및 오프셋을 0(또는 사전지정된 값)으로 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 길이 오프셋 변화가 계산될 수 있다. 네이티브 오프셋과 관련하여 현재 시험품에 대한 다리 오프셋의 변화는 수술 요약 디스플레이에서 내외측(x), 전후방(y) 및 두미측(z) 방향으로 기록된다. 초기 및 시험 마커간 스캔 사이의 데이터를 신뢰성있게 비교하기 위해, 시험 및 초기 마커간 거리 사이의 차이로서 오프셋 변화를 찾기 전에, 시험 다리가 초기 스캔에서의 다리 배향과 매칭되도록 시험 회전 중심을 중심으로 가상으로 회전될 수 있다. 다리 배향은 대퇴골 마커 배향에 의해 정의된다. 시험 다리 배향으로부터 초기 다리 배향으로의 변환(
Figure pct00008
)을 찾기 위해, 행렬 시스템이 하기와 같이 풀린다:
Figure pct00009
여기서,
Figure pct00010
는 환자 좌표에서의 초기 대퇴골 마커 축이고,
Figure pct00011
는 환자 좌표에서의 초기 대퇴골 마커 롤 벡터이고,
Figure pct00012
이며;
Figure pct00013
은 환자 좌표에서의 시험 대퇴골 마커 축이고,
Figure pct00014
는 환자 좌표에서의 시험 대퇴골 마커 롤 벡터이고,
Figure pct00015
이다.
Figure pct00016
가 시험 스캔에서 측정된 환자 좌표에서의 대퇴골 마커의 중심으로 정의되고,
Figure pct00017
가 환자 좌표에서의 시험 회전 중심으로 정의되면,
Figure pct00018
은 시험 회전 중심으로부터 시험 스캔에서 측정된 대퇴골 마커의 중심으로 향하는 벡터이다. 초기 스캔에서의 다리의 배향에 따라 시험 스캔에서의 대퇴골 마커의 위치를 조정하기 위해,
Figure pct00019
이 계산된다. 오프셋 변화는
Figure pct00020
이다.
일부 실시예에서, "위치 계획" 프로그램은 수술 시작 시에 개시될 수 있다. 위치 계획 프로그램은 사용자에 의한 하기 중 하나 이상의 입력을 필요로 한다: (i) 수술 워크플로우 옵션에 대한 확인 또는 변경; (ii) 컵 위치 계획 모델; (iii) 기하학적 파라미터가 선택된 컵 위치 모델에 자동으로 입력되는, 수술에 사용될 것으로 예상되는 이식물; 및 (iv) 환자의 착석 및 기립 골반 경사. 비구가 대퇴골보다 먼저 준비되는 일부 실시예에서, 환자의 네이티브 대퇴골 전염전(antetorsion)이 모델에 입력될 수 있고, 이식물 전염전은 선택된 스템의 설계된 전염전과 네이티브 전염전의 합으로서 계산될 수 있다. 대퇴골이 비구보다 먼저 준비되는 다른 실시예에서, 환자의 네이티브 대퇴골 전염전은 모델에 입력되지 않을 수 있고, 이식물 전염전은 이식된 스템과 핸드헬드형 수술 도구를 결합함으로써 측정된다. 결합 벡터는 환자 좌표에 기록될 수 있고, 결합 축과 스템 축 사이의 알려진 변환이 환자 좌표에서의 스템 배향을 계산하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, LMD가 또한 LLD 또는 오프셋을 측정하는 데 사용될 수 있지만, 그렇게 하기 위해서는 거리 측정을 비교 가능하게 하기 위해 2개의 마커가 전후에 동일한 상대 배향을 가질 필요가 있다. 이것은, 예를 들어 다리를 위로 들어서 기립 자세로 환자를 재현하도록(측와위) 중립 자세를 한정함으로써, 또는 다리를 다른 다리와 평행하게 배치함으로써(앙와위); 또는 대안적으로 LMD를 사용하여 대퇴골 배향을 정확하게 내비게이션함으로써 달성될 수 있다. 보철물의 이식 전에 대퇴골 마커의 배향을 기록함으로써, 핸드헬드 수술 도구에 부착된 마커 인게이저가 대퇴골 마커와 다시 결합할 수 있으며, 다음에 대퇴골 마커가 이식 전과 동일한 배향을 달성할 때까지 대퇴골이 이동될 수 있다.
특정 실시예에서, 컵 배치 모델, 외과용 이식물 파라미터 및 환자 특정 기하학적 파라미터의 선택을 포함하는 환자의 자세 계획을 로컬 데이터베이스에 저장하는 옵션이 있다. 또한, 랜덤하게 생성된 수술 ID는 각각의 저장된 자세 계획에 할당될 수 있다. 자세 계획은 환자 식별 정보를 포함하지 않는다.
특정 실시예에서, 자세 계획은 저장된 자세 계획의 리스트로부터 선택될 수 있고, 데이터를 GUI 모듈에 로딩하거나 데이터를 다른 컴퓨터로 전송할 수 있다.
견관절 인공관절 치환술
본 발명의 실시예에서, 본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 해부학적 견관절 인공관절 치환술, 역행성 견관절 인공관절 치환술, 종양 견관절 인공관절 치환술 및 견관절 인공관절 재치환술을 포함하지만 이에 제한되지 않는 견관절 인공관절 치환술을 수행하는 데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 수술 내비게이션 시스템은 정확한 이식물 위치설정을 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 견관절 인공관절 치환술을 위한 수술 내비게이션 시스템의 사용은 관절와의 위치를 핸드헬드형 수술 도구와 정합시키고, 이를 3차원 모델에 매핑하는 것을 포함한다. 이러한 3차원 모델은 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔 또는 자기 공명 영상(MRI)으로부터 생성된다.
본 발명의 실시예에서, 견관절 인공관절 치환술과 함께 사용하기 위해 사전 계획 데이터 파일이 생성될 수 있다. 사전 계획 데이터 파일은, (i) CT 또는 MRI 스캔으로부터 도출된 환자의 수술 견갑골의 3차원 기하학적 구조; (ii) 수술 견갑골이 우측 또는 좌측 견갑골인지 여부; (iii) 3차원 모델의 좌표계에서 계획된 K-Wire 진입 지점을 나타내는 3차원 점; (iv) 계획된 진입 지점으로부터 3차원 모델의 좌표계에서 계획된 K-Wire 방향을 나타내는 3차원 벡터; (v) 3차원 모델의 좌표계에서 관절와 상의 최상위 지점을 나타내는 3차원 점; (vi) 3차원 모델의 좌표계에서 관절와 상의 최하위 지점을 나타내는 3차원 점; (vii) 3차원 모델의 좌표계에서 관절와 상의 최후방 지점을 나타내는 3차원 점; (viii) 3차원 모델의 좌표계에서 관절와 상의 최전방 지점을 나타내는 3차원 점; 및/또는 (ix) 3차원 모델의 좌표계에서 관절와의 중심점을 나타내는 3차원 점을 포함하지만 이에 제한되지 않는 정보를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 관절와의 전방, 후방, 상위, 하위 및 중심점은 알고리즘적으로 선택되어야 한다.
수술 전에, 환자의 3차원 견갑골 모델의 어노테이션(annotation)을 위해 사전 계획 데이터 파일을 GUI 모듈로 불러와야 한다. 어노테이션 프로세스 동안, 3차원 모델로부터 추출된 정보는 환자의 관절와의 수술중 배향을 정합시키고, 이에 의해 사전계획된 K-Wire 배향을 환자의 실제 관절 상에 매핑할 수 있다.
일부 실시예에서, 견갑골 모델은 사전 계획 데이터 파일에 있는 것으로 설명된 점들과 함께 GUI 모듈에 디스플레이되어야 한다. 사용자는 이러한 점의 선택을 확인하거나 재실행할 기회를 가질 수 있지만, K-Wire 방향 및 진입점은 그렇지 않다.
수술을 셋업하기 위해, 핸드헬드형 수술 도구가 초기화되고, 즉 중력 방향을 측정하고 Y축이 중력과 반대 방향을 향하도록 축을 배향시킨다. 다음에, 수술 견관절이 노출될 수 있고, 3차원 모델에서 보이지 않는 연조직이 제거된다. K-Wire 삽입 위치는 전기 소작기(electrocautery)를 사용하여 관절와 상에 마킹될 수 있다.
일부 실시예에서, 마커는 견갑골 상에 설치될 수 있다. 마커는 본 발명의 실시예에 따른 방식으로 핸드헬드형 수술 도구와 결합 가능하여, 마커의 배향이 기록될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 관절와가 3D 스캐너를 사용하여 스캔될 수 있고, 그에 따라 관절와의 물리적 속성이 마커 대신에 식별될 수 있다.
시각적 디스플레이 상에는 환자의 관절와의 3차원 모델이 디스플레이될 수 있다.
핸드헬드형 수술 도구와 관절와 좌표 사이의 변환 후에, GUI 모듈은 환자의 관절와에 대해 부착된 도구와 함께 핸드헬드형 수술 도구의 실시간으로 계산된 배향을 묘사하는 3차원 애니메이션을 디스플레이할 수 있다. 사용자가 도구를 이동시킬 때, 사용자는 3차원 애니메이션에서의 환자의 관절와 스캔에 대한 도구의 배향 및 모션이 수술대 상의 환자의 실제 관절와에 대한 도구의 배향 및 모션과 매칭되는 것을 확인할 수 있다.
일부 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구와 관절와 좌표계 사이의 변환은 윤곽 추적에 의해 계산될 수 있다. 그러한 실시예에서, 핸드헬드형 수술 도구와 인터페이싱하는 지그가 관절와 상에 설치될 수 있다. 핸드헬드형 수술 도구는 관절와의 표면을 따라 추적될 수 있고, 변환은 기록된 윤곽을 예상되는 윤곽에 매칭시킴으로써 계산되어야 한다.
일부 실시예에서, 견갑골 상에 설치된 마커의 배향은 핸드헬드형 수술 도구와 결합함으로써 기록될 수 있다. 견갑골 마커와의 후속 재결합은 핸드헬드형 수술 도구와 관절와 좌표계 사이의 변환의 재계산을 허용하여, 이에 의해 환자 견갑골의 이동성 및 자이로스코프 드리프트(gyroscope drift)로 인한 에러를 포함하지만 이에 제한되지 않는 누적 에러를 제거할 수 있다.
일부 실시예에서, 견관절의 거리는 고관절 인공관절 치환술에 대해 설명된 바와 같이 스캐너 또는 LMD로 측정될 수 있다. 유사하게, 회전 중심은 고관절 인공관절 치환술에 대해 설명된 바와 같이 견관절에 대해 측정될 수 있다.
K-Wire가 견관절 인공관절 치환술에 사용되는 실시예에서, 도 26에 도시된 바와 같은 K-Wire 가이드(975)가 핸드헬드형 수술 도구(200)에 부착될 수 있다. 사용자는 K-Wire(980)를 K-Wire 가이드(975) 내로 삽입하고, K-Wire(980)를 K-Wire 삽입 지점(990) 상에 위치시킬 수 있다. 시각적 디스플레이(410)는 환자의 관절와(875)에 대한 실시간 K-Wire 가이드(975) 위치의 애니메이션과, 원하는 K-Wire 궤적의 묘사를 디스플레이할 수 있다. 사용자는 또한 애니메이션으로부터의 피드백을 이용하여 K-Wire 가이드(975)를 올바른 궤적으로 이동시킬 수 있다. GUI 모듈은, 예를 들어 사운드, 색상 또는 다른 그래픽 수단에 의해, K-Wire 가이드(975)가 원하는 궤적으로부터의 사전지정된 각도 허용차 내에서 유지되고 있을 때를 표시할 수 있다(도 27의 A 및 도 27의 B 참조). 사용자는 K-Wire 가이드(975)가 GUI 모듈에 의해 표시된 대로 올바른 궤적으로 유지되고 있는 동안에 환자의 관절와(875) 내로 K-Wire를 드릴링할 수 있다(도 27 참조).
전술한 시스템 및 방법은 이해의 명확화를 위해서만 제공되고, 대안적인 컴퓨터 지원 수술 내비게이션 시스템 및 방법은 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 예시된 고관절 인공관절 치환술 및 견관절 인공관절 치환술 절차 외에 외과적 절차를 위해 수행될 수 있다.
본 시스템 및 방법의 상세한 실시예가 본원에 개시되어 있지만; 개시된 실시예는 단지 예시적인 것이고, 시스템 및 방법은 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 시스템 및 방법의 다양한 실시예와 관련하여 주어진 예들 각각은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다.
본 명세서 및 하기의 청구범위 전체에 걸쳐, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단어 "포함하다"와, "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 변형은 언급된 정수 또는 단계, 또는 정수 또는 단계의 그룹을 포함하지만, 임의의 다른 정수 또는 단계, 또는 정수 또는 단계의 그룹을 배제하지 않는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
명세서 전체에 걸쳐, 시스템이 구성요소를 포함하는 것으로 설명되는 경우, 달리 설명되지 않는 한, 시스템은 또한 열거된 구성요소 또는 재료의 임의의 조합으로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있는 것으로 고려된다. 마찬가지로, 방법이 특정 단계를 포함하는 것으로 설명되는 경우, 달리 설명되지 않는 한, 방법은 또한 열거된 단계의 임의의 조합으로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있는 것으로 고려된다. 본원에 예시적으로 개시된 발명은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 단계의 부재 하에서 적절하게 실시될 수 있다.
본원에 개시된 방법과, 그 개별 단계의 실시는 수동으로 수행되고, 그리고/또는 전자 장비의 도움으로 또는 전자 장비에 의해 제공된 자동화로 수행될 수 있다. 프로세스가 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 방법과 연관된 동작을 수행하는 다른 방식이 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 다양한 단계의 순서는, 달리 설명되지 않는 한, 방법의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있다. 또한, 개별 단계 중 일부는 조합되거나 생략되거나, 추가 단계로 더욱 세분화될 수 있다.
본원에 인용된 모든 특허, 공보 및 참고 문헌은 본원에 인용에 의해 완전히 포함된다. 본 개시와 통합된 특허, 공보 및 참고 문헌이 상충하는 경우에는, 본 개시가 우선해야 한다.

Claims (40)

  1. 환자에게 사용하기 위한 수술 내비게이션 시스템에 있어서,
    (a) 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구로서, 상기 핸드헬드형 수술 도구는 핸들 및 기구 샤프트를 포함하는, 상기 핸드헬드형 수술 도구와,
    (b) 적어도 하나의 컴퓨팅 장치 및 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치를 표시하도록 구성된 시각적 디스플레이를 포함하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 모듈을 포함하고,
    (c) 선택적으로, 이미징 장치를 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핸들은 프로세서 및 적어도 하나의 센서 유닛을 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 유닛은 3축 가속도계, 3축 속도 자이로스코프, 3축 자력계, 또는 이들의 조합을 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 유닛은 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향 데이터를 생성하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서 또는 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 상기 배향 데이터에 기초하여 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 결정하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 프로세서 또는 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향과 비교하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 시각적 디스플레이는 상기 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향으로부터 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향의 임의의 편차를 표시하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 장치를 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 장치는 3차원 이미지 또는 윤곽으로 변환될 수 있는 데이터를 생성하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 장치는 비행시간 카메라, 한 쌍의 입체 카메라, 또는 3차원 스캐닝 도구를 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    환자의 해부학적 구조의 일부에 부착 가능한 적어도 하나의 마커를 더 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    환자의 해부학적 구조의 상이한 부분에 각각 부착 가능한 2개의 마커를 더 포함하는
    수술 내비게이션 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    마커 인게이저가 상기 핸드헬드형 수술 도구에 부착될 수 있고, 상기 마커 인게이저는 설정된 배향으로 하나 이상의 마커와 결합하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는 하나 이상의 마커의 배향을 검출하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는 하나 이상의 마커에 대한 해부학적 특징부의 선형 거리 및 각도 배향을 측정하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  16. 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 표면의 3차원 모델 또는 윤곽을 생성하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 표면의 3차원 모델 또는 윤곽은 상기 이미징 장치로부터의 데이터에 기초하여 생성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 원하는 위치로부터의 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치의 편차, 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 및 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 3차원 모델 중 하나 이상에 대한 데이터를 수신하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 3차원 모델, 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 중 하나 이상을 오버레이하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 환자의 해부학적 구조 또는 그 일부의 이미지, 환자의 해부학적 구조 및 그 일부의 3차원 모델, 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치, 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 중 하나 이상을 디스플레이하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 상기 오버레이를 디스플레이하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치와 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 사이의 편차를 정성적으로 또는 정량적으로 표시하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 하나 이상의 시각적 표시에 의해 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치와 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 사이의 편차를 표시하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  24. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 하나 이상의 청각적 표시에 의해 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치와 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 사이의 편차를 표시하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  25. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GUI 모듈은 하나 이상의 촉각적 표시에 의해 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치와 상기 핸드헬드형 수술 도구의 원하는 위치 사이의 편차를 표시하도록 구성되는
    수술 내비게이션 시스템.
  26. 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법에 있어서의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 기재된 수술 내비게이션 시스템의 용도.
  27. 인공관절 치환술을 받는 환자에게의 보철물 이식의 정확도를 개선하는 방법에 있어서의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 기재된 수술 내비게이션 시스템의 용도.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 인공관절 치환술은 고관절 인공관절 치환술, 슬관절 인공관절 치환술 및 견관절 인공관절 치환술로부터 선택되는
    용도.
  29. 수술 내비게이션 시스템을 사용하여 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법에 있어서,
    상기 수술 내비게이션 시스템은,
    (a) 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구로서, 상기 핸드헬드형 수술 도구는 핸들 및 기구 샤프트를 포함하는, 상기 핸드헬드형 수술 도구와,
    (b) 적어도 하나의 컴퓨팅 장치 및 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치를 표시하도록 구성된 시각적 디스플레이를 포함하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 모듈을 포함하고,
    (c) 선택적으로, 이미징 장치를 포함하며,
    상기 방법은,
    (i) 상기 인공관절 치환술의 관절을 노출시키는 것과,
    (ii) 상기 관절의 해부학적 특징부 상에 하나 이상의 마커를 배치하는 것과,
    (iii) 상기 핸드헬드형 수술 도구를 상기 하나 이상의 마커와 결합하고, 결합 동안 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 기록하는 것과,
    (iv) 상기 관절의 배향에 대한 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 정합시키는 것과,
    (v) 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향 및 상기 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향을 상기 시각적 디스플레이 상에 디스플레이하는 것과,
    (vi) 상기 핸드헬드형 수술 도구 및 상기 시각적 디스플레이를 사용하여 상기 보철물을 이식하는 것을 포함하며,
    상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향은 상기 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향에 따라 조정되는
    보철물 이식 방법.
  30. 수술 내비게이션 시스템을 사용하여 인공관절 치환술을 받는 환자에게 보철물을 이식하는 방법에 있어서,
    상기 수술 내비게이션 시스템은,
    (a) 컴퓨터 지원 내비게이션 기능을 갖는 핸드헬드형 수술 도구로서, 상기 핸드헬드형 수술 도구는 핸들 및 기구 샤프트를 포함하는, 상기 핸드헬드형 수술 도구와,
    (b) 적어도 하나의 컴퓨팅 장치 및 상기 핸드헬드형 수술 도구의 위치를 표시하도록 구성된 시각적 디스플레이를 포함하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 모듈을 포함하고,
    (c) 선택적으로, 이미징 장치를 포함하며,
    상기 방법은,
    (i) 상기 인공관절 치환술의 관절을 노출시키는 것과,
    (ii) 상기 이미징 장치를 사용하여 상기 관절 또는 그 일부의 해부학적 구조의 이미지 데이터를 기록하는 것과,
    (iii) 상기 GUI 모듈을 사용하여 상기 관절 또는 그 일부의 해부학적 구조의 3차원 이미지 또는 윤곽을 생성하는 것과,
    (iv) 상기 핸드헬드형 수술 도구를 상기 관절 상의 하나 이상의 해부학적 특징부와 결합하고, 결합 동안 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 기록하는 것과,
    (v) 상기 관절의 배향에 대한 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 정합시키는 것과,
    (vi) 상기 3차원 이미지 또는 윤곽, 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향 및 상기 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향 중 하나 이상을 상기 시각적 디스플레이 상에 디스플레이하는 것과,
    (vii) 상기 핸드헬드형 수술 도구 및 상기 시각적 디스플레이를 사용하여 상기 보철물을 이식하는 것을 포함하며,
    상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향은 상기 핸드헬드형 수술 도구에 대한 사전결정된 타겟 배향에 따라 조정되는
    보철물 이식 방법.
  31. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 핸들은 프로세서 및 적어도 하나의 센서 유닛을 포함하는
    보철물 이식 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 유닛은 3축 가속도계, 3축 속도 자이로스코프, 3축 자력계, 또는 이들의 조합을 포함하는
    보철물 이식 방법.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 유닛은 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향 데이터를 생성하도록 구성되는
    보철물 이식 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 프로세서 또는 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 상기 배향 데이터에 기초하여 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 결정하도록 구성되는
    보철물 이식 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 프로세서 또는 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 장치는 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향을 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향과 비교하도록 구성되는
    보철물 이식 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 시각적 디스플레이는 상기 적어도 하나의 사전설정된 타겟 배향으로부터 상기 핸드헬드형 수술 도구의 배향의 임의의 편차를 표시하도록 구성되는
    보철물 이식 방법.
  37. 제 29 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 장치는 3차원 이미지 또는 윤곽으로 변환될 수 있는 데이터를 생성하도록 구성되는
    보철물 이식 방법.
  38. 제 29 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 장치는 비행시간 카메라, 한 쌍의 입체 카메라, 또는 3차원 스캐닝 도구를 포함하는
    보철물 이식 방법.
  39. 제 29 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공관절 치환술은 고관절 인공관절 치환술, 슬관절 인공관절 치환술 및 견관절 인공관절 치환술로부터 선택되는
    보철물 이식 방법.
  40. 제 29 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공관절 치환술은 고관절 인공관절 치환술인
    보철물 이식 방법.
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