WO2018080086A2 - 수술 항법 시스템 - Google Patents

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WO2018080086A2 PCT/KR2017/011486 KR2017011486W WO2018080086A2 WO 2018080086 A2 WO2018080086 A2 WO 2018080086A2 KR 2017011486 W KR2017011486 W KR 2017011486W WO 2018080086 A2 WO2018080086 A2 WO 2018080086A2
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제민규
서안나
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김현덕
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한국과학기술원
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    • A61F2/4684—Trial or dummy prostheses

Definitions

  • the embodiments below relate to surgical navigation systems.
  • Total hip arthroplasty refers to the replacement of both the acetabular and femoral parts of the hip joint (pelvic joint or hip joint) with artificial implants. That is, when the hip joint is destroyed due to various reasons and cannot function, it is a surgical method of reconstructing the broken hip joint using an insert to move in the same manner as the normal hip joint.
  • the femoral insert used in performing total hip arthroplasty consists of a head shaped like a ball and a stem connected to the head and inserted into the femoral shaft.
  • the acetabular insert replacing the acetabular socket is made of metal.
  • stem anteversion as an angle to be careful when inserting the stem.
  • the stem spread angle is suitably about 10-20 ° with respect to the condylar axis.
  • cup inclination and cup anteversion as angles to note when inserting the cup in total hip arthroplasty.
  • the cup tilt is about 35-45 ° with respect to the axial plane, and the cup propagation angle is about 10-20 ° with respect to the coronal plane.
  • U. S. Patent No. 6,206, 929 discloses a bipolar hip prosthesis with locking head (BIPOLAR HIP PRSTHESIS WITH LOCKING HEAD).
  • An object according to an embodiment is to provide a surgical navigation system that can reduce the surgical error that may occur according to the characteristic anatomical differences of each patient when performing total hip arthroplasty.
  • An object according to an embodiment is to provide a surgical navigation system for registering and tracking the position of the surgical site and the position of the surgical tool, respectively, using both an inertial sensor and an electromagnetic sensor.
  • An object according to an embodiment is to provide a surgical navigation system that can reduce the size of the sensing unit used in the surgical navigation system using a customized surgical guide tool including an electromagnetic sensor-based marker and achieves the miniaturization of space.
  • An object according to an embodiment is to provide a surgical navigation system that tracks the position of the surgical tool during the operation by using a customized surgical guide tool including an electromagnetic sensor-based marker only before surgery.
  • An object according to one embodiment is to provide a surgical navigation system that can accurately insert the acetabular cup and stem when performing total hip arthroplasty.
  • the surgical navigation system the electromagnetic wave generator; A first sensing part attached to a surgical part of the object to sense a position attached to the surgical part; A second sensing unit installed in the customized surgical guide tool inserted into the surgical site, for receiving an electromagnetic wave and detecting a position of the customized surgical guide tool; A third sensing unit installed in the surgical tool inserted into the surgical site and detecting a position of the surgical tool;
  • the position of the customized surgical guide tool is set as a reference position to register the position of the first sensing unit and the position of the third sensing unit, and the first sensing unit is An information processor for tracking the position of the surgical tool based on the position attached to the surgical part; And a display unit displaying information including the object, the position of the customized surgical guide tool, and the position of the surgical tool.
  • the information processing unit may set an insertion path of the surgical tool inserted into the surgical site, and the display unit may further display an insertion path of the surgical tool on a 3D object model.
  • the first sensing unit includes an inertial sensor for displaying the position of the surgical site of the object
  • the second sensing unit includes an electromagnetic sensor for displaying the position of the customized surgical guide tool
  • the third sensing unit The part may include an inertial sensor for displaying the position of the surgical tool.
  • the second sensing unit may be removed together when the tailored surgical guide tool is removed from the surgical site of the subject.
  • the surgical site of the subject includes acetabular pelvis
  • the surgical tool includes a reamer inserted into the surgical site
  • the information processing unit may set an axis for reaming the reamer inserted into the surgical site of the subject. have.
  • the surgical site of the subject includes a femoral neck and femoral bone of the femur
  • the surgical tool includes a box chisel, a test femoral stem and a femoral stem inserted into the surgical site, and the information processing unit is inserted into the subject.
  • the insertion axis of the box chisel, the test thigh and the thigh can be set.
  • the information processing unit may correspond to the coordinates of the 3D object model and the coordinates of the object when the tailored surgical guide tool is inserted into the surgical site of the object.
  • the apparatus may further include a photographing unit configured to acquire an object image from the object in real time, and the display unit may display an insertion path of the surgical tool on the object image and the object image.
  • the surgical navigation system may reduce surgical errors that may occur due to characteristic anatomical differences of individual patients when performing total hip arthroplasty.
  • the surgical navigation system may register and track the position of the surgical site and the position of the surgical tool, respectively, using both an inertial sensor and an electromagnetic sensor.
  • the surgical navigation system may reduce the size of the sensing unit used in the surgical navigation system by using a customized surgical guide tool including an electromagnetic sensor-based marker, and achieve miniaturization of a space.
  • the surgical navigation system can track the position of the surgical tool during operation by using a customized surgical guide tool including an electromagnetic sensor-based marker only before surgery.
  • the surgical navigation system can accurately insert the acetabular cup and stem when performing total hip arthroplasty.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a series of processes for performing total hip arthroplasty using a surgical navigation system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a surgical navigation system for inserting the acetabular cup according to an embodiment.
  • FIG 3 is a view schematically showing a state in which a custom-made surgical guide tool is inserted into the surgical site according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a view schematically showing a state in which the surgical tool is inserted into the surgical site along the optimal non-constructing according to an embodiment.
  • 5A is a diagram illustrating an inertial sensor based marker according to an exemplary embodiment.
  • 5B is a view illustrating an inertial sensor based marker according to another embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an appearance of an electromagnetic sensor based marker, according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a surgical navigation system for inserting the femoral stem according to one embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a state in which a customized surgical guide tool for thighs is inserted into a surgical site according to an exemplary embodiment.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a series of processes for performing total hip arthroplasty using a surgical navigation system according to an embodiment.
  • an operator may obtain a CT image from an object and generate a 3D object model from the CT image (S101).
  • the operator may be understood as referring to a person performing a surgery, a robot, or the like.
  • the subject refers to pelvis (fevis), femur, tibia, etc., such as a person undergoing surgery, an animal, etc.
  • the subject is exemplarily described in the case of the pelvis and the femur.
  • the 3D object model refers to a virtual image, 3D cloud data, and the like obtained from a CT image by a configuration such as a processor (for example, a computer). By way of example, but not limited to the virtual image.
  • the operator may manufacture a customized surgical guide tool having a three-dimensional shape in which a sensor (for example, an electromagnetic sensor) is embedded (S102).
  • the customized surgical guide tool refers to a surgical tool suitable for the feature point according to the anatomical difference of the patient, and is also referred to as a patient specific instrument (PSI).
  • PSI patient specific instrument
  • the surgeon may manufacture a hemisphere PSI for a hemispherical customized surgical guide tool corresponding to the shape of the acetabulum.
  • the operator may manufacture a PSI for femoral surgery, which is a customized surgical guide tool having a concave groove corresponding to the shape of the neck of femur.
  • the operator may dislocate the femur from the pelvis and insert the femoral PSI into the femoral neck (S103).
  • the operator may perform registration between the femoral PSI and the 3D object model, and after registration, may remove the femoral PSI and perform femoral neck ablation (S104).
  • registration refers to the correspondence between the coordinates of the actual model and the coordinates of the virtual model, and is referred to as coordinate registration (geocoding). In other words, registration refers to a process of geometrically aligning to nest two or more images.
  • the surgical navigation system may set and display an optimal resection line using augmented reality or virtual reality.
  • the operator may insert the aspheric PSI corresponding to the anatomical features of the subject's acetabular into the acetabular to perform registration between the acetabular PSI and the three-dimensional object model (S105).
  • the surgical navigation system may set an optimal acetabular axis by using augmented reality or virtual reality (S106). For example, when a web camera is provided in the surgical navigation system, the pelvis may be photographed in real time through the web camera, and the non-construction may be optimally set up for expanding the acetabular image from the captured pelvis image.
  • augmented reality or virtual reality S106
  • the pelvis may be photographed in real time through the web camera, and the non-construction may be optimally set up for expanding the acetabular image from the captured pelvis image.
  • the operator may perform reaming along the set optimal non-construction (S107).
  • reaming refers to a process of grinding the shape of the acetabular cup to be inserted into the acetabular cup, which is also referred to as expansion.
  • the operator may use a reamer.
  • the operator can insert an acetabular cup along the optimal optimal non-constructing (S108), and according to the femoral contagion angle set and displayed by augmented reality or virtual reality, the operator will use the box chisel (box chisel) and the test femoral stem can be inserted into the femur (S109), the femoral stem can be inserted into the femur (S110) while determining the position of the femoral stem indicated by augmented reality or virtual reality (S110). .
  • FIG. 2 is a view schematically showing a surgical navigation system for inserting the acetabular cup according to an embodiment
  • Figure 3 is a view showing a state in which the customized surgical guide tool for acetabular insert according to an embodiment into the surgical site
  • 4 is a view schematically showing a state in which the surgical tool is inserted into the surgical site along the optimal non-constructing according to an embodiment.
  • the surgical navigation system 1 may include an electromagnetic wave generator 11, a first detector 121, a second detector 131, and a third detector ( 141, an information processor (not shown), and a display unit 15.
  • the surgical navigation system 1 may be used to operate a hip joint in a human body, an animal, and the like.
  • an exemplary embodiment in which the surgical navigation system 1 is used in the pelvis and the femur in a human body will be described.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the electromagnetic wave generator 11 may generate an electromagnetic wave.
  • the generated electromagnetic waves propagate in a space such as an operating room in which the surgical navigation system 1 is used, and can sense a configuration such as an electromagnetic sensor. In other words, position information of the electromagnetic sensor may be acquired due to the electromagnetic wave generated from the electromagnetic wave generator 11.
  • the first detection unit 121 may be attached to a surgical site of the object to detect a location attached to the surgical site.
  • the first detecting unit 121 may include an inertial sensor for displaying the position of the surgical region of the object.
  • the surgical site refers to a site of surgery when performing total hip arthroplasty.
  • the surgical site may include the acetabular (A) of the pelvis (P).
  • the first sensing unit 121 may be attached to an edge of the acetabular A. According to the position where the first sensing unit 121 is attached as described above, the scale of exfoliation of the surrounding soft tissues can be minimized than when the first sensing unit 121 is attached to the sciatic and the iliac bone. It can be, and there is an advantage that does not need to incision site irrelevant to surgery.
  • the second detecting unit 131 may receive the electromagnetic wave generated from the electromagnetic wave generating unit 11 and detect the position of the customized surgical guide tool. If the object is a pelvis (P), the custom surgical guide tool 13 may be made to fit the shape of the surgical site (A), such as acetabular, the custom surgical guide tool 13 is a surgical site (A) during the surgical procedure ) Can be inserted into the surgical site (A) to fit the shape.
  • the second sensing unit 131 may include an electromagnetic sensor based marker for displaying the position of the customized surgical guide tool 13. In this case, when the second sensing unit 131 receives the electromagnetic wave, a position where the second sensing unit 131 is installed may be sensed by the information processing unit to be described later.
  • the second sensing unit 131 may be installed in the customized surgical guide tool 13 inserted into the surgical site A, and the information processing unit may be installed as the second sensing unit 131 receives the electromagnetic wave.
  • Location information of the customized surgical guide tool 13 can be obtained.
  • the second sensing unit 131 may detect the position where the customized surgical guide tool 13 is inserted, and thus the information processing unit. Can obtain the position information of the acetabule (A) in which the customized surgical guide tool 13 is inserted.
  • the tailored surgical guide tool 13 is temporarily used before performing a surgery to register the position of the surgical site A on which the first sensing unit 121 is disposed, and is not used during the surgery.
  • the second sensing unit 131 may be removed together when the tailored surgical guide tool 13 is removed from the surgical site A of the object P.
  • the third detecting unit 141 may detect the position of the surgical tool.
  • the surgical tool 14 When the subject is the pelvis P, the surgical tool 14 may be a reamer for reaming the acetabular A, and the surgical tool 14 may be inserted into the surgical site A during the surgery.
  • the third sensing unit 141 may be installed in the surgical tool 14 to detect the position of the surgical tool 14.
  • the third sensing unit 141 may be installed at a handle portion of the reamer of the surgical tool 14, and the third sensing unit 141 may be a surgical tool 14.
  • the third detecting unit 141 may include an inertial sensor for displaying the position of the surgical tool 14.
  • the first detection unit 121 and the third detection unit 141 respectively detect the position of the surgical site A and the position of the surgical tool 14, the position of the surgical site (A) and The positional relationship of the surgical tool 14 can be obtained. In other words, relative positional information of the surgical site A and the surgical tool 14 can be obtained.
  • the information processing unit sets the position of the customized surgical guide tool 13 when the customized surgical guide tool 13 is inserted into the surgical site A as a reference position, and thus the position and the third detection of the first sensing unit 121.
  • the location of the unit 141 may be registered.
  • 3 shows a custom surgical guide tool 13 is inserted into the surgical site (A).
  • the second sensing unit 131 may receive electromagnetic waves generated from the electromagnetic wave generating unit 11, and the information processing unit may acquire position information of the second sensing unit 131.
  • the information processing unit has the second sensing unit 131 located at the surgical site A, and based on the position of the second sensing unit 131 at this time. Can be set to position.
  • one end of the surgical tool 14, in which the third sensing unit 141 is installed may be positioned adjacent to the customized surgical guide tool 13, and the information processing unit may be located in the position of the first sensing unit 121 and the third.
  • the location of the detector 141 may be registered.
  • the position of the second sensing unit 131 is set as a reference position as the location of the surgical site A, and then the The position of the first sensing unit 121 and the position of the third sensing unit 141 may be registered together.
  • the information processing unit by registering the position of the surgical guide tool 13 obtained as described above (operation site (A) in Figure 3) as a reference position, relative position of the surgical tool 14 relative to the reference position Can be tracked.
  • the information processing unit may track the position of the surgical tool 14 based on the position at which the first sensing unit 121 is attached to the surgical site A.
  • FIG. Accordingly, the information processing unit acquires the relative positional relationship of the surgical tool 14 in which the third sensing unit 141 is installed, based on the position where the first sensing unit 121 is attached to the surgical site A.
  • the position of the surgical tool 14 can be tracked continuously as it progresses.
  • the information processing unit may set the insertion path La of the surgical tool 14 to be inserted into the surgical site A. While the surgery is in progress, the operator needs to insert the surgical tool 14 correctly into the surgical site A. To this end, the information processing unit, by setting the insertion path La of the surgical tool 14 so that the surgical tool 14 is correctly inserted into the surgical site (A) to guide the operator to insert the surgical tool 14 Can be generated. For example, when the object is the pelvis P, the information processor may set an axis for reaming the surgical tool 14 inserted into the acetabular A of the pelvis P.
  • the acetabular cup is correctly inserted into the acetabular A without error when the operator inserts the acetabular cup into the acetabular A of the pelvis P. Can be.
  • the information processing unit may correspond to the coordinates of the 3D object model and the coordinates of the object.
  • the three-dimensional object model generated from the CT image of the object includes three-dimensional coordinates.
  • the information processing unit registers the position of the customized surgical guide tool 13 when the customized surgical guide tool 13 is inserted into the surgical site A, the pelvis P and the acetabular A
  • the coordinate information of may correspond to the coordinate information of the virtual pelvis VP and the coordinate information of the virtual aspheric VA included in the 3D object model.
  • the display unit 15 may display the insertion path of the surgical tool 14 on the 3D object model. According to this method, the operator can easily identify the insertion path of the surgical tool 14 while checking the three-dimensional object model through the display unit 15, and the operation can be performed without error rather than depending on the operator's senses. Can be.
  • the surgical navigation system 1 may further include a longitudinal member W connecting the first sensing unit 121, the customized surgical guide tool 13, and the surgical tool 14, respectively.
  • the longitudinal member W may be a wire, a cable, an arm, a link, or the like.
  • the tailored surgical guide tool 13 can be inserted exactly to fit the surgical site (A) when inserted into the surgical site (A) along the longitudinal member (W).
  • the ends of the longitudinal member (W) may be connected to a predetermined position in the first sensing unit 121, the tailored surgical guide tool 13 and the surgical tool 14, the longitudinal member (W) in the longitudinal direction Can stretch or contract.
  • the surgical navigation system 1 may further include a photographing unit 16 that acquires an object image from the object P in real time.
  • the display unit 15 may display the object image and the insertion path La of the surgical tool 14 on the object image.
  • the photographing unit 16 may be a web camera, a camera of a smartphone, or the like, and may acquire an image of the pelvis P in real time and transmit it to the display unit 15.
  • the display unit 15 may have a configuration such as a display.
  • FIG. 5A is a view showing an inertial sensor based marker according to an embodiment
  • FIG. 5B is a view showing an inertial sensor based marker according to another embodiment
  • FIG. 6 is an electromagnetic sensor based on an embodiment The figure which shows the state of a marker.
  • FIG. 5A and 5B an exemplary view of a cylindrical inertial sensor-based marker in FIG. 5A and a first sensing unit 121 and a third including a coin-sized rectangular inertial sensor-based marker are illustrated in FIG. 5B.
  • An exemplary view of the sensing unit 141 is shown. According to such a structure, during surgery, side effects such as bleeding may not occur due to the small size of the inertial sensor-based marker, and may not interfere with a path into which the surgical tool is inserted.
  • FIG. 6 is an exemplary view of a second sensing unit 131 including a cylindrical electromagnetic sensor based marker. According to such a structure, since it can be inserted and installed in the center part of the hemispherical customized surgical guide tool 13, the efficiency of space can be achieved while receiving electromagnetic waves efficiently.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a surgical navigation system for inserting the femoral stem according to one embodiment
  • Figure 8 is a view showing a state in which the customized surgical guide tool for the femoral insert according to an embodiment inserted into the surgical site. .
  • the surgical navigation system 2 includes an electromagnetic wave generator 21, a first detector 221, a second detector 231, and a third detector 241. ), An information processing unit and a display unit 25.
  • the first detection unit 221 may include a femoral neck portion (HF) or a proximal femur of the femur (F). In this case, the first sensing unit 221 may be attached to the edge of the femoral neck portion HF or the proximal femur.
  • the second detecting unit 231 may be installed in a customized surgical guide tool 23 that is manufactured according to the shape of the femoral neck portion (HF).
  • the third sensing unit 241 may be installed in the surgical tool 24 inserted into the femur F when the subject is the femur F.
  • the surgical tool 24 may be a surgical site, for example, a vox chisel inserted into the femoral neck (HF) or proximal femur, a test femoral stem (not shown), and a femoral stem (not shown).
  • FIG. 8 illustrates a case in which the box chisel, the test femoral stem, and the femoral stem are inserted into the femoral neck HF in a state where the femoral neck portion HF is not excised, but is not limited thereto.
  • a box chisel, a test femoral stem and a femoral stem may be temporarily used in the course of performing registration to track the position in relation to the first sensing unit 221 after ablation of the femoral neck (HF) or proximal femur.
  • HF femoral neck
  • the vox chisel, the test femoral stem and the femoral stem may be used for the registration process and the tracking process with the femoral neck (HF) removed, respectively.
  • the information processing unit can set the insertion axis Lb of the vox chisel 24 inserted into the femur F, the test femoral stem and the femoral stem.
  • the information processing unit sets the position of the customized surgical guide tool 23 when the customized surgical guide tool 23 is inserted into the surgical site HF as a reference position, and thus the position and the third detection of the first sensing unit 221.
  • the position of the unit 241 can be registered.
  • the information processing unit recognizes the second sensing units 231 on the customized surgical guide tool 23 as coordinates of the customized surgical guide tool 23, and recognizes the recognized coordinates on the 3D object model VF. To match them.
  • the surgical navigation system 2 may further include a longitudinal member W connecting the first sensing unit 221, the customized surgical guide tool 23, and the surgical tool 24.
  • the surgical navigation system 2 may further include a photographing unit 26 that acquires an object image from the object F in real time.
  • Surgical navigation system can reduce the surgical error that can occur according to the characteristic anatomical differences of each patient when performing total hip arthroplasty, the location of the surgical site using both inertial and electromagnetic sensors
  • the use of a custom surgical guide tool that includes an electromagnetic sensor-based marker only before surgery allows the position of the surgical tool to be tracked without distortion of the electromagnetic field during surgery. Accurate insertion of the acetabular cup and stem during total hip arthroplasty That has the advantage.

Abstract

일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은, 전자기파 발생부; 대상체의 수술부위에 부착되어 상기 수술부위에 부착된 위치를 감지하는 제1감지부; 상기 수술부위로 삽입되는 맞춤형수술가이드도구에 설치되고, 전자기파를 수신하고 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 감지하는 제2감지부; 상기 수술부위로 삽입되는 수술도구에 설치되고, 상기 수술도구의 위치를 감지하는 제3감지부; 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 수술부위로 삽입된 경우의 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 기준 위치로 설정하여 상기 제1감지부의 위치 및 상기 제3감지부의 위치를 등록하고, 상기 제1감지부가 상기 수술부위에 부착된 위치를 기준으로 상기 수술도구의 위치를 추적하는 정보처리부; 및 상기 대상체, 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치 및 상기 수술도구의 위치를 포함하는 정보를 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.

Description

수술 항법 시스템
이하, 실시예들은 수술 항법 시스템에 관한 것이다.
고관절 전치환술(Total Hip Arthroplasty)이란 고관절(골반 관절 또는 엉덩이 관절)을 이루는 골반골 부분인 비구와 대퇴골을 모두 인공으로 만든 삽입물로 교체하는 것을 말한다. 즉, 고관절이 여러 가지 원인으로 인하여 파괴되어 제 기능을 할 수 없게 된 경우, 파괴된 고관절을 정상 고관절과 같은 방식으로 움직일 수 있도록 삽입물을 이용하여 재건하는 수술적 방법이다.
이러한 고관절 전치환술 수행 시 사용되는 대퇴 삽입물은 공 모양으로 된 두부(head) 및 상기 두부와 연결되어 대퇴골 수강에 삽입되는 주대(stem)로 구성되며, 소켓 모양인 비구를 대치하는 비구 삽입물은 금속으로 된 컵(cup)과 그 안의 라이너(liner)로 구성된다.
이러한 고관절 전치환술에서 상기 스템을 삽입할 때 주의할 각도로서 스템 전염각(stem anteversion)이 있다. 상기 스템 전염각은 과축(condylar axis)에 대하여 약 10~20°가 적절하다.
또한, 고관절 전치환술에서 상기 컵을 삽입할 때 주의할 각도로서 컵 기울기(cup inclination) 및 컵 전염각(cup anteversion)이 있다. 상기 컵 기울기는 축면(axial plane)에 대하여 약 35~45°, 상기 컵 전염각은 관상면(coronal plane)에 대하여 약 10~20°가 적절하다.
예를 들어, 미국등록특허공보 제6,206,929호는 록킹 헤드를 가진 양극 힙 인공보철물(BIPOLAR HIP PRSTHESIS WITH LOCKING HEAD)을 개시한다.
일 실시예에 따른 목적은 고관절 전치환술 수행 시 환자 개개인의 특징적인 해부학적 차이에 따라 발생할 수 있는 수술 오차를 감소시킬 수 있는 수술 항법 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 관성 센서 및 전자기 센서를 모두 사용하여 수술부위의 위치 및 수술도구의 위치를 각각 등록 및 추적하는 수술 항법 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용하여 수술 항법 시스템에 사용되는 감지부의 크기를 감소시킬 수 있고 공간의 소형화를 달성하는 수술 항법 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 수술 전에만 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용함으로써 수술 중에는 전자기장의 왜곡 없이 수술도구의 위치를 추적하는 수술 항법 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 고관절 전치환술 수행 시 비구 컵 및 주대를 정확하게 삽입할 수 있는 수술 항법 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따르면 수술 항법 시스템은, 전자기파 발생부; 대상체의 수술부위에 부착되어 상기 수술부위에 부착된 위치를 감지하는 제1감지부; 상기 수술부위로 삽입되는 맞춤형수술가이드도구에 설치되고, 전자기파를 수신하고 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 감지하는 제2감지부; 상기 수술부위로 삽입되는 수술도구에 설치되고, 상기 수술도구의 위치를 감지하는 제3감지부; 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 수술부위로 삽입된 경우의 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 기준 위치로 설정하여 상기 제1감지부의 위치 및 상기 제3감지부의 위치를 등록하고, 상기 제1감지부가 상기 수술부위에 부착된 위치를 기준으로 상기 수술도구의 위치를 추적하는 정보처리부; 및 상기 대상체, 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치 및 상기 수술도구의 위치를 포함하는 정보를 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
상기 정보처리부는, 상기 수술부위로 삽입되는 상기 수술도구의 삽입 경로를 설정하고, 상기 표시부는, 3차원 대상체 모델에 상기 수술도구의 삽입 경로를 더 표시할 수 있다.
상기 제1감지부는, 상기 대상체의 수술부위의 위치가 표시되기 위한 관성센서를 포함하고, 상기 제2감지부는, 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치가 표시되기 위한 전자기 센서를 포함하고, 상기 제3감지부는, 상기 수술도구의 위치가 표시되기 위한 관성센서를 포함할 수 있다.
상기 제2감지부는, 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 대상체의 수술부위로부터 제거될 때 함께 제거될 수 있다.
상기 대상체의 수술부위는 골반의 비구를 포함하고, 상기 수술도구는 상기 수술부위로 삽입되는 리머를 포함하고, 상기 정보처리부는, 상기 대상체의 수술부위로 삽입되는 리머의 리이밍을 위한 축을 설정할 수 있다.
상기 대상체의 수술부위는 대퇴골의 대퇴경부 및 대퇴골수강을 포함하고, 상기 수술도구는 상기 수술부위로 삽입되는 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대를 포함하고, 상기 정보처리부는, 상기 대상체로 삽입되는 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대의 삽입축을 설정할 수 있다.
상기 정보처리부는, 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 대상체의 수술부위로 삽입된 경우, 상기 3차원 대상체 모델의 좌표 및 상기 대상체의 좌표를 대응시킬 수 있다.
상기 대상체로부터 대상체 이미지를 실시간으로 획득하는 촬영부를 더 포함하고, 상기 표시부는, 상기 대상체 이미지 및 상기 대상체 이미지 상의 상기 수술도구의 삽입 경로를 표시할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 고관절 전치환술 수행 시 환자 개개인의 특징적인 해부학적 차이에 따라 발생할 수 있는 수술 오차를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 관성 센서 및 전자기 센서를 모두 사용하여 수술부위의 위치 및 수술도구의 위치를 각각 등록 및 추적할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용하여 수술 항법 시스템에 사용되는 감지부의 크기를 감소시킬 수 있고 공간의 소형화를 달성할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 수술 전에만 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용함으로써 수술 중에는 전자기장의 왜곡 없이 수술도구의 위치를 추적할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 고관절 전치환술 수행 시 비구 컵 및 주대를 정확하게 삽입할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 수술 항법 시스템을 사용하여 고관절 전치환술을 수행하는 일련의 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 비구컵 삽입을 위한 수술 항법 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 비구용 맞춤형수술가이드도구가 수술부위로 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수술도구가 최적의 비구축을 따라 수술부위로 삽입되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 관성 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이다.
도 5b는 또 다른 실시예에 따른 관성 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전자기 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7는 일 실시예에 따른 대퇴주대 삽입을 위한 수술 항법 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 대퇴용 맞춤형수술가이드도구가 수술부위로 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 수술 항법 시스템을 사용하여 고관절 전치환술을 수행하는 일련의 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 술자(operator)는 대상체로부터 CT 이미지를 획득하여 상기 CT 이미지로부터 3차원 대상체 모델을 생성할 수 있다(S101). 여기서, 술자란 수술을 수행하는 사람, 로봇 등을 가리키는 것으로 이해할 수 있다. 또한, 대상체란 수술을 받는 사람, 동물 등의 골반(pelvis), 대퇴골(femur), 경골(tibia) 등을 가리키는 것으로, 본원에서는 예시적으로 대상체를 골반 및 대퇴골의 경우로 가정하여 설명하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 3차원 대상체 모델이란 CT 이미지로부터 프로세서(예를 들어, 컴퓨터 등)와 같은 구성에 의하여 획득되는 가상의 이미지(virtual image), 3차원 클라우드 데이터 등을 말하는 것으로, 본원에서는 3차원 대상체 이미지를 예시적으로 가상의 이미지로 설명하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
술자는 3차원 대상체 모델을 기초로 하여 센서(예를 들어, 전자기 센서)가 내장된 3차원 형상의 맞춤형수술가이드도구를 제작할 수 있다(S102). 여기서, 맞춤형수술가이드도구란 환자의 해부학적 차이에 따른 특징점에 적합한 수술도구를 말하는 것으로서, 환자맞춤형수술가이드도구(PSI, patient specific instrument)로도 언급된다. 예를 들어, 대상체가 골반인 경우, 술자는 비구(acetabulum)의 형상에 대응하는 반구형의 맞춤형수술가이드도구인 비구용 PSI를 제작할 수 있다. 또한, 대상체가 대퇴골인 경우, 술자는 대퇴경부(neck of femur)의 형상에 대응하는 오목홈을 구비한 맞춤형수술가이드도구인 대퇴용 PSI를 제작할 수 있다.
술자는 골반으로부터 대퇴골을 탈구시키고 대퇴경부로 대퇴용 PSI를 삽입할 수 있다(S103).
술자는 대퇴용 PSI와 3차원 대상체 모델 사이에 등록(registration)을 수행할 수 있으며, 등록 이후에는 대퇴용 PSI를 제거하고 대퇴경부절제를 시행할 수 있다(S104). 여기서, 등록이란 실제의 모델의 좌표와 가상의 모델의 좌표 사이에 서로 대응시키는 것을 말하며, 좌표등록(coordinate registration; geocoding)으로서 언급된다. 다시 말하면, 등록이란 두 개 이상의 이미지를 포개기 위하여 기하학적으로 정렬하는 처리 방식을 말한다. 또한, 대퇴용 PSI를 제거하고 대퇴경부절제를 시행하기 이전에 수술 항법 시스템은 증강현실(augmented reality) 또는 가상현실(virtual reality)을 이용하여 최적의 절제선을 설정 및 표시할 수 있다.
술자는 대상체의 비구의 해부학적 특징점에 맞는 비구용 PSI를 비구에 삽입하여 비구용 PSI와 3차원 대상체 모델 사이에 등록을 수행할 수 있다(S105).
이후, 술자에 의하여 비구용 PSI가 제거된 후, 수술 항법 시스템은 증강현실 또는 가상현실을 이용하여 최적의 비구축(acetabular axis)을 설정할 수 있고 상기 비구축을 표시할 수 있다(S106). 예를 들어, 수술 항법 시스템에 웹 카메라(web camera)가 구비된 경우, 웹 카메라를 통하여 실시간으로 골반을 촬영하고, 촬영된 골반의 이미지로부터 비구에 확공을 위한 비구축을 최적으로 설정할 수 있다.
술자는 설정된 최적의 비구축을 따라 리이밍(reaming)을 할 수 있다(S107). 여기서 리이밍이란 비구를 삽입할 비구컵의 모양에 알맞게 갈아내는 과정을 말하는 것으로, 확공으로도 언급된다. 리이밍을 수행하기 위하여 술자는 리머(reamer)를 사용할 수 있다.
리이밍을 수행한 후, 술자는 설정된 최적의 비구축을 따라 비구컵(acetabular cup)을 삽입할 수 있고(S108), 증강현실 또는 가상현실에 의하여 설정되고 표시되는 대퇴 전염각에 따라 술자는 복스치즐(box chisel) 및 시험용 대퇴주대를 대퇴골로 삽입할 수 있고(S109), 증강현실 또는 가상현실에 의하여 표시되는 대퇴 주대(stem)의 위치를 파악하며 대퇴 주대를 대퇴골로 삽입할 수 있다(S110).
도 2는 일 실시예에 따른 비구컵 삽입을 위한 수술 항법 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 비구용 맞춤형수술가이드도구가 수술부위로 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 수술도구가 최적의 비구축을 따라 수술부위로 삽입되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 수술 항법 시스템(1)은, 전자기파 발생부(11), 제1감지부(121), 제2감지부(131), 제3감지부(141), 정보처리부(미도시) 및 표시부(15)를 포함할 수 있다. 수술 항법 시스템(1)은 인체, 동물 등을 대상으로 고관절을 수술할 때 사용될 수 있으며, 본원에서는 예시적으로 수술 항법 시스템(1)이 인체를 대상으로 골반 및 대퇴골에 사용되는 실시예를 설명하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
전자기파 발생부(11)는, 전자기파(electromagnetic wave)를 발생시킬 수 있다. 발생된 전자기파는 수술 항법 시스템(1)이 사용되는 수술방과 같은 공간 내에서 전파되고, 전자기 센서와 같은 구성을 감지할 수 있다. 다시 말하면, 전자기파 발생부(11)로부터 발생한 전자기파로 인하여 전자기 센서의 위치 정보를 획득할 수 있다.
제1감지부(121)는, 대상체의 수술부위에 부착되어 수술부위에 부착된 위치를 감지할 수 있다. 제1감지부(121)는, 대상체의 수술부위의 위치가 표시되기 위한 관성센서(inertial sensor)를 포함할 수 있다. 여기서, 수술부위는 고관절 전치환술 수행 시 수술의 대상이 되는 부위를 말한다. 예를 들어, 대상체가 골반(P)인 경우, 수술부위는 골반(P)의 비구(A)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1감지부(121)는, 비구(A)의 가장자리(acetabulum margin)에 부착될 수 있다. 위와 같이 제1감지부(121)가 부착되는 위치에 따르면, 제1감지부(121)가 좌골(ischium) 및 장골(ilium)에 붙이는 경우보다 주변 연부조직(soft tissue)의 박리 규모가 최소화될 수 있고, 수술과 관계 없는 부위를 절개하지 않아도 되는 장점이 있다.
제2감지부(131)는, 전자기파 발생부(11)로부터 발생하는 전자기파를 수신하고 맞춤형수술가이드도구의 위치를 감지할 수 있다. 대상체가 골반(P)인 경우, 맞춤형수술가이드도구(13)는, 비구와 같은 수술부위(A)의 형상에 맞게 제작될 수 있으며, 수술 과정에서 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)의 형상에 맞도록 수술부위(A)로 삽입될 수 있다. 제2감지부(131)는, 맞춤형수술가이드도구(13)의 위치가 표시되기 위한 전자기 센서(electromagnetic sensor) 기반 마커를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2감지부(131)가 전자기파를 수신하면, 후술할 정보처리부에 의하여 제2감지부(131)가 설치된 위치가 감지될 수 있다. 예를 들어, 제2감지부(131)는, 수술부위(A)로 삽입되는 맞춤형수술가이드도구(13)에 설치될 수 있고, 제2감지부(131)가 전자기파를 수신함에 따라 정보처리부는 맞춤형수술가이드도구(13)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 다시 말하면, 수술부위(A)로 맞춤형수술가이드도구(13)가 삽입된 경우, 제2감지부(131)는 맞춤형수술가이드도구(13)가 삽입된 위치를 감지할 수 있고, 이에 따라 정보처리부는 맞춤형수술가이드도구(13)가 삽입된 비구(A)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 맞춤형수술가이드도구(13)는 제1감지부(121)가 배치된 수술부위(A)의 위치를 등록하기 위하여 일시적으로 수술 수행 전에 사용되고, 수술하는 동안에는 사용되지 않으므로, 수술하는 동안 수술도구들에 의한 전자기파의 왜곡 현상에 의한 전자기파 센서의 정확도 감소 문제로부터 자유로울 수 있다. 이를 위하여, 제2감지부(131)는, 맞춤형수술가이드도구(13)가 대상체(P)의 수술부위(A)로부터 제거될 때 함께 제거될 수 있다.
제3감지부(141)는, 수술도구의 위치를 감지할 수 있다. 대상체가 골반(P)인 경우, 수술도구(14)는, 비구(A)를 리이밍하기 위한 리머일 수 있고, 수술 과정에서 수술도구(14)가 수술부위(A)로 삽입될 수 있다. 제3감지부(141)는, 수술도구(14)의 위치를 감지하기 위하여 수술도구(14)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 제3감지부(141)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 수술도구(14)의 리머의 손잡이 부분에 설치될 수 있고, 제3감지부(141)가 수술도구(14)의 위치를 감지함에 따라 정보처리부는 수술도구(14)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 제3감지부(141)는, 수술도구(14)의 위치가 표시되기 위한 관성센서를 포함할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1감지부(121) 및 제3감지부(141)가 각각 수술부위(A)의 위치 및 수술도구(14)의 위치를 감지함으로써, 수술부위(A)의 위치와 수술도구(14)의 위치 관계가 획득될 수 있다. 다시 말하면, 수술부위(A)와 수술도구(14)의 상대적인 위치 정보가 획득될 수 있다.
정보처리부는, 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)로 삽입된 경우의 맞춤형수술가이드도구(13)의 위치를 기준 위치로 설정하여 제1감지부(121)의 위치 및 제3감지부(141)의 위치를 등록할 수 있다. 도 3에는 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)로 삽입된 모습이 도시된다. 제2감지부(131)는 전자기파 발생부(11)로부터 발생한 전자기파를 수신할 수 있으며, 정보처리부는 제2감지부(131)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)로 삽입되면, 정보처리부는 제2감지부(131)가 수술부위(A)에 위치되고, 이 때 제2감지부(131)의 위치를 기준 위치로 설정할 수 있다. 이 경우, 제3감지부(141)가 설치된 수술도구(14)의 일단부는 맞춤형수술가이드도구(13)에 인접하게 위치될 수 있으며, 정보처리부는 제1감지부(121)의 위치 및 제3감지부(141)의 위치를 등록할 수 있다. 다시 말하면, 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)에 위치함에 따라 제2감지부(131)의 위치는 수술부위(A)의 위치로서 기준 위치로 설정하고, 이후 추적 과정을 위하여 제1감지부(121)의 위치 및 제3감지부(141)의 위치를 함께 등록할 수 있다. 이에 의하면, 정보처리부는, 위와 같이 획득된 맞춤형수술가이드도구(13)의 위치(도 3에서는 수술부위(A))를 기준 위치로 등록함으로써, 기준 위치를 기준으로 수술도구(14)의 상대적인 위치를 추적할 수 있다.
정보처리부는, 제1감지부(121)가 수술부위(A)에 부착된 위치를 기준으로 수술도구(14)의 위치를 추적할 수 있다. 이에 따라, 정보처리부는, 제1감지부(121)가 수술부위(A)에 부착된 위치를 기준으로 제3감지부(141)가 설치된 수술도구(14)의 상대적 위치 관계를 획득함으로써 수술이 진행되는 동안 수술도구(14)의 위치를 계속하여 추적할 수 있다.
정보처리부는, 수술부위(A)로 삽입되는 수술도구(14)의 삽입 경로(La)를 설정할 수 있다. 수술이 진행되는 동안, 술자는 수술도구(14)를 수술부위(A)에 정확히 삽입할 필요가 있다. 이를 위하여, 정보처리부는, 수술도구(14)가 수술부위(A)로 정확하게 삽입되도록 수술도구(14)의 삽입 경로(La)를 설정하여 술자로 하여금 수술도구(14)의 삽입을 안내하는 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 대상체가 골반(P)인 경우, 정보처리부는, 골반(P)의 비구(A)로 삽입되는 수술도구(14)의 리이밍을 위한 축을 설정할 수 있다. 이 경우, 수술도구(14)가 비구(A)의 확공에 사용된 후, 술자가 비구 컵을 골반(P)의 비구(A)에 삽입할 때 오차 없이 비구 컵이 비구(A)에 정확하게 삽입될 수 있다.
정보처리부는, 맞춤형수술가이드도구(13)가 대상체(P)의 수술부위(A)로 삽입된 경우, 3차원 대상체 모델의 좌표 및 대상체의 좌표를 대응시킬 수 있다. 대상체의 CT 이미지로부터 생성된 3차원 대상체 모델은 3차원 좌표를 포함하고 있다. 이 경우, 정보처리부가 맞춤형수술가이드도구(13)가 수술부위(A)로 삽입된 경우의 맞춤형수술가이드도구(13)의 위치를 기준 위치로 등록할 때, 골반(P) 및 비구(A)의 좌표 정보는, 3차원 대상체 모델이 포함하는 가상의 골반(VP)의 좌표 정보 및 가상의 비구(VA)의 좌표 정보와 대응될 수 있다.
표시부(15)는, 수술도구(14)의 삽입 경로를 3차원 대상체 모델에 표시할 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면, 술자는 표시부(15)를 통하여 3차원 대상체 모델을 확인하면서 수술도구(14)의 삽입 경로를 용이하게 파악할 수 있으며, 술자의 감각에 의존하는 것보다 오차 없이 수술이 수행될 수 있다.
수술 항법 시스템(1)은, 제1감지부(121), 맞춤형수술가이드도구(13) 및 수술도구(14)를 각각 연결하는 길이 방향 부재(W)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 길이 방향 부재(W)는 와이어(wire), 케이블(cable), 아암(arm), 링크 등일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 맞춤형수술가이드도구(13)는 길이 방향 부재(W)를 따라 수술부위(A)로 삽입될 때 정확하게 수술부위(A)에 맞게 삽입될 수 있다. 또한, 길이 방향 부재(W)의 단부들은 제1감지부(121), 맞춤형수술가이드도구(13) 및 수술도구(14)에서 미리 정해진 위치에 연결될 수 있고, 길이 방향 부재(W)는 길이 방향으로 신장 또는 수축할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1감지부(121)의 위치 및 제3감지부(141)의 위치를 등록할 때 일관성이 담보되므로, 수술 항법 시스템(1)을 사용하는 술자들이 매번 달라지더라도 제1감지부(121)의 위치 및 제3감지부(141)의 위치의 차이, 즉 상대적 위치 관계의 오차가 감소할 수 있다.
수술 항법 시스템(1)은, 대상체(P)로부터 대상체 이미지를 실시간으로 획득하는 촬영부(16)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 표시부(15)는 대상체 이미지와, 대상체 이미지 상의 수술도구(14)의 삽입 경로(La)를 표시할 수 있다. 예를 들어, 촬영부(16)는, 웹 카메라, 스마트폰의 카메라 등일 수 있고, 골반(P)의 이미지를 실시간으로 획득하여 표시부(15)로 전달할 수 있다. 또한, 표시부(15)는, 디스플레이(display)와 같은 구성일 수 있다. 위와 같은 구조에 의하여, 술자는 수술이 진행되는 동안 실시간으로 대상체의 수술부위와, 수술도구의 삽입 경로를 용이하게 파악할 수 있으며, 술자의 감각에 의존하는 것보다 오차 없이 수술이 수행될 수 있다.
도 5a는 일 실시예에 따른 관성 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이고, 도 5b는 또 다른 실시예에 따른 관성 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이고, 도 6은 일 실시예에 따른 전자기 센서 기반 마커의 모습을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 5a에는 원통 형상의 관성 센서 기반 마커의 예시적인 모습 및 도 5b에는 동전 크기의 직사각형 형상의 관성 센서 기반 마커를 포함하는 제1감지부(121) 및 제3감지부(141)의 예시적인 모습이 도시된다. 이와 같은 구조에 의하면, 수술이 진행되는 동안, 관성 센서 기반 마커의 작은 크기로 인하여 출혈이 발생하는 부작용이 발생하지 않을 수 있고, 수술도구가 삽입 되는 경로를 방해하지 않을 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6에는 원통 형상의 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 제2감지부(131)의 예시적인 모습이 도시된다. 이와 같은 구조에 의하면, 반구 형상의 맞춤형수술가이드도구(13)의 중앙부에 삽입되어 설치될 수 있으므로, 전자기파를 효율적으로 수신하면서도 공간의 효율화를 달성할 수 있다.
도 7는 일 실시예에 따른 대퇴주대 삽입을 위한 수술 항법 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 일 실시예에 따른 대퇴용 맞춤형수술가이드도구가 수술부위로 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 수술 항법 시스템(2)은 전자기파 발생부(21), 제1감지부(221), 제2감지부(231), 제3감지부(241), 정보처리부 및 표시부(25)를 포함할 수 있다.
제1감지부(221)는, 대상체가 대퇴골(F)인 경우, 수술부위는 대퇴골(F)의 대퇴경부(HF) 또는 대퇴골 근위부를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1감지부(221)는, 대퇴경부(HF)의 가장자리 또는 대퇴골 근위부에 부착될 수 있다.
제2감지부(231)는, 대상체가 대퇴골(F)인 경우, 대퇴경부(HF)의 형상에 맞게 제작된 맞춤형수술가이드도구(23)에 설치될 수 있다.
제3감지부(241)는, 대상체가 대퇴골(F)인 경우, 대퇴골(F)로 삽입되는 수술도구(24)에 설치될 수 있다. 이 경우, 수술도구(24)는, 수술부위, 예를 들어 대퇴 경부(HF) 또는 대퇴골 근위부로 삽입되는 복스치즐, 시험용 대퇴주대(미도시) 및 대퇴주대(미도시)일 수 있다. 도 8에는 대퇴경부(HF)가 절제되지 않은 상태에서 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대가 대퇴경부(HF)로 삽입되는 모습이 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 대퇴경부(HF) 또는 대퇴골 근위부를 절제한 후 제1감지부(221)와의 관계에서 위치를 추적하기 위하여 등록을 수행하는 과정에서 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대가 일시적으로 사용될 수 있다. 다시 말하면, 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대는 등록 과정과, 대퇴경부(HF)가 절제된 상태에서 추적 과정에 각각 사용될 수 있다.
정보처리부는, 대퇴골(F)로 삽입되는 복스치즐(24), 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대의 삽입축(Lb)을 설정할 수 있다.
정보처리부는, 맞춤형수술가이드도구(23)가 수술부위(HF)로 삽입된 경우의 맞춤형수술가이드도구(23)의 위치를 기준 위치로 설정하여 제1감지부(221)의 위치 및 제3감지부(241)의 위치를 등록할 수 있다. 예를 들어, 정보처리부는, 맞춤형수술가이드도구(23) 상의 제2감지부(231)들을 맞춤형수술가이드도구(23)의 좌표로서 인식하고, 인식된 좌표를 3차원 대상체 모델(VF) 상의 좌표들과 대응시킬 수 있다.
수술 항법 시스템(2)은, 제1감지부(221), 맞춤형수술가이드도구(23) 및 수술도구(24)를 연결하는 길이 방향 부재(W)를 더 포함할 수 있다.
수술 항법 시스템(2)은, 대상체(F)로부터 대상체 이미지를 실시간으로 획득하는 촬영부(26)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 항법 시스템은 고관절 전치환술 수행 시 환자 개개인의 특징적인 해부학적 차이에 따라 발생할 수 있는 수술 오차를 감소시킬 수 있다는 장점, 관성 센서 및 전자기 센서를 모두 사용하여 수술부위의 위치 및 수술도구의 위치를 각각 등록 및 추적할 수 있다는 장점, 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용하여 수술 항법 시스템에 사용되는 감지부의 크기를 감소시킬 수 있고 공간의 소형화를 달성할 수 있다는 장점, 수술 전에만 전자기 센서 기반 마커를 포함하는 맞춤형수술가이드도구를 사용함으로써 수술 중에는 전자기장의 왜곡 없이 수술도구의 위치를 추적할 수 있다는 장점, 고관절 전치환술 수행 시 비구 컵 및 주대를 정확하게 삽입할 수 있다는 장점을 갖는다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전자기파 발생부;
    대상체의 수술부위에 부착되어 상기 수술부위에 부착된 위치를 감지하는 제1감지부;
    상기 수술부위로 삽입되는 맞춤형수술가이드도구에 설치되고, 전자기파를 수신하고 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 감지하는 제2감지부;
    상기 수술부위로 삽입되는 수술도구에 설치되고, 상기 수술도구의 위치를 감지하는 제3감지부;
    상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 수술부위로 삽입된 경우의 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치를 기준 위치로 설정하여 상기 제1감지부의 위치 및 상기 제3감지부의 위치를 등록하고, 상기 제1감지부가 상기 수술부위에 부착된 위치를 기준으로 상기 수술도구의 위치를 추적하는 정보처리부; 및
    상기 대상체, 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치 및 상기 수술도구의 위치를 포함하는 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 수술 항법 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정보처리부는, 상기 수술부위로 삽입되는 상기 수술도구의 삽입 경로를 설정하고, 상기 표시부는, 3차원 대상체 모델에 상기 수술도구의 삽입 경로를 더 표시하는 수술 항법 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1감지부는, 상기 대상체의 수술부위의 위치가 표시되기 위한 관성센서를 포함하고, 상기 제2감지부는, 상기 맞춤형수술가이드도구의 위치가 표시되기 위한 전자기 센서를 포함하고, 상기 제3감지부는, 상기 수술도구의 위치가 표시되기 위한 관성센서를 포함하는 수술 항법 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2감지부는, 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 대상체의 수술부위로부터 제거될 때 함께 제거되는 수술 항법 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수술도구는 상기 수술부위로 삽입되는 리머를 포함하고, 상기 정보처리부는, 상기 대상체의 수술부위로 삽입되는 리머의 리이밍을 위한 축을 설정하는 수술 항법 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 수술도구는 상기 수술부위로 삽입되는 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대를 포함하고, 상기 정보처리부는, 상기 대상체로 삽입되는 복스치즐, 시험용 대퇴주대 및 대퇴주대의 삽입축을 설정하는 수술 항법 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정보처리부는, 상기 맞춤형수술가이드도구가 상기 대상체의 수술부위로 삽입된 경우, 3차원 대상체 모델의 좌표 및 상기 대상체의 좌표를 대응시키는 수술 항법 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 대상체로부터 대상체 이미지를 실시간으로 획득하는 촬영부를 더 포함하고, 상기 표시부는, 상기 대상체 이미지 및 상기 대상체 이미지 상의 상기 수술도구의 삽입 경로를 표시하는 수술 항법 시스템.
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