KR102273494B1 - 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템 - Google Patents

골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102273494B1
KR102273494B1 KR1020200146546A KR20200146546A KR102273494B1 KR 102273494 B1 KR102273494 B1 KR 102273494B1 KR 1020200146546 A KR1020200146546 A KR 1020200146546A KR 20200146546 A KR20200146546 A KR 20200146546A KR 102273494 B1 KR102273494 B1 KR 102273494B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
design
processing unit
unit
fracture
main
Prior art date
Application number
KR1020200146546A
Other languages
English (en)
Inventor
강성빈
김효훈
김지수
김무섭
윤도군
Original Assignee
주식회사 카비랩
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 카비랩 filed Critical 주식회사 카비랩
Priority to KR1020200146546A priority Critical patent/KR102273494B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102273494B1 publication Critical patent/KR102273494B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like
    • A61B17/68—Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/80—Cortical plates, i.e. bone plates; Instruments for holding or positioning cortical plates, or for compressing bones attached to cortical plates
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H20/00—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
    • G16H20/40—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to mechanical, radiation or invasive therapies, e.g. surgery, laser therapy, dialysis or acupuncture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/102—Modelling of surgical devices, implants or prosthesis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/105—Modelling of the patient, e.g. for ligaments or bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
    • A61B2034/252—User interfaces for surgical systems indicating steps of a surgical procedure

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Instructional Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일예와 관련된 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템은, 골절 환자의 정복 영상데이터를 입력받는 데이터 입력부; 상기 복수의 정복 영상데이터를 기초로 딥러닝 및 학습을 진행하는 부연산처리부; 상기 딥러닝 및 학습을 기초로, 골절 수술을 위한 과정을 디자인하고, 상기 디자인과 관련된 최적화 연산을 수행하는 주연산처리부; 상기 주연산처리부의 디자인 과정을 3차원으로 시각화하여 출력하는 디스플레이부; 상기 주연산처리부를 통해 도출된 수술 디자인 결과물을 평가 및 분석하는 객체 분석부; 및 상기 객체 분석부를 통해 검증된 최종 디자인을 출력 파일형태로 변환하고 방출하는 파일출력부;를 포함할 수 있다.

Description

골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템 {System to automatically generate design of medical device for fracture surgery}
본 발명은 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 정형외과에서 사용되는 외/내고정장치 및 수술에 필요한 보조도구와 같은 의료기기를 환자에 대해 맞춤형 디자인을 자동으로 고안해주고 자체적인 유한요소해석(Finite element analysis; FEA)과 생체적합성평가를 통하여 생성된 디자인에 대해 최적화를 진행해주는 자동 설계 시스템에 관한 것이다.
사람은 모두 서로 다른 골격 구조를 가지고 있고 각 개인별 발생되는 골절의 형태와 정도가 너무 상이하기 때문에 기성품으로 사용되는 외/내고정장치 사용에 번거로움이 있었고 잘못된 사용으로 환자의 재골절이나 후향적 장애 등 매우 위험한 상황에 노출될 수 있기에 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 고정장치의 필요성이 대두되고 있다.
환자 맞춤형 의료기기 디자인의 핵심은 말 그대로 해당 환자에게만 얼마나 적합하게 적용이 가능한가가 중요한 포인트인데 3D 프린터의 발달로 적용 가능성이 매우 높아졌지만 디자인의 생성에 접근 장벽이 존재했다.
불리안 연산은 다른 두 객체가 일부 혹은 전부가 겹쳐질 때 교집합, 합집합, 여집합의 개념을 사용하여 원하는 형태를 만드는 기술로 환자 맞춤형 의료기기 디자인에서는 가장 필요한 기술이다.
가령 내고정장치인 플레이트(Plate)를 예로 들면 골절 후 정복된 부위의 고정 시킬 수 있도록 단단하고 충분한 크기와 길이, 강도가 있어야 하지만 환자 골격 능선이 맞지 않을 경우 1차적으로 고정이 어렵고 고정 후에도 환자의 극심한 고통을 물론, 재골절의 위험이 있다.
이러한 부분을 불리안 연산으로 해결할 수 있으며 불리안 연산으로 해결된 초기 디자인에서 유한요소해석과 생체적합성평가를 통하여 일부 디자인에 대한 최적화 및 수정을 토대로 최종 디자인을 완성하고 이를 3D 프린터로 출력할 수 있는 형태로 만들어 제작 후 바로 의료기관에서 사용할 수 있도록 함에 있다.
대한민국 특허출원번호 제 10-2015-7029586 호 대한민국 특허출원번호 제 10-2019-7012064 호
현재 정형외과에서 진행되는 골절 수술의 외/내고정장치 기성품은 대다수가 공장에서 일괄 생산되는 제품으로 환자에게 적용했을 때 골격 능선이 정확하게 일치되거나 크기나 길이 측면에서 고정을 완전히 만족시켜줄만한 제품은 거의 없다.
그렇기 때문에 다양한 길이와 크기의 고정장치를 일부는 절삭하거나 구부리는 등 수술 도중 고정 장치에 대한 의도적인 변형, 가공이 이루어지고 이것이 수술 시간을 연장하게 만든다.
고정장치를 절삭하거나 구부린다 하더라도 역시 만족할 수 있을 만한 디자인이 나오는 것이 아니기에 여러 번 시도를 하게 되고 점차적으로 환자에게 맞는 디자인을 찾아가는 것이 현재 정형외과에서의 골절 수술이다.
이렇게 수술이 이루어져도 ㅎ기본적으로 환자 맞춤형 디자인이 아니기 때문에 경우에 따라서 환자는 극심한 고통과 이물감을 느끼게 되고 극단적인 경우에는 재골절이나 후향적 장애가 형성될 위험이 있다.
한편, 3D 프린터의 발달로 환자 맞춤형 디자인 생성이라는 측면에서는 혁신적인 발전이 있었지만 또 한 가지의 문제점은 디자인 기술과 그에 대응하는 높은 비용이 문제가 되었다.
보통 의료기관에서는 환자 맞춤형 고정장치에 대한 디자인을 할 수 있는 인력이 거의 없고 금속 3D 프린터도 구비가 안 된 곳이 대부분이기 때문에 의료기관에서 의료기기 디자인 및 제작이 가능한 외부 업체에 의뢰를 하게 되고 이 과정에서 제작비는 제외하고 디자인 의뢰에서 다소 높은 과금이 부여된다.
뿐만 아니라 정확한 커뮤니케이션의 부재로 인해 제품에 대해 잘못된 디자인이 생성될 확률이 높아 실제 적용에는 아직까지 큰 난관이 있다.
문제는 이런 케이스가 많아지게 되면 의료기관에서도 부담이고 디자인 단계에서도 까다로운 절차 때문에 환자 맞춤형 의료기기의 사용 빈도가 더욱 적어지는데 이러한 피해는 고스란히 환자들이 입을 수 밖에 없다.
따라서 본 발명에서는, 골절 수술을 위한 의료기기 디자인을 자동으로 생성하여 의료기관 내 부족한 의료기기 디자인 인력을 대체하고 골절 수술에서 매 건 당 발생되는 디자인으로 인한 과금을 줄이고자 한다.
또한, 본 발명에 따른 시스템이 자동으로 수행하는 의료기기 디자인의 순서는 다음과 같다. 골절 부위에 대한 정복이 된 3차원 영상 상에서 골절 부위를 충분히 고정해 줄 수 있는 정/직육면체, 구, 원통 등의 기본도형을 선정하고 선정된 기본도형은 골절 부위에 최대한 밀착되게 배치될 수 있다.
배치된 기본 도형의 변형 알고리즘으로 기본도형이 골격 능선에 맞도록 혹은 골절 부위를 감싸거나 지탱할 수 있도록 형태가 변형되고 골격 외/내부에서 일정 수준의 두께를 갖도록 지속적으로 변형이 이루어진다.
전반적인 형태가 일정 수준의 두께를 갖도록 맞춰지면 불리안 연산을 통하여 환자 골격 표면과 고정장치의 접촉면 능선이 딱 맞아떨어지도록 객체를 변형하고, 변형된 객체에 대해 유한요소해석 시뮬레이션을 진행하여 뼈의 고정력과 한계 응력을 계산한다.
응력이 고수준으로 미치는 부분을 없애거나 수정하는 알고리즘을 거쳐 또 다시 반복적으로 형태가 변형된다. 고정에 필요한 스크류(Screw)나 강선(Wire) 등 보조 고정 용구에 대한 배치를 진행하고 다시 한 번 유한요소해석을 진행하여 보조 고정 용구가 지탱하는 지지력과 응력 한계를 계산하고 최적화 된 배치로 변형한다.
마지막으로 시스템 자체적인 생체적합성평가를 통하여 준최종 디자인 완성되면 의사의 확인 혹은 수동 수정을 통하여 최종 디자인을 완성한다.
나아가 수술 시에 사용되는 겸자와 같은 수술 도구가 보통 환자에게 잘 맞지 않아 미끄러지거나 고정이 약해 환자의 조직이 일부 훼손되는 사례가 있는데 이 역시 수술 도구 또한 자동으로 설계되는 고정장치에 맞춰 함께 설계되어 고정장치뿐만 아니라 수술 도구 또한 3D 프린터로 출력할 수 있는 Sterolithography(STL)파일 형식으로 출력을 해준다.
따라서 본 발명은 정형외과에서 사용되는 외/내고정장치 및 수술에 필요한 보조도구와 같은 의료기기를 환자에 대해 맞춤형 디자인을 자동으로 고안해주고 자체적인 유한요소해석(Finite element analysis; FEA)과 생체적합성평가를 통하여 생성된 디자인에 대해 최적화를 진행해주는 자동 설계 시스템을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 디자인 생성에 있어서 불리안(Boolean) 및 최적화(Optimization) 연산은 물론 딥러닝 기술을 활용하여 환자에 대한 맞춤형 고정장치 디자인을 제안해 주고 최적화 된 디자인에 대해 3D 프린팅으로 제작할 수 있도록 해주는 시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 기술은 다음과 같이 정리될 수 있다.
1) 3차원 영상처리 및 객체의 변형/정합을 이용한 의료기기 디자인 생성 기술
2) 자체적으로 디자인에 대한 유한요소해석 및 생체적합성평가를 진행하는 기술
3) 생성된 디자인을 3D프린터로 제작 가능한 기술
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템은, 골절 환자의 정복 영상데이터를 입력받는 데이터 입력부; 상기 복수의 정복 영상데이터를 기초로 딥러닝 및 학습을 진행하는 부연산처리부; 상기 딥러닝 및 학습을 기초로, 골절 수술을 위한 과정을 디자인하고, 상기 디자인과 관련된 최적화 연산을 수행하는 주연산처리부; 상기 주연산처리부의 디자인 과정을 3차원으로 시각화하여 출력하는 디스플레이부; 상기 주연산처리부를 통해 도출된 수술 디자인 결과물을 평가 및 분석하는 객체 분석부; 및 상기 객체 분석부를 통해 검증된 최종 디자인을 출력 파일형태로 변환하고 방출하는 파일출력부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 주연산처리부에서 진행하는 디자인의 과정은, 골절 부위 인식, 기본 도형 설정 및 배치, 객체 변형 알고리즘에 의한 형태적 변형, 기본도형의 접촉 능선 최적화 및 형태 최적화, 수술 보조 도구에 기본 설계를 진행할 수 있다.
또한, 상기의 디자인 과정과 관련하여, 기본도형에 대한 형태 변형 알고리즘과 불리안 연산, 유한요소해석, 해석결과에 기반한 형태 최적화 알고리즘이 주 연산으로 진행될 수 있다.
또한, 상기 알고리즘이 수행하기 어려운 객체의 경우, 상기 부연산처리부에서 진행하는 딥러닝을 통해서 주연산처리부에서 수행하는 알고리즘의 결과를 대체할 수 있다.
또한, 상기 주연산처리부는, 미리 지정된 수술 도구 구조를 변형/정합하고 불리안 연산을 통하여 상기 수술도구에 대한 디자인을 완성할 수 있다.
또한, 사용자의 명령을 수신하는 인터페이스부;를 더 포함하고, 상기 객체 분석부는, 상기 고정장치에 대한 길이와 크기, 무게 측정이 가능하고, 사용되는 도구의 구조적 적용 한계점을 계산하며, 상기 인터페이스부를 통해 상기 사용자에 경고 정보를 전달 가능할 수 있다.
또한, 상기 파일출력부는, 상기 생성된 디자인을 3D 프린터 및/또는 정밀가공기기에 의해 생산될 수 있도록 STL 파일, obj 파일 및 3ds 파일을 포함하는 3차원 객체 파일형태로 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 생성되는 의료기기를 이용한 골절 수술을 진행할 경우 아래와 같은 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
첫째로, 의료기관에서 특별한 골절 수술을 위한 의료기기 전용 디자인 인력 없이 의료기기 디자인이 가능하다.
의료기관에서 의료기기 디자인을 위한 전문 인력을 채용할 필요도 없고 외부기관에 제작을 의뢰하더라도 제작비만 부담하면 되기 때문에 의료기관에서의 큰 부담을 덜 수 있다.
두 번째로, 본 시스템을 이용하여 자동으로 디자인을 생성해 줄 뿐만 아니라 의사가 디자인에 직접적으로 관여할 수 있는 부분이 많기 때문에 환자에 양질의 고정장치와 제공할 기회가 생겨 환자의 치료 수준과 매우 긍정적인 후향적 결과를 기대해 볼 수 있다.
셋째로 그 동안 사용되었던 겸자 및 커팅 가이드와 같은 수술 도구에 있어서 시스템에서 설계되는 고정장치에 호환되며 환자 골격에도 맞춤형으로 제작되는 소모품 또한 디자인이 함께 진행되기 때문에 보다 더 정확하고 빠른 수술 진행이 가능하다는 긍정적인 효과가 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명과 관련하여, 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템에 대한 시스템 개요도의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 주연산처리부에서 작동하는 의료기기 자동 디자인 알고리즘 원리와 중간 결과물 모습의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련하여, 부연산처리부에서 딥러닝을 이용하여 디자인 결과물 예측한 일례를 도시한 것이다.
사람은 모두 서로 다른 골격 구조를 가지고 있고 각 개인별 발생되는 골절의 형태와 정도가 너무 상이하기 때문에 기성품으로 사용되는 외/내고정장치 사용에 번거로움이 있었고 잘못된 사용으로 환자의 재골절이나 후향적 장애 등 매우 위험한 상황에 노출될 수 있기에 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 고정장치의 필요성이 대두되고 있다.
환자 맞춤형 의료기기 디자인의 핵심은 말 그대로 해당 환자에게만 얼마나 적합하게 적용이 가능한가가 중요한 포인트인데 3D 프린터의 발달로 적용 가능성이 매우 높아졌지만 디자인의 생성에 접근 장벽이 존재했다.
불리안 연산은 다른 두 객체가 일부 혹은 전부가 겹쳐질 때 교집합, 합집합, 여집합의 개념을 사용하여 원하는 형태를 만드는 기술로 환자 맞춤형 의료기기 디자인에서는 가장 필요한 기술이다.
가령 내고정장치인 플레이트(Plate)를 예로 들면 골절 후 정복된 부위의 고정 시킬 수 있도록 단단하고 충분한 크기와 길이, 강도가 있어야 하지만 환자 골격 능선이 맞지 않을 경우 1차적으로 고정이 어렵고 고정 후에도 환자의 극심한 고통을 물론, 재골절의 위험이 있다.
이러한 부분을 불리안 연산으로 해결할 수 있으며 불리안 연산으로 해결된 초기 디자인에서 유한요소해석과 생체적합성평가를 통하여 일부 디자인에 대한 최적화 및 수정을 토대로 최종 디자인을 완성하고 이를 3D 프린터로 출력할 수 있는 형태로 만들어 제작 후 바로 의료기관에서 사용할 수 있도록 함에 있다.
현재 정형외과에서 진행되는 골절 수술의 외/내고정장치 기성품은 대다수가 공장에서 일괄 생산되는 제품으로 환자에게 적용했을 때 골격 능선이 정확하게 일치되거나 크기나 길이 측면에서 고정을 완전히 만족시켜줄만한 제품은 거의 없다.
그렇기 때문에 다양한 길이와 크기의 고정장치를 일부는 절삭하거나 구부리는 등 수술 도중 고정 장치에 대한 의도적인 변형, 가공이 이루어지고 이것이 수술 시간을 연장하게 만든다.
고정장치를 절삭하거나 구부린다 하더라도 역시 만족할 수 있을 만한 디자인이 나오는 것이 아니기에 여러 번 시도를 하게 되고 점차적으로 환자에게 맞는 디자인을 찾아가는 것이 현재 정형외과에서의 골절 수술이다.
이렇게 수술이 이루어져도 ㅎ기본적으로 환자 맞춤형 디자인이 아니기 때문에 경우에 따라서 환자는 극심한 고통과 이물감을 느끼게 되고 극단적인 경우에는 재골절이나 후향적 장애가 형성될 위험이 있다.
한편, 3D 프린터의 발달로 환자 맞춤형 디자인 생성이라는 측면에서는 혁신적인 발전이 있었지만 또 한 가지의 문제점은 디자인 기술과 그에 대응하는 높은 비용이 문제가 되었다.
보통 의료기관에서는 환자 맞춤형 고정장치에 대한 디자인을 할 수 있는 인력이 거의 없고 금속 3D 프린터도 구비가 안 된 곳이 대부분이기 때문에 의료기관에서 의료기기 디자인 및 제작이 가능한 외부 업체에 의뢰를 하게 되고 이 과정에서 제작비는 제외하고 디자인 의뢰에서 다소 높은 과금이 부여된다.
뿐만 아니라 정확한 커뮤니케이션의 부재로 인해 제품에 대해 잘못된 디자인이 생성될 확률이 높아 실제 적용에는 아직까지 큰 난관이 있다.
문제는 이런 케이스가 많아지게 되면 의료기관에서도 부담이고 디자인 단계에서도 까다로운 절차 때문에 환자 맞춤형 의료기기의 사용 빈도가 더욱 적어지는데 이러한 피해는 고스란히 환자들이 입을 수 밖에 없다.
따라서 본 발명에서는, 골절 수술을 위한 의료기기 디자인을 자동으로 생성하여 의료기관 내 부족한 의료기기 디자인 인력을 대체하고 골절 수술에서 매 건 당 발생되는 디자인으로 인한 과금을 줄이고자 한다.
또한, 본 발명에 따른 시스템이 자동으로 수행하는 의료기기 디자인의 순서는 다음과 같다. 골절 부위에 대한 정복이 된 3차원 영상 상에서 골절 부위를 충분히 고정해 줄 수 있는 정/직육면체, 구, 원통 등의 기본도형을 선정하고 선정된 기본도형은 골절 부위에 최대한 밀착되게 배치될 수 있다.
배치된 기본 도형의 변형 알고리즘으로 기본도형이 골격 능선에 맞도록 혹은 골절 부위를 감싸거나 지탱할 수 있도록 형태가 변형되고 골격 외/내부에서 일정 수준의 두께를 갖도록 지속적으로 변형이 이루어진다.
전반적인 형태가 일정 수준의 두께를 갖도록 맞춰지면 불리안 연산을 통하여 환자 골격 표면과 고정장치의 접촉면 능선이 딱 맞아떨어지도록 객체를 변형하고, 변형된 객체에 대해 유한요소해석 시뮬레이션을 진행하여 뼈의 고정력과 한계 응력을 계산한다.
응력이 고수준으로 미치는 부분을 없애거나 수정하는 알고리즘을 거쳐 또 다시 반복적으로 형태가 변형된다. 고정에 필요한 스크류(Screw)나 강선(Wire) 등 보조 고정 용구에 대한 배치를 진행하고 다시 한 번 유한요소해석을 진행하여 보조 고정 용구가 지탱하는 지지력과 응력 한계를 계산하고 최적화 된 배치로 변형한다.
마지막으로 시스템 자체적인 생체적합성평가를 통하여 준최종 디자인 완성되면 의사의 확인 혹은 수동 수정을 통하여 최종 디자인을 완성한다.
나아가 수술 시에 사용되는 겸자와 같은 수술 도구가 보통 환자에게 잘 맞지 않아 미끄러지거나 고정이 약해 환자의 조직이 일부 훼손되는 사례가 있는데 이 역시 수술 도구 또한 자동으로 설계되는 고정장치에 맞춰 함께 설계되어 고정장치뿐만 아니라 수술 도구 또한 3D 프린터로 출력할 수 있는 Sterolithography(STL)파일 형식으로 출력을 해준다.
따라서 본 발명은 정형외과에서 사용되는 외/내고정장치 및 수술에 필요한 보조도구와 같은 의료기기를 환자에 대해 맞춤형 디자인을 자동으로 고안해주고 자체적인 유한요소해석(Finite element analysis; FEA)과 생체적합성평가를 통하여 생성된 디자인에 대해 최적화를 진행해주는 자동 설계 시스템을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 디자인 생성에 있어서 불리안(Boolean) 및 최적화(Optimization) 연산은 물론 딥러닝 기술을 활용하여 환자에 대한 맞춤형 고정장치 디자인을 제안해 주고 최적화 된 디자인에 대해 3D 프린팅으로 제작할 수 있도록 해주는 시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 기술은 다음과 같이 정리될 수 있다.
1) 3차원 영상처리 및 객체의 변형/정합을 이용한 의료기기 디자인 생성 기술
2) 자체적으로 디자인에 대한 유한요소해석 및 생체적합성평가를 진행하는 기술
3) 생성된 디자인을 3D프린터로 제작 가능한 기술
도 1은 본 발명과 관련하여, 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템에 대한 시스템 개요도의 일례를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 제안하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템(1)은, 인터페이스부(10), 주연산 처리부(20), 부연산처리부(30) 및 객체 분석부(40)를 포함할 수 있다.
여기서, 인터페이스부(10)는, 데이터 입력부(11), 대스플레이부(12) 미 파일출력부(13)를 포함한다.
또한, 주연산처리부(20)는 디자인 및 최적화 모듈(21)을 포함한다.
또한, 부연산처리부(30)는 데이터 및 딥러닝 모듈(31)을 포함한다.
또한, 객체 분석부(40)는 디자인 평가 및 분석 모듈(41)을 포함한다.
본 발명에 따른 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템(1)은, 골절 환자의 정복 영상데이터를 입력하는 데이터 입력부(11)를 포함한다.
또한, 본 발명은, 사용자의 입력을 수신하고, 결과물을 출력하는 인터페이스부(파일 출력부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 디자인의 전 과정을 3차원으로 시각화는 디스플레이부(12)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 디자인 작업과 최적화 연산을 진행하는 주연산처리부(20)를 포함한다.
또한, 본 발명은, 딥러닝을 위한 데이터 저장과 학습을 진행하는 부연산처리부(30)을 포함한다.
또한, 본 발명은, 디자인을 평가하고 분석하는 객체 분석부(40)를 포함한다.
또한, 본 발명은, 디자인된 3차원 객체를 출력 파일형태로 변환하고 방출하는 파일출력부(13)를 포함할 수 있다.
한편, 상기의 주연산처리부(20)에서 진행하는 디자인의 과정은 골절 부위 인식, 기본 도형 설정 및 배치, 객체 변형 알고리즘에 의한 형태적 변형, 기본도형의 접촉 능선 최적화 및 형태 최적화, 수술 보조 도구에 기본 설계를 진행하게 된다.
또한, 상기의 디자인 과정에 대해 기본도형에 대한 형태 변형 알고리즘과 불리안 연산, 유한요소해석, 해석결과에 기반한 형태 최적화 알고리즘이 주 연산으로 진행된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기의 알고리즘이 수행하기 어려운 객체의 경우 부연산처리부(30)에서 진행하는 딥러닝을 통해서 주연산처리부에서 수행하는 알고리즘의 결과를 대체할 수 있다.
또한, 상기의 수술 도구 디자인 역시 주연산처리부(20)에서 진행하며 기존적인 수술 도구 구조를 변형/정합하고 불리안 연산을 통하여 수술도구에 대한 디자인을 완성할 수 있다.
또한, 상기의 객체 분석부(40)에서는 고정장치에 대한 길이와 크기, 무게 측정이 가능하며 사용되는 도구의 구조적으로 적용 한계점을 계산하고 인터페이스부에 표시하여 경고해 줄 수 있다.
또한, 상기의 파일출력부(13)는 생성된 디자인을 3D 프린터 혹은 정밀가공기기에 의해 생산될 수 있도록 STL파일 혹은 obj나 3ds와 같은 3차원 객체 파일형태로 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 주연산처리부에서 작동하는 의료기기 자동 디자인 알고리즘 원리와 중간 결과물 모습의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 3은 본 발명과 관련하여, 부연산처리부에서 딥러닝을 이용하여 디자인 결과물 예측한 일례를 도시한 것이다.
본 발명에 따르면, 생성되는 의료기기를 이용한 골절 수술을 진행할 경우 아래와 같은 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
첫째로, 의료기관에서 특별한 골절 수술을 위한 의료기기 전용 디자인 인력 없이 의료기기 디자인이 가능하다.
의료기관에서 의료기기 디자인을 위한 전문 인력을 채용할 필요도 없고 외부기관에 제작을 의뢰하더라도 제작비만 부담하면 되기 때문에 의료기관에서의 큰 부담을 덜 수 있다.
두 번째로, 본 시스템을 이용하여 자동으로 디자인을 생성해 줄 뿐만 아니라 의사가 디자인에 직접적으로 관여할 수 있는 부분이 많기 때문에 환자에 양질의 고정장치와 제공할 기회가 생겨 환자의 치료 수준과 매우 긍정적인 후향적 결과를 기대해 볼 수 있다.
셋째로 그 동안 사용되었던 겸자 및 커팅 가이드와 같은 수술 도구에 있어서 시스템에서 설계되는 고정장치에 호환되며 환자 골격에도 맞춤형으로 제작되는 소모품 또한 디자인이 함께 진행되기 때문에 보다 더 정확하고 빠른 수술 진행이 가능하다는 긍정적인 효과가 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
또한, 상기와 같이 설명된 시스템 및 그 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 골절 환자의 정복 영상데이터를 입력받는 데이터 입력부;
    상기 복수의 정복 영상데이터를 기초로 딥러닝 및 학습을 진행하는 부연산처리부;
    상기 딥러닝 및 학습을 기초로, 골절 수술을 위한 과정을 디자인하고, 상기 디자인과 관련된 최적화 연산을 수행하는 주연산처리부;
    상기 주연산처리부의 디자인 과정을 3차원으로 시각화하여 출력하는 디스플레이부;
    상기 주연산처리부를 통해 도출된 수술 디자인 결과물을 평가 및 분석하는 객체 분석부; 및
    상기 객체 분석부를 통해 검증된 최종 디자인을 출력 파일형태로 변환하고 방출하는 파일출력부;를 포함하고,

    상기 주연산처리부에서 진행하는 디자인의 과정은,
    골절 부위 인식, 기본 도형 설정 및 배치, 객체 변형 알고리즘에 의한 형태적 변형, 기본도형의 접촉 능선 최적화 및 형태 최적화, 수술 보조 도구에 기본 설계를 진행하는 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기의 디자인 과정과 관련하여, 기본도형에 대한 형태 변형 알고리즘과 불리안 연산, 유한요소해석, 해석결과에 기반한 형태 최적화 알고리즘이 주 연산으로 진행되는 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 알고리즘이 수행하기 어려운 객체의 경우, 상기 부연산처리부에서 진행하는 딥러닝을 통해서 주연산처리부에서 수행하는 알고리즘의 결과를 대체하는 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 주연산처리부는,
    미리 지정된 수술 도구 구조를 변형/정합하고 불리안 연산을 통하여 상기 수술도구에 대한 디자인을 완성하는 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
  6. 제 1항에 있어서
    사용자의 명령을 수신하는 인터페이스부;를 더 포함하고,
    상기 객체 분석부는, 고정장치에 대한 길이와 크기, 무게 측정이 가능하고, 사용되는 도구의 구조적 적용 한계점을 계산하며, 상기 인터페이스부를 통해 상기 사용자에 경고 정보를 전달 가능한 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
  7. 제 1항에 있어서
    상기 파일출력부는, 상기 생성된 디자인을 3D 프린터 및/또는 정밀가공기기에 의해 생산될 수 있도록 STL 파일, obj 파일 및 3ds 파일을 포함하는 3차원 객체 파일형태로 출력하는 것을 특징으로 하는 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템.
KR1020200146546A 2020-11-05 2020-11-05 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템 KR102273494B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200146546A KR102273494B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200146546A KR102273494B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102273494B1 true KR102273494B1 (ko) 2021-07-06

Family

ID=76860593

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200146546A KR102273494B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102273494B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230013718A (ko) * 2021-07-19 2023-01-27 주식회사 카비랩 두골 골결손을 위한 골지지체 자동 디자인 및 제조 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101864380B1 (ko) * 2017-12-28 2018-06-04 (주)휴톰 수술영상데이터 학습시스템
KR20200089956A (ko) * 2019-01-18 2020-07-28 가톨릭대학교 산학협력단 영상 정복 기반 가상 내고정물 생성 방법 및 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101864380B1 (ko) * 2017-12-28 2018-06-04 (주)휴톰 수술영상데이터 학습시스템
KR20200089956A (ko) * 2019-01-18 2020-07-28 가톨릭대학교 산학협력단 영상 정복 기반 가상 내고정물 생성 방법 및 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230013718A (ko) * 2021-07-19 2023-01-27 주식회사 카비랩 두골 골결손을 위한 골지지체 자동 디자인 및 제조 시스템
KR102621544B1 (ko) * 2021-07-19 2024-01-10 주식회사 카비랩 두골 골결손을 위한 골지지체 자동 디자인 및 제조 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220226130A1 (en) System for designing and fabricating a customised device
US20190130054A1 (en) Method For Designing And Manufacturing A Bone Implant
El‐Katatny et al. Error analysis of FDM fabricated medical replicas
Hua et al. Virtual surgical planning in oral and maxillofacial surgery
US10722310B2 (en) Virtual surgery planning system and method
US9014835B2 (en) Semi-automatic customization of plates for internal fracture fixation
WO2016197326A1 (zh) 一种颜颚手术影像校正设计***及方法
JP7076481B2 (ja) 折れた骨の断片を解剖学的に位置整合させるための変換の決定
Scolozzi Applications of 3D orbital computer-assisted surgery (CAS)
KR102273494B1 (ko) 골절 수술용 의료기기 자동 디자인 생성 시스템
Vitković et al. Software framework for the creation and application of personalized bone and plate implant geometrical models
AU2022384283A1 (en) Systems, methods and devices for augmented reality assisted surgery
WO2018167369A1 (en) Arrangement and method for optimization of elements used to aid in treatment of musculoskeletal disorders or orthopedic conditions
Ardila et al. Study for development of a patient-specific 3D printed craniofacial medical device: Design based on 3D virtual biomodels/CAD/RP
Wang et al. Development of a novel anatomical thin titanium mesh plate with reduction guidance and fixation function for Asian zygomatic-orbitomaxillary complex fracture
Van Brussel et al. A Medical Image Based Template for Pedicle Screw Insertion.
Husain et al. Geometrical models of mandible fracture and plate implant
TWI552729B (zh) A system and method for image correction design of jaw jaw surgery
Kang et al. Maxillary cutting guide for executing a simulated osteotomy and removing the bony interference during orthognathic surgery
US20220061899A1 (en) Method For Generating Digital Models Of Osteosynthesis Plates Specific To The Patient's Morphology
CA3190560A1 (en) Method for generating digital models of osteosynthesis plates specific to the morphology of the patient
Bertol et al. Customized craniofacial implants: Design and manufacture
Ma et al. Verifying a software system for designing custom hip stems based on X-ray films
KR20200115937A (ko) 나사 식립이 가능한 패턴을 가진 인체 맞춤형 안와 임플란트 모델링 및 제작방법 및 장치
CN116077256A (zh) 脊柱矫形器制作方法、装置、电子设备和计算机可读介质

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant