KR20160036519A

KR20160036519A - 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20160036519A
Application number: KR1020150136876A
Authority: KR
Inventors: 김남국; 이민호; 김종민
Original assignee: 재단법인 아산사회복지재단
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2016-04-04
Also published as: KR101716105B1

Abstract

본 발명은 인대 재건 시술 시 뼈를 굴착하여 터널을 형성하기에 앞서, 최적의 터널 경로를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계, (b) 의료 영상 리샘플 및 전처리 단계, (c) Atlas 기반 뼈영역 분할 단계 및 (d) 터널링 최적 경로 산출 단계를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치{Ligament optimal trajectory generating method and apparatus}

본 발명은 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 인대 재건 시술 시 뼈를 굴착하여 터널을 형성하기에 앞서, 최적의 터널 경로를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 인대 재건 수술 시 인대를 삽입하기 위해 뼈에 터널을 형성하여야 하는데, 터널 내부 표면의 패턴 복잡성이 높을수록 인대 재건 수술의 성공율이 높아질 수 있다. 따라서 인대 재건 수술에 있어 터널 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 이에 따라 최적의 인대 삽입 위치를 미리 설정하는 것이 매우 중요한 절차가 되나, 지금까지 이러한 터널 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하는 절차가 진행됨이 없이 터널을 형성하고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 터널을 형성하기에 앞서, 후보 위치에서의 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 최적의 인대 삽입 위치를 제시할 수 있는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법은 (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계, (b) 의료 영상 리샘플 및 전처리 단계, (c) Atlas 기반 뼈영역 분할 단계, (d) 터널링 최적 경로 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, (d) 단계는 (d-1) 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계, (d-2) 최초 원뿔(cone) 영역 형성 단계, (d-3) 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계, (d-4) 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계 및 (d-5) 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치는, 의료 영상을 획득하는 영상획득부, 상기 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부, 상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부 및 상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터널을 형성하기에 앞서, 후보 위치에서의 내부 표면의 패턴 복잡성을 평가하여 최적의 인대 삽입 위치를 제시함으로써, 인대 재건 수술의 성공률을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 흐름도.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, 각 단계 별 개념을 설명하는 개념도.
도 7은 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에서 경로에 해당하는 터널 실린더를 보여주는 도면
도 8은 가우시안 혼합분포 측정값 그래프
도 9는 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 따른 최소 Mode 값 선택 결과에 따른 최적 경로를 보여주는 도면

이하, 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, (a) 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 단계(Read MRI Data), (b) 의료 영상의 리샘플링 및 전처리 단계(Resampling & Pre-processing), (c)상기 리샘플링 및 전처리 단계를 통한 Atlas 기반의 뼈영역 분할 단계(Atlas-based Bone Segmentation), (d)상기 뼈영역 분할 단계에 따라 터널링 최적 경로의 산출 단계(Optimal Trajectory Planning)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법에 있어서, (d) 단계는 (d-1) 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계, (d-2) 최초 원뿔(cone) 영역 형성 단계, (d-3) 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계, (d-4) 상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계 및 (d-5) 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (d-1) 단계는 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 포인트와 엔트리 포인트가 연결된 선으로 미리 설정하여 원뿔 영역의 기준이 되며, 상기 (d-2)는 도 3에 도시된 바와 같이, (0, 0, 0)좌표를 정점으로 초기 원뿔을 만들고 원뿔 축은 x-y에 직교되며, 본 발명의 실시예에서 각도는 30°이며, 반경은 0.5rsinθ로 하였다.

상기 (d-3) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이, 구형좌표(r, θ, φ)는 (x, y, z)와 관련이 있으며, 다음과 같은 식으로 산출된다.

[수학식 1]

상기 (d-4) 단계는 원뿔 영역 내에 가이드 라인을 기준으로 원뿔의 베이스 평면의 랜덤 포인트를 옮기며 최적의 궤적을 찾고, 다음과 같은 식으로 각도 별로 Cylinder를 생성하여 Cylinder 외곽 1 pixel surface 영역에서의 Volume Density의 평균을 구하며, 구한 평균 Ⅴ들 중에 Minimum값을 가지는 위치에 해당하는 Cylinder를 재생성한다.

[수학식 2]

상기 (d-5) 단계는 도 5 및 도 6에 도시된 표면에 해당하는 MRI density를 기반으로 최적의 경로를 찾으며, 추가적으로 Cylinder의 length, Surface의 접촉 면적, Surface에 해당하는 MRI density의 texture(Image feature)의 heterogeneity 등을 통해 trajectory를 최적화한다.

이러한 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법을 수행하는 본 발명에 따른 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로 생성 장치는 의료 영상(예, MRI)을 획득하는 영상획득부, 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부, 상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부 및 상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 경로 산출부는 뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 가이드 라인 설정부, 최초 원뿔(cone) 영역을 형성하는 원뿔형성부, 상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 변형부, 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 패턴평가부 및 상기 패턴평가부에서 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 최적 경로 산출부를 포함한다.

또한 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로를 찾기 위한 골질의 통계 분석 정보를 바탕으로 최적의 경로를 다음과 같이 선택하게 된다.

먼저 골질의 통계 분석 정보는 기존의 통계 분석 방법과 유사하여,

- Min(최소값)

- Max(최대값)

- Mean(평균값)

- Variance(분산)

- Standard Deviation(표준편차)

- Median(중간값)

- Skewness(왜도)

- Kurtosis(첨도)

- Mode(최빈값)

- Gaussian Mixture Model Estimation(가우시안 혼합분포 측정값)의 통계량을 이용하여 최적의 경로를 찾게 되나, 현재 정확한 방법론이 정의되어 있지 않으므로 위 통계량을 바탕으로 최적의 경로를 수동으로 선택하게 된다(기존의 최소의 Mean 값을 가지는 경로를 자동으로 선택).

상기 통계량에서 Mode(최빈값)는 Sample data가 가지는 값 중에 가장 빈도수가 높은 값을 나타낸 것으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 경로에 해당하는 Cylinder 내부의 density 값들의 Histogram 분포를 분석하여, 이 분포가 Gaussian Distribution이라는 가정하에 도 8과 같이 분리한다. 이때 분리할 때의 측정값을 사용하게 된다.

도 9는 상기한 통계량의 통계 정보를 바탕으로 최소의 Mode 값을 가지는 최적의 경로를 선택한 뼈의 영상을 보여주는 것으로, 도면에서 파란색 부분이 최적의 터널링 경로가 된다.

이상 본 발명의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치는 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법 및 장치로 구현할 수 있다.

Claims

의료 영상을 획득하는 단계(Read MRI Data);
상기 의료 영상의 리샘플링 및 전처리 단계(Resampling & Pre-processing);
상기 리샘플링 및 전처리 단계를 통한Atlas 기반 뼈영역 분할 단계(Atlas-based Bone Segmentation); 및
상기 뼈영역 분할 단계에 따라 터널링 최적 경로의 산출 단계(Optimal Trajectory Planning)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 터널링 최적 경로의 산출 단계는,
뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 단계;
최초 원뿔(cone) 영역의 형성 단계;
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계;
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계; 및
평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 뼈에서 최초 가이드 라인을 설정하는 단계는 타겟 포인트와 엔트리 포인트가 연결된 선으로 미리 설정하여 원뿔 영역의 기준이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 최초 원뿔(cone) 영역의 형성 단계는 (0, 0, 0) 좌표를 정점으로 초기 원뿔을 만들고, 원뿔 축은 x-y에 직교되도록 하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 단계에서 구형좌표(r, θ, φ)는 (x, y, z)와 관련이 있는 다음의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 단계는 상기 원뿔 영역 내에 가이드 라인을 기준으로 원뿔의 베이스 평면의 랜덤 포인트를 옮기며 최적의 궤적을 찾고, 다음과 같은 식으로 각도 별로 Cylinder를 생성하여 상기 Cylinder 외곽 1 pixel surface 영역에서의 Volume Density의 평균을 구하며, 구한 평균 들 중에 Minimum값을 가지는 위치에 해당하는 Cylinder를 재생성하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 단계는 MRI density를 기반으로 최적의 경로를 찾으며, 추가적으로 Cylinder의 length, Surface의 접촉 면적, Surface에 해당하는 MRI density의 texture(Image feature)의 heterogeneity 등을 통해 trajectory를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 방법을 수행하는 생성 장치에 있어서,
의료 영상을 획득하는 영상획득부;
상기 의료 영상을 리샘플링하고 전처리하는 리샘플링 및 전처리부;
상기 리샘플링 및 전처리부에 의해 Atlas 기반으로 뼈영역을 분할하는 영역분할부; 및
상기 영역분할부의 뼈영역 분할에 따라 터널링 최적 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치.
제8항에 있어서,
상기 경로 산출부는,
뼈에서 최초 가이드 라인(entry point, target point)을 설정하는 가이드 라인 설정부;
최초 원뿔(cone) 영역을 형성하는 원뿔형성부;
상기 가이드 라인에 맞추어 원뿔을 변형하는 변형부;
상기 원뿔 기저면(base plane)에 무작위로 포인트를 정하고, 정해진 포인트를 기초로 터널 내부의 패턴을 평가하는 패턴평가부; 및
상기 패턴평가부에서 평가된 결과를 기초로 최적의 터널 경로를 생성하는 최적 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인대 재건 시술의 터널링 최적 경로의 생성 장치.