[논문]맞춤형 인공관절 설계를 위한 인체 고관절의 3차원 형상 정보 추출

서정우; 전용태

맞춤형 인공관절 설계를 위한 인체 고관절의 3차원 형상 정보 추출
Extracting 3D Geometry Parameters of Hip Joint for Designing a Custom-Made Hip Implant 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.13 no.3, 2008년, pp.200 - 208

서정우 (세종대학교 기계공학과 대학원) , 전용태 (세종대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Total Hip Replacement(THR) is a surgical procedure that replaces a diseased hip joint with a prosthesis. A plastic or metal cup forms the socket, and the head of the femur is replaced by a metal ball on a stem placed inside the femur. Due to the various types and shapes of human hip joint of every individual, a selected commercial implant sometimes may not be the best-fit to a patient, or it cannot be applied because of its discrepancy. Hence extracting geometry parameters of hip joint is one of the most crucial processes in designing custom-made implants. This paper describes the framework of a methodology to extract the geometric parameters of the hip joint. The parameters include anatomical axis, femoral head, head offset length, femoral neck, neck shaft angle, anteversion, acetabulum, and canal flare index. The proposed system automatically recommends the size and shape of a custom-made hip implant with respect to the patient's individual anatomy from 3D models of hip structures. The proposed procedure creating these custom-made implants with some typical examples is precisely presented and discussed in this paper.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재 여러 인공관절 제조업체가 필드에 공급하는 상용 인공고관절의 공인된 표준형상은 없으며, 해외의 몇몇 관련 제조업체/병원에서 오랜 임상결과를 바탕으로 설계된 다양한 종류의 인공관절이 제작되어 우리나라로 공급되어 사용되고 있다. 따라서 본 논문에서는 다양한 종류의 상용 인공관절이 갖는 공통 형상 파라미터를 찾아내어 이들을 향후 맞춤형 인공관절의 설계 기준 파라미터로 이용하고자 한다. 아래 항목은 본 연구팀에서 선정한 인공 고관절의 머리, 목, 몸통부분에 대한 각각의 주요 형상 파라미터들을 보여준다(Fig.
개발된 인체 고관절 형상 파라미터 추출 시스템을 테스트하기 위하여 성별, 연령별로 다양한 환자의 대퇴골 의료영상 정보를 이용하였다. 본 논문에서는 60대 여성의 왼쪽 대퇴골을 3 mm 간격으로 CT 촬영한 의료영상정보를 테스트한 결과를 기술하고자 한다. CT 정보로부터 변환된 3차원 형상정보는 38058개의 점과 76188개의 삼각메쉬로 구성되어 있었다.
본 연구를 통하여 맞춤형 인공고관절 설계에 적용할 수 있는 인체 고관절의 주요 형상 파라미터를 정의하였고, 이들을 추출할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 구현하여 인공고관절 설계 시스템 시제품을 개발하였다.

제안 방법

본 맞춤형 인공고관절 설계 시스템은 Visual C++ 와 OpenGL 그래픽 라이브러리를 사용하여 구현되었다. 개발된 인체 고관절 형상 파라미터 추출 시스템을 테스트하기 위하여 성별, 연령별로 다양한 환자의 대퇴골 의료영상 정보를 이용하였다. 본 논문에서는 60대 여성의 왼쪽 대퇴골을 3 mm 간격으로 CT 촬영한 의료영상정보를 테스트한 결과를 기술하고자 한다.
44로 계산되었다. 골반의 비구 형상 파라미터를 획득하기 위하여 골반에서 비구 부분을 따로 영역화하여 구로보간하였는데, Fig. 18과 같이 비구의 지름은 51.04 mm로 추출되었다.
추출된 고관절의 형상 파라미터가 실제 고관절 형상과 정확하게 추출되었는지 검토하기 위해서는 실제 환자의 고관절을 실측하는 것이 바람직하다. 그러나 인체 내부의 3차원 고관절을 직접 측정하기는 불가능 하기 때문에 고관절 STL 형상모델을 쾌속조형기(RP; Rapid Prototyping)를 이용하여 제작한 후, 제작된 RP 모형을 직접 측정하는 방법을 채택하였다. Table 1은본 논문에서 제안한 알고리즘으로 추출한 대퇴골체의협부, 대퇴골두의 직경, 대퇴골경의 직경 형상 파라미터 값과 3차원 RP 모델을 측정기로 해당부위를 직접 실측한 값을 보여준다.
얻어진 교점들을 각 평면별로 3D leastsquare circle fitting하여 가장 작은 반지름을 가지는 슬라이스를 찾은 후, 가장 작은 반지름을 가지는 슬라이스의 중심점과 대퇴골두를 잇는 축을 추출한다. 다시 이 축을 법선으로 하는 절단 평면들을 설정하여 위 과정을 반복하여 각 단면별 원들의 중심점과 반지름을 계산한다. Fig.
대퇴골단의 외측과와 내측과의 위치는 자동으로 추출하기가 불가능하여 사용자가 대화식으로 선택하도록 하였다. 선택된 두 점을 연결한 방향 벡터와 대퇴골경의 해부학적 축이 x-y 평면에서 이루는 각인 대퇴전염각은 42.
5 mm인 일련의 절단면을 적용하여 대퇴골두를 구성하는 삼각망과의 교점들을 구하였다. 대퇴골두를 모델링하기 위하여 각 단면 위의 교점들을 원으로 보간한 후, 반지름의 크기를 서로 비교하여 가장 큰 반지름을 갖는 원의 크기로 구를 생성하였다. Fig.
대퇴골두의 반경과 중심점 위치를 찾기 위하여 간격이 0.5 mm인 일련의 절단면을 적용하여 대퇴골두를 구성하는 삼각망과의 교점들을 구하였다. 대퇴골두를 모델링하기 위하여 각 단면 위의 교점들을 원으로 보간한 후, 반지름의 크기를 서로 비교하여 가장 큰 반지름을 갖는 원의 크기로 구를 생성하였다.
먼저 Fig. 7과 같이 대퇴골 중심을 기준으로 대퇴골 전체길이의 20% 되는 부분(즉, 중심기준 상하방향 각각 ±10%)을 찾아낸 후, 해당부분에 대퇴골 축 방향에 수직인 일련의 평면(osteotomy plane)들을 설정한다.
대퇴골의 형상 파라미터는 기준 좌표계에 따라 그 값이 다르게 측정될 수 있으므로 객관적인 형상 파라미터를 얻기 위해서는 표준 대퇴골 형상에 대한 기준 축이 필요하다. 본 논문에서는 Fig. 6과 같이 해부학적으로 대퇴골 내강 중심을 지나는 축을 기준 좌표계로 설정하였으며, 모든 형상 파라미터들은 기준 좌표계를 중심으로 위치/각도 값이 추출되도록 하였다. 좌표계 z축은 내강 중심을 지나는 선이며, 또한 z축에 수직이면서 대퇴골두 중심을 지나는 축은 x축이고, y 축은 오른손 좌표계를 따라 x축과 z축에 수직한 방향으로 정해진다.
본 논문은 Fig. 1(b)와 같이 환자 관절에 맞는 맞춤식 인공고관절(custom-made hip implant)의 형상설계 방법론을 제안한다. 즉, CT(Computer Tomography) 등 의료영상정보로부터 환자의 고관절을 3차원 모델링하고 이로부터 고관절의 주요 형상 파라미터를 추출한 후, 추출한 인체관절의 형상 파라미터에 대응되는 인공관절 파라미터들을 결정함으로서 환자의 골격 구조에 잘 일치하는 맞춤식 인공관절을 설계하는 과정을 소개한다.
본 맞춤형 인공고관절 설계 시스템은 Visual C++ 와 OpenGL 그래픽 라이브러리를 사용하여 구현되었다. 개발된 인체 고관절 형상 파라미터 추출 시스템을 테스트하기 위하여 성별, 연령별로 다양한 환자의 대퇴골 의료영상 정보를 이용하였다.
8과 같이 z축의 45^o 방향으로 일련의 절단 평면들을 설정 후, 각각의 평면과 대퇴골경을 구성하는 삼각메시 사이의 교점을 계산한다. 얻어진 교점들을 각 평면별로 3D leastsquare circle fitting하여 가장 작은 반지름을 가지는 슬라이스를 찾은 후, 가장 작은 반지름을 가지는 슬라이스의 중심점과 대퇴골두를 잇는 축을 추출한다. 다시 이 축을 법선으로 하는 절단 평면들을 설정하여 위 과정을 반복하여 각 단면별 원들의 중심점과 반지름을 계산한다.
본 연구를 통하여 맞춤형 인공고관절 설계에 적용할 수 있는 인체 고관절의 주요 형상 파라미터를 정의하였고, 이들을 추출할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 구현하여 인공고관절 설계 시스템 시제품을 개발하였다.
1(b)와 같이 환자 관절에 맞는 맞춤식 인공고관절(custom-made hip implant)의 형상설계 방법론을 제안한다. 즉, CT(Computer Tomography) 등 의료영상정보로부터 환자의 고관절을 3차원 모델링하고 이로부터 고관절의 주요 형상 파라미터를 추출한 후, 추출한 인체관절의 형상 파라미터에 대응되는 인공관절 파라미터들을 결정함으로서 환자의 골격 구조에 잘 일치하는 맞춤식 인공관절을 설계하는 과정을 소개한다.

이론/모형

8과 같이 z축의 45^o 방향으로 평면을 설정한 후 이 평면과 대퇴골두 사이의 교점을 계산한다. 각 평면 위의 교점들을 3D least-square circle fitting 알고리즘을 적용하여 각각 원으로 보간한 뒤, 모든 원들 중에서 가장 큰 반지름 크기로 구를 보간하여 대퇴골두의 크기와 중심을 결정한다. 대퇴골두 오프셋 길이는 해부학적 z축에서 대퇴골두의 중심까지의 길이로서 해부학적 z축의 매개변수 식은 다음과 같다.
7과 같이 대퇴골 중심을 기준으로 대퇴골 전체길이의 20% 되는 부분(즉, 중심기준 상하방향 각각 ±10%)을 찾아낸 후, 해당부분에 대퇴골 축 방향에 수직인 일련의 평면(osteotomy plane)들을 설정한다. 설정된 각 평면들과 대퇴골 내강을 구성하는 삼각메시 사이의 교점들을 계산한 후, 각 평면별로 least-square circle fitting 알고리즘을 적용하여 평면위의 교점들을 한 개의 원으로 근사시킨다^[12,14,15]. 이때, 각 근사된 원들의 반지름 크기를 비교하여 가장 작은 반지름을 갖는 협부(isthmus)의 위치를 찾은 후, 협부를 중심으로 다시 대퇴골 전체길이의 ±10% 되는 부분에 대하여 상기 과정을 반복하여 단면 위의 원들을 다시 근사한다.
14(b)와 같이 내강 경계로부터 계산된 프로파일을 영역화(segmentation)하여 분리하였다. 일련의 내강 프로파일 중에서 크기가 가장 작은 협부의 반지름은 본 실행모델의 경우 약 5.1 mm이었으며, 원으로 보간된 슬라이스들의 중심점들에 least square orthogonal line fitting 알고리즘을 적용하여 대퇴골 해부학적 축을 추출하였다. Fig.

성능/효과

16(b)는 와이어프레임 화면을 보여준다. 대퇴골두의 지름은 약 36.73 mm이고 대퇴골두 오프셋 길이 Doffset은 25.6 mm로 추출되었다. 대퇴골경 파라미터를 추출하는 과정은 상기 대퇴골두 파라미터를 구하는 과정과 동일한 과정을 적용하여 추출하였는데, Fig.

후속연구

맞춤형 인공관절 시스템이 실제 필드에 적용되기 위해서는 다양한 인공관절을 신속, 정밀, 그리고 저렴하게 제조할 수 있는 인공관절 제조기술 개발이 병행되어야 한다. 또한, 완전한 맞춤형 인공고관절을 설계하기 위해서는 인공고관절의 정적/동적 거동해석과 마모 (tribology) 연구도 병행되어야 할 것으로 사료된다.
본 연구에서 정의된 형상 파라미터는 해부학적 축, 대퇴골두 지름 및 위치, 대퇴골경의 지름, 대퇴 경간각, 대퇴 전염각, 골수강 확대율, 비구 등이 있다. 추출된 형상 파라미터들은 맞춤형 인공고관절 형상의 기초 데이터로 활용될 수 있으며, 또한 차후에 수술 계획 등에도 유용한 정보로 사용될 수 있다. 맞춤형 인공관절 시스템이 실제 필드에 적용되기 위해서는 다양한 인공관절을 신속, 정밀, 그리고 저렴하게 제조할 수 있는 인공관절 제조기술 개발이 병행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고관절 전치환술을 수행할 때 특정 환자에게 맞는 인공관절을 결정하기 위해 지금까지는 어떻게 해왔는가?	인공 고관절 전치환술(Total Hip Replacement; THR)은 외상, 질병, 노화 등으로 고관절이 변형되거나 관절내 연골이 닳아서 관절 기능을 전혀 못하는 경우에 인공 고관절을 대치시켜 관절의 기능을 회복시켜 주는 시술이다[1]. 이러한 고관절 전치환술을 수행할 때, 특정 환자에게 맞는 인공관절을 결정하기 위하여 지금까지는 일반 기성복을 고르듯이 다양한 상용인공관절 중에서 적절하게 선택되어 시술되어 왔다. 즉, 집도의사(surgeon)는 몇 개의 방향에서 촬영한 환자 수술부위에 대한 2차원 X-ray 영상들을 계측하여 환자 골격의 크기와 형상을 파악한 후, 규격화되어 있는 상용 인공관절 중에서 특정 환자에게 가장 잘 맞을 것 같은 인공관절을 선택하여 수술을 시행한다(Fig.
	다양한 상용인공관절 중에서 적절하게 선택되어 시술하는 것의 문제점은 무엇인가?	1a). 그러나 인공관절을 선택하는 기준이 수작업에 의한 계측에만 주로 의존하게 되어 의사가 선택한 인공관절의 크기와 형태가 환자에게 가장 적절한 것인지는 완전히 검증되지 않은 상황이다. 또한 현재 국내 필드에서 사용되고 있는 인공관절은 거의 대부분 외국에서 들여온 수입제품이라서 한국인 체형에 잘 맞지 않을 수 있고, 더군다나 관절형상이 기형인 경우에는 기존의 상용 인공관절 중에는 맞는 것이 없어서 새로운 형상의 인공관절을 설계/제작하여 시술해야 하는 경우도 발생하고 있다. 이와 같이 환자 개개인의 자세한 관절 형상이 충분히 반영되지 않고 단지 규격화된 상용 인공관절 중에서 선택되어 사용되면, 선택된 인공관절과 환자 골격구조의 불일치로 인하여 재수술을 받는 주기가 아주 짧아지며 수술 후 다시 걸을 수 있는 수술회복 기간은 길어질 수 있다.
	인공 고관절 전치환술은 어떤 시술인가?	인공 고관절 전치환술(Total Hip Replacement; THR)은 외상, 질병, 노화 등으로 고관절이 변형되거나 관절내 연골이 닳아서 관절 기능을 전혀 못하는 경우에 인공 고관절을 대치시켜 관절의 기능을 회복시켜 주는 시술이다[1]. 이러한 고관절 전치환술을 수행할 때, 특정 환자에게 맞는 인공관절을 결정하기 위하여 지금까지는 일반 기성복을 고르듯이 다양한 상용인공관절 중에서 적절하게 선택되어 시술되어 왔다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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