[논문]오픈소스 기반 수술항법장치의 하지 골절수술 응용검토

정상현; 박재영; 박철우; 오창욱; 박일형

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.5.497

오픈소스 기반 수술항법장치의 하지 골절수술 응용검토
Open Source-Based Surgical Navigation for Fracture Reduction of Lower Limb 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.5, 2014년, pp.497 - 503

정상현 (경북대학교 융합의료기기.로봇연구소) , 박재영 (경북대학교대학원 의과학과) , 박철우 (경북대학교 융합의료기기.로봇연구소) , 오창욱 (경북대학교대학원 의과학과) , 박일형 (경북대학교대학원 의과학과)

초록
AI-Helper

골절 치료에서 최소 침습 수술 방법은 그 효용성이 입증 되었지만, 의료진이 골편을 직접 볼 수 없기 때문에 방사선 투시영상장치(C-armed fluoroscopy)에 의존하여 수술을 진행하게 된다. 최소침습 수술은 환자에게는 감염이 적고 회복이 빠르다는 장점이 있지만 의료진에게는 과도한 방사선 피폭과 부정확한 골절정복 가능성이 높아지는 문제점이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 수술 항법장치와 수술 지원로봇을 활용하는 방법을 제안한다. 골편의 3D CT 모델을 실제 골편과 특징점을 이용해서 정합하는 오픈 소스 기반으로 구성된 수술 항법 장치와 2D 투시 영상에서 골편간의 회전 변위를 정상측 투시 영상과 비교하여 확인 할 수 있는 방법을 제안하였고, 모델 뼈를 이용한 실험으로 제안한 방법의 임상적 타당성을 확인하였다. 그 결과 3D CT-기반 수술 항법 장치의 모델 뼈와 영상정합 정확도는 약 2mm 로 정형외과 수술에서 요구되는 사양을 만족했으며, 2D 투시 영상에서는 ${\pm}15^{\circ}$범위의 골편간의 회전에서 $2.5^{\circ}$이하의 변별력을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Minimally invasive intramedullary nail insertion or plate osteosynthesis has shown good results for the treatment of long bone fractures. However, directly seeing the fracture site is impossible; surgeons can only confirm bone fragments through a fluoroscopic imaging system. The narrow field of view of the equipment causes malalignment of the fracture reduction, and radiation exposure to medical staff is inevitable. This paper suggests two methods to solve these problems: surgical navigation using 3D models reconstructed from computed tomography (CT) images to show the real positions of bone fragments and estimating the rotational angle of proximal bone fragments from 2D fluoroscopic images. The suggested methods were implemented using open-source code or software and evaluated using a model bone. The registration error was about 2 mm with surgical navigation, and the rotation estimation software could discern differences of $2.5^{\circ}$ within a range of $15^{\circ}$ through a comparison with the image of a normal bone.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 오픈 소스 기반 수술항법장치의 하지 골절 수술 임상 적용 방법에 대해 제안한다. 첫째 CT 사용을 전제로 한 수술항법장치를 오픈 소스 소프트웨어인 3D Slicer 와 추가적인 모듈로 구성하여 임상 적용에 필요한 기능을 소개하고 수술항법장치를 모델 뼈의 정합에 이용하여 임상 적용 가능성과 개선점을 명확하게 제시한다.
본 연구팀은 임상적용을 목표로 손상된 상하지 근골격계 복구 수술의 정확도와 안전성 향상을 위한 2mm 오차급 뼈 포지셔닝 및 터널링 수술 로봇 시스템을 정부의 지원으로 개발하고 있다. 개발중인 시스템은 피부 속의 3 차원적인 골편의 위치를 보여주는 수술항법장치와 골편을 정밀하게 움직일 수 있는 뼈 위치조정 로봇과 터널링용 로봇으로 구성되어 있다.

제안 방법

이러한 관점에서 의료현장에서는 기존의 수술실에서 사용되는 장비를 활용하여 정확한 골편 간의 회전변위를 알 수 있는 방법이 요구되고 있다. 따라서, 대퇴골 골절 정복에 있어서 골편간의 회전각도에 대한 정량적인 데이터를 제시하기 위해, 2 차원 투시 영상에서 소전자(Lesser trochanter) 및 골간부의 형태를 이용하여 근위 골편의 회전각을 추정하는 방법을 제안하고, 영상처리를 위한 오픈소스인 Open CV 라이브러리를 이용해서 제안방법을 구현하고, 대퇴골 골절 모델을 이용해서 검증한다.
몸을 중심으로 외회전(External rotation)을 ‘+’ 방향으로 내회전(Internal rotation)을 ‘–‘ 방향으로 설정하였다.
본 논문에서 제시한 CT 기반 수술항법장치의 구성은 Yeom 등이 제시했던 시스템 구조와 BRAINLAB 회사와 Stryker 회사에서 상용화한 수술항법장치와 유사한 형태를 지니고 있다. 그러나 기존 시스템과 달리 본 연구에서는 골절 정복 지원을 목적으로 하였고 골절정복 수술항법장치에 필요한 기술 요소와 한계를 명확히 하였다는데 차별성을 가지고 있다.
본 논문에서 제안하는 방법은 회전 변형에 민감한 대퇴골 골절 치료에 있어서 유용한 정보를 제공하며, 이와 비슷한 구조를 갖는 상완골에도 적용할 수 있다. 향후 제안하는 알고리즘을 투시 영상에 적용하는 기술의 개발과 상완골에 확대 적용하여 타당성을 검증하는 것이 필요하다.
원위 골편이 고정된 상태에서 근위 골편을 -30° 에서 +30° 로 회전시키며 ±15.0° 범위 내에서는 2.5° 간격으로, 그 외의 범위에서는 5.0° 간격으로 영상을 기록하였다.
골절 치료 지원용 수술항법장치의 표시 오차는 주로 위치 정합에 의해 발생한다. 이 오차 범위를 확인하기 위해서 대퇴부 모델 뼈(Medium Right Femur; Pacific Research Laboratories, Inc., Washington, USA)의 중간 간부(Mid diaphysis)를 직각으로 절골 (Osteotomy)시킨 후 CT 영상을 촬영하였고, 광학 표식자를 골편에 부착한 후 수술 항법 장치를 이용하여 원위 골편과 근위 골편에 대한 정합을 각각 5 번씩 실시했다. 이때, 각 골편에 대한 특징점 위치의 측정은 매 실험 새롭게 실시하였으며, 영상상의 특징점은 각 골편에 대해 한번씩만 실시하였다.
LTA/DT는 관골구 전경각의 절대치를 구하기 위한 방법이 아니라, 골절되지 않은 반대편의 대퇴골에서 구한 LTA/DT 값과 비교하여 정상치에 어느 정도 가까운지 추정하기 위한 지표로 사용된다. 이때 중요한 것은 LTA/DT 값이 어느 정도의 변별력으로 회전변위를 추정할 수 있을 지이며, 4 장에서 실험을 통하여 검증하였다.
, Washington, USA)의 중간 간부(Mid diaphysis)를 직각으로 절골 (Osteotomy)시킨 후 CT 영상을 촬영하였고, 광학 표식자를 골편에 부착한 후 수술 항법 장치를 이용하여 원위 골편과 근위 골편에 대한 정합을 각각 5 번씩 실시했다. 이때, 각 골편에 대한 특징점 위치의 측정은 매 실험 새롭게 실시하였으며, 영상상의 특징점은 각 골편에 대해 한번씩만 실시하였다. 오차는 PPR 에 의해 발생하는 상응하는 특징점 간의 거리오차를 RMS 로 계산하여 이용하는 FRE(Fiducial registration error) 값을 사용하였다.
5 에서 골절 모델은 원위 대퇴 내, 외과 부분이 지면과 수평이 되도록 바이스를 이용하여 고정하였다. 일반적인 투시영상장치의 시야 범위인 6 인치 정도로 근위 골 편이 보이는 높이에 지면과 수평이 되도록 CCD 카메라를 설치하였다.
본 연구에서는 오픈 소스 기반 수술항법장치의 하지 골절 수술 임상 적용 방법에 대해 제안한다. 첫째 CT 사용을 전제로 한 수술항법장치를 오픈 소스 소프트웨어인 3D Slicer 와 추가적인 모듈로 구성하여 임상 적용에 필요한 기능을 소개하고 수술항법장치를 모델 뼈의 정합에 이용하여 임상 적용 가능성과 개선점을 명확하게 제시한다.
회전변위를 알 수 있는 골절 모델은 대퇴골 모델 뼈의 중간 골간부를 절골시킨 후 골수강을 회전축으로 하여 골편의 회전이 가능하도록 제작하였다. 이때 회전변위를 알 수 있도록 Fig.

대상 데이터

본 연구팀은 임상적용을 목표로 손상된 상하지 근골격계 복구 수술의 정확도와 안전성 향상을 위한 2mm 오차급 뼈 포지셔닝 및 터널링 수술 로봇 시스템을 정부의 지원으로 개발하고 있다. 개발중인 시스템은 피부 속의 3 차원적인 골편의 위치를 보여주는 수술항법장치와 골편을 정밀하게 움직일 수 있는 뼈 위치조정 로봇과 터널링용 로봇으로 구성되어 있다. 그 결과 높은 숙련도가 요구되는 최소 침습 골절정복 수술의 보편화와 방사선 피폭량의 획기적 감소를 기대할 수 있다.

데이터처리

각각의 영상은 영상처리를 위한 오픈 소스 라이브러리인 OpenCV 를 활용하였으며, 다음과 같은 순서로 LTA/DT 값을 계산하였다.

이론/모형

실제 공간상의 골편의 위치와 3D Slicer 상의 골편의 위치를 정합하기 위해서는 Registration S/W가 사용된다. 본 연구에서는 트래킹 S/W 에서 계측된 골편의 특징점과 3D Slicer 상의 특징점을 읽어 들여, 각 특징점 간의 상관 위치 관계로부터 실제 공간 좌표와 영상 좌표를 정합하기 위해 Point-Paired Registration(PPR)을 사용하였다.⁽¹⁶⁾정합에 사용된 원위와 근위 골편의 특징점을 Fig.
이때, 각 골편에 대한 특징점 위치의 측정은 매 실험 새롭게 실시하였으며, 영상상의 특징점은 각 골편에 대해 한번씩만 실시하였다. 오차는 PPR 에 의해 발생하는 상응하는 특징점 간의 거리오차를 RMS 로 계산하여 이용하는 FRE(Fiducial registration error) 값을 사용하였다.

성능/효과

정합 결과는 근위와 원위 골편간의 유의차는 없으며, 골절치료에서 허용되는 오차인 2mm를 만족하는 것을 알 수 있다. 또한 실제 골편의 움직임도 수술항법장치의 화면상에서 잘 표현해주는 것을 확인할 수 있었다.
1mm 로 나타났다. 정합 결과는 근위와 원위 골편간의 유의차는 없으며, 골절치료에서 허용되는 오차인 2mm를 만족하는 것을 알 수 있다. 또한 실제 골편의 움직임도 수술항법장치의 화면상에서 잘 표현해주는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

5 도 이하의 변별력이 있음을 확인하였다. 정밀한 각도 제어가 가능한 구동기를 적용하여 골절 모델을 개선하고, 영상처리 법을 향상시켜 본 연구에서 사용한 방법을 도입한다면 임상에서 요구되는 2mm 이하의 분별력을 만족시킬 것으로 기대된다.
본 논문에서 제안하는 방법은 회전 변형에 민감한 대퇴골 골절 치료에 있어서 유용한 정보를 제공하며, 이와 비슷한 구조를 갖는 상완골에도 적용할 수 있다. 향후 제안하는 알고리즘을 투시 영상에 적용하는 기술의 개발과 상완골에 확대 적용하여 타당성을 검증하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	골절 치료시 방사선 투시영상장치에 의존하여 수술하는 이유는?	골절 치료에서 최소 침습 수술 방법은 그 효용성이 입증 되었지만, 의료진이 골편을 직접 볼 수 없기 때문에 방사선 투시영상장치(C-armed fluoroscopy)에 의존하여 수술을 진행하게 된다. 최소침습 수술은 환자에게는 감염이 적고 회복이 빠르다는 장점이 있지만 의료진에게는 과도한 방사선 피폭과 부정확한 골절정복 가능성이 높아지는 문제점이 발생할 수 있다.
	최소 침습 골절정복 수술시 집도의가 방사선 장치를 활용해야 하는 이유는?	(1,2)최소 침습 골절정복 수술은 골절된 부분의 혈관 및 연부조직의 손상을 최소화하므로 환자의 회복이 빠르고 감염 등의 수술 후 합병증을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 반면, 수술 집도의는 골절 부위를 직접 눈으로 확인할 수 없기 때문에 방사선 영상 장치에 의존하여 골편의 위치와 금속정, 플레이트, 금속나사와 같은 수술 도구의 상대 위치를 확인해야 한다. 이와 같은 최소 침습 수술에서 의료진은 방사선 차폐 가운을 필수적으로 착용하지만 연평균 20mSv 의 방사선에 피폭되어 의료진의 안전에 심각한 문제가 발생하고 있다.
	최소 침습 골절정복 수술 장점은?	골절 치료에서 골수강내 금속정을 고정하는 방법 또는 뼈의 외부에 금속 플레이트를 고정시키는 최소침습 골절 치료의 유효성이 보고 되었다.(1,2)최소 침습 골절정복 수술은 골절된 부분의 혈관 및 연부조직의 손상을 최소화하므로 환자의 회복이 빠르고 감염 등의 수술 후 합병증을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 반면, 수술 집도의는 골절 부위를 직접 눈으로 확인할 수 없기 때문에 방사선 영상 장치에 의존하여 골편의 위치와 금속정, 플레이트, 금속나사와 같은 수술 도구의 상대 위치를 확인해야 한다.

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저자의 다른 논문 :

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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