고관절 시행에서 식립각도는 추후 환자의 운동범위나 힘의 분배조건에 따라 폴리에틸렌라이너의 마모에도 영향을 미친다. 인공관절요소로부터 마모입자는 골괴사나 다른 생화학적으로 많은 합병증을 일으킨다. 이런 점에서 인공고관절에서 마모와 정렬각도를 수술 후 추시를 통해 측정하는 것은 중요하다. 특히 관절면의 마모를 측정하는 것은 그 량이 크지 않아 상당한 정밀도를 요구한다. 현재 널리 쓰이는 상용 소프트웨어는 재현성과 측정방법의 표준화가 되어 있지 않아 사용에 많은 어려움이 있다. 본 논문에서는 일반 병원의 방사선촬영 환경에서 CAD만 추가로 구비하면 행할 수 있는 인공관절면 마모와 식립각 측정법을 제시한다. 인공관절만의 X-ray영상을 이용한 본 방법의 정확도와 정밀도 평가를 수행하였다. 또한 실제 인공고관절환자의 X-ray영상을 가지고 2년추시에 따른 마모와 식립각을 측정하였다. 본 연구에서 제시한 CAD를 이용한 방법은 마모측정에서 정확도 0.06 mm, 정밀도 0.05 mm, 식립각은 $0.27^{\circ}$의 정밀도를 갖는다.
고관절 시행에서 식립각도는 추후 환자의 운동범위나 힘의 분배조건에 따라 폴리에틸렌 라이너의 마모에도 영향을 미친다. 인공관절요소로부터 마모입자는 골괴사나 다른 생화학적으로 많은 합병증을 일으킨다. 이런 점에서 인공고관절에서 마모와 정렬각도를 수술 후 추시를 통해 측정하는 것은 중요하다. 특히 관절면의 마모를 측정하는 것은 그 량이 크지 않아 상당한 정밀도를 요구한다. 현재 널리 쓰이는 상용 소프트웨어는 재현성과 측정방법의 표준화가 되어 있지 않아 사용에 많은 어려움이 있다. 본 논문에서는 일반 병원의 방사선촬영 환경에서 CAD만 추가로 구비하면 행할 수 있는 인공관절면 마모와 식립각 측정법을 제시한다. 인공관절만의 X-ray영상을 이용한 본 방법의 정확도와 정밀도 평가를 수행하였다. 또한 실제 인공고관절환자의 X-ray영상을 가지고 2년추시에 따른 마모와 식립각을 측정하였다. 본 연구에서 제시한 CAD를 이용한 방법은 마모측정에서 정확도 0.06 mm, 정밀도 0.05 mm, 식립각은 $0.27^{\circ}$의 정밀도를 갖는다.
Long-term complications such as loosening, wear, osteolytic lesion and granulomatous reaction by foreign bodies can occur, after total hip arthroplasty. The implantation alignment effects dislocation and wear, according to its amount and direction. Wear particles in total hip arthroplasty brings abo...
Long-term complications such as loosening, wear, osteolytic lesion and granulomatous reaction by foreign bodies can occur, after total hip arthroplasty. The implantation alignment effects dislocation and wear, according to its amount and direction. Wear particles in total hip arthroplasty brings about biochemical complications such as osteolysis or send wear. In this sense, it is important to regularly check wear and alignment of total hip replacement. Because the wear in followup of 10 years may remain in a small amount, like a 1 or 2 mm generally, somewhat precise measurement tool has to be established. The wear and alignment measurement softwares commercially available currently lack in project saving or reproducibility. This study suggests a reliable method for the measurement using an X-ray image and a CAD software. The proposed method can be executed only if having a CAD software under most of current general clinical radiographical environment. The proposed was revealed through tests for the method to have accuracy of 0.06 mm with precision of 0.05 mm for wear measurement, and precision of 0.27 degrees for tilt measurement.
Long-term complications such as loosening, wear, osteolytic lesion and granulomatous reaction by foreign bodies can occur, after total hip arthroplasty. The implantation alignment effects dislocation and wear, according to its amount and direction. Wear particles in total hip arthroplasty brings about biochemical complications such as osteolysis or send wear. In this sense, it is important to regularly check wear and alignment of total hip replacement. Because the wear in followup of 10 years may remain in a small amount, like a 1 or 2 mm generally, somewhat precise measurement tool has to be established. The wear and alignment measurement softwares commercially available currently lack in project saving or reproducibility. This study suggests a reliable method for the measurement using an X-ray image and a CAD software. The proposed method can be executed only if having a CAD software under most of current general clinical radiographical environment. The proposed was revealed through tests for the method to have accuracy of 0.06 mm with precision of 0.05 mm for wear measurement, and precision of 0.27 degrees for tilt measurement.
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문제 정의
본 논문은 기존 대부분의 병원의 방사선촬영환경에서 CAD소프트웨어만 있으면 활용할 수 있는 인공고관절 수술 후 마모 및 정렬 측정법을 제시하고자 한다. 간단히 기술하면, X-ray 영상을 CAD소프트웨어로 불러들여 인공고관절의 골두 및 cup를 나타내는 원을 CAD를 그려 고관절의 마모 및 식립 각도를 측정방법이다.
제안 방법
그 후 조율이 끝난 영상은 확대 축소가 자유롭게 가능하므로 측정자가 잘 보이도록 영상을 설정한 후 원주 그리기 기능을 통해 인공고관절의 head와 cup의 edge를 스케치 해준다.
인공고관절만의 실험에서 인공고관절을 이용한 실험영상을 으로 CAD를 이용하여 5회 측정한 결과의 정확도 및 정밀도를 확인해보았다. 또한 실제 임상환자의 x-ray 영상을 분석도 5회씩 측정을 한 결과로 측정의 정밀도를 평가하였다.
본 연구에서는 인공고관절의 X-ray 영상을 바탕으로 CAD를 이용하여 인공고관절의 마모량 값과 TILT 값을 측정하는 방법을 제시하고 그 측정방법의 정확도와 정밀도를 평가하였다. 인공관절만의 X-ray 영상으로 측정한 결과, 마모량의 정확도 0.
인공고관절을 고정시켜기 위해 치과에서 치아의 본을 뜰 때 사용하는 알지네이트 (Alginate)로 채운 사각틀에 눕혀 고정하였다. 사각박스틀은 3D프린터로 자체 제작한 것으로 인공고관절의 head와 cup이 붙어 그 형태를 유지토록 하였다.
실험은 본 연구에서 두 가지 인공고관절 상태에서 실험을 실시하였다. 첫째는 정확도 및 정확도평가실험을 위해 인공고관절만의 X-ray 영상을 이용한 실험, 둘째 실제 인공고관절 환자의 임상방사선 영상을 이용한 임상영상측정실험으로 나누어 진행됐다.
위의 방법을 통해 initial과 final 영상에서 각각의 인공고관절의 head와 cup의 edge를 그려 중심점 사이의 거리를 측정한다.
07 mm가 되도록 만들었다. 이를 거리 비와 Solidworks 프로그램의 원주원 그리기 기능, 중심점 사이 거리측정 기능을 사용하여 이차원적으로 재현하였다.
인공고관절만의 실험에서 인공고관절을 이용한 실험영상을 으로 CAD를 이용하여 5회 측정한 결과의 정확도 및 정밀도를 확인해보았다. 또한 실제 임상환자의 x-ray 영상을 분석도 5회씩 측정을 한 결과로 측정의 정밀도를 평가하였다.
작업평면을 선택하고, 도구 메뉴 – 스케치도구 – 스케치그림 불러들이기를 실행한다.
우선, 인공관절만 사용한 실험에 사용된 인공고관절은 Table 1과 같이 제시되어 있다. 정확도평가 실험은 인공관절의 위치를 바꿀 때 그 이동을 얼마나 정확히 측정해내는가로 평가하였다. 인공고관절의 처음 위치와 두 번째 위치를 안정적으로 재현성 있게 유지할 필요가 있었다.
정확도평가는 임상에서 사용하는 실험이 아닌 실제 인공고관절 수술환자가 사용하였던 인공고관절 모델을 사용하여 x-ray 촬영을 진행 한 후 Solidworks 2015 (Dassault Systemes, France)라는 CAD 소프트웨어로 측정을 했다.
실험은 본 연구에서 두 가지 인공고관절 상태에서 실험을 실시하였다. 첫째는 정확도 및 정확도평가실험을 위해 인공고관절만의 X-ray 영상을 이용한 실험, 둘째 실제 인공고관절 환자의 임상방사선 영상을 이용한 임상영상측정실험으로 나누어 진행됐다.
475 mm가 된다. 측정방법의 재현성을 확인하기 위해 같은 영상을 이용하여 5회의 측정을 하였다. 그 결과는 아래 Table 3과 같다.
대상 데이터
정확도평가는 임상에서 사용하는 실험이 아닌 실제 인공고관절 수술환자가 사용하였던 인공고관절 모델을 사용하여 x-ray 촬영을 진행 한 후 Solidworks 2015 (Dassault Systemes, France)라는 CAD 소프트웨어로 측정을 했다. X-ray 촬영은 X-ray건과 투영면 사이의 거리는 115 cm, 수평 해상도: 96 DPI, 수직 해상도: 96 DPI, 픽셀은 3020x3020 이다.
두 번째, 실제 환자의 인공고관절시술 고관절 X-ray영상은 57세 여성의 데이터를 이용했다. 수술 후 2년에 촬영된 X-ray영상의 특징은 Table 2와 같다.
인공고관절의 처음 위치와 두 번째 위치를 안정적으로 재현성 있게 유지할 필요가 있었다. 인공고관절을 고정시켜기 위해 치과에서 치아의 본을 뜰 때 사용하는 알지네이트 (Alginate)로 채운 사각틀에 눕혀 고정하였다. 사각박스틀은 3D프린터로 자체 제작한 것으로 인공고관절의 head와 cup이 붙어 그 형태를 유지토록 하였다.
성능/효과
결과적으로, 수술직후 37.34(0.13)°, 2년추시에서 37.89(0.27)° 였다.
본 연구에서 제안한 CAD 소프트웨어를 이용한 마모 및 식립각 측정법은 상당히 높은 정확도와 정밀도를 갖을뿐만 아니라, CAD파일로 landmarks나 축 측정치수 등의 정보를 CAD파이로 저장해 볼 수있는 프로젝트 저장 가능하고, CAD기능상 무한확대가 가능해 매우 정밀한 측정이 가능하다. 보다 작업의 재현성을 높이기 위해 CAD 작업이전에 Edge detection과 같은 영상처리가 추가로 첨가되면 보다 높은 신뢰성 방법으로 발전시킬 수 있을 것으로 본다.
27°를 갖는 것으로 평가되었다. 애초에 인공관절만 가지고 실행한 실험에서 인공관절을 수동으로 옮긴 후 그 옮긴 거리를 본 측정법이 재현하는 정도에 따라 정밀도를 평가하려 했는데 예기치 않게 표준편차가 0.0049 mm로써 굉장히 안 좋은 정밀도를 보였다.그 이유는 직접 측정자가 모는 종이 위에서 가로 및 세로 5 mm씩 이동한 즉, 거리 7.
인공관절만의 X-ray 영상으로 측정한 결과, 마모량의 정확도 0.06 mm, 정밀도 0.05 mm, 식립각은 정밀도 0.27°를 갖는 것으로 평가되었다.
정확도평가는 Cup의 외경 58 mm가 CAD에서 갖는 치수에 비해 head의 직경 28 mm의 비율이 정확하게 측정되는 지로 평가되었다. 즉, cup외경/head 직경=58/28=2.
본 연구의 방법과 결과에 몇 가지 한계점이 있다. 첫째, 본 연구에서 사용된 영상은 대체적으로 인공고관절의 head와 cup이 잘 보이는 깨끗한 이미지를 사용하였지만 실제 임상에 사용되는 X-ray 영상은 이보다 더 안 좋을 가능성이 높기 때문에 정확도 및 정밀도가 더 낮게 측정될 수 있다. 따라서 보다 더 다양한 종류의 영상 화질에 대해 평가하는 방법이 부족했다.
5 mm 정도로 나와 정확도가 떨어지는 것으로 파악된다. 하여, 헤드사이즈 직경 28 mm에 비해 cup의 외경이 실제 58 mm로 컵의 2.0714배로 CAD가 측정 정도에 따라 정밀도를 평가하였고, 이 결과 본 연구의 측정법이 상당히 높은 정확도를 갖는 것을 알 수 있었다.
후속연구
따라서 보다 더 다양한 종류의 영상 화질에 대해 평가하는 방법이 부족했다. 둘째, 본 연구가 제시한 측정방법은 2차원적인 방법인 것이 한계가 될 수 있으나 RSA와 같이 보다 정확한 방법과 직접 비교를 하지 못했다. 본 연구의 방법도 RSA처럼 두 방향에서 촬영한 X-ray 영상으로 측정을 한다면 보다 3차원적인 측정 방법으로 이어질 수 있을 것이라 생각한다.
본 연구에서 제안한 CAD 소프트웨어를 이용한 마모 및 식립각 측정법은 상당히 높은 정확도와 정밀도를 갖을뿐만 아니라, CAD파일로 landmarks나 축 측정치수 등의 정보를 CAD파이로 저장해 볼 수있는 프로젝트 저장 가능하고, CAD기능상 무한확대가 가능해 매우 정밀한 측정이 가능하다. 보다 작업의 재현성을 높이기 위해 CAD 작업이전에 Edge detection과 같은 영상처리가 추가로 첨가되면 보다 높은 신뢰성 방법으로 발전시킬 수 있을 것으로 본다.[7,8]
둘째, 본 연구가 제시한 측정방법은 2차원적인 방법인 것이 한계가 될 수 있으나 RSA와 같이 보다 정확한 방법과 직접 비교를 하지 못했다. 본 연구의 방법도 RSA처럼 두 방향에서 촬영한 X-ray 영상으로 측정을 한다면 보다 3차원적인 측정 방법으로 이어질 수 있을 것이라 생각한다. 마직으로, 연구에서 사용된 측정방법은 다른 기타 소프트웨어와 비교 평가가 되지 않는 점이 부족하다.
마직으로, 연구에서 사용된 측정방법은 다른 기타 소프트웨어와 비교 평가가 되지 않는 점이 부족하다. 이 부분은 차후의 추가 연구를 통해서 정확도 및 정밀도를 시행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마모와정렬의 변화가 중요한 이유는 무엇인가?
마모와정렬의 변화가 중요한 이유는 크게 두 가지이다. 첫 번째는 인공관절마모 입자가 체조직으로 침투하면 골용해 및 인공관절파괴 현상을 초래하게 된다. 인공고관절의 구조로는 부드러운 관절 운동을 위해 금속과 금속 사이에 통상 폴리에틸렌이나 세라믹으로 된 라이너가 놓인다. 이는 시간이 지남에 따라 마찰운동에 의해 변형이 생기고 마모가 생기게 된다. 이때 마모된 입자는 생체에 이물 질로 인식되어 골용해 등 다양한 문제를 일으킨다.[1,2] 두 번째는 라이너의 마모에 의한 대퇴골과 비구컵의 나쁜 정렬에 따라 탈골 및 응력집중을 초래하여 환자는 재수술을 하게 될 확률이 높아지게 된다. 따라서 인공고관절 수술 후 마모 및 정렬은 임상적으로 매우 중요하다고 볼 수 있다.
PolyWare® software란 무엇인가?
현재 세계적으로 가장 많이 사용되는 인공고관절의 마모 및 정렬측정법으로 3D CAD모델을 X-ray에 맞춰 측정하는 PolyWare® software 이다. 이 소프트웨어가 임상현장에서 그나마 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.
인공고관절의 마모 및 정렬상태 점검이 중요한 이유는?
인공고관절의 시술환자의 수술 후 성공과 시기에 따른 적정한 관리, 재수술 등 환자 보호를 위해 방사선영상에 기반을 둔 인공고관절의 마모 및 정렬상태를 점검하는 것은 매우 중요하다. 통상 인공 고관절 수술 후 1년에서 10수년간 추적평가를 함에 있어, X-ray를 수시로 촬영하게 되고 이를 통해 환자의 시술 상태를 점검하는데, 이때 주요하게 측정 하는 항목이 마모(Wear)와 정렬(Alignment)의 변화이다.
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