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KR20250042108A - One-dimensional image-based spinal surgery planning method - Google Patents

One-dimensional image-based spinal surgery planning method Download PDF

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Publication number
KR20250042108A
KR20250042108A KR1020240126394A KR20240126394A KR20250042108A KR 20250042108 A KR20250042108 A KR 20250042108A KR 1020240126394 A KR1020240126394 A KR 1020240126394A KR 20240126394 A KR20240126394 A KR 20240126394A KR 20250042108 A KR20250042108 A KR 20250042108A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spinal
image
surgery
spinal surgery
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
KR1020240126394A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
유승준
이성
Original Assignee
을지대학교 산학협력단
연세대학교 산학협력단
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 을지대학교 산학협력단, 연세대학교 산학협력단 filed Critical 을지대학교 산학협력단
Publication of KR20250042108A publication Critical patent/KR20250042108A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

본 발명은 척추 수술 플래닝 시 교정기(calibrator)를 사용해서 조정하는 과정 없이 1차원 이미지만을 사용하여 방사선 노출을 최소화하고 표적 부위의 최단 경로 및 니들의 삽입 길이와 각도를 산출할 수 있는 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법을 제공한다.The present invention provides a one-dimensional image-based spinal surgery planning method that can minimize radiation exposure and calculate the shortest path for a target area and the insertion length and angle of a needle by using only a one-dimensional image without an adjustment process using a calibrator during spinal surgery planning.

Description

1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법{One-dimensional image-based spinal surgery planning method}{One-dimensional image-based spinal surgery planning method}

본 발명은 척추 수술 플래닝 방법에 관한 것으로 더 상세하게는 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for planning spinal surgery, and more particularly, to a one-dimensional image-based method for planning spinal surgery.

척추(spine)는 우리 몸의 중심을 이루고 기둥의 역할을 수행하는 기관으로 위쪽으로는 머리를 받치고 아래쪽은 골반과 연결되어 있다. 몸의 중심을 이루고 기둥의 역할을 수행하는 기관으로 우리 몸은 33개의 척추뼈로 구성되어 있다. 척추 주변의 근육은 척추를 지지하고 보호하고 운동이 가능하게 하는 역할을 한다. 척추에는 7종류의 인대가 있는데, 이들은 탄력섬유로 되어있어 척추를 보호하고 균형을 잡아주고 혈관이 분포하고 있으며, 척수 신경이 분포하고 있어 감각정보를 뇌에 전달하고 뇌로부터 받은 명령을 조직에 전달하는 역할을 수행한다. 척추의 형태는 직선이 아닌 S자 형태로 완만한 곡선을 이루고 있고 추간판(intervertebral disc)으로 연결되어 있는데, 이들은 몸을 움직일 때 운동 방향에 따라 늘어나기도 하고 충격을 흡수하는 역할을 하기도 한다. 여러 원인으로 인해 척추뼈 사이의 높이가 낮아지거나 밀려나가는 등 서로 연결되어 있는 척추 각각의 마디가 약해지면 디스크 탈출증, 척추관협착증, 척추 전방위증 등 각종 척추질환이 생긴다. 이와 같이 불안정해진 척추뼈 마디를 바로잡아주기 위해 마디와 마디를 하나의 척추로 연결, 고정하는 척추유합술을 시행하는데 이를 위해서 환자 및 시술 부위에 따라 적정한 척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하고, 삽입 위치 및 경로에 대한 계획을 세우는 과정이 필요하다. 이와 관련하여 대한민국 등록특허 제2394901호는 2차원 의료영상 기반 척추 수술 플래닝 장치 및 방법에 대해 개시하고 있다. The spine is the center of our body and acts as a pillar, supporting the head from above and connected to the pelvis from below. It is an organ that forms the center of the body and acts as a pillar, and our body is composed of 33 vertebrae. The muscles around the spine support and protect the spine and enable movement. There are 7 types of ligaments in the spine, which are made of elastic fibers and protect and balance the spine, and blood vessels are distributed and spinal nerves are distributed, transmitting sensory information to the brain and transmitting commands received from the brain to the tissues. The spine is not a straight line, but has a gentle S-shaped curve and is connected by intervertebral discs, which stretch and absorb shock depending on the direction of movement when the body moves. If the height between the vertebrae decreases or is pushed out due to various causes, each joint of the spine that is connected to each other becomes weak, causing various spinal diseases such as disc herniation, spinal stenosis, and spondylolisthesis. In order to correct the unstable spinal joints in this way, spinal fusion surgery is performed to connect and fix the joints into a single spine. To do this, it is necessary to determine the appropriate length and diameter of the pedicle screw depending on the patient and the surgical site, and to make a plan for the insertion location and path. In this regard, Korean Patent No. 2394901 discloses a device and method for planning spinal surgery based on two-dimensional medical images.

그러나 상기 선행기술은 척추 수술 플래닝을 위해 교정기(calibrator)를 사용하여 정합하는 절차가 필요함에 따라 과도한 방사선에 노출될 가능성이 있어 비효율적이라 할 수 있다. However, the above prior art may be inefficient because it requires a procedure for alignment using a calibrator for spinal surgery planning, which may expose the patient to excessive radiation.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 척추 수술 플래닝 시 교정기를 사용해서 조정하는 절차 없이 1차원 이미지만을 사용하여 방사선 노출을 최소화하고 표적 부위의 최단 경로 및 니들의 삽입 길이와 각도를 산출할 수 있는 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is intended to solve various problems including the above-mentioned problems, and aims to provide a one-dimensional image-based spinal surgery planning method capable of minimizing radiation exposure and calculating the shortest path of a target area and the insertion length and angle of a needle by using only a one-dimensional image without an adjustment procedure using a corrector during spinal surgery planning. However, these tasks are exemplary and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 따르면, 척추 수술을 요하는 환자의 1차원 척추 이미지를 획득하는 단계;According to one aspect of the present invention, there is provided a step of obtaining a one-dimensional spinal image of a patient requiring spinal surgery;

사전 학습된 유넷(U-net) 구조를 이용하여 상기 척추 이미지에서 척추체의 위치를 파악하고 상기 척추체의 특징점을 지정하는 특징점 지정 단계; A feature point designation step of identifying the location of the vertebral body in the spinal image and designating feature points of the vertebral body using a pre-learned U-net structure;

상기 지정된 특징점을 바탕으로 표적 부위에 대한 가상 좌표공간을 설정하는 단계:Step of setting a virtual coordinate space for the target area based on the above-mentioned specified feature points:

상기 가상 좌표공간의 좌표 값을 삼각함수에 적용하여 삼각점을 도출하는 단계;A step of deriving a triangulation point by applying the coordinate values of the above virtual coordinate space to a trigonometric function;

상기 삼각점으로부터 진입점에서 표적 부위까지 니들의 삽입 길이와 각도를 산출하는 단계; 및 A step of calculating the insertion length and angle of the needle from the entry point to the target area from the above triangulation point; and

척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하고, 삽입 위치 및 경로에 대한 계획을 정하는 플래닝 완료 단계를 포함하는, 척추 수술 플래닝 방법이 제공된다.A method for planning a spinal surgery is provided, which includes a planning completion step of determining the length, diameter, etc. of a pedicle screw and determining a plan for the insertion location and path.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법은 교정기 없이 엑스레이 AP(Anterior-Posterior) 상에서 해부학적 랜드마크를 찾아 추가적인 방사선의 노출을 최소화하고 사전 학습된 구조물에 대한 지식을 바탕으로 더욱 정확한 수술 플래닝이 가능하고 상기 수술 플래닝에 따라 목표하는 수술을 원활하게 수행할 수 있어 척추 질환을 신속하게 치료할 수 있는 효과를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.As described above, the one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention finds anatomical landmarks on anterior-posterior (AP) X-ray without a corrector, thereby minimizing additional radiation exposure, enabling more accurate surgery planning based on knowledge of pre-learned structures, and enabling smooth performance of the targeted surgery according to the surgery planning, thereby enabling rapid treatment of spinal diseases. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 척추유합술에 있어서 척추체 삽입되는 척추경 나사(pedicle screw)를 나타내는 개요도(좌) 및 사진(우)이다.
도 2는 척추유합술을 요하는 환자의 엑스레이 AP 뷰를 나타내는 사진이다. 빨간점은 척추경(pedicle), 노란점은 극돌기(spinous process)를 나타낸다.
도 3은 척추체(vertebral body) 평면의 개략적인 구조를 나타내는 개요도이다. 도면에 표시된 α1 및 α3는 척추경, α2는 극돌기를 나타낸다. 본 발명의 척수 수술 플래닝 방법에서는 빨간점(α3)은 표적 부위를 나타낸다.
도 4은 척추체 후방의 개략적인 구조를 나타내는 개요도이다. 도면에서 빨간점(α3)은 표적 부위를 나타낸다.
도 5는 척추체의 평면 이미지를 기반으로 삼각함수를 이용해서 수술용 니들의 삽입 길이 및 각도를 산출하는 구성을 개략적으로 나타내는 개요도이다.
도 6은 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법에서 니들 삽입 시 표적 부위까지 최단 경로를 나타내는 개요도이다.
도 7은 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법의 절차를 단계별로 나타내는 흐름도이다.
도 8은 척추유합술에서 척추경 나사(pedicle screw)의 고정을 나타내는 AP 이미지 및 LL 이미지이다.
도 9는 스레드(thread)의 거리 변화를 기준으로 나사못과 환자 척추체 평면간의 각도를 추정하기 위한 나사산의 각도를 나타내는 개요도이다.
도 10은 스레드의 거리 변화를 기준으로 나사못과 환자 척추체 평면간의 각도를 추정하기 위한 나사산의 각도를 나타내는 개요도이다.
Figure 1 is a schematic diagram (left) and a photograph (right) showing a pedicle screw inserted into a spinal body in spinal fusion.
Figure 2 is a photograph showing an AP X-ray view of a patient requiring spinal fusion. The red dot indicates the pedicle, and the yellow dot indicates the spinous process.
Figure 3 is a schematic diagram showing the schematic structure of the vertebral body plane. α1 and α3 shown in the drawing represent pedicles, and α2 represents spinous processes. In the spinal cord surgery planning method of the present invention, a red dot (α3) represents a target site.
Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of the posterior part of the vertebral body. In the drawing, the red dot (α3) indicates the target area.
Figure 5 is a schematic diagram schematically showing a configuration for calculating the insertion length and angle of a surgical needle using trigonometry based on a planar image of the vertebral body.
Figure 6 is a schematic diagram showing the shortest path to the target site when inserting a needle in the spinal surgery planning method of the present invention.
Figure 7 is a flow chart showing the procedure of the spinal surgery planning method of the present invention step by step.
Figure 8 is an AP image and an LL image showing the fixation of a pedicle screw in spinal fusion.
Figure 9 is a schematic diagram showing the screw thread angle for estimating the angle between the screw and the patient's vertebral plane based on the change in thread distance.
Figure 10 is a schematic diagram showing the screw angle for estimating the angle between the screw and the patient's vertebral plane based on the change in thread distance.

용어의 정리:Glossary of terms:

본 문서에서 사용되는 용어 "척추유합술(spinal fusion)"은 척추뼈와 뼈 사이의 병든 디스크를 모두 제거하고 그 사이, 케이지라는 디스크 모양 지지대를 집어넣고 나사를 박아 고정, 불안정한 척추 마디를 안정시켜 근본적으로 치료하는 방법을 말한다. 인접하는 2~수개의 척추골에 수술을 하여 부동화하는 것으로 척추카리에스, 척추종양의 병소탈락에 이어 행하거나, 척추탈구골절, 척추분리증, 척추활주증 등 척추의 불안정성 해소를 위하여 행한다. 추간판탈출증, 경수증일 때에도 후자에 준하여 시행한다. 방법은 전방으로부터 추체에 침습을 가하는 전방고정법과 후방으로부터 추궁, 추간관절, 극돌기에 침습을 가하는 후방고정법이 있고 최근에는 후자의 방법으로 횡돌기간을 고정하는 후측방고정법이 있다. The term "spinal fusion" used in this document refers to a method of fundamentally treating by removing all diseased discs between the vertebrae and the bones, inserting a disc-shaped support called a cage between them, and fixing it with screws to stabilize the unstable spinal joint. It is performed by surgically immobilizing two to several adjacent vertebrae, and is performed following the removal of lesions of spinal caries or spinal tumors, or to resolve spinal instability such as spinal dislocation fracture, spondylolysis, and spondylolisthesis. The latter is also performed in cases of herniated discs and cervical spondylosis. The methods include anterior fixation, which invades the vertebral body from the front, and posterior fixation, which invades the laminae, intervertebral joints, and spinous processes from the back, and recently, the posterolateral fixation method, which fixes the transverse process interval, is used as the latter method.

본 문서에서 사용되는 용어 "유넷(U-net)"은 이미지 분할(image semantic segmentation) 분야에서 가장 기본이 되는 딥러닝 아키텍처를 의미한다. 본 발명에서 인공지능 CNN 중의 변형으로 특정 사물 인식에 최적화된 알고리즘으로 씨암(C-arm)의 AP 촬영 상황에서 여러 가지 노이즈가 있을 수 있는데 관심 있는 극돌기(spinous process)와 척추경(pedicle)의 위치를 알고리즘이 알려 준다. 이 모델은 2D 이미지를 입력으로 받아 각 픽셀에 대해 클래스(예: 척추, 추간판 등)를 예측한다. The term "U-net" used in this document refers to the most basic deep learning architecture in the field of image semantic segmentation. In the present invention, it is an algorithm optimized for specific object recognition as a variation of artificial intelligence CNN. In the situation of AP imaging of a C-arm, there may be various noises, and the algorithm informs the location of the spinous process and pedicle of interest. This model takes a 2D image as input and predicts a class (e.g., spine, intervertebral disc, etc.) for each pixel.

본 문서에서 사용되는 용어 "추간공(intervertebral foramen)"은 추골과 추골 사이에 있는, 척수 신경이 빠져나오는 공간이다. 척추관과 양측의 체부와를 연락하는 구멍으로 척수신경이 지나고 있다. 또한, 천골에서는 상하가 융합하여 밖으로부터는 잘 보이지 않으나, 동명의 구멍이 선골관으로부터 양측으로 통하고 있고, 이것이 전ㆍ후 선골공과 연결되어 똑같이 척수신경이 지나고 있다.The term "intervertebral foramen" used in this document refers to the space between the vertebrae through which the spinal cord emerges. The spinal cord passes through the hole that connects the spinal canal with the corpora on both sides. In addition, in the sacrum, the upper and lower parts are fused together and cannot be seen from the outside, but the same-named hole leads from the sacral canal to both sides, and this connects to the anterior and posterior sacral foramina, through which the spinal cord passes through in the same way.

발명의 상세한 설명:Detailed description of the invention:

본 발명의 일 관점에 따르면, 척추 수술을 요하는 환자의 1차원 척추 이미지를 획득하는 단계;According to one aspect of the present invention, there is provided a step of obtaining a one-dimensional spinal image of a patient requiring spinal surgery;

사전 학습된 유넷(U-net) 구조를 이용하여 상기 척추 이미지에서 척추체의 위치를 파악하고 상기 척추체의 특징점을 지정하는 특징점 지정 단계; A feature point designation step of identifying the location of the vertebral body in the spinal image and designating feature points of the vertebral body using a pre-learned U-net structure;

상기 지정된 특징점을 바탕으로 표적 부위에 대한 가상 좌표공간을 설정하는 단계:Step of setting a virtual coordinate space for the target area based on the above-mentioned specified feature points:

상기 가상 좌표공간의 좌표 값을 삼각함수에 적용하여 삼각점을 도출하는 단계;A step of deriving a triangulation point by applying the coordinate values of the above virtual coordinate space to a trigonometric function;

상기 삼각점으로부터 진입점에서 표적 부위까지 니들의 삽입 길이와 각도를 산출하는 단계; 및 A step of calculating the insertion length and angle of the needle from the entry point to the target area from the above triangulation point; and

척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하고, 삽입 위치 및 경로에 대한 계획을 정하는 플래닝 완료 단계를 포함하는, 척추 수술 플래닝 방법이 제공된다.A method for planning a spinal surgery is provided, which includes a planning completion step of determining the length, diameter, etc. of a pedicle screw and determining a plan for the insertion location and path.

상기 플래닝 방법에 있어서, 상기 특징점 지정 단계는 In the above planning method, the feature point designation step

유넷 모델을 준비 후 소정의 특징점이 표시된 척추 이미지 데이터를 사용하여 모델을 훈련시키는 단계;A step of training the model using spinal image data with specified feature points marked after preparing the UNET model;

상기 훈련에 의해 상기 모델로부터 특징점 위치 정보를 추출하는 단계;A step of extracting feature point location information from the model by the above training;

상기 특징점 위치 정보를 척추 이미지에서 특정 픽셀 위치로 나타내는 단계; 및A step of representing the above feature point location information as a specific pixel location in a spine image; and

상기 특징점의 위치 정보를 해석하여 척추체의 구조물을 식별하고 분석하는 단계를 포함할 수 있다. It may include a step of identifying and analyzing the structure of the vertebral body by interpreting the location information of the above-mentioned feature points.

상기 플래닝 방법에 있어서, 상기 척추체의 구조물은 극돌기, 횡돌기 또는 척추경일 수 있고 상기 특징점은 척추체의 극돌기, 제1 척추경 또는 제2 척추경의 위치 값일 수 있고 상기 플래닝 완료 단계는 진입점에서 부터 표적 부위까지 최단 경로를 포함할 수 있다.In the above planning method, the structure of the vertebral body may be a spinous process, a transverse process or a pedicle, and the feature point may be a position value of the spinous process, the first pedicle or the second pedicle of the vertebral body, and the planning completion step may include a shortest path from the entry point to the target site.

상기 플래닝 방법에 있어서, 상기 삼각점은 사전에 알고 있는 척추체의 극돌기(spinous process) 및 횡돌기(transverse process)의 첨단점(cutting edge)을 좌표를 기반으로 하여 척추경(pedicle), 추간공(foramen)등 목표로 하는 지점에 대한 경로를 계산하는 점을 말한다. 예컨대 삼각측량법을 적용하여 경로를 계산할 수 있는데 상기 삼각측량법은 "점과 두 기준점이 주어졌으면, 그 점과 두 기준점이 이루는 삼각형에서 밑변과 다른 두 변이 이루는 각을 각각 측정하고, 그 변의 길이를 측정한 뒤, 사인(sines) 법칙 등을 이용하여 일련의 계산을 수행함으로써, 그 점에 대해 좌표와 거리를 알아내는 방법"을 의미한다. In the above planning method, the triangulation point refers to a point for calculating a path to a target point such as a pedicle or foramen based on the coordinates of the cutting edge of the spinous process and transverse process of the vertebral body, which are known in advance. For example, the path can be calculated by applying triangulation, and the triangulation method means "a method of finding the coordinates and distance to the point by measuring the angles formed by the base and the other two sides of a triangle formed by the point and two reference points, measuring the lengths of the sides, and then performing a series of calculations using the law of sines, etc., when a point and two reference points are given."

상기 플래닝 방법에 있어서, 상기 1차원 이미지는 엑스레이(C-arm) 또는 척추(spine) CT일 수 있고 상기 척추 수술은 척추 유합술, 척추 내시경 수술, 또는 최소침습 척추 수술일 수 있으며 상기 척추 유합술은 경추간공 요추 추체간 유합술(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF), 후방 요추 추체간 유합술(posterior lumbar interbody fusion, PLIF), 전방 요추 추체간 유합술(anterior lumbar interbody fusion, ALIF), 및 측방 요추 추체간 유합술(direct lumbar interbody fusion, DLIF)로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. In the above planning method, the one-dimensional image may be an X-ray (C-arm) or a spine CT, and the spinal surgery may be a spinal fusion, an endoscopic spinal surgery, or a minimally invasive spinal surgery, and the spinal fusion may be selected from the group consisting of transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF), posterior lumbar interbody fusion (PLIF), anterior lumbar interbody fusion (ALIF), and direct lumbar interbody fusion (DLIF).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the present invention is not limited to the examples disclosed below, but can be implemented in various different forms. The following examples are provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete, and to fully inform a person having ordinary skill in the art of the scope of the invention.

척추질환인 척추관 협착증, 추간판 탈출증 또는 척추측만증, 퇴행성 후만증등의 경우 비수술 치료법으로 치료하기 힘든 증상이 심한 환자들의 경우 가슴뼈의 보호를 받는 흉추의 특성으로 인해 일반적으로 등쪽에서 접근해서 척추체를 복원 및 고정하는 척추 유합술을 시행한다. 상기 질환이 있는 척추 뼈 양단에 척추경 나사못을 삽입하여 이들을 함께 고정시킴으로써 척추 간 비이상적인 움직임을 방지하고 이로 발생하는 통증을 제거하기 위한 수술이다. 흉추(Thoracic vertebra)는 경추나 요추와는 달리 가슴뼈의 보호를 받고 있고, 추간판(디스크)의 높이가 낮고 신경통로의 여유 공간이 적어 전방보다는 일반적으로 후방(등)에서 접근하게 된다. 도 1은 척추유합술에 있어서 척추체에 삽입되는 척추경 나사(pedicle screw)를 나타내는 그림(좌측) 및 사진(우측)이다. 이러한 척추 질환에 대해서는 가능한 경우 수술은 피하고 치료하는 것이 바람직하지만 척추불안정증을 동반한 협착증, 척추분리증과 같이 제한적인 경우에 한하여 척추유합술을 시행해야 한다. 척추유합술은 나사를 이용해 정상적인 위치에서 벗어난 척추뼈를 정상적인 위치로 고정하는 수술로 널리 이용되고 있는 수술법으로 피부 절개가 적고, 수술과 연관된 근육 손상이 기존 수술에 비해 매우 적으며추간공 접근법을 이용하여 신경손상의 가능성도 낮다. 이러한 척추유합술을 위해서 환자 및 시술 부위에 따라 적정한 척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하고, 삽입 위치 및 경로에 대한 계획을 세우는 과정이 필요하다. 척추경 나사못 고정 수술을 위한 수술 플래닝을 수행할 때에는 척추의 축방향 뷰(Axial view)가 가장 적합하므로 종래에는 수술 전 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT)을 통하여 축방향 이미지를 시술자에게 제공하여 축방향 이미지를 기반으로 한 수술 플래닝이 수행되었다. 상기 CT 영상에 기반한 종래 플래닝 방법은 축방향 이미지에서 플래닝을 수행할 수 있다는 장점은 있으나 CT 촬영시 장시간의 방사선에 노출되므로 인체에 유해한 문제점이 있다. In the case of patients with severe symptoms that are difficult to treat with non-surgical methods, such as spinal stenosis, herniated disc, scoliosis, or degenerative kyphosis, spinal fusion is generally performed by approaching from the back to restore and fix the vertebral body due to the characteristics of the thoracic spine being protected by the sternum. This is a surgery to prevent abnormal movement between the vertebrae and eliminate the pain caused by inserting pedicle screws into both ends of the vertebrae with the above disease and fixing them together. The thoracic vertebrae, unlike the cervical or lumbar vertebrae, are protected by the sternum, and the height of the intervertebral disc (disk) is low and the space for the neural passage is small, so it is generally approached from the back (back) rather than the front. Figure 1 is a drawing (left) and a photograph (right) showing a pedicle screw inserted into the vertebral body in spinal fusion. For these spinal diseases, it is desirable to avoid surgery and treat them if possible, but spinal fusion should be performed only in limited cases such as stenosis and spondylolysis with spinal instability. Spinal fusion is a widely used surgical method that uses screws to fix vertebrae that have deviated from their normal position to their normal position. It requires less skin incision, significantly less muscle damage related to the surgery compared to conventional surgeries, and the possibility of nerve damage is also low due to the use of a transforaminal approach. For this spinal fusion, it is necessary to determine the appropriate length and diameter of the pedicle screw according to the patient and the surgical site, and to plan the insertion location and path. When performing surgical planning for pedicle screw fixation surgery, the axial view of the spine is the most appropriate, so in the past, axial images were provided to the surgeon through preoperative computed tomography (CT), and surgical planning was performed based on the axial images. The conventional planning method based on the above CT images has the advantage of being able to perform planning on axial images, but has the problem of being harmful to the human body because it requires long-term exposure to radiation during CT scanning.

구체적으로, 종래 척추유합술 등 척추 질환을 치료하기 위한 척추 수술 플래닝 시 진통제 등을 주사로 해당 신경 분절에 주입하여 통증을 완화 시키는 시술인페인블록(pain block) 중 하나인 루트블록(root block, 신경근 차단술)을 하기 위해서 종래의 기술은 엑스레이(C-arm)의 AP 이미지나 소노 가이드(sono guide) 하에서 초음파로 구조물의 단면을 관찰하면서 의사의 경험에 기반 하여 위치를 대략적으로 파악하고 해부학적 랜드마크를 표적한다. 환부의 위치를 파악하고 난 후 등을 통해 니들을 삽입하여 측면 돌기들을 피해서 추골과 추골 사이에 있는, 척수 신경이 빠져나오는 공간인 추간공(intervertebral foramen)으로 약물을 주입할 수 있다. Specifically, in order to perform a root block (nerve root block), which is one of the pain blocks that injects painkillers, etc. into the relevant nerve segment to relieve pain when planning a spinal surgery to treat spinal diseases such as conventional spinal fusion, the conventional technique is to roughly identify the location based on the doctor's experience by observing the cross-section of the structure with ultrasound under the AP image of an X-ray (C-arm) or a sono guide, and target the anatomical landmark. After identifying the location of the affected area, a needle can be inserted through the back to avoid the lateral processes and inject the drug into the intervertebral foramen, which is the space between the vertebrae through which the spinal nerves emerge.

일반적으로 상기 초음파 및 엑스레이(C-arm) 방사선을 실시간으로 보면서 니들을 삽입하는데 엑스레이는 전방 및 측방을 확인하면서 삽입하는 과정에서 계속 방사선에 노출되고 초음파는 한손으로 수행해야 하므로 의사의 숙련된 경험을 필요로 한다. 종래 척추 수술 플래닝의 경우 표적하는 부위의 이미지에 교정기(calibrator)를 함께 촬영하여 조정하는 과정 즉 2차원 영상을 수술 공간과 정합(matching)하는 과정이 필요하다. 그 이유는 이미지를 촬영 후 가상으로 중첩을 시키면 정확하게 정합이 안 되기 때문이다. 그러나 교정기에 의해 정합하는 과정에서 과도한 방사선에 노출될 가능성이 있고 소노 가이드(초음파 유도하)는 척추 신경근 차단술에 있어서 여러 분절에 블록을 해야 하는 경우 각각의 분절에 표적하고 프로브를 이용해 탐색을 함에 따라 통증주사(통증 차단술)를 여러 곳에 놔야하기 때문에 시간 및 자원이 소모되는 문제점이 있다. 그러나 본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법은 상기 정합 과정의 2차원 영상을 1차원 엑스레이(C-arm) 또는 사전에 촬영한 척추(spine) CT만을 대체하므로 수술 플래닝을 위한 이미지를 한번만 촬영해도 되고 수술 전 진단을 위해 촬영했던 CT 이미지를 활용할 수 있기 때문에 수술 플래닝을 위한 추가적인 방사선 노출을 최소화 하면서 삽입 니들의 길이 및 각도를 산출하여 최단 경로를 통해 추간공(vertebral foramen)의 척수신경근(spinal root)을 표적할 수 있다. In general, a needle is inserted while viewing the ultrasound and X-ray (C-arm) in real time. X-rays are continuously exposed to radiation during the insertion process while checking the front and sides, and ultrasound must be performed with one hand, so it requires the doctor's skilled experience. In the case of conventional spinal surgery planning, a process of adjusting the image of the target area by taking a picture of the calibrator together, that is, a process of matching the 2D image with the surgical space is necessary. This is because the alignment is not accurate when the images are virtually superimposed after taking the pictures. However, there is a possibility of being exposed to excessive radiation during the alignment process using the calibrator, and in the case of sono-guided (ultrasound-guided) spinal nerve root block, when multiple segments need to be blocked, each segment must be targeted and a probe must be used to explore, so pain injections (pain blockade) must be placed in multiple places, which is a problem of time and resource consumption. However, since the one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention replaces the two-dimensional image of the above-mentioned registration process with only one-dimensional X-ray (C-arm) or a previously taken spine CT, the image for surgery planning needs to be taken only once, and since the CT image taken for preoperative diagnosis can be used, the length and angle of the insertion needle can be calculated while minimizing additional radiation exposure for surgery planning, and the spinal nerve root of the vertebral foramen can be targeted through the shortest path.

도 2은 척추유합술을 요하는 환자의 엑스레이 AP 뷰를 나타내는 사진이다. 빨간점은 척추경(pedicle), 노란 점은 극돌기(spinous process)를 나타낸다. 본 발명의 수술 플래닝 방법은 유넷(U-net)을 이용하여 특징점으로 찾아 가상 좌표공간을 설정하고 니들의 삽입 길이와 각도를 산출하여 횡돌기 끝(transverse process tip), 및 추간공(intervertebral foramen)에 페인블록(pain block)을 하거나 경피 척추경 나사(percutaneous pedicle screw)를 효과적으로 삽입할 수 있다. 정확한 정합을 위하여 횡돌기와 극돌기 모두 이용할 수 있고, 특징점으로 잡는 첨단점(cutting edge)의 경우, 상기 돌기에 국한 되지는 않지만 본 발명의 실시예로서 척추 구조물의 특징이 되는 상기 횡돌기 및 극돌기의 끝 점을 교정 마커(calibration marker)로 대체하여 활용할 수 있다. Fig. 2 is a photograph showing an X-ray AP view of a patient requiring spinal fusion. The red dot represents the pedicle, and the yellow dot represents the spinous process. The surgical planning method of the present invention uses U-net to find feature points, sets a virtual coordinate space, and calculates the insertion length and angle of a needle to effectively insert a pain block into the transverse process tip and intervertebral foramen or insert a percutaneous pedicle screw. Both the transverse process and the spinous process can be used for accurate alignment, and in the case of the cutting edge used as the feature point, the tip points of the transverse process and the spinous process, which are features of the spinal structure, are not limited to the above processes, but as an embodiment of the present invention, they can be used as calibration markers.

상기한 바와 같이 본 발명의 수술 플래닝 방법은 교정기 없이도 프로세스 특징점을 정해서 이를 기반으로 AP(전후면), lateral(측면) 이미지를 활용하는 종래 기술이 아닌 AP 만으로 추간공을 표적할 수 있고 척추경 나사(pedicle screw)를 이용한 척추유합술은 물론 척추 내시경 수술 할 때 삽입 기구의 위치와 거리 등을 계산하는데 활용할 수 있다. 상기 척추 내시경 수술은 5 ㎜ 정도의 작은 절개 부위 두 곳을 통해 내시경과 치료 장비를 삽입한 후 내시경으로 병변을 다각도로 확인하면서 통증의 원인을 제거한다. 절개 부위는 작지만, 내시경을 이용하기에 병변과 그 주변 조직을 확대해 확인할 수 있어 훨씬 정밀한 수술이 가능하다.As described above, the surgical planning method of the present invention can target the intervertebral foramen using only AP, unlike the conventional technology that utilizes AP (anterior-posterior) and lateral images based on process feature points determined without a corrector, and can be used to calculate the position and distance of the insertion device during spinal fusion using a pedicle screw as well as endoscopic spinal surgery. The endoscopic spinal surgery removes the cause of pain by inserting an endoscope and a treatment device through two small incisions of about 5 mm, and then checking the lesion from various angles with the endoscope. Although the incisions are small, the lesion and its surrounding tissues can be magnified and checked using an endoscope, enabling much more precise surgery.

본 발명은 척추 수술 플래닝을 위해 사전에 척추 CT를 촬영 이미지를 통해 지정된 특징점을 바탕으로 상대값(비율)의 가상 좌표공간을 설정할 수 있고 위치가 다른 두 점을 한 평면(x, y축 정보)에서 알면, 다른 점이 위치한 곳에서 목표로 하는 점까지의 z축도 계산이 가능하다. 아울러 척추유합술 시 해당 환자의 CT 또는 AP 이미지를 척추 CT로 재구축할 수 있고 CT 이미지가 없더라도 AP lateral 이미지만으로 교정하는 절차 없이 척수신경근(spinal root)을 최단 경로로 표적할 수 있는 니들의 삽입 길이 및 각도를 추정할 수 있다. 이때 상기 척추유합술(spinal fusion)은 경추간공 요추 추체간 유합술(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF), 후방 요추 추체간 유합술(posterior lumbar interbody fusion, PLIF), 전방 요추 추체간 유합술(anterior lumbar interbody fusion, ALIF), 및 측방 요추 추체간 유합술(direct lumbar interbody fusion, DLIF)로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The present invention can set a virtual coordinate space of relative values (ratios) based on feature points designated in advance through a spine CT image for spinal surgery planning, and if two points at different locations are known on one plane (x, y-axis information), it is also possible to calculate the z-axis from where the other point is located to a target point. In addition, the CT or AP image of the patient in question can be reconstructed as a spine CT during spinal fusion surgery, and even if there is no CT image, the insertion length and angle of a needle capable of targeting the spinal nerve root through the shortest path can be estimated without a correction procedure using only the AP lateral image. At this time, the spinal fusion may be selected from the group consisting of, but is not limited to, transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF), posterior lumbar interbody fusion (PLIF), anterior lumbar interbody fusion (ALIF), and direct lumbar interbody fusion (DLIF).

이하, 본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법의 니들의 삽입 길이 및 각도 산출 방법을 하기 실시예를 통해 설명한다. Hereinafter, a method for calculating the needle insertion length and angle of a one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention will be described through the following examples.

실시예 1: 니들의 삽입 길이 및 각도 계산 Example 1: Calculating the insertion length and angle of the needle

본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법의 일례로 하기와 같이 니들의 삽입 길이 및 각도를 삼각함수를 이용하여 계산할 수 있다. 먼저, 도 3은 척추제(vertebral body)의 구조를 3차원 평면으로 나타내는 평면도로 등을 기준으로 α1은 우측 척추경, α2는 극돌기(spinous process), α3는 좌측 척추경 및 원형의 구조물는 추체를 나타낸다. 또한 상기 극돌기(spinous process) 방향은 등쪽을, 상기 추체는 복부 방향을 가리킨다. 아울러, 도 4는 상기 척추제의 구조를 나타내는 등쪽에서 바라본 정면도로 α1 내지 α3의 위치는 도 3과 동일하다. 상기 도 3의 α1 내지 α3의 y축 정보를 사전에 알고 있으면 도 4에서의 x축 이동 값에 따른 y축 변화값을 수학적으로 예측할 수 있고 이는 도 5의 삼각함수 구성을 참조하여 계산할 수 있다. 예컨대, 상기 α3(빨간점으로 표시)가 표적이라고 한다면 도 4의 정사면 평선 상수(α2-α3)는 니들의 삽입 길이(Da)와 외부 입사각도(a)에 따라 하기 수식 1에 적용하여 계산할 수 있다. As an example of the one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention, the insertion length and angle of the needle can be calculated using trigonometric functions as follows. First, Fig. 3 is a plan view showing the structure of the vertebral body in a three-dimensional plane, in which α1 represents the right pedicle, α2 represents the spinous process, α3 represents the left pedicle, and the circular structure represents the vertebral body. In addition, the direction of the spinous process points toward the dorsal side, and the vertebral body points toward the ventral side. In addition, Fig. 4 is a front view looking from the dorsal side showing the structure of the vertebral body, in which the positions of α1 to α3 are the same as those in Fig. 3. If the y-axis information of α1 to α3 of Fig. 3 is known in advance, the y-axis change value according to the x-axis movement value in Fig. 4 can be mathematically predicted, and this can be calculated with reference to the trigonometric function configuration of Fig. 5. For example, if the above α3 (indicated by a red dot) is a target, the orthogonal plane constant (α2-α3) of Fig. 4 can be calculated by applying the following equation 1 according to the needle insertion length (Da) and the external incident angle (a).

(수식 1)(Formula 1)

Da · cos a = Xa - α3 = O (관찰값)Da · cos a = Xa - α3 = O (observed value)

Da · sin a = α2y - α3y = K (기지값)Da · sin a = α2 y - α3 y = K (known value)

Figure pat00001
Figure pat00001

수술 환자마다 척추체의 모양은 조금씩 다르므로 상기 수식에 따라 삼각점이 산출되면 등으로부터 해당 표적 부위까지 최단 거리에 해당하는 니들의 입사 길이와 각도를 추정할 수 있다. 이때 상기 척추체는 등쪽을 기준으로 좌, 우측으로 구분하였으나 추간공 중심부를 기준으로 좌우 대칭되는 지점에서 좌,우 구분없이 제1 척추경 및 제2 척추경으로 구분할 수 있다. Since the shape of the vertebral body is slightly different for each surgical patient, if the triangulation point is derived according to the above formula, the needle entrance length and angle corresponding to the shortest distance from the back to the target area can be estimated. At this time, the vertebral body is divided into left and right based on the back, but it can be divided into the first and second vertebral bodies without distinction between left and right at points symmetrical to the left and right based on the center of the intervertebral foramen.

또한 동일한 방법으로 3차원 구조에서 극돌기 y축 끝(top)의 특징점과 표적하는 추간공 중심부의 좌표를 바탕으로 3차원 행렬의 변환과 역행렬을 이용한 회전 변환 원리를 적용하여 최적화된 루트 블록 스킨(root block skin) 입사 각도와 길이를 계산할 수 있다. 상기 3차원 행렬의 변환과 역행렬을 이용한 회전 변환 원리를 적용에 대한 내용을 설명하면 먼저, 극돌기 특징점과 추간공 중심의 좌표를 획득한다. 극돌기의 y축 끝(top)에 있는 특징점과 추간공의 중심부 좌표를 측정 또는 계산한다. 그 후, 상기 좌표들은 회전 변환을 기반으로 루트 블록 스킨의 입사 각도와 길이를 결정하는 데 사용된다. In addition, by the same method, the optimized root block skin incidence angle and length can be calculated by applying the principle of rotation transformation using the transformation and inverse matrix of the three-dimensional matrix based on the coordinates of the feature point at the y-axis end (top) of the spinous process and the center of the target intervertebral foramen in the three-dimensional structure. The content of applying the principle of rotation transformation using the transformation and inverse matrix of the above three-dimensional matrix will be explained. First, the coordinates of the feature point at the y-axis end (top) of the spinous process and the center of the intervertebral foramen are obtained. The coordinates of the feature point at the y-axis end (top) of the spinous process and the center of the intervertebral foramen are measured or calculated. Thereafter, the above coordinates are used to determine the incidence angle and length of the root block skin based on the rotation transformation.

회전 변환 행렬(Rotation matrix)의 구성을 설명하면 회전 변환은 3차원 공간에서 객체를 원하는 각도만큼 회전시키는 변환이며, 이를 행렬로 표현할 수 있다. 주어진 각도에 따라 회전 행렬을 구성하는데 예를 들어, x축을 중심으로 회전하는 경우의 변환 행렬은 하기 수식 2와 같다: 여기서 θ는 회전 각도이다.If we explain the composition of the rotation transformation matrix, the rotation transformation is a transformation that rotates an object in three-dimensional space by a desired angle, and this can be expressed as a matrix. The rotation matrix is composed according to a given angle. For example, the transformation matrix in the case of rotation around the x-axis is as follows in Equation 2: Here, θ is the rotation angle.

(수식 2)(Formula 2)

R_x(θ) = | 1 0 0 |R_x(θ) = | 1 0 0 |

| 0 cos(θ) -sin(θ) | | 0 cos(θ) -sin(θ) |

| 0 sin(θ) cos(θ) | | 0 sin(θ) cos(θ) |

변환 계산은 획득한 회전 행렬을 사용하여, 추간공의 중심부 좌표를 기준으로 극돌기 특징점의 좌표를 회전 변환한다. 이렇게 하면 변환된 좌표를 얻을 수 있다. 또한 역행렬 적용은 계산된 변환된 좌표를 다시 원래 좌표 공간으로 되돌리기 위해 역회전을 수행해야 한다. 회전 행렬의 역행렬은 그 전치(transpose)와 같으므로, 역회전 행렬은 하기 수식 3과 같다:The transformation calculation uses the acquired rotation matrix to rotate the coordinates of the spinous process feature points based on the coordinates of the center of the intervertebral foramen. This allows us to obtain transformed coordinates. In addition, the application of the inverse matrix must perform a reverse rotation to return the calculated transformed coordinates back to the original coordinate space. Since the inverse matrix of the rotation matrix is equal to its transpose, the inverse rotation matrix is as follows in Equation 3:

(수식 3)(Formula 3)

R_x(-θ) = | 1 0 0 |R_x(-θ) = | 1 0 0 |

| 0 cos(θ) sin(θ) | | 0 cos(θ) sin(θ) |

| 0 -sin(θ) cos(θ) | | 0 -sin(θ) cos(θ) |

상기 역회전을 통해 얻은 좌표는 원래 공간에서의 극돌기 특징점의 위치이다. 상기 좌표를 통해 극돌기의 입사 각도와 길이를 추정할 수 있다.The coordinates obtained through the above reverse rotation are the positions of the spinous process feature points in the original space. The incidence angle and length of the spinous process can be estimated through the above coordinates.

도 6은 본 발명의 척추 수술 플래닝을 위한 니들 삽입 시 진입점(등)에서 표적 부위까지 최단 경로를 나타내는 개요도이다. 도시한 바와 같이 파란색 화살표는 극돌기를 나타내고 빨간색 화살표는 척추경을 나타내며 핑크색 선은 추간공(foramen)을 나타내고 가로로 이어지는 파란색 선은 척수신경근(spinal root)을 나타낸다. 본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법에 의해서 루트 블록의 경우 신경 뿌리가 전선처럼 나가는데 A가 등이고 A에서 P까지가 뼈 구조물은 피하여 바늘이 삽입되는 최단경로가 될 수 있다. FIG. 6 is a schematic diagram showing the shortest path from the entry point (back) to the target site during needle insertion for spinal surgery planning of the present invention. As shown, the blue arrow represents the spinous process, the red arrow represents the pedicle, the pink line represents the foramen, and the horizontal blue line represents the spinal nerve root. In the case of a root block by the one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention, the nerve root extends like a wire, and A is the back, and from A to P can be the shortest path for inserting the needle while avoiding bone structures.

도 7은 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법의 절차를 단계별로 나타내는 흐름도이다. 상기 절차를 단계별로 설명하면, 척추 수술을 요하는 환자의 1차원 척추 이미지를 획득(S1)하는데 이때 상기 1차원 척추 이미지는 엑스레이 이미지 또는 척추 CT 이미지일 수 있다. 그 후 사전 학습된 유넷(U-net) 구조를 이용하여 상기 1차원 척추 이미지에서 척추체의 극돌기, 척추경 및 추간공 등에 대한 특징점을 지정할 수 있다(S2). 상기 유넷은 계약 경로(Contracting Path) 및 광범위 경로(Expansive Path)로 구성되며, 중간에 병목(Bottleneck) 구조를 가진다. 상기 계약 경로 이미지를 다운샘플링하여 추상화된 특징을 추출하고, 광범위 경로에서는 상기 추출한 특징을 업샘플링하여 원래 이미지 크기에 맞게 복원한다. 모델 훈련을 위해서 유넷 모델을 준비한 후, 소정의 특징점이 표시된 전처리 데이터를 사용하여 모델을 훈련시킨다. 입력으로는 척추 영상이 들어가고, 출력으로는 특징점 위치를 나타내는 마스크가 나온다. 모델이 훈련하는 동안 주로 픽셀 단위의 손실 함수(Loss Function)를 사용한다. 그 후, 추론 및 후처리 과정을 거치는데 상기 훈련된 모델을 사용하여 새로운 척추 영상에 대해 추론을 수행한다. 모델의 출력으로부터 특징점 위치를 추출한다. 상기 추출된 특징점 위치 정보는 이미지에서 특정 픽셀 위치를 나타내므로, 이를 실제 좌표로 변환하는 작업이 필요할 수 있다. 상기 추론 결과로 얻은 특징점 위치 정보를 해석하여 극돌기 및 횡돌기 등의 구조물을 식별하고 분석하고, 이를 통해 척추 구조에 대한 정보를 추출하여 상기 수술 또는 시술과정에서 1차원 평면상에서 정위기능적인 척추 시술 및 수술을 수행할 수 있다. 따라서 상기 극돌기 끝 부분의 위치와 척추경의 중점 사이의 거리를 기준으로 소정 각도의 입사각의 거리 변화에 따른 높이 변화를 계산할 수 있다. 상기 지정된 특징점을 바탕으로 가상 좌표공간을 설정하는 단계(S3)로 한 평면에서 미리 알고 있는 위치가 다른 두 점의 좌표 값을 삼각함수에 적용하여 삼각점을 산출할 수 있다(S4). 상기 가상 좌표공간을 통해 진입점에서 해당 표적 부위까지 니들의 삽입 길이와 각도를 산출(S5)한 후에 척추 수술용 기구(척추경 나사못)의 삽입 계획 경로가 결정되면 해당 환자의 척추 수술 플래닝이 완료된다(S6). Figure 7 is a flow chart showing the procedure of the spinal surgery planning method of the present invention step by step. The procedure is explained step by step. A one-dimensional spinal image of a patient requiring spinal surgery is acquired (S1). At this time, the one-dimensional spinal image may be an X-ray image or a spinal CT image. Then, using a pre-learned U-net structure, feature points for the spinous process, pedicle, and intervertebral foramen of the vertebral body can be designated (S2) in the one-dimensional spinal image. The U-net consists of a contracting path and an expansive path, and has a bottleneck structure in the middle. The contracting path image is downsampled to extract abstract features, and in the expansive path, the extracted features are upsampled to restore them to the original image size. After preparing a U-net model for model training, the model is trained using preprocessing data on which predetermined feature points are marked. A spinal image is input, and a mask indicating the location of the feature points is output. During model training, a pixel-based loss function is mainly used. After that, the inference and postprocessing process is performed, and the trained model is used to perform inference on a new spinal image. The feature point locations are extracted from the output of the model. Since the extracted feature point location information indicates a specific pixel location in the image, a task of converting it into actual coordinates may be required. The feature point location information obtained as the inference result is interpreted to identify and analyze structures such as the spinous process and the transverse process, and through this, information on the spinal structure is extracted, so that stereotactic functional spinal surgery and operation can be performed on a one-dimensional plane during the surgery or procedure. Therefore, the height change according to the distance change of the incident angle at a predetermined angle can be calculated based on the distance between the position of the end of the spinous process and the center of the pedicle. In the step (S3) of setting a virtual coordinate space based on the specified feature points, the coordinate values of two points whose positions are different in advance on one plane can be applied to a trigonometric function to derive a triangulation point (S4). After calculating the insertion length and angle of the needle from the entry point to the target site through the above virtual coordinate space (S5), the planned insertion path of the spinal surgical instrument (pedicle screw) is determined, and the spinal surgical planning for the patient is completed (S6).

아울러, 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법은 환자의 2차원 척추 이미지로부터 CT(Computed Tomography)로부터 얻을 수 있는 축 방향 이미지 등 3차원 정보를 시술자에게 제공함으로써 더 정확한 수술 플래닝이 가능하다. 이를 구현하기 위해서는 구체적으로 수술 환자의 2차원 척추 이미지를 확보하고 수술 플래닝 프로그램에 의해 상기 2차원 척추 이미지와 척추 수술 부위 위치를 정합하는 과정이 필요하다. 상기 정합은 정합을 위한 알고리즘을 포함하는 수술 플래닝 프로그램을 적용하여 수술 부위 위치에 대한 공간 좌표를 산출할 수 있다. 이때 정합하는 방법은 상기 2차원 척추 이미지의 공간 좌표를 생성하고 상기 프로그램을 이용하여 상기 공간 좌표에 해당하는 수술 부위 위치의 정합을 수행할 수 있다. 또한, 상기 2차원 척추 이미지에서 X-ray 투사 경로 상의 또 다른 평면으로 역투영하여 생성된 이미지를 기반으로 정합할 수도 있다. 이때 상기 2차원 척추 이미지는 AP(Anterior-Posterior) 또는 LL(Lateral-Lateral) 이미지를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, the spinal surgery planning method of the present invention enables more accurate surgery planning by providing the surgeon with three-dimensional information such as an axial image that can be obtained from a CT (Computed Tomography) from a two-dimensional spinal image of the patient. In order to implement this, it is specifically necessary to secure a two-dimensional spinal image of the surgical patient and align the two-dimensional spinal image and the spinal surgery site location using a surgery planning program. The alignment can be performed by applying a surgery planning program including an algorithm for alignment to derive spatial coordinates for the surgery site location. At this time, the alignment method can generate spatial coordinates of the two-dimensional spinal image and perform alignment of the surgery site location corresponding to the spatial coordinates using the program. In addition, alignment can be performed based on an image generated by backprojecting the two-dimensional spinal image onto another plane on the X-ray projection path. At this time, the two-dimensional spinal image can use an AP (Anterior-Posterior) or LL (Lateral-Lateral) image, but is not limited thereto.

그 후, 상술한 바와 같은 정합 정보를 기반으로 수술 플래닝 프로그램을 이용하여 가상의 입체도형을 상기 2차원 척추 이미지의 수술 부위에 적용하고 중첩시켜 수술 시 표적에 해당하는 해부학적 랜드마크와 대응되도록 한 후 실제 수술 부위에 맞게 상기 입체도형의 형태, 크기 및 위치를 조정하는 단계가 수행된다. 상기 수술 부위 위치는 해당 위치 정보를 직접 입력하거나 이미지나 영상을 인식할 수 있는 알고리즘을 통해 딥러닝(deep learning)을 수행하여 해당 위치를 자동으로 검출하고 조정할 수 있다. 그 후, 상기 정합 정보와 조정된 입체도형 정보를 기반으로 최종적으로 3차원 이미지가 생성되고 디스플레이를 통해 확인할 수 있다. Thereafter, based on the alignment information as described above, a surgical planning program is used to apply and superimpose a virtual stereoscopic figure to the surgical site of the two-dimensional spinal image so as to correspond to an anatomical landmark corresponding to the target during surgery, and then a step of adjusting the shape, size, and position of the stereoscopic figure to fit the actual surgical site is performed. The surgical site position can be automatically detected and adjusted by directly inputting the corresponding position information or performing deep learning using an algorithm that can recognize images or videos. Thereafter, a three-dimensional image is finally generated based on the alignment information and the adjusted stereoscopic figure information and can be confirmed through a display.

상기 3차원 이미지는 2차원 척추 이미지로부터 수득한 축방향 이미지로 척추경 나사못 고정 수술 플래닝에 가장 적합한 척추의 축방향 이미지를 시술자에게 제공하여 수술의 정확성과 효율성을 높일 수 있다. 이때, 상기 알고리즘은 이미지나 영상의 2차원 데이터에서 특징을 추출하고 분류하는 데 효과적인 CNN(convolutional Neural network), CDBN(Convolutional Deep Belief Network), DBN(Deep Belief Network), 또는 ResNet (Residual Network)를 활용할 수 있다. 또한 상기 해부학적 랜드마크는 척추체(Vertebra body)일 수 있으며 상기 입체도형의 형태, 크기 및 위치를 조정하는 단계는 상기 입체도형의 경계가 상기 척추체의 경계(좌측, 우측, 상단 및 하단)와 대응되도록 조정될 수 있고 상기 가상의 입체도형은 기둥 형상을 갖는 도형일 수 있으며 예컨대 원기둥 또는 다각기둥 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The above three-dimensional image is an axial image obtained from a two-dimensional spine image, and can provide the surgeon with an axial image of the spine most suitable for planning a pedicle screw fixation surgery, thereby increasing the accuracy and efficiency of the surgery. At this time, the algorithm can utilize a convolutional neural network (CNN), a convolutional deep belief network (CDBN), a deep belief network (DBN), or a residual network (ResNet), which are effective in extracting and classifying features from two-dimensional data of images or videos. In addition, the anatomical landmark may be a vertebra body, and the step of adjusting the shape, size, and position of the three-dimensional figure may be adjusted so that the boundary of the three-dimensional figure corresponds to the boundary (left, right, top, and bottom) of the vertebra body, and the virtual three-dimensional figure may be a figure having a columnar shape, and may be, for example, a cylinder or a polygonal column, but is not limited thereto.

나아가, 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법은 소프트웨어를 활용하여 2차원 척추 이미지로부터 3차원 이미지를 구현하고 상기 3차원 이미지를 기반으로 정확하고 효율적인 수술 플래닝을 수행할 수 있다. 본 발명의 척추 수술 플래닝 방법은 딥러닝 모델을 이용하여 환자로부터 수득한 2차원 척추 이미지로부터 3차원 이미지를 생성함으로써 수술 부위의 골의 구조 및 크기를 형상화하여 척추 수술에 필요한 다양한 정보를 얻을 수 있다. Furthermore, the spinal surgery planning method of the present invention can implement a three-dimensional image from a two-dimensional spinal image using software, and perform accurate and efficient surgery planning based on the three-dimensional image. The spinal surgery planning method of the present invention can obtain various information necessary for spinal surgery by visualizing the structure and size of the bone at the surgical site by generating a three-dimensional image from a two-dimensional spinal image obtained from a patient using a deep learning model.

구체적으로, 2차원 이미지로부터 해부학적 랜드마크를 추출하여 3차원 형상을 구현할 수 있는 2D-3D 재구성에는 딥러닝 모델을 이용하여 구조화된 데이터를 학습시키는 것이 중요하다. 대표적으로 구조화된 데이터 학습에 최적화된 딥러닝 모델인 컨볼루션 신경망(CNNs, convolutional neural networks)이 사용된다. 상기 CNNs는 주로 이미지 처리에 사용되는 딥러닝 모델로, 합성곱(convolution) 연산을 통해 이미지의 특징을 추출하고 2D 슬라이스 이미지를 입력으로 받아 3D 볼륨을 생성하는 데 사용된다. 그러나 많은 양의 학습 데이터를 준비하는 것이 현실적으로 어려우므로 디지털 재구성 방사선(DRR, Digitally Reconstructed Radiography, 가상 엑스레이 이미지) 이미지를 활용하는 방법이 있다. 상기 DRR은 2D 방사선 이미지를 디지털 방식으로 재구성하여 뼈 구조와 같은 추가 정보를 추출하는데 효율적이다. Specifically, in 2D-3D reconstruction that can extract anatomical landmarks from 2D images and implement 3D shapes, it is important to train structured data using a deep learning model. A representative example is a deep learning model optimized for structured data training, called convolutional neural networks (CNNs). The CNNs are a deep learning model mainly used for image processing, and are used to extract image features through convolution operations and generate 3D volumes by receiving 2D slice images as input. However, since it is realistically difficult to prepare a large amount of training data, there is a method of utilizing digitally reconstructed radiography (DRR) images. The DRR is efficient in extracting additional information, such as bone structures, by digitally reconstructing 2D radiographic images.

상기 딥러닝 모델의 학습을 위해 데이터 생성을 위한 인공지능 모델인 생성적 적대 신경망(GAN, generative adversarial network)을 이용하여많은 양의 DRR 이미지를 생성하고 이미지 간 변환을 위한 조건부 적대 신경망(Conditional Adversarial Network) 모델인 pix2pix를 이용하여 실제 엑스레이 이미지와 DRR 이미지를 학습하고 실제 엑스레이 이미지에서 변환한 DRR 유사 이미지를 생성한다. 그 후, 딥러닝 모델인 CNNs을 기반으로 2차원인 DRR 유사 이미지로부터 3차원 이미지를 재구성한다. 그 후 상기 3차원 이미지를 통해 축 방향 정보 등을 확인하고 알고리즘을 통해 수술 표적 부위의 최단 경로 및 니들의 삽입 길이와 각도를 산출하고 척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하는 등 삽입 위치 및 최적 경로에 대한 기본적인 정보를 수득할 수 있다. In order to learn the above deep learning model, a large amount of DRR images are generated using a generative adversarial network (GAN), which is an artificial intelligence model for data generation, and a conditional adversarial network (PNN) model for image-to-image conversion, pix2pix, is used to learn actual X-ray images and DRR images, and DRR-like images converted from actual X-ray images are generated. After that, a 3D image is reconstructed from the 2D DRR-like images based on the deep learning model CNNs. After that, axial information, etc. are confirmed through the 3D image, and the shortest path and the insertion length and angle of the needle of the surgical target site are calculated through an algorithm, and the length and diameter of the pedicle screw are determined, thereby obtaining basic information on the insertion location and optimal path.

도 8은 척추경 나사(pedicle screw)를 이용하여 척추체를 고정한 모양을 나타내는 AP 이미지(왼쪽) 및 LL 이미지(오른쪽)이다. 본 발명의 1차원 이미지 기반 척추 수술 플래닝 방법에 따르면 소정의 진입부(entry point)를 기준으로 극돌기(spinous process) 및 척추경(pedicle)의 높이 변화에 따른 척추경 나사못의 최적 경로 삽입을 가이드할 수 있다. 또한 나사못의 스레드(thread) 및 스레드의 거리 변화를 기준으로 나사못과 환자 척추체 평면간의 각도를 추정하고 상기 가이드된 영상과 실제 수술 시행 중 진입 각도와 방향에 대한 오차를 알려주고, 적정 방향을 가이드 할 수 있다. 이를 통해 AP 이미지만으로도 수술 후 측면뷰(lat view)에서도 정확한 스크류 고정의 결과를 얻을 수 있다. 상기 스레드의 거리 변화를 기준으로 나사못과 환자 척추체 평면간의 각도를 추정하는 방법은 먼저, 씨암(C-arm) 투시를 사용하여 나사가 있는 객체를 촬영하고, 360° 회전할 때의 스레드의 길이가 변화하는 과정을 이미지로 획득한다. 이렇게 얻은 이미지들은 스레드의 변화에 따른 스크류 또는 니들과 가상의 고정된 환자 평면의 상호 위치 변화를 해석한다. 상기 추정된 나사의 각도와 면의 각도를 결합하여, 나사가 1차원 평면상에서 어떻게 회전하고 있는지를 해석하고 하기 표 1을 참조하여 나사의 공간 상 위치와 회전 상태를 이해할 수 있다(도 9 및 10).Fig. 8 is an AP image (left) and an LL image (right) showing the shape of fixing the vertebral body using a pedicle screw. According to the one-dimensional image-based spinal surgery planning method of the present invention, the optimal path insertion of the pedicle screw can be guided according to the height change of the spinous process and the pedicle based on a predetermined entry point. In addition, the angle between the screw and the patient's vertebral plane can be estimated based on the thread of the screw and the change in the distance of the thread, and the error in the entry angle and direction between the guided image and the actual surgery can be notified, and the appropriate direction can be guided. Through this, the result of accurate screw fixation can be obtained even in the lateral view after surgery using only the AP image. The method of estimating the angle between the screw and the patient's vertebral plane based on the change in the distance of the thread first uses C-arm fluoroscopy to photograph an object with a screw, and acquires an image of the process of the thread length changing when rotating 360°. The images obtained in this way interpret the change in the mutual position of the screw or needle and the virtual fixed patient plane according to the change in the thread. By combining the estimated screw angle and the plane angle, it is possible to interpret how the screw rotates on the one-dimensional plane, and understand the spatial position and rotational state of the screw by referring to Table 1 below (Figs. 9 and 10).

나사산의 각도Screw angle 60°60° 표시방법How to display 피치로 표시Marked with pitch 크기size 피치(Pitch)Pitch 수 외경Water outer diameter 암 내경cancer endothelium 권장 타공 치수Recommended punching dimensions #16(M16)#16(M16) 1.51.5 1616 14.414.4 1717 #20(M20)#20(M20) 1.51.5 2020 18.418.4 2121 #25(M25)#25(M25) 1.51.5 2525 23.423.4 2626 #32(M32)#32(M32) 1.51.5 3232 30.430.4 3333 #40(M40)#40(M40) 1.51.5 4040 38.438.4 4242 #50(M50)#50(M50) 1.51.5 5050 48.448.4 5252 #63(M63)#63(M63) 1.51.5 6363 61.461.4 6565 #75(M75)#75(M75) 1.51.5 7575 73.473.4 7777

나사산의 투시 영상을 기준으로 스크류 또는 니들의 가상의 환자 평면과 삽입 구조물의 각도를 추정할 수 있고 360° 회전시에 변화된 위치를 통해서 계산된 각도의 오차를 보정할 수 있다.Based on the fluoroscopic image of the screw thread, the virtual patient plane of the screw or needle and the angle of the inserted structure can be estimated, and the error in the calculated angle can be corrected through the changed position during 360° rotation.

본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

(이 발명을 지원한 국가연구개발사업)(National Research and Development Project that supported this invention)

(과제고유번호) 23041(Task number) 23041

(과제번호) 2022R1C1C2008148(Task number) 2022R1C1C2008148

(부처명) 미래창조과학부(Ministry Name) Ministry of Science, ICT and Future Planning

(과제관리(전문)기관명) 한국연구재단 (Name of the task management (specialized) organization) National Research Foundation of Korea

(연구사업명) 세종과학펠로우쉽(Research Project Name) Sejong Science Fellowship

(연구과제명) 신경가소성 촉진을 위한 미주신경 자극의 최적화 연구(Research Project Name) Optimization Study of Vagus Nerve Stimulation to Promote Neuroplasticity

(기여율) 1/1(Contribution rate) 1/1

(과제수행기관명) 을지대학교 산학협력단 (Name of the organization performing the project) Eulji University Industry-Academic Cooperation Group

(연구기간) 2022.03.01 ~ 2024.02.29(Research Period) 2022.03.01 ~ 2024.02.29

Claims (8)

척추 수술을 요하는 환자의 1차원 척추 이미지를 획득하는 단계;
사전 학습된 유넷(U-net) 구조를 이용하여 상기 척추 이미지에서 척추체의 위치를 파악하고 상기 척추체의 특징점을 지정하는 특징점 지정 단계;
상기 지정된 특징점을 바탕으로 표적 부위에 대한 가상 좌표공간을 설정하는 단계:
상기 가상 좌표공간의 좌표 값을 삼각함수에 적용하여 삼각점을 도출하는 단계;
상기 삼각점으로부터 진입점에서 표적 부위까지 니들의 삽입 길이와 각도를 산출하는 단계; 및
척추경 나사못의 길이, 직경 등을 결정하고, 삽입 위치 및 경로에 대한 계획을 정하는 플래닝 완료 단계를 포함하는, 척추 수술 플래닝 방법.
A step of acquiring a one-dimensional spinal image of a patient requiring spinal surgery;
A feature point designation step of identifying the location of the vertebral body in the spinal image and designating feature points of the vertebral body using a pre-learned U-net structure;
Step of setting a virtual coordinate space for the target area based on the above-mentioned specified feature points:
A step of deriving a triangulation point by applying the coordinate values of the above virtual coordinate space to a trigonometric function;
A step of calculating the insertion length and angle of the needle from the entry point to the target area from the above triangulation point; and
A method for planning a spinal surgery, comprising a planning completion step of determining the length, diameter, etc. of a pedicle screw and determining a plan for the insertion location and path.
제1항에 있어서,
상기 특징점 지정 단계는
유넷 모델을 준비 후 소정의 특징점이 표시된 척추 이미지 데이터를 사용하여 모델을 훈련시키는 단계;
상기 훈련에 의해 상기 모델로부터 특징점 위치 정보를 추출하는 단계;
상기 특징점 위치 정보를 척추 이미지에서 특정 픽셀 위치로 나타내는 단계; 및
상기 특징점의 위치 정보를 해석하여 척추체의 구조물을 식별하고 분석하는 단계를 포함하는, 방법.
In the first paragraph,
The above feature point designation step is
A step of training the model using spinal image data with specified feature points marked after preparing the UNET model;
A step of extracting feature point location information from the model by the above training;
A step of representing the above feature point location information as a specific pixel location in a spine image; and
A method comprising a step of identifying and analyzing a structure of a vertebral body by interpreting positional information of the above-mentioned feature points.
제2항에 있어서,
상기 척추체의 구조물은 극돌기, 횡돌기 또는 척추경인, 방법.
In the second paragraph,
The above vertebral structure is a spinous process, a transverse process or a pedicle.
제1항에 있어서,
상기 특징점은 척추체의 극돌기의 말단, 제1 척추경 또는 제2 척추경의 위치 값인, 방법.
In the first paragraph,
The above characteristic points are the position values of the terminal end of the spinous process of the vertebral body, the first pedicle, or the second pedicle.
제1항에 있어서,
상기 플래닝 완료 단계는 진입점에서 부터 표적 부위까지 최단 경로를 포함하는, 방법.
In the first paragraph,
The above planning completion step is a method including the shortest path from the entry point to the target area.
제1항에 있어서,
상기 1차원 이미지는 엑스레이(C-arm) 또는 척추(spine) CT인, 방법.
In the first paragraph,
The above one-dimensional image is an X-ray (C-arm) or a spine CT.
제1항에 있어서,
상기 척추 수술은 척추 유합술, 척추 내시경 수술, 또는 최소침습 척추 수술인, 방법.
In the first paragraph,
The above spinal surgery is a method of spinal fusion, endoscopic spinal surgery, or minimally invasive spinal surgery.
제7항에 있어서,
상기 척추 유합술은 경추간공 요추 추체간 유합술(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF), 후방 요추 추체간 유합술(posterior lumbar interbody fusion, PLIF), 전방 요추 추체간 유합술(anterior lumbar interbody fusion, ALIF), 및 측방 요추 추체간 유합술(direct lumbar interbody fusion, DLIF)로 구성되는 군으로부터 선택되는, 방법.
In Article 7,
A method wherein the spinal fusion is selected from the group consisting of transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF), posterior lumbar interbody fusion (PLIF), anterior lumbar interbody fusion (ALIF), and direct lumbar interbody fusion (DLIF).
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