형상기반 3차원 영상정합을 이용한 TKR 수술을 위한 Image Guided Surgery 연구

Abstract

[한글]현대에는 인간의 질병의 진단과 치료에 많은 의학 장비들이 사용되어진다. 이러한 의료용 장비 중 의학영상장비들은 2차원과 3차원의 영상정보를 이용하여 의사들에서 환자들에 대해 정확한 진단과 처치를 할 수 있도록 의학적인 정보와 방법들을 제공한다. 최근 CT, MRI, PET의 개발과 함께 이를 이용한 영상유도수술(Image Guided Surgery) 시스템이 연구되고 있다. IGS의 개발과 연구로 의사들이 환자의 3차원적인 정보를 획득함으로 보다 정확한 진단과 수술을 할 수 있게 되었다.IGS 시스템은 그동안 의사들의 의학적 지식과 경험을 바탕으로 한 수술진행과 달리 환자의 3차원적인 해부학적인 데이터와 실시간의 위치추적, 컴퓨터에 의한 도움으로 환자 개개인에 맞추어진 정확한 수술을 가능하게 한다. 이러한 IGS 시스템을 위해서는 수술동안 환자의 수술부위의 위치를 측정하고 추적할 수 있는 센싱방법과 수술 전 환자의 수술부위를 CT, MRI의 의학영상장비를 이용하여 획득한 3차원 모델과의 영상정합을 위한 알고리즘 부분이 중요한 것으로 볼 수 있다. 지금까지의 IGS 시스템은 수술동안 실시간 3차원 위치측정(3D position measurement)과 영상정합(Image registration)을 위하여 참조마커(Fiducial marker)를 사용한다. 하지만 이러한 참조마커는 정확한 위치측정과 영상정합을 할 수 있다는 장점도 있지만 최근 최소 침습적인 수술(Minimal invasive surgery)에 관심이 증가하면서 많은 단점을 나타내고 있다. 참조마커에 의한 IGS 수술을 하기 위해서는 환자의 환부주위에 참조마커를 삽입하는 추가적인 수술이 필요하다. 이 부수적인 수술은 환자에 또 다른 상해를 줄 수 있으며 참조마커의 삽입과 제거 과정에서 다른 감염과 질병을 유발할 수 있다. 또한 참조마커는 대부분이 금속소재이며 크기가 크므로 수술과정에 방해요인이 될 수 있으며 다른 영상장비에 노이즈를 발생 시키는 원인이 될 수 있다는 점에서 이러한 단점을 개선한 새로운 IGS 시스템의 연구가 필요하다.따라서 본 논문에서는 참조 마커기반의 IGS 시스템의 단점을 개선하기 위해서 영역기반의 영상정합 알고리즘을 적용하여 형상기반 IGS (Shape-based IGS) 시스템을 연구하였다. 이는 모델의 샘플 포인트의 기하학적인 위치정보를 기반으로 영상정합을 하는 IGS 시스템으로 첫 번째로 3차원 위치측정을 위해서 스테레오 카메라 시스템을 연구하였다. 정확한 3차원 위치측정을 위해서 양안시차(Stereopsis)방법을 적용하였으며 카메라 특성분석과 좌표계간의 보정(Coordinate calibration)을 위한 카메라 보정(Camera calibration)을 하였다. 두 번째로 IGS에서 중요한 스테레오 카메라에서 측정된 3차원 정보와 컴퓨터 공간상의 모델과의 영상정합을 위해서 수술과정에서 대퇴골의 해부학적으로 중요한 부분을 모델내에 중요 영역으로 선정하여 영상정합을 하는 영역기반의 알고리즘을 적용하였다. 알고리즘에서 영상정합 지점을 찾기 위해서 Iterative closest point(ICP)알고리즘을 사용하였다. 또한 여기에 빠르고 정확한 최적 영상정합 지점을 획득하기 위해서 쿼터니온(Quaternion) 기반의 Closed form solution을 적용하였다. 본 논문에서 연구하는 형상기반 IGS 시스템은 무릎관절의 노화와 상해로 인해 인공관절 시술인 전슬관전치환술(Total knee replacement)에 최적화 되어 적용하고자 하였다. 따라서 본 논문에서는 TKR을 위한 스테레오 카메라 시스템 개발과 영상정합 알고리즘을 개발하고 평가하였다.

[영문]Recently, many medical instruments have been used to diagnose and treat a disease of human. These devices make it possible that provide doctors could make accurate decision and method. Also, invention of image modalities such as CT, MRI, PET offer various 3D images information to understand anatomical structures of patient.Formerly most doctor conduct surgeries based their surgical experience and knowledge. This method is nonobjective. Therefore, development of Image Guided Surgery system is important. IGS system which has variously tried in medical engineering fields is able to give a surgeon objective information of operation process like a decision making and surgical planning. This information is displayed 3D images which are acquired from medical image modalities like CT and MRI for pre-operative. The technic of 3D position measurement and 3D image registration is necessary to IGS system. The existing system have to use fiducial markers for common reference frame to do precise process.However, these markers have caused various problems, additional surgical protocol for inserting markers into the bone and invasive process to patients. The inserting markers could make noise of image for acquiring 3D, motion artifact and limited surgical operation because of exposed reference markers For inserting and removing marker, it could make patients secondary infection and trauma.Therefore, this paper develop shape-based IGS on technic of fiducial marker-based IGS. Our research focus on stereo camera system for 3D position measurement of femur and region-based The shape-based registration use relative sample points on anatomical landmark of femur.This paper propose region-based Iterative Closest Points(ICP) algorithms for shape-based 3D image registration. We focus on precise 3D position measurement with stereo camera system and region-based ICP algorithm. For this development, this paper also research a calibration of stereo camera and validation of region-based ICP algorithm by simulation experiments.We validate error of 3D image registration in various conditions, such as translation and rotation conditions. We assume that our IGS system is useful technic for Total Knee Replacement(TKR) operation.