대퇴-비구 충돌 증후군의 고관절경 수술을 위한 대퇴골 부착형 항행 시스템의 개발 및 적용에 관한 연구

Abstract

대퇴 비구 충돌 증후군은 고관절의 비정상적 형상으로 인하여 골두-골경 접합부와 비구부가 충돌하는 현상이다. 반복적인 충돌로 인한 과도한 응력의 발생은 비구순과 연조직에 손상 및 통증을 가져온다. 대퇴 비구 충돌 증후군은 고관절의 운동 범위를 감소시키며 관절염의 주요 원인으로 알려져있다. 대퇴 비구 충돌 증후군의 수술적 치료는 비정상적 형상의 고관절은 정상형태로 성형하는 것을 목적으로 한다. 고관절경 수술은 작은 포트를 통하여 고관절경과 수술 도구를 삽입하여 뼈를 성형한다. 고관절경 수술은 작은 절개로 인하여 조직 손상 최소화, 출혈 감소 및 빠른 회복 속도의 장점을 가지고 있는 반면 좁은 시야로 인한 불충분한 뼈의 성형, 부정확한 뼈의 성형 위치의 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 항행 시스템을 고관절경 수술에 적용하는 연구가 이루어져왔다. 기존의 항행 시스템은 광학식 카메라와 C-arm을 이용하는 방법으로 임상 적용 가능성 및 정확한 수술 결과를 보였다. 그러나, 광학식 카메라 및 C-arm의 사용으로 수술 공간 제약, 방사능 노출 증가 등의 문제점이 있다. 본 연구에서는 기존의 항행 시스템의 단점을 극복할 수 있는 대퇴 비구 충돌 증후군의 고관절경 수술을 위한 항행 시스템을 개발하고자 하였다. 광학식 카메라의 단점을 개선하기 위하여 환자의 대퇴골에 직접 연결이 가능한 시리얼 링크 형태의 위치 측정기를 제안하고 개발하였다. 위치 측정기의 개발을 위하여 고관절경 수술의 특성 및 환경을 고려한 설계 방법을 제시하고 이를 적용하였다. 개발한 위치 측정기의 위치 측정 정확도는 기존의 광학식 카메라에 크게 떨어지지 않는 성능을 보였다. 대퇴골 부착형 위치 측정기의 개발에 이어 이를 수술에 적용하기 위한 표면 정합법의 오차 개선에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 개발한 항행 시스템의 정합에는 ICP알고리즘을 이용한 표면 정합법을 사용한다. 이 때, 표면 정합법의 오차를 개선하기 위하여 대퇴골의 특이점을 이용한 초기 정합 예측 방법과 Local minimum으로 인한 오차를 줄일 수 있는 방법을 제안하였다. 개발된 대퇴골 위치 측정기와 개선된 표면 정합 알고리즘을 모형뼈에 적용한 결과 기존 고관절경 항행 시스템에 비하여 향상된 수술 도구 위치 측정 정확도의 결과를 확인하였다.