평균모델 템플릿기반 척추경 추출을 이용한 C1-C2 척추 융합수술 계획 기법

Abstract

척추 융합 수술은 비정상적인 척추의 움직임으로 인해 환자가 통증을 호소할 때, 두개 이상의 척추를 나사의 삽입과 금속바를 이용하여 고정함으로서 통증을 완화시킬 수 있다. 이러한 시술에 있어서 문제점은 잘못된 나사 삽입이 약 10% 정도로 발생하며, 그의 절반에 해당하는 5%가량의 환자가 잘못된 삽입으로 인한 치명적 손상을 받게된다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 다양한 시스템들이 개발되었음에도 불구하고, 수술 중의 다양한 오차 원인으로 인하여, 여전히 최대 1.5mm의 위치 오차가 발생하게 된다. 더욱이 C1-C2 경추는 내부에 척수가 지날 뿐만 아니라 경동맥이 지나갈 뿐만 아니라 특히 C2의 경우 나사를 삽입하는 나사의 크기(직경 3.5-4.0mm)에 비해서 척추경(pedicle)의 폭은 평균 5.45mm으로 좁아 삽입에 위험성과 어려움을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서 제안하는 바는, 삽입에 발생하는 오차로 부터 기인하는 나사 삽입의 위험을 제거하기 위해서 융합 수술 전 계획 단계에서 안전 여유(safety margin)을 두고 이를 1.5mm로 설정하므로서 가능한 척수와 경동맥을 손상을 방지하면서도 각 환자의 척추 뼈에 적합한 경로를 제안하는 것이다.

알고리즘은 크게 2단계로 나뉠 수 있는데, 첫 번째는 나사를 삽입 가능한 척추경 영역을 정의하기 위한, 각 환자의 척수관(spinal canal) 추출 단계이다. 본 단계에서는 서로 다른 모양의 환자의 3차원 뼈 데이터를 하나의 평균 모델 뼈를 이용하여 매핑을 하는 레지스트레이션을 수행한다. 레지스트레이션을 수행하여 평균 모델뼈에서 사용자가 척수관이라고 정의한 영역에 대해서, 각 환자의 척수관에 대한 영역을 추출할 수 있다. 본 과정을 통해서 얻어낸 척수관과 직접 손으로 추출한 척수관과의 비교를 통한 결과 약 90%의 일치성을 보였다. 두 번째 단계는 각 환자의 척수관으로 부터 척추경을 정의하여, 환자에 적합한 나사 삽입 경로를 계산하는 단계이다. 척추경영역을 정의하기 위해서 척수관 영역을 포함하면서 뼈의 중심점에 대한 관상면(coronal plane)으로 양측으로 약 45도의 교차하는 윤곽(contour)를 추출하였다. 나사 삽입에 대한 경로를 계산하기 위해서, 직선 경로를 정의가 필요하고 따라서 하나의 점과 두개의 각을 이용해 정의할 수가 있다. 따라서 추출한 윤곽들 중에서 가장 작은 윤곽 격자점을 구성하여 경로에 대한 후보로 사용한다. 효율적인 계산과 유효한 경로 생성을 위해서, 원치 않는 경로에 대해서 일련의 필터링을 통해 제거해 유효한 경로 후보군을 얻는다. 최적의 경로를 찾기 위해서 각 후보 경로에 대해 Perfomance Score(PS)를 매겨, 가장 큰 PS에 대해서 최적의 경로로 판단해 선정한다.

알고리즘을 한국과학기술정보연구원(KISTI) 디지털코리안 프로젝트로부터의 총 23개의 환자 데이터의 C1-C2에 대해 총 92개의 나사삽입을 계산하였으며, 적용한 결과는 안전여유(safety margin)와 삽입깊이(insertion depth)를 구하였다. 안전여유는 C1와 C2 각각 1.78±0.26mm와 1.49±0.53mm로 얻을 수 있었으며, 삽입깊이는 C1와 C2 각각 26.73±3.70mm와 28.98±5.00mm로 얻을 수 있었다. 안전여유의 총 평균값은 1.63mm로 앞서 설명한 위치오차 1.5mm보다 큰 값을 보였다. C2 척추경의 경우, 나사삽입에 있어 여유를 충분히 가지기엔 협소하여 다소 여유를 충분히 확보하기 어려운 경우가 있어 1.5mm 보다는 작은 1.49mm의 평균 안전여유값을 보였다. 또한 본 알고리즘을 검증하기 위해서 4명의 전문가에 대한 알고리즘 결과값와의 비교 검증을 하였다. 각 비교는 4명의 환자에 대해 C1-C2의 나사 삽입을 동일한 나사삽입 방법을 정하였으며, 각 전문가가 CT 이미지에서 정한 나사 경로를 3차원 공간으로 변환하여 각 환자의 3차원 뼈모델에 값을 가지고 safety margin, insertion depth, 그리고 usefulness의 값을 계산하였다. 3개의 항목에 대한 평균값은 본 알고리즘이 모두 우세한 값을 나타내었으며, t-test결과 그 차이가 모두 유의함을 확인할 수 있었다.

The purpose of a spinal fusion surgery is to reduce pain caused by abnormal motion of a vertebra by joining two or more vertebrae by using pedicle screws and connecting rods. However, in the fusion surgery, the undesired screw misplacement occur in 10-15% of the patients who had screw implants, and 50% of them suffered critical problems. Although, to solve this problem, many researches have been carried out to improve the surgery results, such as the assistive robots for precise screw insertion. But, the accuracy of the surgery results still has 1.5mm pose error toward preoperative procedure due to the human influence, image distortion, intraoperative robot attachment, and registration error. Moreover, not only the C1-C2 vertebrae has violation risk to vertebral artery and spinal cord from the screw insertion, also C2 has narrow pedicle width(5.45mm) whose pedicle screw diameter is 3.5mm or 4.0mm. Thus, proposed contribution of the research is that the 1.5mm error is compensated by the safety margin over 1.5mm, and the VA and the spinal cord can be secured from the violation risk with the valid screw insertion.

The proposed algorithm is divided as 2 parts. The first step is for the extraction of the pedicle region to define the screw insertable space. In this step, CPD(coherent point drift)registration is performed between shape-variant patient models and a mean model to correspond points in the each spinal canal. With the series of the process, the extracted spinal canal results show 90% accuracy with the manual extraction to the spinal canal. The second step is to compute the trajectory for the screw insertion in the calculated availably insertable space. The coronal-intersected contours are extracted from 0 to 40 degree both sides to define the space. To generate a line trajectory, a point and 2 angles are required. Therefore, the smallest contour is selected and make include the grid points inside as a candidate for the optimal trajetory. For the efficient computation, at the initiatory stage, neffective trajectories are omitted with trajectory filters. To find the optimal trajectory we desire, performance score(PS) is introduced and maximized as the optimal screw insertion trajectory.

The algorithm suggested the plannings for total 92 screw insertion, and 91 trajectory planning and 1 aborted trajectory as the narrow pedicle with 23 patient data from KISTI digital korean project. Therefore, whole C1 depth, C1 safety margin, C2 depth, and C2 safety margin are 26.73 3.70mm, 1.78 0.26mm, 28.98 5.00mm, and 1.49 0.53mm. 32(69.57%). C1 safety margin was over 1.5mm as a target for the compensation. However, C2 safety margin was slightly less than 1.5mm standard due to the narrow pedicle width. To verify the algorithm, 4 expert were participated in our comparison experiments with 4 patient CT data to the C1-C2. Thus, total 8 vertebrae and 16 screw insertion have been planned on the CT images. The insertion technique was informed to each participants same as that of the algorithm. Evaluation for comparison was categorized as safety margin, insertion depth, and usefulness. After manual planning, the results mapped into the 3D reconstruction space to compare between proposed and manual planning results. In the 3 comparison, the proposed results are superior to the manual one, and significant differences were observed to use t-tests.