혼합현실기반 정형외과수술용 항법시스템 기술 연구

Abstract

In orthopedic surgery, spinal fusion is a surgical procedure to treat the patients with intervertebral disc herniation and scoliosis. It rigidly joins two or more vertebrae to support the spine and alleviate pain. For spinal fusion, pedicle screw placement is commonly performed, which inserts screws into bilateral pedicle of vertebra. However, inaccurate screw insertion has been a significant concern of pedicle screw placement because it may give rise to a risk of damaging neurological structures and causing postoperative complications. To minimize the risk of this procedure, surgical navigation systems have been developed, and enhanced the precision of screw placement. However, current surgical navigation systems face several problems including frequent disruptions to the surgeon’s attention during operation and complications occur in their depth perception due to the constraints of 2- dimensional (2D) monitors. The objective of this study is to develop a surgical navigation system, aimed at improving these issues using Mixed Reality (MR) technique. We developed a navigation system that employs a stereo vision-based optical-tracking system (OTS) for tracking surgical instruments, and optical see-through (OST) smart glasses, Microsoft HoloLens, for visualization using MR technique. The proposed system visualizes real time transformation of surgical instrument in terms of spinal model. Using hand and gesture recognition with the MR technique, visualized navigational information can be arbitrarily positioned, rotated, and resized, providing flexibility in visualization. Additionally, proposed system utilizes preoperative surgical planning data to provide visual feedback and guidance to surgeons during procedure. An orthopedic surgeon performed pedicle screw placement on spinal phantom guided by the navigation system in two different environments using Microsoft HoloLens and 2D monitor. The proposed system was evaluated in terms of procedural time, translational error, angular error, and clinical accuracy. Procedural time with the HoloLens was significantly shorter than with the 2D monitor. However, there was no statistical difference in translational error, and angular error in two environments. All screws were inserted without cortical violations in both environments. The navigation system enabled unrestricted visualization, reflecting the perspective of the human eye, and maintained the advantages of MR-based smart glasses. Surgical navigation system feasible for minimally invasive surgery (MIS) should be implemented. Additionally, integrating it with robotic guidance is expected to reduce procedural time.|정형외과 수술에서 척추고정술은 추간판 탈출증과 척추측만증 환자를 치료하는 수술로 두개 이상의 척추를 연결하여 외부적 지지를 제공하고 척추 배열을 교정할 수 있다. 척추경 나사못 삽입술은 양측 척추경에 나사못을 식립하는 수술이며 척추고정술을 위해 사용되는 일반적인 수술이다. 그러나 이 과정에서 부정확한 나사의 삽입은 척추관의 신경 구조의 손상과 수술 후 합병증을 발생시킬 수 있기 때문에 해당 수술의 주요한 요인으로 알려져 왔으며, 이러한 위험을 최소화하고 수술의 정확도 및 정밀도를 높이기 위해 수술용 항법시스템이 개발되어 왔다. 하지만 현재 수술용 항법시스템은 수술실 내부에서 2차원 모니터를 통해 의료진에게 제공되기 때문에 집도의의 주의력 분산을 야기하고 3차원 정보를 관찰하는 집도의의 눈의 원근을 반영하지 못한다는 한계점이 있다. 본 연구는 이러한 문제점을 개선하고자 혼합현실 (Mixed Reality) 기술 기반의 스마트 글래스 장치를 활용한 수술용 항법 시스템을 제안한다. 우리는 수술용 항법시스템을 개발하기위해 스테레오 비전 (stereo vision) 기반 광학식 추적 장치와 마이크로소프트사의 혼합현실 기반 스마트 글래스 홀로렌즈 (Microsoft HoloLens)를 사용하였다. 이는 각각 실시간 수술도구의 자세 추적과 혼합현실 기술을 활용한 정보의 가시화를 위해 사용되었다. 제안된 시스템은 실시간 수술도구의 자세를 실제 수술대상의 모델과 함께 가시화하며, 혼합현실 기술의 손 및 제스처 인식 기능을 활용하여 가시화된 정보의 위치, 회전, 크기를 사용자 임의로 조작할 수 있다. 또한, 제안된 시스템은 수술 전 계획 정보를 사용하여 수술 중 의료진에게 시각적 피드백과 가이드를 제공한다. 제안된 시스템은 2차원 모니터, 홀로렌즈를 사용하여 가시화한 각각의 환경에서 요추 척추 모형을 활용한 실험을 통해 수행시간, 위치 오류, 각도 오류, 그리고 임상 정확도 측면에서 평가되었다. 홀로렌즈를 사용한 실험의 경우 2차원 모니터를 사용한 환경보다 통계적으로 유의미한 차이를 나타내는 짧은 수행시간을 기록하였으며 두가지 환경에서 모두 척추관을 침범하지 않는 안전한 경로로 나사못이 식립되었다. 제안된 수술용 항법시스템은 사용자의 원근을 반영하여 3차원 정보를 가시화하며, 그 위치, 회전, 크기를 제한하지 않는다. 향후 제안된 시스템이 경피적 (Percutaneous) 척추경 나사못 삽입술에 적용되는 형태로 개발된다면 최소 침습 수술 (Minimally Invasive Surgery)의 장점을 취할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 로봇 가이드와 통합된 수술용 항법 시스템은 수술 수행 시간을 단축시키는 데 기여할 것으로 기대된다.