Femoroacetabular Impingement(FAI) occurs when prominences of head-neck junction of femur contacts to acetabular rim in the range of motion. It is caused by abnormal shape of bone anatomy or extremely motion of hip joint. The excessive shear stress and compressive stress by repetitive impingement between acetabular rim and cortical bone generate tear of labrum and abrasion of acetabular rim. Damaged acetabular cartilage makes pain at the hip joint. It is reported that femoroacetabular impingement is major reason of osteoarthritis. Furthermore, the range of motion of hip is decreased in flexion, internal rotation and abduction.
The surgical treatment of femoroacetabular impingement consists of labrectomy at damaged labrum and bumptectomy at abnormal head-neck junction. Hip dislocation and open osteoplasty has been treated as the standard of the surgical treatment of femoacetabular impingment. Arthroscopic treatment is alternative surgical treatment of FAI. The advantages of arthroscopic treatment are minimally incision, fast recovery, less complications. But, as increasing application of arthroscopy, it has been reported that the pain is continued or revision is need in some cases. The major reasons of revision are incomplete resection of labrum and shaping of bump at head-neck junction. For the accurate reconstruction of bone, the anatomy of impinged area must be identified perfectly. But, lack of field of view at arthroscopy makes hard to get enough information at surgical sight to surgeon. In arthroscopic treatment of femoroacetabular impingement, this technique is still preferred for experienced hip arthroscopist because it needs experience about arthroscopic anatomy and anatomy of impingement deformities.
In this research, navigation system and procedure of application was proposed to overcome the disadvantages arthroscopic treatment of FAI. The proposed navigation system consists of femur attachable measurement device and user interface. The bone mounted measurement devices measures points on head-neck junction for registration and position of surgical instrument. User interface shows the three dimensional model of patient’s femur and surgical instrument position that is tracked my measurement device. Surgeon can know the three dimensional anatomical structure of hip joint and surgical instrument position on surgical site using navigation system.
The measurement device has designed serial link structure with five active joints and one passive jointsdegrees. The D-H parameter of measurement device was calibrated by iterative least square method for more accurate performance. The accuracy and precision of designed measurement device was evaluated.
Surface registration was used to obtain relation between patient’s coordinate at the surgical site and coordinate of three dimensional model of femur. To obtain initial transfer matrix from patient’s coordinate to model coordinate, anatomical points registration was proposed. In the developed navigation system, iterative closest points(ICP) algorithm was used in surface registration. It is known that ICP always guarantees convergence. But, ICP has local minimum convergence problem, intrinsically. Because, femoral head and neck is axis symmetry, there is high probability to local minimum when ICP method is used to registration for FAI navigation. To solve local minima problem, random perturbation was added to initial transformation for ICP. Using plastic model bone and developed measurement device, the registration error was estimated by proposed method to decrease registration error due to local minima problem. It was also estimated that relation between surface registration error and number of measured point at bone. The registration error and error range decreased when random perturbation was added to initial transformation of ICP.
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.
