초음파 유도 실시간 척추 운동 시각화를 통한 척추 불안정성 평가

Ultrasound-Guided Real-Time Spinal Motion Visualization for Spinal Instability Assessment

배경: 척추 불안정성은 통증, 피로, 운동 제한을 유발하여 환자의 삶의 질에 큰 영향을 미치는 흔한 질환입니다. 임상적으로 척추 불안정성 진단의 표준 방법은 동적 X-선 촬영이지만, X-선은 2차원 운동 정보만 제공합니다. 또한, CT 또는 콘빔 CT와 같은 3차원 영상 기법은 운동을 효율적으로 포착하지 못합니다. 따라서, 방사선 노출을 최소화하면서 실시간 3차원 척추 운동을 시각화할 수 있는 시스템이 필요합니다. 방법: 본 연구에서는 3차원 척추 시각화를 위한 보조 방법으로 초음파를 제안합니다. 음향적 제약으로 인해 초음파는 척추의 표면 부위만 촬영할 수 있습니다. 따라서, 부분적으로 결합된 초음파 영상을 수술 전 3차원 영상에 등록합니다. 본 연구에서는 CBCT를 사용하여 중립적인 척추 자세를 확인하고, 로봇을 이용하여 최대 척추 굴곡 시 초음파 영상을 획득합니다. CBCT에서 얻은 척추 모델에 운동 모델을 적용하여 대략적인 등록을 수행한 후, ICP(Iterative Closest Point)를 사용하여 정밀한 등록을 수행하며, 등록 결과를 기반으로 운동 파라미터를 최적화합니다. 그런 다음, 실시간 초음파 운동 추적을 사용하여 중립 상태와 최대 굴곡 상태 사이를 보간하여 연속적인 3차원 척추 운동을 추정합니다. 결과: 제안된 파이프라인은 굽힘이 가능한 3차원 인쇄 척추 모형을 사용하여 평가되었습니다. 등록 오류는 $1.941 ext{mm} ext{±} 0.199 ext{mm}$이었고, 보간된 척추 운동 오류는 $2.01 ext{mm} ext{±} 0.309 ext{mm}$ (중앙값)이었습니다. 결론: 제안된 로봇 기반 초음파 프레임워크는 방사선 노출을 줄이고 실시간 3차원 척추 운동 시각화를 가능하게 하며, 척추 불안정성 평가를 위한 기존 동적 X-선 촬영의 유망한 3차원 대안을 제공합니다.

Purpose: Spinal instability is a widespread condition that causes pain, fatigue, and restricted mobility, profoundly affecting patients' quality of life. In clinical practice, the gold standard for diagnosis is dynamic X-ray imaging. However, X-ray provides only 2D motion information, while 3D modalities such as computed tomography (CT) or cone beam computed tomography (CBCT) cannot efficiently capture motion. Therefore, there is a need for a system capable of visualizing real-time 3D spinal motion while minimizing radiation exposure. Methods: We propose ultrasound as an auxiliary modality for 3D spine visualization. Due to acoustic limitations, ultrasound captures only the superficial spinal surface. Therefore, the partially compounded ultrasound volume is registered to preoperative 3D imaging. In this study, CBCT provides the neutral spine configuration, while robotic ultrasound acquisition is performed at maximal spinal bending. A kinematic model is applied to the CBCT-derived spine model for coarse registration, followed by ICP for fine registration, with kinematic parameters optimized based on the registration results. Real-time ultrasound motion tracking is then used to estimate continuous 3D spinal motion by interpolating between the neutral and maximally bent states. Results: The pipeline was evaluated on a bendable 3D-printed lumbar spine phantom. The registration error was $1.941 \pm 0.199$ mm and the interpolated spinal motion error was $2.01 \pm 0.309$ mm (median). Conclusion: The proposed robotic ultrasound framework enables radiation-reduced, real-time 3D visualization of spinal motion, offering a promising 3D alternative to conventional dynamic X-ray imaging for assessing spinal instability.