KR102292155B1 - 가상 레일 및 가요성 내시경을 구비하는 구성 변경 가능한 로봇 수술 시스템 - Google Patents
가상 레일 및 가요성 내시경을 구비하는 구성 변경 가능한 로봇 수술 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
로봇 암을 이동시키거나 조작하는 시스템 및 방법이 제공된다. 로봇 암 그룹은 로봇 암의 엔드 이펙터 사이에 가상 레일 또는 라인을 형성하도록 구성된다. 로봇 암은 사용자와 같은 외부의 힘에 반응한다. 사용자가 하나의 로봇 암을 움직이면 다른 로봇 암이 자동으로 이동하여 가상 레일 정렬을 유지한다. 로봇 암 단부 이펙터의 가상 레일은 3차원 중 하나 이상에서 변환될 수 있다. 가상 레일은 가상 레일 라인 상의 한 지점을 중심으로 회전할 수 있다. 로봇 암은 사용자의 접촉 특성을 감지하여 그에 따라 이동할 수 있다. 로봇 암의 다른 부분을 잡고, 흔들고, 누르고, 밀고, 당기고, 회전시키면 로봇 암의 다른 부분에서 다른 동작 응답이 발생한다.
Description
본 출원은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 2014년 9월 30일 자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/057,936호(대리인 관리 번호 제41633-716.101호), 2014년 12월 24일 자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/096,825호(대리인 관리 번호 제41663-717.101호), 및 2015년 8월 28일 자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/211,135호(대리인 관리 번호 제41633-716.101호)에 대해 우선권을 주장한다.
본 출원의 청구물은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 함께 출원 중인 특허 가출원 제62/096,825호(대리인 관리 번호 제41663-717.101호), 특허 가출원 제62/057,936호(대리인 관리 번호 제41663-716.101호), 특허 가출원 제61/940,180호(대리인 관리 번호 제41633-714.101호), 특허 출원 제14/523,760호(대리인 관리 번호 제41663-712.201호), 특허 출원 제14/542,373호(대리인 관리 번호 제41663-712.301호), 특허 출원 제14/542,387호(대리인 관리 번호 제41663-712.302호), 특허 출원 제14/542,403호(대리인 관리 번호 제41663-712.303호) 및 특허 출원 제14/542,429호(대리인 관리 번호 제41663-712.304호)의 청구물과 관련된다.
본 출원의 분야는 의료 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명의 분야는 로봇 보조 내시경 또는 다른 수술을 위한 시스템 및 툴뿐만 아니라 로봇 보조 수술을 위한 카테터 및 내시경을 위한 기계 툴 및 제조 기술에 관한 것이다.
내시경 검사는 인체 내의 해부학적 위치에 치료제를 전달하고 촬영하기 위해 널리 사용되는 최소 침습 기술이다. 일반적으로 가요성 내시경은 툴를 수술이 수행되는 신체 내부의 수술 부위(예를 들면, 작은 절개부 또는 신체의 자연적인 구멍(비강, 항문, 질, 비뇨기, 목구멍 등)에 전달하는 데 사용된다. 내시경은 비선형 내강 또는 경로의 탐색을 가능하게 하는 가요성 샤프트의 말단부에서 이미징, 조명 및 조향 기능을 가질 수 있다.
내강경 외과 어플리케이션(endolumenal surgical applications)은 내시경을 원하는 해부학적 위치로 위치시키고 구동시키는 것을 포함한다. 내강경 탐색을 돕기 위해, 내시경은 종종 작은 말단 벤딩 섹션을 연결하는(articulate) 수단을 가진다. 오늘날의 내시경 장치는 일반적으로 다양한 기능을 위한 수많은 레버, 다이얼 및 버튼이 있는 휴대용 장치이지만 분절된 점에서 제한된 성능을 제공한다. 제어를 위해, 의사는 스코프의 샤프트를 비틀면서 레버나 다이얼을 조종하여 내시경의 위치와 전진을 제어한다. 이러한 기술들은 장치를 사용하여 원하는 위치로 스코프를 전달할 때 의사가 손과 팔을 굽히는 것을 요한다. 그에 따른 팔 동작과 자세는 의사에게 불편하다. 그러한 위치를 유지하는 것은 육체적으로 힘들 수 있다. 따라서, 벤딩 섹션의 수동 작동은 종종 낮은 구동력 및 열악한 인체 공학적 구조에 의해 제한된다.
오늘날의 내시경은 의사가 원하는 위치를 유지하는 동안 지원 요원이 수술, 진단 또는 치료 장치를 스코프로부터 전달, 작동 및 제거하는 것을 요구한다. 오늘날의 내시경은 또한 커브 정렬 및 근력 증강과 관련된 문제를 야기하는 풀 와이어(pull wires)를 활용한다. 일부 수술에서는 특히 작은 내강 탐색을 위해 원하는 위치로 탐색하는 데 도움이 되도록 형광 투시 또는 분할 CT 스캔이 요구된다.
따라서, 개선된 인체 공학 구조, 유용성 및 탐색성을 제공하는 내강경 로봇 수술을 위한 시스템 및 툴를 갖는 것이 바람직할 것이다. 이러한 기술의 적용은 혈관 수술과 같은 다른 수술에도 적용될 수 있다. 또한, 카테터와 내시경이 벤딩(bending) 동작 중에 중심축이 일정하게 유지되도록 제어된 굴곡을 갖는 개선된 제어를 갖는 것이 바람직할 것이다. 또한, 이러한 카테터 및 내시경, 즉 해부학적 구조 및 공간에서의 사용 중에 발생하는 굽힘, 신장 및 연결 상태에도 불구하고 중심축을 유지하는 내시경 및 카테터를 제조하기 위한 개선된 방법을 갖는 것이 유익할 것이다.
본 발명의 일 실시예는 3자유도 이상, 바람직하게는 6자유도 이상의 제1 로봇 암에 장착되며, 제어 가능하고 분절 가능한 말단부를 갖는 내강을 갖는 쉬스(sheath)를 제공한다. 본 실시예는 또한 제어 가능하고 분절 가능한 말단부와, 그 말단부에 위치한 광원 및 비디오 캡처 유닛과, 이를 통해 연장되는 하나 이상의 작동 채널을 갖는 가요성 내시경을 포함한다. 가요성 내시경은 쉬스의 내강에 슬라이딩 가능하게 배치되고, 3자유도 이상, 바람직하게는 6자유도 이상의 제2 로봇 암에 장착된다. 쉬스 및 가요성 내시경의 근위 단부에 각각 동작 가능하게 결합된 제1 및 제2 모듈이 더 포함된다. 모듈은 제1 및 제2 로봇 암에 장착되어, 제1 및 제2 로봇 암에 각각 쉬스 및 가요성 내시경을 장착한다. 모듈은 쉬스 및 가요성 내시경을 조종하고 조작하고 로봇 암에서 전력 및 기타 유틸리티를 수신할 수 있는 기구를 제공한다. 로봇 암은 제1 모듈이 제2 모듈에 대해 더 멀게 배치되고 쉬스의 근위 단부가 가요성 내시경의 근위 단부에 대해 더 멀게 배치된다. 제1 및 제2 로봇 암이 서로에 대해, 그리고 환자에 대해 상대적으로 이동하면, 가요성 내시경에 대한 쉬스의 이동 및 환자에 대한 서로 간의 이동이 발생한다.
일 실시예에서, 로봇은 제1 및 제2 로봇 암 사이에서 쉬스 및 가요성 내시경이 실질적으로 직선(예를 들어, 대략 180도의 각도)이고, 동축으로 정렬된 구성이되도록 서로에 대해 위치 설정되어, 로봇 암 사이에 "가상 레일"을 형성한다. 가상 레일은 90도 내지 180도 범위의 각도를 취할 수 있다는 점이 유의되어야 한다. 서로에 대한 로봇 암의 이동은 로봇 암 사이의 가상 레일을 유지하면서 서로 및 환자에 대한 쉬스 및 가요성 내시경의 축방향 이동을 제공한다.
제1 및 제2 로봇 암은 별개의 이동 카트 상에 또는 동일한 이동 카트 상에 있을 수 있다. 이동 카트는 필요한 장비와 환자 비드(bead)를 더 잘 수용할 수 있도록 수술실 사이를 이동하거나 수술실 내에서 움직일 수 있다. 대안적으로, 로봇 암이 바닥이나 침대에 고정될 수도 있다.
본 발명은 대안적으로 상이한 수술을 위한 다수의 모듈을 제공하며, 여기서 로봇 암은 저장 장소, 예를 들어, 수술실에 위치한 모듈 교환 테이블 또는 스탠드로부터 원하는 모듈을 회수한다. 각 모듈 또는 모듈의 쌍은 특정 유형의 수술을 위해 설계된다.
쉬스 및 가요성 내시경 조합을 갖는 모듈은 인체 내의 좁은 내강(예컨대, 기관지 및 다른 폐기도, 혈관, 특히 요로)을 탐색할 수 있다. 추가 모듈은 복강경(단일 또는 이중 포트), 미세 외과 모듈(또한, 쉬스 및 가요성 내시경 배치를 가질 수 있지만, 눈 또는 기타 미세 수술 부위에 맞게 크기가 조정될 수 있음)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 미세 수술 모듈은 수술 규모에 적합한 크기의 강성 기구를 지지하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들에서, 쉬스 및 가요성 내시경은 근위 단부, 말단부 및 제어 가능한 굴곡부를 갖는 샤프트를 포함하며, 바람직하게는 제어 가능한 굴곡부는 말단 굴곡부이다. 하나 이상의 텐던-도관(tendon-conduit), 바람직하게는 4개의 텐던-도관이 말단부인 제어 가능한 벤딩 섹션의 근위 단부에서 말단부로의 샤프트 벽의 벽을 통해 연장된다. 바람직하게는, 샤프트는 대략 원형 또는 타원형 단면을 갖는다. 하나 이상의 텐던, 바람직하게는 4개의 텐던이 하나 이상의 텐던-도관 각각을 통해 연장한다. 텐던-도관은 근위 단부에서 샤프트의 나선형 부분까지 샤프트의 중심축에 대략 평행하게 샤프트 벽을 관통하여 연장되고, 텐던 도관은 제어 가능한 굴곡부의 근위 단부까지 중심축에 대해 나선형 또는 나선형 패턴으로 연장되며, 제어 가능한 굴곡부의 원위 단부까지 중심축에 대해 대략 평행하게 샤프트 벽을 관통하여 연장된다. 바람직하게는, 제어 가능한 굴곡부는 샤프트의 말단부에 있다. 하나 이상의 텐던은 제어 가능한 굴곡부의 말단부에 고정되어, 하나 이상의 텐던을 인장시켜 제어 가능한 굴곡부가 연결되도록 한다.
로봇 보조 내시경 수술을 위한 시스템, 장치 및 방법이 개시되어 있다. 예시적인 로봇 수술 시스템은 제1 및 제2 로봇 암 및 로봇 암을 작동시키기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 암은 내시경 툴(들)에 결합될 수 있는 제1 및 제2 장치 조작기를 각각 포함할 수 있다. 제1 및 제2 장치 조작기는 내시경 툴를 작동시키기 위해 가상 레일을 형성하도록 정렬되어 구성될 수 있다. 제1 로봇 암 및/또는 제2 로봇 암은 가상 레일 정렬을 보존하는 방식으로 이동 가능하여, 내시경 툴(들)의 적절하고/적절하거나 바람직한 정렬을 유지할 수 있다. 제어기는 가상 레일 정렬을 유지하는 방식으로 제1 및 제2 장치 조작기를 이동시키도록 구성될 수 있다. 제1 또는 제2 로봇 암 중 하나 이상은 사용자에 의해 인가된 힘에 반응할 수 있고, 로봇 암 중 하나에 인가된 힘은 양 암을 서로 협동하여 가상 레일 정렬이 유지되도록 할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 암 또는 장치 조작기에 의해 형성된 가상 레일은 X축, Y축 또는 Z축(즉, 수평 및/또는 수직) 중 하나 이상에서 병진 이동될 수 있다. 가상 레일은 또한 제1 및 제2 로봇 암 또는 장치 조작기에 의해 형성된 가상 선을 따라, 장치 조작기 중 하나의 중심, 제1 및 제2 장치 조작기 사이의 지점 또는 제1 및 제2 장치 조작기에 의해 형성된 선분 너머의 점과 같은 임의의 지점에 대해 회동할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 제어기에 의해 작동될 수 있고 제1 및 제2 로봇 암과 함께 가상 레일을 형성하도록 구성될 수 있는 제3 로봇 암을 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제어기에 의해 동작 가능하고 가상 레일을 형성하도록 구성된 추가 로봇 암을 더 포함할 수 있다.
로봇 수술 시스템의 사용자 조작을 위한 시스템, 장치 및 방법이 또한 개시된다. 로봇 암은 사용자로부터 힘이 인가된 다양한 입력에 반응할 수 있다. 사용자는 몇 가지 예로서 탭, 푸시, 당김, 이중 탭 또는 복수의 탭, 홀드 또는 쉐이크와 같이 로봇 암에 힘을 가할 수 있다. 로봇 힘은 검출된 힘의 특성에 기초하여 사용자의 의도를 결정하고 가하는 힘을 검출할 수 있다. 이러한 특성에는 발휘된 힘의 위치, 크기, 방향 및 시기가 포함될 수 있다. 결정된 사용자 의도에 기초하여, 로봇 암은 미리 결정된 패턴으로 움직일 수 있다.
본 개시의 양태들은 로봇 암 시스템을 이동시키는 방법을 제공한다. 로봇 암 시스템이 제공될 수 있다. 상기 시스템은 제1 로봇 암과 제2 로봇 암을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 암은 서로에 대해 미리 결정된 거리 및 방향을 가질 수 있다. 제1 로봇 암은 그에 작용하는 힘을 검출할 수 있다. 제1 로봇 암은 검출된 힘에 응답하여 자동으로 움직일 수 있다. 제1 로봇 암은 제1 이동 벡터로 움직일 수 있다. 제2 로봇 암은 제1 및 제2 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향이 유지되도록 검출된 힘에 응답하여 자동으로 움직일 수 있다. 제2 로봇 암은 제2 이동 벡터로 이동할 수 있다.
제1 및 제2 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향은 제1 및 제2 로봇 암의 경계 단부 사이의 선형 정렬과 같은 제1 및 제2 로봇 암 사이의 선형 정렬을 포함할 수 있다. 제1 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제1 로봇 암의 인터페이스 단부는 제1 및 제2 로봇 암에 의해 형성된 라인상의 한 점을 중심으로 선회될 수 있다. 제2 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제2 로봇 암의 인터페이스 단부는 제1 및 제2 로봇 암에 의해 형성된 라인상의 지점을 중심으로 선회될 수 있다. 선상의 점은 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부 사이 또는 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부를 넘어서 있을 수 있다.
제1 및 제2 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향이 유지되도록 검출된 힘에 응답하여 제2 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제1 및 제2 로봇 암은 하나 이상의 X축, Y축 또는 Z축을 따라 일제히 병진할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 이동 벡터와 제2 이동 벡터는 동일하다. 다른 실시예에서, 제1 이동 벡터와 제2 이동 벡터는 상이하다.
로봇 암의 시스템은 제3 로봇 암을 더 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 로봇 암은 서로에 대해 미리 결정된 거리 및 방향에 있을 수 있다. 제3 로봇 암은 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향이 유지되도록 검출된 힘에 응답하여 자동으로 움직일 수 있다. 제3 로봇 암은 제3 이동 벡터와 함께 움직일 수 있다. 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향은 제1, 제2 및 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 사이의 선형 정렬과 같이 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 선형 정렬을 포함할 수 있다.
제1 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제1 로봇 암의 인터페이스 단부는 제1, 제2 및 제3 로봇 암에 의해 형성된 라인상의 한 점을 중심으로 선회될 수 있다. 제2 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제2 로봇 암의 인터페이스 단부는 제1, 제2 및 제3 로봇 암에 의해 형성된 라인상의 지점을 중심으로 선회될 수 있다. 제3 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제3 로봇 암의 인터페이스 단부는 제1, 제2 및 제3 로봇 암에 의해 형성된 선상의 지점을 중심으로 선회될 수 있다. 라인상의 지점은 제1, 제2 또는 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 중 2개 이상 사이 또는 제1, 제2 또는 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 중 2개 이상을 초과할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향이 유지되도록 검출된 힘에 응답하여 제3 로봇 암을 자동으로 이동시키는 경우, 제1, 제2 및 제3 로봇 암은 X축, Y축 또는 Z축 중 하나 이상을 따라 일제히 병진할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 이동 벡터, 제2 이동 벡터 및 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 동일하다. 다른 실시예에서, 제1 이동 벡터, 제2 이동 벡터 및 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 상이하다.
일부 실시예에서, 제1 로봇 암은 제1 로봇 암의 관절에 작용하는 토크를 검출함으로써 제1 로봇 암에 인가된 힘을 검출할 수 있다. 제1 로봇 암에 인가된 힘은 환자의 수술 중에 검출될 수 있다.
일부 실시예에서, 로봇 암 시스템의 이동 모드는 검출된 힘에 응답하여 작동될 수 있다. 로봇 암 시스템의 이동 모드는 어드미턴스 모드 또는 임피던스 모드 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템의 이동 모드는 제1 및 제2 로봇 암이 이동 한 후에는 무효화될 수 있다.
본 개시의 양태들은 로봇 암 시스템을 제공한다. 예시적인 시스템은 제1 로봇 암, 제2 로봇 암 및 제어기를 포함할 수 있다. 제1 로봇 암은 제1 로봇 암에 인가된 힘을 검출하도록 구성된 힘 센서를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 암은 서로에 대해 미리 결정된 거리 및 방향을 가질 수 있다. 제어기는 제1 및 제2 로봇 암에 연결될 수 있다. 제어기는 (i) 검출된 힘에 응답하여 제1 이동 벡터로 제1 로봇 암을 자동으로 이동시키고 (ii) 검출된 힘에 응답하여 제2 이동 벡터로 제2 로봇 암을 자동으로 이동시켜 제1 및 제2 로봇 암 사이의 미리 결정된 거리 및 방향이 유지된다.
제1 및 제2 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향은 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부 사이의 선형 정렬과 같은 제1 및 제2 로봇 암 사이의 선형 정렬을 포함할 수 있다. 제어기는 제1 및 제2 로봇 암에 의해 형성된 라인상의 한 점을 중심으로 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부를 피벗시키도록 구성될 수 있다. 선상의 점은 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부 사이 또는 제1 및 제2 로봇 암의 인터페이스 단부를 넘어서 있을 수 있다.
제어기는 X축, Y축 또는 Z축 중 하나 이상을 따라서 일제히 제1 및 제2 로봇 암을 이동시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 이동 벡터와 제2 이동 벡터는 동일하다. 다른 실시예에서, 제1 이동 벡터와 제2 이동 벡터는 상이하다.
상기 시스템은 제3 로봇 암을 더 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 로봇 암은 서로에 대해 소정의 거리 및 방향을 가질 수 있다. 제어기는 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 소정 거리 및 방향이 유지되도록 검출된 힘에 응답하여 제3 이동 벡터로 제3 로봇 암을 자동으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 소정의 거리 및 방향은 제1, 제2 및 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 사이의 선형 정렬과 같이 제1, 제2 및 제3 로봇 암 사이의 선형 정렬을 포함할 수 있다.
제어기는 제1, 제2 및 제3 로봇 암에 의해 형성된 라인 상의 한 점을 중심으로 제1, 제2 및 제3 로봇 암의 인터페이스 단부를 선회시키도록 구성될 수 있다. 라인 상의 지점은 제1, 제2 또는 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 중 둘 이상의 사이에 있거나, 제1, 제2 또는 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 중 둘 이상의 너머에 있을 수 있다. 제어기는 X축, Y축 또는 Z축 중 하나 이상을 따라 조화롭게 제1, 제2 및 제3 로봇 암을 병진시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 이동 벡터, 제2 이동 벡터 및 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 동일하다. 다른 실시예에서, 제1 이동 벡터, 제2 이동 벡터 및 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 상이하다.
제1 로봇 암은 하나 이상의 조인트 및 하나 이상의 링크를 포함할 수 있다. 제1 로봇 암의 힘 센서는 하나 이상의 조인트에 연결된 토크 센서를 포함할 수 있다. 제1 로봇 암은 하나 이상의 조인트 및 하나 이상의 링크를 포함할 수 있다. 제1 로봇 암의 힘 센서는 하나 이상의 링크에 연결된 촉각 센서를 포함할 수 있다.
제어기는 검출된 힘에 응답하여 로봇 암 시스템의 이동 모드를 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 로봇 암 시스템의 이동 모드는 어드미턴스 모드 또는 임피던스 모드 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제어기는 제1 및 제2 로봇 암이 이동한 후에 시스템의 이동 모드가 비활성화되도록(disabled) 구성될 수 있다.
본 개시의 양태들은 로봇 암을 이동시키는 방법을 제공한다.
로봇 암에 작용하는 힘이 검출될 수 있다. 인가된 힘은 힘 벡터 및 타이밍 특성을 포함할 수 있다. 사용자 의도는 검출된 힘의 힘 벡터 및 타이밍 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 로봇 암은 결정된 사용자 의도에 따라 자동으로 움직일 수 있다. 로봇 암에 인가된 힘을 검출하는 단계는 힘이 로봇 암의 조인트, 링크 또는 인터페이스 말단에 가해졌는지 여부를 검출하는 단계 또는 로봇의 조인트에 결합된 토크 센서로 힘을 검출하는 단계 중 하나 이상의 검출하는 단계 또는 로봇 암의 링크에 연결된 촉각 센서로 힘을 검출하는 단계를 포함한다. 사용자 의도를 결정하는 단계는 인가된 힘이 홀드, 푸시, 당김, 탭, 복수의 탭, 회전, 또는 로봇 암의 적어도 일부분의 흔들림 중 하나 이상인지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
로봇 암의 이동 모드는 로봇 암을 자동으로 이동시키기 전에 작동될 수 있다. 로봇 암의 이동 모드는 로봇 암을 자동으로 이동시킨 후에 비활성화될 수 있다. 이동 모드를 가능하게 하기 위해, 예를 들면 로봇 암과 통신하는 풋 페달, 로봇 암과 통신하는 조이스틱, 음성 명령, 검출된 광 또는 로봇 암과 통신하는 컴퓨팅 장치로부터 명령이 수신될 수 있다. 이동 모드는 임피던스 모드 또는 어드미턴스 모드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
사용자 의도를 결정하기 위해, 사용자의 제스처 유형이 검출될 수 있다. 사용자 의도를 결정하는 단계는 로봇 암에 인가된 힘이 로봇 암의 관절에 하나 이상의 탭을 포함하는 것으로 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 로봇 암의 관절은 하나 이상의 다른 관절의 위치를 유지하면서 자동으로 움직일 수 있거나 또는 상기 하나 이상의 탭에 응답하여 상기 로봇 암의 인터페이스 단부에 결합된다. 사용자 의도를 결정하는 단계는, 로봇 암에 인가된 힘이 로봇 암의 조인트의 위치가 유지되고, 로봇 암의 인터페이스 말단이 회전하며, 로봇 암의 인터페이스 말단에 풀(pull)을 포함하는 것을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 사용자 의도를 결정하는 단계는 로봇 암에 인가된 힘이 로봇 암의 인터페이스 단부를 밀거나 당기는 것을 포함하는 것으로 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 로봇 암의 인터페이스 단부는 로봇 암의 가압 또는 당김에 응답하여 자동적으로 이동될 수 있다. 인터페이스 단부와 전체 로봇 암이 인터페이스 단부의 이동을 따라 자동으로 움직일 수 있다.
일부 실시예에서, 로봇 암의 초기 위치는 로봇 암을 이동시키기 전에 기억될 수 있다. 로봇 암은 결정된 사용자 의도에 응답하여 로봇 암을 이동시킨 후에 초기 위치로 다시 이동될 수 있다.
본 개시의 양태들은 로봇 암 시스템을 제공할 수 있다. 예시적인 로봇 암 시스템은 로봇 암 및 제어기를 포함할 수 있다. 로봇 암은 로봇 암에 인가된 힘을 검출하도록 구성된 힘 센서를 포함할 수 있다. 인가된 힘은 힘 벡터 및 타이밍 특성을 포함할 수 있다. 제어기는 로봇 암에 결합될 수 있다. 제어기는 (i) 검출된 힘의 힘 벡터 및 타이밍 특성에 기초하여 사용자 의도를 결정하고, (ii) 결정된 사용자 의도에 응답하여 로봇 암을 자동으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
힘 센서는 힘이 로봇 암의 연결부, 링크 또는 인터페이스 단부에 가해졌는지 여부를 검출하도록 구성될 수 있다. 힘 센서는 로봇 암의 조인트에 결합된 토크 센서 또는 로봇 암의 링크에 결합된 촉각 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제어기는 인가된 힘이 홀드, 푸시, 풀, 탭, 복수의 탭, 회전 또는 로봇 암의 부분 또는 전체의 쉐이크 중 하나 이상인지를 결정함으로써 사용자 의도를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기는 로봇 암을 자동으로 이동시키기 전에 로봇 암의 이동 모드를 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 제어기는 로봇 암을 자동으로 이동시킨 후에 로봇 암의 이동 모드가 비활성화되도록 구성될 수 있다.
시스템은 이동 모드를 가능하게 하기 위해 제어기와 통신하는 외부 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 외부 제어 유닛은 풋 페달, 조이스틱, 마이크로폰, 광 검출기 또는 컴퓨팅 장치 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이동 모드는 임피던스 모드 또는 어드미턴스 모드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
로봇 암은 조인트, 링크 및 인터페이스 단부를 포함할 수 있다.
제어기는 예를 들어 제스처 센싱을 통해 많은 방법으로 사용자 의도를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기는 로봇 암에 인가된 힘이 조인트상의 하나 이상의 탭을 포함한다는 것을 결정함으로써 사용자 의도를 결정하고, 로봇 암의 조인트를 자동으로 이동시킴으로써 로봇 암을 자동으로 이동시키면서 하나 이상의 탭에 응답하여 암의 인터페이스 단부 또는 하나 이상의 다른 조인트의 위치를 유지하도록 도록 구성될 수 있다. 제어기는 로봇 암의 접합부의 위치가 유지되는 동안 로봇 암에 인가된 힘이 로봇 암의 인터페이스 단부를 당기는 것을 포함하는 것으로 결정함으로써 사용자 의도를 결정하도록 구성될 수 있으며, 로봇 암을 자동적으로 로봇 암의 인터페이스 단부를 회전시킨다. 제어기는 로봇 암에 인가된 힘이 로봇 암의 인터페이스 단부를 밀거나 당기는 것을 포함하는 것으로 결정함으로써 사용자 의도를 결정하고, 인터페이스 단부 상의 푸쉬 또는 풀에 응답하여 로봇 암의 인터페이스 단부를 자동적으로 이동시키고, 인터페이스 단부의 이동을 따르도록 전체 로봇 암을 자동적으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
제어기는 로봇 암을 이동시키기 전에 로봇 암의 초기 위치를 기억하도록 구성될 수 있다. 제어기는 결정된 사용자 의도에 응답하여 로봇 암을 이동시킨 후에 로봇 암을 초기 위치로 다시 이동 시키도록 구성될 수 있다.
도 1은 다수의 실시예에 따른 로봇 내시경 시스템을 도시한다.
도 2a는 다수의 실시예에 따른 로봇 수술 시스템을 도시한다.
도 2b는 다수의 실시예에 따라, 마취 카트가 환자의 머리쪽으로 제공되는 도 2a의 시스템의 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 시스템을 도시한다.
도 2d 및 도 2e는 다수의 실시예에 따라, 도 2a의 로봇 수술 시스템의 다용도성을 보여주는, 도 2a의 시스템의 암(202 및 204)의 대안적인 배열을 도시한다.
도 3a는 다수의 실시예들에 따라, 다수의 가상 레일들을 갖는 시스템의 평면도이다.
도 3b는 다수의 실시예들에 따른 추가의 로봇 암, 관련 툴 베이스, 및 툴을 구비한 도 3a의 로봇 수술 시스템의 사용을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들의 모듈화를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템에서 기계식 암에 결합된 메커니즘 교환기 인터페이스의 구현예를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 수형(male) 메커니즘 교환기 인터페이스(502)의 다른 도면을 도시한다.
도 5c는 도 3a 및 도 3b로부터의 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)와 연결하기 위해 기구 장치 조작기에 결합된 왕복식 암형(female) 메커니즘 교환기 인터페이스를 도시한다.
도 5d는 도 5c의 암형 메커니즘 교환기 인터페이스(508)의 다른 도면을 도시한다.
도 6, 도 7, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 로봇 수술 시스템을 위한 모듈의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 로봇 시스템(100)과 함께 사용될 수 있는 로봇 카테터를 도시한다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 쉬스의 구조를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 구조를 도시한다.
도 12a, 도 12b, 도 12d, 도 12d, 도 12e, 도 12f, 도 12g, 도 12h, 도 12i, 도 12j, 및 도 12k는 본 발명의 일 실시예에 의해 도시되는 개선 및 이전의 가요 기구에서 나타난 근력 및 곡선 정렬 현상을 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 내강 내에 축방향으로 경질의 튜브를 갖는 가요성 내시경 장치의 구조를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 내강 내의 나선형 패턴의 구조를 도시한다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템으로부터의 로봇 카테터를 도시한다.
도 15b는 도 15a의 로봇 카테터(1500)의 다른 도면을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터의 말단부를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 독립 구동 메커니즘을 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 장력 검출 장치를 갖는 가요성 내시경 장치의 쉬스의 구조를 도시하는 도 17a 및 도 17b의 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다.
도 19a는 도 17a, 도 17b 및 도 18의 독립 구동 메커니즘의 서로 다른 각도의 단면도이다.
도 19B는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로봇 카테터와 결합하는 전술한 독립 구동 메커니즘의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터로부터 풀 와이어를 구비 한 전술한 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 수평 힘이 힘에 수직 방향의 스트레인 게이지에 의해 측정되는 방식을 도시하는 개념도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 내강을 갖는 카테터 장치를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치를 제조하기 위한 특수화된 노즈 콘을 도시한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가요성 내시경 장치를 제조하기 위한 시스템을 도시한다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 견인 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭적으로 배치되는 가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따라 견인 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭으로 배열되지 않은 가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다.
도 26b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 26a의 가요성 내시경 장치의 등각도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 26a 및 도 26b의 가요성 내시경 장치를 제조하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 28a 및 도 28b는 중심선 좌표, 직경 측정치 및 해부학적 공간 사이의 관계를 도시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 공간을 나타내는 컴퓨터 생성 3차원 모델을 도시한다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자기장 발생기와 결합하는 전자기 추적기를 이용하는 로봇 카테터 시스템을 도시한다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른, 등록을 위한 단계들에 대한 흐름도이다.
도 32a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 로봇 카테터의 말단부를 도시한다.
도 32b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 도 32a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 32c는 본 발명의 일 실시예에 따른 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 도 32b의 로봇 카테터를 도시한다.
도 33a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 말단 굴곡 부분에 결합된 로봇 카테터를 도시한다.
도 33b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 포셉 툴을 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 33c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 레이저 장치를 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 수술 시스템에 대한 명령 콘솔을 도시한다.
도 35a 및 도 35b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템의 상이한 도면을 도시한다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따라, 가상 레일의 각도가 크게 증가된 로봇 카테터 시스템의 등각도를 도시한다.
도 37a, 도 37b, 도 37c 및 도 37d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계식 암의 사용이 카테터 버클링 및 낭비된 길이를 감소시키는 혈관 시술의 일련의 평면도이다.
도 38a 및 도 38b는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 경동맥에 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 39는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 상완 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 40a 및 도 40b는 본 발명의 일 실시예에 따라 로봇 카테터가 요골 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 41은 다수의 실시예에 따른, 로봇 수술 시스템의 암을 정렬하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 42a는 다수의 실시예에 따라, 최대 3차원으로 병진 이동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도이다.
도 42b는 다수의 실시예에 따라 로봇 암의 장치 조작기 중 하나를 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도를 도시한다.
도 42c는 다수의 실시예에 따라, 로봇 암의 2개의 장치 조작기 사이의 지점을 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도이다.
도 42d는 다수의 실시예들에 따라, 로봇 암의 장치 조작기들 중 2개 너머의 일 지점을 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암들의 개략도이다.
도 43은 다수의 실시예에 따라, 로봇 수술 시스템의 로봇 암(들)을 조작하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2a는 다수의 실시예에 따른 로봇 수술 시스템을 도시한다.
도 2b는 다수의 실시예에 따라, 마취 카트가 환자의 머리쪽으로 제공되는 도 2a의 시스템의 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 시스템을 도시한다.
도 2d 및 도 2e는 다수의 실시예에 따라, 도 2a의 로봇 수술 시스템의 다용도성을 보여주는, 도 2a의 시스템의 암(202 및 204)의 대안적인 배열을 도시한다.
도 3a는 다수의 실시예들에 따라, 다수의 가상 레일들을 갖는 시스템의 평면도이다.
도 3b는 다수의 실시예들에 따른 추가의 로봇 암, 관련 툴 베이스, 및 툴을 구비한 도 3a의 로봇 수술 시스템의 사용을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들의 모듈화를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템에서 기계식 암에 결합된 메커니즘 교환기 인터페이스의 구현예를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 수형(male) 메커니즘 교환기 인터페이스(502)의 다른 도면을 도시한다.
도 5c는 도 3a 및 도 3b로부터의 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)와 연결하기 위해 기구 장치 조작기에 결합된 왕복식 암형(female) 메커니즘 교환기 인터페이스를 도시한다.
도 5d는 도 5c의 암형 메커니즘 교환기 인터페이스(508)의 다른 도면을 도시한다.
도 6, 도 7, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 로봇 수술 시스템을 위한 모듈의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 로봇 시스템(100)과 함께 사용될 수 있는 로봇 카테터를 도시한다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 쉬스의 구조를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 구조를 도시한다.
도 12a, 도 12b, 도 12d, 도 12d, 도 12e, 도 12f, 도 12g, 도 12h, 도 12i, 도 12j, 및 도 12k는 본 발명의 일 실시예에 의해 도시되는 개선 및 이전의 가요 기구에서 나타난 근력 및 곡선 정렬 현상을 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 내강 내에 축방향으로 경질의 튜브를 갖는 가요성 내시경 장치의 구조를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 내강 내의 나선형 패턴의 구조를 도시한다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템으로부터의 로봇 카테터를 도시한다.
도 15b는 도 15a의 로봇 카테터(1500)의 다른 도면을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터의 말단부를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 독립 구동 메커니즘을 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 장력 검출 장치를 갖는 가요성 내시경 장치의 쉬스의 구조를 도시하는 도 17a 및 도 17b의 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다.
도 19a는 도 17a, 도 17b 및 도 18의 독립 구동 메커니즘의 서로 다른 각도의 단면도이다.
도 19B는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로봇 카테터와 결합하는 전술한 독립 구동 메커니즘의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터로부터 풀 와이어를 구비 한 전술한 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 수평 힘이 힘에 수직 방향의 스트레인 게이지에 의해 측정되는 방식을 도시하는 개념도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 내강을 갖는 카테터 장치를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치를 제조하기 위한 특수화된 노즈 콘을 도시한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가요성 내시경 장치를 제조하기 위한 시스템을 도시한다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 견인 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭적으로 배치되는 가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따라 견인 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭으로 배열되지 않은 가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다.
도 26b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 26a의 가요성 내시경 장치의 등각도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 26a 및 도 26b의 가요성 내시경 장치를 제조하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 28a 및 도 28b는 중심선 좌표, 직경 측정치 및 해부학적 공간 사이의 관계를 도시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 공간을 나타내는 컴퓨터 생성 3차원 모델을 도시한다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자기장 발생기와 결합하는 전자기 추적기를 이용하는 로봇 카테터 시스템을 도시한다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른, 등록을 위한 단계들에 대한 흐름도이다.
도 32a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 로봇 카테터의 말단부를 도시한다.
도 32b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 도 32a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 32c는 본 발명의 일 실시예에 따른 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 도 32b의 로봇 카테터를 도시한다.
도 33a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 말단 굴곡 부분에 결합된 로봇 카테터를 도시한다.
도 33b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 포셉 툴을 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 33c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 레이저 장치를 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 수술 시스템에 대한 명령 콘솔을 도시한다.
도 35a 및 도 35b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템의 상이한 도면을 도시한다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따라, 가상 레일의 각도가 크게 증가된 로봇 카테터 시스템의 등각도를 도시한다.
도 37a, 도 37b, 도 37c 및 도 37d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계식 암의 사용이 카테터 버클링 및 낭비된 길이를 감소시키는 혈관 시술의 일련의 평면도이다.
도 38a 및 도 38b는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 경동맥에 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 39는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 상완 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 40a 및 도 40b는 본 발명의 일 실시예에 따라 로봇 카테터가 요골 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다.
도 41은 다수의 실시예에 따른, 로봇 수술 시스템의 암을 정렬하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 42a는 다수의 실시예에 따라, 최대 3차원으로 병진 이동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도이다.
도 42b는 다수의 실시예에 따라 로봇 암의 장치 조작기 중 하나를 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도를 도시한다.
도 42c는 다수의 실시예에 따라, 로봇 암의 2개의 장치 조작기 사이의 지점을 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암의 개략도이다.
도 42d는 다수의 실시예들에 따라, 로봇 암의 장치 조작기들 중 2개 너머의 일 지점을 중심으로 회동하는 로봇 수술 시스템의 정렬된 암들의 개략도이다.
도 43은 다수의 실시예에 따라, 로봇 수술 시스템의 로봇 암(들)을 조작하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
비록 특정 바람직한 실시예 및 예시가 아래에 개시되어 있지만, 본 발명의 대상은 구체적으로 개시된 실시예를 넘어 다른 대안의 실시예 및/또는 용도, 및 그 수정 및 균등물로 확장된다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들의 범위는 이하에 기술된 임의의 특정 실시예들에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 상기 방법 또는 프로세스의 동작은 임의의 적절한 시퀀스로 수행될 수 있으며 반드시 특정 개시된 시퀀스에만 한정되는 것은 아니다. 다양한 동작들은 특정 실시예들을 이해하는데 도움이 될 수 있는 방식으로 차례로 다수의 이산 동작들로서 설명될 수 있다. 그러나 설명의 순서는 이러한 작동이 순서에 따라 다름을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 여기에 설명된 구조, 시스템 및/또는 장치는 통합된 구성 요소로서 또는 개별 구성 요소로서 구현될 수 있다.
다양한 실시예들을 비교하기 위해, 이들 실시예들의 소정의 양상들 및 장점들이 설명된다. 반드시 그러한 모든 양상 또는 이점이 임의의 특정 실시예에 의해 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어 본원에서 교시되거나 제안된 바와 같은 다른 양태 또는 이점을 반드시 달성하지 않고서 본원에서 교시된 바와 같은 장점들 또는 장점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 다양한 실시예들이 수행될 수 있다.
개관.
내강 외과용 로봇 시스템은 외과의가 인체 공학적 위치에 앉아서 로봇 내시경 툴를 부적절한 암 동작 및 위치의 필요없이 환자 내의 원하는 해부학적 위치로 제어하는 능력을 제공한다.
로봇식 내시경 툴는 그의 길이를 따라 둘 이상의 지점을 다수의 자유도를 제공함으로써 용이하게 인체 내의 내강을 조종할 수 있는 능력을 갖는다. 이 툴의 제어점은 외과 의사가 인체 내부의 굴곡진 경로를 탐색할 때 훨씬 더 직관적인 장치 제어 기능을 제공한다. 이 툴의 팁은 롤 각도 360도에 대해 0도 내지 90도로 관절 조종할 수 있다.
외과용 로봇 시스템은 외과적 센서 기반 및 내시경 기반 탐색 기술을 통합하여 내과의가 환자 내에서 원하는 해부학적 위치를 안내하도록 돕는다. 탐색 정보는 2차원 디스플레이 수단 또는 3차원 디스플레이 수단으로 전달될 수 있다.
시스템 구성 요소.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 내시경 시스템이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(100)은 암(102)과 같은 하나 이상의 기계식 암을 갖는 시스템 카트(101)를 포함할 수 있다. 시스템 카트(101)는 원격 위치된 명령 콘솔(미도시)과 통신할 수 있다. 실제로, 시스템 카트(101)는 환자에 대한 액세스를 제공하도록 구성될 수 있고, 의사는 명령 콘솔의 안락함으로부터 시스템(100)을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 안정성 및 환자 접근을 위해 수술대 또는 베드에 결합될 수 있다.
시스템(100) 내에서, 암(102)은 일부 실시예에서 제어 전자 장치, 전원 및 광학 소스를 포함하는 다양한 지지 시스템을 포함하는 시스템 카트(101)에 고정식으로 결합될 수 있다. 암(102)은 환자의 수술 영역에 접근할 수 있도록 다수의 링크(110) 및 조인트(111)로 형성될 수 있다. 시스템 카트(101)는 중앙 처리 장치, 데이터 버스, 제어 회로 및 메모리와 같은 구성 요소를 포함하는 전력원(112), 공압기(113), 및 제어 및 센서 전자 장치(114)를 포함할 수 있으며, 전력은 전기 배선, 기어 헤드, 공기 챔버와 같은 당업자에게 알려진 다양한 수단을 사용하여 시스템 카트(101)로부터 암(102)로 전달될 수 있다. 시스템 카트(101) 내의 전자 장치(114)는 또한 명령 콘솔로부터 전달된 제어 신호를 처리 및 전송할 수 있다.
시스템 카트는 휠(115)에 의해 도시된 바와 같이 이동 가능할 수도 있다. 일부 실시예에서, 시스템 카트는 환자 근처의 원하는 위치로 휠 수 있다. 공간 요구를 수용하고 환자에 대한 모듈 및 기구의 적절한 배치 및 이동을 용이하게 하기 위해 수술실의 다양한 위치에 시스템 카트(101)가 배치될 수 있다. 이 기능을 통해 암은 환자, 의사, 마취 의사 또는 선택한 수술에 필요한 보조 수술 장비를 방해하지 않는 위치에 배치할 수 있다. 수술가 진행되는 동안 장비가 있는 암은 햅틱 장치, 조이스틱 또는 사용자 정의 펜던트가 있는 명령 콘솔을 포함하는 별도의 제어 장치를 통해 사용자 제어를 통해 공동으로 작동한다.
기계식 암.
암(102)의 근위 단부는 카트(101)에 고정식으로 장착되거나 결합될 수 있다. 기계식 암(102)은 조인트(111)와 같은 암 당 하나 이상의 조인트에 의해 연결된 복수의 링키지(110)를 포함한다. 기계식 암(102) 조인트(111)는 하나 이상의 자유도로 이동하는데 영향을 주기 위해 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있다. 암(102)은 전체적으로 3자유도 이상의 자유도를 갖는 것이 바람직하다. 와이어 및 회로의 조합을 통해, 각각의 암은 또한 시스템 카트(101)로부터 말단의 단부에 위치한 기기로 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.
일부 실시예에서, 암은 환자와 함께 수술용 테이블에 고정식으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 암은 수술대의 베이스에 결합되어 환자에게 접근하기 위해 주위로 도달할 수 있다.
일부 실시예에서, 기계식 암은 로봇식으로 구동될 수 없다. 이들 실시예에서, 기계식 암은 브레이크의 위치 및 카운터-밸런스의 조합을 사용하여 암의 위치를 제 위치에 유지하는 연결 장치 및 조인트로 구성된다. 일부 실시예에서, 카운터-밸런스는 가스 스프링 또는 코일 스프링으로 구성될 수 있다. 페일 세이프 브레이크(fail safe brakes)와 같은 브레이크는 기계식 또는 전기 기계식 일 수 있다. 일부 실시예에서, 암은 중력 보조 수동 지지 암일 수 있다.
바람직하게는, 각각의 암은 도면 번호 116과 같은 메커니즘 교환기 인터페이스(Mechanism Changer Interface, MCI)를 통해, 도면 번호 117과 같은 기구 장치 조작기(Instrument Device Manipulator, IDM)에 결합될 수 있다. 바람직한 실시예에서, MCI(116)는 공압식 전압, 전력, 전기 신호 및 광 신호를 암으로부터 IDM(117)으로 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, MCI(116)는 고정 나사 또는 베이스 플레이트 연결과 같이 간단할 수 있다.
IDM(117)은 직접 구동, 하모닉 구동, 기어 구동, 벨트 및 풀리, 또는 자기 구동을 포함하는 외과용 기기를 조작하기 위한 다양한 수단을 가질 수 있다. 당업자는 다양한 방법들이 계기 장치상의 제어 액추에이터로 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예에서, IDM은 제거 가능할 수 있다. 로봇 시스템 내에서, 도면 번호 116과 같은 MCI는 도면 번호 117과 같은 다양한 수술-특화 IDM과 상호 교환 가능할 수 있다. 이 실시예에서, IDM의 상호 교환 가능성은 로봇 시스템(100)이 상이한 수술을 수행하는 것을 허용한다.
바람직한 실시예는 쿠카 아게(Kuka AG)의 LBR5와 같은 말단부에 손목을 갖는 조인트 레벨 토크 감지를 갖는 로봇 암을 사용할 수 있다. 이들 실시예는 환자, 다른 로봇 암, 수술대, 의료기관 또는 수술장 주변의 장비와 잠재적인 암 충돌을 피하기 위해 제공되는 여분의 관절을 갖는 7개의 관절을 갖는 로봇 암을 가지며, 손목을 동일한 자세로 유지하면서 진행중인 수술을 방해하지 않아야 한다. 당업자는 3자유도 이상, 보다 바람직하게는 6자유도를 갖는 로봇 암이 본 명세서에 설명된 발명 개념 내에 속할 것이며, 복수의 암이 추가 모듈을 구비할 수 있다는 것을 이해할 것이고, 여기서 각각의 암은 카트, 다수의 카트 또는 외과용 침대 또는 테이블 상에 공통으로 또는 개별적으로 장착될 수 있다.
가상 레일 구성.
시스템(100)의 암(102)은 다양한 수술에서 사용하기 위해 다양한 자세로 배열될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 로봇 암을 갖는 다른 로봇 시스템과 조합하여, 시스템(100)의 암(102)은 내시경 툴(118)의 삽입 및 조작을 용이하게 하는 "가상 레일"을 형성하도록 원위 장착 IDM을 정렬하도록 배치될 수 있다. 다른 수술의 경우, 암은 다르게 배열될 수 있다. 따라서, 시스템(100)에서의 암의 사용은 설계가 특정 의료 수술와 직접 관련되는 로봇 시스템에서 발견되지 않는 가요성을 제공한다. 시스템(100)의 암은 잠재적으로 훨씬 더 큰 스트로크 및 적재를 제공한다. 다수의 암이 외과용 베드/테이블 플랫폼에 결합되는 다른 실시예에서, 다수의 가상 레일 장치가 다양한 상이한 수술을 위해 구성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 수술 시스템(200)을 도시한다. 시스템(200)은 내시경 툴 베이스(206, 208)를 각각 보유하는 제1 암(202) 및 제2 암(204)을 집합적으로 포함하는 2개의 시스템 카트를 포함한다. 툴 베이스(206)는 작동 가능하게 연결된 제어 가능한 내시경 쉬스(210)를 갖는다. 툴 베이스(208)는 작동식으로 연결된 가요성 내시경 리더(212)를 갖는다. 일부 실시예에서, 툴 베이스는 전술한 바와 같이 IDM 및/또는 MCI를 통해 암(202, 204)에 결합될 수 있다.
암(202, 204)은 툴 베이스(206, 208)를 정렬하여 쉬스(210)의 근위 단부(216)가 리더(212)의 근위 단부(222)의 말단이고, 따라서 리더(212)는 대략 180도의 각도로 쉬스(210) 및 리더(212)를 포함하는 레일이 대략 직선 또는 180도인 "가상 레일(virtual rail)"을 생성한다. 후술하는 바와 같이, 가상 레일은 90도 내지 180도의 각도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 리더(212)가 슬라이딩 방식으로 배치된 쉬스(210)는 예를 들어 환자(211)의 입, 궁극적으로는 환자의 기관지 시스템 내의 기관 튜브(미도시)를 통해 로봇식으로 삽입되고, 삽입 및 탐색 중에 지속적으로 가상 레일을 유지한다. 암은 (도 2b의) 제어 콘솔(203)에서 의사(미도시)의 제어하에 환자(211)에게, 또는 환자(211)로부터, 또는 서로에 대해 쉬스(210) 및 내시경(212)을 축방향으로 이동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 슬라이딩 방식으로 배치된 리더(212)를 갖는 쉬스(210)는 환자의 요도를 통해 그리고 궁극적으로 환자의 요로에 로봇식으로 삽입될 수 있다.
탐색은 예를 들어, 리더(212)와 함께 쉬스(210)를 환자(211)로 진입시킴으로써 달성되고, 그 후 리더(212)는 쉬스의 말단부(213)를 넘어서 전진될 수 있고, 그러면 쉬스(210)는 원하는 목표 위치에 도달할 때까지 의사는 리더(212)의 작동 채널을 통해 가이드 와이어를 사용하는 것을 비롯한 다른 방식의 탐색이 사용될 수 있다. 의사는 탐색을 보조하고 의료 수술을 수행하기 위해 예를 들어, 형광 투시법, 비디오, CT 등과 같은 임의의 수의 시각적 가이드 양식 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 원위 카메라 및 렌즈와 같은 촬상 수단은 리더(212)의 말단부에 장착될 수 있다. 리더(212)의 원위 단부(220)는 그 다음에 수술 부위로 탐색되고, 툴은 리더(212) 내의 길이 방향으로 정렬된 작동 통로를 통해 전개되어 원하는 수술을 수행한다. 가상 레일은 탐색 수술 및 임의의 후속 동작 수술 동안 유지될 수 있다. 숙련된 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 툴을 필요로 하거나 툴을 필요로 하지 않는 임의의 수의 대체 수술은 쉬스를 통해 슬라이딩 하는 가요성 내시경을 사용하여 수행될 수 있다.
도 2b는 마취 카트(201)가 환자의 머리쪽으로 제공되는 시스템(200)의 평면도이다. 또한, 사용자 인터페이스를 갖는 제어 콘솔(203)은 쉬스(210), 내시경 리더(212) 및 관련 암(202 및 204) 및 툴 베이스(206 및 208)(도 2A 참조)를 제어하기 위해 제공된다.
도 2c는 도 2a의 시스템(200)의 사시도이다. 연관된 쉬스(210) 및 리더(212)를 갖는 툴 모듈(206 및 208)은 암(202 및 204)에 부착되고 가상 레일에 180도로 배열된다. 암은 단 하나의 카트에 전시되어 있어 소형화와 이동성이 향상된다. 툴 베이스(206, 208)는 각각의 말단부를 조종하기 위해 쉬스(210) 및 리더(212)의 텐던을 인장시키기 위한 풀리 시스템 또는 다른 작동 시스템을 갖는다. 툴 베이스(206 및 208)는 공기압, 전기, (예를 들어, 비전을 위한) 데이터 통신, 기계식 작동(예를 들어, 모터 구동되는 축) 등과 같은 쉬스 및 내시경을 위한 다른 바람직한 유틸리티를 제공할 수 있다. 이러한 유틸리티는 암을 통해 툴 베이스, 별도의 소스 또는 두 가지의 조합으로 제공될 수 있다.
도 2d 및 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 수술 시스템의 다양성을 보여주는 암(202, 204)의 다른 배열을 도시한다. 도 2D에 도시된 바와 같이, 암(202 및 204)은 180도 가상 레일을 유지하면서 수평으로부터 75도에서 환자(211)의 입으로 들어가도록 기구(쉬스(210) 및 리더(212)를 포함)를 위치시키도록 연장될 수 있다. 이는 방안의 공간 요구 사항을 수용해야 하는 경우 수술 중에 수행할 수 있다. 75도 각도는 제한적인 것이 아니라 설명을 목적으로 선택된다.
도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따라 툴 베이스(206 및 208)가 90도 각도의 가상 레일을 생성하도록 정렬되는 암(202 및 204)의 대안적인 배열을 도시한다. 이 실시예에서, 기구(쉬스(210) 및 리더(212)를 포함함)는 수평으로부터 75도에서 환자(213)의 입으로 들어간다. 툴 베이스(206 및 208)는 환자(213)의 입으로 들어가기 전에 툴 베이스(206)를 90도만큼 굽히도록 정렬된다. 리더(212)의 절곡을 용이하게 하기 위해, 튜브와 같은 강성 또는 반강성의 환자 인터페이스는 쉬스(210) 내의 리더(212)의 원활한 신장 및 수축을 보장하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가적인 기계식 또는 로봇 암은 환자 인터페이스를 환자에 대해 고정된 위치에 유지하는데 사용될 수 있다.
쉬스(210) 내의 리더(212)의 연장 및 후퇴는 툴 베이스(208)를 툴 베이스(206)로부터 리더(212)에 의해 추적된 선형 경로를 따라 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킴으로써 제어될 수 있다. 쉬스(210)의 연장 및 수축은 툴 베이스(210)를 연장 또는 수축시키면서 리더(212)의 의도하지 않은 연장 또는 후퇴를 피하기 위해, 툴 베이스(208)는 또한 쉬스(210)에 평행한 선형 경로를 따라 이동될 수 있다.
가상 레일은 강성 기구 및 가요성 기구 모두를 구동하는데 유용하며, 특히 텔레스코핑을 요하는 경우 유용하다. 가상 레일의 사용은 단일 레일에 국한되지 않고 하나 이상의 수술 수행시 개개의 가상 레일을 유지하기 위해 무기가 함께 작동하는 다중 가상 레일로 구성될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 가상 레일을 갖는 시스템의 평면도이다. 도 3a에서, 로봇 암(302, 304, 306)은 툴 베이스(308, 310, 312)를 각각 지지한다. 툴 베이스(308, 310)는 가요성의 툴(314) 및 툴(316)에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 툴(314) 및 툴(316)은 원격 로봇-제어식 가요성 내시경 기구일 수 있다. 툴 베이스(312)는 이중 내강 쉬스(318)에 작동 가능하게 결합될 수 있으며, 각각의 내강은 툴(314, 316)을 수용한다. 암(302, 304)은 각각 로봇 암(306)과 함께 가상 레일을 유지할 수 있고, 3개의 암 모두의 이동은 가상 레일 및 이동 툴(314, 316) 및 쉬스(318)를 서로 및 환자에 대해 이동시킨다.
도 3b는 도 3a의 로봇 수술 시스템의 사용을 도시한다. 추가의 로봇 암(320) 및 관련 툴 베이스(322) 및 툴(324)을 갖는 도 3A에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 쉬스(325)는 3개의 내강을 가질 수 있다. 선택적으로, 피복(325)은 툴(314, 316, 324)에 대한 접근을 제공하기 위해 하나 이상의 쉬스을 포함할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 관련 모듈 및 기구로 암의 수를 증가 또는 감소시키는 능력은 많은 수의 및 수술 가요성 구성은 비용이 많이 드는 무기를 재사용할 수 있고 상대적으로 저렴한 여러 개의 모듈을 사용하여 비용을 줄이고 뛰어난 융통성을 얻을 수 있다.
가상 레일을 생성하기 위해, 복수의 암 및/또는 플랫폼이 이용될 수 있다. 각각의 플랫폼/암은 비전, 레이저, 기계, 자기 또는 단단한 부착을 포함하는 복수의 양식에 의해 달성될 수 있는 다른 것들에 등록되어야 한다. 일 실시예에서, 등록은 기계식 등록을 사용하는 단일 베이스를 갖는 멀티-암 장치에 의해 달성될 수 있다. 기계식 등록에서, 실시예는 단일 베이스에 대한 그들의 위치, 방향 및 배치에 기초하여 암/플랫폼 배치, 위치 및 방향을 등록할 수 있다. 다른 실시예에서, 등록은 개별적인 베이스 등록 및 다수의 로봇 암들 사이의 "손 떨림"을 이용하는 다중베이스를 갖는 시스템에 의해 달성될 수 있다. 다수의 베이스를 갖는 실시예에서, 등록은 상이한 베이스로부터 암을 함께 접촉하고 (i) 물리적 접촉 및 (ii) 이들 베이스의 상대 위치에 기초하여 위치, 방향 및 배치를 계산함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 등록 타겟은 서로에 대한 암들의 위치 및 방향을 정합시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 등록을 통해, 암 및 기구 구동 메커니즘은 서로 상대적으로 공간에서 계산될 수 있다. 숙련된 기술자는 로봇 플랫폼을 등록하기 위해 많은 다른 방법을 사용할 수 있을 것이다.
시스템 모듈화 및 유연성.
다시 도 1을 참조하면, 로봇 외과 시스템(100)은 IDM(117) 및 툴(118)(엔드 이펙터로도 알려짐)을 변경함으로써 복수의 외과 시스템 구성을 제공하는 방식으로 구성될 수 있다. 상기 시스템은 수술실의 상이한 위치에 또는 편리한 가까운 위치에 위치한 하나 이상의 이동 로봇 플랫폼을 포함할 수 있다. 각 플랫폼은 플랫폼에 결합된 로봇 암을 위한 전력, 공압, 조명 소스, 데이터 통신 케이블 및 제어 전자 장치의 일부 또는 전부를 제공할 수 있으며, 모듈은 이러한 유틸리티로부터도 끌어낼 수 있다. 시스템(100)은 대안적으로 하나 이상의 이동 카트(101) 상에 장착된 다수의 암(102)을 가질 수 있거나, 암은 복수의 수술 구성을 제공하기 위해 바닥에 장착될 수 있다.
다수의 암 및 플랫폼 이외에도, 본 발명의 특정 실시예는 다수의 모듈 또는 엔드 이펙터 메커니즘 사이를 용이하게 교환하도록 설계된다. 수술 내의 다양한 수술 또는 단계는 상이한 크기의 쉬스 및 내시경 조합 사이에서 교환하는 것과 같이, 상이한 모듈 및 관련기구 세트의 사용을 필요로 할 수 있다. 상호 교환성으로 인해 시스템은 다른 임상 수술 또는 외과적 접근법에 대한 조정을 위해 재구성할 수 있다.
도 4a는 상호 교환 가능한 모듈 및 기구와 호환 가능한 실시예를 도시한다. 이전에 도시되고 설명된 것과 같은 외과 시스템(400)은 툴 또는 기구(403)를 갖는 IDM 또는 모듈(402)이 부착되는 하나 이상의 로봇 암(401)을 갖는다. 모듈(402', 402") 및 관련 기구(403', 403")는 로봇 암(401) 상에 교환되거나 또는 다른 로봇 암(미도시)에 의해 픽업되어 다른 모듈과 협력하여 단독으로 사용될 수 있다. 각 모듈은 지정된 수술을 위해 다양한 유형의 기기를 구동하는 데 사용되는 전용 전기 기계 시스템이다. 계측기를 구동하기 위해 각 IDM 또는 모듈은 모터를 포함할 수 있는 독립 구동 시스템을 포함할 수 있다. 이들은 캘리브레이션 및 애플리케이션 관련 정보를 기록하는 센서(예 : RFID) 또는 메모리 칩을 포함할 수 있다. 새로운 메커니즘이 로봇 암에 연결되면 시스템 캘리브레이션 검사가 필요할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈은 연관된 쉬스, 카테터 리더 또는 가요성 내시경을 제어할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 시스템(400)은 글로벌 등록 및 센서의 사용을 통해 그 자체로 IDM(402' 및 402")에 대한 IDM(402)을 교환할 수 있다. 일부 실시예에서, IDM(402" 및 403")은 식별 및 근접 센서로 구성된 소정의 "도킹 스테이션"에서 시스템 카트(404) 상에 저장된다. 이러한 스테이션의 센서는 RFID, 광학 스캐너(예를 들면, 바코드), EEPROM 및 물리적 근접 센서와 같은 기술을 사용하여 어떤 IDM이 도킹 스테이션에 "도킹(docked)"되어 있는지 식별하고 등록할 수 있다. 로봇 암(401) 및 IDM 도킹 스테이션이 시스템 카트(404) 상에 있기 때문에, 식별 및 근접 센서는 도킹 스테이션에 놓여있는 IDM이 로봇 암(들)에 대해 등록되도록 한다. 유사하게, 단일 시스템 카트 상에 다수의 암을 구비하는 실시예에서, 다수의 암은 전술한 등록 시스템과 센서의 조합을 사용하여 도킹 스테이션상의 IDM에 액세스할 수 있다.
도 4b는 모듈(402)을 로봇 암(401)에 교환하고 부착하는데 사용될 수 있는 교환 메커니즘(404, 405)에 대한 2개의 상이한 도면이다. 교환 메커니즘(404, 405)은 도 4a의 모듈(402)과 같은 모듈과, 도 4a의 로봇 암(401)과 같은 로봇 암 간의 연결을 제공한다. 일부 실시예에서, 메커니즘(404)은 로봇 암의 인터페이스일 수 있는, 메커니즘(405)에 대한 연결을 위한 기구 구동 메커니즘과 같은 모듈상의 인터페이스일 수 있다. 메커니즘(404)은 메커니즘(405)의 링(408) 내로 플랜지(407)를 연결하기 위한 메커니즘 인터페이스(411)를 구비할 수 있다. 유사하게는, 인터페이스는 전송 전력(409), 광섬유, 데이터 연결, 공압식 연결(410, 411), 풀리 시스템을 구동하기 위한 모터를 제공하여 쉬스 및 가요성 내시경과 같은 툴을 제어한다. 쉬스 및 가요성 내시경 실시예에 대해 설명된 바와 같이, 쉬스 및 가요성 내시경은 교환 메커니즘에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템에서 메커니즘 교환기 인터페이스를 도시한다. 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 로봇 시스템에서 로봇 암에 결합된 메커니즘 교환기 인터페이스의 구현을 구체적으로 도시한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 로봇 암(500)의 말단부는 "수형(male)" 메커니즘 교환기 인터페이스(502)에 연결된 관절 조인트(501)를 포함한다. 관절 조인트(501)는 기구 장치 메커니즘(미도시)을 조작하는 것과 관련하여 추가적인 자유도를 제공한다. 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)는 IDM(도시되지 않음)상의 암형의 상호 수용 커넥터 인터페이스(reciprocal female receptacle connector interface)에 강하고 물리적인 연결을 제공하는 수형 커넥터 인터페이스(503)를 제공한다. 수형 커넥터 인터페이스(503)상의 구형 오목부는 IDM상의 암 콘센트 인터페이스상의 상호 오목부에 물리적으로 커플링된다. 구형 오목부는 공기압이 로봇 암(500)을 따라 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)로 전달될 때 연장될 수 있다. 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)는 또한 IDM에 공기압을 전달하기 위한 연결부(504)를 제공한다. 또한, 메커니즘 교환기 인터페이스의 이 실시예는 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502) 및 그 암형의 상호 인터페이스가 적절히 정렬되도록 보장하는 정렬 센서(505)를 제공한다.
도 5b는 로봇 암(500)으로부터 분리된 수형 기구 교환기 인터페이스(502)의 다른 도면을 도시한다. 도 5a에 대해 설명한 바와 같이, 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)는 플랜지식 수형 커넥터 인터페이스(503), 공압 커넥터(504) 및 정렬 센서(505)를 제공한다. 또한, 전기 인터페이스(506)는 IDM(미도시)상의 상호 인터페이스에 전기 신호를 연결한다.
도 5c는 도 5a 및 도 5b로부터의 수형 메커니즘 교환기 인터페이스(502)와 연결하기 위해 기구 장치 조작기에 결합된 암형의 상호 메커니즘 교환기 인터페이스를 도시한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 기구 장치 조작기(507)는 로봇 암(500) 상의 수형기구 교환기 인터페이스(502)에 연결되도록 구성된 암기구 교환기 인터페이스(508)에 연결된다. 암 기구 스위치 교환기 인터페이스(508)는 플랜지(509)는 수컷 커넥터 인터페이스(503)상의 구형 오목부를 파지하기 위한 홈을 제공한다. 공기압이 가해질 때, 수컷 커넥터(503)상의 구형 오목부는 연장되고, 수컷 커넥터 인터페이스 수형 커넥터(503) 및 리셉터클 인터페이스(509)는 IDM(507)을 로봇 암(500)에 견고하게 결합시킨다. 암형의 상호 메커니즘 교환기 인터페이스(508)는 또한 커넥터(504)로부터 전달된 공압을 수용하는 공압 커넥터(510)를 제공한다.
도 5d는 도 5c의 암형 메커니즘 교환기 인터페이스(508)의 다른 도면을 도시한다. 전술한 바와 같이, 상호 메커니즘 교환기 인터페이스(508)는 로봇 암(500)상의 메커니즘 교환기 인터페이스(502)와 인터페이싱하기 위한 공압 커넥터(510)와 수용 인터페이스(509)를 포함한다. 또한, 메커니즘 교환기 인터페이스(508)는 전력, 제어, 센서 등의 전기 신호를 메커니즘 교환기 인터페이스(502) 내의 모듈(506)에 송신하기 위한 전기 모듈(511)을 제공한다.
도 6 내지 도 9b는 도 4의 시스템(400)을 사용하여 동작될 수 있는 추가의 상호 교환 가능한 모듈을 도시한다. 도 6은 환자(605)의 복부(604)로 향하는 단일 로봇 암(603) 상의 기구 인터페이스(602)를 통해 연결된 단일 포트 복강경 기구(601)를 사용하는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 7은 각각 한 쌍의 로봇 암(702, 703 및 705, 706)을 각각 갖는 2세트의 로봇 서브 시스템(701 및 704)을 갖는 본 발명의 실시예를 도시한다. 각각의 로봇 암의 말단부에서 계측기 인터페이스를 통해 연결되는 것은 복강경 기구(707, 708, 709, 710)이고, 모든 기구는 함께 협력하여 개별 환자(711)에서 수술을 수행한다.
도 8a는 하나의 로봇 암(802)을 갖는 서브 시스템(801)을 갖는 본 발명의 일 실시예를 도시하며, 여기서 현미경 툴(804)은 계측기 인터페이스(803)를 통해 로봇 암(802)에 연결된다. 일부 실시예에서, 현미경 툴(804)은 의사(806)에 의해 사용되는 제2 현미경 툴(805)과 연결되어 사용되어, 환자(807)의 수술 영역을 시각화하는 것을 도울 수 있다.
도 8b는 도 8a의 서브 시스템(801)이 미세 수술을 수행하기 위해 서브 시스템(808)과 관련하여 사용될 수 있는 본 발명의 실시예를 도시한다. 서브 시스템(808)은 로봇 암(arm)(809 및 810)을 제공하며, 각각은 각각의 암에 있는 계측기 인터페이스를 통해 연결된 마이크로 수술 툴(811 및 812)을 구비한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 로봇 암은 테이블 또는 도킹 스테이션과 같은 로봇 암의 도달 범위 내의 다른 적절한 유지 메커니즘에서 툴을 픽업하여 교환할 수 있다. 도 8a은 교환 가능 모듈이 로봇 암이 장착된 카트의 측면에 저장되는 것을 도시한다.
로봇 카테터 설계.
바람직한 실시예에서, 도 1의 로봇 시스템(100)은 로봇 카테터(118)와 같은 다양한 외과 수술을 위해 맞춤화된 툴을 구동할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 로봇 시스템(100)과 관련하여 사용될 수 있는 로봇 카테터의 도면이다. 로봇 카테터(900)는 "쉬스(sheath)" 및 "리더(leader)"로 지칭되는 내장된 종방향-정렬 관형 몸체 주위에 배치될 수 있다. 큰 외경을 갖는 관형 툴인 쉬스(901)는 근위 쉬스 섹션(902), 원위 쉬스 섹션(903) 및 중앙 쉬스 내강(미도시)으로 구성될 수 있다. 쉬스 베이스(904)에 수용된 신호를 통해, 외측 쉬스 부분(903)은 작동자가 원하는 방향으로 관절 연결될 수 있다. 쉬스(901) 내에 중첩된 것은 더 작은 외경을 갖는 리더(905) 일 수 있다. 리더(905)는 근위 리더 섹션(906) 및 원위 리더 섹션(907)과, 중앙 작동 채널을 포함할 수 있다. 쉬스 베이스(904)와 유사하게, 리더 베이스(908)는 종종 IDM(예를 들어,도 1의 도면 번호117)으로부터 리더 베이스(908)에 전달되는 제어 신호에 기초하여 말단 리더 섹션(907)의 관절 연결을 제어한다.
쉬스 베이스(904) 및 리더 베이스(908)는 유사한 구동 메커니즘을 가질 수 있으며, 쉬스(901) 및 리더(905) 내의 제어 텐던이 고정된다. 예를 들어, 쉬스 베이스(904)의 조작은 쉬스(901)의 텐던에 인장 하중을 가할 수 있으며, 제어된 방식으로 원위 쉬스 섹션(903)의 처짐을 유발할 수 있다. 유사하게, 리더 베이스(908)의 조작은 말단 리더 섹션(907)의 처짐을 유발하기 위해 리더(905)의 텐던에 인장 하중을 부과할 수 있다. 쉬스 베이스(904) 및 리더 베이스(908)는 공기압, 전력, 전기 신호 또는 광 신호를 IDM으로부터 쉬스(901) 및 리더(904)에 전송하기 위한 연결을 포함할 수 있다.
쉬스(901) 및 리더(905) 내의 제어 텐던은 관절 섹션을 통해 관절 섹션의 말단에 위치된 앵커로 라우팅될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 쉬스(901) 및 리더(905) 내의 텐던은 코일 파이프와 같은 스테인리스 스틸 코일을 통해 라우팅되는 스테인레스 스틸 제어 텐던로 이루어질 수 있다. 당업자는 케블라, 텅스텐 및 탄소 섬유와 같은 다른 재료가 텐던에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 텐던에 하중을 가하면 쉬스(901) 및 리더(905)의 말단 부분이 제어 가능한 방식으로 편향된다. 쉬스(901) 및 리더(905) 내의 텐던의 길이를 따른 코일 파이프의 포함은 축방향 압축을 하중의 원점으로 되돌려 전달할 수 있다.
다수의 텐던을 사용하여, 로봇 카테터(900)는 그 길이를 따라 두 개의 지점, 즉 원위 쉬스 섹션(903)과 원위 리더 섹션(907)에서 복수의 자유도(각각 개별적인 텐던에 대응함) 제어를 제공함으로써 인체 내의 내강을 용이하게 탐색할 수 있는 능력을 갖는다. 일부 실시예에서, 4개 이하의 텐던이 쉬스(901) 및/또는 리더(905) 중 어느 하나에 사용될 수 있으며, 8자유도 이하의 자유도를 제공한다. 다른 실시예에서, 6자유도 이하의 자유도를 제공하는 3개 이하의 텐던이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 쉬스(901) 및 리더(905)는 360도로 회전하여 더 많은 툴 가요성을 제공할 수 있다. 롤 각도, 관절 연결의 다수의 각도 및 다수의 관절 점의 조합은 의사가 인체 내에서 굴곡진 경로를 따라갈 때 장치의 직관적 제어에 대한 상당한 개선을 제공한다.
쉬스 및 내시경 구조.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉬스(전술한 쉬스(210)와 유사함) 및 가요성 내시경(전술한 가요성 내시경(212)과 유사함)을 상세하게 도시한다. 도 10a는 원위 단부(1001) 및 근위 단부(1002)를 갖는 쉬스(1000) 및 두 단부 사이에서 작동하는 내강(1003)을 도시한다. 내강(1003)은 (도 11A 및 11B의 내시경(1100)과 같은) 가요성 내시경을 슬라이딩 방식으로 수용할 수 있는 크기인 것이 바람직하다. 쉬스(1000)는 쉬스(1000)의 벽(1004)의 길이 내측에서 연장되는 텐던(1005 및 1006)을 갖는 벽(1004)을 갖는다. 텐던(1005 및 1006)은 벽(1004) 내의 도관(1007 및 1008)을 슬라이딩하여 통과함으로써 말단부(1001)에서 종단한다. 일부 실시예에서, 텐던은 스틸로 이루어질 수 있다. 텐던(1006)의 적절한 인장은 원위 단부(1001)를 도관(1008)을 향해 압축하고, 나선형 섹션(1010)의 굽힘을 최소화한다. 유사하게, 텐던(1006)의 적절한 인장은 도관(1008)을 향하여 원위 단부(1001)를 압축한다. 일부 실시예들에서, 내강(1003)은 쉬스(1000)와 동심을 이루지 않을 수 있다.
도 10a의 쉬스(1000)로부터의 텐던(1005 및 1006) 및 관련된 도관(1007 및 1008)은 바람직하게는 쉬스(1000)의 길이 방향으로 곧게 뻗어 있지 않고 나선형 섹션(1010)을 따라 나선형을 그리며 말단 섹션(1009)을 따라 종방향으로 곧게(즉, 중심축과 거의 평행하게) 연장된다. 나선형 섹션(1010)이 쉬스(1010)를 향해 근위 방향으로 연장되는 말단 섹션(1009)의 근위 단부로부터 시작될 수 있고 임의의 원하는 피치 또는 가변 피치에 대해 임의의 원하는 길이로 종결될 수 있다. 나선형 섹션(1010)의 길이 및 피치는 샤프트의 원하는 가요성 및 나선형 섹션(1010)에서 증가된 마찰을 고려하여 쉬스(1000)의 원하는 특성에 기초하여 결정된다. 텐던(1005 및 1006)은 내시경(1000)의 근위 섹션과 같은 나선형 섹션에 있지 않을 때 쉬스(100)의 중심축(1011)에 거의 평행하게 진행한다.
일부 실시예에서, 텐던 도관은 서로 90도(예를 들어, 3시, 6시, 9시 및 12시 방향)를 이룰 수 있다. 일부 실시예에서, 텐던은 예를 들어 총 3개의 텐던이 서로 120도만큼 이격될 수 있다. 일부 실시예에서, 텐던은 균등하게 이격되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 이들은 모두 중앙 내강의 한쪽면에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 텐던의 수는 3개 또는 4개가 아닐 수도 있다.
도 10b는 비-나선형 섹션(1009)과 가변 피치 나선형 섹션(1010) 간의 구별을 명확히 하기 위한 목적으로 단 하나의 텐던을 갖는 쉬스(1000)의 실시예의 3차원 도면을 도시한다. 도 10c는 말단 섹션(1009), 나선형 섹션(1010)을 따라 연장된 다음 나선형 섹션(1010)에 근접한 4개의 텐던을 갖는 쉬스(1000)의 일 실시예를 3차원적으로 도시한다.
도 11a는 선단부(1101) 및 기단부(1102)를 갖는 가요성 내시경(1100)을 도시하며, 이는 도 1 및 도 2로부터 쉬스(1000) 내에 슬라이드 이동하도록 크기가 정해질 수 있다. 내시경(1100)은 이를 통과하는 하나 이상의 작동 채널(1103)을 포함할 수 있다. 쉬스(1000)의 근위 단부(1002) 및 가요성 내시경(1100)의 근위 단부(1102)는 각각 도 1의 모듈(206 및 208)에 작동 가능하게 연결된다. 텐던(1104 및 1105)은 벽(1108) 내의 도관(1106 및 1107)을 각각 슬라이딩하여 통과하고 말단부(1101)에서 끝난다.
도 11b는 이미징부(1109)(예를 들어, CCD 또는 CMOS 카메라, 이미징 섬유 다발의 말단부 등), 광원(1110)(예를 들어, LED, 광섬유 등)을 갖는 가요성 내시경(1100)의 말단부(1101) 다른 채널 또는 작동 전자 장치(1106)는 가요성 내시경(1100)을 따라 제공되어 카메라, 흡입, 전기, 광섬유, 초음파, 트랜스 듀서, EM 센싱, OCT 센싱 등이 있다.
일부 실시예에서, 내시경(1100)의 원위 단부(1101)는 전술한 것과 같은 툴의 삽입을 위한 "포켓"을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 포켓은 툴를 제어하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 또는 광학 케이블과 같은 케이블이 인터페이스와 통신하기 위해 내시경에 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 10의 쉬스(1000), 도 10A의 가요성 내시경(1100)은 도 11a에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 로봇식으로 조종 및 조향 가능한 말단부를 가질 수 있다. 따라서, 이러한 제어를 가능하게 하는 쉬스(1000) 및 가요성 내시경(1100)의 구조는 실질적으로 양쪽 모두 동일하며, 따라서 쉬스(1000)의 구조에 대한 논의는 쉬스(1000)의 구조에 한정될 것이다.
따라서, 도 11의 내시경(1100)으로부터의 텐던(1104, 1105) 및 관련 도관(1106, 1107)은 내시경(1100)의 길이 방향으로 종방향으로(즉, 중심축에 거의 평행하게) 진행하지 않고, 내시경(1100)의 다른 부분을 따라 나선을 그린다. 내시경(1100)의 나선형 섹션은 쉬스(1100)의 나선형 텐던 및 도관과 마찬가지로, 샤프트의 원하는 가요성 및 나선형 섹션의 증가된 마찰을 고려하여 내시경의 원하는 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 텐던들(1104 및 1105)은 나선형 섹션에 있지 않을 때 내시경(1000)의 중심축에 대략 평행하게 뻗어 있다.
후술되는 나선형 섹션의 목적은 말단 섹션에 인접한 샤프트를 따라 발생하는 굽힘을 최소화하면서 말단 섹션으로 굽힘을 격리하는 것을 돕는 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 쉬스(1000) 및 내시경(1100) 내의 도관의 나선 피치는 나선형 섹션의 길이를 따라 변할 수 있으며, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 샤프트의 강성/강도가 변경될 것이다.
쉬스(1000) 및 내시경(1100) 내의 나선형 도관 및 나선형 텐던의 사용은 나선형 도관이 없는 종래의 가요성 기구에 비해, 특히 해부학적 구조물에서 비선형 경로를 탐색할 때 중요한 이점을 제공한다. 만곡된 경로를 탐색할 때, 쉬스(1000) 및 내시경(1100)이 대부분의 길이에 걸쳐 가요성을 유지하고, 제어 및 조종 가능한 말단부 섹션을 가지면서 말단 벤딩 섹션에 인접한 기구의 최소 2차 굴곡을 갖는 것이 바람직하다. 이전의 가요성 툴에서는 말단을 분명히 하기 위해 텐던에 장력을 가하면 가요성 툴의 전체 길이를 따라 원하지 않는 굽힘과 토크가 발생하며, 이는 각각 "근력 강화"및 "곡선 맞춤"이라고도 한다.
도 12a 내지 도 12c는 텐던이 당겨질 때 이전의 가요성 기구가 바람직하지 않은 "근력 증진(muscling)" 현상을 나타내는 방법을 도시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 이전의 가요성 기기(1200)는 중심축(1201)에 대략 평행하게 뻗어있는 기구(1200)의 길이를 따라 4개의 텐던 또는 제어 와이어를 가질 수 있다. 텐던(1202 및 1203)만이 도관(1204 및 1205)의 말단부상의 제어 링(1206)에 고정된 샤프트 벽 내에서 (예를 들어, 제어 내강으로서) 연결된다. 기구(1200)는 벤딩 섹션(1207) 및 샤프트(1207)를 갖도록 설계된다. 샤프트(1208)는 보강재와 같은 강성 재료를 포함할 수 있다.
도 12b는 벤딩 섹션(1207)의 이상적인 관절 연결을 도시한다. 텐던(1203)에 장력을 당기거나 작용시킴으로써, 원위 벤딩 섹션(1207)만이 관절화되어, φ의 양으로 나타나고, 텐던(1202 및 1203)의 근위 단부에서의 길이 차이가 f(φ)이다. 대조적으로, 샤프트(1208)는 중심축(1201)을 따라 곧게 유지된다. 이는 도면 번호 1207의 말단 영역보다 상당히 높은 강성의 근위 영역(1208)을 가짐으로써 달성된다.
도 12c는 텐던(1203)에 의한 실제 결과를 도시한다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 텐던(1203)을 당기면 장력이 국부적이지 않기 때문에 샤프트의 전체 길이를 따라 압축력이 발생한다. 이상적인 상황에서는, 중심축(1201)을 따른 텐던(1203)이지만, 전체 압축 하중은 중심축 아래로 똑같이 전달될 것이고, 대부분 또는 모든 굽힘은 절곡 부분(1207)에서 발생할 것이다. 그러나, 텐던(1203)에서와 같이, 축방향 하중은 중심축을 따라 누적 모멘트를 생성하는 중심축의 동일한 반경 방향으로 중심축(1201)으로부터 전달된다. 이에 따라 샤프트(1208)는 벤딩 섹션(1207)에서의 굽힘과 동일한 방향으로 있을 샤프트(1208)가 벤딩된다(θ로 도시 됨). 도관(1204) 및 도관(1205)을 따른 길이는 기구 말단 벤딩 섹션(1207)은 구부러진다. 텐던(1203)이 짧아질 필요가 있고 텐던(1202)이 길어질 필요가 있기 때문에 근위 단부로부터 연장되는 텐던(1202, 1203)의 크기는 f(φ, θ)이다. 샤프트(1207) 및 말단 벤딩 섹션(1208)이 텐던(1203)을 당김으로써 구부러지는 이러한 현상은 "근력 강화(muscling)"라고 불린다.
도 12d는 근력 강화에 기여하는 힘을 3차원적으로 도시한다. 도 12d에 도시된 바와 같이, 기구(1200)를 따른 인장 텐던(1203)은 힘(1203)이 기구의 한쪽 방향으로 힘(1212)을 방향으로 가하도록 한다. 힘의 방향(1212)은 힘(1203)의 장력이 말단 벤딩 섹션(1207)의 팁으로부터 샤프트(1208)의 베이스까지의 직선을 따라 가도록 힘을 가하게 하는 것, 즉 점선으로 표시된 바와 같이 최저 에너지 상태를 반영한다. (즉, 적용 가능한 힘 아래에서 구부러지기 쉽지 않다면), 샤프트(1208)는 말단 벤딩 섹션(1207)만이 구부러질 것이다. 그러나, 많은 응용 분야에서, 근력 현상을 적절히 최소화하기 위해 샤프트 강성을 말단부와 충분히 다르게 만드는 것은 바람직하지 않다.
도 12f 내지 도 12i는 이전의 가요성 기구가 비선형 경로에서 사용되는 동안 커브 정렬 현상을 겪는 방식을 도시한다. 도 12f는 기구(1200)의 샤프트(1208)를 따라 굴곡을 갖는 것으로 표현되는 비선형 경로 내의 정지 상태에 있는 이전의 가요성 기구(1200)를 도시한다. 예를 들어, 이는 기관이 기관지 내 굴곡을 지나서 탐색함으로써 발생할 수 있다. 비선형 굴곡으로 인하여, 기구(1200)의 텐던(1202 및 1203)은 F(τ)로 표시되는 비선형 굴곡부를 수용하기 위한 길이만큼 근위 단부에서 길어지거나 짧아질 필요가 있다. 화살표(1209)(신장력) 및 화살표(1210)(압축력)으로 각각 도시된 바와 같이, 굽힘의 상부 및 하부의 내강/도관 상에 신장력 및 압축력이 존재한다. 이러한 힘은 굴곡부의 상단을 따른 거리가 중심축보다 길고 굴곡부의 안쪽을 따른 거리가 중심축보다 짧기 때문에 존재한다.
도 12g는 기구(1200)의 말단 벤딩 섹션(1207)을 굽힘 τ과 동일한 방향으로 관절 연결하는 방식을 도시하며, 텐던(1203)을 당길 것이다. 이것은 가요성 기구의 길이를 따라 압축력을 발생시키고 텐던(1203)은 또한 통과하는 비선형 도관에 대해 하향 힘을 가하고, 이는 해부학적인 굴곡에 의해 이전에 압축된 샤프트(1208)에 부가적 압축을 가한다. 이러한 압축성의 리드가 부가적이기 때문에, 샤프트(1208)는 말단 벤딩 섹션(1207)과 동일한 방향으로 더 굽어질 것이다. 비선형 도관을 따르는 부가적인 압축력은 매우 바람직하지 않다. 왜냐하면 (i) 가요성 기구를 해부학 부상을 입을 수 있고, (ii) 해부학적 구조가 계기 샤프트의 윤곽을 지배한다고 가정할 수 있을 때, 샤프트가 무엇을 하고 있는지 끊임없이 모니터링 해야 하기 때문에 부상 위험이 있으며, (iii) 이는 기구를 구부리는 비효율적인 방식이고, (iv) 예측성 및 제어 가능성을 돕기 위해 원위 단면에서의 굽힘을 격리하는 것이 바람직하고(즉, 이상적인 기구는 명령대로 굽혀지며 기능이 아닌 벤딩 섹션을 갖는다), (v) 사용자가 텐던(1103)을 예측할 수 없는 추가 길이(φ+θ+τ)로 당길 것을 요구한다.
도 12h는 풀 텐던(1202)을 필요로 하는 굴곡부(τ)와 대향된 말단부를 관절 연결하는 양태를 예시한다. 풀 텐던(1202)은 굴곡부의 굽힘에 대한 연장 하중에 도시된 바와 같은 휴지 상태가 된다. 텐던(1202)은 가장 낮은 에너지 상태, 즉 압축 하중(1211)이 굴곡부(τ)의 안쪽에 놓이고, 축(1208)이 화살표(1212)의 방향으로 회전하게 하여 텐던(1202)이 굴곡부(τ) 내부에 놓인다. 도 12i에 도시된 바와 같이, 텐던(1202)상의 인장으로부터의 회전(1212)은 압축 하중(1211)을 굴곡 내측으로 되돌려 이동시키고 말단 벤딩 섹션(1207)을 굽힘 방향으로 뒤틀어서 의도한 것과 반대 방향으로 굴곡되게 한다. 텐던(1202) 및 후속 회전(1212)에 대한 장력은 실제로는 도 11에서와 동일한 상태로 기구(1200)를 복귀시킨다. 원위부 굴절력이 굴곡부(τ)쪽으로 되돌아가는 현상은 "커브 정렬"이라고 알려져 있다. 커브 정렬은 근력 운동을 유발하는 동일한 힘으로부터 발생하며, 이 힘은 근력 증강의 경우에 바람직하지 않은 측방향 운동을 초래하고, 커브 정렬의 경우에 바람직하지 않은 회전 운동이다. 근력 증강 및 곡선 정렬 이론에 대한 논의는 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 실시예는 이 설명에 의해 어떠한 방식으로든 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다.
도 10 및 도 11의 바람직한 실시예는 나선형 섹션(1010)의 제공을 통해 근력 및 곡선 정렬 현상을 실질적으로 해결한다. 도 12j의 나선형 섹션(1010)에서와 같이, 기구(1200) 둘레로 제어 내강을 나선 형태로 형성한다. 인장된 텐던(1215)이 압축성 로드(1214)를 중심축을 중심으로 다수의 방향으로 대칭적으로 전달하기 때문에, 샤프트 상에 부과된 굽힘 모멘트는 또한 축 주위에 대칭적으로 분포된다(도 12b 및 도 10c 참조). 축의 세로축은 반대의 압축력과 인장력을 상쇄시킨다. 굽힘 모멘트의 분포는 점선(1216)으로 나타낸 바와 같이, 중심축에 종방향으로 평행한 최저 에너지 상태를 생성하는 최소 순 굽힘 및 회전력을 초래한다. 이는 근력 및 곡선 정렬 현상을 제거하거나 실질적으로 감소시킨다.
일부 실시예에서, 나선의 피치는 나선형 섹션의 마찰 및 강성에 영향을 주기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 나선형 섹션(1010)은 더 큰 비-나선형 섹션(1009)을 허용하도록 더 짧을 수 있어서, 더 큰 벤딩 섹션 및 가능하면 마찰을 덜 초래할 수 있다.
그러나, 나선형 제어 내강은 몇 가지 절충점을 창출한다. 나선형 제어 내강은 여전히 텐던의 긴장으로부터 버클링을 방지하지 못한다. 또한, 근력이 크게 감소되는 동안, "나선형" 텐던의 긴장으로 인한 샤프트의 나선형 스프링 모양 패턴으로의 커브가 매우 일반적이다. 또한, 헬리컬 컨트롤 내강은 텐던이 더 먼 거리에서 내강을 통과할 때 추가적인 마찰력을 보상해야 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 내강 내에 축 방향으로 딱딱한 튜브를 갖는 가요성 내시경 장치의 구조를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 내시경 장치의 섹션은 샤프트(1300) 주위에 나선형 패턴으로 감겨진 풀 와이어(1302)를 갖는 단일 내강(1301)을 갖는다. 내강 내부에서, 축방향으로 딱딱한 튜브(1303)는 풀 와이어(1302)와 내강 샤프트(1300)의 나선형 부분의 시작과 끝 부분에 앵커된 부유 튜브(1303)는 풀 와이어(1302)의 인장 및 외부 비틀림에 응답하여 연장되고 압축되어 내강(1301)의 벽을 신장 및 압축력으로부터 완화시킨다. 일부 실시예에서, 관(1303)은 내강의 시점 및 종점에서 풀 링에 의해 고정될 수 있다. 대안적으로, 관(1303)은 내강의 시점 및 종점에 납땜, 용접, 접착, 결합 또는 융합 방법을 사용하여 고정될 수 있다. 다양한 실시예에서, 튜브(1303)는 피하 튜브, 코일 파이프, 보우 덴 케이블, 토크 튜브, 스테인레스 스틸 튜브 또는 니티놀 튜브로 형성될 수 있다. .
도 13의 실시예는, 말단에 튜브를 고정하여 부착하고, 어느 한쪽 또는 양쪽 말단부를 회전시켜 튜브를 집합적으로 비틀어서 구성할 수 있다. 이 실시예에서, 단부 피스(들)의 회전은 튜브가 동일한 피치, 방식 및 방향으로 나선형이 되도록 보장한다. 회전 후에, 단부 피스는 내강에 고정식으로 부착되어 더 이상의 회전을 방지하고 나선형의 피치에 대한 변화를 제한할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 내시경 장치의 내강 내의 나선형 패턴의 구조를 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 내강(1400)은 벽을 따라 나선 구조 또는 나선형 패턴을 형성하는 구조체(1401 및 1402)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 구조는 축방향으로 강성이며 튜브형인 재료로 형성된다. 일부 실시예에서, 구조는 피하 튜브( "하이포 튜브"), 코일 파이프 또는 토크 튜브로 형성될 수 있다. 구조체(1401 및 1402)에 의해 도시된 바와 같이, 구조체는 내강(1400)의 벽을 따라 상이한 시작점을 가질 수 있다. 구조체(1401 및 1402)의 재료, 조성 및 특성은 또한 원하는 강성 및 길이를 위해 선택되고 구성될 수 있다. 구조들(1401 및 1402)에 의해 형성된 나선형 패턴의 피치는 또한 내강(1400)의 원하는 강성 및 가요성을 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 내강(1400)은 도 14의 내시경(1100)과 같은 가요성 내시경의 중심 내강 일 수 있다.
로봇 카테터 시스템.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템의 로봇 카테터를 도시한다. 로봇 카테터(1500)는 지지 베이스(미도시)에 인접한 가요성 샤프트 섹션(1501) 및 말단 팁(1503)에 결합된 가요성 관절 섹션(1502)을 포함할 수 있다. 리더(1505)와 유사하게, 로봇 카테터(1500)는 샤프트 내의 텐던에 인장 하중을 가하여 관절 연결될 수 있다.
도 15b는 도 15a의 로봇 카테터(1500)의 다른 도면을 도시한다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 말단 팁(1503)은 작동 채널(1504), 4개의 LED(1505) 및 디지털 카메라(1506)를 포함할 수 있다. LED(1505)와 관련하여, 디지털 카메라(1506)는 해부학적인 내강 내에서의 탐색을 돕는다. 일부 실시예에서, 말단 팁(1503)은 디지털 이미징 수단 및 조명 수단을 수용하는 일체형 카메라 어셈블리를 포함할 수 있다.
작동 채널(1504)은 수술 부위에서의 정확한 관절 연결을 위한 벤딩 굴절과 같은 수술 중 기구의 통과를 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 작동 채널은 플러시, 흡인, 조명 또는 레이저 에너지와 같은 추가적인 성능을 제공하도록 통합될 수 있다. 작동 채널은 또한 전술한 부가 기능에 필요한 제어 텐던 어셈블리 및 다른 내강의 라우팅을 용이하게 할 수 있다. 로봇 카테터의 작동 채널은 또한 다양한 다른 치료 물질을 전달하도록 구성될 수 있다. 이러한 물질은 절제, 방사선 또는 줄기 세포에 대해 극저온일 수 있다. 이들 물질은 삽입, 관절 및 본 발명의 로봇 카테터의 기능을 사용하여 정확하게 목표 부위에 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 작동 채널은 직경이 1.2 밀리미터로 작을 수 있다.
일부 실시예에서, 전자기(electromagnetic, EM) 추적기는 위치 파악을 돕기 위해 말단 팁(1503)에 결합될 수 있다. 후술될 바와 같이, 정적 EM 필드 발생기는 EM 추적기의 위치 및 말단 팁(1503)의 위치를 실시간으로 결정하는데 사용될 수 있다.
카메라(1506)로부터의 이미지는 해부학적 공간을 통한 탐색에 이상적일 수 있다. 따라서, 점액과 같은 내부 체액으로부터 카메라(1506)를 가리는 것은 탐색할 때 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 로봇 카테터(1500)의 말단부(1503)는 또한 카메라 렌즈의 관개 및 흡입을 위한 수단과 같은 카메라(1506)를 세척하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 작동 채널은 카메라 렌즈 주변의 유체로 팽창되어 렌즈가 깨끗해지면 흡입될 수 있는 풍선을 포함할 수 있다.
로봇 카테터(1500)는 작은 해부학적 공간 내에서 작은 기구의 전달 및 조작을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 말단 팁은 3밀리미터(즉, 9 프렌치) 이하의 외경을 유지하면서 내강 내 수술을 수행하기 위해 소형화될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터의 말단부를 도시한다. 도 15a에서와 같이, 로봇 카테터(1600)는 유사하게 외부 케이싱(1602)을 갖는 말단부(1601)를 포함한다. 케이싱(1602)은 스테인레스 스틸 및 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone, PEEK)을 포함하는 다수의 재료로 구성될 수 있다. 말단부(1601)는 툴 접근 및 제어를 슬라이딩식으로 제공하기 위한 작동 채널(1603)로 패킹될 수 있다. 원위 단부(1601)는 또한 카메라(1605)를 사용하여 조명을 위한 LED 어레이(1604)를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 카메라는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서, 인쇄 회로 기판, 및 메모리를 포함하는 더 큰 센서 어셈블리의 일부일 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 어셈블리는 자이로 스코프 및 가속도계(용도가 후술됨)와 같은 다른 전자 센서를 포함할 수도 있다.
기구 장치 조작기(Instrument Device Manipulator, IDM).
일부 실시예에서, 메커니즘 교환기 인터페이스는 연관된 IDM을 확보하기 위한 간단한 나사일 수 있다. 다른 실시예에서, 메커니즘 교환기 인터페이스는 전기 커넥터를 갖는 볼트 플레이트일 수 있다.
도 17a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조작기를 포함하는 로봇 의료 시스템의 일부분을 도시한다. 시스템(1700)은 로봇 암(1701), 관절 인터페이스(1702), 기구 장치 조작기(IDM)(1703) 및 로봇 카테터(1704)를 포함한다. 일부 실시예에서, 로봇 암(1701) 여러 조인트와 링크를 가지는 더 큰 로봇 암의 연결체일 수 있다. 관절 인터페이스(1702)는 IDM(1703)을 로봇 암(1701)에 연결한다. 연결 이외에도, 관절 인터페이스(1702)는 또한 공기압, 전력 신호, 제어 신호 및 피드백 신호를 암(1701) 및 IDM(1703)으로 전달할 수 있다.
IDM(1703)은 로봇 카테터(1704)를 구동 및 제어한다. 일부 실시예에서, IDM(1703)은 로봇 카테터(1704)를 제어하기 위해 출력 샤프트를 통해 전달된 각 운동을 사용한다. 후술되는 바와 같이, IDM(1703)은 기어 헤드, 모터, 로터리 엔코더, 전원 회로, 제어 회로를 포함할 수 있다.
로봇 카테터(1704)는 말단 팁 및 근위 단부를 갖는 샤프트(1709)를 포함할 수 있다. 제어 신호를 수신하고 IDM(1703)으로부터 구동하기 위한 툴 베이스(1710)가 샤프트(1709)의 근위 단부에 연결될 수 있다. 툴 베이스(1710)에 의해 수신된 신호를 통해 로봇 카테터(1704)의 샤프트(1709)가 출력 샤프트(1705, 1706, 1707 및 1708)(도 17b 참조)를 통해 로봇 카테터(1704)의 툴 베이스(1710)로 전달된 각 운동에 기초하여 제어되고, 조작되며, 유도될 수 있다.
도 17b는 도 17a에 개시된 로봇 의료 시스템의 다른 도면을 도시한다. 도 17b에서, 로봇 카테터(1704)는 IDM(1703)으로부터 제거되어 출력 샤프트(1705, 1706, 1707, 1708) 출력 샤프트(1705, 1706, 1707, 1708)를 드러낸다. IDM(1703)의 외측 스킨/쉘을 제거하면 IDM 상단 커버(1711) 아래의 구성 요소가 드러난다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 장력 검출 장치를 구비하는 도 17a 및 도 17b의 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다. IDM(1703)의 단면도(1800)에서, 병렬 구동 유닛(1801, 1802, 1803 및 1804)은 IDM(1703)에서 구조적으로 가장 큰 구성 요소이다. 일부 실시예에서, 근위부터 원위 단부까지, 구동 유닛(1801)은 로터리 엔코더(1806), 모터(1805) 및 기어 헤드(1807)를 포함할 수 있다. 구동 유닛(1802, 1803, 1804)은 유사하게 구성되며, 상단 커버(1711) 아래에 기어 헤드와, 엔코더와, 모터를 포함한다. 일부 실시예에서, 구동 유닛에 사용된 모터는 브러쉬가 없는 모터이다. 다른 실시예에서, 모터는 직류 서보 모터일 수 있다.
로터리 인코더(1806)는 모터(1805)의 구동 샤프트의 각속도를 모니터링 및 측정한다. 일부 실시예에서, 로터리 인코더(1806)는 예비 로터리 인코더일 수 있다. 적절한 예비 인코더의 구조, 성능 및 사용은 2014년 8월 14일자로 제출된 미국 특허 가출원 제62/037,520호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 참조로 인용된다.
모터(1805)에 의해 생성된 토크는 모터(1805)의 회전자에 연결된 샤프트를 통해 기어 헤드(1807)에 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 기어 헤드(1807)는 회전 속도에 대해 모터 출력의 토크를 증가시키기 위해 모터(1805)에 부착될 수 있다. 유사하게는, 구동 유닛(1802, 1803, 1804)은 각각의 토크를 기어 헤드 샤프트(1706, 1707, 1708)를 통해 외부로 전달한다.
각각의 개별적인 구동 유닛은 그 말단부에서 모터 마운트에 결합될 수 있고 그 근위 단부를 향해 스트레인 게이지 마운트에 결합될 수 있다. 유사하게, 구동 유닛(1802)은 모터 마운트(1811)에 고정될 수 있고, 둘 다 스트레인 게이지 마운트(1810)에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 유닛(1802)은 무게를 줄이기 위해 모터 마운트(1809) 알루미늄으로 제작된다. 일부 실시예에서, 스트레인 게이지 마운트는 구동 유닛의 측면에 접착될 수 있다. 일부 실시예에서, 스트레인 게이지 마운트는 무게를 줄이기 위해 알루미늄으로 구성될 수 있다.
전기 스트레인 게이지(1812 및 1813)는 스트레인 게이지 장착부(1810)에 포팅되어(potted) 납땜되고, 모터 장착부(1809 및 1811)에 각각 나사를 사용하여 부착된다. 유사하게, 구동 유닛(1803 및 1804)에 인접한 한 쌍의 변형 게이지(미도시)가 스트레인 게이지 마운트(1814)에 포팅되고 납땜되어 각각 나사를 사용하여 모터 마운트(1815 및 1816)에 부착된다. 일부 실시예에서, 전기 스트레인 게이지는 측면 스크류를 사용하여 각각의 모터 마운트에 제 위치에 고정될 수 있다. 예를 들어, 측면 스크류(1819)가 모터 장착부(1809)에 삽입되어 소정 위치에 스트레인 게이지(1812)를 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 스트레인 게이지의 게이지 배선은 구동 장치의 임의의 수직 변형 또는 굴곡을 검출하기 위해 수직 배열될 수 있다. 이는 스트레인 게이지 마운트(1810)에 대한 모터 마운트(1809, 1811)에 의한 수평 변위로서 측정될 수 있다.
스트레인 게이지 배선은 스트레인 게이지 마운트상의 회로로 라우팅될 수 있다. 유사하게, 스트레인 게이지(1813)는 스트레인 게이지 마운트(1810) 상에 또한 장착될 수 있는 회로 기판(1818)에 라우팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 스트레인 게이지(1810)는 스트레인 게이지 마운트(1810)에 장착될 수 있다. 회로 기판(1817, 1818)은 각각 스트레인 게이지(1812, 1813)로부터의 신호를 처리 또는 증폭할 수 있다. 스트레인 게이지들(1812 및 1813)에 대한 회로 기판들(1817 및 1818)의 근접성은 더 정확한 판독들을 얻기 위해 신호대 잡음비를 감소시키는 것을 돕는다.
도 19a는 도 17a, 도 17b 및 도 18의 독립 구동 메커니즘의 다른 각도에서의 단면도이다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 외부 쉘/스킨(1901)의 부분은 IDM(1703)의 내부를 드러내도록 절개되었다. 전술한 바와 같이, 구동 유닛(1801)은 모터(1805), 로터리 엔코더(1806) 및 기어 헤드(1807)를 포함한다. 구동 유닛(1801)은 모터 마운트(1809)에 결합되고 출력 샤프트(1705)가 원하는 각속도 및 토크로 구동될 수 있는 톱 커버(1711)를 통과한다. 모터 마운트(1809)는 측면 스크류를 사용하여 수직으로 정렬된 스트레인 게이지(1812)에 결합될 수 있다. 또한, 스트레인 게이지(1812)는 모터 마운트(1809)에 결합하는 것 이외에 스트레인 게이지 마운트(1810) 내로 포팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트(1705)는 기어 헤드 샤프트 상에 래버린스 씰(labyrinth seal)을 포함한다.
도 19b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로봇 카테터와 결합한 전술한 독립 구동 메커니즘의 단면도이다. 도 19b에 도시된 바와 같이, IDM(1703) 상에 장착된 로봇 카테터(1704)는 출력 샤프트(1705)와 동심을 이룰 수 있는 풀리(1902)와 같이 IDM(1703)의 출력 샤프트와 종방향으로 정렬된 풀리를 포함한다. 풀리(1902)는 정밀 절단 챔버 풀리(1902)가 챔버(1903) 내부에 견고하게 고정되지 않고 오히려 챔(1903)의 공간 내에 "떠있다".
풀리(1902)의 스플라인(spline)은 출력 샤프트(1705)상의 스플라인과 정렬 및 고정되도록 설계된다. 일부 실시예에서, 스플라인은 로봇 카테터가 IDM과 정렬되도록 하는 단일 방향으로만 있을 수 있도록 설계된다. 풀리(1902)가 출력 샤프트(1705)와 동심으로 정렬되는 것을 보장하는 반면, 풀리(1902)는 출력 샤프트(1705)와 정렬하여 플로팅 풀리(1902)를 위치 설정하고 축방향으로 유지하기 위해 자석(1904)의 사용을 통합할 수 있다. 샤프트(1705) 및 풀리(1902)는 로봇 카테터(1704) 내에서 풀 와이어를 긴장시켜 샤프트(1709)의 관절을 형성한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터로부터 풀 와이어를 구비 한 전술한 독립 구동 메커니즘의 다른 도면을 도시한다. 일부 실시예에서, 로봇 카테터는 샤프트를 관절 및 제어하기 위해 풀 와이어를 사용할 수 있다. 이러한 풀 와이어(2001, 2002, 2003 및 2004)는 IDM(1703)의 출력 샤프트(1705, 1706, 1707 및 1708)에 의해 인장되거나 느슨해질 수 있다. 따라서, 풀 와이어는 IDM(1703)의 제어 회로를 통해 로봇식으로 제어될 수 있다.
출력 샤프트(1705, 1706, 1707, 1708)가 각도 운동을 통해 인장 와이어(2001, 2002, 2003 및 2004)에 힘을 전달하는 것과 같이, 인장 와이어(2001, 2002, 2003 및 2004) 샤프트 및 모터 마운트와 드라이브 유닛에 전달된다. 예를 들어, 출력 샤프트로부터 멀어지는 방향으로 인장 와이어에 인가된 장력은 모터 마운트(1809 및 1811)를 잡아 당기는 힘을 발생시킨다. 이 힘은 도면 번호 1812 및 1813과 같은 스트레인 게이지에 의해 측정될 수 있는데, 스트레인 게이지는 모두 모터(1809, 1811)에 의해 변형되고 스트레인 게이지 마운트(1810)에 포팅된다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 수평 힘이 힘에 수직으로 방향된 스트레인 게이지에 의해 어떻게 측정될 수 있는지를 나타내는 개념도를 도시한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 힘(2101)은 출력 샤프트(2102)로부터 멀어질 수 있다. 출력 샤프트(2102)가 모터 마운트(2103)에 결합됨에 따라, 힘(2101)은 모터 마운트(2103)의 수평 변위를 초래한다. 따라서, 모터 마운트(2103) 및 접지(2105) 모두에 대해, 모터 마운트(2103)가 힘 게이지(2104)를 힘(2101)의 방향으로 구부러지게(변형을 일으켜) 일으킬 수 있다. 변형의 양은 스트레인 게이지(2104)의 팁의 수평 변위를 스트레인 게이지(2104)의 전체 수평 폭에 가하게 된다. 따라서, 스트레인 게이지(2104)는 궁극적으로 출력 샤프트(2102) 상에 인가된 힘(2101)을 측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 조립체는 경사계 또는 가속도계와 같은 기구 장치 조작기(1703)의 방향를 측정하는 장치를 포함할 수 있다. 스트레인 게이지와 함께 스트레인 게이지는 지면에 대한 방향으로 인한 중력 부하 영향에 민감할 수 있으므로 장치의 측정을 사용하여 스트레인 게이지에서 판독 값을 보정할 수 있다. 예를 들어, 기구 장치 조작기(1703)가 그 측면 상에 배향된 경우, 구동 장치의 중량은 변형이 출력 샤프트의 변형에 기인하지 않을지라도, 스트레인 게이지에 전달될 수 있는 모터 마운트 상에 변형을 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 스트레인 게이지 회로 보드로부터의 출력 신호는 제어 신호를 처리하기 위해 다른 회로 보드에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 신호는 제어 신호를 처리하는 것에서 다른 회로 기판상의 구동 장치로 라우팅된다.
전술한 바와 같이, 구동 유닛(1801, 1802, 1803, 1804) 내의 모터는 궁극적으로 출력 샤프트(1705, 1706, 1707, 1708)와 같은 출력 샤프트를 구동한다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트는 일부 실시예에서, 배리어는 유체 진입을 방지하기 위해 출력 샤프트 주위에 래버린스 씰(도 19a의 1905)을 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 기어 헤드 샤프트의 말단부는 토크를 툴에 전달하기 위해 출력 샤프트로 덮일 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트는 자기 컨덕턴스를 감소시키기 위해 스틸 캡에 클래딩될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트는 토크 전달을 돕기 위해 기어 헤드 샤프트에 고정될 수 있다.
기구 장치 메커니즘(1703)은 또한 외부 쉘/피부(1901)와 같은 쉘 또는 피부로 덮일 수 있다. 심미적으로 만족스러운 것 외에도, 쉘은 의료 과정 동안과 같이 작동 중에 유체 침투 보호를 제공한다. 일부 실시예에서, 쉘은 전자기 차폐, 전자기 호환성 및 정전기 방전 보호를 위한 캐스트 우레탄을 사용하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 개별적인 장력을 갖는 출력 샤프트 각각은 조종 가능한 카테터 기술을 사용하는 로봇 카테터에서 와이어를 당길 수 있다. 풀 와이어 내의 인장력은 출력 샤프트(1705, 1706, 1707, 1708)로 전달될 수 있으며, 모터 마운트(1809, 1811)와 같은 모터 마운트로 전달될 수 있다.
외과 및 내시경 제조.
바람직한 실시예에서, 쉬스 및 내시경 장치는 조종 가능한 카테터 구성 방법을 사용하여 구성된다. 통상적으로, 조종 가능한 카테터는 브레이딩, 즉 브레이더 및 브레이드 와이어 상에 도포된 폴리머 재킷의 풀 내강으로 프로세스 심선 둘레에 와이어 또는 섬유, 즉 브레이드 와이어를 브레이팅함으로써 제조된다. 제조 중에, 공정 맨드렐은 통상적으로 편조 콘 튜브 및 브레이드 콘 홀더에 결합된 브레이더의 공급 튜브 내로 삽입될 것이다. 쓰레드가 있는 풀러를 사용하여 공정 맨드렐이 공급 튜브를 통해 전진한다. 공정 맨드렐이 진행됨에 따라 결국 노즈 콘의 중심 구멍을 통해 나온다. 노즈 콘은 주변의 혼 기어로부터의 편조 와이어가 편조 공정 동안 맨드렐 주위로 쉽게 활주할 수 있는 둥근 부드러운 형상을 제공한다. 노즈 콘은 통상 브레이드 콘 홀더에 고정된 고정 나사를 사용하여 브레이드 콘 홀더에 대해 축 방향 및 반경 방향으로 고정된 위치에 유지된다. 공정 맨드렐이 노즈 콘을 통해 당겨지면, 경적 기어는 맨드렐 주위로 병진 및 회전하여 소정의 패턴 및 밀도로 맨드렐 주위의 브레이드 와이어를 편조한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 내강을 갖는 카테터를 구성하는 방법의 흐름도이다. 시작하기 위해, 단계 2201에서, 주 공정 맨드렐이 작동 채널로 사용될 수 있는 중앙 내강을 위한 카테터 내에 공동을 생성하도록 선택될 수 있다. 보조 맨드렐은 제어 내강으로 사용하기 위해 카테터의 벽에 공동을 만들기 위해 선택될 수 있다. 주 공정 맨드렐은 작동 채널과 풀 내강 사이의 상대적 크기 차이를 반영하기 위해 보충 맨드렐보다 큰 외경(OD)을 나타낼 수 있다. 보충 맨드렐은 PTFE와 같은 윤활성 코팅으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있는 금속 또는 열경화성 폴리머로 구성될 수 있다.
단계 2202에서, 주 공정 맨드렐은 고정된 브레이드 콘 튜브 및 브레이드 콘 홀더에 대해 회전하는 브레이더의 공급 튜브 내로 삽입될 수 있다. 유사하게, 보충 맨드렐은 주 공정 맨드렐에 평행한 방식으로 공급 튜브에 삽입될 수 있다. 통상적인 카테터 구조에서, 더 작은 보충 맨드렐은 브레이딩을 위해 경적 기어의 중심을 통과한다.
단계 2203에서, 트레드가 있는 풀러를 사용하여 주 공정 맨드렐이 공급 튜브를 통해 전진될 수 있다. 주 공정 맨드렐이 진행됨에 따라 결국 노즈 콘의 중심 구멍을 통해 나온다.
유사하게, 보충 맨드렐은 노즈 콘의 외부 구멍을 통해 또한 빠져 나오도록 전진한다. 이것은 전통적인 카테터 구성과는 대조적으로 보완 맨드렐은 전형적으로 별도의 피드 튜브를 통해 진행되어 혼 엔진의 중심에서 나온다.
단계 2204에서, 주 공정 맨드렐 및 보충 맨드렐은 노즈 콘을 통해 나오는 바와 같이 편조 와이어를 사용하여 함께 편조된다. 노즈 콘은 둥글고 부드러운 모양을 제공하며, 주변 혼(horn) 기어의 브레이드 와이어가 브레이드 프로세스 중에 주 공정 맨드렐 주위로 쉽게 미끄러질 수 있다. 주 공정 맨드렐과 보조 맨드렐이 모두 노즈 콘에서 나올 때, 노즈 콘이 회전하여 외부 홀의 보조 맨드렐이 주 공정 맨드렐 주위를 나선형으로 편조되도록 한다. 주 공정 맨드렐과 보조 맨드렐이 함께 편조됨에 따라, 혼 기어는 병진 및 회전하여 주 공정 맨드렐 및 보충 맨드렐 둘 다에 미리 정해진 패턴 및 밀도로 편조 와이어를 배치한다.
이러한 편조 방법은 노즈 콘이 통상적으로 브레이드 콘 홀더에 고정된 고정 나사를 사용하여 브레이드 콘 홀더에 대해 방사상으로 고정된 위치에 유지되는 카테터 구성의 종래의 방법과 크게 다르다. 따라서, 나선형 제어 내강을 갖는 카테터를 제조하기 위해서는 브레이드 공정에 특별한 하드웨어가 필요하다.
단계 2205에서, 편조 공정의 완료시에, 폴리머 코팅 또는 재킷을 쉬스 재료로 하고, 가열하고, 브레이징 복합체에 결합시킬 수 있다. 중합체 코팅은 과압출 또는 필름-캐스트 공정에 적용될 수 있다. 단계 2206에서, 접합 후에, 맨드렐은 편조된 합성물로부터 제거되어 카메라 및 조명 툴를 위한 중심 내강 또는 작동 채널(주 공정 맨드렐) 및 조종 제어를 위한 몇몇 제어 내강(보조 맨드렐)을 생성할 수 있다. 맨드렐을 제거한 후, 편조된 복합 재료는 완성될 수 있다(2207).
종래의 조향 가능한 카테터 구조에서, 보다 작은 보충 맨드렐이 주 공정 맨드렐 상으로 편조하기 위해 혼 기어의 중심을 통과한다. 테프론으로 코팅된 폴리이미드로 구성되는 보조 맨드렐은 노즈 콘을 통해 당겨질 때 주 공정 맨드렐에 브레이딩할 수 있다. 대안적으로, 보충 맨드렐이 중심 구멍을 둘러싸는 노즈 콘의 작은 구멍을 통과할 수 있다는 것은 당업계에 공지되어 있다. 주 공정 맨드렐이 노즈 콘을 통해 당겨지면, 소형의 보충 맨드렐이 노즈 콘에서 당겨질 때 주 공정 맨드렐에 꼰 수 있다.
보조 맨드렐을 제자리에 유지하기 위해, 제2 층의 브레이드 와이어가 보충 맨드렐을 부착 한 후에 주 공정 맨드렐 상에 놓이는 것이 전형적이다. 편조 공정이 완료되면, 폴리머 코팅 또는 재킷을 피복하고 가열하고 편조 복합체에 결합시킬 수 있다. 결합 후 맨드렐은 일반적으로 꼰 합성물에서 제거되어 카메라 및 조명 툴 용 중앙 내강(주 공정 맨드렐)과 조종 제어용 여러 제어 내강(보조 맨드렐)을 만든다. 이 제조 방법은 중심축에 종방향으로 평행한 제어 내강을 갖는 내시경을 초래한다. 앞서 논의한 바와 같이, 종방향으로 평행한 내강에서 텐던에 긴장을 갖는 카테터식 내시경은 근력 및 곡선 정렬 현상을 나타낸다.
따라서, 나선형 제어 내강을 갖는 카테터식 내시경을 제조하기 위해 편조 공정에 특별한 하드웨어가 요구된다. 그러한 하드웨어의 한 부분은 일부 실시예에서 회전 피드 튜브 또는 "하이포 튜브"에 고정식으로 결합되는 특수 회전 노즈 콘이다. 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따라, 가요성 쉬스, 카테터 및/또는 내시경에서 나선형 내강을 제조하기 위한 특수화된 노즈 콘을 도시한다. 주 공정 맨드렐(2301)이 노즈 콘(2300)을 통해 당겨지는 것과 동시에 노즈 콘(2300)을 회전시킴으로써, 보조 맨드렐(2302, 2303 및 2304)이 보충 구멍(2305, 2306, 2306)을 통해 맨드렐(2301) 혼 기어가 주 공정 맨드렐(2301) 둘레에 편조 와이어를 편조하는 것과 유사하게 중심 홀(2308)을 둘러싸는 각각의 홀(2307, 2307)을 포함한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 쉬스 및 내시경을 제조하기 위한 시스템을 도시한다. 시스템(2400)에서, 노즈 콘(2401)은 노즈 콘(2401)을 피드 튜브(2402)에 대해 고정된 위치에 유지시키는 고정 나사를 사용하여 회전 공급 튜브(2402)에 고정식으로 결합될 수 있다. 따라서, 노즈 콘(2401)은 공급 튜브 회전한다. 대조적으로, 종래의 시스템은 전형적으로 노즈 콘(2401)을 회전하지 않는 브레이드 콘 지지 홀더(2405)에 고정식으로 결합시키는 고정 나사를 사용한다. 노즈 콘(2401)의 중심 구멍(2403)은 주 공정 맨드렐(2404)을 양 구조를 통해 부드럽게 당기기 위해 회전하는 공급 튜브(2402)와 정렬될 수 있다. 대조적으로, 종래의 시스템은 노즈 콘(2401)을 브레이드 콘 지지 홀더(2405)에 고정하는 고정 나사를 사용했다. 일부 실시예에서, 회전 공급 튜브(2402)는 브레이드 콘 튜브(2406)의 중심 구멍(2403)의 원주 공간보다 큰 내부 직경을 갖는 주 공급관(2402)을 포함한다. 회전 공급 튜브(2402)는 일반적으로 주 공정 맨드렐(2404) 및 보충 맨드렐이 얽히지 않고 노즈 콘(2401)을 통과한다. 일부 실시예에서, 회전 공급 튜브(2402)는 브레이더의 혼 기어의 중심을 통과하기에 충분히 길다. 일부 실시예에서, 회전 공급 튜브(2402)는 공급 튜브(2402)를 통과하여 노즈 콘(2401) 주위의 보충 구멍으로 통과할 보충 맨드렐을 위한 재료의 보빈을 유지할 수 있는 기구에 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 공급 튜브(2402)는 공급 튜브(2402)의 회전 속도 및 노즈 콘(2401)의 회전을 제어하는 구동 메커니즘에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 메커니즘은 회전 편조기가 주 공정 맨드렐(2404) 둘레에 편조 와이어(2408)를 편조하기 때문에, 구동 메커니즘은 브레이더 자체에 맞춰지거나 또는 독립적으로 제어되어 회전 공급 튜브(2402)의 회전 속도를 일정하게 유지한다. 회전 속도 및 편조율은 주 공정 맨드렐(2404) 상의 보충 맨드렐의 피치를 결정할 것이다. 전술한 바와 같이, 이는 가요성, 강성 및 "가압력"에 영향을 줄 수 있다.
또 다른 실시예에서, 풀 내강의 원주 방향을 변화시키는 것은 내시경의 나선형 섹션의 강성을 변화시킬 수 있다. 제조 과정에서 이것은 보충적으로 나선형인 맨드렐의 피치를 변경하여 이루어진다. 맨드렐의 피치(즉, 종방향 축선에 대한 각도)가 감소함에 따라, 편조된 복합체의 굽힘 강성이 증가한다. 반대로, 보충 맨드렐의 피치가 증가함에 따라, 굽힘 강성은 감소한다. 일부 실시예에서, 보조 맨드렐의 피치는 나선형 부분(1010) 내에서 변경될 수 있다. 이들 실시예에서, 편조된 복합체의 굽힘 강성은 나선형 부분 내에서도 변할 수 있다.
편조 공정 동안, 편조 기계는 편조된 복합체를 변경하기 위해 정지될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나의 변경은 직선 또는 보강 봉의 추가일 수 있다. 보강 로드는 브레이딩 적층 복합 재료의 버클링, 축방향 및 굽힘 강성을 크게 증가시킬 수 있다. 보강 로드는 환자의 신체에 삽입될 수 있도록 장치의 버클링을 줄이기 위해 특수 버클링 방지 또는 수동 보조가 필요한 긴 내시경에 특히 유용하다. 일부 실시예에서, 편조 기계는 노즈 콘의 구멍으로부터 공정 맨드렐로 당겨질 수 있는 보강 로드를 선택적으로 편조하도록 구성될 수 있으며, 보강 로드는 브레이드 와이어에 의해 포획되어 제 위치에 고정된다. 최종 내시경의 말초 영역에 보강 봉이 없는 것은 근위 단부에서의 강성을 증가시키면서 말단부에서의 장치의 가요성을 보존한다. 이러한 특성들의 조합은 결과적인 내시경이 의사가 환자의 내강 내로 가이드하고, 삽입하고, 밀어 넣기 쉽게한다.
회전 노즈 콘에서 홀을 사용하여 주 공정 맨드렐 상에 보충 맨드렐을 적용하는 것은 다수의 제조 이점을 제공한다. 노즈 콘에 구멍을 사용하면 맨드렐이 혼 기어에서 밀려 나지 않는다. 편조 와이어를 직조하는 역할을 하는 개별 혼 기어의 중심으로부터 맨드렐을 밀면 맨드렐이 편조 와이어와 직조되어 결과적으로 편조 매트릭스를 종방향으로 제 위치에 고정시킨다. "0도 공사"로 알려진 이 공사 양식은 제조업체가 바람직한 가요성 또는 후프 강도를 위해 편조 모재를 조정하는 기능을 제한한다. 0도 시공시, 보조 맨드렐은 반드시 브레이드에 의해 "오버 언더 방식"으로 제한되어 모든 시계 방향으로 편조된 브레이드 와이어가 보충 맨드렐의 "위로" 엮여지며 모든 반시계 방향의 브레이드 와이어는 "아래 보충 맨드렐. 0도 구조가 반경 방향으로 보조 맨드렐을 잠그기 때문에 주 공정 맨드렐을 따라 보충 맨드렐의 피치를 변경해야 하는 경우에는 바람직하지 않다.
부가적으로, 보충 맨드렐에 대한 통로로서 혼 기어의 사용은 주 공정 맨드렐에 적용될 수 있는 보충 맨드렐의 수를 제한한다. 예를 들어, 16개의 캐리어 브레이더는 최대 8개의 맨드렐을 적용할 수 있으며, 24개의 캐리어 브레이더는 최대 12개의 맨드렐만 가질 수 있다. 대조적으로, 노즈 콘에서 구멍을 사용하면 임의의 수의 맨드렐을 주 공정 맨드렐로 통과시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 보충 맨드렐은 제2 외부 와이어 편조층의 연결 없이 주 공정 맨드렐에 적용될 수 있다. 대신, 보조 맨드렐은 브레이드 와이어 없이 적용될 수 있다. 이들 구체적인 예시에서, 결합/융합된 중합체 재킷은 맨드렐을 보유할 수 있고, 따라서 제 위치에서 내강을 유지할 수 있다. 대안적으로, 일부 구현 양태에서, 맨드렐은 편조된 복합체 주위의 주조를 사용하여 적소에 유지될 수 있다. 외측 편조 층이 제조 내시경 장치에 없기 때문에, 장치 단면의 직경 및 원주가 감소된다. 대안적으로, 보충 맨드렐은 폴리머 맨드렐을 공정 맨드렐 위에 슬리브시킴으로써 제 위치에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 주조물은 내시경 장치용 쉬스 재료와 동일한 재료이다.
일부 실시예에서, 보충 맨드렐은 브레이드 와이어와 매우 유사하게 메인 공정 맨드렐 상에 편조될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 보충 맨드렐은 짝수 혼 기어를 사용하여 편조될 수 있으며 홀수 혼 기어를 사용하여 편조 와이어에 의해 제자리에 고정된다. 이러한 방식으로, 보충 맨드렐 및 따라서 내강은 중심 내강의 벽으로 직조될 수 있다. 추가적인 이점으로서, 이 수단을 사용하여 제조된 실시예는 또한 보다 낮은 원주 영역을 갖는 경향이 있다.
다르게는, 일부 실시예에서, 나선형 내강 구조는 압출된 몰드를 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 금형은 나선형 내강 구조를 생성하여 PTFE, pebax, 폴리 우레탄 및 나일론으로 재킷을 제조한다. 일부 실시예에서, 압출 구조는 편조 맨드렐 주위의 몰드를 사용하여 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 나선형 내강 구조는 주 공정 맨드렐이 브레이더를 통해 인출될 때 이를 회전시킴으로써 수행될 수 있다. 노즈 콘 대신에 주 공정 맨드렐을 회전시킴으로써, 보조 맨드렐은 고정 노즈 콘을 통해 또는 브레이징 공정 동안 혼 기어의 중심을 통해 인출될 수 있다. 이 실시예에서, 노즈 콘은 노즈 콘 홀더에 고정식으로 결합될 수 있고 주 공정 맨드렐은 노즈 콘을 통해 인출될 때 회전된다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c의 가요성 내시경(1100), 도 11a 및 도 11b의 쉬스는 실질적으로 동일하다. 따라서, 당업자는 두 가지 툴 모두에 동일한 원리가 적용된다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예에서, 나선형 내강은 서로 등거리에 위치될 수 있다. 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 풀 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭적으로 배치되는가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다. 도 25에 도시된 바와 같이, 장치(2500)는 중앙 작동 채널(2501), 작동 채널(2501) 주위 및 외부 재킷(2506) 내에서 대칭으로 이격된 4개의 풀 내강(2502, 2503, 2504 및 2505)을 포함한다.
일부 실시예에서, 나선형이지만, 내강 및 풀 와이어는 쉬스 및/또는 가요성 내시경의 원주 둘레에서 서로 균일하게 또는 등거리로 분포될 수 없다. 일부 적용예에서, 모든 내강 및 풀 와이어를 쉬스 및 내시경의 동일한 측면 또는 반구 영역(예를 들어, 상부 대 바닥 반구체) 상에 그룹화함으로써 더 작은 외부 직경이 허용된다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따라 풀 내강이 장치의 원주 둘레에서 대칭으로 배열되지 않은 가요성 내시경 장치의 단면도를 도시한다. 도 25의 장치(2500)와 유사한 장치(2600)는 작동 채널(2601), 4개의 풀 내강(2602, 2603, 2604 및 2605) 및 외부 재킷(2606)을 갖는다. 일부 실시예에서, 작동 채널은 니티놀과 같은 가요성 금속 합금으로 생성되는 중공 튜브로써 생성될 수 있다.
그러나, 외부 재킷(2606)의 원주에 의해 도시된 바와 같이, 서로로부터 등거리로 배열되기보다는, 풀 내강(2602, 2603, 2604 및 2605)은 함께 그룹화되어 장치의 외경을 감소시킨다. 풀 내강은 작동 채널(2601)의 원주 둘레에서 서로 등거리가 아니기 때문에, 장치(2600)에 도시된 장치에서 풀 내강을 나선형으로 만드는 것은 여전히, 예를 들어, 근육 또는 곡선 정렬 현상을 피하는 나선형의 이점을 나타낸다. 장치(2600)의 풀 내강은 작동 채널(2601) 주위에서 서로 인접하여 배치되지만, 다른 실시예는 동일한 반구 내에 이격되거나, 함께 클러스터되거나, 다른 배치와 같은 상이한 패턴으로 배치될 수 있다. 재킷(2606)은 플라스틱 또는 장치(2600)의 제조 중에 연신, 결합 또는 용융될 수 있는 임의의 다른 재료로 생성될 수 있다.
도 26b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 26a에 개시된 가요성 내시경 장치(2600)의 등각도를 도시한다. 도 26b에 도시된 바와 같이, 내강(2602, 2603, 2604 및 2605)은 작동 채널(2601) 주위에 나선을 그린다. 일부 실시예에서, 나선형 풀 내강의 피치는 장치(2600)로부터의 강성 및 굴곡 가요성과 같은 원하는 특성을 얻기 위해 변경될 수 있다(도 26b).
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른, 디바이스(2600)를 제조하는 방법에 대한 흐름도를 도시한다. 단계 2701에 도시된 바와 같이, 제조 공정(2700)은 공작물에 대한 백본(backbone)을 선택하는 것으로 시작한다. 일부 구체적인 예시에서, 백본은 피하 내(hypodermic) "하이포(hypo)" 튜브 또는 니티놀 튜브와 같은 중공 튜브일 수 있다. 당업자는 튜브형 구조가 축방향 강성 및 낮은 굽힘 강성을 동시에 나타내기 때문에 튜브 재료가 바람직할 수 있음을 인식할 것이다. 또한 튜브는 광학, 흡인, 관개 및 제어와 같은 유용한 툴 및 케이블을 삽입할 수 있는 작동 채널을 제공한다. 일부 실시예에서, 백본은 조종 가능한 가이드 와이어(articulable guidewire)로서 사용하기 위한 것과 같은 솔리드 로드(solid rod)일 수 있다.
백본의 선택에 이어서, 단계 2702에서, (하나 이상의) 공정 맨드렐은 원하는 피치로 백본 주위에서 나선형으로 될 수 있다. 일부 구체적인 예시에서, 공정 맨드렐은 단계(2705) 동안 용이하게 제거하기 위해 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)으로 코팅될 수 있다. 나선형 맨드렐의 피치는 고정되거나 동적일 수 있어, 용도에 따라 상이한 벤딩 및 강성을 허용한다. 피치가 낮을수록 즉, 백본의 중심축에 종방향으로 평행하게 되면, 인장력 하에서 축방향 압력이 낮아지고, 또한 증가된 근력 및 곡선 정렬 현상을 나타낸다. 더 높은 피치 나선은 일반적으로 근력과 축 정렬 현상을 감소시키고 장력 하에서 축방향 압축을 증가시킨다.
단계 2703에서, 백본 및 하나 이상의 나선형 맨드렐을 포함하는 결과적인 공작물이 쉬스되거나 "재킷"으로 덮일 수 있다. 일부 실시예에서, 재킷은 단순한 압출 튜브 또는 쉬스이다. 피복 수단의 선택은 중요할 수 있다. 쉬스가 우발적으로 백본 주변의 공정 맨드렐의 피치를 변경시킬 수 있기 때문이다. 일부 실시예에서, "쉬딩(sheathing)" 공정은 주조, 증착, 확대 압출, 또는 당 업계에 공지된 임의의 다른 수단에 의해 달성될 수 있다.
단계 2704에서, 쉬딩 공정으로부터 아직 접합되지 않았다면, 재킷이 작동 편에 접합될 수 있다. 이는 당업자에게 공지된 임의의 수의 공정을 사용하여 공작물에 용융, 성형 또는 결합하는 것을 포함할 수 있다. 일단 접합되면 재킷은 프로세스 맨드렐을 제 위치에 고정시킬 수 있다.
단계 2705에서, 본딩 공정이 완료되면, 나선형 공정 맨드렐이 제거되어 작동 편의 길이를 따라 길이 방향으로 움직이는 나선형 인장 내강 공동, 즉 내강을 생성할 수 있다. 단계 2706에서, 맨드렐의 제거 후에, 풀 와이어는 나머지 공동으로 나사 결합될 수 있다. 작동 시, 풀 와이어는 내시경 장치를 관절 연결시키기 위한 풀 와이어를 용이하게 하는데 사용될 수 있다.
방법 2700은 브레이딩(braiding)을 사용하지 않으므로, 비교적 작은 외경을 갖는 공작물 및 장치의 구성을 제공하며, 이는 소형 기구, 예를 들어 미세 수술 어플리케이션을 필요로 하는 영역에 도달하기에 적합할 수 있다. 전술한 제조 방법은 다양한 크기 및 외경의 장치에 적용될 수 있지만, 바람직한 실시예는 일반적으로 2mm 미만의 외경을 갖는다.
결과적인 공작물을 내시경 장치에 통합하는 것은 공작물 재킷을 굽히거나 툴 팁과 같은 다른 구성 요소의 외부 재킷에 용융, 성형, 결합 및 주조함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 백본은 증가된 굴곡 반경에 대한 리브 및 툴 및 제어 전선에 대한 종방향으로 정렬된 공동과 같은 인접한 미세 수술 굴곡 툴를 위한 구조를 포함할 수 있다.
내강경 탐색.
본 발명의 일 실시예에서, 해부학적 내강을 통한 로봇 카테터의 탐색은 저선량 전산화 단층 촬영(computerized tomography, CT) 스캔에 의해 생성된 2차원 이미지의 집합에 기초한 컴퓨터 생성 3차원 지도의 사용을 포함할 수 있다. 환자의 내부 해부학의 단면을 나타내는 각각의 2차원 CT 스캔은 수술 전의 절차 중에 수집될 수 있다. 이러한 스캔을 분석하여 폐의 기관지 또는 요도의 경로와 같은 환자의 충치 및 해부학적 공간을 결정할 수 있다.
환자 내의 관련 해부학적 공간을 결정하기 위해 분석된 후, 공간은 3차원 공간에서 중심선 좌표, 즉 내강의 중심을 나타내는 좌표를 갖는 내강으로 표현될 수 있다. 이러한 캐비티의 체적은 각 중심선 좌표에서 직경 거리의 특정 측정값으로 나타낼 수 있다. 중심선과 해당 지름 거리 측정값을 추적하여 3차원 내강의 컴퓨터 생성 모델을 생성할 수 있다. 그리드 좌표 데이터는 환자의 해부체를 나타내는 3차원 공간과 충치를 표현하는 데 사용될 수 있다.
도 28a 및 도 28b는 중심선 좌표, 직경 측정치 및 해부학적 공간 사이의 관계를 도시한다. 도 28a에 도시된 바와 같이, 해부학적 내강(2800)은 중심선 좌표(2801, 2802, 2803, 2804, 2805 및 2806)에 의해 종방향으로 대략적으로 추적될 수 있으며, 여기서 각각의 중심선 좌표는 대략 내강의 중심을 근사한다. "중심선"(2807)에 의해 도시된 바와 같이 이들 좌표를 연결함으로써, 내강이 시각화될 수 있다. 내강의 부피는 각 중심선 좌표에서 내강의 직경을 측정함으로써 추가로 시각화될 수 있다. 따라서, 도면 번호 2808, 2809, 2810, 2811, 2812 및 2813은 좌표(2801, 2802, 2803, 2804, 2805 및 2806)에서 내강(2800)의 측정을 나타낸다.
도 28b에 도시된 바와 같이, 내강(2800)은 중심선(2807)에 기초하여 3차원 공간에서 중심선 좌표(2801, 2802, 2803, 2804, 2805 및 2806)를 먼저 위치시킴으로써 3차원 공간에서 시각화될 수 있다. 각 중심선 좌표에서, 직경(2808, 2809, 2810, 2811, 2812 및 2813)을 갖는 2차원 원형 공간으로 시각화된다. 3차원으로 이들 2차원 원형 공간을 연결함으로써, 내강(2800)은 3차원 모델(2814)로 근사될 수 있다. 근사는 중심선 좌표 및 측정의 해상도를 증가시킴으로써, 즉 주어진 내강 또는 서브 섹션에 대한 중심선 좌표 및 측정의 밀도를 증가시킴으로써 결정될 수 있다. 중심선 좌표에는 병변을 포함하여 의사의 관심 지점을 나타내는 표식도 포함될 수 있다.
해부학적 공간의 3차원 모델을 표현하고, 이어서 생성하여, 수술 전 소프트웨어 패키지는 또한 생성된 모듈에 기초하여 최적의 탐색 경로를 분석하고 유도할 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어 패키지는 단일 병변(중심선 좌표로 표시) 또는 여러 병변에 대한 최단 경로를 유도할 수 있다. 이 경로는 작동자의 선호도에 따라 2차원 또는 3차원으로 작동자에게 제공될 수 있다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 공간을 나타내는 컴퓨터 생성 3차원 모델을 도시한다. 앞서 논의한 것처럼, 모델(2900)은 수술 전 CT 스캔을 검토하여 얻어진 중심선(2901)을 사용하여 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 소프트웨어는 카테터 시스템을 위한 최적 경로(2902)를 모델(2900) 내의 수술 위치(2903) 및 그에 대응하는 해부학적 공간에 액세스하도록 맵핑할 수 있다. 일부 실시예에서, 수술 위치(2903)는 컴퓨터 알고리즘이 카테터 시스템에 대한 최적 경로(2902)에 대한 모델(2900)의 중심선을 위상적으로 검색할 수 있게 하는 개별 중심선 좌표(2904)에 링크될 수 있다.
환자의 신체 구조 내에서 로봇 카테터의 말단부를 추적하고, 그 위치를 컴퓨터 모델 내의 배치에 맵핑함으로써, 카테터 시스템의 탐색 능력을 향상시킨다. 로봇 카테터의 원위 작동 단부, 즉 작동 단부의 "위치 파악"을 추적하기 위해, 다수의 접근법이 개별적으로 또는 조합되어 사용될 수 있다.
국부화에 대한 센서 기반 접근에서, 전자기(EM) 추적기와 같은 센서는 로봇 카테터의 진행을 실시간으로 알려주기 위해 로봇 카테터의 원위 작동 단부에 결합될 수 있다. EM 기반 추적에서 로봇 카테터에 내장된 EM 추적기는 하나 이상의 정적 EM 송신기에 의해 생성된 전자기장의 변화를 측정한다. 송신기(또는 필드 생성기)는 환자 가까이에 배치하여 낮은 강도의 자기장을 생성할 수 있다. 이것은 EM 추적기의 센서 코일에 작은 전류를 유도하며 센서와 발전기 사이의 거리와 각도와 관련이 있다. 전기 신호는 인터페이스 장치(온-칩(on-chip) 또는 PCB)에 의해 디지털화되어 케이블/배선을 통해 시스템 카트와 명령 모듈로 다시 전송될 수 있다. 그런 다음 데이터를 처리하여 현재 데이터를 해석하고 송신기를 기준으로 센서의 정확한 위치와 방향을 계산할 수 있다. 카테터의 다른 위치, 예를 들어 리더와 쉬스에서 여러 센서를 사용하여 해당 구성 요소의 개별 위치를 계산할 수 있다. 따라서 인위적으로 생성된 EM 필드의 판독값을 기반으로 EM 추적기는 환자의 해부체를 통과할 때 전계 강도의 변화를 감지할 수 있다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자기장 발생기와 결합하여 전자기 추적기를 이용하는 로봇 카테터 시스템을 도시한다. 로봇 시스템(3000)이 로봇으로 구동되는 카테터(3001)를 환자(3002)로 유도할 때, 로봇 카테터(3001)의 원위 단부에 전자기(EM) 추적기(3003)는 EM 필드 생성기(3004)에 의해 생성된 EM 필드를 검출할 수 있다. EM 추적기(3003)은 로봇 카테터(3001)의 샤프트를 따라 시스템 카트(3005)로 전달될 수 있고 해석 및 분석을 위한 명령 모듈(3006)(관련 소프트웨어 모듈, 중앙 처리 장치, 데이터 버스 및 메모리를 포함함)에 전송될 수 있다. EM 추적기(3003)로부터의 판독값을 사용하여, 디스플레이 모듈들(3007)은 작동자(3008)에 의한 검토를 위해 미리 생성된 3차원 모델 내에 EM 추적기의 상대 위치를 디스플레이할 수 있다. 실시예들은 또한 다른 타입의 센서들, 광학 모양 센서. 다양한 센서가 트래킹에 사용될 수 있지만, 센서의 선택은 (i) 로봇 카테터 내의 센서의 크기 및 (ii) 로봇 카테터 내로의 센서의 제조 및 통합 비용에 기초하여 본질적으로 제한될 수 있다.
환자의 해부학 구조를 통해 센서를 추적하기 전에, 추적 시스템은 "좌표계"로 알려진 프로세스를 요구할 수 있으며, 여기서 시스템은 상이한 좌표계들 사이에서 단일 물체를 정렬하는 기하학적 변환을 알아낸다. 예를 들어, 환자의 특정 해부학적 위치는 CT 모델 좌표와 EM 센서 좌표에서 두 가지 다른 표현을 가진다. 이러한 좌표 시스템들 간에 일관성 및 공통 언어를 확립할 수 있으려면, 시스템은 이 두 표현(즉, 등록)을 연결하는 변환을 찾아야 한다. 즉, EM 필드 발생기의 위치에 대한 EM 추적자의 위치는 대응하는 3차원 모델에서 위치를 격리하기 위해 3차원 좌표계에 맵핑될 수 있다.
일부 실시예에서, 등록은 여러 단계로 수행될 수 있다. 도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 등록 프로세스에 대한 흐름도이다. 시작하기 위해, 단계 3101에서, 작동자는 우선 로봇 카테터의 작동 단부를 공지된 시작 위치에 위치시켜야 한다. 카테터 카메라의 비디오 이미지 데이터를 사용하여 시작 위치를 확인할 수 있다. 초기 위치 설정은 카테터의 작동 단부에 위치한 카메라를 통해 해부학적 특징을 확인함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 기관지 내시경 검사에서 왼쪽 및 오른쪽 폐에 대한 2개의 주요 기관지를 위치시킴으로써 구별되는 기관의 베이스을 위치시킴으로써 등록이 수행될 수 있다. 이 위치는 카테터의 말단부에서 카메라에 의해 수신된 비디오 이미지를 사용하여 확인될 수 있다. 일부 실시예에서, 비디오 데이터는 환자의 신체 구조의 미리 생성된 컴퓨터 모델의 상이한 단면도와 비교될 수 있다. 단면도를 통해 정렬함으로써, 시스템은 차이, 또는 "오류"가 가장 적은 단면과 연관된 위치를 식별하여 "매치(match)"를 찾을 수 있다.
단계 3102에서, 작동자는 이미 맵핑된 독특한 해부학 공간으로 로봇 카테터를 "구동" 또는 "연장"할 수 있다. 예를 들어, 기관지 내시경 검사에서, 기관은 기관 베이스에서 독특한 기관지 경로로 카테터를 움직일 수 있다. 기관의 베이스는 2개의 기관지로 나뉘어 있기 때문에, 작동자는 로봇 카테터를 하나의 튜브로 구동하고 EM 추적기를 사용하여 로봇 카테터의 작동 단부를 추적할 수 있다.
단계 3103에서, 작동자는 로봇 카테터의 상대 이동을 모니터링한다. 로봇 카테터의 모니터링은 EM 추적기 또는 형광 투시법을 사용하여 로봇 카테터의 상대적인 이동을 결정할 수 있다. 로봇 카테터의 작동 단부의 상대 변위 평가는 수술 전 CT 스캔 데이터에서 생성된 컴퓨터 모델과 비교될 수 있다. 일부 실시예에서, 상대 이동은 컴퓨터 모델의 중심선과 매칭될 수 있으며, 변환 매트릭스가 최소 에러로 유도하는 것은 정확한 등록이다. 일부 실시예에서, 시스템 및 작동자는 가속도계 및/또는 자이로스코프(후술됨)로부터 삽입 데이터(후술됨) 및 방향 데이터를 추적할 수 있다.
단계 3104에서, 작동자는 위치 데이터를 비교하고 분석하기 전에 더 많은 해부학적 공간(3102)으로 이동하고 더 많은 위치 정보를 수집하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 기관지 내시경 검사에서, 작동자는 하나의 기관지 튜브에서 카테터를 회수하여 기관 튜브를 뒤로 밀고 더 많은 위치 데이터를 수집하기 위해 카테터를 다른 기관지로 이동시킨다. 충족될 경우, 작동자는 구동을 멈추고(3102) 위치 데이터를 모니터링하고(3103) 데이터 처리를 진행할 수 있다.
단계 3105에서, 시스템은 수집된 위치 데이터를 분석하고 환자의 해부체 내의 카테터의 변위를 모델에 등록하기 위해 데이터를 미리 생성된 컴퓨터 모델과 비교할 수 있다. 따라서 환자의 해부체에서의 이동을 환자의 해부체의 3차원 모델과 비교하여 시스템은 3차원 컴퓨터 모델과 환자 해부학적 공간인 두 공간 모두에 대해 추적기를 등록할 수 있다. 분석 후에, 등록 프로세스는 완료될 수 있다(3106).
일부의 경우에는, 로봇 카테터의 방향을 확인하기 위해 "롤 등록(roll registration)"을 수행할 필요가 있을 수 있다. 이것은 등록되지 않은 해부학 공간으로 들어가기 전에 단계 3101에서 특히 중요할 수 있다. 기관지 내시경 검사에서적절한 수직 방향은 작동자가 오른쪽과 왼쪽 기관지를 구별할 수 있다. 예를 들어, 기관 베이스 내에서, 좌측 및 우측 기관지의 이미지는 카메라가 0도 또는 180도를 지향하는지 여부에 관계없이 매우 유사하게 보일 수 있다. 로봇 카테터의 기구학적 구조가 전형적으로 환자 내에서의 굴곡진 경로의 탐색 중에 약간의 회전을 초래하기 때문에 롤 등록이 중요할 수도 있다.
롤 등록은 작동 채널이 센서에 의해 점유될 수 있는 경우 수술 위치에서 중요할 수 있다. 예를 들어, 단 하나의 작동 채널을 갖는 실시예에서, 수술 부위에 도달하면, 의사는 그래스터(grasper) 또는 포셉과 같은 다른 툴을 사용하기 위해 로봇 카테터로부터 EM 트래커를 제거할 필요가 있을 수 있다. 그러나 제거 시 시스템은 EM 추적기 없이 현지화 기능을 잃을 수 있다. 따라서, 수술 영역을 떠날 준비가 될 경우, EM 추적기를 삽입하면 적절한 방향을 보장하기 위해 롤 등록이 다시 수행되어야 할 수도 있다.
일부 실시예에서, 로봇 카테터의 회전은 장치의 원위 작동 단부 내에 장착된 가속도계를 사용하여 추적될 수 있다. 카테터에서 중력을 감지하기 위해 가속도계를 사용하면 로봇 카테터의 위치와 관련된 정보가 제공된다. 카테터에 상대적인 지면의 위치는 특정한 모호성을 해결하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 기관지 내시경에서 카테터의 말단 카메라의 방향(0도 또는 180도)을 알면 시작 시 적절한 기관지 결정에 도움이 된다. 탐색 중, 가속도계의 데이터는 중력의 방향 및 방향을 추적하기 위해 컨트롤 콘솔에 표시된 카메라 이미지를 자동 수정하여 표시된 이미지가 항상 수직으로 향하게 할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가속도계를 갖는 3-축 MEMS-기반 센서 칩은 카테터의 팁 부근에서 디지털 카메라와 동일한 인쇄 회로 기판 상에 결합될 수 있다. 가속도계는 세 개의 다른 축을 따라 선형 가속도를 측정하여 카테터 팁의 속도와 방향을 계산한다. 또한 가속도계는 중력의 방향을 측정하므로 카테터의 방향에 대한 절대적인 정보를 제공한다. 가속도계 판독값은 I2C와 같은 통신 프로토콜을 통해 디지털 또는 아날로그 신호를 사용하여 전송된다. 신호는 배선을 통해 카테터의 근위 단부로 전달될 수 있으며, 이는 처리를 위해 시스템 카트 및 명령 모듈로 전달될 수 있다.
3-축 센서에서, 가속도계는 카테터에 대한 지면의 위치를 결정할 수 있다. 카테터가 회전하지 않거나 90도까지 구부리지 않으면 2축 가속도계가 유용할 수도 있다. 대안적으로, 가속도계의 축이 중력의 방향에 수직으로, 즉 지면에 수직으로 유지되는 경우, 1-축 센서가 유용할 수 있다. 또는 회전 속도를 측정하기 위해 자이로스코프를 사용할 수 있으며, 이를 카테터의 관절을 계산하는 데 사용할 수 있다.
일부 실시예는 가속도계로부터의 임의의 방향 판독을 보완하기 위해 가속도계와 함께 EM 추적기를 사용한다. 일부 실시예에서, 로봇 카테터를 추적하기 위해 형광 투시법을 사용하여 등록 프로세스를 보완할 수도 있다. 당업계에 공지된 바와 같이, 형광 투시법은 X선을 사용하여 형광 투시 장치의 사용을 통해 환자의 내부 구조의 실시간 동영상을 얻는 이미징 기술이다. 형광 투시법에 의해 생성된 2차원 스캔은 특정 상황에서의 국부화(예를 들어, 관련된 기관지의 식별)를 도울 수 있다.
형광 투시법을 이용한 추적은 카테터상의 복수의 방사선 불투과성 마커를 사용하여 수행될 수 있다. 카테터의 많은 기능은 카메라 머리, 제어 링 및 풀 와이어를 포함하여 x-선으로 자연적으로 불투명하다. 따라서, 카테터의 금속성 구성 요소와 함께 마커 위치는 3차원 변환 매트릭스를 얻기 위해 사용될 수 있다. 등록이 이루어지면 지점 위치를 감지하는 시각적 이미지가 3차원 모델과 정확하게 연관될 수 있다. 또한, 3차원의 전체 가지 길이와 분기 위치를 지도에서 측정하고 향상시킬 수 있다.
센서 기반 접근법과 대조적으로, 비전 기반 추적은 말단 장착 카메라에 의해 생성된 이미지를 사용하여 로봇 카테터의 위치를 결정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 기관지 내시경에서, 특징 추적 알고리즘은 기관지 경로에 대응하는 원형 구조를 식별하고 그 지형의 이미지에서 이미지로의 변화를 추적하는 데 사용될 수 있다. 이미지 간에 이동할 때 이러한 피쳐의 방향을 추적함으로써 시스템은 카메라의 상대적인 회전 및 병진 이동뿐만 아니라 선택된 분기를 결정할 수 있다. 기관지 경로의 위상 지도를 사용하면 시력 기반 알고리즘을 더욱 향상시킬 수 있다.
특징 기반 추적 이외에도, 광학 흐름과 같은 이미지 프로세싱 기술이 또한 기관지 내시경에서기도 위상의 가지를 식별하는데 사용될 수 있다. 광학 흐름은 비디오 시퀀스에서 한 이미지에서 다른 이미지로의 이미지 픽셀의 변위이다. 기관지 내시경과 관련하여 스코프 팁에서 수신된 카메라 이미지의 변화를 기반으로 스코프 팁의 이동을 추정하는 데 광학 흐름을 사용할 수 있다. 구체적으로, 일련의 비디오 프레임에서, 각 프레임은 한 프레임에서 다음 프레임으로의 픽셀의 변환을 검출하기 위해 분석될 수 있다. 예를 들어, 주어진 프레임의 픽셀이 다음 프레임의 왼쪽으로 이동하는 것으로 보이는 경우 알고리즘은 카메라와 범위의 끝이 오른쪽으로 이동했다고 추론한다. 많은 반복에 걸쳐 많은 프레임을 비교함으로써 스코프의 이동(결국, 위치)이 결정될 수 있다.
단안 영상 캡쳐와 대조적으로 입체 영상 캡쳐가 가능할 경우, 광학 흐름 기술을 사용하여 해부학적 영역의 기존 3차원 모델을 보완할 수도 있다. 입체적인 이미지 캡쳐를 사용하여, 2차원 캡쳐된 이미지의 픽셀의 깊이가 결정되어 카메라 뷰에서 대상물의 3차원 맵을 형성할 수 있다. 해부학적 내강 내에서 이동하도록 추정하는 이 기술을 통해 시스템은 환자의 해부체 내부를 탐색하면서 카테터 주변의 주변 환경에 대한 3차원 지도를 개발할 수 있다. 이 지도는 모델에 데이터가 누락되거나 품질이 낮은 사전 결정된 3차원 컴퓨터 모델을 확장하는 데 사용될 수 있다. 입체 카메라 장치 이외에도 깊이 센서 또는 특정 조명 구성과 RGB-D 센서 또는 구조 조명과 같은 이미지 캡처 기술을 사용해야 할 수도 있다.
추적 방법에 관계없이, 센서 기반 또는 시각 기반 트래킹 방법은 로봇 카테터 자체로부터의 데이터를 사용함으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 로봇 카테터(200)에서, 쉬스(201) 및 리더(205)의 상대적인 삽입 길이는 (기관지 내시경의 경우) 기관 내의 공지된 개시 위치로부터 측정될 수 있다. 상대 삽입 길이와 환자의 기관지 트리의 3차원 모델의 중심선을 사용하여 시스템은 로봇 카테터가 지점에 위치하고 거리가 아래로 이동했는지 여부를 결정한 후 작동 단부 위치를 대략적으로 추정할 수 있다. 로봇 카테터로부터의 다른 제어 정보, 예컨대 카테터 장치 연결, 롤 또는 피치 및 요잉(yaw)이 사용될 수도 있다.
상이한 촬상 양상들에 기초한 실시간 이미징은, 특히 수술 부위에서의 탐색을 더욱 향상시킬 것이다. 수술 부위에 대한 러프 탐색을 추적하는 것이 도움이 될지라도, 병변 생검을 시도할 때와 같이 더욱 정확한 취급이 필요할 때 추가적인 양식이 유용할 수 있다. 형광 영상, 근적외선 영상, 산소 센서, 분자 바이오 마커 영상 및 대비 염료 영상과 같은 이미징 툴은 컴퓨터 모델에서 병변의 정확한 좌표를 찾아 내고 수술 부위에서 생검 바늘을 조작하는 데 도움이 될 수 있다. 정확한 위치가 없는 경우 로봇 카테터를 사용하여 수술 부위의 전체 부위를 알려진 깊이에서 생검하여 병변의 조직을 채취할 수 있다.
일부의 경우, 분할된 CT 스캔 및 그에 따른 컴퓨터 모델은 (폐 기관 검사와 관련하여) 폐의 말초에 가지를 나타내지 않는다. 이것은 스캔 중 기도의 팽창이 불충분하거나 또는 가지의 크기가 CT 스캔의 해상도(통상적으로 1 밀리미터 정도)보다 낮기 때문일 수 있다. 실제로 로봇 시스템은 맵핑되지 않은 분기의 위치와 위치 및 방향을 지시하여 수술 중에 컴퓨터 모델을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 토폴로지 구조는 의사가 자신의 위치를 표시하고 그 주변 브랜치를 검사하기 위해 동일한 위치로 복귀하도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 카테터 카메라는 캡쳐 이미지에 기초하여 브랜치의 직경 및 형상을 측정할 수 있으며, 이들 브랜치가 위치 및 방향에 기초하여 맵핑되게 한다.
내강경 수술.
도 32a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 로봇 카테터의 말단부를 도시한다. 도 32A에서, 샤프트(3201)를 포함하는 로봇 카테터(3200)는 해부학적 내강(3202)을 통해 수술 부위(3203)를 향해 탐색하는 것으로 도시되어 있다. 탐색 중에, 샤프트(3201)는 관절 연결되지 않을 수 있다.
도 32b는 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용하는 도 32a의 로봇 카테터를 도시한다. 수술 부위(3203)에 도달하면, 샤프트(3201)와 종방향으로 정렬된 원위 리더 섹션(3204)이 화살표(3205)로 표시된 방향으로 샤프트(3201)로부터 연장될 수 있다. 원위 리더 섹션(3204)은 또한 수술 위치(3203)를 향하여 툴을 지향시키도록 관절 연결될 수 있다.
도 32c는 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용하는 도 32b의 로봇 카테터를 도시한다. 수술 부위가 생검의 병변을 포함하는 경우에, 원위 방향의 종단 부분(3204)은 화살표(3206)로 표시된 방향으로 관절 연결되어 수술 부위(3203)에서 병변을 표적하기 위한 흡인침(3207)을 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 수술 중 평가 목적으로 해부학적 조직 검체를 제거하기 위해 생검 포셉를 직접 연결할 수 있다. 엔드 이펙터의 활성화를 위해, 로봇 카테터(3200)는 생검 포셉에 작동 가능하게 결합된 텐던을 포함할 수 있다.
도 33a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 말단 굴곡 부분에 결합된 로봇 카테터를 도시한다. 도 33a에서, 샤프트(3301), 굴곡 부분(3302) 및 포셉(3303)을 포함하는 로봇 카테터(3300)가 해부학적 내강(3304)을 통해 수술 부위를 향해 탐색하는 것으로 도시되어 있다. 탐색하는 동안, 샤프트(3301) 및 말단 굴곡 부분(3302)은 모두 도 33a에 도시된 바와 같이 비관절형일 수 있다. 굴곡 부분(3302)의 구조, 구성, 기능 및 사용은 2014년 3월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/201,610호 및 2014년 9월 5일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/479,095호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 참조로서 인용된다.
일부 실시예에서, 굴곡 부분(3302)은 샤프트(3301)와 종방향으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 굴곡 부분(3302)은 샤프트(3301)의 오프-축(off-axis)(중심축)인 작동 채널을 통해 전개되어, 샤프트(3301)의 원위 단부에 위치한 카메라를 불명료하게 하지 않고 작동하도록 굴곡 부분(3302)을 제공한다. 이러한 구성은 작동자가 샤프트(3301)가 고정된 채로 굴곡 부분(3302)를 관절화하기 위해 카메라를 사용할 수 있게 한다.
다른 실시예와 유사하게, 굴곡 부분(3302)의 말단부에서 사용하기 위해 굴곡 부분(3302)에서 작동 채널을 통해 포셉(3303)과 같은 다른 툴이 전개될 수 있다. 다른 시나리오에서, 그래스퍼, 메스, 바늘 및 프로브는 굴곡 부분(3302)의 원위 단부에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서와 같이, 로봇 카테터(3300)에서, 굴곡 부분의 말단 단부의 툴은 다중 치료를 하나의 수술로 수행하기 위해 수술 중에 대체될 수 있다.
도 33b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 포셉 툴을 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다. 해부학적 관강(3304)을 통한 로봇 카테터(3300)의 탐색은 상술한 다양한 탐색 기술에 의해 안내될 수 있다. 로봇 카테터(3300)가 수술 부위(3306)에서 원하는 위치에 도달하면, 굴곡 부분(3302)은 화살표(3305)의 방향으로 관절 연결로 움직여서 수술 부위(3306)를 향해 포셉(3303)을 향하게 할 수 있다. 포셉(3303)을 사용하여, 로봇 카테터(3300)는 수술 부위(3306)의 조직의 생검을 수행할 수 있다.
도 33c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해부학적 내강 내의 수술 부위에서 사용되는 레이저 장치를 구비하는 도 33a의 로봇 카테터를 도시한다. 수술 부위(3306)에 도달하면, 로봇 카테터(3300)의 굴곡 부분(3302)은 굴절될 수 있고 레이저 툴(3307)은 샤프트(3301) 및 굴곡 부분(3302)의 작동 채널을 통해 전개될 수 있다. 일단 배치되면, 레이저 툴 절단, 관통, 절개, 절개 또는 비표면 조직의 접근을 목적으로 레이저 방사선(3308)을 방출하는 수술 부위(3306)를 포함한다.
명령 콘솔.
도 1의 시스템(100)과 관련하여 논의된 바와 같이, 명령 콘솔의 실시예는 작동자, 즉 의사가 인체 공학적 위치로부터 로봇 카테터 시스템을 원격 제어할 수 있게 한다. 바람직한 실시예에서, 명령 콘솔은 (i) 작동자가 로봇 카테터를 제어할 수 있게 하고, (ii) 인체 공학적 위치로부터 탐색 환경을 표시하는 사용자 인터페이스를 이용한다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템을 위한 명령 콘솔을 도시한다. 도 34에서, 명령 콘솔(3400)은 베이스(3401)와, 모니터(3402)와 같은 디스플레이 모듈과, 키보드(3403) 및 조이스틱(3404)과 같은 제어 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 명령 모듈 기능은 도 1의 시스템(100)의 시스템 카트(101)와 같은 기계식 암을 구비한 시스템 카트에 통합될 수 있다.
베이스(3401)는 중앙 처리 유닛, 메모리 유닛, 데이터 버스, 및 로봇 카테터로부터 카메라 이미지 및 트래킹 센서 데이터와 같은 신호를 해석하고 처리하는 것을 담당하는 관련 데이터 통신 포트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 해석 및 처리 신호의 부담은 연관된 시스템 카트와 명령 콘솔(3400) 사이에 분배될 수 있다. 또한, 베이스(3401)는, 예를 들어, 도면 번호 3403 및 3404와 같은 제어 모듈을 통해 작동자(3405)로부터 명령 및 지시를 해석하고 처리하는 것을 담당할 수 있다.
제어 모듈은 오퍼레이터(3405)의 명령을 캡처하는 역할을 한다. 도 34의 키보드(3403) 및 조이스틱(3404)에 추가하여, 제어 모듈은 컴퓨터 마우스, 트랙 패드, 트랙볼, 제어 패드 및 비디오 게임 제어기를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 당업계에 공지된 다른 제어 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 손 제스처 및 손가락 제스처는 또한 시스템에 제어 신호를 전달하기 위해 포착될 수 있다.
일부 실시예에서, 다양한 제어 수단이 있을 수 있다. 예를 들어, 로봇 카테터에 대한 제어는 "속도 모드" 또는 "위치 제어 모드"에서 수행될 수 있다. "속도 모드"는 조이스틱(3404)과 같은 직접 수동 제어에 기초하여 로봇 카테터의 말단부의 피치 동작 및 요 동작을 직접 제어하는 것으로 이루어진다. 예를 들어, 조이스틱(3404) 상의 우측 및 좌측 동작은 편향 및 피치 이동 로봇 카테터의 말단부에 있다. 조이스틱의 햅틱 피드백은 "속도 모드"에서 제어 기능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 진동이 조이스틱(3404)으로 다시 전송되어 로봇 카테터가 특정 방향으로 더 관절 또는 롤링할 수 없음을 통신할 수 있다. 대안적으로, 팝업 메시지 및/또는 오디오 피드백(예를 들어, 비핑(beeping))은 또한 로봇 카테터가 최대 관절 운동 또는 롤에 도달했다는 것을 통신하는데 사용될 수 있다.
"위치 제어 모드"는 환자의 3차원 지도에서 위치를 식별하고 미리 결정된 컴퓨터 모델에 기초하여 식별된 위치로 카테터를 로봇식으로 조종하기 위해 시스템에 의존하는 것으로 구성된다. 환자의 3차원 맵핑에 의존하기 때문에, 위치 제어 모드는 환자의 해부학적 구조를 정확하게 맵핑해야 한다.
커맨드 모듈(3401)을 사용하지 않고, 시스템은 또한 수동 작동자에 의해 직접 조작될 수 있다. 예를 들어, 시스템 설치 중에 의사와 보조원은 환자와 수술실 주변에 장비를 배치하기 위해 기계식 암과 로봇 카테터를 움직일 수 있다. 직접 조작 중에 시스템은 적절한 장비 방향을 결정하기 위해 인력 작동자의 힘 피드백 및 관성 제어에 의존한다.
디스플레이 모듈(3402)은 고글 또는 안경과 같은 모니터, 가상 현실 관찰 장치 또는 로봇 카테터 내의 시스템 및 카메라에 관한 시각 정보의 다른 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 모듈 및 디스플레이 모듈은 태블릿 또는 컴퓨터 장치의 터치 스크린과 같이 결합될 수 있다. 결합된 모듈에서, 작동자(3405)는 로봇 시스템에 명령을 입력할뿐만 아니라 시각적 데이터를 볼 수 있다.
다른 실시예에서, 디스플레이 모듈은 바이저 또는 고글 배열과 같은 입체 장치를 사용하여 3차원 이미지를 표시할 수 있다. 3차원 이미지를 사용하여, 작동자는 환자의 조직의 3차원 컴퓨터 생성 모델의 내부의 가상 환경인 컴퓨터 모델의 "엔도 뷰(endo view)"를 관찰하여 환자 내에서 장치의 예상 위치를 추정할 수 있다. "엔도 뷰"와 실제 카메라 이미지를 비교함으로써, 의사는 정신적으로 자신의 방향을 잡고 로봇 카테터가 환자의 올바른 위치에 있는지 확인할 수 있다. 이것은 작동자에게 로봇 카테터의 말단부 주위의 해부학적 구조에 대한 더 나은 감각을 줄 수 있다.
바람직한 실시예에서, 디스플레이 모듈(3402)은 모델을 통해 미리 생성된 3차원 모델, 미리 결정된 최적의 탐색 경로 및 해부학의 CT 스캔을 동시에 로봇 카테터의 원위 단부의 현재 위치에서 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 카테터의 모델은 수술의 상태를 더욱 명확히 하기 위해 환자의 해부학의 3차원 모델로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 생검이 필요할 수 있는 CT 스캔에서 병변이 확인되었을 수 있다.
작동 중에, 로봇 카테터의 말단부에 있는 카메라 수단 및 조명 수단은 작동자를 위한 디스플레이 모듈에서 기준 이미지를 생성할 수 있다. 따라서, 조이스틱(3404)에서 로봇 카테터의 말단부의 굴절 및 롤링을 야기하는 방향은 말단부의 바로 앞에 해부학적 특징의 이미지를 생성한다. 조이스틱(3404)을 위로 향하게 하면 카메라로 로봇 카테터의 말단부의 피치가 올라가고, 조이스틱(3404)을 내리면 피치가 감소할 수 있다.
디스플레이 모듈(3402)은 작동자의 세팅 및 특정 수술에 따라 로봇 카테터의 상이한 뷰를 자동적으로 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 필요한 경우, 카테터의 평면 투시도가 작동 영역에 접근함에 따라 최종 탐색 단계 동안 디스플레이될 수 있다.
혈관 수술을 위한 가상 레일.
도 35a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템의 등각도를 도시한다. 도 35a에 도시된 바와 같이, 시스템(3500)은 수술용 테이블(3505)에 작동 가능하게 연결된 3개의 기계식 암(3502, 3503 및 3504)의 카테터 장치(3501) 사용을 전달한다. 대퇴 동맥의 삽입 지점 기계식 암(3502, 3503, 및 3504)에서, 시스템(3500)은 카테터 장치(3501)를 가상 레일로 구성하여 환자(3506)의 대퇴 동맥 및 나머지 혈관 시스템에 접근할 수 있다. 대퇴 동맥 내에서, 환자의 심장과 같은 환자의 혈관 시스템의 나머지 부분에서 관절로 연결되고 "구동"되어야 한다.
도 35b는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 카테터 시스템(3500)의 평면도를 도시한다. 도 35a에 도시된 바와 같이, 기계식 암(3502, 3503 및 3504)은 환자(3506)의 좌측 다리 위의 카테터 장치(3501)를 위한 가상 레일을 생성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 기계식 암 시스템의 가요성은 삽입 지점(3507)으로의 접근을 가능케 한다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따라, 가상 레일의 각도가 크게 증가된 로봇 카테터 시스템의 등각도를 도시한다. 기계식 암을 사용함에 따라, 본 발명은 작동자의 적용, 수술 및 요구에 따라 더 큰 삽입 각을 허용한다. 도 36에 도시된 바와 같이, 시스템(3600)은 환자(3606)와 함께 수술 베드(3605)에 작동 가능하게 결합된 3개의 기계식 암(3602,3603,3604)을 포함할 수 있다. 카테터(3601)는 가상 레일에서 환자의 우측 다리(3607) 내의 환자의 대퇴 동맥에 정렬될 수 있다. 이러한 배치에서, 장치(3601)와 환자의 다리(3607) 사이의 각도는 45도를 초과할 수 있다.
로봇 제어의 도움으로, 삽입 궤도가 시작부터 끝까지 다를 수 있도록, 수술 중 각도가 변경될 수도 있다. 수술 중 삽입 궤도를 변경하면 수술실 배치를 더욱 유연하게 조정할 수 있다. 예를 들어, 낮은 초기 삽입 각도에 유리할 수 있다. 그러나, 수술이 진행됨에 따라 작동자가 환자와 로봇 시스템 사이에 추가 간격을 제공하기 위해 각도를 늘리는 것이 더 편리할 수 있다.
다중 레일 구성에 추가하여, 시스템의 기계식 암의 사용은 추가적인 이점을 제공한다. 현재의 가요성 카테터 기술에서, 가요성 카테터는 카테터 삽입시 종종 저항을 경험한다. 카테터의 굴곡성과 결합된 이러한 저항은 카테터를 환자 몸으로 "밀어 넣는" 삽입에서 환자에게 카테터 외부의 바람직하지 않은 굴곡, 즉 "버클링"을 야기한다. 이 "버클링" 현상은 전형적으로 삽입 지점에 카테터를 수동으로 끼워 넣음으로써 해결될 수 있으며, 이로 인해 작동자에게 추가적인 노동력이 소요된다. 또한, "버클링" 현상으로 인한 카테터의 지지되지 않은 외부 부분은 바람직하지 않다. 토크 감지 알고리즘 및 메커니즘은 힘 측정이 고유한 표시를 가질 수 있으므로 외부 힘 입력에 추가하여 버클링의 인스턴스를 식별하는 데 사용될 수 있다.
도 37a-37d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계식 암의 사용이 카테터 버클링 및 소요된 길이를 감소시키는 혈관 시술의 일련의 평면도이다. 도 37a에 도시된 바와 같이, 시스템(3700)은 환자(3707)와 함께 수술 베드(3706)에 작동 가능하게 결합된 4개의 기계식 암(3702, 3703, 3704 및 3705)의 사용을 통합한다. 도 37a에 도시된 바와 같이, 암은 카테터 장치(3701)를 환자(3707)의 우측 다리의 대퇴 동맥에 삽입 지점(3708)을 갖는 가상 레일로 정렬시키는데 사용될 수 있다.
암(3702 및 3703)은 카테터(3701)의 툴 베이스(3709 및 3710)를 구동함으로써 카테터 장치(3701)를 구동할 수 있다. 툴 베이스(3709 및 3710)는 아래에 설명된 직접 구동 방법을 포함하는 여러 가지 방법을 사용하여 "구동"될 수 있다. 암의 플랜지 지점(3704, 3705)에서의 메커니즘은 버클링을 감소시키고 낭비되는 길이를 감소시키기 위해 카테터 장치(3701)를 지지하는데 사용될 수 있다. 플랜지 지점(3711, 3712)은 수동 또는 직접 구동 수단을 통해 카테터(3707)를 지지할 수 있다. 수동 지지에서, 플랜지 지점(3711 및 3712)은 단순한 루프, 홈, 방향 전환 표면 또는 수동 회전 표면(즉, 바퀴 또는 롤러)을 사용할 수 있다. 도 37a에 도시된 바와 같이, 플랜지 지점(3711, 3712)은 카테터(3701)에 수동적 "안티-버클링" 지지를 제공한다. 수동 지지에서, 암(3704, 3705)은 대체로 굽혀지는 카테터 장치(3701)를 지지하도록 가상 레일을 따라 이동한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 암(3704 및 3705)은 환자의 신체 및 툴 베이스로부터 항상 동일한 거리를 유지하도록 구성된다.
도 37b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 시스템(3700)을 사용하는 도 37a의 혈관 시술의 평면도이다. 도 37b에 도시된 바와 같이, 카테터(3701)가 환자(3707)의 대퇴 동맥 내로 추가 삽입될 때, 지지 암(3705)은 카테터(3701)를 환자에게 삽입하기 위한 틈새를 제공하도록 수축될 수 있다. 따라서, 암(3705)은 카테터(3701)가 처음 삽입될 때 "안티-버클링" 지지를 제공할 수 있고, 카테터(3701)의 확장이 필요할 때 제거될 수 있다. 이 가요성은 카테터(3701)에 대한 향상된 제어를 제공하고 카테터(3701)을 따라 "낭비되는 길이(wasted length)"를 줄인다.
도 37c는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(3700)을 사용하는 혈관 시술의 또 다른 평면도를 도시한다. 도 37c에 도시된 바와 같이, 카테터(3701)가 삽입 지점(3708)을 통해 다시 환자의 대퇴 동맥 내로 삽입될 때, 지지 암(3704)은 또한 카테터(3701)를 환자(3707)에 삽입하기 위한 틈새를 제공하도록 수축될 수 있다. 필요한 경우 "안티-버클링" 지지를 제공하고, 카테터(3701)를 추가로 연장시킬 때 수축될 수 있다.
능동 지지에서, 기계식 암(3704 및 3705) 상의 플랜지 지점은 파지기 또는 능동 회전 표면(즉, 휠 또는 롤러)과 같은 전동 또는 기계 구동 시스템일 수 있다. 일부 실시예에서, 플랜지 포인트는 수동 지지의 경우에 항상 조정되는 것과 달리 정지 상태로 유지될 수 있다.
도 37d는 본 발명의 실시예에 따라, 암의 플랜지 지점에서 전동된 롤러의 사용을 통해 기계식 암이 능동적인 구동 지지를 제공하는 혈관 시술의 평면도이다. 구체적으로, 도 37d는 플랜지 지점(3711 및 3712)에서의 수동 지지 시스템이 롤러(3713 및 3714)와 같은 능동 구동 메커니즘으로 대체되는 도 37a 내지 도 37c의 시스템(3700)의 사용을 도시한다. 도 37d에 도시된 바와 같이, 능동 구동 메커니즘(3713 및 3714)은 안티-버클링을 방지하기 위한 기계화된 지지를 제공한다. 일부 실시예에서, 롤러의 각속도는 적절한 삽입 속도 및 제어를 보장하기 위해 툴 베이스(3709 및 3710)에 대한 구동 제어와 동기화될 수 있다. 부가적으로, 의사의 푸싱 동작을 재현하기 위해, 능동 구동 메커니즘(3713 및 3714)은 삽입 지점에 가능한 한 가깝게 위치된다. 카테터(3701)가 환자 내로 연장됨에 따라, 암(3703, 3704)은 카테터(3701)로부터 최대 연장 길이를 얻기 위해 필요에 따라 후퇴될 수 있다.
실시예가 대퇴 동맥에 대한 접근과 관련하여 논의되었지만, 대퇴 정맥 및 복재 정맥에 접근하기 위해 매우 유사한 기계식 암 배열이 구성될 수 있다.
본 발명의 가요성은 환자의 혈관 시스템 내의 상이한 지점에 대한 접근을 필요로 하는 다양한 혈관 과정을 허용한다. 또한, 도 38a 및 도 38b는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 경동맥에 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다. 구체적으로, 도 38a는 카테터가 경동맥에 삽입될 수 있는 혈관 시술의 등각도를 도시한다. 도 38a에 도시된 바와 같이, 시스템(3800)은 수술용 테이블(3804)에 작동 가능하게 결합된 두 개의 기계식 암(3802 및 3803)을 사용하여 카테터(3801)를 전달한다. 기계식 암(3801 및 3802)은 카테터(3801)를 가상 레일로 정렬하여 경동맥의 삽입 지점(3805)과 환자(3806)의 나머지 혈관계로 접근케 할 수 있다.
도 38b는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 시스템(3800)의 평면도를 도시한다. 도 38b에 도시된 바와 같이, 기계식 암(3802 및 3803)은 환자(3806)의 견부 위의 카테터(3801)를 위한 가상 레일을 생성하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 기계식 암(3802 및 3803)의 가요성은 경동맥의 삽입 점(3805)으로의 접근을 가능케 한다.
도 39는 본 발명의 실시예에 따라 로봇 카테터가 상완 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다. 도 39에 도시된 바와 같이, 시스템(3900)은 수술용 테이블(3904)에 작동 가능하게 결합된 두 개의 기계식 암(3902 및 3903)을 사용하여 카테터(3901)를 전달한다. 수술용 테이블(3904)은 좌측 연장부(3906) 및 우측 연장 부(3907)를 포함하며, 이들 모두는 암(3902, 3903)이 연장부를 슬라이딩 가능하게 접근할 수 있게 하는 레일을 포함한다. 이어서, 기계식 암(3902, 3903)은 상완 동맥의 삽입 지점(3905) 및 환자(3908)의 나머지 혈관 계통에 접근하기 위해 가상 레일로 카테터(3901)를 정렬할 수 있다.
도 40a 및 도 40b는 본 발명의 일 실시예에 따라 로봇 카테터가 요골 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 수술을 도시한다. 구체적으로, 도 40a는 카테터가 요골 동맥 내로 삽입될 수 있는 혈관 시술의 등각도를 도시한다. 도 40a에 도시된 바와 같이, 시스템(4000)은 수술용 테이블(4004)에 작동 가능하게 결합된 두 개의 기계식 암(4002 및 4003)을 사용하여 카테터(4001)를 전달한다. 기계식 암(4002 및 4003)은 카테터(4001)를 가상 레일로 정렬시켜, 동맥 및 환자(4006)의 혈관 시스템의 나머지 부분들의 삽입 지점(4005)에 접근할 수 있다.
도 40b는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 시스템(4000)의 평면도이다. 도 40b에 도시된 바와 같이, 기계식 암(4002 및 4003)은 환자(4006)의 손목 위의 카테터(4001)를 위한 가상 레일을 생성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 기계식 암(4002 및 4003)의 가요성은 요골 동맥에서 삽입 지점(4005)으로의 접근을 가능케 한다.
따라서, 다양한 환자 액세스 포인트를 필요로 하는 다양한 수술을 가능하게 하는 "가상 레일(virtual rail)"을 형성하기 위해 다수의 암 및/또는 플랫폼이 이용될 수 있다. 작동 시, 각 플랫폼/암은 비전, 레이저, 기계적, 자기적 또는 단단한 부착을 포함하는 복수의 양식에 의해 달성될 수 있는 다른 것들로 등록되어야 한다. 일 실시예에서, 등록은 기계식 등록을 사용하는 단일 베이스를 갖는 멀티-암 장치에 의해 달성될 수 있다. 기계식 등록에서, 실시예는 단일 베이스에 대한 그들의 위치, 방향 및 배치에 기초하여 암/플랫폼 배치, 위치 및 방향을 등록할 수 있다. 다른 실시예에서, 등록은 개별적인 베이스 등록 및 다수의 로봇 암들 사이의 "손 떨림"을 사용하는 다수의 베이스를 갖는 카트 기반 시스템에 의해 달성될 수 있다. 다중 베이스를 갖는 카트 기반 실시예에서, 상이한 베이스로부터 암을 함께 접촉하고 (i) 물리적 접촉 및 (ii) 이들 베이스의 상대 위치에 기초하여 위치, 방향 및 배치를 계산함으로써 등록이 달성될 수 있다. 침대 또는 테이블 기반 시스템의 등록 기술은 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 등록 타겟은 서로에 대한 암들의 위치 및 방향을 정합시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 등록을 통해, 암 및 기구 구동 메커니즘은 서로 상대적으로 공간에서 계산될 수 있다.
가상 레일 정렬 방법.
도 41은 로봇 수술 시스템의 암들을 정렬하기 위한 방법 4100을 나타내는 흐름도이다. 로봇 수술 시스템의 암은 환자의 수술 전, 도중 또는 후에 방법 4100에 따라 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 암 정렬 방법은 곡선 경로 또는 (예를 들면, Y-형상의) 조인트 경로를 포함하는 구성을 수용하기 위한 오프셋의 사용을 통합할 수 있다.
단계 4110에서, 시스템의 제1 및 제2 로봇 암은 서로 등록될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 서로 등록될 수 있는 제3 로봇 암 또는 추가 로봇 암(들)을 포함할 수 있다.
단계 4120에서, 제1 및 제2 로봇 암, 전형적으로 그들의 툴 베이스는 가상 레일 구성이 되도록 정렬될 수 있다. 일반적으로 로봇 암의 엔드 이펙터, 인터페이스 단부, 장치 조작기 또는 툴 베이스는 가상 레일에 로봇으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 로봇 암 또는 추가 로봇 암(들)은 가상 레일 구성에 있도록 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 환자 접근 점에 환자 인터페이스 장치를 위치시키기 위해 제3 로봇 암이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 로봇 암은 내시경 장치의 작동 채널에서 사용하기 위한 가이드 와이어 또는 툴 조작기를 위치시키는데 사용될 수 있다.
단계 4130에서, 로봇 수술 시스템의 어드미턴스/임피던스 모드가 가능해질 수 있다. 어드미턴스/임피던스 모드는 음성 제어, 조이스틱 제어, 페달 제어, 컴퓨터 장치 제어 등과 같은 임의의 수의 방법으로 가능할 수 있다. 로봇 구성 요소에 대한 어드미턴스 모드는 일반적으로 로봇이 감지된 힘 속도 또는 가속 명령을 포함한다. 로봇 암의 토크 센서 또는 촉각 센서는 암 단부를 밀고 있는 사람과 같은 외부의 힘을 감지하고 로봇을 움직이기 위해 힘 벡터를 명령으로 사용한다. 그러나 우발적인 범프와 같은 의도하지 않은 외부의 힘으로 인해 어드미턴스 모드가 활성화되면 로봇이 움직일 수 있다. 버튼 또는 토글 스위치를 사용하면 어드미턴스 모드를 활성화/비활성화할 수 있지만 사람이 여러 암과 상호 작용하기 어려울 수 있다.
일부 실시예에서, 암에 대한 직접적인 물리적 입력의 사용, 예를 들어 암의 "탭"또는 "푸시"는 또한 어드미턴스 모드를 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 이것은 인간과 로봇의 상호 작용을 단순화하고 더 직관적으로 만들 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 어드미턴스 모드가 비활성화되면, 토크 센서가 입력을 연속적으로 판독하고 기다리는 동안 로봇은 위치를 유지한다. 암에서 더블 탭이 수행되면 탭 신호가 알고리즘에 의해 식별되고 로봇을 어드미턴스 모드로 전환한다.
달리 말하면, 어드미턴스 제어는 로봇으로부터 그의 환경으로의 동적 상호 작용의 제어에 대한 접근법이다. 어드미턴스 제어에서 로봇은 입력으로 힘을 취하고 출력으로 결과 속도 또는 가속도를 계산한다. 어드미턴스 모드의 로봇에 푸시와 같은 외력이 가해지면 제어기는 힘이 최소화될 때까지 로봇이 반대 방향으로 움직이도록 유도한다. 질량, 스프링 및 댐핑과 같은 가상 파라미터는 어드미턴스 제어에서 조정하여 힘과 위치 사이의 관계를 변경할 수 있다.
대조적으로, 임피던스 모드는 어드미턴스 모드의 역이다. 임피던스 모드에서, 로봇 콤포넌트에는 힘 출력을 발생시키는 위치 입력이 있다. 제어 루프는 위치 측정을 사용하여 외력을 출력할지 여부를 결정한다. 예를 들어, 임피던스 모드의 로봇은 벽에 닿을 때까지 앞으로 이동(입력)하고 5뉴턴(힘)의 일정한 힘으로 벽에 닿도록 지시할 수 있다. 임피던스 모드의 로봇에게 추종할 힘 프로파일이 주어지면, 로봇은 그 힘 프로파일을 유지하기 위해 움직일 것이다. 로봇 구성 요소는 어드미턴스 모드에서 적용된 외부 힘을 피하기 위해 멀어지고, 로봇 구성 요소는 임피던스 모드에서 적용된 외부 힘을 유지하기 위해 이동한다.
단계 4140에서, 제1 로봇 암은 제1 로봇 암에서 사용자가 가하는 힘을 검출할 수 있다. 제1 로봇 암은 하나 이상의 링크 및 관절을 포함할 수 있으며; 제1 로봇 암은 조인트에 연결된 토크 센서 또는 링크의 외부 표면 위에 배치됨으로써 링크에 연결된 촉각 및/또는 힘 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암은 그 사이의 링크에 의해 유지되는 일련의 액추에이터를 포함할 수 있으며, 액추에이터, 직렬 체인 암, 로봇 암은 각각의 조인트에서 토크를 감지하고 및/또는 로봇 암을 따라 촉감을 감지할 수 있다. 선택적으로 또는 조합하여, 힘 센서가 툴 베이스, 장치 조작기 또는 제1 로봇 암의 인터페이스 단부에 결합될 수 있다. 제2 로봇 암 등은 제1 로봇 암과 유사할 수 있다.
로봇 암은 외력이 발생하는 곳을 계산하기 위한 알고리즘을 구현하는 제어기에 결합될 수 있다. 촉각 센서를 사용할 때 활성화된 센서는 외력의 위치를 직접 나타낼 수 있다. 조인트에서의 토크 감지를 위해, 알고리즘은 암에 입력 힘이 발생할 수 있는 위치를 계산하기 위해 추정을 수행할 수 있다. 알고리즘은 입력이 슬로우 푸시, 퀵 탭, 쉐이크 또는 풀인지 여부와 같이 주어진 입력 유형을 읽을 수 있다.
단계 4150에서, 제1 로봇 암은 결정된 사용자가 가하는 힘 벡터에 기초하여 통상적으로 자동으로 이동할 수 있다.
단계 4160에서, 제2 로봇 암은 제1 로봇 암과의 가상 레일 정렬을 유지하기 위해 통상적으로 자동 및 동시에 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 로봇 암 또는 추가 로봇 암(들)은 제1 및 제2 로봇 암과의 가상 레일 정렬을 유지하기 위해 통상적으로 자동 및 동시에 이동할 수 있다.
제1, 제2 및 임의의 추가 로봇 암은, X축, Y축 또는 Z축 중 하나 이상을 따라와 같이 이하 및 본 명세서에서 설명되는 많은 방식으로 움직일 수 있거나(이 경우 로봇 암은 동일한 이동 벡터를 가질 수 있음) 가상 레일 라인상의 포인트(이 경우, 로봇 암은 상이한 이동 벡터 및 크기를 가질 수 있음)를 중심으로 피벗 또는 회전할 수 있다. 예를 들어, 그러한 의사를 가진 사용자는 엔드 이펙터들 중 하나를 잡고 이동시킬 수 있고 가상 레일 정렬에 남아있는 엔드 이펙터들의 전체 세트를 이동할 수 있다. 다른 예에서, 로봇 암은 내시경 장치 또는 툴이 환자에게 투여되는 부위가 작동되는 지점을 중심으로 피봇될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 제3 또는 추가 로봇 암을 포함할 수 있고, 로봇 암의 서브 세트(예를 들어, 로봇 암 중 2개)에 인가된 힘은 로봇 암의 전체 세트가 가상 레일 정렬을 유지하는 방식으로 이동되도록 검출될 수 있다. 다른 예시에서, 그러한 의사를 갖는 사용자는 엔드 이펙터 중 2개를 잡고 실질적으로 유사한 이동 벡터로 이들을 X축, Y축 또는 Z축 중 하나 이상에서 각각 병진시킬 수 있으며 나머지 엔드 이펙터는 가상 레일 정렬을 유지하는 방식으로 자동으로 이동된다. 다른 예에서, 의사와 같은 사용자는 두 개의 엔드 이펙터를 잡고 각각 다른 이동 벡터로 그들을 변환할 수 있고 나머지 엔드 이펙터는 가상 레일 정렬을 유지하고 엔드 이펙터를 회전시키는 방식으로 자동으로 움직일 수 있다. 가상 레일에 관한 한 지점 또 다른 예에서, 엔드 이펙터는 그립 및 회전된 엔드 이펙터에 대해 엔드 이펙터의 가상 레일을 회전시키기 위해 잡아서 회전시킬 수 있다. 로봇 암 및 엔드 이펙터의 이동은 시스템이 엔드 이펙터 중 하나가 잡혔음을 검출할 때 병진 이동의 이동일 수 있으며, 로봇 암 및 엔드 이펙터의 이동은 시스템의 회전일 수 있고, 예를 들어, 하나의 엔드 이펙터가 회전될 때, 2개 이상의 엔드 이펙터가 파지되어 변환되는 것을 검출한다.
단계 4170에서, 로봇 수술 시스템의 어드미턴스/임피던스 모드가 비활성화될 수 있다. 어드미턴스/임피던스 모드는 음성 제어, 조이스틱 제어, 페달 제어, 컴퓨터 장치 제어, 센서 판독, 타임 아웃 등과 같은 임의의 수의 방법으로 비활성화될 수 있다. 다른 실시예에서, 어드미턴스/임피던스 모드는 외부에 인가된 힘이 없음을 감지한다. 일부 실시예에서, 어느 한 모드는 힘 임계치의 현저한 증가에 의해 효과적으로 비활성화될 수 있다.
비록 상기 단계들이 많은 실시예들에 따라 로봇 수술 시스템의 암들을 정렬하는 방법 4100을 나타내지만, 당업자는 본 명세서에서 설명된 교시에 기초하여 많은 변형 예들을 인식할 것이다. 단계는 다른 순서로 완료될 수 있다. 단계가 추가되거나 삭제될 수 있다. 일부 단계는 하위 단계를 포함할 수 있다. 많은 단계가 필요한 만큼 또는 반복적으로 반복될 수 있다.
방법 4100의 하나 이상의 단계는 예를 들어, 프로그램 가능 어레이 로직 또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이와 같은 프로세서 또는 로직 회로 중 하나 이상을 사용하여 본 명세서에 기재된 회로로 수행될 수 있다. 회로는 여기에 설명된 제어 콘솔 또는 제어 컴퓨팅 유닛의 구성 요소일 수 있다. 회로는 방법 4100의 하나 이상의 단계를 제공하도록 프로그램될 수 있고, 프로그램은 예를 들면 컴퓨터 판독 가능 메모리 또는 프로그램 가능 어레이 로직 또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이와 같은 논리 회로의 프로그램된 단계에 저장된 프로그램 명령을 포함할 수 있다.
도 42a에 도시된 바와 같이, 제1 로봇 암 툴 베이스(4208) 및 제2 로봇 암 툴 베이스(4210)는 가상 레일(4209)을 형성하도록 정렬될 수 있다. 도 42a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 로봇 암 툴 베이스(4208, 4210)는 가상 레일(4209)을 유지하면서 X-축, Y-축 또는 Z-축 중 하나 이상으로 병진 이동될 수 있다. 제1 및 제2 로봇 암 툴 베이스(4208, 4210) 사이의 거리는 임의의 이동을 통해 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 이동에서, 제1 및 제2 로봇 암의 이동 벡터는 동일하다. 경우에 따라 축방향 거리가 이동하는 동안 증가하거나 감소할 수 있다.
제1 및 제2 로봇 암 툴 베이스들(4208, 4210)은 또한 가상 레일(4209)의 회동(pivoting)을 시뮬레이션하기 위해 상이한 이동 벡터로 이동될 수 있다. 도 42b에 도시된 바와 같이, 가상 레일(4209)은 제1 로봇 암 툴베이스(4208)와 같은 툴 베이스 중 하나를 중심으로 선회할 수 있다. 이러한 경우, 제2 로봇 암 툴 베이스(4210)의 이동 벡터는 최소인 제1 로봇 암 툴 베이스(4210)의 이동 벡터보다 실질적으로 더 클 수 있다. 제1 로봇 암 툴 베이스(4208)는 대안적으로 제2 로봇 암 툴 베이스(4210)를 중심으로 회동할 수 있다.
도 42c에 도시된 바와 같이, 가상 레일(4209)은 제1 및 제2 로봇 암 툴 베이스(4208, 4210) 사이의 가상 레일 라인 상의 피봇점(4213)을 중심으로 회동할 수 있다. 이러한 경우, 2개의 로봇 암 툴베이스(4208,4210) 크기는 비슷하지만 방향이 반대일 수 있다.
도 42d에 도시된 바와 같이, 가상 레일(4209)은 제1 및 제2 로봇 암 툴 베이스(4208, 4210)를 넘어서 가상 레일 라인상의 피벗점(4215)을 중심으로 선회할 수 있다. 그러한 경우, 제2 로봇 암 툴 베이스(4210)의 이동 벡터는 제1 로봇 암 툴 베이스(4208)의 이동 벡터보다 실질적으로 더 클 수 있다. 도 42d에 도시된 바와 같이, 피봇점(4215)은 제1 로봇 암 툴 베이스(4208)의 "좌측"의 가상 레일 선상에 놓인다. 대안적으로, 피봇점(4215)은 제2 로봇 암 툴 베이스(4208)의 "우측"의 가상 레일 상에 놓일 수 있다.
도 42b 내지 도 42d는 가상 레일의 반시계 방향 및 약 30도의 각도로의 회동을 도시하지만, 이러한 회동 방향 및 각도는 단지 예로서 도시된다. 가상 레일은 0도에서 360도 사이의 임의의 각도로 시계 방향으로 선회될 수 있다.
어드미턴스/임피던스 모드.
의사 및 보조자가 수술 업무를 수행하는 수술실에서, 보조자는 통상적으로 의사를 위한 기구를 잡고 있다. 이 기구(예 : 카메라 또는 풀기)는 주기적으로 위치를 변경해야 하므로 고정식 고정 장치로 고정시킬 수 없다. 로봇을 사용하면 보조자의 필요성이 줄어들 수 있지만 조이스틱이나 토글 버튼으로 많은 로봇을 제어하는 것은 직관적이지 않다. 마찬가지로, 로봇에 대한 제어 인터페이스의 불편함 때문에 부분적으로 새로운 환자마다 로봇 시스템을 설치하는 것이 느리다. 본 발명은 직관적이고 용이한 인간-로봇 상호 작용 모드를 생성하기 위해 센서, 제스처 인식 및 어드미턴스/임피던스 제어가 사용되는 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 기대 동작을 명령하기 위해 암에서의 탭, 푸시 또는 당김과 같은 자연적인 사람의 입력을 취하는 로봇의 감지 및 제어를 제공한다. 예를 들어 암의 "팔꿈치(elbow)"(예를 들면, 로봇 암의 조인트)를 두 번 탭하는 것은 "손목(wrist)"은 유지한 채 팔꿈치만을 움직이는 것을 의미할 수 있다. 또 다른 예시에서, "팔뚝(forearm)"(예를 들면 로봇 암의 링크)이 견고하게 고정되고 "손목"(예를 들면, 툴 베이스, 인터페이스 단부 또는 로봇 암의 장치 작동자)이 당겨지면, 팔 위치는 유지한 채 "손목"만을 회전시키는 것을 의미할 수 있다. 세 번째 예시에서, "손목"이 스스로 밀리면 팔 전체가 "손목"의 새로운 위치를 따르는 것을 의미할 수 있다. 로봇은 팔에 터치 입력을 가하는 위치와 방법을 감지하고 이러한 입력(탭, 더블 탭, 잡아 당김(tug), 진동 등)을 사용하여 로봇이 모션 명령으로서 강제 입력을 취하는 제어 방식인 어드미턴스 모드를 활성화함으로써 이를 수행한다. 어떤 관절이 작동될 수 있는지 또는 동작의 가상 한계와 같은 어드미턴스 모드의 동작은 주어진 입력의 유형에 의해 규정된다.
자연적인 입력의 사용은 가상 레일을 조작하는 것 이외의 경우까지 확장될 수 있다. 일 실시예에서, 암이 회동 모드에 있다면, 대략적인 방향으로 강한 당김은 어드미턴스 모드를 토글(toggle)하고 회동 지점을 통과하는 직선을 따라 레일을 후퇴시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 엔드 이펙터 상에 툴이 존재하지 않으면, 의사에 의해 인가된 큰 하향력은 로봇 암을 보관하기 위한 적재 시퀀스로 설정할 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 암을 수용하기 전에 확인을 요청할 수 있다.
일부 실시예들에서, 어드미턴스 모드는 통상적으로 비활성화될 수 있다. 본 개시는 로봇 암의 정밀한 제어를 제공하고 의도하지 않은 외부 교란을 보상할 수 있다. 터치 제스처 또는 입력이 주어지면, 알고리즘은 사용자의 의도를 이해하고 어드미턴스 모드가 의도한 동작과 일치하도록 한다. 이것은 어드미턴스 모드를 토글하는 다른 모드를 대체할 수 있다. 외력이 제거되면 알고리즘은 입력을 감지하지 않고 주어진 대기 시간 후 순간적으로 또는 (가상 감쇠 및 강성 증가에 의해) 점차 어드미턴스 모드를 비활성화한다.
도 43은 로봇 수술 시스템의 로봇 암(들)을 조작하기 위한 방법 4300을 나타내는 흐름도이다. 로봇 수술 시스템의 암은 환자를 수술하기 전, 수술하는 중, 또는 수술한 후에 방법 4300에 따라 조작될 수 있다.
단계 4310에서, 로봇 수술 시스템의 어드미턴스/임피던스 모드가 활성화될 수 있다. 어드미턴스/임피던스 모드는 위에서 설명된 바와 같이 사용자가 로봇 암에 힘을 가하는(즉, 터치 및 접촉하는) 것에 의해 가능해질 수 있다. 대안적으로 또는 조합하여, 어드미턴스/임피던스 모드는 몇 가지 예를 들자면, 로봇 암과 통신하는 풋 페달, 로봇 암과 통신하는 조이스틱, 음성 명령, 검출된 빛, 또는 로봇 암과의 통신하는 컴퓨팅 장치로부터 수신된 사용자 명령에 의해 활성화될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 암의 초기 위치가 기억될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 암은 사용자에 의해 결정된 다수의 위치를 기억할 수 있도록 구성될 수 있다.
단계 4320에서, 로봇 암은 사용자가 터치, 그랩(grap), 탭, 푸쉬, 풀 등과 같은 로봇 암에 가하는 힘을 검출할 수 있다. 로봇 암은 하나 이상의 링크 및 관절을 포함할 수 있으며, 로봇 암은 링크의 외부 표면 위에 배치되는 것과 같이 링크에 연결된 촉각 센서 또는 조인트에 연결된 토크 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암은 그 사이의 링크에 의해 유지되는 일련의 액추에이터를 포함할 수 있으며, 7개의 액추에이터 및 직렬 체인 암을 포함할 수 있고, 로봇 암은 각각의 조인트에서 토크를 감지하고/감지하거나 로봇 암을 따라 촉감을 감지할 수 있다. 대안적으로 또는 조합하여, 힘 센서가 툴 베이스, 장치 조작기 또는 로봇 암의 인터페이스 단부에 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 촉각 센서 및/또는 토크 센서는 또한 로봇의 물리적 상호 작용을 환경과 함께 기록할 수 있다. 예를 들어, 센서는 의사 및 로봇 작동 공간을 결정하고 규정하기 위해 분석될 수 있는 의사의 부주의한 힘(예를 들어, 범핑(bumping))을 포착할 수 있다.
단계 4330에서, 사용자 의도는 검출된 힘에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 로봇 수술 시스템은 인가된 힘이 홀드, 푸시, 당김, 탭, 복수의 탭, 회전, 또는 로봇 암의 부분 또는 전체의 쉐이크 중 하나 이상인지 여부를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출된 힘은 어드미턴스 모드의 온오프를 토글링(toggling)하는 것을 나타낼 수 있다.
로봇 암은 외력이 발생하는 곳을 계산할 수 있는 알고리즘을 구현하는 제어기에 결합될 수 있다. 촉각 센서를 사용할 때 활성화된 센서는 외력의 위치를 직접 나타낼 수 있다. 조인트에서의 토크 감지를 위해, 알고리즘은 암에 입력 힘이 발생할 수 있는 위치를 계산하기 위해 추정을 수행할 수 있다. 알고리즘은 입력이 슬로우 푸시, 퀵 탭, 쉐이크 또는 풀인지 여부와 같이 주어진 입력 유형을 읽을 수 있다. 알고리즘은 여러 어드미턴스 모드를 토글하기 위해 케이스 라이브러리를 사용할 수 있다. 라이브러리는 미리 설정되거나 적응적으로 학습될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 암은 터치 명령에 추가하여 또는 터치 명령 대신에 음성 또는 다른 명령에 대해 응답할 수 있다.
단계 4340에서, 로봇 암은 결정된 사용자 의도에 기초하여 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 어드미턴스/임피던스 모드는 검출된 힘에 기초하여, 즉, 인가된 힘이 어드미턴스/임피던스 모드를 가능하게 하기 위한 패턴과 일치하는 경우에 활성화될 수 있다. 로봇 암은 또한 그것에 작용하는 힘의 특성에 따라 다양한 패턴으로 움직일 수 있다. 예를 들어, 로봇 암에 인가된 힘은 로봇 암의 조인트상의 하나 이상의 탭을 포함하고, 로봇 암의 조인트는 하나 이상의 다른 조인트의 위치 또는 암의 인터페이스 단부의 위치를 유지하면서 자동으로 이동될 수 있다는 점이 결정될 수 있다. 다른 예시에서, 로봇 암에 인가된 힘은 로봇 암의 인터페이스 단부 상의 풀을 포함하며, 로봇 암의 조인트의 위치는 유지되고, 로봇 암의 인터페이스 단부는 단순히 회전하는 것이 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 로봇 암에 인가된 힘은 로봇 암의 인터페이스 단에서 가압 또는 당김을 포함하고, 로봇 암의 인터페이스 단부는 푸시 또는 당김에 응답하여 자동적으로 이동될 수 있으며, 인터페이스 단부의 이동을 따라 전체 로봇 암이 자동적으로 이동될 수 있다는 것이 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 로봇 수술 시스템의 다른 부분의 동작은 사용자가 가한 힘 또는 접촉에 반응하여 변화할 수 있다. 예를 들어, 로봇 베이스의 두 번 탭하면 펌프가 작동할 수 있다. 일 실시예에서, 크거나 갑작스러운 힘은 로봇을 외력 또는 터치에 의해 명령이 유발되지 않는 "안전한" 상태로 설정할 수 있다. 다른 실시예에서, "마스터/슬레이브" 또는 "미러링" 모드는 외과용 베드의 일측의 암들로부터의 힘 및 토크 판독값을 이용하여 다른 측의 암에 이동을 명령할 수 있다.
단계 4350에서, 로봇 수술 시스템의 어드미턴스/임피던스 모드가 비활성화될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 암은 기억된 초기 위치로 복귀할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 암은 미리 기억되는 기설정 위치들 중 임의의 위치로 복귀하도록 명령받을 수 있다. 로봇 암은 본 명세서에 설명된 제어 방식 중 하나를 통해 지시될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 수술 시스템의 어드미턴스/임피던스 모드는 이동 명령 이후에 작동자 명령이 수행될 때까지 비활성화되지 않을 수 있다.
비록 상기 단계들이 많은 실시예들에 따라 로봇 수술 시스템의 로봇 암(들)을 조작하는 방법 4300을 나타내지만, 당업자는 본 명세서에 설명된 교시에 기초하여 많은 변형을 인식할 것이다. 단계는 다른 순서로 완료될 수 있다. 단계가 추가되거나 삭제될 수 있다. 일부 단계는 하위 단계를 포함할 수 있다. 많은 단계가 필요한 만큼 또는 유리한 만큼 반복될 수 있다.
방법 4300의 하나 이상의 단계들은 예를 들어, 프로그램 가능한 어레이 로직 또는 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이와 같은 프로세서 또는 로직 회로 중 하나 이상을 사용하여 본 명세서에 기재된 회로로 수행될 수 있다. 회로는 본 명세서에 설명된 제어 콘솔 또는 제어 컴퓨팅 유닛의 구성 요소일 수 있다. 예를 들어, 회로는 방법 4300의 하나 이상의 단계들을 제공하도록 프로그램될 수 있고, 프로그램은 컴퓨터 판독 가능 메모리 또는 프로그램 가능 어레이 로직 또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이와 같은 논리 회로의 프로그램된 단계들에 저장된 프로그램 명령들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예를 비교하기 위해, 이들 실시예의 특정 양태 및 이점이 설명된다. 반드시 그러한 모든 양태 또는 이점이 임의의 특정 실시예에 의해 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어 본 명세서에서 교시되거나 제시된 바와 같은 다른 양태 또는 이점을 반드시 달성하지 않고서 본 명세서에 교시된 바와 같은 장점들을 달성하거나 최적화하는 방식으로 다양한 실시예들이 수행될 수 있다.
본 명세서의 임의의 실시예와 함께 도시된 요소 또는 구성은 특정 실시예에 대한 예시이며 본 명세서에 개시된 다른 실시예에서 사용되거나 그와 조합하여 사용될 수 있다. 본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하며, 그 특정 예가 도면에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법으로 제한되지 않으며, 반대로 모든 변형, 균등물 및 치환을 포함한다.
Claims (81)
- 제1 툴의 제1 툴 베이스에 연결되고 제1 툴의 제1 툴 베이스를 위치시키도록 구성되는 제1 로봇 암으로서, 상기 제1 로봇 암은 제1 로봇 암에 인가된 힘을 검출하도록 구성된 힘 센서를 포함하는, 상기 제1 로봇 암 ;
제2 툴의 제2 툴 베이스에 연결되고 제2 툴의 제2 툴 베이스를 위치시키도록 구성되는 제2 로봇 암으로서, 상기 제1 툴과 상기 제2 툴의 삽입을 용이하게 하는 가상 레일을 형성하도록 상기 제1 및 제2 툴 베이스가 서로에 대해 소정의 이격 거리 및 방향으로 위치되는, 상기 제2 로봇 암; 및
상기 제1 로봇 암 및 상기 제2 로봇 암에 연결되는 제어기
를 포함하며, 상기 제어기는:
i) 검출된 힘에 응답하여 제1 이동 벡터로 상기 제1 로봇 암으로 상기 제1 툴 베이스를 자동적으로 이동시키고, ii) 상기 검출된 힘에 응답하여 제2 이동 벡터로 상기 제2 로봇 암으로 상기 제2 툴 베이스를 자동적으로 이동시켜, 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리 및 방향이 유지되도록 구성되는 로봇 암 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리 및 방향은 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이의 선형 정렬을 포함하는 로봇 암 시스템. - 제2 항에 있어서,
상기 선형 정렬은 상기 제1 로봇 암 및 상기 제2 로봇 암의 인터페이스 단부 사이의 선형 정렬을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스를 통해 연장되는 라인 상의 지점에 대해 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스를 회동(pivot)시키는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제4 항에 있어서,
상기 라인 상의 지점은 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이에 있는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제4 항에 있어서,
상기 라인 상의 지점은 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스의 너머에 있는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 X축, Y축 및 Z축 중 하나 이상을 따라 상기 제1 로봇 암 및 상기 제2 로봇 암을 함께 병진시키는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 이동 벡터와 상기 제2 이동 벡터는 동일한 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 이동 벡터와 상기 제2 이동 벡터는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로봇 암 시스템은 제3 툴 베이스를 위치시키도록 구성된 제3 로봇 암을 더 포함하고,
상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스는 서로에 대해 소정의 이격 거리 및 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리 및 방향이 유지되도록, 검출된 힘에 응답하여 제3 이동 벡터로 상기 제3 로봇 암을 자동적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리 및 방향은 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스 사이의 선형 정렬을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 선형 정렬은 상기 제1 로봇 암, 상기 제2 로봇 암 및 상기 제3 로봇 암의 인터페이스 단부 사이의 선형 정렬을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스를 통해 연장된 라인 상의 지점에 대해 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스를 회동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 라인 상의 지점은 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스 중 둘 이상의 사이에 있는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 라인 상의 지점은 상기 제1 툴 베이스, 상기 제2 툴 베이스 및 상기 제3 툴 베이스 중 둘 이상의 너머에 있는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 제어기는 X축, Y축 및 Z 축 중 하나 이상을 따라 상기 제1 로봇 암, 상기 제2 로봇 암 및 상기 제3 로봇 암을 함께 병진시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 제1 이동 벡터, 상기 제2 이동 벡터 및 상기 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 동일한 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 제1 이동 벡터, 상기 제2 이동 벡터 및 상기 제3 이동 벡터 중 둘 이상은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 로봇 암은 하나 이상의 조인트 및 하나 이상의 링크를 포함하고,
상기 제1 로봇 암의 힘 센서는 상기 하나 이상의 조인트에 연결된 토크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 로봇 암은 하나 이상의 조인트 및 하나 이상의 링크를 포함하고,
상기 제1 로봇 암의 힘 센서는 상기 하나 이상의 링크에 연결된 촉각 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 검출된 힘에 응답하여 상기 로봇 암 시스템의 이동 모드를 활성화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제22 항에 있어서,
상기 로봇 암 시스템의 이동 모드는 어드미턴스 모드 또는 임피던스 모드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제22 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 로봇 암 및 상기 제2 로봇 암이 이동한 후에 상기 로봇 암 시스템의 이동 모드를 비활성화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 제1 툴의 제1 툴 베이스에 연결되고 제1 툴의 제1 툴 베이스를 위치시키도록 구성된 제1 로봇 암;
제2 툴의 제2 툴 베이스에 연결되고 제2 툴의 제2 툴 베이스를 위치시키도록 구성되는 제2 로봇 암으로서, 상기 제1 툴과 상기 제2 툴의 삽입을 용이하게 하는 가상 레일을 형성하도록 상기 제1 툴 베이스와 상기 제2 툴 베이스가 서로에 대해 소정의 이격 거리 및 방향으로 위치되는, 상기 제2 로봇 암; 및
상기 제1 로봇 암 및 상기 제2 로봇 암에 연결되는 제어기
를 포함하며, 상기 제어기는:
상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이의 상기 소정의 방향이 유지되고, 선택적으로 상기 제1 툴 베이스 및 상기 제2 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리가 또한 유지되도록, i) 상기 제1 로봇 암에 검출된 힘에 응답하여 상기 제1 툴 베이스를 상기 제1 로봇 암에 의해 제1 이동 벡터로 자동적으로 이동시키고, ii) 상기 검출된 힘에 응답하여 상기 제2 툴 베이스를 상기 제2 로봇 암에 의해 제2 이동 벡터로 자동적으로 이동시키도록 구성되는 로봇 암 시스템. - 제1 항 또는 제25 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1 툴 베이스와 상기 제2 툴 베이스를 자동적으로 이동시키기에 앞서 상기 시스템이 어드미턴스 모드로 들어가도록 하는 사용자 입력을 결정하도록 더욱 구성되는 로봇 암 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 제어기는, 버튼 또는 스위치가 활성화 완료되었음을 결정하는 것에 의하여 상기 사용자 입력을 결정하도록 구성되는 로봇 암 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 어드미턴스 모드에 있는 경우,
상기 검출된 힘에 기초하여 힘 피드백 신호를 수신하고;
상기 힘 피드백 신호에 기초하여 상기 제1 이동 벡터를 결정하고;
상기 제1 로봇 암에, 상기 제1 이동 벡터를 따라 상기 제1 툴 베이스를 이동시키는 제1 명령을 제공하고;
상기 제2 로봇 암에, 상기 제1 툴 베이스와 상기 제2 툴 베이스 사이의 소정의 거리 및 방향을 유지하도록 상기 제2 이동 벡터를 따라 상기 제1 툴 베이스와 동시에 상기 제2 툴 베이스를 이동시키는 제2 명령을 제공하도록 구성된 로봇 암 시스템. - 제1 항 또는 제25 항에 있어서,
상기 제1 툴 베이스와 상기 제2 툴 베이스 사이의 상기 소정의 이격 거리 및 방향은 그 사이에서 가상 레일을 형성하는 것을 특징으로 하는 로봇 암 시스템. - 삭제
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