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KR102323387B1 - 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR102323387B1
KR102323387B1 KR1020167008331A KR20167008331A KR102323387B1 KR 102323387 B1 KR102323387 B1 KR 102323387B1 KR 1020167008331 A KR1020167008331 A KR 1020167008331A KR 20167008331 A KR20167008331 A KR 20167008331A KR 102323387 B1 KR102323387 B1 KR 102323387B1
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KR
South Korea
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surgical instrument
sensor
operating state
electromagnetic field
instrument
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디르크 무하
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피아곤 게엠베하
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Abstract

본 발명은 액티브 수술 기구(10)의 포지션 및 그 작동 상태를 검출하기 위한 방법에 관한 것이며, 액티브 수술 기구(10)는 활성화된 작동 상태에서 적어도 하나의 전자기장(14, 22)을 방출하거나, 또는 그에 작용하고 그를 변동시킨다. 본원의 방법은, 기지의 포지션에서 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 액티브 수술 기구(10)로부터 방출되거나, 또는 그에 의해 영향을 받는 전자기장(14, 22)을 검출하기 위한 제1 센서(20)를 포지셔닝하는 단계와; 제1 센서를 이용하여 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 액티브 수술 기구로부터 방출되거나, 또는 그에 의해 영향을 받는 전자기장(14, 22)을 검출하는 단계와; 제1 센서(20)를 통해 출력 신호를 생성하되, 이 출력 신호는 제1 센서(20)에 의한 액티브 수술 기구로부터 방출되거나 또는 그에 의해 영향을 받는 전자기장의 검출을 지시하는 것인 단계와; 제1 센서(20)의 출력 신호 및 그 기지의 포지션을 기반으로 액티브 수술 기구의 포지션 및 작동 상태를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

액티브 수술 기구의 유도 조종 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR NAVIGATING ACTIVE SURGICAL INSTRUMENTS}
본 발명은 센서를 이용하여 작업 영역 내에서 액티브 수술 기구의 포지션 및 그 작동 상태를 검출하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 액티브 수술 기구는 활성화된 작동 상태에서 적어도 하나의 전자기장을 방출하며, 그리고 센서에 의해 전자기장이 검출된다. 또한, 본 발명은 작업 영역 내에서 액티브 수술 기구를 위치 측정하기 위한 의료 시스템에 관한 것이며, 상기 의료 시스템은 능동적인 작동 상태에서 전자기장을 방출하도록 형성되는 적어도 하나의 액티브 수술 기구를 포함한다.
침습 수술(invasive surgical procedure)의 경우, 수술 기구는 수술 동안 집도의에 의해 환자의 체내 수술 부위(operation region) 내에서 이동된다. 수술 부위로서 지칭되는 부위는 수술 동안 이용되는 수술 기구에 의해 잠재적으로, 또는 실제로 손상되는 환자의 체내의 공간이다. 수술에 속하는 경우는 환자의 신체 내로 수술 기구의 삽입, 또는 환자의 신체로부터 수술 기구의 인출뿐만 아니라, 환자의 신체 내에서 수술 기구의 이동, 및 수술 부위 내에 배치되고 정확히 사전 결정된 시술 부위(procedure region)에서 수술 기구의 사용이다. 시술 부위로서 지칭되는 부분은 수술 부위 내에서 집도의가 치료하게 되는 부분이다. 상기 부분은 예컨대 제거할 조직 또는 폐쇄할 혈관일 수 있다. 그에 따라, 수술 부위는 다수의 시술 부위를 포함할 수 있다. 시술 부위들 외에, 수술 부위 내에는 수술 기구를 통한 상해로부터 보호되어야 하는 다수의 민감한 구조도 위치한다. 민감한 구조들에 속하는 부위는 예컨대 혈관, 기관, 신경, 근육, 인대, 힘줄이며, 그리고 그 외, 수술 동안 환자의 신체의 각각의 추가 손상은 환자의 건강 위험을 증가시키고 수술 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 수술의 작용을 필요한 최소한도로 국한하기 위해 보존되어야 하고 일반적으로 온전한 조직이다.
그러므로 침습 수술을 실행하는 동안, 정기적으로 위치 검출 시스템들이 이용된다. 위치 검출 시스템들은 수술 부위 내에서 수술 기구의 위치(즉, 포지션 및 정렬 방향)의 결정 시 집도의를 보조한다. 공지된 위치 검출 시스템들은 특히 환자의 신체 내의 시술 부위 내로 수술 기구의 삽입 시의 유도 조종(navigation), 수술 조치의 실행 동안 수술 기구의 유도 조종, 및 환자의 신체로부터 수술 기구의 인출 시의 유도 조종을 개선하기 위해 이용된다. 그 결과, 실행할 수술의 결과 및 그 효율성은 개량될 수 있다. 그 밖에도, 수술 기구의 정밀한 유도 조종은 수술 부위 내에서 주위의 조직 또는 상해 잠재성이 있는 신경 경로의 의도하지 않은 손상 또는 상해의 위험을 감소시킬 수 있다.
통상적으로 위치 검출 시스템들은 수술 동안 적어도 하나의 의료 기구, 예컨대 수술 기구의 포지션 및 정렬 방향을 검출하여 검출된 포지션 좌표들을 변환하며, 그럼으로써 기구의 포지션 및 정렬 방향은 예컨대 환자의 영상들과 특히 경우에 따라서는 시술 부위의 3차원 디스플레이에 표시될 수 있게 된다 수많은 위치 검출 시스템에서, 다수의 상이한 수술 기구의 위치 정보들이 결정될 수 있다. 검출된 위치 정보들은 대부분 수술 전에 수집되는 계획 데이터 및/또는 수술 중에 수집되는 영상 데이터와 함께 모니터 상에 시각화된다. 이를 위해, 환자 및 수술 기구의 결정 가능한 위치들 상에 [위치 측정 장치들(locating device)로서도 지칭되는] 센서들이 배치되며, 센서들의 출력 신호들은 수술 부위 내의 위치 정보들로서 위치 검출 시스템의 평가 유닛에 의해 결정될 수 있다.
예를 들면, 예컨대 지시 기구(indication instrument), 흡입기(sucker), 겸자(forceps), 니들(needle), 메스, 전자 메스(electrotome), 소작기(cauter) 등과 같은 상이한 의료 기구들에, 상기 위치 검출 시스템을 위한 위치 정보들을 결정하기 위한 위치 측정 장치들(기구 센서들)을 구비하고, 각각의 의료 기구를 위치 검출 시스템 내에 등록하는 점은 공지되었다. 등록 동안, 기준점[통상 기구 팁(instrument tip)의 작동점]의 위치는 기구 상의 위치 측정 장치(포지션 센서)에 의해 환자(혹은 객체) 상의 기지의 지점(known point)에 상대적으로 보정되어 위치 검출 시스템으로 전송된다. 이런 방식으로, 위치 검출 시스템에 의해 결정되는, 의료 기구의 기준점의 위치 및 정렬 방향은, 후속하여 위치 검출 시스템에 의해 검출되는 기구의 기준점의 좌표들을 환자의 영상 데이터를 기초로 하는 좌표계로 변환할 수 있도록 하기 위해, 환자 또는 객체 상의 기지의 지점들과 관련될 수 있다. 이런 데이터를 기반으로 의료 기구의 위치 정확한 이미지가 존재하는 수술 전 및/또는 수술 중 영상 데이터와 함께 모니터 상에 표시될 수 있다.
상기 유형의 위치 검출 시스템들은 예컨대 초음파를 이용하여 광학적으로 작동하거나 전자기로 작동하는 위치 측정 장치들을 포함할 수 있다. 예컨대 전자기 유도를 기반으로 작동하는 위치 검출 시스템들은 공지되었으며, 이런 위치 검출 시스템들은, 환자의 옆에 배치되어 작업 부위 내에서 일반적으로 교번하는 교번 전자기장을 생성하는 자계 발생기를 포함한다. 작업 부위 내에서 유도 조종할 수술 기구 상에는 위치 측정 장치가 배치되며, 이 위치 측정 장치는 상호 간에 상대적인 기지의 상대 위치를 갖는 복수의 센서 코일을 포함한다. 교번 전자기장은 이 교번 전자기장에 대한 각각의 센서 코일의 정렬 방향에 따라서 상기 센서 코일들 내로 전류를 유도하며, 이런 전류는 교번 전자기장 내에서 각각의 코일의 정렬 방향 및 그 포지션을 특징짓는다. 평가 유닛은 유도된 전류를 측정하며, 그에 따라 코일들의 상호 간에 상대적인 기지의 위치(known location)를 고려하면서 교번 전자기장 내에서 센서 코일들의 위치를 결정한다. 등록 또는 보정 과정에서, 우선, 수술 기구의 기구 팁이 사전 결정된 정렬 방향으로 위치 검출 시스템 내에 정의된 기준점으로 접근되며, 그리고 위치 측정 장치의 위치는 기준점에 도달할 때 결정된다. 그에 따라, 작업 부위 내에서 센서 코일들을 구비한 수술 기구의 위치는 위치 검출 시스템을 통해 결정될 수 있다.
상술한 위치 검출 시스템은, 실질적으로 예컨대 메스 또는 가위와 같은 패시브 수술 기구의 위치의 검출을 위해서만 적합하다는 단점을 갖는다. 예컨대 드릴, 소작기 또는 진동 톱과 같은 액티브 수술 기구들은 자계 발생기의 교번 전자기장에 중첩되는 전자기장을 방출하며, 그 결과로 야기되는 간섭은 센서 코일 내에서 유도되는 전류에 대해 직접 작용할 수 있다. 이는, 평가 유닛에 의해 결정되는 센서 코일과 그에 따른 수술 기구의 위치 데이터의 왜곡을 야기한다. 추가로, 액티브 수술 기구들은 능동적인 작동 상태에서 액티브 기구 부분을 통한 인접한 조직의 상해의 증가된 위험을 내포하고 있다.
WO 02/076302로부터는, 조직 제거 및 조직 치료를 위한 방법 및 그 기구 시스템(instrument system)이 공지되었으며, 이 경우 수술 부위 내에서 액티브 수술 기구의 위치는 광학 위치 결정 장치를 통해 검출되고, 이에 따라 결정 가능한 액티브 수술 기구의 위치 변경을 기반으로 삽입 부위 내 조직 제거 및 조직 제거율이 결정된다. 이런 해당 데이터를 기반으로, 수술 과정이 결정될 수 있으면서, 액티브 수술 기구의 작동 상태가 제어될 수 있다. 이 경우, 액티브 수술 기구의 출력은, 수술 목적의 달성 직전일 때, 다시 말하면 사전 설정된 조직 부피(tissue volume)의 제거가 수행되었을 때 제한(throttled)될 수 있으며, 그리고 수술 목적이 달성되었을 때에는 액티브 수술 기구는 전원 차단될 수 있다.
상기 방법 및 기구 시스템의 단점은, 수술 부위 내에서 제한되는 시야뿐만 아니라, 예컨대 혈액을 통한 센서들의 심각한 오염으로 인해 많은 외과 시술을 위해 적합하지 않은 광학 위치 검출 수단들만이 이용된다는 점에 있다. 그 밖에도, 액티브 수술 기구의 작동 상태의 제어는 수술 과정만을 고려하며, 잠재적으로 집도의에 의해 상해를 입을 수 있는 민감한 구조들은 고려되지 않는다.
따라서 본 발명의 과제는, 작업 부위 내에서 액티브 수술 기구들의 포지션 및 작동 상태를 검출하기 위한 방법뿐만 아니라 그 의료 시스템에 있어서, 종래 기술을 통해 공지된 것보다도 작업 부위 내에서 액티브 기구의 포지션의 더욱 정밀한 결정을 가능하게 하며, 그리고 특히 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 액티브 수술 기구를 통해 작업 부위 내에 배치된 객체들에서 발생할 수 있는 의도하지 않는 상해의 위험을 감소시키는 상기 방법 및 상기 의료 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따라서, 상기 과제는, 액티브 수술 기구의 포지션 및 그 작동 상태를 검출하기 위한 방법을 통해 해결되며, 이 경우 액티브 수술 기구는 활성화된 작동 상태에서 적어도 하나의 전자기장을 방출하거나 또는 제공되는 전자기장에 작용하고 그에 따라 그를 변동시킨다. 본원의 방법은, 기지의 포지션에서, 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 액티브 수술 기구로부터 방출되는 전자기장을 검출하기 위한 적어도 하나의 제1 센서를 포지셔닝하는 단계와; 적어도 하나의 제1 센서를 이용하여, 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 액티브 수술 기구로부터 방출되거나 또는 그에 의해 변동되는 전자기장을 검출하는 단계와; 적어도 하나의 제1 센서를 통해 출력 신호를 생성하는 단계로서, 이 출력 신호는 적어도 하나의 제1 센서에 의한 액티브 수술 기구로부터 방출되거나 또는 그에 의해 변동되는 전자기장의 검출을 지시하는 것인 단계와; 적어도 하나의 제1 센서의 출력 신호 또는 출력 신호들 및 그 기지의 포지션 또는 포지션들을 기반으로 액티브 수술 기구의 포지션 및 그 작동 상태를 결정하는 단계를; 포함한다.
또한, 액티브 수술 기구의 포지션 및 작동 상태를 명확하게 결정하는 것 대신, 출력 신호는 항상 기구와 제1 센서 간의 상대적 근접성에 대한 정보를 포함하고 그에 따라 항상 포지션 데이터를 내포하고 있기 때문에, 예컨대 액티브 수술 기구의 작동 상태를 제어하기 위해, 전자기장의 세기 또는 그 변화량을 지시하는 적어도 하나의 제1 센서의 출력 신호 역시도 직접 이용될 수 있다.
따라서, 하나 또는 복수의 제1 센서가 제공될 수 있다. 다시 말해, 제1 센서는 액티브 수술 기구로부터 방출되는 전자기장을 직접 검출할 수 있거나, 또는 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태를 통해 야기되는 주변의 전자기장의 변화량을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 양자 모두를 검출할 수도 있다. 적합하게는, 기준 측정을 통해, 액티브 수술 기구의 작동 상태에 대한, 액티브 수술 기구에 의해 방출되거나 변동되는 전자기장의 의존성을 결정한다. 이를 위해, 작동 상태에 따르는, 예컨대 전자기장의 세기 및 주파수와 같은 자계 매개변수들이 고려된다. 기준 측정의 측정 데이터로부터는 액티브 수술 기구의 특성곡선 집합이 생성될 수 있다. 이런 특성곡선 집합은 액티브 수술 기구의 포지션 및 그 작동 상태의 결정 동안 그에 상응하게 고려된다.
바람직하게는, 각각의 제1 센서에 의해 생성된 출력 신호는, 각각의 제1 센서를 통해 검출되는 액티브 수술 기구의 전자기장의 세기 또는 변화량 정도를 지시하는 신호 값 또는 레벨을 갖는다. 그 결과, 출력 신호의 신호 값 또는 그 레벨로부터 센서 상에서 검출되는 전자기장의 세기 또는 변화량에 대한 귀납적 추론이 수행될 수 있다. 그에 따라, 검출된 전자기 신호의 세기 또는 변화량의 정량적 반영이 가능해진다. 따라서, 제1 센서의 포지션, 전자기장의 값, 그리고 제1 센서의 출력 신호의 세기에 대한 전자기장의 검출된 세기 또는 변화량의 비율을 알고 있는 조건에서, 제1 센서의 출력 신호의 신호 값 또는 그 레벨에 따라서, 작업 영역 내 수술 기구의 포지션이 결정될 수 있다. 복수의 제1 센서에 의해, 상대적으로 더욱 정밀한 포지션 데이터는 예컨대 삼각 측량의 유형에 따라서 생성될 수 있다.
각각의 제1 센서에 의해 생성되고 액티브 수술 기구의 전자기장의 검출된 세기 또는 변화량을 반영하는 출력 신호의 레벨은 다양하고 바람직한 방식으로 이용될 수 있는데, 예컨대 액티브 수술 기구에 대한 자동 작용을 위해, 또는 그 밖에도 타깃 부위에 액티브 수술 기구가 접근했음을 의사에게 알리는 방식으로 의사에 의해 감지되는 신호를 생성하기 위해서도 이용될 수 있다. 상기 감지 가능한 신호는 예컨대 시각 또는 청각 신호일 수 있으며, 예컨대 자신의 주파수 및/또는 조음(modulation)이 타깃 구조에 (경우에 따라 너무 많이) 근접함에 따라 변경되는 음조(tone)일 수 있거나, 또는 수술 전 또는 수술 중에 획득한 컴퓨터 토모그래피에서 임계 구조들의 시각적 강조를 통해 제공될 수 있다. 특히 바람직하게는 액티브 수술 기구의 여러 가지 작동 상태가 검출되어, 액티브 수술 기구의 포지션의 결정 동안 고려된다.
액티브 의료 기구에 대한 자동 작용 또는 생성되는 감지 가능한 신호는, 전자기장의 검출된 세기 또는 변화량을 제외하고, 액티브 의료 기구의 행동 상태(activity state)에 따라서도 결정될 수 있다. 청각 신호(acoustic signal)의 경우, 주파수는 예컨대 전자기장의 검출된 세기를 지시할 수 있고, 그에 반해 조음(예: 비단속음 대 단속음)은 동시에 액티브 의료 기구의 행동 상태를 지시할 수 있다.
특히 경고 신호는 타깃 구조에 너무 많이 근접했을 경우 액티브 의료 기구의 행동 상태에 따라서 생성될 수 있다.
바람직하게는 액티브 수술 기구의 작동 상태는 생성된 출력 신호에 따라서 제어된다.
추가로 바람직하게는, 제1 센서가 선택된 제1 임계값을 초과하는 전자기장의 세기 또는 변화량을 검출한다면, 액티브 수술 기구는 제한된다. 제한은 예컨대 전자기장의 검출된 세기에 따라서 수행될 수 있다. 그에 따라, 액티브 수술 기구의 작동 상태가 작업 영역 내 액티브 수술 기구의 포지션에 따라서 제어될 수 있는 점이 보장된다. 추가로, 액티브 수술 기구의 불필요한 전력 소모량은 감소될 수 있고 액티브 수술 기구를 통해 작업 영역 내 객체들의 의도하지 않은 상해는 방지될 수 있다.
전자기장의 세기 또는 변화량을 반영하는 제1 센서의 출력 신호가 예컨대 경우에 따라 민감한 타깃 구조들에 대한 근접을 지시한다면, 액티브 수술 기구는, 촉각 감지 가능한 피드백, 예컨대 기구가 "흔들리기" 때문에 의사가 감지할 수 있는 액티브 수술 기구의 간헐적 작동이 제공되도록 제어될 수도 있다.
특히 바람직하게는, 제1 센서가 선택된 제2 임계값보다 더 큰 전자기장의 세기 또는 변화량을 검출한다면, 액티브 수술 기구는 전원 차단된다. 제2 임계값은 제1 임계값보다 더 크다. 이런 조치를 통해, 액티브 수술 기구가 작업 영역 내 객체와 의도하지 않는 충돌 시 능동적인 작동 상태를 나타내고 그 결과 객체가 상해를 입는 점은 방지될 수 있다.
바람직하게는, 디스플레이 유닛의 주사율(refresh rate) 액티브 수술 기구의 결정된 작동 상태에 따라서 설정된다. 이런 방식으로, 예컨대 액티브 수술 기구의 절단연들의 특징은 조작자를 위해 상대적으로 더 적합하게 표시될 수 있다.
특히 바람직하게는, 액티브 수술 기구의 작동 팁(operating tip)의 회전수는 설정된 주사율의 정수 배수에 상응한다. 액티브 수술 기구의 작동 팁의 회전수가 변동될 때, 항상 액티브 수술 기구의 작동 팁의 회전수의 정수 배수에 상응하도록 하기 위해, 디스플레이의 주사율은 그에 상응하게 적응된다.
추가로 바람직하게는, 액티브 수술 기구의 위치 데이터는 액티브 수술 기구 상에 배치되는 위치 검출 유닛의 기구 센서(다시 말해, 기구 상의 위치 측정 장치)에 의해 검출된다. 위치는 공간 내 포지션뿐만 아니라 정렬 방향 역시도 포함한다. 이를 위해, 기구 센서, 예컨대 센서 코일들 및 위치 결정 유닛은 작업 영역 내에서 교번하는 교번 전자기장을 생성하는 자계 발생기를 포함할 수 있다. 이는, 작업 영역 내 액티브 수술 기구의 위치가 액티브 수술 기구의 작동 상태가 비활성 상태일 때에도 결정될 수 있다는 장점을 갖는다.
바람직하게는 제1 센서에 의해 검출되는 포지션 데이터는 기구 센서에 의해 검출되는 액티브 수술 기구의 위치 데이터와 비교되고, 그리고/또는 짝을 이루는 포지션-위치 데이터 쌍들에서 포지션 보정 값이 계산된다. 그에 따라, 예컨대 위치 결정 동안 오차들을 야기할 수 있는 위치 결정 유닛의 교번 전자기장으로 액티브 수술 기구의 전자기장의 간섭들은 보정될 수 있다. 이런 조치를 통해, 액티브 수술 기구의 위치 결정의 정밀도는 개량될 수 있다.
액티브 의료 기구로부터 방출되는 전자기장은 기구 센서를 이용한 기구의 포지션의 정밀한 검출을 저하시킬 수 있기 때문에, 상대적으로 더 정밀한 위치 검출을 위해, 예컨대 삼각 측량의 경로 상에서 위치 검출을 허용하는 복수의 제1 센서가 제공될 수 있다.
그 대안으로, 또는 그에 추가로, 액티브 의료 기구는 하나 또는 복수의 초음파 센서 역시도 구비할 수 있다. 초음파 센서에 의해, 공지된 방식으로 조직 내의 밀도 변화가 이미지 유형으로 검출될 수 있다. 장점은, 초음파에 의해 획득된 상기 이미지들은 전자기장들에 의해 교란되지 않는다는 점에 있다.
바람직하게는, 액티브 수술 기구의 작동 상태는 액티브 수술 기구 및/또는 액티브 수술 기구의 제어 유닛으로부터 포지션 검출 유닛 및/또는 위치 검출 유닛으로 전송된다. 그에 따라 수집되는 액티브 수술 기구의 작동 상태의 매개변수들을 기반으로, 포지션 검출 유닛 및/또는 위치 검출 유닛은 제1 센서에 의해 생성되는 출력 신호로 액티브 수술 기구의 특성곡선 집합을 점검할 수 있으며, 그리고 편차가 사전 정의될 수 있는 경우에는 액티브 수술 기구의 신규 보정을 실행할 수 있다.
그 밖에도, 상술한 과제는, 적어도 하나의 액티브 수술 기구를 포함하여, 작업 영역 내에서 액티브 수술 기구를 위치 측정하기 위한 의료 시스템을 통해 해결되며, 이 경우 액티브 수술 기구는, 능동적인 작동 상태에서 전자기장을 방출하도록 형성된다. 의료 시스템은 작업 영역 내 액티브 수술 기구의 포지션의 결정을 위한 포지션 검출 유닛뿐만 아니라, 적어도 하나의 제1 센서 역시도 포함한다. 제1 센서는 작업 영역 내 기지의 포지션 상에 배치될 수 있고, 액티브 수술 기구의 전자기장을 검출하고, 전자기장의 검출된 매개변수들을 지시하는 출력 신호를 포지션 검출 유닛으로 전송하도록 형성되며, 포지션 검출 유닛은 제1 센서의 출력 신호 및 그 포지션을 기반으로 액티브 수술 기구의 포지션을 결정하도록 형성된다.
바람직하게는 의료 시스템은 위치 검출 유닛, 자계 발생기 및 기구 센서를 구비한 위치 검출 시스템을 포함하며, 기구 센서는 액티브 수술 기구 상에 배치되거나 배치될 수 있고, 자계 발생기에 의해 생성되는 교번 전자기장을 검출하여 검출된 교번 전자기장을 지시하는 신호를 위치 검출 유닛으로 전송하도록 형성된다. 위치 검출 유닛은, 검출된 신호 및 자계 발생기에 의해 생성되는 기지의 교번 전자기장을 기반으로 액티브 수술 기구의 위치 데이터를 결정하도록 형성된다.
바람직하게는 포지션 검출 유닛 및/또는 위치 검출 유닛은, 액티브 수술 기구의 위치 데이터와 포지션 데이터를 비교하여, 그로부터 액티브 수술 기구의 보정된 포지션 및/또는 위치를 결정하도록 구성된다. 그에 따라, 자계 발생기의 교번 전자기장으로 액티브 수술 기구의 전자기장의 간섭을 통해 틀리게 결정되는 액티브 수술 기구의 위치는 보정될 수 있다.
바람직하게는 의료 시스템은, 작업 부위 내에서 위치 검출 유닛에 의해 검출되는 적어도 하나의 액티브 수술 기구, 및 작업 부위 내에 배치된 객체의 수집된 영상 데이터를 위치에 정확하게 표시하기 위한 디스플레이 유닛을 포함한다. 영상 데이터는, 예컨대 X선 이미지 또는 CT 사진과 같은 개별 이미지뿐만 아니라, 비디오 영상들 역시도 포함할 수 있으며, 의료 시스템은 바람직하게는 비디오 영상을 촬영하여 가능한 지연 없이, 또는 약간의 지연만으로 표시하도록 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 의료 시스템은 액티브 수술 기구 및/또는 액티브 수술 기구의 기구 제어 유닛으로부터 위치 검출 유닛 및/또는 포지션 검출 유닛 상으로 액티브 수술 기구의 작동 상태를 전송하기 위한 데이터 인터페이스를 포함한다. 데이터 인터페이스는 액티브 수술 기구의 작동 상태를, 예컨대 무선 또는 광학을 통한 것처럼, 케이블로 또는 무선으로 전송하도록 형성될 수 있다.
바람직하게는 액티브 수술 기구는 액티브 수술 기구의 작동 상태에 따라서 교란 신호를 방출하는 전기 모터를 포함한다. 종래의 전기 모터들은 자석과 코일들을 포함하며, 그리고 유도의 원리를 기반으로 한다. 그러므로 전기 모터들은 작동 동안 센서들을 통해 검출될 수 있는 전자기장을 나타낸다.
본 발명은 하기에서 도면과 관련하여 실시예에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 액티브 수술 기구들을 위치 측정하고 그 작동 상태를 결정하기 위한 본 발명에 따르는 의료 시스템을 도시한 개략도이지만, 그 축척 비율은 반드시 일정하지는 않다.
액티브 수술 기구의 포지션 결정을 수행하도록 형성되는 본 발명에 따르는 의료 시스템은 적어도 하나의 포지션 검출 유닛과 하나의 제1 센서(20)를 포함한다. 상기 의료 시스템에 의해, 의료 시스템은 작업 영역 내에서 액티브 수술 기구(10)의 위치 결정을 위해 예컨대 확장될 수 있다. 액티브 수술 기구의 위치 결정을 위한 상기 유형의 의료 시스템은 위치 검출 유닛과, 작업 영역 내에서 교번 전자기장(22)을 방출하기 위한 자계 발생기(24)와, 기구 센서(16)와, 액티브 수술 기구(10)의 위치 정확한 표시를 위한 디스플레이 유닛(32)을 포함한다. 액티브 수술 기구(10)는 능동적인 작동 상태에서 전자기장(14)을 방출한다.
도 1에 도시된 실시예에 따르는 의료 시스템은 수술 드릴로서 형성되어 있는 액티브 수술 기구(10)를 포함한다. 액티브 수술 기구(10)는 손잡이(11)와 이 손잡이(11) 상에 배치되어 기구 팁(18)의 회전수를 조정하기 위한 작동 부재(13)를 포함한다. 기구 팁(18)을 구동하기 위해, 액티브 수술 기구(10)는 상기 도면에서 가려져 있는 전기 모터(12)를 포함하며, 전기 모터(12)는 기구 팁(18)의 근처에 배치되고 작동 중에 전자기장(14)을 방출한다. 기구 팁(18)은 클램핑 장치(15)를 통해 액티브 수술 기구 상에 탈착 가능하게 파지된다. 그에 따라, 기구 팁(18)은 예컨대 마모 또는 오염의 결과로 용이하게 분해되어 신품의 기구 팁(18)으로 교체되거나, 또는 다시 기구 팁(18)의 요건에 적합해진 상태로 복귀될 수 있다.
전기 모터(12)는, 작동 중에, 도면에 동심의 원호들을 통해 상징적으로 도시되어 있는 전자기장(14)을 방출한다. 전자기장(14)은 전기 모터(12)로부터 실질적으로 구상(sphery)으로 퍼지며 자계 주파수 및 자계 강도를 나타낸다. 액티브 수술 기구(10)는 기구 케이블(40)을 통해 기구 제어 유닛(38)과 연결된다. 기구 제어 유닛(38)은 기구 케이블(40)을 통해 액티브 수술 기구(10)에 전류를 공급한다.
전자기장(14)을 검출하기 위한 제1 센서(20)는 센서 라인(26)을 통해 유도 조종 유닛(navigation unit)(30)과 연결된다. 유도 조종 유닛(30)은 본 실시 형태에서 포지션 검출 유닛과 위치 검출 유닛을 포함한다. 그 대안으로, 포지션 검출 유닛과 위치 검출 유닛은 별도의 모듈들로서도 형성될 수 있으며, 그럼으로써 예컨대 이미 위치 검출 유닛을 포함하는 의료 시스템은 많은 비용 없이 제1 센서를 구비한 포지션 검출 유닛만큼 보충될 수 있다.
제1 센서(20)는 작업 부위 내에, 예컨대 미도시한 객체의 근처에 배치될 수 있으며, 객체는 기구 팁(18)을 통해, 특히 액티브 수술 기구의 능동적인 작동 상태에서 잠재적으로 상해를 입을 수 있다. 능동적인 작동 상태에서 제1 센서(20)에 액티브 수술 기구(10)가 근접할 때 전자기장(14)은 제1 센서(20) 내에 전류를 유도하며, 이런 전류는 출력 신호로서 센서 라인(26)을 경유하여 유도 조종 유닛(30)으로 전송된다. 작업 영역 내 제1 센서(20)의 위치 데이터는 기지의 사항이기 때문에, 유도 조종 유닛(30)은 제1 센서(20)의 수신되는 출력 신호의 값을 기반으로 작업 영역 내 전기 모터(12)의 포지션과 그에 따른 액티브 수술 기구(10)의 포지션 역시도 결정할 수 있다. 신호가 제1 센서(20)로부터 수신되지 않는다면, 이는 액티브 수술 기구(10)가 제1 센서(20)로부터 너무 멀리 이격되어 있거나, 또는 수동적인 작동 상태에 있다는, 다시 말하면 비활성화되어 있다는 것을 의미한다.
액티브 수술 기구(10)의 결정된 포지션 데이터의 시각화를 위해, 유도 조종 유닛(30)은 모니터 케이블(34)을 통해 디스플레이 유닛(32)과 연결된다. 따라서, 예컨대 기구 팁(18)은 디스플레이 유닛 상에 표시될 수 있다. 적합한 방식으로, 상기 영상 데이터는, 예컨대 CT 이미지, X선 이미지 또는 비디오 영상의 데이터처럼 수술 전 또는 수술 중에 수집되는 환자의 수술 부위의 추가 영상 데이터와 함께 중첩되어 표시된다.
유도 조종 유닛(30)은 발생기 케이블(28)을 통해, 도면에서 동심의 원호들에 의해 개략적으로 도시된 교번 전자기장(22)을 생성하는 자계 발생기(24)와 연결된다. 상기 교번 전자기장(22)은 기구 팁(18)의 근처에서 액티브 수술 기구(10) 상에 배치되는 기구 센서(16)에 의해 검출될 수 있다. 교번 전자기장(22)을 통해, 기구 센서(16)의 위치에 따라서 기구 센서(16) 내에 전류가 유도되며, 이 전류는 기구 케이블(40)을 경유하여 기구 제어 유닛(38)으로 전송된다. 상기 유도된 전류는 연결 케이블(36)을 경유하여 유도 조종 유닛(30)으로 전송되며, 그리고 환자에 상대적인 액티브 수술 기구(10)의 위치를 결정하여 디스플레이 유닛(32) 상에 표시하기 위해 그 유도 조종 유닛에서 평가된다. 이런 추가적인 위치 결정 가능성은, 액티브 수술 기구(10)가 비활성 상태이고 전기 모터(12)는 전자기장(14)을 생성하지 않을 때에도, 환자에 상대적인 액티브 수술 기구(10)의 위치가 결정될 수 있다는 장점을 갖는다. 시스템은, 액티브 수술 기구(10)가 활성 상태이고 전기 모터(12)는 전자기장(14)을 생성한다면, 결과적으로 전기 모터(12)의 전자기장(14)과 자계 발생기(24)의 교번 전자기장(22) 간의 간섭을 통한 불시의 측정 교란을 방지하거나 보상하기 위해, 자계 발생기(24)는 비활성화 상태이거나, 또는 단지 맥동 모드로만 작동되는 방식으로 구성될 수 있다.
포지션 검출 유닛 또는 유도 조종 유닛(30)에 의해, 액티브 수술 기구(10) 또는 기구 팁(18)이 작업 부위 내의 상기 도면에 도시되지 않은 객체까지의 제1 최소 이격 간격을 하회한 것으로 검출된다면, 액티브 수술 기구(10)의 출력을 제한하기 위해 포지션 검출 유닛 또는 유도 조종 유닛(30)으로부터 제어 신호가 기구 제어 유닛(38)으로 전송될 수 있다. 이런 제한은 예컨대 급격하게 변화하는 방식으로, 또는 지속적으로 수행될 수 있다. 또한, 제한은, 제어 신호를 기구 제어 유닛(38)으로 송신하지 않으면서, 액티브 수술 기구(10) 상에서 직접 수행될 수도 있다. 이를 위해, 예컨대 바람직하게 제어 가능한 저항기가 전기 모터(12) 상에 배치될 수도 있다.
그 대안으로, 또는 그에 추가로, 경고, 예컨대 청각 또는 시각 신호가 조작자에게 송출될 수 있다. 시각 신호로서는 예컨대 디스플레이 유닛(32) 상에서 색상 변화가 수행될 수 있다. 색상 변화는 스펙트럼을 통해서도 나타날 수 있으며, 그리고 작업 부위 내 객체로부터 액티브 수술 기구(10)의 기구 팁(18)의 이격 간격에 따라 수행될 수 있다. 그 결과, 작업 영역 내 객체와의 충돌이 잠재적으로 임박해 있고, 따라서 액티브 수술 기구(10)는 상기 객체로부터 다시 이격되어야만 한다는 경고가 조작자에게 제공될 수 있다. 액티브 수술 기구(10)의 제한을 통해서는 충돌 시 액티브 수술 기구를 통한 객체의 상해가 추가로 감소될 수 있다. 또한, 제한은, 액티브 수술 기구(10)가 작업 영역 내 소정의 객체까지의 제1 최소 이격 간격을 하회했음을 지시하는, 조작자를 위한, 느낄 수 있고, 그리고/또는 경우에 따라 들을 수 있고, 그리고/또는 볼 수 있는 지시 사항일 수도 있다.
포지션 검출 유닛 또는 유도 조종 유닛(30)에 의해, 제2 최소 이격 간격이 바람직하게는 제1 최소 이격 간격보다 더 작은 조건에서, 추가로 액티브 수술 기구(10)가 작업 영역 내 객체까지의 제2 최소 이격 간격을 하회하는 것으로 검출된다면, 액티브 수술 기구(10)를 비활성화하기 위해 포지션 검출 유닛 또는 유도 조종 유닛(30)으로부터 추가 제어 신호가 기구 제어 유닛(38)으로 전송될 수 있다. 그 대안으로 액티브 수술 기구(10)의 비활성화는, 예컨대 전기 모터(12) 상의 전원 공급 장치의 분리를 통해, 그리고 기구 제어 유닛(38)으로의 제어 신호의 전송 없이, 액티브 수술 기구(10) 상에서 직접 수행될 수 있다. 그 결과, 환자의 민감한 구조와의 충돌 시 액티브 수술 기구(10)를 통한 작업 영역 내에 배치된 객체의 상해의 위험은 감소되는데, 그 이유는, 능동적인 작동 상태에서보다 비활성화된 작동 상태에서 액티브 수술 기구(10)로부터 더 적은 위험 잠재성이 개시되기 때문이다. 그 밖에도, 액티브 수술 기구(10)의 작동 중지를 통해, 조작자로 하여금 액티브 수술 기구(10)가 작업 영역 내의 객체로부터 이격되는 방향으로 유도 조종되게 할 수 있다.
상기 실시예는 개략적으로만 본 발명의 대상을 설명한 것일 뿐, 본 발명을 상기 구체적인 실시 형태로 제한하지는 않는다. 본 발명의 범위에서, 유도 조종 유닛(30) 및 기구 제어 유닛(38)은 하나의 공통 유닛을 형성하는 구성들도 제공된다. 케이블 결선들은 경우에 따라서 무선 링크를 통해서도 교체될 수 있다. 이용되는 센서들의 개수는 적합한 방식으로, 유도 조종 시스템의 정밀도를 개량하기 위해, 도시된 실시예에서보다 더 많을 수 있다. 제1 센서는 예컨대 센서 유닛일 수 있고 마찬가지로 하나의 그룹의 제1 센서들을 포함할 수도 있다. 추가로, 전기 모터(12)의 교번 전자기장(14)의 값에 따라서 자계 발생기(24)의 교번 전자기장(22)의 값을 조절하는 수단들도 제공될 수 있다.
10: 액티브 수술 기구
11: 손잡이
12: 전기 모터
13: 작동 부재
14: 전자기장
15: 클램핑 장치
16: 기구 센서
18: 기구 팁
20: 제1 센서
22: 교번 전자기장
24: 자계 발생기
26: 센서 라인
28: 발생기 케이블
30: 유도 조종 유닛
32: 디스플레이 유닛
34: 모니터 케이블
36: 연결 케이블
38: 기구 제어 유닛
40: 기구 케이블

Claims (15)

  1. 수술 기구(10)의 포지션 및 작동 상태를 검출하기 위한 방법으로서, 수술 기구(10)는 활성화된 작동 상태와 비활성화된 상태를 갖고, 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구(10)는 스위치 온(on) 상태에서 제1 전자기장(14)을 방출하거나 제1 전자기장에 작용하는 방법에 있어서,
    - 기지의 포지션에서, 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구(10)로부터 방출되거나 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구에 의해 작용되는 제1 전자기장(14)을 검출하기 위한 제1 센서(20)를 포지셔닝하는 단계;
    - 제1 센서(20)를 이용하여, 활성화된 작동 상태의 수술 기구(10)로부터 방출되거나 활성화된 작동 상태의 수술 기구에 의해 작용되는 제1 전자기장(14)을 검출하는 단계;
    - 제1 센서(20)에 의해 출력 신호를 생성하는 단계로서, 상기 출력 신호는 활성화된 작동 상태의 수술 기구(10)로부터 방출되거나 활성화된 작동 상태의 수술 기구에 의해 작용되는 제1 전자기장(14)의 제1 센서(20)에 의한 검출을 지시하는 것인 단계;
    - 제1 센서(20)의 출력 신호 및 기지의 포지션을 기초로 하여 활성화된 작동 상태의 수술 기구(10)의 포지션 및 작동 상태를 결정하고 그리고 포지션 데이터를 생성하는 단계;
    - 자계 발생기에 의해 제2 교번 전자기장을 생성하는 단계;
    - 상기 자계 발생기에 의해 생성된 제2 교번 전자기장을 검출하도록 수술 기구(10)에 기구 센서(16)를 배치하는 단계; 및
    - 상기 기구 센서(16)의 위치에 따라서 유도 전류를 생성하고, 그리고 수술 기구(10)가 비활성화된 상태에 있어서 수술 기구(10)가 제1 전자기장(14)을 방출하지 않거나 제1 전자기장에 작용하지 않을 때 환자에 대해 상대적인 수술 기구(10)의 위치를 결정하도록 상기 유도 전류를 평가하는 단계
    를 포함하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 센서(20)에 의해 생성되는 출력 신호는, 제1 센서(20)에 의해 검출되는 제1 전자기장(14)의 변화량 정도 또는 제1 센서(20)에 의해 검출되는 수술 기구(10)의 제1 전자기장(14)의 세기를 지시하는 신호 값 또는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수술 기구(10)의 활성화된 작동 상태 및 비활성화된 상태가 검출되고 수술 기구(10)의 포지션을 결정할 때 고려되는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수술 기구(10)의 작동 상태는 제1 센서에 의해 생성되는 출력 신호에 따라서 제어되는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서, 선택된 제1 임계값보다 큰 제1 전자기장(14)의 세기 또는 변화량을 제1 센서(20)가 검출하는 경우, 수술 기구(10)는 제한(throttled)되는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제2 임계값보다 큰 제1 전자기장(14)의 세기 또는 변화량을 제1 센서(20)가 검출하는 경우, 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구(10)는 전원 차단되는 것을 특징으로 하고, 제2 임계값은 제1 임계값보다 큰 것인 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 디스플레이 유닛(32)의 주사율은 수술 기구(10)의 결정된 작동 상태에 따라서 설정되는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서, 수술 기구(10)의 작동 팁(18)의 회전수는 설정된 주사율의 정수 배수에 상응하는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 센서(20)에 의해 검출되는 포지션 데이터는 상기 기구 센서(16)에 의해 검출되는 수술 기구(10)의 위치 데이터와 비교되거나, 연관된 포지션-위치 데이터 쌍으로부터 포지션 보정 값이 형성되는 것을 특징으로 하는 수술 기구의 포지션 및 작동 상태의 검출 방법.
  11. 작업 영역 내에서 수술 기구(10)의 작동 상태를 결정하고 위치 측정하기 위한 의료 시스템으로서, 수술 기구(10)는 활성화된 작동 상태와 비활성화된 상태를 갖고, 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구(10)는 제1 전자기장(14)을 방출하거나 제1 전자기장에 작용하도록 구성되고, 상기 의료 시스템은,
    작업 영역 내 기지의 포지션에 배치되는 제1 센서(20)로서, 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구(10)로부터 방출되거나 활성화된 작동 상태일 때의 수술 기구에 의해 변동되는 제1 전자기장(14)을 검출하도록 구성되는 제1 센서(20),
    작업 영역 내에서 수술 기구(10)의 포지션을 결정하기 위한 포지션 검출 유닛,
    수술 기구(10) 상의 기구 센서(16),
    비활성화된 상태의 수술 기구(10)의 위치를 결정하기 위한 위치 검출 유닛, 및
    제2 교번 전자기장을 생성하기 위한 자계 발생기
    를 포함하고,
    제1 센서(20)는, 제1 전자기장(14)의 검출된 매개변수를 지시하는 적어도 하나의 출력 신호를 상기 포지션 검출 유닛으로 전송하고,
    상기 포지션 검출 유닛은, 제1 센서(20)의 출력 신호 및 기지의 포지션을 기초로 하여 활성화된 작동 상태의 수술 기구(10)의 포지션을 결정하고 상응하는 포지션 데이터를 생성하도록 구성되고,
    상기 기구 센서(16)는 상기 자계 발생기에 의해 생성되는 제2 교번 전자기장을 검출하고 상기 기구 센서(16)의 위치에 따라 유도 전류를 생성하고,
    상기 위치 검출 유닛은 수술 기구(10)가 비활성화된 상태에 있어서 수술 기구(10)가 제1 전자기장(14)을 방출하지 않거나 제1 전자기장에 작용하지 않을 때 환자에 대해 상대적인 수술 기구(10)의 위치를 결정하도록 상기 유도 전류를 평가하도록 구성되는 것인 의료 시스템.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 포지션 검출 유닛 또는 위치 검출 유닛은, 수술 기구(10)의 위치 데이터와 포지션 데이터를 비교하도록 구성되고 비교로부터 수술 기구(10)의 보정된 포지션 또는 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  14. 제11항 또는 제13항에 있어서, 작업 영역 내에서 상기 위치 검출 유닛에 의해 검출되는 수술 기구(10), 및 작업 영역 내에 배치된 객체의 수집된 영상 데이터를 위치에 정확하게 표시하기 위한 디스플레이 유닛(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  15. 제11항 또는 제13항에 있어서, 수술 기구(10) 또는 수술 기구(10)의 기구 제어 유닛(38)으로부터 상기 위치 검출 유닛 또는 포지션 검출 유닛으로 수술 기구(10)의 작동 상태를 전송하기 위한 데이터 인터페이스를 포함하는 특징으로 하는 의료 시스템.
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