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KR102687804B1 - 뼈 절단용 의료 장치 - Google Patents

뼈 절단용 의료 장치 Download PDF

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KR102687804B1
KR102687804B1 KR1020187037271A KR20187037271A KR102687804B1 KR 102687804 B1 KR102687804 B1 KR 102687804B1 KR 1020187037271 A KR1020187037271 A KR 1020187037271A KR 20187037271 A KR20187037271 A KR 20187037271A KR 102687804 B1 KR102687804 B1 KR 102687804B1
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시아오후이 가오
효식 강
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마코 서지컬 코포레이션
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Abstract

환자의 뼈 절단용 시스템은 모터; 상기 모터에 구동 가능하게 연결된 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트의 둘레에 위치되고 상기 회전 샤프트를 복수의 위치에서 지지하는 지지 튜브; 상기 지지 튜브에 결합된 복수의 조향 와이어; 및 상기 회전 샤프트의 원위 단부에 있는 뼈 절단기를 포함한다.

Description

뼈 절단용 의료 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에서 2016 년 5 월 23 일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 62/340,184 호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술 분야
본 발명의 실시예들은 일반적으로 뼈 절단용 의료 장치에 관한 것이다. 의료 장치는 도달하기 어려운 표면에 접근할 수 있도록 가요성이 있지만 뼈를 절단할 정도로 단단할 수 있다.
전형적으로, 환자의 뼈를 변형시키는데 사용되는 공구는 단단하고 직선적이다. 직선형 공구(예: 절단 버르 또는 톱)를 사용하여 특정 뼈 표면에 접근하기 위해, 외과의는 환자의 피부와 조직을 통해 큰 절개부를 절단해야 할 수 있다. 예를 들어, 무릎 수술을 수행하기 위해, 외과의는 대퇴골과 경골의 여러 표면에 접근하기 위해 피부를 통해 큰 절개부를 절단할 수 있다. 연조직을 포함한 여러 가지 가요성 공구가 개발되었다. 그러나, 이러한 가요성 공구는 특정 정형 외과 수술을 수행하는 데 필요한 방식으로 뼈를 정형하고 절단할 만큼 단단하지 않다.
정형 외과 수술을 수행하기 위해, 외과의는 로봇 시스템의 일부인 공구를 사용할 수 있다. 로봇 시스템은 외과의가 의료 절차를 완료하는 것을 돕기 위해 컴퓨터 시스템 및 다른 장치(예: 네비게이션 시스템의 구성요소)를 포함할 수 있다. 로봇 시스템은 예를 들어, 환자와 공구를 추적하여 환자에 대한 공구의 배치를 제어하는 데 도움이 될 수 있다.
본 발명의 실시예는, 무엇보다도, 뼈 절단용 의료 장치에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 실시예들 각각은 다른 개시된 실시예들 중 임의의 것과 관련하여 설명된 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다.
환자의 뼈 절단용 시스템은 모터; 상기 모터에 구동 가능하게 연결된 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트의 둘레에 위치되고 상기 회전 샤프트를 복수의 위치에서 지지하는 지지 튜브; 상기 지지 튜브에 결합된 복수의 조향 와이어; 및 상기 회전 샤프트의 원위 단부에 있는 뼈 절단기를 포함한다.
뼈 절단용 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 지지 튜브는 구부러진 위치에서 적어도 5 N/mm의 강성을 가질 수 있고; 상기 지지 튜브는 상기 지지 튜브의 벽을 관통하는 복수의 슬롯을 포함할 수 있으며; 상기 지지 튜브는 근위 섹션 및 원위 섹션을 포함할 수 있으며, 상기 근위 섹션은 상기 복수의 조향 와이어들을 사용하여 상기 원위 섹션으로부터 독립적으로 조향될 수 있으며; 상기 시스템은 검출 장치 및 추적 가능한 요소를 갖는 네비게이션 시스템을 포함할 수 있으며; 네비게이션 시스템은 광섬유 형상 센서 또는 전자기 센서 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다.
의료 장치는 벽과 루멘을 가지며 상기 벽을 관통하여 연장되는 복수의 슬롯들을 포함하는 세장형 관형 부재; 상기 세장형 관형 부재의 루멘 내에 위치되고 상기 세장형 관형 부재에 대해 회전 가능한 가요성 샤프트; 및 상기 가요성 샤프트의 원위 단부에 있는 뼈 절단기를 포함하고, 상기 세장형 관형 부재는 굽힘 위치에서 적어도 5 N/mm의 강성을 갖는다.
의료 장치는 추가적으로 또는 대안적으로 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 세장형 관형 부재는 근위 섹션, 원위 섹션 및 복수의 조향 와이어들을 포함할 수 있으며, 근위 섹션은 원위 섹션으로부터 독립적으로 조향 가능하며; 상기 원위 섹션은 적어도 4 개의 조향 와이어들에 의해 조향 가능하고, 각각의 조향 와이어는 상기 근위 섹션의 길이를 따라 그리고 상기 원위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제 1 섹션 및 상기 근위 섹션의 길이를 따라 그리고 상기 원위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제 2 섹션을 포함하고, 상기 근위 섹션은 적어도 4 개의 추가 조향 와이어들에 의해 조향 가능하며, 상기 4 개의 추가 조향 와이어들 각각은 상기 근위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제 1 섹션 및 상기 근위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제 2 섹션을 포함하고; 상기 의료 장치는 봉입 루멘을 포함할 수 있으며; 가요성 샤프트는 적어도 10,000 rpm의 속도로 회전하도록 구성될 수 있다.
환자의 뼈를 절단하기 위한 방법은 뼈에 인접하여 뼈 절단기를 배치하는 단계로서, 상기 뼈 절단기는 회전 샤프트의 원위 단부에 위치되고, 지지 튜브가 상기 회전 샤프트의 외부에 위치되는, 상기 뼈 절단기를 배치하는 단계; 상기 지지 튜브의 적어도 일부의 곡률을 증가 또는 감소시키는 것 중 적어도 하나에 의해 상기 지지 튜브의 형상을 변형하는 단계; 그리고 뼈를 절단하기 위해 가요성 샤프트를 회전시키는 단계를 포함한다.
상기 뼈 절단 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 다음 특징들 또는 단계들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 지지 튜브는 제 1 섹션 및 제 2 섹션을 포함할 수 있고, 제 1 섹션은 상기 제 1 섹션의 직선 위치에 대해 임의의 방향으로 구부러지도록 구성될 수 있고, 상기 제 2 섹션은 상기 제 2 섹션의 직선 위치에 대해 임의의 방향으로 구부러지도록 구성될 수 있으며; 상기 방법은 네비게이션 시스템을 사용하여 상기 뼈에 대한 상기 뼈 절단기의 위치를 추적하는 단계를 추가로 포함할 수 있고; 네비게이션 시스템은 형광 투시 장치, 초음파 장치, 광섬유 형상 센서 또는 전자기 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며; 네비게이션 시스템은 카메라 및 추적 가능한 요소를 포함할 수 있으며; 상기 지지 튜브의 형상을 변형하는 단계는 적어도 하나의 조향 와이어에 인장력을 인가하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 지지 튜브는 회전 가요성 샤프트를 복수의 위치에서 지지할 수 있으며; 가요성 샤프트는 모터에 구동 가능하게 연결될 수 있으며, 상기 가요성 샤프트를 회전시키는 단계는 모터의 일부를 회전시키는 단계를 포함할 수 있고; 상기 방법은 상기 지지 튜브의 컴퓨터 모델을 교정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하며 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명에 따른 뼈 절단용 의료 장치를 도시한다.
도 2는 도 1의 의료 장치의 분해도를 도시한다.
도 3은 도 1의 의료 장치의 가요성 관형 부재의 길이방향 단면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 의료 장치의 가요성 관형 부재의 근위 섹션 및 원위 섹션의 부분의 길이방향의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 4의 섹션 5-5에서의 가로방향 단면도를 도시한다.
도 6은 도 4의 섹션 6-6에서의 가로방향 단면도를 도시한다.
도 7은 도 4의 섹션 7-7에서의 가로방향 단면도를 도시한다.
도 8은 도 4의 섹션 8-8의 가로방향 단면도를 도시한다.
도 9는 가요성 관형 부재의 슬롯 구성의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 가요성 관형 부재의 슬롯 구성의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
의료 장치 구성요소
본 발명은 뼈 절단용 의료 장치에 관한 것이다. 의료 장치는 휴대용이거나 로봇 장치에 결합된 단부 이펙터일 수 있다. 의료 장치는 가요성이 있어 최소 침입 수술 동안 뼈의 다양한 표면에 접근하고 변형시킬 수 있다. 가요성이 있지만, 의료 장치는 뼈와 같은 단단한 표면을 절단하면서 구부러진 형상을 유지할 수 있을 정도로 단단할 수 있다. 컴퓨터 시스템 및 네비게이션 시스템은 의료 장치의 형상 및 위치를 제어하는데 도움을 줄 수 있으며, 사용자에게 이미지 안내를 제공할 수 있다.
도 1을 참조하면, 의료 장치(10)는 많은 구성요소들 가운데, 가요성 관형 부재(12), 내부 샤프트(14), 제 1 모터(16), 제 2 모터(18) 및 하우징(20)을 포함할 수 있다.
가요성 관형 부재(12)는 각각 개별적으로 제어 가능한 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가요성 관형 부재(12)는 별도의 섹션(22, 24)을 포함하지 않고 대신에 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)과 관련하여 본원에 기술된 임의의 특징을 갖는 단일 관형 부재이다. 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)은 금속 또는 중합체와 같은 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)은 니티놀 또는 스프링 강과 같은 형상 기억 재료를 포함할 수 있다. 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)은 내부 샤프트(14)를 보유하는 루멘(26)을 형성할 수 있다. 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)의 벽은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있으며, 다양한 예에서, 0.2 내지 5 mm, 1 내지 4 mm 또는 1.5 내지 3mm의 두께를 포함할 수 있다. 일 예에서, 벽 두께는 약 1.75mm일 수 있다.
관형 부재(12)는 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)을 다른 구성요소 및 서로에 연결시키는 하나 이상의 커넥터(27, 28, 29)(역시 도 2 참조)를 추가로 포함할 수 있다. 커넥터는 단단하고 관 형상일 수 있다. 그러나, 추가의 또는 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 커넥터(27, 28, 29)는 단단하고 곡선일 수 있다. 곡선 커넥터는 의료 장치(10)로 환자의 신체 구조의 특정 부분에 접근하는데 유용할 수 있다. 일 실시예에서, 커넥터는 서로 다른 절차를 위해 관형 부재(12)의 형상을 변형하기 위해 상호 교환 가능할 수 있다. 예를 들어, 상이한 커넥터는 상이한 길이 및/또는 곡률을 가질 수 있다.
각각의 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)은 복수의 슬롯(34)을 포함할 수 있다. 슬롯(34)은 대응하는 섹션(22, 24)의 벽을 통해서 부분적으로 또는 전체적으로 연장할 수 있다. 각각의 슬롯(34)은 세장형일 수 있고, 그 장 측은 서로 평행하고 대응하는 섹션(22, 24)의 원주 둘레에서 적어도 부분적으로 연장된다. 각각의 슬롯(34)의 단부는 직선이거나 곡선일 수 있다.
또한, 일 예에서, 각각의 슬롯(34)은 대응 섹션(22, 24)의 원주 둘레에서 약 270도로 연장될 수 있다. 다른 예에서, 각각의 슬롯(34)은 원주 둘레에서 임의의 적당한 각도로 연장될 수 있지만, 각각의 슬롯(34)은 대응 섹션(22, 24)의 원주 둘레에서 180도 내지 330도 사이에서 연장될 수 있다. 추가의 또는 대안적인 예에서, 2 개 이상의 별개의 슬롯은 임의의 길이방향 위치에서 대응하는 섹션(22, 24)의 동일한 원주 상에 놓일 수 있고, 재료는 섹션이 분할되지 않도록 슬롯의 단부들 사이에 남을 수 있다(예: 두 슬롯들의 단부들 사이에 60°의 재료를 갖는, 원주 둘레에 두 개의 120°슬롯들).
도 4는 도 1의 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)의 일부를 이들 섹션의 대표적인 단면도와 함께 도시한다. 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제어 와이어(30)는 사용자가 내부 샤프트(14)의 원위 단부에서 절단 공구(50)의 위치를 제어할 수 있도록 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)의 벽을 통해 이동할 수 있다. 참조를 용이하게 하기 위해, 내부 샤프트(14)는 도 4 내지 도 8에 도시되어 있지 않다.
도 4를 참조하면, 슬롯(34)은 3-슬롯 패턴으로 배열될 수 있고, 매 3 번째 슬롯은 유사한 배향으로 배치된다. 예를 들어, 관형 부재(22, 24)의 길이를 따라 이동하는 경우, 제 1 세트의 슬롯은 제 1 슬롯(39), 제 2 슬롯(41) 및 제 3 슬롯(43)을 포함할 수 있다. 제 1 세트의 제 3 슬롯 후에, 제 2 세트의 슬롯은 제 1 슬롯(39'), 제 2 슬롯(41') 및 제 3 슬롯(43')을 포함할 수 있다. 원위 섹션(24)의 대표적인 제 1 슬롯(39)은 단면 5-5 상에 놓이고, 대표적인 제 2 슬롯(41)은 단면 6-6 상에 놓이고, 대표적인 제 3 슬롯(43)은 단면 7-7 상에 놓인다. 각 세트의 제 1 슬롯은 서로 유사하게 배향될 수 있고, 각 세트의 제 2 슬롯은 서로 유사하게 배향될 수 있고, 각 세트의 제 3 슬롯은 서로 유사하게 배향될 수 있다. 또한, 인접한 슬롯(34)은 단면 5-5, 6-6 및 7-7에 도시된 바와 같이 인접한 슬롯에 대해 각 슬롯이 120도 회전하도록 배열될 수 있다.
도 8은 도 4의 단면 8-8을 따라 근위 섹션(22)을 관통하는 예시적인 슬롯을 도시한다. 근위 섹션(22)의 슬롯은 도 4의 슬롯과 동일한 구성 및 패턴을 가질 수 있다. 도 8에 있어서, 도시된 슬롯은 단면 5-5의 슬롯과 동일한 배향을 가질 수 있다.
도 4 내지 도 8의 단면도에서 알 수 있는 바와 같이, 개개의 슬롯(34)은 관형 부재(12)의 벽 부분을 통과하여 벽 세그먼트를 손상시키지 않고 남겨 둘 수 있다. 각 슬롯은 인접 슬롯에 대해 120도 회전될 수 있기 때문에, 인접 세그먼트는 서로에 대해 120도만큼 회전될 수 있다. 따라서, 관형 부재(12)의 길이를 따라 이동하면서, 남아있는 벽 재료의 세그먼트는 나선형 구성을 형성할 수 있다.
추가의 또는 대안적인 슬롯 구성이 도 9 및 도 10에 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 슬롯(35)은 확장된 단부를 포함할 수 있다. 확장된 단부는 관형 부재(12) 상의 응력을 완화시킬 수 있고 관형 부재(12)의 굽힘 각도를 증가시킬 수 있다. 도 10을 참조하면, 각각의 슬롯(37)은 그 단부를 향하여 테이퍼질 수 있어서, 각각의 슬롯의 중간 부분이 그 단부보다 더 넓다. 다양한 슬롯 구성은 관형 부재(12)의 가요성을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 더 넓은 중간 영역을 갖는 슬롯(37)은 관형 부재의 가요성을 증가시킬 수 있다. 도 6 및 도 7의 슬롯(35, 37)은 관형 부재(12)의 원주 둘레의 길이 및 인접 슬롯에 대한 그들의 배향을 포함하여, 슬롯(34)과 관련하여 설명된 임의의 다른 특징을 포함할 수 있다.
슬롯(34)은 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)의 재료가 비교적 단단하더라도 가요성 관형 부재(12)가 구부러지게 할 수 있다. 또한, 슬롯(34)이 관형 벽의 원주 둘레에 분포되기 때문에, 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24) 각각은 임의의 방향으로 구부러지도록 구성된다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 원위 섹션(24)은 제어 와이어(30)를 유지하기 위한 복수의 제어 와이어 개구(36)를 포함할 수 있다. 제어 와이어 개구(36)는 개구(36 및 36')와 같이 쌍으로 그룹화될 수 있다. 한 쌍의 개구(36, 36')는 동일한 제어 와이어(30)를 유지할 수 있으며, 제어 와이어(30)는 원위 섹션(24)의 원위 단부 근처에서 구부러져 U-턴을 형성하고 개구(36, 36') 중 다른 개구를 통해서 연장한다. 따라서, 제어 와이어(30)의 제 1 부분은 한 쌍의 제 1 개구(36)에 위치될 수 있고 제어 와이어의 제 2 부분은 상기 쌍의 제 2 개구(36')에 위치될 수 있다. 일 예에서, 각각의 제어 와이어(30)는 원위 섹션(24)의 원위 단부에 U-턴할 수 있다. 그러나, 대안적인 예(도 2의 분해도 참조)에서, y-방향 제어 와이어(30)(도 4에서 상부 및 하부 제어 와이어)는 원위 섹션(24)에 대한 원위에 위치한 커넥터(29)를 통해서 이동할 수 있고 커넥터(29)의 원위 단부에서 U-턴할 수 있는 반면, x-방향 제어 와이어(30)(도 4에서 좌측 및 우측 제어 와이어)는 원위 섹션(24)의 원위 단부에서 U-턴할 수 있다.
도 4에 도시된 나머지 쌍의 개구는 유사하게 다른 제어 와이어(30)의 제 1 및 제 2 부분을 유지할 수 있다. 도시된 예에서, 총 8 개의 제어 와이어 개구(36, 36')를 관통하는 4 개의 제어 와이어(30)는 원위 섹션(24)의 이동을 제어할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 1 개, 2 개, 3 개 또는 5 개 이상의 제어 와이어가 원위 섹션(24)의 이동을 제어할 수 있다.
원위 섹션(24)을 통한 제어 와이어(30)의 구성은 사용자가 원위 섹션(24)의 형상을 제어하게 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제어 와이어(30) 중 2 개는 x-방향으로의 원위 섹션(24)의 원위 단부의 이동을 제어할 수 있고 2 개의 제어 와이어(30)는 y-방향으로의 원위 섹션(24)의 원위 단부의 이동을 제어할 수 있다. 따라서, 도 4의 실시예의 4 개의 제어 와이어는 x 축 및 y 축 모두를 따라 원위 섹션(24)을 구부리기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 제어 와이어(30)(예: 다른 x-방향 제어 와이어)를 단축하고 반대 제어 와이어(30)(예: 다른 x-방향 제어 와이어)를 연장시키는 것은 원위 섹션(24)을 단축된 측면을 향해 구부릴 수 있다. 하나 초과의 제어 와이어(30)(예: 하나의 x-방향 제어 와이어 및 하나의 y-방향 제어 와이어)는 조이고 다른 두 개의 반대 제어 와이어(30)(예: 다른 x-방향 제어 와이어 및 다른 y-방향 제어 와이어)는 연장시킴으로써 원위 섹션(24)을 부분적으로 x 축을 따라 그리고 부분적으로 y 축을 따라 구부릴 수 있다.
따라서, 원위 섹션(24)은 원위 섹션(24)의 원위 단부가 임의의 방향으로 이동하도록 하는 방식으로 제어될 수 있다. 원위 섹션(24)을 구부리면, 원위 섹션(24)의 적어도 일부의 곡률을 증가시킬 수 있고, 원위 섹션(24)을 직선 위치로 되돌려 놓으면, 원위 섹션(24)의 적어도 일부의 곡률을 감소시킬 수 있다. 원위 섹션(24)이 더 멀리 굴절하고 90도에 접근하면, 원위 단부는 x 및 y 방향으로의 이동에 추가하여 z 방향으로 근위로 이동한다. 따라서, 원위 섹션(24)의 이동에만 기초하여 절단 공구(50)의 "작업 영역"은 반구 형상의 외부 경계일 수 있다.
도 8을 참조하면, 가요성 관형 부재(12)의 근위 섹션(22)의 벽은 또한 제어 와이어(30)를 유지하는 제어 와이어 개구(36, 36')를 포함할 수 있다. 편의상, 각 원위 섹션 제어 와이어 및 그 대응 개구는 집합적으로 원위 제어부(38)로 지칭되고 각 근위 섹션 제어 와이어 및 그 대응 개구는 집합적으로 근위 제어부(40)로 지칭된다. 각 근위 제어부(40)의 구성요소는 상술한 원위 제어부(38)의 구성요소와 유사할 수 있고[예: 개구(36, 36')를 통한 제어 와이어(30)] 근위 섹션(22)을 제어하도록 유사 방식으로 기능할 수 있다. 도시된 예에서, 총 8 개의 제어 와이어 개구(36, 36')를 관통하여 이어지는 4 개의 제어 와이어(30)를 포함하는 4개의 근위 제어부(40)는 원위 섹션(24)과 연계하여 상술한 근위 섹션(22)의 이동을 제어한다. 그러나, 다른 실시예에서, 1 개, 2 개, 3 개 또는 5 개 이상의 제어 와이어가 근위 섹션(22)의 이동을 제어할 수 있다. 근위 섹션(22)의 이동에만 기초하는 절단 공구(50)의 작업 영역은 또한 반구 형상의 외부 경계일 수 있다. 각각의 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)에 의해 제공되는 운동 범위는 의료 장치(10)의 하우징(20)을 재위치시키지 않고 달성될 수 있는 절단 공구(50)의 위치의 수를 증가시키도록 조합될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 의료 장치(10)는 절단 공구(50)의 위치 설정을 위한 추가적인 자유도를 제공할 수 있는 다른 장치의 로봇 아암에 고정될 수 있다.
원위 제어부(38)는 도 8에 도시된 바와 같이, 원위 섹션(24)으로부터 그리고 근위 섹션(22)을 통해서 근위로 이동할 수 있다. 근위 섹션(22) 내에서 근위 제어부(40)의 구성요소는 원위 제어부(38)의 구성요소들 사이에 위치할 수 있다. 원위 제어부(38)와 유사하게, 근위 제어부(40)는 사용자가 x 및 y 축을 따라 임의의 방향으로 근위 섹션(22)을 구부리도록 허용할 수 있다. 총 16 개의 제어 와이어 개구(36, 36')가 근위 섹션(22)의 벽을 통해 이동할 수 있다. 또한, 원위 제어 와이어(30)와 유사하게, 근위 제어 와이어(30)는 근위 섹션(22)의 원위 단부 근처에서 "U 턴"할 수 있다. 일 예에서, 4 개의 제어 와이어들 각각은 근위 섹션(22)의 원위 단부에서 U-턴한다. 대안적인 예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 2 개의 제어 와이어들(30)은 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24) 사이에 배치된 커넥터(28)를 통해서 이동할 수 있고 커넥터(28)의 원위 단부에서 U-턴할 수 있는 반면, 다른 두 개의 제어 와이어(30)는 근위 섹션(22)의 원위 단부에서 U-턴할 수 있다.
제어 와이어 및 그 대응 개구(36, 36')는 가요성 관형 부재(12)의 각 섹션(22, 24)이 임의의 방향으로 90도까지 구부러지게 할 수 있다. 각 섹션(22, 24)은 제어 와이어(30)를 사용하여 독립적으로 제어가능하거나 또는 조향가능할 수 있다. 이러한 가요성은 사용자가 의료 장치(10)의 원위 단부를 정확하게 위치시키는 것을 허용할 수 있다. 구체적으로, 가요성 관형 부재(12)의 각 섹션의 원위 단부는 직선 형태의 단면으로 정의된 길이방향 축 둘레에서 전체 360도 원을 추적할 수 있다. 달리 말하면, 직선 형태의 섹션의 근위 및 원위 단부를 통해 이동하고, 전체 섹션(22, 24)을 회전시킬 필요없이 고정된 기준 축에 대해, 각각의 섹션은 임의의 방향으로 방사상 외향으로 각각의 섹션의 원위 단부를 이동시키도록 구부러질 수 있다.
관형 부재(12)는 가요성이지만, 사용자가 뼈를 절단하는 동안 비의도적인 굽힘에 저항할 수 있다. 따라서, 관형 부재(12)는 특정 시간에 형상을 변화시키고 특정 시간에 그 형상을 유지하도록 구성될 수 있다. 대조적으로, 단단한 공구는 뼈를 절단하는 동안 부서지거나 변형되지 않도록 충분한 강성이 있어야 한다. 제어 와이어(30)는 관형 부재(12)의 섹션(22, 24)에 충분한 강성을 제공하여, 관형 부재(12)가 비의도적인 굽힘없이 뼈를 절단하게 할 수 있다.
원위 섹션(24)의 단면을 따른 8 개의 제어 와이어 길이[예: 2 개의 길이를 포함하는 각각의 제어 와이어(30)와 함께] 및 근위 섹션(22)의 단면을 따르는 16 개의 제어 와이어 길이의 포함은, 뼈와 같은 단단한 구조체를 절단하거나 달리 개조할 때에도, 관형 부재(12)가 원하는 형상을 유지할 수 있게 하는데 유용할 수 있다. 다른 예에서, 근위 또는 원위 섹션(22, 24)을 따른 상이한 개수의 제어 와이어 길이는 충분한 강성을 제공할 수 있다. 따라서, 제어 와이어(30)에 의해 위치되는 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)의 의도된 형상을 손상시키지 않으면서 큰 힘이 의료 장치(10)의 원위 단부에 의해 가해질 수 있다. 일 실시예에서, 관형 부재(12)는 적어도 5 N/mm의 강성을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 관형 부재(12)의 강성은 적어도 5.5 N/mm, 6 N/mm, 6.5 N/mm 또는 7 N/mm일 수 있다. 관형 부재(12)의 강성은 관형 부재(12)의 단부에 외력을 가한 다음, 결과적인 단부 편향을 측정함으로써 측정될 수 있다. 강성은 적용된 힘을 편향으로 나누어 계산할 수 있다. 일 실시예에서, 가요성 샤프트(14)는 관형 부재(12)의 강성에 영향을 주지 않지만, 다른 실시예에서는 가요성 샤프트(14)가 관형 부재(12)의 강성을 증가시킬 수 있다.
관형 부재(12)의 강성은 또한 제어 와이어(30)의 두께 및 배치, 관형 부재(12)의 재료, 및 관형 부재(12)의 벽 내의 슬롯들의 수 및 형상과 같은 다른 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 근위 섹션 및 원위 섹션(22)은 고강도 니티놀(nitinol)을 포함할 수 있으며, 이는 다른 재료보다 강하고 부드러울 수 있으며, 관형 부재(12)가 비의도적인 굽힘없이 큰 힘을 견딜 수 있게 해준다. 또한, 대응하는 섹션(22, 24)의 원위 단부 부근에 각각 "U 턴"을 포함할 수 있는 제어 와이어(30)의 배치는 공간을 절약할 수 있고 추가 길이의 와이어가 관형 부재의 벽을 통과하게 할 수 있는데, 이는 와이어를 고정하기 위한 클램핑 기구가 작업 원위 단부가 아닌 그 근위 단부에서 관형 부재의 외부에 위치될 수 있기 때문이다. 추가 와이어는 관형 부재(12)의 강성을 증가시킬 수 있다. 충분한 강성을 가지지 않는 선행 기술의 가요성 장치는 더 단단한 표면을 절단하는데 사용되는 경우 의도하지 않게 구부러져 뼈 절단에 부적합하게 될 수 있다.
근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24) 모두의 제어 와이어(30)는 도 1에 개략적으로 도시된 하나 이상의 모터(18)에 의해 제어될 수 있다. 제어 와이어(30)는 하우징(20) 및/또는 모터(16) 내의 루멘 및 루멘(52)을 통해 모터(18)로 근위로 이동할 수 있다. 일 예에서, 모터(18)는 하나 이상의 인장 스크류를 포함할 수 있다. 각각의 제어 와이어(30)의 2 개의 근위 단부는 대응하는 인장 스크류에 감겨지거나 결합될 수 있다. 인장 스크류는 제어 와이어(30)를 단축하거나 길게 하기 위해 회전되어, 가요성 관형 부재(12)가 구부러지게 한다.
일 예에서, 제 1 제어 와이어의 근위 단부 및 제 1 제어 와이어 반대편에 위치된 제 2 제어 와이어의 근위 단부는 동일한 인장 스크류에 결합될 수 있다. 따라서, 스크류가 회전할 때, 하나의 제어 와이어는 짧아지고 다른 하나는 연장되어 가요성 관형 부재(12)의 섹션을 구부리게 된다. 따라서, 단일 섹션의 와이어를 제어하는 경우 제어 와이어의 각 쌍에 대해 하나씩 - 2 개의 모터를 요구할 수 있다. 다른 예에서, 삼각형 패턴을 형성하는 3 개의 제어 와이어가 관형 부재(12)의 각 섹션을 제어하는데 사용될 수 있다. 이 예에서, 각각의 제어 와이어에 대해 하나씩 - 3 개의 모터가 사용될 수 있다. 엔코더는 인장 스크류의 회전을 측정하는 데 사용될 수 있다. 모터(18)는 의료 장치(10)의 나머지 구성요소들에 가깝게 위치될 수 있거나 또는 원격 위치에 위치될 수 있으며, 제어 와이어들(30)은 모터(18)로부터 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)으로 이동한다. 보우덴 케이블들이 원격 모터로부터 제어 와이어(30)로의 움직임을 전달하는데 사용될 수 있다. 추가의 또는 대안적인 예에서, 제어 와이어(30)는 유압 또는 공압 피스톤에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 모터는 하나 이상의 제어 와이어(30)를 당기거나 인장력을 해제할 수 있는 피스톤의 이동을 야기할 수 있다. 또 다른 예에서, 가요성 관형 부재(12)의 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)은 니티놀 또는 스프링 강과 같은 형상 기억 재료에 의해 제어될 수 있다. 이 예에서, (예: 세장형 부재의 형태인) 형상 기억 재료는 하나 이상의 제어 와이어에 연결될 수 있다. 그 후, 형상 기억 재료는 전류에 의해 활성화되어 하나 이상의 제어 와이어(30)를 당기거나 인장력을 해제할 수 있다.
대안적인 예에서, 각각의 제어 와이어(30)는 하나의 개구(36)만을 통과할 수 있다. 이 예에서, 원위 제어부(38)의 제어 와이어(30)의 원위 단부는 원위 섹션(24)의 원위 단부에 고정될 수 있다. 마찬가지로, 근위 제어부(40)의 제어 와이어(30)의 원위 단부는 근위 섹션(22)의 원위 단부에 고정될 수 있다.
근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24) 모두의 벽을 관통하는 개구(36, 36')는 벽을 관통하는 개구를 뚫는 것과 같은 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 그러나 도 5 내지 도 8을 참조하면, 하나의 예에서 원위 섹션(24)은 외부 튜브(42) 및 내부 튜브(44)를 포함할 수 있으며, 근위 섹션(22)은 외부 튜브(46) 및 내부 튜브(48)를 포함할 수 있다. 내부 튜브와 조립하기 전에, 슬롯이 개구(36, 36')를 형성하도록 각 섹션(22, 24)의 외부 튜브의 내부 벽에 형성될 수 있다. 각각의 내부 튜브는 내부 튜브의 외부가 개구(36, 36')의 내부 벽을 형성하도록 대응하는 외부 튜브의 루멘의 내부에 배치될 수 있다. 각 섹션의 내부 및 외부 튜브는 동일한 재료 또는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 개구(36, 36')를 형성하는 이 방법은 제어 와이어 개구(36, 36')를 제조하는 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 의료 장치(10)는 수술 중 영상 진단을 용이하게 하기 위해 원위 단부 부근[예컨대, 후술하는 절단 공구(50) 부근]에 영상 장치(51)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침 또는 비디오 카메라가 원위 섹션(24)의 원위 단부에 고정될 수 있으며, 이것은 환자의 신체 구조를 시각화하는데 유용할 수 있다. 추가의 또는 대안적인 실시예에서, 영상 장치(51)는 내시경의 원위 단부에 위치한 카메라일 수 있다. 내시경은 임의의 전기 또는 데이터 전송 와이어가 개구를 통해 근위 방향으로 이동하면서 관형 부재(12)의 벽에 있는 개구를 통해 이동할 수 있다. 의료 장치(10)는 커버와 같은 혈액 또는 조직으로부터 영상 진단 시스템을 보호하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있거나 또는 세척 및 시각화 목적을 위해 탐침 또는 카메라의 표면을 향하여 관류 액체(irrigation liquid)를 지향시키는 특징을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 의료 장치는 가요성 관형 부재(12)의 루멘(26) 내에 위치된 가요성 샤프트(14)를 추가로 포함할 수 있다. 가요성 샤프트(14)는 그 원위 단부에 절단 공구(50)를 포함할 수 있다. 가요성 샤프트(14)는 중공 내부를 가질 수 있고 가요성 샤프트(14)의 벽을 관통하여 부분적으로 또는 전체적으로 연장하는 슬롯(15)을 포함할 수 있다. 슬롯(15)은 관형 부재(12)의 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)과 정렬되는 가요성 샤프트(14)의 섹션들을 따라 연장될 수 있다. 슬롯(15)은 관형 부재(12)가 제어 와이어(30)를 사용하여 구부러질 때 가요성 샤프트(14)의 굽힘을 더욱 용이하게 할 수 있다. 슬롯(15)은 가요성 샤프트(14)의 길이방향 축에 평행하게 연장되는 2 개 이상의 열로 정렬될 수 있다. 슬롯은 임의의 형상을 가질 수 있지만, 슬롯은 가요성 샤프트(14)의 원주 주위로 세장형일 수 있고 실질적으로 직사각형 형상을 가질 수 있다.
대안 예에서, 가요성 샤프트(14)는 2013 년 2 월 5 일자로 발행된 "캐뉼러형 가요성 구동 샤프트(Cannulated Flexible Drive Shaft)"라는 제목으로서 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제 8,366,559 호에 기술된 가요성 구동 샤프트일 수 있다. 따라서, 가요성 구동 샤프트는 복수의 연동 섹션 또는 링을 포함할 수 있으며, 하나의 섹션으로부터 돌출된 핀이 인접 섹션의 소켓에 끼워 맞춰진다. 일 예에서, 가요성 샤프트(14)는 최소 또는 0의 굽힘 모멘트를 전달할 수 있다. 다른 예에서, 가요성 샤프트(14)는 토크 코일을 포함할 수 있다. 가요성 샤프트(14)의 임의의 실시예는 정확도를 향상시키기 위해 힘 및/또는 토크 센서를 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 후술되는 컴퓨터 시스템은 검출된 힘 및/또는 토크에 기초하여 절단 공구를 재위치시키거나 정지시킬 수 있다. 일 예에서, 모니터된 힘 또는 토크가 특정 한도를 초과하는 경우, 컴퓨터 시스템은 절단 공구(50)의 위치에 허용할 수 없는 변화를 나타낼 수 있고 절단 공구(50)의 회전을 멈출 수 있다.
가요성 샤프트(14)는 뼈를 자르기에 충분한 속도로 회전할 수 있다. 일 예에서, 가요성 샤프트(14)는 적어도 분당 10,000 회전 속도로 회전할 수 있다. 다른 예에서, 가요성 샤프트(14)는 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)과 함께 구부리는 능력을 유지하면서 분당 적어도 20,000, 30,000, 40,000, 50,000 또는 60,000 회전 속도로 회전할 수 있다. 가요성 샤프트(14)는 도 1에 도시된 모터(16)에 의해 동력을 받는다. 모터(16)는 세장 원통형일 수 있고 하우징(20)에 의해 유지될 수 있다. 모터(16)는 하나 이상의 전기 케이블을 통해 동력원에 연결될 수 있다.
가요성 샤프트(14)의 원위 단부는 환자의 신체 구조의 뼈 또는 다른 부분을 절단 또는 자르기 위해 회전하는 절단 공구(50)를 포함할 수 있다. 절단 공구(50)는 가요성 샤프트(14)에 견고하게 고정될 수 있다. 일 예에서, 절단 공구(50)는 둥근 원위 단부를 포함하는 버르(burr)일 수 있다. 다른 예에서, 가요성 샤프트(14)의 원위 단부는 블레이드 또는 드릴과 같은 상이한 절단 공구(50)를 포함할 수 있다. 절단 공구(50)는 칼라(54)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 칼라(54)는 절단 공구(50)의 특정 부분이 조직과 접촉하는 것을 방지하여 사용자가 절단 공구(50)의 노출된 부분에 인접한 조직만을 절단할 수 있게 한다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 관형 부재(12)의 내부는 근위 포트(58) 및 원위 포트(56)를 통해서만 관형 부재(12)의 외부에 노출되는 봉입 루멘(17)을 포함할 수 있다. 봉입 루멘(17)은 가요성 샤프트(14)의 내부 또는 외부를 통해 이동하는 세장형 가요성 튜브에 의해 한정될 수 있다. 가요성 튜브는 관형 부재(12) 및 가요성 샤프트(14)와 함께 회전 및 구부러질 수 있는 폴리머 또는 다른 가요성 재료를 포함할 수 있다. 봉입 루멘(17)은 절단 공구(50)가 뼈를 절단하는데 사용될 때 사용자가 원위 포트(56)를 통해 환자의 신체로부터 조직, 뼈 및 혈액을 인출할 수 있게 한다. 진공 또는 다른 흡인 소스가 근위 포트(58)에 결합될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물 또는 다른 유체가 근위 포트(58)를 통해, 봉입 루멘(17)을 통해, 원위 포트(56) 밖으로 주입되어, 뼈의 표면을 세척할 수 있다. 흡인 및 세척 기능은 의료 절차 중에 작업 영역의 가시성을 증가시킬 수 있다. 관형 부재는 근위 포트(58)를 진공 소스 및 수집 챔버에 연결하여 흡인된 물질 또는 세척용 유체 소스를 수집하는 데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 가요성 관형 부재(12)의 각 섹션(22, 24) 및 가요성 샤프트(14)는 가요성일 수 있다. 일 예에서, 가요성은 구성요소가 직선 위치에서 구성요소의 길이방향 축을 따라 직선에 대해 적어도 5° 구부러지도록 구성된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 가요성 샤프트(14)가 직선 위치에서 시작하여 가요성 샤프트(14)의 길이방향 축을 따라 연장되는 직선을 한정하고, 가요성 샤프트(14)의 근위 단부가 직선 상에 남아 있는 상태에서, 가요성 샤프트(14)의 원위 단부는 직선으로부터 적어도 5° 구부릴 수 있다. 다른 예에서, 가요성 구성요소는 직선에 대해 적어도 10°, 적어도 15°, 적어도 20°, 적어도 25°, 적어도 30°, 적어도 35°, 적어도 40°°, 적어도 45°, 적어도 50°, 적어도 55°, 적어도 60°, 적어도 65°, 적어도 70°, 적어도 75°, 적어도 80°, 적어도 85°, 또는 적어도 90°구부릴 수 있다.
도 3을 참조하면, 베어링(32)은 관형 부재(12) 및 의료 장치의 다른 구성요소에 대한 내부 가요성 샤프트(14)의 회전을 용이하게 하기 위해 관형 부재(12)와 내부 가요성 샤프트(14) 사이에 위치할 수 있다. 명확하게 하기 위해, 도 3의 단면은 제어 와이어(30) 또는 제어 와이어 개구(36, 36')와 교차하지 않는 위치에서 취해진다. 또한, 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 관형 부재(12)의 벽은 함께 결합된 두 개의 상이한 재료 또는 관형 부재를 포함할 수 있지만, 관형 부재(12)의 벽은 하나의 재료로서 도시된다. 베어링(32)은 가요성 샤프트(14)의 외부 및 커넥터(27, 28, 29) 내부에 놓일 수 있다. 내부 가요성 샤프트(14)는 도 2에 도시된 바와 같이 베어링(32)의 결합을 용이하게 하기 위하여 매끄러운 섹션을 포함할 수 있다. 유사하게, 커넥터의 내부는 베어링(32)과 관형 부재(12)의 결합을 용이하게 하기 위하여 매끄러울 수 있다. 베어링(32)은 관형 부재(12)가 복수의 위치에서 회전하는 가요성 샤프트(14)를 지지하는 지지 튜브로서 작용하게 할 수 있다. 예를 들어, 베어링(32)은 힘이 절단 공구(50)에 가해질 때 가요성 샤프트(14)가 관형 부재(12) 내에서 버클링(buckling)하는 것을 방지하는데 유용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 의료 장치(10)는 하우징(20)을 추가로 포함할 수 있다. 하우징은 두 개의 지지부(23, 25)로 의료 장치의 구성요소를 지지할 수 있다. 지지부는 베이스(21)로부터 돌출할 수 있다. 각각의 지지부(23, 25)는 의료 장치(10)의 다른 구성요소들을 수용하기 위한 루멘을 포함할 수 있다. 일 예에서, 지지부(23)는 관형 부재(12)의 근위 단부 및 모터(16)의 일부를 수용할 수 있고, 지지부(25)는 관형 부재(12)의 근위 섹션을 수용할 수 있다. 의료 장치(10)가 로봇 아암을 갖는 단부 이펙터로서 사용될 때, 하우징(20)은 베이스(21)를 통해 로봇 아암에 대해 의료 장치(10)를 고정시킬 수 있다. 베이스(21)는 도 1에 도시된 바와 같이 둥글거나 다른 형태를 포함할 수 있다. 일 예에서, 모터(18)는 로봇 아암을 제어하는 시스템의 구성요소일 수 있다. 이 예에서, 제어 와이어(30)는 하우징(20)을 통해 그리고 로봇 아암의 전체 또는 일부를 통해 로봇 아암 또는 로봇 장치 내의 다른 위치에 위치될 수 있는 모터(18)로 이동할 수 있다.
컴퓨터 제어 및 추적
상술한 바와 같이, 의료 장치(10)는 2011 년 8 월 30 일에 발행되었으며, 그 전체가 본원에 참고로 인용된, "햅틱 안내 시스템 및 방법(Haptic Guidance System and Method)"이라는 제목의 미국 특허 제 8,010,180 호에 기재된 장치와 같은 로봇 장치의 아암에 결합될 수 있는 단부 이펙터일 수 있다. 로봇 아암은 복수의 링크를 포함할 수 있으며, 링크들 사이의 각 조인트는 하나 이상의 자유도를 제공한다. 컴퓨터 시스템은 의료 장치(10) 및 의료 장치(10)에 결합된 임의의 로봇 아암의 다양한 구성요소의 위치를 제어할 수 있다.
예를 들어, 컴퓨터 시스템은 제어 와이어(30)의 운동 및/또는 절단 공구(50)의 회전을 제어하는데 사용될 수 있으며, 본원에 기술된 다양한 기능 중 임의의 것을 구현하기 위해 추가로 사용될 수 있다. 의료 장치(10) 및 로봇 장치의 임의의 다른 구성요소의 운동은 작동자에 의한 이들 장치의 이동과 함께 제어될 수 있다. 예를 들어, 작동자는 (예: 하나 이상의 버튼을 누르거나 가요성 관형 부재를 수동으로 위치시킴으로써) 가요성 관형 부재(12)의 굽힘을 촉진할 수 있다. 그러나, 후술하는 네비게이션 시스템과 관련하여 작업함으로써, 컴퓨터 시스템은 절단 공구(50)가 환자의 뼈를 과도하게 깊이 절단하는 것을 방지하는 경계와 같이, 절단 공구(50)가 수술 플랜에 지정된 특정 경계를 통과하게 하는 방식으로 작동자가 가요성 관형 부재(12)를 위치시키는 것을 방지할 수 있다. 경계는 미국 특허 제 8,010,180 호에 기술된 햅틱 경계(haptic boundary)일 수 있다. 바람직하지 못한 위치로의 절단 공구(50)의 통과를 방지하기 위해, 컴퓨터 시스템은 관형 부재(12)의 굽힘을 정지시키거나 촉진시킬 수 있다.
마찬가지로, 작동자는(예: 버튼을 누름으로써) 절단 공구(50)의 회전을 재촉할 수 있지만, 작동자가 절단 공구를 지정된 절단 영역 외부(예: 햅틱 경계를 지나서)에 위치시키려고 하면, 컴퓨터 시스템은 절단 공구(50)의 회전을 멈추도록 구성될 수 있다. 의료 장치(10)가 로봇 장치의 아암에 연결되면, 사용자는 아암을 자유롭게 움직일 수 있다. 그러나, 컴퓨터 시스템은 절단 공구(50)가 경계를 넘어 바람직하지 않은 영역을 통과하는 경우에, 아암의 이동을 중지시키고 및/또는 사용자의 행동을 오버라이드(override)하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 시스템은 프로세서 및 메모리를 갖는 처리 회로를 포함할 수 있다. 프로세서는 범용 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC), 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 프로세싱 컴포넌트 그룹, 또는 다른 적절한 전자 프로세싱 컴포넌트로서 구현될 수 있다. 메모리(예: 메모리 유닛, 저장 장치 등)는 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 장치(예: RAM, ROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 저장 장치 등) 및/또는 본 출원에 기재된 다양한 프로세스를 완료 또는 용이하게 하기 위한 컴퓨터 코드일 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있거나 포함할 수 있다. 메모리는 데이터베이스 컴포넌트, 오브젝트 코드 컴포넌트, 스크립트 컴포넌트, 또는 본 출원에서 설명된 다양한 활동을 지원하기 위한 임의의 다른 유형의 정보 구조를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 메모리는 프로세서에 통신 가능하게 연결될 수 있으며, 본원에 기술된 하나 이상의 프로세스를 실행하기 위한 컴퓨터 코드를 포함할 수 있다. 메모리는 특정 유형의 기능과 관련된 데이터 및/또는 컴퓨터 코드를 각각 저장할 수 있는 다양한 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 메모리는 근위 섹션(22)을 제어하기 위한 모듈, 원위 섹션(24)을 제어하기 위한 모듈 및 가요성 샤프트(14) 및 절단 공구(50)의 회전을 제어하기 위한 모듈과 같은 의료 절차와 관련된 몇 개의 모듈을 포함한다.
컴퓨터 시스템은 단일 하우징 내에 포함될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 컴퓨터 시스템의 구성요소는 의료 장치(10)에 대해 하나 이상의 원격 위치를 포함하는 복수의 위치에 위치할 수 있다. 프로세서 및 메모리의 구성요소를 포함하는 컴퓨터 시스템의 구성요소는 예를 들어, 의료 장치(10)에 결합된 로봇 장치 및 시스템의 구성요소들 내에 위치할 수 있다.
본 개시는 다양한 작동을 달성하기 위한 임의의 기계 판독 가능 매체 상의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 기계 판독 가능 매체는 컴퓨터 시스템의 일부이거나 컴퓨터 시스템과 인터페이스할 수 있다. 본 개시의 실시예는 기존의 컴퓨터 프로세서를 사용하여 또는 이 목적 또는 다른 목적을 위해 통합된 적절한 시스템을 위한 전용 컴퓨터 프로세서에 의해 또는 하드 와이어 시스템에 의해 구현될 수 있다. 본 개시의 범위 내의 실시예는 기계 실행 가능 명령 또는 그 위에 저장된 데이터 구조를 지니거나 운반하기 위한 기계 판독 가능 매체를 포함하는 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 기계 판독 가능 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 예를 들어, 그러한 기계-판독 가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치, 다른 자기 저장 장치, 고체 상태 저장 장치, 또는 기계-실행 가능 명령 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 운반 또는 저장하는데 사용될 수 있고 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 정보가 네트워크 또는 다른 통신 연결(유선, 무선 또는 유선 또는 무선의 조합)을 통해 기계로 전송 또는 제공되면, 상기 기계는 상기 연결을 기계 판독 가능 매체로 적절하게 간주한다. 따라서, 그러한 연결은 기계 판독 가능 매체라고 적절히 지칭된다. 상기의 조합은 기계 판독 가능 매체의 범위 내에 포함된다. 기계 실행 가능 명령은 예를 들어, 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 특수 목적 프로세싱 기계가 특정 기능 또는 기능 그룹을 수행하게 하는 명령 및 데이터를 포함한다.
컴퓨터 시스템은 하나 이상의 통신 인터페이스를 추가로 포함할 수 있다. 통신 인터페이스는 직접 연결 또는 네트워크 연결(예: 인터넷 연결, LAN, WAN 또는 WLAN 연결 등)을 통해 외부 소스와 데이터 통신을 수행하기 위한 유선 또는 무선 인터페이스(예: 잭, 안테나, 송신기, 수신기, 송수신기, 유선 단말기 등)이거나 또는 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스는 이더넷 기반 통신 링크 또는 네트워크를 통해 데이터를 송수신하기 위한 이더넷 카드 및 포트를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 통신 인터페이스는 무선 통신 네트워크를 통한 통신을 위한 Wi-Fi 송수신기를 포함할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 시스템이 모터(16) 또는 모터(18)와 같은 의료 장치(10)의 구성요소와 물리적으로 분리되어 있다면, 통신 인터페이스는 컴퓨터 시스템과 이들 개별 구성요소들 간의 무선 통신을 가능하게 할 수 있다.
네비게이션 시스템(60)은 절단 공구(50)의 위치 및/또는 배향 및 이미지 안내 절차 중에 수술실 내의 다른 대상을 추적하는데 사용될 수 있다. 네비게이션 시스템(60)은 비기계적 추적 시스템, 기계적 추적 시스템, 또는 비기계적 시스템 및 기계적 시스템의 임의의 조합과 같은 물체의 위치 및/또는 배향을 추적하도록 구성된 임의의 유형의 네비게이션 시스템일 수 있다.
광학 및 초음파 추적 시스템과 같은 다양한 유형의 비기계식 추적 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 네비게이션 시스템은 가시광을 검출하기 위해 수술실에 배치된 검출 장치(62)를 포함할 수 있다. 검출 장치(62)는 예를 들어, MicronTracker(캐나다 토론토 소재의 Claron Technology Inc.)일 수 있다. 추가적인 또는 대안적인 예에서, 검출 장치(62)는 적외선 방사에 민감한 스테레오 카메라 쌍을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 검출 장치(62)는 의료 장치(10)의 실시간 수술 중 추적을 허용할 수 있는 초음파 영상 장치 또는 형광 투시 장치(예: X 선 이미터)의 일부를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 네비게이션 시스템(60)은 추적된 물체에 내장되거나 고정된 전자기 센서에 전류를 유도하기 위해 송신기를 사용하는 전자기 추적을 포함할 수 있다.
네비게이션 시스템의 임의의 예는 의료 장치(10), 의료 장치(10)에 결합된 로봇 장치의 다른 구성요소 또는 환자와 같이 추적될 대상에 고정된 하나 이상의 추적 가능 요소(64)를 추가로 포함할 수 있다. 추적 가능한 요소는 사용되는 검출 장치의 유형에 의해 "가시적"일 수 있다. 검출 장치에 따라 추적 가능한 요소는 활성 상태(예: 발광 다이오드 또는 LED) 또는 수동 상태(예: 반사 구체, 바둑판 패턴 등)일 수 있으며 고유한 기하학적 형태(예: 마커의 고유한 기하학적 배치) 또는 활성 마커의 경우 고유한 발사 패턴을 가질 수 있다. 다른 추적 가능 요소는 방사선 불투명 마커, 기계적 형태, 색칠된 요소 또는 투사된 광학 패턴을 포함할 수 있다.
기계식 추적 시스템은 가요성 관형 부재(20) 및/또는 절단 공구(50)의 위치 및/또는 배향을 결정하기 위해 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 일 예에서, 예를 들어, 조인트의 센서를 사용하는, 로봇 아암 및 가요성 관형 부재(12)의 조인트의 기하학적 형태 및 이동에 관한 공지된 정보 및 근위 섹션(22) 및 원위 섹션(24)에서의 굽힘 정도에 관한 정보는 절단 공구(50)의 위치 및/또는 배향을 계산하기 위해 컴퓨터 시스템에 의해 사용될 수 있다.
다른 예에서, 하나 이상의 광섬유 형상 센서(66)(도 1)가 로봇 아암 및/또는 가요성 관형 부재(12)에 결합될 수 있다. 광섬유 형상 센서(66)는 세장형 관형 부재(12)의 벽 내의 루멘을 통해서 이동할 수 있다. 광섬유 형상 센서(66)는 하나 이상의 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유의 형상(위치 좌표 및 배향)은 2015 년 6 월 9 일자로 발행되고 본원에 전체적으로 참고로 합체되고 "실질적으로 단단한 물체를 추적하기 위한 방법 및 광섬유 추적 시스템(Fiber Optic Tracking System and Method for Tracking a Substantially Rigid Object)"이라는 제목의 미국 특허 제 9,050,131 호에 기술된 바와 같이 광섬유를 따라 복수의 감지 지점에서 국부적인 광섬유 벤드를 결정함으로써 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 검출 장치(62) 및 하나 이상의 추적 가능 요소(64)를 사용하는 것과 같은 제 1 유형의 네비게이션 시스템으로부터의 정보는 절단 공구(50)의 위치 및 배향을 계산하기 위하여 절단 공구(50)와 세장형 관형 부재(12) 사이의 공지된 관계 및 광섬유 형상 센서(66)와 같은 다른 유형의 네비게이션 시스템으로부터의 정보와 결합될 수 있다.
의료 장치(10)는 수술 절차 동안 이미지 유도를 돕기 위해 컴퓨터 모델로 교정될 수 있다. 교정 프로세스(calibration process) 동안, 3D 카메라는 관형 부재(12)의 형상 및 제어 와이어(30)의 작동에 의해 야기되는 이동을 캡처할 수 있다. 데이터는 의료 장치의 정확한 전산화 모델을 생성하기 위해 수학적 모델에 맞추어질 수 있다. 하나의 예시적인 프로세스에서, 제어 와이어(30)는 증분 거리로 당겨질 수 있고, 관형 부재(12)의 형상이 측정될 수 있다. 그 후, 관형 부재(12)의 기존 모델이 당겨진 거리와 관형 부재(12)의 형상 사이의 관계에 기초하여 조정될 수 있다. 이 프로세서는 제어 와이어(30)가 점차적으로 당겨지면서 연속적으로 조절되어 관형 부재 전산화 모델의 정확성을 향상시킨다.
작동시에, 검출 장치는 추적 가능한 요소들의 위치를 검출하고, 검출 장치와 관련된 내장된 전자 장치를 포함할 수 있는 컴퓨터 시스템은 추적 가능한 요소의 위치, 고유한 기하학적 형태 및 추적된 물체에 대한 알려진 기하학적 관계에 기초하여 추적 가능한 요소들이 고정되는 추적 가능한 요소들의 포즈(위치 및 배향)를 계산할 수 있다
관형 부재(12)의 교정 및 의료 장치(10), 환자 및 수술실 내의 다른 물체의 추적은 절차가 영상 안내되게 할 수 있다. 영상 안내 절차에서, 모니터는 환자의 신체 구조 및 관형 부재(12) 및 절단 공구(50)의 재현을 표시할 수 있다. 영상은 외과의 또는 다른 사용자가 절단 공구(50)의 위치와 환자의 뼈 또는 다른 신체 구조의 위치 사이의 관계를 볼 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템은 절단 공구(50)의 실제 위치와 절단 공구(50)의 원하는 위치 사이의 거리를 계산할 수 있다. 컴퓨터 시스템은 자동적으로 또는 외과의에게 지시함으로써 의료 장치(10)의 위치를 조정하여, 절단 공구(50)를 원하는 위치에 위치시키기 위해 조정을 실행할 수 있다.
예시적인 적용예
의료 장치(10)는 뼈에 대한 변형을 필요로 하는 임의의 절차 중에 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 의료 장치(10)는 보다 연조직을 제거하는데 사용될 수 있다. 의료 장치(10)는 환자의 피부에 작은 절개부를 통해 최소 침입적 절차 동안 사용될 수 있다. 의료 장치(10)의 가요성은 외과의가 직선 공구에 의해 접근할 수 없는 위치 또는 직선 공구에 의한 접근이 연조직에 추가 손상을 요구하는 위치에 절단 공구(50)를 위치시키는 것을 허용할 수 있다. 일 예에서, 의료 장치(10)는 엉덩이 및 무릎 관절 성형 절차 중에 사용될 수 있다. 이러한 절차는 직선 공구로 쉽게 접근할 수 없는 뼈 표면을 변형해야 할 수 있다.
하나의 특정 예에서, 의료 장치(10)는 비개구 림(acetabular rim) 또는 대퇴골 두(femoral head)로부터 뼈의 제거를 요구할 수 있으며 환자의 피부의 작은 절개부를 통해 수행될 수 있는, 대퇴골 임플란트 시술(femoroacetabular impingement procedure) 중에 사용될 수 있다. 전형적으로 직선형 기구를 사용하는 경우 외과의는 환자의 엉덩이 부위의 특정 위치에 도달하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 그러나, 의료 장치(10)의 가요성은 외과의가 환자의 신체 구조 주위로 가요성 관형 부재(12)를 휘게 하여 접근하기 어려운 위치에 도달하고 비개구 림 또는 대퇴골을 효과적으로 재성형하는 것을 허용할 수 있다. 다른 예에서, 의료 장치(10)는 내시경 절제술 중에 사용될 수 있다. 가요성 관형 부재(12)의 가요성은 외과의가 탈출된 추간 디스크를 제거하기 위해 원하는 위치에 보다 효과적으로 도달하게 할 수 있다.
본 명세서의 원리는 특정 적용에 대한 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에 설명되지만, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 당업자는 본원에 제공된 교시에 접근할 수 있고, 본원에 기술된 실시예의 범위 내에 있는 등가물의 추가 수정, 응용, 실시예 및 대체를 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 환자의 뼈 절단용 시스템으로서,
    모터;
    상기 모터에 구동 가능하게 결합된 회전 샤프트;
    상기 회전 샤프트의 둘레에 위치되고 상기 회전 샤프트를 복수의 위치들에서 지지하는 지지 튜브;
    상기 지지 튜브의 제1 섹션 및 상기 지지 튜브의 제2 섹션 사이에서 상기 복수의 위치들 중 제1 위치에 배치되고, 상기 지지 튜브의 제1 섹션을 상기 지지 튜브의 제2 섹션에 연결시키는 커넥터;
    상기 회전 샤프트와 상기 지지 튜브의 사이에서 상기 제1 위치에 위치되는 베어링으로서, 상기 지지 튜브가 상기 회전 샤프트를 상기 제1 위치에서 버클링으로부터 지지하도록 하는, 상기 베어링;
    상기 지지 튜브에 결합된 복수의 조향 와이어들; 및
    상기 회전 샤프트의 원위 단부에 있는 뼈 절단기를 포함하는 뼈 절단용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 튜브는 굽힘 위치에서 적어도 5 N/mm의 강성을 갖는 뼈 절단용 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 튜브는 상기 지지 튜브의 벽을 관통하는 복수의 슬롯들을 포함하는 뼈 절단용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 튜브는 근위 섹션 및 원위 섹션을 포함하고, 상기 근위 섹션은 상기 복수의 조향 와이어들을 사용하여 상기 원위 섹션으로부터 독립적으로 조향 가능한 뼈 절단용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    검출 장치 및 추적 가능한 요소를 포함하는 네비게이션 시스템을 추가로 포함하는 뼈 절단용 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 네비게이션 시스템은 광섬유 형상 센서 또는 전자기 센서 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 뼈 절단용 시스템.
  7. 의료 장치로서,
    벽과 루멘을 가지는 관형 부재로서, 상기 벽을 관통하여 연장되는 복수의 슬롯들을 포함하는 상기 관형 부재;
    상기 관형 부재의 루멘 내에 위치되는 가요성 샤프트로서, 상기 관형 부재에 대해 회전 가능한 상기 가요성 샤프트; 및
    상기 가요성 샤프트의 원위 단부에 있는 뼈 절단기를 포함하고,
    상기 관형 부재는 굽힘 위치에서 적어도 5 N/mm의 강성을 갖고,
    상기 관형 부재는 근위 섹션 및 원위 섹션을 포함하고, 상기 근위 섹션은 상기 원위 섹션으로부터 독립적으로 조향 가능하고,
    상기 원위 섹션은 적어도 하나의 조향 와이어에 의해 조향 가능하고, 상기 적어도 하나의 조향 와이어 각각은,
    상기 근위 섹션의 길이를 따라 그리고 상기 원위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제1 섹션 및
    상기 근위 섹션의 길이를 따라 그리고 상기 원위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제2 섹션을 포함하고,
    상기 근위 섹션은 적어도 하나의 추가 조향 와이어에 의해 조향 가능하며, 상기 적어도 하나의 추가 조향 와이어 각각은,
    상기 근위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제1 섹션 및
    상기 근위 섹션의 길이를 따라 연장되는 제2 섹션을 포함하는 의료 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조향 와이어는 적어도 4 개의 조향 와이어들이고, 상기 적어도 하나의 추가 조향 와이어는 적어도 4 개의 추가 조향 와이어들인 의료 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 의료 장치는 봉입 루멘을 포함하는 의료 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 가요성 샤프트는 적어도 10,000 rpm의 속도로 회전하도록 구성되는 의료 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
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