KR100921407B1 - Clamp for Registration of Bone Position and Surgical Robot by using the Same - Google Patents
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Abstract
로봇을 이용한 관절 표면 치환 수술에 있어서, 뼈의 소정 영역을 파지하는 파지부; 및 상기 파지부와 연결되며, 일측면에 적어도 3개 이상의 측정점을 포함하여, 복잡하지 않고, 뼈의 가공 정밀도가 높은 인공 관절 치환수술이 가능하며, 수술 시간을 단축할 수 있는 클램프 및 이를 이용한 수술 장비를 제공한다.In the surface replacement surgery using a robot, a gripping portion for holding a predetermined region of the bone; And a clamp connected to the gripping part and including at least three or more measurement points on one side thereof, which is not complicated and has high bone processing accuracy, and can shorten the operation time. Provide equipment.
인공관절, 고관절, 대퇴골, 로봇, 정합, 클램프, 표면치환 Artificial joint, hip joint, femur, robot, registration, clamp, surface replacement
Description
본 발명은 인공 관절 수술을 위한 클램프 및 이를 이용한 로봇에 의한 수술 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고관절 표면 치환 수술에 이용되는 클램프 및 로봇에 의한 수술 장비에 관한 것이다.The present invention relates to a clamp for artificial joint surgery and surgical equipment by a robot using the same, and more particularly to a surgical equipment by a clamp and a robot used for hip replacement surface surgery.
질병이나 사고에 의한 관절의 손상을 입는 환자가 늘어나고 있다. 이러한 관절부의 손상은 인체의 자연치유 능력으로 치유되는 경우도 있으나, 회복 불능인 경우, 또는 관절부의 손상에 의한 통증이 심한 경우에는 인공관절 치환 수술을 받아야 한다.Increasingly, patients are suffering from joint damage caused by illness or accidents. Such joint damage may be cured by the natural healing ability of the human body, but if it is irreparable, or when the pain due to the damage of the joint is severe, a joint replacement surgery should be performed.
다양한 인공 관절 수술 방법 및 인공 관절 제품이 이용되고 있으나, 기본적으로 인공 관절 치환 수술은 외과 수술적으로 손상된 뼈와 연골을 관절 양쪽에서 모두 정교하게 잘라내고 나서 관절의 역할을 대신하도록 만들어진 인공물을 뼈에 고정하는 과정을 의미한다.Various articulation methods and articulation products have been used, but basically, arthritis replacement surgery is performed by surgically cutting the damaged bone and cartilage from both sides of the joint and precisely cutting the artificial art to replace the role of the joint. The process of fixing.
현재 전체 인공 관절 치환 수술의 절반 정도는 인공 고관절(hip joint) 치환 수술이며, 나머지의 대부분은 슬관절(Knee joint)이고 그 외에는 견관절이나 손가 락 관절 등인 것으로 알려져 있다.Currently, about half of all artificial joint replacement surgeries are hip joint replacement surgeries, most of which are knee joints, and others are known as shoulder joints or finger joints.
도 1 및 도 2를 참조하여, 인공 고관절 치환 수술을 간단히 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 1 and 2, the brief description of the hip replacement surgery as follows.
골반(1200)의 비구(1210) 부분에는 반구형으로 생긴 금속 또는 플라스틱제 인공 비구(Acetabular cup : 2200)를 설치하고, 대퇴골(1100) 측면에서는 대퇴골두(1110)를 제거한 후 15~25cm정도 길이의 인공관절(2100)을 삽입하고, 인공관절(2100)의 헤드(21110)을 인공비구(2200)의 소켓(2210)에 삽입하여 이들이 하나의 관절로 기능할 수 있도록 하는 수술이다.The
특히, 최근에는 인공 고관절 표면 치환술이라 불리는 인공 고관절 수술 기법 및 제품이 등장하여 임상적으로 이용되고 있다. Birmingham Hip resurfacing(Smith&Nephew, UK)나 Durom(Zimmer, USA) 의 제품등이 이용되고 있으며 현재는 전체 인공 고관절 치환 수술의 10% 미만으로 시행되고 있으나 차츰 그 활용 빈도수가 증가하고 있다.In particular, artificial hip surgery techniques and products called artificial hip surface replacement have recently emerged and are used clinically. Birmingham Hip resurfacing (Smith & Nephew, UK) and Durom (Zimmer, USA) products are used. Currently, less than 10% of total hip replacement surgery is being used, but the frequency of its use is increasing.
도 3을 참조하여 인공 고관절 표면 치환술에 대해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 3, the artificial hip surface replacement technique will be described below.
환자의 환부를 외부로 노출시킨 후 골반(1200)과 대퇴골(1100)을 분리시키고, 골반(1200)의 비구(1210)에 수술 장비를 이용하여 인공비구(2200)를 삽입할 수 있는 공간을 만든 후 시멘트를 이용하여 인공비구(2210)를 골반(1200)의 비구(1210)에 접착한다.After exposing the affected part of the patient to the outside, the
또한, 표면을 가공하기 위한 대퇴골두(1110)를 외부로 도출시킨 후 수술 기 구를 통하여 표면에 씌울 관절캡(2300)의 내부 홈부에 대응되도록 가공한 후 관절캡(2300)의 삽입축(2320)을 대퇴골두(1110)의 관통부(1111)에 삽입하여 설치한다.In addition, after deriving the
이후 관절캡(2300)을 인공비구(2200)의 소켓(2210)에 삽입한 후 절개부를 봉합하여 수술을 완료한다.Then, the
인공 고관절 표면 치환술은 기본적으로 일반 인공 고관절 시술과 비슷하나. 대퇴골(1130)에 금속봉을 박지 아니하고 대신 속이 빈 금속구로 된 관절캡(2300)을 손상된 대퇴골(1130)의 골두(1110) 표면을 덮어 씌우는 차이점이 있다. 이 시술은 뼈를 덜 제거하는 장점과, 나중에 문제가 있어도 다시 일반적인 인공 고관절 시술이 가능한 장점이 있다.Total hip arthroplasty is basically similar to general hip arthroplasty. There is a difference in covering the surface of the
도 4a 내지 도 4e를 통하여 수작업에 의한 인공 고관절 표면 치환술에 대한 방법을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.4A to 4E will be described in more detail the method for manual hip surface replacement by hand as follows.
먼저 외부로 도출된 대퇴골두(1110)에 이후 관절캡(2300)을 삽입하거나, 또한 대퇴골두(1110)의 표면을 가공하기 위한 중심축에 해당하는 관통홀(1111)을 드릴등의 장비를 사용하여 형성한다.First, the
다음으로, 도 4a의 (a)에서 도시한 바와 같이 골두 외주면 커터(3100)의 중심축(3110)을 대퇴골두(1110)에 형성되어 있는 관통홀(1111)에 삽입하고, (b)에 도시된 바와 같이 골두 외주면 커터(3100)를 회전시켜 커터부(3120)를 이용하여 대퇴골두(1110)의 외주면(1112)을 가공한다.Next, as shown in (a) of FIG. 4A, the
대퇴골두(1110)의 외주면(1112)의 가공이 완료되면, 도 4b에서 도시한 바와 같이 골두 가드(3200)로 외주면(1112)을 파지하여 대퇴골(1100)의 움직임을 방지하 고, 골두 가드(3200)의 상면으로 도출된 대퇴골두(1110)의 상면을 제 1 상면 커터(3300)로 1차 가공한다.When the processing of the outer
대퇴골두(1110)의 상면이 1차 가공되면, 도 4c에서 도시된 바와 같이 제 2 상면 커터(3400)의 중심축(3410)을 대퇴골두(1110)에 형성되어 있는 관통홀(1111)에 삽입하고, 제 2 상면 커터(3400)를 회전시켜 커터부(3420)를 이용하여 대퇴골두(1110)의 상면을 원하는 골두상면(1114)으로 가공한다.When the upper surface of the
이상의 절차에서 가공된 대퇴골두(1110)의 외주면(1112)과 골두상면(1114)이 이루는 모서리는 하중이 집중될 수 있으므로, 도 4d와 같이 경사면 커터(3500)를 이용하여 모서리를 제거한 경사면(1113)을 형성한다.Since the edges formed by the outer
경사면 커터(3500)를 사용할 때도 수술의 중심축으로 사용하고 있는 대퇴골두(1110)의 관통홀(1111)에 경사면 커터의 중심축(3510)을 삽입하고 경사면 커터(3500)를 회전시켜 커터부(3520)를 이용하여 대퇴골두(1110)에 경사면(1113)을 형성한다.When using the
이렇게 대퇴골두(1110)의 표면가공이 완료되면, 도 4e와 같이 관절캡(2300)의 삽입축(2320)을 대퇴골두(1110)의 관통홀(1111)에 정(3600) 및 망치(2700)를 이용하여 삽입한다.When the surface processing of the
그동안 임상적 경험 및 생체역학(biomechanics) 해석에 따르면 인공 고관절 표면 치환술에서 대퇴골두의 형상은 위에서 설명한 대로 가공되는 것이 바람직하며, 또한 설치된 방향이 바람직하지 않거나 너무 깊이 또는 얕게 설치되는 경우 수술 후 일상 활동중에 환자의 대퇴골두가 부러질 가능성이 높은 것으로 알려져 있 다. In the meantime, clinical experience and biomechanics analysis suggests that the shape of the femoral ball head in the hip arthroplasty should be processed as described above, and the post-operative daily activities if the installation direction is not desirable or if it is installed too deeply or too shallowly. It is known that the femoral head of the patient is likely to break.
따라서, 실제 수술에서 의사는 여러 단계의 수작업을 통해 대퇴골두를 가공하여야 하는 불편함이 있다. Therefore, in actual surgery, the doctor has the inconvenience of having to process the femoral head through several steps of manual work.
또한, 정확한 위치로 가공되어야 임상적 결과가 우수하므로 의사는 각 수작업 가공 단계별로 재차 위치 및 방향을 확인하여야 하므로, 비록 수술 시간이 의사의 경험에 따라 크게 다르기는 하나 대퇴골두의 가공에 최소 10~15분 정도로 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. In addition, since the clinical results are excellent only when it is processed to the correct position, the doctor must check the position and direction again for each manual processing step. Although the operation time varies greatly depending on the experience of the doctor, at least 10 ~ There is a problem that takes as much time as 15 minutes.
또한, 수작업에 의한 대퇴골두의 표면을 가공하는 것이므로 정밀도가 떨어지며, 이에 따라 수술완료 후 특정 지점으로 하중의 집중이 발생할 우려가 있으며, 특히, 대퇴골두에 관통홀은 전체 수술 과정중에 수술용 커터들의 중심축으로 사용되는 매우 중요한 부분이나, 의사의 수작업에 의한 가공으로 인하여 관통홀의 방향이 바람직하지 않게 형성되면 하중의 집중이 더욱 심각할 수 있다. In addition, since the surface of the femoral ball head is processed by hand, the precision is reduced, and thus, there is a possibility that concentration of the load may occur at a certain point after the completion of the operation. Concentration of the load may be more serious if the direction of the through hole is undesirably formed due to a very important part used as a central axis, but due to manual processing by a doctor.
의사로 하여금 관통홀 및 대퇴골두 표면 가공 위치를 용이하게 확인할 수 있도록 하는 전자식 해부학적 위치 확인 보조 장치는 이미 상용화되어 있으며, 일반적으로 수술용 항행시스템(Surgical navigation system)이라고 불린다. Orthopilot(Aesculap,USA) 및 BrainLab(Germany) 등의 제품이 유명하다. 미국 등록 특허 6470207호, 6430434호, 및 6205411호 등이 이러한 기기의 기술을 설명하고 있다.Electronic anatomical positioning aids that enable physicians to easily identify through hole and femoral head surface processing locations are already commercially available and are commonly referred to as surgical navigation systems. Products such as Orthopilot (Aesculap, USA) and BrainLab (Germany) are well known. US Patent Nos. 6470207, 6430434, and 6205411 and the like describe the technology of such a device.
항행 시스템을 이용하는 경우 적절한 수술 위치를 실시간으로 확인할 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 수술 중에 뼈의 위치를 최소한 한 번은 정확히 측정하 여야 하는 번거로움이 있다. 또한, 가공 자체는 수작업으로 진행하므로 가공된 형상은 여전히 부정확할 수 있는 단점이 있다. 알려진 바에 따르면, 항행 시스템을 이용하는 경우 완전히 수작업으로 시행하는 수술에 비해 정확도가 증가하기는 하나 완벽히 정확하지는 않다고 한다.When using a navigation system, the appropriate surgical position can be identified in real time. However, this is a hassle to accurately measure the bone position at least once during surgery. In addition, since the processing itself is performed by hand, the processed shape still has the disadvantage that it may be inaccurate. It is known that the use of a navigation system increases accuracy, but is not completely accurate, compared to a completely manual operation.
또한, 수술 대상인 뼈의 위치를 측정한 후 로봇을 이용하여 뼈를 가공하는 인공 관절 수술용 로봇 역시 상용화되어 이용되고 있다. 미국 등록 특허 5806518호 및 6033415호등에 이러한 기기의 기술이 개시되어 있다.In addition, a robot for artificial joint surgery, which uses a robot to process bone after measuring the position of a bone to be operated, is also commercially used. U.S. Patent Nos. 5806518 and 6033415 and the like disclose the technology of such a device.
로봇을 이용할 때에도, 항행 시스템과 마찬가지로 수술 중 뼈를 가공하기 전에 뼈의 위치를 측정하여야 한다. 그러나, 항행 시스템에서는 가공이 수작업으로 이루어지는 반면에 수술 로봇은 로봇이 뼈를 가공하므로 훨씬 더 높은 정밀도로 뼈를 측정할 필요가 있다. 일례로, 특정 제품(ROBODOC surgical robot system)의 경우 0.3mm 의 정밀도로 뼈의 위치를 측정하여야 한다. 그러나, 이러한 높은 정밀도로 뼈를 측정하기 위해서는 상당한 시간(10~20분)이 필요하다. 또한, 의사는 측정 중 실수하기 않기 위해 긴장하여야 하므로 불편하다.When using a robot, as with the navigation system, the bone location must be measured before the bone is processed during surgery. However, in navigation systems, processing is done manually, while surgical robots need to measure bones with much higher precision because the robot processes bones. For example, for certain products (ROBODOC surgical robot system), the bone position should be measured with a precision of 0.3 mm. However, a considerable amount of time (10-20 minutes) is required to measure bone with this high precision. It is also inconvenient for the doctor to be nervous to avoid making mistakes during the measurement.
항행 시스템과 수술 로봇에서 뼈의 해부학적 위치를 측정하고 바람직한 수술 위치를 계산하는 과정은 정합(registration)이라 한다. 다양한 정합 방법이 있으며, 이 정합 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다. In navigation systems and surgical robots, the process of measuring the anatomical location of bones and calculating the desired surgical location is called registration. There are various matching methods, which are briefly described as follows.
도 5는 정합에 대한 설명을 위해 개략적으로 도시한 도면으로, (a)에서 보면, 로봇을 위한 수술에 있어서 좌표계는 크게 기준 좌표계{F}, 로봇에 프로그램된 경로에 대한 로봇 좌표계{R}, 및 실제 수술에 있어 환자의 대퇴골에 대한 뼈 좌표 계{B}로 구분된다.FIG. 5 is a schematic view for explaining the registration. Referring to (a), in the surgery for a robot, the coordinate system is largely a reference coordinate system {F}, a robot coordinate system {R} for a path programmed in the robot, And a bone coordinate system {B} for the femur of the patient in actual surgery.
로봇 좌표계{R}를 기준 좌표계{F}에 대한 상대 좌표계로 변환하고, 뼈 좌표계{B}를 기준 좌표계{F}에 대한 상대 좌표계로 변환함으로써 일차적으로 로봇 좌표계{R}와 뼈 좌표계{B}를 동일한 기준 좌표계{F}에 대해 변환한 다음, 변환된 로봇 좌표계{R}와 변환된 뼈 좌표계{B} 간의 변환행렬(T)을 구하여 변환 좌표계{R}에 적용함으로써, 로봇의 가공경로를 실제 뼈의 위치에 맞게 적용할 수 있다.The robot coordinate system {R} and the bone coordinate system {B} are primarily converted by converting the robot coordinate system {R} into a relative coordinate system relative to the reference coordinate system {F} and the bone coordinate system {B} into a relative coordinate system relative to the reference coordinate system {F}. Is transformed into the same reference coordinate system {F}, then the transformation matrix T between the transformed robot coordinate system {R} and the transformed bone coordinate system {B} is obtained and applied to the transformed coordinate system {R}, thereby You can adapt it to the actual bone location.
여기에서, 변환행렬(T)을 구하기 위한 정합 방법으로는 핀 기준 정합(pin based registration)과 영상 기준 정합(image based registration) 방법등이 제시되고 있다.Here, as a matching method for obtaining the transformation matrix T, a pin based registration and an image based registration method are proposed.
핀 기준 정합은 수술전 환자의 대퇴골까지 삽입되는 복수의 핀을 허벅지 부분에 박은 상태에서 CT 영상을 촬영한 후 CT 영상을 기준으로 로봇의 가공경로를 설정한다.For pin reference registration, the CT image is taken while a plurality of pins inserted into the thigh part of the patient are inserted in the thigh before surgery, and then the machining path of the robot is set based on the CT image.
이때, 로봇의 가공 경로상의 기준 좌표계는 CT 영상에 있는 복수의 핀에 의해 설정된다.At this time, the reference coordinate system on the machining path of the robot is set by a plurality of pins in the CT image.
가공경로의 설계가 완료되면, 실제 수술시 환자의 수술부위에 박혀있는 핀들을 CT 영상 속의 핀들, 즉 로봇의 가공경로의 기준이 되는 핀들과 일치시킴으로써 정합을 수행한다. When the design of the machining path is completed, the matching is performed by matching the pins embedded in the surgical part of the patient with the pins in the CT image, that is, the reference pins of the robot's machining path.
그러나, 이러한 핀 기준 정합은 수술 전 환자의 환부에 복수의 핀을 삽입해야 하므로, 환자에게 고통과 불편함을 발생시키고, 또한, 수술시까지 핀을 환부에 삽입하고 있어야 하는 불편함이 있다.However, since the pin reference registration requires inserting a plurality of pins into the affected part of the patient before surgery, pain and discomfort occurs in the patient, and there is an inconvenience that the pins must be inserted into the affected part until the surgery.
영상 기준 정합은 수술 전에 환자의 대퇴골의 CT 영상을 얻어 이 영상을 기준으로 가공경로를 설정한다. CT 영상으로부터 얻은 3차원 영상과 실제 수술 시 환자의 대퇴골의 2차원 x-ray 영상을 일치시킴으로써 정합을 수행한다.In image-based registration, a CT image of a patient's femur is obtained before surgery and a processing path is set based on this image. The registration is performed by matching the 3D image obtained from the CT image with the 2D x-ray image of the patient's femur during the actual operation.
그러나, 이러한 영상 기준 정합은 CT 영상으로부터 대퇴골의 3차원 표면 모델링을 얻기 위하여 대퇴골(1100)과 골반(1200) 및 인대등의 다른 부분과의 구분과정(segmentation)에서 많은 오차가 수반되며, 또한 수술시 얻은 2차원 x-ray 영상에서 모서리 찾기(edge detection) 과정에서 또한 많은 오차가 수반된다.However, this image reference registration involves a lot of errors in the segmentation of the
또한, 상기와 같은 방법들의 문제점으로 인하여 상용화된 로봇에 의한 인공관절 전치환술 장비에서는 수술 전 얻은 CT 영상의 특정 지점과 수술시 디지타이저로 측정한 특정 지점을 일치시키 정합을 수행하는 기술이 사용되고 있다.In addition, due to the problems of the methods described above, the technique for performing matching by matching a specific point of a CT image obtained with a digitizer at the time of surgery is used in the total joint arthroplasty equipment by a commercialized robot.
그러나, 수술시 의사가 디지타이저의 측정핀으로 대퇴골의 복수의 특정지점을 측정하기 위해서는 측정핀의 첨두의 팁을 대퇴골 표면에 일정한 하중으로 눌러주어야 한다. 만약, 누르는 하중이 적으면 대퇴골 표면에 있는 살점 및 표피층등에 의해 측정점의 오차가 발생하며, 누르는 하중이 너무 큰 경우는 대퇴골의 표면에 홈이 발생하는 문제점이 있다.However, during surgery, the surgeon must press the tip of the measuring pin with a constant load on the surface of the femur in order to measure a plurality of specific points of the femur with the measuring pin of the digitizer. If the pressing load is small, an error of the measuring point occurs due to the flesh and the epidermal layer on the surface of the femur. If the pressing load is too large, there is a problem in that a groove is formed on the surface of the femur.
또한, 오차를 줄이기 위하여 수술시 의사가 측정하여야 할 측정점이 많아 불편함이 있으며, 수술장비에 부착된 모니터를 통하여 안내되는 측정점에 의사가 측정핀을 정확하게 대응시키기 어려운 문제점이 있다.In addition, in order to reduce the error there is a lot of uncomfortable measurement points to be measured by the doctor during surgery, there is a problem that the doctor is difficult to accurately match the measuring pin to the measurement point guided through the monitor attached to the surgical equipment.
또한, 대퇴골의 넓은 영역에 대한 측정점이 필요하므로, 수술시 대퇴골을 외부로 많이 도출시켜야 하고, 이에 따라 불필요하게 환자의 허벅지를 많이 절개하여 야 하는 문제점이 있다.In addition, since a measurement point for a large area of the femur is required, a large amount of femur should be drawn out during surgery, and accordingly, there is a problem in that a large number of thighs of the patient are needlessly incised.
본 발명의 목적은 인공 관절 표면 치환 수술에 있어서, 많은 수술용 커터를 이용하여 복잡한 절차를 통하여 이루어지는 불편함을 제거하기 위함이다.An object of the present invention is to remove the inconvenience caused by a complicated procedure using a number of surgical cutters in artificial joint surface replacement surgery.
본 발명의 다른 목적은 인공 관절 표면 치환 수술에 있어서, 수작업에 의한 가공상의 오류를 방지하고, 로봇을 이용하여 수술완료 후 특정 지점으로 하중의 집중이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to prevent the processing error by manual operation in the artificial joint surface replacement surgery, and to solve the problem that the concentration of load to a specific point after the completion of the operation using a robot.
본 발명의 또 다른 목적은 복잡한 과정을 거치지 않고 로봇을 이용하여 인공 관절 표면 치환 수술을 할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for performing artificial joint surface replacement surgery using a robot without going through a complicated process.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 표면 치환 수술에 있어서의 클램프는, 뼈의 소정 영역을 파지하는 파지부; 및 상기 파지부와 연결되며, 일측면에 적어도 3개 이상의 측정점을 포함하는 몸체;를 포함한다.Clamp in the joint surface replacement surgery using a robot according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a gripping portion for holding a predetermined area of the bone; And a body connected to the gripping portion and including at least three measurement points on one side thereof.
또한, 상기 몸체는 제 1 몸체와 제 2 몸체를 포함하며, 상기 제 2 몸체는 상기 제 1 몸체와 결합되며, 상기 제 1 몸체에 대해 상대운동을 하는 것이 바람직하다.In addition, the body includes a first body and a second body, the second body is coupled to the first body, it is preferable to make a relative movement with respect to the first body.
또한, 상기 제 1 몸체는 적어도 3개 이상의 상기 측정점을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the first body preferably includes at least three measurement points.
또한, 상기 제 2 몸체는 적어도 하나 이상의 상기 측정점을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the second body preferably includes at least one or more of the measurement points.
또한, 상기 측정점은 요홈부로 구성된 것이 바람직하다. In addition, the measuring point is preferably composed of grooves.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 표면 치환 수술에 있어서의 클램프는, 상기 일측면에 적어도 3개 이상의 측정점을 포함하는 제 1 몸체; 상기 제 1 몸체와 결합되며, 상기 제 1 몸체에 대해 상대운동을 하는 제 2 몸체; 및 상기 제 1 몸체 또는 상기 제 2 몸체에 연결되며, 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 몸체를 상대운동시켜서 대퇴골을 파지하는 파지 제어부;를 포함한다.Clamp in the joint surface replacement surgery using a robot according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the first body including at least three or more measurement points on one side; A second body coupled to the first body and performing relative movement with respect to the first body; And a gripping control unit connected to the first body or the second body and gripping the femur by relative movement of the first body and the second body.
또한, 상기 제 2 몸체는 상기 제 2 몸체의 일측면에 적어도 하나 이상의 측정점을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the second body preferably includes at least one measurement point on one side of the second body.
또한, 상기 측정점은 요홈부로 구성된 것이 바람직하다.In addition, the measuring point is preferably composed of grooves.
또한, 상기 제 1 몸체의 선단부는 제 1 방향으로 휘는 갈고리 모양의 제 1 파지부를 포함하고, 상기 제 2 몸체의 선단부는 상기 제 1 방향의 반대 방향으로 휘는 갈고리 모양의 제 2 파지부를 포함하여, 상기 제 1 파지부와 상기 제 2 파지부를 한 쌍으로 하여 상기 대퇴골을 파지하는 것이 바람직하다.In addition, the front end portion of the first body includes a hook-shaped first grip portion bent in the first direction, the front end portion of the second body includes a hook-shaped second grip portion bent in the opposite direction of the first direction Therefore, it is preferable to hold the thigh bone by pairing the first gripping portion and the second gripping portion.
또한, 상기 제 1 파지부와 상기 제 2 파지부는 상기 대퇴골의 대퇴골목(femoral neck)을 파지하는 것이 바람직하다.In addition, the first gripping portion and the second gripping portion preferably grips the femoral neck of the femur.
또한, 상기 제 2 몸체는 상기 제 1 몸체에 대해 슬라이딩 거동을 하는 것이 바람직하다.In addition, the second body is preferably sliding with respect to the first body.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 장비는, 뼈의 소정 영역을 파지하는 파지부와, 일측면에 적어도 3개 이상의 측정점을 포함하는 몸체를 포함하는 클램프; 상기 측정점을 측정하여 상기 클램프의 위치 및 방향에 대응되는 제 1 좌표계를 인식하는 좌표측정장치; 및 상기 제 1 좌표계를 바탕으로 미리 프로그램된 가공경로를 따라 상기 뼈를 절삭하는 로봇;을 포함한다.Surgical equipment according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a clamp including a gripping portion for holding a predetermined area of the bone, and a body including at least three or more measurement points on one side; A coordinate measuring device measuring the measuring point to recognize a first coordinate system corresponding to the position and the direction of the clamp; And a robot that cuts the bone along a pre-programmed machining path based on the first coordinate system.
또한, 상기 뼈는 대퇴골이고, 상기 로봇에 의해 절삭되는 부분은 상기 대퇴골의 대퇴골두인 것이 바람직하다.In addition, the bone is the femur, and the part cut by the robot is preferably the femoral head of the femur.
또한, 상기 클램프를 지지기반에 고정하기 위한 지그를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a jig for fixing the clamp to the support base.
또한, 상기 로봇은 상기 뼈를 절삭하기 위한 절삭기 및 상기 절삭기로부터 전달되는 하중을 측정하기 위한 로드 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the robot preferably further comprises a cutting machine for cutting the bone and a load sensor for measuring the load transmitted from the cutting machine.
또한, 상기 로봇을 제어하기 위한 제어장치는, 상기 절삭기의 선단이 상기 뼈의 소정 영역에 접촉하였을 때 상기 로드 센서로부터 수신한 신호를 바탕으로 상기 뼈의 위치 및 방향에 대응하는 제 2 좌표계를 인식하는 것이 바람직하다.The control device for controlling the robot recognizes a second coordinate system corresponding to the position and direction of the bone based on a signal received from the load sensor when the tip of the cutting machine contacts a predetermined region of the bone. It is desirable to.
또한, 상기 제어장치는 상기 제 2 좌표계를 이용하여 로봇의 상기 가공경로를 보정하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the control device corrects the processing path of the robot using the second coordinate system.
본 발명에 의하면, 로봇을 이용하여 수작업에 의한 수술 방법에 비해 복잡하지 않고, 뼈의 가공 정밀도가 높은 인공 관절 치환수술이 가능한 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect that the artificial joint replacement surgery, which is not complicated as compared with the manual surgical method using a robot, and has high bone processing accuracy, is possible.
또한, 본 발명에 의하면, 수술 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is an effect that can reduce the operation time.
또한, 본 발명에 의하면, 수작업에 의한 가공상의 오류를 방지하는 효과가 있다.Moreover, according to this invention, there exists an effect which prevents the processing error by manual labor.
또한, 수술완료 후 특정 지점으로 하중의 집중을 최소화하는 효과가 있다.In addition, there is an effect of minimizing the concentration of the load to a specific point after the surgery is completed.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 관절 수술용 클램프에 대한 사시도를 도시한 것으로, 수술 대상이 되는 뼈를 파지하기 위한 파지부(4120, 4220)와, 정합(registration)을 위한 측정점을 포함하는 몸체(4100, 4200)로 크게 구성된다.6 is a perspective view of a clamp for artificial joint surgery according to an embodiment of the present invention, the holding portions (4120, 4220) for gripping the bone to be surgery, and the measuring point for registration (registration) The
몸체(4100, 4200)는 제 1 몸체(4100)와 제 2 몸체(4200)로 구분되며, 제 2 몸체(4200)는 제 1 몸체(4100)에 결합되어 상대 운동, 바람직하게는 상대 슬라이딩 운동을 하도록 구성된다.The
이때, 제 1 몸체(4100)에 대한 제 2 몸체(4200)의 슬라이딩 운동을 통하여 파지부(4120, 4200)가 파지하는 직경 또는 두께를 제어하기 위한 파지 제어부(4300)가 제 2 몸체(4200)에 결합된다.At this time, the
바람직한 몸체(4100, 4200)의 구조 및 파지 제어부(4300)의 구조로는, 제 1 몸체(4100)는 선단에서 연장된 갈고리 모양의 제 1 파지부(4120), 제 1 몸체(4100)의 중단에서 연장되어 제 2 몸체(4200)와 결합되며 제 2 몸체의 슬라이딩 운동을 위한 슬라이딩 가이드(4130), 및 제 1 몸체(4100)의 후단에서 연장되며 파지 제어부(4300)의 운동을 가이드하기 위해 암나사 형태로 구성된 파지제어 가이드(4140)를 포함한다.In the preferred structure of the body (4100, 4200) and the structure of the
또한, 제 2 몸체(4200)는 제 1 몸체에서 연장된 제 1 파지부(4120)에 대응되도록 제 2 몸체의 선단에서 연장된 갈고리 모양의 제 2 파지부(4220)를 포함하고, 후단에는 파지 제어부(4300)와 연결된다. In addition, the
이때 파지 제어부(4300)는 제 1 몸체(4100)의 파지제어 가이드(4140)의 암나사에 대응되는 피치를 갖는 수나사 형태의 몸체를 가지며, 후단에는 사용자가 회전할 수 있도록 손잡이를 포함한다.In this case, the
이렇게 함으로써, 몸체(4100, 4200)에 결합된 파지 제어부(4300)를 회전시킴으로써 제 2 몸체(4200)는 제 1 몸체(4100)에 대해 상대 슬라이딩 운동을 하게 되고 이에 따라 제 1 파지부(4120)과 제 2 파지부(4220)는 뼈를 파지하여 뼈의 움직임을 방지할 수 있다.In this way, by rotating the
그리고, 제 1 몸체(4100)의 일측면에는 제 1 몸체의 좌표계를 측정하기 위한 측정점이 적어도 3개 이상 형성되며, 바람직하게는 뼈를 파지하는 파지부(4120, 4220)가 이루는 파지영역의 중심축에 대응되는 면에 요홈으로 구성된 측정점을 포함한다.In addition, at least three measuring points are formed on one side of the
측정점(4110, 4210)에 대한 측정은 소정의 좌표측정장치(5000)를 사용하는 함으로써 가능하며, 측정점(4110, 4210)의 형상인 요홈에 대응되는 첨두 모양의 팁(5100)을 갖는 다관절 디지타이저를 사용하는 것이 바람직하다.Measurement of the measuring
고체(rigid body)로 형성되며, 형상을 알고 있는 제 1 몸체에 측정점을 3개 이상 구성하여, 측정점의 소정의 기준좌표계에 대한 좌표값을 측정함으로써, 제 1 몸체의 위치와 방향을 알 수 있다.The position and direction of the first body can be known by forming three or more measuring points in the first body, which is formed of a rigid body, and measuring the coordinate values of a predetermined reference coordinate system of the measuring points. .
여기에서 제 1 몸체(4100)의 기준 좌표계는 측정하는 좌표계인 좌표측정장치(5000)의 좌표계에 해당한다.Here, the reference coordinate system of the
따라서, 제 1 몸체의 선단에 형성된 제 1 파지부(4120)에 의해 파지되는 뼈의 좌표를 예측할 수 있으며, 파지부(4120, 4220)에 의해 파지되는 뼈의 영역이 대퇴골목(1120)인 경우는 사람마다 그 형상 및 크기가 조금씩은 상이하지만, 대략적인 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 알 수 있다.Therefore, the coordinates of the bone gripped by the
좀더 정확한 뼈의 위치 및 방향을 알기 위하여, 제 2 몸체(4200)의 일측면에 적어도 하나 이상의 측정점을 형성하여, 제 2 몸체(4200)의 선단에 형성된 제 2 파지부(4220)의 위치를 알 수 있고, 이에 따라 대퇴골목(1120)의 크기 및 방향을 정확히 알 수 있다.In order to know more precisely the position and direction of the bone, at least one measuring point is formed on one side of the
여기에서, 클램프(4000)의 좌표계에 대한 뼈의 위치 및 방향에, 좌표측정장치(5000)의 좌표계에 대한 클램프 좌표계의 변환행렬을 행열 연산함으로써, 좌표측정장치(5000) 좌표계에 대한 뼈의 위치 및 방향은 얻는다.Here, the position of the bone with respect to the coordinate
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 표면 치환 수술을 위한 수술 장비의 구성도이다.7 is a block diagram of the surgical equipment for joint surface replacement surgery according to an embodiment of the present invention.
도 6에서 설명한 클램프(4000)를 이용하여 수술하고자 하는 대퇴골(1100)의 대퇴골목(1120)을 파지한 후, 클램프(4000)의 소정영역, 바람직하게는 제 1 몸 체(4100)의 소정영역을 지그(7000)를 이용하여 파지한다.After holding the
여기에서 지그(7000)는 로봇의 가공툴인 절삭기(6100)가 대퇴골(1100)의 가공영역인 대퇴골두(1120)를 가공하기 편리하도록, 또는 환자의 대퇴골(1100)을 파지하기 용이하도록 다관절인 것이 바람직하다.The
지그(7000) 및 클램프(4000)는 일체형으로 구성될 수도 있다. 즉, 지그(7000)의 그립(7100)을 클램프(4000)로 구성할 수도 있다.The
이렇게 고정된 대퇴골(1100)을 파지한 클램프(4000)의 일측면에 형성된 측정점을 측정하기 위한 좌표측정장치(5000)로, 다관절 디지타이저를 포함하며, 클램프(4000)의 측정점을 측정할 때는 사용자가 디지타이저를 움직여서 측정하는 것이 바람직하다.A coordinate
이때, 로봇(6000)의 툴팁인 절삭기(6100)의 첨두를 이용하여 클램프(4000)의 측정점을 측정할 수도 있으나, 사용자가 로봇(6000)을 손으로 움직이기 불편하므로, 클램프의 측정점을 측정하는 것은 디지타이저를 상용하는 것이 바람직하다.At this time, the measuring point of the
디지타이저에 의해 측정된 클램프(4000)의 위치를 통하여 클램프(4000)가 파지하고 있는 대퇴골(1100)의 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 확보할 수 있으며, 이를 통해 로봇(6000)은 프로그램되어 있는 가공경로를 따라 절삭기(6100)로 대퇴골두(1110)를 절삭 가공한다.Through the position of the
이때, 지그(7000)의 좌표계, 디지타이저의 좌표계, 및 로봇(6000)의 좌표계는 수술대등의 기저부에 고정되어 있으므로, 상호 좌표계간의 변환행렬을 알고 있는 상태이므로, 대퇴골(1100)의 로봇 좌표계에 대한 위치 및 방향은 대퇴골(1100) 과 클램프 좌표계 및 클램프의 측정값 간의 행렬곱을 통하여 정합과정을 수행할 수 있다.At this time, since the coordinate system of the
즉, 로봇(6000)의 좌표계를 기준으로 설계된 로봇(6000)의 절삭기(6100)의 가공경로를 실제 대퇴골(1100)의 좌표계와 정합함으로써, 로봇(6000)의 절삭기(6100)는 대퇴골(1100)의 원하는 영역을 가공할 수 있다.That is, by matching the processing path of the
여기에서, 클램프(4000)의 측정점(4110, 4210)만을 측정하여 정합하는 것은 대퇴골목(1120) 및 대퇴골두(1110)는 사람마다 그 형상과 크기가 상이하지만, 치명적이지 않은 범위 내에서 사용이 가능하다.Here, to measure and match only the measuring
그러나, 좀더 정확한 정합을 위해서는 클램프(4000)의 측정점(4110, 4210)을 측정하여 얻는 클램프 좌표계의 정합 이후에 대략적인 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 파악하고, 로봇(6000)의 툴팁인 절삭기(6100)의 첨두를 통하여 실제 대퇴골두(1110)의 소정영역을 측정하는 것이 바람직하다.However, for more accurate registration, after the registration of the clamp coordinate system obtained by measuring the measuring
이를 위하여, 로봇(6000)의 절삭기(6100)에는 하중을 감지하는 로드셀을 포함하는 것이 바람직하며, 로봇(6000)의 절삭기(6100)가 대퇴골두(1110)의 표면에 접촉하여 측정되는 반력에 의해 그때의 위치를 대퇴골두(1110)의 소정점의 위치로 판단한다.To this end, the cutting
이렇게 대퇴골두(1110)의 표면을 일차로 3 내지 5점을 측정한 후 측정된 좌표를 바탕으로 원형으로 모델링된 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 계산한다. 좀더 정확한 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 위해서 상기 일차로 측정되어 계산된 값을 바탕으로 대퇴골두(1110)의 다른 지점을 반복하여 측정하여 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향의 정확도를 높인다.After measuring 3 to 5 points on the surface of the
로봇(6000)의 절삭기(6100)를 통하여 측정한 대퇴골두(1110)의 실제 위치를 바탕으로 로봇(6000)에 프로그램된 가공경로를 정합한 후 대퇴골두(1110)의 표면을 가공한다.Based on the actual position of the
여기에서, 로봇(6000)은 적어도 3자유도 이상의 관절을 갖어야 하며, 바람직하게는 5자유도 이상의 관절을 갖는다. 본 발명의 실시예에서는 6자유도의 관절을 갖는 로봇을 이용하였다.Here, the
대퇴골두(1110)의 표면 가공이 완료되면, 이후 관절캡을 씌우고 비구에 삽입하는 등의 수술과정은 수작업에 의한 과정과 동일하다.When the surface processing of the
이렇게 함으로써, 수술시 의사는 클램프(4000)를 이용하여 수술하고자 하는 대퇴골(1100)을 파지한 후 좌표인식장치(5000)를 이용하여 클램프(4000)에 표시되어 있는 측정점들만 측정하면 되므로, 수작업에 의한 수술에 비해 간단하며, 또한, 기존의 로봇을 이용한 관절 전치환술에 적용되던 정합법에 비해 간단한 장비를 통해서 정합이 가능한 장점이 있다.By doing so, the surgeon grips the
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 관절 표면 치환 수술에 대한 순서도이다.8A through 8C are flowcharts of joint surface replacement surgery according to various embodiments of the present disclosure.
도 8a는 수술 전 환자의 환부를 CT등을 통하여 영상 촬영한 후 해당 영상을 바탕으로 로봇의 가공경로를 설정(S1100 단계)하고, 수술 시 환자의 대퇴골(1100)을 외부로 노출시킨 후 클램프(4000)로 파지하고 클램프(4000)의 일측면에 형성되어 있는 측정점(4110, 4210)들을 좌표인식장치(5000)를 통하여 측정(S1200)한다.Figure 8a is to take the image of the patient before the operation through a CT, etc. after setting the robot's processing path based on the image (step S1100), during the operation exposing the patient's femur (1100) to the outside after the clamp ( Holding by the 4000 and the measuring points (4110, 4210) formed on one side of the
좌표인식장치(5000)를 통하여 측정한 클램프(4000)의 좌표값을 이용하여 대퇴골(1100)의 좌표값을 로봇의 가공경로의 기준이 되는 로봇 좌표계에 일치시키는 정합(S1300 단계)을 수행한다.The coordinate value of the
정합이 완료되면 로봇(6000)은 정합에 의해 변환된 좌표값을 따라 대퇴골두(1110)의 표면을 가공(S1400 단계)하고, 가공이 완료되면 관절캡을 가공된 대퇴골두(1110)에 삽입(S1500 단계)한다. 이후의 단계는 수작업에 의한 단계와 동일하다.When the matching is completed, the
도 8b는 도 8a의 단계 중 클램프 측정점을 측정하는 단계(S1200 단계)와 좌표계를 일치하는 정합단계(S1300 단계) 사이에 좀더 정확한 대퇴골두(1110)의 위치 및 방향을 위하여 대퇴골두(1110)의 골 표면을 측정하는 단계(S1250 단계)를 추가한 것이다.FIG. 8B shows the
대퇴골두(1110)의 골 표면을 측정하는 것은 로봇(6000)에 미리 프로그램된 측정경로를 이용하여 로봇(6000)의 툴팁인 절삭기(6100)를 이용하는 것이 바람직하다.In order to measure the bone surface of the
로봇(6000)은 클램프(4000)의 측정점(4110, 4210)을 측정함으로써 얻은 클램프의 좌표값 및 이를 통하여 예측되는 대퇴골두(1110)의 예상 좌표값을 계산하고, 상기 대퇴골두(1110)의 예상 좌표값의 근처까지 절삭기(6100)를 이동시킨 후 천천히 전진시켜 대퇴골두(1110)의 표면에 절삭기(6100)가 접촉하고, 이에 따라 절삭기(6100)의 소정영역에 포함된 하중측정기에 의해 측정되는 하중에 의해 그때의 좌표값을 대퇴골두(1110)의 표면의 위치좌표로 인식한다.The
이렇게 대퇴골두(1110)의 표면을 3 내지 5 지점 정도 측정한 후 대퇴골두(1110) 표면의 위치 및 방향을 보정하고, 보정된 대퇴골두(1110)의 예상 좌표값을 바탕으로 다시 대퇴골두(1110)의 표면을 3 내지 5 지점 정도 측정하는 것을 반복한다.After measuring 3 to 5 points on the surface of the
상기 측정점의 반복은 적어도 2회 이상 바람직하게는 3회 정도를 수행하여, 대퇴골두(1110)의 표면 위치 좌표를 파악한다.Repetition of the measurement point is performed at least two or more preferably three times to determine the surface position coordinates of the
이렇게 파악된 대퇴골두(1110)의 표면 위치 좌표를 로봇(6000)의 가공경로 좌표계와 일치시키는 정합과정(S1300 단계)을 통해 보다 정확하게 로봇(6000)을 이용하여 대퇴골두(1110)의 표면을 가공한다.The surface of the
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예로써, 고관절 수술 영역인 대퇴골에 대한 설명만을 언급하였으나, 슬관절 및 경관절에도 사용이 가능하다 할 것이다.In the above description, as an embodiment of the present invention, only the description of the femur, which is a hip surgery region, may be used for the knee joint and the cervical joint.
또한, 이상의 설명은 본 발명의 일 실시예로써, 대퇴골두의 표면치환술에 대 해서만 설명하였으나, 본 발명의 클램프 및 정합방법을 이용하여 일반적인 로봇 이용 정형외과 시술에서 정합을 용이하게 시행하는 데 적용이 가능할 것이다. In addition, the above description as an embodiment of the present invention, but described only for the surface replacement of the femoral head, it is applied to facilitate the registration in general orthopedic surgery using the clamp and matching method of the present invention This will be possible.
즉, 뼈의 해부학적 형상을 활용하여 환부 근처에 고정될 수 있는 기구를 수술 중에 환부 옆에 설치하고 그 기구의 위치를 측정하여 바로 환부의 위치를 측정하거나, 또는 이렇게 기구를 통하여 간접적으로 추정된 환부의 위치를 바탕으로 로봇을 이용한 자동 정합을 수행하도록 할 수 있다. In other words, by using the anatomical shape of the bone, a device that can be fixed near the affected part is installed next to the affected part during surgery and the location of the device is measured immediately to measure the location of the affected part, or indirectly estimated through the device. Based on the location of the affected part, it is possible to perform automatic registration using a robot.
또한, 이상의 설명은 본 발명의 일 실시예로써, 좌표측정장치를 디지타이저를 예를 들어 설명하였으나, 비접촉식 센서를 이용하는 방법등을 이용할 수도 있 다.In addition, in the above description, as an embodiment of the present invention, the coordinate measuring apparatus has been described using the digitizer as an example, but a method using a non-contact sensor may be used.
즉, 클램프(4000)의 측정점(4110, 4210)을 적외선 반사 마커로 형성하고, 좌표측정장치는 적외선 송신부와 적외선 수신부를 포함하여 구성할 수 있으며, 또한, 클램프(4000)의 측정점(4110, 4210)을 소정 주파수로 발광하는 발광 마커로 형성하고, 좌표측정장치는 해당 주파수를 인식하는 인식장치로 구성할 수도 있다.That is, the measuring
도 1은 인체 고관절의 해부학적 사시도이다.1 is an anatomical perspective view of a human hip joint.
도 2는 인공 고관절 전치환술에 의한 고관절 및 인공 관절의 사시도이다.2 is a perspective view of the hip and artificial joint by total hip arthroplasty.
도 3은 인공 고관절 표면치환술에 의한 고관절 및 인공 관절의 사시도이다.Figure 3 is a perspective view of the hip and artificial joint by artificial hip surface replacement.
도 4a 내지 도 4e는 종래 기술에 의한 인공 고관절 표면치환술에 대한 절차도이다.4A to 4E are procedural diagrams for artificial hip arthroplasty according to the prior art.
도 5는 정합(Registration) 과정을 설명하기 위한 개념도이다.5 is a conceptual diagram illustrating a registration process.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 관절 수술용 클램프에 대한 사시도이다.6 is a perspective view of a clamp for artificial joint surgery according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 관절 수술을 위한 수술 장비의 구성도이다.Figure 7 is a block diagram of a surgical equipment for artificial joint surgery according to an embodiment of the present invention.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 인공 관절 수술에 대한 순서도이다.8A through 8B are flowcharts illustrating artificial joint surgery according to various embodiments of the present disclosure.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1100 : 대퇴골(femur), 1110 : 대퇴골두(femoral head),1100: femur, 1110: femoral head,
1120 : 대퇴골목(femoral neck), 1130 : 대퇴골주(femoral shaft),1120: femoral neck, 1130 femoral shaft,
1200 : 골반(pelvis), 1210 : 비구(acetabulum),1200: pelvis, 1210: acetabulum,
2200 : 인공비구, 2210 : 비구홈,2200: artificial acetabular, 2210: acetabular groove,
2300 : 관절캡, 2310 : 캡외주면,2300: joint cap, 2310: outer cap surface,
2320 : 삽입축, 4000 : 클램프,2320: insertion shaft, 4000: clamp,
4100 : 제 1 몸체, 4110 : 제 1 측정점,4100: first body, 4110: first measuring point,
4120, 4220 : 파지부, 4130 : 슬라이딩 가이드,4120, 4220: holding part, 4130: sliding guide,
4140 : 파지제어 가이드, 4200 : 제 2 몸체,4140: grip control guide, 4200: second body,
4210 : 제 2 측정점, 4300 : 파지 제어부,4210: second measuring point, 4300: gripping control unit,
5000 : 좌표측정장치, 5100 : 측정핀,5000: coordinate measuring device, 5100: measuring pin,
6000 : 로봇, 6100 : 절삭기,6000: robot, 6100: cutting machine,
7000 : 지그, 7100 : 그립. 7000: jig, 7100: grip.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030002219A (en) * | 2001-06-30 | 2003-01-08 | 한국과학기술원 | Femur clamping robot mount for robotic total hip arthroplasty |
KR20030021785A (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-15 | 한국과학기술원 | A Gauge Device For Surgical Replacing Operation Of A Coxa |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7104996B2 (en) | 2000-01-14 | 2006-09-12 | Marctec. Llc | Method of performing surgery |
KR20030002219A (en) * | 2001-06-30 | 2003-01-08 | 한국과학기술원 | Femur clamping robot mount for robotic total hip arthroplasty |
KR20030021785A (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-15 | 한국과학기술원 | A Gauge Device For Surgical Replacing Operation Of A Coxa |
JP2005278717A (en) | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Meira Corp | Medical instrument holder |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101298435B1 (en) | 2012-03-30 | 2013-08-20 | 주식회사 로보웨어 | Object registration apparatus and method thereof |
KR101426842B1 (en) | 2012-12-06 | 2014-08-06 | (주)미래컴퍼니 | Cannula holder for surgical robot |
KR20150083472A (en) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | 큐렉소 주식회사 | Orthopedic surgical clamping apparatus |
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