KR101487817B1 - 수술용 로봇을 위한 관절형 교환가능한 내시경 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 적어도 1 자유도를 가진 유연한 관절을 갖춘 관절형 미소절개 수술용 내시경으로 다이렉팅된다. 복수의 로봇 팔을 가진 수술 로봇과 함께 사용될 때, 내시경은 임의의 복수의 팔과 함께 사용될 수 있고, 그로 인해, 보통의 팔 설계를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 내시경은 적어도 1 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 유연한 관절에 적어도 1 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임을 부착함으로써, 사용자가 더 직관적이게 만든다. 본 발명에 따른 내시경은 유연한 관절에 가깝게 위치한 회전 포인트 둘레를 회전하는 기준 프레임을 기초로 적어도 1 자유도와 연관된 물체의 이미지를 획득함으로써 그것의 백/근단부에서의 원치않는 모션을 감쇄시킨다.
로봇 팔, 수술용 로봇 시스템, 미소절개 수술, 관절형 내시경, 샤프트, 관절, 내시경 카메라 렌즈, 액츄에이션 링크, 기준 프레임.

Description

수술용 로봇을 위한 관절형 교환가능한 내시경{ARTICULATE AND SWAPABLE ENDOSCOPE FOR A SURGICAL ROBOT}
본 출원은 2002년 12월 6일에 출원된 가출원 제60/431,636호의 우선권을 주장하는, 2003년 12월 2일 출원된 출원번호 제10/726,795호의 일부계속출원인, 2005년 3월 3일에 출원된 출원번호 제11/071,480호의 일부계속출원이다. 본 출원은 또한 2001년 6월 29일에 출원된 가출원 제60/301,967호, 및 2001년 10월 5일에 출원된 가출원 제60/327,702호의 우선권을 주장하는, 2004년 11월 16일에 발행된 미국특허 제6,817,974호의 계속인, 2004년 11월 1일 출원된 출원번호 제10/980,119호의 일부계속 출원이다. 본 출원은 아래의 특허 및 특허 출원에 관한 것이다:
2004년 3월 2일에 발행된 "Platform Link Wrist Mechanism"이란 제목의 미국특허 제6,699,235호;
2004년 9월 7일에 발행된 "Robotic Apparatus"란 제목의 미국특허 제6,786,896호;
2001년 12월 18일에 발행된 "Surgical Robotic Tools, Data Architecture, and Use"란 제목의 미국특허 제6,331,181호;
2004년 9월 28일에 발행된 "Image Shifting Apparatus and Method for a Telerobotic System"이란 제목의 미국특허 제6,799,065호;
2004년 4월 13일에 발행된 "Stereo Imaging System and Method for Use in Telerobotic System"이란 제목의 미국특허 제6,720,988호;
2004년 3월 30일에 발행된 "Master Having Redundant Degrees of Freedom"이란 제목의 미국특허 제6,714,839호;
2003년 12월 9일에 발행된 "Cooperative Minimally Invasive Telesurgery System"이란 제목의 미국특허 제6,659,939호;
2002년 7월 23일에 발행된 "Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus"란 제목의 미국특허 제6,424,885호;
2002년 5월 28일에 발행된 "Surgical Tools for Use in Minimally Invasive Telesurgical Applications"란 제목의 미국특허 제6,394,998호;
1998년 9월 15일에 발행된, "Endoscopic Surgical Instrument and Method ofr Use"란 제목의 미국특허 제5,808,665호;
1998년 9월 15일에 발행된, "Endoscopic Surgical Instrument and Method for Use"란 제목의 미국특허 제5,808,665호;
2003년 2월 18일에 발행된 "Devices and Methods for presenting and Regulating Auxiliary Information on An Image Display of a Telesurgical System to Assist an Operator in Performing a Surgical Procedure"란 제목의, 미국특허 제6,522,906호; 및
2002년 4월 2일에 발행된 "Alignment of Master and Slave in a Minimally Invasive Surgical Apparatus"란 제목의 미국특허 제6,364,888호.
본 발명은 일반적으로 내시경에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 로봇 수술을 실행하기 위한, 스티어링가능한/관절형 교환가능한 내시경에 관한 것이다.
미소절개 수술 기술의 발전은 미소절개 방법으로 실시되는 수술을 매우 급격하게 증가시킬 수 있다. 미소절개 의료기술은 수술과정 또는 진단 동안 손상되는 관련없는 조직의 양을 감소시켜, 환자의 회복 시간을 줄이고, 불편함, 및 해로운 부작용 등을 줄이는 것을 목적으로 한다. 또한 표준 수술 동안 병원에 머무르는 평균 시간을 미소절개 수술 기술을 사용함으로써 상당히 줄일 수 있다. 그러므로, 미소절개 기술의 채택의 증가는 수백만의 입원일, 병원 입원 비용만으로 연간 수백만 달러를 절약할 수 있다. 환자 회복 시간, 환자 불편, 수술 후유증, 및 일하지 못하는 시간 등이 또한 미소절개 수술을 통해 감소될 수 있다.
미소절개 수술의 가장 일반적인 형태는 내시경일 수 있다. 아마도 내시경의 가장 일반적인 형태는 미소절개 수술 및 복강내 수술인 복강경 수술이다. 표준 복강경 수술에서, 환자의 복부는 가스로 팽창되고, 캐뉼러 슬리브가 복강경 검사용 수술 기기를 위한 삽입 포트를 제공하기 위해 (대략 1/2인치의) 작은 절개부를 통과한다. 복강경 수술 기기는 일반적으로, (수술부를 보기 위한) 복강경, 및 수술 도구를 포함한다. 수술 도구는 각각의 도구의 수술 끝부 또는 말단 장치가 연장 튜브에 의해 그것의 핸들로부터 분리된 점을 제외하고, 종래의(오픈) 수술에 사용되는 것과 유사하다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "말단 장치"는 수술 기기의 실제 작동 부를 의미하고, 예컨대, 클랩프, 그래스퍼, 가위, 스태플러, 바늘 홀더를 포함할 수 있다. 수술을 실시하기 위해, 외과의는 이 수술 도구 또는 기기를 캐뉼러 슬리브를 통해 내부 수술 부위로 패싱하고, 그들을 복부 외부에서 조종한다. 외과의는 복강경으로부터 취해진 수술 부위의 이미지를 디스플레이하는 모니터를 수단으로 하여 그 과정을 모니터링한다. 예를 들어, 관절경 수술(arthroscopy), 리트로페리토네오스코피(retroperitoneoscopy), 골반경 수술(pelviscopy), 네프로스코피(nephroscopy), 방광경 수술(cystoscopy), 시스터노스코피(cisternoscopy), 시노스코피(sinoscopy), 자궁경 수술(hysteroscopy), 요도경 수술(urethroscopy) 등에 유사한 내시경 기술이 채용된다.
현재의 미소절개 수술(MIS) 기술에 대한 다양한 단점이 존재한다. 예를 들어, 기존의 MIS 기기는 외과의에게 개방 수술에서 찾은 도구 설치의 유연함을 제공하지 않는다. 대부분의 현재의 복강경 도구는 리지드 축을 가지고 있어, 작은 절개부를 통해 수술 부위에 도달하는데 어려움을 겪는다. 또한, 많은 내시경 기기의 길이 및 구조가 연결된 도구의 말단 장치에 조직 및 기관에 의해 가해진 힘을 느낄 수 있는 외과의의 능력을 감소시킨다. 내시경 도구의 감각 및 손재주의 부족은 미소절개 수술의 확장에 큰 걸림돌이다.
미소절개 원격수술 로봇 시스템은 내부 수술 부위 내에서 수술할 때 외과의의 손감각을 증가시키고, 또한 외과의가 원격 위치로부터 환자를 수술하는 것이 가능하도록 개발되고 있다. 원격수술 시스템에서, 외과의는 종종 컴퓨터 워크스테이션에서 수술 부위의 이미지를 제공받는다. 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상에 수술 부위의 3차원 이미지를 보면서, 외과의는 워크스테이션의 컨트롤 디바이스 또는 마스터 입력을 조종함으로써 그 환자를 수술한다. 마스터는 서보메카니즘으로 오퍼레이팅되는 수술 기기의 모션을 컨트롤한다. 수술동안, 원격수술 시스템은 마스 터 컨트롤 디바이스의 조종에 응답하여, 바늘을 홀딩하거나 구동하는 것, 혈액 용기를 잡는 것, 또는 조직을 절단하는 것 등과 같은 외과의를 위한 다양한 기능을 수행하는, 예컨대, 조직 그래스퍼, 바늘 구동기, 등과 같은 말단 장치를 가진 다양한 수술 기기 또는 도구의 기계적 액츄에이션 및 컨트롤을 제공할 수 있다.
'Sunnyvale, California'의 'Intuitive Surgical Inc.'으로부터의 'da Vinci®'과 같은 미소절개 수술용 로봇 시스템은 외과의에게 종래의 복강경보다 수술 동안 훨씬 더 큰 관절, 및 훨씬 향상된 컬리티의 2D 및 3D 비디오 이미지를 제공하지만, 현재의 이러한 수술용 로봇 시스템은 임의의 기능에 유연함에 관하여 더 제한될 수 있다. 특히, 그들의 크기 및 무게로 인해, "지정된" 로봇 팔을 가진 수술용 로봇 아키텍처는 미국특허 제6,451,027호에 서술된 바와 같이, 내시경 및 카메라를 잡아야 한다. 그 결과, 외과의는 종래의 복강경 수술에서 전형적으로 발생되는 바와 같이, 포트 간에 내시경을 교환할 수 없다. 또한, 내시경의 크기 및 무게는 특히 닿기 힘들고 가려진 부분을 보기 위해 내시경을 수동으로 조종하고 해체하는데 어려움을 일으킨다. 이러한 유연함의 손실은 심장 및 골반과 같은 한정된 영역의 어려운 재건 수술에 탁월하지만, 그들은 큰 해부학적 면적(예컨대, 복수의 4분된 복부)에 액세스, 및/또는 상이한 방향으로부터의 액세스를 포함한 프로시저에 대한 적용가능성을 감소함을 의미한다.
또한, 현재의 로봇 내시경은 곧은 헤드(즉, 0도 각도), 또는 외과의가 보다 쉽게 내려보고 올려볼 수 있게 하는, 내시경의 장축으로부터 30도 각도의 리지드 포인팅이다. 결과적으로, 많은 수술 동안, 외과의는 수술 부위 내의 상이한 시야 를 획득하기 위해 곧은 헤드의 내시경과 30도의 내시경을 여러 차례 바꿔야할 필요가 있다. 이러한 내시경 교환은 수술 시간, 오퍼레이션 및 로지스틱 복잡도, 및 심지어 안전 문제를 증가시킨다. 그러나, 내시경을 교환하더라도, 외과의는 여전히 매우 작은 시각적 시야로 제한되어 있어, 더 작은 영역만 볼 수 있다. 또한, 외과의는 여전히 주변 장애물에 가려진 신체 조직 또는 몇몇 터널링을 필요로 하는 조직(예컨대, 심방 세동(atrial fibrillation) 또는 내시경(endoluminal) 진단 및 치료) 사이의 원하는 화면을 얻는 것이 불가능하다.
그러므로, 미래의 수술용 로봇 아키텍처를 간략화할 수 있고, 더 유연한 포트 설치를 제공하고, 더 넓은 영역의 시야를 제공하고, 추가적인 오퍼레이션 및 로지스틱 복잡도 또는 안전 문제없이 복수의 시각적 시야를 제공하고, 그리고 가려진 신체 조직의 가장 바람직한 화면을 제공하는, 수술용 로봇 내시경 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
따라서, 본 발명은 미래의 수술용 로봇 아키텍처를 간략화할 수 있고, 더 유연한 포트 설치를 제공하고, 더 넓은 영역의 시야를 제공하고, 추가적인 오퍼레이션 및 로지스틱 복잡도 또는 안전 문제없이 복수의 시각적 시야를 제공하고, 그리고 가려진 신체 조직의 가장 바람직한 화면을 제공하는, 관절형 교환가능한 수술용 로봇 내시경 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은 길쭉한 샤프트, 유연한 관절, 내시경 카메라 렌즈, 및 복수의 액츄에이션 링크를 포함한 미소절개 관절형 수술 내시경과 함께 상술된 필요성을 충족시킨다. 길죽한 샤프트는 수술 끝부, 근단부, 수술 끝부와 근단부 사이의 샤프트 축을 포함한다. 유연한 관절은 원단부 및 근단부를 가진다. 관절의 근단부는 길쭉한 샤프트의 수술 끝부에 연결된다. 내시경 카메라 렌즈는 관절의 원단부에 설치된다. 복수의 액츄에이션 링크는 그 링크가 적어도 1 자유도(예컨대, 관절의 상하 좌우 모션)를 가진 관절을 제공하도록 동작가능하게, 관절과 길쭉한 샤프트의 근단부 사이에 연결되고, 이때, 적어도 1 자유도 모션을 컨트롤하기 위해 사용된 기준 프레임은 적어도 1 자유도 모션 동안 사용자에게 더 높은 직관성을 제공하기 위해 적어도 1 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 유연한 관절에 부착된다. 반대로, 내시경과 연관된 다른 정도의 자유도(예컨대, 데카르트 공간 삽입/추출 모션 및 샤프트 회전)를 컨트롤하기 위해 사용된 기준 프레임은 물체에 부착된다. 미소절개 관절형 수술 내시경은 임의의 복수의 팔에 탈착가능하게 부착되고, 하나의 표준 팔 설계가 그 수술용 로봇 시스템에 사용되도록 복수의 팔 사이에 교환되도록 설계된다.
관절형 수술 내시경이 적어도 1 자유도와 연관된 해부 이미지(예컨대, 오비탈 이미지)를 획득하기 위해 사용될 때, 이러한 이미지를 위한 기준 프레임은 내시경의 근단부에서 원치않는 모션을 최소화하기 위해 유연한 관절에 가깝게 위치한 회전 포인트 둘레를 회전한다. 이러한 원치않는 모션은 적어도 1 자유도를 컨트롤하기 위해 사용된 기준 프레임이 유연한 관절에 부착되었을 때 더 감쇄된다.
본 발명의 모든 피처 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 하기의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절의 단면도이다.
도 3은 Ⅲ-Ⅲ을 따른 도 2의 관절의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 4A 및 4B는 각각 도 4와 유사한 관절의 예의 원단부의 평면도 및 엘리먼트 도이고, 케이블 배열을 상세하게 보여준다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 평면도이다.
도 9는 툴 샤프트 및 짐벌 플레이트를 가진 도 8의 관절의 엘리베이션 도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 평면도이다.
도 11은 도 10의 관절의 엘리베이션 도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 엘리베이션 도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른관절의 일부분의 단면도이다.
도 15는 굽은 상태의 도 14의 관절의 부분적인 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 17은 도 16의 관절의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 일부분의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 평면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 일부분의 단면도이다.
도 23 및 도 24는 도 22의 관절 내 디스크의 평면도이다.
도 25는 도 22의 관절에 대한 외부 피스의 투시도이다.
도 26은 도 25의 외부 피스의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절의 투시도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 커버의 단면도이다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 커버의 단면도이다.
도 30은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 커버의 일부분의 투시도이다.
도 31은 본 발명에 따른 로봇 미소절개 수술에 사용되는 관절형 내시경의 일 실시예를 도시한다.
도 32는 일련의 탈착가능한 클립(320)에 의해 내시경(310)에 탈착가능하게 연결된 카테터(321)를 도시한다.
도 33은 일련의 탈착가능한 클립(320)에 의해 내시경(310)에 탈착가능하게 연결된 카테터 가이드(331)를 도시한다.
도 34는 본 발명에 따른 비디오 커넥션의 일 실시예를 도시하는 비디오 블록 다이어그램이다.
도 35는 본 발명에 따른 로봇 미소절개 수술에 사용된 관절형 내시경의 일 실시예를 도시한다.
도 36은 로봇 미소절개 수술을 위한 상이한 기준 프레임에 대한 직관성 대 비직관성의 간단한 예시적인 도면이다.
도 37은 본 발명에 따른 내시경(310``)에 대한 상이한 잠재적 회전 포인트를 도시한다.
도 38은 자전거 핸들 바와 유사한 형태로 오퍼레이팅하도록 가상 결합되어 있는 두 개의 마스터 입력 디바이스를 도시한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "말단 장치"는, 예컨대, 타겟 조직의 미리정해진 치료를 달성하기 위한 의료 기능을 위해 관절 부재를 수단으로 하여 조종가능한 실제의 수술 원단부를 말한다. 예를 들어, 몇몇 말단 장치는 메스, 칼, 또는 전극과 같은 단일 수술 부재를 가진다. 다른 말단 장치는, 예컨대, 집게, 가위, 클립 어플라이어와 같은 한 쌍의 또는 복수의 수술 부재를 가진다. 특정 실시예에서, 디스크 또는 척추는 세로축의 루멘 또는 상기 관절을 따른 공간을 공동으로 형성하고, 다수의 대안의 엘리먼트 중 임의의 하나 또는 말단 장치의 오퍼레이션과 연관된 수단을 위한 컨듀잇을 제공하는 개구를 가지도록 구성된다. 이러한 예는 전기적으로 동작하는 말단 장치(예컨대, 전기의료용 전극; 트렌듀서, 센서 등); (흡입, 흡입치료, 관주법, 치료 유체, 액세서리 삽입, 생체검사 추출 등을 위한) 유체, 가스 또는 솔리드를 위한 컨듀잇; 움직이는 말단 장치 부재(예컨대, 케이블, 그립, 집게, 가위를 오퍼레이팅하기 위한 유연한 엘리먼트 또는 관절형 엘리먼트)를 액츄에이팅하기 위한 기계적 엘리먼트; 웨이브 가이드; 음파 전도 엘리먼트; 광섬유 엘리먼트 등을 포함한다. 이러한 세로축의 컨듀잇은 엘라스틱 폴리머 튜브와 같은 라이너, 절연체, 또는 가이드 엘리먼트, 나선형 와이어가 감긴 튜브 등과 함께 제공될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "수술 기기", "기기", 수술 도구", 또는 "툴"은 하나 이상의 말단 장치를 환자 복강 내의 수술 부위 내로 삽입하도록 이동시키는 수술 끝부를 가지고, 그 수술 부위 내의 타겟 조직의 원하는 치료 또는 의료 기능을 이펙팅하기 위해 말단 장치를 조종하기 위해 복강 외부로부터 액츄에이팅 가능한 부재를 말한다. 이러한 기기 또는 도구는 전형적으로, 원단부에 말단 장치를 전달하는 샤프트를 포함하고, 바늘을 잡거나 드라이빙하고, 혈액 용기를 잡고, 조직을 절재하는 것과 같은 기능을 수행하기 위한 원격수술 시스템에 의해 서보메카니컬하게 액츄에이팅된다.
본 명세서에 서술된 유연한 관절의 다양한 실시예는 비교적 값싸게 제조되고, 소작(cautery)용으로 사용가능한 것으로 의도되었으나, 코터리용으로 사용에 제한되지 않는다. MIS 어플리케이션에 대하여, 도구의 삽입가능한 부분의 직경은 절개부를 줄이기 위해, 전형적으로 대략 12mm 이하, 그리고 바람직하게는 대략 5mm 이하로 작아야 한다. 본 예에서 이러한 크기 범위가 상세하게 서술되어 있으나, 실시예는 더 크거나 작은 기기를 위해 조절될 수 있음이 이해될 것이다.
몇몇 관절 실시예는 상하 및 좌우로 굽을 때 뱀처럼 움직이는 일련의 디스크 또는 유사한 엘리먼트를 채용한다(예컨대, 도 14 및 22). 디스크는 환형 디스크이고, 원형의 내경 및 외경을 가질 수 있다. 전형적으로, 이러한 관절은 각각 일련의 디스크, 예컨대, 대략 0.005인치 내지 대략 0.030 인치 두께의 에칭된 스테인레스 강 디스크일 수 있는, 대략 13개의 디스크를 포함한다. 더 두꺼운 디스크가 중앙에 사용될 수 있으나, 더 두꺼운 디스크는 말단 디스크 둘레의 케이블 U-턴에 적용되는 것과 같은 케이블 힘을 흡수하도록 추가적인 힘을 위한 말단 부분이 바람직하다. 말단 디스크는 그 내부에 중앙 스프링이 케이블로부터의 부하를 중앙 스프링의 압축으로 전달하도록 피팅되어 있는 카운터 구멍(예컨대, 대략 0.015인치 깊이)을 포함할 수 있다. 이 디스크는 내측 스프링 상에 쓰레딩될 수 있고, 그립퍼, 소작 커넥션, 또는 그 위에 팁을 홀딩하기 위한 테더와 같은 말달 장치에 대하여 케이블을 당기기 위한 루멘으로서 역할한다. 내측 스프링은 또한 그립퍼 또는 테더 힘이 그 관절을 비틀지 않도록, 축상으로의 단단함을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 디스크는 내측 스프링에 의해 캡처된, 한 쌍의 마주하고 배치된 내부 탭 또는 텅(tongue)을 포함한다. 내측 스프링은 디스크의 탭이 스프링 내에 갭을 만들기 위해 삽입된 위치를 제외하고, 솔리드 하이트이다(와이어의 연속적인 헬릭스 핀치가 스프링이 변형되지 않은 때 서로 접촉하도록 놓인다). 이 디스크는 교대의 상하 및 좌우 회전을 허용하도록 탭 방향으로 교차한다. 전형적인 내측 스프링은 0.01인치 직경의 와이어로 만들어지고, 인접한 디스크는 4개의 스프링 코일에 의해 서로 분리된다. 스프링이 (슬린키와 같은) 가장자리 감겨진 플랫 와이어로 만들어졌다면, 큰 축으로의 힘이 이웃한 코일이 서로 호핑하게 하지 않고 케이블에 적용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 각각의 디스크는 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 12개의 균일한 간격의 홀을 가진다. 3개의 케이블은 임의의 원하는 방향으로 관절을 구부리기 충분하고, 각각의 케이블 상의 장력은 원하는 벤딩 모션을 산출할 수 있도록 대등하다. 작은 관절 직경 및 수술 힘에 의해 관절 상에 가해진 모멘트로 인해, 3개의 케이블 내의 응력은 매우 커질 것이다. 3개 이상의 케이블이 (컨트롤 목적의 리둔던트인 부가적인 케이브을 포함하여) 각각의 케이블 내의 응력을 줄이기 위해 사용되는 것이 전형적이다. 아래 서술된 몇몇 예에서는, 12개 이상의 케이블이 사용되었다(아래 도 4의 설명 참조). 케이블을 구동하기 위해, 짐벌 플레이트 또는 로킹 플레이트가 사용될 수 있다. 짐벌 플레이트는 상하 및 좌우 축에 대하여 임의의 각으로 관절을 구부리도록 케이블을 조종하기 위해 두 개의 표준 입력을 사용한다.
몇몇 관절은 상하 및 좌우로 구부리기 위해 충분히 유연한 튜브형 부재로 형성될 수 있다(예컨대, 도 2 및 4). 내부 스프링이 포함된다. 튜브형 부재는 구부리기 용이하도록 구조적 단단함을 제거하기 위해 컷-아웃을 포함할 수 있다(예컨대, 도 5 및 19). 관절을 만들기 위한 한 방법은 중앙 홀 및 액츄에이션 와이어 홀에 와이어 및 하이포튜브 맨드럴을 삽입하는 것이다. 몰드가 이루어질 수 있고, 이 어셈블리는 (예컨대, 165℃의) 오븐에서 가류되는 두-파트의 백금 가류 실리콘 고무와 함께 오버몰딩될 수 있다. 만드럴은 풀링 케이블을 위한 중앙 루멘 및 둘레 루멘을 형성하기 위해 채널을 형성하도록 몰딩된 후 풀 아웃된다. 이러한 방법으로, 관절은 노출된 금속부를 가지지 않는다. 고무는 오토클레이브에 견딜 수 있 어야 하고, 전형적으로 대략 30%스트레인인, 관절의 벤딩 동안의 신장을 견딜 수 있어야 한다.
특정 실시예에서, 튜브형 부재는 각각 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 루멘을 가진 복수의 축으로의 슬라이딩 부재를 포함한다(예컨대, 도 8). 튜브형 부재는 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 루멘을 제공하기 위해 인접한 스프링의 코일과 오버래핑하는 코일을 가진 복수의 축방향의 스프링에 의해 형성될 수 있다(예컨대, 도 10). 튜브형 부재는 일 스택의 웨이브 스프링에 의해 형성될 수 있다(예컨대, 도 12). 튜브형 부재 내의 루멘은 축방향의 스프링의 내부에 의해 형성될 수 있다(예컨대, 도 16). 튜브형 부재의 외부는 비틀림 강성을 제공하기 위해 편조될 수 있다(예컨대, 도 27).
A. 와이어 랩에 의해 지지된 와이어를 가진 관절
도 1은 원단부의 말단 장치(12)와 근단부의 툴 샤프트 또는 수술 도구용 메인 튜브(14) 사이에 연결된 관절(10)을 도시한다. 도시된 말단 장치(12)는 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 원단부의 클레비스(18)에 마운팅된 그립(16)을 포함한다. 원단부의 클레비스(18)는 플랫폼 또는 가이드(30) 및 툴 샤프트(14)의 내부를 통해 뻗어 있는, 하이포튜브(26)를 근접하게 연결하는 복수의 와이어 또는 케이블(24)의 원단부의 클림프(22)를 하우징하는 사이드 액세스 슬롯(20)을 포함한다. 가이드(30)는 하이포튜브(26) 및 와이어 어셈블리 방향이고, 기기의 툴 샤프트(14)에 부착된다. 가이드(30)는 또한 툴 샤프트(14)가 회전 이동되는 것과 같이 관절(10)의 회전 이동을 개시한다. 사이드 액세스 슬롯(20)은 통상적으로 클림프(22)가 눌러지게 한다. 물론, 레이저 용접과 같은, 와이어(24)를 원단부의 클레비스(18)에 부착하는 다른 방법이 다른 실시예에서 채용될 수 있다.
도 2 및 3은 4개의 와이어(24)를 도시하고 있으나, 다른 실시예에서 상이한 개수의 와이어가 사용될 수도 있다. 와이어(24)는 니티놀 또는 다른 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 와이어(24)는 관절(10)의 조인트를 만들고, 원단부의 클레비스(18)와 하이포튜브(26) 사이에 단단히 부착된다. 와이어 랩(34)은 코일 스프링과 유사하게 와이어(24) 둘레를 둘러싸고, 원단부의 클레비스(18)와 하이포튜브(26) 사이로 뻗어 있다. 수축 튜브(36)는 와이어 랩(34), 및 원단부의 클레비스(18) 및 가이드(30)의 일부를 커버한다. 와이어 랩(34) 및 수축 튜브(36)는 하이포튜브(26)가 관절(10)을 상하 및 좌우로 움직이게 하기 위해 밀거나 당겨질 때, 와이어(24)를 서로로부터 고정된 거리로 유지한다. 그들은 또한 그것이 툴 샤프트(14)와 함께 회전 이동하고, 외부 힘에 견딜 수 있게 하기 위해 관절(10)에 비틀림 강성 및 일반적인 강성을 제공한다. 와이어 랩 및 수축 튜브는 다른 실시예에서 상이한 방식으로 구성될 수 있다(한 바람직한 실시예는 도 27에 도시되어 있고, 아래 섹션 J에 서술되어 있다). 예를 들어, 그들은 내부 파트로서 와이어(24)를 가진 5개의 루멘 압출로 변환될 수 있다. 와이어 랩 또는 동등한 구조의 기능은 관절(10)이 회전, 상하, 및/또는 좌우 이동할 때 와이어(24)를 중심 라인으로부터 일정한 거리로 유지하는 것이다. 수축 튜브는 또한 전기적인 절연을 제공할 수 있다.
B. 액츄에이션 케이블에 의해 구부러지는 유연한 튜브를 갖춘 관절
도 4는 니티놀로 만들어질 수 있는 액츄에이션 케이블 또는 와이어(44)를 수용하기 위해 원 둘레에 분포된 홀 또는 루멘(43)을 가진 튜브를 포함하는 관절(40)을 도시한다. 튜브(42)는 케이블(44)을 당김으로써 상하 및 좌우로의 벤딩을 허용하기 위해 유연하다. 관절(40)은 (도 4B의 대안의 실시예에 도시된 바와 같은) 리지드 원단부 단말 디스크(41), 또는 유연한 튜브(42)에 케이블 힘을 균일하게 분산시키기 위해 유연한 튜브(42) 보다 실질적으로 더 단단한 다른 보강제를 포함하는 것이 바람직하다. 튜브(42) 중심의 빈공간은 그립핑 케이블과 같은 말단 장치 케이블을 위한 공간을 제공한다. 전형적으로 적어도 4개의 루멘이 존재한다. 내부 스프링(47)이 제공될 수 있다.
도 4는 6개의 케이블(44)을 수용하고, 튜브(42)의 원단부에서 U-턴(45)을 이루는 특정 실시예에 대한 12개의 루멘을 도시한다. 더 많은 개수의 케이블의 사용은 튜브(42)가 상하 및 좌우로의 동일한 벤딩을 달성하기 위해 동일한 케이블 장력에 대한 더 높은 강성을 가지게 한다. 예를 들어, 4개의 케이블 대신에 12개의 케이블을 사용하는 것은 튜브(42)가 동일한 케이블 장력에 대하여 3배 더 단단할 수 있음을 의미한다. 대안으로서, 튜브(42)의 강도가 동일하게 유지된다면, 4개의 케이블 대신에 12개의 케이블을 사용하는 것은 필요한 케이블 인장 강도를 3배 줄일 것이다. 재료 특성 및 케이블 스트레스 레벨이 U-턴(45)이 튜브(42)의 끝부에 직접적으로 지탱할 수 있게 하지만, 강화된 원단부의 단말 플레이트(41)가 튜브(42) 상에 더욱 매끈하게 케이블 힘을 분산하기 위해 포함될 수 있다. 케이블(44)의 원단부는 2002년 6월 27일에 출원된 미국특허 출원번호 제10/187,248호에 개시된 짐벌 플레이트(46)를 포함한 어셈블리와 같은, 액츄에이터 메카니즘에 연결될 수 있다. 이 메카니즘은 유연한 관절 밴딩 각도 및 방향을 컨트롤하는 것과 같은, 밴딩가능한 또는 스티어링 가능한 부재의 컨트롤을 위한 대등적 방식으로 선택된 복수의 케이블의 액츄에이션을 용이하게 한다. 특허번호 제10/187,248호의 액츄에이터 메카니즘의 예는 비교적 더 많은 개수의 리니어 액츄에이터를 요구하지 않고 유연한 부재의 대등적 스티어링을 제공하기 위해 비례 방식으로 다수의 주변 케이블을 액츄에이팅하도록 조절될 수 있다. 대안으로서, 개별적으로 컨트롤되는 리니어 액츄에이션 메카니즘이 도르레 상에 감긴 각각의 케이블 또는 케이블 쌍에 텐션을 주기 위해 사용될 수 있고, 회전 액츄에이터와 함께 이동되고, 스티어링은 리니어 액츄에이션를 조정함으로써 컨트롤된다.
튜브(42)는 전형적으로 상하 및 좌우로의 적합한 밴딩을 허용하기 위해 충분히 낮은 탄성 계수를 가진 플라스틱 재료 또는 엘라스토머로 이루어질 수 있고, 복수의 루멘, 예컨대 12개의 루멘을 포함하기 위해 멀티-루멘 압출에 의해 제조될 수 있다. 튜브가 S형 밴딩과 같은 원지 않는 변형을 막기 위해 높은 밴딩 강도를 가지는 것이 바람직하지만, 이것은 상하 및 좌우로의 원하는 밴딩을 위해 필요한 케이블 힘을 증가시킨다. 아래에 설명된 바와 같이, 튜브의 높은 밴딩 강도를 극복하기 위하여 충분히 높은 케이블 힘을 제공하기 위해 상하 및 좌우로 관절을 조절하기 위해 필수적인 것보다(즉, 3개 이상의 케이블) 더 많은 개수의 케이블을 사용할 수 있다.
도 4A 및 4B는 도 4에 도시된 것과 유사한 관절 실시예에서의 두 상이한 케 이블 배열 예를 개략적으로 도시한다. 일정한 전체 케이블 단면적에 대하여, 한쌍의 케이블을 포함하는 것, 그리고 비례하여 더 작은 케이블의 더 많은 개수를 포함하는 것은 그 케이블을 관절 중심선에 대하여 더 큰 측방향의 오프셋에서 단말처리되게 할 수 있다. 도 4A 및 4B는 각각의 도면의 우측은 관절 예 1을 도시하고, 각각의 도면의 좌측은 관절 예 2를 도시하도록 구분선에 의해 분리된, 관절 예의 각각의 평면도 및 엘리베이션 도를 도시한다. 각각의 예에서, 튜브(42)는 동일한 외경 R, 및 중심 루멘을 형성하는 내경 r을 가진다.
예 1에서, 관절(40.1)에서 케이블(44)의 개수는 4와 같고(n1=4), 각각의 케이블은 각각 원단부 앵커(44.5)에서 단말처리되고, 원단부의 단말 플레이트(41) 내 카운터싱크 구멍에 세팅되어 있고, 각각의 케이블은 원단 단말 플레이트(41) 및 유연한 튜브(42) 내의 각각의 후면 케이블 루멘(43)을 통해 뻗어 있다. 앵커(44.5)는 스웨지 비드 또는 다른 종래의 케이블 앵커일 수 있다.
예 2에서, 관절(40.2)에서 케이블(44`)의 개수는 16과 같고(n2=16), 케이블은 8개의 대칭적으로 떨어진 부분쌍(44`)으로 배열되고, 각각의 쌍은 인접한 케이블 루멘(43`) 사이 원단부 단말 플레이트(41')를 지탱하는 원단부의 "U-턴" 엔드 루프(45)에 의해 단말처리된다. 루멘(43`) 개구에서 원단부 단말 플레이트(41')의 에지는 스트레스 집중을 줄이기 위해 라운딩될 수 있고, 루프(45)는 부분적으로, 또는 전체적으로 원단부 단말 플레이트(41)로 카운터싱크될 수 있다. 16개의 케이블(44`)의 직경은 전체 케이블 단면적이 각 예에서 동일하도록, 4개의 케이블(44)의 직경의 ½이다.
예 1 및 2를 비교하면, 말단 루트(45)의 사용은 케이블 앵커(44.5)에 제공되는 원단의 부피를 제거하고, 케이블 루멘(43`)이 케이블 루멘(43) 보다 튜브(42)의 반경 R에 더 근접하는 것을 허용한다. 또한, 각각의 케이블(44`)의 더 작은 직경은 케이블 중심선을 케이블 루멘(43`)의 바깥 에지에 더 가깝게 가져간다. 이러한 특성은 모두 예 2에서의 케이블이 예 1의 대응 모멘트 암 L1보다 튜브(42)의 중심에 대하여 대략 더 큰 모멘트 암 L2으로 동작하는 것을 허용한다. 이러한 더 큰 모멘트 암 L2은 튜브(42) 상에 동일한 전체 밴딩 모멘트에 대하여 더 낮은 케이블 스트레스를 허용하거나(더 킨 케이블 수명 또는 더 넓은 범위의 선택적인 케이블 재료를 허용한다), 또는 대안으로서, 동일한 케이블 스트레스에 대하여 더 큰 밴딩 모멘트를 허용한다(더 큰 관절 포지셔닝 강성을 허용한다). 또한, 더 작은 직경의 케이블은 비교적 더 두꺼운 케이블보다 더 유연할 수 있다. 그러므로, 관절(40)의 바람직한 실시예는 3개 이상, 바람직하게는 적어도 6개(예컨대, 3쌍의 루프형 케이블), 및 더 바람직하게는 12개 이상의 케이블을 포함한다.
원단부 말단 플레이트(41)에 도시된 앵커 또는 말단 포인트는 예시임을 알아야하고, 케이블은 선택된 재료의 특성이 적용되는 스트레스에 적합하다면, 튜브(42)의 재료에 직접적으로 견딜 수 있도록 (앵커 또는 루프에 의해) 단말처리된다. 대안으로서, 케이블은 (도시되지 않은) 하나 이상의 원단부의 말단 장치 부재에 대한 커넥션에 의해 단말처리하도록 튜브(42) 및/또는 원단부의 단말 플레이트(41)를 지나 멀리 뻗을 수 있고, 케이블 장력은 관절 모션의 동작 범위 내에서 관절(40)에 단단히 연결된 말단 장치 부재를 유지하기 위해 충분히 바이어싱되어 있다.
튜브의 강성을 구조적으로 줄이기 위한 한 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 컷아웃을 제공하는 것이다. 튜브(50)는 양 측면에 상하 및 좌우로의 밴딩을 용이하게 하기 위해 두 직교방향으로 번갈아 복수의 컷아웃(52)을 포함한다. 복수의 루멘(54)은 액츄에이션 케이블을 수용하기 위해 원둘레에 분포되어 있다.
도 6에 도시된 다른 실시예에서, 튜브(60)는 튜브(60) 보다 더 단단한 재료로 형성된 내부 스프링(62)을 둘러 싼 외부 부트로 형성된다. 튜브(60)는 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 내부 슬롯(64)을 포함한다. 개별적으로 형성된 유연한 케이블을 제공하는 것은 조립을 간단하게 할 수 있다. 이러한 튜브는 케이블을 관통하는 홀을 가진 튜브보다 압출 또는 성형이 더 용이하다. 이러한 튜브는 또한 케이블이 중앙 루멘으로부터 설치될 수 있고 그 다음 케이블 내부에 삽입된 내부 스프링이 케이블의 공간 및 리텐션을 유지하기 때문에, 미리 형성된 말단 구조 또는 앵커를 가진 액츄에이션 케이블을 사용하는 것을 스스로 제공한다. 몇몇 경우에, 튜브(60)는 무균이지만 반드시 오토클레이브 가능하지는 않은 단일 사용 컴포넌트일 수 있다.
도 7은 도 5의 튜브(50) 내의 컷아웃(52)과 유사할 수 있는 컷아웃(72)을 가진 튜브(70)를 도시한다. 튜브(70)는 플라스틱 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 외부 커버(74)는 튜브(50) 둘레에 놓인다. 외부 커버(74)는 캡톤 커버 등일 수 있고, 전형적으로 컷아웃(72)에 알맞은 주름을 가진 높은 탄성계수(modulus)의 재료이다.
C. 축방향의 텅 및 그루브 슬라이딩 부재를 가진 관절
도 8 및 9는 튜브형 관절(80)을 형성하기 위해 축방향의 텅 및 그루브 연결(84)에 의해 서로 연결된 또는 인터로킹된, 복수의 유연하고 축방향의 슬라이딩 부재(82)를 가진 관절(80)을 도시한다. 축으로의 연결(84)은 관절(80)의 세로축 세그먼트를 형성한다. 축으로의 연결(84)은 슬라이딩 부재(82)가 관절의 세로 중심선에 대하여 각각의 부재의 측면의 위치를 유지하면서, 서로에 대하여 축방향으로 미끄러지는 것을 가능하게 한다. 각각의 슬라이딩 부재(82)는 관절(80)의 원단부와 인접하여 단말처리된 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 홀 또는 루멘(86)을 포함한다. 도 9는 슬라이딩 부재(82)의 슬라이딩 모션에 의해 용이해진 케이블(90)의 케이블 장력하에서 관절(80)의 밴딩을 도시한다. 케이블(90)은 툴 샤프트(92)를 통해 뻗어 있고, 액츄에이션을 위한 짐벌 플레이트(94)와 같은, 액츄에이션 메카니즘과 근접하여 연결된다. 슬라이딩 부재(82)는 관절(80)의 밴딩 동안 슬라이딩 부재(82)를 위한 곡률 반경의 상이함으로 인해 상이한 크기만큼 밴딩된다. 대안으로서, 축방향으로의 슬라이딩 부재를 가진 관절의 실시예는, 예컨대, 슬라이딩 부재가 케이블 둘레에 통합된 슬라이딩 엘리먼트로서 통합적으로 형성되거나, 액츄에이션 메카니즘이 슬라이딩 부재의 근단부에 연결되고, 이 슬라이딩 부재는 관절의 원단부에 직접 힘을 전달함으로써, 케이블 및 슬라이딩 부재를 통합할 수 있다.
도 13은 전형적으로 유연한 플라스틱 재료로 이루어진 복수의 축방향의 부재(132)를 가진 관절(130)을 도시한다. 축방향의 부재(132)는 케이블이 금속일 수 있고 절연될 수 있도록, 케이블(134) 상에 동시-압출될 수 있다. 축방향의 부재(132)는 튜브형 관절(130)을 형성하기 위해 축방향의 텅 및 그루브 커넥션(136)에 의해 서로 연결될 수 있다. 축방향의 부재(132)는 관절(130)의 상하 및 좌우의 밴딩 동안 서로에 대하여 미끄러질 수 있게 한다. 관절(130)은 도 8의 관절(80)과 유사하지만, 약간 상이한 구조를 가지고, 그 컴포넌트는 상이한 형상을 가진다.
D. 오버래핑 축방향의 스프링 부재를 가진 관절
도 10 및 11은 튜브형 관절(100)을 형성하기 위해 원둘레에 배열된 복수의 축방향의 스프링(102)에 의해 형성된 관절(100)을 도시한다. 스프링(102)은 동일한 방향으로, 또는 거의 동일한 방향으로, 또는 반대 방향으로 감겨진 코일 스프링이다. 케이블(104)은 도 11에 더욱 분명하게 도시된 바와 같이, 인접한 스프링(102)의 각 쌍의 오버랩 영역을 통해 뻗어 있다. 이러한 오버랩으로 인해, 관절(100)의 밀착높이는 관절이 케이블 장력에 의해 완전히 압축되었을 때, 각각의 스프링(102)의 밀착높이의 두 배일 수 있다. 스프링(102)은 전형적으로 케이블이 느슨해지지 않고, 관절 안정도를 증가시키도록 미리 로딩되어 압축된다.
한 대안으로서, 스프링은 관절이 중립 또는 구부러지지 않은 상태일 때, 케이블 프리-장력에 의해 완전히 압축된 밀착높이 상태로 바이어싱된다. 컨트롤된, 대등한 케이블 장력의 감소, 또는 관절의 한 측에서의 케이블 릴리즈는 관절(100)의 한 측 상의 스프링이 관절(100)의 외경을 형성하기 위해 뻗도록 한 측이 뻗게 한다. 관절은 외부 케이블 장력의 재적용하여 곧은 구성으로 복귀한다.
다른 대안으로서, 스프링은 관절이 중립 또는 구부러지지 않은 상태일 때, 케이블 프리-장력에 의해 부분적으로 압축된 상태로 바이어싱된다. 컨트롤된, 대등한 케이블 장력의 증가 또는 관절 한 측상에 케이블 당김은 관절(100)의 한 측 상의 스프링이 구부러진 관절(100)의 내측 반경을 형성하기 위해 짧아지도록 그 측을 끌어당기게 할 수 있다. 선택적으로, 이것은 상기 제1대안에서와 마찬가지로, 외측 반경에 장력의 릴리즈와 결합될 수 있다. 관절은 오리지널 케이블 장력을 복구하여 곧은 구성으로 복귀한다.
E. 웨이브 스프링 부재를 가진 관절
도 12는 튜브형 웨이브 스프링 관절(120)을 형성하기 위해 스택되거나 감겨진 복수의 웨이브 스프링 세그먼트 또는 컴포넌트(122)를 가진 웨이브 스프링 형태의 관절(120)을 도시한다. 일 실시예에서, 웨이브 스프링은 쿼시-헬리컬 형태로 플랫 와이어의 연속적인 조각으로부터 형성되고 감겨지고, 파형은 한 사이클의 높은 포인트가 다음의 낮은 포인트와 접촉하도록 각각의 사이클마다 변한다. 이러한 스프링은, 예컨대, 'Smalley Spring Company"로부터 상업적으로 사용가능하다. 홀은 액츄에이션 케이블을 수용하기 위해 웨이브 스프링 관절(120) 내에 형성된다. 대안으로서, 복수의 개별 디스크-형 웨이브 스프링 세그먼트는 액츄에이터 케이블 상에 비드-패션으로 꿰어질 수 있다(케이블에 의해 유지되거나, 서로 본딩된다).
도시된 바와 같은 웨이브 스프링 세그먼트(122)는 각각 90도 떨어진 두 개의 마주한 고점과 두 개의 마주한 저점을 가진다. 이러한 구성은 상하 및 좌우로의 밴딩을 용이하게 한다. 물론, 웨이브 스프링 세그먼트(122)는 관절(120)의 원둘레에 추가적인 고점 및 저점을 가진 더욱 밀집된 웨이브 패턴과 같은 다른 구성을 가 질 수도 있다.
F. 구형 접합면을 가진 디스크를 갖춘 관절
도 14는 관절(140)의 수 개의 세그먼트 또는 디스크(142)를 도시한다. 내부 스프링(144)은 디스크(142)의 내부 공간에 제공되고, 복수의 케이블 또는 와이어(145)가 관절(140)을 상하 및 좌우로 밴딩하기 위해 사용된다. 디스크(142)는 말단 장치에 대하여 케이블을 당기기 위한 루멘으로서 역할하는 내부 스프링(144)에 연결되거나 나사결합된다. 내부 스프링(144)은 당김 케이블을 통해 말단 장치에 가해진 힘이 관절(140)을 비틀지 않도록, 축방향의 강성을 제공한다. 대안의 실시예에서, 스택된 솔리드 스페이서가 이러한 기능을 달성하기 위해 스프링(144)을 대신하여 사용될 수 있다. 디스크(142)는 각각 인접한 디스크의 굴곡진 안쪽 접합면(148)과 접하는 굴곡진 바깥쪽 접합면(146)을 포함한다. 도 15는 디스크(142) 사이의 연관된 상대적 회전을 가진 관절(140)의 밴딩을 도시한다. 디스크(142)는, 예컨대, 플라스틱 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 구형 접합면(146, 148) 사이의 마찰은 관절(140)의 움직임을 방해할 만큼 충분히 강하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 잠재적 문제를 줄이기 위한 한 방법은 어느 정도의 압축 부하를 견디고, 관절(140)을 구부리기 위한 케이블(145)의 액츄에이션 동안 디스크(142) 상에 로딩되는 초과 압축을 막는 적합한 내부 스프링(144)을 선택하는 것이다. 내부 스프링(144)은 실리콘 고무 등으로 이루어질 수 있다. 추가적인 실리콘 부재(150)는 액츄에이션 케이블을 둘러쌀 수 있다. 대안의 실시예에서, 개별 디스크(142)는 하나의 연속적인 나선형 스트립으로 대체될 수 있다.
대안의 실시예에서, 관절(160) 내의 각각의 케이블은 도 16 및 17에 도시된 바와 같이 스프링 와인드(162) 내에 하우징될 수 있다. 내부 스프링(164)이 또한 제공된다. 디스크(170)는 (도 14 및 15의 디스크(142)와 마찬가지로) 케이블을 수용하기 위한 고리형 프랜지 및 홀 없이 만들어질 수 있다. 스프링 와인드(162) 내부의 솔리드 만드럴 와이어(172)는 디스크(170)의 원둘레를 따라 배치될 수 있다. 중앙 와이어 맨드럴(174)이 내부 스프링(164)을 와인딩하기 위해 중앙에 제공된다. 이러한 어셈블리는 실리콘 등으로 만들어지고, 그 다음, 맨드럴 와이어(172, 174)가 제거된다. 몇몇 형태의 커버 등은 실리콘이 디스크(170)의 구형 접합면에 들러붙는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 소형 만드럴 스프링(172)은 관절(160)이 밴딩할 때 수축하는 공간을 제공하기 위해 (밀착높이 대신) 작은 갭을 남겨두고 감겨질 것이다. 실리콘은 디스크(170) 및 스프링(172, 174)의 본딩된 어셈블리에 뒤틀림 강성을 제공하기 위해 디스크(170)에 충분히 잘 본딩되는 것이 바람직하다. 절연성 실리콘 재료는 관절(160)을 통합한 소작 툴에 대한 소작 절연으로서 역할할 수 있다.
G. 엘라스토머 부재에 의해 분리된 디스크를 가진 관절
도 18은 엘라스토머 부재(184)에 의해 분리된 복수의 디스크(182)를 가진 관절(180)을 도시한다. 엘라스토머 부재(184)는 고리형 부재일 수 있고, 또는 디스크(182) 원둘레에 분포된 복수의 블록을 포함할 수 있다. 도 14의 관절(140)과 유사하게, 내부 스프링(186)이 디스크(182)와 엘라스토머 부재(184) 사이의 내부 공간에 제공되고, 복수의 케이블 또는 와이어(188)가 관절(180)을 상하 및 좌우로 구 부리기 위해 사용된다. 디스크(182)는 말단 장치에 대한 케이블을 당기기 위한 루멘으로서 역할하는 엘라스토머 부재(184) 상에 연결되거나 나사결합된다. 내부 스프링(186)은 풀링 케이블을 통해 말단 장치에 가해진 힘이 관절(180)을 비틀지 않도록 축방향의 강성을 제공한다. 이러한 관절(180)의 구성은 관절(140) 보다 사람 척추와 더 유사하다. 엘라스토머 부재(184)는 관절(180)의 상하 및 좌우 밴딩을 허용하기 위해 탄성적으로 변형된다. 엘라스토머 부재(184)의 사용은 디스크(182) 사이의 접합면, 및 그와 연관된 마찰력에 대한 필요성을 제거한다.
H. 상하 및 좌우 밴딩을 위한 교대의 립 지지 디스크를 가진 관절
도 19는 관절(190)의 상하 및 좌우 밴딩을 용이하게 하기 위해 직교 방향으로 방향진 교대의 빔 또는 립(194, 196)에 의해 지지되는 복수의 디스크(192)를 포함한 관절(190)을 도시한다. 관절(190)은 인접한 디스크(192) 사이에 일반적으로 직교하는 립(194, 196)의 교대의 층을 남겨두도록 인접한 디스크(192) 사이의 컷아웃을 제거함으로써 튜브로부터 만들어질 수 있다. 디스크(192)는 액츄에이션 케이블이 관통하는 홀(198)을 가진다. 디스크(192) 및 립(194, 196)은 강철, 알루미늄, 니티놀, 또는 플라스틱과 같은, 다양한 재료로 이루어질 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같은 한 대안의 실시예의 관절(200)에서, 디스크(202)는 케이블을 수용하기 위한 홀 대신에 슬롯(204)을 포함한다. 이러한 튜브는 케이블 통과를 위한 홀을 가진 튜브보다 압출이 용이하다. 스프링(206)은 케이블을 지지하기 위해 디스크(202) 위에 감겨진다.
도 21에서, 관절(210)은 디스크(212) 사이에 공간보다 더 긴 립(214, 216)을 만들기 위해 디스크(212) 내로 립의 양측 상에 컷 또는 슬릿(217)을 가진 교대의 빔 또는 립(214, 216)에 의해 지지되는 디스크(212)를 포함한다. 이러한 구성은 동일한 길이에 대하여 도 19의 관절(190) 보다 더 작은 곡률 반경을 가진 밴딩을 용이하게 하거나, 또는 더 짧은 관절을 사용하여 동일한 곡률 반경을 달성할 수 있다. 인접한 디스크(212) 사이에 대략 15도의 밴딩 각이 이러한 실시예에서 전형적이다. 디스크(212)는 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 홀(218)을 포함한다.
I. 코일 스프링을 따라 분포된 얇은 디스크를 채용한 디스크
도 22는 코일 스프링(222)과 스프링(222)의 길이를 따라 분포된 복수의 얇은 디스크(224)를 포함하는 관절(220)의 일부분을 도시한다. 도 23 및 24에 도시된 바와 같이, 서로 수직인 텝(226)을 가진 방향의 (224A) 및(224B)를 포함하는, 도 22의 관절 부분에 단 두 개의 디스크가 도시되어 있다. 스프링(222)은 그 내부에 디스크(224)를 삽입하기 위해 제공된 갭을 제외하고 밀착높이로 코일한다. 스프링(222)은 디스크(224)의 탭(226)과 안쪽 에지 부근에서 디스크(224)에 연결된다. 디스크(224)는 에칭에 의해 형성될 수 있고, 액츄에이션 케이블을 수용하기 위한 홀(228)을 포함한다. 226(탭)은 관절(220)의 상하 및 좌우 밴딩 동안 스프링(222)이 임의의 포인트에서 벤딩가능하도록 하기 위한 지렛목으로서 역할한다. 디스크(224)는 몇몇 실시예에서 비교적 단단할 수 있지만, 다른 실시예에서 관절(220)의 밴딩 동안 구부러질 만큼 충분히 유연할 수 있고, 스프링 엘리먼트로 작동할 수 있다. 실리콘 외부 커버는 코일 스프링(222) 및 디스크(224) 둘레에 유전 절연체로서 제공될 수 있다. 또한, 스프링(222) 및 디스크(224) 어셈블리는 예컨대, 도 25 및 26의 외부 피스 또는 보호 피스(250)로부터, 형성된 외부 구조에 의해 보호될 수 있다. 각각의 보호 피스(250)는 외측 접합면(252) 및 내측 접합면(254)을 포함한다. 하나의 보호 피스(250)의 외측 접합면(252)은 인접한 보호 피스(250)의 내측 접합면(254)과 접한다. 보호 피스(250)는 스프링(222) 길이를 따라 스택되고, 그들이 관절(220)의 밴딩으로부터 회전할 때 접촉을 유지한다.
J. 외부 편조 와이어를 가진 관절
유연한 관절은 정밀도를 위해 적용되는 하중에 관하여 다양한 재료의 강성에 따른다. 즉, 더 단단한 재료를 사용할수록, 그리고/또는 관절의 길이가 짧을수록, 그리고/또는 관절의 직경이 클수록, 관절에 일정한 수술 힘이 가해졌을 때 더 작은 뒤틀림이 발생할 것이다. 풀링 케이블이 무시할 수 있는 컴플라이언스를 가진다면, 관절 끝의 각도는 정확하게 결정될 수 있지만, 케이블에 의해 저지되지 않는 힘 하에서 꾸불꾸불해지거나 뒤틀릴 수 있다. 관절이 곧은 상태이고 이러한 힘이 가해져 있다면, 관절은 S-형의 뒤틀림이 발생할 수 있다. 이것을 극복하는 한 방법은 관절에 대하여 충분한 강성의 적합한 재료를 사용하는 것과 적합한 모양을 가지는 것이다. 다른 방법은 풀링 케이블의 절반이 관절의 길이를 따라 중간 지점에서 단말처리하게 하고, 미국특허 출원번호 제10/187,248호에 서술된 바와 같이, 나머지 케이블을 반정도 당겨지게 하는 것이다. S-형 뒤틀림에 대한 더 큰 저항력은 모멘트를 견딜 수 있는 능력을 희생시킨다. S-형 뒤틀림을 피하기 위한 또 다른 방법은 관절의 외부에 편조된 커버를 제공하는 것이다.
도 27은 외부 와이어(274) 내에 둘러싸인 튜브(272)를 가진 관절(270)을 도시한다. 와이어(274)는 튜브(272)의 끝부 사이에 대략 360도 회전을 커버하도록 각각 감겨진다. 관절(270)의 뒤틀림 강성을 증가시키고, 관절(270)의 S-자형 뒤틀림을 피하기 위해, 외부 와이어(274)는 튜브(272) 위에 편조 커버링을 형성하도록 감겨진다. 편조 커버링을 형성하기 위해, 우측 셋 및 좌측 셋을 포함한 두 세트의 와이어가 서로 편조된다. 위빙(weaving) 또는 플레이팅(plaiting)은 시계방향 및 반시계방향의 와이어가 서로에 대하여 방사방향으로 이동하는 것을 방지한다. 예컨대, 꼬임 시에 한 세트의 와이어는 직경이 증가하고, 다른 세트는 수축하기 때문에 뒤틀림 강성이 생성된다. 편조는 한 세트가 서로 달라지는 것을 방지하고, 뒤틀림 변형이 저지된다. 외부 와이어(274)의 레이 길이를 관절(270)의 길이와 동일하게 하여, 외부 와이어(274)가 축방향으로 슬라이드할 필요가 있더라도, 편조의 각각의 개별 와이어가 관절(270)의 원형 아크로 구부러질 때, 길이를 증가하지 않는 것이 바람직하다. 편조는 그것이 외부 와이어(274)가 길이방향으로 증가하게 요구하기 때문에, 관절(270)의 S-자형 뒤틀림을 방지할 것이다. 또한, 이러한 편조는 아머로서 역할하여 관절이 찔리거나(gouge), 절단되는(cut)을 방지할 수 있다. 편조된 커버가 비도전성이라면, 가장 바깥층이 될 수 있고 관절(270)의 아머로 역할할 수 있다. 증가된 뒤틀림 강성과, 관절의 S-형 굴절을 피하는 것은 먼저 우측 와인드를 가지고, 좌측 와인더에 의해 덮혀 있고, 그 다음 다른 우측 와인드로 덮혀 있는 레이어드 스프링에 의해 달성될 수 있다.
K. 관절 커버
상기 내용은 관절을 위한 몇몇 보호 커버를 개시한다. 도 28 및 29는 관절 커버의 추가적인 예를 도시한다. 도 28에서, 관절 커버(280)는 플라스틱 또는 세라믹과 같은, 평평한 나선형의 비도전성 재료에 의해 형성된다. 관절이 굽혀질 때, 나선형 커버(280)의 상이한 코일은 서로 미끄러진다. 도 29는 나선의 인접한 층 사이에 오버랩을 보장하기 위해 구부러진 또는 물결모양의 에지(292)를 포함한 관절 커버(290)를 도시한다. 관절에 뒤틀림 강성을 제공하기 위해, 관절 커 버(300)는 관절의 축과 평행한 방향의 릿지 또는 그루브(302)를 포함할 수 있다. 릿지(302)는 하나의 나선형 층으로부터 다음 나선형 층까지의 스플레인으로서 역할하고, 그 관절에 대한 뒤틀림 안정기를 구성한다. 스텐트 형으로 구성된 니티놀 레이저 커버의 설명을 추가한다.
그러므로, 도 1-30은 유연한 관절을 가진 수술용 기기의 상이한 실시예들을 도시한다. 특정의 예시적인 실시예에 관하여 서술되어 있으나, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하고자 한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 제한해서는 안된다. 그 보다는, 본 발명의 원리는 다양한 특정 시스템 및 실시예에 적용될 수 있다.
도 31-34는 심장 조직 절제(CTA)에서 절제 카테터 또는 다른 디바이스의 시각적 검증을 제공하고, 안전한 배치를 용이하게 하기 위한 유연한 관절을 가진 수술용 기기(예컨대, 내시경 등)의 상이한 실시예들을 도시한다. 도 31-34에 도시된 본 발명의 몇몇 부분은 도 1-30의 대응부와 유사하고, 유사한 엘리먼트는 참조 번호에 의해 식별된다. 이러한 유사성이 존재할 때, 도 1-30과 유사하고, 유사한 방식으로 기능하는 도 31-34의 발명의 구조/엘리먼트는 다시 상세하게 서술되지 않을 것이다. 본 발명이 CTA 처리에 대한 어플리케이션으로 제한되지 않고, 다른 수술 어플리케이션도 작 적용됨이 이해될 것이다. 또한, 본 발명은 미소절개 로봇 수술 분야에서 그것의 최상의 어플리케이션을 찾았으나, 본 발명은 또한 수술용 로봇의 도움없이 임의의 미소절개 수술에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
L. 관절형 /스티어링 가능한 내시경
본 발명에 따른 로봇 미소절개 수술에 사용되는 내시경(310)의 한 실시예를 도시하는 도 11에 대하여 지금부터 서술한다. 내시경(310)은 길쭉한 샤프트(14`)를 포함한다. 유연한 관절(10`)은 사프트(14`)의 수술 끝부에 위치한다. 하우징(53`)은 수술용 기기(310)가 샤프트(14`)의 반대 끝부에 위치된 (도시되지 않은) 로봇 팔에 탈착가능하게 연결될 수 있게 한다. 내시경 카메라 렌즈는 유연한 관절(10`)의 원단부에 구현된다. (도시되지 않은) 루멘은 유연한 관절(10`)의 원단부를 하우징(53`)과 연결하는 샤프트(14`)의 길이를 따라 러닝한다. "섬유 스코프" 실시예에서, 전하결합소자(CCDs)와 같은, 내시경(310)의 이미징 센서는 하우징의 내부에 설치될 수 있고, 연결된 광섬유는 사프트(14`)의 길이를 따라 루멘의 내부에서 러닝하고, 실질적으로 유연한 관절(10`)의 원단부에서 끝난다. 그 다음, CCD는 하우징(53`)에 위치한 커넥터(314)를 통해 카메라 컨트롤 유닛에 연결된다. 교대의 "칩-온-어-스틱" 실시예에서, 내시경(310)의 이미징 센서는 유연한 관절(10`)의 원단부에 설치될 수 있고, 카메라 컨트롤 유닛에 하드와이어, 또는 무선 전자 커넥터가 하우징(53`) 끝부의 커넥터(314)에 연결된다. 이미징 센서는 2차원 또는 3차원일 수 있다.
내시경(310)은 유연한 관절(10`)의 원단부의 팁에 내시경 렌즈(314)를 커버하고 보호하는 캡(312)을 가진다. 반구형, 원추형 등일 수 있는 캡(312)은 그 기기가 수술 부위 내부/근처에 조종하는 동안 조직으로부터 멀리 떨어지게 한다. 선명한 뷰잉과 이미지 캡쳐링을 허용하는 임의의 조건하에서, 캡(312)은 반투명일 수도 있다. 대안의 실시예에서, 캡(312)은 내시경(310)의 개선된/향상된 뷰잉 능력을 위해 (예컨대, 그것의 정상 크기의 3배로) 부풀기가 가능할 수 있다. 부풀기 가능한 캡(312)은 혈관 형성술 벌룬을 형성하는 유연하고 선명한 폴리에틸렌 또는 유사한 재료로 이루어질 수 있다. 그렇게 함으로써, 캡(312)의 크기, 및 결과적으로 내시경(310)이 삽입되는 미소절개 수술 포트의 크기를 줄일 수 있다. 수술 부위로 내시경(310)을 삽입한 후, 캡(312)은 개선된/향상된 뷰잉을 제공하기 위해 부풀어진다. 따라서, 캡(312)은 필요에 따라 캡(312)을 부풀리기 위한 적당한 압력을 제공하기 위해 유체 소스(예컨대, 식염수, 공기, 또는 다른 가스 소스)에 연결될 수 있다.
유연한 관절(10`)은 내시경(310)이 원하는 목적지(예컨대, 심장외 또는 심근 조직)에 도달하도록, 내부 신체 조직 주변에서 분절되고 쉽게 조종가능하도록 적어도 1 자유도를 가진다. 유연한 관절(10`)은 상기 도 1-30에 관하여 서술된 임의의 실시예일 수 있다. 하우징(53`)은 또한 (내시경을 하우징하는) 유연한 관절(10`)의 원단부를 분절하기 위한 구동 메카니즘을 하우징한다. 구동 메카니즘은 케이블-구동, 기어-구동, 벨트 구동, 또는 타른 타입의 메카니즘일 수 있다. 예시적인 구동 메카니즘 및 하우징(53`)은 미국특허 제6,394,998호에 서술되어 있다. 예시적인 구동 메카니즘은 유연한 관절(10`)에 대하여 2도의 자유도를 제공하고, 샤프트(14`)가 그 사프트 길이를 따른 축 둘레를 회전할 수 있게 한다. CTA 과정에서, 관절형 내시경(310)은 보기 힘들고, 닿기 힘든 위치의 시각 이미지를 획득하기 위해, 내부 장기, 조직 등 주변에서 조정하고 꺾인다. 획득된 이미지는 절개 카테터를 원하는 심장 조직 상에 놓는 것을 돕기 위해 사용된다. 관절형 내시경은 하나의 스코프만 사용될 수 있고, 또는 메인 내시경으로부터 획득된 메인 이미지에 관 한 수술 부위의 교대의 화면을 제공하기 위한 제2 및 제3내시경이 사용될 수 있다.
M. 절개 카테터/ 디바이스가 탈착가능하게 부착되어 있는 관절형 내시경
상기 관절형 내시경의 확장으로서, 카테터는 원하는 심장 조직 상에 절개 카테터를 놓는 것을 더 돕기 위해 관절형 내시경에 탈착가능하게 부착될 수 있다. 도 32는 일련의 탈착가능한 클립(320)에 의해 내시경(310)에 탈착가능하게 연결된 카테터(321)를 도시한다. 다른 타입의 탈착가능한 커플링(기계적 또는 그 외의)이 또한 사용될 수 있고, 본 발명의 범위 내에 속한다. 도 32에 도시된 바와 같이, 절개 디바이스/카테터(321)가 CTA 과정에서 원하는 수술 목적지에 도달하기 위해 구조(예컨대, 폐혈관 등) 주변에서, 그것이 구동되고, 조종되고, 그리고 꺾일 때, 내시경(310)을 뒤따르도록, 클립(320)은 절개 디바이스/카테터(321)가 내시경(310)에 탈착가능하게 부착되게 한다. 관절형 내시경(310) 및 부착된 절개 디바이스/카테터(321)가 목적지에 도달한 때, 예컨대, 로봇 팔에 연결된 다른 기기에 의해, 카테터(321)는 그 위치에 유지되고, 내시경(310)은 절개 디바이스/카테터(321)로부터 탈착되고, 제거된다. 그렇게 함으로써, 조종 동안 보기 힘들고, 그리고/또는 닿기 힘든 위치의 내시경(310)에 의해 얻은 이미지는 가이드 목적으로 사용될 수 있다. 또한, 내시경의 관절은 도달하기 힘든 심장 조직 상에 절개 디바이스/카테터(321)의 설치를 용이하게 한다.
대안의 실시예에서, 디바이스/카테터를 대신하여, 카테터 가이드(331)가 내시경(310)에 탈착가능하게 부착될 수 있다. 도 33에 도시된 바와 같이, 카테터 가이드(331)는 상술된 바와 같은 최종 목적지까지 관절형 내시경(310)에 의해 유사하 게 가이드된다. 관절형 내시경(310) 및 부착된 카테터 가이드(331)가 목적지에 도달한 때, 카테터 가이드(331)는, 예컨대, 로봇 팔에 연결된 다른 기기에 의해, 그 위치에 유지되고, 내시경(310)은 카테터 가이드(331)로부터 탈착되고, 제거된다. 절개 카테터/디바이스는 그것의 근단부에서, 카테터 가이드(331)를 사용하여 그 위치로 삽입될 수 있다. 한 실시예에서, 카테터 가이드(331)는 카테터가 그 위치로 삽입가능하도록 클립(320)과 같은 탈착가능한 커플링을 사용한다. 다른 실시예에서, 카테터 가이드(331)는 카테터 가이드(331)가 타겟에 도달하기 위해 슬립하고 가이딩되는 내시경(310) 내에 빌트인된 루멘을 사용한다.
N. 내시경을 가이드하기 위한 루멘을 가진 관절형 기기
또 다른 실시예에서, 관절형 내시경을 가지는 대신에, 말단 장치가 그 기기에 원하는 관절을 제공하기 위해 유연한 관절에 부착된다. 이러한 관절형 기기는 상기 도 1-2에 관하여 예를 들어 서술되어 있다. 그러나, 관절형 기기는 그 안으로 외부 내시경이 유연한 관절의 팁을 향해 삽입되고 가이드될 수 있는 기기의 샤프트를 따라 러닝하는 루멘(예컨대, 캐비티, 작업 채널)을 더 포함한다. 이러한 실시예는 상술된 바와 같은, 탈착가능하게 부착된 절개 카테터/디바이스, 또는 탈착가능하게 부착된 카테터 가이드를 가진 관절형 내시경과 실질적으로 동일한 기능을 달성한다. 차이점은 절개 카테터/디바이스가 빌트인 루멘으로의 삽입을 통해 절개 디바이스에 탈착가능하게 부착되어 있는 내시경을 구동하고 조종하는데 사용된다는 점이다. 빌트인 루멘과 함께, 탈착가능한 커플링(예컨대, 클립)은 제거된다.
지금부터, 본 발명에 따른 비디오 커넥션의 일 실시예를 도시하는 비디오 블록 다이어그램을 도시하는 도 34를 설명한다. 도 34에 도시된 바와 같이, 카메라 컨트롤 유닛(342)은 줌-인, 줌-아웃, 레졸루션 모드, 이미지 캡쳐링 등과 같은, 관절형 내시경(310)의 오퍼레이션을 컨트롤한다. 관절형 내시경(310)에 의해 캡쳐된 이미지는 메인 디스플레이 모니터(343) 및/또는 보조 디스플레이 모니터(344)에 공급되지 전에 프로세싱을 위해 카메라 컨트롤 유닛(342)에 제공된다. 메인 내시경 등과 같은, 시스템 내의 다른 사용가능한 내시경(345)은 그들 자신의 카메라 컨트롤 유닛(346)에 의해 유사하게 컨트롤된다. 획득된 이미지는 메인 디스플레이 모니터(343) 및/또는 보조 디스플레이 모니터(344)에 유사하게 공급된다. 전형적으로 메인 모니터(343)는 3차원인 메인 내시경으로부터 획득된 이미지를 디스플렝한다. 관절형 내시경(310)(또는 관절형 기기의 루멘 내에 삽입된 내시경)으로부터 획득된 이미지는 보조 디스플레이 모니터(344)에 디스플레이될 수 있다. 대안으로서, 관절형 내시경(310)(또는 관절형 기기의 루멘 내에 삽입된 내시경)으로부터 획득된 이미지는 메인 디스플레이 모니터(343) 상에 보조 정보로서 디스플레이될 수 있다(미국특허 제6,522,906호의 실시예 참조).
상술된 관절형 기기/내시경은 관절형 기기/내시경을 청결하고, 무균상태로 유지하기 위해 콘돔형의 옵션의 살균 시쓰에 의해 커버될 수 있고, 그로 인해, 수술 과정에서 무균의 다음 사용을 위해 이러한 기기/내시경을 살균할 필요성을 제거한다. 이러한 살균 시쓰는 내시경이 선명하게 이미지를 보고 캡쳐하게 할 수 있도록 반투명일 필요성이 있다. 따라서, 살균 시쓰는 라텍스와 같은 재료(예컨대, Kraton®, 폴리우레탄 등)로 이루어질 수 있다. 한 실시예에서, 살균 시쓰 및 캡(312)은 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 하나의 피스로 함께 결합될 수 있다. 그 다음, 캡(312)은 기계적 또는 다른 타입의 파스너에 의해 고정될 수 있다.
그러므로, 도 31-34는 안전한 설치를 용이하게 하고 심장 조직 절제술(CTA)에서 절제 카테터 또는 다른 디바이스의 시각적 검증을 제공하기 위한 유연한 관절을 가진 수술 기기(예컨대, 내시경 등)의 다른 실시예를 도시한다. 특정한 예시적인 실시예에 관하여 서술하였으나, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한해서는 안된다. 그 보다는, 본 발명의 원리는 다양한 특정 시스템 및 실시예에 적용될 수 있다.
도 35-37은 본 발명에 따른 관절형/스티어링가능한 교환가능한 내시경을 도시한다. 도 35037에 도시된 본 발명의 일부분은 도 1-34, 및 다른 도면의 대응부와 유사하고, 유사한 엘리먼트는 더블-프레임 참조 번호에 의해 지시된다. 이러한 유사성이 존재할 때, 도 1-34와 유사하고 유사한 방식으로 기능하는 도 35-37의 본 발명의 구조/엘리먼트는 다시 설명하지 않는다.
O. 관절형 /스티어링가능한, 그리고 교환가능한 내시경
지금부터, 본 발명에 따른 로봇 미소절개 수술에 사용되는 관절형 및 교환가능한 내시경(310``)의 일 실시예를 도시하는 도 35에 대하여 서술한다. 내시경(310``)은 길쭉한 샤프트(14``)를 포함한다. 유연한 관절(10``)은 샤프트(14``)의 수술 끝부에 위치한다. 하우징(53``)은 수술 기기(310)가 샤프트(14``)의 반대 끝부에 위치한, 미국특허 제6,331,181호, 및 제6,394,998호에 서술된 바와 같은, (도시되지 않은) 로봇 팔에 탈착가능하게 연결될 수 있게 한다. 더 무겁고 큰 내시경 카메라를 홀딩하도록 설계된, 미국특허 제6,451,027호에 서술된 로봇 팔과 달리, 미국특허 제6,331,181호, 및 제6,394,998호에 서술된 로봇 팔은 더 가벼운 수술 기기를 위해 설계되었다. 상호호환성/스와핑가능성을 달성하기 위해, 미국특허 제6,331,181호, 및 제6,394,998호에 서술된 것과 유사한 로봇 팔 설계는 수술용 로봇의 모든 팔에 사용되어야 한다. 즉, 수술용 내시경을 주로 운반하기 위해 설계된 로봇 팔을 사용하는 대신에, 더 작은 하중을 위해 설계된 보통의/표준 로봇 팔이 수술용 내시경을 포함한 모든 타입의 수술용 기기를 운반하기 위해 사용된다. 이렇게 함으로써, 수술용 내시경은 수술용 로봇의 임의의 복수의 수술용 로봇 팔에 설치될 수 있고, 그로 인해 수술용 내시경이 수술 동안 필요한 다른 수술용 팔 사이에서 교환되는 것이 가능하다. 결국, 외과의는 지금 종래의 복강경 수술에서 전형적으로 발생했던 바와 같이, 포트 간에 내시경을 교환할 수 있다. 이러한 교환은 하나의 팔로부터 내시경을 탈착하고 내시경이 환자 신체의 다른 수술 포트로 삽입되게 하는 다른 팔에 내시경을 부착하고 고정함으로써, 쉽게 수행될 수 있다. 또한, 로봇 수술 시스템의 기계적 및 구성적 설계는 그것이 더 이상 다른 타입의 기기 팔을 수용할 필요가 없기 때문에 간단해질 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 내시경은 더 작고 가볍게 만들어질 필요가 있다. 본 발명에 따라, 내시경 카메라 렌즈는 유연한 관절(10``)의 원단부에 구현된다. (도시되지 않은) 루멘은 하우징(53``)을 가진 유연한 관절(10``)의 원단부를 연결하는 사프트(14``)의 길이를 따라 러닝한다. 바람직한 "칩-온-어-스틱" 실시 예에서, 내시경(310``)의 이미징 센서는 하우징(53``)의 끝부에 커넥터(314``)에 연결된 카메라 컨트롤 유닛에 하드와이어 또는 무선 전기 커넥션과 함께, 유연한 관절(10``)의 원단부에 설치될 수 있다. 이미징 센서는 2차원(2D) 또는 3차원(3D)일 수 있다. 몇몇 정교한 신호 프로세싱 기술이 2D 이미징 센서로부터 3D 이미지를 유도하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 예시적인 상업적으로 사용가능한 칩-온-어-스틱 내시경 솔루션은 'Melville, New York'의 'Olympus America, Inc.', 및 'Petach Tiqua, Israel'의 'Visionsense' 등을 포함한다. 이러한 칩-온-어-스틱 실시예는 내시경의 크기를 이전 크기의 몇 분의 1로 줄일 수 있고, 그 무게를 10배 줄일 수 있다. 따라서, 내시경의 크기 및 무게는 내시경의 설치/해체, 및 조종에 더 이상 어려움이 존재하지 않는다. 대안의 "섬유 스코프" 실시예에서, 전하결합소자(CCDs)와 같은, 내시경(310'')의 이미징 센서는 샤프트(14``)의 길이를 따라 루멘 안쪽에서 러닝하고, 유연한 관절(10``)의 실질적인 원단부에서 끝나는 광섬유와 연결된 하우징(53``) 내에 설치될 수 있다.
내시경(310``)은 유연한 관절(10``)의 원단부의 팁에서 내시경 렌즈(314``)를 커버하고 보호하기 위한 캡(312``)을 가질 수 있다. 반구형, 원뿔형일 수 있는 캡(312``)은 수술 부위 안쪽/부근에서 조종하는 동안 그 기기가 조직으로부터 멀리 떨어지게 할 수 있다. 유리, 투명 플라스틱 등으로 만들어질 수 있는 캡(312``)은 내시경(310``)이 이미지를 선명하게 보고 캡쳐할 수 있도록 투명하다. 선명한 뷰잉과 이미징 캡쳐링을 가능하게 하는 임의의 조건하에서, 캡(312``)은 반투명일 수 있다. 대안의 실시예에서, 캡(312``)은 내시경(310``)의 향상된/개선된 뷰잉 능력을 위해 (예컨대, 그것의 정상 크기의 3배까지) 부풀기가 가능할 수 있다. 부풀기 가능한 캡(312``)은 혈관 형성술 벌룬을 형성하는 유연하고 선명한 폴리에틸렌 또는 유사한 재료로 이루어질 수 있다. 그렇게 함으로써, 캡(312``)의 크기, 및 결과적으로 내시경(310)이 삽입되는 미소절개 수술 포트의 크기를 줄일 수 있다. 수술 부위로 내시경(310``)을 삽입한 후, 캡(312``)은 개선된/향상된 뷰잉을 제공하기 위해 부풀어진다. 따라서, 캡(312``)은 필요에 따라 캡(312``)을 부풀리기 위한 적당한 압력을 제공하기 위해 유체 소스(예컨대, 식염수, 공기, 또는 다른 가스 소스)에 연결될 수 있다.
유연한 관절(10``)은 내시경(310)이 원하는 목적지(예컨대, 심장외 또는 심근 조직)에 도달하도록, 내부 신체 조직 주변에서 분절되고 쉽게 조종가능하도록 적어도 1 자유도를 가진다. 유연한 관절(10``)은 상기의 도 1-30에 관하여 서술된, 또는 미국 특허 제6.817,974호에 서술된 임의의 실시예, 복수의 관절을 가진 다른 실시예일 수 있다. 하우징(53``)은 또한 (내시경을 하우징하는) 유연한 관절(10`)의 원단부를 분절하기 위한 구동 메카니즘을 하우징한다. 구동 메카니즘은 케이블-구동, 기어-구동, 벨트 구동, 또는 타른 타입의 메카니즘일 수 있다. 예시적인 구동 메카니즘 및 하우징(53``)은 미국특허 제6,394,998호에 서술되어 있다. 예시적인 구동 메카니즘은 (상하 및 좌우의) 유연한 관절(10``)에 대하여 2 자유도를 제공하고, 샤프트(14``)가 그 사프트 길이를 따른 축 둘레를 회전(롤)할 수 있게 한다. 각각 가상의 수평축 및 수직축에 대하여 내시경 렌즈의 팁 부근에서의 관절(10``)의 벤딩인 상하 및 좌우 자유도는 삽입/추출 모션(예컨대, x, y, 및 z 데카르트 모션), 및 기기 샤프트 회전(예컨대, 롤 모션)이다. 이와 같이, 내시경(310``)은 외과의에게 내시경의 추가 자유도를 컨트롤하는 직관적인 방법을 제공하는 방법 질문하는 다른 로봇 수술 기기(예컨대, 그래스퍼 등)와 동일한 자유도로 제공된다.
P. 슬레이브 기기의 카메라-기준 컨트롤 패러다임
외과의에게 복잡한 수술용 로봇을 컨트롤하는 직관적인 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 외과의가 정교하고 복잡한 수술 과정에 집중할수록, 그는 로봇 조종 및 외과의에 의해 다이렉팅되는 작업을 수행하는 직관적인 방법으로 인해, 수술 로봇이 어떻게 그것의 듀티를 수행하는지 인식할 필요가 없고, 수술을 수행하기 위해 로봇을 사용하고 있다는 것을 아마도 때때로 잊을 것이다.
직관성 대 반직관성의 간단한 예시적인 도면으로서, 내시경이 곧게 포인팅된 레벨 게이즈(gaze)를 가질 때, 월드-기준(알다시피, 이미지-기준) 컨트롤과 카메라 기준(예컨대, 내시경의 원단부 팁에 부착된 프레임) 컨트롤 사이에 차이점이 없음을 도시하는 도 36을 참조하라. 그러나, 카메라가, 예컨대, 90도 시계방향으로 회전할 때, 카메라 기준 프레임 내에 슬레이브 기기 이동을 베이싱하는 것은, 기기가 월드-기준으로 베이싱되었다면, 외과의의 좌우 모션이 수술 기기의 상하 모션을 일으키는 것으로 나타나기 때문에, 외과의에게 직관적인 기기 모션을 유지하는데 큰 차이점을 만들다. 따라서, 미국특허 제6,364,888호(지금부터 '888특허라 함), 및 미국특허 제6,424,885호(지금부터 '885 특허라 함)는 이러한 직관성을 제공하기 위해 내시경 카메라 기준 프레임 내의 모든 슬레이브 기기 모션 및 방향을 컨트롤하 는 것을 서술한다. 그러나, '888 특허 및 '885 특허에 서술된 내시경은 본 발명의 내시경처럼 상하 좌우의 자유도를 가지지 못한다. 그러므로, 이러한 자유도와 연관된 문제점 및 필연적 패러다임은 기대할 수 없다.
제1패러다임이 아래에 서술된다. 본 발명에 따른 내시경이 상하 또는 좌우 모션 중일 때, 이미지가 카메라-기준 프레임으로부터 뷰잉된다면, 그 화면은 외과의에게 비직관적일 수 있다. 이것은 내시경이 위로 움직인다면, 카메라-기준 프레임으로부터의 화면은 외과의가 직관적으로 예상한 룩-업 화면이 아니라 룩-다운으로 나타나기 때문이다. 내시경이 아래로 움직이면, 카메라-기준 프레임으로부터의 화면은 외과의가 직관적으로 예상한 룩-다운 화면이 아니라 룩-업으로 나타난다. 이와 유사하게, 내시경이 왼쪽으로 움직이면, 카메라로부터의 화면은 외과의가 직관적으로 예상한 룩-레프트 화면이 아니라 룩-라이트로 나타난다. 내시경이 오른쪽으로 움직이면, 카메라로부터의 화면은 외과의가 직관적으로 예상한 룩-라이트 화면이 아니라 룩-레프트로 나타난다. 이러한 반직관성은 기대하지 않은 것이고, 본 발명에서 원하는 직관성을 유지하기 위해 내시경의 상하 및 좌우 모션에 대한 카메라-기준 프레임에서 월드/이미지-기준으로 슬레이브 수술 기기에 대한 기준 프레임의 변화를 요구한다. 슬레이브 수술 기기에 대한 기준 프레임은 본 발명에서 모든 다른 내시경의 자유도(예컨대, x, y, 및 z 데카르트 삽입/추출 모션, 및 기기 샤프트 회전 모션)에 대하여 카메라-기준 프레임을 유지한다. 즉, 추가적인 자유도를 위한 기준 프레임은 수술용 로봇 내시경과 연관된 전통적인 자유도에 대한 것으로부터 연결해제된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따라, 몇몇 어플리케이션 에 대하여, 관절형/스티어링가능하고 교환가능한 내시경의 각각의 임의의 6 자유도를 컨트롤하기 위해 카메라-기준 프레임, 및 월드-기준 프레임 사이의 선택을 제공하는 것이 유리할 수 있음이 이해되어야 한다. 즉, 관절형/스티어링가능하고 교환가능한 내시경의 임의의 또는 모든 6 자유도는 카메라 기준 프레임 또는 월드 기준 프레임으로 컨트롤될 수 있다.
'da Vinci®'와 같은 마스터-슬레이브 수술용 로봇 시스템에서, 임의의 6 자유도가 카메라-기준 프레임으로 컨트롤된다면, 그 기준 프레임은 위치 및/또는 방향에 관하여 카메라 이동에 따라 변한다. 즉, 슬레이브(예컨대, 내시경 카메라)에 대한 마스터(즉, 외과의의 눈) 관계는 이러한 변화가 보상되지 않는다면, 그의 입력에 대하여 외과의의 인식의 직관성에 반대로 영향을 주는 카메라의 이동으로 인해 변한다. 보상은 컨트롤 변환을 통해 마스터 입력 디바이스를 리포지셔닝함으로써 수행된다. 더욱 상세하게, 마스터/눈 변환은 변하는 슬레이브/카메라 변환을 매칭하도록 조절된다. 바람직하게는, 이러한 마스터 배열 보상은 연관된 레그 타임이 최소화되기 때문에, 카메라 컨트롤에 따라(즉 순차적으로) 더 큰 보상을 하는 것이 아니라, 카메라 컨트롤 동안(즉, 실시간으로 또는 거의 실시간으로) 연속적으로 그리고 (증분 변환을 통해) 점진적으로 수행된다. 이러한 마스터 배열 보상이 유연하지 않고, 스티어링 가능하지 않은 내시경 시스템에서, 또는 6 자유도가 모두, 기준 프레임이 일정하기 때문에, 월드-기준 프레임으로 컨트롤 되는 경우에 필요하지 않음이 이해될 것이다.
미국특허 제6,714,839호에 서술된 바와 같은 마스터 입력 디바이스는 적어도 6 자유도를 가지고 조종될 수 있다. 개별 마스터 입력 디바이스가 도 38에 도시된 바와 같이, 사용자의 왼손과 오른손에 사용된다면, 전체적으로 적어도 12 자유도가 내시경 카메라의 위치 및 방향은 물론, 초점, 조리개 등과 같은 기능을 컨트롤 하기 위해 가상적으로 결합한 두 개의 마스터 입력 디바이스로부터 사용가능하다. 도 38은 자전거 핸들 바와 유사한 방식으로 동작하도록 가상결합된 두 마스터 입력 디바이스를 도시한다. 카메라는 X, Y, 및 Z 축을 따라 이동하고, 그 축에 대하여 회전할 수 있으므로, 가상 결합된 마스터 입력 디바이스로부터의 6 자유도는 속도, 또는 위치 컨트롤을 사용하여 6 위치 및 방향을 커맨드할 것이 요구된다. 또한, 가상 결합된 마스터 입력 디바이스로부터의 3 자유도는 결합된 마스터 입력 디바이스의 기하학적 제약을 구현/해결하기 위해 요구된다. 따라서, 적어도 3개의 여분의 자유도가 다른 카메라 기능(예컨대, 초점, 조리개 등)을 커맨드학 위해 사용가능하게 남아 있다. 바람직한 실시예에서, 이러한 다른 카메라 기능을 커맨드하기 위해 사용하는 3 자유도는 핸들 바(즉, 두 마스터 입력 디바이스)를 꼬는 것, 핸들 바를 구부리는 것, 각각의 마스터 입력 디바이스를 반대 방향으로 회전하는 것이다.
임의의 수학적 변화(예컨대, 기준 프레임 위치/방향 변환)는 물론 기준 프레임 변화와 연관된 컨트롤 시스템 변화(예컨대, 컨트롤 알고리즘)는 '888 및 '885 특허의 상세한 설명을 통해 유도되고 구현될 수 있다. 따라서, 간략함과 명료함을 위해, 본 명세서에서는 추가적인 설명을 제공하지 않는다.
Q. 상하 및 좌우 모션을 위한 회전 포인트
제2컨트롤 패러다임은 관절형/스티어링가능하고 교환가능한 내시경을 위한 회전 포인트의 선택을 포함한다. 회전 포인트는 대략 내시경 이미지 뷰의 기준 프레임이 회전하는 포인트이다. 이러한 회전 포인트는 외과의에게 수술 부위의 최적의 화면과 직관적 감각을 제공하도록 선택된다. 본 발명에 따른, 관절형 교환가능한 내시경에 대하여, 적절하게 선택된 회전 포인트와 결합하여 카메라 렌즈의 (각각이든 동시든) 추가적인 상하 및 좌우 모션은 카메라-기준 프레임에 관하여 수술 부위 안쪽의 (행성을 궤도 선회하는 위성에 의해 관측된 화면과 유사한) 해부구조의 오비탈 뷰를 제공하기 위해 (다른 자유도와 결합 가능한) 내시경을 조종하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 회전 포인트의 선택은 전통적인 로봇 수술 내시경(예컨대, 상하 및 좌우 모션이 없는 내시경)에서는 필요하지 않고, 그러므로, 예상되지 않았다. 회전 포인트 후보는 내시경의 최대 작동 범위(예컨대, 'Olympus' 내시경의 원단부 팁으로부터 대략 38mm) 내의 포인트, 유연한 관절(10``) 부근의 포인트, 내시경 수술 부위 삽입 포인트 등이다.
지금부터 본 발명에 따른 내시경(310``)에 대하여 상이한 가능한 회전 포인트를 도시하는 도 37을 참조한다. 도 37에 도시된 바와 같이, 내시경(310``)은 기관(372) 주변 수술 부위에서 포트(371)로 삽입되어 있다. 포인트(373)는 가정된 중심이고, 포인트(374)는 유연한 관절(10``)에 또는 그 부근의 포인트이고, 그리고, 포인트(375)는 내시경(310``)이 수술 부위로 들어간 포인트이다.
가정된 중심 회전 포인트는 수술 부위에서의 대부분의 움직임은 내시경의 팁 주변 근방에서 발생하기 쉽기 때문에, 가장 논리적일 수 있고, 주밍 능력을 가진 본 발명의 관절형/스티어링 가능한 내시경의 6 자유도가 주어졌을 때, 마이너 조정이 원하는 최적의 화면을 획득하기 위해 신속하게 수행될 수 있다. 그러나, 내시경(310``), 및 특히 카메라 렌즈의 상하 및 좌우 모션이 이루어질 때 내시경이 탈착가능하게 연결된 로봇 팔의 근단부(백 엔드)와 연관된 오버-액티브 모션을 포함하는 이러한 선택에 결점이 존재한다. 내시경(310``)을 운반하는 로봇 팔의 오버-액티브 모션은 팔 충돌을 야기하는 수술 동안 동시에 이동할 수 있는 시스템의 다른 로봇 팔을 방해할 수 있으므로 바람직하지 못하다.
수술 부위 삽입 포인트로의 회전 포인트의 이동은 (연결된 회전 및 이동 모션의 크기를 줄임으로써) 회전 포인트와 로봇 팔 사이의 거리가 매우 감소되었기 때문에 로봇 팔 모션을 감쇄하는 것으로 나타나고, 또한 물리적 기하학적 제약으로 인해 수술 부위의 덜 최적의 뷰잉 이미지를 생성하는 것으로 나타난다. 이와 달리, 유연한 관절(10``)의 중심 주변에 있는 회전 포인트와 함께, 회전 포인트와 로봇 팔 사이의 거리는 감소되고, 그로 인해 팔 모션도 또한 감쇄되지만 더 적은 물리적 기하학적 제약으로 인해 향상된 뷰잉 이미지를 가진다. 그러므로, 유연한 관절(10``)의 중심 포인트는 본 발명의 관절형 교환가능한 내시경에 대한 바람직한 회전 포인트이다. 회전 포인트의 일 예시적인 구현 방법은 마스터 컨트롤 포인트에서 슬레이브 컨트롤 포인트로의 매핑을 설명하는 '885 특허에 제공되어 있다.
상술된 배열의 장치 및 방법은 본 발명의 원리의 어플리케이션을 설명하기 위한 것이고, 청구항에 정의된 바와 같이, 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고, 많은 다른 실시예 및 수정이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술된 설명을 기준으로 정해지지 않아야 하고, 첨부된 청구항을 기준으로 정해져야 한다.

Claims (28)

  1. 복수의 팔을 가진 수술용 로봇 시스템에 연결된 미소절개 관절형 수술 내시경으로서,
    수술 끝부, 근단부, 및 상기 수술 끝부와 상기 근단부 사이에 샤프트 축을 가진 길쭉한 샤프트;
    원단부, 및 상기 길쭉한 샤프트의 상기 수술 끝부에 연결된 근단부를 가진 유연한 관절;
    물체의 이미지를 획득하고, 상기 관절의 상기 원단부에 설치되어 있는 내시경 카메라 렌즈; 및
    상기 관절에 적어도 하나의 자유도를 제공하도록 동작가능한, 상기 길쭉한 샤프트의 상기 근단부에 상기 관절을 연결하는 복수의 액츄에이션 링크를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임이, 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 상기 유연한 관절에 부착되는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 관절의 상하 모션 및 좌우 모션을 포함하는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내시경과 연관된 다른 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임이 상기 물체에 부착된 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 상기 내시경에 의해 획득된 상기 물체의 이미지는 상기 유연한 관절에 근접하게 위치된 회전 포인트 둘레를 회전하는 상기 기준 프레임을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 물체의 이미지는 오비탈 뷰인 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내시경은, 상기 복수의 팔 중 임의의 팔에 탈착가능하게 연결되어 있고, 하나의 표준 팔 설계가 상기 수술용 로봇 시스템에 대하여 사용되어, 상기 복수의 팔 사이에서 교환되도록 설계된 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 위치 또는 속도 컨트롤되는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  8. 복수의 팔을 가진 수술용 로봇 시스템에 연결된 미소절개 관절형 수술 내시경으로서,
    수술 끝부, 근단부, 및 상기 수술 끝부와 상기 근단부 사이에 샤프트 축을 가진 길쭉한 샤프트;
    원단부, 및 상기 길쭉한 샤프트의 상기 수술 끝부에 연결된 근단부를 가진 유연한 관절;
    물체의 이미지를 획득하고, 상기 관절의 상기 원단부에 설치되어 있는 내시경 카메라 렌즈; 및
    상기 관절에 적어도 하나의 자유도를 제공하도록 동작가능한, 상기 길쭉한 샤프트의 상기 근단부에 상기 관절을 연결하는 복수의 액츄에이션 링크를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 상기 내시경에 의해 획득된 상기 물체의 이미지는, 상기 유연한 관절에 근접하여 위치된 회전 포인트 둘레를 회전하는 기준 프레임을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 물체의 상기 이미지는 오비탈 뷰인 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도 모션을 컨트롤하기 위해 사용된 상기 기준 프레임은 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 상기 유연한 관절에 부착되는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 상기 관절의 상하 모션 및 좌우 모션을 포함하는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 내시경과 연관된 다른 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임은 상기 물체에 부착된 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 내시경은 상기 복수의 팔 중 임의의 팔에 탈착가능하게 연결되어 있고,
    하나의 표준 팔 설계가 상기 수술용 로봇 시스템을 위해 사용되도록 상기 복수의 팔 사이에서 스와핑되도록 설계된 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 위치 및 속도 컨트롤되는 것을 특징으로 하는 미소절개 관절형 수술 내시경.
  15. 적어도 하나의 모션을 가진 유연한 관절을 갖춘 미소절개 관절형 수술 내시경의 사용자에게 더 높은 직관성을 제공하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 상기 적어도 하나의 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임을 상기 유연한 관절에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 상기 관절의 좌우 모션 및 상하 모션을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 내시경과 연관된 다른 자유도를 컨트롤하기 위해 사용되는 기준 프레임이 물체에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 적어도 하나의 자유도와 연관된 물체의 이미지를 획득한 때, 적어도 하나의 모션을 가진 원단부에 유연한 관절을 가진 관절형 수술 내시경의 근단부의 모션을 감쇄하는 방법으로서,
    상기 유연한 관절의 원단부에 위치한 회전 포인트 둘레를 회전하는 기준 프레임을 기초로 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 상기 물체의 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 물체의 상기 이미지는 오비탈 뷰인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 마스터-슬레이브 로봇 시스템으로서,
    마스터 컨트롤러; 및
    상기 마스터에 연결된 적어도 하나의 슬레이브 링키지를 가지고,
    상기 마스터 컨트롤러는
    플랫폼;
    상기 플렛폼에 대하여 3축에 대하여 회전가능하고, 상기 플랫폼에 대하여 3축을 따라 이동가능한 적어도 하나의 마스터 입력 디바이스;
    상기 플랫폼에 대하여 상기 입력 디바이스를 지지하는 링키지;
    상기 링키지 상의 복수의 위치에 대하여 모션을 측정하기 위해 상기 링키지에 연결된 센서 시스템;
    구동된 조인트를 구동 계합하는 구동 시스템; 및
    상기 적어도 하나의 마스터 입력 디바이스가 리포지셔닝되는 동안, 상기 구동 시스템이 상기 링키지를 액츄에이션하도록 상기 구동 시스템과 상기 구동 시스템을 연결하는 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 슬레이브 링키지는 상기 적어도 하나의 마스터 입력 디바이스의 상기 리포지셔닝에 응답하여 6 자유도를 가진 관절을 가지고, 상기 슬레이브 링키지는 미소절개 관절형 수술 내시경을 포함하고, 상기 내시경은
    수술 끝부, 근단부, 및 상기 수술 끝부 및 상기 근단부 사이에 샤프트 축을 가진 길쭉한 샤프트;
    원단부, 및 상기 길쭉한 샤프트의 상기 수술 끝부에 연결된 근단부를 가진 유연한 관절;
    물체의 이미지를 획득하고, 상기 관절의 상기 원단부에 설치된 내시경 카메라; 및
    상기 관절에 적어도 하나의 자유도를 제공하도록 액츄에이션가능하고, 상기 관절을 상기 길쭉한 샤프트의 상기 근단부에 연결하는 복수의 액츄에이션 링크를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자유도 모션을 컨트롤하기 위해 사용된 기준 프레임은 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 관절 모션을 위해 상기 유연한 관절에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 상기 관절의 상하 모션 및 좌우 모션을 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 내시경과 연관된 다른 자유도를 컨트롤하기 위해 사용된 기준 프레임이 상기 물체에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도와 연관된 상기 내시경에 의해 획득된 상기 물체의 이미지는 상기 유연한 관절과 가깝게 위치된 회전점 둘레를 회전하는 상기 기준 프레임을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 물체의 상기 이미지는 오비탈 뷰인 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 내시경은 상기 복수의 팔 중 임의의 팔에 탈착가능하게 연결되어 있고, 하나의 표준 팔 설계가 수술용 로봇 시스템을 위해 사용되도록 상기 복수의 팔들 사이에 교환가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  26. 제 20 항에 있어서, 적어도 하나의 마스터 입력 디바이스는 초점 또는 조리개를 포함한 상기 내시경 카메라 렌즈의 기능을 컨트롤하기 위해 더 사용되는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  27. 제 20 항에 있어서, 마스터 배열 보정은 마스터-슬레이브 직관성을 유지하기 위해 상기 내시경 카메라 렌즈의 이동 동안의 상기 슬레이브 이동에 매칭하도록 상기 마스터 이동을 조절함으로써 연속적으로 그리고 점진적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
  28. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자유도는 위치 또는 속도 컨트롤되는 것을 특징으로 하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템.
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