KR101630794B1 - 수술 로봇 시스템 및 이에 구비되는 액티브 가이드 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 환자의 신체에 형성된 하나의 통로를 통해 복수 개의 수술용 인스트루먼트가 체내로 삽입될 수 있는 싱글 포트형(single port) 수술 로봇 시스템에 있어서, 일 방향으로 연장 형성되는 타워; 상기 타워에 회동 가능하도록 결합되는 서포트 암; 및 상기 서포트 암에 회동 가능하도록 결합되며, 서로 독립적으로 작동 가능한 하나 이상의 수술용 인스트루먼트가 구비되는 싱글암 유닛;을 포함하고, 상기 싱글암 유닛은, 환형으로 형성되며 개폐 가능하도록 형성되는 싱글암 유닛 본체; 상기 싱글암 유닛 본체의 일 측에 형성되며, 각각 상기 수술용 인스트루먼트와 결합하는 하나 이상의 모터 블록; 및 상기 싱글암 유닛 본체의 타 측에 형성되며, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 수용되어 이를 지지하는 액티브 가이드 유닛;을 포함하는 수술 로봇 시스템을 개시한다.

Description

수술 로봇 시스템 및 이에 구비되는 액티브 가이드 유닛{Surgical robot system and active guide unit therewith}

본 발명의 실시예들은 수술 로봇 시스템 및 이에 구비되는 액티브 가이드 유닛에 관한 것으로, 더 상세하게는 싱글 포트 수술용 수술 로봇 시스템 및 이를 위해 구비되는 액티브 가이드 유닛에 관한 것이다.

수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다.

현재 전 세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇은 뼈 수술 로봇, 복강경(復腔鏡) 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다. 여기서 복강경 수술 로봇은 복강경과 소형 수술 도구를 이용하여 최소 침습적 수술을 시행하는 로봇이다.

복강경 수술은 배꼽 부위에 1cm 정도의 구멍을 뚫고 배 안을 들여다보기 위한 내시경인 복강경을 집어넣은 후 수술하는 첨단 수술기법으로서 향후 많은 발전이 기대되는 분야이다. 최근의 복강경은 컴퓨터칩이 장착되어 육안으로 보는 것보다도 더 선명하면서도 확대된 영상을 얻을 수 있으며, 또 모니터를 통해 화면을 보면서 특별히 고안된 복강경용 수술 기구들을 사용하면 어떠한 수술도 가능할 정도로 발전하고 있다. 더욱이 복강경 수술은 그 수술 범위가 개복 수술과 거의 같으면서도, 개복 수술에 비해 합병증이 적고, 시술 후 훨씬 이른 시간 안에 치료를 시작할 수 있으며, 수술 환자의 체력이나 면역기능을 유지시키는 능력이 우수한 이점이 있다.

한편, 수술 로봇 시스템은 일반적으로 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 구성된다. 수술자가 마스터 로봇에 구비된 조종 레버(예를 들어 핸들)를 조작하면, 슬레이브 로봇의 로봇 암에 결합되거나 로봇 암이 파지하고 있는 수술 도구가 조작되어 수술이 수행된다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명의 실시예들은 수술 로봇 시스템 및 이에 구비되는 액티브 가이드 유닛을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 환자의 신체에 형성된 하나의 통로를 통해 복수 개의 수술용 인스트루먼트가 체내로 삽입될 수 있는 싱글 포트형(single port) 수술 로봇 시스템에 있어서, 일 방향으로 연장 형성되는 타워; 상기 타워에 회동 가능하도록 결합되는 서포트 암; 및 상기 서포트 암에 회동 가능하도록 결합되며, 서로 독립적으로 작동 가능한 하나 이상의 수술용 인스트루먼트가 구비되는 싱글암 유닛;을 포함하고, 상기 싱글암 유닛은, 환형으로 형성되며 개폐 가능하도록 형성되는 싱글암 유닛 본체; 상기 싱글암 유닛 본체의 일 측에 형성되며, 각각 상기 수술용 인스트루먼트와 결합하는 하나 이상의 모터 블록; 및 상기 싱글암 유닛 본체의 타 측에 형성되며, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 수용되어 이를 지지하는 액티브 가이드 유닛;을 포함하는 수술 로봇 시스템을 개시한다.

본 실시예에 있어서, 상기 싱글암 유닛 본체는, 일 측이 개구된 환형의 제1 본체부; 상기 제1 본체부에 대해 회전 가능하도록 형성되는 제2 본체부; 및 상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부를 결합 및/또는 해제시키는 체결부를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 상기 체결부에 의해 결합된 상태에서, 상기 싱글암 유닛 본체는 폐쇄되어 환형을 이룰 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 해제된 상태에서 드레이프가 상기 서포트 암 및 상기 싱글암 유닛의 적어도 일부를 감싸도록 씌워진 후, 상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 상기 체결부에 의해 결합되면서 상기 드레이프가 상기 수술 로봇 시스템에 결합될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 모터 블록은 각각 상기 싱글암 유닛 본체에 대해 직선 왕복 운동이 가능하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 모터 블록에서 상기 액티브 가이드 유닛 쪽으로 상기 수술용 인스트루먼트가 끼워지면서 상기 모터 블록에 상기 수술용 인스트루먼트가 결합될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 싱글암 유닛 본체 및 이와 결합된 하나 이상의 모터 블록의 중심부에는 중공부가 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 타워가 결합되며, 이동 가능하도록 형성되는 카트; 및 상기 카트와 연결되며 수술 침대가 장착 가능하도록 형성되는 베드 장착부;를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 액티브 가이드 유닛은, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 삽입되는 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드 유닛과, 상기 가이드 로드 유닛에 소정의 구동력을 제공하는 모터 유닛을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 액티브 가이드 유닛은, 플레이트; 상기 플레이트와 마주보도록 형성되며 상기 싱글암 유닛 본체와 결합되는 결합부; 상기 플레이트와 상기 결합부를 연결하는 하나 이상의 연결부;를 포함하고, 상기 플레이트를 관통하여 상기 가이드 로드 유닛이 결합될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 가이드 로드 유닛은, 내부에 상기 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드와, 상기 채널의 일측 단부에 형성되어 상기 가이드 로드에 대해 회전 가능하도록 형성되는 가이드 링크를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 모터 유닛은 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전하도록 소정의 구동력을 상기 가이드 링크에 제공할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 가이드 로드가 트로카로부터 일정 정도 인출되어 상기 가이드 링크의 회전축이 트로카의 외부에 위치할 때, 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 싱글 포트형(single port) 수술 로봇 시스템에 구비되어 복수 개의 수술용 인스트루먼트의 이동 경로를 가이드하는 액티브 가이드 유닛에 있어서, 서로 마주 보도록 형성되는 플레이트 및 결합부; 상기 플레이트와 상기 결합부를 연결하는 하나 이상의 연결부; 및 상기 플레이트에 결합되며, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 삽입되는 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드 유닛;을 포함하는 액티브 가이드 유닛을 개시한다.

본 실시예에 있어서, 상기 가이드 로드 유닛은, 내부에 상기 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드와, 상기 채널의 일측 단부에 형성되어 상기 가이드 로드에 대해 회전 가능하도록 형성되는 가이드 링크를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 액티브 가이드 유닛은, 상기 가이드 로드 유닛에 소정의 구동력을 제공하는 모터 유닛을 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 모터 유닛은 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전하도록 소정의 구동력을 상기 가이드 링크에 제공할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 가이드 로드가 트로카로부터 일정 정도 인출되어 상기 가이드 링크의 회전축이 트로카의 외부에 위치할 때, 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 관한 수술 로봇 시스템 및 이에 구비되는 액티브 가이드 유닛은 단일 입구를 통해 하나 이상의 수술용 인스트루먼트들이 삽입되는 싱글 포트용 수술 로봇 시스템에 있어서, 수술용 인스트루먼트의 힘 손실이 최소화되며 또한 싱글암 유닛의 개폐를 통해 간단하게 드레이프를 장착하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 수술 로봇 시스템(1)의 싱글암 유닛(300)을 나타내는 결합 사시도이다.
도 4는 도 2의 싱글암 유닛(300)에서 액티브 가이드 유닛(310)이 분리된 모습을 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 도 2의 싱글암 유닛(300)의 액티브 가이드 유닛(310)을 보다 상세히 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 액티브 가이드 유닛(310)의 가이드 로드 유닛(350)을 보다 상세히 나타내는 사시도이다.
도 7a는 가이드 로드(351)가 트로카(370) 내에 인입되어 가이드 링크(353)가 가이드 로드(351)에 대해 회전할 수 없는 상태를 나타내는 도면이다.
도 7b는 가이드 로드(351)가 트로카(370)로부터 일정 정도 인출되어 가이드 링크(353)가 가이드 로드(351)에 대해 일정 정도 회전된 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 수술 로봇 시스템(1)의 서포트 암(200)과 싱글암 유닛(300)에 드레이프(700)가 장착되는 모습을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 본 발명은 수술용 내시경(예를 들어, 복강경, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있는 기술적 사상이지만, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 설명의 편의를 위해 복강경이 이용되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 수술 로봇 시스템(1)은 수술대에 누워있는 환자에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(20)과, 상기 슬레이브 로봇(20)을 수술자가 원격 조종하도록 하는 마스터 로봇(10)을 포함한다. 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.

마스터 로봇(10)은 조작 레버(11) 및 디스플레이 부재(12)를 포함하고, 슬레이브 로봇(20)은 타워(100), 서포트 암(200), 싱글암 유닛(300), 카트(400) 및 베드 장착부(500)를 포함한다.

상세히, 마스터 로봇(10)은 수술자가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 조작 레버(11)를 구비한다. 조작 레버(11)는 도 1에 예시된 바와 같이 두 개 또는 그 이상의 수량의 핸들로 구현될 수 있으며, 수술자의 핸들 조작에 따른 조작 신호가 슬레이브 로봇(20)으로 유선 또는 무선 통신망을 통해 전송되어 수술용 인스트루먼트(도 2의 600 참조)가 제어된다. 즉, 수술자의 핸들 조작에 의해 싱글암 유닛(300)에 구비된 하나 이상의 수술용 인스트루먼트(도 2의 600 참조)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.

예를 들어, 수술자는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇(20)의 수술용 인스트루먼트(600)나 복강경 등을 조작할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 수술용 인스트루먼트(600)나 복강경 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 로봇(10)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(20)의 수술용 인스트루먼트(600) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 조작 레버(11)는 핸들의 형상으로 제한되지 않으며, 유선 또는 무선 통신망과 같은 네트워크를 통해 수술용 인스트루먼트(600)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.

마스터 로봇(10)의 디스플레이 부재(12)에는 슬레이브 로봇(20)의 복강경을 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재(12)는 터치스크린 기능을 구비할 수도 있다. 나아가, 디스플레이 부재(12)는 입체 디스플레이 장치로 구비되어, 관찰자가 3차원의 생동감과 현실감을 느낄 수 있게 할 수도 있다.

여기서, 디스플레이 부재(12)는 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 도 1에는 디스플레이 부재(12)가 세 개의 모니터를 포함하는 경우가 예시되었으나, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

한편, 슬레이브 로봇(20)은 하나 이상의 수술용 인스트루먼트(600)를 구비하는 싱글암 유닛(300)을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)의 슬레이브 로봇(20)은 환자의 신체에 형성된 하나의 통로를 통해 복수 개의 수술용 인스트루먼트(600)가 체내로 삽입될 수 있는 싱글 포트형(single port) 수술 로봇 시스템인 것을 특징으로 한다.

상세히, 종래의 수술 로봇 시스템은 환자의 복부에 3~4개의 투관침(Trocar)으로 멀티포트(Multi-port)를 형성시켜, 복강 또는 흉강 내시경 및 수술기구의 통로를 통하여 복강 또는 흉강경 수술을 실행하여 왔다. 그러나 근래에 들어 수술의 상처를 최소화하여 미용효과를 높이려는 목적의 수술방식이 선호됨에 따라 기존의 복강 또는 흉강경 수술보다 더 나은 수술방법, 예컨대 자연적으로 형성되어진 배꼽, 항문 및 입을 통한 노츠(NOTES)수술법 및 단일절개공수술법 등이 개발되었고, 그에 따라 상기와 같은 새로운 수술방법에 있어서 필수적이고 사용하기 쉬운 수술기구에 관한 개발이 지속되어 왔으며, 그 대표적인 것 중의 하나가 바로 싱글 포트형 수술 로봇 시스템이다.

싱글 포트(single port)에 의한 외과적 수술방법은 하나의 포트(port)에 내시경 및 다수의 수술기구를 삽입하여 수술을 진행하는 것으로서, 환자 배꼽에 하나의 최소 절개창(약 1~2cm)을 열고 이를 통해 내시경 및 다수의 수술기구를 삽입하여 수술을 진행한다.

이와 같은 슬레이브 로봇(20)의 수술용 인스트루먼트(600) 및 싱글암 유닛(300)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 예를 들어 슬레이브 로봇(20)은 수술용 인스트루먼트(600) 또는 싱글암 유닛(300)을 수술 위치에 따라 요(yaw) 방향으로 회전시키는 요 구동부, 요 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 수술용 인스트루먼트(600) 또는 싱글암 유닛(300)을 회전시키는 피치 구동부, 수술용 인스트루먼트(600)를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부, 수술용 인스트루먼트(600)를 회전시키는 회전 구동부, 수술용 인스트루먼트(600)의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술기구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 슬레이브 로봇(20)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 수술자가 조작 레버(11)를 조작함에 의해 수술용 인스트루먼트(600) 또는 싱글암 유닛(300)이 이에 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이하에서는 이와 같은 슬레이브 로봇(20)에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. 슬레이브 로봇(20)은 타워(100), 서포트 암(200), 싱글암 유닛(300), 카트(400) 및 베드 장착부(500)를 포함한다.

본 실시예는 슬레이브 로봇(20)을 구성함에 있어서, 이동 가능한 카트(400)에 타워(100)를 장착하고, 그 타워(100)에 서포트 암(200) 및 싱글암 유닛(300)이 순차적으로 결합되는 구조를 사용함으로써, 슬레이브 로봇(20)을 구조적으로 안정되게 구현할 수 있으며, 슬레이브 로봇(20)과 환자 간의 상대적 위치가 정확히 파악되도록 한 것을 특징으로 한다. 또한, 카트(400)와 결합되는 베드 장착부(500)를 구비하고, 베드 장착부(500) 상에 수술 침대가 장착되도록 하는 것을 일 특징으로 한다.

상세히, 수술용 로봇은 서로 모순되는 조건을 만족시켜야 한다. 즉, 환자에 근접하여 위치하면서 작동되어야 하는 반면, 보조의(clinical staff) 등이 로봇에 간섭받지 않고 환자에 액세스할 수 있어야 하며, 환자의 몸 위에 위치하여 작동되어야 하는 반면, 환자에게 감염의 우려가 없도록 멸균(sterilization)이 보장되어야 한다.

또한, 작동에 충분한 강도(strength), 정확도(accuracy) 및 민첩성(dexterity)을 가지는 반면, 크기가 작고 슬림하고 무게가 가벼워야 하며, 로봇이 견고하게 설치(mount)되어야 하는 반면, 이동이 자유롭고 수술실을 점유하는 면적이 작아야 한다. 나아가, 환자 및 로봇 모두 수술을 위한 준비 작업을 자유롭게 할 수 있어야 한다.

이상과 같은 각각의 모순 조건을 최대한 만족시키기 위해 천정 설치형(ceiling mount), 수술대 부착형(table mount), 바닥 설치형(floor mount), 환자 설치형(patient mount), 타워형(tower style) 등 각각의 장단점을 갖는 다양한 설치 방식이 고안된 바 있다.

본 실시예는, 타워형 로봇의 기저부를 이동 가능한 카트(400)에 장착하고, 이러한 카트(400)와 수술 침대가 장착되는 베드 장착부(500)를 결합함으로써 '수술대 부착형'과 '타워형'의 장점만을 취한 이른바 '침대 장착형'을 구현하였다고 할 수 있다.

이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

타워(100)는 이동 가능한 카트(400)에 장착되어 슬레이브 로봇(20)의 기저부를 이루며, 지면으로부터 수직한 방향으로 연장 형성된다. 한편, 카트(400)의 일 측에는 수술 침대가 장착되는 베드 장착부(500)가 형성되어 있다. 이와 같이 수술 시 침대부착 방식을 통해 수술실 공간의 낭비를 최소한으로 하여 안정적으로 침대의 도킹가능하도록 하고, 또한 다양한 수술 자세를 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 베드 장착부(500)를 조절 가능하도록 형성함으로써, 수술실에 사용되는 다양한 침대에 범용적으로 사용 가능한 수술 로봇 시스템을 구현할 수 있다.

한편, 서포트 암(200)은 타워(100)의 일 측에 결합하며, 서포트 암(200)의 구동에 의해 싱글암 유닛(300)은 타워(100)에 대해 직선 또는 회전 이동하여 수술 침대에 누워 있는 환자의 환부를 향하여 수술에 필요한 조작이 가능한 상태로 셋팅된다. 이때, 서포트 암(200)은 원하는 수술자세로 싱글암 유닛(300)을 직관적이고 빠르게 이동할 있는 패시브 암(passive arm) 구조로 형성될 수 있다.

싱글암 유닛(300)은 서포트 암(200)의 일 측에 결합하며, 서포트 암(200)에 대해 직선 또는 회전 이동하도록 형성된다. 또한 싱글암 유닛(300)에는 복수 개의 수술용 인스트루먼트(600)가 장착되도록 형성되고, 복수 개의 수술용 인스트루먼트(600)가 단일 통로를 통해 환자의 체내로 삽입된 상태에서 각각 독립적으로 동작하여 수술을 수행할 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 이하에서는 이와 같은 싱글암 유닛(300)에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3은 도 1의 수술 로봇 시스템(1)의 싱글암 유닛(300)을 나타내는 결합 사시도이고, 도 4는 도 2의 싱글암 유닛(300)에서 액티브 가이드 유닛(310)이 분리된 모습을 나타내는 분해 사시도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)의 싱글암 유닛(300)은 싱글암 유닛 본체(330), 싱글암 유닛 본체(330)의 일 측에 결합되는 액티브 가이드 유닛(310) 및 싱글암 유닛 본체(330)의 타 측에 결합되는 복수 개의 모터 블록(320)을 포함한다. 이때, 싱글암 유닛(300)을 전체적으로 보면, 싱글암 유닛 본체(330) 및 이에 결합되는 복수 개의 모터 블록(320)은 그 중심부에 중공부가 형성된 형상을 이룬다.

그리고 복수 개의 모터 블록(320) 각각에 수술용 인스트루먼트(600)가 결합하고, 이 수술용 인스트루먼트(600)가 액티브 가이드 유닛(310)을 관통하여 환자의 체내에 삽입되는 것이다. 이때 모터 블록(320)에 수술용 인스트루먼트(600)가 결합하는 방향은 환자에 가까워지는 방향, 즉 모터 블록(320)에서 액티브 가이드 유닛(310) 쪽으로 수술용 인스트루먼트(600)가 끼워지면서 모터 블록(320)에 수술용 인스트루먼트(600)가 결합하게 된다.

상세히, 싱글암 유닛 본체(330)는 싱글암 유닛(300)의 기저부를 이루며 일 측으로는 액티브 가이드 유닛(310)이 결합되고, 타 측으로는 복수 개의 모터 블록(320)이 형성된다. 이러한 싱글암 유닛 본체(330)는, 일 측이 개구된 환형의 제1 본체부(331)과, 제1 본체부(331)에 대해 개폐 가능하도록 형성되는 제2 본체부(332)와, 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)를 결합 및/또는 해제시키는 체결부(333)를 포함한다. 즉, 제2 본체부(332)는 제1 본체부(331)와 핀 결합되어 제1 본체부(331)에 대해서 회전 가능하게 형성되며, 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)가 체결부(333)에 의해 서로 체결된 상태에서 전체적으로 닫힌 고리 형상을 이루도록 형성되는 것이다. 다시 말하면 도 2에는 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)가 체결부(333)에 의해 서로 체결되어 전체적으로 닫힌 고리 형상을 이룬 모습이 도시되어 있고, 도 3에는 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)의 결합이 해제되어 제2 본체부(332)가 제1 본체부(331)에 대해 오픈된 모습이 도시되어 있는 것이다.

한편, 드레이프(700)가 싱글암 유닛(300)에 씌워진 상태에서 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)가 체결부(333)에 의해 체결되면서 드레이프(700)가 싱글암 유닛(300) 전체를 드레이핑 할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세히 설명하도록 한다.

싱글암 유닛 본체(330)의 타 측으로는 복수 개의 모터 블록(320)이 형성된다. 이와 같은 각각의 모터 블록(320)은 하나 이상의 모터를 구비하고 있으며, 각각의 모터 블록(320)에는 수술용 인스트루먼트(600)가 결합된다. 이와 같이 모터 블록(320)에 수술용 인스트루먼트(600)가 결합한 상태에서 모터 블록(320)은 수술용 인스트루먼트(600)가 수술에 필요한 각종 동작들, 예를 들어 회전 동작, 피치 동작, 요 동작, 액츄에이션 동작 등을 수행할 수 있도록 소정의 구동력을 제공한다. 또한 모터 블록(320)은 싱글암 유닛 본체(330)에 대해 축 방향으로 직선 운동을 하도록 형성될 수 있으며, 이와 같은 모터 블록(320)의 직선 운동에 의해 이와 결합된 수술용 인스트루먼트(600) 또한 축 방향으로 직선 운동을 할 수 있다. 이와 같이 모터 블록(320)에서 수술용 인스트루먼트(600)로 소정의 구동력을 제공하는 메커니즘은 기 공지된 기술이므로, 본 명세서에서는 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 5는 도 2의 싱글암 유닛(300)의 액티브 가이드 유닛(310)을 보다 상세히 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 액티브 가이드 유닛(310)의 가이드 로드 유닛(350)을 보다 상세히 나타낸 사시도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 액티브 가이드 유닛(310)은 싱글 포트 수술을 위한 가이드 기구로 2개 이상의 수술용 인스트루먼트(600) 및 복강경을 가이드하는 역할을 수행한다. 이러한 액티브 가이드 유닛(310)은 플레이트(311), 플레이트(311)와 마주보도록 형성되어 싱글암 유닛 본체(330)와 결합되는 결합부(312), 플레이트(311)와 결합부(312)를 연결하는 하나 이상의 연결부(313), 모터 블록(320)과 연결되는 모터 블록 연결 로드(314)를 포함한다. 또한, 액티브 가이드 유닛(310)은 플레이트(311)에서 싱글암 유닛 본체(330)의 반대 방향에 결합되어 트로카(370)에 대해서 직선운동을 할 수 있는 가이드 로드 유닛(350)과, 가이드 로드 유닛(350)에 소정의 구동력을 제공하는 모터 유닛(315)을 더 포함한다.

여기서, 액티브 가이드 유닛(310)이 끼워지는 트로카(370)는 인체의 특정 지점 예를 들면 인체의 복부에 삽입되어 수술용 도구들이 수술 부위에 안전하고 용이하게 배치될 수 있도록 지원하는 역할을 수행한다. 이러한 트로카(370)는 하부에 인체의 복부로 삽입되는 투침이 형성된다.

그리고, 액티브 가이드 유닛(310)의 가이드 로드 유닛(350)은 트로카(370)에 관통 삽입되며, 이러한 가이드 로드 유닛(350)에 의해 수술용 인스트루먼트(600) 및 복강경을 흔들림 없이 가이드 할 수 있다. 이와 같은 가이드 로드 유닛(350)에는 오픈채널형의 가이드 채널이 복수 개 형성되어 있으며, 이와 같은 채널에 의해 수술용 인스트루먼트(600) 및/또는 복강경이 지지되는 것이다.

이때, 액티브 가이드 유닛(310)에는 트로카 홀더(360)가 더 구비될 수 있으며, 트로카 홀더(360)는 트로카(370)를 환자의 복부에 삽입한 상태에서 로봇암을 이동하여 트로카(370)에 간편하게 도킹시킬 수 있도록 형성되며, 도킹 상태에서 수술방향 전환을 위한 축방향 중심의 회전시, 트로카(370)에 의해 환자의 복부가 상처를 입거나 트로카(370)가 복부로부터 이탈하는 현상이 없도록 트로카(370) 장착부가 축방향 중심으로 회전할 수 있는 구조로 형성된다.

가이드 로드 유닛(350)은 가이드 로드(351)와, 가이드 로드(351) 내부에 형성된 하나 이상의 채널(352)과, 채널(352)의 일측 단부에 형성되어 가이드 로드(351)에 대해 일정 각도 회전 가능하도록 형성되는 가이드 링크(353)를 포함한다.

이때 각 채널(352)의 개구 영역은 카메라 또는 수술용 인스트루먼트(600)들이 삽입될 수 있는 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 채널(352a)은 가이드 로드(351)의 상부에 길이 방향으로 형성되어 수술 진행을 위한 내시경 형태의 복강경이 배치될 수 있다. 그리고 가이드 로드(351)의 좌/우측에 배치되는 제2 채널(352b) 및 제3 채널(352c) 에는 다양한 수술용 인스트루먼트(600)들이 배치될 수 있다. 한편 가이드 로드(351)의 하부에 마련되는 보조 채널(352d)은 복강경 내에 확장가스를 주입하거나 또는 복강 내에 포진된 가스를 방출시키는 기능을 지원할 수 있다. 또한 보조 채널(352d)은 다른 채널의 형태와 유사한 작은 보조 도구 가이드 채널 형태로 마련될 수 있으며 이 경우 수술 보조 도구가 해당 보조 도구 가이드 채널에 배치되어 수술 진행에 사용될 수 있다. 상술한 설명에서는 가이드 로드(351)에 채널이 4개 형성되는 구조로 설명하였지만, 필요에 따라 채널의 숫자, 기능 및 형태 등이 다양하게 가변될 수 있을 것이다.

가이드 링크(353)는 가이드 로드(351)에 대해 회전축(353a)을 중심으로 일정 각도 회전 가능하도록 형성된다. 이때, 도면에는 도시되지 않았지만, 가이드 링크(353)는 모터 유닛(315)과 연결되어, 모터 유닛(315)으로부터 회전을 위한 소정의 구동력을 전달받을 수 있도록 형성될 수 있다. 도 7a는 가이드 로드(351)가 일정 부분 트로카(370) 내에 인입되어 가이드 링크(353)가 가이드 로드(351)에 대해 회전할 수 없는 상태이다. 반면, 도 7b는 가이드 로드(351)가 트로카(370)로부터 일정 정도 인출되어 가이드 링크(353)의 회전축(353a)이 트로카(370) 외부에 위치한 상태이며, 이 상태에서 가이드 링크(353)는 모터 유닛(315)으로부터 소정의 구동력을 전달받아서 회전축(353a)을 중심으로 도 7b의 화살표 방향으로 일정 각도 회전하게 되는 것이다.

이를 위해 모터 유닛(315)은 풀리와 리드스크류의 조합으로 구성되어 모터 유닛(315)의 회전 운동이 직선 운동으로 변환될 수 있으며, 이로 인해 직선 운동을 하는 가이드 로드(351)가 가이드 링크(353)의 링크 관절과 연결되어, 가이드 로드(351)의 직선 운동시 가이드 링크(353)의 회전축(353a)을 회전시켜 가이드 링크(353)를 좌우로 벌려주는 역할을 수행한다.

이와 같이 가이드 링크(353)가 회전 가능하도록 형성됨으로써, 가이드 로드(351)를 통과하여 환자의 체내에 삽입된 수술용 인스트루먼트(600)의 끝부분이 양쪽으로 용이하게 펼쳐짐으로써, 좁은 환자의 체내에서의 수술용 인스트루먼트(600)의 배치가 보다 용이하게 수행되는 효과를 얻을 수 있다. 또한 이때 가이드 링크(353)와 이에 구동력을 제공하기 위한 모터 유닛(315)이 최대한 근접하게 형성됨으로써, 구동력의 전달이 보다 확실하게 이루어지는 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 이와 같이 싱글 포트 수술을 위한 가이드 기구로 액티브 가이드 유닛(310)을 구비함으로써, 최소 침습 싱글 포트 수술을 위한 카메라와 인스트루먼트의 삽입과 분리를 편리하게 하고, 모터와 같은 구동장치를 이용해 인스트루먼트의 자유도를 외부로부터 추가해줌으로써 수술부위의 동작범위를 확장시켜주고 힘과 토크를 증강시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 8은 도 1의 수술 로봇 시스템(1)의 서포트 암(200)과 싱글암 유닛(300)에 드레이프(700)가 장착되는 모습을 나타내는 도면이다.

상세히, 수술용 로봇 시스템은 수술 환자를 2차 감염으로부터 보호하기 위해 소독된 비닐 등의 커버로 로봇 암(20)을 피복해서 사용하는 이른바 드레이핑(draping) 작업을 하게 되는데, 종래의 수술용 로봇 시스템은 드레이프로 슬레이브 로봇을 드레이핑 하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 존재하였다. 반면, 본 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템은 드레이프(700)로 서포트 암(200)과 싱글암 유닛(300)을 덮은 상태에서 싱글암 유닛(300)의 싱글암 유닛 본체(330)의 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)를 체결하는 것만으로 슬레이브 로봇(20)에서 드레이핑이 필요한 부분 전체를 한꺼번에 드레이핑할 수 있어 수술 전 준비를 용이하고 신속하게 진행할 수 있다.

즉, 도 3과 같이 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)의 결합이 해제되어 제2 본체부(332)가 제1 본체부(331)에 대해 오픈된 상태에서 드레이프(700)를 싱글암 유닛(300)에 씌운 후, 도 2와 같이 제1 본체부(331)와 제2 본체부(332)를 체결부(333)에 의해 서로 체결하면, 드레이프(700)가 싱글암 유닛(300) 및 서포트 암(200) 전체를 드레이핑 할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 수술 로봇 시스템
10: 마스터 로봇
20: 슬레이브 로봇
100: 타워
200: 서포트 암
300: 싱글암 유닛
400: 카트
500: 베드 장착부

Claims (18)

1. 환자의 신체에 형성된 하나의 통로를 통해 복수 개의 수술용 인스트루먼트가 체내로 삽입될 수 있는 싱글 포트형(single port) 수술 로봇 시스템에 있어서,
   일 방향으로 연장 형성되는 타워;
   상기 타워에 회동 가능하도록 결합되는 서포트 암; 및
   상기 서포트 암에 회동 가능하도록 결합되며, 서로 독립적으로 작동 가능한 하나 이상의 수술용 인스트루먼트가 구비되는 싱글암 유닛;을 포함하고,
   상기 싱글암 유닛은,
   환형으로 형성되며 개폐 가능하도록 형성되는 싱글암 유닛 본체;
   상기 싱글암 유닛 본체의 일 측에 형성되며, 각각 상기 수술용 인스트루먼트와 결합하는 하나 이상의 모터 블록; 및
   상기 싱글암 유닛 본체의 타 측에 형성되며, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 수용되어 이를 지지하는 액티브 가이드 유닛;을 포함하고,
   상기 액티브 가이드 유닛은,
   서로 마주 보도록 형성되는 플레이트 및 결합부;
   상기 플레이트와 상기 결합부를 연결하는 하나 이상의 연결부; 및
   상기 플레이트에 결합되며, 내부에 상기 수술용 인스트루먼트가 삽입되는 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드 유닛;을 포함하는 수술 로봇 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 싱글암 유닛 본체는,
   일 측이 개구된 환형의 제1 본체부;
   상기 제1 본체부에 대해 회전 가능하도록 형성되는 제2 본체부; 및
   상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부를 결합 및/또는 해제시키는 체결부를 포함하는 수술 로봇 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 상기 체결부에 의해 결합된 상태에서, 상기 싱글암 유닛 본체는 폐쇄되어 환형을 이루는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 해제된 상태에서 드레이프가 상기 서포트 암 및 상기 싱글암 유닛의 적어도 일부를 감싸도록 씌워진 후,
   상기 제1 본체부와 상기 제2 본체부가 상기 체결부에 의해 결합되면서 상기 드레이프가 상기 수술 로봇 시스템에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 모터 블록은 각각 상기 싱글암 유닛 본체에 대해 직선 왕복 운동이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 모터 블록에서 상기 액티브 가이드 유닛 쪽으로 상기 수술용 인스트루먼트가 끼워지면서 상기 모터 블록에 상기 수술용 인스트루먼트가 결합되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 싱글암 유닛 본체 및 이와 결합된 하나 이상의 모터 블록의 중심부에는 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 타워가 결합되며, 이동 가능하도록 형성되는 카트; 및
   상기 카트와 연결되며 수술 침대가 장착 가능하도록 형성되는 베드 장착부;를 더 포함하는 수술 로봇 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 액티브 가이드 유닛은,
   상기 가이드 로드 유닛에 소정의 구동력을 제공하는 모터 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액티브 가이드 유닛에서,
    상기 플레이트를 관통하여 상기 가이드 로드 유닛이 결합되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가이드 로드 유닛은,
    내부에 상기 하나 이상의 채널이 형성된 가이드 로드와,
    상기 채널의 일측 단부에 형성되어 상기 가이드 로드에 대해 회전 가능하도록 형성되는 가이드 링크를 포함하는 수술 로봇 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모터 유닛은 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전하도록 소정의 구동력을 상기 가이드 링크에 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가이드 로드가 트로카로부터 일정 정도 인출되어 상기 가이드 링크의 회전축이 트로카의 외부에 위치할 때, 상기 가이드 링크가 상기 가이드 로드에 대해 회전하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
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