KR101680132B1 - 도구, 다기능 도구용 부품들의 키트 및 다기능 도구용 로봇 시스템 - Google Patents

도구, 다기능 도구용 부품들의 키트 및 다기능 도구용 로봇 시스템 Download PDF

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조셉 수아레즈
브라이언 디. 슈미츠
강효식
피터 엘. 에비트
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마코 서지컬 코포레이션
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Abstract

도구는 작동부재의 적어도 일부를 수용하여 해당 작동부재의 방사상 방향에서의 작동부재의 이동을 제한하는 한편 하우징에 대해서 상기 작동부재의 회전을 허용하도록 구성되는 수용부를 포함하는 하우징을 포함한다. 상기 도구는 또한 상기 하우징 상에 배치되어서, 상기 작동부재를 상기 하우징에 결합시켜 상기 하우징에 대한 상기 작동부재의 회전을 허용하도록 구성되는 결합장치를 포함한다. 상기 결합장치는 상기 작동부재의 길이방향에서 상기 하우징에 대해서 상기 작동부재의 이동을 제한하도록 하여 상기 작동부재와 맞물리도록 구성되는 유지 부재를 포함한다. 상기 유지 부재는 상기 하우징에 대해서 회전되도록 구성된다.

Description

도구, 다기능 도구용 부품들의 키트 및 다기능 도구용 로봇 시스템{TOOL, KIT-OF-PARTS FOR MULTI-FUNCTIONAL TOOL, AND ROBOTIC SYSTEM FOR SAME}
관련 출원에 관한 교차 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/278,066호(출원일: 2009년 10월 1일); 미국 특허 가출원 제61/339,460호(출원일: 2010년 3월 4일); 미국 특허 가출원 제61/339,756호(출원일: 2010년 3월 9일); 및 미국 특허 가출원 제61/401,209호(출원일: 2010년 8월 9일)의 우선권을 주장하며, 이들 각각은 본 명세서에 그들의 전문이 참조로 포함된다.
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로 로봇 시스템에 관한 것으로서, 특히 정형외과적 관절 치환 수술(orthopedic joint replacement surgery)을 위한 수술 시스템을 위한 도구들(tools)에 관한 것이다.
수술 절차 또는 다른 복잡한 과제 등과 같이 고도의 정확도 및/또는 정밀도를 요하는 분야에서 로봇 시스템들이 종종 이용된다. 이러한 시스템들은 자율 로봇, 원격조정 로봇 및 대화형(interactive) 로봇 등과 같은 여러 형태의 로봇을 포함할 수 있다.
대화형 로봇 시스템들이 관절 치환 수술 등과 같은 일부 형태의 수술에서 선호되는데, 그 이유는, 외과의가 수술 절차의 직접적인, 수작업 제어(hand-on control)를 가능하게 하는 한편 여전히 고도의 정확도 및/또는 정밀도를 달성하는 것을 가능하게 하기 때문이다. 예를 들면, 무릎 치환 수술에 있어서, 외과의는, 대화형의, 촉각으로 안내되는 로봇 팔(haptically guided robotic arm)을 수동적인 방식으로 이용하여, 무릎 이식물(knee implant) 등과 같은 관절 이식물을 수용하도록 뼈를 조각할 수 있다. 뼈를 조각하기 위해서는, 외과의는 손으로 로봇 팔을 쥐고 로봇 팔에 결합된 절단도구(버(burr) 등)를 움직이도록 조작하여 뼈 안에 포켓(pocket)을 절단한다. 외과의가 예를 들면 촉각의 대상체(haptic object)에 의해 규정된 소정의 가상의 절단 경계 안에서 상기 버의 선단(tip)을 유지하는 한, 상기 로봇 팔은 외과의가 상기 로봇 팔을 본질적으로 무중량(weightless)으로 감지하고, 상기 로봇 팔을 원하는 대로 움직일 수 있도록 낮은 마찰과 낮은 관성으로 자유롭게 움직인다. 그러나, 외과의가 상기 버의 상기 선단을 가상의 절단 경계 밖을 절단하도록 움직이고자 시도하는 경우, 상기 로봇 팔은 외과의가 상기 버의 상기 선단을 상기 가상의 절단 경계를 넘어서 움직이는 것을 방지하거나 억제하도록 촉각적인(또는 힘의) 피드백(feedback)을 제공한다. 이러한 방식에서, 상기 로봇 팔은 고도로 정확하게 반복가능한 뼈의 절단을 가능하게 한다. 외과의가 수동으로 무릎 이식물(슬개대퇴 부품(patellofemoral component) 등)을 대응하는 뼈의 절단부 상에 이식하는 경우, 상기 뼈 절단부와 상기 무릎 이식물 사이의 구조 간의 계면(interface) 및 배치형태로 인하여 상기 이식물은 대체로 정확하게 정렬될 것이다.
앞서 기술된 대화형 로봇 시스템은, 비록 무릎 치환 수술에 대해서 유용함에도 불구하고, 고관절 치환 수술(hip replacement surgery) 등과 같이 서로 다른 기능들(예를 들면, 확공(reaming), 타격(impacting)), 서로 다른 구조들(예를 들면, 직선(straight), 오프셋(offset)) 및 서로 다른 중량들을 갖는 다수의 외과적 도구들의 사용을 요구하는 수술 형태들에는 최적으로 적합하지 않다. 다양한 도구들을 수용하도록 설계된 시스템은 엄두를 못 낼 만큼 복잡하고, 다수의 말단장치(multiple end effector)를 필요로 할 수 있으며, 수술 절차 동안에 상기 로봇 팔에 서로 다른 형태들의 도구들을 제거 및 부착하는 것은 수술을 수행하기 위한 시간을 증가시킨다. 게다가, 고관절 치환 수술에 있어서는, 적절한 절단 경계를 유지하는 것에 더하여, 수술 도구들 및 이식물들의 각도 배향(angular orientation)이 중요하다. 예를 들면, 통상의 고관절 치환 수술에 있어서는, 외과의는 골반(pelvis) 내의 컵 형상 소켓(cup-shaped socket)인 환자의 관골구(acetabulum)를 재표면처리(resurface)하기 위하여 반구형의 확공기(hemispherical reamer)를 사용한다. 계속해서, 대응하는 컵 형상 이식물(관골구 컵(acetabular cup))을 타격기 도구(impactor tool)의 원위 단부(distal end)에 부착시킨다. 외과의는 상기 타격기 도구의 근위 단부(proximal end)를 나무망치(mallet)로 반복적으로 타격하는 것에 의하여 확공된 소켓(reamed socket) 내로 상기 관골구 컵을 이식한다. 부정확한 개개의 및/또는 상대적인 배향이 상기 환자의 관골구의 해부학적 구조의 적절한 버전 및 경사각(version and inclination angle)에 대한 상기 관골구 컵의 정렬불량(misalignment)이라는 결과를 가져올 수 있기 때문에 확공된 소켓과 이식된 관골구 컵 둘 다의 각도 배향은 중요하다. 정렬불량은 관절 탈구(joint dislocation), 대퇴골(femur)의 최대 운동범위에서의 관골구 컵에 대한 대퇴골의 충돌 및 대퇴골두-대-관골구 컵의 계면(femoral head-to-acetabular cup interface)의 부적절한 하중으로 인한 관골구 컵의 가속된 마모를 포함하여 수술-후 문제점들을 야기할 수 있다. 정렬은 또한 정확한 다리의 길이 및 내측/외측 오프셋(medial/lateral offset)을 유지시키는 데 중요하다. 마지막으로, 상기 관골구 컵을 상기 확공된 소켓 내로 박아넣는 것은 높은 타격력을 발생시킬 수 있으며, 이는 고도로 정확하고 및/또는 정밀한 작업을 위하여 설계된 로봇 팔을 잠재적으로 손상시킬 수 있다.
상기의 내용을 고려하면, 개선된 로봇 수술 시스템 및 그의 구성요소들에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 관점에 따르면, 도구는 작동부재(operating member)의 적어도 일부를 수용하여 작동부재의 방사상 방향에서의 작동부재의 이동을 제한하는 한편 하우징에 대해서 상기 작동부재의 회전을 허용하도록 구성되는 수용부(receiving portion)를 포함하는 하우징을 포함한다. 상기 도구는 또한 상기 하우징 상에 배치되어서, 상기 작동부재를 상기 하우징에 결합시켜 상기 하우징에 대한 상기 작동부재의 회전을 허용하도록 구성되는 결합장치(coupling device)를 포함한다. 상기 결합장치는 상기 작동부재와 맞물려서 상기 작동부재의 길이방향에서 상기 하우징에 대해서 상기 작동부재의 이동을 제한하도록 구성된 유지 부재(retaining member)를 포함한다. 상기 유지 부재는 상기 하우징에 대해서 회전되도록 구성된다.
다른 관점에 따르면, 다기능 도구용 부품들의 키트(kit-of-parts for a multi-functional tool)는 제1기능을 지니도록 구성된 제1작동부재 및 제2기능을 지니도록 구성된 제2작동부재를 포함한다. 상기 제1작동부재는 제1결합영역(first coupling region)을 구비하고, 상기 제2작동부재는 제2결합영역을 구비한다. 상기 부품들의 키트는 개별적으로 또한 상호호환적으로 상기 제1작동부재와 상기 제2작동부재의 적어도 일부를 수용하여 수용된 해당 작동부재의 방사상 방향에서의 상기 수용된 작동부재의 이동을 제한하는 한편 상기 하우징에 대해서 상기 수용된 작동부재의 회전을 허용하도록 구성된 수용부(receiving portion)를 포함하는 하우징을 포함한다. 결합장치가 상기 하우징 상에 배치되어, 상기 수용된 작동부재를 상기 하우징에 결합시켜 상기 하우징에 대한 상기 수용된 작동부재의 회전을 허용하도록 구성된다. 상기 결합장치는 상기 수용된 작동부재의 길이방향에서 상기 하우징에 대해서 상기 수용된 작동부재의 이동을 제한하도록 하여 상기 제1결합영역 및 상기 제2결합영역 중 대응하는 하나의 결합영역에 맞물리도록 구성되는 유지 부재를 포함한다. 상기 결합장치와 상기 제1작동부재 및 제2작동부재는 상기 결합장치가 상기 제1작동부재의 상기 제1결합영역과 맞물릴 경우 제1제한영역(first region of constraint)에 대해서, 그리고 상기 결합장치가 상기 제2작동부재의 상기 제2결합영역과 맞물릴 경우 상기 제1제한영역과는 다른 제2제한영역에 대해서 상기 수용된 작동부재의 길이방향으로의 이동을 제한하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 로봇 시스템은 제1작동부재, 제2작동부재, 로봇 팔, 상기 로봇 팔에 결합된 하우징 및 상기 하우징 상에 위치되는 결합장치를 포함한다. 상기 제1작동부재는 직선 확공기 샤프트(straight reamer shaft)와 오프셋 확공기 샤프트(offset reamer shaft) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2작동부재는 직선 타격기 샤프트(straight impactor shaft)와 오프셋 타격기 샤프트(offset impactor shaft) 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 하우징은 개별적으로 또한 상호호환적으로 상기 제1작동부재와 상기 제2작동부재의 적어도 일부를 수용하여 수용된 작동부재의 방사상 방향 내에서의 상기 수용된 작동부재의 이동을 제한하는 한편 상기 하우징에 대해서 상기 수용된 작동부재의 회전을 허용하도록 구성된 수용부를 포함한다. 상기 결합장치는 상기 하우징 상에 배치되어, 상기 수용된 작동부재를 상기 하우징에 결합시켜 상기 제1작동부재의 길이방향의 축에 대한 상기 제1작동부재의 회전을 허용하도록 하고, 상기 제2작동부재의 길이방향의 축을 따른 상기 제2작동부재의 이동을 허용하도록 구성된다.
본 명세서의 일부를 구성하며 포함되어 있는 첨부 도면은 본 발명의 양상들을 설명하기 위해 제공되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시형태를 예시한다.
개선된 로봇 수술 시스템 및 그의 구성요소들을 제공한다.
도 1a는 대퇴골과 골반의 사시도;
도 1b는 도 1a의 대퇴골과 골반에 의해 형성되는 고관절의 사시도;
도 2a는 전 고관절 치환 절차(total hip replacement procedure)를 위한 대퇴부 부품(femoral component)과 관골구 부품(acetabular component)의 전개된 사시도;
도 2b는 도 1a의 대퇴골과 골반과 관련하여 각각 도 2a의 대퇴부 부품과 관골구 부품의 치환을 나타낸 사시도;
도 3a는 수술 시스템의 하나의 실시형태의 사시도;
도 3b는 도 3a의 수술 시스템의 로봇 팔의 하나의 실시형태의 사시도;
도 4a는 작동부재의 하나의 실시형태에 결합된 말단장치의 하나의 실시형태의 사시도;
도 4b는 도 4a의 말단장치와 작동부재의 단면도;
도 4c는 도 4a의 작동부재의 샤프트의 사시도;
도 4d는 N-N선을 따라 취한 도 4c의 샤프트의 단면도;
도 5a는 해제 위치(release position)에 있는 도 4a의 말단장치의 결합장치의 하나의 실시형태의 단면도;
도 5b는 연결 위치(connect position)에 있는 도 5a의 결합장치의 단면도;
도 5c는 도 4a의 말단장치의 수용부의 하나의 실시형태의 사시도;
도 5d는 도 5a의 결합장치의 유지 부재의 하나의 실시형태의 사시도;
도 5e는 도 5a의 결합장치의 슬라이드 부재(slide member)의 사시도;
도 6a는 작동부재의 다른 하나의 실시형태에 결합된 도 4a의 말단장치의 사시도;
도 6b는 도 6a의 작동부재의 말단장치의 단면도;
도 6c는 도 6a의 작동부재의 샤프트의 사시도;.
도 7a는 착좌된 위치(seated position)에 있는 작동부재의 다른 실시형태에 결합된 도 4a의 말단장치의 단면도;
도 7b는 확장된 위치(extended position)에 있는 도 7a의 말단장치와 작동부재의 단면도;
도 8a는 해제 위치에 있는 도 7a의 결합장치와 말단장치의 단면도;
도 8b는 연결 위치에 있는 도 8a의 결합장치의 단면도;
도 9a는 작동부재의 또 다른 실시형태에 결합된 도 4a의 말단장치의 사시도;
도 9b는 도 9a의 말단장치와 작동부재의 단면도;
도 10a는 환자의 관골구를 확공하기 위하여 외과의가 도 4a의 말단장치와 작동부재를 파지하는 방법을 나타낸 도면;
도 10b는 관골구 컵을 환자의 확공된 관골구 내로 박아넣기 위하여 외과의가 도 7a의 말단장치와 작동부재를 사용하는 방법을 나타낸 도면;
도 11은 고관절 치환 절차의 단계들의 실시형태를 나타낸 도면;
도 12는 제1절단요소(first cutting element)와 제2절단요소의 하나의 실시형태의 단면도;
도 13a는 제1제한(first constraint)의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 13b는 제2제한의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 14a 내지 도 14g는 수술 절차 동안에 사용하기 위한 컴퓨터 디스플레이(computer display)의 실시형태들을 나타낸 도면;
도 15는 가상 브레이크(virtual brake)의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 16a는 체결 해제된(disengaged) 가상 브레이크의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 16b는 체결된(engaged) 가상 브레이크의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 17a는 계측장비부착 연결장치(instrumented linkage)의 하나의 실시형태를 나타낸 도면;
도 17b는 파킹 배치형태(parking configuration)에 있는 도 17a의 계측장비부착 연결장치의 하나의 실시형태를 나타낸 도면.
본 발명의 현재 바람직한 실시형태들을 상기 도면들에 나타내었다. 전체 도면들을 통하여 동일하거나 유사한 부품들을 언급하는 데 동일하거나 또는 유사한 참조번호들을 사용하려고 하였다. 비록 본 명세서가 정형외과학적 고관절 치환(orthopedic hip replacement)을 위하여 일차적으로는 로봇 팔을 언급하고 있기는 하나, 본 명세서에서 기술된 주제는 수술 및 비수술 적용예들에 사용되는 것들을 포함하여 다른 형태들의 로봇 시스템들에도 적용가능하고, 마찬가지로 예를 들면 어깨 관절(shoulder joint) 등과 같은 신체의 다른 관절들에도 적용가능하다는 것은 이해되어야 한다.
개요
고관절은 대퇴골과 골반 사이의 관절이며, 주로 정적(예를 들면, 직립(standing) 및 동적(예를 들면, 보행(walking)) 자세들에서 신체의 체중을 지지하도록 기능한다. 도 1a는 고관절(10)의 뼈들을 나타내고 있으며, 이는 골반(12)(부분적으로 도시함)과 대퇴골(14)의 근위 단부를 포함한다. 상기 대퇴골(14)의 근위 단부는 대퇴골 경부(femoral neck)(18) 상에 위치되는 대퇴골두(16)를 포함한다. 상기 대퇴골 경부(18)는 상기 대퇴골두(16)를 대퇴골 간부(femoral shaft)(20)에 연결한다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 대퇴골두(16)는 관골구(22)라 불리는 상기 골반(12) 내의 오목한 소켓(concave socket) 내에 들어맞으며, 그에 의하여 상기 고관절(10)을 형성한다. 상기 관골구(22)와 대퇴골두(16)들은 양쪽 모두 타격을 흡수하고 또한 상기 관절(10)의 연접(articulation)을 촉진하는 연골(articular cartilage)로 덮여있다.
시간의 경과에 따라, 고관절(10)은 (예를 들면, 퇴행성 관절염(osteoarthritis)으로 인하여) 퇴화되어 통증과 기능성 저감을 초래할 수 있다. 결과적으로, 전 고관절 치환술(total hip arthroplasty) 또는 고관절 재표면처리(hip resurfacing) 등과 같은 고관절 치환 절차가 필요할 수 있다. 고관절 치환 동안에, 외과의는 환자의 고관절(10)의 부분들을 인공 부품(artificial component)들로 치환한다. 전 고관절 치환술에 있어서는, 외과의는 대퇴골두(16)와 대퇴골 경부(18)를 제거하고, 본래의 뼈(natural bone)를 두부(head)(26a), 경부(neck)(26b) 및 간상부(stem)(26c)를 포함하는 보철 대퇴골 부품(prosthetic femoral component)(26)으로 치환한다(도 2a에 나타냄). 도 2b에 나타낸 바와 같이, 상기 대퇴골 부품(26)의 상기 간상부(26c)는 외과의가 상기 대퇴골(14)의 골수강(intramedullary canal) 내에 형성한 공동(cavity) 내에 고정된다. 대안적으로, 질병이 상기 대퇴골두(16)의 표면에 한정된 경우, 외과의는 덜 침습적인 접근법(less invasive approach)을 채택하는 경향이 있으며, 여기에서는 상기 대퇴골두는 재표면처리되고(예를 들면, 원통형의 확공기(cylindrical reamer)를 사용하여), 계속해서 보철 대퇴골두 컵(prosthetic femoral head cup)(도시하지 않음)과 짝지워진다. 유사하게, 상기 골반(12)의 본래의 관골구(22)가 마모되거나 또는 질병에 걸린 경우, 외과의는 확공기를 사용하여 상기 관골구(22)를 재표면처리하고, 본래의 표면을 라이너(liner)(28b)를 포함할 수 있는 반구형으로 형상화된 컵(28a)(도 2a에 나타냄)을 포함하는 보철 관골구 부품(28)으로 대체한다. 상기 관골구 부품(28)을 설치하기 위해서는, 외과의는 상기 컵(28a)을 타격기 도구의 원위 단부에 연결하고, 상기 타격기 도구의 근위 단부를 나무망치로 반복적으로 타격하는 것에 의하여 상기 컵(28a)을 상기 확공된 관골구(22) 내로 이식한다. 상기 관골구 부품(28)이 라이너(28b)를 포함하는 경우, 외과의는 상기 컵(28a)을 이식한 이후에 상기 라이너(28b)를 상기 컵(28a) 내로 집어넣는다. 외과의가 수술을 위하여 환자를 위치시키는 위치에 따라, 외과의는 상기 관골구(22)를 확공하기 위하여 직선 또는 오프셋된 확공기를, 또한 상기 관골구 컵(28a)을 이식하기 위하여 직선 또는 오프셋 타격기를 사용할 수 있다. 예를 들면, 후외측 접근법(postero-lateral approach)을 사용하는 외과의는 직선의 확공 및 타격을 선호할 수 있음에 반하여 전외측 접근법(antero-lateral approach)을 사용하는 외과의는 오프셋된 확공 및 타격을 선호할 수 있다.
예시적인 로봇 시스템
수술 시스템은 고관절 치환뿐만 아니라 다른 수술 절차를 수행하기 위하여 본 발명에 따라 구성될 수 있다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수술 응용(surgical application)을 위한 수술 시스템(5)의 일 실시형태는 컴퓨터 보조 네비게이션 시스템(computer assisted navigation system)(7), 추적장치(tracking device)(8), 디스플레이 장치(9)(또는 다수의 디스플레이 장치(9)) 및 로봇 팔(30)을 포함한다.
상기 로봇 팔(30)은 외과의에 의하여 대화형 방법으로 사용되어 환자에 대해서 고관절 치환 절차 등과 같은 수술 절차를 수행하도록 할 수 있다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 로봇 팔(30)은 베이스(32), 관절식 팔(articulated arm)(34), 포스 시스템(force system)(도시하지 않음) 및 제어기(controller)(도시하지 않음)를 포함한다. 수술 도구(예를 들면, 작동부재를 갖는 말단장치(40))가 상기 관절식 팔(34)에 결합되고, 외과의는 상기 관절식 팔(34) 및/또는 상기 수술 도구를 파지하고, 수동으로 이동시키는 것에 의하여 상기 수술 도구를 조작한다.
상기 포스 시스템 및 제어기는 상기 수술 도구의 조작 동안에 외과의에게 제어 및 안내(guidance)를 제공하도록 구성된다. 상기 포스 시스템은 관절식 팔(34)을 통하여 상기 수술 도구에 적어도 일부의 힘을 제공하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 포스 시스템을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 프로그래밍된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 포스 시스템은 외과의가 예를 들어 각각 본 명세서에서 그의 전문이 참조로 인용된 2006년 2월 21일 출원된 미국 특허출원 제11/357197호(공개번호 제US 2006/0142657호) 및/또는 2009년 12월 22일 출원된 미국 특허출원 제12/654,591호에 기재된 촉각적인 대상체로 한정된 소정의 가상 경계를 넘어서 수술 도구를 수동으로 이동시키는 것을 제한하거나 또는 저해하기 위한 촉각적인(또는 힘) 피드백을 제공하는 작동기(actuators)들 및 후진가능한 트랜스미션(backdriveable transmission)을 포함한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 수술 시스템은 미국 플로리다주 포트 로더데일시(Fort Lauderdale)에 소재한 마코 서지컬 코포레이션(MAKO Surgical Corp.)에 의해 생산된 리오(등록상표) 로보틱 아암 인터랙티브 오쏘페딕 시스템(RIO® Robotic Arm Interactive Orthopedic System)이다. 상기 포스 시스템 및 제어기는 바람직하게는 상기 로봇 팔(30) 내에 하우징된다.
상기 추적장치(8)는 (상기 로봇 팔(34)에 결합된) 상기 수술 도구 및 환자의 해부학적 구조의 상대적인 위치를 추적하도록 구성된다. 상기 수술 도구는 상기 추적장치(8)에 의하여 직접 추적될 수 있다. 대안적으로, 상기 수술 도구의 자세(pose)는 상기 로봇 팔(30)의 상기 베이스(32)의 위치를 추적하고, 상기 로봇 팔(30)의 관절들로부터의 관절 인코더 데이터(joint encoder data) 및 상기 수술 도구와 상기 로봇 팔(30) 사이의 공지의 기하학적 관계를 기초로 상기 수술 도구의 자세를 계산함으로써 결정될 수 있다. 특히, 상기 추적장치(8)(예를 들면, 광학적, 수학적, 전자기학적 또는 기타 공지의 추적 시스템)는 상기 수술 도구의 자세(즉, 위치 및 배향)와 환자의 해부학적 구조를 추적(또는 결정을 가능하게)하므로, 상기 네비게이션 시스템(7)이 상기 도구와 해부학적 구조 간의 상대적 관계를 알도록 한다
수술에 있어서, 사용자(예를 들면, 외과의)는 수동으로 상기 로봇 팔(30)을 이동시켜 상기 수술 도구(예를 들면, 작동부재를 갖는 상기 말단장치(40))를 조작하여 뼈 절단 또는 이식물 설치 등과 같은 환자에 대한 수술 과업(surgical task)을 수행한다. 외과의가 상기 도구를 조작함에 따라, 상기 추적장치(8)가 상기 수술 도구의 위치를 추적하고 상기 로봇 팔(30)이 촉각적인(또는 힘) 피드백을 제공하여 외과의가 상기 도구를 환자의 해부학적 구조에 대해서 등록된(또는 맵핑된(mapped)) 소정의 가상의 경계를 너머서 이동시킬 가능성을 제한하도록 하며, 이는 고도로 정확하고 반복가능한 뼈의 절단 및/또는 이식물 설치의 성과를 가져온다. 상기 로봇 팔(30)은 수동 방식으로 작동되어, 외과의가 상기 수술 도구를 상기 가상 경계 너머로 이동시키고자 시도하는 경우, 촉각적인 피드백을 제공한다. 상기 촉각적인 피드백은 상기 로봇 팔(30) 내의 하나 또는 그 이상의 작동기(예를 들면, 모터)에 의해 생성되고, 케이블 구동 트랜스미션(cable drive transmission) 등과 같은 가요성(flexible)의 트랜스미션을 통하여 외과의에게 전달된다. 상기 로봇 팔(30)이 촉각적인 피드백을 제공하지 않는 경우, 상기 로봇 팔(30)은 외과의에 의하여 자유롭게 이동가능하며, 바람직하게는 외과의에 의해 원하는 대로 활성화될 수 있는 가상의 브레이크를 포함한다. 수술 절차 동안, 상기 네비게이션 시스템(7)은 상기 디스플레이 장치(9)들 중의 어느 하나 또는 양쪽 모두에 수술 절차에 관한 화상들을 표시한다.
말단장치
수술 도구는 예를 들면 로봇 팔(30)로 작동하도록 하는 한편 변형 및 다른 기능들의 성능을 허용하도록 구성될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 수술 도구의 하나의 실시형태를 나타낸 도면들이다. 이 실시형태에 있어서, 상기 도구는 상기 로봇 팔(30)의 하나의 단부에 장착되도록 구성되는 말단장치(40)이다. 상기 말단장치(40)는 장착부(mounting portion)(50), 하우징(60), 결합장치(70) 및 해제 부재(80)를 포함한다. 상기 말단장치(40)는 상기 로봇 팔(30)에 대해서 개별적으로 또한 상호호환적으로 다수의 작동부재를 지지하고, 정확하게 위치시키도록 구성된다. 도 4a 내지 도 4c에 있어서, 상기 말단장치(40)는 작동부재(100)에 결합된다.
상기 장착부(또는 마운트(mount))(50)는 바람직하게는 상기 말단장치(40)를 상기 로봇 팔(30)에 결합시킨다. 특히, 상기 장착부(50)는 상기 하우징(60)으로부터 연장되고, 예를 들어 기계적 체결구(mechanical fastener)들을 사용하여 상기 장착부들이 서로에 대해서 고정되도록 하여 상기 로봇 팔(30)의 대응하는 장착부(35)에 상기 말단장치(40)를 결합시키도록 구성된다. 상기 장착부(50)는 상기 하우징(60)에 부착되거나 또는 상기 하우징(60)과 일체로 형성되고, 상기 로봇 팔(30)에 대해서 상기 말단장치(40)를 정확하게 또한 반복가능하게 위치시키도록 구성된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 장착부(50)는 본 명세서에서 그의 전체로서 참조로 인용된 2009년 12월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제12/644,964호에 기술된 바와 같은 반-동적 마운트(semi-kinematic mount)이다.
상기 하우징(60)은 상기 작동부재(100)를 수용하고, 외과의에게 사용자 인터페이스(user interface)를 제공하도록 구성된다. 예를 들면, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 바와 같이, 외과의는 상기 하우징(60)을 쥐고 상기 말단장치(40)를 조작하여 상기 작동부재(100)로 과업을 수행한다. 이 실시형태에 있어서, 상기 하우징(60)은 중심축(A-A), 근위 단부(60a) 및 원위 단부(60b)를 갖는 중공의 세장형 원통(hollow elnogated cylinder)이다.
도 4b를 참조하면, 상기 말단장치(40) 내에 상기 작동부재(100)를 설치하기 위해서는, 외과의는 상기 작동부재(100)의 샤프트(110)의 원위 단부(100a)를 상기 하우징(60)의 상기 원위 단부(60b) 내로 삽입시키고, 상기 샤프트(110)를 방향(T1)으로 슬라이딩시켜 해제 부재(80)를 작동시키며, 이는, 상기 결합장치(70)가 "해제" 위치로 이동하고, 상기 샤프트(110)가 상기 하우징(60) 내에 충분히 수용되도록 하는 것을 가능하게 한다. 상기 샤프트(110)가 적절한 양으로 상기 하우징(60)의 근위 단부(60a)로부터 연장되는 경우, 외과의는 상기 해제 부재(80)를 해제시키며, 이는 상기 결합장치(70)를 "연결"위치로 이동시키고, 상기 샤프트(110)를 상기 하우징(60)에 결합시킨다. 일단 상기 샤프트(110)가 상기 하우징에 결합되면, 구동 모터(drive motor)(112), 절단요소(116) 또는 상기 작동부재(100)의 다른 구성요소 등과 같은 별도의 장비가 상기 샤프트(110)에 부착될 수 있다.
상기 말단장치(40)로부터 상기 작동부재(100)를 제거하기 위해서는, 외과의는 상기 구동모터(112) 및 절단요소(116)를 제거하고, 상기 해제 부재(80)를 작동시키며, 이는 상기 결합장치(70)를 해제 위치로 이동시킨다. 계속해서 외과의는 상기 작동부재(100)가 상기 하우징(60)의 상기 원위 단부(60b)로부터 완전히 제거될 때까지 상기 축(100)을 방향(T2)으로 슬라이딩시킨다.
상기 말단장치(40)는 상기 작동부재(100)의 단지 소정의 이동만을 허용하는 수용부(62)를 포함할 수 있다. 상기 수용부(62)는 상기 하우징(60) 내에 위치된다. 상기 수용부(62)는 상기 작동부재(100)의 적어도 일부를 수용하여 상기 하우징(60)에 대한 상기 작동부재(100)의 회전을 허용하는 한편 상기 작동부재(100)의 방사상 방향(R)으로 상기 작동부재(100)의 이동을 제한하도록 구성된다(도 4d에 도시됨). 예를 들면, 도 5a 및 도 5c에 나타낸 바와 같이, 상기 수용부(62)는 (예를 들면, 기계적 체결구를 사용하여) 상기 하우징(60)에 부착되는 플랜지(flange)(64) 및 그를 통하여 상기 작동부재(100)가 연장되는 원통부(cylindrical portion)(66)를 포함한다. 비록 상기 수용부(62)가 상기 플랜지(64)를 통하여 상기 하우징(60)에 대해서 고정되기는 하나, 상기 작동부재(100)는 (예를 들면, 기계적 체결구들, 억지끼워맞춤(interference fit) 등을 통하여) 상기 수용부(62)에는 연결되지 않으며, 따라서 상기 수용부(62)와 상기 하우징(60)에 대해서 회전하고 병진이동될 수 있다. 그러나, 상기 작동부재(100)가 상기 원통부(66)를 통하여 연장되기 때문에, 상기 작동부재(100)는 상기 원통부(66)에 의하여 제한되고 상기 방사상 방향(R)으로 이동되는 것이 방지된다. 상기 수용부(62)는 또한 상기 결합장치(70)가 이하에서 기술되는 바와 같이 상기 작동부재(100)에 결합되도록 하는 것을 가능하게 하는 적어도 하나의 홀(hole)(68)을 포함한다.
상기 말단장치의 상기 결합장치(70)는 상기 작동부재의 길이방향의 이동에 대한 제한을 제공하도록 사용될 수 있다. 상기 결합장치(70)는 상기 하우징(60) 상에 위치되고, 상기 작동부재(100)를 상기 하우징(60)에 결합시켜 상기 하우징(60)에 대한 상기 작동부재(100)의 회전을 허용하도록 구성된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 결합장치(70)는 유지 부재(72)를 포함한다. 이하에서 기술되는 바와 같이, 상기 유지 부재(72)는 상기 작동부재(100)와 맞물려서 상기 작동부재(100)의 길이방향(L)으로 상기 하우징(60)에 대한 상기 작동부재(100)의 이동을 제한하는 한편(도 4c에 나타냄) 상기 작동부재(100)의 회전을 허용하도록 구성된다.
도 5a 내지 도 5c에 나타낸 바와 같이, 상기 유지 부재(72)는 제1부(first portion)(74) 및 제2부분(76)을 포함한다. 상기 제1부분(74)은 길이방향(L)으로 병진이동되고, 상기 하우징(60)에 대해서 회전되도록 구성된다. 예를 들면, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 제1부분(74)은 베어링(78)(예를 들면, 볼베어링)을 통하여 상기 해제 부재(80)에 결합된다. 상기 제1부분(74)은 상기 베어링(78)의 내륜(inner race)에 견고하게 고정되는 한편 상기 베어링(78)의 외륜은 상기 해제 부재(80)의 슬라이드 부재(82)에 견고하게 고정되고, 따라서 상기 제1부분(74)이 상기 하우징(60)에 대해서 낮은 마찰로 회전되게 할 수 있다. 상기 슬라이드 부재(82)는 상기 해제 부재(80)의 손잡이(knob)(84)에 연결되고 길이방향(L)으로 병진이동될 수 있다. 압축스프링(86)이 상기 하우징(60)에 견고하게 고정되는 스프링 받침(spring retainer)(88)과 상기 슬라이드 부재(82) 사이에 위치된다. 상기 압축스프링(86)은 상기 슬라이드 부재(82)와 손잡이(84)를 전방위치(forward position)(도 5b에 나타낸 연결 위치) 쪽으로 편향시킨다. 외과의가 상기 손잡이(84)를 상기 하우징(60)으로부터 방향(T1)에서 뒤로(도 5a에 나타낸 해제위치로) 당기는 것에 의하여 상기 손잡이(84)를 작동시키는 경우, 상기 슬라이드 부재(82)는 상기 손잡이(84)에 대해서 이동되고 상기 압축스프링(86)을 압축시킨다. 상기 제1부분(74)이 상기 베어링(78)을 통하여 상기 슬라이드 부재(82)에 결합되어 있기 때문에, 상기 제1부분(74)은 또한 상기 손잡이(84)가 상기 해제위치로 이동되는 경우 상기 길이방향(L)을 따라 병진이동된다. 이러한 방식으로, 상기 해제 부재(80)가 상기 결합장치(70)에 결합되고 상기 연결위치와 상기 해제위치 사이에서 상기 유지 부재(72)가 이동되도록 구성된다.
상기 유지 부재(72)의 상기 제2부분(76)은 상기 길이방향(L)을 따르는 상기 제1부분(74)의 이동에 대응하여 상기 방사상 방향(R)을 따라 이동하도록 구성된다. 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 제1부분(74)은 상기 하우징(60)의 상기 수용부(62)에 대해서 외측으로 위치되고 상기 제2부분(76)과 결합되도록 구성되는 표면(74a)을 포함하며, 상기 제1부분(74)이 제1위치(도 5a에 나타낸 상기 해제위치)로부터 제2위치(도 5b에 나타낸 상기 연결위치)로 이동함에 따라 상기 방사상 방향(R)으로 상기 제2위치(76)로 이동된다. 하나의 실시형태에 있어서, 도 5d에 나타낸 바와 같이, 상기 제1부분(74)은 중공의 원통이고, 상기 표면(74a)은 상기 원통의 경사진 내면이다. 상기 제1부분(74)은 상기 표면(74)이 상기 방향(T1)으로 경사지도록(즉, 상기 제1부분(74)의 내측반경이 감소되도록) 상기 하우징(60)에 대해서 배향된다. 이 실시형태에 있어서, 상기 제2부분(76)은 상기 수용부(62)의 상기 홀(68)과 정렬되는 적어도 하나의 볼베어링을 포함한다. 바람직하게는, 상기 제2부분(76)은 각각이 상기 수용부(62) 상에서 대응하는 홀(68)과 정렬되는 다수의 볼베어링(예를 들면, 4개)을 포함한다. 상기 표면(74a)이 경사져 있기 때문에, 상기 제1부분(74)이 상기 해제위치(도 5a)로부터 상기 연결위치(도 5b)로 이동함에 따라 상기 표면(74a)은 상기 볼베어링들을 방사상으로 내측으로 가압한다. 각 볼베어링은 상기 방사상 방향(R)을 따라 대응하는 홀(68)에서 내측으로 이동하여 상기 작동부재(100)의 일부와 맞물리게 된다.
상기 작동부재(100)는 상기 결합장치(70)와 협동하여 길이방향의 이동에 대한 제한을 유지하도록 한다. 상기 작동부재(100)는 결합영역(102)을 포함한다. 상기 결합영역(102)이 상기 홀(68)과 정렬되고, 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치로 이동되는 경우, 상기 결합장치(70)는 상기 길이방향(L)에서 제한영역(Y)으로의 이동을 제한하도록 적용된다(도 5b에 도시됨). 이 실시형태에 있어서, 상기 결합영역(102)은 상기 작동부재(100)의 원주 표면(peripheral surface)(106)의 오목부(recess)이다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, 상기 오목부(104)는 근위 단부(104a)와 원위 단부(104b)를 갖는다. 상기 근위 단부(104a) 및 원위 단부(104b)는 제한영역(Y) 내에서의 상기 작동부재(100)의 움직임의 범위를 한정한다. 예를 들면, 상기 볼베어링이 방사상 내측으로 상기 홀(68)들 내로 움직이는 경우, 이들은 도 5b에 나타낸 바와 같이 상기 오목부(104)와 결합한다. 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치 내에 존재하는 경우, 상기 볼베어링들은 상기 표면(74a)과 상기 오목부(104) 사이에 포획되며, 따라서 상기 방사상 방향(R)에서의 움직임이 방지된다. 유사하게, 상기 볼베어링들이 상기 홀(68)들 내에 수용되기 때문에, 이들은 길이방향(L)으로 이동되는 것이 제한된다. 비록, 상기 볼베어링들이 포확되었음에도 불구하고, 이들은 상기 베어링(78) 내의 볼베어링들과 유사한 방법으로 회전하는 것은 자유롭다. 따라서, 상기 표면(74a)은 볼베어링의 외륜으로서 기능하는 한편 상기 오목부(104)는 볼베어링의 내륜으로서 기능한다. 이러한 방식으로, 상기 볼베어링들(즉, 상기 유지 부재(72)의 제2부분(76))은 상기 작동부재(100) 및 상기 유지 부재(72)의 상기 제1부분(74) 양쪽 모두에 대해 회전하도록 구성된다. 연결위치에 있어서, 상기 볼베어링들이 상기 오목부(104)와 결합되는 경우, 해당 볼베어링들은 상기 오목부(104)의 상기 근위 단부(104a) 및/또는 상기 원위 단부(104b)와 상호작용하여(즉, 접촉하여) 상기 작동부재(100)의 길이방향의 이동을 제한하도록 한다. 이러한 실시형태에 있어서, 상기 오목부(104)의 길이방향의 길이(L1)는 상기 볼베어링들이 상기 연결위치에서 상기 제1결합영역(102)과 맞물리는 경우 상기 근위 단부(104a) 및 원위 단부(104b)가 동시에 상기 볼베어링들과 접촉하도록 하는 크기로 된다. 그 결과, 상기 작동부재(100)가 실질적으로 상기 길이방향(L)에서 이동하는 것이 제한된다.
위에서 기술한 바와 같이, 상기 유지 부재(72)의 상기 제1부분(74) 및 제2부분(76)의 양쪽 모두는 자유롭게 회전할 수 있고, 상기 제1부분(74)은 상기 하우징(60) 내에서 슬라이딩가능하다. 이러한 방식에서, 상기 유지 부재(72)는 상기 하우징(60)에 대해서 또한 상기 작동부재(100)에 대해서 회전가능하고, 상기 하우징(60)의 축(A-A)을 따라 축상으로 이동되도록 구성된다. 게다가, 상기 유지 부재(72)는 제1위치와 제2위치(연결위치와 해제위치) 사이에서 이동가능하게 구성되고, 상기 유지 부재(72)가 상기 제1위치(도 5b의 연결위치)에 있는 경우에는 상기 작동부재(100)를 제한하고, 상기 유지 부재(72)가 상기 제2위치(도 5a의 해제위치)에 있는 경우에는 상기 작동부재(100)가 상기 하우징(60)으로부터 분리되는 것을 허용하도록 구성된다.
도 4a 내지 도 5b의 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(100)는 고관절 치환 절차 동안에 상기 관골구(22)를 재표면처리하기 위한 확공기이다. 상기 작동부재(100)는 근위 단부(100a)와 원위 단부(100b)들을 갖는 샤프트(110)를 포함한다. 상기 근위 단부(100a)는 상기 구동모터(112)와 결합되도록 구성된다. 상기 원위 단부(100b)는 뼈를 절단하도록 구성된 상기 절단요소(116)를 결합하는 부착 기구(attachment mechanism)(114)를 포함하는 작업물-결합 단부(workpiece-engaging end)이다. 작동에 있어서(도 10a에 도시됨), 외과의는 상기 구동모터(112)를 한 손으로 작동시키고, 상기 말단장치를 다른 손으로 파지하여 상기 말단장치(40)를 조작하도록 한다. 상기 구동모터(112)는 상기 작동부재(100)와 상기 절단요소(116)에 회전운동을 가한다. 도 11의 S8 단계에 관하여 이하에서 더욱 기술하는 바와 같이, 외과의는 수술계획에 따라 상기 관골구(22)에 대해서 상기 작동부재(100)를 위치시키고, 회전하는 절단요소(116)로 상기 관골구(22)의 표면을 확공한다. 상기 회전하는 절단요소(116)가 상기 관골구(22)와 접촉하는 경우, 상기 관골구(22)의 표면(예를 들면, 질병에 걸린 뼈)은 잘라 내지거나, 재표면처리된다.
외과의에게 유연성을 제공하기 위하여, 상기 말단장치(40)는 상기 작동부재(100)가 다른 작동부재로 교환될 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 상기 작동부재(100)는 작동부재(200)와 교환될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(200)는 오프셋된 확공기이다. 잘 알려진 바와 같이, 오프셋된 확공기는 후외측 접근법과는 반대되는 전외측 접근법을 사용하는 외과의에 의해 직선 확공기보다 선호될 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(200)는 해당 작동부재(200)가 오프셋 부분(220)을 포함하는 것을 제외하고는 상기 작동부재(100)와 동일하다. 예를 들면, 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 바와 같이, 상기 작동부재(200)는 구동모터(112)와 결합되도록 구성되는 근위 단부(200a) 및 절단요소(116)와 동일하거나 또는 유사한 절단요소(도시하지 않음)와 결합하는 부착 기구(214)를 포함하는 원위 단부(200b)를 포함한다. 상기 오프셋 부분(220)은 샤프트(210)와 연결되고, 유니버셜 조인트(universal joint)(228)들을 갖는 오프셋 샤프트(224)를 포함한다. 상기 오프셋 샤프트(224)는 지지 하우징(support housing)(222)에 의해 둘러싸이고, 이중쌍 볼베어링(duplex pair ball bearing)(226)들이 상기 지지 하우징(222)에 대해서 상기 오프셋 샤프트(224)가 낮은 마찰로 회전하도록 하는 것을 가능하게 한다. 상기 오프셋 부분(220)은 또한 상기 말단장치(40)의 상기 하우징(60) 내의 대응하는 슬롯(slot)(632)과 결합하는 회전방지핀(anti-rotation pin)(232)을 포함한다. 상기 회전방지핀(232)은 상기 오프셋 부분(220)이 상기 말단장치(40)에 정확하게 조립되도록 하며, 상기 구동모터(112)에 의해 토크(torque)가 적용되는 경우 상기 하우징(60)에 대한 상기 지지 하우징(222)의 회전을 방지한다. 상기 작동부재(200)는 상기 작동부재(100)와 동일한 방식으로 상기 결합장치(70)를 통하여 상기 말단장치(40)에 결합된다. 특히, 상기 작동부재(200)는 상기 작동부재(100)와 관련하여 앞서 기술된 것과 동일한 방식으로 상기 말단장치(40)의 상기 결합장치(70)와 결합하는 오목부(204)를 갖는 결합영역(202)을 포함한다. 작동 시, 외과의는 고(상기 작동부재(100)와 관련하여 앞서 기술한 바와 같이) 상기 작동부재(200)의 상기 샤프트(210)를 상기 말단장치(40)에 결합시키고, 상기 손잡이(84), 상기 구동모터(112) 및 상기 절단요소(116)들을 상기 샤프트(210)에 부착시키고, 상기 작동부재(200)를 상기 작동부재(100)와 동일한 방식으로 작동시킨다.
상기 말단장치(40)는 또한 개별적으로 그리고 다른 기능들을 갖는 다중 작동부재들과 상호호환적으로 사용될 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 제1작동부재가 제1기능을 지니도록 구성될 수 있고, 제2작동부재가 제2기능을 지니도록 구성될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제1작동부재는 상기 작동부재(100)(도 4a 내지 도 5b에 도시됨)이거나, 또는 확공 기능을 갖는 상기 작동부재(200)(도 6a 내지 도 6c에 도시됨)이고, 상기 제2작동부재(200)는 타격 기능을 갖는 작동부재(300)(도 7a 내지 도 8b에 도시됨)이다. 이 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(300)는 관골구 컵(예를 들면, 상기 관골구 컵(28a))을 준비된 관골구 내로 이식하기 위한 직선 타격기이다. 대안적으로, 상기 제2작동부재는 오프셋 타격기 등과 같은 작동부재(400)(도 9a 및 도 9b에 도시됨)가 될 수 있다. 상기 작동부재(300)는 상기 작동부재(300)가 절단요소 대신 보철 부품(316)(예를 들면, 상기 관골구 컵(28a))과, 또한 구동모터 대신 타격기 두부(impactor head)(312)와 결합하도록 구성되는 것을 제외하고는 상기 작동부재(100)와 유사하다. 또한, 상기 작동부재(300)는 상기 말단장치(40)에 대해 방향(T1), (T2)에서 병진이동되도록 구성된다. 특히, 상기 작동부재(300)는 외과의가 상기 타격기 두부(312)에 타격력을 적용시키는 경우, 결합된 장착부(35, 50)에 대해서 병진이동되도록 구성된다.
상기 작동부재(300)는 근위 단부(300a)와 원위 단부(300b)를 갖는 샤프트(310)를 포함한다. 상기 원위 단부(300b)는 상기 보철 부품(316)에 (예를 들면, 스크류 나사산들을 통하여) 결합되도록 구성되는 작업물-결합 단부이다. 상기 근위 단부(300a)는 환자의 고관절 내로 보철장치(316)를 타격하기에 충분한 타격력을 견디도록 구성된다. 예를 들면, 상기 근위 단부(300a)는 적절한 기구(예를 들면, 스크류 나사산들, 기계적 체결구들, 키 홈(key way) 등)를 사용하여 상기 타격기 두부와 결합하도록 구성된다. 잘 알려진 바와 같이, 상기 타격기 두부(312)는 외과의가 상기 작동부재(300)에 힘을 가하도록 (예를 들면, 나무망치(340)로) 타격하는 표면(312a)을 제공한다. 상기 타격기 두부(312)는 또한 외과의가 쥐고, 상기 작동부재(300)를 회전시켜 상기 보철 부품(316)을 상기 원위 단부(300b) 상으로 나사식으로 결합시키거나 그로부터 분리되도록 할 수 있다.
상기 작동부재(300)는 상기 결합장치(70)가 연결위치 내에 있는 경우 해당 작동부재(300)가 상기 말단장치(40)에 대해서 병진이동되도록 구성된 것을 제외하고는 상기 작동부재(100)와 관련하여 앞서 기술된 바와 동일한 방식으로 상기 결합장치(70)를 통하여 상기 말단장치(40)에 결합된다. 예를 들면, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 상기 작동부재(300)는 상기 말단장치(40)의 상기 결합장치(70)와 결합하는 결합영역(302)을 포함한다. 상기 제1작동부재(100)의 상기 결합영역(102)과 동일한 방식으로, 상기 결합영역(302)이 상기 수용부(62)의 상기 홀(68)과 정렬되고, 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치(도 8b에 도시됨)로 이동되는 경우, 상기 결합장치(70)는 상기 길이방향(L)에서의 상기 제한영역(Z)(도 8b에 도시됨)으로의 상기 작동부재(100)의 이동을 제한한다. 예를 들면, 상기 결합영역(302)은 상기 샤프트(310)의 원주 표면(306) 내에 오목부(304)를 포함한다. 상기 오목부(304)는 근위 단부(304a)와 원위 단부(304b)를 갖는다. 상기 근위 단부(304a) 및 원위 단부(304b)는 상기 제한영역(Z) 내에서의 상기 작동부재(300)의 운동의 범위를 한정한다. 도 8a는 해제위치에서의 상기 결합장치(70)를 나타내고 있다. 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치(도 8b에 도시됨)로 이동하는 경우, 상기 유지 부재(72)의 상기 볼베어링(즉, 제2부분(76))은 방사상으로 내측으로 상기 홀(68)들 내로 이동하고, 상기 오목부(304)와 결합한다. 상기 볼베어링들이 상기 오목부(304)와 결합되는 경우, 상기 볼베어링들은 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a) 및/또는 상기 원위 단부(304b)와 상호작용하여 상기 작동부재(300)의 길이방향의 이동을 제한하도록 한다. 이 실시형태에 있어서, 상기 오목부(304)의 길이방향의 길이(L3)는 상기 작동부재가 상기 오목부(304)의 범위 내에서 병진이동할 수 있도록 하는 크기를 갖는다. 예를 들면, 상기 작동부재(300)는 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a)가 상기 볼베어링들에 접촉하고 그에 의하여 방향(T2)에서의 상기 작동부재(300)의 이동을 제한할 때까지 상기 방향(T2)으로 병진이동될 수 있다. 유사하게는, 상기 작동부재(300)는 상기 오목부(304)의 상기 원위 단부(304b)가 상기 볼베어링들에 접촉하고 그에 의하여 방향(T1)에서의 상기 작동부재(300)의 이동을 제한할 때까지 상기 방향(T1)으로 병진이동될 수 있다. 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치에 있는 경우에 상기 작동부재(300)가 상기 제한영역(Z) 내에서 수동으로 병진이동되는 능력은 유리하게도 상기 나무망치의 힘이 상기 말단장치(40)를 통하여 상기 로봇 팔(30)로 전달됨이 없이 외과의가 상기 타격기 두부(312)를 상기 나무망치(340)로 타격하는 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 상기 결합영역(302)은 타격력으로 인하여 손상되는 것으로부터 상기 로봇 팔(30)을 보호한다.
도 5b와 도 8b를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 상기 작동부재(100)의 상기 오목부(104)의 길이방향 길이(L1)는 상기 작동부재(300)의 길이방향의 길이(L3)보다 더 짧다. 상기 오목부(104)의 길이방향 길이(L1)와 상기 유지 부재(72)(즉, 볼베어링)를 갖는 상기 오목부(104)의 상기 근위 단부(104a) 및 상기 원위 단부(104b)의 상호작용은 제한영역(Y)을 한정한다. 상기 연결위치에서 상기 볼베어링들이 상기 제1결합영역(102)에 결합되는 경우, 상기 근위 단부(104a)와 상기 원위 단부(104b)가 동시에 상기 볼베어링들과 접촉하기 때문에, 상기 제한영역(Y)은 실질적으로 상기 하우징(60)에 대해서 고정된 축 상의 위치이다. 그 결과, 상기 결합장치(70)가 상기 연결위치에 존재하는 경우, 상기 작동부재(100)는 실질적으로 길이방향(L)(즉, 방향(T1), (T2))으로 이동되는 것이 제한된다. 대조적으로, 상기 작동부재(100)의 상기 제한영역(Z)은 상기 작동부재(300)의 병진이동을 허용한다. 예를 들면, 상기 오목부(304)의 길이방향 길이(L3)와 상기 유지 부재(72)(즉, 상기 볼베어링들)를 갖는 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a) 및 상기 원위 단부(304b)의 상호작용은 제한영역(Z)을 한정한다. 상기 오목부(304)가 연장되어 있기 때문에, 상기 볼베어링들(상기 유지 부재(72)의)은 상기 결합장치(70)가 연결위치에 있는 경우(즉, 상기 유지 부재(72)가 상기 결합장치(302)에 결합되어 있는 경우), 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a), 상기 오목부(304)의 상기 원위 단부(304b)와 접촉하거나 또는 둘 다와 접촉하지 않는다. 그 결과, 상기 제한영역(Z)은 제1축상위치(first axial location)(즉, 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a)가 상기 볼베어링들과 접촉하는 위치) 및 제2축상위치(즉, 상기 오목부(304)의 상기 원위 단부(304b)가 상기 볼베어링들과 접촉하는 위치)를 포함하며, 상기 작동부재(300)는 이들 사이에서 가변가능하다. 이러한 방식으로, 상기 결합장치(70)와 상기 작동부재(100, 300)는 상기 결합장치(70)가 상기 작동부재(100)의 상기 결합영역(102)에 결합하는 경우에는 상기 길이방향(L) 내에 수용된 작동부재의 제1제한영역(Y)으로, 그리고 상기 결합장치(70)가 상기 작동부재(300)의 상기 결합영역(302)에 결합하는 경우에는 상기 제1제한영역(Y)과는 다른 제2제한영역(Z)으로의 이동을 제한하도록 구성된다.
상기 말단장치(40)는 또한 상기 작동부재와 결합하여 상기 하우징(60)에 대한 상기 작동부재의 이동을 제한하고, 상기 말단장치(40)에 대한 상기 작동부재(300)의 정확한 축상의 위치를 제공하도록 구성되는 정지부재(stop member)(90)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 상기 정지부재(90)는 상기 말단장치(40)의 상기 하우징(60) 내에 위치되는 위치 결정면(locating surface)(92)(예를 들면, 카운터보어(counterbore)) 및 상기 작동부재(300)의 상기 샤프트(310) 상에 위치되는 대응하는 위치 결정면(94)(예를 들면, 숄더(shoulder) 또는 돌출부)을 포함한다. 비록, 상기 정지부재(90)가 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있음에도 불구하고, 이 실시형태에 있어서는, 상기 정지부재(90)는 상기 오목부(304) 및 상기 결합장치(70)들로부터 이격되어 위치된다. 특히, 상기 정지부재(90)는 상기 작동부재(300)의 상기 원위 단부(300b)에 더 근접하는 한편 상기 오목부(304) 및 상기 결합장치(70)는 상기 작동부재(300)의 상기 근위 단부(300a)에 더 근접한다. 상기 위치 결정면(94)이 상기 위치 결정면(92)과 접촉하는 경우(도 7a에 나타낸 착좌된 위치), 방향(T1)에서의 상기 작동부재(300)의 병진이동은 제한된다. 대조적으로, 상기 위치 표면들(92, 94)이 접촉하지 않는 경우(도 7b에 나타낸 연장된 위치), 상기 작동부재(300)는 상기 제한영역(Z) 내에서 방향(T1) 및 (T2)으로 병진이동할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 정지부재(90)는 상기 작동부재(300)와 결합하여 상기 제한영역(Z) 내에서의 상기 작동부재(300)의 병진이동을 제한하도록 구성된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 정지부재(90)는 상기 작동부재(300)가 상기 제한영역(Z)의 전 영역 내에서 병진이동하는 것을 방지하도록 위치된다. 이러한 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(300)는 상기 오목부(304)의 상기 근위 단부(304a)에 의해 한정된 제1위치와 상기 위치 결정면(94)에 의해 한정된 제2위치 사이에서 병진이동한다. 이러한 방식으로, 상기 정지부재(90)는 상기 결합장치(70)가 연결위치에 있는 경우에 상기 작동부재(300)의 이동의 범위를 효과적으로 감소시키는 데 사용될 수 있다. 상기 위치 결정면(92, 94)들 사이의 접촉영역이 상기 볼베어링들과 상기 오목부(304)의 상기 원위 단부(304b) 사이의 표면영역보다 더 크기 때문에 이러한 방식으로 이동의 범위를 감소시키는 것은 접촉 응력(contact stress)을 효과적으로 감소시킨다.
작동 시, 외과의가 상기 관골구(22)를 확공하는 것을 마친 후, 외과의는 상기 작동부재(100)(또는 상기 작동부재(200))를 상기 말단장치(40)로부터 제거한다. 외과의는 상기 작동부재(300)(또는 상기 작동부재(400))를 상기 말단장치(40)에 (상기 작동부재(100)에 대해서 앞서 기술한 바와 동일한 방식으로) 결합하고, 상기 보철 부품(316) 및 상기 타격기 두부(312)를 상기 작동부재(300)에 연결한다. 도 10b에 나타낸 바와 같이, 외과의는 한 손으로 상기 말단장치(40)를 쥐고, 다른 손으로 상기 나무망치(340)를 사용한다. 도 11의 S10 단계와 관련하여 이하에 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 외과의는 상기 확공된 관골구(22)에 대해서 상기 보철 부품(316)을 적절하게 위치시키고, 상기 나무망치(340)를 사용하여 상기 타격기 두부(312)의 상기 표면(312a)에 힘을 가한다. 타격 동안에, 상기 오목부(304)는 상기 작동부재(300)가 앞서 기술한 바와 같이 병진이동되도록 하는 것을 가능하게 하는 슬라이딩 수동 관절(sliding passive joint)로서 기능한다. 상기 타격력은 상기 관골구(22) 상으로 상기 보철 부품(316)을 타격한다. 나무망치 타격들 사이에서, 상기 정지부재(90)의 상기 위치 결정면(92, 94)들이 접촉할 때까지(도 7a에 도시됨) 외과의는 상기 말단장치(40)를 전방으로 밀어낸다. 외과의는 상기 보철 부품(316)이 계획된 깊이로 상기 관골구(22) 상에 이식될 때까지 상기 보철 부품(316)을 수동으로 타격하는 것을 지속한다. 상기 보철 부품(316)이 이식된 이후, 외과의는 상기 타격기 두부(312)를 쥐고, 상기 작동부재(300)를 회전시켜 상기 이식된 보철 부품(316)으로부터 상기 작동부재를 떼어낸다. 상기 관골구 컵이 라이너(예를 들면, 라이너(28b))를 포함하는 경우, 계속해서 외과의는 상기 라이너를 상기 컵 내로 삽입한다.
환자의 위치에 따라서, 직선 타격기(예를 들면, 상기 작동부재(300)) 대신에, 외과의는 오프셋 타격기(예를 들면, 상기 작동부재(400))를 사용하는 것을 선호할 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(400)(도 9a 및 도 9b에 도시됨)는 상기 작동부재(400)가 오프셋 부분(420)을 포함하는 것을 제외하고는 상기 작동부재(300)와 유사하다. 예를 들면, 도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 상기 작동부재(400)는 상기 타격기 두부(312)를 결합하도록 구성된 근위 단부(400a) 및 상기 보철 부품(316)과 (예를 들면 스크류 나사산들을 통하여) 결합하도록 구성되는 원위 단부(400b)를 포함한다. 상기 오프셋 부분(420)은 샤프트(410)에 연결되고, 유니버설 조인트(328) 및 결합 손잡이(coupling knob)(430)를 갖는 오프셋 샤프트(샤프트(210))를 포함한다. 오프셋으로 인하여, 상기 결합 손잡이(430)는 상기 타격기 두부(312) 대신에 사용되어 상기 보철 부품(316)에 상기 작동부재(400)를 나사결합시키거나 또는 상기 보철 부품으로부터 상기 작동부재를 풀어내도록 한다. 대안의 실시형태는 2개의 유니버설 조인트들(예를 들면, 상기 작동부재(200)의 상기 오프셋 부분(220)과 유사함)을 포함할 수 있으며, 이는 상기 타격기 두부(312)를 사용하여 상기 작동부재(400)를 상기 보철 부품(316)에 나사결합시키거나 또는 상기 작동부재를 상기 보철 부품으로부터 풀어내도록 하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 대안의 구성의 하나의 단점은 복잡성을 가중시키고, 상기 오프셋 샤프트(424)의 강도를 낮출 수 있다. 상기 오프셋 샤프트(424)는 하우징(422)에 의해 둘러싸이고, 회전방지핀(432)을 포함한다. 상기 회전방지핀(432)은 상기 하우징(60) 내의 대응하는 슬롯(632)과 결합되어 상기 말단장치(40)에 대한 상기 오프셋 부분(420)을 적절하게 위치시키고, 상기 하우징(60)에 대한 상기 하우징(422)의 회전을 방지하도록 한다. 상기 작동부재(400)는 상기 작동부재(300)와 관련하여 앞서 기술한 바와 동일한 방식으로 상기 결합장치(70)를 통하여 상기 말단장치(40)에 결합된다. 특히, 상기 작동부재(400)는 상기 말단장치(40)의 상기 결합장치(70)와 결합하는 오목부(404)를 갖는 결합영역(402)을 포함하고, 상기 제한영역(Z) 내에서 상기 작동부재(400)가 병진이동하는 것을 가능하게 한다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 슬롯(632)은 연장되어 그에 의하여 상기 회전방지핀(432)이 상기 제한영역(Z)의 축상에서 상기 슬롯(632) 내에서 길이방향으로 병진이동하는 것을 허용한다. 작동 시, 상기 작동부재(400)는 상기 결합 손잡이(430)(상기 타격기 두부(312) 대신)가 상기 보철 부품(316)을 상기 작동부재(400)에 결합시키거나 상기 보철 부품을 상기 작동부재로부터 분리하는데 사용하는 것을 제외하고는 상기 작동부재(300)와 동일한 방식으로 기능한다.
수술 적용
수술 시, 외과의는 상기 로봇 팔(30)을 사용하여 전 고관절 치환 또는 고관절 치환 절차를 위한 뼈의 확공 및 관골구 컵의 이식 등과 같은 관절 치환 절차를 용이하게 할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 상기 로봇 팔(30)은 (확공용) 절단요소에 결합되고, (타격용) 보철 부품과 결합하도록 구성된 수술 도구를 포함한다. 예를 들면, 확공을 위해서는, 상기 말단장치(40)는 작동부재(100) 또는 상기 작동부재(200)와 결합될 수 있으며, 이들 각각은 상기 절단요소(116)와 결합된다. 유사하게는, 타격을 위해서는, 상기 말단장치(40)는 상기 작동부재(300) 또는 상기 작동부재(400)와 결합될 수 있으며, 이들 각각은 상기 보철 부품(316)과 결합된다. 상기 로봇 팔(30)은 확공 및 이식 동안에 적절한 위치결정(positioning)을 확실하게 하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 전 고관절 치환을 수행하기 위한 수술 절차의 단계들의 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에 있어서, S1 내지 S7, S9, S11 및 S12 단계들은 로봇의 보조와 함께 또는 보조 없이 임의의 공지된 방식으로 수행될 수 있다. S8 및 S10 단계들은 바람직하게는 상기 로봇 팔(30)을 사용하여 수행된다. 예를 들면 S8 단계(확공)는 상기 작동부재(100) 또는 상기 작동부재(200)에 결합된 상기 상기 말단장치(40)를 갖는 상기 로봇 팔(30)을 사용하여 수행될 수 있으며, 또한 S10 단계(타격)는 상기 작동부재(300) 또는 상기 작동부재(400)에 결합된 상기 말단장치(40)를 갖는 상기 로봇 팔(30)을 사용하여 수행될 수 있다.
수술 절차에 앞서, 환자의 골반(12) 및 대퇴골(14)의 수술전 CT 스캔(preoperative CT scan)을 획득한다. 도 14a에 나타낸 바와 같이, 상기 CT 스캔은 상기 골반(12)의 3차원 모델(512)과 상기 대퇴골(14)의 3차원 모델(514)을 작성하는데 사용된다. 상기 3차원 모델(512, 514)은 외과의가 수술 계획을 구성하는 데 사용된다. 대안적으로, 상기 CT 스캔 및/또는 상기 3차원 모델(512, 514)로부터 얻어지는 X-선 영상(X-ray image)은 수술을 계획하는 데 사용될 수 있으며, 이는 CT 기반의 모델(CT based models)과는 반대로 실제의 X-선 영상들을 사용하는 이식 치환을 계획하는데 익숙한 외과의들에게 도움이 될 수 있다. 외과의는 환자의 해부학적 구조의 상기 모델(512, 514)에 대한 상기 관골구 부품(28) 및 대퇴골 부품(26)의 소정의 자세(즉, 위치 및 배향)를 설계하기 위한 수술 계획을 생성한다. 예를 들면, 상기 관골구 컵(28a)의 계획된 자세(500)가 지정되고, 상기 디스플레이 장치(9) 등과 같은 컴퓨터 디스플레이 상에 표시된다. 수술 절차 동안에, 신체 공간(physical space) 내에서의 환자들의 해부학적 자세 및 상기 수술 도구의 움직임은 상기 추적장치(8)에 의해 추적되고, 이들 추적된 대상체는 상기 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간(image space)) 내에 대응하는 모델들로 기록된다. 그 결과, 실제 공간 내의 대상체들은 이미지 공간 내의 대응하는 모델들과 연관된다. 따라서, 상기 수술시스템(5)은 항상 환자의 해부학적 구조 및 상기 계획된 자세(500)에 대한 상기 수술 도구의 실제 위치를 알 수 있게 되고, 이 정보는 수술 절차 동안에 상기 디스플레이 장치(9) 상에 생생하게 표시된다.
상기 수술 절차의 S1 단계에 있어서, 상기 대퇴골(14)에 피층 추적 어레이(cortical tracking array)가 부착되어 상기 추적장치(8)가 상기 대퇴골(14)의 움직임을 추적하는 것을 가능하게 한다. S2 단계에 있어서, 상기 대퇴골(14)은 상기 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간) 내의 상기 대퇴골(14)의 모델들과 함께 상기 대퇴골(14)(신체 공간)의 자세에 연관되도록 기록되고(임의의 공지의 기록 기술(registration technique)을 사용하여), 대퇴골 체크포인트(femur checkpoint)가 부착된다. S3 단계에서, 상기 대퇴골(14)은 네비게이션처리된 대퇴부 브로치(navigated femoral broach)를 사용하는 대퇴골 이식물(femoral implant)(예를 들면, 상기 대퇴골 부품(26))을 수용하도록 준비된다. S4 단계에서, 관골구 추적 어레이(acetabular tracking array)가 상기 골반(12)에 부착되어 상기 추적장치(8)가 상기 골반(12)의 움직임을 추적하는 것을 가능하게 한다. S5 단계에서, 상기 수술 절차 동안에 사용하기 위한 체크포인트가 상기 골반(12)에 부착되어 상기 관골구 추적 어레이가 상기 골반(12)에 대해서 움직이지 않도록 하는 것을 확실하게 한다. 상기 체크포인트는, 예를 들면, 2007년 5월 18일자로 출원되고, 여기에 그 전체가 참조로 인용되는 미국 특허출원 제11/750,807호(공개번호 제US 2008/0004633)에서 기술된 바와 같은 체크포인트일 수 있다.
S6 단계에서, 상기 골반(12)은 상기 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간) 내의 상기 골반(12)의 모델과 함께 상기 골반(12)(신체 공간)의 자세에 연관되도록 기록된다(임의의 공지의 기록 기술을 사용함). 하나의 실시형태에 있어서, 도 14b에 나타낸 바와 같이, 추적된 탐침(tracked probe)을 사용하여 등록을 수행하여 상기 골반(12)(실제 공간) 상의 지점들을 수집하도록 하고 계속해서 이들은 상기 골반(12)(이미지 공간)의 묘사(representation)(512) 상의 대응하는 지점들에 맞춰진다. 이 실시형태에 있어서, 상기 디스플레이 장치(9)는 하나 또는 그 이상의 등록지점(registration ponts)(516)을 포함하여 상기 골반(12)의 묘사(512)를 나타낸다. 상기 등록지점(516)들은 외과의가 실제의 해부학적 구조 상의 어느 지점에서 상기 추적된 탐침으로 지점들을 수집하는지를 이해하도록 돕는다. 상기 등록지점(516)들은 외과의를 더욱 돕기 위하여 색상으로 코딩될 수 있다. 예를 들면, 상기 추적된 탐침으로 다음에 수집될 상기 골반(12) 상의 등록지점(516)은 황색으로 채색될 수 있는 반면에, 이미 수집된 등록지점(515)은 녹색으로 착색될 수 있고, 후속하여 수집될 등록지점(516)은 적색으로 채색될 수 있다. 등록 이후, 상기 디스플레이 장치(9)는 외과의에게 등록 알고리즘(Registration algorithm)이 상기 골반(12)의 상기 묘사(512)에 대해서 상기 물리적으로 수집된 지점들을 얼마나 잘 맞추는 지를 보여줄 수 있다. 예를 들면, 도 14c에 나타낸 바와 같이, 오류지점(error point)(518)은 상기 등록에서 상기 묘사(512)의 표면과 상기 물리적인 골반(12)의 대응하는 표면 사이에 얼마나 큰 오류가 존재하는지를 나타내도록 표시될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 오류지점(518), 예를 들면, 최소 오류(minimal error)로 나타나는 오류지점(518)은 녹색으로 표시되고, 증가하는 오류의 양을 나타내는 오류지점(518)은 청색, 황색 및 적색으로 표시되도록 색상으로 코딩될 수 있다. 색상 코딩에 대한 대안으로서, 서로 다른 정도의 오류들을 나타내는 오류지점(518)들은 서로 다른 형태들 또는 크기들을 가질 수 있다. 입증지점(verification point)(519)이 또한 표시될 수 있다. 상기 입증지점(519)은 외과의에게 상기 추적된 탐침으로 어느 지점들을 수집하여 상기 등록을 입증하도록 하는지를 나타낸다. 하나의 등록지점(519)이 수집된 경우,상기 네비게이션 시스템(7)의 소프트웨어는 상기 해부학상 구조에 대해 수집된 실제 지점과 실제 공간 내의 상기 묘사(512)의 등록된 위치 사이의 오류(예를 들면, 밀리미터(㎜)의 숫자로)를 표시한다. 등록 오류(registration error)가 너무 큰 경우, 외과의는 S6 단계의 등록 과정을 반복하는 것에 의하여 상기 골반(12)을 재등록한다.
S7 단계에서, 상기 로봇 팔(30)은 상기 로봇 팔(30)(신체 공간)의 자세를 상기 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간)과 연관되도록 등록한다. 상기 로봇 팔(30)은, 예를 들면, 2006년 2월 21일자로 출원되고, 그 전체로서 여기에 참조로 인용되는 미국 특허 출원 제11/35,197호(공개번호 제US 2006/0142657호)에서 기술된 바와 같이 등록될 수 있다.
S8 단계에서, 외과의는 상기 작동부재(100) 또는 상기 작동부재(200) 등과 같이 상기 로봇 팔(30)에 결합된 확공기를 사용하여 상기 관골구(22)를 재표면처리한다. 상기 작동부재(100, 200)와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 외과의는 적절한 작동부재(예를 들면, 직선 또는 오프셋 확공기)를 상기 말단장치(40)에 결합시키고, 상기 절단요소(116)를 상기 수용된 작동부재에 연결하고, 수동으로 상기 로봇 팔(30)을 조작하여(도 10a에 도시됨) 상기 관골구(22)를 확공한다. 확공 동안, 상기 로봇 팔(30)은 외과의에게 촉각적인(힘 피드백) 안내(haptic(force feedback) guidance)를 제공한다. 상기 촉각적인 안내는 외과의가 계획된 뼈의 절단(즉, 수술 계획과 일치하는 절단)에 대한 형상 및 위치에 대응하는 실제의 뼈의 절단을 확실하게 하도록 수동으로 상기 수술 도구를 이동시키도록 하는 능력을 제한한다.
바람직하게는, 상기 제한은 상기 수술 도구, 예를 들면, 사용되는 상기 절단요소(116)에 대응하여 조정된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 상기 포스 시스템이 상기 절단요소(116)가 제1절단요소(116a)인 경우 상기 말단장치(40)의 외과의의 수동 이동에 대한 제1제한(예를 들면, 촉각적인 안내)을 제공하도록 또한 상기 절단요소(116)가 제2절단요소(116b)인 경우 상기 말단장치(40)의 외과의의 수동 이동에 대해서 상기 제1제한과는 다른 제2제한(예를 들면, 촉각적인 안내)을 제공하도록 하는 힘 신호(force signal)들을 생성하도록 프로그래밍된다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 제1절단요소(116a) 및 제2절단요소(116b)들은 상기 관골구 뼈를 절단하도록 구성된 반구형 절단요소들이며, 상기 제1절단요소(116a)의 직경(D1)은 상기 제2절단요소(116b)의 직경(D2)과는 다르다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제1절단요소(116a)의 직경(D1)은 상기 보철 부품(316)의 직경(D3)보다 소정의 양만큼 더 작고, 상기 제2절단요소(116b)의 직경(D2)는 상기 제1절단요소(116a)의 직경(D1)보다 더 크다. 하나의 예시적인 실시형태에 있어서, 상기 소정의 양은 상기 보철 부품(316)의 상기 직경(D3)보다 5㎜ 더 작은 크기이다. 다른 실시형태들에 있어서, 상기 소정의 양은 5㎜, 예컨대, 2㎜, 3㎜, 7㎜보다 크거나 작은 또는 일정한 범위(예를 들면, 5±2㎜)일 수 있다.
상기 제1절단요소(116a)의 직경(D1)이 상기 보철 부품(316)의 직경(D3)보다 더 작기 때문에, 상기 제1절단요소(116a)는 연골 및 골극(osteophytes)들을 제거하는 것과 같은 예비절단(preliminary cut)을 수행하는 데 사용될 수 있다. 상기 예비절단은 최종절단 등과 같이 정확해야 할 필요는 없다. 따라서, 상기 예비절단들은 상기 최종절단들에 비하여 보다 덜 한 정도의 촉각적인 제한(haptic constraint)으로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 제1절단요소(116a)가 확공을 위하여 사용되는 경우, 상기 제1제한은 기준축(reference axis)(R-R)을 따라 상기 절단요소(116a)에 관하여 적어도 하나의 지점에 대해서 제한하도록 구성된다. 예를 들면, 도 13a에 나타낸 바와 같이, 상기 절단요소(116a)의 중심축(C-C) 상의 적어도 하나의 지점(P)은 상기 지점(P)이 단지 상기 기준축(R-R)을 따라 움직일 수 있도록 상기 기준축(R-R)을 따라 제한될 수 있다. 도 13a의 실시형태에 있어서, 상기 지점(P)은 상기 절단요소(116a) 상에 위치된다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 지점(P)은 상기 절단요소(116a)를 실제로 가로지름이 없이 상기 절단요소(116a)의 상기 중심축(C-C) 상에 위치될 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 상기 기준축(R-R)은 상기 보철 부품(316)이 환자의 해부학적 구조 상에 이식되는 경우에 해당 보철 부품(316)의 소정의 축이 된다. 예를 들면, 상기 기준축(R-R)은 상기 보철 부품(316)이 외과의의 수술 계획에 따라 관골구(22) 상에 이식되는 경우에 상기 보철 부품(316)의 중심축이 될 수 있다. 따라서, 상기 제1절단요소(116a)로 확공하는 경우, 상기 로봇 팔(30)은 상기 말단장치(40)의 외과의의 수동 이동을 제한하여 상기 지점(P)이 상기 기준축(R-R) 상에 머무르도록 제한하는 힘의 피드백을 제공한다. 이러한 방식으로, 상기 수술 도구의 궤도가 제한된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 지점(P)이 상기 기준축(R-R)을 따라 이동할 수 있는 깊이는 또한 상기 관골구(22)의 과다한 확공을 방지하도록 제한한다. 그러나, 상기 말단장치(40)의 배향은 바람직하게는 상기 절단요소(116a)가 사용되는 경우에는 제한되지 않는다.
확공이 계속됨에 따라, 점진적으로 보다 큰 확공기들이 사용된다. 상기 예비절단들이 이루어진 이후, 외과의는 상기 제1절단요소(116a)를 제2절단요소(116b) 등과 같은 보다 큰 절단요소로 대체한다. 상기 제2절단요소(116b)가 상기 말단장치(40)에 결합되는 경우, 상기 로봇 팔(30)은 상기 제2제한을 적용한다. 상기 제2제한은 상기 기준축(R-R)에 대한 상기 수술 도구의 배향을 제한하도록 구성된다. 예를 들면, 도 13b에 나타낸 바와 같이, 상기 로봇 팔(30)은 상기 수술 도구가 상기 기준축(R-R)로부터 미리 규정된 각거리(predefined angular distance)(θ) 내에 유지되도록 상기 수술 도구를 제한하도록 힘 피드백을 적용할 수 있다. 상기 수술 도구의 축은, 예를 들면, 상기 말단장치(40)의 상기 하우징(60)의 중심축(A-A), 상기 수술 도구의 샤프트의 축(예를 들면, 상기 수용된 작동부재의 중심축(B-B)) 또는 상기 절단요소(116b)의 상기 중심축 C-C가 될 수 있다. 상기 미리 규정된 각거리(θ)는 바람직하게는 10°이지만, 예를 들어, 5°, 15° 등과 같은 특정의 수술 적용에 대해 적절한 임의의 다른 각도가 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 로봇 팔(30)은 상기 제2절단요소(116b)가 사용되는 경우 제1제한 및 제2제한 둘 다 적용된다. 따라서, 상기 제2절단요소(116b)에 대해서는, 상기 로봇 팔은 상기 수술 도구의 궤도 및 각도 배향(angular orientation)들 둘 다를 제한한다. 과도한 확공을 피하기 위해서는, 상기 수술 도구가 이동할 수 있는 깊이는 또한 상기 관골구(22) 상에 이식된 경우 상기 보철 부품(316)의 소정의 깊이를 초과하지 않도록 제한될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제2절단요소(116b)는 상기 보철 부품(316)의 크기에 대응하고, 상기 관골구(22)의 최종절단을 이루는 데 사용된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 상기 최종절단의 형상이 실질적으로 상기 최종절단의 소정의 형상에 대응하는 경우 상기 제2절단요소(116b)를 비활성화시키거나 또는 멈추게 하도록 프로그래밍된다.
확공기들은 확공기 외경에 대하여 1㎜의 증분(increment)으로 점진하는 크기를 갖는 크기가 될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 계획된 보철 부품(316)의 크기보다 작은(예를 들면, 5㎜) 적어도 5개의 크기의 모든 절단요소에 대해서 상기 로봇 팔(30)은 상기 제1제한을 적용한다. 즉, 상기 절단요소의 직경이 상기 보철 부품(316)의 직경(D3)보다 적어도 5㎜ 작은 경우, 상기 절단요소는 임의의 각도에서 사용될 수 있으나, 그러나 상기 기준축(R-R)을 따라 제한된다. 보다 큰 절단요소(즉, 상기 계획된 컵의 크기까지 유도되는 4개의 크기)에 대해서는, 상기 로봇 팔(30)은 부가적으로 상기 제2제한을 적용하여 상기 수술 도구의 각도 배향이 또한 제한되도록 한다. 상기 절단요소의 크기가 증가할수록, 각의 제한은 점진적으로 보다 제한적이 될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 계획된 보철 부품(316)의 크기보다 2 크기만큼 작거나 또는 2 크기만큼 큰 확공기 크기에 대해서는, 상기 로봇 팔(30)은 상기 제1제한 및 제2제한 둘 다를 적용한다. 바람직하게는, 상기 수술 도구의 이동의 깊이는 상기 보철 부품(316)의 계획된 깊이를 넘어서는 확공을 방지하도록 제한된다.
상기 제1제한 및 제2제한은 바람직하게는 상기 로봇 팔(30)의 포스 시스템을 제어하는 상기 제어기에 의해 활성화된다. 예를 들면, 상기 제어기는 상기 절단요소(116)의 일부(예를 들면, 상기 제1절단요소(116a) 또는 제2절단요소(116b))가 활성영역(activation region)(510)과 일치하는 경우, 상기 포스 시스템이 제1제한 및 제2제한 중의 적어도 하나를 제공하도록 하는 원인이 되는 제어신호를 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 상기 활성영역(510)(도 14a 및 도 14d에 도시됨)은 상기 환자의 해부학적 구조에 대해 한정되는 가상영역이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 활성영역(510)은 상기 보철 부품(316)의 계획된 자세(500)에 대해 한정될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 활성영역(510)은 계획된 자세(500)의 경계와 일치하고 그에 따라 상기 계획된 자세(500)와 동일한 형상 및 위치를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 계획된 자세(500)의 적어도 일부 및 상기 활성영역(510)은 일치한다. 상기 활성영역(510)은 또한 상기 계획된 자세(500)의 경계 너머로 연장될 수 있다. 예를 들면, 도 14a 및 도 14d에 나타낸 바와 같이, 상기 활성영역(510)은 상기 계획된 자세(500)의 경계 너머로 연장되는 원통형 용적(cylindrical volume)이다. 바람직하게는, 상기 원통형 용적은 상기 보철 부품(316)이 상기 계획된 자세(500)에서 상기 해부학적 구조 상에 이식되는 경우에 상기 보철 부품(316)의 중심축(C-C) 등과 같은 상기 계획된 자세(500)의 축과 동축이다.
수술 동안, 도 14d에 나타낸 바와 같이, 상기 수술 도구의 묘사가 상기 계획된 자세(500), 상기 활성영역(510) 및/또는 상기 해부학적 구조의 상기 묘사(512, 514)에 대해서 상기 디스플레이(9) 상에 표시된다. 상기 묘사는 실제 공간(S7 단계에서의 상기 로봇 팔(30)의 등록을 통하여) 내의 실제의 수술 도구에 대응하는 이미지 공간 내의 그래픽 모델이며, 상기 수용된 작동부재의 상기 샤프트의 묘사(520a) 및 상기 절단요소(116)의 묘사(520b)를 포함한다. 외과의는 이러한 시각을 사용하여 수동으로 상기 수술 도구를 절개부 내로 운행시킨다. 하나의 실시형태에 있어서, 외과의는 상기 수술 도구의 적어도 일부가 상기 활성영역(510)을 절개할 때까지 상기 수술 도구를 자유롭게 움직일 수 있으며, 그때 상기 포스 시스템이 상기 로봇 팔(30)을 제어하여 적절한 제한(예를 들면, 제1제한 및/또는 상기 제2제한)을 제공하도록 한다. 하나의 실시형태에 있어서, 도 14d에 나타낸 바와 같이, 상기 수용된 작동부재의 상기 샤프트의 상기 묘사(520a)가 상기 활성영역(150)의 상기 원통형 용적에 의하여 완전하게 결합될 때에 상기 적절한 제한이 활성화된다. 일단 상기 적절한 제한이 활성화되면, 상기 활성영역(510)은, 도 14e에 나타낸 바와 같이, 상기 표시된 영상으로부터 제거될 수 있다.
상기 제1제한 및 제2제한은 상기 관골구에 대한 뼈의 절단을 상기 보철 부품(316)의 상기 계획된 자세(500)의 뼈의 절단들에 정확하게 대응하도록 하는 것을 보증한다. 상기 제1제한 및 제2제한이 작동기에 의하여 적용되기 때문에, 상기 제1제한 및 제2제한은 무한하지 않다. 따라서, 외과의는 상기 로봇 팔(30)에 의하여 제공되는 힘 피드백을 극복하기에 충분한 힘으로 상기 말단장치(40)를 수동으로 이동시키는 것에 의하여 상기 제1제한 및 제2제한을 무시할 수 있다. 환자에게 손상을 입히고/입히거나 정확하지 않은 뼈의 절단을 피하기 위하여, 외과의가 수동으로 상기 제1제한 및/또는 제2제한을 무시하는 경우, 상기 제어기는 바람직하게는 자동적으로 수술 도구의 자세의 적어도 하나의 양상(aspect)을 제어하도록 프로그래밍된다. 예를 들면, 확공 동안, 상기 수용된 작동부재의 상기 샤프트가 상기 기준축(R-R)으로부터 미리 규정된 각거리(θ)를 초과하도록 외과의가 상기 말단장치(40)를 미는 경우, 상기 로봇 팔(30)은 상기 수용된 작동부재의 샤프트를 다시 상기 미리 규정된 각거리(θ) 내로 이동하도록 시도하는 능동 힘 피드백(active force feedback)을 적용할 수 있다. 다른 옵션(option)은, 상기 제1제한 및/또는 제2제한이 외과의에 의해 무시되는 경우, 상기 제어기가 상기 확공기를 비활성화시키거나 또는 멈추도록 하는 것이다.
S9 단계에 있어서, 외과의는, 예를 들면, 2007년 5월 18일자로 출원되고, 여기에 그 전체로서 참조로 인용되는 미국 특허출원 제11/750,807호(공개번호 제US 2008/0004633)에서 기술된 바와 같은 탐침으로 상기 골반 체크포인트를 접촉시킴으로써 상기 관골구 추적 어레이와 상기 골반(12) 사이의 등록(즉, 기하학적 관계)이 여전히 유효함을 입증한다. 등록이 저하되는 경우(예를 들면, 관골구 추적 어레이가 확공 동안에 충돌되었기 때문에), 상기 골반은 재등록된다. 재등록 입증은 상기 외과의가 원하는 임의의 시간에 수행되어 상기 관골구 등록의 온전함(integrity)을 체크하도록 할 수 있다.
S10 단계에 있어서, 상기 로봇 팔(30)에 결합된 상기 작동부재(300) 또는 상기 작동부재(400) 등과 같은 타격기 도구를 사용하여 상기 확공된 관골구(22) 상에 상기 보철 부품(316)이 이식된다. 상기 작동부재(300, 400)와 연관하여 앞서 기술한 바와 같이, 외과의는 상기 확공기를 상기 말단장치(40)로부터 제거하고, 적절한 작동부재(예를 들면, 직선 또는 오프셋 타격기)를 상기 말단장치(40)에 연결하고, 상기 보철 부품(316)(예를 들면, 상기 관골구 컵(28a))을 상기 작동부재에 부착시킨다. 계속해서 외과의는 수동으로 상기 로봇 팔(30)을 조작하여(도 10b에 도시됨) 상기 보철 부품(316)을 상기 관골구(22) 상에 타격한다. 외과의가 상기 보철 부품(316)을 타격하는 동안, 상기 로봇 팔(30)은 상기 수술 계획에 기초하여 상기 보철 부품(316)이 상기 관골구(22) 상에 타격되는 경우에 상기 계획된 자세(500)에 실질적으로 대응하는 상기 수술 도구에 결합되는 상기 보철 부품(316)의 상기 실제의 자세를 확실하게 하도록 상기 수술 도구를 이동시키는 외과의의 능력을 제한하는 촉각적인 안내를 제공한다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 상기 보철 부품(316)의 목표 자세(예를 들면, 상기 계획된 자세(500) 및/또는 상기 활성영역(510))와 상기 수술 도구에 결합된 상기 보철 부품(316)의 실제 자세를 비교하여, 상기 포스 시스템이 이동의 범위 내에서 상기 수술 도구의 이동을 허용하고, 외과의가 상기 수술 도구를 이동의 범위 너머 수동으로 이동시키는 능력을 제한하도록 촉각적인 피드백을 제공하도록 하는 원인이 되는 제어신호들을 생성하도록 프로그래밍된다. 상기 이동의 범위는, 예를 들면, 상기 보철 부품(316)이 상기 해부학상 구조 상에 이식되는 경우에 각도(예를 들면, 버전 각도, 경사 각도), 축, 배향, 회전 중심, 경계 및/또는 깊이 등과 같은 상기 보철 부품(316)의 소정의 양상에 대해서 한정될 수 있다. 계속해서, 상기 촉각적인 피드백은 상기 보철 부품(316)의 실제의 자세의 적어도 하나의 양상과 상기 보철 부품(316)의 상기 목표 자세의 대응하는 소정의 양상 사이의 실질적인 편차를 야기할 수 있는 외과의에 의한 상기 수술 도구의 이동에 저항할 수 있다. 외과의가 상기 보철 부품(316)을 이식 자리(implantation site) 쪽으로 이동시키고, 외과의가 상기 보철 부품(316)을 상기 해부학적 구조 상에 이식함에 따라 바람직하게 유지되도록 상기 촉각적인 피드백이 적용될 수 있다. 그 결과, 상기 관골구 컵(28a)은 경사 정확도(inclination accuracy), 버전 정확도 및 상기 관골구 컵(28a)의 회전 중심이 실질적으로 상기 수술 계획에 대응하도록 상기 관골구(22) 상에 이식될 수 있다.
타격단계 S10 동안, S8 단계(확공)에 관하여 앞서 기술한 바와 동일한 방식으로, 상기 디스플레이 장치(9)는 상기 계획된 자세(500), 상기 활성 영역(510), 상기 해부학적 구조의 상기 묘사(512, 514) 및 상기 수술 도구의 묘사를 나타낼 수 있다. 그러나, 타격 동안, 상기 묘사(520b)는 상기 절단요소(116)와는 대조적으로 상기 보철 부품(316)을 제공한다. 게다가, S8 단계와 연관하여 앞서 기술한 바와 같이, 상기 제어기는 상기 타격 절차 동안에 상기 수술 도구의 상기 실제 자세의 적어도 일부가 상기 목표 자세의 상기 활성 영역(510)의 적어도 일부와 일치하는 경우에 상기 촉각적인 피드백을 활성화시킬 수 있다. 또한 S8 단계와 연관하여 앞서 기술한 바와 같이, 만일 외과의가 상기 촉각적인 피드백을 무시하고 상기 말단장치(40)를 이동시키는 경우, 상기 제어기는 상기 실제 자세의 적어도 하나의 양상이 상기 목표 자세의 대응하는 소정의 양상과 실질적으로 정렬되도록 상기 수술 도구의 자동제어(automatic control)를 개시할 수 있다.
S11 단계에 있어서, 외과의는 상기 대퇴골(14) 상에 상기 대퇴골 요소(26)를 설치하고, S12 단계에 있어서, 외과의는 다리 길이 및 대퇴골 오프셋을 결정한다. 도 14f에 나타낸 바와 같이, 디스플레이 장치(9)는 이식된 관골구 부품(28)의 묘사(522) 및 이식된 대퇴골 부품(26)의 묘사(524)를 나타낸다. 게다가, 도 14g에 나타낸 바와 같이, 상기 수술 절차 동안의 임의의 시간에서, 상기 디스플레이 장치(9)는 과정 및/또는 결과에 연관된 데이터를 나타낼 수 있다. 예를 들면, S8 단계에서의 확공 및/또는 S10 단계에서의 타격 이후에, 상기 확공된 관골구(22)(또는 상기 이식된 관골구 컵(28a))의 실제 위치에 연관된 데이터(525)는, 예를 들면, 환자의 해부학적 구조(즉, 내측/외측, 상방/하방 및 전방/후방)의 3차원 직교면(three orthogonal plane)들 내의 실제 위치 및 계획된 위치들 사이에서의 오류를 나타내는 수치적인 데이터를 포함할 수 있다.
파킹 배치형태
수술 시스템(5)은 바람직하게는, 예를 들면, 수술 절차 동안에 외과의가 임무를 수행하기 위하여 로봇 팔(30)을 능동적으로 사용하지 않는 경우에 해당 로봇 팔(30)을 파킹 또는 유지시키도록 구성된다. 상기 파킹 배치형태는, 예를 들면, 여기에 그 전체로서 참조로 인용되는 미국 특허출원 제6,322,567호에서 기술된 바와 같은 대상체를 추적하는 데 사용되는 관절식 팔(34) 또는 계측장비부착 연결장치(예를 들면, 기계적인 추적 팔) 등과 같은 상기 로봇 팔(30)의 가동 부재에 적용된다. 상기 파킹 배치형태에 있어서, 상기 가동 부재는 안전한 위치에 고정되고, 상기 가동 부재(예를 들면, 상기 수술 도구)의 작업 말단이 상기 수술 절차의 멸균영역(sterile field) 밖으로 벗어나는 것을 방지한다.
상기 수술 시스템(5)은 바람직하게는 상기 로봇 팔(30)에 연결된 대상체들의 서로 다른 중량들을 고려하도록 구성된다. 위에서 기술한 바와 같이, 상기 로봇 팔(30)은 사용자(예를 들면, 외과의)가 수동으로 상기 관절식 팔(34)에 결합된 대상체(예를 들면, 상기 수용된 작동부재)가 공간 내에서 조작되도록 하는 것을 허용하고, 그에 의하여 상기 결합된 대상체를 사용하여 임무의 수행(예를 들면, 뼈의 절단, 이식 타격)을 용이하게 하도록 상기 관절식 팔(34)을 이동시키는 것을 허용하도록 구성된다. 상기 관절식 팔(34)은 제1대상체 및 제2대상체 등과 같은 다중의 상호교환가능한 대상체에 결합되도록 적용된다. 상기 제1대상체는, 예를 들면, 상기 작동부재(100) 또는 상기 작동부재(200)일 수 있고, 상기 제2대상체는 상기 작동부재(300) 또는 상기 작동부재(400)(또는 그의 반대)일 될 수 있다. 상기 작동부재(100, 200, 300, 400)는 서로 다른 구성 및 기능을 가질 수 있기 때문에, 이들은 또한 실질적으로 서로 다른 중량을 가질 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제2대상체의 중량은 상기 제1대상체의 중량의 적어도 3배 더 무겁다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 제2대상체의 중량은 상기 제1대상체의 중량보다 적어도 36% 더 무겁다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 제2대상체의 중량은 상기 제1대상체의 중량보다 적어도 52% 더 무겁다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 제2대상체의 중량은 상기 제1대상체의 중량보다 적어도 94% 더 무겁다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 작동부재(100)의 중량은 약 360g이고, 상기 작동부재(200)의 중량은 약 460g이며, 상기 작동부재(300)의 중량은 약 490g이고, 상기 작동부재(400)의 중량은 약 700g이다. 따라서, 상기 파킹 배치형태는 실질적으로 다른 중량을 갖는 상기 로봇 팔(30)의 유효하중(payload)을 수용하도록 구성된다.
상기 파킹 배치형태는 브레이크를 사용하여 달성될 수 있다. 작동 시, 상기 브레이크는 상기 작동부재의 적어도 일부의 수동 이동을 제한한다. 예를 들면, 상기 브레이크는 상기 관절식 팔(34)의 적어도 일부의 수동 이동을 제한하여 상기 결합된 대상체의 공간 내에서의 조작을 억제하도록 한다. 수술 절차 동안, 상기 관절식 팔(34)이 다수의 작동부재에 대해서 사용되기 때문에, 상기 브레이크는 수술 작업흐름을 방해할 수 있는 상기 브레이크의 기계적인 재구성을 요구하는 일없이 상기 관절식 팔(34)이 상기 제1대상체에 결합되는 경우 및 상기 관절식 팔(34)이 상기 제2대상체에 결합되는 경우 양쪽 모두에서 작동하여야 한다. 상기 브레이크는 기계적 및/또는 전기적 구성요소들의 임의의 적절한 조합을 사용하여 실행될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 브레이크는 가상 브레이크(virtual brake)이다. 실제 브레이크(physical brake)와 대조하여, 상기 가상 브레이크는 통상의 기계적인 브레이크 구성요소들을 포함하지 않는다. 대신, 이하에서 기술되는 바와 같이, 상기 가상 브레이크는 상기 제어기 및 상기 로봇 팔(30)의 상기 포스 시스템을 사용하여 실행된다.
하나의 실시형태에 있어서, 상기 가상 브레이크는 상기 관절식 팔의 하나 또는 그 이상의 관절에 유지 토크(holding torque)(즉, 제동력)를 적용하도록 상기 포스 시스템의 하나 또는 그 이상의 작동기를 제어하는 것에 의하여 실행된다. 유지 토크의 적용은 외과의가 상기 관절식 팔(34)의 적어도 일부(하나 또는 그 이상의 관절)를 제동 영역 내로 이동시키는 경우에 상기 브레이크가 결합되도록 구성되는 제동 영역에 대해 상기 관절식 팔(34)의 위치에 기초한다. 특히, 상기 브레이크는 단지 상기 관절(또는 관절들)이 상기 제동 영역 내에 존재하는 경우에만 상기 제동력을 적용하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 브레이크는 상기 제동 영역에 의거해서 상기 관절(또는 관절들)의 수동 이동을 제한하도록 구성될 수 있으며, 이는, 예를 들면, 상기 관절(또는 관절들)의 위치에 의하여 한정될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제동 영역은 상기 관절식 팔(34)의 관절(J)의 움직임의 한정된 각도 범위(angular range)(α)로 한정되며, 또한 상기 관절식 팔(34)의 다른 관절들의 움직임의 각도 범위를 포함할 수 있다. 상기 운동의 각도 범위(α)는 소정의 파킹 배치형태 내에 상기 관절식 팔(34)을 위치시키는 임의의 운동의 범위가 될 수 있다. 예를 들면, 도 15는 실질적으로 수평인 위치에 있는 상기 관절(J)을 나타내고 있다. 이 실시형태에 있어서, 실질적으로 수직인 위치에서 상기 관절(J)을 파킹시키기 위해서는, 상기 관절(J)은 상기 수평 위치에서 상기 수직 위치로 이동된다. 하나의 실시형태에 있어서, 실질적으로 수직 위치의 상기 운동의 각도 범위(α)는 대략 +/- 15˚이다. 다른 실시형태들에 있어서, 상기 운동의 각도 범위(α)는, 예를 들면, 대략 +/- 15˚, +/- 30˚ 또는 대략 180+/- 30˚가 될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 가장 원위의 관절은 대략 +/- 30˚ 또는 대략 180+/- 30˚의 운동의 각도 범위를 가질 수 있다. 상기 브레이크는 외과의가 상기 관절(J)을 상기 제동 영역 내로 이동시키는 경우에 결합되도록(또한 상기 제동 영역 내에 상기 관절(J)을 유지시키도록) 구성된다. 예를 들면, 외과의는 상기 관절(J)의 위치가 상기 운동의 각도 범위(α) 내에 존재하게 될 때까지 상기 관절(J)을 상기 수평 위치로부터 방향(V)으로 대략적으로 90˚로 이동시킨다. 상기 관절(J)의 위치가 상기 운동의 각도 범위(α) 내에 존재하게 되는 경우, 상기 제어기는 상기 관절(J)의 작동기를 제어하여 유지 토크를 적용하도록 하는 신호를 발생시킨다. 상기 유지 토크가 적용되는 경우, 상기 브레이크는 결합되고, 상기 관절(J)은 제 위치에 잠금 상태로 머무르게 된다. 상기 관절(J)이 이 제동 영역 내로 이동하는 경우, 상기 제어기는 바람직하게는 또한 상기 관절식 팔(34)의 하나 또는 그 이상의 관절의 작동기들을 제어하여 유지 토크를 적용시켜 복수의 고정된 관절로 되도록 하는 신호들을 생성한다. 그 결과, 상기 관절식 팔(34)의 전체 위치는 상기 파킹 배치형태에 고정되게 된다. 계속해서 외과의는 상기 수술 도구가 상기 멸균영역 밖으로 벗어나거나 또는 수술실 내의 환자 또는 다른 설비들과 간섭하는 것에 대해서 우려함이 없이 주의하지 않는 채로 안전하게 상기 관절식 팔(34)을 내버려 둘 수 있게 되고, 상기 작동부재를 교환하거나 또는 임의의 다른 임무를 수행할 수 있다. 비록 상기한 기술은 상기 관절(J)이 상기 동작의 각도 범위(α) 내에 위치하는 경우에서의 상기 브레이크의 결합이라는 결과를 가져오기는 하나, 상기 브레이크는 또한 단지 다중의 관절들이 그들 개개의 동작의 각도 범위 내에서 이동되는 경우에만 결합되도록 구성될 수도 있다.
상기 브레이크의 체결해제(disengagement)는 또한 상기 제동 영역에 기초할 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 브레이크는 외과의가 특정 관절의 상기 제동 영역 밖의 적어도 하나의 제동된 관절(관절(J) 등)을 이동시키는 경우에 체결해제되도록 구성된다. 예를 들면, 상기 브레이크를 체결해제시키기 위해서는, 외과의는 상기 관절(J)의 적용된 유지 토크 또는 제동력을 극복하기에 충분한 힘으로 상기 관절식 팔(34)을 이동시킨다. 상기 제동력의 크기는 외과의가 수동으로 상기 관절식 팔(34)을 이동시켜 상기 제동력을 극복하는 것이 가능하도록 하기에 충분한 정도로 작다. 상기 제동력은 특정의 외과의 및/또는 특정의 수술 절차에 따라 조정될 수 있으며, 또한 서로 다른 관절들이 서로 다른 제동력을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제동력은 대략 5 내지 12Nm의 범위 이내가 될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태에 있어서, 제1관절(즉, 가장 근위의 관절)은 약 6Nm의 제동력을 가질 수 있고, 제2관절은 약 12Nm의 제동력을 가질 수 있으며, 제3관절은 약 9Nm의 제동력을 가질 수 있고, 제4관절은 약 11Nm의 제동력을 가질 수 있으며, 제5관절은 약 7Nm의 제동력을 가질 수 있고, 제6관절(즉, 가장 원위의 관절)은 약 5Nm의 제동력을 가질 수 있다. 상기 관절(J)이 상기 제동 영역 밖으로 비제동 영역(unbraked region)(610) 내로 이동되는 경우, 상기 제어기는 상기 관절(J)(및 임의의 다른 제동된 관절)의 상기 작동기를 제어하여 상기 유지 토크의 적용을 차단하도록 하는 신호를 생성한다. 계속해서, 외과의는 상기 관절식 팔(34)을 자유롭게 이동시킬 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제동 영역과 상기 비제동 영역 사이에 중첩부(overlap)가 존재하여 상기 브레이크의 의도치 않은 해제를 방지하도록 한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상기 브레이크는 상기 제동 영역과는 독립적으로 탈착되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 관절식 팔(34)이 하나 또는 그 이상의 제동된 관절 및 손목 관절(W) 등과 같은 적어도 하나의 비제동된 관절을 포함하는 경우, 상기 브레이크는, 예를 들면, 상기 손목 관절(W)를 비틀어서 외과의가 수동으로 상기 비제동된 관절을 움직이는 경우에 탈착되도록 구성될 수 있다. 비록 상기한 기술은 상기 관절(J)이 상기 동작의 각도 범위(α) 밖으로 이동되는 경우 상기 브레이크가 체결되기는 하지만, 상기 브레이크는 또한 단지 다수의 관절이 그들 개개의 동작의 각도 범위 밖으로 이동되는 경우에만 체결해제되도록 구성될 수도 있다.
유지 토크 실시형태의 하나의 이점은 브레이크가 관절 공간에서 구현된다는 것이며, 각 개별의 관절 작동기는 고유한 유지 토크 한계를 가질 수 있다는 것이다. 예를 들면, 무거운 관절은 더 큰 유지 토크를 필요로 할 수 있는데, 이는, 제동에 부가해서, 유지 토크 또한 관절에 작용하는 중력을 보상해야 하기 때문이다. 대조적으로, 가벼운 중량의 관절은 비교적 작은 유지 토크를 가질 수 있는데, 이는 가벼운 관절은 적은 중력 보상을 필요로 하기 때문이다. 이러한 차이가 브레이크의 체결해제를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 특히 외과의가 낮은 유지 토크를 가지는 관절을 수동으로 움직이는 것이 더 용이하므로, 가벼운 관절의 움직임이 가상 브레이크의 제동해제를 개시시키기 위해서 사용될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 상기 가상 브레이크는 촉각적인 대상체(haptic object)를 사용해서 직교 공간(Cartesian space) 내에서 실행된다. 상기 촉각적인 대상체 실시형태는 상기 제동 영역이 관절의 운동의 각도 범위 대신에 촉각적인 대상체에 의해 한정되는 것을 제외하고는 상기 유지 토크 실시형태와 유사하다. 여기에 그의 전체로서 참조로 인용되는, 2006년 2월 21일자로 출원된 미국 특허출원 제11/357,197호(미국 공개특허 제2006/0142657호)에서 설명된 바와 같이, 촉각적인 대상체는 힘 및/또는 토크(즉, 힘 피드백)와 위치 사이의 맵핑에 의하여 한정된다. 상기 촉각적인 대상체는 실제 공간에 대해서 등록되고, 실제 공간 내의 가상 경계를 한정한다. 상기 촉각적인 대상체는 상기 가상 경계가 특정의 수술 절차에 적절한 임의의 소정의 크기, 형상 및 위치를 갖도록 한정될 수 있다. 뼈의 절단 동안에 활성화되는 가상 절단 경계와 유사한 방법으로, 상기 가상 경계 너머로의 상기 관절식 팔(34)의 특정된 부분의 이동은 상기 포스 시스템에 의해 적용되는 힘 피드백에 의해 제한된다. 가상 브레이크로서 촉각적인 대상체가 사용되는 경우, 상기 촉각적인 대상체는 상기 관절식 팔(34)의 말단에 부착된 상기 수술 도구 또는 다른 설비에 대한 "가상 홀스터"(virtual holster)로서 기능하고, 상기 포스 시스템에 의해 적용되는 상기 힘 피드백은 상기 제동력이다. 도 16a 및 도 16b에 나타낸 바와 같이, 상기 가상 홀스터는 가상 경계(600) 및 해당 가상 경계(600)에 의해서 고정되는 내부 영역(605)(제2영역)을 포함한다. 외과의가 수동으로 상기 수술 도구를 상기 가상 경계(600) 내로 이동시키는 경우, 상기 제어기는 상기 포스 시스템을 제어하여 상기 수술 도구가 상기 가상 홀스터의 상기 가상 경계(600) 내에서 유지되도록 상기 관절식 팔(34)의 이동을 제한하도록 한다.
상기 유지 토크 실시형태에 있어서, 상기 제동 영역 내에서의 상기 관절(J)의 위치에 무관하게 일정한 유지 토크가 적용되기 때문에 상기 제동력은 실질적으로 상기 제동 영역 내에서 지속된다. 그 결과, 상기 관절식 팔(34)은 외과의가 상기 관절(J)을 상기 제동 영역 내에서 움직임에 따라서 원활한 연속적인 느낌을 갖는다. 대조적으로, 상기 촉각적인 대상체 실시형태에 있어서는, 상기 제동력이 상기 촉각적인 대상체의 상기 가상 경계(600)에서는 전형적으로 상기 제동력이 적용되나 그러나 상기 촉각적인 대상체의 내부 영역(605) 내에서는 적용되지 않기 때문에 상기 제동력은 실질적으로 상기 제동 영역 내에서 불연속적이다. 예를 들면, 하나의 실시형태에 있어서, 힘 피드백은 단지 상기 가상 경계(600)에서나 또는 그 근처에서만 적용되고, 상기 내부 영역(605) 내에서는 적용되지 않는다. 따라서, 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 내에 파킹된 경우, 상기 수술 도구는 상기 가상 경계(600)의 범위 내에서 자유롭게 이동할 수 있으나, 상기 가상 경계(600) 밖에서는 이동이 방지된다. 이러한 방식으로, 상기 제동 영역은 그 안에서 제동력이 적용되는 제1영역(즉, 상기 가상 경계(600)) 및 그 안에서 제동력이 적용되지 않는 제2영역(즉, 상기 내부 영역(605))을 포함한다. 대안적으로, 상기 촉각적인 대상체의 맵핑은 상기 힘 피드백이 상기 가상 경계(600)에서 또는 그 근처에서와 마찬가지로 상기 내부 영역(605) 내에서 적용되도록 한정되어 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 내에서 또는 그 너머에서 이동되지 않도록 할 수 있다.
상기 유지 토크 실시형태에 대해서 앞서 기술한 바와 같이, 상기 촉각적인 대상체 실시형태에 있어서, 상기 브레이크는 외과의가 수동으로 상기 수술 도구(또는 상기 관절식 팔(34)의 다른 특정의 부분)를 상기 제동 영역 내로 이동시키는 경우에 체결되도록 구성된다. 예를 들면, 외과의가 상기 관절식 팔(34)을 도 16a에 나타낸 위치로부터 도 16b에 나타낸 위치로 이동시키는 경우, 상기 수술 시스템(5)은 상기 수술 도구의 특정된 부분(상기 선단 및/또는 샤프트 등)이 상기 가상 경계(600) 내에 위치되는 경우를 검출하고, 상기 제어기가 상기 브레이크를 체결시킨다. 상기 촉각적인 대상체 실시형태에 있어서, 상기 브레이크의 체결은 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 내에 존재하는 경우에 상기 촉각적인 대상체의 힘 피드백을 턴온(turning on)시키는 것과 같은 확정적인 작용을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 촉각적인 대상체의 상기 힘 피드백은 연속적으로 활성화되어 상기 브레이크의 체결이 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 내에 존재하는 것을 결정하는 상기 수술 시스템(5)을 포함하도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 제어기는 상기 관절식 팔(34)의 적어도 일부가 상기 한정된 제동 영역 내에 존재하는지의 여부를 결정하고, 상기 관절식 팔(34)의 적어도 일부가 상기 제동 영역 내에 존재하는 것으로 결정되는 경우에 한정된 제동력이 적용되도록 하여 상기 관절식 팔(34)의 적어도 일부의 이동을 억제하도록 하는 원인이 되도록 구성되는 신호를 생성하도록 프로그래밍된다. 상기 브레이크의 체결해제는 또한 상기 제동 영역에 기초할 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 브레이크는 외과의가 상기 수술 도구(또는 상기 관절식 팔(34)의 다른 특정의 부분)를 상기 제동 영역 밖으로 이동시키는 경우에 체결해제되도록 구성된다. 예를 들면, 상기 브레이크를 체결해제시키기 위해서는, 외과의는 상기 가상 경계(600)에서 상기 포스 시스템에 의해 제공되는 상기 힘 피드백을 극복하기에 충분한 힘으로 상기 관절식 팔(34)을 이동시킨다. 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 밖에서 상기 비제동 영역(610) 내로 이동되는 경우, 상기 브레이크는 탈착된다. 상기 촉각적인 대상체 실시형태에 있어서는, 상기 브레이크의 탈착은 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 밖으로 이동한 이후에 상기 촉각적인 대상체의 힘 피드백을 턴오프(turning off)시키는 것과 같은 확정적인 작용을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 촉각적인 대상체의 상기 힘 피드백은 연속적으로 활성화되어 상기 브레이크의 탈착이 상기 수술 도구가 상기 가상 경계(600) 밖에 존재한다는 상기 수술 시스템(5)에 의한 결정을 포함하도록 할 수 있다. 상기 유지 토크 실시형태에 대한 것과 마찬가지로, 상기 제동력의 크기는 외과의가 수동으로 상기 관절식 팔(34)을 이동시켜 상기 제동력을 극복하는 것이 가능하도록 하기에 충분한 정도로 작다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 제동 영역과 상기 비제동 영역 사이에 중첩부가 존재하여 상기 브레이크의 의도치 않은 해제를 방지하도록 한다. 부가적으로 또는 대안으로, 상기 브레이크는 상기 유지 토크 실시형태에 대해서 위에서 설명한 바와 같이 손목 관절(W)을 비트는 것과 같은 상기 제동 영역과는 독립적으로 체결해제되도록 구성될 수 있다.
상기 파킹 배치형태는 상기 로봇 팔(30)의 임의의 가변가능한 부재와 함께 또는 상기 로봇 팔(30)에 연관되지 않은 가변가능한 부재와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 가변가능한 부재는 수술 네비게이션(surgical navigation)용의 계측장비부착 연결장치 시스템(instrumented linkage system)이 될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 도 17a에 나타낸 바와 같이, 상기 계측장비부착 연결장치 시스템은 다수의 가변가능한 관절들에 의하여 연결되는 다수의 링크들을 갖는 계측장비부착 연결장치(또는 관절식 팔)(800)를 포함한다. 잘 알려진 바와 같이, 상기 관절들은 계측장비가 부착되어(예를 들면, 관절 인코더(joint encoder)를 사용하여) 원위 링크(distal link)(810)에 대한 근위 링크(proximal link)(805)의 좌표들의 기록을 가능하게 한다. 상기 원위 링크(810)가 추적되어야 할 대상체(뼈 등)에 연결되는 경우, 추적된 대상체의 자세가 결정될 수 있다. 상기 추적된 대상체가 이동함에 따라, 계측장비가 부착된 링크(800)가 상기 추적된 대상체를 따라 이동한다. 이러한 방식으로, 상기 추적된 대상체가 실제 공간 내에서 이동함에 따라 상기 추적된 대상체의 자세가 추적될 수 있다. 추적을 위한 계측장비부착 연결장치시스템의 사용의 하나의 잇점은 상기 계측장비부착 연결장치시스템이 가시선 제한(line-of-sight constraint)을 갖는 일 없이 수술 네비게이션을 가능하게 한다는 것이다. 대조적으로, 광학적 추적 시스템(optical tracking system)은 광학 카메라와 상기 추적된 대상체 상에 위치되는 추적가능한 표지자(trackable marker) 사이에 가시선을 필요로 한다.
수술 절차 동안, 상기 계측장비부착 연결장치(800)는 파킹 배치형태 내에 놓이도록 구성될 수 있으며, 여기에서 상기 계측장비부착 연결장치(800)는 안전한 위치 내에 고정되어, 상기 수술 절차의 상기 멸균영역 밖으로 벗어나는 것을 방지한다. 상기 관절식 팔(34)과 연관하여 앞서 기술한 바와 같이, 상기 계측장비부착 연결장치(800)에 대한 상기 파킹 배치형태는 브레이크를 사용하여 달성될 수 있다. 상기 브레이크는 가상 브레이크(예를 들면, 앞서 기술한 바와 같은) 또는 실제 브레이크를 사용하여 실행될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 관절(J2)은 직접적으로 또는 케이블을 통하여 작동기와 연결되어 상기 계측장비부착 연결장치(800)가 후진가능하도록 한다. 정상적인 작동 동안, 상기 작동기는 상기 계측장비부착 연결장치(800)의 중량으로 인한 중력 하중(gravity load)을 상쇄하기에 충분한 토크를 적용할 수 있다. 상기 파킹 배치형태(도 17b에 도시됨)는 상기 계측장비부착 연결장치(800)의 적어도 하나의 관절에 유지 토크를 적용하는 것에 의하여 달성될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 파킹 배치형태는 전기 또는/및 기계적인 브레이크, 전기유변학적(electrorheological; ER) 또는 자기유변학적(magnetorheological ; MR) 유체 브레이크 등과 같은 임의의 적절한 조합을 사용하는 물리적인 브레이크 기구(820)로 실행될 수 있다. 상기 관절식 팔(34)과 연관하여 앞서 기술한 바와 같이, 상기 브레이크의 적용은 바람직하게는 상기 제동 영역에 대한 상기 계측장비부착 연결장치(800)의 위치에 기초한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 브레이크 기구(820)는 단지 상기 계측장비부착 연결장치(800)의 관절(또는 관절들)이 상기 제동 영역 내에 존재하는 경우에만 제동력을 적용하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 브레이크는 상기 관절(J2) 및 관절(J4)이, 예를 들면, 상기 관절식 팔(34)과 연관하여 앞서 설명한 바와 같은 미리 규정된 운동의 각도 범위 내에 각각 위치되는 경우에 결합(상기 제어기로부터의 신호에 기초하여) 되도록 구성된다. 상기 운동의 각도 범위는, 예를 들면, 10°일 수 있다. 상기 브레이크의 탈착은 또한 상기 제동 영역에 기초할 수 있다. 하나의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 브레이크는 외과의가 상기 관절들 중의 적어도 하나를 상기 제동 영역 밖으로 이동시키는 경우에 체결해제되도록 구성된다. 예를 들면, 상기 브레이크는 외과의가 상기 관절(J4)을 상기 제동 영역의 운동의 범위 밖으로 이동시키는 경우에 체결해제되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 수술 시스템은 추적되어야 할 대상체에 연결되도록 구성된 관절부재(articulated member) 및 상기 관절부재의 적어도 일부가 한정된 제동 영역 내에 있는지의 여부를 결정하고, 상기 관절부재의 적어도 일부가 상기 제동 영역 내에 존재하는 것으로 결정된 경우에 상기 관절부재의 적어도 일부의 이동을 제한하도록 제동력을 적용하도록 구성되는 신호를 생성하도록 프로그래밍된 제어기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가상 브레이크의 파라미터들은 환경 및/또는 소정의 구조에 따라 조정될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 상기 가상 브레이크는 제동력, 제동 영역의 크기, 제동 영역의 위치 및/또는 상기 제동 영역의 형태 등과 같은 파라미터들을 포함하는 가상 브레이크 구조로 한정된다. 상기 유지 토크 및 촉각적인 대상체 실시형태들과 연관하여 앞에서 설명한 바와 같이, 이들 파라미터는 특정한 수술 적용예에 대해서 맞추어질 수 있다. 게다가, 상기 제어기는 외과의가 상기 가상 브레이크 구조를 연속적으로 제어하는 것을 가능하게 하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들면, 수술 절차 이전, 도중 및 이후에, 외과의는 컴퓨터(네비게이션 시스템(7) 상의 컴퓨터 등)를 사용하여 상기 가상 브레이크 구조의 하나 또는 그 이상의 파라미터를 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 제어기는 외과의가 상기 가상 브레이크 구조의 상기 파라미터를 연속적으로 변경할 수 있도록 프로그래밍된다. 유리하게도, 상기 가상 브레이크 구조는 상기 로봇 팔(30)의 기계적인 구조를 변경함이 없이 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 포스 시스템의 상기 작동기는 변화하는 수준들의 상기 유지 토크 및 힘 피드백을 적용하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 제동력을 변경하기 위해서는, 상기 제어기는 단순히 상기 작동기들이 서로 다른 크기의 유지 토크 또는 힘 피드백을 출력하도록 제어하는 것을 필요로 한다. 유사하게는, 상기 제동 영역을 변경하기 위하여, 상기 제어기는 단순히 상기 운동의 각도 범위(α), 상기 가상 경계(600)의 크기, 상기 가상 경계(600)의 위치 및/또는 상기 가상 경계(600)의 형상에 대한 새로운 값들이 제공되도록 하는 것만을 필요로 한다. 따라서, 상기 가상 브레이크 구조는 언제든지 변경할 수 있다. 예를 들면, 극히 무거운 작동부재가 상기 관절식 팔(34)에 결합되어야 하는 경우, 외과의는 상기 브레이크가 상기 무거운 작동부재를 안전하게 고정시킬 수 있도록 하는 것을 확실하게 하도록 상기 제동력을 증가시키기를 원할 수 있다. 마찬가지로, 서로 다른 기능을 지니는 작동부재들에 대해서는, 외과의는 서로 다른 위치의 제동 영역을 선호할 것이다. 비록 상기 가상 브레이크 구조가 언제든지 변경될 수 있기는 하지만, 특정의 수술 절차에 대해서는 연속적인 수술 작업흐름을 가능하게 하도록, 상기 관절식 팔(34)에 결합된 대상체가 무엇이든지 관계없이 동일한 구조를 갖는 브레이크를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 브레이크가 상기 수술 절차 동안에 상기 관절식 팔(34)에 결합될 모든 대상체를 안전하게 수용할 수 있도록 하는 것을 확실하게 하는 가상 브레이크 구조의 파라미터들을 설정하는 것에 의해 달성될 수 있다.
당해 기술분야에서 숙련된 당업자라면 상기한 정신 또는 그의 필수적인 특징들로부터 벗어남이 없이 다른 특정의 형태들로 구체화할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시형태들은 모든 관점들에서 여기에 기술된 본 발명을 제한하기보다는 설명을 위한 것으로 고려되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 관점은 상기 상세한 설명에 의하기보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 표시되며, 따라서 상기 특허청구범위와 등가의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변형은 본 발명에 포함되도록 의도되어 있다.

Claims (19)

  1. 제1기능을 지니도록 구성되고 제1결합영역을 구비하는 제1작동부재;
    제2기능을 지니도록 구성되고 제2결합영역을 구비하는 제2작동부재;
    개별적으로 또한 상호호환적으로 상기 제1작동부재와 상기 제2작동부재의 적어도 일부를 수용하여, 수용된 작동부재의 방사상 방향에서의 상기 수용된 작동부재의 이동을 제한하면서, 하우징에 대해서 수용된 상기 작동부재의 회전을 허용하도록 구성된 수용부를 포함하는 하우징; 및
    상기 하우징 상에 배치되어, 상기 수용된 작동부재를 상기 하우징에 결합시켜서, 상기 하우징에 대한 상기 수용된 작동부재의 회전을 허용하도록 구성된 결합장치
    를 포함하며,
    상기 결합장치는 상기 제1결합영역과 상기 제2결합영역 중 대응하는 결합영역과 맞물려서 상기 수용된 상기 작동부재의 길이방향으로 상기 하우징에 대한 수용된 작동부재의 이동을 제한하도록 구성된 유지부재를 포함하고,
    상기 결합장치와 상기 제1작동부재 및 제2작동부재는, 상기 결합장치가 상기 제1작동부재의 상기 제1결합영역과 맞물리는 경우에 제1제한영역에 대해서, 그리고 상기 결합장치가 상기 제2작동부재의 상기 제2결합영역과 맞물리는 경우에 상기 제1제한영역과는 다른 제2제한영역에 대해서, 상기 수용된 작동부재의 길이방향으로의 이동을 제한하도록 구성되어 있는,
    다기능 도구용 부품들의 키트(kit-of-parts for a multi-functional tool).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1제한영역은 실질적으로 상기 하우징에 대해서 고정된 축상 위치인, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2제한영역은 제1축상위치 및 제2축상위치를 포함하고, 상기 제2작동부재는 상기 제1축상위치와 제2축상위치 사이에서 이동가능한, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결합장치로부터 이격되어 배치되어, 상기 제2작동부재와 맞물려서 상기 제2제한영역에서 상기 제2작동부재의 병진이동을 제한하도록 구성된 정지부재를 더 포함하는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합영역은 상기 제1작동부재의 원주 표면 내에 제1오목부를 포함하고, 상기 제2결합영역은 상기 제2작동부재의 원주 표면 내에 제2오목부를 포함하며, 상기 제1오목부의 길이방향 길이가 상기 제2오목부의 길이보다 작은, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1오목부와 상기 제2오목부 중 대응하는 하나의 오목부의 근위 단부 및 원위 단부가 상기 제1제한영역 및 상기 제2제한영역 중 대응하는 하나의 제한영역 내에서 수용된 상기 작동부재의 움직임의 범위를 규정하는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1오목부는, 상기 유지 부재가 상기 제1결합영역과 맞물릴 경우 상기 제1오목부의 근위 단부 및 원위 단부가 상기 유지 부재와 동시에 접촉하도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2오목부는,
    상기 유지 부재가 상기 제2결합영역과 맞물릴 경우에, 상기 유지 부재가
    상기 제2오목부의 근위 단부와 접촉하도록 구성되거나,
    상기 제2오목부의 원위 단부와 접촉하도록 구성되거나,
    이들 중의 어느 것과도 접촉하지 않도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유지 부재는 상기 하우징에 대해서 회전되도록 구성되어 있는 다기능 도구용 부품들의 키트.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유지 부재는 수용된 상기 작동부재에 대해서 회전되도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유지 부재는 제1부분과 제2부분을 포함하며, 상기 제1부분은 상기 제2부분을 변위시켜 상기 수용된 작동부재의 상기 결합영역에 맞물리게 해서 상기 수용된 작동부재를 제한하도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유지 부재의 상기 제1부분 및 제2부분은 서로에 대해서 회전하도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 결합장치에 결합되어, 상기 수용된 작동부재가 제한받지 않는 제1위치와 상기 수용된 작동부재가 제한되는 제2위치 사이에서 상기 유지 부재를 이동시키도록 구성된 해제 부재를 더 포함하는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1작동부재는 작업물-결합 단부(workpiece-engaging end)와 근위 단부를 포함하고, 이 근위 단부는 구동부재에 연결되도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2작동부재는 작업물-결합 단부와 근위 단부를 포함하고, 이 근위 단부는 충격력을 수용하도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 근위 단부는 상기 제2작동부재의 작업물-결합 단부 상에 배치된 보철기구를 수술 환자의 관절 내로 타격하기에 충분한 타격력을 견디도록 구성되어 있는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1기능은 확공 기능(reaming function)을 포함하고, 상기 제2기능은 타격 기능(impaction function)을 포함하는 다기능 도구용 부품들의 키트.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1작동부재는 직선 확공기 샤프트(straight reamer shaft) 및 오프셋 확공기 샤프트(offset reamer shaft) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2작동부재는 직선 타격기 샤프트(straight impactor shaft) 및 오프셋 타격기 샤프트(offset impactor shaft) 중 적어도 하나를 포함하는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 다기능 도구는 로봇 팔의 단부 상에 배치되도록 구성된 말단장치를 포함하는, 다기능 도구용 부품들의 키트.
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