KR101862924B1 - 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

이하, 실시예들은 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 니들 가이드 장치는, 제1 빔 및 상기 제1 빔에 평행하게 배치되고 상기 제1 빔의 길이 방향의 축을 따라 이동 가능한 제2 빔을 포함하고, 일 단부에 니들이 장착되는 드릴이 상기 제1 빔의 일 단부 및 상기 제2 빔의 일 단부에 각각 연결되고, 상기 드릴은 상기 제1 빔의 길이 방향의 축 및 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 회전 가능하다.

Description

니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템{AN APPARATUS FOR GUIDING A NEEDLE AND A SYSTEM INCORPORATING THE SAME}
이하, 실시예들은 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
뼈 조직 검사란 뼈 조직 검사용 바늘(또는 니들, needle)을 이용하여 뼈를 뚫고 들어가 목표 지점에 도달한 후, 뼈 조직을 채취하고 상기 뼈 조직을 검사하는 것을 말한다. 바늘의 위치와 상기 바늘이 삽입될 목표점을 확인하기 위하여 CT영상을 빈번하게 사용하기 때문에 방사선 노출이 불가피하다. 뿐만 아니라, 바늘과 상기 바늘이 삽입될 목표점의 위치를 파악하더라도, 사람의 손으로 상기 바늘이 삽입될 목표점에 바늘을 정밀하게 삽입하는 것이 매우 어려울 수 있다. 연 조직과 달리 뼈 조직은 삽입한 경로에 구멍이 생기기 때문에, 상기 목표점으로 향하지 않는 잘못된 경로가 생성되면 이를 다시 바로 잡기가 어렵다. 따라서, 최초의 삽입이 정밀해야 한다.
예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-0950990호는 뼈 치료용 장치를 개시한다.
일 실시예에 따른 목적은 니들의 위치와 상기 니들이 삽입될 목표점의 위치를 파악하고, 니들을 목표점으로 정밀하게 삽입시키는 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 니들을 목표점으로 삽입시키는 과정에서 실시간으로 니들의 위치를 제어하는 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 니들의 위치와 상기 목표점을 확인하기 위하여 사용되는 CT촬영기의 사용 횟수를 감소시켜 방사선 노출을 줄일 수 있는 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치는, 제1 빔 및 상기 제1 빔에 평행하게 배치되고 상기 제1 빔의 길이 방향의 축을 따라 이동 가능한 제2 빔을 포함할 수 있고, 일 단부에 니들이 장착되는 드릴이 상기 제1 빔의 일 단부 및 상기 제2 빔의 일 단부에 각각 연결될 수 있고, 상기 드릴은 상기 제1 빔의 길이 방향의 축 및 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 회전 가능할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제2 빔에는 상기 제1 빔에 평행하게 배치된 가이드 레일이 마련되고, 상기 가이드 레일을 따라 상기 제2 빔이 이동할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 가이드 레일은, 상기 제2 빔이 결합되고, 상기 제2 빔의 길이 방향의 축을 따라 움직이며 상기 제2 빔을 이동시키는 가이드 블록 및 상기 가이드 블록과 결합되고, 상기 제2 빔의 길이 방향의 축에 대하여 회전하는 선형회전기어를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 니들 가이드 장치는, 상기 제1 빔의 타 단부와 결합되고 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 대하여 상기 제1 빔을 회전시키는 회전판을 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제1 빔의 일 단부에는, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 상기 드릴이 회전 가능하게 결합되는 제1 그리퍼가 마련될 수 있고, 상기 제2 빔의 일 단부에는, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 상기 드릴이 회전 가능하게 결합되는 제2 그리퍼가 마련될 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 시스템은, 일 단부에 니들이 장착되고 상기 니들의 위치를 측정하는 니들감지부가 부착된 드릴, 구동부로부터 동력을 전달 받아 드릴의 길이 방향에 교차하는 제1 축에 대하여 및 상기 드릴의 길이 방향과 상기 제1 축에 각각 교차하는 제2 축에 대하여 상기 드릴을 회전시키는 니들 가이드 유닛, 대상체에 부착되고 니들이 삽입될 목표점의 위치를 측정하는 대상체감지부 및 상기 니들감지부로부터 측정된 상기 니들의 위치 및 상기 대상체감지부로부터 측정된 상기 목표점의 위치에 기초하여 상기 니들 가이드 유닛을 제어하는 위치추적유닛을 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 위치추적유닛은, 상기 니들감지부가 부착된 위치로부터 상기 목표점을 지향하는 입력 벡터를 생성할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 위치추적유닛은, 상기 입력 벡터가 상기 제1 축 및 상기 제2 축이 형성하는 가상 평면 상에 배치되도록 상기 드릴이 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대하여 회전할 각도를 결정할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 위치추적유닛은, 상기 드릴이 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대하여 회전할 각도에 기초하여 드릴의 회전 각속도 정보를 획득하고, 획득한 드릴의 회전 각속도 정보에 기초하여 상기 구동부의 동력을 제어할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 니들 가이드 유닛은, 상기 드릴의 일 측부에 연결되고, 상기 드릴이 상기 제1 축에 대하여 회전하도록 상기 제1 축에 대하여 상기 드릴의 일 측부를 회전시키는 제1 빔 및 상기 드릴의 타 측부에 연결되고, 상기 드릴이 상기 제2 축에 대하여 회전하도록 상기 제1 축의 길이 방향을 따라 상기 드릴의 타 측부를 이동시키는 제2 빔을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템은 니들의 위치와 상기 니들이 삽입될 목표점의 위치를 파악하고, 니들을 목표점으로 정밀하게 삽입시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템은 니들을 목표점으로 삽입시키는 과정에서 실시간으로 니들의 위치를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템은 니들의 위치와 상기 목표점을 확인하기 위하여 사용되는 CT촬영기의 사용 횟수를 감소시켜 방사선 노출을 줄일 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치 및 이를 포함하는 시스템의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 니들 가이드 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 니들감지부를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 니들감지부를 일 축 방향에서 바라본 상면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 니들 가이드 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 드릴이 일 축 및 타 축에 대하여 회전 가능함을 나타내는 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 위치추적유닛이 구동부를 제어하여 드릴을 회전시키는 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6는 일 실시예에 따른 위치추적유닛이 니들이 삽입될 목표점을 지향하는 입력 벡터를 생성하는 과정을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7e는 일 실시예에 따른 위치추적유닛이 드릴이 회전할 각도를 결정하는 과정을 나타낸다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 니들 가이드 시스템(1)은, 일 단부에 니들이 장착되고 상기 니들의 위치를 측정하는 니들감지부(110)가 부착된 드릴(100), 구동부(250)로부터 동력을 전달 받아 드릴(100)의 길이 방향에 교차하는 제1 축에 대하여 및 상기 드릴(100)의 길이 방향과 상기 제1 축에 각각 교차하는 제2 축에 대하여 상기 드릴(100)을 회전시키는 니들 가이드 유닛(200), 대상체에 부착되고 니들이 삽입될 목표점(H)의 위치를 측정하는 대상체감지부(310) 및 상기 니들감지부(110)로부터 측정된 상기 니들의 위치 및 상기 대상체감지부(310)로부터 측정된 상기 목표점(H)의 위치에 기초하여 상기 니들 가이드 유닛(200)을 제어하는 위치추적유닛(300)을 포함할 수 있다.
본원에서 "니들(needle)"은 일반적으로 바늘을 가리키지만, 대상체, 더욱 구체적으로는 대상체 내에 포함된 뼈로 삽입되는 바늘을 가리키는 것으로, 스크류 또는 바늘 등을 모두 가리킬 수 있다. 특별하게는, 본원에서 "니들"은 뼈 조직 검사용 바늘을 가리키는 것으로, 뼈를 뚫고 삽입되어 뼈 조직을 채취하는 용도로서 사용될 수 있다.
본원에서 "대상체"는 일반적으로 사람이나 동물을 가리키지만, 이에 한정되지 않으며 뼈를 포함하고 있는 모형 또는 통상의 기술자가 속한 기술 분야에서 그 밖의 유사한 것들을 모두 가리킬 수 있다.
본원에서 "제1 축" 및 "제2 축"은 드릴의 길이 방향에 대하여 각각 교차하는 축으로서, 제1 축과 제2 축 또한 서로 교차할 수 있으며, 제1 축과 제2 축이 형성하는 가상 평면과 드릴(100)의 길이 방향이 교차할 수 있다. 또한, 제1 축과 제2 축은 미리 정해진 방향이 아닌 후술할 니들감지부(110)의 좌표계에 속하는 축들로서, 드릴의 회전에 따라 제1 축과 제2 축은 니들 가이드 시스템(1) 좌표계 상에서 가변적으로 변할 수 있다. 본원에서 설명의 편의를 위하여, 제1 축은 후술할 제1 빔(210)의 길이 방향의 축으로, 제2 축은 드릴(100)의 길이 방향의 축과 상기 제1 빔(210)의 길이 방향의 축에 각각 교차하는 축으로 설명한다.
도 2a 및 도 2b에는 드릴(100)에 부착된 니들의 위치를 측정하는 니들감지부(110)가 도시된다.
니들감지부(110)는 본체(112), 본체의 일 측면 상에 형성되고 상기 본체의 일 측면으로부터 상기 본체의 내부를 향하여 돌출하는 드릴연결부재(114), 상기 드릴연결부재(114)의 일 단부에 형성된 빔결합부재(116a, 116b) 및 상기 드릴연결부재(114)의 일 측면을 관통하는 드릴보어(115)를 포함할 수 있다.
본체(112)는 육면체의 형상을 구비할 수 있다. 본체(112)의 내부에는 위치센서(미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 위치센서를 둘러싸도록 본체(112)가 형상화될 수 있다. 또한, 후술할 제2 빔(220)과 결합하는 공간을 마련할 수 있도록 일 측면이 개방될 수 있다.
드릴연결부재(114)는 드릴(100)과 연결될 수 있도록 상기 본체(112)의 내부를 향하여 상기 본체(112)의 일 측면으로부터 돌출할 수 있다.
빔결합부재(116a, 116b)는 드릴연결부재(114)의 일 단부에 돌출하며 형성될 수 있다. 또한, 빔결합부재(116a, 116b)는 드릴연결부재(114)가 돌출하는 방향과 교차하며 형성될 수 있다. 빔결합부재(116a, 116b)에는 후술할 제2 빔(220), 구체적으로는 제2 빔(220)의 일 단부에 마련되는 제2 그리퍼(224)가 결합될 수 있다. 제2 그리퍼(224)는 빔결합부재(116a, 116b)에 드릴이 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 따라서, 드릴의 길이 방향의 축이 니들 가이드 시스템(1)의 좌표계 상에서 기울어지더라도 제2 그리퍼(224)가 드릴(100)의 자세를 유지시킬 수 있다.
드릴보어(115)는 드릴연결부재(114)의 일 측면을 관통하여 형성될 수 있다. 또한, 드릴보어(115)에는 위치센서(미도시)가 마련될 수 있다.
니들감지부(110)는 본체(112)의 일 측면들을 서로 지지하는 본체지지부재(118a, 118b)를 더 포함할 수 있다.
니들감지부(110)는 제1 니들감지부(110a) 및 제2 니들감지부(110b)를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 니들감지부(110a)에 구비된 위치센서와 제2 니들감지부(110b)에 구비된 위치센서가 드릴(100)의 길이 방향을 따라 나란히 배치될 수 있으며, 상기 위치센서들 사이에 드릴(100)의 일 단부에 장착되는 니들이 삽입되는 목표점(H)을 지향하는 벡터가 생성될 수 있다. 또한, 제1 니들감지부(110a)와 제2 니들감지부(110b)는 각각의 위치센서들의 좌표계가 일치할 필요는 없다. 따라서, 제1 니들감지부(110a)와 제2 니들감지부(110b)는 드릴(100)의 길이 방향의 축에 대하여 각도를 이루며 배치될 수 있다. 이로 인하여, 각각의 니들감지부(110a, 110b)에 구비된 위치센서들 사이에 위치 관계가 정해질 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 니들 가이드 유닛(200)의 구조 및 기능을 설명한다. 니들 가이드 유닛(200)은 본원에서 니들 가이드 장치로서 언급될 수 있다.
니들 가이드 장치(200)는, 제1 빔(210) 및 상기 제1 빔(210)에 평행하게 배치되고 상기 제1 빔(210)의 길이 방향의 축을 따라 이동 가능한 제2 빔(220)을 포함할 수 있다.
제1 빔(210)에는 제1 외팔보(212), 상기 제1 외팔보(212)의 일 측면 상에 결합되고 상기 제1 외팔보(212)에 의하여 지지되는 제1 하위외팔보(216) 및 상기 제1 하위외팔보(216)의 일 단부에 결합되는 제1 그리퍼(214)가 마련될 수 있다. 또한, 후술할 제2 빔(210)을 지지하기 위하여 제1 빔(210)의 일 측면 상에는 빔지지부재(204a, 204b)가 배치될 수 있다.
제1 빔(210)은 구동부(250), 구체적으로는 제1 구동부(252)에 연결될 수 있다. 제1 구동부(252)는 제1 빔(210)에 동력을 전달함으로써 제1 빔(210)을 제1 빔(210)의 길이 방향의 축(제1 축)에 대하여 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 빔(210)의 회전 각도는 약 -45°내지 약 +45°의 범위 내일 수 있다. 이에 따라 제1 빔(210)의 일 단부, 구체적으로는 제1 그리퍼(214)에 회전 가능하게 결합된 드릴(100)이 제1 빔(210)의 길이 방향의 축(제1 축)에 대하여 회전할 수 있다.
또한, 제1 빔(210)과 제1 구동부(252) 사이에 제1 빔(210)을 회전시키는 회전판(240)이 마련될 수 있다. 회전판(240)은 제1 구동부(252)에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 구동부(252)가 회전판(240)으로 동력을 전달하면, 회전판(240)은 제1 구동부(252)의 구동축에 대하여 회전할 수 있고, 결국 제1 빔(210)을 제1 빔(210)의 길이 방향의 축(제1 축)에 대하여 회전시킬 수 있다. 또한, 회전판(240)은 제1 빔(210)과 함께 회전할 수 있도록 제1 빔(210)과 결합될 수 있다.
제2 빔(210)에는 제1 빔(210)에 평행하게 배치된 가이드 레일(230)이 마련될 수 있고, 상기 가이드 레일(230)을 따라 제2 빔(210)이 이동할 수 있다. 또한, 제2 빔(210)에는 제2 외팔보(222), 상기 제2 외팔보(222)의 일 단부에 결합되는 제2 그리퍼(224)가 마련될 수 있다.
가이드 레일(230)은 제2 빔(220), 구체적으로는 제2 외팔보(222)가 결합되고 상기 제2 빔(220)의 길이 방향의 축을 따라 움직이며 상기 제2 빔(220)을 이동시키는 가이드 블록(232) 및 상기 가이드 블록(232)과 결합되고 상기 제2 빔(220)의 길이 방향의 축에 대하여 회전하는 선형회전기어(234)를 포함할 수 있다.
가이드 블록(232)은 가이드 레일(230)을 따라 이동하며 일 측면 상에 결합된 제2 빔(220)을 제2 빔(220)의 길이 방향의 축, 즉 제1 빔(210)의 길이 방향의 축(제1 축)과 평행하게 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 빔(220)의 일 단부에 연결된, 구체적으로는 제2 그리퍼(224)에 결합된 드릴(100)이 드릴(100)의 길이 방향의 축 및 제1 빔(210)의 길이 방향의 축(제1 축)에 각각 교차하는 축(제2 축)에 대하여 회전할 수 있다. 예를 들어, 드릴(100)이 상기 각각 교차하는 축(제2 축)에 대하여 회전하는 각도는 약 -20° 내지 +20°의 범위 내일 수 있다.
선형회전기어(234)는 가이드 블록(232)과 결합될 수 있다. 또한, 선형회전기어(234)는 구동부(250), 구체적으로 제2 구동부(254)에 연결되고, 제2 구동부(254)로부터 동력을 전달받아 선형회전기어(234)의 길이 방향의 축에 대하여 회전하며 가이드 블록(232)을 상기 축을 따라 이동시킬 수 있다. 구체적으로는, 선형회전기어(234)는 가이드 블록(232)의 내부를 관통하여 결합될 수 있다. 예를 들어, 선형회전기어(234)는 제2 구동부(254)로부터 동력을 전달받아 회전하는 원형렉기어일 수 있다.
가이드 블록(232)은 상기 선형회전기어(234)가 아닌 엑츄에이터에 연결된 별도의 축에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 엑츄에이터가 공압식이나 수압식인 경우, 공기나 유체의 압축 및 신장에 의하여 엑츄에이터에 연결된 별도의 축이 가이드 레일(230)을 따라 이동하며 제2 빔(220)을 이동시킬 수도 있다.
제1 그리퍼(214) 및 제2 그리퍼(224)는 드릴(100)이 회전 가능하도록 드릴(100)의 일 측부와 결합할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이 드릴(100)에 마련된 빔결합부재(116a, 116b)에 회전 가능하게 결합되어 제1 그리퍼(214) 및 제2 그리퍼(224)는 드릴(100)이 제1 빔(210)의 길이 방향과 드릴(100)의 길이 방향에 각각 교차하는 방향에 대하여 회전할 수 있도록 드릴(100)의 자세를 유지시킬 수 있다. 또한, 제1 그리퍼(214) 및 제2 그리퍼(224)는 니들감지부(110)에 직접적으로 연결될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없으며 드릴(100)의 일 측부에 별도의 빔결합부재가 구비되어 상기 빔결합부재와 제1 그리퍼(214) 및 제2 그리퍼(224)가 결합될 수 있다.
제1 빔(210)과 제2 빔(220)은 서로 연결될 수 있다. 구체적으로는, 니들 가이드 장치(200)에는 일 단부가 제1 빔(210)에 결합되고, 타 단부가 제2 빔(220)을 이동시키는 제2 구동부(254)에 결합되는 구동부연결부재(206a, 206b)가 마련될 수 있다. 구동부연결부재(206a, 206b)는 제1 빔(210)이 제1 빔(210)의 길이 방향의 축에 대하여 회전할 때 제2 빔(220) 또한 함께 제1 빔(210)의 길이 방향의 축에 대하여 회전할 수 있도록 제2 빔(220)에 연결된 제2 구동부(254)를 지지할 수 있다. 이에 따라, 제1 빔(210)의 일 단부와 제2 빔(220)의 일 단부에 각각 연결된 드릴(100)이 제1 빔(210)의 길이 방향의 축에 대하여 회전할 수 있다.
구동부(250)는 제1 구동부(252) 및 제2 구동부(254)를 포함할 수 있다. 제1 구동부(252) 및 제2 구동부(254)는 서로 인접하여 배치될 수 있지만, 반드시 상하 배열일 필요는 없다. 또한, 예를 들어, 구동부(250)는 일반적으로 사용되는 구동모터일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 공압식 또는 수압식 엑츄에이터일 수 있다.
니들 가이드 장치(200)는 니들 가이드 장치(200)를 지면에 고정하여 사용할 수 있도록 베이스(202)를 더 포함할 수 있다. 베이스(202)에는 구동부(250)가 마련될 수 있고, 구동부(250)로부터 제1 빔(210)과 제2 빔(220)이 돌출하며 연결될 수 있다.
또한, 니들 가이드 장치(200)는 전술할 니들감지부(110)의 작동을 제어하는 스위치부(260)가 마련될 수 있다. 스위치부(260)는 니들감지부(110)의 전원을 공급하거나 차단하는 역할을 할 수 있다. 상기 스위치부(260)는 구동부(250)에 인접하게 배치될 수 있고, 드릴(100)과 함께 회전할 수 있도록 상술한 구동부연결부재(206a, 206b)에 연결되어 지지될 수 있다.
상술한 니들 가이드 장치(200)는, 예를 들어 CT촬영기와 함께 사용할 수 있도록 구조화된다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 니들 가이드 시스템(1)의 위치추적유닛(300)의 기능을 설명한다.
위치추적유닛(300)은 니들감지부(110)로부터 측정된 니들의 위치 및 후술할 대상체감지부(310)로부터 측정된 목표점(H)의 위치에 기초하여 니들 가이드 유닛(또는 니들 가이드 장치, 200)을 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 위치추적유닛(300)은 후술할 바와 같이 입력 벡터(q)를 획득(410)하고, 상기 입력 벡터(q)가 제1 축 및 제2 축이 형성하는 가상 평면 상에 배치되도록 드릴(100)이 제1 축 및 제2 축에 대하여 회전할 각도를 결정(420)하며, 상기 회전할 각도에 기초하여 드릴(100)의 각속도 정보를 획득(430)하고, 획득한 드릴의 회전 각속도 정보에 기초하여 구동부(250)의 동력을 제어(440)함으로써 니들이 삽입되는 목표점(H)에 대하여 위치 추적(450)을 수행할 수 있다.
위치추적유닛(300)이 상기 과정을 수행하기 위하여, 니들 가이드 시스템(1)은, 대상체에 부착되고 니들이 삽입될 목표점(H)의 위치를 측정하는 대상체감지부(310)를 포함할 수 있다. 대상체감지부(310)는 상술한 니들감지부(110)와 같은 구조를 구비할 수 있으며, 내부에 위치센서(미도시)를 구비하고 있어서 상기 위치센서가 니들이 삽입될 목표점(H)을 지향하도록 할 수 있다.
회전할 각도에 기초하여 드릴(100)의 각속도 정보를 획득(430)하는 과정에서, 도시된 바와 같이 kp1, kp2의 속도 이득(velocity gain)값은 미리 정해질 수 있으며, 상기 속도 이득값은 필요에 따라 조절될 수 있다.
또한, 위치추적유닛(300)은 도시된 바와 같이 일회성으로 위치 추적(450)을 수행할 뿐만 아니라 실시간으로 구동부(250)의 동력을 제어(440)할 수 있으며, 이를 위하여 위치 추적(450)이 종료된 후 피드백 컨트롤에 의하여 다시 입력 벡터(410)를 획득하는 과정으로 되돌아 갈 수 있다.
도 6을 참조하면, 위치추적유닛(300)은 니들감지부(110)가 부착된 위치로부터 니들이 삽입될 목표점(H)을 지향하는 입력 벡터(q)를 생성할 수 있다. 대상체에 부착된 대상체감지부(310)로부터 상기 목표점(H)을 지향하는 벡터(p)가 위치추적유닛(300)에 의하여 획득될 수 있다. 위치추적유닛(300)에는 상기 벡터(p)를 입력 벡터(q)로 변환할 수 있도록 미리 정의된 변환행렬이 저장되어 있다. 즉, 대상체의 좌표계로부터 니들 가이드 유닛의 좌표계로 목표점(H)을 지향하는 벡터를 변환할 수 있다.
일 예로서, 도 6에 도시된 미리 정의된 변환행렬에 관하여,
Figure 112016076257165-pat00001
은 상기 벡터(p)를 입력 벡터(q)로 변환하며 생성하는 식을 나타낸다.
Figure 112016076257165-pat00002
은 니들 가이드 유닛의 좌표계를 기준으로 하는 대상체의 좌표계를 4 x 4 동차변환행렬(Homogeneous Transformation Matrix)로 나타낸 것이다. 상기 동차변환행렬은
Figure 112016076257165-pat00003
과 같은 식으로부터 획득될 수 있다. 여기에서,
Figure 112016076257165-pat00004
는 위치추적유닛(300)를 기준으로 하는 니들 가이드 유닛의 4 x 4 동차행렬(Homogeneous Matrix)을,
Figure 112016076257165-pat00005
는 위치추적유닛(300)를 기준으로 하는 대상체의 이미지 좌표, 즉 3차원 CT 이미지 좌표를 나타낸다. 니들을 목표점(H)으로 삽입하기 전에 대상체에 대한 CT 촬영이 이루어지며, 이에 따라 대상체에 대한 3차원 CT 이미지 좌표를 획득할 수 있다. 또한, 위치추적유닛(300)는 별도의 촬영 수단(예를 들어, 카메라)을 구비하고 있어서, 상기 촬영 수단에 의하여 대상체의 이미지 좌표를 획득할 수 있다. 상기 획득된 좌표들에 기초하여 대상체의 좌표계로부터 니들 가이드 유닛의 좌표계로 벡터를 변환하는 행렬, 즉 동차변환행렬을 정의할 수 있고, 이에 따라 대상체감지부(310)로부터 목표점(H)을 지향하는 벡터(p)를 니들 가이드 유닛의 좌표계에서 목표점(H)을 지향하는 입력 벡터(q)를 생성할 수 있다.
도 7a 내지 도 7e를 참조하면, 위치추적유닛(300)은 입력 벡터(q)가 제1 축 및 제2 축이 형성하는 가상 평면 상에 배치되도록 드릴(100)이 제1 축 및 제2 축에 대하여 회전할 각도를 결정할 수 있다.
도 7a는 니들 가이드 장치(200)에 연결되고, 일 단부에 니들이 장착된 드릴(100)의 초기 상태를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 드릴(100)의 일 측부에 부착된 니들감지부(110)로부터 니들이 삽입될 목표점(H)이 지향될 수 있다. 위와 같이, 지향되는 벡터를 생성하기 위하여 상술한 바와 같은 좌표 변환을 통하여 입력 벡터(q)를 생성할 수 있다.
도 7b는 드릴(100)의 길이 방향에 교차하는 제1 축 및 드릴(100)의 길이 방향과 상기 제1 축에 각각 교차하는 제2 축이 이루는 가상 평면 상에 니들이 삽입될 목표점(H)이 배치되도록 드릴(100)의 길이 방향의 축을 하나의 축에 대하여 회전시키는 모습을 나타낸다. 이 때, 드릴(100)이 하나의 축에 대하여 회전할 제1 각도(θ1)가 결정된다. 도 7c는 상기의 과정을 거친 드릴(100)의 회전된 상태를 나타낸다.
도 7d는 상술한 입력 벡터(q)가 도 7e와 같이 최종적으로 가상 평면 상에 배치될 수 있도록 드릴(100)이 다른 하나의 축에 대하여 회전할 제2 각도(θ2)가 결정된다. 도 7e는 상기의 과정을 거친 드릴(100)의 최종적인 회전된 상태를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)는 드릴(100)의 제1 축에 대한 회전 각도 또는 제2 축에 대한 회전 각도가 될 수 있다. 위치추적유닛(300)은 상기 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)에 기초하여 상술한 구동부(250)의 동력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 위치추적유닛(300)은 구동부(250)로 하여금 드릴(100)이 상기 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)만큼 회전하도록 제1 빔(210)의 회전과 제2 빔(220)의 이동을 제어할 수 있다.
또한, 위치추적유닛(300)은 드릴(100)이 제1 축 및 제2 축에 대하여 회전할 각도, 즉 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)에 기초하여 드릴(100)의 회전 각속도 정보를 획득할 수 있다. 다시 도 5를 참조하면, 상술한 미리 정의된 속도 이득값에 시간에 대한 상기 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2) 값을 곱하여 드릴(100)의 회전 각속도 정보(v1, v2)를 획득할 수 있다. 획득된 회전 각속도 정보(v1, v2)에 기초하여 위치추적유닛(300)은 구동부(250)로 하여금 드릴(100)의 회전 각도와 회전 속도를 제어하도록 할 수 있다.
구체적으로는, 상술한 과정에서 위치추적유닛(300)은 구동부(250)의 동력을 제어함에 있어서, 제어 옵션으로서 구동부(250)의 구동축 회전각, 회전 속도 또는 구동부(250)의 출력 토크 등을 조절할 수 있다.
위와 같이, 위치추적유닛(300)이 드릴(100)의 회전각이 아닌 이에 기초한 속도값을 구하는 이유는, 니들 가이드 장치(200)의 운동학(kinematics)을 고려하지 않고 단지 드릴(100)의 일 단부에 장착된 니들의 단부 위치만을 피드백을 통하여 조절하기 위한 것이다. 즉, 위치추적유닛(300)은 획득한 각속도 정보를 구동부(250)에 직접적으로 전달할 수 있으며, 구동부(250)는 상기 각속도 정보를 전압으로 변환함으로써 모터 RPM이 조절될 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 가이드 장치(200) 및 이를 포함하는 시스템(1)은 니들의 위치와 상기 니들이 삽입될 목표점의 위치를 파악하고, 니들을 목표점으로 정밀하게 삽입시킬 수 있다는 장점, 니들을 목표점으로 삽입시키는 과정에서 실시간으로 니들의 위치를 제어할 수 있다는 장점 또는 니들의 위치와 상기 목표점을 확인하기 위하여 사용되는 CT촬영기의 사용 횟수를 감소시켜 방사선 노출을 줄일 수 있다는 장점을 가진다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100 : 드릴
200 : 니들 가이드 장치
210 : 제1 빔
220 : 제2 빔

Claims (10)

  1. 제1 빔으로서, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축인 제1 축을 구비하는 제1 빔;
    상기 제1 축을 따라 상기 제1 빔에 평행하게 이동 가능한 제2 빔; 및
    상기 제1 빔의 일 단부 및 상기 제2 빔의 일 단부에 각각 연결되고 니들을 구비한 드릴;
    을 포함하고,
    상기 드릴은 상기 제1 축 및 상기 제1 축과 상기 드릴의 길이 방향의 축에 각각 교차하는 제2 축에 대하여 회전 가능한, 니들 가이드 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 빔에는 상기 제1 빔에 평행하게 배치된 가이드 레일이 마련되고, 상기 가이드 레일을 따라 상기 제2 빔이 이동하는, 니들 가이드 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 레일은,
    상기 제2 빔이 결합되고, 상기 제2 빔의 길이 방향의 축을 따라 움직이며 상기 제2 빔을 이동시키는 가이드 블록; 및
    상기 가이드 블록과 결합되고, 상기 제2 빔의 길이 방향의 축에 대하여 회전하는 선형회전기어;
    를 포함하는, 니들 가이드 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔의 타 단부와 결합되고, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 대하여 상기 제1 빔을 회전시키는 회전판을 포함하는, 니들 가이드 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔의 일 단부에는, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 상기 드릴이 회전 가능하게 결합되는 제1 그리퍼가 마련되고,
    상기 제2 빔의 일 단부에는, 상기 제1 빔의 길이 방향의 축에 교차하는 축에 대하여 상기 드릴이 회전 가능하게 결합되는 제2 그리퍼가 마련되는, 니들 가이드 장치.
  6. 니들을 구비하고, 상기 니들의 위치를 측정하는 니들감지부가 부착된 드릴;
    구동부로부터 동력을 전달 받아, 드릴의 길이 방향에 교차하는 제1 축에 대하여 상기 드릴을 회전시키고, 상기 드릴의 길이 방향과 상기 제1 축에 각각 교차하는 제2 축에 대하여 상기 드릴을 회전시키도록 구성된 니들 가이드 유닛;
    대상체에 부착되고, 니들이 삽입될 목표점의 위치를 측정하는 대상체감지부; 및
    상기 니들감지부로부터 측정된 상기 니들의 위치 및 상기 대상체감지부로부터 측정된 상기 목표점의 위치에 기초하여 상기 니들 가이드 유닛을 제어하는 위치추적유닛;
    을 포함하는, 니들 가이드 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 위치추적유닛은,
    상기 니들감지부가 부착된 위치로부터 상기 목표점을 지향하는 입력 벡터를 생성하는, 니들 가이드 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 위치추적유닛은,
    상기 입력 벡터가 상기 제1 축 및 상기 제2 축이 형성하는 가상 평면 상에 배치되도록 상기 드릴이 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대하여 회전할 각도를 결정하는, 니들 가이드 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 위치추적유닛은,
    상기 드릴이 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 대하여 회전할 각도에 기초하여 드릴의 회전 각속도 정보를 획득하고, 획득한 드릴의 회전 각속도 정보에 기초하여 상기 구동부의 동력을 제어하는, 니들 가이드 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 니들 가이드 유닛은,
    상기 드릴의 일 측부에 연결되고, 상기 드릴이 상기 제1 축에 대하여 회전하도록 상기 제1 축에 대하여 상기 드릴의 일 측부를 회전시키는 제1 빔; 및
    상기 드릴의 타 측부에 연결되고, 상기 드릴이 상기 제2 축에 대하여 회전하도록 상기 제1 축의 길이 방향을 따라 상기 드릴의 타 측부를 이동시키는 제2 빔;
    을 포함하는, 니들 가이드 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20020111634A1 (en) * 2000-08-30 2002-08-15 Johns Hopkins University Controllable motorized device for percutaneous needle placement in soft tissue target and methods and systems related thereto
JP2015085197A (ja) * 2013-11-01 2015-05-07 コビディエン エルピー 位置決めカテーテル

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