KR101974949B1 - 다중 마찰 특성을 가지는 작동 케이블 - Google Patents

다중 마찰 특성을 가지는 작동 케이블 Download PDF

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Abstract

수술 장치(100)는 제 1 마찰력이 제 1 케이블 부분과 제 1 구성요소 사이에 존재하도록 제 1 구성요소에 맞닿는 제 1 케이블 부분(102)을 포함한다. 수술 장치는 제 1 단부를 제 1 케이블 부분(102)의 제 1 단부에 작동가능하게 결합시키는 제 2 케이블 부분(104)을 포함한다. 제 2 케이블 부분(104)은 제 2 마찰력이 제 2 케이블 부분과 제 2 구성요소 사이에 존재하도록 제 2 구성요소(110)에 맞닿고, 제 2 마찰력은 제 1 마찰력 보다 크다.

Description

다중 마찰 특성을 가지는 작동 케이블{ACTUATION CABLE HAVING MULTIPLE FRICTION CHARACTERISTICS}
본 발명은 다중 마찰 특성을 가지는 작동 케이블을 포함하고 있는 수술 장치 및 이 수술 장치를 생산하는 방법에 관한 것이다.
로봇 제어식 기구는 최소 침습 수술 과정에서 자주 사용된다. 수술 시스템에서의 기구에 적합한 현재의 구성은 엔드 이펙터(end effector) 또는 핀셋, 수술용 메스, 가위, 와이어 루프나, 여기에서 기구의 메인 튜브로도 지칭될 수 있는 익스텐션(extension)의 원위 단부에 장착되는 소작(cauterizing) 기구와 같은 툴을 포함한다. 수술 과정 동안, 엔드 이펙터와 메인 튜브의 원위 단부는 엔드 이펙터를 환자의 신체 내부의 수술 부위에 위치시키기 위하여 환자의 작은 절개부나 자연 개구부(natural orifice)를 통하여 삽입될 수 있다. 케이블 또는 유사한 구조물일 수 있는 텐던(tendon)은 기구의 메인 튜브를 통하여 뻗어있고, 엔드 이펙터를 여기에서 후위 메커니즘으로 지칭될 수 있는 전달 ? 작동 메커니즘에 연결시킨다. 수술 기구를 로봇으로 조작하기 위하여, 기구의 근위 단부에 있는 후위 메커니즘은 모터로 구동되어 텐던을 당기고, 이로써 엔드 이펙터를 이동시키거나 다른 방법으로 조작한다. 컴퓨터 시스템은 외과의사나 다른 사용자가 기구를 제어하는 사용자 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있다.
특정 로봇 제어식 수술 기구는, 환자의 소화관의 일부분과 같은 자연 내강(natural lumen)을 따라가는데 필요하거나, 직선방향의 접근에 비해 수술 부위에 대한 개선된 접근 방향을 제공하는 굽은 가이드 튜브를 통하여 삽입하는데 필요한 만큼 구부릴 수 있는 가요성 메인 튜브를 가진다. 직접 삽입되거나 가이드 튜브를 통하여 삽입되더라도, 가요성 수술 기구의 메인 튜브는 수술 과정 동안 변경될 수 있고 하나의 과정으로부터 다른 과정으로 변경될 수 있는 위치에서 다중 굽음부를 가지는 것이 일반적이다. 이러한 굽음부에서, 기구를 통하여 뻗어있는 텐던은 기구의 메인 튜브의 내벽에 마찰하거나 서로 마찰할 수 있고, 이러한 굽음부 때문에 발생되는 마찰은 텐던을 이동하여 엔드 이펙터를 메인 튜브의 원위 단부에서 조작하는데 요구되는 힘을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 마찰력은 저속(예컨대, 0 이 아닌)에서 보다 0의 속도에서 더 큰 값을 가지는 경향이 있어서 텐던 하중의 변화에 응답하여 일반적으로 "스틱-슬립 거동"이라 불리는(종종 "정지마찰"이라고 지칭되는)것을 야기한다. 이 스틱-슬립 거동은 엔드 이펙터의 작은 이동의 원활한 로봇 제어를 성취하기 어렵게 한다. 큰 마찰력은 또한 작은 직경을 가지는 가요성 수술 기구의 제작을 어렵게 하는데, 이는 기계 구조가 가해지는 큰 힘을 견디기에 충분히 강하게 설계되어야 하기 때문이다.
다수의 적용예에서, 엔드 이펙터의 제어시 마찰력의 부정적인 영향을 감소시키기 위하여 최소한의 마찰을 가지는, 엔드 이펙터를 제어하기 위한 작동 케이블을 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 구동 케이블을 유지하기 위하여 마찰력을 이용하는 캡스턴 드라이브에서는, 케이블과 캡스턴 표면 사이의 결합을 유지하기 위하여 비교적 큰 마찰력을 제공하는 인터페이스를 캡스턴 표면과 케이블 사이에 제공하는 것이 바람직하다. 현재의 시스템은 일반적으로 다음의 2개의 요구조건 중 하나를 해결한다. 저 마찰 케이블을 사용하는 것은 엔드 이펙터의 제어시 마찰력의 부정적인 영향을 감소시키지만, 저 마찰 케이블의 미끄럼 때문에 캡스턴에 의해 가해질 수 있는 힘을 감소시킨다. 대안으로, 고 마찰 케이블을 사용하는 것은 엔드 이펙터의 제어를 방해하지만, 고 마찰 케이블의 감소된 미끄럼 때문에 캡스턴에 의해 가해질 수 있는 힘을 증가시킨다.
따라서, 기구는 엔드 이펙터의 제어를 가능하게 하는 충분히 작은 마찰력과 함께, 케이블을 적절히 구동하기 위하여 케이블과 캡스턴 표면 사이에 상당히 큰 마찰력을 충분히 제공하는 케이블을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 다중 마찰 특성을 가지는 작동 케이블을 구비하는 수술 기구 내지 수술 장치 및 이 수술 장치를 생산하는 방법에 관한 것으로서, 이 수술 장치에 의하여 엔드 이펙터를 제어할 수 있고 케이블을 적절히 구동할 수 있다.
도 1에는 2개의 상이한 마찰 특성을 가지는 케이블을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 수술 기구가 도시되어 있다.
도 2에는 저 마찰 재료에 의해 부분적으로 피복된 본 발명의 일 실시예에 따르는 케이블이 도시되어 있다.
도 3에는 2개의 상이한 재료로 피복된 본 발명의 일 실시예에 따르는 케이블이 도시되어 있다.
도 4에는 2개의 부분을 서로 결합시키는 케이블을 포함하는 본 발명에 따르는 수술 기구가 도시되어 있다.
도 5에는 2개의 케이블 부분을 해제가능하게 결합하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 결합 메커니즘이 도시되어 있다.
도 6에는 다발성 텐던(multiple tendons)을 가요성 장치에 해제가능하게 결합하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 결합 메커니즘이 도시되어 있다.
도 7a와 도 7b에는 수술 기구의 텐던에 작용하는 장력을 유지하기 위하여 스프링 및 캡스턴 마찰을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 수술 기구의 일부가 도시되어 있다.
도 8에는 다발성 텐던을 가지는 2개의 기구 부분을 해제가능하게 결합하는 결합 메커니즘을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 가요성 수술 기구의 일부가 도시되어 있다.
도 9에는 시스(sheath) 및 시스를 통과하는 텐던을 사용하는 가요성 케이블의 일부분이 도시되어 있다.
설명 전체에 걸쳐서, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타내는데 사용될 수 있다.
여기에 설명되는 시스템과 방법은 케이블, 엔드 이펙터 및 케이블에 의하여 엔드 이펙터를 조작하는 후위 메커니즘을 가지는 수술 기구에 관한 것이다. 설명되는 일 실시예에서, 케이블은 상이한 마찰 특성을 가지는 2개의 상이한 재료를 사용하여 형성된다. 제 1 케이블 부분은 엔드 이펙터에 연결되어 있고, 엔드 이펙터를 바람직하게 제어하는 저 마찰 특성을 가진다. 제 2 케이블 부분은 후위 메커니즘에 연결되어 있고 후위 메커니즘에 의하여 상당히 큰 힘이 케이블에 가해지는 것을 허용하는 고 마찰 특성을 가진다. 특히, 제 2 케이블은 캡스턴과 같은 구동 메커니즘의 표면과 맞닿게 되는 때 고 마찰 특성을 제공한다. 다수의 양태와 실시예는 "케이블" 또는 "케이블 부분"에 대하여 설명된다. 그러나, 케이블은 당기는 힘을 전달할 수 있는 "인장 요소" 또는 "텐던"의 대표예이고, 그와 같은 구성요소는 여러 가지 케이블, 와이어, 막대, 섬유, 실 등 일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 당해 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 그와 같은 인장 요소/텐던은 경우에 따라 미는 힘을 전달할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1에는 2개의 상이한 마찰 특성을 가지는 케이블을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 수술 기구(100)가 도시되어 있다. 수술 기구(100)는 저 마찰 특성을 가지는 길이방향 제 1 케이블 부분(102)과, 구동 메커니즘의 표면과 맞닿을 때 고 마찰 특성을 가지는 길이방향 제 2 케이블 부분(104)을 포함한다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(102)은 고 밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene: HDPE)과 같은 합성 폴리머를 사용하여 제조된다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(102)은 Dyneema®를 사용하여 제조된다. 설명되는 실시예에서, 케이블 부분(104)은 케이블 부분(102)에 사용되는 재료 보다 더 큰 마찰 계수를 가지는 상이한 합성 재료를 사용하여 제조된다. 케이블 부분(104)을 위한 시험 재료는 아라미드 폴리머(Kevlar®와 같은) 또는 PBO(폴리(p-페닐렌-2, 6-벤조비스옥사졸))를 포함한다.
결합 요소(106)는 케이블 부분(102)과 케이블 부분(104)을 작동가능하게 결합시킨다. 결합 요소(106)는 2개의 길이방향 케이블 부분(102, 104) 단부끼리를 고정되게 체결하는 임의의 유형의 결합 메커니즘이다. 결합 요소(106)의 실시예는 심블(thimble), 아이(eye), 크림프 요소(crimp element) 등을 포함한다. 대체 실시예에서, 케이블 부분(102)은 2개의 케이블 부분을 서로 접합시키거나 2개의 케이블 부분을 서로에 대해 편조함으로써(braiding)/직조함으로써(weaving) 케이블 부분(104)에 작동가능하게 결합된다. 다른 실시예에서, 케이블 부분(102)은 매듭을 이용하거나, 2개의 케이블 부분을 서로에 대해 고정하는 유사한 방법을 이용하여 케이블 부분(104)에 작동가능하게 결합된다.
일 양태에서, 케이블 부분(102)의 원위 단부는 원위 링크 또는 수술용 엔드 이펙터(108)와 같이 조직의 절단, 제거 또는 파괴, 의료 장치의 삽입, 소작술, 혈관 봉합, 봉합술 등과 같은 여러 가지 과정을 실행할 수 있는 수술 기구의 원위 구성요소와 연결된다. 다수의 양태 및 실시예는 엔드 이펙터에 관하여 설명되어 있고, 이러한 엔드 이펙터는 운동형상학적 사슬에 있어서의 링크, 손목 메커니즘, 엔드 이펙터 등과 같은 여러 가지 수술 기구 원위 구성요소의 대표예라는 것을 이해하여야 한다. 도 1의 실시예에서, 케이블 부분(102)의 저 마찰 특성은 대체로 스틱-슬립 거동을 회피함으로써 엔드 이펙터를 바람직하게 제어한다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(102)은 도 9에 대하여 아래에 설명된 바와 같이 시스를 통과하는 윤활된 텐던을 포함한다.
다 관절형 가요성 기구에서, 통상적으로 캡스턴 마찰이라고 지칭되는 모든 굽음부에서의 전체 총 마찰력은 또한 기구의 성능을 크게 저하시키고, 일반적으로 마찰 계수와 전체 감김 각도의 곱의 지수 함수로서 근사법으로 구해진다. 이러한 캡스턴 마찰은 케이블이 종료 지점까지 구불구불한 경로를 따라가도록 조인트식 원위 링크에 있어서의 도삭기(fairlead)와 같은 하나 이상의 가이드 채널을 통하도록 또는 하나 이상의 구형 풀리를 지나도록 경로 안내되는 케이블에 의해 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 원위 케이블 부분(102)은 운동 마찰 계수보다 작거나 같은 정지 마찰 계수와, 효과적으로 힘을 전달하는 것을 허용하는 충분히 낮은 운동 마찰 계수를 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 구성요소(116, 118)는 케이블 부분(102)과 상호작용하여 그 상호작용의 결과로서 마찰력을 발생시킨다. 여러 가지 실시예에서, 구성요소(116, 118)는 케이블 부분(102)과 작동가능하게 상호작용하는 구동 메커니즘, 캡스턴, 풀리, 가이드 채널 또는 다른 메커니즘이다.
케이블 부분(104)의 근위 단부는 캡스턴(112)과 인장 스프링(114)을 포함하는 후위 메커니즘(110)에 연결되어 있다. 케이블 부분(104)은 캡스턴(112) 둘레에 감겨지고, 케이블 부분(104)의 표면과 캡스턴(112)의 표면 사이의 마찰력에 의해 정위치에 유지된다. 인장 스프링(114)은 케이블 부분(104)에 작용하는 장력을 유지한다. 설명되는 실시예에서는, 캡스턴(112)은 도 7a 및 도 7b에 대하여 아래에서 설명되는 바와 같이 동력식 캡스턴이다. 대체 실시예에서는, 캡스턴(112)은 임의의 유형의 구동 메커니즘, 마찰 구동 메커니즘 또는 마찰력을 이용하는 다른 구동 메커니즘으로 교체된다.
수술 기구(100)의 특정 실시예는 다중 케이블 부분(102) 및 대응하는 다중 엔드 이펙터(108)에 결합되는 다중 케이블 부분(104)에 연결되는 다중 캡스턴(112)을 가지는 단일의 후위 메커니즘(110)을 포함한다. 이 실시예에서, 다중 케이블 부분(102)은 개별적으로 시스에 삽입된 다음 다발을 이루어 단일의 메인 튜브를 통하여 경로 안내된다. 이러한 양태의 캡스턴과 케이블의 조합은 여기에 참조용으로 통합된 미국 특허 출원 제12/286,644호("수술 기구용 패시브 프리로드 및 캡스턴 구동(Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments)"이라는 명칭으로 2008년 9월 30일 출원되었으며, 미국 특허 출원 공개 공보 US 2010/0082041 A1으로 공개됨)에 개시되어 있다.
아래에 설명되는 바와 같이, 케이블 부분(102)의 특정 실시예는 윤활제가 텐던과 시스 사이에 위치되도록 시스를 통하여 경로 안내되는 텐던을 사용한다. 윤활제는 케이블 부분(102)에 저 마찰을 유지하고, 이는 엔드 이펙터를 제어하는데 바람직하다. 그러나, 케이블 부분(104)의 이러한 윤활은 케이블과 캡스턴(112) 표면 사이의 마찰력이 감소될 가능성 때문에 바람직하지 않다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(102, 104) 사이의 결합 요소(106)는 윤활제를 수술 기구를 조작하는데 바람직한 케이블 부분(102)에 고립시킴으로써 수술 기구(100)의 적합한 조작을 유지하는 것을 돕는다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 저 마찰 재료(204)("피복 재료"라고도 지칭됨)에 의하여 부분적으로 피복된 케이블(202)이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 케이블(202)은 고 마찰 특성을 가지고(캡스턴과 상호작용하는 경우에 목표하는 바와 같이), 재료(204)는 저 마찰 특성을 가진다(수술 기구를 조작하는 경우에 목표하는 바와 같이). 특정 실시예에서, 재료(204)는 캡스턴 표면과 접촉하지 않는 영역에서 케이블(202)을 피복하는 편조 재료이다. 그 대신, 고 마찰 케이블(202)은 캡스턴 표면에 접촉한다. 이 실시예에서, 케이블(202)은 Kevlar® 또는 PBO를 사용하여 제조되고, 재료(204)는 Dyneema®와 같은 HDPE를 사용하여 제조된다. 대체 실시예에서, 케이블(202)은 Dyneema®를 사용하여 제조되고, 재료(204)는 Kevlar® 또는 PBO를 사용하여 제조된다. 이 대체 실시예에서, 재료(204)로 피복된 케이블의 일부분은 캡스턴 표면에 접촉한다. 특정 실시예에서, 재료(204)는 장력 하에 있고, 이는 재료(204)가 케이블(202) 상에 압력을 가하게 한다. 이 압력은 재료(204)와 케이블(202) 사이에서 미끄러질 가능성을 감소시킨다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 제 1 재료(304)와 제 2 재료(306)에 의해 피복된 케이블(302)이 도시되어 있고, 재료(304)는 고 마찰 특성을 가지고, 재료(306)는 저 마찰 특성을 가진다. 재료(304, 306)는 "피복 재료"라고도 지칭된다. 일 실시예에서, 재료(304)는 캡스턴 표면에 접촉하고, 재료(306)는 엔드 이펙터 또는 다른 원위 기구 구성요소를 조작하거나 제어한다. 재료(304)와 재료(306)는 2개의 재료를 작동가능하게 결합시키는 인터페이스 지점(308)에서 만난다. 재료(304, 306)는 2개의 재료를 편조/직조 하는 것, 2개의 재료를 접합하는 것, 재료를 작동가능하게 결합시키는 결합 요소를 사용하는 것 등에 의해서 결합될 수 있다. 특정 실시예에서, 재료(304)는 Kevlar® 또는 PBO이고, 재료(306)는 Dyneema®와 같은 HDPE이며, 케이블(302)은 PBO와 같이 고 강도 및 고 탄성 계수를 가지는 재료로 제조된다.
도 4에는 2개의 부분을 서로 해제가능하게 결합시키는 케이블을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수술 기구(400)가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 수술 기구는 도 1의 실시예와 유사하지만, 해제가능한 결합 요소를 포함한다. 수술 기구(400)는 저 마찰 특성을 가지는 제 1 케이블 부분(402)(제 1 텐던이라고도 지칭됨)과, 캡스턴 표면에 맞닿을 때 고 마찰 특성을 가지는 제 2 케이블 부분(404)(제 2 텐던이라고도 지칭됨)을 포함한다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(402)은 Dyneema®와 같은 합성 폴리머를 사용하여 제조된다. 이 실시예에서, 케이블 부분(404)은 보다 높은 마찰 계수를 가지는 상이한 합성 재료를 사용하여 제조된다. 케이블 부분(404)을 위한 예시의 재료는 아라미드 폴리머(Kevlar®와 같은) 또는 PBO를 포함한다.
케이블 부분(402)은 결합 요소(408)를 그 근위 단부에 연결시키고 있다. 케이블 부분(404)은 결합 요소(406)를 그 원위 단부에 연결시키고 있다. 결합 요소(406, 408)는 케이블 부분(402, 404)을 작동가능하게 결합시키고, 서로 해제가능하게 맞닿도록 구성되어 있다. 여기에 설명되는 바와 같이, 결합 요소(406, 408)는 케이블 부분(404)의 운동과 힘을 케이블 부분(402)에 적용시키며, 그 반대로도 작용한다. 결합 요소(406, 408)는 각각 케이블 부분(404, 402)에 고정 장착되거나 다른 방법으로 연결된다.
케이블 부분(402)의 원위 단부는 조직의 절단, 제거 또는 파괴, 의료 장치의 삽입, 소작술, 혈관 봉합, 봉합술 등과 같은 여러 가지 수술 과정을 실행할 수 있는 엔드 이펙터(410)에 연결되어 있다. 도 4의 실시예에서, 케이블 부분(402)의 저 마찰 특성은 케이블 부분(402)이 기구를 통하여 뻗어있을 때 다른 기구 구성요소에 대한 스틱-슬립 거동을 회피함으로써 엔드 이펙터의 바람직한 제어를 제공한다. 특정 실시예에서, 케이블 부분(402)은 도 9에 대하여 아래에서 설명되는 바와 같이 시스를 통과하는 윤활된 텐던을 포함한다.
케이블 부분(404)의 원위 단부는 캡스턴(414)과 인장 스프링(416)을 포함하는 후위 메커니즘(412)에 연결되어 있다. 대체 실시예는 케이블 부분(404)의 단부가 종료되는 제 2 테이크업 캡스턴을 구동하는 비틀림 스프림과 같은 인장 스프링(416)을 대신하여 임의의 유형의 인장 메커니즘을 사용할 수 있다. 이 대체 실시예에서, 테이크업 캡스턴은 비틀림 스프링을 선형으로 만들 수 있는 형상일 수 있다. 케이블 부분(404)은 캡스턴(414) 둘레에 감겨지고, 케이블 부분(404)과 캡스턴(414)의 표면 사이의 마찰력에 의하여 정위치에 유지된다. 인장 스프링(416)은 케이블 부분(404)에 작용하는 장력을 유지한다. 설명되는 실시예에서, 캡스턴(414)은 도 7a와 도 7b에 대해 아래에서 설명되는 바와 같이 동력식 캡스턴이다. 수술 기구(400)의 특정 실시예는 다중 캡스턴(414)을, 그 후 다중 케이블 부분(402) 및 대응하는 다중 엔드 이펙터(410)에 결합되는(다중 결합 요소(406, 408)에 의하여), 다중 케이블 부분(404)에 연결시키는 단일의 후위 메커니즘(412)을 포함한다. 이 실시예에서, 다중 케이블 부분(402)은 다발을 이루고 단일의 메인 튜브를 통하여 경로 안내된다.
케이블 부분(402, 404) 사이의 해제가능한 결합은 케이블 부분(402)의 교체를 간단하고 용이하게 한다. 이 특정 실시예에서, 케이블 부분(402)은 특정한 수의 수술 과정이나 특정 시간 간격 후에 교체된다. 이 교체는 케이블 부분(404) 보다 상대적으로 더 마모되기 쉬울 수 있는 케이블 부분(402)이 교체되는 것을 허용하고, 이로써 기구의 유효 수명에 대한 전체 기구 비용을 감소시킨다. 케이블 부분(402, 404) 사이에 신속해제가능한 결합을 제공하는 것은 이러한 교체를 촉진한다. 더욱이, 케이블 부분(402, 404) 사이의 해제가능한 결합은 케이블 부분(402)에서 사용되는 임의의 윤활제를 케이블 부분(404)으로부터 고립시키고, 이는 더 큰 목표 마찰을 케이블 부분(404)과 캡스턴(414) 사이에 유지한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 케이블 부분(402)의 특정 실시예는 윤활제가 텐던과 시스 사이에 위치되도록 시스를 통하여 경로 안내되는 텐던을 사용한다. 윤활제는 저 마찰을 케이블 부분(402)에 유지하고, 이는 엔드 이펙터를 제어하는데 바람직하다. 그러나, 케이블 부분(404)의 이러한 윤활은 케이블과 캡스턴 표면 사이에서 마찰이 감소될 가능성 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 케이블 부분(402, 404) 사이의 결합은 윤활제를 케이블 부분(402)에서 고립시킴으로써 수술 기구(400)의 적합한 조작을 유지하는 것을 돕고, 이는 수술 기구의 조작에 바람직하다.
도 5에는 2개의 케이블 부분을 해제가능하게 결합하는 본 발명의 일 실시예에 따르는 결합 메커니즘(500)이 도시되어 있다. 결합 메커니즘(500)은 도 4에 대하여 상술된 해제가능한 결합 요소(406, 408)의 대체물이다. 제 1 케이블 부분(502)은 그 근위 단부에 부착되는 볼(506)을 가진다. 제 2 케이블 부분(504)은 그 근위 단부에 부착되는 아암(508)을 가진다. 아암(508)은 볼(506)의 외측 표면과 형상이 일치하는 리세스부(510)를 포함한다. 아암(508)은 볼(506)에 맞닿을 때 아암(508)이 캠(512)에 대하여 회전하는 것을 허용하는 캠(512)에 미끄럼이동하게 맞닿는다. 예를 들어, 볼(506)이 아암(508)과 표면(514) 사이에서 미끄럼이동할 때, 아암(508)은 캠(512)에 대하여 회전하여 볼(506)이 리세스부(510)를 향하여 계속 미끄럼이동하는 것을 허용한다. 볼(506)이 리세스부(510)와 정렬할 때, 아암(508)은 표면(514)과 대체로 평행한 위치를 향하여 역으로 회전하고, 이로써 볼(506)을 리세스부(510)에 맞닿게 한다. 일단 볼(506)과 아암(508)이 맞닿으면, 제 2 케이블 부분(504)의 이동은 아암(508)과 볼(506)에 의하여 제 1 케이블 부분(502)의 대응하는 이동을 야기한다. 제 1 케이블 부분(502)은 볼(506)을 떼어놓도록 아암(508)을 회전함으로써 제 2 케이블 부분(504)으로부터 해제될 수 있고, 이로써 볼(506)이 아암(508)으로부터 미끄럼이동하게 해방되는 것을 허용한다.
도 6에는 다발성 텐던을 가요성 장치에 해제가능하게 결합하는, 본 발명에 따르는 결합 메커니즘(600)이 도시되어 있다. 결합 메커니즘(600)은 제 1 케이블 부분(602)을 제 2 케이블 부분(604)에 결합하는데 활용된다. 여기에 설명되는 바와 같이, 케이블 부분(604)은 캡스턴이나, 케이블 부분(604)을 이동시키는 다른 작동 메커니즘에 결합되어 있다. 다발성 텐던은 케이블 부분(602, 604)을 통하여 뻗어있다. 결합 메커니즘(600)은 케이블 부분(602)에 연결되는 제 1 결합 요소(606)와, 케이블 부분(604)에 연결되는 제 2 결합 요소(608)를 포함한다. 도 6의 예에서, 결합 메커니즘(600)은 단일의 튜브 또는 유사한 구조로 함께 다발을 이루는 6개의 텐던을 지지한다. 다발성 텐던은 케이블 부분(602)으로 표시된 단일의 메인 튜브 속에서 다발을 이룬다. 다발성 텐던의 원위 단부는 엔드 이펙터에 각각 연결되어 있다.
도 6에는 특정 결합 메커니즘이 도시되어 있다. 대체 실시예는 다발성 텐던을 가요성 장치에 결합하는 임의의 유형의 결합 메커니즘을 활용할 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 결합 메커니즘은 제 1 케이블 부분을 제 2 케이블 부분에 해제가능하게 결합하는 메커니즘의 3 가지 예를 표시한다. 대체 실시예는 여기에 설명되는 바와 같이 제 1 케이블 부분과 제 2 케이블 부분 사이의 상호작용을 허용하는 임의의 유형의 결합 메커니즘을 포함할 수 있다. 더욱이, 대체 실시예는 임의의 유형의 재료와, 구성요소의 구성이나 배열을 포함할 수 있다. 케이블 결합 메커니즘의 추가적인 양태는 미국 특허 출원 제12/425,272호("텐던-구동식 내시경 및 사용 방법"이라는 명칭으로 2009년 4월 16일에 출원되고, 미국 특허 출원 공보 US 2010/0094088 A1호로 공개됨)와 미국 특허 출원 제10/988,212호("제어가능 기구용 연결 장치"라는 명칭으로 2004년 11월 12일에 출원되고, 미국 특허 출원 공보 제2006/0052664 A1호로 공개됨)에 개시되고, 이들 모두는 여기에 참조용으로 통합된다.
도 7a와 도 7b에는 본 발명의 실시예에 따르는 수술 기구에서 텐던에 작용하는 장력을 유지하기 위하여 스프링 및 캡스턴 마찰을 이용하는 수술 기구(700)의 일부가 도시되어 있다. 도 7a에는 4개의 케이블 부분(702, 704, 706, 708)("텐던"이라고도 지칭됨)에 연결된 후위 메커니즘의 평면도가 도시되어 있다. 후위 메커니즘(710)은 4개의 캡스턴(712, 714, 716, 718)을 포함하고, 이들 각각은 4개의 케이블 부분(702 내지 708) 중 하나와 맞닿아 있다. 상술한 바와 같이 케이블 부분(702 내지 708)은 결합부와 다른 케이블 부분을 통하여 힘을 가하여 엔드 이펙터(미도시)를 조종한다. 케이블 부분(702 내지 708)은 특정 캡스턴 둘레에 각각의 케이블 부분이 감겨짐으로써 캡스턴(712 내지 718)과 맞닿아 있고, 그 결과 케이블 부분과 캡스턴 표면 사이의 마찰은 맞닿음을 유지하여 효과적으로 작동하는 당기는 힘을, 관련 원위 단부 구성요소를 조작하기에 충분한 케이블에 제공한다.
후위 메커니즘(710)은 또한, 케이블 부분(702 내지 708)의 단부에 각각 부착되어 케이블 부분(702 내지 708)에 작용하는 장력을 유지하는, 비틀림 스프링(720, 722, 724, 726)을 포함한다. 스프링(720 내지 726)은 바이어스되어(예컨대, 신장되어) 영이 아닌 힘을 케이블 부분(702 내지 708)에 가한다. 대체 실시예에서, 후위 메커니즘(710)에서 사용되는 스프링은 회전식 코일 스프링, 판 스프링 또는 벤딩 빔, 외팔보와 같은 유연한 부재 또는 고무 밴드이다. 다른 실시예는 제 2 테이크업 캡스턴을 구동하는 비틀림 스프링을 활용한다. 이 실시예에서, 테이크업 캡스턴은 비틀림 스프링을 선형으로 만들 수 있는 형상일 수 있다.
도 7b에는 후위 메커니즘(710)과, 후위 메커니즘에서 캡스턴과 맞닿는 2개의 구동 모터(730, 732)의 측면도가 도시되어 있다. 구동 모터(730, 732)는 사람의 입력과, 원격조작식 수술 시스템에서 실행되는 소프트웨어의 적극적인 제어 하에 있다. 도 7b에는 캡스턴(716, 718)에 결합되어 있는 구동 모터(730, 732)가 각각 도시되어 있다. 구동 모터(730, 732)는 활성화될 때 회전력을 캡스턴(716, 718)에 가하고, 차례로 그 힘을 케이블 부분(708, 706)에 가하여 회전 방향에 따라 케이블을 끌어당기거나 케이블을 느슨하게 한다.
도 8에는, 결합 메커니즘을 통하여 뻗어있는 다발성 텐던을 가지는 2개의 기구 부분을 해제가능하게 결합하는 결합 메커니즘을 사용하는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 가요성 수술 기구(800)의 일부가 도시되어 있다. 대체 실시예에서, 수술 기구(800)는 도 1에 도시된 결합 요소(106)와 같이 해제가능하지 않은 결합 요소를 포함한다. 기구(800)는, 수술 기구가 수술 과정(또는 다른 의료 과정이나 진단 과정)이 실행될 수 있는 부위까지 환자 내부의 굽은 경로를 따라가는 의료 과정 동안 귀결될 수 있는 것과 같이, 여러 가지 형상으로 구부릴 수 있다. 그 부위까지의 경로는 환자의 절개부 또는 자연 개구부를 통하여 뻗어있을 수 있고, 환자의 소화관의 일부와 같은 자연 내강을 따라 뻗어있을 수 있다. 기구(800)의 부분들은 자연 내강에서의 벽에 있는 절개부를 더 통과하여 수술 부위 또는 수술 기구의 원위 단부가 따라가야만 하는 경로의 추가 부분에 접근한다. 기구(800)는 일반적으로 상이한 과정 동안 상이한 형상을 가지고, 하나 이상의 굽음부를 포함하는 복잡한 경로를 따라갈 필요가 있을 수 있다.
기구(800)는 결합 요소(806, 808)에 의하여 서로 결합되는 제 1 기구 부분(802)과 제 2 기구 부분(804)을 포함한다. 결합 요소(806)는 제 1 기구 부분(802)의 근위 단부에 연결되어 있다. 하나 이상의 엔드 이펙터(미도시)는 제 1 기구 부분(802)의 원위 단부에 연결되어 있다. 결합 요소(808)는 제 2 기구 부분(804)의 근위 단부에 연결되어 있다. 후위 메커니즘(810)은 제 2 기구 부분(804)의 원위 단부에 연결되어 있다. 결합 요소(806, 808)는 도 6에서 상술된 유형 또는 임의의 다른 적합한 결합 메커니즘일 수 있다.
제 1 기구 부분(802)은 그 안에 위치된 3개의 텐던(812, 814, 816)을 포함한다. 제 1 기구 부분(802)이 여러 가지 조종과 과정의 결과로서 이동되고 수축되기 때문에, 텐던(812, 814, 816)은 수축과 굽힘이 가능한 가요성 텐던이다. 텐던(812, 814, 816)은 비교적 더 근위의 제 2 기구 부분(804)에 위치된 대응하는 3개의 텐던(818, 820, 822)과 상호작용한다. 도 8의 실시예에서, 텐던(812, 814, 816)은 제 1 유형의 재료를 사용하여 제조되고, 텐던(818, 820, 822)은 제 2 유형의 재료를 사용하여 제조된다. 예를 들어 상술된 바와 같이, 텐던(812, 814, 816)은 Dyneema®를 사용하여 제조되고, 텐던(818, 820, 822)은 Kevlar®또는 PBO를 사용하여 제조된다. 이 예에서, 텐던(812, 814, 816)은 도 9에 대하여 아래에 설명되는 유형의 스테인리스 스틸 시스에 의해 각각 둘러싸여 있다.
특정 실시예에서, Dyneema® 케이블은 대략 0.5mm의 직경을 가지고, 케이블과 시스 사이에서 0.10 보다 작은 목표 마찰 계수를 가진다. 특정 실시예는 케이블과 시스 사이에서 0.03 내지 0.05 범위의 목표 마찰 계수를 가진다. Kevlar® 또는 PBO 재료는 대략 0.5mm의 직경을 가지고, 케이블과 시스 사이에서 0.30 내지 0.05 범위의 목표 마찰 계수를 가진다.
도 8에는 제 1 기구 부분(802)과 제 2 기구 부분(804) 내부에 위치된 3개의 텐던이 도시되지만, 대체 실시예는 제 1 및 제 2 기구 부분 내부에 위치된 수개의 텐던을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 텐던은 기구의 중간 부분을 관절로 연결하는데 사용된다. 특정 가요성 수술 기구에 수용되는 텐던의 개수는 가요성 수술 기구에 연결되는 엔드 이펙터의 제어 및/또는 거동 요구조건에 부분적으로 좌우된다. 특정 실시예에서, 엔드 이펙터는 여러 가지 기능을 실행할 수 있고, 손목 메커니즘 및/또는 파지 메커니즘을 포함한다. 도시된 제 1 및 제 2 기구 부분이 예시적이라는 것과, 조합된 제 1 및 제 2 기구 부분이 반드시 전체 기구 길이를 포함할 필요는 없다는 것 또한 이해하여야 한다. 하나 이상의 추가적인 길이방향 기구 구성요소는, 도시되고 설명되는 제 1 및 제 2 기구 부분의 단부 사이 및/또는 그 너머에 배치될 수 있다.
도 9에는 시스(902) 및 그 시스를 통과하는 텐던(904)을 가지는 가요성 케이블(900)의 일부분이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 부분은 여기에서 설명되는 보다 원위에 있는 제 1 기구 부분의 일부이고, 즉 기구 부분은 원위 단부에서 엔드 이펙터를 가지고 근위 단부에서 결합 요소를 가진다. 케이블(900)은 케이블(900)을 통하는 텐던(904)의 이동과 관련된 마찰력을 감소시키기 위하여 공기 또는 윤활제를 포함할 수 있다. 여기에서 설명되는 바와 같이, 케이블(900)의 특정 실시예는 Dyneema®와 같은 HDPE를 사용하여 제조되는 텐던(904)과, 스테인리스 스틸을 사용하여 제조되는 시스(902)를 포함한다. 특정 실시예는 케이블(900)에서의 마찰력을 감소시키기 위하여 물, 지방산 또는 정제된 오일 및 적합한 계면 활성제로 이루어진 혼합물인 윤활제를 사용한다. 시스(902)는 투과성이어서 시스의 내부와 외부 사이에서의 윤활제의 이동을 허용할 수 있다. 특정 실시예에서, O-링 또는 벨로우즈 타입의 시일과 같은 시일은 윤활제를 시스(902)의 밀봉 부분 내부에 유지할 수 있다. 추가적인 텐던 윤활 정보는 미국 특허 출원 제12/346, 402호("시스가 형성된 텐던을 가진 수술 기구"라는 명칭으로 2008년 12월 30일에 출원되고, 미국 특허 출원 공보 US 2010/0168510 A1호에 공개됨) 및 제12/346,461호("텐던-작동식 수술 기구에서 텐던을 윤활하는 방법"이라는 명칭으로 2008년 12월 30일에 출원되고, 미국 특허 공보 US 2010/0168721 A1에 공개됨)에 개시되고, 이들 모두는 여기에서 참조용으로 통합된다.
시스(902) 재료와 텐던(904) 재료뿐만 아니라 임의의 윤활제의 설명된 조합은 저 마찰을 제공하고, 대체로 스틱-슬립 거동을 회피한다. 다른 실시예에서, 상이한 재료 또는 고 강도 폴리머는 시스(902)에서 스테인리스 스틸로 대체될 수 있다. 다른 실시예에서 유사하게, 상이한 재료는 텐던(904)의 Dyneema®로 대체될 수 있다.
여기에서 설명되는 시스템과 방법의 실시예는 케이블, 엔드 이펙터 및 케이블에 의하여 엔드 이펙터를 조작하는 후위 메커니즘을 가지는 수술 기구에 관한 것이다. 특정 실시예는 하나 이상의 통상적인 수술 시스템 및 방법과 결합하여 사용된다. 예를 들어, 일 실시예는 현재의 수술 시스템의 개량체로서 사용된다.
여기에서 도시되는 구성요소와 모듈이 특정 배열로 도시되어 설명되지만, 구성요소와 모듈의 배열은 상이한 방식으로 수술 기구를 실시하거나 상이한 방식으로 수술 시스템을 조정하도록 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 추가적인 구성요소나 모듈은 설명되는 시스템에 추가될 수 있고, 하나 이상의 구성요소나 모듈은 설명되는 시스템에서 제거될 수 있다. 대체 실시예는 설명되는 2개 이상의 구성요소나 모듈을 단일의 구성요소나 모듈로 조합할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 설명되고 도시되지만, 본 발명은 설명되고 도시된 부분의 특정 형태나 구성에 제한되지 않는다. 본 발명의 사상은 여기에 첨부된 특허청구범위와 그 균등물에 의하여 정의될 것이다.

Claims (10)

  1. 수술 장치에 있어서,
    메인 튜브형 몸체;
    엔드 이펙터;
    캡스턴 요소;
    상기 메인 튜브형 몸체 내에서 연장되는 케이블;
    상기 케이블의 제 1 부분을 따라 연장되는 제 1 피복 재료; 및
    상기 케이블의 제 2 부분을 따라 연장되는 제 2 피복 재료;를 포함하고,
    상기 제 1 피복 재료와 상기 캡스턴 요소 사이에 제 1 마찰력이 존재하도록 상기 제 1 피복 재료는 상기 캡스턴 요소에 맞닿고,
    상기 케이블의 상기 제 2 부분의 원위 단부가 상기 엔드 이펙터에 결합되고, 제 2 마찰력이 상기 제 2 피복 재료와 상기 메인 튜브형 몸체 사이에 존재하고,
    상기 제 1 마찰력은 상기 제 2 마찰력보다 큰 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 피복 재료는 편조 재료인 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 피복 재료는 인터페이스 지점에서 결합된 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 피복 재료는 상기 인터페이스 지점에서 직조함으로써 결합된 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  5. 제 3 항에 있아서,
    상기 제 1 및 제 2 피복 재료는 상기 인터페이스 지점에서 접합함으로써 결합된 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 피복 재료는 상기 인터페이스 지점에서 결합 요소에 의해 결합된 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블의 상기 제 1 부분에 압력을 가하기 위해 상기 제 1 피복 재료는 장력 하에 있는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 피복 재료는 고 밀도 폴리에틸렌 재료인 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 피복 재료는 폴리벤즈옥사졸 재료인 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 피복 재료는 상이한 마찰 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
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