KR101981555B1 - 카테터 시스템 - Google Patents

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KR101981555B1
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사뮤엘 곽 웨이 오
케이틀린 큐 돈호위
빈센트 뒨담
캐롤린 페네치
캐서린 제이 모어
쥐세페 마리아 프리스코
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Abstract

원격으로 조작가능한 의료용 시스템은 카테터의 자세를 측정하는 센서와, 기계 시스템에 연결되어 있는 제어 시스템을 사용한다. 제어 시스템은 홀딩 모드를 포함하는 다수의 조작 모드를 가지는데, 이 홀딩 모드에서 제어 시스템은 센서 피드백을 이용하고 기계 시스템을 조작하여 작동 형태를 유지한다. 영상 프로브는 카테터를 조향하고 자세결정하는데 사용되고 난 다음 제거되고 폐 생체 검사와 같은 의료 작업이 실행될 때 의료 프로브와 대체되는데 사용될 수 있다. 시스템의 기능성은 카테터와 영상 프로브에 분배되어 있을 수 있다. 센서는 제 1 부분을 측정하는 전자기 센서와, 더 작은 제 2 부분을 측정하는 섬유 형태 센서를 포함할 수 있다.

Description

카테터 시스템{CATHETER SYSTEMS}
본 발명은 원격으로 조작가능하고 신체 내강을 항행할 수 있는 의료용 시스템에 관한 것으로, 특히 루멘 내부에 들어맞도록 충분히 작은 카테터 시스템에 관한 것이다.
신체 내강을 항행하는 의료용 기구는 루멘(lumen) 내부에 들어맞도록 물리적으로 충분히 작을 필요가 있다. 예를 들어, 최소 침습 폐 생체 검사나 다른 의료 시술을 실행하는데 사용될 수 있는 폐 카테터는 카테터가 분지형(branching) 통로를 항행함에 따라 크기가 감소하는 기도를 따라갈 필요가 있다. 폐 내부의 목표 위치에 도달하기 위하여, 카테터는 3mm 이하 정도의 작은 직경을 가지는 통로를 따라갈 수 있다.
원격 조작이나 로봇 조작에 적합한 기계 구조체와 센서 구조체를 포함하고 이러한 작은 루멘을 항행하는데 충분히 작은 직경을 가지는 카테터를 제조하는 것은 도전할만 하다. 특히, 원격 조작식 카테터의 바람직한 일 형태는 조향가능한 구역 상에 장착되는 도구; 텐던을 당겨서 이 도구나 조향가능한 구역을 작동시키는 외부 구동 시스템 쪽으로 카테터의 길이를 따라 아래로 뻗어있는 텐던 또는 당김 와이어; 삽입 및/또는 세척을 위한 루멘; 목표 위치를 관찰하기 위한 영상 시스템; 및 환자의 검진과 관련 있는 기구의 위치를 확인하는 센서;를 제공할 수 있다. 폐 카테터, 또는 로봇으로 제어되고 약 3mm 이하의 직경을 가지는 다른 장치의 모든 원하는 특징부와 구성요소를 수용하는 것은 어려울 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 카테터 제어 시스템은 제어 모드(본 명세서에서 종종 홀딩 모드(holding mode)로 지칭됨)를 가지는데, 이 모드는 카테터를 의료 시술에 바람직한 작동 형태로 적극적으로 유지시킨다. 이 홀딩 모드는 교체가능한 프로브를 가진 카테터 시스템의 이용을 용이하게 한다. 특히, 영상 프로브는 카테터가 수술 부위 쪽으로 항행하는 동안 카테터 내에서 전개되어, 수술 부위를 관찰하거나 의료 작업의 실행 동안 카테터의 원하는 작동 형태를 확인하는 것을 보조할 수 있다. 이때 카테터 제어 시스템은 홀딩 모드로 전환될 수 있고, 영상 시스템은 제거될 수 있다. 이때 의료 프로브는 제거된 영상 프로브를 대신하여 카테터를 통과하여 전개될 수 있고, 제어 시스템은 작동 형태를 유지하고 영상 프로브없이 의료 작업의 실행을 허용하는 한편, 원하는 작동 형태는 고정되고 유지된다. 일 실시예에서, 제어 시스템은 카테터를 원하는 작동 형태로 적극적으로 유지시키는 한편, 의료 프로브는 카테터를 통하여 삽입되고 수술 부위에 도달하며 의료 기능을 실행한다. 대체 실시에서, 제어 시스템은 의료 기능이 실행되기 전에 카테터를 기록된 작동 형태로 되돌린다. 카테터가 영상 프로브와 의료 프로브 모두가 아닌 어느 하나만을 수용할 필요가 있기 때문에, 카테터의 직경은 유사한 기능성을 제공하는 시스템에서 가능할 수 있는 것과는 달리 더 작을 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 로봇으로 제어되는 가요성 장치의 피드백 제어 방법과 시스템은 폐쇄 루프 장치 작동에 관한 다수의 다른 모드를 실행하거나, 다른 응용분야와 사용 시나리오에 적합한 강화단계를 실행한다. 다른 강화 모드는, 장치가 치료 공간을 통하여 항행할 때나 장치가 의료 시술의 일부로서 조직과 상호작용할 때, 조직 작용력과 같은 힘이 외부에서 가해지는 경우에 장치를 바람직한 방법으로 반응하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 카테터와 같은 가요성 장치는 장치의 원위 부분을 관절운동시키는데 사용되는 텐던에 부착된 액추에이터용 신호의 발생시 센서 시스템으로부터의 실시간 피드백을 이용한다. 예를 들어, 카테터는 그 원위 첨단부(tip)에 있는 가요성 부분을 포함할 수 있는데, 이 가요성 부분은 2개의 방향(피칭운동 및 요잉운동(pitch and yaw))으로 구부릴 수 있다. 광섬유 형상 센서는 가요성 부분의 구부림을 측정할 수 있고, 원위 첨단부의 배향과 위치를 지시하는 측정 데이터를 감지된 형상의 초기상태로 되돌릴 수도 있다. 초기상태의 위치는, 예컨대 전자기 센서를 사용하여 판정될 수 있는데, 이 전자기 센서는 환자에게 부착될 수 있는 외부 참조(external reference)에 대한 초기상태의 위치와 배향의 측정을 제공한다. 다수의 작동식 텐던(예컨대 당김 와이어나 케이블)은 원위 첨단부에 부착되고 카테터의 길이를 따라 액추에이터 쪽으로 뻗어있다. 액추에이터를 제어하여 텐던을 당겨서 원위 첨단부를 임의의 피칭운동/요잉운동 방향으로 이동시키는 제어 논리는 다른 목적을 위하여 다른 모드로 조작할 수 있다. 특히 홀딩 모드를 위하여, 제어 논리는 카테터의 목표 형상에 관한 고정 정보와 센서 데이터를 이용하여 액추에이터의 제어 신호를 계산할 수 있다.
로봇 카테터나 다른 가요성 시스템용 제어 논리는 다음의 모드 중 하나 이상을 포함하는 다수의 조작 모드를 가질 수 있다. 이 모드에는, 1)제어 시스템이 액추에이터를 제어하여 프로브나 카테터의 원위 첨단부의 원하는 위치와 측정 위치 사이의 차이를 최소화하는 위치결정 강화 모드; 2)제어 시스템이 액추에이터를 제어하여 원위 첨단부의 원하는 지시 방향과 측정 지시 방향 사이의 차이를 최소화하는 배향 강화 모드; 3)제어 시스템이 지시 방향과 측정된 첨단부 위치의 조합을 이용하여 특정 목표 지점 쪽으로 언제나 향하도록 원위 첨단부를 제어하는 위치결정 목표 강화 모드; 및 4)제어 시스템이 장치의 다른 부품으로부터의 센서 측정값과 함께 지시 방향과 측정된 첨단부 위치의 조합을 이용하고, 원위 첨단부가 공간 중 특정 라인 상에 위치결정되는 것과 특정 라인도 따르는 지시 방향을 가지는 것을 보장하도록 액추에이터를 제어하는 축방향 운동 목표 강화 모드;가 있다. 제어 시스템의 가용 모드 중에서의 선택은, 사용되는 프로브의 유형(예컨대, 겸자, 카메라, 레이저, 브러시 또는 바늘)이나 카테터가 실행하고 있는 동작(예컨대, 항행동작이나 생체 검사 실행동작)에 따라 사용자가 선택함으로써 행하여 질 수 있다. 이들 모드 중에서 어느 것이라도 원하는 위치, 방향, 목표 지점이나 라인을 고정함으로써 의료 시술 동안 카테터를 유지하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 카테터 시스템은 생체 검사용 프로브나 다른 의료 프로브와 대체될 수 있는 제거가능한 영상 프로브를 가진다. 영상 프로브는 수술 부위 쪽으로의 항행을 위해 사용된 후 제거되고, 조직 시료를 채취하는 생체 검사용 프로브로 대체될 수 있다. 따라서 카테터 시스템은 작은 직경으로 높은 수준의 영상 및 의료작업 기능성을 제공할 수 있다. 카테터의 로봇 작동용 제어 논리는 환자가 움직이는 경우나 도구 또는 프로브가 맞교환되는 동안 카테터가 움직이는 경우에 일어날 수 있는 문제점들을 조절한다. 특히, 영상 프로브가 제거될 때, 피드백 제어와 원위 센서(광섬유 형상 센서와 같은 것)는 생체 검사용 프로브의 사용에 적합한 작동 형태나 원하는 위치를 유지하는데 사용될 수 있고 생체 검사용 프로브의 사용에 적합한 작동 형태나 원하는 위치로 되돌아가는데 사용될 수 있다. 따라서 센서로부터의 피드백 정보는 액추에이터 텐던을 제어하는데 사용될 수 있고, 그 결과 카테터의 원위 첨단부의 작동 형태는 심지어 도구 제거나 검진 동작에 기인하는 불안정한 상태가 유지된다. 이러한 방식으로, 카테터 시스템의 정확도는 유지되고, 생체 검사 수율(biopsy yield)은 향상될 수 있다. 일정한 작동 형태를 유지하는 것을 대신하여, 원하는 작동 형태의 파라미터는 기록될 수 있고, 카테터는 프로브의 용이한 제거와 삽입을 위하여 이완되거나 펼쳐질 수 있고, 그 후 사용자 지시시 또는 새로운 프로브가 삽입된 후에 원하는 작동 형태로 되돌아갈 수 있다.
본 발명의 특정 실시예는 카테터와 제어 논리를 포함하는 의료용 시스템이다. 카테터는 메인 루멘과 기계 시스템을 포함한다. 메인 루멘은 영상 프로브나 의료 프로브 중 어느 하나를 수용하고, 영상 프로브와 의료 프로브 모두를 원위 첨단부에 동시에 안내하기에는 너무 협소하다. 제어 논리는 기계 시스템을 조작하여 카테터의 원위 첨단부의 자세를 제어한다. 특히, 제어 논리는, 영상 프로브가 전개되는 동안에는 원위 첨단부의 원하는 작동 형태를 확인할 수 있고, 영상 프로브가 카테터로부터 제거되고 의료 프로브가 메인 루멘 내에서 전개될 때에는 카테터를 원하는 작동 형태로 유지하거나 원하는 작동 형태로 되돌릴 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예는 제거가능한 영상 프로브와 카테터를 포함하는 의료용 시스템이다. 카테터는 영상 시스템이나 의료 도구를 카테터의 원위 첨단부에 안내할 정도의 크기를 가지는 루멘을 가진다. 또한 카테터는 약 3mm 미만의 폭을 가지고, 영상 프로브와 의료 프로브 모두를 원위 첨단부에 동시에 안내하기에는 너무 협소하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 다음의 단계들, 즉 카테터의 원위 첨단부의 작동 형태를 확인할 때 카테터 내에서 전개되는 영상 프로브를 사용하는 단계; 카테터로부터 영상 프로브를 제거하는 단계; 제거된 영상 프로브를 대신하여 의료 프로브를 전개하는(deploying) 단계; 및 의료 프로브가 영상 프로브를 대신하여 카테터 내에서 전개될 때 원위 첨단부의 작동 형태를 유지하거나 원위 첨단부의 작동 형태로 되돌아가도록 카테터를 작동시키는 단계;를 포함하는 과정이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 카테터 시스템의 기능성은 제거가능한 영상 프로브와 카테터에 분배되어 있다. 특정 배열은, 예컨대 작은 직경의 폐 내강 내에 들어맞을 수 있는 전체적으로 작은 시스템 단면적의 유용성을 최대화할 수 있다. 특히, 제거가능한 영상 프로브는 촬상, 조명, 세척, 및 생체 검사용 또는 치료용 프로브가 전개되기 전에 이용될 수 있는 흡인 성능을 제공할 수 있다. 카테터는 영상 프로브와 의료 프로브 모두에 필수적이거나 유용한 작동 구조체와 감지 구조체를 포함할 수 있다. 따라서, 카테터는 교체가능한 프로브에 적합한 가용 공간을 최소화할 수 있고, 영상 프로브가 제거될 때 의료 프로브와 같은 프로브의 사용에 적합한 모든 필수적인 기능을 제공할 수도 있다.
일 특정 실시예에서, 의료용 시스템의 영상 프로브는 메인 채널과 같은 다수의 채널을 포함하는 튜브와, 세척과 흡인 목적의 하나 이상의 기다란 채널, 및 하나 이상의 보조 채널을 포함한다. 촬상 시스템은 메인 채널을 통하여 튜브의 원위 단부 쪽으로 뻗어있고, 하나 이상의 조명 섬유는 튜브 내의 각각의 보조 채널을 통하여 뻗어있다. 튜브는 다수의 채널을 포함하는 돌출부와 같이 선택적으로 실행될 수 있고, 일 특정 실시예에서, 촬상 시스템은 영상 프로브의 원위 단부에 장착된 카메라를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 의료용 시스템은 그 내부에서 영상 프로브가 의료 시술 동안 전개되고 제거될 수 있는 루멘을 가지는 카테터를 더 포함할 수 있다. 카테터는 조향 시스템과 센서 시스템을 포함할 수 있는데, 이 시스템들은 영상 프로브 또는, 카테터에서 영상 프로브를 대체하는 프로브와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 원위 피드백을 이용하는 로봇 카테터 시스템은, 카테터의 원위 첨단부에 작은 직경을 제공하고 전자기 센서와 섬유 센서 모두를 포함하는 센서 시스템의 이용을 통하여 원위 첨단부의 자세의 정확한 측정을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 카테터용 센서 시스템은 하나 이상의 전자기(electromagnetic; EM) 센서를 포함하는 더 굵은 근위 부분과, 섬유 형상 센서를 포함하는 더 얇은 원위 부분을 가진다. EM 센서는 환자의 검진과 관련 있는 원위 부분의 기준점의 정확한 측정을 제공할 수 있는 한편, 섬유 센서는 기준점으로부터 뻗어있는 원위 부분의 형상을 측정한다. 따라서, 카테터의 원위 부분이 섬유 형상 센서만을 사용하는 시스템만큼 작을 수는 있지만, 카테터 시스템은 긴 섬유 형상 센서에 공통되는 부정확성이 문제되지는 않는다.
본 발명의 일 특정 실시예는 카테터, 제 1 센서 시스템 및 제 2 센서 시스템을 포함하는 의료용 시스템이다. 카테터는 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 제 2 부분은 제 1 부분에 인접한 상태이다. 제 1 센서 시스템은 제 1 부분 내에 있고, 제 1 부분의 자세를 측정하도록 구성되어 있다. 제 2 센서 시스템은 제2 부분 내에 있고, 제 1 부분에 대한 제 2 부분의 자세를 측정하도록 구성되어 있다.
본 발명의 다른 실시예는 의료 기구의 카테터와 같은 가느다란 가요성 구조체의 원위 첨단부의 자세를 감지하는 방법이다. 이 방법은 시간에 따라 변하는 자기장을 가요성 구조체의 적어도 일부를 포함하는 공간에 가하는 단계를 포함한다. 의료 기구의 가요성 구조체를 따르는 위치로 위치결정된 코일 내에서 유도된 전기 신호는 자세 측정의 일부로서 분석될 수 있다. 이 코일의 위치는 가요성 구조체의 원위 첨단부와 근위 단부로부터 분리되어 있다. 이 코일로부터 전기 신호가 분석될 뿐만 아니라, 이 코일의 위치로부터 가요성 부분의 원위 단부를 향하여 뻗어있는 가요성 구조체의 일부의 형상은 측정된다.
일 특정 실시예는 의료용 시스템인데, 이 시스템은, 카테터의 원위 첨단부를 제어하는 것이 원격으로 조작가능한 기계 시스템을 포함하는 카테터; 원위 첨단부의 자세를 적어도 부분적으로 측정하도록 구성된 센서; 및 기계 시스템에 연결되어 있는 제어 시스템;을 포함한다. 제어 시스템은 홀딩 모드를 포함하는 복수 개의 조작 모드를 가지는데, 이 홀딩 모드에서 제어 시스템은 센서로부터의 피드백에 기초하여 원위 첨단부의 작동 형태를 적극적으로 유지하도록 기계 시스템을 조작한다.
제어 시스템의 복수 개의 조작 모드는 제어 시스템이 사용자 입력에 응답하여 카테터를 조향하도록 기계 시스템을 조작하는 모드를 더 포함할 수 있다.
제어 시스템과 센서는 원위 첨단부의 작동 형태의 감지와 동작에 적합한 폐쇄 루프 시스템을 형성할 수 있다.
작동 형태는 수술 부위에 대한 원위 첨단부의 위치, 또는 수술 부위에 대한 원위 첨단부의 배향을 정의한다.
작동 형태를 유지하는 단계는 원위 첨단부가 수술 부위 내의 목표를 지시하고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 이 모드에서, 의료용 시스템은 카테터 내에서 전개되는 제거가능한 프로브를 더 포함할 수 있고, 이 프로브는 작동 형태가 목표에 있는 레이저를 지시하도록 구성된 레이저를 포함할 수 있다.
작동 형태를 유지하는 단계는 원위 첨단부를 목표 라인 상에 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 모드에서, 작동 형태를 유지하는 단계는 또한 원위 첨단부의 축을 목표 라인을 따라 유지한다.
제어 시스템의 홀딩 모드는 다수의 서브 모드를 포함할 수 있는데, 이 서브 모드에서 제어 시스템은 원위 첨단부의 다른 양태의 자세를 유지하고, 제어 시스템은 제어 시스템을 서브 모드들 중 하나의 모드로 놓여 있도록 구성된 선택 모듈을 포함할 수 있으며, 이 선택 모듈은 카테터 내에서 전개되는 프로브의 유형에 상응한다. 서브 모드는 제어 시스템이 수술 부위에 대한 원위 첨단부의 배향을 유지하는 배향 서브 모드를 포함할 수 있고, 선택 모듈은 영상 프로브가 카테터 내에서 전개될 때 제어 시스템을 배향 서브 모드에 놓여 있게 한다. 서브 모드는 목표 서브 모드를 포함할 수 있는데, 이 목표 서브 모드에서 제어 시스템은 원위 첨단부가 수술 부위 내의 목표를 지시하고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하고, 선택 모듈은 레이저를 포함하는 프로브가 카테터 내에서 전개될 때 제어 시스템을 목표 서브 모드에 놓여 있게 할 수 있다. 서브 모드는 축방향 목표 서브 모드를 포함할 수 있는데, 이 축방향 목표 서브 모드에서 제어 시스템은 원위 첨단부가 목표 라인 상에 존속하고 목표 라인을 따라 지시되고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하고, 선택 모듈은 바늘을 포함하는 프로브가 카테터 내에서 전개될 때 제어 시스템을 축방향 목표 서브 모드에 놓여 있게 할 수 있다.
다른 특정 실시예는 카테터용 제어 시스템인데, 이 제어 시스템은 카테터의 원위 첨단부를 제어하도록 원격으로 조작가능한 기계 시스템과, 기계 시스템에 연결되어 있는 원위 첨단부의 자세를 적어도 부분적으로 측정하도록 구성된 센서를 포함한다. 제어 시스템은, 센서로부터의 피드백에 기초하여 기계 시스템의 조작을 제어하는 다수의 모듈; 및 원위 첨단부의 원하는 작동을 확인하는 지시장치를 저장하는 기억장치;를 포함한다. 각각의 모듈은 원위 첨단부를 지시장치에 의해 확인된 원하는 작동 형태로 유지하도록 기계 시스템을 조작한다.
모듈은, 원위 첨단부를 측정된 위치로부터 원하는 위치 쪽으로 동작시키는 단계를 포함하는 과정을 실시하는 피스톤 모드 모듈; 원위 첨단부를 측정된 배향으로부터 원하는 배향 쪽으로 동작시키는 단계를 포함하는 과정을 실시하는 배향 모드 모듈; 원위 첨단부가 목표를 지시하고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하는 목표 모드 모듈; 또는 원위 첨단부가 목표 라인 상에 남아 있고 목표 라인을 따라 지시되고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하는 목표 축 모드 모듈;을 포함할 수 있다.
다른 특정 실시예는, 카테터의 원위 첨단부를 제어하도록 원격으로 조작가능한 기계 시스템을 이용하여 카테터를 수술 부위 쪽으로 조향하는 단계; 작동 형태는 수술 부위에서의 의료 작업의 실행을 위하여 원위 첨단부를 자세결정하는데, 원위 첨단부의 이 작동 형태를 확인하는 단계; 원위 첨단부의 자세를 측정하는 센서로부터의 피드백을 이용하여 카테터를 제어하는 복수 개의 모드들 중에서 하나를 선택하는 단계; 및 선택 모드에서 카테터의 조작을 통하여 원위 첨단부의 작동 형태를 유지하는 단계;를 포함하는 방법이다.
모드는, 수술 부위에 대한 원위 첨단부의 위치를 유지하는 위치결정 모드; 수술 부위에 대한 원위 첨단부의 배향을 유지하는 배향 모드; 원위 첨단부가 수술 부위 내에서 목표를 지시하고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하는 목표 모드; 또는 원위 첨단부가 목표 라인 상에 남아 있고 목표 라인을 따라 지시되고 있는 상태로 존속하도록 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 유지하는 목표 축 모드;를 포함할 수 있다.
다른 특정 실시예는 영상 프로브를 포함하는 의료용 시스템인데, 이 영상 프로브는, 메인 채널, 세척과 흡인 목적의 하나 이상의 기다란 채널 및 하나 이상의 보조 채널을 포함하는 복수 개의 채널을 포함하는 튜브; 메인 채널을 통과하여 튜브의 원위 단부 쪽으로 뻗어있는 촬상 시스템; 및 튜브 내에서 각각의 보조 채널을 통과하는 하나 이상의 조명 섬유;를 포함한다.
프로브는 약 2mm 미만의 직경을 가질 수 있다. 프로브는 카테터 상의 상보적인 고정 부재(keying feature)와 맞물리는 형상을 가지는 고정 부재를 더 가질 수 있다.
촬상 시스템은, 튜브의 원위 단부에 장착된 CMOS 카메라; 또는 튜브를 통과하여 튜브의 원위 단부 쪽으로 뻗어있는 이미지 섬유 다발;을 포함할 수 있다.
튜브는 그 내부에 채널이 존재하는 돌출부를 포함할 수 있다.
의료용 시스템은 그 내부에서 영상 브로브가 의료 시술 동안 전개되고 제거될 수 있는 루멘을 가지는 카테터를 더 포함할 수 있다. 카테터는, 카테터의 원위 단부에 있는 조향가능한 구역; 및 조향가능한 구역에 부착되어 있고 조향가능한 구역으로부터 카테터를 통하여 카테터의 근위 단부 쪽으로 뻗어있는 복수 개의 텐던;을 더 포함하는데, 여기서 조향가능한 구역은 텐던의 근위 단부를 당김으로써 작동된다. 조향가능한 구역은 조향가능한 구역의 피칭운동 및 요잉운동 방향으로의 구부림을 허용하는 복수 개의 만곡부를 제공하는 튜브 절단부를 포함할 수 있다. 만곡부는, 예컨대 니티놀(Nitinol)을 포함할 수 있다.
카테터는 약 3mm 미만의 폭을 가진 원위 부분을 가질 수 있다. 프로브의 폭은 카테터의 폭의 1/2보다 클 수 있다. 덮개는 카테터와 영상 프로브 사이에서 루멘 내부에 들어맞을 수 있는데, 여기서 덮개는 카테터에 대하여 동작가능하고 카테터의 원위 단부를 넘어서 뻗어있는 것이 가능하다.
다른 특정 실시예는, 제1 구역과, 제 1 구역에 인접한 제 2 구역을 가지는 카테터; 제 1 구역 내에 있고 제 1 구역의 자세의 측정을 위하여 구성된 제 1 센서 시스템; 및 제 2 구역 내에 있고 제 1 구역에 대한 제 2 구역의 자세를 측정하기 위하여 구성된 제 2 센서 시스템;을 포함하는 의료용 시스템이다.
제 2 구역은 제1 구역보다 폭이 좁을 수 있고 그리고/또는 제 1 센서 시스템은 제 2 구역보다 폭이 넓을 수 있다.
제 1 센서 시스템은 외부 참조에 대한 제 1 구역의 배향과 위치를 측정하도록 구성된 제 1 센서를 포함할 수 있다. 제 1 센서 시스템은 외부에서 가해진 자기장에 대한 제 1 구역의 배향과 위치에 좌우되는 전기 신호를 일으키는 전자기 센서를 포함할 수 있고, 전자기 센서는 제 1 구역의 6자유도의 측정을 위하여 구성될 수 있다. 전자기 센서는, 제 1 자축(magnetic axis)을 가지는 제 1 코일; 및 제 1 자축으로부터 비스듬한 제 2 자축을 가지는 제 2 코일;을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 코일은 서로에 대해 단단히 고정될 수 있다. 제 1 코일과 제 2 코일은 제 1 구역의 단면 내부에 있을 수 있다. 제 1 측정 시스템은 중력 방향을 측정하도록 구성된 가속도계를 더 포함할 수 있다.
제 2 센서 시스템은 제 1 구역에 대한 제 2 구역의 배향과 위치를 측정하도록 구성된 제 2 센서를 포함할 수 있다. 제 2 센서 시스템은 형상 센서를 구비한다. 형상 센서는 제 1 구역과 제 2 구역의 적어도 일부를 따라 뻗어있을 수 있고, 제 1 센서 시스템 내의 제 1 코일과 제 2 코일은 형상 센서의 길이를 따라 분리되어 있는 위치로 위치결정될 수 있다. 형상 센서는 제 1 코일과 제 2 코일 사이의 공간적인 관계를 측정하도록 구성될 수 있다.
다른 특정 실시예는 의료 기구의 가느다란 가요성 구조체의 원위 첨단부의 자세를 감지하는 방법이다. 이 방법은, 시간에 따라 변하는 자기장을 가요성 구조체의 적어도 일부를 포함하는 공간에 가하는 단계; 의료 기구의 가요성 구조체를 따라, 가요성 구조체의 원위 첨단부와 근위 단부로부터 분리되어 있는 일정한 위치로 위치결정되어 있는 제 1 코일 내에 유도된 전기 신호를 분석하는 단계; 및 측정된 일부가 코일의 일정한 위치로부터 가요성 부분의 원위 단부를 향하여 뻗어있는 경우에 있어서, 의료 기구의 가요성 구조체 중 그 일부의 형상을 측정하는 단계;를 포함한다.
가요성 구조체는 카테터를 포함할 수 있고, 카테터는, 코일을 포함하는 제 1 구역; 및 제 1 구역에 인접해 있고 원위 첨단부 쪽으로 뻗어있는 제 2 구역;을 포함할 수 있다.
형상은 섬유 형상 센서를 사용하여 측정될 수 있다.
제 1 코일 내의 전기 신호를 측정하는 단계는 섬유 형상 센서를 따라 특정 지점의 지구상 위치와 배향을 판정하는 단계를 포함할 수 있다. 지구상 위치와 배향을 판정하는 단계는 가요성 구조체를 따라 위치결정된 제 2 코일 내에 유도된 제 2 전기 신호를 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 카테터, 프로브 등을 포함하는 의료용 시스템과, 의료용 시스템의 구성요소인 카테터, 프로브 등을 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 원격 조작이나 로봇 조작에 더욱 적합한 카테터 등을 작동시키는 것과 이를 포함하는 의료용 시스템을 제조하는 것이 가능하다.
도 1에는 다수의 제어 모드를 가지는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 로봇 카테터 시스템이 나타나 있다.
도 2에는 도 1에서의 로봇 카테터 시스템에서 사용될 수 있는 작동식 원위 첨단부에 적합한 조향가능한 구역의 일 실시예가 나타나 있다.
도 3A와 3B에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 카테터의 근위 부분과 원위 부분의 단면도가 나타나 있다.
도 4에는 영상 프로브의 단면도가 나타나 있는데, 이 영상 프로브는 도 3A와 도 3B에서의 카테터 내에서 전개될 수 있고 도 3A와 도 3B에 나타나 있는 카테터에서의 의료 프로브의 사용을 위하여 맞교환될 수 있다.
도 5는 제거가능한 영상 시스템과 다수의 제어 모드를 가진 카테터 시스템을 이용하는 과정의 흐름도이다.
도 6은 홀딩 모드로의 카테터 제어 과정의 흐름도이다.
도 7에는 본 발명의 일부 실시예의 의료용 시스템에서의 전자기 센서에 이용될 수 있는 감지 코일이 나타나 있다.
도 8A, 8B, 8C 및 8D에는 본 발명의 실시예에 따라 전자기 센서와 형상 센서를 포함하는 센서 시스템의 대체 구성이 도시되어 있다.
도 9에는 1개의 6 자유도의 EM 센서를 포함하는 카테터 시스템과 2개의 5 자유도의 EM 센서들을 포함하는 카테터 시스템의 단면이 나타나 있다.
동일한 참조 기호를 다른 도면에서 사용함으로써 유사하거나 동일한 아이템을 지시한다.
카테터 시스템은 하나 이상의 의료 프로브나 도구와 교체가능한 영상 프로브를 이용할 수 있다. 영상 프로브는 제거되어, 의료 시술에서 사용되는 의료 프로브로 대체될 수 있다. 영상 프로브와 의료 프로브의 교체는, 카테터 시스템이 영상 시스템과 의료용 시스템 모두를 동시에 수용하는 유사한 시스템보다 더 작은 직경을 가져서 더 작은 통로를 항행하는 것을 허용한다. 이와 달리, 프로브를 교체하는 것은, 영상 시스템과 의료용 시스템 모두를 동시에 수용해야만 하는 카테터보다 더 우수한 기능성을 가지는 영상 시스템과 의료용 시스템을 위하여 더 큰 공간을 할애한다.
카테터 시스템을 이용하는 하나의 방법은, 의료 시술을 위한 수술 부위 쪽으로의 경로의 적어도 일부를 향하여 신체 내강을 따라 카테터를 조향하는 단계를 포함한다. 영상 시스템은 조향 단계 동안 카테터 내에서 전개될 수 있고 그리고/또는 항행이 완료할 때 도달하는 수술 부위를 보여주는데 이용될 수 있다. 영상 시스템은 카테터의 원하는 작동 형태를 확인하는데 도움이 되도록 이용될 수 있고, 카테터를 원하는 작동 형태로 조종할 때 이용될 수 있다. 카테터의 제어 시스템은 이 작동 형태를 기록할 수 있고, 환자에 대한 카테터의 자세가 모니터되고 있는 "홀딩" 모드로 놓여 있을 수 있고, 이 카테터는 기록된 작동 형태를 적극적으로 유지하거나 이 작동 형태로 되돌아가도록 작동된다. 영상 시스템이 제거될 때, 카테터는 영상 프로브를 대체하는 의료 프로브의 사용을 위한 감지 능력, 조향 능력 및 홀딩 능력을 제공할 수도 있다. 영상 프로브와 카테터의 기능성의 분배는 조밀한 단면 내부에 높은 수준의 성능을 제공한다. 제어 시스템은 다른 유형의 제어 모드를 제공할 수 있고, 이는 다른 유형의 의료 프로브나 다른 유형의 의료 시술에 유용할 수 있다. 예를 들어, 의료 프로브가 레이저를 포함한다면, 카테터의 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합은 원위 첨단부가 환자 내의 특정 위치에서 목표상태로 존속하도록 제어될 수 있다. 대체 홀딩 모드는 카테터의 원위 첨단부의 위치를 유지할 수 있는 한편, 원위 첨단부의 배향이 원위 첨단부를 라인을 따라 변경시키거나 유지하는 것을 허용한다.
호흡 통로 내의 통로 및 기도와 같은 작은 내강에서의 사용에 적합한 로봇 카테터는 하나 이상의 EM 센서와 섬유 형상 센서의 조합을 이용하여 작은 직경의 원위 첨단부의 자세의 정확한 측정을 제공할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 카테터 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 카테터 시스템(100)은 카테터(110), 구동 인터페이스(120), 제어 논리(140), 오퍼레이터 인터페이스(150) 및 센서 시스템(160)을 포함한다.
카테터(110)는 대체로 가요성인 장치이고, 아래에서 더 설명되는 바와 같이 교체가능한 프로브를 수용할 수 있는 메인 루멘을 포함하는 하나 이상의 루멘을 가진다. 가요성 카테터는 땋은(braided) 구조를 이용하여 제조될 수 있는데, 땋은 구조에는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)과 같은 가요성 또는 저 마찰 재료로 된 내부 레이어와 외부 레이어를 가진 직조된(woven) 와이어 튜브와 같은 것이 있다. 일 실시예에서, 카테터(110)는 폴리에테르 블록 아미드(Polyether Block Amide; Pebax)와 같은 재료로 된 땋은 재킷과 리플로우처리된(즉, 용해하여 녹인) 재킷에 의해 함께 유지되는 한 다발의 루멘이나 튜브를 포함한다. 이와 달리, Pebax와 같은 재료의 돌출은 다수의 루멘을 카테터(110)에 형성하도록 사용되는 것과 유사할 수 있다. 카테터(110)는 특히 교체가능한 프로브 시스템에 적합한 메인 루멘과, 당김 와이어와 센서 라인에 적합한 더 작은 루멘을 포함한다. 도시된 실시예에서, 카테터(110)는 구동 인터페이스(120)에 부착된 근위 부분(112)과, 근위 부분(112)으로부터 뻗어있는 원위 부분(114)을 가진다. 추가적인 조향가능한 구역(116)(예컨대, 아래에서 더 설명되고 도 2에 나타나 있는 바와 같은 금속 구조체)은 원위 부분(114)의 원위 하위부분을 형성할 수 있다. 당김 와이어는 구동 시스템(120)으로부터 근위 부분(112)과 원위 부분(114)을 지나서 뻗어있고 조향가능한 구역(116)에 연결된다.
카테터(110)의 전체 길이는 약 60cm 내지 80cm일 수 있거나 더 길 수 있고, 원위 부분(114)은 그 길이가 약 15cm이며 조향가능한 구역(116)은 그 길이가 약 4cm 내지 5cm이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 원위 부분(14)은 근위 부분(112)보다 더 작은 직경을 가져서 더 작은 자연 내강 또는 통로를 항행할 수 있다. 의료 시술 동안, 적어도 일부의 근위 부분(112)과 모든 원위 부분(114)은 환자의 기도와 같은 자연 내강을 따라 삽입될 수 있다. 원위 부분(114)의 더 작은 직경은 근위 부분(112)에 비해 훨씬 작을 수 있는 루멘 내에서의 원위 부분(114)의 사용을 허용하지만, 원위 부분(114)의 더 큰 직경은 원위 부분(114)에 들어맞지 않을 수 있는 전자기 센서(162)와 같은 더 많거나 더 큰 구조체 또는 장치의 포함을 용이하게 한다.
조향가능한 구역(116)은 원격으로 제어가능하고, 특히 당김 와이어를 사용하여 제어될 수 있는 피칭운동과 요잉운동이 가능하다. 조향가능한 구역(116)은 원위 부분(114)의 전부나 일부를 포함할 수 있고, Pebax와 같은 가요성 재료로 된 다수의 루멘 튜브로서 간단히 실행될 수 있다. 대체로, 조향가능한 구역(116)은 카테터(110)의 잔여부분보다 더 가요성이고, 이는 구동 인터페이스(120)가 작동식 텐던을 당길 때 조향가능한 구역(116) 쪽으로의 구부림이나 작동의 분리에 도움이 된다. 카테터(110)는 카테터(110)의 근위 부분(112)이 구부려지지 않게(또는 조향가능한 구역(116) 이외의 원위 부분(114)의 일부가 구부려지지 않게) 작동하도록 작동식 텐던에 적합한 보우든 케이블의 사용과 같이 추가적인 부재나 구조체를 이용할 수도 있다. 도 2에는 일 실시예가 나타나 있는데, 여기서 조향가능한 구역(116)은 도 1의 카테터(110)에서 다수의 튜브를 포함하는 튜브(210)로 이루어져 있고, 여기서 다수의 튜브는 프로브 시스템에 적합한 메인 루멘, 및 도 2에는 나타나 있지 않은 형상 센서와 작동식 텐던(230)에 적합한 더 작은 루멘을 형성한다. 도시된 실시예에서, 텐던(230)들은 루멘(312) 둘레에서 각각 90°씩 떨어져 놓여져서, 카테터(110)를 텐던(230)의 위치에 의해 정의된 피칭운동 방향과 요잉운동 방향으로 조향하는 것을 용이하게 한다. 조향가능한 구역(116)의 내부 구조를 상세히 도시하는 도 2에는 나타나 있지 않은 리플로우처리된 재킷은 튜브(210)를 덮을 수도 있다. 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 튜브(210)는 일련의 만곡부(220)를 생성하도록 형성되거나 절단된다. 텐던(230)은 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부(215)에 연결되고 구동 인터페이스(120) 쪽으로 뒤로 뻗어있다. 텐던(230)은 코팅처리되거나 코팅처리되지 않은 단일의 필라멘트나 여러 가닥 와이어, 케이블, 보우든 케이블, 하이포튜브일 수 있고, 또는 힘을 구동 인터페이스(120)로부터 원위 첨단부(215) 쪽으로 전달하는 것과 구동 인터페이스(120)가 텐던(230)을 당길 때 근위 부분(112)의 구부림을 제한하는 것이 가능한 다른 구조체일 수 있다. 텐던(230)은 충분한 강도를 가지는 재료로 제조될 수 있는데, 스틸과 같은 금속이나 케블라(Kevlar)와 같은 폴리머를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 조작 중, 텐던(230)들 중에서 어느 하나를 더욱 강하게 당기는 것은 조향가능한 구역(116)이 그 텐던(230)의 방향으로 구부려지게 하는 경향이 있다. 반복되는 구부림을 수용하기 위하여, 튜브(210)는 손상이 없거나 적게 반복적으로 구부릴 수 있는 금속 합금인 니티놀과 같은 재료로 제조될 수 있다.
도 1의 구동 인터페이스(120)는 텐던(230)을 당겨서 조향가능한 구역(116)을 작동시키고, 예컨대 전기 모터와 같은 액추에이터(122)의 동작을 카테터(110)를 지나서 조향가능한 구역(116)에 연결되는 텐던(230)의 동작(또는 텐던의 인장력)으로 전환하는 기계 시스템 또는 변속장치(124)를 포함한다. (아마 누름 막대가 텐던(230)을 대신하여 카테터(110)에서 사용될 수는 있지만, 바람직한 수준의 가요성을 제공하지는 않는다.) 조향가능한 구역(116)의 자세와 동작은 구동 인터페이스(120) 내의 액추에이터(122)를 위한 구동 신호의 선택을 통하여 제어될 수 있다. 구동 인터페이스(120)는 텐던(230)을 조종할 뿐만 아니라, 카테터(110)의 근위 단부의 롤링운동이나 회전운동 및 삽입 방향으로의 운동의 범위와 같은 카테터(110)의 다른 동작을 제어하는 것이 가능할 수도 있고, 액추에이터(122)와 변속장치(124)를 통하여 동력공급될 수도 있다. 가요성 축을 가진 기구로 알려진 후단 메커니즘 또는 변속장치는 대체로 구동 인터페이스(120)용으로 사용되거나 변경될 수 있다. 예를 들어, 가요성 기구에 적합한 일부 공지의 구동 시스템은 "유연한 수술 장치(Compliant Surgical Device)"라는 제목의 미국 특허 출원 공보 제2010/0331820호에 설명되어 있고, 이는 그 전체가 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다. 작동식 카테터(110) 뿐만 아니라 구동 인터페이스(120)는 카테터(110)에서의 프로브의 제거와 대체를 허용할 것이고, 그 결과 구동 구조체는 이러한 조작 동안 그 경로를 벗어날 것이다.
구동 인터페이스(120) 내의 도킹장치(126)는 구동 인터페이스(120)와 카테터(110) 사이에 기계적 결합을 제공하고 작동식 텐던(230)을 변속장치(124)에 연결할 수 있다. 도킹장치(126)는 센서 시스템(160) 부분들로부터의 센서 신호를 수신하고 전환하고 그리고/또는 중계하는 전자 또는 광학 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 카테터(110) 내에서 전개되는 프로브나 프로브의 유형을 확인하는 전자 또는 기계 시스템을 포함할 수 있다.
제어 논리(140)는 구동 인터페이스(120) 내의 액추에이터를 제어하여, 조향가능한 구역(116)을 작동하고 조향하는데 요구되는 만큼 텐던을 선택적으로 당긴다. 대체로, 제어 논리(140)는 외과의사 또는, 오퍼레이터 인터페이스(150)를 사용하는 다른 의료인과 같은 사용자로부터의 명령에 응답하면서 센서 시스템(160)으로부터의 측정 신호에 응답하여 작동한다. 그러나, 아래에서 더 설명되는 바와 같이 홀딩 모드에서, 제어 논리(140)는 센서 시스템(160)으로부터의 측정 신호에 응답하여 작동해서, 앞서 확인된 작동 형태를 유지하거나 획득한다. 제어 논리(140)는 적합한 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 인터페이스 하드웨어를 가진 범용 컴퓨터를 사용하여 실행되어, 오퍼레이터 인터페이스(150)와 센서 시스템(160)으로부터의 신호를 해독하고 구동 인터페이스(120)에 적합한 제어 신호를 발생시킨다. 제어 논리에 관한 세부사항은 미국 특허 출원 공보 제2011/0282491호("위치 측정을 제공하는 의료 기구에서의 구동력 제어(Drive Force Control in Medical Instrument Providing Position Measurements)"라는 제목으로 개시됨)와 미국 특허 출원 공보 제20120123441호("다중 조인트 의료 기구의 작동에서의 인장력 제어(Tension Control in Actuation of Multijoint Medical Instrument)"라는 제목으로 개시됨)에서 발견할 수 있고, 이들 모두는 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
도시된 실시예에서, 제어 논리(140)는 카테터(110)의 작동을 제어하기 위하여 다른 과정들을 실행하는 다수의 모듈(141, 142, 143, 144)을 포함한다. 특히, 모듈(141, 142, 143, 144)은 위치결정 강화 모드, 배향 강화 모드, 목표 위치결정 모드 및 목표 축 모드를 각각 실행하고, 이들은 아래에서 더 설명된다. 모듈(146)은 어떤 제어 과정이 이용될 것인지를 선택하고, 이 선택은 사용자 입력, 카테터(110) 내에서 전개되는 프로브의 유형이나 상태, 및 실행되고 있는 작업에 기초할 수 있다. 제어 논리(140)는 또한 작업에 바람직한 조향가능한 구역(116)의 작동 형태에 관한 파라미터(148)를 저장하는 기억장치를 포함하고, 각각의 모듈(141, 142, 143, 144)은 다른 제어 과정을 이용하여 원하는 작동 형태를 적극적으로 유지하거나 보유할 수 있다.
오퍼레이터 인터페이스(150)는 디스플레이, 키보드, 마우스, 조이스틱 또는 다른 지시 장치(pointing device)나 유사한 입력/출력 하드웨어(input/output hardware)와 같은 표준 입출력(I/O) 하드웨어를 포함할 수 있는데, 이는 수술 환경에 최적화되거나 수술 환경을 위하여 맞춤제작될 수 있다. 대체로, 오퍼레이터 인터페이스(150)는 사용자에게 정보를 제공하고 사용자로부터 명령을 수신한다. 예를 들어, 오퍼레이터 인터페이스(150)는 시스템(100)의 상태를 지시할 수 있고 시스템(100)에 의해 행하여진 측정값과 이미지를 포함하는 데이터를 사용자에게 제공할 수 있다. 예컨대 조이스틱이나 이와 유사한 제어장치를 사용하여 오퍼레이터 인터페이스(150)를 통해 사용자가 제공할 수 있는 한 가지 유형의 명령은 조향가능한 구역(116)의 원하는 동작이나 위치결정을 지시하고, 이러한 입력을 이용하여 제어 논리(140)는 구동 인터페이스(120) 내의 액추에이터에 적합한 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 사용자로부터의 다른 명령은, 예컨대 제어 논리(140)의 조작 모드를 선택할 수 있다.
센서 시스템(160)은 조향가능한 구역(116)의 자세를 측정하는 것이 일반적이다. 도시된 실시예에서, 센서 시스템(160)은 EM 센서(162)와 형상 센서(164)를 포함한다. EM 센서(162)는 외부에 발생된 전자기장에 영향을 받을 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함한다. EM 센서(162)의 각각의 코일은 외부에 발생된 전자기장에 대한 코일의 배향과 위치에 좌우되는 특징을 가지는 유도 전기 신호를 일으킨다. 예시적인 실시예에서, EM 센서(162)는 피칭운동, 요잉운동, 및 기준점의 롤링운동을 지시하는 3개의 배향각과 3개의 위치 좌표(X, Y, Z)와 같은 6자유도를 측정하도록 구성되고 위치결정된다. 시스템(100) 내의 기준점은 카테터(110)의 원위 부분(114)의 시작점과 근위 부분(112)의 종료점에 있거나 그 근처에 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서의 형상 센서(164)는 광섬유 격자를 포함하는데, 이 광섬유 격자는, 예컨대 조향가능한 구역(116)이나 원위 부분(114)의 형상과 같이 기준점으로부터 뻗어있는 카테터(110)의 일부분의 형상에 대한 판정을 허용한다. 광섬유 격자를 이용하는 이러한 형상 센서는 "광섬유 형상 센서(Fiber Optic Shape Sensor)"라는 제목의 미국 특허 제7,720,322호에 더욱 설명되어 있고, 이는 그 전체가 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다. 도시된 유형의 센서 시스템(160)의 이점은 EM 센서(162)가 외부에 발생된 자기장에 대한 측정값을 제공할 수 있다는 것이고, 이 측정값은 환자의 신체에 대하여 보정될 수 있다. 따라서, 시스템(160)은 EM 센서(162)를 사용하여 형상 센서(164)에 적합한 기준점의 배향과 위치를 확실하게 측정할 수 있고, 형상 센서(164)는 비교적 짧은 간격에 적합한 형상 측정값을 제공하기만 하면 된다. 추가로, 원위 부분(114)은 오직 형상 센서(164)를 포함하고 근위 부분(112)의 직경보다 더 작은 직경을 가질 수 있다. 더 일반적으로, 센서 시스템(160)은 조향가능한 구역(116)의 자세를 측정할 수 있기만 하면 되고, 다른 유형의 센서가 이용될 수도 있다.
도 3A와 3B에는 각각 본 발명의 일 실시예에서의 카테터(110)의 근위 부분(112)과 원위 부분(114)의 단면이 나타나 있다. 도 3A에는 바디부(310)를 가지는 카테터(110)의 일 실시예가 나타나 있는데, 이 바디부는 영상 프로부나 의료 프로브에 적합한 메인 루멘(312), 텐던(230)을 포함하는 루멘(314), EM 센서(162)나 관련 신호 와이어를 포함하는 루멘(316), 및 섬유 형상 센서(164)를 포함하는 루멘(318)을 포함한다. 메인 루멘(312), 텐던 루멘(314) 및 형상 센서 루멘(318)은 도 3B에 나타나 있는 바와 같이 원위 부분(114) 속으로 뻗어있지만, EM 센서(162)용의 루멘(316)은 원위 부분(114)에서는 필요로 하지 않는데, 이는 EM 센서(162)가 근위 부분(112)에만 있기 때문이다. 따라서, 원위 부분(114)은 특히 근위 부분(112)보다 더 작을 수 있는데, 이는 섬유 형상 센서(164)용의 루멘(318)이 당김 와이어용의 2개의 루멘(314)들 사이에 들어맞고 원위 부분(114)의 외경에 부정적인 영향을 미치지 않기 때문이다. 예시적인 실시예에서, 바디부(310)는, 근위 부분(112) 내에서는 약 4mm(예컨대 3mm 내지 6mm)의 외경을 가지고 약 2mm(예컨대 1mm 내지 3mm)의 직경을 가진 메인 루멘(312)을 제공하고, 원위 부분(114)에서는 약 3mm(예컨대 2mm 내지 4mm)의 외경을 가지는 한편 메인 루멘(312)의 직경을 약 2mm로 유지한다. 바디부(310) 내의 가파른 계단부 또는 완만한 테이퍼부(도 1에 나타나 있는 바와 같음)는 더 큰 직경의 근위 부분(112)으로부터 더 작은 직경의 원위 부분(114)으로의 전이에 사용될 수 있다.
상술한 특정 치수는 2mm의 직경을 가지는 프로브를 수용하는 카테터에 적합한데, 이는 폐 생체 검사용 프로브와 같은 현재의 의료 도구에 적합한 표준 크기이다. 그러나 본 발명의 대체 실시예는 더 크거나 더 작은 직경, 예컨데 1mm 직경의 프로브를 가진 의료 프로브를 수용하도록 더 크거나 더 작게 제조될 수 있다. 이러한 실시예의 특정 이점은, 카테터 내에서 사용되는 브로브의 크기와 비교하여 상대적으로 작은 외경을 가진 카테터에 높은 수준의 기능성이 제공된다는 것이다.
도 3A와 도 3B에는 또한 메인 루멘(312) 내의 프로브와 카테터 바디부(310) 사이에서 이용될 수 있는 덮개(360)가 나타나 있다. 카테터(110)의 일 실시예에서, 덮개(360)는 바디부(310)에 대하여 동작가능하고, 조향가능한 구역(116)의 단부를 넘어 뻗어있을 수 있다. 이것은 일부 의료 시술에 유리할 수 있는데, 이는 덮개(360)가 원위 부분(114)보다 더욱 작아서 더 작은 자연 내강이나 통로 속에 들어맞을 수 있기 때문이다. 예를 들어, 카테터(110)가 조향가능한 구역(116)을 수용하기에 너무 작은 루멘의 분지형상부에 도달한다면, 조향가능한 구역(116)은 원하는 분지의 방향으로 가리키는 상태일 수 있고, 그 결과 덮개(360)는 조향가능한 구역(116)의 단부를 넘어서 이 분지 속으로 밀려 들어갈 수 있다. 따라서, 덮개(360)는 의료 프로브를 원하는 분지 속으로 확실하게 안내할 수 있다. 그러나, 덮개(360)는 즉시 작동되거나 조향가능하지 않다는 점에서 수동적이다. 이에 반하여, 원위 부분(114)은 조향가능한 구역(116)에 연결되는 작동식 텐던(230)을 수용하여, 조향가능한 구역(116)을 자세결정하거나 조향하도록 조종될 수 있다. 일부 의료용 응용분야에서, 조향가능한 구역(116)의 적극적인 제어는 의료 시술 동안 바람직하거나 필수적이고, 수동형 덮개(360)는 본 발명의 일부 실시예에서 사용되지 않을 수도 있다.
메인 루멘(312)은 여러 가지의 의료 프로브를 수용할 정도의 크기를 가진다. 하나의 특정 프로브는 도 4에 도시된 바와 같은 영상 프로브(400)이다. 영상 프로브(400)는 그 외경(예컨대 약 2mm)이 카테터(110)의 메인 루멘 내부에 들어맞고 그 다수의 내부 루멘이 영상 프로브(400)의 구조체를 포함하는 가요성 바디부(410)를 가진다. 바디부(410)는 Pebax, 또는 단면적은 최소로 하고 성능은 최대로 하기 위하여 다수의 루멘과 얇은 벽의 생성을 허용하는 다른 폴리머와 같은 돌출된 가요성 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 다수의 루멘 돌출부는 또한 구성요소의 위치를 간결하게 조직한다. 바디부(410)의 길이는 근위 돌출부에 "맞댐 용접처리된(butt-welded)" 원위 돌출부와 같은 2개의 다수의 루멘 돌출부들의 조합을 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 근위 또는 원위 돌출부가 클로버 잎이나 타원형의 외형과 같은 원하는 형상을 가져서 카테터(110) 내에서 상보적인 고정 부재와 짝을 이루도록 행하여 질 수 있다. 이들 짝을 이루는 형상부나 고정 구조체는 프로브가 카테터 내부에서 회전하는 것을 방지하고 카테터(110)에 대한 카메라(320)의 공지된 배향을 보장할 수 있다.
도시된 실시예에서, 영상 프로브(400)의 구조체는 CMOS 카메라(420)를 포함하는데, 이 CMOS 카메라(420)는 프로브의 원위 단부에 있고, 예컨대 도 1에 나타나 있는 바와 같이 영상 신호를 제어 논리(140)나 오퍼레이터 인터페이스(150)에 제공하기 위해서 영상 프로브(400)의 길이를 따라 뻗어있는 하나 이상의 신호 와이어(미도시)를 통하여 연결되어 있다. 이와 달리, 섬유 다발 촬상 시스템이 이용될 수 있지만, CMOS 카메라는 통상적으로 섬유 다발 촬상 시스템으로 달성할 수 있는 것보다 양질의 이미지를 제공할 수 있다. 영상 프로브(400)는 또한 카메라(420)를 둘러싸고 신체 내강 내부를 촬상하기 위하여 빛을 제공하는 조명 섬유(430)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 조명 섬유(430)는 유리 섬유보다 더 가요성인 경향이 있는 플라스틱과 같은 가요성 재료로 제조된다. 기다란 유체 포트(440)는, 예컨대 카메라(420)의 렌즈를 헹구는데 유용할 수 있는 흡인과 세척을 위하여 바디부(410)에 제공된다. 유체 포트(440)는 또한 영상 프로브(400)가 카테터(110)로부터 제거되고 생체 검사용 프로브로 대체되기 전에, 예컨대 마비시키는 약물을 전달하는데 사용될 수 있다. 영상 프로브(400)의 도시된 실시예가 다수의 유체 포트(440)를 포함하지만, 단일의 유체 포트는 흡인과 세척 모두를 목적으로 사용될 수 있고, 영상 프로브(400)는 이와 달리 공간 절약을 위해서 단일의 유체 포트만을 가질 수 있다. 영상 프로브(400)는 영상 프로브(400)의 첨단부에 관한 추가적인 자세 정보를 제공하기 위해서 CMOS 카메라(420) 가까이에 매립된 전자기 센서(미도시)를 추가적으로 포함할 수 있다.
영상 프로브(400)는 카테터(110)에 삽입되거나 카테터(110)로부터 제거되도록 구성될 수 있는 한편, 카테터(110)는 의료 시술에서 사용된다. 따라서, 영상 프로브(400)는 카테터(110)에 대하여 대체로 자유롭게 이동한다. 카테터(110)에 대한 동작은 영상 프로브(400)의 삽입이나 제거 동안 필수적이거나 바람직하지만, 영상 프로브(400)(및 일부 의료 프로브)의 배향은 더욱 용이하거나 최적의 사용을 위하여 알려질 필요가 있다. 예를 들어, 카테터(110)를 조향하는 조이스틱과 유사한 제어장치를 작동하고 영상 프로브(400)로부터 영상을 관찰하는 사용자는 일반적으로, 제어장치의 동작 방향이 조향가능한 구역(116)의 응답과 영상 프로브(400)로부터의 이미지에서 일어난 변화에 상응하는 것을 기대한다. 오퍼레이터 인터페이스(150)는 사용자 인터페이스에서 사용되는 방향에 일관성을 제공하기 위하여 텐던(230)에 대한 영상 프로브(400)의 배향에 관한 정보를 필요로 한다(또는 적어도 이를 이용할 수 있다). 본 발명의 일 양태에 따르면, 고정(keying) 시스템(미도시)은 영상 프로브(400)를 카테터(110)와 텐던(230)에 대한 공지의 배향으로 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 고정 시스템은 프로브(400)의 근위 부분이나 원위 부분의 형상을 통하여 실행될 수 있고, 또는 스프링, 고정된 돌출부, 즉 조향가능한 구역(116)이나 영상 프로브(400) 상의 랫치 및 조향가능한 구역(116)이나 영상 프로브(400)에서의 상보적인 노치나 특징부를 포함할 수 있다.
영상 프로브(400)는, 카테터(110) 내에서 전개되거나 카테터(110)를 통하여 수술 부위로 안내될 수 있는 프로브 시스템의 일 예시일 뿐이다. 사용될 수 있는 다른 프로브 시스템은 생체 검사용 겸자, 생체 검사용 바늘, 생체 검사용 브러시, 절제용 레이저 및 방사상 초음파 프로브를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 대체로, 카테터(110)는 올림푸스 유로파 홀딩 게엠베하(Olympus Europa Holding Gmbh)와 같은 의료 회사에서 시판하고 있는 현재의 수동식 의료 프로브와 함께 사용될 수 있다.
도 1의 카테터 시스템(100)은 영상 프로브와 의료 프로브를 맞교환하는 과정에서 사용될 수 있다. 도 5는 도 1의 카테터 시스템(100)을 이용하는 과정(500)의 일 실시예에 관한 흐름도이다. 이 과정(500)에서, 영상 프로브(400)는 단계(510)에서 카테터(110) 내에서 전개되고, 카테터(110)는 환자의 자연 내강을 포함하는 경로를 따라 삽입된다. 예를 들어, 폐 생체 검사를 위하여, 카테터(110)의 조향가능한 구역(116)은 환자의 입을 통하여 환자의 호흡 통로로 삽입될 수 있다. 영상 프로브(400)는 카테터(110) 내에 완전히 전개될 때 고정 구조체 속에 들어맞을 수 있는데, 이 고정 구조체는 영상 프로브(400)를 원하는 배향으로 유지시키거나 심지어 조향가능한 구역(116)을 넘어 뻗어있게 하여 카테터(110)의 조향가능한 구역(116)에서의 양호한 전방 시야를 제공한다. 위에서 언급한 바와 같이, 카테터(110)의 조향가능한 구역(116)은 조향가능하고, 영상 프로브(320)는 호흡 통로의 영상을 제공할 수 있어서, 카테터(110)를 목표 수술 부위를 향하여 항행시킬 때 사용자를 보조한다. 그러나, 항행 동안의 영상 프로브(400)의 사용은 반드시 필수적인 것은 아닌데, 이는 영상 프로브(100)가 카테터(110) 내에서 전개되거나 사용되는 상태 또는 그렇지 않은 상태로 카테터(110)의 항행이 센서 시스템(160)이나 일부 다른 시스템의 측정에 사용될 가능성이 있을 수 있기 때문이다. 수술 부위 쪽으로 뒤따르는 경로는 호흡 통로인 기도와 같은 자연 내강 내부에 완전히 위치되거나 하나 이상의 지점에서 조직을 관통하여 통과할 수 있다.
조향가능한 구역(116)이 목표 수술 부위에 도달할 때, 영상 프로브(400)는 단계(530)에서와 같이 수술 부위를 관찰하고 단계(540)에서와 같이 목표 수술 부위에서의 작업의 실행을 위하여 조향가능한 구역(116)을 자세결정하는데 사용될 수 있다. 조향가능한 구역(116)의 자세결정은 영상 프로브(400)으로부터의 이미지나 시각 정보와, 센서 시스템(160)으로부터의 측정값을 사용해서, 수술 부위를 특정하고 원하는 작동 형태를 판정한다. 원하는 작동 형태는 또한 사용될 도구의 유형이나 다음번 의료 작업에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 카테터(110)의 원하는 작동 형태에 도달하는 것은, 카테터(110) 내의 영상 프로브(400)를 대체하는 의료 도구로 치료하나 샘플화하거나 제거하기 위해서, 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부를 조직과 접촉하게 할 수 있다. 다른 유형의 작동 형태는 조향가능한 구역(116)을, 절제용 레이저를 사용하여 제거되는 목표 조직 쪽으로 지시할 수 있다. 예를 들어, 영상 프로브(400)가 여전히 카테터(110) 내에 정위치하고 있는 동안, 조직은 하나 이상의 2D 카메라로 관찰하여 목표가 될 수 있고, 또는 목표 조직은 환자 검진과 관련 있는 위치 감지와 함께 예비 작동식 3D 촬상 데이터를 사용하여 수술 부위의 실제 관찰 지점 상에 위치될 수 있다. 또 다른 유형의 작동 형태는 조직 속으로의 바늘이나 다른 의료 도구의 삽입을 위한 라인을 정의할 수 있고, 이 작동 형태는 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부가 목표 라인을 따라 위치해 있는 자세를 포함한다. 대체로, 바람직한 작동 형태는 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부의 배향이나 위치에 제한사항을 정의하고, 카테터(110)의 더욱 근위 부분의 형상은 이와 유사하게 제한되지 않고 환자를 수용하는데 필수적으로 변경될 수 있다.
단계(550)는 원하는 작동 형태를 확인하는 제어 논리 파라미터에 관한 기억장치에 저장한다. 예를 들어, 목표 조직이나 원위 첨단부의 위치는 3개의 좌표를 사용하여 정의될 수 있다. 필요한 목표 라인은 라인 상의 지점에 관한 좌표와, 그 지점으로부터의 라인의 방향을 지시하는 각도를 사용하여 정의될 수 있다. 대체로, 제어 논리(120)는 저장된 파라미터를 사용하는데, 이 파라미터는 아래에서 더 설명되는 바와 같이 카테터(110)의 조향가능한 구역(116)을 원하는 작동 형태로 유지하는 홀딩 모드로 작동될 때 원하는 작동 형태를 정의한다.
단계(560)는 원하는 작동 형태가 설정되고 기록된 후에 카테터 시스템의 홀딩 모드를 선택하고 활성화한다. 도 1의 카테터(110)를 위한 제어 논리(140)는 다수의 강화 모드를 실행하는 하나 이상의 모듈(141, 142, 143, 144)을 가질 수 있는데, 이 모듈은 조향가능한 구역(116)의 원하는 형태가 고정된 제한사항을 가질 때 홀딩 모드로서 사용될 수 있다. 가용 제어 모드는 하나 이상의 다음에 오는 것을 포함할 수 있다.
1)위치결정 강화 모드는 센서 시스템(160)에 의해 측정되는 바와 같은 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부의 위치를 원하는 첨단부 위치와 비교하고, 액추에이터를 제어하여 원하는 첨단부 위치와 측정된 첨단부 위치의 차이를 최소화한다. 위치결정 강화 모드는 특히 일반적인 조종 작업에 적합할 수 있고, 이 모드에서 사용자는 원위 첨단부가 조직에 접족하는 장소의 위치와 첨단부의 위치를 정밀하게 제어하도록 노력한다.
2)배향 강화 모드는 원위 첨단부의 지시 방향이나 측정된 배향을 원위 첨단부의 원하는 지시 방향과 비교하고, 액추에이터를 제어하여 원하는 첨단부 지시 방향과 실제 첨단부 지시 방향의 차이를 최소화한다. 배향 강화 모드는, 예컨대 제어가능한 구역(116)에 부착된 영상 프로브(400)와 같은 촬상 장치를 제어할 때 적합할 수 있고, 이 경우 관찰 방향은 원하는 바와 같이 유지되지만 제어가능한 구역(116)의 정확한 위치결정은 덜 중요할 수 있다.
3)목표 위치결정 강화 모드는 지시 방향과 측정된 첨단부 위치의 조합을 이용하여, 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부를 조향가능한 구역(116) 앞에 있는 특정 목표 지점의 약간의 간격 쪽으로 항상 지시하도록 카테터(110)를 제어한다. 외부가 불안정한 경우에, 제어 논리(140)는 액추에이터를 제어하여 이 목표 위치결정 강화 동작을 실행할 수 있고, 이는, 예컨대 카테터를 통하여 삽입된 의료 프로브가, 언제나 조직 내의 목표 절제 지점을 조준해야하는 절제용 레이저를 포함할 때 적합할 수 있다.
4)축방향 운동 목표 강화 모드는 측정된 첨단부 위치와 지시 방향의 조합을 이용하여, 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부가 항상 공간의 라인 상에 있는 것과 그 라인을 따르는 지시 방향을 가지는 것을 보장한다. 이 모드는, 예컨대 생체 검사용 바늘을 특정 라인을 따라 조직 속으로 삽입할 때 유용할 수 있다. 조직 반응력은 바늘을 삽입하는 동안 카테터(110)의 가요성 부분이 구부려지게 할 수 있지만, 이 제어 전략은 바늘이 항상 오른쪽 라인을 따라 있는 것을 보장할 것이다.
단계(560)에서의 모드의 선택은, 실행되고 있는 활성 카테터(110)에 기초하거나 카테터(110) 내에서 사용되고 있는 유형의 프로브(예컨대 파지장치, 카메라, 레이저 또는 바늘)에 기초하여 사용자에 의한 수동 선택을 통하여 행하여 질 수 있다. 예를 들어, 레이저가 카테터(110) 내에서 전개되는 경우, 제어 논리(120)는, 카테터(110) 내에서 전개되는 레이저가 오프 상태에 있을 때에는 위치결정 강화 모드로 작동될 수 있고, 레이저가 온 상태에 있을 때에는 목표 위치결정 강화 모드로 작동되어 레이저를 원하는 목표 상에 집중시킬 수 있다. "홀딩상태(holding)"가 활성화될 때, 제어 논리(140)는 작동 형태에 관한 저장된 파라미터(오퍼레이터 인터페이스(150)로부터의 즉각적인 입력을 대신함)를 이용하여 구동 인터페이스(120)에 적합한 제어 신호를 발생시킨다.
영상 프로브는 단계(570)에서 카테터로부터 제거되고, 이는 의료 프로브나 의료 도구를 카테터(110)를 통하여 삽입하는 단계(580)를 위하여 카테터(110)의 메인 루멘을 정리한다. 도 5에 나타나 있는 종류의 특정 단계에서, 영상 시스템이 제거되고(단계(570)) 의료 프로브가 삽입되는(단계(580)) 동안, 제어 논리(140)는 홀딩 모드로 작동되고 조향가능한 구역(116)을 원하는 작동 형태로 유지한다. 따라서, 의료 프로브가 조향가능한 구역(116)의 단부에 도달하는 것과 같이 완전히 전개될 때, 의료 프로브는 원하는 작동 형태일 것이고 단계(590)에서와 같은 의료 작업의 실행은 제거된 영상 프로브를 추가로 필요로 하거나 사용하지 않고 실행될 수 있다. 일단 의료 작업이 완료되면, 카테터는 홀딩 모드로부터 벗어나거나 이와 다른 방법으로 이완될 수 있고, 그 결과 의료 프로브는 제거될 수 있다. 카테터는 의료 시술이 완료되면 환자로부터 제거될 수 있고, 또는 영상 프로브나 다른 프로브는 추가 의료 작업이 요구된다면 카테터를 통하여 삽입될 수 있다.
과정(500)과 같은 종류의 단계의 대안으로, 카테터(110)는 의료 프로브가 삽입되는 동안 홀딩 모드에 있지 않을 수 있지만, 의료 프로브가 완전히 전개된 후에 홀딩 모드로 전환될 수 있다. 예를 들어, 카테터(110)는 영상 프로브(400)의 용이한 제거(단계(570)) 및 의료 프로브의 삽입(단계(580))을 위하여 이완되거나 펼쳐질 수 있다. 의료 프로브의 삽입 후와 같이 홀딩 모드가 일단 개시되면, 조향가능한 구역(116)이 원하는 작동 형태로 자세결정된 이후에 이동하는 경우에, 제어 논리(140)는 구동 인터페이스(130)를 제어하여 제어가능한 구역(116)을 원하는 작동 형태로 되돌릴 것이다. 이후, 의료 작업이 단계(590)로 실행되는 동안, 제어 논리(140)는 조향가능한 구역(116)의 자세를 모니터하고 조향가능한 구역(116)을 원하는 작동 형태로 적극적으로 유지한다.
도 6에는 도 1에서의 제어 논리(140)로 실행될 수 있는 홀딩 모드의 과정(600)에 관한 흐름도가 나타나 있다. 과정(600)은 센서 시스템(160)으로부터의 측정 신호를 수신한 상태에서 단계(610)로 시작한다. 필요로 하는 특정 측정값은 실행되는 홀딩 모드의 유형에 좌우되지만, 예를 들자면 측정값은 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부의 직교 좌표(X, Y, Z)와 같은 위치 좌표와, 좌표 축(X, Y, Z)에 대한 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부의 중심 축의 각도(θX, θY, θZ)와 같은 배향각을 지시할 수 있다. 조향가능한 구역(116)의 자세를 나타내는 방법과 다른 좌표 시스템이 이용될 수 있고, 모든 좌표와 방향각의 측정값은 필수적이지 않을 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예에서, 센서 시스템(160)은 조향가능한 구역(116)의 원위 첨단부에 관한 6자유도를 측정하는 것이 가능하고, 이들 측정값을 단계(610) 내의 제어 논리(140)에 제공하는 것이 가능하다.
단계(620) 내의 제어 논리(140)는 조향가능한 구역(116)의 원하는 자세를 판정한다. 예를 들어, 제어 논리(140)는 조향가능한 구역(116)의 단부에 관한 X', Y', Z'와 같은 원하는 위치 좌표와, 좌표 축(X, Y, Z)에 대한 조향가능한 구역(116)의 중심 축에 관한 각도(θ'X, θ'Y, θ'Z)와 같은 원하는 배향각을 판정할 수 있다. 상술된 홀딩 모드는 일반적으로 6개보다 적은 제한사항을 원하는 좌표 상에 제공한다. 예를 들어, 위치결정 강화 모드는 조향가능한 구역(116)의 단부에 관한 위치와 자유도는 제한하지만 배향각은 제한하지 않도록 작동한다. 이에 반하여, 배향 강화 모드는 하나 이상의 배향각을 제한하지만 조향가능한 구역(116)의 단부에 관한 위치결정은 제한하지 않는다. 목표 위치결정 강화 모드는 4자유도를 제한하고, 축방향 강화 모드는 5자유도를 제한한다. 제어 논리(610)는 원하는 작동 형태를 제공하는, X', Y', Z'와 같은 파라미터와 각도(θ'X, θ'Y, θ'Z)의 세트 중 하나를 선택하기 위해서 추가 제한사항을 부과할 수 있다. 이러한 추가 제한사항은 기계적인 제한사항과 실용적인 제한사항을 포함하지만 이에 제한되지는 않는데, 기계적인 제한사항은 대체로 카테터(110)의 성능과 조향가능한 구역(116)의 성능이 필요로 하는 것이고, 실용적인 제한사항에는, 예컨대 조향가능한 구역(116)의 이동을 최소화하는 것, 또는 카테터(110) 내에 스트레스가 제어되어 있는 상태에서의 매끄럽고 비진동성이며 예측가능한 동작과 같은 원하는 작동 특성을 제공하는 것이 있다. 단계(620)는 측정된 자세로부터 제한사항을 만족하는 자세로의 최소 동작을 발견함으로써 한 세트의 자세결정 조향가능한 구역(116)을 유지시키는 단계만을 포함할 수 있는데, 최소 동작을 발견하는 것에는, 예컨대 축방향 운동 강화를 위하여 측정 위치에 가장 가까운 목표 라인 상에서 일정한 지점을 발견하거나 현재의 자세에 가까운 등록된 수술 전 데이터로부터 몇몇 적합한 자세를 발견하는 것이 있다.
단계(630) 내의 제어 논리(140)가 원하는 자세 및/또는 측정된 자세를 이용하여, 구동 인터페이스(120)가 조향가능한 구역(116)을 원하는 자세로 이동시키는 수정된 제어 신호를 판정한다. 예를 들어, 카테터(110)와 구동 인터페이스(120)의 역학관계는 원하는 좌표(X', Y', Z')와 각도(θ'X, θ'Y, θ'Z)로부터, 원하는 자세를 제공하는 액추에이터 제어 신호로의 맵핑의 개발을 허용할 수 있다. 다른 실시예는 측정된 자세와 원하는 자세 사이의 차이점을 이용하여 수정된 제어 신호를 판정할 수 있다. 대체로, 제어 신호는 텐던을 통하여 조향가능한 구역(116)에 연결된 액추에이터를 제어하는데 뿐만 아니라 전체로서 카테터(110)의 롤링운동이나 삽입을 (어느 정도)제어하는데 사용될 수 있다.
분지 단계(650)는 제어 시스템(140)이 구동 인터페이스(120)에 적합한 새로운 제어 신호를 보낸 후에 과정(600)을 측정 단계(610)로 되돌림으로써 피드백 루프를 완료한다. 따라서 원위 첨단부의 자세는 제어 시스템(120)이 홀딩 모드로 존속하는 한 고정된 제한사항에 따라 적극적으로 모니터되고 제어된다. 그러나, 조향가능한 구역(116)의 일부 자유도가 적극적인 제어를 필요로 하지 않을 수 있다는 것도 알 수 있다. 예를 들어, 배향 강화 모드에서, 피드백 제어는 조향가능한 구역(116)의 피칭운동과 요잉운동을 적극적으로 유지할 수 있지만, 카테터(110)의 기계적인 비틀림 강도는 고정된 롤링 각도의 유지에 좌우된다. 그러나, 카테터(110)는 대체로 예측가능하지 않은 외력, 또는 다른 방법으로 카테터(110)를 수술 부위에 대하여 이동시킬 수 있는 환자의 동작에 영향을 받을 수 있고, 과정(600)에서와 같은 적극적인 제어는 원하는 작동 형태를 유지하거나 지속할 필요가 있다.
상술한 바와 같은 카테터(100)의 센서 시스템(160)은 EM 센서(162)와 섬유 형상 센서(164) 모두를 이용할 수 있다. EM 센서나 추적장치(tracker)는 소형 포장 크기(예컨대, 약 1×10mm)로 세계적인 높은 수준의 정확도를 겸비하는 최첨단의 위치 센서와 배향 센서이다. EM 센서는 어센션 테크놀로지 코오퍼레이션(Ascension Technology Corportation)과 노던 디지털 인코퍼레이티드(Northern Digital Inc.)와 같은 회사에서 시판하고 있다. 상술한 실시예에서 사용될 수 있는 형상 감지 기술은 광섬유 내부의 반사와 간섭을 이용하여 광섬유의 길이를 따라 형상을 측정한다. 이 형상 감지 기술은 광섬유를 따르는 2개의 지점 사이에 6자유도의 상대적인 측정을 제공하는데 유용할 뿐만 아니라, 제어가능한 조인트의 굽힘 각도를 측정하거나 완전한 3차원 형상 정보를 제공하는데 유용하다. 이러한 유형의 전형적인 섬유 형상 센서는 약 0.2mm의 직경을 가질 수 있고, 이는 전형적인 EM 센서보다 상당히 작은 것이다.
도 7에는 EM 센서에서 사용될 수 있는 3가지 다른 유형의 감지 코일(710, 720, 730)이 도시되어 있다. 조작 중, 코일(710)과 같은 카테터나 다른 장치 내의 감지 코일은 외부 EM 발생장치가 일으키는 양호하게 제어된 자기장에 놓여 있다. EM 발생장치는 통상적으로 폭이 20cm 내지 60cm이고 두께가 수cm인 사각이나 원통형 상자의 형상을 가지고, 환자에 대하여 고정된 위치를 가질 수 있다. 발생장치에 의해 생기는 자기장은 적절한 시기에 변하고 감지 코일(710) 내부에 전압과 전류를 유도한다. "카테터의 배향과 위치를 판정하는 시스템(System for Determining the Position and Orientation of a Catheter)"이라는 제목의 미국 특허 제7,197,354호; "의료용 응용분야에 적합한 신체 내부 항행 시스템(Intrabody Navigation System for Medical Applications)"이라는 제목의 미국 특허 제6,833,814호; 및 "무선형 6자유도 위치표시장치(Wireless Six-Degree-of-Freedom Locator)"라는 제목의 미국 특허 제6,188,355호는 의료 환경에 적합한 일부 EM 센서 시스템의 조작을 설명하고 본 명세서에서 전체로 참조사항으로 통합되어 있다. "이미지 안내 시술을 실시하는데 유용한 방법, 장치 및 시스템(Methods, Apparatuses, and System useful in Conducting Image Guided Interventions)"이라는 제목의 미국 특허 제7,398,116호, "자동 이미지 안내 정확도 확인을 위한 장치 및 방법(Apparatus and Method for Automatic Image Guided Accuracy Verification)"이라는 제목의 미국 특허 제7,920,909호, "이미지 안내 시술을 실시하는데 유용한 방법, 장치 및 시스템(Methods, Apparatuses, and Systems Useful in Conducting Image Guided Interventions)"이라는 제목의 미국 특허 제7,853,307호; 및 "이미지 안내 정확도 확인을 위한 장치 및 방법(Apparatus and Method for Image Guided Accuracy Verification)"이라는 제목의 미국 특허 제7,962,193호는 의료 시술을 안내하는데 전자기 감지 코일을 사용할 수 있는 방법과 시스템을 더 설명하고, 또한 전체로 참조사항으로 통합되어 있다. 대체로, 감지 코일 내부의 유도 전압은 자속을 미분한 시간에 좌우되고, 이는 차례로 자기장의 강도와, 코일 내부에서의 루프의 면적에 대한 법선에 대한 자기장의 방향에 좌우된다. 자기장 발생장치는 자기장의 크기와 방향을 체계적인 방법으로 변경시킬 수 있는데, 이 방법은 유도 전기 신호로부터 코일(710)의 자세를 적어도 부분적으로 판정하는 것을 가능하게 한다. 5자유도까지는 단일의 감지 코일(710)을 포함하는 센서(162)를 사용하여 판정될 수 있다. 그러나, 감지 코일(710)은 원통형으로 대칭이고, 그 결과 롤링 각도, 즉 코일(710)의 유도 면적에 대한 법선(712) 주위의 배향을 지시하는 각도는 판정될 수 없다. 위치와 지시 방향만이 단일의 코일(710)을 사용하여 판정될 수 있다. 그렇더라도, 단일의 감지 코일(710)을 포함하는 5자유도 센서는 여러 가지 의료용 시스템에서 사용된다. 특히, 전형적인 감지 코일의 기계적인 형상(기다랗고 가느다란)은 최소 침습 의료 도구의 기계적 형상과 잘 들어맞고, 이 도구가 회전방향으로 대칭이라면(예컨대, 바늘이나 레이저 섬유인 경우) 롤링 각도는 관련성이 없다.
카테터(110)와 같은 로봇 제어 카테터는 롤링 각도의 측정값을 포함하는 6자유도 측정값을 필요로 할 수 있어서, 작동식 텐던의 위치결정은 알려져 있다. 롤링 각도의 측정값에 관심이 있다면, 2개의 5자유도 EM 센서는 6자유도 EM 센서를 생성하기 위해서 결합될 수 있다. 6자유도 EM 센서의 일 특정 형태는, 예컨대 서로 수직인 비스듬한 법선 벡터를 가지는 2개의 코일의 유도 면적을 가진 감지 코일(710)과 같은 2개의 코일을 사용한다. 더 일반적으로, 2개의 코일은 유도 면적에 대한 법선 벡터가 동일한 축을 따르지 않도록 정렬될 필요가 있고, 법선 벡터 사이의 더 큰 각도는 일반적으로 더 양호한 측정 정확도를 제공한다. 코일(720, 730)에는, 코일(720, 730)을 포함하는 실린더의 축에 대해 0이 아닌 각도로 있는 법선(722, 732)과 함께 와이어 루프를 가지고 있는 상태가 도시되어 있다. 따라서 코일(720, 730)은, 예컨대 카테터의 길이나 다른 의료 도구를 따르는 동일한 방향을 따라 배향될 수 있고, 6자유도를 측정하는데 사용될 수도 있다.
도 8A에는 6자유도 EM 센서(820)를 포함하는 근위 부분(812)과, 섬유 형상센서(822)를 포함하는 원위 부분(814)을 가지는 카테터 시스템(810)의 형태가 나타나 있다. EM 센서(820)는 근위 부분(812)의 원위 단부나 그 근처에서 말단을 이룬다. 따라서, 원위 부분(814)은 근위 부분(812)의 직경(예컨대 약 4mm정도)보다 작은 직경(예컨대, 약 2mm 정도의 프로브 직경을 수용하는 약 3mm 정도)을 가질 수 있는데, 이는 EM 센서(820)가 원위 부분(814) 속으로 뻗어있지 않기 때문이다. 원위 부분(814)의 원위 첨단부의 자세는, 형상 센서(822)를 따라 특정 지점의 지구상 위치와 배향을 측정하거나 판정하는 EM 센서(820), 및 측정 지점으로부터 뻗어있는 원위 부분(814)의 형상을 판정하는 형상 센서(822)를 사용하여 판정될 수 있다. 형상 센서(822)의 정확도는 비교적 높을 수 있는데, 이는 형상 센서(822)가 카테터(810)의 전체 길이보다는 비교적 짧은 카테터(810)의 부분(814)의 형상을 측정하기만 하면 되기 때문이다. 예를 들어, 어떤 경우에는, 부분(814)의 원위 첨단부의 위치 측정의 정확도는 EM 센서(820)의 위치 및 배향 정확도(통상적으로 각각 약 1mm와 0.01라디안)와 형상 센서의 위치 정확도(부분(814)의 길이 중15%)의 함수이다. 6자유도 EM 센서(820)가 원위 첨단부로부터 약 115mm 떨어져 있다면, 전형적인 첨단부 위치 정확도는 약 2.5mm 정도일 것이다.
도 8B에는 카테터(830)가 나타나 있는데, 이 카테터는 근위 부분(832) 내의 2개의 5자유도 EM 센서(840, 841)를 사용하여, 카테터(830)의 원위 부분(834) 속으로 뻗어있는 형상 센서(842)를 따라 기준점의 6자유도를 측정한다. EM 센서(840, 841)의 코일은 근위 부분(832)의 동일한 단면 내부에 있어서, 서로에 대하여 단단히 고정되어 있다. EM 센서(840, 841)는 또한 다른 배향 상태의 와이어 루프를 가지는 코일(720, 730)과 같은 감지 코일을 포함하여, 형상 센서(842)를 따라 특정 지점의 다른 자유도를 측정할 수 있다. 따라서 롤링 각도는 기준계(reference frame)를 정의하기 위해서 센서(840, 841)의 측정된 지시 방향을 이용하여 판정될 수 있다. 5자유도 센서(840, 841)를 사용하면 근위 부분(832)의 직경을 축소하게 할 것이다. 특히, 시판되고 있는 6자유도 EM 센서는 유사한 5자유도 EM 센서의 직경보다 큰 직경을 가지는 것이 일반적이다. 현재의 발명의 일 양태에 따르면, 카테터의 직경은 5자유도 EM 센서의 사용을 통하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 도 9에는 카테터(830)의 원위 부분(832)이 2개의 5자유도 EM 센서(840, 841)와 메인 루멘(910)을, 카테터(810)의 원위 부분(812)의 면적보다 작은 원형의 단면적 내부에 어떻게 수용할 수 있는지가 도시되어 있다. 특히, 원위 부분(812)은 5자유도 센서(840, 841)보다 더 큰 직경을 가지는 6자유도 센서와 메인 루멘을 수용해야만 하기 때문에 더 크다.
도 8C에는 센서 시스템을 이용하는 본 발명의 일 실시예가 나타나 있는데, 이 센서 시스템은 근위 부분(852)의 길이를 따라 분리되어 있는 2개의 5자유도 EM 센서(860, 861)를 사용하여 카테터(850)의 근위 부분(852)을 더욱 작게 할 수 있다. 따라서, 단 하나의 5자유도 EM 센서(860 또는 861)는 근위 부분(852)의 단면 내부에 수용될 필요가 있다. 그러나, 원위 부분(852)이 가요성이어서 사용시 구부려질 수 있기 때문에, EM 센서(860, 861)는 서로에 대하여 단단히 고정되지 않고, 형상 센서(862)는 EM 센서들(860, 861) 사이에서의 근위 부분(852)의 일부 형상과, EM 센서(860, 861)의 상대적인 배향을 측정하는데 사용된다. EM 센서들(860, 861) 사이의 형상 측정은 센서(861)에 대한 센서(860)의 배향과 위치를 지시하고, 상대적인 형태는 2개의 5자유도 측정값으로부터 6자유도 측정값의 판정을 위하여 필요하다. 형상 센서(862)는 또한 원위 부분(854)의 형상을 측정하는데, 이 형상은 EM 센서(860, 861)를 사용하여 판정된 배향 측정값과 지구상 위치에 대한 원위 첨단부의 배향과 위치를 지시한다.
도 8D에는 카테터(870)의 길이를 따라 분리되어 있는 2개의 5자유도 EM 센서(880, 881)를 사용하는 또 다른 카테터(870)가 나타나 있다. 도 8D의 카테터(870)에서의 감지 시스템은, 일방의 EM 센서(880)가 카테터(870)의 근위 부분(872) 내에 위치되고 다른 일방의 EM 센서(881)가 카테터(870)의 원위 부분(874) 내에 위치된다는 점에서, 도 8A, 8B 및 8C의 감지 시스템과 다르다. 따라서, 원위 부분(874)은 센서(881)를 포함하도록 충분히 커야 하지만, 원위 첨단부에서 6자유도 EM 센서를 가지는 카테터와 비교하여 카테터(870)의 직경을 축소하게 할 수도 있다.
도 8B, 8C 및 8D의 실시예에서의 2개의 5자유도 EM 센서의 사용은 6자유도 측정을 위하여 반드시 요구되는 것보다 더 많은 정보를 제공한다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 도 8B, 8C 및 8D의 카테터(830, 850, 870) 중 2개의 5자유도 EM 센서 중 하나는 5자유도를 측정하지 않는 다른 유형의 센서와 대체될 수 있다. 예를 들어, 가속도계는 2개의 EM 센서 중 하나를 대신하여 이용될 수 있고, 중력 방향, 즉 아래쪽의 측정을 제공한다. 만약 5자유도 센서의 대칭 축이 수직이 아니라면, 수직 방향에 대한 배향의 측정값과 5자유도 센서의 측정값의 조합은 6자유도의 측정값을 지시하기에 충분하다.
상술된 일부 실시예나 구성요소는 영구 매체(non-transient media)와 같은 컴퓨터 판독가능 매체로 실행될 수 있는데, 여기에는 광 디스크나 자기 디스크, 메모리 카드, 또는 컴퓨터 장치가 본 명세서에 설명된 특정 과정을 수행하도록 실행할 수 있는 명령을 포함하는 다른 고체 상태 저장장치와 같은 것이 있다. 이러한 매체는 서버, 또는 실행가능한 명령과 데이터의 내려받기를 제공하는 인터넷과 같은 네트워크에 연결된 다른 장치에 추가로 존재하거나 포함될 수 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되어 있지만, 이 설명은 본 발명의 응용분야 중 단지 일 예시일 뿐이고 한정하는 것으로 여겨져서는 안된다. 개시된 실시예에서의 특징부의 조합과 여러 가지 변경은 다음에 오는 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (24)

  1. 메인 루멘과 기계 시스템을 가지는 카테터;
    상기 카테터와 관련된 측정 신호들을 발생시키도록 상기 카테터에 연결되어 있는 센서 시스템; 및
    상기 측정 신호들을 수신하도록 상기 센서 시스템에 연결되어 있고, 상기 카테터를 제어하도록 상기 기계 시스템에 연결되어 있는 제어 시스템;
    을 구비하는 의료용 시스템으로서,
    상기 기계 시스템은 상기 카테터의 조향가능한 원위 첨단부의 배향과 위치를 포함하는 상기 카테터의 조향가능한 원위 첨단부의 자세를 제어하도록 연결되어 있고,
    상기 제어 시스템은 이미지들을 획득하고 획득된 이미지들을 오퍼레이터 인터페이스에 제공하기 위하여 촬상 장치가 상기 메인 루멘 내에서 전개되는 동안에는 상기 원위 첨단부의 원하는 작동 형태를 확인하도록 조작가능하고,
    상기 원하는 작동 형태는 원위 첨단부의 원하는 배향과 원하는 위치를 구비하는 상기 카테터의 원위 첨단부의 원하는 자세를 구비하고, 그리고 상기 제어 시스템은, 상기 촬상 장치가 상기 카테터로부터 제거되었을 때에는 상기 센서 시스템에 의해 발생되는 측정 신호들로부터 원위 첨단부에 관한 배향 정보를 수신하되 상기 촬상 장치가 상기 카테터로부터 제거되고 의료 프로브가 상기 메인 루멘 내에서 전개될 때에는 상기 카테터의 원위 첨단부를 상기 원하는 작동 형태로 유지하거나 상기 원하는 작동 형태로 되돌리도록 추가로 조작가능한 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카테터의 원위 부분은 약 3mm 미만의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배향 정보는 상기 센서 시스템에 의해 발생되고, 상기 원위 첨단부의 적어도 하나의 배향각을 구비하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 카테터를 상기 원하는 작동 형태로 유지하거나 상기 원하는 작동 형태로 되돌리기 위해 복수 개의 모드로 조작가능한 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 모드는 위치결정 모드를 포함하고, 상기 위치결정 모드에서는 상기 제어 시스템이 상기 기계 시스템을 조작하여 상기 원위 첨단부를 목표 위치로 유지하거나 목표 위치 쪽으로 되돌리는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 모드는 배향 모드를 포함하고, 상기 배향 모드에서는 상기 제어 시스템이 상기 기계 시스템을 조작하여 상기 원위 첨단부를 목표 배향으로 유지하거나 목표 배향으로 되돌리는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 모드는 목표 모드를 포함하고, 상기 목표 모드에서는 상기 제어 시스템이 상기 기계 시스템을 조작하여 상기 원위 첨단부를 목표 위치 쪽으로 지시하도록 상기 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 제어하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 모드는 목표 축 모드를 포함하고, 상기 목표 축 모드에서는 상기 제어 시스템이 상기 기계 시스템을 조작하여 상기 원위 첨단부가 목표 라인 상에 존속하거나 목표 라인 쪽으로 되돌아가도록 상기 원위 첨단부의 배향과 위치의 조합을 제어하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 복수 개의 모드들 중에서 하나를 선택하고 활성화하도록 조작가능한 선택 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 선택 모듈은 오퍼레이터가 원하는 조작 모드를 선택할 수 있게 해주는 사용자 입력 장치에 응답하는 복수 개의 모드들 중 하나를 선택하고 활성화하도록 조작가능한 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 선택 모듈은 탐지되는 의료 프로브의 유형에 기초하여 복수 개의 모드들 중 하나를 선택하고 활성화하도록 조작가능한 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 첨단부의 자세를 측정하도록 구성된 상기 센서 시스템의 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 시스템과 상기 센서는 상기 원위 첨단부를 모니터링하고 상기 카테터의 상기 기계 시스템을 조작하기 위해 폐쇄 루프 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 카테터로부터 제거가능한 촬상 장치를 더 구비하고,
    상기 촬상 장치가 상기 카테터 내에서 전개될 때, 상기 촬상 장치는 상기 메인 루멘을 채우는 것을 특징으로 하는 의료용 시스템.
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