KR102189693B1 - 낮은 커패시턴스 및/또는 전자기 차폐를 구비한 내시경 시스템, 및 관련 방법 - Google Patents

Abstract

내시경 시스템은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 내시경 샤프트, 및 원위 단부에 근접하여 장착되어 원위 단부가 위치되어 있는 환경의 적어도 하나의 특징을 감지하도록 위치된 적어도 하나의 센서를 포함하는 전기적 능동 센서 시스템을 포함할 수 있다. 어스 접지부에 대한 센서 시스템의 커패시턴스는 심장 플로팅 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 전류 누출을 유지한다.

Description

낮은 커패시턴스 및/또는 전자기 차폐를 구비한 내시경 시스템, 및 관련 방법 {ENDOSCOPIC SYSTEMS WITH LOW CAPACITANCE AND/OR ELECTROMAGNETIC SHIELDING, AND RELATED METHODS}

본 출원은 2012년 11월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/726,879호 및 제61/726,894호에 기초하여 우선권을 주장하고, 이들 각각의 전체 내용은 본원에서 참조로 통합되었다.

본 개시 내용은 대체로 내시경 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 개시 내용의 태양은 시스템의 장착부에 배치된 전기적 능동 구성요소를 포함하는 내시경 시스템에 관한 것이다.

최소 침습적 수술 기술은 일반적으로 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하면서 외과적 시술을 수행하기를 시도한다. 로봇 제어식 (원격 작동식) 또는 수동 제어식 기기를 포함할 수 있는 원격 제어식 기기가 다양한 최소 침습적 시술을 원격으로 수행하기 위해 사용될 수 있다. 로봇 제어식 (원격 작동식) 수술 시스템에서, 의사는 환자의 신체 내의 원격 부위에서 하나 이상의 대응하는 원격 제어식 기기를 제어하기 위해 의사 콘솔(때때로, 본원에서 마스터 입력부로 불림)에서 다양한 입력 장치를 조작한다. 의사 콘솔에서의 입력은 하나 이상의 원격 작동식 수술 기기와 접속하는 환자측 카트로 전송되고, 여기서 수술 기기의 원격 작동식/원격 로봇식 조작은 환자에 대해 수술 및/또는 다른 시술을 수행하기 위해 발생한다.

최소 침습적 수술 기기는 다양한 수술 시에 사용될 수 있으며 다양한 구성을 가질 수 있다. 많은 그러한 기기는 환자 내의 원격 수술 부위에 도달하기 위해 개방부(예컨대, 신체 벽 절개부 또는 자연 개구부)를 통해 (예컨대, 복강경으로 또는 흉강경으로) 삽입되도록 구성된 긴 샤프트의 원위 단부에 장착된 수술용 엔드 이펙터를 포함한다. 몇몇 기기에서, 굴절식 손목 메커니즘이 엔드 이펙터를 지지하고 샤프트의 종축에 대한 엔드 이펙터의 배향(예컨대, 피치 및/또는 요잉)을 변경하기 위해 기기의 샤프트의 원위 단부에 장착된다. 원격 작동식/원격 로봇식으로 제어되는 엔드 이펙터는 개방 또는 수동 최소 침습적 외과적 시술 시에 보편적으로 수행되는 다양한 외과적 시술 중 하나를 포함한, 다양한 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.

원격 제어식 최소 침습적 수술 기기의 사용은 원격 작동식이든지 또는 수동 제어식이든지 간에, 일반적으로 수술 부위로부터 실시간 영상을 포착하여 포착된 영상을, 예를 들어, 사용자에 의한 접근을 위해 의사 콘솔 또는 다른 곳에 제공하기 위해 내시경 영상 포착 시스템에 의해 보조된다. 원격 작동식 수술 시스템에서, 그러한 내시경 시스템은 또한 환자측 카트에 장착될 수 있다. 그러한 시스템은 다른 요소들 중에서도, 샤프트(가요성 또는 강성), 예를 들어, 카메라와 같은 내시경 시스템의 근위 단부에서의 영상 포착 장치, 샤프트가 수술 부위에 근접한 위치에 있을 때의 수술 부위의 영상을 근위 단부에서의 영상 포착 장치로 제공할 수 있는 (하나 이상의 광섬유 또는 막대 렌즈와 같은) 도광관, 및 수술 부위를 조명하기 위한 광원을 포함할 수 있다.

정상 작동 중에 환자와 접촉할 수 있는 (때때로, "장착부"로 불림) 그리고 전기적으로 능동인 (예컨대, 작동하기 위해 전력을 요구하는) 최소 침습적 수술 기기 및/또는 도구의 부분은 장착부에 대한 허용 가능한 누출 전류를 초과하는 전류가 접지부로 또는 전체 기기, 도구, 또는 기기 또는 도구가 그의 일부인 시스템의 전도성 부분으로 흐르게 할 수 있다. 그러므로, 이러한 장착부는, 예를 들어, 환자에 대한 전기적 충격의 위험을 감소시키기 위해 관련된 수술 시스템의 하나 이상의 어스(earth) 접지 요소로부터 격리될 필요가 있을 수 있다. 특히, 장착부의 성질 및 장착부가 환자와 이룰 수 있는 접촉 유형에 의존하여, 장착부는, 예를 들어, 국제 전자 기술 위원회(IEC: International Electrotechnical Commission) 60601-1 안전 표준에서 IEC에 의해 설정된 바와 같은 여러 분류 등급들 중 하나에 들 수 있다. 예를 들어, 환자의 심장과 직접 접촉할 수 있는 장착부는 IEC 60601-1 심장 플로팅("CF": Cardiac Floating) 등급을 적어도 만족시키도록 요구될 수 있고, 환자와 직접 접촉할 수 있지만 환자의 심장과는 직접 접촉하지 않는 장착부는 CF 등급보다 덜 엄격한 IEC 60601-1 신체 플로팅("BF": Body Floating) 등급을 적어도 만족시키도록 요구될 수 있다. 예를 들어 내시경 영상 포착 시스템 내에서 채용되는 다양한 전기적 능동 구성요소에 비추어, 그러한 내시경 시스템은 그의 장착부가, 예를 들어, 외부/어스 접지 전원으로부터 격리되도록 요구할 수 있다.

아울러, 내시경 시스템의 장착부는, 예를 들어, 환자측 카트에서, 의사 콘솔에서, 그리고/또는 전자/보조 제어 카트에서, 전자 회로와 출력 및/또는 제어 신호를 교환할 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에, 환자 내의 원격 부위에서 전자기 간섭(EMI: Electromagnetic Interference)의 존재 시에 내시경 시스템을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 수술 부위에서의 조직이 전기 소작 기기를 통하는 전류의 흐름에 의해 발생되는 소작 에너지의 인가를 받는 전기 소작 수술은 원격 부위에서의 다른 기기에 매우 근접한 전도 요소를 통한 상대적으로 높은 양의 전류의 인가를 요구한다.

장착부 내에서 충분히 전기적으로 격리되는 원격 수술 부위로부터 정보를 포착하여 제공하기 위한 전기적 능동 센서 시스템을 사용하는 내시경 시스템을 제공할 필요가 존재한다. 예를 들어, 예를 들어 IEC CF 등급과 같은 전기적 충격으로부터의 보호에 관한 원하는 표준 등급의 요건을 만족시키는 내시경 시스템을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

원격 부위에서 EMI로부터 발생하는 노이즈 간섭의 허용 가능하게 낮은 수준을 생성하기에 충분히 차폐되는 원격 수술 부위로부터 정보를 포착하여 제공하기 위해 전기적 능동 센서 시스템을 사용하는 내시경 시스템을 제공할 필요가 또한 존재한다.

(예컨대, IEC CF 등급을 달성하기에) 충분히 낮은 커패시턴스 및 전류 누출을 달성할 수 있으며, 또한, 예를 들어, 원격 부위에서의 소작 시술 및/또는 다른 상대적으로 높은 EMI 발생으로부터 EMI 노이즈 간섭의 허용 가능하게 낮은 수준을 생성하기에 충분히 차폐되는 내시경 시스템을 제공하는 것이 또한 바람직할 수 있다.

본 개시 내용은 상기 언급된 문제점들 중 하나 이상을 해결하고 그리고/또는 상기 언급된 바람직한 특징들 중 하나 이상을 입증한다. 다른 특징 및/또는 장점은 이어지는 설명으로부터 명백해질 수 있다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시 내용은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 내시경 샤프트, 및 원위 단부에 근접하여 장착되어 원위 단부가 위치되어 있는 환경의 적어도 하나의 특징을 감지하도록 위치된 적어도 하나의 센서를 포함하는 전기적 능동 센서 시스템을 포함할 수 있는 내시경 시스템을 고려한다. 어스 접지부에 대한 센서 시스템의 커패시턴스는 심장 플로팅 등급을 만족시키는 수준으로 전류 누출을 유지한다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시 내용은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 내시경 샤프트 및 센서 시스템을 포함하는 내시경 시스템을 고려한다. 센서 시스템은 샤프트의 원위 단부에 근접하여 장착된 전기적 능동 센서를 포함할 수 있고, 전기적 능동 센서는 원위 단부가 위치되어 있는 환경의 적어도 하나의 특징을 감지하도록 위치된다. 센서 시스템은 센서와 신호 프로세서 사이에서 데이터 신호를 전달하기 위해 센서에 결합된 데이터 신호 전달 라인, 및 센서에 전력을 전달하기 위해 센서에 결합된 전력 전달 라인을 추가로 포함할 수 있다. 내시경 시스템은 센서 시스템에 대한 전기적 기준을 제공하도록 배열된 플로팅 접지 요소를 추가로 포함할 수 있다. 데이터 신호 전달 라인 및 전력 라인 중 적어도 하나 내에서 내시경 시스템 외부의 전자기 간섭에 의해 유도되는 전압은 플로팅 접지 요소 상에서 전자기 간섭에 의해 유도되는 전압과 실질적으로 유사하다.

또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시 내용은 원격 부위에서 정보를 감지하기 위해 내시경 시스템을 사용하기 위한 방법을 고려한다. 방법은 원격 부위에서, 내시경 샤프트의 원위 단부에 근접하여 배치된 센서를 거쳐 원격 부위의 특징을 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 감지 중에, 전력이 접지 기준 전원으로부터 전력 전달 라인을 거쳐 센서로 전달될 수 있고, 데이터 신호는 내시경 샤프트의 근위 단부에서의 처리 회로로부터 데이터 신호 전달 라인을 거쳐 센서로 전달될 수 있다. 원격 부위에 근접한 전자기 간섭에 응답하여, 방법은 데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달부 내에서 유도되는 전압 수준 변화를 실질적으로 균등화하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은 심장 플로팅 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 내시경 시스템의 하나 이상의 장착부로부터의 전류 누출을 유지하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

추가의 목적 및 장점은 이어지는 설명에서 부분적으로 설명되고, 설명으로부터 부분적으로 명백해지거나, 본 개시 내용 및/또는 청구범위의 실시에 의해 학습될 수 있다. 이러한 목적 및 장점 중 적어도 일부는 첨부된 청구범위에서 구체적으로 지적되는 요소 및 조합에 의해 실현되고 획득될 수 있다.

상기 일반적인 설명 및 이어지는 상세한 설명은 모두 단지 예시적이며 설명적이고, 개시되거나 청구되는 본 발명을 제한하지 않음을 이해하여야 한다. 청구범위는 등가물을 포함한 그의 완전한 범주에 대한 권리가 있어야 한다.

본 개시 내용은 단독으로 또는 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다. 도면은 본 개시 내용의 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되었고, 본 명세서 내에 통합되어 그의 일부를 구성한다. 본 명세서 내에 통합되어 그의 일부를 구성하는 도면은 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예를 도시하고, 설명과 함께, 소정의 원리 및 작동을 설명하도록 역할한다.

도 1은 본 개시 내용이 적용될 수 있는 최소 침습적 원격 작동식 수술 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 개시 내용의 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따른 최소 침습적 원격 작동식 수술 시스템의 환자측 조작기 아암의 일 부분의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 개시 내용에 따른 내시경 촬영 시스템과 함께 사용하기 위한 내시경 영상 포착 기기의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 내시경 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 내시경 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 다른 내시경 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 또 다른 내시경 시스템을 개략적으로 도시한다.

이러한 설명 및 첨부된 도면은 예시적인 실시예를 도시하고, 제한적으로 취해져서는 안 되며, 청구범위가 등가물을 포함한 본 개시 내용의 범주를 한정한다. 다양한 기계적, 구성적, 구조적, 전기적, 및 작동적 변화가 본 설명 및 등가물을 포함한 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 몇몇 경우에, 공지된 구조 및 기술은 본 개시 내용을 모호하게 하지 않도록 상세하게 도시되거나 설명되지 않았다. 2개 이상의 도면 내에서의 유사한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 또한, 하나의 실시예를 참조하여 상세하게 설명되는 요소 및 그의 관련 태양은 실질적으로, 그들이 구체적으로 도시되거나 설명되지 않은 다른 실시예에 포함될 수 있다. 예를 들어, 요소가 하나의 실시예를 참조하여 상세하게 설명되고 제2 실시예를 참조하여 설명되지 않으면, 요소는 그럼에도 제2 실시예에 포함되는 것으로 청구될 수 있다. 또한, 본원의 설명은 단지 예시적인 목적이며, 시스템 또는 전자 수술 기기의 실제 형상, 크기, 또는 치수를 반드시 반영하지는 않는다.

아울러, 본 설명의 용어는 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 예를 들어, "밑", "아래", "하부", "위", "상부", "근위", "원위" 등과 같은 공간적 상대 용어들은 도면에 도시되었을 때 하나의 요소 또는 특징부의 다른 요소 또는 특징부에 대한 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 공간적 상대 용어들은 도면에 도시된 위치 및 배향에 추가하여 사용 또는 작동 시의 장치의 상이한 위치 (즉, 장소) 및 배향 (즉, 회전 배치)를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집히면, 다른 요소 또는 특징부의 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 설명되는 요소가 다른 요소 또는 특징부의 "위" 또는 "넘어"에 있을 것이다. 따라서, "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래의 모든 위치 및 배향을 포함할 수 있다. 장치는 (90° 회전되어 또는 다른 배향으로) 달리 배향될 수 있고, 본원에서 사용되는 공간적 상대 기술어가 그에 따라 해석될 수 있다. 유사하게, 다양한 축을 따른 그리고 둘레서의 이동의 설명은 다양한 특수한 장치 위치 및 배향을 포함한다. 또한, 단수 형태 "하나"는 문맥이 달리 표시하지 않으면, 복수 형태도 포함하도록 의도된다. 그리고, "포함하다", "포함하는" 등의 용어는 기술된 특징부, 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 규정하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 결합되는 것으로 설명되는 구성요소들은 전기적으로 또는 기계적으로 직접 결합될 수 있거나, 이들은 하나 이상의 중간 구성요소를 거쳐 간접으로 결합될 수 있다. 수학적 및 기하학적 용어는 설명의 맥락이 달리 표시하지 않으면, 그들의 엄격한 정의에 따라 사용되도록 반드시 의도되지는 않고, 이는 본 기술 분야의 통상의 기술자가, 예를 들어, 실질적으로 유사한 방식으로 기능하는 실질적으로 유사한 요소가 용어가 또한 엄격한 정의를 갖더라도 설명 용어의 범주 내에 쉽게 들 수 있음을 이해할 것이기 때문이다.

아래의 예시적인 실시예 및 설명이 주로 원격 수술 부위의 영상을 포착하기 위한 내시경의 원위에 위치된 영상 센서를 포함하는 내시경 시스템에 대해 초점을 맞추지만, 본 개시 내용의 원리는, 예를 들어, (예컨대, 내시경 샤프트의 원위 부분 내에서) 장착부에서 하나 이상의 전기적 능동 구성요소를 이용하는 것과 같은 다른 내시경 시스템 내에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 영상 센서 시스템을 갖는 것 이외에, 본 개시 내용에 따른 내시경 시스템은 원격 부위의 하나 이상의 특징을 제공하기 위한 다양한 전기적 능동 센서 시스템 중 하나를 포함할 수 있다. 그러한 내시경 센서 시스템의 예는 초음파 내시경 프로브 시스템, (예컨대, 동맥 혈압을 측정하기 위한) 압력 트랜스듀서 시스템, (예컨대, 위치 설정 및/또는 조향을 위한) 전자기 센서 시스템, 온도 센서 시스템 등을 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 교시가 원격 부위에서 정보를 포착하여 제공하기 위해 하나 이상의 전기적 능동 구성요소(예컨대, 센서)를 이용하며, 산업용 감지 용도 및/또는 위치 감지 및 추적 용도와 같은, 본원에서 설명되는 격리 및/또는 EMI 노이즈 간섭 차폐 구성으로부터 유익을 얻을 수 있는 원격 운행식 기기를 이용하는 것이 바람직한 비수술 용도에서 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "센서 시스템" 및 그의 변경예는 센서 메커니즘 자체(예컨대, 온도 프로브, 영상 포착 장치, 트랜스듀서 등) 뿐만 아니라, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 친숙한 바와 같이 센서가 장치의 작업자에 의해 사용되도록 그리고/또는 수술 부위로부터 원격에 저장되도록 데이터 및 전력을 감지하고, 변환하여, 수술 부위로부터 또는 그로 전달하는 것을 가능케 하는 전기적 능동 구성요소 및 전기적 수동 구성요소를 포함한, 회로, 배선, 및 다른 보조 구조물을 또한 포함한다.

몇몇 종래의 원격 작동식 수술 시스템은 전기적 능동 요소가 내시경 시스템의 내시경 샤프트의 원위 단부에 존재하지 않는 전기적 수동 내시경 시스템을 포함한다. 그러한 시스템에서, 광이, 예를 들어, 하나 이상의 광섬유 또는 막대 렌즈와 같은 수동 요소를 통해 내시경 샤프트를 통해 전달되고, 전기적 능동 영상 센서/카메라가 내시경 시스템의 근위 단부에서 수동 요소로부터의 광/영상을 포착한다. 전기적 능동 장착부의 그러한 결여에 의해, 장착부와 환자 조직 사이의 충분히 낮은 커패시턴스 및 누출 전류가 상대적으로 간단한 기계적 절연 장벽을 거쳐 달성될 수 있다.

다른 내시경 시스템이 전기적 능동 요소를 포함하는 내시경 시스템의 내시경 샤프트의 원위 단부에서의 장착부에 의존할 수 있다. 전기적 능동 요소 및 그의 시스템 구성요소의 사용은, 예를 들어, 적어도 BF 등급을 달성하기 위해 장착부가 어스 접지부로부터의 일정 수준의 전기적 격리(예컨대, 어스 접지부에 대한 장착부의 낮은 커패시턴스)를 포함하도록 요구할 수 있다. 전기적 능동 요소가 환자 조직에 대해 완전히 또는 부분적으로 노출될 수 있지만, 예시적인 실시예에서, 전기적 능동 요소는 어스 접지부로부터의 그의 전기적 격리가 장착부의 전기적 격리가 되도록 장착부에 대해 구성되고 위치된다. 그러나, 전기적 능동 요소 및 내시경 샤프트를 따른 관련 신호/전력 전달 라인(예컨대, 센서 시스템)은, 예를 들어, 전기 소작 수술 기기와 같은 EMI 발생 수술 기기의 존재 시에 사용되면 EMI를 받기 쉬울 수 있다. EMI 수준은 어스 접지부에 대한 장착부의 커패시턴스가 낮아질 때 악화될 수 있다. 이는 그러한 EMI에 의해 관련 신호/전력 전달 라인 상에 부여되는 간섭 전압이 어스 접지부에 대한 장착부의 커패시턴스가 감소함에 따라 증가할 수 있기 때문이다. 바꾸어 말하면, 관련 신호/전력 전달 라인과의 간섭이 전기적 능동 요소를 포함하는 장착부와 어스 접지부 사이에 저 임피던스(예컨대, 고 커패시턴스) 경로를 제공함으로써 감소될 수 있지만, 그러한 상대적으로 높은 커패시턴스는 장착부와 환자 조직 사이에서 상대적으로 높은 누출 전류를 일으킬 수 있고, 이는 내시경 시스템이 전기적 충격에 대한 보호에 대한 원하는 등급(예컨대, BF 또는 CF 등급)을 달성하기 위한 요건을 만족시키지 못 하게 하여, 소정의 외과적 시술에 대해 사용되지 못 하게 할 수 있다.

본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예가 장착부에서의 전기적 능동 요소와 환자 조직 사이에서 상대적으로 낮은 커패시턴스를 갖는 내시경 시스템을 제공한다. 특히, 다양한 예시적인 실시예는 전기적 능동 요소를 포함하는 플로팅 회로를 환자 조직의 접지 기준으로부터 격리시키고 전기적 능동 요소 및 그의 관련 신호 전달 라인, 회로 등과 환자 조직 사이에서 커패시턴스를 감소시키기 위해 내시경 시스템의 다른 요소와 조합하여, 예를 들어, 내시경 시스템의 근위 단부에서의 회로와 관련 로봇 제어식 수술 시스템 사이의 광학 통신 링크를 포함한다.

또한, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 전기적 능동 요소 및 다른 구성요소를 EMI로부터 차폐하는 내시경 시스템을 제공한다. 특히, 다양한 예시적인 실시예는 전기적 능동 요소와 내시경 시스템의 근위 단부에서의 회로 사이에서의 신호 및 전력 전달 라인에 의해 경험되는 유도 전압, 신호/전력 전달 라인과 전기적 능동 요소 및 내시경 시스템의 근위 단부에서의 회로를 포함하는 플로팅 회로의 플로팅 접지부 사이의 높은 커패시턴스, 및 플로팅 회로를 차폐하기 위한 연속 차폐 요소의 타이트한 결합을 포함한다.

아울러, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 장착부에서의 전기적 능동 요소와 어스 접지부 사이에서 상대적으로 낮은 커패시턴스를 가지며 EMI로부터 전기적 능동 요소 및 다른 구성요소를 차폐하는 내시경 시스템을 제공한다. 예시적인 실시예는 또한 상대적으로 높은 수준의 EMI를 발생시킬 수 있는 다른 수술 기기의 존재 시에 작동으로부터 생성되는 노이즈 간섭에 대해 보호할 수 있으면서 CF 등급을 달성할 수 있는 내시경 시스템을 제공한다. 따라서, CF 등급을 달성함으로써, 다양한 예시적인 실시예는 흉강 및 심장 내에서의 시술을 포함한, 다양한 시술에 대해 채용될 수 있는 내시경 시스템을 제공한다.

도 1을 참조하면, 본 개시 내용이 적용될 수 있는 최소 침습적 원격 작동식 수술 시스템(100)의 예시적인 실시예의 개략도가 도시되어 있지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본원의 원리가 수동식 최소 침습적 수술 시스템에서도 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 원격 작동식 수술 시스템(100)은 환자측 카트(105), 의사 콘솔(110), 및 잔자/보조 제어 카트(115)를 포함한다. 도 1의 시스템 구성요소는 임의의 특정 위치에 도시되어 있지 않고, 원하는 대로 배열될 수 있음이 언급되고, 환자측 카트(105)는 환자에게서 수술을 실행하도록 환자에 대해 배치된다. 본원에서 고려되는 것으로서 일반적인 마스터-슬레이브 로봇 제어 작동 원리를 공유하는 원격 작동식 수술 시스템의 비제한적인, 예시적인 실시예는 미국 캘리포니아주 써니베일 소재의 인튜이티브 서지컬, 인크.(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 시판되는 다빈치(da Vinci)^® Si(모델 번호 IS3000)이지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시 내용이 어떠한 방식으로도 그러한 특정 시스템으로 제한되지 않음을 이해할 것이다.

수술 시스템(100)은 다양한 수술 기기와 접속하여 이를 제어함으로써 최소 침습적 원격 외과적 시술을 수행하기 위해 사용된다. 환자측 카트(105)는 다양한 수술 기기 및/또는 관련 도구를 유지하고, 위치시키고, 조작하기 위한 환자측 조작기 아암(120)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 환자측 카트(105)의 아암(120)은 하나 이상의 원격 제어식 수술 기기 및/또는 내시경과 접속하여 이를 제어하도록 구성된다 (하나의 일반적인 기기/내시경(125)이 도 1에서 간단하게 하기 위해 개략적으로 도시되어 있음).

수술 시에, 의사 콘솔(110)은, 예를 들어, 하나 이상의 마스터 파지 입력 메커니즘(130) 및/또는 하나 이상의 발 페달(135)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 입력 장치에 의해 의사로부터 입력을 수신한다. 예를 들어, 파지 입력 메커니즘(130)과 같은 입력 장치를 통해, 의사 콘솔(110)은 마스터 제어기로서 역할하고, 이에 의해 환자측 카트(105)에 장착된 하나 이상의 기기가 (예컨대, 그의 엔드 이펙터를 포함한) 수술 기기(들)의 임의의 원하는 운동을 구현하기 위한 슬레이브로서 작용하여, 원하는 외과적 시술을 수행한다. 다른 입력 명령이 또한 환자측 카트(105)에 장착된 기기의 다양한 기능을 제어하기 위해 의사측 콘솔(110)에 제공될 수 있다. 비제한적인 예로써, 발 페달(135)이 환자측 카트(105)에 장착된 전기 소작 기기로부터 전기 소작 에너지를 송출하기 위한 소작 명령을 보내기 위해 눌릴 수 있다. 그러나, 로봇 수술 시스템(100)은 의사 콘솔(110)에서 입력을 수신하는 것으로 제한되지 않고, 입력은 환자측 카트(105)에서의 수술 기기(들)의 조작을 실현하도록 구성될 수 있는 임의의 장치에서 수신될 수 있다. 예를 들어, 환자측 카트(105)에서의 수술 기기는 사용자로부터 수신된 입력의 결과로서, 다른 수술 기기 지원 장치와 조합된 의사 콘솔(110)을 통해 또는 전적으로 다른 수술 지원 장치를 통해, 환자측 카트(105)에서 사용자(예컨대, 의사)에 의해 조작될 수 있다. 또한, 입력 장치는 파지 메커니즘 또는 발 페달 이외의 다양한 구성을 가질 수 있다. 그러한 구성은, 예를 들어, 조이스틱, 운동 센서, 스위치, 엄지/검기 제어기 등을 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다.

의사 콘솔(110)은 의사 콘솔(110)로부터 또는 임의의 다른 수술 기기 지원 장치로부터 입력을 수신하여 처리하고, 그러한 입력에 기초하여 환자측 카트(105)에서의 하나 이상의 수술 기기의 조작을 제어하도록 구성될 수 있는 프로세서를 포함하는 전자 데이터 처리 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 전자 데이터 처리 시스템의 요소들은 로봇 수술 시스템(100) 내의 다른 곳에 제공될 수 있다.

전자/보조 제어 카트(115)가 환자측 카트(105) 및 의사 콘솔(110)로부터 그리고 그로 다양한 제어 신호를 수신 및 송신하고, (예를 들어, 환자측 카트(105)에 장착된 내시경 시스템으로 그리고 그로부터) 광 및/또는 다른 처리 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 영상 처리 광 및 영상 포착 명령 신호가 환자측 카트(105)에 장착된 내시경 촬영 시스템을 거쳐 영상을 포착하여 처리하기 위해, 예를 들어, 의사 콘솔(110)에 제공되는 마스터 명령 입력에 응답하여, 전자/보조 제어 카트(115)로부터 제공될 수 있다. 포착된 영상은 의사 콘솔(110)에서의 디스플레이(140) 및/또는 전자/보조 제어 콘솔(115)과 관련된 디스플레이(145)에서 디스플레이될 수 있다. 전기 소작 에너지 발생 유닛과 같은 다양한 수술 기기의 기능을 제어하기 위한 다른 전자 장치가 또한, 예를 들어, 전자/보조 제어 카트(115)에 위치될 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 일반적으로 원격 제어식 로봇 수술 시스템의 그러한 전자/보조 제어 카트와 친숙하다.

다양한 예시적인 실시예에서, 카메라 제어 메커니즘이 수술 부위에 대한 카메머리의 위치/배향, 카메라 렌즈의 줌, 카메라 렌즈의 초점 등과 같은, 수술 부위의 화상을 포착하여 처리하는 것에 관련된 다양한 태양을 제어하기 위해, 아암(120)에 내장된 내시경 카메라 조작기("ECM": Endoscopic Camera Manipulator) 및 내시경 카메라로 신호를 보내기 위해 사용될 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 일반적으로 환자측 카트와 접속하는 수술 기기의 작동을 궁극적으로 실행하기 위해 의사 콘솔에서 의사로부터 입력을 제공하기 위한 그러한 원격 작동식/원격 로봇식 수술 시스템의 사용과 친숙하다.

도 2는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 내시경 카메라(205) 및 그에 장착된 추가의 수술 기기(225)를 구비한 환자측 조작기 아암(220)의 측면도를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 환자측 조작기 아암(220)은 (일반적으로 수동형이며 의사 콘솔에 의해 제어되지 않는) "설치" 부분(도 2에 도시되지 않음), 및 능동 제어식 "조작기" 부분(221, 222)을 포함한다. 부분(222)은 개별 조작기/액추에이터 조립체(204, 224)를 지지한다 (간단하게 하기 위해, 2개의 조작기 조립체만이 도시되어 있고, 하나는 내시경 카메라와 관련되고 (즉, ECM), 하나는 수술 기기와 관련됨). 조작기 부분(222)은 임의로 한정된 롤링 축에 대해 조작기 조립체 및 장착된 기기 모두를 함께 회전시키는 회전 가능한 기부를 포함할 수 있다. 조작기 조립체(204, 224)는 기기(205, 225)의 이동을 제어하기 위해, 각각 내시경 카메라 기기(205) 및 수술 기기(225)와 관련된 전달 하우징(203, 223)과 맞물린다. 도 2에 도시되지 않은 예시적인 실시예에서, 기기 샤프트의 원위 부분은 전달 하우징(203, 223)을 통해 다양한 힘을 전달하는 조작기 부분(204)의 액추에이터에 응답하여 (예컨대, 임의의 피치 및/또는 요잉으로) 굴절되고, 롤링될 수 있는 손목 메커니즘을 갖는다. 장착된 기기(205, 225)의 원위 부분은 단일 절개 부위 또는 "포트"에서 환자의 신체 내로 도입되는 캐뉼라(207)로 이어질 수 있는 진입 안내 구조물(208)을 통해 수납된다. 도 2에 도시되지는 않았지만, 기기의 원위 단부 부분은 원격 수술 부위에 접근하기 위해 캐뉼라(207) (또는 다른 접근 구조물)의 원위 단부를 빠져 나갈 수 있다.

"근위" 및 "원위"라는 방향은 수술 기기/장치의 요소들의 상대 위치를 정의하기 위해 본원에서 사용되고, 원위는 일반적으로 수술 기기 또는 내시경 카메라를 포함할 수 있는 운동학적 체인을 따라 멀어지는 방향, 또는 외과적 시술을 수행하기 위해 사용되는 관련 기기의 의도된 작동 사용 시에 수술 작업 부위에 가장 가까운 방향이다. 도 2는 근위 및 원위 방향을 표시한다. 본 개시 내용과 함께 이용될 수 있는 수술 및 내시경 기기의 장착 및 운동 제어를 위한 예시적인 환자측 카트의 추가의 설명에 대해, 본원에서 전체적으로 참조로 통합된 2011년 11월 17일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2011/0282358 A1호를 참조한다. 예시적인 실시예에 따른 카메라 조작기 부분은 도 2를 참조하여 설명된 것보다 더 많거나 더 적은 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용에 따른 카메라 아암은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이 도 2에서 설명된 더 많거나 더 적은 운동 액추에이터를 포함할 수 있거나, 포함하지 않을 수 있다. 아울러, 위에서 언급된 바와 같이, 본 개시 내용은 내시경 영상 포착 센서 또는 카메라로 제한되지 않고, 본 교시에 따른 내시경 시스템은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 센서에 근접한 환경의 특징을 측정하기 위한 센서와 같은 다른 전기적 능동 구성요소를 그의 원위 단부에서 포함할 수 있다. 아울러, 본 개시 내용은 원격 작동식 수술 시스템으로 제한되지 않고, 따라서 본 개시 내용에 따른 내시경 카메라는 도 2에 도시된 것과 같이 카메라 아암에 부착되지 않을 수 있지만, 수동으로 제어될 수 있다.

위에서 설명된 것과 같은 원격 작동식 수술 시스템의 작동 시에, 외과적 시술은 환자의 신체 내에 하나 이상의 절개부를 만드는 것을 포함할 수 있다. 그러한 절개부는 때때로 "포트"로 불리고, 이러한 용어는 또한 그러한 절개부 내에서 사용되는 기구를 의미할 수 있다. 몇몇 외과적 시술에서, 여러 기기 및/또는 카메라 포트가 수술 부위로의 접근 및 촬영을 제공하기 위해 사용될 수 있지만; 예를 들어 도 2를 참조하여 설명된 바와 같은 대안적인 실시예에서, 단일 포트가 다양한 수술 및 내시경 기기를 도입하기 위해 사용될 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 본 개시 내용에 따른 내시경 촬영 시스템과 함께 사용하기 위한 내시경 영상 포착 기기의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 내시경 영상 포착 기기(305)는 내시경 샤프트(307), 샤프트(307)의 근위 단부에서의 전달 하우징(323), 및 샤프트(307)의 원위 단부에서의 굴절식 손목 부분(309)을 포함한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자가 친숙한 바와 같이, 손목 부분(309)은 샤프트(307)를 따라 손목 부분(309)의 링크로부터 전달 하우징(323)으로 연장하는 힘 전달 부재(도시되지 않음)를 거쳐 굴절될 수 있고, 이들은 액추에이터를 거쳐 (예컨대, 부재 내의 힘을 변형함으로써) 작동된다. 다양한 예시적인 실시예에서, 액추에이터는 원격 작동식 수술 시스템의 의사 콘솔에서 제공되는 마스터 입력 명령에 응답하여 작동하는 환자측 카트의 아암의 조작 부분(예컨대, ECM)과 관련된 서보 모터일 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 손목 부분(309)은, 예를 들어, 본원에서 참조로 통합된 2011년 6월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 공개 제2011/0152879 A1호에 설명된 바와 같이, 조글 조인트 손목 구조물로서 구성될 수 있지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 단일 굴절식 손목 구성요소가 사용될 수 있거나, 내시경 영상 포착 기기가 손목 구조물을 전혀 포함하지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 샤프트(307)의 원위 단부(311)에서, 영상 포착 장치(도시되지 않음)가 샤프트(307) 내부에 장착될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 영상 포착 장치는, 예를 들어, CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 또는 CCD(전하 결합 장치) 영상 센서와 같은 전자 영상 센서이다. 아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 다양한 신호 처리 및 전력 전달 라인(340)(예컨대, 케이블)이 원위 단부(311)에서의 영상 포착 장치로부터 샤프트 루멘을 따라 내시경 영상 포착 기기(305)의 근위 단부를 빠져나가도록 연장할 수 있다. 그러한 라인(340)들은 분리되거나 조합될 수 있으며, 도 3에서 조합된 모듈(350)로서 개략적으로 도시된 단일 프로세서 및 전원에 연결될 수 있다. 다양한 예시적인 실시예에서, 모듈(350)은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 도 1에 각각 도시된 바와 같이, 전자/보조 제어 카트(115) 또는 환자측 카트(105)와 같은, 예를 들어, 전자/보조 제어 카트 또는 환자측 카트에 위치될 수 있다. 원위 단부(311) 및 영상 포착 장치는 도 3의 예시적인 실시예에서, 손목 부분(309)의 이동을 (예컨대, 원격 작동식 수술 시스템 내의 의사 콘솔에서의 입력 명령을 통해 또는 수동 시스템 내에서의 수동 작동을 거쳐) 원격으로 제어함으로써 위치될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 예를 들어, 내시경 영상 포착 기기와 같은 전자 수술 기기/장치는 그의 정상 작동 중에 환자와 접촉하게 되며, 적절하게 격리되지 않으면, 허용 가능한 누출 전류를 초과하는 전류가 어스 접지부로 또는 수술 시스템의 전도 경로를 통해 흐르게 할 수 있는 하나 이상의 장착부를 가질 수 있다. 따라서, 기기/장치의 성질 및 기기/장치가 환자와 이룰 수 있는 접촉 유형에 기초하여, 기기/장치의 제어 및 작동과 관련된 수술 시스템은 기기/장치가 환자의 전기적 충격에 대해 보호하기 위한 소정의 요건(예를 들어, IEC 60601-1 안전 표준에 따른 CF 등급 또는 BF 등급)을 만족시키도록 설계되어야 한다. 아래에서 상세하게 설명될 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른, 장착부에 배치된 전기적 능동 구성요소를 갖는 내시경 영상 포착 및 다른 내시경 기기는 기기/장치의 성질 및 기기/장치가 환자와 이룰 수 있는 접촉 유형과 관련된 전류 누출 수준을 만족시키거나 그 아래로 떨어지도록 구성될 수 있다.

아울러, 위에서 설명된 바와 같이, 원격 수술 부위에서의 시술의 수행 중에, 내시경 영상 포착 기기는 다양한 시술을 수행하기 위해 다른 수술 기기와 함께 부위에 도입될 수 있다. 흔히, 내시경 영상 포착 기기의 원위 단부와 수술 기기(들)은 외과적 시술을 수행하면서 부위의 관찰을 허용하기 위해 매우 근접한다. 수행되는 예시적인 시술들 중 일부는 대응하는 원위 단부(예컨대, 엔드 이펙터)가, 예를 들어, 전기 소작 시술에서와 같이 전류를 수신하도록 요구할 수 있다. 이러한 전류의 흐름은 내시경 카메라 기기를 포함한 다른 기기/장치의 작동에 영향을 줄 수 있는 전자기 간섭(EMI)을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전류의 흐름은, 예를 들어, 도 3에 도시된 내시경 영상 포착 기기(305)와 같은 내시경 영상 포착 기기의 영상 포착 센서 시스템의 일부를 구성하는 다양한 신호 및 전력 전달 라인에 영향을 줄 수 있다. 또한, 전류의 흐름이 예를 들어 교류 전류에서와 같이 급격하게 변하면, 전류의 흐름은 또한 다양한 라인들 사이에서 차등 간섭을 발생시킬 수 있고, 이는 내시경 카메라 기기의 신호 전달 라인을 따라, 아날로그 및 디지털의 신호의 전달의 열화를 악화시킬 수 있다.

그러므로, 아래에서 상세하게 설명될 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 예시적인 실시예는 신호 전달 라인을 따른 신호 노이즈를 감소시키기 위해, 예를 들어, 전기 소작 기기와 같은 근접한 수술 기기에 의해 발생되는 EMI의 부정적인 영향에 대해 보호할 수 있는, 내시경 영상 포착 시스템 또는 다른 내시경 센서 시스템을 위한 차폐 구성을 제공한다.

또한, 다양한 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템은 원하는 전기적 충격 보호 등급 요건을 만족시키며, 또한 근접한 수술 기기 및/또는 주변 환경 내의 다른 공급원에 의해 발생되는 EMI의 영향에 대해 보호할 수 있다. 잠재적인 EMI 공급원의 예는 제세동기 및/또는 MRI 촬영 시스템을 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다.

도 4는 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 원격 부위에서 정보를 포착하기 위한 원위에 위치된 전자 센서를 포함하는 내시경 시스템(400)을 도시한다. 내시경 시스템(400)은 내시경 샤프트(410)에 결합되는 접지 봉지부(405), 및 샤프트(410)의 원위 단부에서의 전자 센서(415)를 포함한다. 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, 접지 봉지부(405)는 도 3에 도시된 모듈(350) 또는 전달 하우징(323)과 같은 내시경 시스템의 요소 내에서 실시될 수 있고, 그리고/또는 도 1에 도시된 원격 작동식 수술 시스템(100)과 같은 원격 작동식 수술 시스템의 하나 이상의 요소 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 접지 봉지부(405)는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 도 1에 각각 도시된 바와 같은 전자/보조 제어 카트(115) 또는 환자측 카트(105)와 같은 전자/보조 제어 카트 또는 환자측 카트에 위치될 수 있다.

내시경 시스템(400)은, 예를 들어, 도 1에 도시된 시스템(100)과 같은 로봇 수술 시스템의 처리를 제어 구성요소와 같은 외부 장치 및/또는 시스템과 통신하기 위한 통신 인터페이스(440)를 추가로 포함한다. 내시경 시스템(400)은 내시경 시스템(400) 내의 전자 센서(415)를 포함한 내부 회로 및 장치에 전력을 공급하기 위한 전력 인터페이스(445)를 추가로 포함한다. 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템(400)은 내시경 영상 포착 시스템일 수 있고, 예를 들어, 수술 부위의 영상을 포착하기 위한 도 3에 도시된 내시경 카메라 기기(305)를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 전자 센서(415)는, 예를 들어, CMOS 영상 센서와 같은 전자 영상 센서일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템(400)의 요소들 중 일부 또는 전부는 도 1에 도시된 로봇 수술 시스템(100)과 같은 로봇 수술 시스템의 각각 도 1 및 도 2에 도시된 아암(120, 220)과 같은 환자측 조작기 아암 상에 장착될 수 있다.

본 개시 내용의 예시적인 실시예에서, 내시경 샤프트(410)의 적어도 일 부분은, 예를 들어, 도 2에 도시된 진입 가이드(208) 및 캐뉼라(207)와 같은, 예를 들어, 진입 가이드 및 캐뉼라 중 하나 이상을 통해 환자의 신체 내로 삽입될 수 있다. 내시경 샤프트(410)의 원위 단부에서의 전자 센서(415)는 수술 부위의 영상을 포착하기 위해, 도 3에 대해 설명된 영상 포착 기기와 같은 전자 영상 센서로서 실시될 수 있다. 센서(415)는 샤프트(410)를 따라 센서(415)로 연장하는 전력 전달 라인(도시되지 않음)을 거쳐 전력 인터페이스(445)를 통해 수신되는 전력에 의해 급전될 수 있다. 작동 중에, 제어 신호는 통신 인터페이스(440)를 통해, 예컨대, 내시경 시스템에 논리적으로 결합된 의사 콘솔(110), 환자측 카트(105) 및/또는 전자/보조 제어 카트(115)에서의 프로세서/제어기와 전자 센서(415) 사이에서 교환될 수 있다. 이러한 교환은, 예를 들어, 전자 영상 센서의 줌인/줌아웃과 같은 센서 장치(415)의 기능을 제어하고 그리고/또는 센서(415)와 화상 처리 회로 사이에서 처리 신호 전달을 허용하기 위해, 수술 부위의 화상 및/또는 다른 포착된 영상을 의사 콘솔로 제공할 수 있다. 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, 전자 영상 센서는 수술 부위에서 포착된 영상을 나타내는 디지털 신호/데이터를 프로세서/제어기로 제공할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 다양한 예시적인 실시예에서, 전자 영상 센서는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이 수술 부위에서 포착된 영상을 나타내기 위한 아날로그 신호를 제공할 수 있다.

본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 내시경 시스템(400)의 장착부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스가 최소화되고, 예시적인 실시예들 중 적어도 일부에서, (230볼트 ± 10%를 포함하는 공칭값을 갖는) 공칭 230볼트 AC, 60Hz 어스 접지 전원으로부터 작동할 때 약 500pF에 대응하는, 예를 들어 IEC CF 등급과 같은 전기적 충격에 대한 보호를 위한 원하는 등급을 달성할 수 있기에 충분히 최소화될 수 있도록, 구성된다.

아울러, 내시경 시스템(400)과 같은 내시경 시스템이 EMI를 발생시킬 수 있는 하나 이상의 수술 기기에 근접하여 작동할 때, 전자 센서(415)의 작동 및/또는 전자 센서(415)로의 그리고 그로부터의 통신은 발생되는 EMI에 의해 열화될 수 있다. 예를 들어, 영상 센서일 수 있는 전자 센서(415)로부터 전달되는 화상 신호(아날로그 또는 디지털)는 내시경 샤프트(410)를 따른 화상 신호 전달 라인(도시되지 않음) 내에서 발생되는 EMI에 의해 유도되는 신호 수준 변화에 의해 왜곡될 수 있다. 아래에서 상세하게 설명될 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 내시경 시스템(400)의 작동 시에 외부 EMI의 부정적인 영향(예컨대, 노이즈)에 대해 보호할 수 있는 차폐 구성을 포함한다.

아울러, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 내시경(예컨대, 화상 신호 전달 라인, 제어 신호 전달 라인, 및 대응하는 접지 기준에 대한 전력 전달 라인)을 따른 도체(도시되지 않음)들 사이의 커패시턴스를 내시경 시스템(400)의 장착부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스보다 상당히 더 크게 구성함으로써 내시경 샤프트를 따른 화상 신호 전달 라인(도시되지 않음)을 따라 발생되는 EMI에 의해 유도되는 신호 수준 변화에 기인하는 왜곡을 추가로 최소화할 수 있다.

낮은 커패시턴스를 갖는 내시경 시스템

도 5는 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 상대적으로 낮은 커패시턴스를 가져서 상대적으로 낮은 누출 전류를 보이도록 구성된 내시경 영상 포착 시스템(500)을 도시한다. 내시경 시스템(500)은 내시경 샤프트(510)에 결합된 접지 봉지부(505), 및 내시경 샤프트(510)의 원위 단부에 배치된 전자 영상 센서(515)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 내시경 영상 포착 시스템(500)은 도 1에 도시된 로봇 수술 시스템(100)과 같은 로봇 수술 시스템의 각각 도 1 및 도 2에 도시된 아암(120, 220)과 같은 환자측 조작기 아암에 장착될 수 있다. 도 5 및 아래에서 설명되는 설명이 내시경 영상 포착 시스템에 관한 것이지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 초음파 내시경 프로브, (예컨대, 동맥 혈압을 측정하기 위한) 압력 트랜스듀서를 사용하는 내시경 시스템, (예컨대, 위치 설정 및/또는 조향을 위한) 전자기 센서를 사용하는 내시경 시스템, 온도 센서를 사용하는 내시경 시스템, 및/또는 (pH 센서와 같은) 화학 센서를 사용하는 내시경 시스템 등과 같은 다른 시스템을 포함할 수 있다.

내시경 시스템(500)은 전자 영상 센서(515)에 전력을 제공하기 위한 전력 전달 라인(520), 및 통신 인터페이스(540)를 통해 전자 영상 센서(515)와, 예를 들어, 도 1에 도시된 의사 콘솔(110) 및/또는 전자/보조 제어 카트(115)와 같은, 내시경 시스템(500)에 논리적으로 결합된 의사 콘솔 사이에서 출력/제어 및 화상 처리 신호를 교환하기 위한 출력/제어 데이터 전달 라인(521)을 추가로 포함한다.

전력 전달 라인(520)이 단일 라인으로서 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 예시적인 실시예는 하나 이상의 전력 전달 라인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 예시적인 실시예에서, 전력은, 예를 들어, 전자 영상 센서(515) 내의 논리 회로를 급전하기 위한 상대적으로 낮은 전압 라인(예컨대, 약 1.8V); 및 전자 영상 센서(515) 내의 아날로그 픽셀의 검출부 및 증폭기를 급전하기 위한 상대적으로 높은 전압 라인(예컨대, 약 3.6V)을 포함할 수 있는 두 개의 전력 전달 라인을 통해 전자 영상 센서(515)에 제공될 수 있다.

또한, 출력/제어 데이터 전달 라인(521)이 단일 라인으로서 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 예시적인 실시예는 출력 데이터 및 제어 데이터를 위한 분리된 라인들, 또는 출력 및 제어 데이터 각각을 위한 복수의 라인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 예시적인 실시예에서, 하나의 라인은 제어 데이터의 교환을 위해 제공될 수 있고, 하나 이상의 라인들은 영상 센서(515)로부터, 예를 들어, 도 1에 도시된 의사 콘솔(110) 및/또는 전자/보조 제어 카트(115)와 같은 의사 콘솔로의 고속 영상 데이터의 전달을 위해 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 출력/제어 데이터 전달 라인(521)은 꼬임 쌍 구리 라인을 포함할 수 있다.

내시경 시스템(500)은 전달 라인(520, 521)을 둘러싸며, 전기 절연 재료(530)에 의해 전달 라인(520, 521)으로부터 분리되는 플로팅 접지부(525)를 추가로 포함한다. 재료(530)는 바람직한 유전성, 가요성, 및 강도 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전기 절연 재료(530)는 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않고, 절연 재료(530)는 다양한 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 적합한 재료의 다른 비제한적인 예는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 실리콘, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 및 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)을 포함한다.

내시경 시스템(500)은, 예를 들어, 도 1에 도시된 전자/보조 제어 카트(115) 및 의사 콘솔(110)과 같은 원격 작동식 수술 시스템의 다른 요소와 데이터를 교환하기 위한 접지 봉지부(505) 내의 통신 인터페이스(540)를 추가로 포함한다. 내시경 시스템(500)은 (예컨대, 도 3의 전원(350) 내에서와 같은) 전원으로부터 내시경 시스템(500)으로 외부 전력을 제공하기 위한 접지 봉지부(505) 내의 전원 인터페이스(545)를 추가로 포함한다. 통신 인터페이스(540) 및 전력 인터페이스(545) 모두는 어스 접지되는 신호/전력을 운반할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 통신 인터페이스(540) 및 전력 인터페이스(545)는 내시경 시스템(500) 내의 플로팅 접지 기준(525)과 상이한 비어스 접지 기준에 기초하여 접지될 수 있다.

내시경 시스템(500)은 통신 인터페이스(540)와 전자 영상 센서(515) 사이에서 교환되는 신호를 처리하기 위해 통신 인터페이스(540)에 결합된 접지 봉지부(505) 내의 처리 회로(550)를 추가로 포함한다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않고, 신호 처리의 일부 또는 전부는, 예를 들어, 도 1에 도시된 전자/보조 제어 카트(115) 및/또는 의사 콘솔(110)과 같은, 예를 들어, 원격 작동식 수술 시스템의 다른 요소에서 발생할 수 있다.

처리 회로(550)는 통신 인터페이스(540)에서 수신된 전기 신호를 광학 신호로 변환하고 광학 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 광학 송수신기 회로(552)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템은 광학 신호를 거쳐, 관련된 원격 작동식 수술 시스템의 요소와 같은 외부 요소와 데이터를 교환할 수 있고, 이러한 경우에, 광학 송수신기 회로(552)는 제거될 수 있다.

내시경 시스템(500)은 광학 송수신기 회로(560) 및 격리된 전원(565)을 추가로 포함한다. 광학 송수신기 회로(560)는 전자 영상 센서(515)와 출력/제어 전기 신호를 교환하기 위해 출력/제어 전달 라인(521)에 그리고 광학 송수신기 회로(552)와 광학 신호를 교환하기 위해 처리 회로(550)의 광학 송수신기 회로(552)에 결합된다. 광학 송수신기 회로(560), 및 관련된 원격 작동식 수술 시스템에 (직접 또는 어스 접지될 수 있는 처리 회로(550)의 광학 송수신기 회로(552)를 통해) 신호를 제공하기 위한 광학 연결부의 사용은 (플로팅 접지되는) 출력/제어 전달 라인(521) 및 전자 영상 센서(515)를 어스 접지 요소로부터 격리시킨다. 아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 이러한 격리는 내시경 샤프트(510) 및/또는 전자 영상 센서(515)로부터, 예를 들어, 이러한 요소들이 환자와 접촉을 이룰 때 어스 접지부로의 누출 전류를 감소시킬 수 있다.

격리된 전력 트랜스포머(565)가 전력 인터페이스(545)로부터 어스 접지 전력을 수신하기 위해 결합된다. 격리된 전원(565)은 아울러 전력 전달 라인(520) 및 플로팅 접지부(525)에 결합된다. 격리된 전력 트랜스포머(565)는 전력 인터페이스(545)로부터 수신된 어스 접지 전력을 전자 영상 센서(515)에 공급되는 플로트 접지 전력으로 변환한다. 이러한 방식으로, 외부 전원과 통신하는 전력 인터페이스(545)는 전력 라인(520)의 전원 라인으로부터 그리고 플로팅 접지부(525)로부터 격리된다. 내시경 시스템(500)이 전력 인터페이스(545)를 통해 공급받는 격리된 전력 트랜스포머(565)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 전력은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 내시경 시스템(500) 외부 또는 내부의 배터리를 통해 공급될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템(500)은 광학 송수신기 회로(560) 및 격리된 전력 트랜스포머(565)에 EMI/유도 전압 보호를 제공하기 위해 플로팅 접지부에 결합된 회로 봉지부(553)를 추가로 포함할 수 있다. 회로 봉지부(553)는, 예를 들어, EMI/유도 전압에 의해 발생되는 전류가 봉지부를 통해 균일하게 흘러서, 내부의 회로 내에서의 2차 간섭을 최소화하거나 제거하도록 보장하는 것을 돕는 패러데이(Faraday) 케이지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 커패시턴스(Cbox_5)가 커패시턴스(Ciso_5a, Ciso_5b)에 비교하여 상대적으로 큰 조건에서, 간섭 전류는 능동 회로를 통하지 않고 박스를 통해 흐르게 된다.

위에서 설명된 특징, 및 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 다른 특징에 추가하여, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 내시경 시스템의 전기적 능동 시스템 구성요소(예컨대, 전자 영상 센서(515), 전달 라인(520, 521), 및 관련 회로)와 (어스 접지 기준이 될 수 있는) 환자 조직 사이에서 상대적은 낮은 커패시턴스를 달성하기 위한 요소를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 본 개시 내용에 따른 전체 내시경 시스템의 커패시턴스는 장착부로부터의 전류 누출을, 예를 들어, IEC 60601-1에 설명된 표준에 따라, (공칭 230볼트 AC, 60Hz 어스 접지 전원으로부터 작동할 때, 약 500pF에 대응하는) 적어도 CF 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 유지하기에 충분히 낮을 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 특정 용도에 의존하여 필요한 대로 장착부의 다른 전기적 충격 보호 등급을 달성하는데 유용할 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되어야 한다.

예를 들어, 누출 전류의 양은 도 5에서 Ctotal_5로서 도시된, 장착부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스의 함수이다. 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템(500)에서와 같이, Ctotal_5은 상당 부분에서, Cstray_5(어스 접지부에 대한 내시경 시스템(500)의 다양한 요소들의 표류 커패시턴스), Cbox_5(회로 봉지부(553)와 어스 접지부 사이의 커패시턴스), 및 Ciso_5(회로 봉지부(553) 내의 회로와 어스 접지부 사이의 커패시턴스; Ciso_5a는 광학 송수신기 회로(560)에 대한 것이고, Ciso_5b는 격리된 전력 트랜스포머(565)에 대한 것임)의 합이고, 이는 이러한 커패시턴스들이 내시경 카메라(500)의 요소/회로와 어스 접지부 사이에서 병렬이기 때문이다. 따라서, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, Ctotal_5는 부분적으로 내시경 시스템(500) 내의 다양한 회로(예컨대, 전자 영상 센서(515) 및 전달 라인(520, 521))에 대한 플로팅 접지부(525)의 사용에 의해 그리고 회로 봉지부(553)의 구성에 의해 제공되는 격리(Cbox_5); 내부 신호 데이터 라인(플로트 접지)을 외부 신호 데이터 라인(어스 접지)으로부터 격리되게 유지하는 광학 연결 광학 송수신기 회로(560)(Ciso_5a); 플로팅 회로를 위한 플로팅 접지 전력을 생성하는 격리된 전원(Ciso_5b)에 의해, 낮게 유지된다.

특히, 도 5를 참조하면, 플로팅 접지 회로와 어스 접지부 사이의 커패시턴스는 Cstray_5(장착부와 어스 접지부 사이의 표류 커패시턴스), Ciso_5(플로팅 회로와 출력/제어 신호 인터페이스 사이(Ciso_5a) 그리고 플로팅 회로와 전력 인터페이스 사이(Ciso_5b)의 접속부에서 발생되는 커패시턴스), 및 Cbox_5(회로 봉지부(553)와 접지 봉지부(505) 사이의 커패시턴스)를 포함한다. Ciso_5에 대해, 본 개시 내용의 다양한 실시예는 전자 영상 센서(515)와, 예를 들어, 의사 콘솔과 같은 외부 요소 사이에서 출력/제어 신호를 교환하기 위해, 예를 들어, 회로 봉지부(553) 내의 플로팅 회로(송수신기 회로(560))와 어스 접지 신호 전달 회로(예컨대, 광학 송수신기 회로(552)) 사이에서 광학 데이터 통신 링크를 가짐으로써, 상대적으로 낮은 Ciso_5를 유지한다 (도 5에서 Ciso_5a로서 도시됨). Ciso_5는 또한, 예를 들어, 격리된 전원/조절기를 사용함으로써 낮게 유지될 수 있다 ((도 5에서 Ciso_5b로서 도시됨). Cbox_5에 대해, 이는 회로 봉지부(553)와 접지 봉지부 사이의 커패시턴스가 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 방식으로 낮도록 회로 봉지부(553)를 형성함으로써 낮게 유지될 수 있다.

EMI 보호를 구비한 내시경 전자 센서 시스템

도 6은 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에 따른 내시경 시스템(600)을 도시한다. 내시경 시스템(600)은 내시경 샤프트(610)에 결합된 접지 봉지부(605), 및 내시경 샤프트(610)의 원위 단부에 배치된 전자 영상 센서(615)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 내시경 영상 포착 시스템(600)은 도 1에 도시된 원격 작동식 수술 시스템(100)과 같은 원격 작동식 수술 시스템의 도 1 및 도 2에 도시된 아암(120, 220)과 같은 환자측 조작기 아암에 장착될 수 있다. 도 6 및 아래에서 설명되는 설명이 내시경 영상 포착 시스템에 관한 것이지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 초음파 내시경 프로브, (예컨대, 동맥 혈압을 측정하기 위한) 압력 트랜스듀서를 사용하는 내시경 시스템, (예컨대, 위치 설정 및/또는 조향을 위한) 전자기 센서를 사용하는 내시경 시스템, 온도 센서를 사용하는 내시경 시스템, 화학 센서를 사용하는 내시경 시스템 등과 같은 다른 시스템을 포함할 수 있다.

내시경 시스템(600)은 전자 영상 센서(615)에 전력을 제공하기 위해 그리고 통신 인터페이스(640)를 통해 전자 영상 센서(615)와, 예를 들어, 도 1에 도시된 의사 콘솔(110) 및/또는 전자/보조 제어 카트(115)와 같은, 내시경 시스템(600)에 논리적으로 결합된 의사 콘솔 사이에서 출력/제어 및 화상 처리 신호를 교환하기 위해, 내시경 샤프트(610)를 따른 전력 전달 라인(620) 및 출력/제어 데이터 전달 라인(621)을 추가로 포함한다. 전력 전달 라인(620)이 단일 라인으로서 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 예시적인 실시예는 하나 이상의 전력 전달 라인을 포함할 수 있다. 또한, 출력/제어 데이터 전달 라인(621)이 단일 라인으로서 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 예시적인 실시예는 출력 데이터 및 제어 데이터를 위한 분리된 라인들, 또는 출력 및 제어 데이터 각각을 위한 복수의 라인들을 포함할 수 있다. 출력/제어 데이터 전달 라인(621)은 꼬임 쌍 구리 라인을 포함할 수 있다.

내시경 시스템(600)은 전달 라인(620, 621)을 둘러싸며, 전기 절연 재료(630)에 의해 전달 라인(620, 621)으로부터 분리되는 플로팅 접지부(625)를 추가로 포함한다. 재료(630)는 바람직한 유전성, 가요성, 및 강도 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전기 절연 재료(630)는 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않는다. 전기 절연 재료의 다른 적합한 비제한적인 예는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 실리콘, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 및 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)을 포함할 수 있다.

내시경 시스템(600)은, 예를 들어, 도 1에 도시된 전자/보조 제어 카트(115) 및 의사 콘솔(110)과 같은 원격 작동식 수술 시스템의 다른 요소와 데이터를 교환하기 위한 접지 봉지부(605) 내의 통신 인터페이스(640)를 추가로 포함한다. 내시경 시스템(600)은 외부 전력을 (예컨대, 도 3의 전원(350) 내에서와 같은) 전원으로부터 내시경 시스템(600)으로 제공하기 위한 접지 봉지부(605) 내의 전원 인터페이스(645)를 추가로 포함한다. 통신 인터페이스(640) 및 전력 인터페이스(645) 모두는 어스 접지되는 신호/전력을 운반하는 것으로 고려된다. 그러나, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 통신 인터페이스(640) 및 전력 인터페이스(645)는 내시경 시스템(600) 내에서 사용되는 플로팅 접지 기준(625)과 상이한 비어스 접지 기준에 기초하여 접지될 수 있다.

내시경 시스템(600)은 통신 인터페이스(640)와 전자 영상 센서(615) 사이에서 교환되는 신호를 처리하기 위해 통신 인터페이스(640)에 결합된 접지 봉지부(605) 내의 처리 회로(650)를 추가로 포함한다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않고, 신호 처리의 일부 또는 전부는, 예를 들어, 도 1에 도시된 전자/보조 제어 카트(115) 및 의사 콘솔(110)과 같은, 예를 들어 원격 작동식 수술 시스템의 다른 요소 내에서 발생할 수 있다.

다양한 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템(600)은 봉지된 요소들(즉, 송수신기 회로(660) 및 격리된 전원(665))을 EMI로부터 차폐하기 위해 플로팅 접지부(625)에 전기적으로 결합되는 접지 봉지부(605) 내의 패러데이 케이지(655)를 추가로 포함한다. 송수신기 회로(650)는 전자 영상 센서(615)와 출력/제어 전기 신호를 교환하기 위해 출력/제어 데이터 전달 라인(621)에 그리고 송수신기 회로(652)와 광학 신호를 교환하기 위해 처리 회로(650)의 광학 송수신기 회로(652)에 결합된다. 송수신기 회로(660), 및 (패러데이 케이지(655) 내에 봉지된) 송수신기 회로(660)와 (패러데이 케이지(655) 외부에 있으며 어스 접지될 수 있는) 처리 회로(650)의 송수신기 회로(652) 사이의 연결부의 사용은 (어스 접지될 수 있는) 처리 회로(650)로부터 (플로트 접지되는) 전달 라인(620, 621) 및 전자 영상 센서(615)를 격리시킨다. 그러나, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 그렇게 제한되지 않음이 언급된다. 예를 들어, 다양한 예시적인 실시예에서, 내시경 시스템은 광학 신호를 거쳐, 관련된 원격 작동식 수술 시스템의 요소와 같은 외부 요소와 데이터를 교환할 수 있고, 이러한 경우에, 광학 송수신기 회로(652)는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이 원하는 격리를 유지하면서 제거될 수 있다. 아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 이러한 격리는 전달 라인(620, 621) 내의 데이터 신호 라인을 따라 출력/제어 및 화상 처리 데이터 신호에 대한 EMI의 영향을 감소시킬 수 있다.

패러데이 케이지(655) 내의 격리된 전력 트랜스포머(665)는 전력 인터페이스(645)로부터 어스 접지 전력을 수신하도록 결합된다. 격리된 전원(665)은 아울러 전력 전달 라인(620) 및 플로팅 접지부(625)에 결합된다. 격리된 전력 트랜스포머(665)는 전력 인터페이스(645)로부터 수신된 어스 접지 전력을 전자 영상 센서(615)로 공급되는 플로트 접지 전력으로 변환한다. 이러한 방식으로, 외부 전원과 통신하는 전력 인터페이스(645)는 전력 전달 라인(620) 및 플로팅 접지부(625)로부터 격리된다. 내시경 시스템(600)이 전력 인터페이스(645)를 통해 공급받는 격리된 전력 트랜스포머(665)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 전력은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 내시경 시스템(600) 외부 또는 내부의 배터리를 통해 공급될 수 있다.

도 5의 설명을 참조한 상기와 같이, 누출 전류의 양은 도 6에서 Ctotal_6으로서 도시된, 장착부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스의 함수이다. Ctotal_6은 상당 부분에서, Cstray_6(어스 접지부에 대한 내시경의 다양한 요소의 표류 커패시턴스), Cbox_6(패러데이 케이지(655)와 어스 접지부 사이의 커패시턴스), 및 Ciso_6(패러데이 케이지(655) 내의 회로와 어스 접지부 사이의 커패시턴스(Ciso_6a는 송수신기 회로(660)에 대한 것이고, Ciso_6b는 격리된 전력 트랜스포머(665)에 대한 것임))의 합이고, 이는 이러한 커패시턴스들이 내시경 카메라(600)의 요소/회로와 어스 접지부 사이에서 병렬이기 때문이다. 따라서, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, Ctotal_6은 부분적으로 내시경 시스템(600) 내의 다양한 회로의 전기적 기준으로서 그리고 전력 트랜스포머(655)의 구성에 의해 제공되는 플로트 접지 회로의 격리로서 플로팅 접지부(625)의 사용에 의해 감소된다 (Ciso_6b). 예시적인 실시예에서, 플로팅 접지부(625)는 적어도 전자 영상 센서(615), 전달 라인(620, 621), 및 (송수신기 회로(660) 및 격리된 전력 트랜스포머(665)를 포함하는) 패러데이 케이지(655)를 포함하는 센서 시스템에 대한 전기적 기준으로서 역할한다.

도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 격리된 전력 트랜스포머(665)는 Ctotal_6으로서 도시된 플로팅 회로와 어스 접지부 사이의 커패시턴스에 비해 (Cpwr_6로서 도시된) 높은 커패시턴스를 제공한다 (즉, Cpwr_6 >> Ciso_6a + Ciso_6b + Cbox_6 + Cstray_6). 예시적인 실시예에서, Cpwr_6는 약 10마이크로패럿(microFarad: μF)이고; Ciso_6a는 약 10피코패럿(pF)이고; Ciso_6b는 약 20pF이고; Cbox_6는 약 100pF이고; Cstray_6는 약 50pF이며, 이는 약 55,000의 Cpwr_6 대 Ctotal_6 비율을 산출한다. 그러나, 본 개시 내용은 그렇게 제한되지 않고, 다양한 예시적인 실시예에서, Cpwr_6 대 Ctotal_6 비율은 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 55,000보다 더 높을 수 있고, 약 10,000 또는 그 이하로 낮을 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 이러한 커패시턴스 비율은 적어도 출력/제어 데이터 전달 라인(621)에 대한 EMI의 영향을 최소화한다.

예를 들어, 내시경 시스템(600)과 같은 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는, 예를 들어, 원격 수술 부위에서 내시경 샤프트에 매우 근접하여 작동되는 소작 또는 다른 EMI 발생 기기와 같은 외부 공급원으로부터 내시경 시스템으로 진입하는 EMI의 존재 시에 내시경 시스템의 성능을 개선할 수 있는 요소를 포함한다. 특히, 다양한 예시적인 실시예는 구성요소, 데이터 전달 라인, 및/또는 전력 전달 라인이 EMI에 의해 유도될 수 있는 임의의 전압 수준 변화에 의해 동일하게 영향을 받도록 보장하는 것을 돕기 위한 요소를 포함한다.

예를 들어, 상기 언급된 플로팅 접지부(625)는 전달 라인(620, 621), 전자 영상 센서(615), 및 패러데이 케이지(655) 둘레에서 연속적인 차폐부로서 구성되고, 따라서 그가 차폐하는 구성요소들이 EMI에 의해 유도될 수 있는 임의의 전압 수준 변화에 의해 대체로 동일하게 영향을 받도록 보장하는 것을 돕는다. 또한, Cpwr_6 대 Ciso_6의 상대적으로 큰 비율(즉, Cpwr_6 >> Ciso_6a + Ciso_6b)은 또한 모든 차폐되는 구성요소들이 EMI의 존재 시에 거의 동일한 전압에 있도록 보장하는 것을 돕는다.

아울러, 전달 라인들의 타이트한 전자기 결합은 전달 라인들 상에서 유도되는 전압이 거의 동일하도록 보장하는 것을 돕는다. 내시경 시스템의 구성요소(예컨대, 전자 영상 센서(615) 및 그러한 센서 시스템의 다른 구성요소) 내에서 유도되는 임의의 전압이 전달 라인들 상으로 거의 동일하게 유도되도록 보장하는 것은 내시경 시스템의 성능을 특히 개선하고, 적어도 이는 출력/제어 신호 데이터 라인들 내로 도입되는 간섭이 공통 모드로서 광학 송수신기 회로(660)에 출현하기 때문이다. 따라서, 전달 라인들 상에서 EMI에 기인하는 신호 수준 변화는 출력/제어 신호에 비해 낮게 유지되고, 따라서 EMI에 기인할 수 있는 송신/수신 문제가 감소된다.

또한, 예를 들어, 도 6에 도시된 내시경 시스템(600)의 구성과 같은 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예의 요소들의 구성은 영상 센서에 근접하여 작동하는 전기 소작 기기에 의해 유도될 수 있는 것과 같은 높은 전압 간섭의 존재 시에 플로팅 접지부(625) 상에서 유도되는 전류의 양의 (종래의 내시경 시스템에 대한) 상당한 감소를 허용한다. 예를 들어, 플로팅 접지부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스는 간섭 신호에 의해 커버되는 주파수 범위를 가로질러 제어될 수 있다. 구체적으로, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, Ctotal_6은 부분적으로 패러데이 케이지(655)에 의해 형성된다. 패러데이 케이지(655) 및 플로팅 접지 차폐부(625)는 Ctotal_6의 Cbox_6 및 Cstray_6 성분이 넓은 범위의 주파수를 가로질러 잘 제어되고 공진이 없도록 고주파 커패시터를 형성하도록 구성될 수 있다.

또한, 도 6에서 Cstray_6, Cbox_6, Ciso_6a, 및 Ciso_6b로서 도시된 커패시턴스를 상대적으로 낮게 유지하는 것은 전달 라인들 내의 상호 인덕턴스 결합을 통해 전달 라인(620, 621)들을 통해 교환되는 출력/제어 신호에 대한 차등 모드 간섭의 발생을 최소화한다. 임의의 잔류하는 차등 모드 간섭은 전달 라인(620, 621)들을 따라 출력/제어 및 처리 신호를 교환하기 위해 차등 신호화를 사용함으로써 그리고/또는 내시경 샤프트(610)를 따라 출력/제어 신호를 교환하기 위해 도체의 평형/꼬임 쌍을 사용함으로써 제거될 수 있다.

따라서, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 내시경 샤프트(610)의 원위 단부에서의 전자 영상 센서(615)와 같은 전자 구성요소와 내시경 시스템을 제어하고 그리고/또는 내시경 시스템과 관련된 데이터를 처리하기 위한 회로 사이에서 교환되는 출력/제어 신호에 대해 전체적으로 그리고/또는 넓은 범위의 주파수를 가로질러 EMI의 영향을 최소화 및/또는 제거한다.

낮은 누출 전류 및 EMI 보호를 생성하기 위한 내시경 시스템

위에서 언급된 바와 같이, 도 5에 도시된 예시적인 실시예와 같은 본 개시 내용의 다양한 실시예는 (공칭 230볼트 AC, 60Hz 어스 접지 전원으로부터 작동하기 위해, 약 500pF에 대응하는) IEC 60601-1 안전 표준 CF 등급을 달성할 수 있다. 그러나, (도 5에서 Ctotal_5로서 도시된) 낮은 장착부 대 어스 접지부 커패시턴스를 유지하는 것은 내시경 영상 센서와 같은 전기적 능동 요소를 구비한 내시경 시스템을 EMI에 취약하게 만들 수 있다. 특히, EMI는 내시경 영상 센서와, 예를 들어, 의사 콘솔 사이에서 내시경 샤프트를 따라 교환되는 출력/제어 신호 내에서 오류를 증가시킬 수 있는 종래의 전달 라인들을 따른 전압을 유도할 수 있다. 상대적으로 낮은 Ctotal_5를 유지하는 것으로 인한 EMI의 가능한 영향을 상쇄하기 위해, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, EMI 유도 전압은 도 5에 도시된 예시적인 실시예와 같이, IEC 60601-1 안전 표준 CF 등급을 달성할 수 있는 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예의 특징들을, 도 6에 도시된 예시적인 실시예와 같이, EMI의 존재 시에 내시경 시스템의 성능을 개선할 수 있는 다양한 예시적인 실시예의 특징들과 조합함으로써, 최소화될 수 있다.

도 7은 본 개시 내용에 따른 예시적인 실시예를 도시한다. 간단하게 하기 위해, 도 7은 도 5 및 도 6에서 이미 도시되고 그를 참조하여 설명된 복수의 요소를 포함한다. 그러한 요소들은 그들의 대응하는 도면에서 그들의 식별자에 따라 도 7에서 식별되고, 그들의 대응하는 설명은 간략함을 위해 본원에서 생략되었다. 적어도 도 7에 도시된 예시적인 실시예의 다음의 특징들은 (상대적으로 낮은 누출 전류를 달성하고 전기적 충격 보호 등급에 대한 요건을 만족시키기 위해) 어스 접지부에 대한 상대적으로 낮은 커패시턴스를 구비한 내시경 전자 센서 시스템을 실현하며, 또한 EMI 보호를 제공할 수 있다.

전력 인터페이스(545)로부터 수신된 어스 접지 전력을 전자 영상 센서(515)에 대한 플로팅 접지 전력으로 변환하는 격리된 전력 트랜스포머(565)에 대해 그리고 내시경 영상 센서(515)에 대해, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 Cpwr_6 >> Ciso_5이도록 그리고 또한 Cpwr_6 >> Ciso_5 + Cbox_5 + Cstray_5이도록 구성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 이는, 예를 들어, 전달 라인(520, 521)들과 같은 모든 차폐된 구성요소들이 EMI의 존재 시에 거의 동일한 수준의 유도 전압을 경험하도록 보장하는 것을 돕는다. 따라서, 예를 들어, 전달 라인(520, 521) 상에서 EMI에 기인하는 신호/전력 수준 변화는 출력/제어 신호에 대해 낮게 유지되고, 이는 EMI에 기인할 수 있는 송신/수신 문제점을 감소시킨다.

또한, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, 전달 라인(520, 521)은, 예를 들어, 도체들의 평형, 꼬임 쌍 세트에 의해 타이트하게 결합될 수 있다. 이는 전달 라인(520, 521)들이 EMI의 존재 시에 거의 동일한 전압에 있도록 보장하는 것을 돕고, 이는 수신기가 수신된 신호 데이터를 더 양호하게 식별하는 것을 도우므로, 전달 라인들 상에서 EMI에 기인할 수 있는 송신/수신 문제점을 감소시킨다.

아울러, 신호 라인들의 타이트한 결합을 출력/제어 데이터 신호의 차등 신호 전달과 조합하는 것은 (예를 들어, 전기 소작 기기의 높은 dv/dt와 같은) 신호 라인들에 근접한 높은 전압 변동(dv/dt)에 기인할 수 있는 차등 모드 간섭의 영향을 상쇄하고, 따라서 전달 라인 상에서 종래에 EMI에 기인하는 송신/수신 문제점을 추가로 최소화할 수 있다.

아울러, 광학 송수신기 회로(560) 및 격리된 전력 트랜스포머(565)를 봉지하기 위한 패러데이 케이지(655)의 사용은 EMI의 영향으로부터 이러한 구성요소들의 일부 차폐를 제공할 수 있다. 또한, 연속 차폐부로서의 플로팅 접지부(525)의 사용은 아울러 그가 차폐하는 구성요소(예컨대, 전달 라인(520, 521), 광학 송수신기 회로(560), 및 격리된 전력 전달부(565))들이 내시경 시스템 외부의 EMI에 의해 유도될 수 있는 임의의 전압 수준 변화에 의해 대체로 동일하게 영향을 받도록 보장하는 것을 돕는다.

아울러, 플로팅 접지부와 어스 접지부 사이의 커패시턴스는 간섭 신호에 의해 커버되는 주파수 범위를 가로질러 제어될 수 있다. 구체적으로, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, Ctotal_5는 부분적으로 패러데이 케이지(655)에 의해 형성된다. 패러데이 케이지(655) 및 플로팅 접지 차폐부(525)는 Ctotal_5의 Cbox_5 및 Cstray_5 성분이 넓은 범위의 주파수를 가로질러 잘 제어되고 공진이 없도록 고주파 커패시터를 형성하도록 구성될 수 있다.

그러므로, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 내시경 시스템의 장착부로부터 어스 접지부로의 낮은 커패시턴스를 유지한다. 또한, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 관련 내시경 샤프트를 따라, 예를 들어, 전달 라인 내로 EMI에 의해 유도되는 전압의 영향을 최소화한다. 아울러, 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예는 EMI에 의해 유도되는 전압의 영향을 최소화하면서 내시경 시스템의 장착부로부터 어스 접지부로의 낮은 커패시턴스를 유지한다.

상기의 예시적인 실시예 및 설명이 주로 원격 제어식 수술 적용예를 수행하기 위한 내시경 영상 포착 시스템을 포함하는 내시경 시스템에 초점이 맞춰졌지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시 내용은 제한되지 않으며, 본 개시 내용의 원리는 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이, 예를 들어, 수술 부위의 하나 이상의 특징을 포착하여 제공하기 위한 센서 시스템과 같은 다른 내시경 시스템 내에서 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, "외과적 시술", "수술 부위"라는 용어 및 이들의 변경예에 대해, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 교시가 또한, 예를 들어, 다양한 진단 및/또는 치료 시술과 같은, 원격 부위에서 수행되는 비외과적 시술에 적용됨을 이해할 것이고; 그러므로 "수술"이라는 용어는 외과적, 진단적, 및/또는 치료적 시술을 수행하기 위해 기기가 환자의 신체를 통해 환자 내의 원격 위치로 삽입되는 임의의 시술을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

본 발명의 다른 실시예가 본원의 개시 내용 및 청구범위의 명세서 및 실시예를 고려함으로써 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 명세서 및 예는 단지 예시적으로 고려되도록 의도되고, 본 발명의 진정한 범주 및 사상은 다음의 청구범위에 의해 표시된다.

Claims (17)

1. 내시경 시스템이며,
   근위 단부 및 원위 단부를 갖는 내시경 샤프트와,
   전기적 능동 센서 시스템과,
   센서 시스템에 대한 전기적 기준을 제공하도록 배열된 플로팅 접지 요소를 포함하고,
   전기적 능동 센서 시스템은,
   원위 단부에 근접하여 장착되어 원위 단부가 위치되어 있는 환경의 하나 이상의 특징을 감지하도록 위치된 센서와,
   센서에 결합된 송수신기를 포함하고,
   센서와 통신하는 하나 이상의 접지 요소로부터 센서를 격리시키도록 송수신기는 작동가능하게 결합되고,
   어스 접지부에 대한 센서 시스템의 커패시턴스는 심장 플로팅 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 전류 누출을 유지하는,
   내시경 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   센서 시스템은,
   센서와 송수신기 사이에서 데이터 신호를 전달하기 위해 센서에 연결된 데이터 신호 전달 라인과,
   전원으로부터 센서로 전력을 전달하기 위해 센서에 연결된 전력 전달 라인을 추가로 포함하는,
   내시경 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   센서 시스템에 전력을 제공하기 위해 전력 전달 라인 및 플로팅 접지 요소에 결합된 전력 조절기를 추가로 포함하고,
   전력 조절기는, 어스 접지 기준 전원으로부터 수신된 접지 기준 전력을 플로팅 접지 요소 기준 전력으로 변환하고, 플로팅 접지 요소 기준 전력을 전력 전달 라인을 통해 출력하도록 구성되는,
   내시경 시스템.
4. 내시경 시스템이며,
   근위 단부 및 원위 단부를 갖는 내시경 샤프트와,
   센서 시스템과,
   센서 시스템에 대한 전기적 기준을 제공하도록 배열된 플로팅 접지 요소를 포함하고,
   센서 시스템은,
   샤프트의 원위 단부에 근접하여 장착되어 원위 단부가 위치되어 있는 환경의 적어도 하나의 특징을 감지하도록 위치된 전기적 능동 센서와,
   센서와 신호 프로세서 사이에서 데이터 신호를 전달하기 위해 센서에 결합된 데이터 신호 전달 라인과,
   센서로 전력을 전달하기 위해 센서에 결합된 전력 전달 라인을 포함하고,
   데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달 라인 중 적어도 하나 내에서 내시경 시스템 외부의 전자기 간섭에 의해 유도되는 전압은, 플로팅 접지 요소 상에서 전자기 간섭에 의해 유도되는 전압과 실질적으로 유사한,
   내시경 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   센서 시스템, 데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달 라인에 대한 전자기 간섭 보호를 제공하도록 구성되는 전자기 차폐부를 추가로 포함하는,
   내시경 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   어스 접지부에 대한 센서 시스템의 커패시턴스는, 심장 플로팅 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 전류 누출을 유지하는,
   내시경 시스템.
7. 제2항 또는 제4항에 있어서,
   데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달 라인 각각으로부터 플로팅 접지 요소를 분리하는 전기 절연 재료를 추가로 포함하는,
   내시경 시스템.
8. 제2항 또는 제4항에 있어서,
   플로팅 접지 요소는, 데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달 라인을 둘러싸는 전도성 재료를 포함하는,
   내시경 시스템.
9. 제2항 또는 제4항에 있어서,
   데이터 신호 전달 라인은 차등 디지털 모드에 의해 데이터 신호를 전달하도록 구성되는,
   내시경 시스템.
10. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    데이터 신호 전달 라인 및 광학 인터페이스에 연결된 광학 송수신기를 추가로 포함하고,
    광학 송수신기는, 데이터 신호 전달 라인으로부터 입력 전자 신호를 수신하여, 광학 인터페이스를 통해 대응하는 출력 광학 신호를 출력하고,
    광학 송수신기는, 광학 인터페이스를 통해 입력 광학 신호를 수신하여, 데이터 신호 전달 라인을 통해 대응하는 출력 전자 신호를 출력하는,
    내시경 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    플로팅 접지 요소에 결합되어 광학 송수신기를 실질적으로 봉지하는 패러데이 케이지를 추가로 포함하는,
    내시경 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    어스 접지 기준 전원으로부터 센서 시스템으로 전력을 제공하기 위해 전력 전달 라인 및 플로팅 접지 요소에 연결된 전력 조절기를 추가로 포함하고,
    광학 송수신기 및 전력 조절기는 플로팅 접지 요소 기준인,
    내시경 시스템.
13. 제10항에 있어서,
    데이터 인터페이스와,
    광학 송수신기와 광학 신호를 교환하기 위해 광학 송수신기에 결합되고, 데이터 인터페이스를 통해 전기 신호를 교환하기 위해 데이터 인터페이스에 결합된 제2 광학 송수신기와,
    어스 접지 기준 전원으로부터 어스 접지 기준 전력을 수신하기 위한 어스 접지 기준 전력 인터페이스를 추가로 포함하는
    내시경 시스템.
14. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    어스 접지부에 대한 센서 시스템의 커패시턴스는, 60Hz의 교류 전류 하에서 공칭 230볼트를 제공하는 어스 접지 기준 전원의 조건 하에서 약 500pF 미만인,
    내시경 시스템.
15. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    센서는 전자 영상 센서를 포함하는,
    내시경 시스템.
16. 원격 부위에서 정보를 감지하기 위해 내시경 시스템을 사용하는 방법이며,
    원격 부위에서, 내시경 샤프트의 원위 단부에 근접하여 배치된 센서를 거쳐 원격 부위의 특징을 감지하는 단계와,
    감지 중에, 접지 기준 전원으로부터 전력 전달 라인을 거쳐 센서로 전력을 전달하는 단계와,
    감지 중에, 내시경 샤프트의 근위 단부에서 처리 회로로부터 데이터 신호 전달 라인을 거쳐 센서로 데이터 신호를 전달하는 단계와,
    원격 부위에 근접한 전자기 간섭에 응답하여, 데이터 신호 전달 라인 및 전력 전달 라인 내에서 유도되는 전압 수준 변화를 실질적으로 균등화하는 단계와,
    내시경 시스템의 하나 이상의 장착부로부터의 전류 누출을 심장 플로팅 등급의 요건을 만족시키는 수준으로 유지하는 단계를 포함하는,
    내시경 시스템을 사용하는 방법.
17. 삭제

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