KR102360482B1 - 원격 수술용 수술대 합치를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

머니퓰레이터 조립체와 독립적으로 배치가능한 수술대를 합치시키는 방법 및 시스템이 본 명세서에 제공된다. 하나의 실시형태에서, 상기 방법은 수술대의 특정 장소에 합치 장치를 부착시키는 것과 머니퓰레이터 조립체의 머니퓰레이터 아암을 합치 장치에 부착시키는 것과 머니퓰레이터 아암으로부터 조인트 상태 센서 지시 눈금값을 이용하여 머니퓰레이터 조립체에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것을 포함하고 있다. 다른 실시형태에서는, 합치를 위한 방법이 수술대와 머니퓰레이터 조립체 사이의 공간 관계를 결정하기 위해서 머니퓰레이터 조립체에 결합된 센서로 하나 이상의 광 마커 또는 라디오 마커를 추적하는 것을 포함하고 있다.

Description

원격 수술용 수술대 합치를 위한 방법 및 장치{METHODS AND DEVICES FOR TELE-SURGICAL TABLE REGISTRATION}

본 출원은 본 명세서에 전체 내용이 참고로 포함되어 있는 2014년 3월 17일자로 출원된 미국 가출원 제61/954,538호에 대한 우선권 주장 출원이다.

본 출원은 본 명세서에 전체 내용이 참고로 포함되어 있는 2014년 3월 17일자로 출원되고 발명의 명칭이 "수술대 자세 추적을 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Surgical Table Pose Tracking)"인 된 미국 가출원 제61/954,559호에 관한 것이다.

최소 침습 의료 기술은 진단 과정이나 수술 과정에서 손상되는 진단이나 수술과 무관한 조직의 양을 감소시켜서, 환자 회복 시간, 불편함, 그리고 유해한 부작용을 감소시키기 위한 것이다. 최소 침습 수술의 한 가지 효과는, 예를 들면, 수술후 병원에서의 회복 시간이 줄어든다는 것이다. 통상적인 개복 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간은 통상적으로 유사한 최소 침습 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간보다 상당히 길기 때문에, 최소 침습 기법을 많이 이용하면 병원비를 매년 수백만 달러를 절감할 수 있다. 미국에서 매년 수행되는 많은 수술이 아마도 최소 침습 방식으로 수행될 수 있지만, 최소 침습 수술 기기의 제한사항 및 최소 침습 수술 기기을 완전히 다루는 것과 관련된 부가적인 수술 교육으로 인해 현재 행해지는 수술의 일부분만 이러한 유리한 기법을 이용하고 있다.

외과의사의 솜씨를 향상시키고 종래의 최소 침습 기술의 제한사항들 중의 일부를 회피하도록 최소 침습 원격수술 시스템이 개발되고 있다. 원격수술에서, 외과의사는 손으로 수술 기기를 직접 쥐고 움직이는 것이 아니라, 수술 기기 움직임을 조종하기 위해 원격 제어장치의 몇 가지 형태(예를 들면, 서보기구 또는 이와 유사한 것)를 사용한다. 원격수술 시스템에서, 외과의사는 수술용 워크스테이션(surgical workstation)에서 수술 부위의 영상을 제공받을 수 있다. 외과의사는 디스플레이에 나타난 수술 부위의 2차원 영상 또는 3차원 영상을 관찰하면서, 서보 기계식 작동 기구의 운동을 제어하는 마스터 컨트롤 장치를 조작함으로써 환자에 대해 수술을 수행한다.

원격수술에 사용되는 서보기구는(외과의사의 두 손의 각각에 대해서 하나씩 배치된) 두 개의 마스터 컨트롤러로부터 입력을 종종 수용하고 각각에 대해서 수술 기기가 장착되는 두 개 이상의 원격 수술용 아암을 포함할 수 있다. 마스터 컨트롤러와 해당 머니퓰레이터 아암 및 수술 기기 조립체 사이의 수술 소통(operative communication)은 통상적으로 컨트롤 시스템을 통해서 이루어진다. 상기 컨트롤 시스템은 통상적으로 적어도 하나의 프로세서를 포함하고 있고, 상기 프로세서는, 예를 들면, 힘 피드백 등의 경우에 있어서 입력 명령을 마스터 컨트롤러로부터 해당 머니퓰레이터 아암 및 수술 기기 조립체로 그리고 다시 머니퓰레이터 아암 및 수술 기기 조립체로부터 해당 마스터 컨트롤러로 전달한다. 원격 수술 시스템의 한 가지 예는 미국 캘리포니아 써니베일에 있는 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)로부터 구입할 수 있는 다빈치(DA VINCI^®)시스템이다.

원격 수술 동안 수술 부위에 있는 수술 기기를 지지하기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용될 수 있다. 피구동 링크장치 또는 "슬레이브(slave)"는 종종 원격 수술용 머니퓰레이터라고 하며, 최소 침습 원격 수술 동안 원격 수술용 머니퓰레이터로서 사용되는 예시적인 링크장치가 미국 특허 제7,594,912호; 제6,758,843호; 제6,246,200호; 그리고 제5,800,423호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 이러한 링크장치는 샤프트를 가지고 있는 기구를 유지하기 위해서 종종 평행사변형 배치를 사용한다. 이러한 머니퓰레이터 구조는 상기 기구가 강성의 샤프트의 길이를 따라서 공간 내에 위치된 조종의 원격 중심에 대해서 피벗운동하도록 상기 기구의 이동을 제한할 수 있다. 조종의 원격 중심을 내부 수술 부위에 대한 절개 지점과(예를 들면, 복강경 수술 동안 복벽(abdominal wall)에 있는 투관침(trocar) 또는 캐뉼라와) 정렬시킴으로써, 복벽에 대해 잠재적으로 위험한 힘을 가하지 않으면서 머니퓰레이터 링크장치를 이용하여 상기 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 수술 기기의 엔드 이펙터가 안전하게 위치될 수 있다. 대체 형태의 머니퓰레이터 구조는, 예를 들면, 미국 특허 제7,763,015호; 제6,702,805호; 제6,676,669호; 제5,855,583호; 제5,808,665호; 제5,445,166호; 그리고 제5,184,601호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

원격 수술 동안 수술 부위에 있는 원격 수술용 머니퓰레이터와 수술 기기를 지지하고 위치시키기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용될 수 있다. 종종 세트업 조인트, 또는 세트업 조인트 아암이라고 칭해지는 지지용 링크장치 메카니즘이 각각의 머니퓰레이터를 위치시키고 환자의 신체의 각각의 절개 지점과 정렬시키기 위해서 흔히 사용된다. 상기 지지용 링크장치 메카니즘은 수술용 머니퓰레이터의 원하는 수술 절개 지점 및 목표 해부 구조와의 정렬(alignment)을 용이하게 한다. 예시적인 지지용 링크장치 메카니즘은 미국 특허 제 6,246,200호 및 제 6,788,018호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

상기와 같은 새로운 원격수술 시스템 및 장치는, 고도로 조정가능한 머니퓰레이터들 사이의 다양한 구성과 조정된 운동(coordinated movement)을 제공하여, 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 이러한 운동을 수술 환경에 맞게 하는 것은 어려운 일임을 알 수 있다. 따라서, 추가적인 개량이 바람직하다. 이러한 개선된 기술이 원격 수술 시스템의 이용의 효율성과 편의성을 향상시킨다면 특히 유익할 것이다. 예를 들면, 조종성을 높이고, 수술실에서의 공간 활용도를 향상시키고, 보다 신속하고 보다 용이한 세트업을 제공하고, 사용하는 동안 머니퓰레이터 충돌을 막고, 및/또는 이러한 새로운 수술 시스템의 기계적인 복잡성과 크기를 감소시키는 것이 특히 유익할 것이다.

아래의 설명은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해서 본 발명의 여러 실시례의 단순화된 개요를 제공한다. 이 개요는 본 발명의 광범위한 개관은 아니다. 아래의 설명은 본 발명의 핵심적인/중요한 요소를 확인하기 위한 것이거나 본 발명의 범위를 기술하기 위한 것은 아니다. 아래의 설명의 유일한 목적은 나중에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서론으로서 단순화된 형태로 된 본 발명의 여러 실시례를 제공하는 것이다.

본 발명은 대체로 향상된 원격 수술 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 동적 링크장치 구조 및 대응하는 제어 시스템은 환자에 대해 최소 침습 수술을 시행하는데 특히 유리하다. 이러한 최소 침습 수술은, 고도로 변경가능하고(highly configurable), 수술 환경 내에서 주어진 엔드 이펙터 위치에 대해 다양한 대체 구성을 각각 가지고 있는, 복수의 머니퓰레이터들 사이의 서로 관련되고 조정된 운동을 종종 이용한다. 다양한 이유로, 특정 수술에 대해서 환자를 특정 위치 및/또는 방향으로 배치시키는 것이 바람직할 수 있다. 추가적으로, 일부 수술에서는, 수술하는 동안 환자의 위치 및/또는 방향을 바꾸는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 예를 들면, 어떤 환자 위치 및/또는 방향은 수술 작업 공간 내의 특정 구역에 접근하는데 있어서 특히 유용할 수 있거나, 또는 다양한 생리적 이유로 수술하는 동안 환자가 특정 정렬상태로 (예를 들면, 하나 이상의 축을 따라서 경사지게) 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 많은 원격 수술 시스템이 머니퓰레이터 시스템으로부터 분리되어 있으며 복수의 자유도를 따라서 종종 독립적으로 배치가능한 수술대를 이용하기 때문에, 원격 수술용 머니퓰레이터의 작동 동안에, 특히 복수의 머니퓰레이터를 가지고 있는 시스템에서, 수술대의 다양한 위치가 약간의 난제를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 머니퓰레이터 시스템은, 수술대와 머니퓰레이터 조립체 사이의 공간 관계가 결정될 수 있고 수술용 머니퓰레이터의 운동을 계산하는데 이용될 수 있도록 수술대가 머니퓰레이터 조립체와 함께 "합치(registered)"될 수 있게 하는 수단을 가지는 것이 바람직할 것이다. 하나의 실시형태에서, 이러한 합치가 머니퓰레이터 조립체의 기존의 구조의 사용을 통하여 이루어질 수 있다면 바람직할 것이다. 다른 실시형태에서, 수술하는 동안 머니퓰레이터 조립체와 수술대 사이의 합치를 상실하지 않고 수술대가 이동될 수 있도록 이러한 합치가 동력학적으로 수행될 수 있다면 유용할 것이다. 하나의 실시형태에서, 본 명세서에 기술된 합치 장치와 방법은, 테스트, 시뮬레이션, 및/또는 세트업에 또는 지지 기판(supporting substrate)을 인접한 머니퓰레이터 또는 로봇 조립체와 합치시키는 다양한 산업적인 사용예에 사용될 수 있는 것과 같은, 비-수술적인 사용예를 포함하여 다양한 사용예에 적용될 수 있다.

합치 방법은 수술대의 합치 구조의 감지에 기초하여 머니퓰레이터 조립체에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것을 포함하고 있다. 상기 합치 구조는 머니퓰레이터 조립체에 대한 또는 공통 기준틀(common frame of reference)에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 다양한 접촉 또는 비접촉 수단을 포함할 수 있다. 한 가지 방법으로서, 상기 합치 구조가 머니퓰레이터 조립체의 머니퓰레이터가 수술대에 장착되는 특정 장소에서 수술대에 장착된 합치 장치를 포함하고 있다. 상기 합치 장치를 통하여 수술대에 부착된 머니퓰레이터의 감지된 조인트 상태가 상기 합치 장치의 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해서 사용될 수 있도록, 상기 합치 장치는 수술대의 1 이상의 자유도에 대응하는 1 이상의 자유도를 따라서 머니퓰레이터 아암의 운동을 제한하도록 구성되어 있다. 다른 방법으로서, 상기 합치 구조가 수술대의 외부에 있는 센서, 수술대에 부착된 리니어 인코더, 형상 센서, 또는 수술대와 머니퓰레이터 조립체 또는 외부 기준틀 사이의 공간 관계를 결정하는데 적합한 다양한 다른 구조에 의해 감지될 수 있는 하나 이상의 마커를 포함할 수 있다.

본 발명의 본질과 장점을 보다 잘 이해하기 위해서는, 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고하여야 한다. 본 발명의 다른 실시형태, 목적 그리고 장점은 아래의 상세한 설명과 도면에 의해 명확하게 될 것이다.

도 1은 다수의 실시례에 따른 수술을 수행하는데 사용되는 최소 침습 원격 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템용 외과의사의 컨트롤 콘솔의 사시도이다.
도 3은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템을 개략적으로 나타내고 있다.
도 5a는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템의 환자측 카트(수술용 로봇)의 부분도이다.
도 5b는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 공구의 정면도이다.
도 6은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 7은 다수의 실시례에 따른 다른 원격 수술 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7의 개략적인 사시도와 합치되는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템을 나타내고 있다.
도 9는 도 8의 원격 수술 시스템의 배향 플랫폼(orienting platform)에 대한 세트업 링크장치의 회전 방향 한계를 나타내고 있다.
도 10은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템용 붐 조립체(boom assembly)의 회전 한계와 관련된 무게 중심 다이어그램을 나타내고 있다.
도 11은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 예시적인 머니퓰레이터 조립체 및 합치 구조를 가지고 있는 배치가능한 수술대를 나타내고 있다.
도 12 내지 도 13c는 6 자유도를 따라서 예시적인 배치가능한 수술대를 나타내고 있다.
도 14는 합치하는 동안 합치 구조를 통하여 머니퓰레이터 아암이 수술대에 부착되는 상황의 도 11의 예시적인 머니퓰레이터 조립체를 나타내고 있다.
도 15a 및 도 15b는 각각 본 발명의 여러 실시형태에 따른 예시적인 합치 장치와 대응하는 캐뉼라를 나타내고 있다.
도 16a 및 도 16b는 각각 본 발명의 여러 실시형태에 따른 예시적인 합치 장치와 대응하는 캐뉼라를 나타내고 있다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 예시적인 합치 장치를 통하여 수술대에 부착된 머니퓰레이터 조립체의 머니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 18은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 합치 장치가 부착되는 수술대의 장소를 입력하고 상기 합치 장치를 통하여 어느 머니퓰레이터가 부착되는지를 확인하는 사용자 인터페이스의 예시적인 대화 상자를 나타내고 있다.
도 19는 수술대에 부착된 케이블 형상 센서를 포함하는 합치 구조를 가진 수술대를 나타내고 있다.
도 20은 수술대에 부착된 세 개의 리니어 스프링 인코더(linear spring-encoder)를 포함하는 합치 구조를 가진 수술대를 나타내고 있다.
도 21은 머니퓰레이터 조립체 또는 공통 기준틀과 결합된 외부 센서로 감지하는 세 개의 마커를 포함하는 합치 구조를 가진 수술대를 나타내고 있다.

아래의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시례를 기술한다. 설명을 위해서, 상기 실시례의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 구성 및 세부사항이 개시되어 있다. 그러나, 당해 기술 분야의 전문가에게는 특정의 세부사항 없이도 본 발명이 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 또한, 설명하는 실시례를 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 특징은 생략되거나 단순화될 수 있다.

본 명세서에 기술된 동적 링크장치 구조(kinematic linkage structure)와 컨트롤 시스템은 시스템 사용자가 원격 수술용 머니퓰레이터 구조를 특정 환자에 대해 배열시키는 것을 도와주는데 특히 유익하다. 치료하는 동안 조직 등과 상호작용하도록 사용되는 능동적으로 구동되는 머니퓰레이터와 함께, 원격 수술 시스템은 머니퓰레이터 구조를 지지하고 머니퓰레이터 구조를 수술 작업 부위와 정렬시키는 것을 도와주도록 구성되어 있는 하나 이상의 동적 링크장치 시스템을 가질 수 있다. 이러한 동적 시스템의 고도의 구성가능성은 많은 장점과 진보된 특징을 제공하지만, 머니퓰레이터 조립체의 머니퓰레이터 구조의 위치를, 특히 수술대가 머니퓰레이터 조립체와는 별도로 배치가능하게 되어 있을 때, 수술대와 같은 별개의 구성요소에 대해 배치시키는 것이 어려울 수 있다. 수술을 준비할 때나 수술 도중에 환자를 다양한 방향으로 또는 정렬상태로 배치시키는 것이 종종 유용하기 때문에, 머니퓰레이터 조립체에 대한 수술대 위치 및/또는 방향이 결정될 수 있고 계산된 머니퓰레이터 운동 또는 수술대 운동(자동 운동 또는 사용자 구동에 의한 운동)에 잠재적으로 이용될 수 있도록, 초기 세트업 동안이나, 수술 도중에 머니퓰레이터 조립체가 수술대와 합치될 수 있으면 바람직하다. 이러한 합치 방법(registration method)은, 비제한적인 예로서 다양한 영공간 운동과 충돌 회피 운동을 포함하여, 관련된 적용예에서 기술된 머니퓰레이터의 다양한 계산된 운동의 추가적인 활용을 허용하고, 머니퓰레이터 조립체의 임의의 머니퓰레이터 또는 대응하는 구성요소에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해서 추가적으로 이용될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에 기술된 합치 방법은, 2013년 12월 10일자로 출원되고 발명의 명칭이 "영상 포착 장치와 조종가능한 장치의 이동가능한 아암의 제어된 운동 동안 충돌 회피(Collision Avoidance During Controlled Movement of Image Capturing Device and Manipulatable Device Movable Arms)"인 미국 특허출원 제14/101,769호에 개시되어 있는 것들 중의 임의의 것과 같은 다양한 다른 실시형태 및 합치 구조와 함께 이용될 수 있고, 상기 문헌은 모든 면에서 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 본 명세서에 기술된 시스템, 장치 및 방법은, 이러한 특정 수술 시스템에 적용될 수 있지만, 본 명세서에 기술된 여러 실시형태에 따른 다양한 상이한 종류의 머니퓰레이터 시스템에 사용될 수 있다.

최소 침습 원격 수술

도면을 참고하면, 여러 도면에 걸쳐서 유사한 참고 번호가 유사한 부분을 나타내며, 도 1은 수술대(14)에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는데 통상적으로 사용되는 최소 침습 원격 수술(MIRS) 시스템(10)을 나타내는 평면도이다. 상기 최소 침습 로봇 수술 시스템은 수술을 하는 동안 외과의사(18)가 사용하는 외과의사의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 보조자(20)가 수술에 참여할 수도 있다. 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)은 환자측 카트(22)(수술용 로봇)와 전자장치 카트(24)를 더 포함할 수 있다. 환자측 카트(22)는 외과의사(18)가 콘솔(16)을 통하여 수술 부위의 영상을 관찰하면서 환자(12)의 신체의 최소 침습 절개부를 통하여 적어도 하나의 탈착가능하게 결합된 공구 조립체(26)(이하에서는, 단지 "공구" 라고도 한다)를 조작할 수 있다. 수술 부위의 영상은, 입체 내시경과 같은, 내시경(28)에 의해 얻을 수 있고, 내시경(28)은 내시경(28)을 특정 방향으로 향하게 하기 위해 환자측 카트(22)에 의해 조작될 수 있다. 외과의사의 콘솔(16)을 통하여 외과의사(18)에 대한 차후의 디스플레이를 위해 수술 부위의 영상을 처리하기 위해 전자장치 카트(24)가 사용될 수 있다. 한 번에 사용되는 수술 공구(26)의 갯수는 대체로 진단이나 수술 그리고 다른 요인들 중에서 수술실 내의 공간적인 제한사항에 따라 좌우된다. 수술 도중에 사용하고 있는 수술 공구(26) 중의 하나 이상을 교체할 필요가 있는 경우, 보조자(20)가 환자측 카트(22)로부터 수술 공구(26)를 제거하고, 이 수술 공구를 수술실의 트레이(30)에 있는 다른 수술 공구(26)와 교체할 수 있다.

도 2는 외과의사의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의사의 콘솔(16)은 깊이 인식을 가능하게 하는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사(18)에게 제공하는 왼쪽 눈 디스플레이(32) 및 오른쪽 눈 디스플레이(34)를 포함하고 있다. 외과의사의 콘솔(16)은 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 더 포함하고 있고, 이 입력 제어 장치는 환자측 카트(22)(도 1에 도시되어 있음)로 하여 하나 이상의 공구를 조작하게 한다. 입력 제어 장치(36)는 외과의사에게 원격현장감, 또는 외과의사가 상기 공구(26)를 직접 제어하고 있다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 상기 공구(26)와 일체로 되어 있다는 인식을 제공하기 위해서 대응하는 공구(26)(도 1에 도시되어 있음)와 동일한 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위해서, 입력 제어 장치(36)를 통하여 상기 공구(26)로부터의 위치, 힘, 그리고 촉각적인 느낌을 외과의사의 손으로 전달하기 위해서 위치 센서, 힘 센서, 그리고 촉각 피드백 센서(도시되어 있지 않음)가 사용될 수 있다.

외과의사가 직접 수술을 감시하고, 필요에 따라 직접 참석하고, 전화나 다른 통신 매체를 통하기보다 직접 보조자에게 말을 할 수 있도록 외과의사의 콘솔(16)은 통상적으로 환자가 있는 방과 같은 방에 배치되어 있다. 그러나, 외과의사가, 원격 수술을 가능하게 하는 다른 방, 완전히 다른 건물, 또는 환자로부터 떨어져 있는 다른 장소에 배치될 수 있다.

도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 결합될 수 있으며, 예를 들면, 외과의사의 콘솔, 또는 근처에 및/또는 이격되어 배치된 다른 적절한 디스플레이에서 외과의사에 대한 차후의 디스플레이를 위해 촬영된 영상을 처리하기 위해 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입체 내시경이 사용되는 곳에서, 전자장치 카트(24)는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사에게 제공하기 위해 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 상기 조정은 대립되는 영상들 사이의 얼라인먼트를 포함할 수 있고 입체 내시경의 입체 작동 거리(stereo working distance)를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 영상 처리는 광학적 수차(optical aberration)와 같은, 촬영 장치의 촬영 에러를 보상하기 위해 사전에 결정된 카메라 보정 파라미터의 사용을 포함할 수 있다.

도 4는 원격 수술 시스템(50)(예를 들면, 도 1의 MIRS 시스템(10))을 개략적으로 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 외과의사의 콘솔(52)(도 1의 외과의사의 콘솔(16)과 같은 것)은 최소 침습 수술을 하는 동안 환자측 카트(수술용 로봇)(54)(도 1의 환자측 카트(22)와 같은 것)를 제어하기 위해 외과의사에 의해 사용될 수 있다. 상기 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 포착하고 포착된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하기 위해서, 입체 내시경과 같은, 촬영 장치를 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 차후의 표시를 하기 전에 상기 포착된 영상을 다양한 방식으로 처리할 수 있다. 예를 들면, 전자장치 카트(56)는 외과의사의 콘솔(52)을 통하여 외과의사에게 합성된 영상을 나타내기 전에 상기 포착된 영상을 가상 제어 인터페이스(virtual control interface)와 오버레이(overlay)할 수 있다. 환자측 카트(54)는 전자장치 카트(56)의 외부에서 처리하기 위해 상기 포착된 영상을 출력할 수 있다. 예를 들면, 환자측 카트(54)는 상기 포착된 영상을, 포착된 영상을 처리하는데 사용될 수 있는 프로세서(58)에 출력할 수 있다. 상기 포착된 영상은, 포착된 영상을 공동으로, 순차적으로, 및/또는 이들의 결합 방식으로 처리하기 위해 함께 결합될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 결합체에 의해 처리될 수도 있다. 수술 부위의 영상, 또는 다른 관련 영상과 같은, 영상의 현지 표시 및/또는 원격 표시를 위해 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.

프로세서(58)는 통상적으로 하드웨어와 소프트웨어의 결합 형태를 포함할 것이고, 소프트웨어는 본 명세서에 기능적으로 기술된 제어의 방법 단계들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 코드 명령어를 수록하는 유형의 매체를 포함한다. 하드웨어는 통상적으로 하나 이상의 데이터 처리 보드를 포함하고, 이 데이터 처리 보드는 같은 장소에 배치될 수 있지만 본 명세서에 기술된 머니퓰레이터 구조들 사이에 분포된 구성요소를 종종 가질 것이다. 소프트웨어는 종종 비휘발성 매체를 포함할 것이고, 모놀리식 코드(monolithic code)를 포함할 수도 있지만 보다 통상적으로는 매우 다양한 분산 데이터 처리 아키텍쳐들 중의 임의의 것으로 선택적으로 작동하는 다수의 서브루틴을 포함할 것이다.

도 5a 및 도 5b는 환자측 카트(22) 및 수술 공구(62)를 각각 나타내고 있다. 수술 공구(62)는 수술 공구(26)의 한 예이다. 도시된 환자측 카트(22)는 세 개의 수술 공구(26)와 수술 부위의 영상을 촬영하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)의 조종을 제공한다. 조종은 다수의 조인트를 가지는 머니퓰레이터 기구에 의해 행해진다. 촬영 장치(28)와 수술 공구(26)는, 절개부의 사이즈를 최소화하기 위해서 운동학적인 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통하여 배치되고 조작될 수 있다. 수술 부위의 영상은, 수술 공구(26)의 원위 단부가 촬영 장치(28)의 시야 내에 위치되어 있을 때 수술 공구(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.

수술 공구(26)는 절개부, 인체 구멍(natural orifice), 피부 천공부(percutaneous penetration) 등과 같은 최소 침습 접근 개구를 통하여 관형상의 캐뉼라(64)를 삽입함으로써 환자 내부로 삽입된다. 캐뉼라(64)는 머니퓰레이터 아암에 장착되고 수술 공구(26)의 샤프트는 캐뉼라의 루멘(lumen)을 통과한다. 상기 로봇 머니퓰레이터 아암은 캐뉼라가 로봇 머니퓰레이터 아암에 장착되었다는 것을 나타내는 신호를 전송할 수 있다.

원격 수술 시스템 및 모듈형 머니퓰레이터 지지부

도 6은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템(70)의 개략적인 사시도이다. 상기 로봇 수술 시스템(70)은 장착 베이스(72), 지지 링크장치(74), 배향 플랫폼(76), 복수의 외부 세트업 링크장치(78)(2개 도시되어 있음), 복수의 내부 세트업 링크장치(80)(2개 도시되어 있음), 그리고 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)의 각각은 머니퓰레이터(82)에 장착되어 있으며 삽입 축을 따라서 환자 내부로 삽입가능한 수술 기기를 선택적으로 관절운동시키도록 작동할 수 있다. 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)의 각각은 상기 세트업 링크장치(78, 80) 중의 하나에 부착되어 지지되어 있다. 복수의 외부 세트업 링크장치(78)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 결합되어 있으며 배향 플랫폼(76)에 의해 지지되어 있다. 복수의 내부 세트업 링크장치(80)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정되게 부착되어 있으며 배향 플랫폼(76)에 의해 지지되어 있다. 배향 플랫폼(76)은 지지 링크장치(74)에 회전가능하게 결합되어 있으며 지지 링크장치(74)에 의해 지지되어 있다. 그리고 지지 링크장치(74)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있으며 장착 베이스(72)에 의해 지지되어 있다.

다수의 실시례에서, 장착 베이스(72)는 이동가능한 바닥 지지 구조로 되어 있어서, 예를 들면, 수술실 내에서 전체 수술 시스템(70)의 선택적인 재위치결정(repositioning)을 가능하게 한다. 장착 베이스(72)은 조종가능한 바퀴 조립체(steerable wheel assembly) 및/또는 장착 베이스(72)가 선택된 위치로부터 이동하는 것을 선택적으로 방지하는 것뿐만 아니라 선택적인 재위치결정을 제공하는 임의의 다른 적절한 지지 구조를 포함할 수 있다. 장착 베이스(72)는 다른 적절한 구성, 예를 들면, 천장 장착부(ceiling mount), 고정된 바닥/받침대 장착부(pedestal mount), 벽 장착부, 또는 임의의 다른 적절한 장착면에 의해 지지되도록 구성된 접속부를 가질 수도 있다.

지지 링크장치(74)는 배향 플랫폼(76)를 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 지지 링크장치(74)는 기둥 베이스(86), 병진운동가능한 기둥 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(boom base member)(92), 붐 제1 단 부재(94), 붐 제2 단 부재(96), 그리고 리스트 조인트(wrist joint)(98)를 포함하고 있다. 기둥 베이스(86)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있다. 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 기둥 베이스(86)에 대해 병진운동할 수 있도록 기둥 베이스(86)에 슬라이딩이동가능하게 결합되어 있다. 다수의 실시례에서, 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 수직방향으로 배향된 축을 따라서 기둥 베이스(86)에 대해 병진운동한다. 붐 베이스 부재(92)는 쇼울더 조인트(90)에 의해 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 회전가능하게 결합되어 있다. 쇼울더 조인트(90)는 붐 베이스 부재(92)를 기둥 베이스(86)와 장착 베이스(72)에 대해 일정한 각 방향(angular orientation)을 가지고 있는 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 대해 수평면으로 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 붐 제1 단 부재(94)는, 다수의 실시례에서 붐 베이스 부재(92)와 붐 제1 단 부재(94)의 양자 모두와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 붐 베이스 부재(92)에 대해 선택적으로 병진운동가능하다. 붐 제2 단 부재(96)는 마찬가지로, 다수의 실시례에서 붐 제1 단 부재(94)와 붐 제2 단 부재(96)의 양자 모두와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 붐 제1 단 부재(94)에 대해 선택적으로 병진운동가능하다. 따라서, 지지 링크장치(74)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제2 단 부재(96)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다. 리스트 조인트(98)는 붐 제2 단 부재(96)의 원위 단부를 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 결합시킨다. 리스트 조인트(98)는 배향 플랫폼(76)의 장착 베이스(72)에 대한 각 방향을 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다.

상기 세트업 링크장치(78, 80)의 각각은 대응하는 머니퓰레이터(82)을 배향 플랫폼(76)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 상기 세트업 링크장치(78, 80)의 각각은 세트업 링크장치 베이스 링크(100), 세트업 링크장치 연장 링크(102), 세트업 링크장치 평행사변형 링크장치부(104), 세트업 링크장치 수직 링크(106), 제2 세트업 링크장치 조인트(108), 그리고 머니퓰레이터 지지 링크(110)를 포함하고 있다. 외부 세트업 링크장치(78)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 작동을 통하여 배향 플랫폼(76)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. 도시된 실시례에서, 내부 세트업 링크장치(80)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정되게 부착되어 있다. 내부 세트업 링크장치(80)의 각각은 외부 세트업 링크장치와 유사하게 추가적인 제1 세트업 링크장치 조인트(84)를 통하여 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 부착될 수도 있다. 세트업 링크장치 연장 링크(102)의 각각은, 다수의 실시례에서 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크 및 세트업 링크장치 연장 링크(102)와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(100)에 대해 병진운동가능하다. 세트업 링크장치 평행사변형 링크장치부(104)의 각각은 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 수직으로 배향된 상태로 유지하면서 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 수직 방향으로 선택적으로 병진운동시키도록 구성되어 있고 작동할 수 있다. 예시적인 실시례에서, 세트업 링크장치 평행사변형 링크장치부(104)의 각각은 제1 평행사변형 조인트(112), 결합 링크(114), 그리고 제2 평행사변형 조인트(116)를 포함하고 있다. 제1 평행사변형 조인트(112)는 결합 링크(114)를 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 회전가능하게 결합시킨다. 제2 평행사변형 조인트(116)는 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 결합 링크(114)에 회전가능하게 결합시킨다. 세트업 링크장치 수직 링크(106)가 선택적으로 수직으로 병진운동하는 동안 세트업 링크장치 수직 링크(106)가 수직으로 배향된 상태를 유지시키기 위해서 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대한 결합 링크(114)의 회전이 결합 링크(114)에 대한 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 반작용 회전(counteracting rotation)과 대등하게 되도록 제1 평행사변형 조인트(112)는 제2 평행사변형 조인트(116)에 회전가능하게 결합되어 있다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)는 머니퓰레이터 지지 링크(110)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있고, 이것에 의해 대응하는 부착된 머니퓰레이터(82)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시킨다.

도 7은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템(120)의 개략적인 사시도이다. 상기 로봇 수술 시스템(120)은 도 6의 수술 시스템(70)의 구성요소들과 유사한 구성요소들을 포함하고 있기 때문에, 동일한 참고 번호가 유사한 구성요소에 대해 사용되고 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 상기 로봇 수술 시스템(120)에 적용할 수 있으므로 반복을 피하기 위해서 이 실시례에서는 생략한다. 상기 로봇 수술 시스템(120)은 장착 베이스(72), 지지 링크장치(122), 배향 플랫폼(124), 복수의 세트업 링크장치(126)(4개 도시되어 있음), 그리고 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)의 각각은 이 수술 기기 머니퓰레이터(82)에 장착되어 있으며 삽입 축을 따라서 환자 내부로 삽입가능한 수술 기기를 선택적으로 관절운동시키도록 작동할 수 있다. 복수의 수술 기기 머니퓰레이터(82)의 각각은 복수의 세트업 링크장치(126) 중의 하나에 부착되어 있으며 복수의 세트업 링크장치(126) 중의 하나에 의해 지지되어 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 결합되어 있으며 배향 플랫폼(124)에 의해 지지되어 있다. 배향 플랫폼(124)은 지지 링크장치(122)에 회전가능하게 결합되어 있으며 지지 링크장치(122)에 의해 지지되어 있다. 그리고 지지 링크장치(122)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있으며 장착 베이스(72)에 의해 지지되어 있다.

지지 링크장치(122)는 배향 플랫폼(124)을 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 지지 링크장치(122)는 기둥 베이스(86), 병진운동가능한 기둥 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(92), 붐 제1 단 부재(94), 그리고 리스트 조인트(98)를 포함하고 있다. 지지 링크장치(122)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제1 단 부재(94)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다. 리스트 조인트(98)는 붐 제1 단 부재(94)의 원위 단부를 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 결합시킨다. 리스트 조인트(98)는 배향 플랫폼(124)의 장착 베이스(72)에 대한 각 방향을 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다.

복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 대응하는 수술 기기 머니퓰레이터(82)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 세트업 링크장치 베이스 링크(100), 세트업 링크장치 연장 링크(102), 세트업 링크장치 수직 링크(106), 제2 세트업 링크장치 조인트(108), 토네이도 메카니즘 지지 링크(128), 그리고 토네이도 메카니즘(tornado mechanism)(130)을 포함하고 있다. 세트업 링크장치(126)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 대응하는 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 작동을 통하여 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. Each of the 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 각각은 대응하는 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대해 수직 방향으로 선택적으로 병진운동가능하다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)는 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다.

토네이도 메카니즘(130)의 각각은 토네이도 조인트(132), 결합 링크(134), 그리고 머니퓰레이터 지지부(136)를 포함하고 있다. 결합 링크(134)는 머니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 조인트(132)에 고정되게 결합시킨다. 토네이도 조인트(130)는 머니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 축(136) 둘레로 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)에 대해 회전시키도록 작동할 수 있다. 토네이도 메카니즘(128)은 머니퓰레이터(82)의 원격 조종 중심(RC)이 토네이도 축(136)에 의해 교차되도록 머니퓰레이터 지지부(134)를 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 따라서, 토네이도 조인트(132)의 작동은 대응하는 원격 조종 중심(RC)을 환자에 대해 이동시키기 않고서 대응하는 수술 기기 머니퓰레이터(82)를 환자에 대해 재배향시키기 위해서 사용될 수 있다.

도 8은 도 7의 원격 수술 시스템(120)의 개략도와 합치되는 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템(140)의 개략도이다. 상기 원격 수술 시스템(140)은 도 7의 원격 수술 시스템(120)와 합치되기 때문에, 유사한 구성요소에 대해서 동일한 참고 번호가 사용되며 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 상기 원격 수술 시스템(140)에 적용될 수 있으므로 반복을 피하기 위해 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 이 실시례에서는 생략한다.

지지 링크장치(122)는 다중 세트업 구조 축 방향의 지지 링크장치(122)의 링크들 사이의 상대 이동을 통하여 배향 플랫폼(124)을 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제1 세트업 구조(SUS) 축(142)을 따라 기둥 베이스(86)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 쇼울더 조인트(90)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제2 세트업 구조(SUS) 축(144) 둘레로 붐 베이스 부재(92)를 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 붐 제1 단 부재(94)는 다수의 실시례에서 수평으로 배향되어 있는 제3 세트업 구조(SUS) 축(146)을 따라 붐 베이스 부재(92)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 리스트 조인트(98)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제4 세트업 구조(SUS) 축(148) 둘레로 배향 플랫폼(124)을 붐 제1 단 부재(94)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다.

복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 다중 세트업 조인트(SUJ) 축 방향의 세트업 링크장치(126)의 링크들 사이의 상대 이동을 통하여 대응하는 머니퓰레이터(82)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 각각은 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제1 세트업 조인트(SUJ) 축(150) 둘레로 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(100)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 세트업 링크장치 연장 링크(102)의 각각은 다수의 실시례에서 수평으로 배향되어 있는 제2 세트업 조인트(SUJ) 축(152)을 따라 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(10)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 각각은 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제3 세트업 조인트(SUJ) 축(154)을 따라 대응하는 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)의 각각은 제3 세트업 조인트(SUJ) 축(154) 둘레로 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 토네이도 조인트(132)의 각각은 대응하는 수술 기기 머니퓰레이터(82)를 대응하는 토네이도 축(138) 둘레로 회전시키도록 작동할 수 있다.

도 9는 다수의 실시례에 따른 세트업 링크장치(126)의 배향 플랫폼(124)에 대한 회전 방향 한계를 나타내고 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각이 배향 플랫폼(124)에 대해 시계방향 한계 배치상태(clockwise limit orientation)로 도시되어 있다. 대응하는 반시계방향 한계 배치상태(counter-clockwise limit orientation)는 수직으로 배향된 거울면에 대해 도 9의 거울상에 의해 나타내진다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 두 개의 내부 세트업 링크장치(126)의 각각은 한 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 5도에서 반대 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 75도까지 배향될 수 있다. 그리고 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 두 개의 외부 세트업 링크장치의 각각은 대응하는 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 15도에서 95까지 배향될 수 있다.

사용시에, 수술 보조자, 외과 의사, 기술적 지원자, 또는 다른 사용자가 세트업 구조 링크장치, 세트업 조인트, 및/또는 각각의 머니퓰레이터를 포함하여, 원격 수술 시스템(140)의 링크장치의 일부 또는 전부를 수술을 위해 구성하는 것이 종종 바람직할 것이다. 이러한 링크장치를 구성하는 작업에는 리스트 조인트(98)의 수직방향의 제4 SUS 축(148)을 중심으로 제1 단 부재(94)에 대해서 배향 플랫폼(124)을 배치시키는 것이 포함될 것이다. 조인트 구동 모터(121)와 브레이크 시스템(123)의 양자를 포함하는 하나의 예시적인 실시례에서, 조인트 구동 모터(121) 및/또는 브레이크 시스템(123)이 리스트 조인트(98)에 결합된다. 추가적으로, 조인트 센서 시스템이 리스트 조인트(98)의 각도 배치형태 또는 위치를 감지할 것이다.

사용하기 위해 상기 시스템을 수동으로 구성하는 예시적인 사용자 인터페이스, 시스템 및 방법이, 화살표 127에 의해 개략적으로 표시되어 있는 것과 같이, 제4 SUS 축(148)에 대한 리스트 조인트(98)의 관절운동에 의한 배향 플랫폼(124)의 수동 관절운동과 관련하여 본 명세서에서 설명될 것이다. 대체 실시례는, 상기 세트업 구조의 하나 이상의 대체 조인트, 상기 세트업 조인트의 하나 이상, 또는 상기 머니퓰레이터 링크장치의 조인트의 하나 이상을 포함하는 전체 동적 시스템의 하나 이상의 대체 조인트를 관절운동시키도록 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 전동식 리스트 조인트 실시례를 관절운동시키는 예시적인 실시례의 사용방법은 사용자가 머니퓰레이터(82)를 효율적으로 배치시킬 수 있게 한다. 본 명세서에 기술되어 있는 것과 같이 리스트 조인트(98)의 수동 관절운동은, 머니퓰레이터(82)를, 도 5b에 도시되어 있는 것과 같은, 자신의 대응하는 캐뉼라(64)에 수동으로 결합시키면서 속력과 사용의 편의성을 향상시킬 수 있다.

도 10은 다수의 실시례에 따른 원격 수술 시스템(160)용 지지 링크장치의 회전 한계와 관련된 무게 중심 다이어그램을 나타내고 있다. 원격 수술 시스템(160)의 무게 중심(162)이 원격 수술 시스템(160)의 지지 링크장치(164)에 대해 한 쪽으로 최대 한도로 이동되도록 위치되고 배향된 원격 수술 시스템(160)의 배치형태에서는, 장착 베이스의 소정의 안정성 한계를 넘어서는 것을 방지하기 위해서 지지 링크장치(164)의 쇼울더 조인트가 세트업 구조(SUS) 쇼울더-조인트 축(166) 둘레로 상기 지지 구조(164)의 회전을 제한하도록 구성될 수 있다.

도 11은 대응하는 세트업 구조 링크장치(126)에 의해 지지된 다중 머니퓰레이터 아암(82)을 가진 환자측 카트(22)를 포함하는 예시적인 시스템의 개략도를 나타내고 있는데, 상기 세트업 구조 링크장치(126)의 아래에 수술대(200)가 배치되어 있다. 어떤 실시형태에서, 수술대(200)는 이 수술대가 환자측 카트(환자측 카트)와 별도로 배치가능하고, 종종 환자측 카트와 독립적으로 배치가능하도록 환자측 카트로부터 분리된 구조이다. 하지만, 어떤 다른 실시형태에서는, 본 명세서에 기술된 합치 방법이 별도로 배치가능한 수술대를 머니퓰레이터의 계산된 운동과 조율하여 제어되게 할 수 있어서, 상기 수술대가 별도로 배치가능한 것으로 남아 있지만 상기 운동이 상기 시스템에 의해 조정될 수 있기 때문에 더 이상 독립적으로 배치가능한 것으로 간주되지 않을 수 있다는 것을 알아야 한다. 다수의 실시례에서, 수술대(200)는 지지 베이스(202)에 부착된 지지 기둥(204)에 의해 지지된 수술대 환자 지지면(210)을 포함하고 있다. 상기 시스템은 합치 구조(300)를 더 포함하고 있고, 상기 합치 구조는, 환자측 카트의 머니퓰레이터와 수술대 환자 지지면(210) 사이의 공간적인 관계가 계산된 머니퓰레이터 운동 또는 명령된 수술대 운동에서 결정될 수 있고 이용될 수 있도록 상기 시스템이 수술대를 환자측 카트에 대해 합치되게 해 준다. 합치 구조(300)는 이어지는 도면에 도시되고 기술된 다양한 다른 구조를 포함할 수 있지만, 도 11은 아래에 보다 상세하게 기술된 수술대 장착식 합치 장치(table-mounted registration device)(310)를 포함하는 합치 구조를 나타내고 있다.

도 12는 수술용 머니퓰레이터 시스템용 예시적인 수술대(200)를 나타내고 있다. 상기 수술대(200)는, 작동시에 수술대 윗면을 원하는 위치 및/또는 방향으로 이동시키는 하나 이상의 조인트(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 조인트는 구동되는 조인트(driven joint), 수동으로 관절운동되는 조인트(manually articulated joint), 또는 이들의 결합형태를 포함할 수 있다. 이러한 조인트는, 본 명세서에 기술된 것과 같은, 회전가능한 피벗 조인트뿐만 아니라 병진운동가능한 조인트, 예를 들면, 유압식 기계(hydraulics)를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 조인트는, 필요에 따라, 환자측 보조자 또는 마취과 의사에 의해 조정될 수 있거나, 외과 의사 콘솔로부터 더 원격지의 사용자, 예를 들면, 내과 의사에 의해, 또는 자율적 알고리즘(autonomous algorithm)에 따르거나 환자 호흡 등과 같은 생리적 운동에 대한 보상 운동(compensating movement)과 같은 하나 이상의 계산된 운동에 따라 상기 시스템에 의해 조정되도록 구성될 수 있다.

수술대(200)는 지지 베이스(202)로부터 수직으로 뻗은 지지 기둥(204)에 의해 지지된 수술대 환자 지지면(210)을 포함하고 있다. 통상적으로, 수술대(200)는 적어도 하나의 자유도를 따라 바람직하게는 복수의 자유도를 따라, 그리고 더욱 더 바람직하게는 6 자유도를 따라 배치가능하다. 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 예시적인 수술대(200)는 x-축, y-축을 따라서, 그리고 z-축을 따라서 수직방향으로 서로 직교하는 3개의 상이한 방향으로 병진이동될 수 있고, 또한 환자 지지면(210)의 길이를 따라서 뻗은 축(214)에 대해서 피벗운동할 수 있고, 환자 지지면(210)의 폭을 따라서 뻗은 축(216)에 대해서 피벗운동할 수 있고, 그리고 수직으로 뻗은 축(212)에 대해서 피벗운동할 수 있다. 비록 피벗 축(212, 214, 216)이 한 점에서 교차하는 것을 도시되어 있지만, 이 피벗 축들은 반드시 교차하는 것은 아닐 수 있다. 이러한 피벗 운동은 도 13a 내지 도 13c에 도시되어 있다. 따라서, 예시적인 수술대(200)는 6 자유도를 따라 배치가능하다. 이러한 6 자유도에 의해 허용된 환자 지지면(210)의 이러한 다양한 위치 및/또는 방향은 환자의 원하는 위치, 방향 또는 경사도를 달성하기 위해서 초기 세트업 동안 이용될 수 있거나 어떤 이유로 환자를 다른 장소로 옮길 필요가 있는 수술 도중에 이용될 수 있다. 수술대가 동일한 방향으로 다양한 다른 축을 따라서 피벗 운동을 제공할 수 있도록, 피벗 운동은 도시된 특정 축을 중심에 두고 있을 필요는 없고, 이로 인해 수술대 윗면이 수술대 윗면이나 수술대 윗면에서 벗어난 다양한 위치에 대해서 피벗 운동을 제공할 수 있게 되는 것을 알 수 있다. 몇 가지 실시례에서는, 수술대가, 최소 침습 구멍 내로 기구가 삽입될 때 통과하는 캐뉼라나 그 근처에 있는 등각점(isocenter)에 대해서 상기와 같은 운동을 제공하도록 구성되어 있다.

이러한 수술대의 고도의 구성가능성(configurability)은 환자를 배치시키는데 있어서 많은 장점과 융통성을 제공하는 반면에, 이러한 구성가능성은 머니퓰레이터 아암 및 결합된 공구의 운동을 계산하는데 있어서 추가적인 난제를 더 부과할 수 있다. 예를 들어, 수술대가 경사지게 배치되면, 공구 또는 이 공구를 지지하는 대응하는 머니퓰레이터의 특정 운동이 환자 또는 환자 지지면과 충돌을 유발할 수 있다. 이러한 충돌을 피하기 위해서 다양한 방법이 사용될 수 있지만, 머니퓰레이터의 운동이 수술대의 위치를 고려하기 위해 및/또는 수술 도중에 수술대의 이동 및/또는 재배치를 보상하기 위해서 계산될 수 있도록 환자측 카트의 머니퓰레이터에 대한 수술대의 위치가 결정되면 특히 유용하다. 이러한 결정을 가능하게 하기 위해서, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 방법 및 시스템은 수술대와 환자측 카트 사이의 공간 관계가 필요에 따라 다양한 계산된 운동에서 결정되고 이용될 수 있도록 수술대와 환자측 카트 사이의 합치를 제공한다.

합치는 다양한 다른 방법, 예를 들면, 수술대와의 접촉을 포함하는 방법과 수술대와 직접적인 물리적 접촉을 요하지 않는 방법을 이용하여 실행될 수 있다. 이러한 방법들의 각각은 특정 시스템 또는 적용예에 대해서 특정 장점을 제공할 수 있지만, 한 방법이 비접촉에 기초한 방법 외에 접촉에 기초한 방법의 여러 실시형태를 포함할 수 있도록 이들 방법의 임의의 실시형태가 수정 및/또는 결합될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이들 방법의 예는 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다.

접촉에 기초한 합치

머니퓰레이터 접촉

한 가지 방법에 있어서, 합치는 환자측 카트와 수술대 사이의 촉진된 접촉에 의해 실행된다. 합치 방법은 하나 이상의 장소에서 수술대를 환자측 카트의 구성요소와 접촉시키는 것과 환자측 카트에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이것은 환자측 카트와 수술대의 양자에 대해 알려지거나 결정가능한 관계를 가지는 공통 기준틀 또는 환자측 카트의 기준틀에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것에 의해서 달성될 수 있다.

하나의 실시형태에서, 수술대와의 접촉은 수술대의 위치 및/또는 방향이 장소 구성요소의 결정된 상태에 의해 결정될 수 있도록 복수의 장소를 환자측 카트와 관련된 하나 이상의 장소 구성요소와 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 머니퓰레이터 아암은 환자측 카트 또는 대응하는 기준틀에 대한 수술대의 접촉 지점의 장소를 결정하기 위해 머니퓰레이터의 하나 이상의 조인트 센서를 이용하는 것에 의해서 합치 목적을 위한 장소 구성요소로서 기능할 수 있다. 수술대의 기하학적 구조가 알려지면, 수술대의 위치 및/또는 방향은 작은 수의 접촉 지점, 예를 들면 세 개의 접촉 지점에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 수술대의 기하학적 구조가 알려지지 않으면, 수술대의 경계를 결정하기 위해서 추가적인 접촉 지점, 예를 들면, 적어도 네 개의 접촉 장소(예를 들면, 직사각형 수술대 환자 지지면의 각각의 변의 한 개의 접촉 장소 또는 각각의 모서리의 한 개의 접촉 장소)가 사용될 수 있다. 사용된 접촉 장소는 수술대의 기하학적 구조에 따라 다를 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 어떤 수술대는 의자의 위치 또는 방향을 결정하기 위해서 추가적인 접촉 장소가 활용될 수 있도록 서로에 대해 이동가능한 복수의 평면(예를 들면, 치과의사의 의자)을 포함할 수 있다. 대체 실시형태로서, 복수의 평면을 가지는 의자의 감지된 조인트 상태는 머니퓰레이터 조립체에 대한 의자의 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해서 본 명세서에 기술된 임의의 합치 구조와 함께 사용될 수 있다.

다른 실시형태에서는, 수술대와의 접촉은 단일 장소와 하나의 장소 구성요소를 접촉시키는 것과 대응하는 자유도를 따라서 상기 장소 구성요소의 이동을 제한함으로써 수술대의 1 이상의 자유도를 따라서 위치 및/또는 방향을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 합치 구조(300)는 머니퓰레이터(82)의 원위 부분이 탈착가능하게 결합될 수 있는 수술대 장착식 합치 장치(310)이다. 머니퓰레이터(82)가 합치 장치(310)와 결합되면, 수술대의 대응하는 자유도에서의 수술대의 위치 및/또는 방향이 머니퓰레이터의 조인트 센서로부터 결정될 수 있도록 머니퓰레이터(82)의 이동이 복수의 자유도를 따라 제한된다.

도 15a는 수술대-장착부 부분(312)과 머니퓰레이터(82)의 원위 부분의 캐뉼라 장착부와 탈착가능하게 결합하도록 구성된 캐뉼라 장착부 노브(314)를 가진 예시적인 수술대 장착식 합치 장치(310)를 나타내고 있다. 캐뉼라 장착부 노브(314)는, 머니퓰레이터(82)의 캐뉼라 장착부가 부착되도록 되어 있는, 캐뉼라(64)(도 15b에 도시되어 있음)의 크기에 따라 형성된 중실 원기둥 요소일 수 있다. 하나의 실시형태에서, 상기 노브는 전체 내용이 모든 목적을 위해서 본 명세서에 포함되어 있는 미국 특허 제8,182,469호에 개시된 캐뉼라 장착부 클램프 내에 수용되도록 구성되어 있다. 이것은 머니퓰레이터가 장소 구성요소로서 기능할 수 있도록 머니퓰레이터(82)의 기존의 캐뉼라 장착부를 합치 장치(310)와 결합되게 하고, 조인트 상태 센서는 머니퓰레이터의 운동이 제한되는 방향에 의해 수술대의 장소와 방향을 결정하기 위해서 사용된다. 도 15b를 참고하여 알 수 있는 것과 같이, 머니퓰레이터의 캐뉼라 장착부 부분의 운동은 각각의 피벗운동 방향(다시 말해서, 요잉운동 방향, 롤링운동 방향 및 피칭운동 방향)으로 뿐만 아니라 각각의 병진운동 방향으로 제한된다. 캐뉼라 장착부 노브(314)는 수술대-장착부 부분(312)을 포함하고 있고, 상기 수술대-장착부 부분은, 합치 장치를 통하여 수술대에 부착된 경우에 수술대의 6 자유도의 각각이 머니퓰레이터의 조인트 상태 센서로부터 결정될 수 있도록 캐뉼라 장착부의 회전 운동을 제한하기 위해서 노브(314)로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 돌출되어 있는 방향 키(orientation key)(316)와 수술대의 사이드-바(side-bar)에 장착된다. 이 구조는 머니퓰레이터의 캐뉼라 장착부의 컨텍스트(context) 내에 기술되어 있지만, 합치 장치(310)는 수술대와 환자측 카트와 해당 머니퓰레이터 사이의 공간 관계의 결정을 가능하게 하기 위해 이들 사이에 뻗어 있는 구성요소(심지어 임시로 부착된 구성요소) 또는 환자측 카트의 임의의 머니퓰레이터의 임의의 부분에 부착되도록 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 16a는 수술대-장착부 부분(312)과 다른 종류의 캐뉼라(64')에 대응하는 캐뉼라 장착부 요소(314')을 가진 다른 예의 수술대 장착식 합치 장치(310)를 나타내고 있다. 이와 같이, 특정 머니퓰레이터 시스템의 기존의 구조를 이용하여 합치시키는 것을 가능하게 하기 위해서 수술대 장착식 합치 장치를 특정 머니퓰레이터 시스템에 사용된 캐뉼라와 유사하게 제작함으로써 도 15a와 관련하여 기술된 방법은 다양한 종류의 머니퓰레이터 시스템에 사용될 수 있다. 도 16a는 또한 수술대-장착식 장치(310)를 수술대에 부착시키는 수단을 더욱 상세하게 나타낸다. 수술대-장착식 합치 장치가 다양한 수단에 의해 수술대에 부착될 수 있지만, 이러한 장치가 수술대에 추가적인 구조의 변경이나 설치를 요하지 않고 부착될 수 있으면 특히 유용하다. 예를 들면, 수술대 환자 지지면(210)의 한 측 또는 양 측에 장착된 사이드-바(212)를 가진 수술대에서는, 합치 장치(310)가 사이드-바를 수술대에 장착하는 지지부뿐만 아니라 사이드-바와 결합함으로써 사이드-바에 장착되는 사이드-바 장착부(312)를 포함할 수 있다. 통상적으로 이러한 사이드-바(212)는, 양 측에 사이드-바(212)를 가지는 수술대에서, 상기와 같은 합치 장치(310)가 장착될 수 있는 네 개의 장소(예를 들면, 도 18 참고)가 있도록 사이드-바의 양 단부 근처에 있는 두 개의 측면방향의 지지부에 의해 수술대에 장착된다.

어떤 실시형태에서는, 수술대-장착식 합치 장치(310)를 알려진 장소에서 수술대에 부착시킴으로써, 수술대의 알려진 또는 추정된 기하학적 구조를 이용하여 수술대의 위치 및/또는 방향이 보다 정확하게 결정될 수 있다. 예를 들면, 도 18에 도시되어 있는 것과 같이, 합치 장치(310)가 부착될 수 있는 수술대 상의 네 개의 가능한 장소가 있으면, 수술대의 알려진 기하학적 구조와 알려진 장소에서 수술대에 장착된 합치 장치(310)에 부착된 머니퓰레이터로부터의 조인트 상태 센서 데이터를 이용하여, 통상적으로 1 센티미터 이내로, 수술대의 위치 및/또는 방향이 정확하게 결정될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 상기 시스템은, 사용자가 머니퓰레이터가 합치 장치와 결합되는 수술대의 장소뿐만 아니라 합치 장치가 부착되는 수술대의 장소를 입력(예를 들면, 도 18에 도시된 대화 상자 프롬프트(prompt)의 사용에 의해)하도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 시스템이, 예를 들면, 기계적인 수단, RFID, 소나(sonar) 또는 광 감지 수단(optical sensing means)의 사용에 의해, 머니퓰레이터가 합치 장치(310)와 결합되는 수술대의 장소뿐만 아니라 합치 장치(310)가 부착되는 수술대의 장소를 자동적으로 검출할 수 있다

도 17a 내지 도 17d는 수술대와 환자측 카트 사이의 합치를 용이하게 하도록 머니퓰레이터의 캐뉼라 장착부가 장착되고 수술대의 사이드-바(212)에 장착되는, 도 15a에 도시된 것과 유사한 수술대-장착식 합치 장치(310)의 추가적인 그림을 나타내고 있다.

리니어 인코더

대체 실시형태의 접촉에 기초한 방법에서, 스프링 장착식 리니어 인코더가 환자측 카트에 장착될 수 있다. 도 20에 도시되어 있는 것과 같이, 스프링 장착식 리니어 인코더(330)의 각각은, 수술대와 환자측 카트, 또는 관련된 구성요소의 사이에 뻗어 있도록 수술대의 측면에 있는 후크까지 늘려져서 상기 후크에 부착될 수 있다. 하나의 실시형태에서는, 환자측 카트에 대한 수술대의 위치와 자세 그리고 수술대의 위치와 자세를 결정하기 위해서 리니어 인코더로부터의 지시 눈금값(readings)이 삼각법으로 결정될 수 있도록 적어도 세 개의 리니어 인코더가 사용된다. 공통 외부 기준틀을 통하여 합치를 가능하게 하기 위해서, 상기와 같은 인코더가 수술대과 외부 기준틀, 예를 들면, 수술실의 바닥 사이에 뻗어 있도록 사용될 수도 있다는 것을 또한 알 수 있다. 이러한 방법은 수술하는 동안 수술대의 위치 및/또는 방향의 결정을 가능하게 하고 머니퓰레이터들 중의 하나의 머니퓰레이터의 사용을 필요로 하지 않고 수술 내내 합치를 유지시키기 위해서 결합전 합치(pre-docking registration)가 이루어지는 기간 이내에 처음에 사용될 수 있거나 상기와 같은 인코더가 부착된 상태로 있을 수 있다.

비-접촉에 기초한 합치

형상 센서

한 가지 방법에 있어서, 상기 시스템은 형상 센서를 구비한 유연한 아암을 활용할 수 있다. 특정 실시형태에서는, 형상 센서가 수술대의 측면에 잠금될 수 있는 팁(tip)을 가지고 있는 환자측 카트의 측면에 달려 있는 호스형 물체(hose-like object)이다. 잠금 기구(locking mechanism)는 연결/분리를 감지하는 센서를 가지고 있다. 형상 센서(예를 들면, 형상 감지 광섬유(optical shape sensing fibers))는 수술대에 연결될 때 형상을 판단하기 위해서 유연한 아암에 사용된다. 형상 정보는 수술대에 대한 환자측 카트의 상대 자세를 계산하기 위해서 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 형상 센서로부터의 입력에 기초하여 상기 시스템에 의해서 위치 및/또는 방향이 용이하게 결정될 수 있도록 형상 센서, 예를 들면, 케이블 형상 센서, 광섬유, 굴곡 또는 위치 방향 감지 부재(flex or position orientation sensing member)가 수술대의 측면에 부착되거나 잠금될 수 있다. 이러한 방법을 구현하는 예가 도 19에 도시되어 있고, 도 19는 형상 케이블로부터 감지된 출력으로부터 수술대의 위치와 자세의 결정을 할 수 있게 하기 위해 수술대의 두 개의 측면에 부착되어 뻗어 있는 형상 케이블 센서(320)를 나타내고 있다. 이것은, 수술하는 동안 머니퓰레이터와 수술대 사이의 합치가 실질적으로 연속적이 되도록 수술하는 동안 형상 센서가 위치 및/또는 방향이 동적으로 감지되는 것을 가능하게 하기 때문에 유리하다.

형상 센서의 사용에 관하여, 본 명세서에 기술된 합치 방법은, 전체 내용이 모든 목적을 위해서 본 명세서에 포함되어 있는, 2006년 7월 20일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "광섬유 브래그 격자를 이용하는 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템(Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings)"인 미국 특허 출원 제7,930,065호에 개시된 여러 실시형태들 중의 임의의 실시형태를 더 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다.

어떤 실시형태에서는, 상기 시스템이 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정할 수 있게 하기 위해서 하나 이상의 형상 센서 코드가 수술대의 하나 이상의 특정 장소에 부착될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 환자측 카트가 코드가 부착되어 있는 수술실과 같은 외부 기준틀을 통하여 서로 합치될 수 있도록 형상 센서 케이블이 환자측 카트와 수술대에 전력을 공급하는 케이블에 통합될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 시스템이 다양한 다른 목적 외에 합치 목적을 위해 사용될 수 있는 환자측 카트와 수술대의 사이에 직접 뻗어 있는 형상 센서 코드를 활용할 수 있다.

광/방사선 감지(Optical/Radiation Sensing)

다른 방법으로, 환자측 카트에 대해 수술대의 위치 및/또는 방향을 결정하는 다양한 다른 비-접촉 수단이 사용될 수 있다. 상기 수단은 광 또는 방사선 감지 수단, 소나(sonar), 레이저 거리 센서(laser range sensor), 또는 임의의 다른 적절한 수단 중의 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나의 실시형태에서는, 환자측 카트에 대한 수술대의 위치 및/또는 방향이 수술하기 전 및/또는 수술하는 동안 결정될 수 있도록 상기 감지 수단이 환자측 카트에 부착될 수 있고 수술대 상의 하나 이상의 지점(예를 들면, RFID 태그, 식별가능한 광 또는 레이저 마커)을 감지하도록 구성될 수 있다. 이 방법은, 특히 RFID 태그를 사용할 때, 수술대와 환자측 카트 사이의 합치를 가능하게 하기 위해서 수술대와 환자측 카트 사이의 절대적인 위치 또는 상대적인 위치를 결정하기 위해서, RFID 태그가 수술대와 환자측 카트 중의 한 쪽 또는 양 쪽 모두에 있을 수 있다. 이 방법의 예가 도 21에 도시되어 있고, 도 21은 다양한 장소에서 수술대에 부착된 세 개의 RFID 태그(340)의 각각의 위치를 감지할 수 있는 환자측 카트(도시되어 있지 않음)에 부착된 RFID 센서(341)를 나타내고 있다. RFID 태그의 각각으로부터의 신호를 삼각법으로 결정함으로써, 수술대의 위치와 자세가 결정될 수 있다.

예를 들면, 수술실 내의 알려진 장소와 같은 외부 기준틀로부터 RFID 장소를 감지함으로써, 공통 외부 기준틀을 통하여 합치를 가능하게 하도록 사용될 수도 있다는 것을 또한 알 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 방법은 복수의 RFID 태그들 사이의 두 지점 간 거리 측정법(point-to-point distance determination) 또는 다양한 다른 실시간 위치 결정 방법을 이용하여 실시간 위치에 대한 절대적인 위치 또는 상대적인 위치를 이용하여 합치를 수행할 수 있다.

합치 작업 흐름

결합전 합치(Pre-Docking Registration)

하나의 실시형태에서, 합치 방법은 결합전 합치를 포함한다. 수술용 머니퓰레이터를 수술대의 환자 지지면에 있는 환자에 결합(docking)하기 전에, 머니퓰레이터 아암이 수술대 측면 장착식 합치 장치(310)(예를 들면, 도 15a 또는 도 16a에 도시되어 있는 것)에 결합된다. 환자측 머니퓰레이터(PSM)와 세트업 조인트(SUJs)(q_robot)의 인코더 값을 판독하고 강체 기구학적 문제(rigid body kinematic problem)를 해결함으로써, 수술용 로봇(다시 말해서, 환자측 카트)의 위치와 방향이 합치 장치(310)에 대해서 결정될 수 있다. 위에 상세하게 기술되어 있는 것과 같이, 합치 장치(310)는, 합치 장치가 독특한 방식으로, 다시 말해서, 수술대에 대한 특정 정렬상태/방향에서 수술대의 하나 이상의 특정 장소에서(예를 들면, 사이드 레일이 수술대 윗면에 연결되는 네 개의 장소 중의 하나의 장소에서) 수술대에 단지 부착될 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 수술대에 대한 상기 장치의 자세는, 예를 들면, 수술대의 기하학적 구조의 CAD 모델에 의해 또는 하나 이상의 센서 또는 외부 추적기(external tracker)를 이용하여 수술대 윗면을 조정(calibration)하는 것에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 수술대가 전동식으로 될 수 있고 인코터가 수술대의 위치와 방향을 제공하는 수술대(q_table)의 작동 조인트와 함께 사용될 수 있다.

하나의 실시형태에서, 머니퓰레이터 조립체의 위치 및 방향은 수술대에 대해서, 종종 표준 좌표계(world coordinate system)로 상정되는 수술대의 베이스에 대해서, 아래의 등식:

을 이용하여 결정될 수 있다.

통상적으로, 환자측 카트와 수술대 사이의 결합전 합치는 수술 전에 한 번 수행될 수 있고, 그 후에는 대체로 환자측 카트(PCS)가 이동하지 않을 것이다, 그 이유는 머니퓰레이터가 분리되고, 다른 합치가 수행된 다음, 머니퓰레이터가 환자와 재결합되는 수술 동안 다른 합치를 필요로 할 수 있기 때문이다.

환자측 카트 운동의 연속적인 모니터링

다른 실시형태에서는, 수술하는 동안 추가적인 합치 조치를 수행할 것을 요하지 않는 수술 동안 수술대의 이동이 가능하도록 합치가 실질적으로 연속적이 되게 합치를 위해서 사용된 머니퓰레이터가 전체 수술 동안 결합된 상태로 있을 수 있다. 이 방법의 한 가지 단점은 하나의 머니퓰레이터의 사용이 손실될 수 있어서이 방법이 여러 머니퓰레이터의 각각을 활용하는 수술에 적합하지 않을 수 있다는 것이다. 이러한 수술에서는, 본 명세서에 기술된 대체형태의 기술 또는 방법 중의 임의의 것이 본 발명의 여러 실시형태에 따른 합치를 수행하기 위해서 이용될 수 있다.

복수의 머니퓰레이터 아암을 가진 머니퓰레이터 시스템에서, 한 가지 가능한 시나리오는 복수의 머니퓰레이터 아암 중의 하나를 수술하는 동안 합치 장치에 연결된 채로 두는 것이다. 이러한 경우에는, 수술하는 동안 환자측 카트의 모든 움직임을 감지할 수 있고 환자측 카트가 이동하였으면 경고를 발생시킬 수 있다. 하나의 실시형태에서, 이것은, (a) 세트업 조인트(SUJ) 브레이크를 풀고 세트업 조인트(SUJ) 브레이크의 인코더 값을 모니터링하거나 (b) 세트업 조인트와 머니퓰레이터 조인트 또는 이들의 결합체에 작용하는 토크를 모니터링하는 것에 의해서 수행될 수 있다.

수술대와 머니퓰레이터의 조정된 운동

어떤 시스템에서는, 이동식 수술용 머니퓰레이터가 환자에 결합되면, 일반적으로, 수술대를 이동시키는 것을 실행할 수 없다. 어떤 이유로(환자의 방향을 전환시키는 것을 포함하여) 수술대 이동이 필요하면, 일반적으로, 사용자가 머니퓰레이터를 환자로부터 분리시키고, 수술대를 이동시킨 다음 머니퓰레이터와 환자를 재결합시켜야 한다. 수술하는 동안 수술대에 장착된 합치 장치를 통하여 수술대에 부착된 채로 있는 머니퓰레이터 아암을 사용하는 것에 의해, 상기 시스템은 로봇과 수술대 사이에 폐연쇄(closed kinematic chain)를 야기한다. 이것은 수술대와 머니퓰레이터 조립체의 실시간 합치를 수행하기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 수술대가 이동하면, 환자와 결합된 머니퓰레이터 아암이 이와 상응하게 이동될 수 있고 로봇을 분리시킬 필요가 없다. 따라서, 본 명세서에 기술된 합치 방법의 사용에 의해, 더 유리한 특징이 실현될 수 있게 수술대와 머니퓰레이터 조립체 사이의 운동이 조정될 수 있도록 별도로 배치가능한 수술대가 머니퓰레이터 조립체를 가진 수술 시스템에 통합될 수 있다.

다른 다양한 변형이 본 발명의 기술사상 내에 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 수정형태와 대체 실시형태의 구조로 될 수 있으며, 이들의 예시된 특정 실시례가 도면에 도시되어 있으며 위에 상세하게 설명되어 있다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한할 의도는 없으며, 오히려, 첨부된 청구범위에 한정되어 있는 것과 같이, 본 발명의 기술사상 및 기술영역 내에 있는 모든 수정형태, 대체 실시형태의 구조 및 균등물을 포함하고자 한다는 점을 이해하여야 한다.

본 발명을 기술하는 내용에서(특히 아래의 청구범위의 내용에서), "하나의", "한 개의", "상기 하나의" 및 이와 유사한 용어의 사용은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 단수 형태와 복수 형태 양자를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "...으로 이루어지는", "...을 가지고 있는", "...을 포함하고 있는", 그리고 "..을 포함하는" 이라는 표현은, 달리 표시되어 있지 않다면, 개방형 표현(다시 말해서, 비제한적인 예로서 포함하는 것을 의미한다)으로 해석되어야 한다. "...에 연결된" 이라는 표현은, 무언가가 사이에 개재되어 있더라도, 부분적으로 또는 전체적으로 어떤 대상 내에 포함되어 있거나, 어떤 대상에 부착되어 있거나, 어떤 대상과 함께 연결되어 있는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 달리 표시되어 있지 않다면, 본 명세서에 열거된 수치의 범위는 단지 상기 범위 내에 해당하는 각각의 개별 수치를 각각 언급하는 것의 약칭 방법으로서의 역할을 하는 것이며, 본 명세서에서 수치가 개별적으로 열거되어 있다면 각각의 개별 수치가 본 명세서에 포함되는 것이다. 본 명세서에 기술된 모든 방법은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 임의의 적절한 순서로 실행될 수 있다. 달리 표시되어 있지 않으면, 본 명세서에 기재된 임의의 예와 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들면, "...와 같은")의 사용은 단지 본 발명의 실시례를 보다 이해하기 쉽게 하기 위한 것이며 본 발명의 영역에 제한을 두기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 어떠한 언어도 본 발명의 실시에 본질적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 명세서에 언급된 공개공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 그리고 특정적으로 참고문헌으로 포함되는 것으로 표시되어 있거나 그 전체 내용이 본 명세서에 개시되어 있는 것과 같은 정도로 참고문헌으로 포함된다.

Claims (41)

1. 제1 머니퓰레이터를 구비한 머니퓰레이터 조립체의 합치 방법으로서,
   프로세서에 의해, 제1 머니퓰레이터의 원위 부분이 테이블의 합치 구조에 탈착가능하게 부착되어 있는 동안 테이블의 합치 구조의 상태를 감지하는 단계로서, 테이블은 1 이상의 자유도를 따라 배치가능하고, 테이블은 머니퓰레이터 조립체로부터 분리되어 있는, 단계;
   프로세서에 의해, 합치 구조의 감지된 상태에 기초하여 테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이의 공간 관계를 결정하는 단계; 및
   프로세서에 의해, 테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이의 결정된 공간 관계에 기초하여 머니퓰레이터 조립체를 테이블과 합치시키는 단계
   를 포함하고,
   제1 머니퓰레이터는 최소 침습 구멍에 사용하기 위한 캐뉼라와 접속하도록 구성된 캐뉼라 장착부를 포함하고, 합치 구조는 테이블에 기계적으로 부착되어 있고, 캐뉼라 장착부의 형상과 크기에 상응하는 형상으로 된 합치 노브를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   제1 머니퓰레이터의 원위 부분을 합치 구조에 탈착가능하게 부착하는 것은 테이블이 배치될 수 있는 1 이상의 자유도에 상응하는 1 이상의 자유도를 따라 제1 머니퓰레이터의 원위 부분의 움직임을 제한하는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   머니퓰레이터 조립체가 하나 이상의 추가 머니퓰레이터를 포함하고, 각각의 추가 머니퓰레이터가 원위 엔드 이펙터를 구비하고,
   상기 방법이
   프로세서에 의해, 테이블을 이동시키는 단계; 및
   프로세서에 의해, 테이블을 이동시키는 동안 제1 머니퓰레이터와 합치 구조 사이의 부착을 유지함으로써 머니퓰레이터 조립체와 테이블 사이의 합치를 유지하는 단계
   를 더 포함하는, 방법.
4. 원격 조종 시스템으로서,
   근위 베이스와 원위 부분 사이에 뻗어 있는 제1 머니퓰레이터 아암을 구비한 머니퓰레이터 조립체로서, 제1 머니퓰레이터 아암은 근위 베이스에 대해 원위 엔드 이펙터를 이동시키도록 구성되어 있고, 제1 머니퓰레이터 아암이 복수의 조인트를 구비하는, 머니퓰레이터 조립체;
   머니퓰레이터 조립체로부터 분리된 테이블로서, 테이블은 테이블의 하나 이상의 조인트에 의해 1 이상의 자유도를 따라 배치가능한, 테이블; 및
   제1 머니퓰레이터 아암의 원위 부분이 테이블의 합치 구조에 탈착가능하게 부착되어 있는 동안 테이블의 합치 구조의 감지된 상태에 기초하여 테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이의 공간 관계를 결정함으로써 머니퓰레이터 조립체를 테이블과 합치시키도록 구성된 프로세서
   를 포함하고,
   제1 머니퓰레이터 아암이 기기와 결합하기 위한 기기 인터페이스를 포함하고, 기기 인터페이스가 최소 침습 구멍에 사용하기 위한 캐뉼라와 접속하도록 구성된 캐뉼라 장착부를 포함하고;
   합치 구조가 제1 머니퓰레이터 아암의 원위 부분과 합치 구조 사이의 탈착가능한 부착을 용이하게 하기 위해 캐뉼라 장착부의 형상과 크기에 상응하는 형상으로 된 노브를 포함하는, 원격 조종 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   프로세서는 제1 머니퓰레이터 아암의 일부분이 합치 구조를 통해 테이블에 접촉하거나 부착되어 있을 때 제1 머니퓰레이터 아암의 하나 이상의 조인트 상태 센서로부터 위치 또는 방향을 결정하도록 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   테이블이 2 이상의 자유도를 따라 배치가능하도록 구성되어 있고, 제1 머니퓰레이터 아암에 대하여 2 이상의 자유도를 따르는 테이블의 위치 또는 방향이 제1 머니퓰레이터 아암의 하나 이상의 조인트 상태 센서의 출력으로부터 결정될 수 있도록 합치 구조가 테이블의 2 이상의 자유도에 상응하는 2 이상의 자유도를 따라 제1 머니퓰레이터 아암의 원위 부분의 움직임을 제한하는, 원격 조종 시스템.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노브가 테이블 상의 하나 이상의 특정 장소에서 특정 방향으로 테이블에 부착되고 테이블로부터 분리될 수 있게 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   합치 구조가 특정 장소에서 특정 방향으로 테이블의 사이드 레일에 부착되도록 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노브가 6 자유도를 따라 제1 머니퓰레이터 아암의 원위 부분의 움직임을 제한하기 위해 캐뉼라 장착부와 관련된 기기 샤프트 축을 따라 캐뉼라 장착부의 회전 운동을 제한하도록 얼라인먼트 돌출부를 더 포함하는, 원격 조종 시스템.
10. 제4항에 있어서,
    광 마커, 라디오 마커 및 RFID 태그로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 마커; 및
    머니퓰레이터 조립체와 결합된 적어도 하나의 센서
    를 더 포함하고,
    적어도 하나의 센서가 하나 이상의 마커와 적어도 하나의 센서 사이의 거리를 결정하도록 구성되어 있고, 적어도 하나의 센서가 방 내의 알려진 장소에 위치되도록 구성되어 있고, 프로세서가 머니퓰레이터 조립체와 알려진 장소 사이의 알려진 공간 관계를 통해 적어도 하나의 센서가 머니퓰레이터 조립체와 결합되도록 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
11. 제4항에 있어서,
    합치 구조가
    테이블에 부착된 형상 센서로서, 프로세서가 형상 센서의 위치 또는 방향을 이용하여 테이블의 위치 또는 방향을 결정하도록 구성되어 있는, 형상 센서; 또는
    테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이에 또는 테이블과 머니퓰레이터 조립체와의 알려진 공간 관계를 갖는 외부 구조 사이에 뻗어 있는 하나 이상의 리니어 인코더
    를 포함하는, 원격 조종 시스템.
12. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    프로세서가
    제1 머니퓰레이터 아암 또는 결합된 엔드 이펙터의 원하는 움직임을 실행시키기 위해 제1 머니퓰레이터 아암을 이동시키도록 명령받은 입력을 수신하고;
    원하는 움직임을 실행시키기 위해 테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이의 합치에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 머니퓰레이터 아암의 복수의 조인트의 움직임을 계산하도록
    추가로 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
13. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    합치 구조의 상태를 감지하는 것은 센서 데이터를 이용하는 것을 포함하고,
    프로세서가
    제1 머니퓰레이터 아암이 합치 구조에 접촉하거나 부착되어 있는 동안 제1 머니퓰레이터 아암의 조인트 센서로부터 센서 데이터를 얻고;
    제1 머니퓰레이터 아암이 합치 구조로부터 분리된 후, 제1 머니퓰레이터 아암의 움직임을 계산하는데 있어서 테이블과 머니퓰레이터 조립체 사이의 합치를 이용하여 제1 머니퓰레이터 아암으로 절차를 수행하도록
    추가로 구성되어 있는, 원격 조종 시스템.
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