KR102414405B1 - 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템 및 방법 - Google Patents

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니콜라스 레오 번스타인
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캐서린 모어
티오도르 더블유 로저스
콜린 마일레스 티어링
앤드류 컬렌 워터베리
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Abstract

최소 침습 원격 수술을 위한 시스템과 방법이 기술되어 있다. 예를 들어, 본 명세서에는 여러 가지 수술 상황들에서 로봇 매니퓰레이터, 캐뉼라 및 수술 기구의 동작들을 독립적으로 제어하기 위한 방법이 기술되어 있다.

Description

컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템 및 방법
본 출원은 2016년 6월 9일자로 출원된 미국 가출원 62/347,961의 이익을 주장한다. 선출원의 개시사항은 본 출원의 명세서의 일부로 고려되어 있고 참조사항으로 통합되어 있다.
본 발명은 최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 여러 가지 수술 상황들에서 로봇 매니퓰레이터, 캐뉼라 및 수술 기구의 동작을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
로봇 시스템 및 컴퓨터 보조 장치는 종종 작업 부위에서 과업을 수행하기 위한 기구들을 조종하는 로봇 또는 가동 아암들, 및 작업 부위의 이미지들을 캡처하는 이미지 캡처 장치를 지원하기 위한 적어도 하나의 로봇 또는 가동 아암을 포함한다. 로봇 아암은 하나 이상의 능동 제어식 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 구비한다. 많은 실시예들에서, 복수의 능동 제어식 조인트들이 제공될 수 있다. 로봇 아암은 또한, 능동적으로 제어되지는 않지만 능동 제어식 조인트의 움직임과 부합하는 하나 이상의 피동형 조인트들을 포함할 수 있다. 이러한 능동형 조인트와 피동형 조인트는 레벌루트 조인트(revolute joint) 또는 프리즈매틱 조인트(prismatic joint)일 수 있다. 로봇 아암의 구성은 이때 조인트들의 포지션들 및 링크들의 결합과 구조에 관한 지식에 의해 결정될 수 있다.
수술에서의 사용을 위한 최소 침습 원격수술 시스템은 의사의 숙련도를 향상시키는 것 뿐만 아니라 원격 위치에서 의사가 환자를 수술하는 것을 허용하는 것을 위해서 개발되고 있다. 원격수술(telesurgery)은, 의사가 수술 기구들을 손으로 직접 잡고 움직이는 것이 아니라 수술 기구 움직임을 조종하는 원격 제어의 일부 형태, 예컨대 서보메커니즘 또는 이와 유사한 것을 이용하는 수술 시스템들을 위한 일반적인 용어이다. 이러한 원격수술 시스템에서, 의사는 원격 위치에서 수술 부위의 이미지를 제공받는다. 통상적으로 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상에서 수술 부위의 3차원 이미지를 바라보면서, 의사는 차례로 로봇 기구들의 동작을 제어하는 마스터 제어 입력 장치를 조종함으로써 환자에 대한 수술 절차들을 수행한다. 로봇 수술 기구들은 환자 내부의 수술 부위들에 있는 조직들을 치료하기 위해서 작은 최소 침습 수술 구멍들을 통해 삽입될 수 있고, 개복 수술을 위하여 접근하는 것과 관련되어 있는 트라우마가 종종 있다. 이러한 로봇 시스템들은 종종 최소 침습 구멍에서의 수술 기구들의 샤프트들의 피벗운동, 상기 구멍을 통한 샤프트의 축방향 슬라이딩운동, 상기 구멍 내부에서의 샤프트의 회전운동 및/또는 이와 유사한 것에 의해 상당히 복잡한 수술 과업들을 수행하기에 충분한 숙련도로 수술 기구들의 작업 단부들 또는 엔드 이펙터들을 움직일 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제2015-0045814호 공보 국제 특허 출원 공개 WO 2006/124390호 공보
본 발명은 컴퓨터 보조 의료 수술 및 비의료 수술을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술(본 명세서에서 "로봇 수술" 및 "컴퓨터 보조 수술"로도 지칭됨)을 보조하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 여러 가지 수술 상황들에서 로봇 매니퓰레이터, 캐뉼라 및 수술 기구의 동작들을 제어하기 위한 방법을 제공한다.
최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술의 맥락에서, 로봇 매니퓰레이터 어셈블리의 움직임들은 시스템의 프로세서에 의해 제어될 수 있어서, 수술 기구의 샤프트 또는 중간 부분은 최소 침습 수술 접근 부위 또는 다른 구멍을 통해 안전 동작(safe motion)으로 제약받는다. 이러한 동작은, 예컨대 구멍 부위를 통한 샤프트의 축방향 삽입, 그 축을 중심으로 하는 샤프트의 회전, 및 접근 부위에 인접한 피벗 포인트를 중심으로 하는 샤프트의 피벗 운동을 포함하지만, 이와 달리 구멍에 인접한 조직을 파열하거나 접근 부위를 부주의로 확대시킬 수 있는 샤프트의 과도한 측면방향 동작을 종종 배제할 수 있다. 접근 부위에서의 로봇 매니퓰레이터 어셈블리 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 전체적으로 이용하거나 부분적으로 이용하여 부과될 수 있다. 컴퓨터 보조 수술 시스템의 프로세서에 의해 제약하기 위한 이러한 개념들에서, 로봇 매니퓰레이터 어셈블리 동작은 이하에서 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심(software-constrained remote center)으로 지칭될 수 있다.
일부 경우들에서, 로봇 매니퓰레이터 어셈블리의 제어를 위한 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하는 방법은 수술 접근 부위에서 캐뉼라 이외의 위치들에서의 동작의 원격 중심, 컴퓨터 보조 수술 시스템의 프로세서를 이용하거나 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 일 예시에서, 본 발명은 동작의 원격 중심을 수술 기구의 샤프트 상의 고정된 포지션에 위치시키는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하는 방법들을 제공한다. 이를 대신하거나 추가하여, 동작의 원격 중심의 포지션은 수술 접근 부위 또는 구멍과 일치할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이러한 다른 예시에서, 본 발명은 동작의 원격 중심을 환자의 몸 내부의 조직층에 위치시키는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하는 방법들을 제공한다. 이와 같은 경우들에서, 방법들은 수술 접근 부위 또는 구멍에서의 캐뉼라의 적어도 일부 측면방향 동작을 허용할 수 있다.
일 양태에서, 본 명세서에는 컴퓨터 보조 수술 시스템이 기술되어 있다. 컴퓨터 보조 수술 시스템은 캐뉼라에 결합되도록 구성되어 있는 매니퓰레이터 어셈블리, 및 매니퓰레이터 어셈블리와 전기 통신하는 프로세서를 포함한다. 캐뉼라는 수술 기구의 샤프트를 슬라이딩가능하게 수용하도록 구성되어 있는 루멘을 정의한다. 프로세서는 매니퓰레이터 어셈블리를 위한 동작의 원격 중심을 캐뉼라에 대한 제 1 위치에 위치시키도록 구성되어 있고, 그리고 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시에 응답하여 동작의 원격 중심을 캐뉼라에 대한 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 제 2 위치는 제 1 위치와 상이하다.
이러한 컴퓨터 보조 수술 시스템은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 위치는 캐뉼라를 따라 존재하고, 제 2 위치는 캐뉼라를 따라 존재하지 않는다. 일부 실시예들에서, 제 1 위치와 제 2 위치는 캐뉼라에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터 다른 거리들에 존재한다. 프로세서는 길이방향 축으로부터 최대 거리 범위내에서 제 2 위치를 최대 거리까지 유지하거나 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 프로세서는 또한 제 2 위치에 기초하여 캐뉼라의 동작을 제한하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 명령받은 기구 동작에 따라 기구를 움직이는 명령을 수신하도록 구성될 수 있고, 그리고 수정된 기구 동작으로 움직이는 것을 기구에 명령하도록 구성될 수 있다. 수정된 기구 동작은 명령받은 기구 동작과 제 2 위치에 기초하고 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서는 캐뉼라를 따라 제 2 위치를 유지하거나 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 제 1 위치는 캐뉼라의 루멘에 의해 정의되는 축과 일치할 수 있고, 프로세서는 축과 일치하는 제 2 위치를 유지하거나 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 기구의 샤프트를 따라 제 2 위치를 유지하거나 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성될 수 있다.
나아가, 이러한 컴퓨터 보조 수술 시스템은 하나 이상의 다음에 오는 추가적인 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서는 또한, 제 1 위치와 제 2 위치가 기구에 대하여 동일한 위치에 존재하도록, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라와 기구를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 출력하도록 구성될 수 있다. 프로세서는, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라를 정지상태로 유지시키면서 기구를 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력함으로써, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라와 기구를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 출력하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 캐뉼라와 관련된 힘을 결정하도록 구성될 수 있고, 그리고 힘 한계를 초과하는 캐뉼라와 관련된 힘에 응답하여 동작의 원격 중심의 재위치조정을 불허하도록 구성될 수 있다. 수술 시스템은 또한 시각적 표시장치를 포함할 수 있고, 프로세서는 시각적 표시장치를 이용하여 동작의 원격 중심의 시각적 표시를 제공하도록 구성될 수 있다. 캐뉼라는, 루멘이 수술 작업 공간과 통하게 되어 있도록, 환자의 조직층과 선별적으로 결합가능할 수 있다. 프로세서는, 수술 작업 공간이 수정되도록, 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 조직층은 내부 조직층일 수 있다. 일부 경우들에서, 환자의 체벽은 조직층을 구비할 수 있다.
더욱 나아가, 이러한 컴퓨터 보조 수술 시스템은 앞서 기술된 특징들 중 임의의 것과 조합하여 또는 별개로 하나 이상의 다음에 오는 추가적인 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서는, 다음의 단계들, 즉: 수술 작업 공간이 그 크기가 변하도록(크기가 축소되거나 확대되도록) 캐뉼라를 움직이는 단계; 또는 수술 작업 공간이 그 형상이 변하도록 캐뉼라를 움직이는 단계; 또는 수술 작업 공간이 그 형상과 크기가 변하도록(크기가 축소되거나 증가되도록) 캐뉼라를 움직이는 단계;에 의해 수술 작업 공간이 수정되도록, 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 구성될 수 있다. 프로세서는, 다음의 단계들, 즉: (ⅰ) 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 캐뉼라의 결합을 탐지하는 단계(여기에서 캐뉼라는 환자의 조직층과 결합하도록 구성되어 있음); 및 (ⅱ) 캐뉼라가 조직층이 수술 작업 공간을 텐트형상화(tent 또는 tenting; 텐트(천막)형상으로 된 상태 또는 텐트(천막)형상으로 만드는 동작 등을 의미하며, 이는 명세서 전체로 동일함)하고 확대시키게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리를 움직이는 단계;에 의해 수술 작업 공간이 수정되도록, 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 구성될 수 있다. 캐뉼라는 캐뉼라를 환자의 조직층과 선별적으로 결합하도록 구성되어 있는 팽창가능한 부재를 구비할 수 있다. 매니퓰레이터 어셈블리는 조직을 텐트형상화하기 위한 흡인 장치 또는 후크를 구비할 수 있다. 수술 시스템의 프로세서는, 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 발생시키는 것, 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 (프로세서의 외부로부터) 수신하는 것, 또는 어떤 경우들에는 이러한 지시를 발생시키는 것, 및 다른 경우들에는 이러한 지시를 수신하는 것이 가능하도록 구성될 수 있다. 수술 시스템은 사용자가 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 개시하는 입력 수단을 포함할 수 있다. 수술 시스템은 이러한 지시를 프로세서에 제공하도록 구성되어 있는 제 2 프로세서를 구비할 수 있다. 수술 시스템은 휴대용 입력 장치를 구비하는 오퍼레이터 콘솔을 포함할 수 있는데, 여기서 오퍼레이터 콘솔은 휴대용 입력 장치로부터의 신호에 응답하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 제공한다. 수술 시스템은 프로세서와 전기 통신하는 제 1 휴대용 입력 장치 및 제 2 휴대용 입력 장치를 포함할 수 있는데, 여기서 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시는 제 2 휴대용 입력 장치로부터 멀어지는 방향으로 제 1 휴대용 입력 장치의 상대적인 동작을 지시하는 신호를 구비한다. 수술 시스템은 매니퓰레이터 어셈블리에 결합되는 스위치를 포함할 수 있다. 스위치의 활성화는 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 프로세서로 전송할 수 있다. 수술 시스템은 매니퓰레이터 어셈블리에 결합되는 스위치를 포함할 수 있다. 매니퓰레이터 어셈블리의 수동 움직임으로 이어지는 매니퓰레이터 어셈블리에 결합되는 스위치의 활성화는 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 프로세서로 전송할 수 있다. 프로세서는: (a) 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 캐뉼라의 결합을 탐지하는 단계(여기에서 캐뉼라는 환자의 조직층과 결합되도록 구성될 수 있음); (b) 수술 시스템의 제 2 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 제 2 캐뉼라의 제 2 결합을 탐지하는 단계(여기에서 제 2 캐뉼라는 환자의 조직층과 결합하도록 구성될 수 있음); 및 (c)캐뉼라와 제 2 캐뉼라가 조직층을 변형하고 수술 작업 공간을 수정하도록, 매니퓰레이터 어셈블리와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리를 동시다발적으로 움직이는 단계; 중 하나 이상을 수행하도록 구성될 수 있다. 수술 시스템은, 캐뉼라와 제 2 캐뉼라가 조직층이 수술 작업 공간을 텐트형상화하고 확대시키게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리를 움직임으로써, 조직층이 수술 작업 공간을 변형하고 수정하게 할 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는 컴퓨터 보조 로봇 방법이 기술되어 있다. 컴퓨터 보조 로봇 방법은 컴퓨터 보조 로봇 시스템의 프로세서에 의해 로봇 시스템의 동작의 원격 중심의 제 1 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 로봇 시스템은 매니퓰레이터 어셈블리, 및 매니퓰레이터 어셈블리와 결합가능한 캐뉼라를 포함한다. 캐뉼라는 기구의 샤프트를 슬라이딩가능하게 수용하도록 구성되어 있는 루멘을 정의한다. 컴퓨터 보조 로봇 방법은 또한 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 프로세서에 의해 수신하는 단계, 및 상기 지시를 수신하는 단계에 응답하여 프로세서에 의해 동작의 원격 중심을 캐뉼라에 대한 제 2 위치로 재위치조정하는 단계를 포함한다.
이러한 컴퓨터 보조 로봇 방법은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 제 1 위치는 캐뉼라를 따라 존재하고, 제 2 위치는 캐뉼라를 따라 존재하지 않는다. 제 1 위치와 제 2 위치는 캐뉼라에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터 다른 거리들에 존재할 수 있다. 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 길이방향 축으로부터 최대 거리 범위내에서 제 2 위치를 최대 거리까지 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 제 2 위치에 기초하여 캐뉼라의 동작을 제한하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 명령받은 기구 동작으로 기구를 움직이는 명령을 수신하는 단계, 및 수정된 기구 동작으로 움직이는 것을 기구에 명령하는 단계를 포함할 수 있다. 수정된 기구 동작은 명령받은 기구 동작과 제 2 위치에 기초하고 있을 수 있다. 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 캐뉼라를 따라 제 2 위치를 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 위치는 루멘에 의해 정의되는 축과 일치할 수 있다. 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 루멘에 의해 정의되는 축과 일치하는 제 2 위치를 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있다. 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 기구의 샤프트를 따라 제 2 위치를 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있다.
나아가, 이러한 컴퓨터 보조 로봇 방법은 앞서 기술된 특징들 중 임의의 것과 조합하여 또는 별개로 하나 이상의 다음에 오는 추가적인 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 로봇 시스템은 또한 기구를 포함할 수 있다. 방법은 또한, 제 1 위치와 제 2 위치가 기구에 대하여 동일한 위치에 존재하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라와 기구를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라와 기구를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력하는 단계는, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라를 정지상태로 유지시키면서 기구를 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한, 캐뉼라와 관련된 힘을 결정하는 단계, 및 힘 한계를 초과하는 캐뉼라와 관련된 힘에 응답하여 동작의 원격 중심의 동작을 불허하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 동작의 원격 중심의 시각적 표시를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는, 컴퓨터 보조 수술 시스템과 관련된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 경우 하나 이상의 프로세서들이 방법을 수행하게 되어 있는 복수의 기계 판독가능 지시들을 구비하는 비일시적 기계 판독가능 매체가 기술되어 있다. 방법은: (ⅰ) 컴퓨터 보조 수술 시스템의 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 캐뉼라의 해제가능한 결합을 탐지하는 단계(캐뉼라는 루멘을 정의할 뿐만 아니라, 환자의 조직층과 결합하도록 구성되어 있음); (ⅱ) 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 수술 기구의 설치를 탐지하는 단계(수술 기구의 샤프트는 길이방향 축을 정의할 뿐만 아니라, 샤프트의 원위 단부 부분이 환자 내부의 수술 작업 공간 안에 위치되어 있도록 캐뉼라의 루멘을 통해 뻗어 있도록 구성되어 있음); 및 (ⅲ) 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계;를 포함한다.
컴퓨터 보조 수술 시스템과 관련된 하나 이상의 프로세서들이 복수의 기계 판독가능 지시들을 실행함으로써 수행하게 되는 이러한 방법은 하나 이상의 다음에 오는 추가적인 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계는, 캐뉼라가 조직층이 작업 공간을 텐트형상화하고 확대시키게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계를 포함할 수 있다. 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계는, 매니퓰레이터 어셈블리에 결합되는 스위치로부터 작동 신호를 수신하는 단계, 및 매니퓰레이터 어셈블리를 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계는, 제 2 휴대용 입력 장치로부터 떨어져 있는 제 1 휴대용 입력 장치로부터 입력을 수신하는 단계, 및 매니퓰레이터 어셈블리를 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한, 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하면서 수술 기구를 실질적으로 정지상태로 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 컴퓨터 보조 수술 시스템의 제 2 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 제 2 캐뉼라의 해제가능한 결합을 탐지하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 캐뉼라는 환자의 조직층과 결합하도록 구성될 수 있다. 캐뉼라가 길이방향 축을 따라 움직이고 수술 작업 공간을 수정하도록 매니퓰레이터 어셈블리가 움직이게 하는 단계는, 캐뉼라와 제 2 캐뉼라가 조직층이 텐트형상화되게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리를 동시다발적으로 움직이는 단계를 포함한다. 매니퓰레이터 어셈블리와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리를 동시다발적으로 움직이는 단계는, 공유하는 동작의 원격 중심에 기초하여 매니퓰레이터 어셈블리와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리의 동시다발적인 움직임을 제한하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는: (a) 환자의 체벽과 캐뉼라를 해제가능하게 결합하는 단계로서, 캐뉼라는 루멘을 정의할 뿐만 아니라 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리에 결합가능한, 단계; (b) 샤프트의 원위 단부 부분이 환자 내부의 수술 작업 공간 안에 위치되어 있도록 수술 기구의 샤프트를 캐뉼라의 루멘 내부에 설치하는 단계로서, 샤프트는 길이방향 축을 정의하는, 단계; 및 (c) 길이방향 축과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라가 움직이게 하도록 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리를 움직이는 단계로서, 캐뉼라를 움직이는 단계는, 수술 작업 공간이 그 크기가 변하도록(크기가 축소되거나 확대되도록) 체벽이 텐트형상화되게 하는 단계;를 포함하는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법이 기술되어 있다.
이러한 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리가 캐뉼라가 움직이게 하도록 움직이는 동안, 수술 기구의 포지션은 캐뉼라 동작과 독립적으로 제어될 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암을 움직이는 단계는, 로봇 매니퓰레이터 아암에 결합되는 스위치를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암을 움직이는 단계는, 오퍼레이터 콘솔의 제 2 마스터 입력 장치로부터 떨어져 있는 의사 콘솔과 같은 오퍼레이터 콘솔의 제 1 마스터 입력 장치를 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 캐뉼라는 캐뉼라에 부착되어 있는 팽창가능한 부재를 이용하여 체벽과 해제가능하게 결합될 수 있다. 팽창가능한 부재가 팽창된 구성으로 되어 있는 동안, 캐뉼라는 체벽과 결합가능할 수 있고, 여기에서 팽창가능한 부재가 수축된 구성으로 되어 있는 동안, 캐뉼라는 체벽으로부터 결합해제될 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는: (ⅰ) 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리를 이용하여 기다란 수술 기구를 환자 내부의 수술 작업 공간 속으로 삽입하는 단계로서, 수술 기구는 샤프트, 및 샤프트의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터를 포함하고, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동작의 원격 중심은 샤프트 또는 비축(off-axis)과 일치하는 제 1 위치에 위치되어 있는, 단계; 및 (ⅱ) 삽입하는 단계 후, 수술 기구를 수술 작업 공간 속으로 원위방향으로 더 멀리 움직이는 단계로서, 동작의 원격 중심은 움직이는 단계 동안 제 1 위치에 위치되어 있는 상태로 남아있는, 단계;를 포함하는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법이 기술되어 있다.
이러한 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 수술 기구를 움직이는 단계는, 동작의 원격 중심을 직선방향으로 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 수술 기구를 움직이는 단계는, 곡선 경로를 따라 동작의 원격 중심을 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 수술 작업 공간은 기다란 채널일 수 있고, 또는 민감한 구조들에 의해 경계획정될 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는: (1) 캐뉼라를 환자의 체벽을 통해 그리고 환자의 내측 조직층을 통해 삽입하는 단계로서, 내측 조직층은 체벽보다 더 멀리 환자 내부에 있고, 캐뉼라는 루멘을 정의하고 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리에 결합가능한, 단계; (2) 내측 조직층과 캐뉼라를 해제가능하게 결합하는 단계; (3) 샤프트의 원위 단부 부분이 캐뉼라의 원위 팁을 넘어 그리고 환자 내부의 수술 작업 공간 속으로 뻗어 있도록 수술 기구의 샤프트를 캐뉼라의 루멘 내부에 설치하는 단계로서, 샤프트는 길이방향 축을 정의하는, 단계; 및 (4) 길이방향 축과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라가 움직이게 하도록 로봇 매니퓰레이터 아암을 움직이는 단계로서, 캐뉼라를 움직이는 단계는 과업을 보조하기 위해서 수술 작업 공간이 그 크기가 변하도록(크기가 축소되거나 확대되도록) 또는 조종되도록(형상, 위치 등이 변하도록) 내측 조직층이 텐트형상화되게 하는, 단계;를 포함하는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법이 기술되어 있다.
이러한 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리가 캐뉼라가 움직이게 하도록 움직이는 동안, 수술 기구의 포지션은 실질적으로 정지상태로 유지될 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암을 움직이는 단계는, 로봇 매니퓰레이터 아암에 결합되어 있는 스위치를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암을 움직이는 단계는, 오퍼레이터 콘솔의 제 2 마스터 입력 장치로부터 떨어져 있는 의사 콘솔과 같은 오퍼레이터 콘솔의 제 1 마스터 입력 장치를 움직이는 단계를 포함할 수 있다. 캐뉼라는 캐뉼라에 부착되어 있는 팽창가능한 부재를 이용하여 내측 조직층과 해제가능하게 결합될 수 있다. 팽창가능한 부재가 팽창된 구성으로 되어 있는 동안, 캐뉼라는 내측 조직층과 결합가능할 수 있고, 그리고 여기에서 팽창가능한 부재가 수축된 구성으로 되어 있는 동안, 캐뉼라는 내측 조직층으로부터 결합해제될 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에는: (ⅰ) 환자의 체벽과 포트 장치를 결합하는 단계로서, 포트 장치는 제 1 루멘과 제 2 루멘을 정의하는, 단계; (ⅱ) 제 1 캐뉼라의 원위 단부 부분이 환자의 수술 작업 공간 내부에 위치조정되도록, 제 1 루멘과 제 1 캐뉼라를 슬라이딩가능하게 맞물리는 단계; (ⅲ) 제 1 캐뉼라를 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리에 결합하는 단계; (ⅳ) 제 2 캐뉼라의 원위 단부 부분이 수술 작업 공간 내부에 위치조정되도록, 제 2 루멘과 제 2 캐뉼라를 슬라이딩가능하게 맞물리는 단계; (ⅴ) 제 2 캐뉼라를 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리에 결합하는 단계; (ⅵ) 제 1 수술 기구의 원위 단부 부분이 수술 작업 공간 내부에 위치조정되도록, 제 1 수술 기구의 샤프트를 제 1 캐뉼라의 루멘 내부에 설치하는 단계; (ⅶ) 제 2 수술 기구의 원위 단부 부분이 수술 작업 공간 내부에 위치조정되도록, 제 2 수술 기구의 샤프트를 제 2 캐뉼라의 루멘 내부에 설치하는 단계; (ⅷ) 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리와 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리를 동시다발적으로 움직이는 단계로서, 이로써 수술 작업 공간을 수정하도록 포트 장치를 움직일 수 있는, 단계;를 포함하는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법이 기술되어 있다.
이러한 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법은 하나 이상의 다음에 오는 특징들을 선택적으로 포함할 수 있다. 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리와 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동시다발적인 움직임은 체벽이 텐트형상화된 상태가 되게 할 수 있다. 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리와 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동시다발적인 움직임은 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 움직임과 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 움직임을 제어하는데 사용될 수 있는 원격 의사 콘솔에서 개시될 수 있다. 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리와 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동시다발적인 움직임은 공유하는 동작의 원격 중심의 최대 허용가능 움직임 거리로 제한될 수 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 실시예들 중 일부나 전부는 하나 이상의 다음에 오는 이점들을 제공할 수 있다. 첫번째로, 본 명세서에 제공되어 있는 일부 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법은 이를 통해 수술 접근 절개가 행해지는 체벽의 텐트형상화를 수월하게 한다. 이러한 방법들은 수술 작업 공간에서의 양호한 시인성과 같은 여럭 가지 이점들을 제공한다. 양호한 접근을 위하여 작업 공간에 자리가 많을 수록, 본 명세서에 제공되어 있는 텐트형상화 방법들을 이용하는데 수월하게 된다. 체벽의 텐트형상화를 위한 방법은 가스주입(insufflation)을 보충하기 위해서 (또는 일부 경우들에서 가스주입에 대한 대체예로서) 채택되는 경우 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 가스주입이 수술 작업 공간의 대체로 대칭적인 확대를 수월하게 하는 동안, 텐트형상화와 같은 조직 변형은 수술 작업 공간의 전부나 부분들의 비대칭적인 확대 또는 감소를 포함하여 작업 공간의 부분들에 대한 변화들을 수월하게 할 수 있다. 예를 들어, 얕은, 또는 함께 가까이에 있는 진입 포인트와 수술 포인트들을 가지는 수술 작업 공간들을 위하여, 비대칭적인 확대는 대칭적인 확대보다 더 큰 수술 작업 공간의 확대를 초래할 수 있다. 또한, 의료 절차 또는 비의료 절차를 위하여, 작업 공간의 크기, 형상 및 위치에 걸친 제어는 절차에서의 단계들을 수월하게 하는데 도움이 될 수 있다.
두번째로, 본 명세서에 제공되어 있는 일부 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법들은 환자의 몸 내부에서의 채널들을 따라 안전한 최소 침습 수술 접근을 수월하게 한다. 아래에 더욱 기술되어 있는 바와 같이, 일부 채널들은 곡선형이거나 불규칙적인 형상일 수 있으므로, 종래의 기법들을 이용하여 채널 속으로 깊숙히 항행하는 것을 도전과제로 삼고 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 일부 실시예에서는 동작의 원격 중심의 위치가 수술 기구의 전진이동과 나란하게 채널 안에서 전진이동하도록 동작의 원격 중심이 수술 기구의 샤프트 상에서 위치조정될 수 있다. 이러한 기법은 수술 기구의 원위 단부 부분의 정밀한 제어를 제공할 수 있고, 이로써 채널을 따라 안전한 최소 침습 수술 접근을 수월하게 할 수 있다.
세번째로, 본 명세서에 제공되어 있는 일부 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법들은 환자의 몸 내부에 있는 조직의 층에서의 동작의 원격 중심의 위치를 수월하게 한다. 이러한 기법은 조직의 내부 층이 외부 체벽보다 측면방향 동작에 대해 더욱 민감한 경우 특히 유리할 수 있다. 예를 들어, 최소 침습 심장 수술의 경우(수술 작업 공간이 심장의 내부에 있는 경우)에서, 심벽을 통한 절개는 측면방향 동작에 대해 흉벽을 통한 절개보다 더욱 민감할 수 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 동작의 원격 중심은 조직의 내부 층을 통한 절개 부위에서 위치조정될 수 있고, 이로써 조직의 내부 층의 측면방향 동작을 최소화할 수 있다.
하나 이상의 실시예들의 세부사항들은 첨부의 도면들과 아래의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 설명되어 있다. 다른 특징, 목적 및 이점은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 도면 및 청구범위로부터 자명할 것이다.
도 1은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 또는 로봇 수술 시스템의 예시적인 환자 측 카트의 사시도이다.
도 2는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 예시적인 의사 콘솔의 정면도이다.
도 3은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 예시적인 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 측면도이다.
도 4는 제 1 구성으로 되어 있는 예시적인 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 5는 제 2 구성으로 되어 있는 도 4에 있는 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 6은 제 3 구성으로 되어 있는 도 4에 있는 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 7 내지 도 9는 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여 일정 범위의 조인트 상태들을 가지는 예시적인 로봇 매니퓰레이터 어셈블리의 저면도, 측면도 및 배면도이다.
도 10은 도 7 내지 도 9에 있는 로봇 매니퓰레이터 어셈블리에 의해 제공되는 자유도가 도시되어 있는 개략도이다.
도 11은 수술 구멍을 통해 삽입되는 로봇 매니퓰레이터 어셈블리가 도시되어 있는 개략도이다.
도 12에는 도 11에 있는 고도로 구성가능한 매니퓰레이터 어셈블리를 새로운 구멍 포지션으로 수동으로 재위치조정하는 도전과제들 중 일부가 개략적으로 도시되어 있다.
도 13에는 새로운 구멍 포지션으로의 매니퓰레이터의 수동 재위치조정 동안 동작의 범위 또는 이와 유사한 것을 확장하는 도 11에 있는 아암의 재구성이 개략적으로 도시되어 있다.
도 14와 도 15에는 아암의 수동 움직임 동안 일정 범위의 대체 조인트 구성들의 범위 내에서 매니퓰레이터 어셈블리의 조인트들의 로봇식 재구성이 개략적으로 도시되어 있다.
도 16은 완전히 제약받는 인버스 야코비안 마스터/슬레이브 속도 컨트롤러(inverse Jacobian master/slave velocity controller)가 개략적으로 도시되어 있는 단순화된 블록 다이어그램이다.
도 17은 수정된 마스터/슬레이브 컨트롤러의 단순화된 다이어그램인데, 여기에는 인버스 야코비안 컨트롤러 모듈이 매니퓰레이터 어셈블리에 걸친 제어를 허용하는 구성 종속 서브스페이스 필터(configuration dependent subspace filter)를 가지는 제 2 모듈과 조합되어 있다.
도 18에는 도 17에 도시되어 있는 단순화된 마스터-슬레이브 컨트롤의 개선예가 도시되어 있다.
도 19에는 완전히 제약받는 마스터/슬레이브 로봇 수술 시스템을 위한 예시적인 인버스 야코비안 컨트롤러가 개략적으로 도시되어 있다.
도 20에는 도 11에 있는 컨트롤러의 수정된 부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 여기에는 인버스 야코비안 컨트롤러가 구성 종속 필터로 수정되어 있어서, 이 컨트롤러는 상이한 레벨들의 시스템 제약들 및/또는 목표들에 관한 우선사항과 관련되어 있다.
도 21은 최소 침습 수술 접근 부위에서 체벽을 통해 삽입되는 수술 기구와, 캐뉼라, 예시적인 환자 측 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 원위 부분의 측면도이다.
도 22는 도 21의 배열에 관한 다른 도면으로서, 내부 수술 작업 공간을 증가시키기 위해서 캐뉼라가 텐트형상의 체벽을 생성한 상태이다.
도 23에는 도 22의 기법들을 이용하는 체벽의 텐트형상화가 특히 유리한 예시적인 수술 시나리오가 도시되어 있다.
도 24 내지 도 26에는 채널과 유사한 수술 작업 공간 내부에서의 조작을 위한 최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법이 도시되어 있다.
도 27에는 도 24 내지 도 26을 참조하여 기술되어 있는 기법들이 특히 유리한 예시적인 수술 시나리오가 도시되어 있다.
도 28 내지 도 30은 일부 실시예들에 따르는 동작 제어의 기준 프레임(frame of reference 또는 reference frame)에 관한 예시적인 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 31은 최소 침습 수술 접근 부위에서의 외측 체벽과 내측 조직층을 통해 삽입되는 수술 기구와, 캐뉼라, 예시적인 환자 측 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 원위 부분의 측면도이다.
도 32는 도 31의 배열에 관한 다른 도면으로서, 내부 수술 작업 공간을 증가시키기 위해서 캐뉼라가 텐트형상의 내측 조직층을 생성한 상태이다.
도 33은, 본 명세서에 제공되어 있는 방법들에 따라 텐트형상화된 조직을 생성하는데 사용될 수 있는 예시적인 조직 결합 요소가 있는 로봇 수술 캐뉼라이다.
도 34 내지 도 36은, 본 명세서에 제공되어 있는 방법들에 따라 텐트형상화된 조직을 생성하는데 사용될 수 있는 다른 예시적인 조직 결합 요소가 있는 로봇 수술 캐뉼라이다.
도 37과 도 38에는, 본 명세서에 제공되어 있는 방법들 중 일부와 결합되어 사용될 수 있는 스위치가 있는 예시적인 환자 측 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 원위 부분이 나타나 있다.
도 39에는 도 37과 도 38에 있는 스위치의 사용예를 도시하기 위해서 최소 침습 수술 부위에서의 수술 기구와 캐뉼라의 원위 부분이 나타나 있다.
도 40에는 의사 제어식 체벽 텐트형상화를 구현하기 위한 그리고 동작의 원격 중심의 위치를 선별적으로 조정하기 위한 예시적인 방법이 도시되어 있다.
도 41과 도 42는 기구 엔드 이펙터 기준 프레임과 원격 중심 기준 프레임 사이의 관계를 제어하기 위한 2개의 시스템의 예시적인 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 43에는 단일 부위 접근 로봇 수술 기법의 맥락에서 체벽을 텐트형상화하는 방법이 도시되어 있다.
여러 가지 도면들에서의 유사한 참조 기호들은 유사한 요소들을 지시한다.
본 발명의 양태, 실시예, 구현예 또는 적용예가 도시되어 있는 첨부의 도면들과 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 제한하는 것으로 여겨져서는 안되고, 청구범위는 보호받는 발명을 정의한다. 여러 가지 기계적 변경, 구성요소적 변경, 구조적 변경, 전기적 변경 및 조작상 변경은 청구범위 및 발명의 설명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 행해질 수 있다. 일부 경우들에서, 잘 알려진 회로, 구조 또는 기법은 본 발명을 불명료하게 하지 않기 위하여 상세하게 기술되거나 나타나 있지 않다. 2개 이상의 도면들에 있는 유사한 부재번호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
나아가, 하나 이상의 실시예들과 선택적인 요소들 또는 부재들을 기술하기 위해서 선정된 특정 단어들은 본 발명을 제한하도록 의도된 것이 아니다. 예를 들어, "~밑에", "~아래에", "하부", "위쪽", "상부", "근위방향", "원위방향" 및 이와 유사한 것과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 바와 같이 다른 요소에 대한 일 요소의 관계 또는 다른 부재에 대한 일 부재의 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 나타나 있는 포지션과 배향에 추가하여 사용중이거나 조작중인 장치의 다른 포지션들(즉 병진 배치들)과 배향들(즉 회전 배치들)을 내포하고 있도록 의도되어 있다. 예를 들어, 도면에 있는 장치가 뒤집혀 있는 경우라면, 다른 요소들이나 부재들의 "아래에" 또는 "밑에" 있는 것으로 기술되어 있는 요소들은 이후 다른 요소들이나 부재들의 "위쪽"이나 "위"에 있을 수 있다. 따라서, "~아래에"라는 예시적인 용어는 위쪽이나 아래에 있는 포지션과 배향 양자 모두를 내포하고 있을 수 있다. 장치는 이와 달리 (예컨대 90도로 회전되거나 다른 배향들로) 배향될 수 있고, 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 기술어들은 적절하게 해석될 수 있다. 마찬가지로, 여러 가지 축들을 따르는 (병진) 운동과 여러 가지 축들 둘레에서의 (회전) 운동에 관한 기술사항들은 여러 가지 특별한 장치 포지션들과 배향들을 포함한다. 몸의 포지션과 배향의 조합은 몸의 자세를 정의한다.
이와 유사하게, "평행한", "수직하는", "둥근" 또는 "정사각형"과 같은 기하학적 용어들은 맥락상 이와 달리 지시되지 않는 한 절대적인 수학적 정확성을 필요로 하는 것으로 의도된 것은 아니다. 그 대신, 이러한 기하학적 용어들은 제조상 기능이나 균등한 기능에 기인한 변형예들을 감안하고 있다. 예를 들어, 어떤 요소가 "둥근", 또는 "대체로 둥근" 것으로 기술되는 경우라면, 정확히 원형이 아닌 구성요소(예컨대 약간 기다랗거나 다면의 다각형인 것)라도 이러한 기술사항에 의해 내포되어 있다. "포함하는" 또는 "가지는"이라는 단어들은 포함하는 것을 의미하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 기술사항이 충분히 분명하고 간명하면서도 정확하게 되어 있더라도 섬세하면서도 포괄적인 정확성이 언제나 가능성 있거나 바람직한 것은 아니라는 점을 이해할 수 있을 것인데, 이는 기술사항이 적당한 길이로 유지되어야할 뿐만 아니라 당업자가 배경 및 관련 기술을 알 수 있을 것이기 때문이다. 예를 들어, 비디오 신호를 생각해보면, 신호를 디스플레이하는 것으로 기술되어 있는 오실로스코프가 신호 그 자체가 아니라 신호의 표현을 디스플레이한다는 점, 및 신호를 디스플레이하는 것으로 기술되어 있는 비디오 모니터가 신호 그 자체가 아니라 신호가 운반하는 비디오 정보를 디스플레이한다는 점을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
추가적으로, "한", "하나의" 및 "그"와 같은 단수 형태들은 맥락상 이와 달리 지시되지 않는 한 복수 형태들도 마찬가지로 포함하도록 의도되어 있다. 그리고, "구비하다", "포함하다", "가진다" 및 이와 유사한 용어들은 언급되는 부재들, 단계들, 조작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 부재들, 단계들, 조작들, 요소들, 구성요소들 및/또는 그룹들의 추가나 존재를 배제하는 것은 아니다. 그리고, 하나 이상의 열거된 개별적인 아이템들이나 그 각각은 이와 달리 언급되지 않는 한 선택적인 것으로 여겨져야 해서, 아이템들의 여러 가지 조합들은 각각의 가능성 있는 조합들의 포괄적인 열거없이 기술되어 있다. "~일 수 있다"와 같은 조동사도 마찬가지로 부재, 단계, 조작, 요소 또는 구성요소가 선택적이라는 것을 의미한다.
일 실시예, 구현예 또는 적용예를 참조하여 상세하게 기술된 요소들은 특별히 나타나 있거나 기술되어 있지 않은 다른 실시예들, 구현예들 또는 적용예들에서 실제로 그러한 경우라면 언제나 포함될 수 있다. 예를 들어, 일 요소가 일 실시예를 참조하여 상세하게 기술되어 있되 제 2 실시예를 참조하여 기술되어 있지 않는 경우라면, 요소는 그럼에도 불구하고 제 2 실시예에 포함되어 있는 것으로 주장될 수 있다. 따라서, 다음에 오는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서의 불필요한 반복을 피하기 위하여, 일 실시예, 구현예 또는 적용예와 관련하여 기술되어 나타나 있는 하나 이상의 요소들은, 특별히 이와 달리 기술되지 않는 한, 하나 이상의 요소들이 실시예나 구현예를 비기능적인 것으로 만들지 않는 한, 또는 2개 이상의 요소들이 모순되는 기능들을 제공하지 않는 한, 다른 실시예들, 구현예들 또는 양태들에 통합될 수 있다.
결합되어 있는 것으로 기술되어 있는 요소들은 전기적으로 또는 기계적으로 직접 결합되어 있을 수 있고, 또는 하나 이상의 중간 구성요소들을 통해서 간접적으로 결합될 수 있다.
기계적 구조, 구성요소 또는 구성요소 조립체와 같은 부분과 관련되어 있는 "가요성(flexible)"이라는 용어는 폭넓게 해석되어야 한다. 본질적으로, 이 용어는 부분이 반복적으로 구부러질 수 있을 뿐만 아니라 부분에 대한 손상없이 원래 형상으로 복원될 수 있다는 것을 의미한다. 많은 "경질(rigid)" 물체들은 재료 특성 때문에 본질적으로 약간 탄력적인 "유연성(bendiness)"을 가지는데, 이는 이러한 물체들이 본 명세서에서 사용되는 용어와 같이 "가요성"으로 여겨지지는 않더라도 그러하다. 가요성 부분은 무한한 자유도(degrees of freedom; DOF's)를 가질 수 있다. 이러한 부분들에 관한 예시들은, 종종 단면 변형이 크게 없이도 간단하거나 복합적인 여러 가지 곡선들로 구부러질 수 있는 (예컨대 니티놀, 폴리머, 연질 고무 및 이와 유사한 것으로 만들어지는) 폐쇄형으로 구부러지는 튜브, 나선형 코일 스프링 등을 포함한다. 다른 가요성 부분들은 연속적인 "척추골(vertebrae)"의 뱀과 같은 배열과 유사한, 일련의 근접 이격 구성요소들을 이용함으로써 이러한 무한 DOF 부분에 가까울 수 있다. 이러한 척추골 배열에서, 각각의 구성요소는 운동형상학적 사슬(kinematic chain)의 짧은 링크이고, 각각의 링크 사이의 가동 기계적 제약들(예컨대 핀 힌지, 컵 앤 볼, 라이브 힌지 및 이와 유사한 것)은 링크들 사이에서의 상대적인 움직임에 관한 1 자유도(예컨대 피치) 또는 2 자유도(예컨대 피치와 요)를 허용할 수 있다. 짧은 가요성 부분은, 그 자체가 몇개의 결합된 링크들로 만들어진 운동형상학적 사슬일지라도, 운동형상학적 사슬의 2개의 링크들 사이에서 하나 이상의 자유도를 제공하는 단일의 기계적 제약(조인트)으로 서비스제공하거나 이와 같이 모형화될 수 있다. 부분의 가요성이 그 강성(stiffness)의 관점에서 표현될 수 있다는 점을 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 이와 달리 언급되어 있지 않는 한, 기계적 구조, 구성요소 또는 구성요소 조립체와 같은 가요성 부분은 능동적 가요성이거나 피동적 가요성일 수 있다. 능동적 가요성 부분은 부분 그 자체와 본질적으로 관련된 힘들을 이용함으로써 구부러질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 텐던(tendon)들은 부분을 따라 길이방향으로 라우팅되어(routed) 부분의 길이방향 축으로부터 오프셋되어 있을 수 있어서, 하나 이상의 텐던들 상의 장력은 부분이나 부분의 일부가 구부러지게 한다. 능동적 가요성 부분을 능동적으로 구부리는 다른 방식들은 공압식 또는 유압식 동력, 기어, 전기활성 폴리머(더욱 일반적으로는 "인공 근육") 및 이와 유사한 것의 사용을 제한없이 포함한다. 피동적 가요성 부분은 부분의 외부의 힘(예컨대 가해지는 기계적 또는 전자기적 힘)을 이용하여 구부러진다. 피동적 가요성 부분은 다시 구부러질 때까지 그 구부러진 형상으로 남아있을 수 있고, 또는 부분을 원래 형상으로 복원시키려는 경향이 있는 본질적인 특성을 가질 수 있다. 본질적인 강성을 가지는 피동적 가요성 부분의 예시는 플라스틱 막대 또는 탄력적인 고무 튜브이다. 능동적 가요성 부분은 그 본질적으로 관련된 힘들에 의해 작동되지 않는 경우 피동적으로 가요성일 수 있다. 단일 부분은 일련의 하나 이상의 능동적 가요성 부분과 피동적 가요성 부분으로 만들어질 수 있다.
본 발명의 양태들은 캘리포니아 서니베일 소재의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상용화된 다빈치(da Vinci®) 수술 시스템을 이용하는 구현예의 관점에서 주로 기술되어 있다. 이러한 수술 시스템들의 예시들은 다빈치(da Vinci®) XiTM 수술 시스템(모델 IS4000) 및 다빈치(da Vinci®) SiTM HDTM 수술 시스템(모델 IS3000)이다. 그러나, 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 양태들이 컴퓨터 보조식 내지 비컴퓨터 보조식 실시예와 구현예, 및 수동식 내지 컴퓨터 보조식 실시예와 구현예의 하이브리드 조합들을 포함하는 여러 가지 방식들로 구체화되고 구현될 수 있다는 점을 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다. 다빈치(da Vinci®) 수술 시스템들(예컨대 모델 IS4000, 모델 IS3000, 모델 IS2000, 모델 IS1200)에 관한 구현예들은 예시적인 것일 뿐이고, 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 양태들의 범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다. 적용가능한 바와 같이, 본 발명의 양태들은 상대적으로 더 작은 휴대용 수동 조작식 장치들과, 추가적인 기계적 지원을 받는 상대적으로 더 큰 시스템들 양자 모두에서 구체화되고 구현될 수 있다.
재료들의 힘과 강도가 메커니즘들의 크기와 같은 비율로 비율조정되지 않기 때문에, 개시되어 있는 구조들과 메커니즘들의 축소된 비율이 더 큰 비율로 구성된 유사한 구조들과 메커니즘들에서 발견되는 것과 비유사한 이러한 구조들과 메커니즘들로 된 구성으로 독특한 기계적 조건과 난이도를 생성한다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 8 mm 샤프트 직경을 가지는 수술 기구는 기계적 재료 특성과 제조상 고려사항들 때문에 5 mm 샤프트 직경으로 간단히 하향 비율조정될 수 없다. 마찬가지로, 5 mm 샤프트 직경 장치는 3 mm 샤프트 직경 장치로 간단히 하향 비율조정될 수 없다. 물리적인 치수들이 줄어듬에 따라, 중요한 기계적 관심사항들이 존재한다.
컴퓨터는 처리되는 출력 정보를 만들어내기 위해서 수학적인 함수나 논리 함수를 수행하는 프로그램된 지시들을 따르는 기계이다. 컴퓨터는 수학적인 함수나 논리 함수를 수행하는 논리 연산장치(logic unit), 및 프로그램된 지시들, 입력 정보 및 출력 정보를 저장하는 메모리를 포함한다. "컴퓨터"라는 용어, 및 "프로세서" 또는 "컨트롤러"와 같은 유사한 용어들은 단일 위치와 분산되어 있는 구현예들 양자 모두를 내포하고 있다.
본 발명은 개선된 수술 및 로봇 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 컨셉은, 복수의 수술 툴들 또는 기구들이 수술 절차 동안 관련된 복수의 로봇 매니퓰레이터들 상에 장착되어 관련된 복수의 로봇 매니퓰레이터들에 의해 움직일 수 있는 수술 로봇 시스템과의 사용에 특히 유리하다. 로봇 시스템은 종종 마스터-슬레이브 컨트롤러(master-slave controller)로서 구성되어 있는 프로세서를 포함하는 원격 로봇 원격수술 및/또는 원격현장감 시스템을 구비할 수 있다. 비교적 많은 수의 자유도를 가지는 관절운동식 링크장치들로 매니퓰레이터 어셈블리를 움직이도록 적절하게 구성되어 있는 프로세서들을 채택하는 로봇 시스템을 제공함으로써, 링크장치들의 동작은 최소 침습 접근 부위를 통한 작업을 위하여 맞춤제작될 수 있다. 적용가능한 바와 같이 단일의 링크를 지시하는, 그리고 다수의 링크들(및 하나 이상의 조인트들)을 구비하는 시스템을 지시하는 "링크장치(linkage)"가 본 출원에서 사용된다. 많은 수의 자유도는 또한 이러한 움직이는 구조들 및 이와 유사한 것들 사이에서의 충돌이나 간섭을 방지하기 위해서 프로세서가 매니퓰레이터를 위치조정하는 것을 허용할 수 있다.
"로봇 어셈블리(robotic assembly)"라는 용어가 그 위에 장착되는 툴이 없는 매니퓰레이터를 내포하고 있을 수도 있더라도, 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 매니퓰레이터 어셈블리는 로봇 매니퓰레이터 및 그 위에 장착되는 툴(툴은 종종 수술 버전들에 맞는 수술 기구를 구비함)을 종종 포함할 수 있다. "툴(tool)"이라는 용어는 범용 로봇 툴이나 산업용 로봇 툴과 전문 로봇 수술 기구들 양자 모두를 내포하고 있는데, 이러한 후자의 구조들은 종종 조직의 조종, 조직의 치료, 조직의 촬상 또는 이와 유사한 것에 적합한 엔드 이펙터를 포함한다. 툴/매니퓰레이터 인터페이스는 종종 툴과 대체 툴의 신속한 제거와 교체를 허용하는 쾌속 접속해제 툴 홀더 또는 커플링일 수 있다. 매니퓰레이터 어셈블리는 종종 로봇 절차의 적어도 일부 동안 공간 안에 고정되어 있는 베이스를 가질 수 있고, 매니퓰레이터 어셈블리는 툴의 엔드 이펙터와 베이스 사이에서 다자유도를 포함할 수 있다. (전기수술 패들이나 이와 유사한 것을 에너지공급하는 그립 장치(gripping device)의 죠들의 개방과 폐쇄와 같은) 엔드 이펙터의 작동은 종종 이러한 매니퓰레이터 어셈블리 자유도에 추가되거나 이와 별개일 수 있다.
엔드 이펙터는 2자유도 내지 6자유도로 작업공간 안에서 통상적으로 움직일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포지션(position)"이라는 용어는 위치와 배향 양자 모두를 내포하고 있다. 그러므로, (예컨대) 엔드 이펙터의 포지션에서의 변화는 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 엔드 이펙터의 병진운동, 제 1 배향으로부터 제 2 배향으로의 엔드 이펙터의 회전운동, 및 이들 양자 모두의 조합을 수반할 수 있다.
최소 침습 로봇 수술을 위하여 사용되는 경우, 매니퓰레이터 어셈블리의 움직임은 시스템의 하나 이상의 프로세서들(또는 간단히 "하나의 프로세서")에 의해 제어될 수 있어서, 기구나 툴의 샤프트 또는 중간 부분은 최소 침습 수술 접근 부위 또는 다른 구멍을 통한 안전 동작으로 제약받는다. 이러한 동작은, 예컨대 구멍 부위를 통한 샤프트의 축방향 삽입, 그 축을 중심으로 하는 샤프트의 회전, 및 접근 부위에 인접한 피벗 포인트를 중심으로 하는 샤프트의 피벗 운동을 포함하지만, 이와 달리 구멍에 인접한 조직을 파열하거나 접근 부위를 부주의로 확대시킬 수 있는 샤프트의 과도한 측면방향 동작을 종종 배제할 수 있다. 접근 부위에서의 매니퓰레이터 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 부적절한 동작들을 방지하는 기계식 매니퓰레이터 조인트 링크장치들을 이용하여 부과될 수 있고, 또는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 전체적으로 이용하거나 부분적으로 이용하여 부과될 수 있다. 그러므로, 매니퓰레이터 어셈블리의 이러한 최소 침습 구멍 제약 동작은 매니퓰레이터 어셈블리의 0자유도 내지 3자유도를 채택할 수 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 예시적인 매니퓰레이터 어셈블리 중 대부분은 수술 부위 내부에서 엔드 이펙터를 움직이고 위치조정하는데 요구되는 것보다 더 많은 자유도를 가질 수 있다. 예를 들어, 최소 침습 구멍을 통한 내부 수술 부위에서 6자유도로 위치조정될 수 있는 수술용 엔드 이펙터는 일부 실시예들에서 9자유도(엔드 이펙터 6자유도, 즉 위치를 위한 3자유도와 배향을 위한 3자유도, 더하기 접근 부위 제약들과 부합하는 3자유도)를 가지지만, 종종 10 또는 그 이상의 자유도를 가질 수 있다. 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여 요구되는 것보다 더 많은 자유도를 가지는 고도로 구성가능한 매니퓰레이터 어셈블리들은 작업공간에서의 엔드 이펙터 포지션을 위하여 일정 범위의 조인트 상태들을 허용하는 충분한 자유도를 가지거나 제공하는 것으로 기술될 수 있다. 예를 들어, 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여, 매니퓰레이터 어셈블리는 일정 범위의 대체 매니퓰레이터 링크장치 포지션들 중 임의의 것을 차지할 수 있다(그리고 그 사이에서 구동될 수 있음). 이와 유사하게, 주어진 엔드 이펙터 속도 벡터를 위하여, 매니퓰레이터 어셈블리는 매니퓰레이터 어셈블리의 여러 가지 조인트들을 위하여 일정 범위의 상이한 조인트 움직임 스피드들을 가질 수 있다. 능동적으로 포지션 제어되는 임의의 자유도가 힘 제어 또는 임피던스 제어 또는 어드미턴스 제어 또는 전술한 것의 임의의 조합을 이용하여 잠재적으로 제어될 수 있다는 점을 유의하여야 한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 최소 침습 원격수술을 위한 컴퓨터 보조 수술 시스템(또는 "컴퓨터 보조 로봇 시스템")은 환자 측 카트(100), 및 의사 콘솔(40)과 같은 오퍼레이터 콘솔을 포함할 수 있다. 원격수술은 의사가 수술 기구들을 손으로 직접 잡고 움직이는 것이 아니라 수술 기구 움직임을 조종하는 원격 제어의 일부 형태, 예컨대 서보메커니즘 또는 이와 유사한 것을 이용하는 수술 시스템들을 위한 일반적인 용어이다. 로봇으로 조종가능한 수술 기구들은 환자 내부의 수술 부위들에 있는 조직들을 치료하기 위해서 작은 최소 침습 수술 구멍들을 통해 삽입될 수 있고, 개복 수술을 위한 접근과 관련되어 있는 트라우마를 피할 수 있다. 이러한 로봇 시스템들은, 종종 최소 침습 구멍에서의 수술 기구들의 샤프트들의 피벗운동, 상기 구멍을 통한 샤프트의 축방향 슬라이딩운동, 상기 구멍 내부에서의 샤프트의 회전운동 및/또는 이와 유사한 것에 의해 상당히 복잡한 수술 과업들을 수행하기에 충분한 숙련도로 수술 기구들의 작업 단부들을 움직일 수 있다.
도시된 실시예에서, 환자 측 카트(100)는 베이스(110), 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)(또는 "매니퓰레이터 어셈블리(120)"), 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(130)(또는 "매니퓰레이터 어셈블리(130)"), 제 3 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(140)(또는 "매니퓰레이터 어셈블리(140)") 및 제 5 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(150)(또는 "매니퓰레이터 어셈블리(150)")을 포함한다. 각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120, 130, 140, 150)는 베이스(110)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 4개 미만의 또는 4개 이상의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 환자 측 카트(100)의 일부로서 포함될 수 있다. 도시된 실시예에서 베이스(110)는 용이한 가동성을 허용하는 캐스터(caster)들을 포함하는 한편, 일부 실시예들에서 환자 측 카트(100)는 바닥, 천정, 수술대, 구조적 프레임워크(structual framework) 또는 이와 유사한 것에 고정되게 장착된다.
통상적인 적용처에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150) 중 2개는 수술 기구들을 잡고, 세번째는 입체 내시경을 잡는다. 남아있는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 이용가능해서, 다른 기구가 작업 부위에서 도입될 수 있다. 이를 대신하여, 남아있는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 제 2 내시경, 또는 초음파 변환기(ultrasound tranducer)와 같은 다른 이미지 캡처 장치를 작업 부위로 도입하기 위하여 사용될 수 있다.
각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은, 종래에는 함께 결합되어 작동가능한 조인트들을 통해 조종되는 링크들로 형성되었다. 각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 셋업 아암과 디바이스 매니퓰레이터를 포함한다. 셋업 아암은 그 잡혀 있는 장치를 위치조정해서, 피벗은 환자 속으로의 그 진입 구멍에서 생긴다. 디바이스 매니퓰레이터는 이때 그 잡혀 있는 장치를 조종할 수 있어서, 피벗을 중심으로 피벗운동될 수 있고, 진입 구멍 속으로 삽입되거나 진입 구멍 밖으로 꺼내질 수 있고, 그리고 그 샤프트 축을 중심으로 회전운동될 수 있다. 피벗은 본 명세서에서 "피벗 포인트(pivot point)"로도 지칭될 수 있는데, 이는 피벗을 중심으로 하는 피벗 운동이 이상적으로는 공간 안의 특정 포인트를 중심으로 하는 회전 운동으로 모형화되어 설명될 수 있기 때문이다. 또한, 일부 실시예들에서, "피벗" 또는 "피벗 포인트"는 포인트(point)로 구현될 수 있고, "피벗" 또는 "피벗 포인트"를 중심으로 하여 그 결과 생기는 피벗 운동은 이때 회전 중심의 어떠한 병진운동(시스템의 설계 상 주어진 가능성 있는 중심의 병진운동의 최소량)도 수반하지 않는다. 그러나, 여러 가지 실시예들에서, "피벗" 또는 "피벗 포인트"는 특정 경계들 내부에 있는 세트를 이루는 포인트들, 공간의 작은 부분 또는 이와 유사한 것으로 구현될 수 있다. 전체적인 운동이 여전히 실질적으로 회전 중심을 중심으로 하고 있는 동안, "피벗" 또는 "피벗 포인트"를 중심으로 하는 그 결과 생기는 피벗 운동은 이때 회전 중심의 제한된 병진운동을 포함할 수 있다. 병진 운동의 양은 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 병진 운동의 양은 증가되지 않은 감각들을 가지는 평균적인 사람에게 감지될 수 없다. 다른 예시로서, 일부 실시예들에서, 병진 운동의 양은 기계적인 피벗 조인트들에서 발견될 수 있는 것과 유사하다.
도시된 실시예들에서, 의사 콘솔(40)은 입체 시각 디스플레이(45)를 포함해서, 사용자는 환자 측 카트(100)의 입체 카메라에 의해 캡처되는 이미지들로부터의 입체 시각으로 수술 작업 부위를 관찰할 수 있다. 좌측 접안렌즈(46)와 우측 접안렌즈(47)는 입체 시각 디스플레이(45)에 제공되어 있어서, 사용자는 사용자의 좌안과 우안으로 각각 디스플레이(45) 안쪽의 좌측 디스플레이 스크린과 우측 디스플레이 스크린을 관찰할 수 있다. 통상적으로 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상에서 수술 부위의 이미지를 관찰하는 동안, 의사는 수술 시스템의 프로세서(들)를 이용하여 차례로 로봇 기구들의 동작을 제어하는 마스터 제어 입력 장치들을 조종함으로써 환자에 대한 수술 절차들을 수행한다.
의사 콘솔(40)은 또한, 바람직하게는 6자유도("DOF")로 환자 측 카트(100)의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)에 의해 잡혀 있는 장치들(예컨대 수술 기구들)을 조종하기 위해서 사용자가 그의/그녀의 왼쪽 손과 오른쪽 손으로 각각 파지할 수 있는 좌측 입력 장치(41)와 우측 입력 장치(42)를 포함한다. 토 앤드 힐(toe and heel) 제어수단들이 있는 풋 페달(44)들은 의사 콘솔(40) 상에 제공되어 있어서, 사용자는 풋 페달들과 관련된 장치들의 움직임 및/또는 작동을 제어할 수 있다.
프로세서(43)는 제어 및 다른 목적을 위하여 수술 콘솔(40)에 제공되어 있다. 프로세서(43)는 의료용 로못 시스템에서 여러 가지 기능들을 수행한다. 프로세서(43)에 의해 수행되는 한가지 기능은 그 관련된 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)에서 그 각각의 조인트들을 작동시키기 위해서 입력 장치들(41, 42)을 병진운동시키고 입력 장치들(41, 42)의 기계적 동작을 전달하는 것이어서, 의사는 수술 기구들과 같은 장치들을 효과적으로 조종할 수 있다. 프로세서(43)의 다른 기능은 방법들, 교차 결합(cross-coupling) 제어 논리, 및 본 명세서에 기술되어 있는 컨트롤러들을 구현하는 것이다.
의사 콘솔(40)이 위 예시에 기술되어 있더라도, 오퍼레이터 콘솔이 1차 사용자로서 의사로 설계되지 않은 콘솔일 수 있다는 점을 알 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터 콘솔은 1차 사용자로서 수술 팀의 다른 멤버(마취과의사, 보조자 등)를 위하여 설계될 수 있는데, 이는 동시에 또는 다른 시간에 수술 팀의 다른 멤버(들)과 의사에 의한 사용을 위한 것이고, 또는 수술 팀의 임의의 멤버에 의한 일반적인 사용을 위한 것이다. 또한, 다른 실시예들에서, 오퍼레이터 콘솔은 비수술용 의료적 사용 또는 비의료용 사용을 위하여 설계될 수 있다.
프로세서로서 기술되어 있더라도, 프로세서(43)(및 본 명세서에 기술되어 있는 다른 "프로세서들")가 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다는 점을 알 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같은 그 기능들은 하나의 유닛에 의해 수행되거나 다수의 서브유닛들 중에서 분할될 수 있는데, 각각의 서브유닛들은 차례로 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 나아가, 의사 콘솔(40)에 대해 물리적으로 인접해 있거나 그 부분으로서 나타나 있더라도, 프로세서(43)는 원격수술 시스템 전체에 걸쳐 서브유닛들로서 분산될 수도 있다.
프로세서(43)(및 본 명세서에 기술되어 있는 다른 수술 시스템들의 프로세서들)는 비일시적 기계 판독가능 매체로부터의 기계 판독가능 지시들을 실행할 수 있는데, 비일시적 기계 판독가능 매체는 그 지시들에 대응하는 거동들을 수행하도록 프로세서(43)를 활성화시킨다. 따라서, 본 명세서의 컴퓨터 보조 수술 기법들과 방법들에 관한 개시사항이 대응하는 기계 판독가능 지시들을 구비하는 비일시적 기계 판독가능 매체에 관한 부수적인 개시사항을 포함한다는 점을 알 수 있을 것이다.
또한 도 3을 참조하면, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 최소 침습 수술을 수행하기 위해서 수술 기구들과 같은 장치들을 조종할 수 있다. 예를 들어, 도시된 배열에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)는 기구 홀더(122)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 캐뉼라(180)와 수술 기구(200)는 차례로 기구 홀더(122)에 해제가능하게 결합되어 있다. 캐뉼라(180)는 수술 동안 환자 인터페이스 부위에 위치되어 있는 튜브형 부재이다. 캐뉼라(180)는 수술 기구(200)의 기다란 샤프트(220)가 그 안에서 슬라이딩가능하게 배치되어 있는 루멘을 정의한다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템의 프로세서는, 예컨대 매니퓰레이터 어셈블리(120)에 대한 캐뉼라(180)의 해제가능한 결합을 탐지하도록 구성되어 있다.
기구 홀더(122)는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)의 원위 단부에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)의 원위 단부와 기구 홀더(122) 사이의 피벗운동가능한 결합수단은 프로세서(43)와 의사 콘솔(40)에 의해 작동가능한 모터구동식 조인트(motorized joint)이다.
기구 홀더(122)는 기구 홀더 프레임(124), 캐뉼라 클램프(126) 및 기구 홀더 캐리지(128)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 캐뉼라 클램프(126)는 기구 홀더 프레임(124)의 원위 단부에 고정되어 있다. 캐뉼라 클램프(126)는 캐뉼라(180)와 결합하거나 캐뉼라(180)로부터 결합해제하도록 작동될 수 있다. 기구 홀더 캐리지(128)는 기구 홀더 프레임(124)에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 보다 상세하게, 기구 홀더 캐리지(128)는 기구 홀더 프레임(124)을 따라 직선방향으로 병진운동가능하다. 일부 실시예들에서, 기구 홀더 프레임(124)을 따르는 기구 홀더 캐리지(128)의 움직임은 프로세서(43)에 의해 작동가능한/제어가능한 모터구동식 병진 운동이다.
수술 기구(200)는 트랜스미션 어셈블리(210), 기다란 샤프트(220) 및 엔드 이펙터(230)를 포함한다. 트랜스미션 어셈블리(210)는 기구 홀더 캐리지(128)와 해제가능하게 결합가능하다. 샤프트(220)는 트랜스미션 어셈블리(210)로부터 원위방향으로 뻗어 있다. 엔드 이펙터(230)는 샤프트(220)의 원위 단부에 배치되어 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템의 프로세서는, 예컨대 매니퓰레이터 어셈블리(120)에 대한 수술 기구(200)의 설치를 탐지하도록 구성되어 있다.
샤프트(220)는, 캐뉼라(180)의 길이방향 축과 일치할 뿐만 아니라 캐뉼라(180)에 의해 정의되는 루멘의 길이방향 축과 일치하는 길이방향 축(222)을 정의한다. 기구 홀더 캐리지(128)가 기구 홀더 프레임(124)을 따라 병진운동함에 따라, 수술 기구(200)의 기다란 샤프트(220)는 길이방향 축(222)을 따라 움직이게 된다. 이러한 방식으로, 엔드 이펙터(230)는 환자의 몸 내부의 수술 작업공간으로 삽입될 수 있고 그리고/또는 그 수술 작업공간으로부터 꺼내질 수 있다.
또한 도 4 내지 도 6을 참조하면, 다른 타입들의 다양한 대체 로봇 수술 기구들과, 상이한 엔드 이펙터(230)들이 사용될 수 있는데, 매니퓰레이터들 중 적어도 일부의 기구들은 수술 절차 동안 제거되거나 교체된다. 예컨대 드베키 포셉(DeBakey Forcep)(56ｉ), 마이크로포셉(microforcep)(56ⅱ) 및 포츠 시저(Potts scissor)(56ⅲ)를 포함하는 이들 엔드 이펙터들 중 몇몇은 한 쌍의 엔드 이펙터 죠들을 정의하도록 서로에 대하여 피벗운동하는 제 1 엔드 이펙터 요소(56a)와 제 2 엔드 이펙터 요소(56b)를 포함한다. 외과도(scalpel)와 전기소작 프로브(electrocautery probe)를 포함하는 다른 엔드 이펙터들은 단일의 엔드 이펙터 요소를 가진다. 엔드 이펙터 죠들을 가지는 기구들에 있어서, 죠(jaw)들은 종종 입력 장치들(41, 42)의 그립 부재들을 압착함으로써 작동될 수 있다.
기다란 샤프트(220)는 샤프트(220)의 원위 단부와 엔드 이펙터(230)가 (여기서는 캐뉼라(180)를 지나서) 최소 침습 구멍을 통해, 종종 복벽 또는 이와 유사한 것을 통해 수술 작업부위 속으로 원위방향으로 삽입되는 것을 허용한다. 수술 작업부위는 가스주입될 수 있고, 환자 내부에서의 엔드 이펙터(230)들의 움직임은 종종 샤프트(220)가 최소 침습 구멍을 통과하는 위치를 중심으로 하는 기구(200)의 피벗운동에 의해 적어도 부분적으로 효과발휘될 수 있다. 환언하자면, 샤프트(220)가 엔드 이펙터(50)의 원하는 움직임을 제공하는데 도움이 되기 위하여 최소 침습 구멍 위치를 통해 뻗어 있도록, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 트랜스미션 어셈블리(210)를 환자의 체외쪽으로 움직일 수 있다. 그러므로, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 수술 절차 동안 환자의 체외쪽으로 상당한 움직임을 종종 겪을 수 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 예시적인 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)는 베이스(302)에 대한 기구(306)의 움직임들에 영향을 미치도록 수술 기구(306)와 결합될 수 있다. 상이한 엔드 이펙터들을 가지는 다수의 다른 수술 기구들이 수술 절차 동안 (통상적으로 수술 보조자의 도움으로) 각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304) 상에 순차적으로 장착될 수 있기 때문에, 기구 홀더(320)는 장착된 수술 기구(306)의 신속한 제거와 교체를 바람직하게 허용할 수 있다. 예시적인 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)가 본 발명의 사상의 범위내에 상정되어 있는 다양한 타입들의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들 중 제한없는 일 예시일 뿐이라는 점을 알 수 있을 것이다.
예시적인 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 나머지가 제 1 조인트 축(J1)을 중심으로 회전하는 것을 허용하기 위해서 피벗 장착용 조인트(322)에 의해 베이스(302)에 장착되어 있는데, 제 1 조인트(322)는 예시적인 실시예에서 수직 축을 중심으로 하는 회전을 제공한다. 베이스(302)와 제 1 조인트(322)는 대체로 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 근위 부분을 구비하는데, 매니퓰레이터는 엔드 이펙터(50)와 기구 홀더(320)를 향하여 베이스로부터 원위방향으로 뻗어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 링크들을 접속하는 조인트들의 회전 축과 나란하게 도 7 내지 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 개별적인 링크들을 기술하자면, 제 1 링크(324)는 베이스(302)로부터 원위방향으로 뻗어 있고, 조인트(322)에서 제 1 피벗 조인트 축(J1)을 중심으로 회전한다. 조인트들의 나머지 중 대부분은 도 10에서 그 관련된 회전 축에 의해 확인될 수 있다. 예를 들어, 제 1 링크(324)의 원위 단부는 수평방향 피벗 축(J2)을 제공하는 조인트에서 제 2 링크(326)의 근위 단부에 결합되어 있다. 제 3 링크(328)의 근위 단부는 롤 조인트에서 제 2 링크(326)의 원위 단부에 결합되어 있어서, 제 3 링크는 대체로 제 2 링크와 제 3 링크 양자 모두의 축들을 따라 뻗어 있는(그리고 이상적으로는 이 축들과 정렬되어 있는) 축을 중심으로 조인트(J3)에서 회전운동하거나 구름운동한다. 다른 피벗 조인트(J4) 다음에 원위방향으로 전진하면, 제 4 링크(330)의 원위 단부는 기구 홀더 리스트(332)를 함께 정의하는 한 쌍의 피벗 조인트들(J5, J6)에 의해 기구 홀더(320)에 결합된다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 병진운동 또는 프리즈매틱 조인트(J7)는 최소 침습 구멍을 통한 기구(306)의 축방향 움직임을 수월하게 하고, 그리고 또한 기구(306)가 이를 통해 슬라이딩가능하게 삽입되는 캐뉼라에 대한 기구 홀더(320)의 부착을 수월하게 한다.
기구 홀더(320)의 원위방향에서, 수술 기구(306)는 추가적인 자유도를 포함할 수 있다. 수술 기구(306)의 자유도의 작동은 종종 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 모터들에 의해 구동될 수 있다. 수술 기구(306) 상에 있는 것으로 여기에 나타나 있는 하나 이상의 조인트들이 그 대신 인터페이스 상에 있거나 그 반대의 경우가 되도록, 대체 실시예들은 신속하게 분리가능한 기구 홀더/기구 인터페이스에서 수술 기구(306)를 지지용 매니퓰레이터 아암 구조로부터 분리시킬 수 있다. 환언하자면, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)와 수술 기구(306) 사이의 인터페이스는 (수술 기구와 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304) 양자 모두를 포함할 수 있는) 매니퓰레이터 아암 어셈블리(304)의 운동형상학적 사슬을 따라 더욱 근위방향으로 또는 원위방향으로 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수술 기구(306)는, 대체로 최소 침습 구멍이 있는 부위에 배치되어 있는 피벗 포인트(PP)의 근위방향으로 회전 조인트(J8)를 포함한다. 수술 기구(306)의 원위방향 리스트는 기구 리스트 조인트 축들(J9, J10)을 중심으로 하는 엔드 이펙터(50)의 피벗 운동을 허용한다. 엔드 이펙터 죠 요소들 사이의 각도(α)는 엔드 이펙터(50) 위치와 배향과 독립적으로 제어될 수 있다.
이어서 도 11 내지 도 13을 참조하면, 예시적인 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)는 매니퓰레이터 아암(504)(또한 "매니퓰레이터 아암 어셈블리(504)"), 및 엔드 이펙터(508)를 가지는 수술 기구(506)를 포함한다. 매니퓰레이터 어셈블리라는 용어는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 일부 경우들에서 그 위에 장착되어 있는 수술 기구가 없는 매니퓰레이터 아암을 내포하고 있을 수도 있다. 도시된 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)는 대체로 근위방향 베이스(510)로부터 엔드 이펙터(508)에 대해 원위방향으로 뻗어 있는데, 수술 기구(506)의 원위 부분과 엔드 이펙터(508)는 수술 부위(512)에 대한 접근을 허용하는 최소 침습 구멍(514)을 통한 내부 수술 부위(512) 속으로의 삽입을 위하여 구성되어 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)의 조인트 구조는 도 10에 관하여 위에 기술되어 있는 것과 유사하고, 매니퓰레이터 어셈블리가 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여 일정 범위의 상이한 조인트 상태들 범위내에서 어디에든 존재하는 것을 허용하기에 충분한 자유도를 포함하는데, 이는 수술 기구(506)가 최소 침습 구멍(514)을 통한 통과에 대해 제약받는 경우일지라도 그러하다.
최소 침습 수술 절차에 대한 접근 부위가 제 1 구멍 위치(514a)로부터 제 2 구멍 위치(514b)로 변경되어야 하는 경우, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)의 링크들 중 일부나 전부를 수동으로 재위치조정하는 것이 종종 바람할 수 있다. 이와 유사하게, 수술을 위하여 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)를 처음으로 셋업하는 경우, 매니퓰레이터 어셈블리(502)는, 이를 통해 관련된 수술 기구(506)가 수술 부위(512)에 접근할 구멍 위치와 정렬되어 있는 원하는 포지션으로 수동으로 움직이게 될 수 있다. 그러나, (예컨대) 베이스(510)와 기구/매니퓰레이터 인터페이스 사이에 비교적 많은 수의 조인트들을 가지는 고도로 구성가능한 매니퓰레이터 아암 구조의 관점에서(도 10 참조), 링크들의 이러한 수동 위치조정은 도전과제일 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502) 구조가 중력의 영향을 피하도록 밸런스조정되는 경우일지라도, 각각의 조인트들을 적합한 배열로 정렬시키려는 시도는 한 사람에게는 어렵고 시간이 걸릴 수 있으며, 상당한 훈련 및/또는 스킬을 수반할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 링크들이 조인트들을 중심으로 하여 밸런스조정되지 않는 경우에는 도전과제가 더 어려울 수 있는데, 이는 수술을 시작하기 위해서 이러한 고도로 구성가능한 구조들을 적합한 구성으로 위치조정하는 것이 매니퓰레이터의 아암 길이와 그 피동형이면서 늘어진 설계(passive and limp design)를 이유로 곤란할 수 있기 때문이다.
수술 절차를 위하여 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 셋업을 수월하게 하기 위해서(또는 환자의 다른 조직에 접근하기 위하여 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 재구성을 수월하게 하기 위해서), 의사 콘솔(40)의 프로세서(43)(도 2 참조)는 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 조인트들을 능동적으로 구동시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 이러한 구동은 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 적어도 하나의 조인트의 수동 움직임에 응답할 수 있다. 도 13에서, 시스템 오퍼레이터(선택적으로는 의사, 보조자, 기술자 또는 이와 유사한 사람)의 핸드(H)는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)나 수술 기구(506)의 링크를 원하는 최소 침습 구멍 위치(514b)와 정렬되도록 수동으로 움직인다. 이러한 움직임 동안, 프로세서는 핸드/매니퓰레이터 맞물림부의 근위에 있는 조인트들을 구동시킨다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)가 종종 일정 범위의 대체 구성에 있도록 충분한 자유도를 가질 수 있기 때문에, 근위방향 조인트들은 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(502)의 원위 부분의 수동 위치조정을 방해하지 않으면서 원하는 매니퓰레이터 상태로 구동될 수 있다. 선택적으로, 조인트들은 중력을 보상하기 위하여, 모멘텀 효과를 방지하기 위해서, 그 조인트에서 매니퓰레이터 구조를 소성 변형시키는 인상을 손에 주도록 수동 움직임에 대한 원하는 저항력을 제공하기 위해서(그리고 종종 이 저항력을 쉽게 극복하기 위해서), 구성가능한 링크장치 어셈블리를 원하는 자세로 유지하기 위하여 또는 이와 유사한 것을 위해서 구동될 수 있다. 이 움직임이 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(504)에 부착되어 있는 수술 기구(506)로 수행되고 있는 것으로 도 13에 나타나 있지만, 매니퓰레이터 어셈블리는 종종 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(504)에 대한 수술 기구(506)의 부착에 앞서 수동으로 위치조정될 수 있다.
도 14와 도 15를 참조하면, 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)는 다양한 상이한 이유들 중 어떤 것을 위하여 프로세서(43)(도 2)에 의해 재구성될 수 있다. 예를 들어, 조인트(526)는 인접한 아암, 설비 또는 인원과의 충돌을 방지하기 위하여, 환자의 호흡 또는 이와 유사한 것과 같은 환자의 생리적인 움직임에 응답하여, 예컨대 수술대를 재배향함으로써 환자의 재위치조정에 응답하여, 엔드 이펙터(508)의 동작의 범위를 확장하기 위해서 또는 이와 유사한 것을 위해서 아래쪽을 향하여 배향되어 있는 꼭대기 구성으로부터 위쪽을 향하여 배향되어 있는 꼭대기 구성으로 구동될 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 구성에서의 이러한 변경들의 전부는 아니지만 그 중 일부는 매니퓰레이터 어셈블리(502)에 가해지는 외력에 응답할 수 있는데, 프로세서(43)는 종종 외력에 의해 작동되고 있는 것과 다른 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 조인트를 구동시킨다. 다른 경우들에서, 프로세서(43)는 프로세서(43)에 의해 수행되는 연산에 응답하여 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)를 재구성할 수 있다. 어떤 경우에서, 프로세서(43)는 바람직한 매니퓰레이터 어셈블리(502) 구성을 제공하는 신호에 응답하여 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)를 구동시키는 단순한 마스터-슬레이브 컨트롤러와 다를 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 이러한 구성은 마스터-슬레이브 엔드 이펙터 움직임 동안, 매니퓰레이터 어셈블리(502)의 수동 또는 다른 재구성 동안 및/또는 적어도 부분적으로는 클러치 입력을 해제한 후와 같이 다른 시간에 일어날 수 있다.
도 16을 참조하면, 단순화된 컨트롤러 개략도(530)에는 마스터 입력 장치(534)를 슬레이브 매니퓰레이터(536)에 결합하는 마스터/슬레이브 컨트롤러(532)가 나타나 있다. 이 예시에서, 컨트롤러 입력, 출력 및 계산은 벡터 수학 기호를 사용하여 기술되어 있는데, 여기에서 벡터(x)는 종종 데카르트 좌표에서 위치 벡터로 지칭될 수 있고, 그리고 여기에서 벡터(q)는 때때로 접합 공간(joint space)에서의 링크장치 포지션으로 지칭되는 관련 링크장치(종종 대부분의 매니퓰레이터 슬레이브 링크장치)의 조인트 관절운동 구성 벡터를 지칭할 수 있다. 첨자는 불명확성이 이와 달리 존재할 수 있는 경우 특정 구조를 확인하기 위해서 이러한 벡터들에 첨부될 수 있어서, (예컨대) xm은 관련된 마스터 작업공간이나 좌표계에서의 마스터 입력 장치의 포지션인 한편, xs는 작업공간에서의 슬레이브의 포지션을 지시한다. 위치 벡터들과 관련되어 있는 속도 벡터들은 마스터 속도 벡터를 위한
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또는 xdotm과 같이 벡터 위의 점(dot)이나 벡터와 첨자 사이에 "도트(dot)"라는 단어에 의해 지시되어 있는데, 속도 벡터들은 시간의 변화에 따른 위치 벡터의 변화(마스터 속도 벡터 예시를 위한 dxm/dt)로서 수학적으로 정의되어 있다.
예시적인 컨트롤러(532)는 인버스 야코비안 속도 컨트롤러를 구비한다. 여기에서 xm은 마스터 입력 장치의 위치이며
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은 마스터 입력 장치의 속도이고, 컨트롤러(532)는 마스터 속도들로부터의 입력 장치에 대응하는 슬레이브 엔드 이펙터 동작들을 효과발휘하기 위해서 슬레이브 매니퓰레이터(536) 쪽으로의 전송을 위한 모터 명령들을 연산한다. 이와 유사하게, 컨트롤러(532)는 슬레이브 위치(xs) 및/또는 슬레이브 속도(
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)로부터 마스터 입력 장치 쪽으로(그리고 거기로부터 오퍼레이터의 손 쪽으로) 적용될 힘 반사 신호들을 연산할 수 있다. 단순한 마스터/슬레이브 인버스 야코비안 컨트롤러 개요도에 대한 다수의 개선예들은 도 19에 도시되어 있는 것들을 포함하여 바람직하고, 그 명세서의 전체 개시사항이 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있는 미국 특허 제6,424,885호("885 특허")에 상세하게 기술되어 있다.
이어서 도 17을 참조하면, 프로세서(542)(또한 "컨트롤러(542)")는 제 1 컨트롤러 모듈(544)(또한 "제 1 모듈(544)")와 제 2 컨트롤러 모듈(546)(또한 "제 2 모듈(546)")을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 제 1 모듈(544)은 인버스 야코비안 마스터-슬레이브 컨트롤러와 같은 1차 조인트 컨트롤러를 구비할 수 있다. 제 1 모듈(544)의 1차 조인트 컨트롤러는 마스터 입력 장치(534)로부터의 입력들에 응답하여 원하는 매니퓰레이터 어셈블리 움직임들을 발생시키도록 구성될 수 있다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에 기술되어 있는 다수의 매니퓰레이터 링크장치들은 공간 안의 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여 일정 범위의 대체 구성들을 가진다. 결과적으로, 주어진 포지션을 가정하기 위해서 엔드 이펙터를 위한 명령은 폭넓게 다양한 다른 조인트 움직임들과 구성들을 초래할 수도 있겠지만, 이러한 움직임들과 구성들 중 일부는 다른 것들보다 더욱 더 바람직할 수 있다. 그러므로, 제 2 모듈(546)은 매니퓰레이터 어셈블리를 원하는 구성으로 구동시키는데 도움이 되도록 구성될 수 있는데, 일부 실시예들에서는 마스터-슬레이브 움직임들 동안 바람직한 구성을 향하여 매니퓰레이터를 구동시킨다. 많은 실시예들에서, 제 2 모듈(546)은 구성 종속 필터를 구비할 수 있다.
폭넓은 수학 용어들에서, 제 1 모듈(544)의 1차 조인트 컨트롤러와 제 2 모듈(546)의 구성 종속 필터는 하나 이상의 수술 목표들이나 과업들의 서비스에 대한 조인트들의 선형 조합(linear combination; 선형 결합 또는 일차 결합)들을 위한 제어 권한을 라우팅하기 위해서 프로세서(542)에 의해 사용되는 필터들을 구비할 수 있다. X가 조인트 동작의 공간이라고 가정해보면, F(X)는 ⅰ) 원하는 엔드 이펙터 움직임을 제공하는 것, 및 ⅱ) 구멍 부위에서의 기구 샤프트의 피벗 운동을 제공하는 것을 위해서 조인트들에 걸친 제어를 허여하는 필터일 수 있다. 그러므로, 제 1 모듈(544)의 1차 조인트 컨트롤러는 필터(F(X))를 구비할 수 있다. 개념상으로, (1-F-1F)(X)는 1차 조인트 컨트롤러의 목표(이 예시에서는 엔드 이펙터 움직임과 피벗 기구 샤프트 동작)를 서비스제공하는 방향에 직교하는 조인트 속도들의 선형 조합에 대한 제어 작동 권한을 허여하는 구성 종속 서브스페이스 필터를 기술할 수도 있다. 그러므로, 이 구성 종속 필터는 매니퓰레이터 어셈블리의 원하는 자세를 유지하는 것, 충돌을 방지하는 것 또는 이와 유사한 것과 같은 제 2 목표를 서비스제공하기 위해서 컨트롤러(542)의 제 2 모듈(546)에 의해 사용될 수도 있다. 양쪽 필터들은 더 많은 특정 과업들을 서비스제공하는 것에 대응하는 더 많은 필터들로 더욱 세분(sub-divided)될 수 있다. 예를 들어, 필터(F(X))는 둘 중 어느 하나가 프로세서의 1차 또는 최우선 과업으로서 선정될 수 있는 피벗 샤프트 동작의 제어와 엔드 이펙터의 제어를 위하여 F1(X)와 F2(X)로 각각 분리될 수도 있다.
모듈에 의해 수행되는 수학적 연산들이 (적어도 부분적으로는) 유사할 수 있지만, 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 프로세서 및 제어 기법은 종종 제 1(때때로 '1차'로 지칭됨) 컨트롤러 과업을 위하여 구성된 1차 조인트 컨트롤러, 및 제 2('2차'로도 지칭됨) 과업을 위하여 1차 조인트 컨트롤러에 의해 발생되는 제약 하에서의 솔루션(under-constrained solution)을 이용하는 구성 종속 필터를 이용할 수 있다. 다음에 오는 설명 중 많은 것에서, 1차 조인트 컨트롤러는 제 1 모듈을 참조하여 기술될 수 있는 한편, 구성 종속 필터는 제 2 모듈을 참조하여 기술될 수 있다. (추가적인 서브스페이스 필터와 같은) 추가적인 기능들 및/또는 여러 우선권들의 추가적인 모듈들 또한 포함될 수 있다.
본 명세서에서도 언급한 바와 같이, 이러한 제 1 모듈과 제 2 모듈을 참조하여 기술되어 있는 기능들을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 프로그래밍 코드는 완전히 통합될 수도 있고, 부분적으로 통합될 수도 있고, 또는 완전히 별개일 수도 있다. 컨트롤러(542)는 2개의 모듈들의 기능들을 동시에 채택할 수 있고, 그리고/또는 한쪽 또는 양쪽 모듈이 별개로 사용되거나 다른 방식들로 사용되는 복수의 상이한 모드들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제 1 모듈(544)은 마스터-슬레이브 조종들 동안에는 제 2 모듈(546)로부터 영향이 거의 없거나 없는 상태로 사용될 수 있고, 매니퓰레이터 어셈블리의 포트 클러치동작(clutching) 또는 다른 수동 관절운동들 동안과 같이 엔드 이펙터가 로봇식으로 구동되고 있지 않는 경우의 시스템의 셋업 동안에는 더 큰 역할을 하는 제 2 모듈(546)로부터 영향이 거의 없거나 없는 상태로 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 많은 실시예들에서, 양쪽 모듈은 로봇 동작이 가능하게 되어 있는 시간 내내 또는 그 시간의 대부분 동안 능동적일 수 있다. 예를 들어, 제 1 모듈의 게인(gain)들을 제로로 셋팅함으로써, xs를 xs, actual로 셋팅함으로써, 그리고/또는 인버스 야코비안 컨트롤러에서의 행렬 계수(matrix rank)를 그만큼 제어하지 않도록 줄임으로써, 그리고 구성 종속 필터가 더 많은 제어 권한을 가지게 함으로써, 매니퓰레이터 어셈블리의 상태에 관한 제 1 모듈의 영향은 프로세서(542)의 모드를 조직 매니퓰레이터 모드로부터 클러치 모드로 변경시키기 위하여 줄어들거나 소거될 수 있다.
도 18에는 도 17에 있는 단순화된 마스터-슬레이브 컨트롤 개요도(540)의 개선예가 도시되어 있고, 다른 프로세서 모드들에서 다른 모듈들이 어떻게 사용될 수 있는지가 나타나 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 제 1 모듈(544)은, 예컨대 야코비안 관련 행렬을 가지는 야코비안 컨트롤러의 일부 형태를 구비할 수 있다. 제 2 모듈(546)은 슬레이브 매니퓰레이터 링크장치의 수동 관절운동에 의해 적어도 부분적으로 발생되는 슬레이브의 위치나 속도를 지시하는 슬레이브 매니퓰레이터(536)로부터의 신호들을 포트 클러치 모드에서 수신할 수 있다. 이 입력에 응답하여, 제 2 모듈(546)은 슬레이브를 원하는 조인트 구성으로 구성하면서 슬레이브 링크장치의 수동 관절운동을 허용하기 위하여 슬레이브의 조인트들을 구동시키는데 적합한 모터 명령들을 발생시킬 수 있다. 마스터-슬레이브 엔드 이펙터 조종 동안, 컨트롤러는 다른 신호(bqdot0)에 기초하여 모터 명령들을 도출하는데 도움이 되는 제 2 모듈(546)을 사용할 수 있다. 컨트롤러(542)의 제 2 모듈(546)에 대한 대체 입력 신호는 매니퓰레이터 구조를 따라 최소 침습 구멍 피벗 위치를 움직이거나 유지시키기 위하여, 복수의 매니퓰레이터들 사이의 충돌들을 피하기 위하여, 매니퓰레이터 구조의 동작의 범위를 확장하기 위하여 그리고/또는 특이사항들을 피하기 위하여, 매니퓰레이터의 원하는 자세를 만들어내기 위하여, 또는 이와 유사한 것을 위하여 매니퓰레이터 링크장치를 구동시키는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 2 모듈에 대한 대체 입력 신호는, 매니퓰레이터 링크장치의 동작에 관한 하나 이상의 다른 제약들을 고려하면서 정해진 방식으로 최소 침습 구멍 피벗 위치를 움직이거나 유지시키기 위하여 매니퓰레이터 링크장치를 구동시키는데 사용된다. 예시적인 제약들은 위치, 속도, 가속도, 저크, 또는 매니퓰레이터 링크장치의 하나 이상의 부분들을 위하여 전술한 것의 임의의 조합에 관한 정역학적 한계 또는 동역학적 한계를 포함한다. 추가적인 예시적인 제약들은 전류 인출(current draw), 출력 동력, 출력 토크, 출력 힘, 감지된 토크 또는 힘 등에 관한 정역학적 한계 또는 동역학적 한계를 포함한다. 그러므로, bqdot0는 대체로, 통상적으로 접합 공간 안에서의 2차 제어 목표를 표현하는 것이 더욱 일반적인 (예컨대) 세트를 이루는 원하는 조인트 속도들을 구비할 수 있고 그리고/또는 지시할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로세서는 클러치동작, 2차 컨트롤러 과업 및 이와 유사한 것을 위하여 별개의 모듈들 및/또는 종속 구성 필터들을 포함할 수 있다.
이어서 도 20을 참조하면, 부분적인 제어 개요도(550)에는 도 19에 도시되어 있는 컨트롤러의 수정사항들이 도시되어 있다. 제어 개요도(550)는 많은 수의 자유도를 가지는 매니퓰레이터 어셈블리들에 걸친 제어를 수월하게 하는 도 11의 컨트롤러의 수정 부분(551)을 매우 대략적으로 표현한다. 도 20에 도시되어 있는 실시예에서, 제 1 모듈(544)은 인버스 야코비안 속도 컨트롤러를 구비하는데, 연산들로부터의 출력은 가상 슬레이브 경로(552)에 따라 수정되는 인버스 야코비안 행렬을 이용하여 만들어진다. 첫번째로 가상 슬레이브 경로를 기술하자면, 가상 슬레이브와 관련되어 있는 벡터들은 대체로 v 첨자에 의해 지시되어서, 접합 공간(qdotv)에서의 가상 슬레이브 속도는 가상 슬레이브 조인트 위치 신호(xv)를 발생시키는 인버스 운동형상학적 모듈(554)을 이용하여 처리되는 qv를 제공하도록 적분된다. 가상 슬레이브 포지션과 마스터 입력 명령(xm)은 조합되고, 전향 운동형상학(556)을 이용하여 처리된다. (종종 단순화된 동역학적 상태를 가지는) 가상 슬레이브의 이용은 시스템의 하드 리미트(hard limit)에 가까워지는 경우, 시스템의 소프트 리미트(soft limit)에서 멀어지는 경우, 및 이와 유사한 경우에 매끄러운 제어 및 힘 반사를 수월하게 하는데, 이는 참조사항으로 본 명세서에 앞서 통합되어 있는 '885 특허를 참조하여 더욱 완전히 이해할 수 있는 바와 같다. 이와 유사하게, 적합한 조인트 컨트롤러, 입력 및 출력 처리 및 이와 유사한 것을 통해서 (제 2 모듈(546)에 의해 수정되거나 증가되는 바와 같이) 인버스 야코비안 행렬로부터의 출력에 응답하여 조인트 컨트롤러들로부터의 조인트 토크 신호들 또는 이와 유사한 것과 같은 모터 명령들의 연산은 '885 특허에 더욱 완전히 기술되어 있다.
제 1 제어 모듈(544)과 제 2 제어 모듈(546)에 의해 대체로 지시되는 구조, 및 본 명세서에 기술되어 있는 다른 컨트롤러들과 제어 개요도(550)의 다른 구성요소들의 구조를 어드레스지정함에 있어서, 이들 구조들은 종종 데이터 처리 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 구비할 수 있다. 이러한 구조들은 종종, 기계 판독가능 코드로 구체화되어 의사 콘솔(40)의 프로세서(43)(도 2 참조)에 의한 사용을 위한 촉지가능한 매체에 저장될 수 있는, 재프로그램가능한 소프트웨어, 데이터 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 기계 판독가능 코드는, 랜덤 액세스 메모리, 비휘발성 메모리, 일회성 기록 메모리(write-once memory), 자기 기록 매체, 광학 기록 매체 및 이와 유사한 것을 포함하는 폭넓게 다양한 다른 구성들에 저장될 수 있다. 코드 및/또는 이와 관련된 데이터를 구체화하는 신호들은, 인터넷, 인트라넷, 이더넷, 무선 통신 네트워크와 링크들, 전기 신호들과 컨덕터들, 광섬유들과 네트워크들 및 이와 유사한 것을 포함하는 폭넓게 다양한 통신 링크들에 의해 전송될 수 있다. 프로세서(43)는 도 2에 도시된 바와 같이 의사 콘솔(40)의 하나 이상의 데이터 프로세서들을 구비할 수 있고, 그리고/또는 하나 이상의 매니퓰레이터들의 국소화 데이터 처리 회로들, 기구들, 별개의 그리고/또는 원격 처리 구조 또는 위치 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있고, 본 명세서에 기술되어 있는 모듈들은 (예컨대) 단일의 공통 프로세서 보드, 복수의 별개의 보드들을 구비할 수 있고, 또는 하나 이상의 모듈들은 복수의 보드들 위쪽에 분리되어 있을 수 있는데, 복수의 보드들 중 일부는 다른 모듈의 연산의 일부나 전부 또한 실행한다. 이와 유사하게, 모듈들의 소프트웨어 코드는 단일의 통합 소프트웨어 코드로서 기록될 수 있고, 모듈들은 개별적인 서브루틴들로 각각 분리될 수 있고, 또는 하나의 모듈의 코드의 부분들은 다른 모듈의 코드의 일부나 전부와 조합될 수 있다. 그러므로, 데이터 및 처리 구조들은 폭넓게 다양한 집중된 또는 분산된 데이터 처리 및/또는 프로그래밍 아키텍처들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
도 20의 컨트롤러의 출력을 보다 상세하게 어드레스지정함에 있어서, 컨트롤러는 종종 이들 고도로 구성가능한 슬레이브 매니퓰레이터 메커니즘들을 위한 명령들의 발생시 사용을 위한 하나의 특정 매니퓰레이터 조인트 구성 벡터(q)를 풀어내려고 노력할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 매니퓰레이터 링크장치들은 종종 주어진 엔드 이펙터 상태를 위하여 일정 범위의 조인트 상태들을 차지하도록 충분한 자유도를 가진다. 이러한 구조들은 (종종 그러지 않을 수도 있지만) 진성 잉여(true redundant) 자유도를 가지는 링크장치들, 즉 하나의 조인트의 작동이 운동형상학적 사슬을 따라 다른 조인트의 유사한 작동에 의해 직접 교체될 수 있는 구조들을 구비할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이들 구조들은 때때로 초과, 과잉 또는 잉여 자유도를 가지는 것으로 지칭되는데, 이러한 용어들은 (예컨대) 중간 링크들이 엔드 이펙터의 포지션(위치와 배향 양자 모두를 포함함)을 변경시키지 않으면서 움직일 수 있는 운동형상학적 사슬들을 (넓은 의미에서) 대체로 내포하고 있다.
도 20의 속도 컨트롤러를 이용하여 고도로 구성가능한 매니퓰레이터들의 움직임을 안내하는 경우, 제 1 모듈의 1차 조인트 컨트롤러는 종종, 엔드 이펙터가 마스터 명령(xm)을 정확하게 따라갈 수 있는 방식으로 슬레이브 매니퓰레이터(536)의 조인트들을 구동시키는데 사용될 수 있는 가상 조인트 속도 벡터(qdotv)를 풀어내거나 결정하려고 노력한다. 그러나, 잉여 자유도를 가지는 슬레이브 메커니즘들에 있어서, 인버스 야코비안 행렬은 조인트 벡터 솔루션을 완전히 정의하지는 않는다. 예를 들어, 주어진 엔드 이펙터 상태를 위하여 일정 범위의 조인트 상태들을 차지할 수 있는 시스템에서 데카르트 명령(xdot)으로부터 조인트 동작(qdot)으로의 매핑(mapping)은 일대다(one-to-many)의 매핑이다. 환언하자면, 메커니즘이 잉여상태이기 때문에, 인버스가 그 안에 살아있는 서브스페이스에 의해 표현되는 수학적으로 무한한 개수의 솔루션들이 존재한다. 컨트롤러는 복수의 조인트 속도들을 비교적 적은 데카르트 속도들로 매핑하도록 행(row)보다 더 많은 열(column)을 가지는 야코비안 행렬을 이용하여 이러한 관계를 구체화할 수 있다. 본 솔루션(
Figure 112018132195093-pct00004
)은 종종 데카르트 작업공간 속으로의 슬레이브 메커니즘의 자유도의 이러한 붕괴를 되돌리려고 노력할 수 있다.
로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심을 연산하는 소프트웨어 지시들에 의해 구성되는 프로세서를 이용하는 것에 부수하는 추가적인 설명들은 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있는 미국 특허 8,004,229에서 발견될 수 있다.
간략히 말하자면, 위 설명들(및 미국 특허 8,004,229에 있는 설명들)은 피벗(동작의 원격 중심)이 소프트웨어, 결과적으로는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 개념을 통해 결정되는 것/산정되는 것을 가능하게 한다. 소프트웨어 피벗 포인트들을 계산하는 능력을 가짐으로써, 시스템의 강성이나 컴플라이언스를 특징으로 하는 다른 모드들은 선별적으로 구현될 수 있다. 보다 상세하게, 일정 범위의 피벗 포인트들/센터들에 걸친(즉 피동형 피벗 포인트를 가지는 어느 하나로부터 고정된/경질 피벗 포인트를 가지는 어느 하나까지의 범위를 가지는) 다른 시스템 모드들은 산정된 피벗 포인트가 계산된 후에 구현될 수 있다. 예를 들어, 고정된 피벗 구현예에서, 산정된 피벗 포인트는 기구의 피벗을 원하는 위치로 구동시키는데 사용될 수 있는 에러 출력을 발생시키기 위해서 원하는 피벗 포인트와 비교될 수 있다. 이와 반대로, 피동형 피벗 구현예에서, 원하는 피벗 위치는 지배적인 대상물이 아닐 수 있지만, 산정된 피벗 포인트는 에러 탐지, 결과적으로 안전을 위하여 사용될 수 있는데, 이는 산정된 피벗 포인트 위치들에서의 변화들이 환자가 움직이게 되었거나 센서가 기능고장이라는 것을 지시할 수 있기 때문이고, 이로써 올바른 거동을 취하는 기회를 시스템에게 부여할 수 있다.
움직이는 기구와 최소 침습 구멍의 조직 사이의 상호작용은 프로세서에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있는데, 프로세서는 시스템의 강성이나 컴플라이언스가 피동형 피벗 포인트로부터 고정된 피벗 포인트까지 뻗어 있는 범위에 걸쳐 변화되는 것을 선택적으로 허용한다. 피동형/경질 범위의 피동형 단부에서, 기구 홀더 리스트 조인트의 모터들이 토크를 가하지 않거나 거의 가하지 않는 동안 기구의 근위 단부는 공간 안에서 움직이게 될 수 있어서, 기구는 한 쌍의 피동형 조인트들에 의해 로봇 아암이나 매니퓰레이터에 결합되는 것처럼 효과적으로 행동한다. 이 모드에서, 최소 침습 구멍을 따르는 기구 샤프트와 조직 사이의 상호작용은 피벗 포인트를 중심으로 하는 기구의 피벗 운동을 유도한다. 수술 기구가 최소 침습 구멍 속으로 삽입되어 있거나 이와 달리 제약받는 경우라면, 수술 기구는 중력의 영향 하에서 아래쪽을 향하여 가리키고, 매니퓰레이터 아암의 움직임은 기구 샤프트를 따르는 부위를 중심으로 하는 피벗 운동없이도 매달린 기구를 병진운동시킬 수 있을 것이다. 피동형/경질 범위의 경질 단부를 향하여, 최소 침습 구멍의 위치는 공간 안의 고정된 포인트로 연산되거나 입력될 수 있다. 피벗 포인트의 근위에 배치되어 있는 운동형상학적 사슬의 각각의 조인트와 관련되어 있는 모터들은 이때 매니퓰레이터를 구동시킬 수 있어서, 연산된 피벗 포인트에서 샤프트의 측면방향으로 대항하는 임의의 측면방향 힘은 피벗 포인트를 지나는 샤프트를 유지하는 반력(reaction force)을 초래한다. 이러한 시스템은 여러 면에서 기계적으로 제약되는 원격 중심 링크장치들과 유사하게 거동할 수 있다. 많은 실시예들은 2개의 극단 사이에 있을 수 있는데, 이 극단은, 대체로 접근 부위에서 피벗운동할 뿐만 아니라 최소 침습 접근 부위를 따르는 조직이 그 조직 상에 과도한 측면방향 힘들을 부과하지 않으면서도 움직이는 경우 받아들일 수 있는 범위 내에서 운동의 피벗 중심을 움직이거나 맞추는 연산된 동작을 제공한다.
도 21과 도 22를 참조하면, 컴퓨터 보조 수술 시스템(600)(또는 "수술 시스템(600)")은 최소 침습 로봇 수술 방법을 수행하는데 사용될 수 있다. 수술 시스템(600)은 (예컨대 도 1의 환자 측 카트의 일부처럼) 컴퓨터 보조 수술 시스템의 일부이다. 이 예시에서, 수술 시스템(600)은 외측 조직층(10)(예컨대 외측 조직층이 체벽인 경우에서의 체벽(10))을 텐트형상화하는데 사용되고, 이로써 외측 조직층(10) 아래에 더 큰 수술 작업 공간을 생성할 수 있다. 환자 내부에 더 큰 작업 공간을 생성함으로써, 최소 침습 수술을 위하여 더욱 양호한 시인성과 향상된 수술 접근성이 유리하게도 획득될 수 있다. 도 21에는 외측 조직층(10)을 텐트형상화하기 전의 수술 시스템(600)이 나타나 있다. 도 22에는 외측 조직층(10)을 텐트형상화한 후의 수술 시스템(600)이 나타나 있다. 일부 구현예들에서, 외측 조직층(10)은 환자의 외측 체벽(외측 피부, 근육, 지방 등)인데, 이를 통해 표적 수술 영역에 접근하기 위해서 절개가 행해진다.
수술 시스템(600)은 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)(또는 "매니퓰레이터 어셈블리(610)"), 캐뉼라(620), 수술 기구(630) 및 하나 이상의 프로세서들(미도시)를 포함한다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 로봇 매니퓰레이터 아암(612)와 기구 홀더(614)를 포함한다. 기구 홀더(614)는 로봇 매니퓰레이터 아암(612)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 캐뉼라(620)는 기구 홀더(614)에 해제가능하게 결합되어 있다. 수술 기구(630)는 기구 홀더(614)를 따라 제어가능하게 병진운동가능한 기구 홀더 캐리지(616)에 해제가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 매니퓰레이터 어셈블리(610)에 대한 캐뉼라(620)의 해제가능한 결합을 탐지하도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 매니퓰레이터 어셈블리(610)에 대한 수술 기구(630)의 설치를 탐지하도록 구성되어 있다.
수술 기구(630)는 기구 홀더 캐리지(616)와 해제가능하게 결합가능한 트랜스미션 어셈블리(632)를 포함한다. 수술 기구(630)는 트랜스미션 어셈블리(632)로부터 뻗어 있는 기다란 샤프트(634)를 포함한다. 기다란 샤프트(634)의 원위 단부에 있는 것은 엔드 이펙터(636)이다. 다른 타입들 및 상이한 엔드 이펙터(636)들이 있는 다양한 대체 로봇 수술 기구(630)들이 사용될 수 있는데, 이 기구들은 때때로 수술 절차 동안 제거되거나 교체된다.
캐뉼라(620)는 기다란 샤프트(634)가 그 안에서 슬라이딩가능하게 결합되어 있는 루멘을 정의한다. 기구 홀더 캐리지(616)가 기구 홀더(614)를 따라 병진운동됨에 따라, 기구(630)는 기구 홀더 캐리지(616)와 나란하게 움직인다. 결과적으로, 기다란 샤프트(634)는 캐뉼라(620)의 루멘 내부에서 슬라이딩운동한다. 그러므로, 기다란 샤프트(634)(및 엔드 이펙터(636))는 기구 홀더(614)를 따르는 기구 홀더 캐리지(616)의 병진 운동들에 의해 캐뉼라(620)에 대한 관계에서 원위방향으로 뻗어 있는 상태 및/또는 근위방향으로 꺼내진 상태가 된다. 이러한 방식으로, 엔드 이펙터(636)는 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 수술 공간 속으로 더 깊숙히 원위방향으로 움직이게 될 수 있고, 또는 수술 공간으로부터 멀리 근위방향으로 움직이게 될 수 있다. 그러나, 기구(630)와 기구 홀더 캐리지(616)의 이러한 병진운동은 캐뉼라(620)의 어떠한 움직임도 수반하지 않는다.
기다란 샤프트(634)는, 캐뉼라(620)에 의해 정의되는 축과 일치할 뿐만 아니라 캐뉼라(620)의 루멘에 의해 정의되는 축과 일치하는 길이방향 축(631)을 정의한다. 기구 홀더 캐리지(616)가 (수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여) 기구 홀더(614)를 따라 병진운동하게 됨에 따라, 기구(630)는 길이방향 축(631)을 따라 움직이게 된다.
캐뉼라(620)는 캐뉼라 샤프트(622), 및 환자의 조직층과 선별적으로 결합가능하도록 캐뉼라(620)를 구성시키는 조직 맞물림 요소(624)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 조직 맞물림 요소(624)는 캐뉼라 샤프트(622)에 결합되어 있는 팽창가능한 부재이다. 도 33 내지 도 36에는 도시된 팽창가능한 부재를 대체하여 사용될 수 있는 조직 맞물림 요소(624)들의 여러 가지 다른 실시예들이 기술되어 있다. 도시된 조직 맞물림 요소(624)가 팽창가능하기 때문에, 조직 맞물림 요소(624)는 수축되어 낮은 프로파일 구성, 및 캐뉼라(620)가 환자의 조직층과 결합가능한 팽창되어 전개된 구성을 가진다. 조직 맞물림 요소(624)의 낮은 프로파일 구성은, 예컨대 환자로부터의 캐뉼라(620)의 삽입 또는 제거 동안 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 맞물림 요소(624)는 환자 속으로의 방향이나 환자 밖으로의 방향으로의 캐뉼라 동작 동안 조직에 대한 들어올리기(purchase)를 허용하도록 조직층의 양쪽 측면 상에서 팽창가능할 수도 있다.
사용시, 조직 맞물림 요소(624)가 외측 조직층(10) 아래에(즉 환자 내부에) 위치조정되도록, 캐뉼라 샤프트(622)는 외측 조직층(10) 안의 절개부를 통해 삽입된다. 대체로 외측 조직층(10)을 통해 조직 맞물림 요소(624)가 지나가게 한 후, 조직 맞물림 요소(624)는 외측 조직 레이어(10)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 조직 맞물림 요소(624)는 외측 조직층(10)을 텐트형상화하기 위하여 준비시 팽창될 수 있다. 이때, 외측 조직층(10)을 텐트형상화하기 위하여, 조직 맞물림 요소(624)는 (도 21과 비교하여 도 22에 도시된 바와 같이) 환자로부터 멀리 움직이게 된다.
도 22에 도시된 바와 같이 외측 조직층(10)을 텐트형상화하기 위하여, 캐뉼라(620)는 (조직 맞물림 요소(624)가 외측 조직층(10)과 결합되어 있는 상태에서) 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 환자로부터 멀리 움직이게 된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 수술 작업 공간이 수정되도록(크기, 형상, 위치 등에 변화가 있도록), 수술 시스템(600)의 프로세서는 캐뉼라(620)를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터 어셈블리(610)에 대한 캐뉼라(620)의 결합을 탐지하는 단계(캐뉼라(620)는 환자의 조직층과 결합하도록 구성되어 있음), 및 캐뉼라(620)가 조직층이 수술 작업 공간을 텐트형상화하고 수정하게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리(610)를 움직이는 단계에 의해 수술 작업 공간이 수정되도록, 수술 시스템(600)의 프로세서는 캐뉼라(620)를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 구성되어 있다.
일부 실시예들에서, 도시된 실시예와 같이, 조직 맞물림 요소(624)는 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 환자로부터 멀리 움직이게 된다. 이러한 움직임을 달성하기 위하여, (본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이) 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 동작을 제약하기 위한 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심이 활용될 수 있다. 외측 조직층(10)을 텐트형상화하기 위해서 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)를 움직이는 것은, 이와 달리 절개부에 있는 조직에 스트레스를 주거나 심지어 그 조직을 파열할 수 있는 캐뉼라(620)의 측면방향 동작을 최소화한다. 일부 실시예들에서, 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 제어되는 바와 같이 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라(620)를 움직일 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 부분적으로 이용하거나 전체적으로 이용하여 부과될 수 있다.
위 예시와, 본 명세서에 기술되어 있는 다른 예시들 중 대부분은 작업 공간의 수정을 도시하기 위해서 작업 공간을 텐트형상화하고 확대시키는데 사용된다. 조직과의 시스템 상호작용을 제어하는 기법들은 또한, 작업 공간이 그 크기가 변하도록(크기가 축소되거나 확대되도록), 또는 형상이 변하도록, 또는 크기와 형상 양자 모두가 변하도록, 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 움직이는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 캐뉼라는 피칭운동(pitched)이나 요잉운동(yawed)될 수 있고, 회전운동될 수 있고, 측면방향으로 움직이게 될 수 있고, 작업 공간으로부터 멀어지는 대신 작업 공간을 향하여 병진운동될 수 있고, 또는 캐뉼라 병진운동과 회전운동의 임의의 조합으로 될 수 있다. 조직층(들)과 캐뉼라의 상호작용은 조직 변형 및 작업 공간의 수정을 초래한다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심 데이터 처리 및 제어 기법들은, 예컨대 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 있는 캐뉼라(620) 상에 있는 것과 같은 위치들에 수술 시스템(600)의 동작의 원격 중심을 위치조정하기 위해서 그리고/또는 재위치조정하기 위해서 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 이용될 수 있다. 이러한 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심의 포지션은 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 전체 로봇 수술 절차 동안 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 유지될 수 있다. 예를 들어, 동작의 원격 중심의 포지션은 도 21과 도 22에 도시되어 있는 양자 모든 배열들로 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 있을 수 있다. 이를 대신하여, 아래에 더욱 기술되어 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심의 포지션은 로봇 수술 절차 동안 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 캐뉼라(620)에 대하여 선별적으로 조정되거나 재위치조정될 수 있다. 따라서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 수신하는 단계에 응답하여 동작의 원격 중심을 캐뉼라(620)에 대한 다른 위치들로 재위치조정하도록 구성될 수 있다.
이러한 일부 실시예들에서, 프로세서는 캐뉼라(620)를 따라 제 2 위치를 캐뉼라(620)에 대해 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 제 2 위치는 다양한 방식으로 캐뉼라(620)를 따라 캐뉼라(620)에 대해 제약받을 수 있다. 예를 들어, 이러한 일부 실시예들에서, 프로세서는 캐뉼라(620)의 샤프트(622)의 내측 표면, 캐뉼라(620)나 샤프트(622)의 외측 표면 또는 캐뉼라(620)의 루멘에 의해 정의되는 축과 일치하는 제 2 위치를 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 다른 예시로서, 이러한 일부 실시예들에서, 프로세스는 캐뉼라(620)의 샤프트(622)의 전부나 일부의 중심 축과 일치하는 제 2 위치를 제약하도록 구성되어 있다. 다른 예시로서, 일부 실시예들에서, 프로세서는 캐뉼라(620)의 내측 또는 외측 표면 상에 있는 제 2 위치를 제약하도록 구성되어 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시예들에서, 프로세서는 캐뉼라(620)의 벽에 의해 포위되어 있는 빈공간의 범위내에서 제 2 위치를 빈공간에 대해 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다.
이러한 일부 실시예들에서, 프로세서는 기구(630)의 샤프트(634)를 따라 제 2 위치를 기구의 샤프트에 대해 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 제 2 위치는 다양한 방식으로 샤프트(634)를 따라 샤프트에 대해 제약받을 수도 있다. 예를 들어, 이러한 일부 실시예들에서, 프로세서는 샤프트(634)의 전부나 일부에 의해 정의되는 중심 축과 같이 샤프트(634)에 의해 정의되는 축과 일치하는 제 2 위치를 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 다른 예시로서, 일부 실시예들에서, 프로세서는 샤프트(634)의 내측 또는 외측 표면 상에 있는 제 2 위치를 제약하도록 구성되어 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시예들에서, 프로세서는 샤프트(634)의 벽에 의해 포위되어 있는 빈공간의 범위내에서 제 2 위치를 빈공간에 대해 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다.
일부 경우들에서, 동작의 원격 중심의 제 1 위치는 캐뉼라(620)를 따라 존재하고, 동작의 원격 중심의 제 2 위치는 (동작의 원격 중심이 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 제 1 위치로부터 재위치조정된 후) 캐뉼라(620)를 따라 존재하지 않는다. 이러한 일부 경우들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 동작의 원격 중심의 제 2 위치에 기초하여 캐뉼라(620)의 동작을 제한하도록 구성될 수 있다.
일부 경우들에서, 동작의 원격 중심의 제 1 위치와 동작의 원격 중심의 제 2 위치는 (동작의 원격 중심이 제 1 위치로부터 재위치조정된 후) 캐뉼라(620)에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터 다른 거리들에 존재한다. 이러한 일부 경우들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 캐뉼라(620)에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터 최대 거리 범위내에서 제 2 위치를 최대 거리까지 제약하면서 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다.
일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는, 명령받은 기구 동작에 따라 기구(630)를 움직이는 명령을 수신하고 나서, 수정된 기구 동작으로 움직이는 것을 기구(630)에 명령하도록 구성되어 있다. 이러한 일부 실시예들에서, 수정된 기구 동작은 동작의 원격 중심의 제 2 위치와 명령받은 기구 동작에 기초하고 있다. 예를 들어, 경질의 일직선형 샤프트에 부착되어 있는 엔드 이펙터에 있어서, 샤프트는 엔드 이펙터로부터 더욱 멀리 샤프트를 따라 위치되어 있는 동작의 원격 중심보다 엔드 이펙터에 더 가까이 샤프트를 따라 위치되어 있는 동작의 원격 중심을 중심으로 하여 더욱 피벗운동할 필요가 있다. 유사한 고려사항들은 비경질 또는 비일직선형 샤프트들을 가지는 다른 기구 설계들에 적용된다. 일부 실시예들에서, 명령받은 동작을 제공하는데 요구되는 기구(630)의 동작 또는 기구(630)를 잡고 있는 매니퓰레이터의 동작이 받아들일 수 있는 한계를 초과하는 경우, 기구 동작은 수정되어서, 매니퓰레이터 또는 기구 동작(들)은 받아들일 수 있다. 예를 들어, 기구의 나머지 또는 기구를 잡고 있는 매니퓰레이터의 나머지의 동작은 상수 만큼 하향 비율조정될 수 있고, 동작의 원격 중심의 위치에 기초하여 변수 만큼 하향 비율조정될 수 있고, 제로 또는 제로가 아닌 값으로 마무리될 수 있다. 특정 예시들로서, 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심이 엔드 이펙터의 한계 거리(threshold distance 또는 limit distance) 범위내에 있는 경우, 수술 시스템(600)의 프로세서는 기구 피치운동, 요잉운동 및/또는 구름운동을 불허한다. 추가 예시들로서, 동작의 원격 중심이 엔드 이펙터의 한계 거리 범위내에 있는 경우, 수술 시스템(600)의 프로세서는 기구 리스트 피치운동, 요잉운동 및/또는 삽입/인출만을 허용한다. 기구 동작을 수정하는데 이용되는 한계들은 체벽 또는 내측 조직층 등에서 높은 파열하는 힘이 있는 내부 조직에 대한 손상을 줄이거나 피하는 파라미터들에 기초하고 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 수정사항들은, 예컨대 다른 링크들이나 조인트들의 더 작은 동작을 허용하기 위해서 또는 명령받은 기구 동작을 향상시키기 위해서 기구(630) 또는 기구(630)를 잡고 있는 매니퓰레이터의 하나 이상의 링크들 또는 조인트들의 동작을 향상시킬 수 있다. 오퍼레이터 또는 다른 사용자들에 대한 피드백은 시각적 또는 청각적 피드백, 햅틱 피드백(예컨대 축소되거나 제한된 자유도와 관련된 오퍼레이터 움직임들을 저지하거나 확대된 자유도와 관련된 오퍼레이터 움직임을 돕는 힘 피드백과 같은 것) 등에 의한 것을 포함하여 임의의 적합한 방식을 통해 제공될 수 있다.
제 1 위치로부터 제 2 위치로의 수술 시스템(600)의 프로세서에 의한 동작의 원격 중심의 재위치조정에 관한 앞의 설명에 따르면, 다음의 단계들, 즉: (ⅰ) 로봇 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 로봇 수술 시스템(600)의 동작의 원격 중심의 제 1 위치를 결정하는 단계; (ⅱ) 로봇 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 캐뉼라(620)에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 수신하는 단계: 및 (ⅲ) 이러한 지시를 수신하는 단계에 응답하여 그리고 로봇 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 동작의 원격 중심을 캐뉼라(620)에 대한 제 2 위치로 재위치조정하는 단계;를 구비하는 컴퓨터 보조 로봇 방법이 본 명세서에 기술되어 있다는 점을 알 수 있다. 방법의 일부 실시예들에서, 제 1 위치는 캐뉼라(620)를 따라 존재하고, 제 2 위치는 캐뉼라(620)를 따라 존재하지 않는다. 이러한 일부 경우들에서, 방법은 또한 동작의 원격 중심의 제 2 위치에 기초하여 캐뉼라(620)의 동작을 제한하는 단계를 포함할 수 있다.
방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심의 제 1 위치와 동작의 원격 중심의 제 2 위치는 (동작의 원격 중심이 제 1 위치로부터 재위치조정된 후) 캐뉼라(620)에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터 다른 거리들에 존재한다. 이러한 일부 경우들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 단계는, 캐뉼라(620)에 의해 정의되는 길이방향 축으로부터의 최대 거리 범위내에서 제 2 위치를 최대 거리까지 제약하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 캐뉼라(620)를 따라 제 2 위치를 캐뉼라에 대해 제약하는 단계를 포함한다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 캐뉼라(620)의 루멘에 의해 정의되는 축과 일치하는 제 2 위치를 제약하는 단계를 포함한다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 기구(630)의 샤프트(634)를 따라 제 2 위치를 기구의 샤프트에 대해 제약하는 단계를 포함한다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 동작의 원격 중심의 제 1 위치와 동작의 원격 중심의 제 2 위치가 기구(630)에 대하여 동일한 위치에 존재하도록, 매니퓰레이터 어셈블리(610)가 캐뉼라(620)와 기구(630)를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 명령받은 기구 동작에 따라 기구(630)를 움직이는 명령을 수신하는 단계, 및 수정된 기구 동작으로 움직이는 것을 기구(630)에 명령하는 단계를 포함한다. 이러한 일부 실시예들에서, 수정된 기구 동작은 명령받은 기구 동작, 및 동작의 원격 중심의 제 2 위치에 기초하고 있다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라(620)를 정지상태로 유지시키면서 기구(630)를 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 프로세서에 의해 출력하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하는 단계를 포함한다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 캐뉼라(620)와 관련된 힘을 결정하는 단계, 및 힘 한계를 초과하는 캐뉼라(620)와 관련된 힘에 응답하여 동작의 원격 중심의 동작을 불허하는 단계를 포함한다. 캐뉼라(620)와 관련된 힘(들)은 모형들, 측정들 또는 모형들과 측정들의 조합을 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 캐뉼라(620) 상의 힘들은 해부체의 앞서 측정되거나 평균적인 물리적 성질들(예컨대 기하형상, 어드미턴스 등)과 캐뉼라(620)에 접촉하는 조직의 휨량(deflection)의 산정을 이용함으로써 연산될 수 있다. 다른 예시로서, 캐뉼라(620) 상의 힘들은 캐뉼라 상에 위치되어 있는 힘 센서들에 의해 측정될 수 있다. 또 다른 예시로서, 캐뉼라(620) 상의 힘들은, 캐뉼라(620)를 잡고 있는 구조(로봇 매니퓰레이터와 같은 것)의 하나 이상의 조인트들의 휨량을 측정하고 나서 휨량과 관련된 힘들을 도출하는 구조의 역학 모형을 이용함으로써 산정될 수 있다. 방법의 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심을 제 2 위치로 재위치조정하는 방법은, 동작의 원격 중심의 시각적 표시를 제공하는 단계를 포함한다.
외측 조직층(10)의 텐트형상화는 도 22에 도시된 바와 같이 얕은 수술 작업 공간을 가지는 몸의 위치들에서의 로봇 수술들에 특히 유리할 수 있다. 달리 말하자면, 외측 조직층(10)의 텐트형상화는 외측 조직층(10)을 통하는 진입 포인트가 수술 포인트/영역 가까이에 있는 몸의 위치들에서의 로봇 수술들에 특히 유리할 수 있다.
수술 포인트/영역 가까이에 있는 외측 조직층(10)을 통하는 진입 포인트를 가지는 로봇 수술 기법의 한가지 제한없는 예시는 도 23에 나타나 있다. 여기에서 둔부 수술은 본 명세서에 제공되어 있는 장치, 시스템 및 방법을 이용하여 수행되고 있는 것으로 도시되어 있다. 즉, 캐뉼라 샤프트(622)에 부착되어 있는 조직 맞물림 요소(624)는 둔부(hip)의 구상관절(ball and socket joint) 근처에 있는 환자 내부에 더 큰 수술 작업 공간을 생성하기 위해서 환자로부터 바깥쪽을 향하여 잡아당겨지고 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같은 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심은 조직층(10)을 텐트형상화하기 위해서 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라(620)를 움직이는데 사용된다.
도시된 실시예에서, 매니퓰레이터 어셈블리의 동작의 원격 중심은 캐뉼라 샤프트(622) 상의 포지션(623)과 일치한다. 그러므로, 포지션(623)은 본 명세서에서 "포지션(623)", "동작 포지션의 원격 중심(623)" 또는 "동작의 원격 중심(623)"으로 지칭될 수 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 동작의 원격 중심의 포지션(623)은 조직 맞물림 요소(624)에 대해 근위방향으로 인접해 있을 수 있다. 길이방향 축과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따르는 캐뉼라(620)의 도시된 움직임 동안과 그 후, 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 동작의 원격 중심의 포지션(623)은 캐뉼라(620)에 대하여 고정된 위치에 남아있다. 본 명세서에 기술되어 있는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심은 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라(620)를 움직이기 위해서, 그리고 동작의 원격 중심을 포지션(623)에 유지하기 위해서 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)를 제어하는데 이용될 수 있다.
도 23의 예시적인 시나리오에서 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 캐뉼라가 움직이게 되는 동안 캐뉼라 상의 고정된 포지션(623)에 동작의 원격 중심을 유지하기 위해서 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 제어되는 한편, 일부 로봇 수술 방법들에서 동작의 원격 중심의 포지션은 유리하게도 캐뉼라(620) 상의 고정된 포지션(623) 상에 유지되지 않지만, 오히려 캐뉼라(620)에 대한 제 1 위치와 상이한 캐뉼라(620)에 대한 제 2 위치로 재위치조정된다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는, 프로세서가 다음에 오는 임의의 하나 이상의 방식들로 제약받도록 프로그래밍되고 제어되는 동안, 동작의 원격 중심을 이러한 제 1 위치로부터 이러한 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다. 프로세서는 캐뉼라(620)의 길이방향 축으로부터의 최대 거리 범위내에서 제 2 위치를 최대 거리까지 유지하도록 제약받을 수 있다. 프로세서는 캐뉼라(620)를 따라 제 2 위치를 유지하도록 제약받을 수 있다. 프로세서는 캐뉼라(620)의 루멘에 의해 정의되는 축과 일치하는 제 2 위치를 유지하도록 제약받을 수 있다. 프로세서는 기구(630)의 샤프트(634)를 따라 제 2 위치를 유지하도록 제약받을 수 있다. 프로세서는 동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하도록 제약받을 수 있다. 프로세서는 (예컨대 캐뉼라(620) 상에서 하나 이상의 스트레인 게이지를 이용하여) 캐뉼라(620)에 의해 탐지되는 힘 한계에 도달하거나 이를 초과하는 단계에 응답하여 동작의 원격 중심을 추가로 재위치조정하는 단계로부터 제약받을 수 있다. 프로세서는 동작의 원격 중심의 재위치조정에 기초하여 하나 이상의 특정 자유도의 동작들을 작동시키는 단계로부터 제약받을 수 있다. 일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 동작의 원격 중심을 캐뉼라(620) 상의 제 1 위치로부터 캐뉼라(620)를 따라 존재하지 않는 제 2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있다.
도 24 내지 도 26은 동작 포지션의 원격 중심(623)이 로봇 수술 절차 동안 캐뉼라(620) 상의 고정된 포지션에 유지되어 있지 않은 예시적인 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법을 제공한다. 이 예시적인 방법에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)은, 예컨대 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 기구(630)의 기다란 샤프트(634) 상의 고정된 포지션에 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서는, 프로세서에 의한 출력에 의해 매니퓰레이터 어셈블리(610)가 캐뉼라(620)와 기구(630)를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들, 매니퓰레이터 어셈블리(610)가 캐뉼라(620)를 정지상태로 유지시키면서 기구(630)를 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 출력하도록 구성될 수 있다. 기구(630)의 샤프트(634)가 움직이게 됨에 따라, 동작 포지션의 원격 중심(623)은, 동작의 원격 중심의 제 1 위치와 동작의 원격 중심의 제 2 위치가 기구(630)에 대하여 동일한 위치에 존재하도록, 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 재위치조정된다. 이를 대신하여, 동작 포지션의 원격 중심(623)은 기구(630)의 기다란 샤프트(634)를 따라 여러 가지 포지션들에서, 또는 심지어 샤프트(634)에서 떨어진 위치들에서 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 선별적으로 위치될 수 있고 그리고/또는 재위치조정될 수 있다.
도 24 내지 도 26에 도시되어 있는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 방법에서, 수술 시스템(600)은 기다란 수술 작업 공간(14) 내부에서 최소 침습 로봇 수술 방법을 수행하는데 이용된다. 도 24에서, 엔드 이펙터(636)는 제 1 위치에 존재한다. 도 25에서, 엔드 이펙터(636)는 제 1 위치보다 기다란 수술 작업 공간(14) 내부에 더 깊이 존재하는 제 2 위치에 존재한다. 도 26에서, 엔드 이펙터(636)는 제 2 위치보다 기다란 수술 작업 공간(14) 내부에 더 깊이 존재하는 제 3 위치에 존재한다.
이 예시적인 시나리오에서, 기다란 수술 작업 공간(14)은 곡선형이다. 일부 시나리오들에서, 기다란 수술 작업 공간(14)은 3차원 공간에서 하나 이상의 곡선을 가지거나 불규칙적인 형상일 수 있다. 일부 시나리오들에서, 기다란 수술 작업 공간(14)은 대체로 일직선형이다. 여기에 기술되어 있는 방법들의 이용은 이러한 모든 기다란 수술 작업 공간(14)들을 따라 수술 기구(630)의 성공적인 항행을 보조할 수 있다.
각각의 도시된 배열들에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)은 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 기구(630)의 기다란 샤프트(634) 상의 고정된 포지션에 유지되어 있다. 즉, 동작 포지션의 원격 중심(623)은 도 24 내지 도 26에 나타나 있는 각각의 배열들에서 기구(630)의 기다란 샤프트(634) 상의 동일한 포지션에 존재한다. 동작 포지션의 원격 중심(623)이 도 24 내지 도 26에 나타나 있는 배열들 사이에서 병진운동됨에 따라 곡선형 경로를 따라갔다는 점을 상정할 수 있다. 이러한 곡선형 경로는 기다란 수술 작업 공간(14)의 벽들과의 간섭을 피하는데 중요할 수 있다.
동작 포지션의 원격 중심(623)이 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 샤프트(634)를 따르는 임의의 곳에서, 또는 심지어 샤프트(634)에서 떨어진 위치들에서 선별적으로 위치조정될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서, 프로세서가 수술 시스템(600)의 동작의 원격 중심을 원하는 바와 같은 위치(들)에서 위치조정할 수 있도록, 본 명세서에 기술되어 있는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심 데이터 처리 및 제어 기법들이 이용될 수 있다. 기다란 수술 작업 공간(14)의 특정 형상과 깊이는 동작 포지션들의 일부 원격 중심(623)을 다른 것들보다 더욱 유리하게 만들 수 있다. 그러므로, 일부 경우들에서, 수술 시스템(600)을 조작하는 의사는 존재하고 있는 특정 수술 시나리오에 따라 동작 포지션의 원격 중심(623)의 프로세서 제어를 위한 특정 방법을 선별할 수 있다. 이러한 방법들은 캐뉼라(620) 상의 일정한 위치에서, 기구 샤프트(634) 상의 일정한 위치에서, 공간 안의 일정한 위치에서, 캐뉼라(620)의 축과 기구 샤프트(634)의 축을 따르는 위치들에서, 기구 샤프트(634)의 축과 캐뉼라(620)의 축을 따르는 위치들에서, 그리고 이와 유사한 위치에서, 그리고 이들의 조합들로 동작 포지션의 원격 중심을 유지하거나 제약하는 단계를 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 달리, 일부 경우들에서, 수술 시스템(600)을 조작하는 의사는 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 동작 포지션의 원격 중심(623), 및/또는 동작 포지션의 원격 중심(623)을 제어하는 방법을 수술 절차 동안 한번 이상 수동으로 제어/조정할 수 있다.
도 27은 기구(630)의 기다란 샤프트(634) 상의 고정된 포지션에서 동작 포지션의 원격 중심(623)을 제어하는 방법이 유리할 수 있는 다른 제한업슨 예시적인 수술 시나리오를 제공한다. 이 시나리오에서, 표적 수술 영역(18) 근처에 있는 환자 내부에는 하나 이상의 민감한 영역(16)들이 존재한다. 기구 샤프트(634)는 엔드 이펙터(636)가 표적 수술 영역(18)에 접근하도록 항행되어야 하지만, 민감한 영역(16)들은 피하여야 한다. 즉, 민감한 영역(16)들은 절차 동안 기구 샤프트(634)에 의해 접촉되어서는 안된다. 이러한 경우에, 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 엔드 이펙터(636)의 근처에 있는 위치에 또는 엔드 이펙터(636)의 근위에 있는 짧은 거리에 동작 포지션의 원격 중심(623)을 위치시키는 것이 유리할 수 있다.
도 28 내지 도 30을 참조하면, 시스템의 컨트롤러(예컨대 도 2의 프로세서(43))에 의해 제어될 적어도 3개의 기준 프레임들이 존재한다. 기준 프레임(C)들 중 하나는 캐뉼라(620)에의 기준 프레임이다(다른 것들은 동작 포지션(623)의 원격 중심 기준 프레임(RC) 및 기구 엔드 이펙터(636) 기준 프레임(E)을 포함한다). 기준 프레임 동작 제어를 위한 포괄적인 블록 다이어그램은 도 28 내지 도 30에 나타나 있는 바와 같이 표현될 수 있다. 이러한 도면들에는 (입력 양상(input modality)에 따라) 관련 기준에 대한 관계에서 캐뉼라, 기구 및 동작의 원격 중심 기준 프레임에 명령하기 위한 옵션들이 나타나 있다.
EYETE가 마스터 툴 매니퓰레이터(MTM) 컨트롤러(예컨대 도 2의 프로세서(43))에 의해 명령받는다고 가정한다. 캐뉼라 기준 프레임과 원격 중심 기준 프레임을 위한 자세 특정사항은 다음에 오는 소스들: (ⅰ) 아이 프레임(EYE frame)에 있는 이러한 프레임들을 특정하는 MTM 컨트롤러, 즉 EYETRC와 EYETC; (ⅱ) 편리한 기준 프레임에 있는 이러한 프레임 자세들을에 명령하는 2차 장치, 즉 REFTRC와 REFTC (여기에서 EYETREF가 결정될 수 있음); 및 (ⅲ) 슬레이브 아암의 베이스 프레임에 있는 이러한 자세들을 특정하는 슬레이브-사이드 컨트롤러, 즉 WTRC와 WTC (여기에서 EYETW는 알려져 있음); 중 한가지나 이들의 조합으로부터 나올 수 있다. 이러한 제한없는 특정 실시예들은 도 28 내지 도 30에 나타나 있다.
도 28은 MTM 컨트롤러로부터의 입력들을 이용하여 동작의 원격 중심 기준 프레임(RC), 캐뉼라 기준 프레임(C) 및 기구 엔드 이펙터 기준 프레임(E)을 능동적으로 제어하기 위한 블록 다이어그램(700)이다. 이러한 제어 양상은 (도 40을 참조하여 아래에 더 기술되어 있는) "트롬본(trombone)" 및 다른 상대적인 MTM 움직임 제어 모드들과 같은 실시예들과 관련되어 있을 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 40에는 체벽을 텐트형상화하는 것과 주로 결합되어 있는 이러한 제어 기법이 기술되어 있지만, 유사한 제어 방법론은 체벽 상에서의 임의의 효과 또는 임의의 관련된 작업 공간과 무관하게 동작의 원격 중심을 움직이기 위하여 이용될 수 있다.
이러한 설명들에 따르면, 본 명세서에는 하나 이상의 휴대용 입력 장치들을 구비하는 오퍼레이터 콘솔을 구비하는 시스템이 설명되어 있다는 점을 상정할 수 있는데, 여기서 오퍼레이터 콘솔은 휴대용 입력 장치로부터의 신호에 응답하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 제공한다. 휴대용 입력 장치로부터의 신호는 버튼들, 스위치들 또는 다른 센서들의 작동에 의해, 또는 입력 장치의 동작에 의해 촉발될 수 있다.
나아가, 본 명세서에는 프로세서와 전기 통신하는 제 1 휴대용 입력 장치와 제 2 휴대용 입력 장치를 구비하는 시스템이 설명되어 있다는 점을 상정할 수 있는데, 여기서 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시는 제 2 휴대용 입력 장치로부터 멀어지는 제 1 휴대용 입력 장치의 상대적인 동작을 지시하는 신호를 구비한다. 제 1 휴대용 입력 장치와 제 2 휴대용 입력 장치는 콘솔에 부착되거나 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 제 1 휴대용 입력 장치의 상대적인 동작은 제 1 휴대용 입력 장치의 동작, 제 2 휴대용 입력 장치의 동작, 또는 제 1 휴대용 입력 장치와 제 2 휴대용 입력 장치 양자 모두의 동작에 기인할 수 있다.
도 29는, 제 2 입력 장치를 이용하여 원격 중심 프레임(RC)과 캐뉼라 프레임(C)을 제어하면서, 마스터 매니퓰레이터 컨트롤러로부터의 입력들을 이용하여 기구 엔드 이펙터 프레임(E)을 능동적으로 제어하기 위한 블록 다이어그램(710)이다. 2차 입력 장치가 반드시 아이 프레임은 아니더라도 편의를 위하여 임의의 기준을 사용할 수 있다는 점을 주목한다. 그러나, 기준 프레임 변환(EYETREF)은 직접 측정되거나 간접 측정들로부터 계산될 수 있다. 신호 조정 장치(signal conditioning unit)는 이때 슬레이브 매니퓰레이터 컨트롤러에 의한 사용을 위하여 이러한 입력들을 적합한 공통 프레임에서 조합할 수 있다.
도 30은, 슬레이브 사이드 인터페이스를 이용하여 원격 중심 프레임(RC)과 캐뉼라 프레임(C)을 제어하면서, 마스터 매니퓰레이터 컨트롤러로부터의 입력들을 이용하여 기구 엔드 이펙터 프레임(E)을 능동적으로 제어하기 위한 블록 다이어그램(720)이다. 슬레이브 사이드 입력들이 슬레이브 매니퓰레이터 컨트롤러에 의한 제어를 위하여 사용되는 월드 프레임(world frame)과 같은 임의의 기준 프레임에 제공될 수 있다는 점을 주목한다. 고정된 아이 프레임(EYE)과 로봇의 월드 프레임 사이의 6-DOF 변환은 직접 측정되거나 간접 측정들로부터 계산될 수 있다. 이 블록 다이어그램은, 독립적인 캐뉼라 동작이 아래에 더 기술되어 있는 바와 같이 클러치 모드에서 또는 3단 스위치(three-state switch)에 의해 슬레이브 사이드에서 명령받는 실시예에서 사용될 수 있다.
도 31과 도 32를 참조하면, 수술 시스템(600)은 다른 최소 침습 로봇 수술 방법을 수행하는데 사용될 수 있다. 이 예시적인 방법에서, 수술 시스템(600)은 내측 조직층(11)(예컨대 내부 기관의 벽)을 텐트형상화하는데 사용되고, 이로써 내측 조직층(11) 아래에 더 큰 수술 작업 공간을 생성할 수 있다. 이 방법의 변형예에서, 하나 이상의 팽창가능한 조직 맞물림 요소(624)들은 내측 조직층을 조종하기 위해서 내측 조직층(11)의 양쪽 측면들 상에서 사용될 수 있다. 환자 내부에 더 큰 작업 공간을 생성함으로써, 최소 침습 수술을 위하여 더욱 양호한 시인성과 향상된 수술 접근성이 유리하게도 획득될 수 있다. 도 31에는 내측 조직층(11)을 텐트형상화하기 전의 수술 시스템(600)이 나타나 있다. 도 32에는 내측 조직층(11)을 텐트형상화한 후의 수술 시스템(600)이 나타나 있다. 일부 구현예들에서, 내측 조직층(11)은 기관이나 다른 공동(cavity)(예컨대 결장(colon))의 벽인데, 이를 통해 기관 내부의 표적 수술 영역에 접근하기 위해서 절개가 행해진다.
사용시, 조직 맞물림 요소(624)가 내측 조직층(11) 아래에(즉 환자 내부에) 위치조정되도록, 캐뉼라 샤프트(622)는 외측 조직층(10)(예컨대 체벽)과 내측 조직층(11) 안의 절개부를 통해 삽입된다. 대체로 내측 조직층(11)을 통해 조직 맞물림 요소(624)가 지나가게 한 후, 조직 맞물림 요소(624)는 내측 조직 레이어(11)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 조직 맞물림 요소(624)는 내측 조직층(11)을 텐트형상화하기 위하여 준비시 팽창될 수 있다. 이때, 내측 조직층(11)을 텐트형상화하기 위하여, 조직 맞물림 요소(624)는 (도 31과 비교하여 도 32에 도시된 바와 같이) 환자로부터 멀리 움직이게 된다.
도 32에 도시된 바와 같이 내측 조직층(11)을 텐트형상화하기 위하여, 캐뉼라(620)는 (조직 맞물림 요소(624)가 내측 조직층(11)과 결합되어 있는 상태에서) 환자로부터 멀리 움직이게 된다. 일부 실시예들에서, 조직 맞물림 요소(624)는 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 환자로부터 멀리 움직이게 된다. 이러한 움직임을 달성하기 위하여, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 동작을 제약하기 위한 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심이 (본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이) 활용될 수 있다. 내측 조직층(11)을 텐트형상화하기 위해서 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)를 움직이는 것은, 이와 달리 절개부에 있는 조직에 스트레스를 주거나 심지어 그 조직을 파열할 수 있는 캐뉼라(620)의 측면방향 동작을 최소화한다. 일부 실시예들에서, 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 길이방향 축과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라(620)를 움직일 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 수행되는 그리고/또는 실행되는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 부분적으로 이용하거나 전체적으로 이용하여 부과될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 수행되는 그리고/또는 실행되는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심 데이터 처리 및 제어 기법들은 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 있는 캐뉼라(620) 상에서 수술 시스템(600)의 동작 포지션의 원격 중심(623)을 위치조정하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)의 포지션은 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 전체 로봇 수술 절차 동안 및 내측 조직층(11)의 텐트형상화 동안 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 유지될 수 있다. 예를 들어, 동작 포지션의 원격 중심(623)의 포지션은 도 31에 도시된 배열과 도 32에 도시된 배열 양자 모두에서 조직 맞물림 요소(624)에 대해 바로 근위에 있을 수 있다. 이를 대신하여, 아래에 더 기술되어 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)의 포지션은 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 로봇 수술 절차 동안 선별적으로 조정될 수 있다.
도시된 바와 같이 내측 조직층(11)에 있는 캐뉼라(620) 상에 동작 포지션의 원격 중심(623)의 포지션을 위치시키고 유지하는 것은 일부 수술 시나리오들에서 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기법은 내측 조직층(11)이 외측 조직층(10)보다 측면방향 동작에 대해 더욱 민감한 경우에 특히 이로울 수 있다. 예를 들어, 최소 침습 심장 수술의 경우(수술 작업 공간이 심장의 내부에 있는 경우)에서, 심벽을 통한 절개는 체벽(예컨대 흉벽 또는 복벽)을 통한 절개보다 측면방향 동작에 대해 더욱 민감할 수 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 수행되는 그리고/또는 실행되는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 동작 포지션의 원격 중심(623)은 내측 조직층(11)을 통한 절개 부위에서 위치조정될 수 있고, 이로써 외측 조직층(10)을 통한 절개에서 일부 측면방향 동작을 허용하면서 내측 조직층(11)의 측면방향 동작을 최소화할 수 있다.
도 33을 참조하면, 일부 실시예들에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 진공 조직 맞물림 부재(740)를 포함할 수 있다. 이러한 진공 조직 맞물림 부재(740)는 본 명세서에 기술되어 있는 방법들을 이용하여 층의 조종이나 조직의 텐트형상화를 수월하게 하기 위해서 조직 표면과 선별적으로 결합할 수 있다.
도시된 배열에서, 캐뉼라(620)는 기구 홀더(614)와 해제가능하게 결합되어 있다. 기구 홀더(614)는 로봇 매니퓰레이터 아암(612)과 피벗운동가능하게 결합되어 있다(미도시; 도 21과 도 22 참조). 진공 조직 맞물림 부재(740)는 또한 기구 홀더(614)와 해제가능하게 결합되어 있다.
진공 조직 맞물림 부재(740)는 진공 라인(742), 및 진공 라인(742)과 유체가 통하는 흡인 부재(744)(또는 "흡인 장치(744)")를 포함한다. 진공 라인(742)은 흡인 부재(744) 쪽으로 (실내 압력 이하의) 부압을 전달하는 하나 이상의 루멘들을 가진다. 흡인 부재(744)는, 조직 표면과 맞물릴 수 있을 뿐만 아니라 흡인 부재(744) 안의 부압에 의해 조직 표면에 대한 흡인력을 가할 수 있는 하나 이상의 개구들로 구성되어 있다. 그러므로, 흡인력이 흡인 부재(744)에 의해 조직 표면 쪽으로 가해지는 동안, 진공 조직 맞물림 부재(740)는 조직과 결합되어 있다.
진공 조직 맞물림 부재(740)가 조직과 결합되어 있는 동안, 기구 홀더(614)는 조직의 대응하는 움직임을 생성하도록 움직이게 될 수 있다. 예를 들어, 기구 홀더(614)는 도 22에 도시된 바와 같이 조직을 텐트형상화하기 위해서 조직으로부터 멀리 움직이게 될 수 있다.
도시된 실시예에서, 흡인 부재(744)는 캐뉼라 샤프트(622)를 포위한다. 다른 배열들 또한 본 발명의 사상의 범위내에 상정되어 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 단일의 진공 컵이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구별되는 다수의 진공 컵들이 사용될 수 있다. 다수의 컵들은 캐뉼라 샤프트(622) 둘레에서와 같이 여러 가지 방식들로 배열될 수 있따. 흡인 부재(744)는 불규칙적인 조직 표면의 표면형태(topography)에 들어맞을 수 있는 유연한 재료를 구비할 수 있다.
도 34 내지 도 36을 참조하면, 일부 실시예들에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 기계적 조직 맞물림 부재(750)를 포함할 수 있다. 이러한 기계적 조직 맞물림 부재(750)는 본 명세서에 기술되어 있는 방법들을 이용하여 조직층의 텐트형상화를 수월하게 하기 위해서 조직층과 선별적으로 결합할 수 있다.
도시된 배열에서, (로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리, 예컨대 도 21과 도 22에 나타나 있는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)와 해제가능하게 결합가능한) 캐뉼라(620)는 기계적 조직 맞물림 부재(750)와 슬라이딩가능하게 결합되어 있다. 즉, 기계적 조직 맞물림 부재(750)는 캐뉼라 샤프트(622)에 대한 관계에서 길이방향으로 슬라이딩운동될 수 있을 뿐만 아니라 회전운동될 수 있다. 도시된 실시예에서, 캐뉼라(620)는 기계적 조직 맞물림 부재(750)가 그 안에서 슬라이딩가능하게 결합되어 있는 루멘(625)을 포함한다.
기계적 조직 맞물림 부재(750)는 파지부(752), 샤프트(754) 및 후크부(756)를 포함한다. 샤프트(754)는 파지부(752)와 후크부(756) 사이에 뻗어 있다. 파지부(752)는 후크부(756)를 조종하기 위해서 임상의사에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 캐뉼라 샤프트(622)가 조직층 안의 절개부를 통해 삽입된 후, 임상의사는 조직층의 밑면과 후크부(756)를 맞물리도록 파지부(752)를 조종할 수 있다. 일부 경우들에서, 조종은 후크부(756)를 회전시키는 파지부(752)의 회전운동을 포함한다. 이후, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 (예컨대 도 22 또는 도 32를 참조하여 기술된 바와 같이) 조직층을 텐트형상화하기 위해서 환자로부터 멀리 움직이게 될 수 있다. 일부 경우들에서, 후크부(756)는 조직층의 밑면을 천자할 수 있다. 일부 경우들에서, 후크부(756)는 조직층 밑면의 천자(puncturing)를 방지하거나 예방할 수 있는 비외상성 단부(atraumatic end)로 구성될 수 있다.
조직 맞물림 부재들의 많은 다른 설계들이 기술되어 왔다. 추가적으로, 조직층과 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리를 맞물리기 위한 다른 장치들과 기법들은 본 발명의 사상의 범위내에 상정되어 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 캐뉼라(또는 이에 대한 부착수단)는 조직층에 봉합될 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 플랜지는 캐뉼라로부터 선별적으로 전개될 수 있다. 예를 들어, 가요성 재료 또는 최고의 가요성 재료로 구성되어 있는 플랜지는 캐뉼라의 루멘 내부에 포함되고 나서, 캐뉼라의 원위 단부가 조직층의 절개부를 통하여 놓여 있은 후 반경방향으로 바깥쪽을 향하여 뻗도록 전개될 수 있다. 전개된 플랜지는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리를 환자로부터 멀리 움직임으로써 조직을 텐트형상화하기 위해서 꺼내는 방향의 힘(retraction force)을 가하는데 사용될 수 있다. 나아가, 팽창가능한 조직 맞물림 부재들은 (도 21과 도 22에) 기술되어 있다. 일부 실시예들에서, 2개 이상의 팽창가능한 조직 맞물림 부재들은 단일의 캐뉼라에 결합될 수 있다. 이러한 일부 실시예들에서, 제 1 팽창가능한 맞물림 부재는 조직층 아래에 위치조정될 수 있고, 제 2 팽창가능한 맞물림 부재는 조직층 위에 위치조정될 수 있다. 일부 경우들에서, 팽창가능한 맞물림 부재들은 조직층을 텐트형상화하기 위하여 힘을 가하는 것에 추가하여 시일(seal)로서 기능할 수 있다.
도 37 내지 도 39를 참조하면, 일부 실시예들에서, (본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이) 텐트형상화된 조직을 생성하는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 움직임들은 매니퓰레이터 어셈블리(610)의 기구 홀더(614) 상에서 3단 스위치(618)와 같은 입력 수단을 작동시킴으로써 개시될 수 있다. 즉, 속도 제어 모드가 사용될 수 있고, 이로써 임상의사는 3단 스위치(618)를 제 1 방향으로 작동시킴으로써 체벽(10)이 텐트형상화되게 할 수 있고, 이로써 동작의 원격 중심을 재위치조정하는(예컨대 캐뉼라(620)에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는) 지시를 수술 시스템(600)의 프로세서로 전송할 수 있다. 3단 스위치(618)로부터 활성화 신호를 수신하는 단계에 응답하여, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)(및 조직 맞물림 요소(624)가 있는 캐뉼라(620))는 환자로부터 멀리 움직인다. 일부 경우들에서, 동작의 원격 중심은 또한 캐뉼라(620)에 대하여 움직이게 될 수 있다. 캐뉼라(620)의 움직임은 체벽(10)이 텐트형상화될 수 있도록 조직 맞물림 요소(624)가 체벽(10) 상에 힘을 가하게 할 수 있다. 3단 스위치(618)를 해제하는 것은 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 움직임이 공간 안에서의 포지션을 유지하거나 정지시키게 할 수 있다. 텐트형상화된 조직이 더 이상 요구되지 않는 경우, 임상의사는 제 1 방향에 대해 반대방향인 제 2 방향으로 3단 스위치(618)를 활성화할 수 있다. 제 2 방향으로 3단 스위치(618)로부터의 활성화 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 환자를 향하여 움직일 수 있고, 텐트형상의 체벽(10)은 줄어들 수 있다.
도시된 배열과 기법에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)의 위치는 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 캐뉼라 샤프트(622) 상의 일관된 위치에 유지되거나 제약받는다. 그러므로, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)가 제 1 방향으로의 3단 스위치(618)의 작동에 의해 환자로부터 멀리 움직이게 됨에 따라, 동작 포지션의 원격 중심(623)은 캐뉼라(620)의 움직임을 따라간다. 도시된 예시에서, 동작 포지션의 원격 중심(623)의 위치는 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 위치(623')로 움직인다.
이를 대신하여, 일부 실시예들에서, 수술 시스템(600)의 프로세서는 3단 스위치(618)의 작동에 의해 개시되는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)(및 캐뉼라(620))의 움직임들에도 불구하고 공간 안의 동일한 위치에서 동작 포지션의 원격 중심(623)의 위치를 유지할 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서, 스위치(618)의 활성화는 캐뉼라(620)에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 수술 시스템(600)의 프로세서로 전송한다.
이 예시에서는 체벽(10)을 텐트형상화하는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 움직임이 3단 스위치(618)의 작동에 의해 개시되지만, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)(및/또는 동작의 원격 중심의 포지션)를 움직이기 위한 다른 입력 수단과 기법 또한 본 발명의 사상의 범위내에 상정되어 있다. 예를 들어, 수술 시스템의 프로세서는 임의의 적합한 방식으로 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 발생시키도록 구성될 수 있다. 여러 가지 실시예들에서, 프로세서는, 동일한 타입의 이전 절차들 등의 분석에 기초하여 특정 해부학적 특징들을 탐지하는 것에 응답하여 동작 궤적들의 원격 중심 또는 사전계획된 매니퓰레이터에 기초하고 있는 지시를 발생시킬 수 있다. 다른 예시로서, 수술 시스템의 프로세서는 캐뉼라에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 (외부로부터 프로세서로) 수신하도록 구성될 수 있다. 지시는 입력 수단과의 사용자 상호작용에 의해 개시될 수 있다. 지시는 프로세서와 별개의 제 2 프로세서에 의해 제공될 수 있다. 지시는 전술한 것의 조합으로부터 유래할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세서는 절차의 일정한 부부들에서 또는 일정한 기준들에 응답하여 지시를 발생시키도록 구성되어 있고, 또한 외부에서 지시를 수신하도록 구성되어 있다.
추가 예시로서, 일부 실시예들에서, 움직임 거리, 즉 위 설명에서 623과 623' 사이의 거리(예컨대 수 밀리미터)는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)를 위한 사용자 인터페이스에 기입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 풋 페달들은 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)(및/또는 동작의 원격 중심의 포지션)의 움직임을 유발하는데 사용될 수 있다. 풋 페달들은, 예컨대 의사 콘솔(예컨대 도 2의 의사 콘솔(40))이나 환자 측 영역에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구두 명령(voice command)과 음성 인식(speech recognition)은 텐트형상화된 체벽(10)을 생성하기 위해서 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 움직임을 위한 거리(및/또는 동작의 원격 중심의 포지션)를 입력하는데 사용될 수 있다. 또한, 수술 시스템은 휴대용 입력 장치를 구비하는 오퍼레이터 콘솔을 포함할 수 있는데, 여기서 오퍼레이터 콘솔은 휴대용 입력 장치로부터의 신호에 응답하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 제공한다. 수술 시스템은 프로세서와 전기 통신하는 제 1 휴대용 입력 장치와 제 2 휴대용 입력 장치를 포함할 수 있는데, 여기서 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시는 제 2 휴대용 입력 장치로부터 멀어지는 제 1 휴대용 입력 장치의 상대적인 동작을 지시하는 신호를 구비한다.
일부 실시예들에서, 클러칭 모드 입력 수단은 체벽(10)을 텐트형상화하는데 사용될 수 있고, 그리고/또는 동작의 원격 중심의 재위치조정을 개시하는데 사용될 수 있다. 클러칭 모드를 사용하여, 기구 홀더(614) 상의 버튼은 환자로부터 멀어지는 기구 홀더(614)의 수동 움직임을 허용하도록 눌러질 수 있다. 버튼들의 눌림은 수동으로 움직이게 될 수 있도록 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)를 해제한다. 기구 홀더(614)를 환자에 대하여 원하는 위치로 움직인 후, 버튼은 해제될 수 있고, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 정상 조작을 위하여 다시 한번 준비될 수 있다. 일부 소프트웨어 제약 원격 중심 실시예들에서, 이 클러칭 모드는 수술 동안 활성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터 어셈블리(610)의 수동 움직임으로 이어지는 스위치(즉 기구 홀더(614) 상의 버튼)의 활성화는 캐뉼라(620)에 대하여 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 수술 시스템(600)의 프로세서로 전송한다.
다른 예시에서, 어드미턴스 제어 모드는 체벽(10)을 텐트형상화하는데(그리고/또는 동작의 원격 중심의 포지션을 움직이는데) 사용될 수 있다. 어드미턴스 모드를 이용하여, 임상의사는 기구 홀더(614)를 환자로부터 멀리 원하는 위치로 간단히 수동으로 움직일 수 있다. 어드미턴스는 텐트형상화되거나 조종되는 조직의 특성에 맞도록 튜닝될 수 있다. 환자에 대하여 원하는 위치로 기구 홀더(614)를 움직인 후, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)는 정상 조작을 위하여 다시 한번 준비될 수 있다. 일부 소프트웨어 제약 원격 중심 실시예들에서, 이 어드미턴스 제어 모드는 수술 동안 활성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 햅틱 피드백은 이러한 어드미턴스 제어 모드에서 임상의사에게 제공될 수 있다. 이러한 타입의 햅틱 피드백은 임의의 적합한 피드백일 수 있다. 예를 들어, 피드백은 다른 양들의 텐트형상화와 관련된 힘 크기들과 방향들 또는 미리 정해진 진동 패턴을 구비할 수 있다. 다른 예시들로서, 피드백은 어드미턴스에 기초하고 있을 수 있고, 체벽(10)을 텐트형상화하는 캐뉼라(620)의 수동 조종과 관련된 힘들을 모형화할 수 있고, 기구 홀더(614) 또는 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610) 또는 체벽(10)의 텐트형상화에 대응하는 다른 구조 또는 이와 유사한 것에 의해 겪게 되는 반력을 모형화할 수 있다.
도 40에는 체벽(10)을 텐트형상화하는데 사용될 수 있는 다른 예시적인 기법 또는 모드가 도시되어 있다. 이 예시는 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 의사 콘솔(40)(도 2 참조)에서의 원격 조작 체벽 텐트형상화 활성화가 고려되어 있고, 일부 경우들에서는 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 동작의 원격 중심의 위치를 선별적으로 조정하는 것이 고려되어 있다. 이 예시에서, 의사나 다른 오퍼레이터의 두손은 좌측 휴대용 마스터 입력 장치(41)와 우측 휴대용 마스터 입력 장치(42)를 작동시키고 제어한다. 좌측 마스터 입력 장치(41)는 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 엔드 이펙터(636)의 움직임을 제어한다. 우측 마스터 입력 장치(42)는 조직 맞물림 요소(624)를 이용하여 체벽(10)과 결합되어 있는 캐뉼라(620)의 움직임을 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 제어한다.
수술 시스템(600)의 프로세서에 의한 체벽(10)의 텐트형상화를 활성화하기 위하여, 의사는 우측 마스터 입력 장치(42)를 좌측 마스터 입력 장치(41)로부터 멀리 간단히 움직인다. 여러 가지 실시예들에서, 이는, 좌측 마스터 입력 장치(41)를 지면에 대하여 정지되게 유지시키면서 우측 마스터 입력 장치(42)를 지면에 대하여 움직이는 단계, 좌측 마스터 입력 장치(41)를 지면에 대하여 움직이면서 우측 마스터 입력 장치(42)를 지면에 대하여 정지되게 유지시키는 단계, 또는 우측 마스터 입력 장치(42)와 좌측 마스터 입력 장치(41) 양자 모두를 지면에 대하여 움직이는 단계에 의해 달성될 수 있다. 결과적으로, 캐뉼라(620)는 엔드 이펙터(636)로부터 멀리 움직이게 된다. 캐뉼라(620)가 조직 맞물림 요소(624)를 통해서 체벽(10)과 결합되어 있기 때문에, 환자로부터 멀어지는 캐뉼라(620)의 움직임은 체벽(10)의 텐트형상화를 초래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 좌측 마스터 입력 장치(41)에 대한 관계에서 우측 마스터 입력 장치(42)의 상대적인 동작은 수술 시스템(600)의 프로세서에 의해 기구 샤프트(634)의 길이방향 축(631)과 일치하는 공간 안의 고정된 라인을 따라 캐뉼라(620)의 움직임을 활성화할 수 있다. 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610)의 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 부분적으로 이용하거나 전체적으로 이용하여 부과될 수 있다. 일부 실시예들에서, (모형들로부터의 측정과 산정, 측정과 모형화의 조합 등을 통해서 결정되는) 텐트형상화에 기인한 조직 상의 힘들은 동작의 원격 중심의 움직임을 제한하는 것, 또는 햅틱 피드백을 콘솔(40)에 있는 의사나 다른 오퍼레이터에게 제공하는 것과 같은 목적을 위하여 수술 시스템(600)의 컨트롤러에 의해 이용될 수 있다. 일부 예시들에서, 이러한 햅틱 피드백은 오퍼레이터를 위하여 체벽(10)을 텐트형상화하는 캐뉼라(620)의 수동 조종을 시뮬레이션할 수 있고, 오퍼레이터를 위하여 기구 홀더(614) 또는 매니퓰레이터 아암 어셈블리(610) 또는 체벽(10)의 텐트형상화에 대응하는 다른 구조 또는 이와 유사한 것에 의해 겪게 되는 반력을 시뮬레이션할 수 있다.
좌측 마스터 장치(42)와 우측 마스터 장치(41)이 콘솔(40)에 부착되어 있는 것으로 기술되어 있지만, 일부 실시예들에서는 이용가능한 다른 휴대용 입력 장치들이 임의의 콘솔들로부터 떨어져 있거나, 접지되어 있지 않거나, 무선 통신할 수 있다는 점을 알 수 있다.
도 40에 관한 앞의 설명에 따르면, 본 명세서에는 수술 작업 공간을 수정하는 방법(그 크기를 확대시키거나 축소시키는 것과 같이 변화시키는 방법; 또는 그 형상을 변화시키는 방법; 또는 그 공간상 특징들에 대한 임의의 다른 변화가 있는)방법)이 기술되어 있다는 점을 상정할 수 있는데, 이러한 방법은 제 2 휴대용 입력 장치로부터 멀어지는 제 1 휴대용 입력 장치로부터 입력을 수신하는 단계, 및 매니퓰레이터 어셈블리(610)를 움직이는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 방법은, 캐뉼라(620)가 수술 기구(630)의 길이방향 축을 따라 움직이면서 수술 작업 공간을 수정하도록(예컨대 확대하도록) 매니퓰레이터 어셈블리(610)가 움직이게 하면서 수술 기구(630)를 실질적으로 정지상태로 유지하는 단계를 포함한다.
도 41과 도 42는 컴퓨터 보조 수술 시스템의 프로세서를 이용하여 기구 엔드 이펙터 기준 프레임과 원격 중심 기준 프레임 사이의 관계를 제어하기 위한 2개의 시스템들(800, 810)의 예시적인 개략적인 블록 다이어그램이다. 이들 시스템의 일부 실시예들에서, 캐뉼라 및 원격 중심 기준 프레임은 일치하는 것으로 가정되어 있다. 나아가, 캐뉼라 및 원격 중심은 (캐뉼라 및 기구의 길이방향 축만을 따라) 기구 엔드 이펙터에 대한 관계에서 움직이도록 물리적으로 제약받고 있다. 이러한 경우에서, 기구 엔드 이펙터의 기준 프레임(프레임(E))과 원격 중심의 기준 프레임(프레임(RC)) 사이의 관계를 제어하도록 채용될 수 있는 2개의 별개의 전략이 존재한다.
(프레임(E)이 고정되어 있거나 움직이고 있는지 여부와 무관하게) 2개의 기준 프레임들 사이의 상대적인 거리(d)를 능동적으로 제어하는데 사용될 수 있는 한가지 전략은 힘/토크 센서 또는 3단 스위치로부터 입력을 이용한다. 이 모드를 위한 제어 서브-시스템은 도 41에 나타나 있는 블록 다이어그램을 이용하여 구현될 수 있다. 이 제어 서브-시스템은 '상대적인 자세 컨트롤러(relative pose controller)'로 기술되어 있을 수 있다. 이는 상술되어 있는 도 30과 개념상으로 유사하다.
예를 들어, 도 41은 3단 스위치를 이용하여 팁으로부터의 개뉼라 거리의 상대적인 제어를 위한 일반적인 블록 다이어그램을 제공한다. 이 실시예에서, 슬레이브 매니퓰레이터에 대한 점진적인 데카르트 명령, "slv_cart_delta"은 다음에 오는 것, 즉 slv_cart_delta = S*slv_cart_vel*Ts (여기에서 Ts는 컨트롤러의 샘플링 타임(sampling time)임)으로 표현될 수 있다. S는 몸 속으로의 동작, 몸 바깥쪽으로의 동작 또는 동작 없음을 명령하는지 여부에 따라 값들[1, -1, 0]을 취할 수 있다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면, 점진적인 위치 제어 및 속도 제어가 상호교환가능하고 동일한 목적을 서비스제공한다는 점을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 42는 힘/토크 또는 압력 센서를 이용하여 팁으로부터의 캐뉼라 거리의 상대적인 제어를 위한 일반적인 블록 다이어그램을 제공한다. 이 실시예에서, 슬레이브 매니퓰레이터에 대한 점진적인 데카르트 명령, "slv_cart_delta"는 다음에 오는 것, 즉 slv_cart_delta = f(F, p) (여기에서 "f"는 감지되는 힘이나 압력(F) 및 일부 사용자 정의 파라미터(P)들을 입력할 때 사용되는 프로그램가능한 함수임)으로 표현될 수 있다. 이는 어드미턴스 컨트롤러이다. 일 실시예에서, 이는 아암 운동형상학에 관한 지식과 조인트 토크 센서들을 이용해서 캐뉼라 축을 따르는 데카르트 힘을 산정함으로써 실현될 수 있다. 이러한 산정 다음으로, 계산된 산정은 점진적인 동작을 명령하는 입력(F)으로 이용될 수 있다. 신호(F)는, 엔드 이펙터에 관한 동작의 원격 중심을 움직이려는 의도를 가지고 있는 사용자와 매니퓰레이터의 상호작용에 기초하여 측정되거나 계산되는 임의의 다른 힘 양일 수 있다.
추가적으로, 다른 전략은 프레임들(RC, E)의 궤적들을 독립적으로 제어하는데 이용될 수 있는데, 여기서 이러한 궤적들을 관리하는 제어 입력들은 잠재적으로 양자 모두 마스터 매니퓰레이터들로부터 나올 수 있다. 이 추가적인 전략을 위한 제어 서브-시스템 블록 다이어그램은 도 28 내지 도 30에 기술되어 있는 '독립 자세 컨트롤러(independent pose controller)'로 알려져 있을 수 있다. 도 40에 나타나 있는 트롬본 제어 모드는 이 전략의 예시이다.
삽입(I/O) 동작들이 기구 팁(E)에 대하여 캐뉼라 또는 원격 중심의 측면방향 동작들을 허용하는 일부 경우들에서 일반화될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 이 경우에서, 팁 자세(E)에 영향을 미치지 않기 위하여, 기구가 E의 동작을 보상하도록 구동되는 동안, 원격 중심 또는 캐뉼라는 팁 둘레에서 피벗운동할 필요가 있을 수 있다. 이는 체벽에서의 캐뉼라 또는 RC의 측면방향 동작들을 대략적으로 고려하고 있을 수 있고, 수술 현장을 더욱 복잡한 방식으로 조종하는데 도움이 될 수 있다.
도 43을 참조하면, 일부 최소 침습 로봇 수술 방법들은 단일 부위 기법을 이용한다. 단일 부위 기법의 목적은 체벽(10)을 통하는 절개들의 개수를 줄이는 것이다. 예를 들어, 도시된 배열에서, 제 1 캐뉼라(620)와 제 2 캐뉼라(620') 각각은 포트 장치(900)의 별개의 루멘들을 통과한다. 포트 장치(900)는 단일의 절개를 이용하여 체벽(10)과 맞물리게 된다. 따라서, 2개의 캐뉼라(620, 620')는 단일의 절개를 통해서 사용되고 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 동작 컨셉들의 소프트웨어 제약 원격 중심을 이용하여, 2개의 캐뉼라(620, 620')의 움직임들은 수술 시스템의 프로세서를 이용하여 좌표결정될 수 있어서, 체벽(10)은 텐트형상화될 수 있다. 각각의 개별적인 캐뉼라(620, 620')가 각각의 로봇 매니퓰레이터 어셈블리(610, 610')에 결합되어 있다는 점을 알 수 있을 것이다(미도시됨; 도 21과 도 22 참조).
2개의 캐뉼라(620, 620') 각각은 공유하는 동작의 원격 중심을 가진다. 도시된 배열에서, 체벽(10)을 텐트형상화하기에 앞서, 공유하는 동작의 원격 중심은 포지션(623)으로 나타나 있는 제 1 위치에 존재한다. 본 명세서에 기술되어 있는 기법들을 이용하여, 2개의 캐뉼라(620, 620')에 결합되어 있는 2개의 로봇 아암 어셈블리들은, 공유하는 동작의 원격 중심이 수술 시스템(600)의 프로세서를 이용하여 제 2 위치(623')로 움직이게 되도록, 좌표 안에서 움직이게 될 수 있다. 결과적으로, 포트 장치(900)는 환자로부터 멀리 움직이게 될 수 있고, 체벽(10)은 텐트형상화될 수 있다. 2개의 캐뉼라(620, 620')의 움직임 동안, 엔드 이펙터들(636, 636')은 수술 작업 공간 내부에서 대체로 정지상태의 포지션들에 유지될 수 있다.
도 43에 관한 위 설명의 관점에서, 일부 실시예들에서는 수술 시스템(600)의 프로세서가 다음과 같은 기계 판독가능 지시들, 즉: 매니퓰레이터 어셈블리(610)에 대한 캐뉼라(620)의 결합을 탐지하는 지시(여기에서 캐뉼라(620)는 환자의 조직층과 결합하도록 구성되어 있음); 수술 시스템(600)의 제 2 매니퓰레이터 어셈블리(610')에 대한 제 2 캐뉼라(620')의 제 2 결합을 탐지하는 지시(여기에서 제 2 캐뉼라(620')는 환자의 조직층과 결합하도록 구성되어 있음); 및 캐뉼라(620)와 제 2 캐뉼라(620')가 조직층이 수술 작업 공간을 변형하고 수정하게 하도록 매니퓰레이터 어셈블리(610)와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리(610')를 동시다발적으로 움직이는 지시;로 구성된다는 점 및/또는 이러한 기계 판독가능 지시들로 프로그래밍된다는 점을 상정할 수 있다. 예를 들어, 조직층이 수술 작업 공간을 텐트형상화하고 확대시키게 한다. 일부 경우들에서, 매니퓰레이터 어셈블리(610)와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리(610')를 동시다발적으로 움직이는 단계는, 공유하는 동작의 원격 중심에 기초하여 매니퓰레이터 어셈블리(610)와 제 2 매니퓰레이터 어셈블리(610')의 동시다발적인 움직임을 제한하는 단계를 포함한다.
추가적인 실시예들로서, 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 시스템들(예컨대 도 1 내지 도 2와 결합하여 기술되어 있는 수술 시스템, 수술 시스템(600), 여러 가지 매니퓰레이터 어셈블리들 및 관련된 프로세서들, 및 다른 시스템)은 매니퓰레이터 링크장치의 동작에 관한 하나 이상의 다른 제약들을 고려하면서 기술된 방식으로 피벗 위치를 움직이거나 유지하도록 확대되어 있을 수 있다. 이러한 시스템들은, 하나 이상의 과업들이 다른 동작 제약들에 대응하는 상태에서, 피벗 위치를 움직이거나 유지하는 과업을 밸런스조정하는 동작을 결정하고 구동시킨다. 예시적인 제약들은 위치, 속도, 가속도, 저크, 또는 매니퓰레이터 링크장치의 하나 이상의 부분들을 위하여 전술한 것의 임의의 조합에 관한 정역학적 한계 또는 동역학적 한계를 포함한다. 추가적인 예시적인 제약들은 전류 인출, 출력 동력, 출력 토크, 출력 힘, 감지된 토크 또는 힘 등에 관한 정역학적 한계 또는 동역학적 한계를 포함한다.
로봇 시스템들의 동작들을 제어하기 위한 많은 기법들은 본 명세서에 기술되어 있다. 다수의 특정 예시들은 여러 가지 수술 상황들에 있는 로봇 매니퓰레이터(들), 캐뉼라(들) 및 수술 기구(들)의 맥락에서 기법들을 기술하고 있다. 대부분의 예시들이 수술 조작들과 결합되어 있는 기법들을 기술하고 있지만, 이러한 기법들은 의료용 진단이나 비수술 치료를 위한 것들을 포함하는 비수술 조작들에 대해 적용될 수도 있다. 나아가, 이러한 기법들은 비의료용 로봇 시스템들에서도 이용될 수 있다.
일부 경우들에서, 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 위치에 관한 지시를 제공하는 것이 유리하다. 이러한 지시들은 단독으로 사용될 수 있고, 본 명세서에 기술되어 있는 실시예들 중 임의의 것과 조합하여 사용될 수 있다. 지시들은 여러 가지 방식으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템들의 프로세서는, 예컨대 의사 콘솔을 통해서 의사에 대한 동작의 원격 중심의 포지션에 관한 하나 이상의 시각적 표시장치들 또는 시각적 지시신호(cue)들을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 일 예시에서, 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 위치는 디스플레이(45)(도 2)에서의 그래픽적 표현에 의해 의사나 다른 오퍼레이터 또는 인원에게 도시될 수 있다. 다른 예시에서, 일부 실시예들에 있어서, 광(예컨대 산란된 광)은 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 위치를 지시하기 위해서 수술 작업 공간 내부에서 빛날 수 있다. 빛나는 광은 의사(또는 다른 오퍼레이터나 인원)에 의해 디스플레이에서 관찰될 수 있다. 일부 실시예들에서, 햅틱 피드백은 동작의 소프웨어 제약 원격 중심의 움직임들을 지시하기 위해서 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 햅틱 디텐트(haptic detent)는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 매 5 밀리미터의 움직임마다 제공될 수 있다. 추가적인 예시들로서, 사운드 프롬프트 또는 음성 프롬프트는 햅틱 피드백이 있거나 없는 상태로 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 움직임을 지시한다.
제공될 수 있는 동작의 원격 중심의 포지션에 관한 추가 시각적인 지시신호들의 일부 예시들은 다음에 오는 것과 같다. 원격 중심의 위치를 지시하는 캐뉼라 또는 환자의 몸 표면 위쪽으로의 시각적인 투영(visual projection)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 투영이 원격 중심에 있는 한 지점에 초점맞추어지도록 세팅되는 경우라면, 이때 피부 표면에서 보이는 스팟 크기는 원격 중심으로부터의 거리를 표현할 수 있다. 피부 표면으로부터 반사되는 2개 이상의 광선들 사이의 거리가 원격 중심으로부터의 거리를 지시하도록, 원격 중심에서 교차하게 정렬되어 있는 2개 이상의 광선을 이용할 수도 있다. 이는 침대곁에서 오퍼레이터에 의해 직접 관측되거나 의사 콘솔에 나타나 있는 외부 카메라 뷰를 통해서 관측될 수도 있다. 투영은 표면으로부터의 깊이를 판독하는 실제 숫자일 수도 있는데, 여기서 기구 매니퓰레이터에 대한 피부 표면의 위치는 기계 시각(machine vision), 깊이 카메라(depth camera) 또는 일부 다른 수단을 이용하여 측정될 수 있다. 원격 중심 위치는 캐뉼라 자체 상의 하나의 밴드로 조명될 수도 있고, 또는 원격 중심의 양쪽 측면까지의 알려진 거리인 일련의 밴드들로 조명될 수도 있다. 이는 의사가 환자 측에 있는 경우 유용할 수도 있고, 캐뉼라를 직접 관측할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 안전 수단(safety feature)들은 본 명세서에 기술되어 있는 여러 가지 수술 상황들에서 로봇 매니퓰레이터, 캐뉼라, 및 수술 기구의 동작들을 제어하기 위한 기법들과 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 지시들은 단독으로 사용될 수 있고, 또는 본 명세서에 기술되어 있는 임의의 실시예들과 결합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 오프 축 위치(off-axis location)는 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템들의 프로세서를 이용하여 모니터링된다. 오프 축 위치는 수술 시스템의 프로세서에 의해 한계 거리까지 제약받을 수 있고, 그리고/또는 오프 축 위치가 한계 거리를 넘어 존재하는 경우에는 의사에 대한 경보가 제공될 수 있다.
일부 실시예들과 결합되어 제공되는 다른 안전 수단은 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템들의 프로세서를 이용하여 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 동작의 속도를 제한하는 것이다. 이러한 속도 한계는 일부 상황들에서 조직을 파열할 가능성을 최소화하는데 도움이 될 수 있다. 나아가, 다른 안전 수단은 힘 감지 장치들(예컨대 힘 감지 캐뉼라)을 포함하는 것, 및 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템의 프로세서에 의해 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심을 위한 제어 계획에서 힘 피드백을 이용하는 것이다. 예를 들어, 힘 한계는 힘 한계에 도달하는 경우 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심이 더 움직이게 될 수 없도록 수립될 수 있다. 일부 실시예들에서, 힘 한계들은 거리 제한들과 조합되어 사용될 수 있다. 임상의사에게 피드백을 제공하기 위하여, 일부 실시예들에서, 시스템은 한계에 도달하거나 가까워지는 경우 경보를 울릴 수 있다(예컨대 햅틱, 청각수단, 시각수단, 촉지수단 등).
일부 실시예들과 결합하여 이용될 수 있는 추가적인 안전 수단들은 본 명세서에 기술되어 있는 수술 시스템의 프로세서에 의해 캐뉼라만을 따르거나 수술 기구의 샤프트만을 따르는 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심의 움직임을 제약하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 카메라가 환자의 체외쪽에서 사용될 수 있어서, 의사는 조직 텐트형상화의 정도를 볼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 화면 속 화면(picture-in-picture)은 의사 콘솔에서 디스플레이와 사용될 수 있다. 즉, 환자의 체외쪽에 있는 카메라에 의해 촬영되는 텐트형상화에 관한 비디오 화면은, 수술을 위하여 사용되고 있는 내시경으로부터의 이미지들을 의사가 보는 것을 허용하면서도 의사 콘솔의 디스플레이 쪽으로 공급될 수 있다. 이러한 디스플레이는 본 명세서에 기술되어 있는 임의의 실시예들과 사용될 수 있다.
본 명세서는 많은 특정 구현예의 세부사항들을 포함하고 있지만, 이러한 것들은 본 발명의 범위 또는 권리주장될 수 있는 것의 범위에 관한 제한들로 해석되어서는 안되고, 오히려 특정 발명들의 특정 실시예들에 대해 특정적일 수 있는 특징들에 관한 기술사항들로 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에 기술되어 있는 일정한 특징들은 단일의 실시예에서 조합되어 구현될 수도 있다. 이와 반대로, 단일의 실시예의 맥락에서 기술되어 있는 여러 가지 특징들은 다수의 실시예들에서 별개로 구현되거나 임의의 적합한 하위조합(subcombination)으로 구현될 수도 있다. 더욱이, 특징들이 일정한 조합들에서 작용하는 것으로 본 명세서에 기술되어 있을 수 있고, 심지어 그와 같이 처음으로 권리주장되는 것으로 본 명세서에 기술되어 있을 수 있지만, 권리주장되는 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우들에서 그 조합으로부터 실시될 수 있고, 그리고 권리주장되는 조합은 하위조합 또는 하위조합의 변형예로 안내되어 있을 수 있다.
이와 유사하게, 조작들이 특정 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는 원하는 결과들을 달성하기 위해서 이러한 조작들이 순차적인 순서나 나타나 있는 특정 순서로 수행되는 것, 또는 도시된 모든 조작들이 수행되는 것을 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안된다. 일정한 상황들에서, 멀티태스킹(multitasking)과 병렬 처리(parallel processing)가 유리할 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 기술되어 있는 실시예들에서의 여러 가지 시스템 모듈들과 구성요소들의 분리는 모든 실시예들에서 이러한 분리를 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되고, 기술되어 있는 프로그램 구성요소들과 시스템들이 대체로 단일의 제품 안에 함께 통합될 수도, 또는 다수의 제품들 속에 패키지화될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 실시예들이 기술되어 있다. 다른 실시예들은 다음에 오는 청구범위의 사상의 범위내에 있다. 예를 들어, 청구범위에 인용되어 있는 거동들은 다른 순서로 수행될 수 있고, 나아가 원하는 결과들을 달성할 수 있다. 일 예시로서, 첨부의 도면들에 도시되어 있는 과정들은 원하는 결과들을 달성하기 위해서 순차적인 순서나 나타나 있는 특정 순서를 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 어떤 구현예들에서, 멀티태스킹과 병렬 처리가 유리할 수 있다.

Claims (52)

  1. 컴퓨터 보조 의료 시스템이며,
    의료 기구의 샤프트를 슬라이딩가능하게 수용하도록 구성되어 있는 루멘을 형성하는 캐뉼라에 결합되도록 구성되어 있는 매니퓰레이터 어셈블리와,
    매니퓰레이터 어셈블리와 전기 통신하도록 결합된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    캐뉼라에 대해 상대적인 제1 위치에 매니퓰레이터 어셈블리의 동작의 원격 중심을 위치시키고,
    캐뉼라에 대해 상대적으로 동작의 원격 중심을 재위치조정하라는 지시에 응답하여 캐뉼라에 대해 상대적인 제2 위치로 동작의 원격 중심을 재위치조정하고 - 제2 위치는 제1 위치와 다름 -,
    환자의 조직층과 결합되도록 구성된 캐뉼라의 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 결합을 탐지하고,
    환자의 조직층과 결합하도록 구성된 제2 캐뉼라의 의료 시스템의 제2 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 제2 결합을 탐지하고,
    캐뉼라와 제2 캐뉼라가 조직층이 의료 작업 공간을 변형하고 수정하게 하도록, 매니퓰레이터 어셈블리와 제2 매니퓰레이터 어셈블리를 동시다발적으로 이동시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    프로세서는, 제1 위치와 제2 위치가 기구에 대하여 동일한 위치에 존재하도록, 매니퓰레이터 어셈블리가 캐뉼라와 기구를 서로에 대하여 움직이게 하는 하나 이상의 신호들을 출력하도록 추가로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    프로세서는 동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하면서 동작의 원격 중심을 제2 위치로 재위치조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    프로세서는,
    캐뉼라와 관련된 힘을 결정하고,
    힘 한계를 초과하는 캐뉼라와 관련된 힘에 응답하여 동작의 원격 중심의 재위치조정을 불허하도록 추가로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    시각적 표시장치를 추가로 구비하고,
    프로세서는 시각적 표시장치를 이용하여 동작의 원격 중심의 시각적 표시를 제공하도록 추가로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    캐뉼라는, 루멘이 의료 작업 공간과 통하게 되어 있도록, 환자의 조직층과 선별적으로 결합가능하고,
    프로세서는, 의료 작업 공간이 수정되도록, 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 움직이도록 추가로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    의료 작업 공간의 크기가 변하도록 캐뉼라를 이동시키는 것에 의해 의료 작업 공간이 수정되도록, 프로세서는 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 이동시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    의료 작업 공간의 형상이 변하도록 캐뉼라를 이동시키는 것에 의해 의료 작업 공간이 수정되도록, 프로세서는 캐뉼라를 환자 해부체에 대하여 이동시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    캐뉼라에 대해 상대적으로 동작의 원격 중심을 재위치조정하라는 지시를 개시하는 사용자용 입력 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 시스템.
  10. 기구와 결합되도록 구성되는 제1 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 컴퓨터 보조 로봇 시스템과 연계된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행시 하나 이상의 프로세서로 하여금 방법을 실행하도록 구성된 복수의 기계 판독가능 지시들을 포함하는 비일시적 기계 판독가능 매체이며, 상기 방법은,
    로봇 시스템의 동작의 원격 중심의 제1 위치를 결정하는 단계와,
    기구의 샤프트를 슬라이딩가능하게 수용하도록 구성된 루멘을 형성하는 제1 캐뉼라에 대해 상대적으로 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 지시를 수신하는 단계와,
    지시를 수신하는 단계에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 동작의 원격 중심을 재위치조정하는 단계이며, 제1 캐뉼라에 대해 상대적인 제2 위치는 제1 캐뉼라에 대해 상대적인 제1 위치와 다른 재위치조정하는 단계와,
    환자의 조직층과 결합되도록 구성된 제1 캐뉼라의 제1 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 결합을 탐지하는 단계와,
    환자의 조직층과 결합하도록 구성된 제2 캐뉼라의 컴퓨터 보조 로봇 시스템의 제2 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 제2 결합을 탐지하는 단계와,
    제1 캐뉼라와 제2 캐뉼라가 조직층이 의료 작업 공간을 변형하고 수정하게 하도록, 제1 매니퓰레이터 어셈블리와 제2 매니퓰레이터 어셈블리를 동시다발적으로 이동시키는 단계를 포함하는,
    비일시적 기계 판독가능 매체.
  11. 제10항에 있어서,
    제1 위치는 제1 캐뉼라를 따라 존재하고, 제2 위치는 제1 캐뉼라를 따라 존재하지 않는,
    비일시적 기계 판독가능 매체.
  12. 제10항에 있어서,
    동작의 원격 중심을 제2 위치로 재위치조정하는 단계는,
    제1 캐뉼라를 따라서 제2 위치를 제약하는 단계, 또는
    루멘에 의해 정의되는 축과 제1 위치가 일치하는 경우에 상기 축과 일치하도록 제2 위치를 제약하는 단계, 또는
    기구의 샤프트를 따라서 제2 위치를 제약하는 단계를 포함하는,
    비일시적 기계 판독가능 매체.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    동작의 원격 중심을 제2 위치로 재위치조정하는 단계는,
    동작의 원격 중심의 동작의 스피드를 제한하는 단계를 포함하는,
    비일시적 기계 판독가능 매체.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    제1 캐뉼라와 관련된 힘을 결정하는 단계와,
    힘 한계를 초과하는 제1 캐뉼라와 관련된 힘에 응답하여 동작의 원격 중심의 동작을 불허하는 단계를 추가로 포함하는,
    비일시적 기계 판독가능 매체.
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