KR102436722B1 - 커플형 제어 모드를 사용한 의료 로봇 시스템 - Google Patents

Abstract

커플형 제어 모드에서, 의사는 입력 장치와 연계된 종속 조작장치의 움직임을 직접 제어하면서, 직접 제어되는 종속 조작장치의 명령받은 동작에 응하여 하나 이상의 비-연계된 종속 조작장치의 움직임을 간접적으로 제어하여 이차적인 목적을 달성한다. 커플형 제어 모드를 통해 이차적인 작업을 자동으로 수행함으로써 의사가 다른 직접 모드로 전환하여 원하는 이차적인 목적을 수동으로 달성해야 할 필요가 줄어들어 시스템의 활용성이 증진된다. 따라서, 커플형 제어 모드는 의사로 하여금 의료 시술을 수행하는데 더 잘 집중하고, 시스템 관리에는 주의를 덜 기울일 수 있도록 한다.

Description

커플형 제어 모드를 사용한 의료 로봇 시스템{MEDICAL ROBOTIC SYSTEM WITH COUPLED CONTROL MODES}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2007년 6월 13일 제출된 미국 특허출원 제11/762,200호(발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템")의 일부 연속 출원이며, 상기 특허출원은 본원에 참고로 포함된다.

본 출원은 또한 2009년 6월 23일 제출된 미국 특허출원 제12/489,566호(발명의 명칭 "진입 가이드의 원단부로부터 연장되는 관절식 기구를 위한 동작 제한의 범위를 포함하는 보조 화면을 제공하는 의료 로봇 시스템")의 일부 연속 출원이고, 2009년 8월 15일 제출된 미국 특허출원 제12/541,913호(발명의 명칭 "상이한 작업 공간 조건에서 영역들을 가로지른 관절식 기구의 매끄러운 제어")의 일부 연속 출원인 2009년 11월 5일 제출된 미국 특허출원 제12/613,328호(발명의 명칭 "진입 가이드의 안팎으로 움직이는 동안 관절식 기구의 컨트롤러 보조된 재구성")의 일부 연속 출원이며, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다.

또한, 본 출원은 다음 미국 특허출원들과 관련되며, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다:

미국 특허출원 제11/762,217호, 발명의 명칭 "단일 진입구, 로봇 보조 의료 시술을 위한 조직의 수축"(Mohr); 미국 특허출원 제11/762,222호, 발명의 명칭 "단일 진입구, 로봇 보조 의료 시술을 위한 번들형 의료 장치의 지지"(Mohr et al.); 미국 특허출원 제11/762,231호, 발명의 명칭 "로봇 보조 의료 시술 동안 의료 장치를 지지하는 연장가능한 흡인면"(Schena); 미국 특허출원 제11/762,236호, 발명의 명칭 "의료 로봇 시스템에서 비이상적 액츄에이터-조인트 연결 특성을 상쇄하도록 구성된 제어 시스템"(Diolaiti et al.); 미국 특허출원 제11/762,185호, 발명의 명칭 "수술 기구 가동 시스템"(Cooper et al.); 미국 특허출원 제11/762,172호, 발명의 명칭 "수술 기구 액츄에이터"(Cooper et al.); 미국 특허출원 제11/762,165호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템"(Larkin et al); 미국 특허출원 제11/762,161호, 발명의 명칭 "진보된 최소 침습 수술 기구"(Larkin et al.); 미국 특허출원 제11/762,158호, 발명의 명칭 "수술 기구 제어 및 가동"(Cooper et al); 미국 특허출원 제11/762,154호, 발명의 명칭 "평행 동작 메커니즘을 가진 수술 기구"(Cooper); 미국 특허출원 제11/762,149호, 발명의 명칭 "측면에서 기구가 빠져나오는 최소 침습 수술 장치"(Larkin); 미국 특허출원 제11/762,170호, 발명의 명칭 "측면에서 기구가 빠져나오는 최소 침습 수술 장치"(Larkin); 미국 특허출원 제11/762,143호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 기구 시스템"(Larkin); 미국 특허출원 제11/762,135호, 발명의 명칭 "측면 조망 최소 침습 수술 기구 조립체"(Cooper et al.); 미국 특허출원 제11/762,132호, 발명의 명칭 "측면에서 보는 최소 침습 수술 기구 조립체"(Cooper et al.); 미국 특허출원 제11/762,127호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 기구의 가이드 튜브 제어"(Larkin et al.); 미국 특허출원 제11/762,123호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 가이드 튜브"(Larkin et al.); 미국 특허출원 제11/762,120호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 가이드 튜브"(Larkin et al.); 미국 특허출원 제11/762,118호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 리트랙터 시스템"(Larkin); 미국 특허출원 제11/762,114호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 조명"(Schena et al.); 미국 특허출원 제11/762,110호, 발명의 명칭 "레트로그레이드 기구"(Duval et al.); 미국 특허출원 제11/762,204호, 발명의 명칭 "레트로그레이드 기구"(Duval et al.); 미국 특허출원 제11/762,202호, 발명의 명칭 "기구/조직 충돌의 방지"(Larkin); 미국 특허출원 제11/762,189호, 발명의 명칭 "단면이 감소된 최소 침습 수술 기구 조립체"(Larkin et al.); 미국 특허출원 제11/762,191호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템" (Larkin et al.); 및 미국 특허출원 제11/762,196호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템"(Duval et al.)

기술분야

본 발명은 일반적으로 의료 로봇 시스템에 관한 것이며, 특히 커플형 제어 모드를 제공하는 의료 로봇 시스템에 관한 것이다.

최소 침습 수술은 여러 명칭으로 알려져 있으며(예를 들어, 내시경, 복강경, 관절경, 혈관내 수술, 키홀 등), 작업이 행해지는 해부학적 영역에 주로 특정되어 지칭된다. 이러한 수술에서는 캘리포니아 서니베일에 위치한 Intuitive Surgical, Inc.에서 제조된 da Vinci® 수술 시스템과 같은 원격작동/원격조작/원격현시(로봇 보조/원격로봇) 장비와 핸드헬드 장비를 둘 다 사용해서 치료적 시술이 행해진다. 기구들이 외과적 절개부나 자연 개구부를 통해 피부를 관통해서 환자 안으로 삽입될 수 있다. 최소 침습 수술의 새로운 실험적인 변화로서 자연 개구부 경내강 내시경 수술(NOTES)이 있는데, 여기서는 기구가 자연 개구부(예를 들어, 입, 콧구멍, 이도, 항문, 질, 요도)를 통해 들어가서 몸안의 내강통과 절개부(예를 들어, 위벽 또는 결장벽에 있는)를 통해 수술 부위까지 계속 들어간다. da Vinci® 수술 시스템을 사용한 원격조종 수술은, 예를 들어 일부 환자와 일부 해부학적 영역에서는 많은 핸드헬드 과정에 비해 더 큰 이익을 제공하지만, da Vinci® 수술 시스템은 수술 부위에 효과적으로 접근하지 못할 수 있다. 또한, 절개부의 크기와 수를 더 줄이는 것은 환자의 회복을 돕고, 환자의 외상 및 불편함을 줄이는데 도움을 준다.

이러한 의료 로봇 시스템에는 기구를 조작해서 환자를 대상으로 의료 과정을 수행하는 것, 내시경 영상 장치와 같은 영상 시스템을 배치하고 배향해서 기구의 작업 단부에서 이미지를 캡처하는 것, 및 기구의 작업 단부와 영상 시스템의 이미지 캡처 단부를 환자 몸안의 작업 부위로 보내는 것 등의 유용한 기능을 수행하기 위한 다양한 종속 조작장치가 제공된다. 기구와 영상 시스템("의료 장치")의 작업 단부 및 이미지 캡처 단부의 송달은 하나 이상의 가이드 튜브 및 가이드 튜브(들)를 보유하고 조작하는 구조를 사용한다. 또한, 주 조작장치는 오퍼레이터의 손 동작을 추적해서 연계된 종속 조작장치의 상태를 나타내는 적절한 촉각적 피드백을 오퍼레이터에게 제공하는 입력 장치로서 사용된다. 각각의 기능에 따라서 종속 조작장치와 주 조작장치("로봇 조작장치")는 상이한 작업공간 및 작업성(dexterity)을 갖도록 설계될 수 있다.

일반적으로, 종속 조작장치에 의해 조작되는 의료 장치가 도달할 수 있는 작업공간은 원위부 팁(예를 들어, 작업 단부 또는 이미지 캡처 단부)이 도달할 수 있는 공간 내의 일군의 지점들 및 배향들이다. 한편, 의료 장치의 원위부 팁이 일할 수 있는 작업공간은 일반적으로 배향을 주로 변화시킴으로써 도달될 수 있는 공간 내의 일군의 지점들이다(예를 들어, 원위부 팁을 배향하는 리스트 조인트의 위치를 변화시킴). 설명된 대로, 작업성(dexterity)은 로봇 조작장치가 연계된 의료 장치의 작업 단부의 위치(제한된 방식으로)와 배향을 제어할 수 있는 능력의 척도이다. 또한, 그것은 조인트 자유도(즉, 로봇 조작장치/의료 장치의 운동학적 사슬에 있는 독립적으로 가동되는 조인트의 수) 및 원위부 팁의 독립적인 강직성 본체 위치와 배향을 설명하는 데카르트/출력 자유도와 관련된다. 출력(종속 조작장치) 자유도(DOF)의 수는 주로 최대 6이고, 입력(주 조작장치) 조인트 DOF의 수는 주 조작장치 디자인에 따라서 상당히 변화한다.

쉽게 인정될 수 있듯이 일할 수 있는 작업공간은 일반적으로 도달가능한 작업공간의 하위부분이다. 의사가 기구의 작업 단부를 미세하게 제어할 수 있도록 보장하기 위해서 기구 종속 조작장치는 일반적으로 전체적으로 도달가능한 작업공간을 희생해서라도 작업성(dexterity)을 최적화하도록 설계된다. 이러한 제한을 상쇄하기 위해서 도달가능한 작업공간이 큰 베이스 조작장치(환자측 카트와 같은)를 사용해서 기구 및 영상 시스템 종속 조작장치를 환자 몸의 진입 구멍(예를 들어, 최소 침습 절개부 또는 자연 개구부) 근처로 보낼 수 있다. 또한, 기구와 영상 시스템이 공통의 가이드 튜브 안에 배치되었을 때는 가이드 튜브가 제2 베이스로서 기능하며, 이 경우 가이드 튜브의 움직임이 그 안에 배치된 기구와 영상 시스템을 모두 효과적으로 이동시킨다. 다음에, 기구 및 영상 시스템 종속 조작장치가 각각의 의료 장치의 작업 단부 및 이미지 캡처 단부를 환자 몸안의 작업 부위(예를 들어, 표적 해부구조)까지 최종적으로 보낼 수 있다.

의료 로봇 시스템의 전체적인 능력은 그것을 구성하는 모든 로봇 조작장치들의 작업공간과 작업성 간의 균형에 의해서 달성된다. 그러나, 각 조작장치의 개별적 능력의 차이는 분명히 있으며, 사용자에 의해서 잘 이해되어야지만 시스템을 효과적으로 활용할 수 있다. 일반적으로, 기구의 작업 단부가 최상의 가능한 작업성 및 도착점을 가진 상태에서 사용자가 콘솔로부터 어느 조작장치를 제어해서 그것을 어떻게 움직여서 환자 몸안에서 각각의 의료 장치의 원하는 "작업 형태"을 달성하면서 동시에 영상 시스템의 캡처 단부는 기구 움직임에 따른 방해 없이 작업 부위에서 수행되는 의료 시술의 우수한 가시성을 제공하는 방식으로 위치시킬 수 있는지 선택하기란 어렵다. 따라서, 수술 기구를 사용할 때에는 사용자가 의료 시술을 수행하는 것에만 집중할 수 있도록 시스템에, 예를 들어 카메라 조작장치 및 베이스 조작장치(가이드 튜브 조작장치 및/또는 셋업 암을 움직이기 위한 조작장치 및/또는 환자측 지지 시스템을 위한 지지대)에 대한 이차적인 또는 커플형 제어 움직임을 수행할 수 있는 능력을 제공하는 것이 바람직하다.

자유도(DOF)의 수는 시스템의 포즈/형태를 독자적으로 식별하는 독립적인 변수의 수이다. 로봇 조작장치들은 (출력) 데카르트 공간에 (입력) 조인트 공간을 매핑하는 운동학적 사슬이므로 DOF의 개념은 이들 두 공간 중 어느 곳에 표시될 수 있다. 특히, 일군의 조인트 DOF는 모든 독립적으로 제어되는 조인트에 대한 일군의 조인트 변수이다. 일반성은 부족하지만 조인트는 단일 병진(프리즘형 조인트) 또는 회전(레볼루트 조인트) DOF를 제공하는 메커니즘이다. 2개 이상의 분리된 조인트로서 운동학적 모델링 관점으로부터 2 이상의 DOF 동작을 제공하는 어떤 메커니즘이 고려된다. 일군의 데카르트 DOF는 통상 주어진 기준 데카르트 프레임에 대해서 단부 작동기(또는 팁) 프레임의 위치 및 배향을 설명하는 3개의 병진(위치) 변수(예를 들어, 서지, 히브, 스웨이)와 3개의 회전(배향) 변수(예를 들어, Euler 각도 또는 롤/피치/요우 각도)에 의해서 표시된다.

예를 들어, 2개의 독립적인 수직 레일에 장착된 단부 작동기를 지닌 평면 메커니즘은 상기 2개의 레일에 걸쳐진 영역 안에서 x/y 위치를 제어하는 능력을 가진다(프리즘형 DOF). 만일 단부 작동기가 레일의 평면에 수직인 축을 중심으로 회전될 수 있다면, 3개의 출력 DOF(단부 작동기의 x/y 위치 및 배향 각도)에 상응하는 3개의 입력 DOF(2개 레일의 위치 및 요우 각도)가 있게 된다.

데카르트 DOF의 수는 최대 6이지만, 모든 병진 변수와 배향 변수가 독립적으로 제어되는 조건에서 조인트 DOF의 수는 일반적으로 메커니즘의 복잡성과 일의 규격을 고려하여 선택된 디자인의 결과가 된다. 따라서, 조인트 DOF의 수는 6을 초과하거나 6과 동일하거나 6 미만일 수 있다. 비-여분형 운동학적 사슬의 경우, 독립적으로 제어되는 조인트의 수는 단부 작동기 프레임의 이동성 정도와 동일하다. 특정한 수의 프리즘형 및 회전 조인트 DOF에서, 단부 작동기 프레임은 데카르트 공간 내에서 동일한 수의 DOF(단일한 형태일 때를 제외하고)를 가질 것이며, 이것은 병진(x/y/z 위치)과 회전(롤/피치/요우 배향 각도) 동작의 조합에 상응할 것이다.

입력 DOF와 출력 DOF의 구별은 운동학적 사슬(예를 들어, 기계 조작장치)에 여분이 있거나 또는 "결핍된" 상태에서 굉장히 중요하다. 특히, "결핍형" 조작장치는 독립적으로 제어되는 조인트가 6개 미만이고, 따라서 단부 작동기 위치와 배향을 충분히 제어할 수 있는 능력이 없다. 대신에, 결핍형 조작장치는 위치 및 배향 변수의 하위군만을 제어하는 것에 제한된다. 한편, 여분형 조작장치는 6을 초과하는 조인트 DOF를 가진다. 따라서, 여분형 조작장치는 2 이상의 조인트 형태를 이용해서 원하는 6-DOF 단부 작동기 포즈를 확립할 수 있다. 다시 말해서, 추가의 자유도를 이용해서 단부 작동기의 위치와 배향을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 조작장치 자체의 "형상"도 제어할 수 있다. 운동학적 자유도에 더하여, 메커니즘들은 집게 턱이나 가위 날의 선회형 레버 움직임과 같은 다른 DOF를 가질 수 있다.

또한, DOF가 특정되는 공간에 대한 기준 프레임을 생각하는 것이 중요하다. 예를 들어, 조인트 공간에서 단일 DOF 변화(예를 들어, 2개 링크 사이의 조인트가 회전한다)는 링크 중 1개의 원위부 팁에 부착된 프레임에 대한 데카르트 병진 변수와 배향 변수에 있어서의 변화가 조합된 동작을 초래할 수 있다(원위부 팁에서 프레임이 공간을 가로지른 병진 동작과 회전을 모두 행한다). 운동학은 한 측정 공간에서 또 다른 측정 공간으로 전환되는 과정을 설명한다. 예를 들어, 조인트 공간 측정을 사용해서 운동학적 사슬의 팁에서 기준 프레임의 데카르트 공간 위치 및 배향을 결정하는 것은 "포워드" 운동학(forward kinematics)이다. 운동학적 사슬의 팁에서 기준 프레임에 대한 데카르트 공간 위치 및 배향을 사용해서 필요한 조인트 위치를 결정하는 것은 "인벌스" 운동학(inverse kinematics)이다. 만일 어떤 회전 조인트가 있다면 운동학은 비선형(삼각) 함수를 포함한다.

본 발명 양태들의 목적은 하나 이상의 장치가 직접 제어되어 일차적인 목적을 달성하고, 하나 이상의 다른 장치는 간접적으로 제어되어 이차적인 목적을 달성할 수 있는 커플형 제어 모드를 제공하는 것이다.

이들 목적 및 추가 목적들은 본 발명의 여러 양태에 의해서 달성되는데, 간단히 말하면 한 양태는 제1 기구; 베이스가 움직일 때 제1 기구가 움직이도록 제1 기구가 연결되는 베이스; 제1 기구가 움직임에 따라 제1 기구의 작업공간이 최적화되도록 베이스를 움직이는 베이스 컨트롤러 수단; 및 베이스의 움직임을 보상하면서 명령받은 움직임에 따라서 제1 기구를 움직이기 위한 제1 기구 컨트롤러를 포함하는 로봇 시스템이다.

다른 양태는 베이스가 움직임에 따라 기구가 움직이도록 베이스에 연결된 하나 이상의 기구의 움직임을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 제1 기구가 작동할 수 있는 작업공간이 최적화되도록 베이스의 조작을 명령하는 단계; 및 베이스의 움직임을 보상하면서 명령받은 움직임에 따라서 제1 기구의 조작을 명령하는 단계를 포함한다.

다른 양태는 복수의 종속 조작장치 중 상응하는 하나에 의해서 각각 조작되는 복수의 장치; 주 입력 장치; 및 주 입력 장치의 움직임에 응하여 공통된 자유도 방향으로 각자의 장치를 움직이도록 복수의 종속 조작장치에 명령하는 수단을 포함하는 로봇 시스템이다.

다른 양태는 복수의 장치를 가이드 튜브 내로 다시 철수하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 입력 장치로부터 철수 명령을 수신하는 단계; 가이드 튜브의 원단부를 지나 연장된 복수의 장치를 철수 명령에 응하여 함께 가이드 튜브 쪽으로 다시 철수하는 단계; 및 복수의 장치 각각이 가이드 튜브로 자유롭게 들어갈 수 있도록 복수의 장치를 철수 형태로 구동시키는 단계를 포함한다.

또 다른 양태는 복수의 종속 조작장치 중 상응하는 하나에 의해서 각각 조작되는 복수의 기구; 영상 시스템 조작장치에 의해서 조작되는 영상 시스템; 주 입력 장치; 및 영상 시스템 조작장치가 주 입력 장치의 움직임에 응하여 움직일 때 영상 시스템의 움직임에 응하여 복수의 기구를 움직이도록 복수의 종속 조작장치에 명령하는 수단을 포함하는 로봇 시스템이다.

또 다른 양태는 영상 시스템의 제어를 로봇 시스템에 있는 다른 장치와 연결하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 영상 시스템이 주 입력 장치의 움직임에 응하여 움직임에 따라 복수의 기구가 영상 시스템의 이미지 캡처 단부를 쫓아서 움직이도록 하는 단계를 포함한다.

도 1은 로봇 보조 최소 침습 원격수술 시스템의 도식도이다.
도 2 및 3은 원격수술 시스템에서 환자측 지지 시스템의 도식도이다.
도 4는 원격수술 시스템에서 의사 콘솔의 간략한 정면도이다.
도 5는 최소 침습 수술 기구 조립체의 양태를 예시하는 도식도이다.
도 6은 최소 침습 수술 기구 조립체의 양태를 예시하는 도식도이다.
도 7은 도 6의 도식적 상세 측면도이다.
도 8은 수술 기구 조립체의 도식적 투시도이다.
도 9는 수술 기구 조립체와 액츄에이터 조립체 사이의 인터페이스의 도식도이다.
도 10은 최소 침습 수술 기구의 근위부 분절의 투시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 기구와 매칭되어 그것을 가동시키는 액츄에이터 조립체의 분절의 투시도이다.
도 12는 셋업 암의 단부에 장착한 최소 침습 수술 기구와 액츄에이터 조립체를 예시하는 도식적 투시도이다.
도 13은 셋업 암의 단부에 장착한 최소 침습 수술 기구와 액츄에이터 조립체를 예시하는 또 다른 도식적 투시도이다.
도 14는 공축의 가요성 가이드 튜브와 기구에 연계된 트랜스미션 메커니즘의 도식도이다.
도 15는 멀티-포트 수술의 도식도이다.
도 16은 멀티-포트 수술의 또 다른 도식도이다.
도 17-19는 기구가 조직과 잘못 충돌하는 것을 방지하는 것에 대한 추가 양태를 예시하는 도식적 평면도이다.
도 20은 의사를 위한 이미지 모자이크 방식 출력 표시의 도식도이다.
도 21은 철수 전용의 멀티-조인트 기구를 포함하는 예시적인 최소 침습 수술 기구 조립체의 도식적 투시도이다.
도 22는 원격수술 시스템에서 입력 장치를 지닌 환자측 지지 시스템 상의 장치들을 제어하고 선택적으로 연계하기 위해 사용되는 구성요소들의 블럭도이다.
도 23은 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에 포함된 주/종속 제어 시스템의 블럭도이다.
도 24-25는 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 직접 "도구 추적" 모드 구조의 블럭도이다.
도 26-27은 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 직접 "영상 시스템" 모드 구조의 블럭도이다.
도 28-29는 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 직접 "가이드 튜브" 모드 구조의 블럭도이다.
도 30은 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 집중 동작 제어 시스템의 도식도이다.
도 31은 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 분산 동작 제어 시스템의 도식도이다.
도 32는 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 커플형 "도구 추적" 모드 구조의 블럭도이다.
도 33은 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 커플형 "영상 시스템" 모드 구조의 블럭도이다.
도 34는 원격수술 시스템에서 조작장치 컨트롤러에서 실행되는 커플형 "가이드 튜브" 모드 구조의 블럭도이다.
도 35-37은 기구 연결된 제어 모드의 예에 대한 순서도이다.
도 38은 가이드 튜브 연결된 제어 모드의 예에 대한 순서도이다.
도 39는 커플형 "도구 추적" 모드 예에서 도구 교환이나 부속품 제공 작업을 위해 유창식(fenestrated) 가이드 튜브 내로 도구를 철수하는 것에 대한 순서도이다.
도 40은 영상 시스템 커플형 제어 모드의 예에 대한 순서도이다.

본 발명의 양태들 및 구체예들을 예시하는 본 명세서와 첨부한 도면은 제한으로 해석되면 안 되고, 청구항이 보호된 발명을 한정한다. 본 명세서와 청구항의 정신 및 범위로부터 벗어남 없이 여러 기계적, 조성적, 구조적, 전기적 및 작동적 변화가 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 잘 알려진 회로, 구조 및 기술은 본 발명을 모호하게 하지 않고자 상세히 나타내지 않았다. 둘 이상의 도면에서 사용된 비슷한 번호는 동일한 또는 유사한 요소를 나타낸다.

또한, 본 명세서의 용어는 본 발명을 제한하지 않는다. 예를 들어, "밑", "아래", "하부", "위", "상부", "근위부", "원위부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 예시된 한 가지 요소 또는 특징부와 다른 요소 또는 특징부의 관계를 설명하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 위치 및 배향에 더하여 사용할 때나 작동할 때의 장치의 상이한 위치 및 배향을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 도면에서 장치가 거꾸로 뒤집힌 상태라면, 다른 요소 또는 특징부의 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소는 그 다른 요소 또는 특징부의 "위" 또는 "상위"가 될 것이다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 위와 아래의 위치 및 배향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다르게 배향될 수 있으며(90도 회전 또는 다른 배향으로), 본원에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술어들은 그에 따라서 해석된다. 마찬가지로, 다양한 축을 따른 그리고 축을 중심으로 한 움직임에 대한 설명도 다양한 공간적인 장치 위치 및 배향을 포함한다. 또한, 단수형 "한" 및 "그"는 문맥상 다른 의미가 아니라면 복수 형태도 역시 포함한다. 용어 "포함하다", "포함하는", "포함하다" 등은 언급된 특징, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 작동, 요소, 구성요소 및/또는 그룹의 존재 또는 첨가를 배제하지 않는다. 연결된 것으로 설명된 구성요소들은 전기적으로 또는 기계적으로 직접 연결될 수 있거나, 또는 이들은 하나 이상의 중간 구성요소를 통해서 간접적으로 연결될 수 있다.

원격조작 및 비슷한 용어들은 일반적으로 오퍼레이터가 비교적 자연스런 방식(예를 들어, 자연스런 손이나 손가락 움직임)으로 주 장치(예를 들어, 입력 운동학적 사슬)를 조작하는 것을 말하며, 그에 따라서 주 장치 움직임이 명령을 내리게 되고, 이 명령은 실시간으로 처리되어 이런 명령이나 외부적인 힘에 거의 즉각적으로 반응하는 종속 장치(예를 들어, 출력 운동학적 사슬)로 전송된다. 원격조작은 본원에 참고자료로 포함되는 미국특허 제6,574,355호(Green)에 개시된다.

하기 도면 및 명세서에서 다양한 양태들과 예시적인 구체예들에서 반복을 피하기 위해 많은 특징부가 많은 양태들 및 구체예들에 공통된다는 것이 이해되어야 한다. 명세서 및 도면에서 어떤 양태의 생략은 그 양태가 해당 양태가 통합된 구체예들로부터 빠져 있다는 것을 의미하지 않는다. 대신에, 해당 양태는 명료성을 위해서 그리고 장황한 설명을 피하기 위해서 생략된 것일 수 있다.

따라서, 하기 다양한 설명에는 몇 가지 일반적인 양태가 적용된다. 예를 들어, 적어도 하나의 수술 단부 작동기가 여러 도면에서 도시되거나 설명된다. 단부 작동기는 최소 침습 수술 기구 또는 조립체에서 특정 수술 기능을 수행하는 부분이다(예를 들어, 겸자/집게, 니들 드라이버, 가위, 전기소작기 후크, 스테이플러, 클립 적용장치/제거장치 등). 많은 단부 작동기가 단일 DOF를 가진다(예를 들어, 집게를 열고 닫는 것). 단부 작동기는 "리스트" 타입 메커니즘 같은 하나 이상의 추가 DOF를 제공하는 메커니즘을 지닌 수술 기구 본체에 연결될 수 있다. 이러한 메커니즘의 예들은 본원에 참고자료로 포함되는 미국특허 제6,371,952호(Madhani et al.)와 미국특허 제6,817,974호(Cooper et al.)에 도시되며, da Vinci® 수술 시스템에서 8mm와 5mm 기구에 모두 사용되는 다양한 Endowrist® 메커니즘(Intuitive Surgical, Inc.)으로 알려져 있을 수 있다. 본원에 설명된 수술 기구는 일반적으로 단부 작동기를 포함하지만, 일부 양태에서는 단부 작동기가 생략될 수도 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 기구 본체 샤프트의 원위부 팁은 조직을 누르는데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 본체 샤프트 또는 리스트 메커니즘의 원위부 팁에 석션 또는 관주 개구가 존재할 수 있다. 이들 양태에서, 단부 작동기를 배치하고 배향하는 것에 관한 설명은 단부 작동기를 갖지 않는 수술 기구의 팁을 배치하고 배향하는 것을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 단부 작동기의 팁에 대한 기준 프레임을 다룬 설명은 또한 단부 작동기를 갖지 않는 수술 기구의 팁에 대한 기준 프레임을 포함하는 것으로서 읽어야 한다.

본 명세서 전체에서, 단안 또는 양안 영상 시스템/이미지 캡처 구성요소/카메라 장치는 단부 작동기가 도시되거나 설명되었을 때는 언제든 기구의 원단부에 위치될 수 있고(이 장치는 "카메라 기구"라고 생각될 수 있다), 또는 어떤 가이드 튜브나 다른 기구 조립체 요소의 원단부에 또는 근처에 위치될 수 있다. 따라서, 본원에서 사용된 용어 "영상 시스템" 등은 설명된 양태들 및 구체예들의 맥락 안에서 이미지 캡처 구성요소 및 이미지 캡처 구성요소와 연계된 회로망과 하드웨어의 조합을 둘 다 포함하는 것으로서 광범하게 해석되어야 한다. 이러한 내시경 영상 시스템(예를 들어, 광학, 적외선, 초음파 등)은 원위부 위치된 영상 감지 칩과 신체 외부와의 유선 또는 무선 접속을 통해서 캡처된 이미지 데이터를 중계하는 연계된 회로를 지닌 시스템을 포함한다. 또한, 이러한 내시경 영상 시스템은 신체 외부의 캡처를 위해 이미지를 중계하는 시스템을 포함한다(예를 들어, 로드 렌즈나 광섬유를 사용해서). 일부 기구 또는 기구 조립체에서, 직시형 광학 시스템(내시경 영상을 접안렌즈에서 직접 본다)이 사용될 수 있다. 원위부 위치된 반도체 입체식 영상 시스템의 예는 본원에 참고자료로 포함된 미국 특허출원 제11/614,661호 "입체 내시경"(Shafer et al.)에 설명된다. 전기 및 광섬유 조명 접속부와 같은 잘 알려진 내시경 영상 시스템 구성요소들은 명료성을 위해 생략되거나 기호로 표시된다. 내시경 영상을 위한 조명은 전형적으로 단일 조명 포트로서 도면에 표시된다. 이들 묘사는 예시적인 것이라고 이해되어야 한다. 조명 포트의 크기, 위치 및 수는 변할 수 있다. 조명 포트는 전형적으로 영상화 개구의 여러 측면에, 또는 영상화 개구를 완전히 둘러싸서 배치되며, 이로써 깊은 음영이 최소화된다.

본 명세서에서, 캐뉼라는 전형적으로 수술 기구나 가이드 튜브가 환자의 조직에 닿아 쓸리는 것을 방지하기 위해서 사용된다. 캐뉼라는 절개부와 자연 개구부에 모두 사용될 수 있다. 기구 또는 가이드 튜브가 자주 바뀌지 않거나 삽입축(종축)에 대해 회전하지 않는 상황에서는 캐뉼라가 사용되지 않아도 좋다. 취입이 필요한 상황에서는 기구나 가이드 튜브를 지나 과도한 취입 기체가 누출되는 것을 막기 위해서 시일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 취입이 필요하지 않은 흉부 수술의 경우, 캐뉼라 시일은 생략될 수 있으며, 기구 또는 가이드 튜브 삽입축 움직임이 최소일 때는 캐뉼라 자체도 생략될 수 있다. 강직성 가이드 튜브는 일부 형태에서 가이드 튜브에 대응해 삽입되는 기구를 위한 캐뉼라로서 기능할 수 있다. 캐뉼라 및 가이드 튜브는, 예를 들어 스틸 또는 압출 플라스틱일 수 있다. 스틸보다 저렴한 플라스틱은 1회용으로 적합할 수 있다.

가요성 수술 기구와 가이드 튜브의 다양한 예들 및 조립체들이 본 발명에서 이용될 수 있다고 생각된다. 본 명세서에서 이러한 가요성은 다양한 방식으로 달성된다. 예를 들어, 분절 또는 기구 또는 가이드 튜브는 나선형으로 감긴 코일이나 다양한 분절이 제거된 튜브(예를 들어, 커프-타입 컷)에 기초한 것과 같은 연속 곡선형 가요성 구조일 수 있다. 또는, 가요성 부분은 일련의 짧은 피벗 접속된 분절들(척추골들)로 이루어질 수 있으며, 이것은 연속 곡선형 구조가 뱀 모양처럼 된 구조를 제공한다. 가구 및 가이드 튜브 구조는 본원에 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 제2004/0138700호(Cooper et al.)에 설명된 것들을 포함할 수 있다. 명료성을 위해서, 도면 및 관련된 설명은 일반적으로 기구 및 가이드 튜브의 단지 두 분절만을 도시하며, 이들은 근위부(트랜스미션 메커니즘에 더 가깝고, 수술 부위로부터 먼 부분)와 원위부(트랜스미션 메커니즘에서 멀고, 수술 부위에 더 가까운 부분)라고 칭해진다. 기구 및 가이드 튜브는 3개 이상의 분절로 나눠질 수 있으며, 이들은 각각 강직성 부분, 수동적 가요성 부분, 또는 능동적 가요성 부분이라는 것이 이해되어야 한다. 원위부 분절, 근위부 분절 또는 전체 메커니즘에 대해 설명된 대로 신축하고 휘는 것은 또한 중간 분절에도 적용되는데, 이것은 명료성을 위해서 생략되었다. 예를 들어, 근위부 분절과 원위부 분절 사이의 중간 분절은 간단한 곡선 또는 복잡한 곡선으로 휠 수 있다. 가요성 분절들은 다양한 길이일 수 있다. 외경이 작은 분절은 외경이 큰 분절보다 휘는 동안 최소 곡률 반경이 더 작을 수 있다. 케이블 제어되는 시스템의 경우, 허용되지 않는 높은 케이블 마찰이나 구속이 휘는 동안 최소 곡률 반경과 전체 휨 각도를 제한한다. 가이드 튜브의(또는 어떤 조인트의) 최소 휨 반경은 가이드 튜브가 꼬이지 않을 정도 또는 내부 수술 기구의 메커니즘의 매끄러운 동작을 저해하지 않는 정도이다. 가요성 구성요소는, 예를 들어 최대 약 4피트 길이와 약 6인치 직경일 수 있다. 특정 메커니즘에 대한 다른 길이 및 직경(예를 들어, 더 짧은, 더 작은)과 가요성 정도는 메커니즘이 설계된 용도의 표적 해부구조에 따라서 결정될 수 있다.

일부 예에서는, 기구 또는 가이드 튜브의 원위부 분절만이 가요성이고, 근위부 분절은 강직성이다. 다른 예에서, 기구 또는 가이드 튜브의 환자 몸안에 위치된 전체 분절이 가요성이다. 또 다른 예에서, 가장 원위부 분절이 강직성일 수 있고, 하나 이상의 다른 근위부 분절은 가요성이다. 가요성 분절은 수동적일 수 있거나, 또는 능동적으로 제어될 수 있다("조종가능"). 이러한 능동적 제어는, 예를 들어 대향하는 케이블 세트를 사용해서 행해질 수 있다(예를 들어, 한 세트는 "피치"를 제어하고, 직교하는 세트는 "요우"를 제어한다; 3개 케이블을 사용하여 유사한 작업을 수행할 수 있다). 소형 전기 또는 자기 액츄에이터, 형상기억합금, 전기활성 중합체("인조근육"), 공압식 또는 유압식 풀무나 피스톤 등과 같은 다른 제어 요소들이 사용될 수 있다. 기구 또는 가이드 튜브의 분절이 완전히 또는 부분적으로 다른 가이드 튜브 내에 있는 경우, 능동적 가요성과 수동적 가요성의 다양한 조합이 존재할 수 있다. 예를 들어, 수동적 가요성 가이드 튜브 내에서 능동적 가요성 기구는 충분한 외측 힘을 발휘하여 둘러싼 가이드 튜브를 신축할 수 있다. 유사하게, 능동적 가요성 가이드 튜브는 그 안의 수동적 가요성 기구를 신축할 수 있다. 가이드 튜브와 기구의 능동적 가요성 분절은 협력해서 작업할 수 있다. 가요성 기구 및 가이드 튜브와 강직성 기구 및 가이드 튜브의 경우 모두, 다양한 디자인에서 고려되는 순응성에 따라서, 중앙의 종축으로부터 먼 곳에 위치된 제어 케이블이 중앙의 종축에 가까이 위치된 케이블에 비해서 기계적 이점을 제공할 수 있다.

가요성 분절의 순응성(강성)은 거의 완전히 늘어진 상태(적은 내부 마찰이 존재한다)에서 실질적으로 뻣뻣한 상태까지 변할 수 있다. 일부 양태에서, 순응성은 조절될 수 있다. 예를 들어, 기구 또는 가이드 튜브의 가요성 분절의 분절 또는 전체는 실질적으로(무한정은 아니며 효과적으로) 강직성(이 분절은 "강직 가능" 또는 "로킹 가능"이다)이 될 수 있다. 로킹될 수 있는 분절은 직선, 간단한 곡선 또는 복잡한 곡선 형태로 로킹될 수 있다. 로킹은 인접 척추골들이 움직이지 않을 만큼 충분한 마찰이 생길 정도로 기구 또는 가이드 튜브를 따라 종 방향으로 이어진 하나 이상의 케이블에 장력을 적용함으로써 달성될 수 있다. 케이블 또는 케이블들은 각 척추골에 있는 커다란 중앙 구멍을 통해 이어질 수 있거나, 또는 척추골의 바깥쪽 원주 근처에 있는 작은 구멍을 통해 이어질 수 있다. 또는 달리, 하나 이상의 제어 케이블을 움직이는 하나 이상의 모터의 구동 요소가 제자리에 부드럽게 로킹될 수 있고, 이로써 케이블이 제자리에 고정되어 기구 또는 가이드 튜브 움직임이 방지됨으로써 척추골들이 제자리에 로킹되기도 한다. 모터 구동 요소를 제자리에 유지하는 것은 다른 이동식 기구와 가이드 튜브 구성요소를 제자리에 효과적으로 유지하기 위해서도 행해질 수 있다. 서보 제어 하에서 강성은 효과적이기는 하지만 일반적으로 수동적 셋업 조인트를 제자리에 유지하는데 사용되는 브레이크와 같은 조인트 상에 직접 위치된 브레이크를 사용하여 얻어질 수 있는 강성보다는 적다는 것이 이해되어야 한다. 일반적으로 케이블 강성이 우세한데, 일반적으로 서보 시스템이나 브레이크 적용된 조인트 강성보다 적기 때문이다.

일부 상황에서, 가요성 분절의 순응성은 늘어진 상태와 뻣뻣한 상태 사이에서 계속 변할 수 있다. 예를 들어, 가요성 분절을 강직 상태로 로킹하지 않은 채로 로킹 케이블 장력을 증가시켜서 강성을 증가시킬 수 있다. 이러한 중간 순응성은 수술 부위로부터의 반응력에 의해 야기된 움직임으로 인해 발생할 수 있는 조직 외상을 줄이면서 원격수술 작업을 할 수 있도록 한다. 가요성 분절에 통합된 적합한 휨 센서는 원격수술 시스템이 기구 및/또는 가이드 튜브가 휠 때에 그것의 위치를 결정할 수 있도록 한다. 본원에 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 공개 NO. 2006/0013523(Childers et al.)은 광ㄹ섬유 위치 형상 감지 장치 및 방법을 개시한다. 본원에 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 제11/491,384호(Larkin et al.)는 이러한 분절 및 가요성 장치의 제어에 사용되는 광섬유 휨 센서(예를 들어, 섬유 브래그 격자)를 개시한다.

본원에서 설명된 최소 침습 수술 기구 조립체, 기구 및 단부 작동기의 양태들을 제어하기 위한 의사의 입력은 일반적으로 직관적인 카메라 기준 제어 인터페이스를 사용해서 행해진다. 예를 들어, da Vinci® 수술 시스템은 이러한 제어 인터페이스를 지닌 의사 콘솔을 포함하는데, 이것은 본원에 설명된 양태들을 제어할 수 있도록 변형될 수 있다. 의사는, 예를 들어 종속 기구 조립체와 기구를 제어할 수 있는 6 DOF를 가진 하나 이상의 수동 주 입력 메커니즘을 조작한다. 입력 메커니즘은 손가락으로 작동되는 그래스퍼를 포함하며, 1 이상의 단부 작동기 DOF(예를 들어, 그래스퍼 쥬를 닫는다)를 제어한다. 직관적 제어는 의사의 입력 메커니즘과 이미지 출력 표시부의 위치에 따라서 단부 작동기와 내시경 영상 시스템의 상대적 위치를 배향함으로써 제공된다. 이런 배향은 의사로 하여금 마치 수술 작업 부위를 실질적으로 현시하여 보는 것처럼 입력 메커니즘과 단부 작동기 제어를 조작할 수 있도록 한다. 이런 원격조종 현시는 의사가 수술 부위를 직접 보면서 작업하는 오퍼레이터의 관점에서 나타난 투시 영상으로부터의 이미지를 본다는 것을 의미한다. 본원에 참고자료로 포함된 미국특허 제6,671,581호(Niemeyer et al.)는 최소 침습 수술 장치에서 카메라 기준 제어에 대한 추가의 정보를 담고 있다.

도 1은 로봇 보조(원격조작) 최소 침습 수술 시스템(2100)의 양태를 예시하는 도식도이며, 가이드 튜브를 통해 단일 진입 구멍을 통해서 기구가 환자 몸안에 삽입된다. 이 시스템의 일반적인 구조는 Intuitive Surgical, Inc.의 da Vinci® 수술 시스템 및 Zeus® 수술 시스템과 같은 다른 이러한 시스템들의 구조와 유사하다. 3개의 주요 구성요소는 의사 콘솔(2102), 환자측 지지 시스템(2104) 및 비디오 시스템(2106)이며, 도시된 대로 이들은 모두 유선 또는 무선 접속에 의해서 서로 접속된다.

도 4에 도시된 대로, 의사 콘솔(2102)은, 예를 들어 손으로 작동되는 다중 DOF 기계적 입력("주") 장치(203, 204)와 의사로 하여금 본원에 설명된 수술 기구, 가이드 튜브 및 영상 시스템("종속") 장치를 조작할 수 있도록 하는 풋 페달(215, 217)을 포함한다. 일부 양태에서, 이들 입력 장치는 기구 및 기구 조립체 구성요소로부터 의사에게 촉각적 피드백을 제공할 수 있다. 본원에 설명된 바와 같은 기능들을 전환하는 것이나, 또는 다른 작동상의 목적을 위해서 손으로 작동되는 입력 장치(203, 204)에 버튼이 제공된다. 또한, 콘솔(2102)은 입체 비디오 출력 표시부(201)를 포함하며, 표시부의 이미지는 일반적으로 표시부 스크린 뒤 아래쪽에서 행해지는 의사의 손작업에 상응하는 거리에서 초점이 맞춰진다. 버스(210)를 통해 콘솔의 다른 구성요소들과 통신하는 프로세서(220)가 시스템(2100)에서 다양한 기능들을 수행한다. 그것이 수행하는 한 중요한 기능은 본원에 설명된 다양한 컨트롤러를 실행해서 제어 신호를 통해 입력 장치의 기계적 동작을 번역하여 전달함으로써 의사가 수술 기구, 영상 시스템 및 하나 이상의 가이드 튜브와 같은 장치를 효과적으로 조작하고 달리 움직일 수 있게 하는 것이며, 이러한 장치들은 이때 선택적으로 입력 장치와 연계된다. 프로세서로서 설명되었지만 프로세서(220)가 실제로는 하드웨어와 소프트웨어와 펌웨어의 어떤 조합에 의해서 실행될 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 또한, 본원에 설명된 대로 그것의 기능은 한 유닛으로서, 또는 상이한 구성요소들에서 분할되어 수행될 수 있으며, 그 각각은 차례로 하드웨어와 소프트웨어와 펌웨어의 어떤 조합에 의해서 실행될 수 있다. 또한, 콘솔(2102)의 일부로서, 또는 콘솔에 물리적으로 인접한 상태로 도시되었지만, 프로세서(220)는 또한 시스템 전체에 분산된 다수의 서브유닛을 포함할 수 있다. 이들 양태는 상기 참고자료로 포함된 미국특허 제6,671,581호에 더 충분히 논의된다.

다시 도 1을 보면, 환자측 지지 시스템(2104)은 바닥에 장착된 구조(2110)나, 또는 달리 교대하는 선에 의해 도시된 대로 천장에 장착된 구조(2112)를 포함한다. 구조(2110)는 이동식 또는 고정식(예를 들어, 바닥, 천장 또는 작업대와 같은 다른 장비에 고정)일 수 있다. 한 구체예에서, 셋업 암 조립체(2114)는 변형된 da Vinci® 수술 시스템 암 조립체이다. 암 조립체(2114)는 2개의 예시적인 수동적 회전식 셋업 조인트(2114a, 2114b)를 포함하며, 이들은 브레이크가 해제되었을 때는 연결된 링크를 수동 배치할 수 있다. 암 조립체와 구조(2110) 사이의 수동적 프리즘형 셋업 조인트(도시되지 않음)를 사용해서 큰 폭으로 수직 조정할 수 있다. 또한, 가이드 튜브 조작장치(2116)는 예시적인 능동적 롤 조인트(2116a)와 능동적 요우 조인트(2116b)를 포함한다. 조인트(2116c 및 2116d)는 평행 메커니즘으로서 작용해서 플랫폼(2118)에 보유된 가이드 튜브(수술 기구 조립체의)가 환자(1222)의 배꼽 등의 진입구에서 원격 중심(2120)을 중심으로 움직인다. 한 구체예에서, 능동적 프리즘형 조인트(2124)를 사용하여 가이드 튜브를 삽입하거나 빼낼 수 있다. 하나 이상의 수술 기구와 내시경 영상 시스템이 플랫폼(2118)에 독립적으로 장착된다. 환자(2122)가 이동식 테이블(2126)에 여러 자세로 위치할 때 다양한 셋업 및 능동적 조인트는 조작장치가 가이드 튜브, 기구 및 영상 시스템을 움직일 수 있도록 한다.

도 2 및 3은 환자측 지지 시스템의 다른 예시적인 구체예에 대한 도식적인 측면 및 정면 상방도이다. 지지대(2150)는 고정된다(예를 들어, 바닥이나 천장에 장착된다). 링크(2152)가 수동적 회전식 셋업 조인트(2154)에서 지지대(2150)에 연결된다. 도시된 대로, 조인트(2154)의 회전축은 일반적으로 가이드 튜브(도시되지 않음, 수술 기구 조립체의)가 환자로 들어가는 위치(예를 들어, 복부 수술의 경우 배꼽)인 원격 중심점(2156)과 정렬된다. 링크(2158)는 회전 조인트(2160)에서 링크(2152)에 연결된다. 링크(2162)는 회전 조인트(2164)에서 링크(2158)에 연결된다. 링크(2166)는 회전 조인트(2168)에서 링크(2162)에 연결된다. 가이드 튜브는 링크(2166)의 단부(2166a)를 통해서 미끄러져 들어가 장착된다. 플랫폼(2170)이 프리즘형 조인트(2172)와 회전 조인트(2174)에 의해 링크(2166)에 연결되어 지지된다. 프리즘형 조인트(2172)는 가이드 튜브를 삽입하고 빼내며, 가이드 튜브는 링크(2166)를 따라 미끄러져 움직인다. 조인트(2174)는 "C" 모양의 링 캔틸레버를 보유하는 베어링 조립체를 포함한다. "C" 링이 베어링을 통해 미끄러지면서 "C" 내부의 중심점을 중심으로 회전하여 가이드 튜브가 말리게 된다. "C" 링에는 개구가 있어서 위에 놓인 조작장치를 움직이지 않고 가이드 튜브를 장착하거나 교환할 수 있다. 플랫폼(2170)은 수술 기구 및 영상 시스템을 위한 다수 조작장치(2176)를 지지하며, 이것은 하기 설명된다.

이들 예시적인 로봇 암 조립체는, 예를 들어 강직성 가이드 튜브를 포함하는 기구 조립체에 사용되고, 작동되면 원격 중심을 기준으로 움직인다. 원격 중심을 중심으로 한 동작이 필요하지 않다면 조작장치 암에서 특정 셋업 및 능동적 조인트들은 생략될 수 있다. 수술에 필요한 포즈 범위를 달성하기 위해서 조작장치 암이 링크와 수동적 조인트와 능동적 조인트의 다양한 조합을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다(여분의 DOF가 제공될 수 있다).

다시 도 1을 보면, 비디오 시스템(2106)은, 예를 들어 수술 부위의 캡처된 내시경 이미지 데이터 및/또는 환자 외부에 있는 다른 영상 시스템으로부터의 수술전 또는 실시간 이미지 데이터에 대한 영상 처리 기능을 수행한다. 비디오 시스템(2106)은 처리된 이미지 데이터(예를 들어, 수술 부위의 이미지는 물론 관련된 제어 및 환자 정보)를 의사 콘솔(2102)에서 의사에게 출력한다. 일부 양태에서, 처리된 이미지 데이터는 다른 수술실 요원이나 수술실에서 떨어진 한 곳 이상의 장소에서 볼 수 있는 선택적 외부 모니터에 출력된다(예를 들어, 다른 장소에 있는 의사가 비디오를 모니터할 수 있음, 라이브로 공급되는 비디오를 훈련에 사용할 수 있음, 등등).

기구 조립체의 예로서, 도 5는 최소 침습 수술 기구 조립체(1600)의 양태를 예시하는 도식도이다. 2개 수술 기구(1602a, 1602b)가 강직성 가이드 튜브(1606)를 통해 종 방향으로 연장된 채널(1604a, 1604b)을 통해서 연장된다. 일부 양태에서는 가이드 튜브(1606)가 직선형이고, 다른 양태에서는 특정한 삽입 포트를 수용할 수 있는 곡선형이다(유사하게 기구는 삽입을 용이하게 하는 곡선형이다). 가이드 튜브(1606)는 다양한 단면 모양을 가질 수 있고(예를 들어, 원형, 타원형, 둥근 다각형), 다양한 수의 수술 기구와 채널이 사용될 수 있다. 일부 선택적 작업 채널을 사용해서 관주 및 석션과 같은 수술 기능을 지원할 수 있다. 일부 양태에서, 가이드 튜브(1606)의 원단부(1610)에 내시경 영상 시스템(예를 들어, 단안 또는 입체 이미지 캡처 또는 직시)이 있다. 한 양태에서, 가이드 튜브(1606)는 절개부(예를 들어, 배꼽에서 대략 2.0cm) 또는 자연 개구부를 통해 환자 몸안으로 삽입되며, 캐뉼라(1612)나 유사한 가이딩 구조가 사용될 수도 있다. 일부 양태에서, 가이드 튜브(1606)는 캐뉼라(1612) 안에서 회전할 수 있다.

수술 기구(1602a 및 1602b)는 유사한 방식으로 기능하며, 많은 기구 기능들(본체 롤, 리스트 작동, 단부 작동기 작동 등)은 da Vinci® 수술 시스템에서 사용되는 수술 기구들과 유사하다(둘 다 8mm 및 5mm 기구 본체 직경). 다른 양태에서, 기구들은 상이하게 기능할 수 있고/있거나, da Vinci® 수술 시스템 기구에는 내장되지 않은 능력을 가질 수 있다(예를 들어, 한 기구는 직선형일 수 있고, 한 기구는 조인트 연결될 수 있고, 한 기구는 가요성일 수 있음, 등등). 본 예에서, 기구(1602a)는 근단부의 트랜스미션 부분(도시되지 않음), 기다란 기구 본체(1614), 다양한 수술 단부 작동기(1616) 중 하나, 및 단부 작동기(1616)를 기구 본체(1614)에 연결하는 뱀 모양 2 자유도 리스트 메커니즘(1618)을 포함한다. da Vinci® 수술 시스템에서처럼 일부 양태에서는 트랜스미션 부분이 지지 암에 영구 장착된 전기 액츄에이터(예를 들어, 서보모터)와의 인터페이스인 디스크를 포함하며, 이로써 기구들이 쉽게 교환될 수 있다. 매칭되는 짐볼판과 레버 같은 다른 연결장치를 사용해서 기계적 인터페이스에서 가동력을 전달할 수 있다. 트랜스미션 부분의 기계 메커니즘(예를 들어, 기어, 레버, 짐볼)이 디스크로부터 기구 본체(1614)(이것은 하나 이상의 관절식 분절을 포함할 수 있다)에 있는 하나 이상의 채널을 통해 이어진 케이블, 와이어 및/또는 케이블과 와이어와 하이포튜브 조합으로 가동력을 전달하여 리스트(1618)와 단부 작동기(1616)의 움직임을 제어한다. 일부 양태에서, 하나 이상의 디스크 및 연계된 메커니즘이 가동력을 전달하여 도시된 종축(1619)을 중심으로 기구 본체(1614)를 말리게 한다. 일부 양태에서, 특정 기구를 위한 액츄에이터는 그 자체가 채널(1604a) 안의 도시된 종 방향으로 기구 본체(1614)를 움직이는 단일 선형 액츄에이터에 장착된다. 기구 본체(1614)의 주요 분절은 실질적으로 강직성 단일 튜브이지만, 일부 양태에서는 약간 탄력적인 가요성일 수 있다. 이런 적은 가요성은 가이드 튜브(1606)의 근위부 쪽의 근위부 본체 분절(1620)(환자 바깥쪽)이 약간 신축될 수 있도록 하며, 이로써 몇몇 기구 본체는 각 트랜스미션 분절 하우징에서 허용될 수 있는 것보다 가이드 튜브(1606) 안에서 더 가까이 이격될 수 있는데, 마치 몇 개의 잘려진 꽃들이 목이 좁은 꽃병에 동일한 길이로 배치된 것과 같다. 이런 신축은 최소한이며(예를 들어, 한 구체예에서 약 5도 휨 각도 이하), 기구 본체 내에서 제어 케이블과 하이포튜브의 휨 각도가 작기 때문에 유의한 마찰을 유발하지 않는다.

기구(1602a 및 1602b)는 각각 가이드 튜브를 통해 연장된 근위부 본체 분절과 가이드 튜브의 원단부를 지나 위치된 적어도 하나의 원위부 본체 분절을 포함한다. 예를 들어, 기구(1602a)는 가이드 튜브(1606)를 통해 연장된 근위부 본체 분절(1620), 조인트(1624)에서 근위부 본체 분절(1620)에 연결된 원위부 본체 분절 (1622), 또 다른 조인트(1628)에서 원위부 본체 분절(1622)에 연결된 리스트 메커니즘(1626)(이 연결은 또 다른 짧은 원위부 본체 분절을 포함할 수 있다), 및 단부 작동기(1630)를 포함한다. 일부 양태에서, 원위부 본체 분절(1622)과 조인트(1624 및 1628)는 평행 동작 메커니즘(1632)으로 기능하며, 이 메커니즘의 원단부에서 기준 프레임의 위치는 원위부 기준 프레임의 배향 변화 없이 메커니즘의 근단부에서의 기준 프레임에 대해서 변경될 수 있다.

도 6은 또 다른 최소 침습 수술 기구 조립체(1700)의 양태를 예시하는 도식도이다. 수술 기구 조립체(1700)는 수술 기구(1702a, 1702b)가 상기 설명된 기구들(1602a, 1602b)과 유사하게 기능한다는 점에서 기구 조립체(1600)와 유사하지만, 가이드 튜브의 단부에 고정된 내시경 영상 시스템 대신에 조립체(1700)는 독립적으로 작동하는 내시경 영상 시스템(1704)을 가진다.

한 양태에서, 영상 시스템(1704)은 상기 설명된 수술 기구(1602)와 기계적으로 유사하다. 도 6에 도시된 이들 양태들을 요약하면, 광학 시스템(1704)이 가이드 튜브(1708)를 통해서 연장된 실질적으로 강직성인 기다란 튜브형 근위부 본체 분절(1706)을 포함하고, 근위부 본체 분절(01706)의 원단부에서 평행 동작 메커니즘(1622)과 유사한 1 또는 2 DOF 평행 동작 메커니즘(1712)과 연결된다. 평행 동작 메커니즘(1712)은 제1 조인트(1714), 중간 원위부 몸체 분절(1716), 및 제2 조인트(1718)를 포함한다. 리스트 메커니즘 또는 다른 능동적 조인트(예를 들어, 피치 각도를 변경할 수 있는 1의 DOF; 피치 0각도와 요우 각도를 변경할 수 있는 2의 DOF)(1720)가 영상 캡처 구성요소(1722)를 제2 조인트(1718)에 연결한다. 또는 달리, 조인트(1714)는 독립적으로 제어가능한 1 또는 2 DOF 조인트(피치/요우)이고, 조인트(1718)는 다른 독립적으로 제어가능한 1 또는 2 DOF 조인트(예를 들어, 피치/요우)이고, 영상 캡처 구성요소(1722)는 조인트(1718) 메커니즘의 원단부에서 직접 연결된다. 적합한 입체 이미지 캡처 구성요소의 예가 상기 참고자료로 포함된 미국 특허출원 제11/614,661호에 도시된다. 일부 양태에서, 영상 시스템(1704)은 가이드 튜브(1708) 내에서 종 방향(서지)으로 이동한다. 영상 시스템(1704)의 제어는 상기 참고자료로 포함된 동시 제출된 미국 특허출원 제11/762,236호에서 더 설명된다. 일부 양태에서는 특정한 시야 방향을 보존해야 하기 때문에 롤은 바람직하지 않을 수 있다. 히브(위/아래), 스웨이(왕복), 서지(철수/삽입), 요우 및 피치 DOF로서 조립체(1700)에 대한 특정한 카메라 기준과 의사에 대한 화면 정렬을 보존하면서 이미지 캡처 구성요소를 다양한 위치로 이동시킬 수 있다.

도 7은 도 6의 평면도 도해에 대한 측면도 도해인데, 이것은 예시일 뿐이다. 도 7은 평행 동작 메커니즘(1712)이 이미지 캡처 구성요소(1722)를 수술 기구 조립체(1700)의 종 방향 중심선으로부터 멀리 이동시키는 것을 도시한다. 이런 배치는 수술 부위(1724)의 개선된 시야를 제공하는데, 예를 들어 기구 조립체(1600)(도 5)에서 일어날 수 있는 바대로 의사에게 출력되는 영상에 기구 본체 원위부 분절 단부의 일부 또는 전부가 나타나지 않기 때문이다. 평행 동작 메커니즘(1712)의 피치와 이미지 캡처 구성요소(1722)의 피치는 화살표에 의해 예시된 대로 제어될 수 있다.

도 8은 수술 기구 조립체(1700)의 구체예를 예시하는 도식적 투시도이다. 도시된 대로, 2개의 독립적으로 원격조종되는 수술 기구(1740a, 1740b)(각 기구는 개별 마스터와 연계되는데, 예를 들어 1개의 왼손 마스터가 좌측 기구에 연계되고, 1개의 오른손 마스터가 우측 기구에 연계된다)가 강직성 가이드 튜브(1742)를 통해 이어져 원단부에서 빠져나온다. 각 기구(1740a, 1740b)는 상기 설명된 대로 6 DOF 기구이며, 리스트(1746a, 1746b)와 단부 작동기(1748a, 1748b)가 부착된 상기 설명된 평행 동작 메커니즘(1744a, 1744b)을 포함한다. 또한, 독립적으로 원격조종되는 내시경 영상 시스템(1750)이 가이드 튜브(1742)를 통해 이어져 원단부에서 빠져나온다. 일부 양태에서, 영상 시스템(1750)은 또한 평행 동작 메커니즘(1752), 평행 동작 메커니즘(1752)의 원단부에 있는 피치만의 리스트 메커니즘(1754)(이 메커니즘은 조인트 공간에서 1 또는 2 DOF를 가질 수 있다), 및 리스트 메커니즘(1754)과 연결된 입체 내시경 이미지 캡처 구성요소(1756)를 포함한다. 다른 양태에서, 리스트 메커니즘(1754)은 요우 DOF를 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 영상 시스템(1750)에서 근위부와 원위부 조인트는 독립적으로 제어된다. 예시된 사용에서 평행 동작 메커니즘(1752)은 이미지 캡처 구성요소(1756)를 위로 옆으로 움직이고, 리스트 메커니즘(1754)은 기구가 가이드 튜브의 연장된 중심선의 측면을 향해 작업하는 경우 기구 팁들 사이에 시야 중심이 위치하도록 이미지 캡처 구성요소(1756)를 배향한다. 다른 예시된 사용에서는 영상 시스템의 원위부 본체 분절이 독립적으로 위로 피치 동작되고(일부 양태에서는 또한 독립적으로 요우 동작된다), 이미지 캡처 구성요소(1756)는 독립적으로 아래로 피치 동작된다(일부 양태에서는 또한 독립적으로 요우 동작된다). 상기는 물론 하기 논의된 대로, 영상 시스템(1750)은 다양한 장소로 움직여 조직을 누를 수 있다.

또한, 보조 채널(1760)이 도시되는데, 이것을 통해서 예를 들어 자극, 석션 또는 다른 수술 품목을 도입하거나 빼낼 수 있다. 일부 양태에서, 하나 이상의 조종가능한 소형 장치가 보조 채널(1760)을 통해 삽입되어 세정액(예를 들어, 가압된 물, 가스) 및/또는 건조제(예를 들어, 가압된 공기 또는 취입 가스)를 영상 시스템의 창에 분무해서 그것을 세정할 수 있다. 다른 양태에서, 이러한 세정용 봉 기구는 삽입 전에 카메라에 부착하는 수동적 장치일 수 있다. 또 다른 양태에서는, 이미지 캡처 구성요소가 가이드 튜브의 원단부를 빠져나올 때 봉 기구의 단부가 이미지 캡처 구성요소에 자동으로 고리걸림 된다. 스프링이 세정용 봉 기구를 부드럽게 당기는데, 봉 기구는 영상 시스템이 가이드 튜브로부터 빠져나옴에 따라 가이드 튜브 쪽으로 후퇴하는 경향을 나타낸다.

도 7은 이미지 캡처 구성요소(1722)가 조립체(1700)의 중심선으로부터 멀리 이동됨에 따라 위에 놓인 조직 구조 표면(1726)을 누르면서 이동할 수 있고, 이로써 도시된 대로 수술 부위로부터 조직 구조가 리트랙션된다는 것을 더 예시한다. 영상 시스템(1704)을 사용해서 조직을 리트랙션하는 것은 조직을 리트랙션하는 다른 수술 기구, 또는 그런 일을 하도록 특수 설계된 장치를 예시한다. 이러한 "텐트-폴" 타입의 수축은 원단부 출구 또는 측면 출구 가요성 장치 및 강직성 본체 구성요소 장치상의 평행 동작 메커니즘은 물론 하기 논의된 다른 장치들(예를 들어, 도 21 참조)과 같은 본원에 설명된 다양한 이동식 구성요소들 중 어느 것에 의해서 수행될 수 있다.

도 9는 본원에서 여러 가지로 설명된 가요성 및 강직성 메커니즘인 수술 기구 조립체(2302)와 예시적인 액츄에이터 조립체(2304) 사이의 인터페이스의 양태를 예시하는 도식도이다. 이 예에 있어서, 기구 조립체(2302)는 수술 기구(2306), 기구(2306)를 둘러싼 제1 가이드 튜브(2308), 및 제1 가이드 튜브(2308)를 둘러싼 제2 가이드 튜브(2310)를 포함한다.

도 9에 도시된 대로, 트랜스미션 메커니즘은 각 기구 또는 가이드 튜브의 근단부에 위치되는데, 기구(2306)에는 트랜스미션 메커니즘(2306a)이, 제1 가이드 튜브(2308)에는 트랜스미션 메커니즘(2308a)이, 제2 가이드 튜브(2310)에는 트랜스미션 메커니즘(2310a)이 사용된다. 각 트랜스미션 메커니즘은 연계된 액츄에이터 메커니즘에 기계적으로 착탈식 연결되며, 트랜스니션 메커니즘(2306a)은 액츄에이터 메커니즘(2312)에, 트랜스미션 메커니즘(2308a)은 액츄에이터 메커니즘(2314)에, 트랜스미션 메커니즘(2310a)은 액츄에이터 메커니즘(2316)에 연결된다. 한 양태에서, da Vinci® 수술 시스템 기구 인터페이스에서처럼 짝이 되는 디스크가 사용되는데, 이것은 하기 더 상세히 제시된다. 다른 양태에서, 한 쌍의 짐볼판과 레버가 사용된다. 트랜스미션 메커니즘의 다양한 기계 구성요소들(예를 들어, 기어, 레버, 케이블, 도르래, 케이블 가이드, 짐볼 등)을 사용해서 인터페이스로부터 제어되는 요소로 기계적 힘을 전달한다. 각 액츄에이터 메커니즘은 연계된 기구 또는 가이드 튜브의 원단부에서의 움직임을 제어하는 적어도 하나의 액츄에이터(예를 들어, 서보모터(브러쉬형 또는 브러시 없는 것))를 포함한다. 예를 들어, 액츄에이터(2312a)는 수술 기구(2306)의 단부 작동기(2306b) 그립 DOF를 제어하는 전기 서보모터이다. 기구(본원에 설명된 가이드 프로브를 포함하는) 또는 가이드 튜브(또는 집합적으로 기구 조립체)는 도시된 대로 연계된 액츄에이터 메커니즘(들)으로부터 미끄러지듯 분리될 수 있다. 다음에, 그것이 다른 기구나 가이드 튜브로 대체될 수 있다. 기계적 인터페이스에 더하여, 각 트랜스미션 메커니즘과 액츄에이터 메커니즘 사이에는 전자적 인터페이스가 있다. 이런 전자 인터페이스는 데이터(예를 들어, 기구/가이드 튜브 타입) 전송을 허용한다.

일부 예에서, 하나 이상의 DOF는 수동 가동될 수 있다. 예를 들어, 수술 기구(2306)는 핸드-액츄에이트식 단부 작동기 그립 DOF를 지닌 수동적인 가요성 복강경 기구일 수 있고, 가이드 튜브(2308)는 능동적으로 조종되어 상기 설명된 리스트 동작을 제공할 수 있다. 이 예에서, 의사는 가이드 튜브 DOF를 서보 제어하고, 어시스턴트의 손이 기구 그립 DOF를 제어한다.

기구 및/또는 가이드 튜브 요소를 제어하는 액츄에이터에 더하여, 각 액츄에이터 조립체는 또한 기구 조립체(2302)의 종축(서지)을 따른 동작을 제공하는 액츄에이터 구성요소(예를 들어, 모터-구동 케이블, 리드 스크류, 피니언 기어 등; 선형 모터 등)를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 대로, 예를 들어 액츄에이터 메커니즘(2312)은 선형 액츄에이터(2312b)를 포함하고, 액츄에이터 메커니즘(2314)은 선형 액츄에이터(2314b)를 포함하고, 액츄에이터 메커니즘(2316)은 선형 액츄에이터(2316b)를 포함하며, 이로써 기구(2306), 제1 가이드 튜브(2308) 및 제2 가이드 튜브(2310)가 각각 독립적으로 공축 상에서 이동할 수 있다. 도 9에 더 도시된 대로, 액츄에이터 조립체(2316)는 상기 설명된 대로 능동적으로든 또는 수동적으로든 셋업 암(2318)에 장착된다. 능동적 장착 구조에서, 능동적 장착을 사용해서 하나 이상의 구성요소 DOF(예를 들어, 강직성 가이드 튜브의 삽입)를 제어할 수 있다.

제어 시스템(2320)으로부터의 제어 신호가 액츄에이터 조립체(2304)에서 다양한 서보모터 액츄에이터들을 제어한다. 제어 신호는, 예를 들어 입력/출력 시스템(2322)에서 의사의 마스터 입력과 연계되어 기구 조립체(2302)의 종속 기계 구성요소들을 움직인다. 차례로, 액츄에이터 조립체(2304) 및/또는 기구 조립체(2302) 및/또는 다른 구성요소들에 있는 센서로부터의 다양한 피드백 신호들이 제어 시스템(2320)으로 보내진다. 이러한 피드백 신호는 서보모터 위치나 다른 위치에 의해 제시되는 포즈 정보, 배향, 및 섬유 브래그 격자 기반 센서를 사용해서 얻어질 수 있는 것과 같은 힘 정보일 수 있다. 또한, 피드백 신호는 조직 반응힘과 같은 힘 감지 정보를 포함할 수 있으며, 이것은 예를 들어 입력/출력 시스템(2322)에서 의사에게 시각적으로 또는 촉각적으로 출력될 수 있다.

기구 조립체(2302)와 연계된 내시경 영상 시스템으로부터의 이미지 데이터가 영상 처리 시스템(2324)으로 보내진다. 이러한 이미지 데이터는, 예를 들어 처리되어야 할 입체 이미지 데이터를 포함할 수 있으며, 도시된 바와 같은 입력/출력 시스템(2322)을 통해서 의사에게 출력될 수 있다. 또한, 영상 처리를 이용해서 기구 위치를 결정할 수 있으며, 이것은 원위부 위치 피드백 센서의 형태로서 제어 시스템에 입력된다. 또한, 외부에서 환자 근처에 위치된 선택적 감지 시스템(2326)이 기구 조립체(2302)와 관련된 위치 데이터 또는 다른 데이터를 감지할 수 있다. 감지 시스템(2326)은 고정되어 있거나, 또는 제어 시스템(2320)(액츄에이터는 도시되지 않으며, 묘사된 것들이나 공지된 기계 서보 구성요소들과 유사할 수 있다)에 의해서 제어될 수 있으며, 환자 근처에 위치된 하나 이상의 실제 센서를 포함할 수 있다. 감지 시스템(2326)으로부터의 위치 정보(예를 들어, 하나 이상의 무선 송신기, RFID 칩 등)와 다른 데이터는 제어 시스템(2320)으로 보내질 수 있다. 이러한 위치 정보나 다른 데이터가 의사에게 시각적으로 출력되어야 하는 경우, 제어 시스템(2320)이 그것을 생 데이터나 처리된 형태로 영상 처리 시스템(2324)으로 보내서 입력/출력 시스템(2322)에서 의사의 출력 표시부에서 통합한다. 또한, 감지 시스템(2326)으로부터의 형광투시 또는 다른 실시간 영상(초음파, 엑스선, MRI 등)과 같은 어떤 이미지 데이터도 영상 처리 시스템(2324)으로 전송되어 의사의 표시부에서 통합된다. 그리고, 감지 시스템(2326)으로부터의 실시간 이미지는 영상 처리 시스템(2324)에 의해 엑세스되는 수술전 이미지와 통합되어 의사의 표시부에서 통합될 수 있다. 이 방식에서, 예를 들어 특정 조직(예를 들어, 뇌 조직 구조)의 수술전 이미지는 데이터 저장 장소(2328)로부터 수신되고, 가시성이 더 좋게 증진될 수 있으며, 수술전 이미지는 실시간 이미지의 다른 조직 랜드마크와 함께 등록되고, 조합된 수술전 이미지와 실시간 이미지가 기구와 액츄에이터 조립체(2302, 2304) 및/또는 감지 시스템(2326)으로부터의 위치 정보와 함께 사용되어 출력 표시를 제시하며, 이것은 의사가 중간 조직 구조의 손상 없이 수술 부위를 향해서 기구 조립체(2302)를 조종하는 것을 보조한다.

도 10은 최소 침습 수술 기구(2402)의 근위부의 투시도이다. 도 10에 도시된 대로, 기구(2402)는 기구 본체 튜브(2406)의 근단부에 연결된 트랜스미션 메커니즘을 포함한다. 본체 튜브(2406)의 원단부(2408)에 있는 구성요소들은 명료성을 위해서 생략되며, 이들은 예를 들어 상기 설명된 2 DOF 평행 동작 메커니즘, 리스트 및 단부 작동기 조합; 상기 설명된 조인트 및 내시경 영상 시스템; 등을 포함할 수 있다. 도시된 예시적인 구체예에서, 트랜스미션 메커니즘(2404)은 6개의 인터페이스 디스크(2410)를 포함한다. 하나 이상의 디스크(2410)가 기구(240)의 DOF와 연계된다. 예를 들어, 1개의 디스크가 기구 본체 롤 DOF와 연계될 수 있고, 두 번째 디스크가 단부 작동기 그립 DOF와 연계될 수 있다. 도시된 대로, 한 예에서, 디스크들은 압축성을 위해 6각형 격자 안에 배열되며, 이 경우에는 6개의 디스크가 삼각형 모양을 이룬다. 다른 격자 패턴이나, 또는 더 임의적인 배열도 사용될 수 있다. 트랜스미션 메커니즘(2404) 내의 기계 구성요소들(예를 들어, 기어, 레버, 짐볼, 케이블 등)이 디스크(2410) 상의 롤 토크를, 예를 들어 본체 튜브(2406)(롤에 대해)와 원단부 메커니즘에 연결된 구성요소들에 전달한다. 원단부 DOF를 제어하는 케이블 및/또는 케이블과 하이포튜브 조합이 본체 튜브(2406)를 통해 이어진다. 한 예에서는 본체 튜브가 직경 약 7mm이고, 다른 예에서는 직경 약 5mm이다. 편심 이격된 상승형 핀(2412)들이 연계된 액츄에이터 디스크와 매칭되었을 때 적절한 디스크(2410) 배향을 제공한다. 하나 이상의 전자 인터페이스 커넥터(2414)가 기구(2402)와 그것의 연계된 액츄에이터 메커니즘 사이에 전자적 인터페이스를 제공한다. 일부 예에서, 기구(2402)는 반도체 메모리 직접회로에 저장된 정보를 연계된 액츄에이터 메커니즘을 통해서 제어 시스템으로 보낸다. 이렇게 보내진 정보는 기구 타입 식별, 기구 사용 횟수 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제어 시스템은 저장된 정보를 갱신할 수 있다(예를 들어, 사용 횟수를 기록해서 통상적인 유지관리 일정을 결정하거나, 또는 정해진 횟수 후에는 기구를 사용하지 않도록 할 수 있다). 기구에 대한 정보 저장을 논의하는 미국특허 제6,866,671호(Tierney et al.)가 본원에 참고로 포함된다. 또한, 전기적 인터페이스는, 예를 들어 전기소작기 단부 작동기를 위한 전기를 포함할 수 있다. 또는 달리, 이러한 전기 접속부는 기구(2402)의 어느 곳에든 위치될 수 있다(예를 들어, 트랜스미션 메커니즘(2404)의 하우징에). 예를 들어, 광섬유 레이저, 광섬유 원위부 휨 또는 힘 센서, 관주, 석션 등을 위한 다른 커넥터들도 포함될 수 있다. 도시된 대로, 트랜스미션 메커니즘(2404)의 하우징은 대략 쐐기 모양이거나 파이 모양이며, 이로써 하기 예시된 대로 유사한 하우징에 근접해서 위치될 수 있다.

도 11은 수술 기구(2402)의 구성요소들과 매칭되어 이들을 가동시키는 액츄에이트 조립체(2420)의 일부에 대한 투시도이다. 액츄에이트 디스크(2422)가 인터페이스 디스크(2410)와 매칭되어 배치된다. 디스크(2422)에 있는 구멍(2424)은 오직 360도 배향으로 배열되어 핀(2412)을 수용한다. 각 디스크(2422)는 상기 설명된 서보컨트롤 입력을 수용하는 연계된 회전식 서보모터 액츄에이터(2426)에 의해 회전된다. 기구(2402)의 트랜스미션 메커니즘 하우징에 상응하는 모양의 대략 쐐기 모양의 장착 브래킷(2428)이 디스크(2422), 서보모터 액츄에이터(2426), 및 기구(2402)의 인터페이스 커넥터(2414)와 매칭되는 전자 인터페이스(2430)를 지지한다. 한 예에서, 기구(2402)는 스프링 클립(도시되지 않음)에 의해 액츄에이터 조립체(2420)에 고정되며, 이것은 탈착을 용이하게 한다. 도 11에 도시된 대로, 액츄에이터 조립체 하우징(2428)의 일부(2432)는 기구 본체 튜브(2406)가 지나갈 수 있도록 잘린다. 또는 달리, 구멍은 본체 튜브가 통과할 수 있도록 액츄에이터 조립체에 배치될 수 있다. 멸균 스페이서(재사용 또는 일회용; 보통 플라스틱)를 사용해서 액츄에이터 조립체와 기구의 트랜스미션 메커니즘을 분리하여 멸균 수술 필드를 유지할 수 있다. 멸균된 얇은 플라스틱 시트 또는 "드레이프"(예를 들어, 0.002인치 두께의 폴리프로필렌)를 사용해서 스페이서로 덮이지 않은 액츄에이터 조립체 부분을 덮고, 조작장치 암 부분을 덮을 수 있다. 상기 참고자료로 포함된 미국특허 제6,866,671호에 이러한 스페이서와 드레이프가 논의된다.

도 12는 최소 침습 수술 기구 및 셋업/조작장치 암의 단부에서 기구에 연계된 액츄에이터 조립체의 장착 양태를 예시하는 도식적 투시도이다. 도 12에 도시된 대로, 수술 기구(2502a)가 액츄에이터 조립체(2504)에 장착되고, 트랜스미션 메커니즘이 상기 설명된 대로 액츄에이터 조립체(선택적 스페이서/드레이프는 도시되지 않음)와 매칭된다. 기구(2502a)의 본체 튜브(2506)가 액츄에이터 조립체(2504)를 지나 연장되어 강직성 가이드 튜브(2508)의 포트로 들어간다. 묘사된 대로, 본체 튜브(2506)는 실질적으로는 강직성이지만 도 5를 참조하여 상기 논의된 대로 트랜스미션 메커니즘 하우징과 가이트 튜브 사이에서 약간 휘어진다. 이런 휨은 진입 가이드에 있는 기구 본체 튜브 관통구가 달리 허용될 수 있는 트랜스미션 메커니즘의 크기보다 더 좁게 이격될 수 있도록 한다. 강직성 기구 본체 튜브의 휨 각도는 가요성(예를 들어, 지지력 없는) 기구 본체의 휨 각도보다 작기 때문에 가요성 본체에서보다 케이블이 뻣뻣할 수 있다. 높은 케이블 강성은 기구에서 제어되는 원위부 DOF의 수 때문에 중요하다. 또한, 강직성 기구 본체는 가요성 본체보다 가이드 튜브에 더 쉽게 삽입된다. 한 구체예에서, 휨은 탄력적이어서 가이드 튜브로부터 기구를 빼냈을 때 본체 튜브는 직선 모양을 취하게 된다(본체 튜브는 영구적인 휨을 형성할 수 있으며, 이것은 기구 본체가 말리는 것을 방지한다). 액츄에이터 조립체(2504)는 본체 튜브(2506)를 가이드 튜브(2508)에 삽입하는 것을 제어하는 선형 액츄에이터(2510)(예를 들어, 서보 제어되는 리드 스크류와 너트 또는 볼 스크류와 너트 조립체)에 장착된다. 제2 기구(2502b)가 도시된 것과 유사한 메커니즘으로 장착된다. 또한, 영상 시스템(도시되지 않음)도 유사하게 장착될 수 있다.

또한, 도 12는 가이드 튜브(2508)가 착탈식으로 장착되어 플랫폼(2512)을 지지하는 것을 도시한다. 이런 장착은, 예를 들어 da Vinci® 수술 시스템 조작장치 암에 캐뉼라를 보유하기 위해서 사용된 장착과 유사할 수 있다. 교체가능한 착탈식 가이드 튜브는 상이한 과정에 사용하도록 설계된 상이한 가이드 튜브들이 동일한 원격조작 시스템에서 사용될 수 있도록 한다(예를 들어, 상이한 단면 모양을 지닌 가이드 튜브 또는 상이한 모양의 작업 및 보조 채널을 상이한 수만큼 지닌 가이드 튜브). 차례로, 액츄에이터 플랫폼(2512)이 하나 이상의 추가의 액츄에이터 메커니즘(예를 들어, 피치, 요우, 롤, 삽입)을 사용해서 로봇 조작장치 암(2514)(예를 들어, 4 DOF)에 장착된다. 차례로, 조작장치 암(2514)은 도 1을 참조하여 상기 설명된 대로 수동적 셋업 암에 장착될 수 있다.

도 13은 도 12에 도시된 양태를 환자를 기준으로 상이한 각도에서 예시한 도식적 투시도이다. 도 13에서, 가이드 튜브(2508)가 배꼽에서 환자의 복부로 들어가도록 암(2514)과 플랫폼(2512)이 위치된다. 이런 진입은 다양한 자연 개구부와 경피 및 경내강(예를 들어, 위통과, 결장통과, 직장통과, 질통과, 직장자궁통과(더글라스와) 등) 절개부를 포함하는 절개부를 예시한다. 또한, 도 13은 삽입된 영상 시스템(2518)과 빼내진 기구(2502a, 2502b)를 도시함으로써 각 기구/영상 시스템을 위한 선형 액츄에이터가 독립적으로 작동하는 방식을 예시한다. 이들 양태는 본원에 설명된 다른 수술 기구 조립체에도 적용할 수 있다(예를 들어, 단부- 또는 측면-출구 포트를 지닌 가요성 가이드, 측면 작업 도구, 등). 일부 예에서는 조작장치 암이 움직여 환자로의 진입구에서 원격 중심(2520)을 중심으로 가이드 튜브(2508)를 회전시키는 것을 볼 수 있다. 그러나, 중간의 조직이 원격 중심 주변의 움직임을 제한하는 경우, 암은 가이드 튜브(2508)를 제자리에 유지할 수 있다.

도 14는 동축의 가요성 가이드 튜브와 기구에 연계된 트랜스미션 메커니즘의 양태를 예시하는 도식도이다. 도 14는 제2 가이드 튜브(2704)의 원단부를 통해 빠져나와 동축 상에서 이어진 제1 가이드 튜브(2702)를 도시한다. 마찬가지로, 제2 가이드 튜브(2704)가 제3 가이드 튜브(2706)의 원단부를 통해 빠져나와 동축 상에서 이어진다. 트랜스미션 및 가동 메커니즘(2708)이 제3 가이드 튜브(2706)에 연계된다. 제2 가이드 튜브(2704)에는 트랜스미션 및 가동 메커니즘(2710)이 연계되고, 제3 가이드 튜브(2706)로 들어가기에 앞서 가이드 튜브(2704)의 근위부 분절이 트랜스미션 및 가동 메커니즘(2710)을 통해(또는 달리, 그에 인접해서) 연장된다. 마찬가지로, 제1 가이드 튜브(2702)에는 트랜스미션 및 가동 메커니즘(2712)이 연계되고, 제2 가이드 튜브와 제3 가이드 튜브(2704, 2706)로 들어가기에 앞서 가이드 튜브(2702)의 근위부 분절이 트랜스미션 및 가동 메커니즘(2708, 2710)을 통해(또는 달리, 그에 인접해서) 연장된다. 제1 가이드 튜브(2702)에서 채널(2714)의 원단부를 통해 빠져나와 이어진 기구 및 영상 시스템(도시되지 않음)을 위한 트랜스미션 메커니즘은 일반적으로 기구 조립체의 종축을 따라 유사하게 적층될 수 있거나, 또는 이들은 상기 설명된 대로 근단부에서 가이드 튜브(2702)의 연장된 종축 주변에 배치될 수 있다. 또는, 컨트롤러의 위치는 나란히 위치된 것과 적층된 것이 조합될 수 있는데, 예를 들어 측면-출구 조립체의 경우, 측면을 빠져나오는 구성요소들을 위한 트랜스미션 메커니즘들이 나란히 위치되고, 둘 다 가이드 튜브 트랜스미션 메커니즘 뒤에 적층된다. 중간 출구 조립체도 유사하게 구성될 수 있다. 또한, 기구 및/또는 영상 시스템 액츄에이터 및 컨트롤도 가이드 튜브 액츄에이터 및 트랜스미션 메커니즘과 동일한 하우징 안에 조합될 수 있다.

많은 양태에서, 본원에 설명된 장치는 단일-포트 장치로서 사용되는데, 이것은 수술 과정을 완료하는데 필요한 모든 구성요소가 단일 진입구를 통해 몸으로 들어간다. 그러나, 일부 양태에서는 다중 장치 및 포트가 사용될 수도 있다. 도 15는 3개의 상이한 포트에서 몸으로 들어가는 3개의 수술 기구 조립체로서 다중-포트 양태를 예시하는 도식도이다. 기구 조립체(2802)는 제1 가이드 튜브, 제2 가이드 튜브 및 2개의 기구를 상기 설명된 바와 같은 연계된 트랜스미션 및 가동 메커니즘과 함께 포함한다. 이 예시적인 예에서, 기구 조립체(2804)는 제1 가이드 튜브, 제2 가이드 튜브 및 단일 기구를 상기 설명된 바와 같은 연계된 트랜스미션 및 가동 메커니즘과 함께 포함한다. 영상 시스템 조립체(2806)는 가이드 튜브 및 영상 시스템을 상기 설명된 바와 같은 연계된 트랜스미션 및 가동 메커니즘과 함께 포함한다. 이들 메커니즘(2802, 2804, 2806)은 각각 도시된 대로 분리된 특유의 포트를 통해 몸(2808)으로 들어간다. 도시된 장치는 본원에 설명된 다양한 강직성 및 가요성 양태를 예시한다.

도 16은 다중-포트 양태를 예시하는 다른 도식도이다. 도 16은 상이한 자연 개구부(콧구멍, 입)로 들어가서 단일 체강(목)을 통해 계속 나아가 수술 부위까지 도달하는 3개의 예시적인 기구 또는 조립체(2810)를 도시한다.

도 17-19는 기구가 조직과 잘못 충돌하는 것을 방지하는 양태를 예시하는 도식적 평면도이다. 기구는 환자의 해부구조(예를 들어, 후두 수술)에 의해 한정된 공간 안에서 영상 시스템의 시야를 벗어난 곳에서 환자의 조직과 충돌할 수 있다. 이러한 충돌은 조직을 손상시킬 수 있다. 다중-DOF 수술 기구의 경우, 일부 DOF는 시야 안에 있을 수 있지만, 다른 더 근위부의 DOF는 시야를 벗어날 수 있다. 결과적으로 의사는 이러한 근위부 DOF가 이동하면서 조직 손상을 일으키고 있는지 알지 못할 수 있다. 도 17에 도시된 대로, 예를 들어 내시경 영상 시스템(2920)이 가이드 튜브(2922)의 단부로부터 연장된다. 좌측 작업 기구(2924a)는 모든 DOF가 영상 시스템(2920)의 시야(2926)(점선으로 경계된) 안에 있도록 위치된다. 그러나, 우측 작업 기구(2924b)는 기구(2924b)의 단부 작동기가 시야(2926) 안에 있을지라도 시야(2926)를 벗어나서 근위부 DOF(상기 설명된 예시적인 평행 동작 메커니즘과 리스트가 도시된다)를 가진다. 이런 기구 위치는 봉합실을 매는 것 등의 일을 예시한다.

한 양태에서, 시야 경계가 결정될 수 있으며, 이때 카메라는 카메라 헤드(이미지 캡처 구성요소)와 관련하여 경계를 알 수 있도록 제조된다. 다음에, 카메라 헤드가 통합된 영상 시스템과 연계된 비휘발성 메모리에 시야 경계 정보가 저장된다. 결과적으로, 제어 시스템은 영상 시스템 기구의 운동학과 조인트 위치 정보를 사용하여 카메라 헤드를 작업 기구에 대응하여 위치시킬 수 있고, 이로써 제어 시스템은 작업 기구에 대응하여 시야 경계를 결정할 수 있다. 다음에, 시야 경계 안에서 작업하도록 기구가 제어된다.

입체 영상 시스템에 대한 다른 양태에서, 시야 경계는 기구와 시야 내에서 기구의 위치를 확인할 수 있는 머신 비젼 알고리즘을 이용함으로써 기구에 대응하여 결정될 수 있다. 이런 "도구 추적"에 관한 주제는 미국 특허출원 공개 No. US 2006/0258938 A1(Hoffman et al.)에 개시되며, 이것은 본원에 참고로 포함된다.

도 18에 도시된 대로, 영상 시스템(2920)은 가이드 튜브(2922)의 바로 원단부에 카메라 헤드가 있도록 위치된다. 기구(2924a 및 2924b)가 가이드 튜브의 원단부로부터 영상 시스템(2920)의 시야 안으로 연장된다. "허용가능한 체적"은 시야 경계와 일치되도록 한정된다. 제어 시스템이 기구(2924a 및 2924b)의 어떤 일부가 허용가능한 체적을 벗어나 움직이는 것을 방지한다. 기구(2924a 및 2924b)의 원위부에서 움직이는 모든 부분을 의사가 볼 수 있기 때문에 의사는 주변 조직과의 충돌 없이 기구를 움직인다. 기구 움직임이 기록되고, 기구의 가장 먼 움직임으로써 경계를 이루는 "기구 체적"(2928)(점선으로 경계된)이 결정된다. 기구 체적은 볼록형 체적이며, 그 안에서는 기구가 조직과 충돌하지 않고 움직일 수 있다.

다음에, 영상 시스템(2920)이 도 19에 도시된 대로 삽입된다. 결과적으로, 시야(2926)가 또한 삽입되며, 기구(2924a, 2924b)의 일부분은 삽입된 시야(2926)의 바깥에 있게 된다. 새로운 허용가능한 체적은 시야 바깥쪽의 이미 결정된 기구 체적에 더하여 새로 삽입된 시야로서 결정된다. 따라서, 제어 시스템은 의사로 하여금 새로운 허용가능한 체적 안에서 기구를 어디로든 이동시킬 수 있게 할 것이다. 이 과정은 추가의 시야 삽입이나 가이드 튜브(2922) 움직임에 대해서 반복될 수 있다. 이런 도식은 조직 모델의 필요 없이 의사가 허용가능한 기구 동작 범위를 실시간으로 한정할 수 있도록 한다. 의사는 단지 시야 내에서 기구 동작 범위의 경계를 추적하기만 하면 되고, 시야가 변화됨에 따라 제어 시스템이 이 정보를 기록할 것이다.

원치 않는 기구/조직 충돌을 방지하기 위한 다른 방식은 이미지 모자이크 방식을 이용하는 것이다. 도 20은 수술 과정 동안 의사가 보는 표시부(예를 들어, 입체경)의 도식도이다. 도 20에 도시된 대로, 새로운 더 삽입된 시야(2940)(점선으로 경계된)로부터 이미지가 등록되고, 이전의 더 후퇴된 시야(2942)로부터의 이미지와 모자이크된다. 이미지 모자이크 방식은 공지된 방식이며(예를 들어, 미국특허 제4,673,988호(Jansson et al.) 및 제5,999,662호(Burt et al.)를 참조하며, 이들은 본원에 참고로 포함된다), 의료 장치에 적용되고 있다(예를 들어, 미국특허 제7,194,118호(Harris et al.)를 참조하며, 이것은 본원에 참고로 포함된다). 결과적으로, 의사는 현재 더 삽입된 시야보다 더 넓은 영역을 보게 된다. 기구의 운동학적으로 정확한 그래픽 시뮬레이션이 이전 시야(2942)에 도시되고, 이로써 의사는 이 영역에서 기구가 움직이면서 충돌할 수 있는 가능성을 볼 수 있다.

도 21은 리트랙션 전용의 다중-조인트 기구를 포함하는 예시적인 최소 침습 수술 기구 조립체의 양태를 도시하는 도식적 투시도이다. 도 21에 도시된 대로, 가이드 튜브(3102)는 영상 시스템이 삽입되는 채널(3104), 및 수술 기구가 삽입될 수 있는 3개의 채널(3106a, 3106b, 3106c)을 포함한다. 리트랙션 기구(3108)는 채널(3106c)을 통해 연장된 것으로 도시된다.

묘사된 대로, 리트랙션 기구(3108)는 근위부 기구 본체(3110)와 4개의 연속 링크(3112a-d)를 포함한다. 4개의 조인트(3114a-d)가 근위부 기구 본체(3110)와 링크(3112a-d)를 함께 연결한다. 한 양태에서, 각 조인트(3114a-d)는 독립적으로 제어가능한 단일 DOF 피치 조인트이다. 다른 양태에서, 조인트는 추가의 DOF를 가질 수 있다. 능동적으로 제어되는(손으로 제어되거나 원격조작되는) 그립퍼(3116)가 수동적 롤 조인트(3118)를 통해 가장 원위부 링크(3112d)의 원단부에 장착된다. 일부 양태에서, 다른 단부 작동기로 그립퍼가 치환될 수 있거나, 또는 아무것도 없을 수 있다. 한 양태에서, 링크(3112a-d)와 그립퍼(3116)의 합쳐진 길이는 채널(3106a 및 3106b)을 통해 연장된 기구의 작업 공간을 넘어서 조직을 누르기에 충분하다. 예를 들어, 링크와 그립퍼의 합쳐진 길이는 기구의 전체 삽입 범위(예를 들어, 약 5인치)와 대략 동일할 수 있다. 4개의 링크와 조인트가 도시되지만, 다른 수의 링크와 조인트도 사용될 수 있다. 리트랙션은 피치 조인트(3114a-d)와 채널(3106c) 안의 롤 기구(3108)의 다양한 조합을 사용해서 행해진다.

리트랙션을 수행하기 위해서 기구(3108)는 각 조인트(3114a-d)가 연이어 노출되도록 삽입된다. 삽입 깊이를 변화시켜서 조인트가 가이드 튜브의 원단부를 빠져나올 때 다양한 수의 조인트를 지닌 가이드 튜브의 원단부로부터 다양한 거리에서 리트랙션이 시작될 수 있도록 한다. 즉, 예를 들어 리트랙션은 조인트(3114d)가 가이드 튜브의 원단부를 지나 삽입되지마다 시작될 수 있다. 리트랙션의 경우, 그립퍼(3116)가 조직을 붙잡을 수 있다. 수동적 롤 조인트(3118)는 기구(3108)가 채널(3106c) 안에서 말릴 때 붙잡힌 조직에 토크가 가해지는 것을 방지한다. 한 양태에서, 제어 시스템은 가이드 튜브(3102)와 기구(3108)의 동작을 연결한다. 이런 연결된 동작 제어는 가이드 튜브가 리트랙션된 조직 "밑"에서 좌우로 움직일 때 조직이 그립퍼(3116)에 의해서 제자리에 홀딩될 수 있도록 한다. 예를 들어, 가이드 튜브(3102)의 원단부가 좌측으로 움직일 때는 기구(3108)가 말리고(그리고 조인트(3114a-d) 피치가 변경될 수 있다), 그립퍼(3116)는 우측으로 움직일 수 있다.

도 21은 가이드 튜브 안에서의 기구 위치와 제어에 대한 양태를 더 예시한다. 작업 수술 기구는 작업 위치에 상응하거나 작업 위치와 정렬되어 가이드 튜브 채널을 통해 삽입될 필요는 없다. 예를 들어, 도 31에 도시된 대로, 좌측 작업 기구는 가장 좌측 채널(3106c)을 통해서 삽입되지 않아도 된다. 대신에, 좌측 작업 기구는 "하부" 채널(3106b)을 통해 삽입될 수 있다. 다음에, 우측 작업 기구가 가장 우측 채널(3106a)을 통해 삽입될 수 있다. 다음에, 좌우측 작업 기구는 롤 또는 요우 방식을 취하지 않은 채널(3104)을 통해 삽입된 영상 시스템의 시야와 정렬되어 수술 부위에서 작업하도록 제어될 수 있다. 달리 말하면, 작업 기구의 삽입 채널 간 좌우 축이 수술 부위에서 작업 기구의 단부 작동기 간 좌우 축이나, 또는 입체 영상 시스템의 좌우 축 동공간 축과 정렬되지 않아도 된다. 또한, 기구가 각 특정 액츄에이터와 연결된 것을 인식하는 제어 시스템에 의해서 좌우 기구 위치가 변경될 수 있다. 예를 들어, 리트랙션 기구(3108)는 채널(3106a)을 통해 삽입될 수 있고, 우측 작업 기구는 채널(3106b)을 통해 삽입될 수 있고, 좌측 작업 기구는 채널(3106c)을 통해 삽입될 수 있다. 일부 양태에서, 적절한 모양의 채널들 및/또는 영상 시스템들이 있는 경우, 영상 시스템은 몇 개의 채널 중 하나를 통해서 삽입될 수 있다. 예를 들어, "상부" 채널(3104)과 "하부" 채널(3106b)이 중앙 관통구를 지닌 직사각형 모양을 이루어서 원통형 기구 본체를 보유할 수 있다. 결과적으로, 영상 시스템은 "상부"나 "하부" 채널을 통해 삽입될 수 있고, 작업 기구는 나머지 "상부"나 "하부" 채널을 통해 삽입될 수 있다.

도 22는 환자측 지지 시스템(2104) 상의 의료 장치를 의사 콘솔(2102)의 오퍼레이터 조작되는 입력 장치(203, 204)에 선택적으로 연계시켜서 제어하는데 사용되는 구성요소들의 블록도이다. 그래스퍼, 커터 및 니들과 같은 다양한 수술 도구들을 사용해서 환자 몸안의 작업 부위에서 의료 시술을 수행할 수 있다. 이 예에서, 3개의 수술 도구(TOOL1, TOOL2, TOOL3)(2231, 2241, 2251)를 사용해서 수술 과정을 로봇에 의해 수행하며, 영상 시스템(IS)(2261)을 사용해서 수술 과정을 주시한다. 도구(2231, 2241, 2251)와 영상 시스템(2261)은 가이드 튜브(GT)(2271) 안에 배치될 수 있으며, 가이드 튜브(2271)의 원단부를 지나 연장될 수 있다. 가이드 튜브(2271)는 로봇 암의 셋업 부분을 사용하여 최소 침습 절개부나 자연 개구부와 같은 진입 구멍을 통해 환자 몸안으로 삽입되고, 가이드 튜브 조작장치(2272)에 의해서 의료 시술이 수행되어야 하는 작업 부위를 향해 이동될 수 있다.

각각의 장치(2231, 2241, 2251, 2261, 2271)는 자신만의 조작장치에 의해 조작된다. 특히, 영상 시스템(2261)은 영상 시스템 조작장치(PSM4)(2262)에 의해서 조작되고, 제1 수술 도구(2231)는 제1 도구 조작장치(PSM1)(2232)에 의해서 조작되고, 제2 수술 도구(2241)는 제2 도구 조작장치(PSM2)(2242)에 의해서 조작되고, 제3 수술 도구(2251)는 제3 도구 조작장치(PSM3)(2252)에 의해서 조작되고, 가이드 튜브(2271)는 가이드 튜브 조작장치(2272)에 의해서 조작된다.

각각의 기구 조작장치(2232, 2242, 2252, 2262)는 액츄에이터를 지닌 기계 조립체로서, 각각의 관절식 기구에 동작을 전달하는 기계적 멸균 인터페이스를 제공한다. 각 기구(2231, 2241, 2251, 2261)는 그것의 조작장치로부터의 동작을 수용하는 기계 조립체로서, 케이블 트랜스미션에 의해서 원위부 관절(예를 들어, 조인트)에 동작을 전파한다. 이러한 조인트는 프리즘형(예를 들어, 선형 동작)이거나, 또는 회전 조인트(예를 들어, 이들은 기계 축을 중심으로 선회한다)일 수 있다. 또한, 기구는 다수의 조인트를 정해진 방식으로 강제로 함께 움직이는 내부의 기계적 구속부(예를 들어, 케이블, 기어링, 캠, 벨트 등)을 가질 수 있다. 기계적으로 구속된 조인트들의 각 세트는 특정 축 동작을 실행하고, 구속부는 회전 조인트(예를 들어, 저글 조인트)가 쌍을 이루도록 고안될 수 있다. 또한, 이 방식에서는 기구가 이용되는 액츄에이터보다 많은 조인트를 가질 수 있다는 것을 유념한다.

직접 제어 모드에서, 각각의 입력 장치(203, 204)는 멀티플렉서(MUX)(2290)를 통해 장치(2261, 2231, 2241, 2251, 2271) 중 하나와 선택적으로 연계될 수 있고, 연계된 장치는 그것의 컨트롤러와 조작장치를 통해 입력 장치에 의해서 제어될 수 있다. 예를 들어, 의사는 좌우 입력 장치(203, 204)에 대해 의사 콘솔(2102)의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(2291)를 통해 연계를 특정할 수 있고, 상기 각 장치는 제1 및 제2 수술 도구(2231, 2241)와 연계될 수 있으며, 이들은 각각의 컨트롤러(2233, 2243)와 조작장치(2232, 2242)를 통해서 원격로봇 제어되고, 이로써 의사는 환자를 대상으로 의료 시술을 수행할 수 있으며, 그동안 수술 도구(2251), 영상 시스템(2261) 및 가이드 튜브(2271)는 각각의 컨트롤러(도 24, 25에 도시된 것과 같은)를 통해 각각 제자리에 부드럽게 로킹된다. 의사가 입력 장치(203, 204) 중 하나를 사용해서 수술 도구(2251)의 움직임을 제어하고자 할 경우, 의사는 현재 연계된 장치로부터 입력 장치를 해제하고, 대신에 입력 장치를 도구(2251)와 연계시킴으로써 간단히 그렇게 할 수 있다. 마찬가지로, 의사가 입력 장치(203, 204) 중 하나 또는 둘 다를 사용해서 영상 시스템(2261)이나 가이드 튜브(2271)의 움직임을 제어하고자 할 경우, 의사는 현재 연계된 장치로부터 입력 장치를 해제하고, 대신에 입력 장치를 영상 시스템(2261) 또는 가이드 튜브(2271)와 연계시킴으로써 간단히 그렇게 할 수 있다.

MUX(2290)에 선별 입력 SEL을 제공하기 위해 GUI(2291)를 사용하는 것의 대안으로서, 입력 장치(203, 204)와 장치(2251, 2241, 2231, 2261, 2271)의 선택적 연계가 의사가 음성 인식 시스템에 의해 해석되는 음성 명령을 사용함으로써, 또는 의사가 입력 장치(203, 204) 중 하나의 버튼을 누름으로써, 또는 의사가 의사 콘솔(2102)의 풋 페달을 누름으로써, 또는 의사가 어떤 다른 잘 공지된 모드 전환 기술을 사용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 모드 전환은 의사에 의해서 수행되는 것으로서 본원에서 설명되지만, 또는 달리 의사의 감독하에 있는 어시스턴트에 의해서 수행될 수도 있다.

각 컨트롤러(2233, 2243, 2253, 2263, 2273)는 주/종속 제어 시스템을 포함한다. 도 23은 예로서 입력 장치(203)에 연계되었을 때 도구 종속 조작장치(2232)의 움직임을 제어하고, 이어서 의사에 의한 주 조작장치(203)의 움직임에 의해 명령된 대로 부착된 도구(2231)의 위치 및 배향을 제어하기 위한 주/종속 제어 시스템(300)의 블록도를 예시한다. 유사한 주/종속 제어 시스템이 시스템(2100)의 다른 종속 조작장치(예를 들어, 2241, 2251, 2261, 2271) 각각에도 제공될 수 있다.

주 조작장치와 종속 조작장치는 둘 다 조인트에 의해 접속된 다수의 연결장치를 포함하며, 이로써 다중 자유도 움직임이 용이하게 된다. 수술 과정을 수행하는 동안 의사가 주 조작장치(203)를 한 위치에서 다른 위치로 이동시킴에 따라, 주 조작장치 조인트와 연계된 센서는 주 조인트 공간에서 이러한 움직임 명령을 나타내는 정보를 제공하고, 종속 조작장치 조인트와 연계된 센서는 피드백 목적을 위해서 종속 조인트 공간에서 종속 조작장치 움직임과 이어서 도구(2231) 움직임을 나타내는 정보를 제공한다.

주 입력 처리 유닛(301)은 주 조작장치(203)의 주 조인트 센서로부터 주 조인트 위치의 정보를 수신하는데, 이것은 제어 시스템 처리 속도(예를 들어, 본 예에서는 1300Hz)로서 샘플링되고, 감지된 조인트 위치로부터 조인트 속도를 계산한다. 주 포워드 운동학 처리 유닛(302)은 주 입력 처리 유닛(301)으로부터 주 조인트 위치 및 속도를 수신하고, 이들을 예를 들어 블록(303)에서 개별적으로 결정되어 제공되는 야코비 행렬식과 눈 관련 정보를 사용해서 눈 기준 프레임(즉, 의사의 눈의 위치와 연계된 기준 프레임)에 대응하여 주 조인트 공간으로부터 데카르트 공간 내의 주 프레임(즉, 주 조작장치(203)와 연계된 프레임)의 상응하는 위치 및 속도로 변환한다.

스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)은 주 포워드 운동학 처리 유닛(302)으로부터 데카르트 위치 및 속도 명령을 수신하고, 수술 과정을 수행할 수 있도록 선택된 스케일 팩터에 따라서 명령받은 움직임의 스케일을 조정하고, 원하는 종속 도구 프레임(즉, 도구(2231)와 연계된 프레임)의 위치 및 속도를 생성할 수 있는 오프셋을 고려한다. 간단히 말해서, 본 명세서에서 데카르트 위치는 적절하다면 데카르트 배향을 포함하는 것으로서 해석되어야 하고, 데카르트 속도는 적절하다면 병진속도와 각속도를 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 주 조작장치(203)의 큰 움직임에 비해 종속 조작장치(2232)는 작은 움직임이 바람직한 경우 스케일 조정이 유용하며, 이로써 수술 부위에서 종속 도구(2231)의 더욱 정밀한 움직임이 가능해진다. 한편, 오프셋은, 예를 들어 눈 기준 프레임에서 주 프레임의 위치 및 배향에 대응하여 카메라 기준 프레임(즉, 영상 시스템의 이미지 캡처 단부와 연계된 프레임)에서 단부 작동기 프레임(예를 들어, 도구(2231)의 단부 작동기와 연계된 프레임)의 상응하는 위치 및/또는 배향을 결정한다.

시뮬레이션 종속 처리 유닛(308)("시뮬레이션 도메인"이라고도 한다)은 스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)으로부터 원하는 종속 도구 프레임 위치 및 속도 명령을 수신하고, 이 원하는 종속 도구 프레임 위치, 배향 및 속도를 할당된 데카르트 한계에 한정하여, 예를 들어 도구를 일할 수 있는 작업공간 안에 유지함으로써 도구(2231)의 정확하고 직관적인 작동을 강제하고, 도구(2231)의 단부 작동기가 과도한 힘을 발휘하게 되는 동작을 방지한다. 시뮬레이션 종속 처리 유닛(308)은 제한된 종속 도구 프레임 위치 및 속도에 상응하는 시뮬레이션된 종속 조인트 위치 및 속도를 생성하는 동시에, 종속 운동학에 대해 운동학적 단일성에 근접할 때에도 생성된 종속 조인트 위치 및 속도가 실제 종속 조인트의 동작 범위와 최대 속도(즉, 조인트 한계)를 초과하지 않도록 확실히 한다.

인벌스 스케일 및 오프셋 처리 유닛(306)은 시뮬레이션 종속 처리 유닛(308)으로부터 시뮬레이션된 조인트 위치 및 속도 명령을 수신하고, 명령에 따라서 스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)의 기능과 반대의 기능을 수행한다. 데카르트 컨트롤러(307)가 제1 입력으로서 스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)에 입력된 입력과 제2 입력으로서 인벌스 스케일 및 오프셋 처리 유닛(306)의 출력을 수신한다. 다음에, 데카르트 컨트롤러(307)가 제1 입력과 제2 입력의 차이로서 에러 신호를 생성하고, 예를 들어 다음 식에 따라서 에러 신호로부터 데카르트 힘 "F _CART "를 생성한다:

상기 식에서, "K"는 스프링 상수이고, "B"는 댐핑 상수이고, "

"는 데카르트 컨트롤러(307)에 입력된 데카르트 속력 값들의 차이이고, "

"는 데카르트 컨트롤러(307)에 입력된 데카르트 위치 값들의 차이이다. 배향 에러의 경우, 데카르트 공간 내에서 상응하는 토크가 결정된다.

주 트랜스포즈 운동학 처리 유닛(315)은 서메이션 노드(314)를 통해서 데카르트 힘 FCART를 수신하고, 예를 들어 주 조작장치(203)와 연계된 야코비 트랜스포즈 행렬식과 운동학적 관계를 사용하여 조인트 공간 내에서 상응하는 토크를 생성한다. 주 출력 처리 유닛(316)이 주 트랜스포즈 운동학 처리 유닛(315)으로부터 주 토크 신호를 수신하고, 주 토크 신호에 상응하는 전류를 생성하고, 이 전류를 주 조작장치(203)의 상응하는 주 조인트 모터에 공급한다. 결과적으로, 주 조작장치(203)를 작동하는 의사는 의사가 시스템 데카르트 또는 종속 조인트 한계를 초과하는 위치나 속도를 명령하는 동안이나, 또는 종속 조작장치(2232)를 위한 운동학적 단일성 조건이 이루어진 때는 언제든 데카르트 힘 F _CART 를 느끼게 된다.

주 입력 처리 유닛(301)이 주 조작장치(203)의 센서로부터 주 조인트 위치를 수신함에 따라 종속 입력 처리 유닛(309)도 역시 제어 시스템 처리 속도로서 종속 조작장치(2232)의 위치 센서로부터 종속 조인트 위치를 수신한다. 조인트 제어 유닛(320)이 종속 입력 처리 유닛(309)으로부터 종속 조인트 위치 및 시뮬레이션 종속 처리 유닛(308)으로부터 제공되는 시뮬레이션된 조인트 위치 명령을 수신하고, 종속 조인트 모터에 대한 종속 토크 명령 신호 및 주 조인트 모터에 대한 주 토크 피드백 명령 신호를 생성한다.

종속 토크 명령 신호는 조인트 제어 유닛(320)에 의해서 생성되며, 조인트 제어 유닛(320)에서 계산된 피드백 에러가 0이 될 때까지 종속 조작장치의 조인트를 구동시킨다. 종속 출력 처리 유닛(310)이 조인트 제어 유닛(320)으로부터 종속 토크 명령 신호를 수신하고, 이들은 적절한 전류로 전환하고, 이 전류를 종속 조작장치의 조인트 모터에 공급해서 그에 따라서 모터를 구동시킨다.

주 토크 피드백 명령 신호가 종속 조인트 위치 및 속도 추적 에러의 함수로서 조인트 제어 유닛(320)에 의해서 생성되며, 이들은 도구(2231) 또는 그것의 종속 조작장치(2232)에 대해 발휘된 힘을 주 조작장치(203)에 다시 반영하여 의가사 그것을 느낄 수 있게 된다. 운동학적 맵핑 유닛(311)이 조인트 제어 유닛(320)으로부터 주 토크 피드백 명령 신호를 수신하고, 블록(312)에서 제공된 종속 운동학 형태와 미리 계산된 종속 기준 프레임 위치 정보를 사용하여 영상 시스템의 카메라 프레임에 대응하여 도구(2231)의 팁에 대해 발휘되는 상응하는 데카르트 힘을 생성한다.

게인(313)이 데카르트 힘의 크기를 조정해서 시스템 안정성을 확보하면서 충분한 힘 감지를 의사에게 제공할 수 있다. 다음에, 게인 조정된 데카르트 힘이 서메이션 노드(314)를 통해 보내지고, 데카르트 컨트롤러(307)에 의해서 제공된 데카르트 힘의 처리와 관련하여 이미 설명된 주 트랜스포즈 운동학 처리 유닛(315)과 주 출력 처리 유닛(316)을 통해서 데카르트 컨트롤러(307)에 의해 제공된 데카르트 힘과 함께 처리된다.

본원에 언급된 다양한 기준 프레임 및 블록(303)에서 제공되는 의사의 눈과 관련된 정보와 블록(312)에서 제공되는 종속 기준 프레임 정보의 잘 공지된 수학에 기초한 계산과 같은 주/종속 제어 시스템(300)에 대한 종래의 양태와 관련된 추가의 세부사항이, 예를 들어 앞서 참고자료로 포함된 미국특허 제6,424,885호, "최소 침습 수술 장치에서의 카메라 기준 제어"에 설명되는데, 여기서 기준 프레임의 개념은 "종속 펄크럼"이라고 명명된다.

조인트 제어 유닛(320)은 주/종속 제어 시스템(300)에 의해서 제어되는 종속 조작장치(2232)의 각 능동적 조인트와 기어를 위한 조인트 컨트롤러를 포함한다. 특히, 종속 조작장치(2232)가 작동가능한 작업공간을 통해서 도구(2231)를 움직일 수 있는 다양한 조인트를 포함하는 경우, 이들 조인트는 각각 자신만의 컨트롤러를 가질 것이다. 본원 명세서와 청구항을 간략하게 하기 위해서, 용어 "조인트"는 2개 링크 간 접속부(병진 또는 회전)로서 이해되어야 하며, 기어(또는 프리즘형 조인트)는 물론, 로봇 암 조립체를 제어하는데 사용될 수 있는 선형 구동 메커니즘에 연결된 어떤 다른 제어가능한 구성요소를 포함할 수 있다.

직접 제어 모드는 사용자가 특정 종속 조작장치를 직접 제어하는 제어 모드이다. 모든 다른 종속 조작장치들(즉, 주 장치에 접속되지 않은 것들)은 부드럽게 로킹된다(즉, 각각의 컨트롤러에 의해서 모든 조인트가 제자리에 홀딩된다). 예로서, 본원에 설명된 것과 같은 단일 포트 시스템에서는 3개의 직접 제어 모드가 손으로 작동되는 2개의 입력 장치가 2개의 도구 종속 조작장치와 각각의 도구에 연계되는 직접 "도구 추적" 모드, 손으로 작동되는 입력 장치 중 하나 또는 둘 모두가 영상 시스템과 연계되는 직접 "영상 시스템" 모드, 및 손으로 작동되는 입력 장치 중 하나 또는 둘 모두가 가이드 튜브와 연계되는 직접 "가이드 튜브" 모드로서 정의된다. 예를 들어, 도 24-25는 직접 "도구 추적" 모드를 예시하는데, 여기서는 좌우 주 입력 장치(204, 203)가 각각 제1 및 제2 도구에 연계되고, 제3 도구, 영상 시스템 및 가이드 튜브는 각각의 컨트롤러에 의해 제자리에 홀딩된다. 도 26-27은 직접 "영상 시스템" 모드를 예시하며, 여기서는 좌측 주 입력 장치(204)가 영상 시스템에 연계되고, 제1 도구, 제2 도구, 제3 도구 및 가이드 튜브는 각각의 컨트롤러에 의해 제자리에 홀딩된다. 도 28-29는 직접 "가이드 튜브" 모드를 예시하며, 여기서는 좌우 주 입력 장치(204, 203)가 가이드 튜브에 연계되고, 제1 도구, 제2 도구, 제3 도구 및 영상 시스템은 각각의 컨트롤러에 의해 제자리에 홀딩된다.

도 24, 26, 28에 나타낸 대로, 본원에 설명된 대로, 데이터 픽-오프/수신 지점(각각 연계된 장치 컨트롤러에서 실행되는 주/종속 제어 시스템의 인벌스 스케일 및 오프셋 블록(306)에 입력된 입력과 스케일 및 오프셋 블록(304)의 출력에서)을 이용해서 명령받은 상태 정보를 커플형 제어 모드의 비-연계된 컨트롤러에 제공하고, 비-연계된 컨트롤러로부터 다시 상태 정보를 수신할 수 있다. 도면을 단순화하기 위해, 인벌스 스케일 및 오프셋 블록(306)과 스케일 및 오프셋 블록(304)은 모두 상기 도면들에서 "스케일 및 오프셋"으로 지정된 단일 블록에 포함된다. 인벌스 스케일 및 오프셋 블록(306)에 입력된 입력과 스케일 및 오프셋 블록(304)의 출력에서의 각각의 데이터 픽-오프/수신 지점이 이들 예에서 사용되지만, 본 발명의 다양한 양태들을 실시하는데 있어서 다른 데이터 픽-오프 및 수신 지점들도 사용될 수 있다는 것이 인정되어야 한다.

또한, 도면을 단순화하기 위해, 주/종속 제어 시스템(300)은 주 측 및 종속 측 부분으로 분할되었으며("스케일 및 오프셋" 블록에서 대향하는 부분들), PSM1* 컨트롤러(248), PSM2* 컨트롤러(247), PSM4* 컨트롤러(268), 및 GT* 컨트롤러(288)는 종속 측 구성요소들(예를 들어, 도 23의 제어 시스템(300) 블록(308, 320, 309, 310, 311, 312, 313)을 포함하고, MTM 컨트롤러(241, 242, 262, 281, 282)는 주 측 구성요소들(예를 들어, 도 23의 제어 시스템(300) 블록(301, 302, 303, 307, 314, 315, 316)을 포함한다. 도 25, 27, 29에서 홀딩 위치 블록(251, 252, 253, 271, 272)은 하나 이상의 메모리 장치에 저장된 상태 명령(각각 각각의 장치에 대한 일정한 위치 및 배향을 지시한다)을 나타내고, 종속 측 PSM3* 컨트롤러(258), GT* 컨트롤러(288), PSM4* 컨트롤러(268), PSM1* 컨트롤러(248), 및 PSM2* 컨트롤러(247)에 각각 제공되며, 한편 이들 컨트롤러에서 생성된 이후의 데이터는 이들 컨트롤러로부터 촉이 아래를 향한 화살표로 나타낸 대로 무시되어(또는 달리 폐기된다), 이로써 각각의 조작장치와 장치가 명령받은 상태로 홀딩된다.

커플형 제어 모드에서는, 연계된 종속 조작장치(예를 들어, 조작장치(2232, 2242, 2252, 2262, 2272) 중 하나)의 움직임을 의사가 직접 제어하고, 직접 제어된 종속 조작장치의 명령받은 동작에 응하여 하나 이상의 비-연계된 종속 조작장치의 움직임은 간접적으로 제어하여 이차적인 목적을 달성한다. 이차적인 목적의 예는 장치 작업공간의 최적화(즉, 동작 범위의 최대화), 다른 장치 및/또는 작업 부위를 영상 시스템이 모니터하는 것의 최적화, 장치 및/또는 환자의 해부구조 사이의 충돌 변화의 최소화, 및 비-연계된 장치를 원하는 포즈로 구동시키는 것을 포함한다. 커플형 제어 모드를 통해 이차적인 일을 자동으로 수행함으로써 의사가 다른 직접 모드로 전환하여 원하는 이차적인 목적을 수동으로 달성할 필요가 줄어들기 때문에 시스템의 활용성이 증진된다. 따라서, 커플형 제어 모드는 의사로 하여금 의료 시술을 수행하는데 더 잘 집중하고, 시스템 관리에는 주의를 덜 기울일 수 있도록 한다. 하기 설명된 대로, 사용자 인터페이스는 3개의 커플형 제어 모드를 가지는데, 기구(들)용 모드, 영상 시스템용 모드, 및 가이드 튜브용 모드이다(즉, 수술 시스템 내에서 상이한 기능을 수행하도록 설계된 조작장치의 수만큼 많은 모드).

연결된 조작장치의 동작이 발생한 때를 나타낼 수 있는 촉각적 단서를 의사에게 제공하는 것이 유용하며, 그렇지 않으면 의사는 커플형 제어 모드를 통해 간접적으로 제어되는 어떤 장치의 움직임을 알지 못할 수 있다. 이것은 직접 제어형 장치에 대해서는 문제가 되지 않는데, 이러한 직접 제어형 장치의 주/종속 제어 시스템은 일반적으로 촉각적 피드백 경로를 제공하기 때문이다. 따라서, 커플형 모드가 맞물렸을 때를 의사에게 신호하는 멈춤쇄와 같은 촉각적 단서가 제공될 수 있다.

입력 장치(203, 204)와 장치(2231, 2241, 2251, 2261, 2271)를 연계시키기 위해서 의사에 의해 사용되는 GUI(2291)은 또한 커플형 제어 모드의 여러 변수를 특정하기 위해서 의사에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 의사는 GUI(2291)를 사용하여 여러 커플형 제어 모드에 참여하는 장치 조작장치를 선택할 수 있고, 커플형 제어 모드와 관련된 이차적인 목적들을 한정하고/하거나 우선순위를 정할 수 있다.

도 30은 본원에 설명된 수술 기구 조립체 및 구성요소들이 통합된 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 집중 동작 제어 및 코디네이션 시스템 구조의 커플형 제어 양태를 예시하는 도식도이다. 동작 코디네이터 시스템(2202)은 주 입력(2204), 센서 입력(2206) 및 최적화 입력(2208)을 수신한다.

주 입력(2204)은 주 제어 메커니즘 상에서의 의사의 팔, 손목, 손 및 손가락의 움직임을 포함할 수 있다. 또한, 입력은 다른 움직임(예를 들어, 손가락, 발, 무릎 등이 버튼, 레버, 스위치 등을 누르거나 이동시키는 것) 및 명령(예를 들어, 음성)으로부터 유래할 수 있으며, 이것은 특정 구성요소의 위치 및 배향을 제어하거나, 또는 일-특이적 작동(예를 들어, 전기소작기 단부 작동기 또는 레이저에 에너지를 주는 것, 영상 시스템 작동 등)을 제어한다.

센서 입력(2206)은, 예를 들어 측정된 서보모터 위치나 감지된 휨 정보로부터의 위치 정보를 포함할 수 있다. 본원에 참고자료로 포함된 미국 특허출원 제11/491,384호(Larkin, et al.), 발명의 명칭 "섬유 브래그 격자를 사용한 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템"은 위치 감지를 위한 섬유 브래그 격자의 사용을 설명한다. 이러한 휨 센서는 본원에 설명된 다양한 기구 및 영상 시스템에 통합될 수 있으며, 구성요소(예를 들어, 단부 작동기 팁)의 위치 및 배향 정보를 결정할 때 사용될 수 있다. 또한, 위치 및 배향 정보는 환자 외부에 위치된 하나 이상의 센서(예를 들어, 형광투시기, MRI, 초음파 등)에 의해서 생성될 수 있으며, 이것은 실시간으로 환자 몸안에서 구성요소들의 위치 및 배향 변화를 감지한다.

최적화 입력(2208)은 이차적인 목표와 관련된다. 이들은 하이 레벨 명령일 수 있거나, 또는 입력은 더 상세한 명령 또는 감각 정보를 포함할 수 있다. 하이 레벨 명령의 예는 작업공간을 최적화하도록 지능형 컨트롤러에 명령하는 것이다. 더 상세한 명령의 예는 카메라 최적화를 시작하거나 중지하도록 영상 시스템에 명령하는 것이다. 센서 입력의 예는 작업공간 한계에 도달했다는 신호일 것이다.

동작 코디네이터(2202)는 원격수술 시스템의 다양한 암의 조작장치와 연계된 여러 액츄에이터(예를 들어, 서보모터) 및 액츄에이터 컨트롤러에 명령 신호를 출력한다. 도 30은 2개의 기구 컨트롤러(2210), 영상 시스템 컨트롤러(2212), 및 가이드 튜브 컨트롤러(2214)로 전송되는 출력 신호의 예를 묘사한다. 컨트롤러는 다른 개수 및 조합으로도 사용될 수 있다. 동작 코디네이터(2202)는 전체적인 시스템 운동학(즉, 시스템의 총 자유도)의 이용 방식을 결정하여 최적화 입력(2208)에 의해 지시된 이차적인 목표를 달성하도록 한다.

예로서, 이러한 동작 코디네이션 시스템을 사용하여 수술 기구 조립체(1700) (도 6)를 제어할 수 있다. 기구 컨트롤러(2210)가 기구(1702a, 1702b)에 연계되고, 영상 시스템 컨트롤러(2212)가 영상 시스템(1704)에 연계되고, 가이드 튜브 컨트롤러(2214)가 가이드 튜브(1708)에 연계된다. 따라서, 일부 양태에서, 원격수술 시스템을 작동하는 의사는 상기 나타낸 적어도 3개 제어 모드, 즉 기구를 움직이는 기구 제어 모드와 영상 시스템을 움직이는 영상 시스템 제어 모드와 가이드 튜브를 움직이는 가이드 튜브 제어 모드에 자동으로 동시에 접근할 것이다. 본원에 설명된 다양한 다른 메커니즘 양태에 따라서 작업하기 위하여 유사한 집중 구조가 채택될 수도 있다.

도 31은 본원에 설명된 수술 기구 조립체 및 구성요소들이 통합된 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 분산된 동작 제어 및 코디네이션 시스템 구조에 대한 양태를 예시하는 도식도이다. 도 31에 도시된 예시적인 양태에서, 제어 및 변환 프로세서(2220)는 2개 주 암 최적화장치/컨트롤러(2222a, 2222b), 3개 수술 기구 최적화장치/컨트롤러(2224a, 2224b, 2224c), 영상 시스템 최적화장치/컨트롤러(2226), 및 가이드 튜브 최적화장치/컨트롤러(2228)와 정보를 교환한다. 각 최적화장치/컨트롤러는 원격수술 시스템에서 주 암 또는 종속 암(이것은, 예를 들어 카메라(영상 시스템) 암, 가이드 튜브 암 및 기구 암을 포함한다)과 연계된다. 각각의 최적화장치/컨트롤러는 암-특이적 최적화 목표(2230a-2230g)를 수신한다.

제어 및 변환 프로세서(2220)와 다양한 최적화장치/컨트롤러 사이의 이중 화살촉 화살표는 최적화장치/컨트롤러의 암과 연계된 추적 데이터의 교환을 나타낸다. 추적 데이터는 베이스 프레임 및 원위부 팁 프레임을 포함해서 전체 암의 완전한 데카르트 형태를 포함한다. 제어 및 변환 프로세서(2220)는 각 최적화장치/컨트롤러로부터 수신된 추적 데이터를 모든 최적화장치/컨트롤러로 보내며, 이로써 각 최적화장치/컨트롤러는 시스템에 있는 모든 암의 현재 데카르트 형태에 대한 데이터를 가지게 된다. 또한, 각 암에 대한 최적화장치/컨트롤러는 암마다 특유한 최적화 목표를 수신한다. 다음에, 각 암의 최적화장치/컨트롤러는 최적화 목표를 추구할 때 입력 값 및 구속 값으로서 다른 암 위치를 사용한다. 한 양태에서, 각 최적화 컨트롤러는 내장된 국소 최적화장치를 사용하여 최적화 목표를 추구한다. 각 암의 최적화장치/컨트롤러에 대한 최적화 모듈은 독립적으로 켜지거나 꺼질 수 있다. 예를 들어, 단지 영상 시스템과 가이드 튜브에 대한 최적화 모듈만 켜질 수도 있다.

분산 제어 구조는 성능이 감소할 가능성은 있지만 집중 구조보다 높은 유연성을 제공한다. 이러한 분산 제어 구조를 사용하면 집중 구조를 사용할 때보다 새로 암을 추가하는 것과 전체 시스템 형태를 변경하는 것이 더 용이하다. 그러나, 이런 분산 구조에서는 최적화가 집중 구조에서 수행될 수 있는 단일 모듈이 전체 시스템의 상태를 인지하고 있는 전체적 최적화에 비해 국소적이다.

도 32-34는 연계된 장치는 직접 제어되어 일차적인 목표를 달성하고, 비-연계된 장치는 간접적으로 제어되어 이차적인 목표를 달성하는 경우의 특정한 커플형 제어 모드의 양태를 예시한다. 특히, 도 32는 커플형 "도구 추적" 모드의 예를 예시하는데, 여기서는 좌우 주 입력 장치(204, 203)가 각각 제1 및 제2 도구에 연계되며, 도구들의 명령받은 움직임에 대한 정보를 각각의 주/종속 제어 시스템의 데이터 픽-오프 지점에 접속된 연결 블록(3202, 3201)에 의해서 영상 시스템과 가이드 튜브의 연결된 컨트롤러(3204, 3203)가 이용할 수 있게 되고, 이로써 원하는 "이차적인" 목표를 수행할 수 있다. 도 33은 커플형 "영상 시스템" 모드의 예를 예시하며, 여기서는 좌측 주 입력 장치(204)가 영상 시스템에 연계되고, 그것의 명령받은 움직임에 대한 정보를 해당 주/종속 제어 시스템의 데이터 픽-오프 지점에 접속된 연결 블록(3302)에 의해서 제1 도구, 제2 도구 및 가이드 튜브의 연결된 컨트롤러(3304, 3305, 3303)가 이용할 수 있게 되고, 이로써 원하는 "이차적인" 목표를 수행할 수 있다. 도 34는 커플형 "가이드 튜브" 모드의 예를 예시하며, 여기서는 좌우 주 입력 장치(204, 203)가 가이드 튜브에 연계되고, 그것의 명령받은 움직임에 대한 정보를 해당 주/종속 제어 시스템의 데이터 픽-오프 지점에 접속된 연결 블록(3402)에 의해서 제1 도구, 제2 도구 및 영상 시스템의 연결된 컨트롤러(3404, 3405, 3403)가 사용할 수 있게 되고, 이로써 원하는 "이차적인" 목표를 수행할 수 있다. 이들 커플형 모드의 예들에서 제3 도구는 도면을 단순화하기 위해서 전개하지 않는 것으로 가정한 것에 유념한다.

도 32-34에 예시된 연결 블록과 장치 연결된 컨트롤러는 도시된 대로 분산 방식으로 실행될 수 있으며, 이 경우 이들은 각각의 컨트롤러에 통합되거나, 또는 외부에서 실행되고, 또는 이들은 집중 방식으로 실행됨으로써 각각의 컨트롤러 외부에서 단일 유닛으로 통합된다. 직접 "도구 추적" 방식을 상응하는 커플형 "도구 추적" 방식으로 변환하기 위해서, 연결 블록(3201, 3202)(도 32에 도시된)이 데이터 픽-오프/수신 지점(도 24에 도시된)에 연결된다. 각각의 장치 컨트롤러에 명령하여 제어해서 이차적인 목적을 수행하는 장치 연결된 컨트롤러(3203, 3204)는 각각의 장치 컨트롤러의 데이터 픽-오프/수신 지점에서 연결 블록(3202, 3201)과 연결되고, 이로써 이들은 도 32에 화살표로 나타낸 대로 정보를 이쪽 저쪽으로 수신하고 전송할 수 있다. 마찬가지로, 직접 "영상 시스템" 모드를 상응하는 커플형 "영상 시스템" 모드로 변환하기 위해서, 연결 블록(3302)(도 33에 도시된)이 데이터 픽-오프/수신 지점(도 26에 도시된)에 연결된다. 각각의 장치 컨트롤러에 명령하여 제어해서 이차적인 목적을 수행하는 장치 연결된 컨트롤러(3303, 3304, 3305)는 각각의 장치 컨트롤러의 데이터 픽-오프/수신 지점에서 연결 블록(3302)과 연결되고, 이로써 이들은 도 33에 화살표로 나타낸 대로 정보를 이쪽 저쪽으로 수신하고 전송할 수 있다. 마지막으로, 직접 "가이드 튜브" 모드를 상응하는 커플형 "가이드 튜브" 모드로 변환하기 위해서, 연결 블록(3402)(도 34에 도시된)이 데이터 픽-오프/수신 지점(도 28에 도시된)에 연결된다. 각각의 장치 컨트롤러에 명령하여 제어해서 이차적인 목적을 수행하는 장치 연결된 컨트롤러(3403, 3404, 3405)는 각각의 장치 컨트롤러의 데이터 픽-오프/수신 지점에서 연결 블록(3402)과 연결되고, 이로써 이들은 도 34에 화살표로 나타낸 대로 정보를 이쪽 저쪽으로 수신하고 전송할 수 있다.

도 35-40은 커플형 제어 모드의 예를 예시하는 순서도이다. 앞서 설명된 대로, 사용자 인터페이스는 3개의 커플형 제어 모드, 즉 기구(들)용 모드, 영상 시스템용 모드 및 가이드 튜브용 모드를 가진다. 도 35-37 및 39는 기구 연결된 컨트롤의 예이고, 도 38은 가이드 튜브 연결된 컨트롤의 예이고, 도 40은 영상 시스템 연결된 컨트롤의 예이다. 도 35-40과 관련하여 설명된 방법, 및 본원에 설명된 다양한 컨트롤러 및 다른 처리 유닛은 바람직하게는 도 4와 관련하여 설명된 프로세서(220)에서 실행된다.

도 35-36은 기구 연결된 컨트롤에 대한 예에서 제1 부분을 예시하며, 여기서는 가이드 튜브에 연결되어 가이드 튜브의 원단부를 지나 연장될 수 있는 관절식 장치의 작업공간이 최적화된다. 도 6은 이러한 기구 조립체의 일례이다. 본 예는 의료 시술을 수행하는데 사용되는 관절식 장치의 작업공간을 최적화하기 위한 가이드 튜브의 사용을 설명하지만, 본 발명의 양태들은 관절식 장치에 연결된 어떤 베이스에도 적용될 수 있으며, 베이스가 움직일 때 관절식 장치도 움직인다는 것이 이해되어야 한다. 예로서, 도 1-3과 관련하여 설명된 환자측 지지 시스템(2104)도 역시 회전 셋업 조인트(2114a, 2114b)가 능동적으로 구동되는 경우 이러한 베이스로서 기능할 수 있다.

먼저, 도 35를 보면, 3501에서, 가이드 튜브 연결된 컨트롤러(3203)(예를 들어, 집중 커플형 모드 구조가 사용되었는지 분산 커플형 모드 구조가 사용되었는지에 따라서, 동작 코디네이터(2202) 또는 가이드 튜브 최적화장치/컨트롤러(2228))는 이 시점에서 기구 연결된 제어 모드에서 작동하며, 가이드 튜브에 연결된 모든 장치(즉, 가이드 튜브가 움직일 때 움직이는 장치)의 연결 블록 및 연결된 컨트롤러로부터 명령받은 장치 팁 위치를 수신한다. 예를 들어, 장치가 가이드 튜브 안에 배치되거나, 또는 장치가 가이드 튜브에 물리적으로 부착된다면 장치는 가이드 튜브에 연결된 것일 수 있다. 본원에서 사용된 대로(본 명세서의 맥락이 분명히 다른 의미를 나타내는 경우를 제외하면), "장치 팁 위치"라는 문구는 장치의 가장 원위부 조인트에 대한 고정된 기준 프레임 내의 데카르트 좌표와 가장 원위부 조인트의 각 위치에 의해 결정된 배향을 나타내는 정보를 의미한다.

3502에서, 가이드 튜브 연결된 컨트롤러(3203)는 수신된 명령받은 장치 팁 위치를 사용해서 각각의 컨트롤러가 이들의 장치 팁 위치를 유지한 상태에서 가이드 튜브에 연결된 장치의 작업공간을 최적화하는 가이드 튜브 팁 위치를 결정한다. 최적화 기능은 장치의 동작 범위 한계와 운동학은 물론, 가이드 튜브와 장치의 현재 팁 위치를 알아야 하므로, 이러한 동작 범위 및 운동학 정보가 시스템 시동시에 또는 다른 편리한 시간에 편리한 방식으로 가이드 튜브에 연결된 컨트롤러(3203)에 제공되면서, 동시에 앞서 설명된 대로 장치 연결 블록 및 연결된 컨트롤러에 의한 작동 동안에는 장치의 현재 팁 위치가 제공되는 것이 바람직하다. 바람직한 가이드 튜브 팁 위치를 결정하기 위해, 각각의 장치 컨트롤러는 그것의 장치에 대한 바람직한 데카르트 포즈를 제공할 수 있으며, 이로써 가이드 튜브에 연결된 컨트롤러가 가이드 튜브 팁이 위치된 것처럼 그러한 방식으로 운동학을 풀어서 팁은 원하는 팁 위치에서 움직이지 않으면서 장치의 조인트들이 원하는 포즈에 가능한 근접해 있는 형태를 이루게 될 수 있다.

바람직하게, 이러한 최적화는 장치 동작 범위와 선택된 가중치를 사용하여 비용 함수를 최소화함으로써 수행된다. 예를 들어, 영상 시스템(2261) 및 팁이 제자리에 홀딩되는(즉, 컨트롤러에 의해 제자리에 홀딩되거나 "부드럽게 로킹") 어떤 다른 장치의 동작 범위를 최대화할 때보다 직접 제어되는 기구(2231, 2241)의 동작 범위를 최대화할 때 더 큰 가중치가 부여되도록 가중치 값이 선택될 수 있다. 다음에, 3503에서, 결정된 가이드 튜브 팁 위치가 가이드 튜브(2271)를 결정된 팁 위치로 구동시킬 수 있는 가이드 튜브 컨트롤러(2272) 및 장치 컨트롤러(2233, 2243, 2263)에 제공되며, 장치 컨트롤러는 각각의 장치(2231, 2241, 2261)를 관절식 조인트 형태로 구동시킬 수 있고, 이것은 도 36을 참조하여 설명된 대로 다음과 같이 각각의 작업공간을 최적화한다.

이제, 가이드 튜브에 연결된 장치의 장치 컨트롤러에 의해서 수행되는 상보적인 행동을 설명하는 도 36을 보면, 3601에서, 가이드 튜브(2271)의 명령받은 위치가 가이드 튜브에 연결된 컨트롤러로부터 수신된다. 3602에서, 장치 컨트롤러가 각각의 종속 조작장치에 대하여 갱신된 조인트 위치 명령을 생성하고, 이로써 명령받은 장치 팁 위치를 만족한 상태에서 새로운 가이드 튜브 위치가 수용된다. 기구 연결된 제어 모드 하에서 입력 장치(204, 203)와 연계된 기구(2231, 2241)의 경우, 명령받은 장치 팁 위치는 입력 장치(204, 203)에 의해서 명령된 팁 위치에 상응한다. 현재 입력 장치(204, 203)와 연계되지 않은 영상 시스템(2261) 또는 다른 기구(2251)는 명령받은 장치 팁 위치가 이들의 현재 팁 위치이며, 따라서 이들 비-연계된 장치의 팁이 제자리에 효과적으로 홀딩된다. 3603에서, 장치 컨트롤러가 각각의 종속 조작장치에 갱신된 조인트 위치 명령을 제공하여 장치 작업공간이 최적화된다.

도 37은 영상 시스템(2261)의 움직임이 기구(2231, 2241)의 움직임과 연결된 예의 선택적인 제2 부분을 예시하며, 이 경우 기구는 영상 시스템의 시야 내에 잘 배치된다. 도 35-36을 참조하여 설명된 예의 제1 부분은 가이드 튜브에 연결되어 가이드 튜브의 원단부를 지나 연장될 수 있는 장치의 작업공간을 최적화하는 이차적인 목적을 다루었지만, 이 예의 제2 부분은 영상 시스템에 의해 캡처된 이미지에서 장치 팁 보기를 최적화하는 이차적인 목적을 다룬다.

이제, 도 37을 보면, 3701에서, 영상 시스템 연결된 제어장치(3204)(예를 들어, 집중 커플형 모드 구조가 사용되었는지 분산 커플형 모드 구조가 사용되었는지에 따라서, 동작 코디네이터(2202) 또는 영상 시스템 최적화장치/컨트롤러(2226))는 이 시점에서 기구 연결된 제어 모드에서 작동하며, 모든 장치 컨트롤러로부터 명령받은 장치 팁 위치를 수신한다. 3702에서 영상 시스템 연결된 컨트롤러는 명령받은 기구 팁 위치의 무게중심을 결정하고, 3703에서는 현재와 이전의 디지털 과정 주기 때에 결정된 무게중심 위치의 차이를 사용해서 무게중심 속도를 결정한다. 3704 및 3705에서, 무게중심 위치에는 데드 존 거동을 적용하고, 무게중심 속도에는 로우 패스 필터를 각각 적용함으로써 미진 필터링을 수행하여 원하는 영상 시스템 팁 위치 및 속도를 결정한다.

다음에, 3706에서, 영상 시스템 연결된 컨트롤러(3204)가 관절식 영상 시스템(2261)의 인벌스 운동학과 가이드 튜브(2271)의 현재 팁 위치를 이용해서 영상 시스템(2261)에 대해 원하는 조인트 위치를 결정한다. 3707에서, 영상 시스템 연결된 컨트롤러가 영상 시스템(2261)의 포워드 운동학을 이용해서 변형된 종속 조인트 위치에 상응하는 영상 시스템 팁 위치를 결정하고, 결정된 영상 시스템 팁 위치를 가이드 튜브 연결된 컨트롤러(3203)에 제공한다. 3707에서 결정된 영상 시스템 팁 위치는 3707에서 조인트 한계 또는 단일성에 직면하지 않는 한 3704에서의 원하는 영상 시스템 팁 위치와 동일해야 한다는 것을 유념하며, 조인트 한계나 단일성에 직면한 경우에는 이들을 차이 나게 해서 이러한 한계나 단일성을 피할 수 있다. 다음에, 가이드 튜브 연결된 컨트롤러가 도 35를 참조하여 설명된 예의 제1 부분에 따른 기구 팁 위치와 함께 영상 시스템 팁 위치를 처리해서 기구와 영상 시스템의 작업공간을 최적화하는 가이드 튜브 팁 위치를 생성한다. 3708에서, 영상 시스템 연결된 컨트롤러(3204)는 가이드 튜브 연결된 컨트롤러(3203)로부터 명령받은 가이드 튜브 팁 위치를 수신하고, 그것을 3709에서 사용하여 3706을 수행하는데 사용된 동일한 등식 및 한계에 3707에서 결정된 영상 시스템 팁 위치를 적용함으로써 명령받은 종속 조인트 위치를 결정한다. 다음에, 3710에서, 액츄에이터 명령으로서 영상 시스템 컨트롤러(2263)에 의해서 결정된 명령받은 종속 조인트 위치가 영상 시스템 조작장치(2262)에 제공되어 그에 따라서 영상 시스템(2261)을 조작하거나 움직인다.

의료 시술이 완료되면, 시술 과정 동안 사용된 모든 의료 장치를 환자 몸 밖으로 다시 철수해야 한다. 이것은 직접 제어 모드를 사용하여 행하는 것보다 커플형 제어 모드를 사용하여 모든 장치를 동시에 철수하는 것이 유익하다. 특히, 직접 제어 하에서 한 장치를 철수하고, 이어서 모든 다른 장치는 커플형 제어 하에서 철수하는 동안 각 다른 장치 및/또는 환자의 해부구조와의 충돌을 피하는 것 등 이차적인 목적을 다루면서 철수하는 것이 바람직하다. 또한, 각 장치를 가이드 튜브 내로 철수하기 전에 먼저 장치를 철수 형태로 배치하는 것이 필요하며, 이로써 장치는 가이드 튜브 내로 철수될 수 있다. 예를 들어, 도 21에 묘사된 리트랙션 기구(3108)는 그것의 각 링크(3112a-3112d)가 채널(3106c)과 정렬된 후에만 가이드 튜브(3102)의 채널(3106c) 내로 완전히 철수될 수 있다. 따라서, 장치가 가이드 튜브로 들어가기 전 각 장치가 그것의 철수 형태로 자동으로 구동되는 것이 바람직하다. 이것은 직접 제어 하에서 철수되는 장치는 물론, 커플형 제어 모드를 통해서 간접적으로 철수되는 장치에도 적용된다.

반대로, 의료 시술을 수행하기 전에는 시술 과정 동안 사용될 모든 의료 장치가 환자 몸안으로 삽입되어야 한다. 이것은 직접 제어 모드를 사용하여 행하는 것보다는 커플형 제어 모드를 사용하여 모든 장치를 동시에 삽입하는 것이 유익하다. 특히, 직접 제어 하에서 한 장치를 삽입하고, 이어서 모든 다른 장치는 커플형 제어 하에서 삽입하는 동안 각 다른 장치 및/또는 환자의 해부구조와의 충돌을 피하는 것 등 이차적인 목적을 다루면서 삽입하는 것이 바람직하다. 또한, 기구들이 환자 몸안으로 삽입되어 작업 부위에 도달한 후에는 기구들을 작업공간이 최적화되는 형태로 배치하는 것이 유용하다. 또한, 기구의 작업 단부가 영상 시스템의 시야 내에 잘 배치되는 것이 유용하다. 따라서, 영상 시스템이 작업 부위에서 보길 원하는 지점에 도달한 후 각 기구가 최적 형태로 자동으로 구동되는 것이 바람직하다.

도 38은 의료 장치를 가이드 튜브 내로 철수하기 위해 커플형 제어를 사용하는 예를 예시한다. 장치 중 어느 하나는 직접 제어될 수 있고, 나머지는 간접적으로 제어되어 가이드 튜브 내로 철수되지만, 이 예는 철수를 제어하기 위해 가이드 튜브 조작장치의 가상 자유도(DOF)를 이용한다. 모든 장치가 가이드 튜브와 연결되므로, 모든 장치는 가이드 튜브의 움직임을 따라 움직인다. 그러나, 이 예에서는 가이드 튜브 조작장치가 삽입/철수를 위한 액츄에이터를 갖지 않고, 그래서 가이드 튜브를 제자리에 유지한 상태에서 가이드 튜브 삽입/철수 명령을 각각의 장치 컨트롤러에 보내서 원하는 삽입/철수 방향으로 장치를 이동시킴으로써 가상의 삽입/철수 DOF를 행하고 있다.

3801에서, 가이드 튜브 연결 블록(3402)은 그것의 연계된 의사 조작되는 입력 장치(들)로부터 종래의 시간-샘플링 출력을 주기적으로 수신하며, 이것은 이 경우에는 가이드 튜브가 종축을 따라 뒤로 철수되어야 한다는 것을 나타낸다(예를 들어, 작업 부위로부터 멀리 떨어지도록). 3802에서, 연결 블록(3402)이 수신된 철수 명령을 다른 장치 연결된 컨트롤러에 중계하고, 이들은 차례로 각각의 장치 조작장치에 명령하여 각각의 장치를 현재 위치로부터 원하는 철수 방향으로 철수시킨다.

3803에서, 각각의 장치 컨트롤러(즉, 가이드 튜브 컨트롤러 이외의 것들)는 각각의 장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부가 가이드 튜브의 원단부로부터 역치 거리 "TH" 안에 있는 때를 결정한다. 역치 거리 "TH"는, 예를 들어 가장 근위부 회전 링크의 현재 회전 각도, 입력 장치에서 의사에 의해 명령된 철수 속도, 및 "직선형" 장치와 가이드 튜브의 장치가 연장되는 채널 사이의 간격을 고려하여 결정될 수 있다. 특히, 역치 거리 "TH"는 각각의 장치가 그것이 배치된 각 채널의 단부나 측면에 부딪히지 않고 가이드 튜브 내로 뒤로 철수될 수 있도록 선택된다.

장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부와 가이드 튜브의 원단부 사이의 거리는 원격 중심 "RC"(즉, 가이드 튜브의 선회점)으로부터 가이드 튜브의 원단부까지 연장된 제1 벡터를 결정하고, 장치의 가장 근위부 회전 링크를 결정하고, 원격 중심 "RC"로부터 장치의 가장 근위부 회전 링크를 회전시키는 가장 근위부 조인트까지 연장된 제2 벡터를 결정하고, 제1 벡터와 제2 벡터의 차이로부터 장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부와 가이드 튜브의 원단부 사이의 거리를 결정함으로써 종래의 방식으로 결정될 수 있다.

3804에서, 각각의 장치 컨트롤러(즉, 가이드 튜브 컨트롤러 이외의 것들)는 각각의 장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부가 가이드 튜브의 원단부의 역치 거리 "TH" 안에 있다고 결정되면 그것의 장치를 철수 형태(즉, 장치가 가이드 튜브 내로 완전히 철수될 수 있도록 하는 조인트 및 링크 형태)로 구동시킨다. 장치가 철수 형태로 구동되는 속도는 삽입/철수 명령받은 방향에서 입력 장치의 출력이 변하는 속도에 의해 적어도 일부 결정되며, 이로써 장치와 가이드 튜브의 충돌이 방지된다. 또한, 다른 장치 및/또는 환자와의 가능한 충돌도 방지되어야 하며, 각각의 장치 컨트롤러가 그것의 장치를 철수 형태로 구동시키는 것을 고려한다. 3805에서, 일단 각 장치가 각각의 장치 컨트롤러에 의해서 철수 형태가 된 것으로 결정되면, 장치 컨트롤러는 가이드 튜브에 현재 연계된 입력 장치(들)로부터 내려진 철수 명령에 응하여 각각의 장치가 가이드 튜브의 채널 안에서 철수될 수 있도록 한다.

영상 시스템의 이미지 캡처 단부는 일반적으로 기구보다 가이드 튜브의 원단부에 더 가까이 위치되며, 이로써 기구의 작업 단부와 작업 부위가 영상 시스템의 시야 안에 잘 위치되기 때문에, 영상 시스템의 가장 근위부 회전 링크는 일반적으로 장치 군이 철수될 때 가이드 튜브의 원단부를 지나 연장되어 원단부로부터 역치 거리 "TH"에 도달하게 되는 장치 군의 제1 회전 링크가 될 것이다. 나머지 각 장치의 가장 근위부 회전 링크가 가이드 튜브의 원단부로부터 역치 거리 "TH"에 도달함에 따라, 장치 컨트롤러는 그것의 장치를 철수 형태로 구동시킨다.

3803-3804와 관련하여 설명된 방법의 대안으로서, 장치 컨트롤러가 해당 장치를 그것의 철수 형태로 구동하기 시작하기 전에 각 장치의 가장 근단부 회전 링크가 가이드 튜브의 원단부로부터 역치 거리 "TH"에 도달할 때를 기다리는 것보다, 철수 방향으로 원하는 움직임을 지시하는 명령을 수신하자마자 바로 각각의 장치 컨트롤러가 그것의 장치를 철수 형태로 구동하기 시작할 수 있다. 이 경우, 각 장치 컨트롤러는 환자에 대한 위험 및 다른 장치와의 충돌을 피하면서 채널 내로 진입하기 전에 장치의 어떤 회전 링크가 적절히 정렬되어 장치의 채널로 자유롭게 들어가는 것을 보장하는 방식으로 그것의 장치를 철수 형태로 구동하도록 구성된다.

영상 시스템이 그것의 철수 형태로 구동되는 동안, 영상 시스템 컨트롤러가 연계된 기구의 단부 작동기의 위치에 대한 수신된 정보를 사용해서 그것의 이미지 캡처 단부의 움직임을 명령하고, 단부 작동기가 시야 내에 유지되도록 한다는 것을 유념하는 것이 중요하다. 오퍼레이터가 입력 장치를 움직이면서 표시부 스크린 상에서 이미지 캡처 단부에 의해 캡처된 이미지를 보고 있으므로, 오퍼레이터는 방향을 혼동하고/하거나 입력 장치를 잘못된 방식으로 움직여 그것의 연계된 기구의 철수를 적절히 명령할 수 있다. 이러한 비-직관적인 경험을 상쇄하기 위해서, 주 및 종속 조작장치(즉, 도 23의 블록(302 및 311))의 운동학을 계산하는데 사용된 기준 프레임(즉, 도 23의 블록(303 및 312))이 오퍼레이터가 보는 표시부 스크린에 대한 주 조작장치의 위치/배향이 영상 시스템의 팁(예를 들어, 이미지 캡처 단부의 포인트)에 대한 연계된 기구의 팁(예를 들어, 단부 작동기의 포인트)의 위치와 배향에 항상 상응하도록 변형된다.

장치 컨트롤러가 삽입 명령(즉, 장치를 가이드 튜브의 원단부로부터 멀리 연장되는 방향으로 이동시키라는 명령)을 계속해서 수신하는 경우, 장치 컨트롤러는 장치를 원하는 작동 형태로 자동으로 구동시킬 수 있다. 원하는 작동 형태는 본원에 설명된 다양한 컨트롤러 및 과정을 실행하는 하나 이상의 프로세서와 연계된 메모리 장치에 저장된 바람직한 형태일 수 있다. 또는 달리, 그것은 메모리 장치에 저장된 미리 취해진 작동 형태일 수 있다. 후자의 경우의 예로서, 가이드 튜브를 향한 철수를 개시하기 바로 전의 장치의 작동 형태를 위한 장치 조인트 위치가 메모리 장치에 저장될 수 있으며, 이로써 만일 의사가 장치(또는 도구 교환 과정 후 교체된 장치)의 재삽입을 결정한 경우, 장치 컨트롤러는 해당 장치를 저장된 작동 형태로 다시 자동으로 구동시킬 수 있다.

일부 예에서, 수술 기구는 착탈식이며, 유사한 구조를 갖지만 상이한 수술 작업을 수행할 수 있는 다른 단부 작동기를 지닌 다른 수술 기구로 교체될 수 있다. 따라서, 단일 가이드 튜브가 하나 이상의 상호교환되는 수술 기구들에 사용될 수 있다. 한 예에서 수술 기구의 단부 작동기는 착탈식이며, 서로 쉽게 교환될 수 있다. 다른 예에서는, 클립이나 봉합 재료와 같은 수술 부속품이 파지형 단부 작동기에 제공되어 가이드 튜브가 환자 몸안에 유지된 상태에서 작업 부위까지 송달될 수 있다. 이러한 단부 작동기 교환(또한 본원에서는 "도구 교환"이라고 한다)을 수행하거나, 이러한 수술 부속품을 철수된 파지형 단부 작동기에 제공하는 편리한 방식은 유창식 가이드 튜브를 사용하는 것인데, 여기서는 하나 이상의 컷-아웃이 환자로부터 바깥쪽으로 연장된 부분에서 가이드 튜브에 제공되며, 가이드 튜브의 또 다른 부분은 진입 구멍을 통해서 환자 몸안으로 연장된다.

도 39는 도구 교환이나 작업 부위에 수술 부속품을 송달하는 것과 같은 다른 목적을 위해서 유창식 가이드 튜브 내로 의료 장치를 철수시키기 위해 커플형 제어를 사용하는 예를 예시한다. 이 예에서, 영상 시스템과 적어도 2개의 기구를 포함하는 복수의 장치가 가이드 튜브의 원단부를 통해 그것을 지나 연장된다.

3901에서, 철수 명령이 철수될 기구(본원에서는 "연계된 기구"라고 한다)와 연계된 입력 장치로부터 수신된다. 철수 명령은 연계된 기구를 가이드 튜브의 원단부를 향해서 및/또는 원단부 쪽으로 다시 철수하라는 명령을 내리는 것인 방향으로 입력 장치가 움직임으로써 지시된다. 도 23 및 32와 관련해서 앞서 설명된 대로, 입력 장치의 감지된 조인트 움직임이 기구의 주/종속 제어 시스템에 의해 처리되고, 연계된 기구의 원위부 팁의 결과적인 명령받은 상태가 스케일 및 오프셋 블록의 출력에서 픽-오프되어, 연결 블록을 통해 연계된 기구(그리고 특히 가이드 튜브에서 그것의 배치)를 식별하는 정보와 함께 시스템에 있는 다른 장치의 연결된 컨트롤러 블록에 제공된다.

3902에서, 각각의 연결된 컨트롤러 블록 안에서 그것의 연계된 장치가 연계된 기구와 함께 뒤로 철수되어야 하는지에 대한 결정이 이루어진다. 영상 시스템의 연결된 컨트롤러 블록의 경우, 이 결정이 긍정이면 오퍼레이터는 연계된 기구가 가이드 튜브 안에서 뒤로 철수됨에 따라 연계된 기구의 작업 단부를 계속 볼 수 있다. 다른 장치의 연결된 컨트롤러 블록인 경우, 결정을 내릴 때 각각의 기구가 도구가 교환되고, 수술 부속품이 제공되는 가이드 튜브의 개구로부터 연계된 기구가 단부 작동기에 접근하는 것을 차단하고 있는지를 고려한다. 철수되지 않은 기구가 개구를 통한 연계된 기구의 단부 작동기에 대한 이러한 접근을 차단하는 경우, 차단 기구의 연결된 컨트롤러 블록에 대한 결정도 역시 긍정일 수 있다. 한편, 비-차단 기구의 연결된 컨트롤러 블록에 대한 결정은 부정일 수 있다.

다음에, 3903에서, 긍정의 결정이 내려진 연결된 컨트롤러 블록이 수신된 철수 명령을 각각의 컨트롤러에 중계하고, 이것은 차례로 현재 위치로부터 원하는 철수 방향으로 각자의 장치(본원에서는 "연결된 장치"라고 한다)를 철수할 것을 각각의 장치 조작장치에 명령한다.

3904에서, 각각의 철수 장치 컨트롤러(연계된 장치와 연결된 장치 둘 다에 대한)가 도 38의 3803과 관련하여 설명된 방식으로 각각의 장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부가 가이드 튜브의 원단부로부터 역치 거리 "TH" 안에 있는 때를 결정한다.

다음에, 3905에서, 각각의 장치 컨트롤러는 각각의 장치의 가장 근위부 회전 링크의 근단부가 도 38의 3804와 관련하여 설명된 방식으로(거기서 설명된 움직이는 영상 시스템을 보상하는 것을 포함해서) 가이드 튜브의 원단부로부터 역치 거리 "TH" 안에 있다고 결정되면 그것의 장치를 철수 형태(즉, 장치가 가이드 튜브 내로 완전히 철수될 수 있도록 하는 조인트 및 링크 형태)로 구동시키도록 각각의 장치 조작장치에 명령한다.

3906에서, 일단 철수될 각 장치가 각각의 장치 컨트롤러에 의해서 그것의 철수 형태가 되었다고 결정되면, 장치 컨트롤러는 각각의 장치가 입력 장치로부터 내려진 철수 명령에 응하여 가이드 튜브의 채널 내로 철수될 수 있도록 한다.

3907에서, 오퍼레이터가 연계된 기구의 단부 작동기가 유창식 가이드 튜브의 개구에 대해 적절한 위치에 있다고 결정하면, 입력 장치와 그에 따른 연계된 기구의 움직임이 중지된다. 그러나, 영상 시스템은 계속 움직여서 연계된 기구의 단부 단동기가 시야 안에 적절히 있도록 보장할 수 있다. 또한, 차단 기구도 유창식 가이드 튜브의 개구를 통한 연계된 기구의 단부 작동기에 대한 접근을 더 이상 차단하지 않을 때까지 계속 움직인다. 개구로부터 연계된 기구의 단부 작동기에 대한 접근이 분명해진 후, 영상 시스템으로 연계된 기구의 단부 작동기의 거동을 보면서 단부 작동기의 교환이 수행될 수 있고/있거나, 수술 부속품이 단부 작동기에 제공될 수 있다.

도 40은 가이드 튜브로부터 의료 장치를 연장하여 그것을 작업 부위를 향해 삽입하기 위해 커플형 제어를 사용하는 예를 예시한다. 장치 중 어느 하나는 직접 제어될 수 있고, 나머지는 간접적으로 제어되어 작업 부위를 향해 삽입되지만, 이 예에서는 영상 시스템이 직접 제어되어 삽입되고, 기구들은 커플형 제어를 통해 간접적으로 제어되어 영상 시스템의 이미지 캡처 단부를 쫓는다고 가정한다. 영상 시스템을 사용해서 삽입을 이끄는 것은 의사가 작업 부위를 향하는 경로를 볼 수 있기 때문에 유익하다.

삽입 동안 제어는, 예를 들어 da Vinci® 수술 시스템에서의 원격조작 내시경 제어와 유사한 방식으로 달성될 수 있다. 한 양태에서, 의사는 한쪽 또는 양쪽 마스터로 이미지를 움직인다. 의사는 마스터를 사용하여 이미지를 나란히 움직이고 자신을 향해 잡아당기며, 계속해서 영상 시스템과 연계된 기구 조립체(예를 들어, 가요성 가이드 튜브)에 명령하여 출력 표시부 상의 고정된 중심점을 향해 조종하여 환자 몸안에서 전진시킨다. 한 양태에서, 카메라 제어는 da Vinci® 수술 시스템에서처럼 마스터가 이미지에 고정됨으로써 해당 이미지가 마스터 핸들이 움직이는 것과 동일한 방향으로 움직인다는 인상을 주도록 설계된다. 이런 디자인은 마스터가 정확히 위치되도록 해서 의사가 카메라 제어를 그만둔 때도 기구를 제어할 수 있도록 하며, 계속해서 기구 제어를 시작하거나 재개하기 전에 마스터를 다시 제자리로 클러치(해제)하고 움직이고 클러치 해제(맞물림)할 필요가 없게 된다. 일부 양태에서, 마스터 위치는 마스터 작업공간이 커지는 것을 피하기 위해서 삽입 속도에 비례할 수 있다. 또는 달리, 의사는 마스터를 클러치하고 클러치 해제함으로써 삽입에 랫칭 기능을 사용할 수 있다. 일부 양태에서, 삽입(예를 들어, 식도를 통해서 들어갈 때 성문을 지나서)은 수동 제어될 수 있고(예를 들어, 손으로 작동되는 휠), 이후 수술 기구 조립체의 원단부가 수술 부위 근처에 가게 되면 자동 삽입(예를 들어, 서보모터 구동 롤러)이 행해진다. 삽입 궤적에 이용되는 환자의 해부학적 구조 및 공간에 대한 수술전 또는 실시간 이미지 데이터(예를 들어, MRI, 엑스선)를 사용하여 삽입을 보조할 수 있다.

4001에서, 영상 시스템 컨트롤러가 연계된 입력 장치로부터 삽입 명령을 수신한다. 4002에서 영상 시스템 컨트롤러는 삽입 명령에 응하여 영상 시스템을 움직이도록 영상 시스템 조작장치에 명령하고, 4003에서는 영상 시스템 컨트롤러가 움직임 명령을 다른 장치 연결된 컨트롤러에 제공하며, 이들은 또한 영상 시스템의 명령받은 움직임에 응하여 움직이도록 각각의 장치에 명령한다. 4004에서, 영상 시스템 컨트롤러는 영상 시스템의 이미지 캡처 단부가 원하는 위치에 도달했는지를 결정한다. 이런 결정은 프로그램된 기준에 기초하여 자동으로 수행될 수 있거나, 아니면 현재 영상 시스템과 연계된 입력 장치의 버튼을 누르는 등의 의사가 취하는 행동을 통해서 지시될 수 있다. 4005에서, 영상 시스템 컨트롤러가 영상 시스템의 이미지 캡처 단부가 원하는 위치에 도달했다는 결정을 내린 후, 그것은 이러한 지시를 기구 연결된 컨트롤러(예를 들어, 기구가 전개된 상태인지와 집중 커플형 모드 구조가 사용되었는지 분산 커플형 모드 구조가 사용되었는지에 따라서, 동작 컨트롤러(2202) 또는 기구 최적화장치/컨트롤러(2224a, 2224b, 2224c))에 제공하고, 이로써 그것에 응하여 기구 컨트롤러는 기구를 최적 작동 형태로 움직이도록 각각의 기구 조작장치에 명령한다. 이 경우, 최적 작동 형태로 장치를 배치하는 것은 일반적으로 기구의 작업 단부를 영상 시스템의 시야 안에 위치시키고, 기구의 작업공간을 최적화하는 것을 포함한다(예를 들어, 도 18에 도시된 것과 같다).

본원에 설명된 커플형 제어 모드의 예들로부터 분명한 대로, 동작 코디네이터 또는 장치 최적화장치/컨트롤러에 제공되는 모든 위치 정보가 사용되는 것은 아니다. 따라서, 장치 컨트롤러 간에 필요한 것보다 많은 정보가 전달되면 그 중 일부는 무시되거나, 또는 필요한 정보만 전달된다. 도 30-31의 설명은 전자의 경우를 나타낼 수 있지만, 본원에 설명된 실시형태들은 후자의 경우에도 적용될 수 있다는 것이 인정되어야 한다.

또한, 영상 시스템의 이미지 캡처 단부가 연결된 장치로서 움직일 때는 언제나 주/종속 원격작동에 맞춰 의사에 의해 사용되는 영상 기준 프레임이 변하며, 이러한 변화는 정밀한 수술 동작을 수행할 수 있는 의사의 능력에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 경우, 영상 시스템의 이미지 캡처 단부의 큰 동작을 위해서 여러 행동이 취해질 수 있다. 예를 들어, 입력 장치에 촉각적 피드백이 제공되어 의사가 적절한 행동을 취하도록 보조할 수 있거나, 가이드 튜브의 원단부로부터 연장된 장치에 대해 컴퓨터 생성된 보조 화면이 안정된(예를 들어, 고정된) 투시거리에서 제공되어 주/종속 원격작동을 위해 의사에 의해 믿고 사용될 수 있거나, 또는 영상 시스템에 의해 캡처된 이미지가 실시간으로 변형되어 의사 콘솔 상에 표시되는 변형된 이미지에 따라 직관적으로 정확한 주/종속 맵핑을 유지할 수 있다.

다양한 최소 침습 수술 시스템, 조립체, 및 기구와 연계된 구성요소들의 예들에 관한 이들 설명은 제한으로 해석되어서는 안 된다. 본원에 설명된 양태들을 통합한 많은 변형이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 강직성 및 가요성 기구 및 기구 구성요소들의 다양한 조합, 및 가이드 튜브 및 가이드 튜브 구성요소들의 다양한 조합이 본 명세서의 범위 내에 들어간다. 청구항이 본 발명을 한정한다.

Claims (15)

1. 시스템으로서,
   베이스를 제어하도록 구성된 제1 조작장치;
   베이스에 연결된 제1 장치를 제어하도록 구성된 제2 조작장치; 및
   하나 이상의 컨트롤러를 포함하고,
   하나 이상의 컨트롤러는,
   베이스에 대한 제1 명령받은 움직임을 결정하고,
   제1 조작장치가, 베이스의 움직임을 야기하는 제1 명령받은 움직임에 기초하여 움직이도록 명령하고,
   베이스의 움직임에 응하여 제2 조작장치에 대한 제2 명령받은 움직임을 결정하여 원하는 위치에 제1 장치의 작업 단부를 유지하고, 원하는 위치는 오퍼레이터에 의해 명령받은 작업 단부의 위치에 기초하여 결정되고,
   제2 조작장치가 제2 명령받은 움직임에 기초하여 움직이도록 명령하도록 구성되는, 시스템.
2. 제1항에 있어서, 베이스는 가이드 튜브인, 시스템.
3. 제2항에 있어서, 제1 장치는 가이드 튜브 내에 배치되고, 가이드 튜브의 원단부 너머로 연장 가능하도록 구성되는, 시스템.
4. 제1항에 있어서, 제1 장치는 기구 또는 영상 시스템인, 시스템.
5. 제1항에 있어서, 제1 장치는 베이스가 움직임에 따라 움직이는, 시스템.
6. 제1항에 있어서, 작업 단부는 제1 장치의 원위부 팁에 대응하는, 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 오퍼레이터에 의해 명령받은 작업 단부의 위치는 입력 장치의 움직임에 기초하여 결정되는, 시스템.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 원하는 위치는 베이스가 움직이기 전의 작업 단부의 위치에 기초하여 결정되는, 시스템.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 컨트롤러는 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러를 포함하고,
   제1 컨트롤러는 연결 블록을 통해 제2 컨트롤러에 연결되는, 시스템.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 입력 장치를 더 포함하고,
    제1 명령받은 움직임을 결정하기 위해, 하나 이상의 컨트롤러는,
    하나 이상의 입력 장치의 움직임을 감지하고,
    하나 이상의 입력 장치의 감지된 움직임에 기초하여 제1 명령받은 움직임을 결정하도록 구성되는, 시스템.
11. 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 방법을 수행하도록 하는 소프트웨어를 저장하는 메모리로서,
    방법은,
    베이스에 대한 제1 명령받은 움직임을 결정하는 단계;
    제1 조작장치가, 베이스의 움직임을 야기하는 제1 명령받은 움직임에 기초하여 움직이도록 명령하는 단계;
    베이스의 움직임에 응하여 제2 조작장치에 대한 제2 명령받은 움직임을 결정하는 단계로서, 제2 조작장치는 제1 장치를 제어하도록 구성되고, 제1 장치는 베이스에 연결되고, 제2 명령받은 움직임은 원하는 위치에 제1 장치의 작업 단부를 유지하고, 원하는 위치는 오퍼레이터에 의해 명령받은 작업 단부의 위치에 기초하여 결정되는 단계; 및
    제2 조작장치가 제2 명령받은 움직임에 기초하여 움직이도록 명령하는 단계를 포함하는, 소프트웨어를 저장하는 메모리.
12. 제11항에 있어서,
    베이스는 가이드 튜브이고,
    제1 장치는 가이드 튜브 내에 배치되고,
    제1 장치는 가이드 튜브의 원단부 너머로 연장 가능하도록 구성되는, 소프트웨어를 저장하는 메모리.
13. 제11항에 있어서, 제1 장치는 기구 또는 영상 시스템인, 소프트웨어를 저장하는 메모리.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 원하는 위치는,
    제2 입력 장치의 움직임에 의해 결정된 작업 단부의 명령받은 위치; 또는
    베이스가 움직이기 전의 작업 단부의 위치에 기초하여 결정되는, 소프트웨어를 저장하는 메모리.
15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 명령받은 움직임을 결정하는 단계는,
    하나 이상의 입력 장치의 움직임을 감지하는 단계; 및
    하나 이상의 입력 장치의 감지된 움직임에 기초하여 제1 명령받은 움직임을 결정하는 단계를 포함하는, 소프트웨어를 저장하는 메모리.

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