KR102447295B1

KR102447295B1 - 가요성 의료 기기

Info

Publication number: KR102447295B1
Application number: KR1020177009144A
Authority: KR
Inventors: 사무엘 궈 웨이 아우
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2022-09-26
Also published as: US20170281288A1; EP3191008A4; JP2017526461A; US11666398B2; KR20170052625A; US20230338100A1; US20200268463A1; EP3191008B1; US10709514B2; EP4091572A1; EP3191008A1; JP6667510B2; CN106794045A; WO2016040079A1; CN106794045B

Abstract

폐 카테터 또는 기관지 내시경과 같은 가요성 기기를 구비하는 의료 시스템은 삽입의 직접적인 수동 제어가 기기의 일부의 배향 또는 강성과 같은 기기 특성의 컴퓨터-보조 제어와 함께 사용될 수 있는 제어 모드를 제공한다. 수동 삽입 제어를 촉진하기 위해, 기구는 삽입축을 따르는 이동을 위해 저관성 및 마찰을 제공할 수 있다. 일 실시예는 삽입 압력의 제어를 위한 기기의 수동 파지부, 컴퓨터-보조 조향을 위한 조이스틱 또는 기타 입력 장치, 및 기기의 강성 또는 순응성의 제어를 위한 풋 페달을 사용한다. 다른 실시예는 컴퓨터-보조 조향 및 기기의 강성 또는 순응성 제어를 위한 조이스틱을 사용한다.

Description

가요성 의료 기기{FLEXIBLE MEDICAL INSTRUMENT}

본 특허 출원은, 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되고 발명의 명칭이 "가요성 의료 기기(FLEXIBLE MEDICAL INSTRUMENT)"인 2014년 9월 9일자 미국 가특허출원 제62/048,194호에 대해 우선권 및 그 이익을 청구한다.

로봇식 의료 장치는 의료 처치 도중에 많은 이점을 갖는다. (본 명세서에서 사용될 때, 용어 "로봇식" 또는 "로봇식으로(robotically)" 등은 원격조작 또는 원격로봇식 양태를 포함한다.) 특히, 로봇식 의료 장치에서의 컴퓨터 제어는 생검 바늘, 메스 또는 클램프와 같은 도구의 보다 안정적이고 보다 정밀한 운동을 제공할 수 있다. 최소 침습성 의료 처치를 위해서, 컴퓨터 제어는 또한 도구의 기계 적시스템이 쉽게 수동 조작 가능할 필요가 없거나 직관적으로 조작할 필요가 없기 때문에 도구의 소형화를 촉진할 수 있는데 그 이유는 컴퓨터화된 제어 시스템이 복잡하거나 둔감한 기계적 시스템 또는 인터페이스에 적응할 수 있고 인간 조작자에게 사용하기 쉬운 사용자 인터페이스를 여전히 제공할 수 있기 때문이다.

미국특허출원공개공보 US 2013/0096497 A1 (2013.04.18.)

로봇식 의료 장치 및 그 사용자 인터페이스에서의 한 가지 어려움은 인적 담당자에게 햅틱(haptic) 또는 촉각 피드백을 제공하는 것이다. 특히, 수동 조작되는 의료 기기의 햅틱 피드백과 유사하거나 동등한 햅틱 피드백을 컴퓨터화된 시스템의 입력 장치에 제공하는 것은 어려울 수 있다. 햅틱 피드백이 중요한 상황의 일 예는 폐 카테터, 기관지 내시경(bronchoscope), 생검 기기, 또는 기타 유사한 의료 장치와 같은 기기가 기도 또는 기타 분기형 또는 나선형 자연 내강을 통해서 항행하는(navigate) 동안이다. 특히 기도를 통한 기기의 삽입은 기기의 추가 전진에 대한 저항을 증가시키는 도전을 겪을 수 있다. 기기의 선단은 예를 들어 기도가 구부러지거나 꺾이는 곳에서 재배향될 필요가 있을 수 있다. 의사 또는 다른 의료 시술자가 수동으로 삽입 압력을 인가하는 것으로부터 받을 수 있는 햅틱 또는 촉각 느낌은 시술자에게 기기와 기도의 상호 작용에 대한 안내 및 통찰력을 제공한다. 시술자는 이후 예를 들어 더 많은 삽입력을 인가하거나, 기기를 재배향하고 기도 내의 마찰을 줄이기 위해 토크 또는 비틀림을 인가하거나, 기기를 부분적으로 또는 완전히 후퇴시킴으로써 기기를 더 전진시킬지 또는 어떻게 더 전진시킬지를 더 잘 판단할 수 있다. 촉감은 시술자가 이러한 결정 중에 이용하는 중요하거나 결정적인 인자일 수 있다. 그러나, 로봇 제어되는 표준 기기 삽입 기술은 시술자에게 촉각 또는 햅틱 피드백을 전혀 또는 거의 제공하지 않거나 부정확한 피드백을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 로봇 제어되는 기기는 기기의 삽입을 위해 매우 저관성 및 저마찰 구동을 제공할 수 있다. 기기의 삽입 중에, 특히 기도 항행 중에, 기기의 삽입 구동 모터는 꺼져있거나, 작동하지 않거나, 관성을 효과적으로 최소화하는 방식으로 작동할 수 있으며, 시술자는 기기의 삽입을 직접 수동으로, 예를 들어 체험적으로 제어할 수 있다. 동시에, 시술자는 기기의 원위 선단의 배향을 제어하기 위해 기기의 로봇식 피치-요(pitch-yaw) 구동 시스템을 사용할 수 있다. 예를 들어, 시술자는 기기의 원위 부분의 수동 조작을 통해서 삽입 압력을 인가할 수 있고, 조이스틱 또는 기타 입력 장치를 통해서 시술자 입력을 수신하는 컴퓨터 인터페이스를 통해서 선단 배향을 제어할 수 있다. 능동 컴퓨터 제어되는 시스템은 기기의 강성 제어와 같은 추가 제어 능력을 시술자에게 추가로 제공할 수 있다. 특히, 시술자는 기기의 삽입된 길이, 기기의 선단, 또는 기기의 임의의 부분의 강성을 제어할 수 있으며, 기기가 기기의 현재 경로에 합치될 수 있도록 강성을 감소시킬 수 있거나 삽입 압력을 더 잘 인가하기 위해 기기의 강성을 증가시킬 수 있다.

기기 강성은 제어 기기가 이 기기 내의 작동 힘줄 또는 기타 구조물에서의 장력을 제어하기 위해 사용하는 방식 또는 공정을 통해서 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 풋 페달(foot pedal) 또는 기타 전용 입력 장치는 가요성 기기의 강성의 사용자 제어를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서는, 사용자가 기기를 조향하기 위해 조작할 수 있는 조이스틱 또는 기타 입력 장치 또한 강성 제어를 제공할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치는 중앙 또는 중립 위치, 예를 들어 사용자가 입력 장치를 해제시킬 때 입력 장치가 차지하는 위치를 가질 수 있으며, 입력 장치가 중립 위치에 있을 때 기기의 제어 시스템은 이 기기를 저강성 상태로 둘 수 있다. 따라서, 자연 내강에 기기를 삽입할 때 저항을 겪는 사용자는 가요성 기기가 이완되어 자연 내강의 형상에 합치될 수 있게 하기 위해 입력 장치를 간단히 해제시킬 수 있다. 기기가 이완 및 합치된 후에는, 추가 삽입에 대한 저항이 크게 감소될 수 있다.

이러한 제어 시스템은 사용자에게 선단 강성의 직관적 제어를 제공할 수 있다. 예를 들어, 페달 스트로크가 선단 강성에 비례하는 풋 페달과 같은 추가적 또는 전용의 입력 장치의 사용은 사용자에게 강성을 구체적으로 제어하기 위한 간단하고 자연스러운 방법을 제공한다. 선단의 배향을 제어하기 위해 조이스틱 또는 기타 입력 장치가 여전히 사용될 수 있다. 대안적으로, 조이스틱과 같은 단일 입력 장치의 조작은 강성 및 배향 제어를 둘 다 제어할 수 있다. 예를 들어, 강성 제어를 실시하기 위한 한 가지 방법은 예를 들어 스프링 로딩된 기구를 갖는 중심 위치에 대한 조이스틱 위치를 선단 강성 및 상대 배향에 맵핑시키는 것이다. 개별 강성 제어와 통합 매니퓰레이터 및 강성 제어의 조합도 사용될 수 있다.

도 1은 삽입 압력의 직접적인 수동 제어 및 의료 기기의 다른 특성의 컴퓨터 보조 제어를 가능하게 하는 실시예의 시스템의 개략도이다.
도 2는 의료 기기의 항행 공정의 흐름도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 의료 시스템의 블록도이다.
도 4는 가요성 기기의 원위 선단의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 가요성 기기의 조향 및 강성을 제어하기에 적합한 조이스틱의 도시도이다.
도면은 설명을 위한 예를 도시하는 것이며 발명 그 자체는 아니다. 여러 도면에서 동일한 참조 부호의 사용은 유사하거나 동일한 부분을 나타낸다.

폐 카테터 또는 기관지 내시경과 같은 가요성 기기를 포함하는 의료 시스템은 기도와 같은 자연 내강의 항행을 위한 다중 제어 모드를 제공할 수 있다. 컴퓨터 보조 제어 모드에서, 사용자는 입력 장치를 조작하여 컴퓨터 시스템이 가요성 기기의 조향 및 삽입을 위해 액추에이터를 제어하게 만들 수 있다. 반-로봇식 제어 모드에서, 사용자는 삽입 압력을 직접 수동 제어할 수 있으며 동시에 선단 배향 또는 기기 견고성 또는 강성과 같은 기기 특성의 컴퓨터 보조식 또는 기계 작동식 제어를 위해 입력 장치를 조작할 수 있다. 수동 제어를 촉진하기 위해, 로봇 제어되는 기기의 조향 구동 기구는 저관성 및 저마찰 삽입 기구에 장착될 수 있고, 삽입 구동 기구는 후퇴 구동될 수도 있으며, 이는 시술자가 기기와 기도 사이의 상호 작용을 인지할 수 있게 하는 촉감을 보존하면서 기기가 수동으로 조작될 수 있게 한다. 일반적으로, 후퇴 구동 가능한 기기는 액추에이터 기구가 꺼져있을 때 사용자가 수동으로 조작 또는 작동시킬 수 있는 작동 부분을 갖는 기기이다. 따라서 사용자는 특정한 양의 직접 인가되는 노력이나 힘으로 기기의 일부를 직접 조작할 수 있다. 기기의 수동 조작, 예를 들어 수동 삽입은 일반적으로 기기와 환자 조직 사이의 상호 작용에 대한 직접적인 촉감을 부여한다. 조향 구동 기구는 기기의 원위 선단의 피치 및 요 배향을 조작할 수 있으며, 조이스틱과 같은 입력 장치를 조작함으로써 정밀하게 제어될 수 있다. 컴퓨터 보조 제어 시스템은 또한 기기의 전부 또는 일부, 예를 들면 기기의 원위 선단 근처의 길이부의 강성을 조작하거나 제어할 수 있다. 강성 제어는 사용자가 선단 배향을 독립적으로 제어하고 기기를 수동으로 삽입하는 한편, 기기의 피제어부의 강성을 변경할 수 있게 하는 풋 패드 또는 페달과 같은 별도의 입력 장치를 통해 실시될 수 있다. 예를 들어, 풋 페달은 페달이 밟히지 않는 해제 위치를 가질 수 있으며, 이 위치에서 후단(backend) 기구는 고강성을 갖는 선단 제어 모드를 제공하는 한편, 페달을 밟거나 로딩하면 기기의 원위 부분의 강성을 원위 부분의 최저 강성, 즉 최고 순응성 상태까지 감소시킬 수 있다. 컴퓨터 보조 조향 및 강성 제어를 위한 별도 입력 장치의 대안으로서, 조이스틱과 같은 단일 입력 장치가 기기의 원위 선단의 조향, 예를 들면 강성과 피치 및 요 배향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치가 원위 선단의 피치 또는 요 각도가 증가되어야 한다고 나타낼 때 제어 시스템은 기기의 원위 선단의 강성을 증가시킬 수 있다.

도 1은 폐 카테터, 기관지 현미경, 또는 삽입축을 갖는 임의의 다른 가요성 기기와 같은 로봇-제어되는 기기(110)를 구비하는 의료 시스템(100)의 일 실시예의 개략도이다. 삽입축은 환자(120) 내로의 기기(110)의 원위 선단(112)의 추가 이동 또는 환자(120)로부터 기기(110)의 원위 선단(112)의 후퇴에 대응한다. 예를 들어, 기기(110)는 환자(120)의 폐 내의 부위에서 수행되는 생검과 같은 시술에 사용되는 폐 카테터일 수 있으며, 의사 또는 다른 의료 기술자와 같은 사용자(130)는 기기(110)를 환자(120)의 입을 통해서 삽입하고 입에서부터 원위 선단(112)을 기도를 통해서 환자(120)의 폐 안에 있을 수 있는 표적 부위로 항행시키기 위해 컴퓨터 시스템(140)의 도움으로 기기(110)를 제어할 수 있다.

도시된 실시예에서의 기기(110)는 본 명세서에서 후단 기구(118)로 지칭되기도 하는 구동 기구(118)를 구비하며, 이는 컴퓨터 시스템(140)으로부터의 전기 작동 신호를 기기(110) 내의 운동학적 응답으로 변환하고 그리고/또는 기기(110)로부터의 센서 신호를 컴퓨터 시스템(140)에 중계한다. 기구(118)는 특히 액추에이터를 구비할 수 있고 기기(110) 내의 조인트와 같은 기계적 시스템의 조작 또는 작동을 위한 기계적 인터페이스를 구비할 수 있다. 기구(118)의 일 실시예는 액추에이터 모터의 회전을 기구(118)로부터 기기(110)의 길이를 따라서 배치될 수 있는 하나 이상의 조인트로 또는 원위 선단(112)에 배치될 수 있는 도구로 연장되는 케이블 또는 힘줄의 운동 또는 장력으로 변환하는 변속기를 구비한다. 기기(110)가 폐 카테터인 예시적 실시예에서, 기기(110)의 일부(114)에서의 조인트는 원위 선단(112)의 위치와 배향 및 원위 부분(114)의 견고성 또는 강성을 제어하기 위해 구동 기구(118)에 의해 작동, 예를 들면 굴곡 또는 만곡될 수 있다. 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되는 "위치 측정을 제공하는 의료 기기에서의 구동력 제어(Drive Force Control in Medical Instrument Providing Position Measurements)"라는 명칭의 2011년 11월 17일자 미국 특허 공개 제20110282491호 및 "다관절 의료 기기의 작동시의 장력 제어(Tension Control in Actuation of Multi-Joint Medical Instruments)"라는 명칭의 2012년 5월 17일자 미국 특허 공개 제2012/0123441호는 카테터와 같은 가요성 기기의 선단 배향 및 강성을 제어하기 위한 일부 적절한 컴퓨터 보조 제어 시스템 및 방법을 추가로 기술한다.

컴퓨터 시스템(140)은 기기(110)로부터 수신된 센서 신호에 기초하여, 예를 들면 기구(118)의 컴퓨터 인터페이스를 통해서, 그리고 하나 이상의 사용자 인터페이스 또는 입력 장치로부터의 제어 신호에 기초하여 작동 신호를 생성하기에 적합한 프로그램을 실행할 수 있다. 도 1은 컴퓨터 시스템(140)에 제어 정보를 제공하기 위해 사용자(130)가 조작하는 두 개의 입력 장치, 즉 조이스틱(142) 및 풋 페달(144)을 구비하는 실시예를 도시한다. 특히, 사용자(130)는 컴퓨터 시스템(140) 및 구동 기구(118)가 원위 선단(112)의 피치 및 요 각도를 변화시키도록 조이스틱(142)을 조작할 수 있고 컴퓨터 시스템(140) 및 구동 기구(118)가 기기(110)의 적어도 일부(114)의 강성을 변화시키도록 풋 페달(144)을 조작할 수 있다. 특히, 풋 페달(144)은 컴퓨터 시스템(140)에 비례 또는 역비례 제어 신호를 제공할 수 있으며, 이는 선단(114)의 강성을 조절한다. 하나의 경우에, 사용자(130)가 페달(144)을 세게 누를수록, 선단(114)은 더 순응적으로 된다. 페달(144)이 완전히 눌려지면, 선단(114)은 완전히 늘어진 상태, 예를 들어 그 가장 순응적인 상태로 변할 수 있다. 다른 경우에, 선단(114)은 사용자(130)가 페달(144)을 더 누를수록 더 강인해질 수 있고, 페달(144)이 전혀 눌리지 않을 때 그 가장 순응적인 상태에 있을 수 있다. 강성은 기타 입력 장치를 사용하여 제어할 수 있다. 특히, 후술하듯이, 조향 및 강성은 조이스틱(142)과 같은 단일 입력 장치를 통해 제어될 수 있고, 풋 페달(144)은 생략될 수 있다.

기구(118)는 기기(110)의 삽입 또는 제거를 위해 기기(110)의 길이를 따라서 힘을 인가하도록 작동 가능한 삽입 구동 시스템(150)을 추가로 구비한다. 삽입 구동 시스템(150)은 컴퓨터 시스템(140)이 삽입 구동 시스템(150)의 작동 운동을 제어하는 작동 신호를 발생시키는 컴퓨터 보조 모드 및 사용자(130)가 기기(110)와 직접 접촉하고 삽입축을 따르는 기구(118)의 이동을 수동으로 제어하는 수동 모드로 작동할 수 있다.

삽입 구동 시스템(150)은 삽입 방향으로의 이동을 위해 낮은 저항 및 저관성을 갖는 기구(118)를 이상적으로 제공한다. 도시된 실시예에서, 삽입 구동 시스템(150)은 트랙 또는 램프(152) 및 트랙(152)과 결합하는 구동 휠(154)을 구비한다. 기구(118) 내의 구동 모터 또는 기타 액추에이터(도시되지 않음)는 기기(110)의 적어도 일부를 트랙(152)을 따라서 이동시키기 위해 휠(154)을 회전시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 트랙(152)은 기구(118) 상의 중력 및 결과적인 삽입 압력을 제어하기 위해 조절 가능한 경사 각도를 가질 수 있다. 특히, 트랙(152)은 삽입 방향으로의 기기 선단(112)의 이동에 저항하는 마찰을 극복하거나 저항을 최소화하기 위해 고정되는 경사 각도(θ)로 설정될 수 있다. 대안적으로, 트랙(152)의 경사 각도(θ)는 사용자(130)가 기기(110)를 수동으로 안내하는 방향에 따라서 또는 삽입력을 제어하기 위해 동적으로 조절될 수 있다. 따라서 경사 각도(θ)는 예를 들어 기기(110)의 삽입에 저항하는 관성 또는 마찰을 최소화하기 위해 처치가 시작되거나 조절되기 전에 설정될 수 있다.

컴퓨터 보조 모드의 일 실시예에서, 삽입 구동 시스템(150)의 액추에이터 구동은 삽입 압력의 전부를 제공한다. 수동 모드의 일 실시예에서, 삽입 구동 시스템(150)에서의 액추에이터 구동은 비활성 상태가 아니다. 수동 삽입 모드 작동은 예를 들어 구동 휠(154)이 수동 삽입 모드에서 프리휠링하도록 삽입 구동 시스템에서 구동 모터를 턴오프 또는 비활성화시킴으로써 제공될 수 있다.

시스템(100)을 위한 하나의 작동 기술은 기기(110)의 컴퓨터 보조 작동을 사용하여 선단(112)의 배향 및 기기(110)의 강성을 제어하면서 기기(110)의 삽입을 수동으로 제어하는 단계를 포함한다. 도 2는 기기(110)가 환자(120)의 기도 내의 특정 부위로 항해될 필요가 있는 폐 카테터일 때 시스템(100)의 작동을 위한 하나의 공정(200)의 흐름도이다. 기도 항행 중에, 사용자(130)는 원위 선단(112)의 배향을 제어함으로써 카테터(110)를 조향한다. 예를 들어, 사용자(130)는 원위 선단(112)에서 비전 시스템(도시되지 않음)에 의해 캡처된 기도의 3D 이미지 또는 원위 선단(112)의 위치를 나타내는 센서 정보의 디스플레이를 도시하는 입체 관찰(viewing) 시스템(145)을 사용할 수 있으며, 이러한 관찰 또는 위치 정보에 기초하여 사용자(130)는 원위 선단(112)이 카테터(110)가 추종해야 하는 기도를 향해서 또는 기도를 따라서 배향될 때까지 조이스틱(142) 또는 기타 입력 장치를 조작함으로써 블록 210으로 도시되는 원위 선단(112)을 조향할 수 있다. 이후 사용자(130)는 기기(110)의 일부를 파지하고 삽입 방향으로 기기(110)에 압력을 인가함으로써 블록 220에 도시하듯이 삽입 압력을 수동으로 인가할 수 있다. 사용자(130)는 예를 들어 한 손으로 기기(110)에 삽입 압력을 수동으로 인가하는 동시에 다른 손을 사용하여 조이스틱(142)을 조작하여 원위 선단(112)을 조향하는 것을 지속할 수 있다.

삽입 과정 중에, 카테터-조직 상호작용이 발생할 수 있으며 이는 기도 내의 카테터 전진을 방지하거나 막을 수 있다. 사용자(130)가 삽입 압력을 수동으로 인가하는 동안, 사용자(130)는 인가되는 삽입 압력의 양과 저항을 감지할 수 있고, 블록 230에 도시하듯이 삽입 저항이 예를 들어 사용자(130)가 상황에 대해 너무 높다고 판단하는 수준까지 증가했는지를 결정할 수 있다. 저항이 너무 높으면, 예를 들어 카테터가 조직에 걸리면, 예를 들어 타이트한 내강에 꽉끼이면, 사용자(130)는 블록 240에 도시하듯이 카테터(110)의 강성을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 사용자(130)는 풋 페달(144) 또는 다른 입력 장치를 조작하여 기기(110)의 적어도 원위 부분(114)의 견고성 또는 강성의 레벨을 감소시킬 수 있다. 일부 의료 시스템에서, 카테터 선단의 강성은 사용자 입력에 대한 액추에이터 응답을 결정하는데 사용되는 적용된 제어 비례 게인 파라미터와 같은 제어 파라미터와 동등할 수 있다. 다른 의료 시스템에서, 기기(110)는 강성을 변화시키기 위해 로크되거나 이완될 수 있는 조인트를 가질 수 있다. 강성을 제어하기 위한 특정 기구에 관계없이, 원위 부분(114)은 블록(240)의 실행 중에 고도로 순응적으로 될 수 있으며, 이는 원위 부분(114)이 이완되게 할 수 있고 기기(110)가 머무르는 기도의 형상에 대한 기기(110)의 형상에 합치되게 할 수 있다. 부분(114)이 이완되면, 기도의 벽에 대한 기기(110)의 마찰이 급격하게 저하될 수 있다. 이후 기기(110)의 원위 선단(112)은 조향(블록 210)이 재개되기 전에 또는 후에 블록 250에서 압력을 수동으로 인가함으로써 삽입될 수 있다. 블록 240에서 선단을 이완시키는 것은 일반적으로 삽입 압력이 인가될 때 카테터와 같은 기기가 내강 방향을 따라서 전진할 수 있게 할 것이다. 조향이 재개되면, 사용자는 조향이 가능하도록 강성을 증가시키기 위해 풋 페달(144)을 사용(예를 들면, 해제)할 수 있거나 또는 사용자가 예를 들어 기도 항행을 위해 선단의 배향을 변경할 필요가 있을 때까지 기기를 저강성 상태로 계속 전진 이동시킬 수 있다.

시스템(100) 및 공정(200)은 원위 선단(112)의 피치-요 배향의 로봇 제어되는 기기 조향의 정밀 장점을 제공하는 한편, 사용자(130)에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 기기(110)가 기도와 같은 내강에 걸리면, 사용자(130)는 저항을 직접 즉시 느낄 수 있으며, 선단(112)의 방향 또는 배향을 조절함으로써 또는 원위 선단(112)이 조직을 손상시키거나 조직에 부딪히지 않으면서 타이트한 내강 내로 쉽게 슬라이딩할 수 있도록 선단(112)의 강성을 감소시킴으로써 반응할 수 있다.

도 1의 시스템(100) 특히 삽입 구동 드라이브(150)는 원위 선단(112)이 표적 부위, 예를 들어 생검 바늘용 생검 부위에 근접할 때 완전 로봇식 제어 모드로 작동될 수 있다. 특히, 사용자(130)는 시스템(100)을 삽입축과 피치-요 양자가 조이스틱(142) 또는 기타 입력 장치(도시되지 않음)를 통해서 제어될 수 있는 컴퓨터 보조 제어 모드로 전환할 수 있다. 완전 로봇식 제어 모드는 생검 바늘과 같은 도구가 기기(110)를 통해서 삽입되고 사용자(130)가 원위 선단(112)이 안정적이거나 정밀 제어되기를 원할 때 특히 바람직할 수 있다.

도 3은 전술한 바와 같이 작동할 수 있는 카테터 시스템(300)의 하나의 특정 실시예를 개략적으로 도시한다. 도시된 실시예에서, 카테터 시스템(300)은 폐 카테터(310), 조향 구동 기구(320), 삽입 구동 기구(330), 제어 로직(340), 조작자 인터페이스(350) 및 센서 시스템(360)을 구비한다.

카테터(310)는 일반적으로 가요성이며, 생검 바늘 또는 비전 시스템과 같은 상호 교환 가능한 탐침(probe)을 수용할 수 있는 메인 내강을 구비하는 하나 이상의 내강을 갖는다. 가요성 카테터는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 가요성 또는 저마찰 재료의 내층 또는 외층을 갖는 직조 와이어 튜브와 같은 편조(braided) 구조를 사용하여 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 카테터(310)는 편조 재킷 및 폴리에테르 블록 아미드(Pebax)와 같은 재료의 재유동(즉, 용융에 의해 융해)되는 재킷에 의해 함께 유지되는 내강 또는 튜브 다발을 구비한다. 추가 선단 섹션(316)(예를 들어, 도 4에 도시되고 이하에서 추가로 설명되는 것과 같은 금속 구조물)이 카테터(310)의 원위 단부로서 부착될 수 있다. 메인 내강에 추가적으로, 카테터(310)는 견인 와이어 및 센서 라인을 위한 작은 내강을 구비할 수 있다. 도시된 실시예에서, 카테터(310)는 조향 구동 기구(320)에 부착되는 근위 섹션(312) 및 상기 근위 섹션(312)으로부터 연장되는 원위 섹션(314)을 갖는다. 근위 섹션(312)은 시스템(300)이 수동 삽입 모드로 작동할 때 사용자가 삽입 압력을 인가하기 위해 파지할 수 있는 파지 영역을 구비할 수 있다. 원위 섹션(314)은 조향 구동 기구(320)로부터 근위 섹션(312) 및 원위 섹션(314)을 통해서 연장되고 조향 가능한 원위 조향 가능한 세그먼트(316)에 연결되는 견인 와이어를 통해서 작동될 수 있는 기계적 구조물을 구비한다.

기기(110)의 전체 길이는 약 60 내지 80cm 또는 그 이상일 수 있고, 원위 섹션(314)은 약 15cm 길이이며, 조향 가능한 세그먼트(316)는 약 4 내지 5cm 길이이다. 원위 선단(316)이 보다 작은 자연 내강 또는 통로로 항행할 수 있도록 원위 섹션(314)은 근위 섹션(312)보다 작은 직경을 가질 수 있다. 의료 처치 중에, 근위 섹션(312)의 일부와 원위 섹션(314)의 전부가 환자의 목구멍 및 기도와 같은 자연 내강을 따라서 삽입될 수 있다. 원위 섹션(314)의 작은 직경은 근위 섹션(312)에게는 너무 작을 수 있는 내강에서 원위 섹션(314)의 사용을 가능하게 하지만, 근위 섹션(312)의 큰 직경 또한 수동 조작을 용이하게 할 수 있다.

조향 가능한 세그먼트(316)는 원격 제어 가능하며, 특히 견인 와이어를 사용하여 제어될 수 있는 피치 및 요를 갖는다. 조향 가능한 세그먼트(316)는 원위 섹션(314)의 전부 또는 일부를 구비할 수 있고, Pebax와 같은 가요성 재료의 튜브로서 간단히 실시될 수 있다. 이상적으로, 조향 가능한 세그먼트(316)는 조향 구동 기구(320)가 작동 힘줄을 견인할 때 조향 가능한 세그먼트(316)로의 굴곡 또는 격리 작동을 보조하기 위해 카테터(310)의 잔여부보다 더 가요적이다. 카테터(310)는 또한 기기(110)의 근위 섹션(312)을 굴곡시키는[또는 조향 가능한 세그먼트(316) 이외의 섹션(314)의 임의의 부분을 굴곡시키는] 작동을 방지하기 위해 힘줄을 작동시키는 보우덴(Bowden) 케이블의 사용과 같은 추가 특징부 또는 구조물을 채용할 수 있다.

도 4는 조향 가능한 세그먼트(316)의 하나의 특정 실시예를 도시한다. 도 4의 실시예에서의 조향 가능한 세그먼트(316)는 탐침 시스템용 메인 내강을 가지며 예를 들어 힘줄(430) 작동을 위한 작은 내강 및 도 4에 도시되지 않은 형상 센서를 갖는 튜브(410)로 제조된다. 도시된 실시예에서, 힘줄(430)은 조향 기기(110)를 힘줄(430)의 위치에 의해 규정되는 피치 및 요 방향으로 촉진하기 위해 90°이격되어 배치되고 내강(312)을 둘러싼다. 조향 가능한 세그먼트(316)의 내부 구조를 더 잘 도시하기 위해 도 4에 도시되지 않은 재유동되는 재킷 또한 튜브(410)를 커버할 수 있다. 도 4에 도시하듯이, 튜브(410)는 일련의 굴곡부(420)를 구비하도록 절단되거나 형성된다. 힘줄(430)은 조향 가능한 세그먼트(316)의 원위 선단(415)에 연결되며 조향 구동 기구(320)로 복귀 연장된다. 힘줄(430)은 조향 구동 기구(320)로부터의 힘을 원위 선단(415)으로 전달할 수 있고 조향 구동 기구(320)가 힘줄(430)을 견인할 때 근위 섹션(312)의 구부러짐을 제한할 수 있는 와이어, 케이블, 보우덴 케이블, 하이포튜브(hypotube), 또는 임의의 다른 구조물일 수 있다. 작동 시에, 힘줄(430) 중 어느 하나를 더 세게 견인하면 조향 가능한 세그먼트(316)가 그 힘줄(430)의 방향으로 구부러지게 만드는 경향이 있다. 반복되는 구부러짐을 수용하기 위해, 튜브(410)는 손상이 거의 또는 전혀 없이 반복적으로 구부러질 수 있는 금속 합금인 니티놀(Nitinol)과 같은 재료로 제조될 수 있다.

원위 조향 가능한 세그먼트(316)를 작동시키기 위해 힘줄(430)을 견인하는 도 3의 조향 구동 기구(320)는 예를 들어 전동기와 같은 액추에이터(322)의 운동을 카테터(310)를 통해서 연장되고 원위 조향 가능한 세그먼트(316)에 연결되는 힘줄(430)의 운동(장력)으로 변환하는 기계적 시스템 또는 변속기(324)를 구비한다. [생각될 수 있는 바로는 푸시 로드가 견인 와이어 대신에 카테터(310)에서 사용될 수 있지만 이는 바람직한 수준의 가요성을 제공하지 못할 수도 있다.] 따라서 원위 조향 가능한 세그먼트(316)의 이동 및 포즈는 조향 구동 기구(320)에서의 액추에이터(322)에 대한 각각의 작동 신호의 컴퓨터화된 선택 또는 발생을 통해서 제어될 수 있다. 힘줄(430)에 인가되는 액추에이터 힘의 제어는 또한 조향 가능한 세그먼트(316)의 운동에 대한 유효 강성 또는 저항을 제어할 수 있다. 조향 가능한 세그먼트(316)의 작동 및 강성 제어에 추가적으로, 조향 구동 기구(320)는 카테터(310)의 근위 단부의 회전 또는 롤링과 같은 카테터(310)의 다른 운동을 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 또한 액추에이터(322) 및 변속기(324)를 통해서 동력을 받을 수 있다. 가요성-샤프트 기기 용으로 공지되어 있는 후단 기구 또는 변속기는 일반적으로 조향 구동 기구(320) 용으로 사용되거나 변형될 수 있다. 예를 들어, 가요성 기기용의 일부 공지된 구동 시스템은 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되는 "순응성 수술 장치(Compliant Surgical Device)"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2010/0331820호에 기재되어 있다. 작동 카테터(310)에 추가적으로 조향 구동 기구(320)는 카테터(310)의 메인 내강에서 탐침의 제거 및 교체를 가능하게 해야 하며, 따라서 구동 구조물은 이러한 작업 중에 떨어져 있어야 한다.

도 3의 도시된 실시예에서, 조향 구동 기구(320)는 삽입 구동 기구(330) 상에 장착되며, 삽입 구동 기구는 조향 구동 기구(320)와 카테터(310)를 삽입 방향을 따라서 이동시키기 위해 사용되는 기계적 시스템(334)과 액추에이터(332)를 구비한다. 기계적 시스템(334)은 조향 구동 기구(320)를 슬라이딩 또는 운반하기 위해 결합될 수 있으며, 이 시스템은 전술한 것과 같은 조절 가능한 경사를 갖는 트랙 시스템을 구비할 수 있다. 액추에이터(332)는 제어 로직(340)에 의해 선택되는 작동 신호에 따라서 조향 구동 기구(320) 및 카테터(310)의 운동에 동력을 제공하는 구동 모터일 수 있다.

제어 로직(340)은 원위 조향 가능한 세그먼트(316)를 작동시키고 카테터(310)의 원위 선단의 배향을 제어하기 위해 필요에 따라 힘줄을 선택적으로 견인하도록 조향 구동 기구(320)의 액추에이터(322)를 제어하고, 카테터(310)의 원위 선단의 삽입 방향으로의 이동을 제어하도록 액추에이터(332)를 제어한다. 일반적으로, 제어 로직(340)은 예를 들어 조이스틱(142) 및 풋 페달(144)과 같은 조작자 인터페이스(350)를 사용하는 외과의사, 내과의사 또는 기타 의료인과 같은 사용자로부터의 명령에 응답하여 또한 센서 시스템(360)으로부터의 측정 신호에 응답하여 작동된다. 그러나, 수동 삽입 모드에서, 제어 로직(340)은 사용자가 삽입 압력을 제어할 수 있도록 삽입 구동 시스템(330)의 액추에이터(332)를 프리휠링 상태에 놓아둘 수 있다. 제어 로직(340)은 조작자 인터페이스(350) 및 센서 시스템(360)으로부터의 신호를 해석하고 액추에이터(322, 332)에 대한 작동 신호를 발생시키기 위해 적절한 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 장치-고유의 인터페이스 하드웨어를 갖는 범용 컴퓨터를 사용하여 실시될 수 있다.

도시된 실시예에서, 제어 로직(340)은 카테터(310)의 상이한 제어 모드 또는 공정을 위한 상이한 공정을 실시하는 다수의 모듈(341, 342, 343, 344)을 구비한다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "모듈"은 하드웨어(예를 들면, 집적 회로 또는 기타 회로와 같은 프로세서)와 소프트웨어(예를 들면, 기계- 또는 프로세서-실행 가능한 지령, 명령, 또는 펌웨어, 프로그래밍 또는 객체 코드와 같은 코드)의 조합을 지칭한다. 하드웨어와 소프트웨어의 조합은 하드웨어만(즉, 소프트웨어 요소가 없는 하드웨어 요소) 구비하거나, 하드웨어에서 호스팅되는 소프트웨어(예를 들면, 메모리에 저장되고 프로세서에서 실행되거나 해석되는 소프트웨어)를 구비하거나, 하드웨어 및 하드웨어에서 호스팅되는 소프트웨어를 구비한다. 모듈(341, 342)은 각각 수동 삽입 모드 및 컴퓨터-보조 삽입 모드를 실시한다. 모듈(343)은 강성 모듈(344)에 의해 설정되는 강성 레벨로 조향을 제어할 수 있다. 모듈(346)은 어떤 제어 공정이 사용될 것인지를 선택하며, 사용자 입력, 카테터(310) 내에 배치되는 탐침의 형태 또는 상태, 및 수행되는 임무와 같은 인자에 기초하여 선택할 수 있다.

조작자 인터페이스(350)는 비전 시스템 또는 디스플레이, 키보드, 조이스틱, 풋 페달, 마우스, 또는 기타 포인팅 디바이스와 같은 표준 입력/출력 하드웨어 또는 수술 환경을 위해 커스터마이징되거나 최적화될 수 있는 유사한 I/O 하드웨어를 구비할 수 있다. 일반적으로, 조작자 인터페이스(350)는 사용자에게 정보를 제공하고 사용자로부터 지령을 수신한다. 예를 들어, 조작자 인터페이스(350)는 시스템(300)의 상태를 나타낼 수 있으며, 사용자에게 시스템(300)에 의해 만들어진 이미지 및 측정을 포함하는 데이터를 제공할 수 있다. 사용자가 조작자 인터페이스(350)를 통해서, 예를 들면 조이스틱 또는 유사한 입력 장치를 사용하여 제공할 수 있는 지령의 한 가지 형태는 원위 조향 가능한 세그먼트(316)의 소망 운동, 위치 또는 배향을 나타낸다. 사용자는 강성의 정도 또는 레벨을 나타내기 위해 풋 페달을 작동시킬 수 있다. 이러한 입력부를 사용하여, 제어 로직(340)은 조향 구동 기구(320)의 액추에이터(322)에 대한 작동 신호를 발생시킬 수 있다. 사용자로부터의 다른 지령은 제어 로직(340)의 작동 모드를 선택할 수 있다.

도 5는 전술한 가요성 기기의 조향을 위해 채용될 수 있는 조이스틱(500)을 도시한다. 특히, 사용자는 기기의 원위 선단에 요구되는 피치 각도(θ)와 요 각도(ψ) 또는 피치 각도(θ)와 요 각도(ψ)의 변화를 나타내기 위해 조이스틱(500)의 스틱 부분(510)을 조이스틱(500)의 베이스 부분(520)에 대해 2차원으로 조작 및 경사시킬 수 있다.

의료 시스템은 또한 조이스틱 입력에 따라서 가요성 기기의 강성을 변경할 수 있다. 특히, 강성은 스틱(510)의 중립 위치로부터의 변위; 피치 및 요 각도(θ, ψ); 또는 피치 및 요 각도(θ, ψ)의 변화/속도의 함수일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 도 1의 컴퓨터 시스템(140) 또는 제어 로직(340)과 같은 제어 시스템은 예를 들어 조이스틱이 중립 위치에 있을 때 구동 힘줄에 제로 또는 최소의 장력을 인가함으로써 가요성 기기의 강성을 그 최소값으로 만들고, 조이스틱의 중립 위치로부터의 벗어남이 증가할수록 강성을 단조 증가시킨다. 제어 시스템은 조이스틱(500)의 중립 위치를 선택할 수 있고, 가요성 기기를 가요성 기기가 그 주위 환경에 부합하는 저강성 또는 고순응성 상태로 이완시킬 수 있다. 사용자가 스틱(510)을 조이스틱(500)의 중립 위치로부터 멀리 이동시킬 때, 제어 시스템은 제어되는 기기의 강성을 증가시킬 수 있고 제어되는 기기의 원위 선단의 배향을 사용자가 선택한 방향으로 변경할 수 있다.

조이스틱(500)의 중립 위치는 여러가지 방식으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 조이스틱(500)의 중립 위치는 예를 들어 사용자 힘이 스틱(510)에 전혀 가해지지 않을 때의 위치로 고정될 수 있고; 예를 들어 버튼 또는 풋 페달과 같은 입력 장치를 누르는 사용자에 의해 설정될 수 있거나; 스틱(510)의 분석 사용자 이동에 기초한 제어 시스템에 의해, 예를 들어 사용자가 일정 시간 동안 스틱(510)을 유지하는 위치에 설정될 수 있다.

조향 및 강성을 둘 다 제어하기 위한 조이스틱 또는 유사 입력 장치의 사용은 수동 삽입 모드를 제공할 수도 있고 제공하지 않을 수도 있는 가요성 기기 및 의료 시스템에 채용될 수 있다. 특히, 가요성 기기의 강성을 쉽게 해제하는 능력은 사용자가 기기를 수동으로 삽입하지 않을 때 또는 사용자가 삽입되는 기기의 저항 촉감을 받지 않을 때라도 바람직할 수 있다.

의료 기기의 일부 실시예는 기기의 원위 선단을 생검 부위로 조향하기 위한 신속 항행 공정의 장점을 제공할 수 있다. 또한, 사용자가 직접적인 햅틱 또는 촉각 피드백을 수신함으로써 사용자는 인가되는 삽입 압력의 양을 정확히 판정할 수 있고 따라서 자동화 시스템이 카테터로부터 조직으로 막대한 양의 힘을 인가할 기회를 최소화할 수 있다. 삽입 과정의 체험 느낌은 또한 기도 주위를 항행할 때 사용자에게 더 많은 자신감을 부여할 수 있다.

상기 발명의 일부 실시예는 컴퓨터-판독 가능한 매체, 예를 들면, 광학 또는 자기 디스크, 메모리 카드 또는 컴퓨팅 장치가 본 명세서에 기재된 특정 공정을 수행하기 위해 실행할 수 있는 지령을 담고 있는 기타 고체 상태 저장 장치와 같은 비일시적 매체에서 실시될 수 있다. 이러한 매체는 또한 데이터 및 실행 가능한 지령의 다운로드를 제공하는 인터넷과 같은 네트워크에 연결된 서버 또는 기타 장치에 존재하거나 포함될 수 있다.

특정 실시예를 설명했지만, 이들 실시예는 예일 뿐이며 제한으로 간주되지 않아야 한다. 개시된 실시예의 특징부의 다양한 적응 및 조합은 하기 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims

시스템이며,
가요성 기기;
제어 로직;
제어 로직으로부터의 제1 신호에 응답하여 가요성 기기의 원위 선단의 배향을 제어하도록 구성된 제1 기구;
가요성 기기를 삽입 방향을 따라서 이동시키도록 구성된 제2 기구; 및
제1 신호를 발생시키기 위해 사용자에 의해 조작될 수 있는 제1 입력 장치로서, 제1 입력 장치는 중립 위치를 갖고, 제어 로직은 중립 위치에 있는 제1 입력 장치에 응답하여 가요성 기기가 저-강성 상태에 있도록 명령하는, 제1 입력 장치
를 포함하고,
제어 로직은,
제2 기구가 제어 로직으로부터의 제2 신호에 응답하여 가요성 기기를 삽입 방향을 따라서 이동시키는 제1 모드; 및
제어 로직이 삽입 방향을 따르는 가요성 기기의 이동의 수동 제어를 가능하게 하는 제2 모드
를 제공하는, 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 시스템을 제1 모드와 제2 모드 사이에서 전환시키기 위해 사용자에 의해 조작될 수 있는 제2 입력 장치를 추가로 포함하는, 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제1 입력 장치는 조이스틱을 포함하며 상기 제2 입력 장치는 페달을 포함하는, 시스템.
제3항에 있어서, 제어 로직은 가요성 기기의 강성을 제어하기 위해 상기 제2 입력 장치를 통해서 제공되는 사용자 입력을 사용하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 입력 장치가 조이스틱을 포함하는, 시스템.
제6항에 있어서, 사용자가 조이스틱을 중립 위치로부터 멀리 이동시키는 것에 응답하여, 제어 로직은 가요성 기기의 강성이 증가하도록 명령하는, 시스템.
제1항에 있어서, 제2 모드에서, 상기 가요성 기기는 시스템이 제1 모드에 있을 때보다 낮은 강성을 갖도록 명령받는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가요성 기기는 폐 카테터와 기관지 내시경으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 기기를 포함하는, 시스템.
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시스템이며,
가요성 기기;
사용자 입력 장치; 및
사용자 입력 장치로부터의 입력을 이용하여 가요성 기기의 원위 선단의 배향을 제어하고 가요성 기기의 강성을 제어하도록 구성된 제어 로직
을 포함하고,
사용자 입력 장치가 중립 위치를 갖고, 제어 로직은 중립 위치에 있는 사용자 입력 장치에 응답하여 가요성 기기의 강성이 가장 낮고 중립 위치에서 멀어지는 사용자 입력 장치에 응답하여 가요성 기기의 강성이 높아지도록 가요성 기기를 작동시키는, 시스템.
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