KR102455671B1 - 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 - Google Patents

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멩롱 예
리트윅 움마라네니
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아우리스 헬스, 인코포레이티드
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Abstract

내강 네트워크 내에서의 기구의 내비게이션은 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 포함할 수 있다. 이미지-기반 기도 분석은 내강 네트워크 내에서 캡처된 이미지에서 하나 이상의 기도를 검출하는 것 및 이미지가 캡처된 현재 기도가 검출된 "차일드" 기도로 분지되는 방법을 나타내는 분지 정보를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이미지-기반 기도 매핑은 하나 이상의 검출된 기도를 수술전 모델 내의 내강 네트워크의 대응하는 예상된 기도에 매핑하는 것을 포함할 수 있다.

Description

이미지-기반 기도 분석 및 매핑
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 2018년 5월 31일자로 출원된 미국 가출원 제62/678,881호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 의료 기구의 내비게이션(navigation)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 로봇-제어식 의료 기구를 내비게이션하기 위한 이미지-기반 기도 분석 및 매핑(image-based airway analysis and mapping)에 관한 것이다.
내시경술(예컨대, 기관지경술)과 같은 의료 절차는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 내강(예컨대, 기도)의 내측에 접근하여 시각화하는 것을 수반할 수 있다. 절차 동안, 내시경과 같은 가요성 튜브형 도구 또는 기구가 환자의 신체 내로 삽입될 수 있다. 일부 경우에, 제2 기구가 내시경을 통해 진단 및/또는 처치를 위해 식별되는 조직 부위로 통과될 수 있다.
기관지경술은 의사가 기관지 및 세기관지와 같은, 환자의 폐 내의 기도의 내측 상태를 검사하도록 허용하는 의료 절차이다. 의료 절차 동안, 기관지경으로 알려진 얇은 가요성 튜브형 도구 또는 기구가 환자의 입 내로 삽입되어 환자의 인후를 따라 그 또는 그녀의 폐 기도 내로, 후속 진단 및/또는 처치를 위해 식별되는 조직 부위를 향해 통과될 수 있다. 기관지경은 조직 부위로의 통로를 제공하는 내부 루멘(interior lumen)("작업 채널(working channel)")을 가질 수 있고, 카테터(catheter) 및 다양한 의료 도구가 작업 채널을 통해 조직 부위로 삽입될 수 있다.
소정 의료 절차에서, 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)이 수술 도구의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 수술 로봇 시스템은 절차 동안 수술 도구의 위치설정을 제어하는 데 사용되는 조작기 조립체(manipulator assembly)를 포함하는 적어도 하나의 로봇 아암(robotic arm) 또는 다른 기구 위치설정 장치(instrument positioning device)를 포함할 수 있다.
로봇식 의료 시스템(robotically-enabled medical system)은 복강경술 절차와 같은 최소 침습 절차 및 내시경술 절차와 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행하는 데 사용될 수 있다. 내시경술 절차 중에, 로봇식 의료 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위장병검사(gastroenterology) 등을 수행하는 데 사용될 수 있다. 그러한 절차 동안, 의사 및/또는 컴퓨터 시스템이 환자의 내강 네트워크(luminal network)를 통해 의료 기구를 내비게이션할 수 있다. 내강 네트워크는 복수의 분지 내강(branched lumen)(예컨대, 기관지 또는 신장 네트워크들 내에서), 또는 단일 내강(예컨대 위장관)을 포함할 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 내강 네트워크를 통해 의료 기구를 안내하기 위한(또는 의료 기구의 안내를 보조하기 위한) 내비게이션 시스템을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예는 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 이미지-기반 기도 분석 및 매핑은 내강 네트워크를 통한 내비게이션에 도움을 줄 수 있다. 이미지-기반 기도 분석은, 기구 상의 이미징 장치로 캡처되는 이미지 내에서, 내강 네트워크의 하나 이상의 분지부(branch)들과 연관되는 하나 이상의 기도들을 식별하는 것 및 이미지가 캡처되는 현재 기도가 검출된 "차일드(child)" 기도들로 분지되는 방법을 나타내는 분지 정보를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이미지-기반 기도 매핑은 식별된 기도들을 내강 네트워크의 대응하는 분지부들에 매핑하는 것을 포함할 수 있다. 이들 시스템 및 기법은 내강 네트워크 내의 기구의 위치를 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다. 본 개시의 시스템, 방법 및 장치는 각각 여러 혁신적인 태양을 가지며, 그 중 어떠한 단일 태양도 단독으로 본 명세서에 개시된 바람직한 속성의 원인이 되는 것은 아니다.
일 태양에서, 내강 네트워크를 통해 기구를 내비게이션하는 방법으로서, 기구 상에 위치되는 이미징 장치로 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 단계로서, 복수의 이미지들은 적어도 제1 시간에 캡처되는 제1 이미지 및 제1 시간 이후의 제2 시간에 캡처되는 제2 이미지를 포함하는, 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 단계; 제1 이미지에서 제1 기도를 식별하는 단계; 제2 이미지에서 2개 이상의 기도들을 식별하는 단계; 제1 이미지 내의 제1 기도 및 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들에 기초하여, 중첩 조건(overlap condition)이 충족된다고 결정하는 단계; 제2 시간 동안 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도들의 총수(expected count of airways)를 나타내는 수술전 모델 데이터(preoperative model data)에 액세스하는 단계; 및 수술전 모델 데이터 및 중첩 조건이 충족된다는 결정에 기초하여, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들과 수술전 모델 데이터 내의 기도들 사이의 매핑을 결정하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도, 기구 상에 위치되는 이미징 장치로 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 것으로서, 복수의 이미지들은 적어도 제1 시간에 캡처되는 제1 이미지 및 제1 시간 이후의 제2 시간에 캡처되는 제2 이미지를 포함하는, 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하고; 제1 이미지에서 제1 기도를 식별하고; 제2 이미지에서 2개 이상의 기도들을 식별하고; 제1 이미지 내의 제1 기도 및 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들에 기초하여, 중첩 조건이 충족된다고 결정하고; 제2 시간 동안 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도들의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스하고; 수술전 모델 데이터 및 중첩 조건이 충족된다는 결정에 기초하여, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들과 수술전 모델 데이터 내의 기도들 사이의 매핑을 결정하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 제공된다.
또 다른 태양에서, 내강 네트워크에서 하나 이상의 기도들을 매핑하기 위한 로봇 수술 시스템(robotic surgical system)으로서, 기구로서, 내강 네트워크 내로 삽입되도록 구성되는 세장형 본체, 및 세장형 본체의 원위 부분 상에 위치되는 이미징 장치를 갖는, 기구; 기구에 부착되는 기구 위치설정 장치로서, 기구를 내강 네트워크를 통해 이동시키도록 구성되는, 기구 위치설정 장치; 실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 명령어들을 실행하여 시스템으로 하여금 적어도, 기구 상에 위치되는 이미징 장치로 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 것으로서, 복수의 이미지들은 적어도 제1 시간에 캡처되는 제1 이미지 및 제1 시간 이후의 제2 시간에 캡처되는 제2 이미지를 포함하는, 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하고; 제1 이미지에서 제1 기도를 식별하고; 제2 이미지에서 2개 이상의 기도들을 식별하고; 제1 이미지 내의 제1 기도 및 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들에 기초하여, 중첩 조건이 충족된다고 결정하고; 제2 시간 동안 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도들의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스하고; 수술전 모델 데이터 및 중첩 조건이 충족된다는 결정에 기초하여, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도들과 수술전 모델 데이터 내의 기도들 사이의 매핑을 결정하게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 로봇 수술 시스템이 제공된다.
개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기에서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16은 내강 네트워크를 내비게이션하는 기구의 예를 예시한 도면.
도 17은 로봇-제어식 수술 시스템을 위한 예시적인 명령 콘솔(command console)을 예시한 도면.
도 18은 의료 기구의 일 실시예의 원위 단부를 예시한 도면.
도 19는 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도를 도시한 도면.
도 20은 내강 네트워크의 분지부의 내부의 예시적인 이미지를 예시한 도면.
도 21은 내강 네트워크의 단순화된 도면을 예시한 도면.
도 22는 2개의 상이한 예시적인 기도 검출 결과를 예시한 도면.
도 23a는 예시적인 실시예에 따른 기도 분석 및 매핑 시스템을 예시한 도면.
도 23b는 예시적인 실시예에 따른 이미지-기반 기도 분석이 수행되는 시간적 문맥(temporal context)을 예시한 도면.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 이미지-기반 기도 분석의 공간적 특성을 예시한 도면.
도 25는 2개의 연속적인 이미지에서 검출된 기도에 의해 나타나는 추가적인 예시적인 관계를 예시한 도면.
도 26은 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도를 도시한 도면.
I. 개요.
본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식 의료 시스템 내에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.
광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 운동 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트.
로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차를 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스(sheath) 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬시키는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될(pivoted) 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.
내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.
예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가의 도구가 추가의 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.
시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지지 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.
전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 이루어지든 또는 카트(11)에서 이루어지든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트(joint) 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.
타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템(10)의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(30)은 타워(30)와 별개인 본체 내에 수용된다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트(11)에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트(11)의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(slot)(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지(17)를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지시키기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.
일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀(spring spool)들의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상하로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지시킨다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(end effector)(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암(12)이 이용가능한 독립적인 자유도(degree of freedom)를 나타낸다. 로봇 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가질 수 있고, 따라서 7 자유도를 제공할 수 있다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여분의(redundant)" 자유도를 허용한다. 여분의 자유도를 갖는 것은 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.
카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 로봇 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트(11)를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트(11)가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지시키기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.
칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구로부터 제공되는 광학 정보, 센서로부터의 센서 및 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔(16)에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 작동시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 가로지르도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트(11)는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.
B. 로봇 시스템 - 테이블.
로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(platform)(38)("테이블" 또는 "베드(bed)"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지시키면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템(36)이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬시키도록 허용한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 그 옆으로 연장되는 바아(bar) 또는 레일 형태의 조절가능 아암 지지부를 갖는 환자 테이블 또는 베드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예컨대, 엘보우 조인트(elbow joint)를 갖는 쇼울더(shoulder)를 통해) 조절가능 아암 지지부에 부착될 수 있고, 이는 수직으로 조절될 수 있다. 수직 조절을 제공함으로써, 로봇 아암(39)은 유리하게는 환자 테이블 또는 베드 아래에 콤팩트하게 적재되고, 후속하여 절차 동안 상승될 수 있다.
로봇 아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지(43) 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.
칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지(43)의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지(43)의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 캐리지(43)의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.
테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암(39)의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부(46) 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트(pendant)와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 마스터 제어기 또는 콘솔을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타워는 또한 흡입법(insufflation)을 위해 사용될 가스 탱크를 위한 홀더를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 로봇 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(35)(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.
복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서, 최소 침습 기구는 환자 내의 해부학적 구조에 접근하는 데 사용되는, 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강의 팽창 후에, 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 또는 의료 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구는 복강경과 같은 스코프(scope)를 포함할 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 기구(59)가 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.
복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 로봇 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지시키게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 테이블 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 볼 조인트(ball joint)가 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 사용될 수 있다.
예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 상복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 또는 의료 절차를 수행할 복강을 비운다.
C. 기구 드라이버 및 인터페이스.
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함할 수 있다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.
도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)을 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환시키기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)은 독립적으로 제어되고 동력화될 수 있고, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(예컨대, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력부를 제공할 수 있다. 작동 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.
멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지시키면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부를 포함할 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.
D. 의료 기구.
도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리(pulley), 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭(latched), 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(71)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 적어도 1 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist)로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구 또는 의료 기구에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.
기구 드라이버(75)로부터의 토크는 세장형 샤프트(71)를 따른 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 풀 와이어(pull wire)와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71)를 따른 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에 또는 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에 있는 리스트 내에 고정된다. 복강경술, 내시경술 또는 하이브리드 절차와 같은 수술 절차 동안, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 복강경술에서, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오(jaw)에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.
내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 풀 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 풀 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 또한 더 제한된 굽힘을 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 풀 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트(71)는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구(또는 의료 기구), 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널을 포함할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트(71)의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.
기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트(71)의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤(roll) 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지시키면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트(71)의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전가능 부분(84) 내에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.
이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 13의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.
기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.
E. 내비게이션 및 제어.
전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 모달리티(imaging modality)의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 모달리티가 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 모달리티만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트(11), 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간, 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 모델 데이터(91)로 지칭되는(수술전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때 "수술전 모델 데이터"로 또한 지칭됨), 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 일부 실시예에서, 수술전 모델 데이터(91)는 예컨대 형광투시법, 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI), 초음파 영상, 및/또는 x-선으로부터의 데이터를 포함할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT 이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.
일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(또는 이미지 데이터)(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반(또는 이미지-기반) 위치 추적 모듈 또는 특징부를 가능하게 하도록 비전 데이터(92)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적(feature tracking)을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 운동을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징부는 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵(topological map)의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다. 다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 "정합될" 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수 있다.
로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요(yaw)는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.
도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰가능하지 않을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.
II. 내강 네트워크의 내비게이션.
위에서 논의된 다양한 로봇 시스템은 내시경술 및 복강경술 절차와 같은 다양한 의료 절차를 수행하기 위해 채용될 수 있다. 소정 절차 동안, 로봇-제어식 의료 기구와 같은 의료 기구가 환자의 신체 내로 삽입된다. 환자의 신체 내에서, 기구는 환자의 내강 네트워크 내에 위치될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "내강 네트워크"는, 복수의 내강 또는 분지부(예컨대, 폐 또는 혈관에서와 같은, 복수의 분지 내강) 또는 단일 내강 또는 분지부(예컨대, 위장관 내의)를 포함하든지 간에, 신체 내의 임의의 공동 구조를 지칭한다. 절차 동안, 기구는 내강 네트워크를 통해 하나 이상의 관심 대상의 영역으로 이동(예컨대, 내비게이션, 안내, 구동 등)될 수 있다. 시스템을 통한 기구의 이동은 위에서 논의된 내비게이션 또는 위치결정 시스템(90)에 의해 도움을 받을 수 있으며, 이는 기구에 관한 위치 정보를 로봇 시스템을 제어하는 의사에게 제공할 수 있다.
도 16은 환자의 예시적인 내강 네트워크(130)를 예시한다. 예시된 실시예에서, 내강 네트워크(130)는 환자의 폐의 기도(150)의 기관지 네트워크(즉, 내강, 분지부)이다. 예시된 내강 네트워크(130)가 환자의 폐 내의 기도의 기관지 네트워크이지만, 본 개시는 예시된 예로만 제한되지 않는다. 본 명세서에 기술된 로봇 시스템 및 방법은 기관지 네트워크, 신장 네트워크, 심혈관 네트워크(예컨대, 동맥 및 정맥), 위장관, 요로 등과 같은 임의의 유형의 내강 네트워크를 내비게이션하기 위해 사용될 수 있다.
예시된 바와 같이, 내강 네트워크(130)는 분지 구조로 배열된 복수의 기도(150)를 포함한다. 일반적으로, 내강 네트워크(130)는 3차원 구조를 포함한다. 예시의 용이함을 위해, 도 16은 2차원 구조로서 내강 네트워크(130)를 표현한다. 이는 본 개시를 임의의 방식으로든 2차원 내강 네트워크로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 16은 또한 내강 네트워크(130) 내에 위치된 의료 기구의 예를 예시한다. 의료 기구는 진단 및/또는 처치를 위한 관심 대상의 영역(예컨대, 결절(155))을 향해 내강 네트워크(130)를 통해 내비게이션된다. 예시된 예에서, 결절(155)은 기도(150)의 말초 부위(periphery)에 위치되지만, 관심 대상의 영역(들)은 환자 및 절차에 따라 내강 네트워크(130) 내의 어디든 위치될 수 있다.
예시된 예에서, 의료 기구는 내시경(115)을 포함한다. 내시경(115)은 시스(120) 및 리더(145)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스(120) 및 리더(145)는 삽통식 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 리더(145)는 시스(120)의 작업 채널 내측에 활주가능하게 위치될 수 있다. 시스(120)는 제1 직경을 가질 수 있고, 그의 원위 단부는 결절(155) 주위에서 소-직경 기도(150)를 통해 위치되는 것이 가능하지 않을 수 있다. 따라서, 리더(145)는 결절(155)까지의 나머지 거리만큼 시스(120)의 작업 채널로부터 연장되도록 구성될 수 있다. 리더(145)는 기구, 예를 들어 생검 바늘, 세포채취용 브러시(cytology brush), 및/또는 조직 샘플링 겸자가 그것을 통해 결절(155)의 표적 조직 부위로 통과될 수 있는 루멘을 가질 수 있다. 그러한 구현예에서, 시스(120)의 원위 단부 및 리더(145)의 원위 단부 둘 모두에는 기도(150) 내에서의 그들의 위치를 추적하기 위한 EM 기구 센서(예컨대, 도 18의 EM 기구 센서(305))가 제공될 수 있다. 시스(120) 및 리더(145)의 이러한 삽통식 배열은 내시경(115)의 더 얇은 설계를 허용할 수 있고, 시스(120)를 통한 구조적 지지를 제공하면서 내시경(115)의 굽힘 반경을 개선할 수 있다.
다른 실시예에서, 내시경(115)의 전체 직경은 삽통식 배열 없이 말초 부위에 도달하기에 충분히 작을 수 있거나, 비-조향가능 카테터를 통해 의료 기구를 전개시키도록 말초 부위에 접근하기에(예컨대, 약 2.5 내지 3 cm 이내) 충분히 작을 수 있다. 내시경(115)을 통해 전개되는 의료 기구는 EM 기구 센서(예컨대, 도 18의 EM 기구 센서(305))를 구비할 수 있고, 후술되는 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 기법이 그러한 의료 기구에 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 결절(155)에 도달하기 위해, 기구(예컨대, 내시경(115))는 내강 네트워크의 기도(150)를 통해 내비게이션되거나 안내되어야 한다. 조작자(예컨대, 의사)가 로봇 시스템을 제어하여 기구를 결절(155)로 내비게이션할 수 있다. 조작자는 로봇 시스템을 제어하기 위한 입력을 제공할 수 있다.
도 17은 본 명세서에 기술된 로봇 시스템의 일부 구현예와 함께 사용될 수 있는 예시적인 명령 콘솔(200)을 예시한다. 조작자는 명령 콘솔(200)을 통해, 예를 들어 기구를 결절(155)과 같은 관심 대상의 영역으로 내비게이션하거나 안내하기 위해, 로봇 시스템을 제어하기 위한 입력을 제공할 수 있다. 명령 콘솔(200)은 매우 다양한 배열 또는 구성으로 구현될 수 있다. 예시된 예에서, 명령 콘솔(200)은 콘솔 기부(201), 디스플레이(202)(예컨대, 모니터), 및 하나 이상의 제어 모듈(예컨대, 키보드(203) 및 조이스틱(204))을 포함한다. 사용자(205)(예컨대, 의사 또는 다른 조작자)가 명령 콘솔(200)을 사용하여 인체공학적 위치로부터 의료 로봇 시스템(예컨대, 도 1 내지 도 15를 참조하여 기술된 시스템)을 원격으로 제어할 수 있다.
디스플레이(202)는 전자 모니터(예컨대, LCD 디스플레이, LED 디스플레이, 터치-감응형 디스플레이), 가상 현실 관찰 장치(예컨대, 고글 또는 안경), 및/또는 다른 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이들(202) 중 하나 이상이, 예를 들어 위치결정 시스템(90)(도 15)에 의해 결정되는 바와 같은, 기구에 관한 위치 정보를 디스플레이한다. 일부 실시예에서, 디스플레이들(202) 중 하나 이상이 환자의 내강 네트워크(130)의 수술전 모델을 디스플레이한다. 위치 정보는 수술전 모델 상에 오버레이될(overlaid) 수 있다. 디스플레이(202)는 또한 내강 네트워크(130) 내에서 기구 상에 위치된 카메라 또는 다른 감지 장치로부터 수신된 이미지 정보를 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예에서, 기구의 모델 또는 표현이 수술 또는 의료 절차의 상태를 나타내는 데 도움을 주기 위해 수술전 모델과 함께 디스플레이된다.
일부 실시예에서, 콘솔 기부(201)는 카메라 이미지와 같은 신호의 해석과 처리 및 예컨대 환자의 내강 네트워크 내에 위치된 의료 기구로부터의 센서 데이터의 추적을 담당하는 중앙 처리 유닛(예컨대, CPU 또는 프로세서), 메모리 유닛(예컨대, 컴퓨터-판독가능 메모리), 데이터 버스, 및 연관 데이터 통신 포트를 포함한다.
콘솔 기부(201)는 또한 제어 모듈(203, 204)을 통해 사용자(205)에 의해 제공되는 명령 및 명령어를 처리할 수 있다. 도 17에 도시된 키보드(203) 및 조이스틱(204)에 더하여, 제어 모듈은 다른 장치, 예컨대 컴퓨터 마우스, 트랙패드, 트랙볼, 제어 패드, 제어기, 예컨대 핸드헬드 원격 제어기, 및 손 제스처와 손가락 제스처를 캡처하는 센서(예컨대, 모션 센서 또는 카메라)를 포함할 수 있다. 제어기는 기구의 작동(예컨대, 관절운동, 구동, 물 관주 등)에 매핑되는 사용자 입력부들(예컨대, 버튼, 조이스틱, 지향성 패드 등)의 세트를 포함할 수 있다. 명령 콘솔(200)의 제어 모듈(203, 204)을 사용하여, 사용자(205)는 내강 네트워크(130)를 통해 기구를 내비게이션할 수 있다.
도 18은 예시적인 의료 기구(300)의 원위 단부의 상세도를 예시한다. 의료 기구(300)는 도 16의 내시경(115) 또는 조향가능 카테터(145)를 나타낼 수 있다. 의료 기구(300)는 본 개시 전반에 걸쳐 기술된 임의의 의료 기구, 예컨대 도 1의 내시경(13), 도 3의 요관경(32), 도 9의 복강경(59) 등을 나타낼 수 있다. 도 18에서, 기구(300)의 원위 단부는, EM 기구 센서를 형성하는 이미징 장치(315), 조명원(310), 및 EM 센서 코일(305)의 단부를 포함한다. 원위 단부는 생검 바늘, 세포채취용 브러시, 겸자 등과 같은 수술 기구가 그것을 통해 기구 샤프트를 따라 삽입되어 기구 팁 부근의 영역에 대한 접근을 허용할 수 있는 기구(300)의 작업 채널(320)에 대한 개구를 추가로 포함한다.
기구(300)의 원위 단부 상에 위치된 EM 코일(305)은 기구(300)의 원위 단부의 위치 및 배향을, 그것이 내강 네트워크 내에 위치된 상태에서 검출하도록 EM 추적 시스템과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코일(305)은 상이한 축을 따라 EM 필드에 대한 감도를 제공하도록 경사져, 개시된 내비게이션 시스템에 최대 6 자유도(DoF): 3 위치 DoF 및 3 각도 DoF를 측정하는 능력을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 코일(305)만이, 그의 축이 기구 샤프트를 따라 배향된 상태로, 원위 단부 상에 또는 그 내에 배치될 수 있다. 그러한 시스템의 회전 대칭성으로 인해, 그것은 그의 축을 중심으로 하는 롤에 민감하지 않을 수 있고, 따라서 그러한 구현예에서 5 자유도만이 검출될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 유형의 위치 센서가 채용될 수 있다.
조명원(310)은 해부학적 공간의 일부분을 조명하기 위한 광을 제공한다. 조명원(310)은 각각 선택된 파장 또는 파장 범위에서 광을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 발광 장치일 수 있다. 파장은 임의의 적합한 파장, 예를 들어, 몇 가지 예를 들면 가시 스펙트럼 광, 적외선 광, x-선(예컨대, 형광투시법을 위함)일 수 있다. 일부 실시예에서, 조명원(310)은 기구(300)의 원위 단부에 위치된 발광 다이오드(light-emitting diode, LED)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 조명원(310)은 원격 광원, 예를 들어 x-선 발생기로부터 원위 단부를 통해 광을 전송하도록 내시경의 길이를 통해 연장되는 하나 이상의 광섬유 섬유를 포함할 수 있다. 원위 단부가 다수의 조명원(310)을 포함하는 경우, 이들은 각각 서로 동일한 또는 상이한 파장의 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
이미징 장치(315)는 수신된 광을 나타내는 에너지를 전기 신호로 변환하도록 구성되는 임의의 감광 기판(photosensitive substrate) 또는 구조물, 예를 들어 전하-결합 소자(charge-coupled device, CCD) 또는 상보형 금속-산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미징 장치(315)의 일부 예는 이미지를 나타내는 광을 내시경의 원위 단부(300)로부터 내시경의 근위 단부 부근의 접안렌즈(eyepiece) 및/또는 이미지 센서로 전송하도록 구성되는 하나 이상의 광섬유, 예를 들어 광섬유 번들을 포함할 수 있다. 이미징 장치(315)는 추가적으로 다양한 광학 설계에 필요로 하는 바와 같은 하나 이상의 렌즈 및/또는 파장 통과 또는 차단 필터를 포함할 수 있다. 조명원(310)으로부터 방출된 광은 이미징 장치(315)가 환자의 내강 네트워크의 내부의 이미지를 캡처하도록 허용한다. 이들 이미지는 이어서 개별 프레임 또는 일련의 연속적인 프레임(예컨대, 비디오)으로서 명령 콘솔(200)과 같은 컴퓨터 시스템으로 전송될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이 그리고 더 상세히 후술될 바와 같이, 이미징 장치(315)에 의해 캡처된 이미지(예컨대, 도 15의 비전 데이터(92))는 내강 네트워크 내의 기구의 위치(예컨대, 기구(300)의 원위 팁의 위치)를 결정하거나 추정하기 위해 내비게이션 또는 위치결정 시스템(95)에 의해 이용될 수 있다.
III. 이미지-기반 기도 분석 및 매핑.
본 개시의 실시예는 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지-기반 기도 분석은 이미지 내에서 내강 네트워크의 하나 이상의 분지부와 연관된 하나 이상의 기도를 식별하는 것 및 이미지가 캡처된 현재 기도가 검출된 "차일드" 기도로 분지되는 방법을 나타내는 분지 정보를 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 이미지-기반 기도 분석 시스템이 내강 네트워크 내의 기구 상에 위치된 이미징 장치를 사용하여 내강 네트워크의 내부의 이미지를 캡처할 수 있고, 이미지-기반 기도 분석 시스템은 이미지에서 보여지는 하나 이상의 기도를 식별하기 위해 이미지를 분석할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지-기반 기도 매핑은 이미지에서 식별된 기도를, 예를 들어 수술전 모델 데이터에 의해 지시되는 내강 네트워크의 대응하는 기도 또는 분지부에 매핑하는 것을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 이미지-기반 기도 매핑 시스템은 주어진 내강 네트워크의 어느 기도 또는 분지부가 캡처된 이미지에서 식별되는 기도 또는 분지부에 대응하는지를 식별하도록 구성될 수 있다. 이들 시스템 및 기법은 내강 네트워크 내의 기구의 위치를 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다. 소정 구현예에서, 이들 시스템 및 기법은 (예컨대, 도 15를 참조하여 전술된 바와 같은) 다양한 다른 내비게이션 및 위치결정 모달리티와 함께 사용될 수 있다.
A. 이미지-기반 기도 분석 및 매핑의 개요.
내강 네트워크 내측에서 내비게이션하는 능력은 본 명세서에 기술된 로봇-제어식 수술 시스템의 특징일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 내비게이션은 내강 네트워크 내의 기구의 위치를 찾아내거나 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 결정된 위치는 기구를 내강 네트워크 내의 하나 이상의 특정 관심 대상의 영역으로 안내하는 데 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇-제어식 수술 시스템은 기구에 대한 수술중 내비게이션을 제공하기 위해 하나 이상의 독립적인 감지 모달리티를 이용한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 독립적인 감지 모달리티는 위치 데이터(예컨대, EM 데이터(93)), 비전 데이터(92), 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)를 제공할 수 있다. 이들 독립적인 감지 모달리티는 위치의 독립적인 추정치를 제공하도록 구성되는 추정 모듈을 포함할 수 있다. 독립적인 추정치는 이어서, 예를 들어 위치결정 모듈(95)을 사용하여 하나의 내비게이션 출력으로 조합될 수 있고, 이는 시스템에 의해 사용되거나 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 이미지-기반 기도 분석 및 매핑은 위치의 독립적인 추정치를 제공할 수 있는, 비전 데이터(92)에 기초한 독립적인 감지 모달리티를 제공할 수 있다. 특히, 일부 경우에, 이미지-기반 기도 분석 및 매핑은, 이미징 장치에 의해 캡처된 하나 이상의 이미지에 기초하여 내강 네트워크의 어느 내강 또는 분지부에 기구의 이미징 장치가 위치되는지를 추정하는 상태/위치 추정 모듈과 감지 모달리티의 조합을 제공한다. 일부 실시예에서, 이미지-기반 기도 분석 및 매핑에 의해 제공되는 추정치는 단독으로 또는 다른 위치 추정치와 함께 사용되어, 시스템에 의해 사용되거나 사용자에게 디스플레이될 수 있는 최종 위치 추정치를 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 시스템 및 방법은 복수의 감지 모달리티를 사용하여 결정되는 이전 위치 추정치에 대한 그의 추정치에 기반할 수 있다.
도 19는 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 예시적인 방법(400)을 예시한다. 방법(400)은 본 명세서에 기술된 바와 같은 다양한 로봇-제어식 수술 시스템에서 구현될 수 있다. 방법(400)은 2개의 단계 또는 블록을 포함할 수 있다: 이미지 내의 기도를 검출하는 단계(블록(402)) 및 검출된 기도를 내강 네트워크의 (예컨대, 수술전 모델 데이터에 의해 지시되는) 대응하는 기도에 매핑하는 단계(블록(404)).
블록(402)에서, 방법(400)은 이미지 내의 하나 이상의 기도를 검출한다. 위에서 언급된 바와 같이, 의료 절차 동안, 기구가 내강 네트워크 내에 위치될 수 있다(도 16 참조). 도 18에 도시된 바와 같이, 기구는 그 상에 위치된 이미징 장치(315)(예컨대, 카메라)를 포함할 수 있다. 이미징 장치(315)는 내강 네트워크의 내부의 이미지를 캡처할 수 있다. 예를 들어, 특정 순간에, 이미징 장치(315)는 기구가 현재 위치된 내강 네트워크의 특정 기도의 내부의 이미지를 캡처할 수 있다. 블록(402)에서, 방법(400)은 이미지 내의 하나 이상의 기도를 검출하기 위해 이미지를 분석할 수 있다. 예를 들어, 이미지 내에서 검출된 기도가 (예컨대, 임계 값 초과의 픽셀 강도를 갖는) 기도 검출 조건을 충족시키는 픽셀들의 세트일 수 있다. 검출된 기도는 이미지가 이미징 장치(315)에 의해 캡처된 현재 기도 및/또는 현재 기도의 하나 이상의 차일드 기도(예컨대, 내강 네트워크의 후속 분지부)일 수 있다. 블록(402)은, 이미지를 처리하여 이미지에서 보여지는 기도의 수 및 위치를 결정하는 이미지 분석을 수반할 수 있다. 소정 구현예에서, 이미지가 하나 이상의 기도를 포함하는 것으로 결정되는 경우, 기도의 다양한 특징이 또한 결정될 수 있다. 그러한 특징은 검출된 기도의 형상 또는 윤곽을 결정하는 것 및/또는 검출된 기도의 중심(centroid)을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
블록(404)에서, 방법(400)은 하나 이상의 검출된 기도를 내강 네트워크의 특정 기도에 매핑한다. 블록(404)에서, 방법(400)은 내강 네트워크의 어느 기도가 내강 네트워크의 어느 다른 후속 기도로 분지되는지를 결정한다. 예를 들어, 소정의 수술전 모델 데이터(예컨대, CT 데이터)에 기초하여, 시스템은 (예컨대, 이미징 장치(315)의 현재 위치에 기초하여) 주어진 이미지에서 캡처될 것으로 예상되는 기도를 인지할 수 있다. 블록(402)에서 이미지 내의 하나 이상의 기도를 검출할 때, 방법(400)은 검출된 기도를 수술전 모델 데이터에 기초하여 예상된 기도에 매핑할 수 있다.
카메라 이미지에서 검출된 기도를 내강 네트워크 내의 대응하는 예상된 기도에 매핑함으로써, 방법(400)은 기구에 대한 위치의 추정치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 방법(400)을 사용하여, 시스템 또는 기구는 기구가 어느 기도를 "보는"지를 식별하고 이러한 정보를 사용하여, 내강 네트워크 내에서, 기구가 현재 위치된 기도 및 기구가 막 진입하려고 하는 기도를 추정할 수 있다.
B. 이미지-기반 기도 분석.
이미지-기반 기도 분석은 이미지 내의 하나 이상의 기도를 검출하기 위해 내강 네트워크 내에 위치된 기구의 이미징 장치(315)에 의해 캡처된 이미지를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 도 20은 내강 네트워크의 분지부의 내부의 예시적인 이미지(500)를 제공한다. 예시된 예에서, 이미지(500)는 폐의 기도의 내부 이미지이지만, 이미지(500)는 임의의 유형의 내강 네트워크를 나타낼 수 있다. 2개의 후속 기도(502)가 이미지(500)에서 보여진다. 기도(502)는 이미지가 캡처된 현재 기도에 연결된다.
이미지-기반 기도 분석은 컴퓨터 시스템이 기도(502)를 계산적으로 인식할 수 있는 방법을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 이미지(500)는 2가지 부류의 픽셀을 포함한다: (1) 내강 네트워크의 벽(예컨대, 조직)을 나타내는 픽셀, 및 (2) 기도(예컨대, 기도 개구)를 나타내는 픽셀. 소정 실시예에 따르면, 이미지-기반 기도 분석은 이미지 내에서 기도를 식별하고 검출하기 위해 이들 2가지 부류의 픽셀을 체계적으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 기도(502)는 픽셀을 픽셀 강도에 기초하여 이들 2가지 부류로 분류함으로써 검출될 수 있다. 픽셀 강도에 기초한 이미지 분석 및 검출 방법이, 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는, 미국 특허 출원 제15/783,903호에 더 상세히 기술되어 있다.
C. 이미지-기반 기도 매핑
본 명세서에 기술된 이미지-기반 기도 매핑 기법은 내강 네트워크의 어느 분지부가 검출된 분지부 또는 기도와 연관되는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 이미지-기반 기도 매핑은 내강 네트워크의 어느 후속 분지부가 이미지가 캡처된 현재 분지부에 연결되는지를 결정할 수 있다. 검출된 기도를 내강 네트워크의 분지부에 매핑함으로써, 내강 네트워크 내의 기구의 위치가 결정될 수 있다. 또한, 기구가 어느 분지부 내로 이동될지의 추정치 또는 예측이 또한 획득될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출된 기도는 검출된 기도의 특징을 내강 네트워크의 분지부의 특징과 비교함으로써 내강 네트워크의 분지부에 매핑될 수 있다. 검출된 기도의 특징은 전술된 바와 같이 이미지 분석을 통해 결정될 수 있다. 내강 네트워크의 분지부의 특징은 내강 네트워크의 수술전 모델과 같은 내강 네트워크의 모델로부터 결정될 수 있다. 또한, 소정 실시예에서, 검출된 기도를 내강 네트워크의 분지부에 매핑하는 것은 내강 네트워크 내의 기구의 현재 위치 추정치에 기초할 수 있다. 현재 위치 추정치는 도 15를 참조하여 전술된 바와 같은 다양한 감지 모달리티에 기초하여 결정될 수 있다. 검출된 기도를 현재 위치 추정치에 기초하여 내강 네트워크의 분지부에 매핑하는 것은 매핑 프로세스의 효율, 속도, 및/또는 정확도를 개선할 수 있다. 예를 들어, 현재 위치 추정치가 주어지면, 검출된 기도의 특징은 예상된 후속 분지부의 특징과 비교될 수 있다. 이는 매핑을 수행하고 매핑 속도를 개선하는 데 필요한 계산 부하를 최소화할 수 있다.
도 21은 내강 네트워크(1000)의 단순화된 표현을 예시한다. 내강 네트워크(1000)는 복수의 분지부(예컨대, 내강, 세그먼트(segment), 기도 등)(1002, 1004, 1006, 1008, 1010, 1012, 1014, 1016)를 포함한다. 내강 네트워크(1000)는 또한 다양한 분지부를 서로 연결하는 분기(bifurcation)(1020, 1022) 및 삼분기(trifurcation)(1024)를 포함한다. 도 21의 예에서, 분지부(1004, 1006)가 동일한 세대의 것이고, 분지부(1008, 1010, 1012, 1014, 1016)가 동일한 세대의 것이다. 일부 실시예에서, 내강 네트워크(1000)는 폐의 기관지 네트워크의 일부분을 나타낼 수 있고, 분지부는 기도를 나타낼 수 있다. 본 개시의 많은 예시적인 실시예가 기관지 네트워크에서의 기도를 참조하여 기술되지만, 실시예는 그와 같이 제한되지 않으며 다른 유형의 내강 네트워크에서의 다른 유형의 분지부로 확장될 수 있다.
내강 네트워크(1000)는 모델에 의해 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 모델은 수술전에 결정된다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)(즉, 수술전 모델에 관한 정보)가 저장되고 내비게이션 및 위치결정 시스템(90)(도 15)에 이용가능하게 될 수 있다. 다른 실시예에서, 모델의 적어도 일부분은 수술중에 결정된다. 예로서 후술될 바와 같이, 이미지-기반 기도 매핑은 검출된 분지부를 수술전 모델 데이터(91)에 기초하여 생성된 내강 네트워크(1000)의 분지부에 매핑하도록 구성될 수 있다.
D. 이미지-기반 기도 검출에서의 잠재적인 문제
일부 경우에, 기관지경 카메라에 의해 캡처된 이미지는 상이한 세대로부터의 기도를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 본 명세서에 기술된 이미지-기반 기도 검출 방법에 의해 검출되는 기도의 수는 부정확할 수 있다. 예를 들어, 도 22는 도 21의 내강 네트워크(1000)의 분지부(1002)에서 캡처된 이미지(2200(a))(좌측) 및 이미지(2200(b))(우측)를 도시한다. 도 22의 예에서, 현재 카메라 위치로부터 보일 것으로 예상되는 분지부의 수 및 위치를 지시하기 위해 이미지(2200(a), 2200(b))에 기도 투영(airway projection)이 추가되었다.
이미지(2200(a)) 상에서 수행된 이미지-기반 기도 검출 방법의 결과는 이미지(2200(a))에서 보여지는 바와 같이 4개의 검출된 기도였다. 그러한 결과는 현재 기도가 4개의 검출된 분지부로 분지된다고 시스템이 결정하게 할 수 있다. 그러나, 도 21의 계층적 구조에 의해 지시된 바와 같이, 그러한 결정은 부정확할 것이다. 수술전 모델 데이터(예컨대, 도 21에 예시된 내강 네트워크(1000)의 계층적 구조)는 이미지(2200(a))가 캡처된 분지부(1002)가, 이미지(2200(a))에서 검출된 바와 같은 4개의 분지부가 아닌, 2개의 분지부(즉, 분지부(1004, 1006))로 분지될 것으로 예상되는 것을 (정확하게, 그리고 수술전 모델 데이터와 일치하는 방식으로) 지시한다. 이미지(2200(a))가 4개의 기도를 명확하게 보여주지만, 이미지(2200(a))의 저부 우측 코너에 묘사된 기도들 중 3개는, 현재 분지부(1002)에 바로 후속하는 분지부(1006)(즉, 현재 분지부(1002)의 "차일드")로부터 분지된 현재 분지부(1002)의 "그랜드차일드(grandchild)"(즉, 분지부(1012, 1014, 1016))이다.
따라서, 일부 실시예에서, 주어진 이미지에 존재할 기도의 수(즉, 총수 및/또는 위치)를 나타내는 수술전 모델 데이터를 이용함으로써, 본 개시의 기도 분석 및 매핑 시스템 및 방법은 이미지(2200(b))에 예시된 바와 같이 정확한 수의 기도를 검출할 수 있다.
E. 기도 분석
도 23a는 예시적인 기도 분석 및 매핑 시스템(2300A)을 예시한다. 도시된 바와 같이, 기도 분석 및 매핑 시스템(2300A)은 기도 추적 모듈(airway tracking module)(2300A-1), 기도 연관 모듈(airway association module)(2300A-2), 및 기도 병합 모듈(airway merging module)(2300A-3)을 포함한다. 기도 분석 및 매핑 시스템(2300A)은 (i) 이미지 데이터 저장소(2310)로부터의 이미지 데이터(예컨대, 이미징 장치를 사용하여 캡처된 이미지), (ii) 수술전 모델 데이터 저장소(2320)로부터의 모델 데이터(예컨대, 형광투시법 데이터, MRI 데이터, 초음파 이미징 데이터, x-선 데이터 등과 같은 수술전 모델 데이터), (iii) 센서 데이터 저장소(2330)로부터의 센서 데이터(예컨대, EM 데이터, 비전 데이터, 로봇 데이터, 형상 감지 섬유 데이터 등)를 입력으로서 수신하고, 기도 데이터(예컨대, 식별된 또는 병합된 기도의 위치, 크기, 및 중심, 식별된 또는 병합된 기도와 수술전 모델 데이터 사이의 매핑 등)를 기도 데이터 저장소(2340)로 출력한다. 기도 추적 모듈(2300A-1)은 이미지 데이터 내의 각각의 이미지에서 기도(들)를 식별한다. 기도 연관 모듈(2300A-2)은 현재 이미지 내의 기도(들)를 이전 이미지 내의 기도(들)와 연관시킨다. 기도 병합 모듈(2300A-3)은 2개 이상의 기도가, 예를 들어 센서 데이터 및 수술전 모델 데이터를 사용하여, 그들의 관계에 기초하여 병합되어야 하는지 여부를 결정한다. 다양한 실시예에 따른, 기도를 식별하고, 연관시키고, 병합하는 프로세스가 도 23b, 도 24 및 도 25를 참조하여 더 상세히 후술된다.
도 23b는 예시적인 실시예에 따른 이미지-기반 기도 분석이 수행되는 시간적 문맥을 예시한다. 간략함을 위해, 하나 이상의 단계가 시스템(예컨대, 기도 분석 및 매핑 시스템(2300A))에 의해 수행되는 것으로 기술된다.
도시된 바와 같이, 일련의 이미지(즉, 이미지 t0, t1,. . .)는 환자의 내강 네트워크를 내비게이션하는 의료 기구 상의 이미징 장치에 의해 캡처되고, 상이한 시간에 캡처된 이미지(예컨대, t0 및 t1)는 기도 추적, 기도 연관, 및 기도 병합을 받는다. 상위 레벨에서, 기도 추적, 기도 연관, 및 기도 병합을 수행하는 이러한 프로세스는 현재 검출된 기도의 위치를 이전 이미지에서 검출된 기도의 추정된 위치와 비교하기 위해 이미징 장치에 의해 캡처된 이미지들의 스트림을 분석하고, 이어서 기도가 병합되어야 하는지 여부를 결정하기 위해 현재 이미지 및 이전 이미지에서 검출된 기도들 사이의 관계를 결정한다. 이미지들의 스트림, 또는 그로부터 도출된 데이터, 예컨대 기도 위치 정보는 분석을 수행하기 위해 시스템에 의해 저장될 수 있다. 이제, 시간적 기도 추적, 기도 연관, 및 기도 병합이 더 상세히 기술된다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 이미지-기반 기도 분석의 공간적 특성을 예시한다. 도시된 바와 같이, 이전 이미지 및 현재 이미지 내의 기도는 다양한 상이한 유형의 공간적 관계(예컨대, 일-대-일(one-to-one), 일-대-다(one-to-many), 다-대-일(many-to-one), 0-대-1(zero-to-one), 및 1-대-0(one-to-zero))를 나타낼 수 있다. 이들 예는 기도 연관과 관련하여 더 상세히 후술된다.
E.1. 시간적 기도 추적
상위 레벨에서, 이미지-기반 시간적 추적은 이전 이미지 내의 기도의 상태에 대한 현재 이미지 내의 기도의 상태(예컨대, 위치 및 크기)를 추정하는 것을 수반한다. 도 23b에 도시된 바와 같이, 기도 추적 프로세스는 t1에서의 현재 이미지 및 이전 이미지, 즉 t0에서의 이전 이미지로부터 도출된 기도 정보를 입력으로서 수신한다. 입력에 기초하여, 시스템은 현재 이미지에 대한 이전 기도의 예상된 위치를 결정하고 현재 이미지에서 검출된 기도의 현재 위치를 결정할 수 있다.
기도의 현재 위치 및 과거 기도의 예상된 위치를 식별하는 이러한 프로세스가 도 25에 도시되어 있다. 예를 들어, 제1 행에서, 시간 t0에서, 기도 A 및 B의 위치가 실선 박스로 표현된 바와 같이 식별된다. 시간 t1에서, 시간적 기도 추적은 A 및 B의 검출된 위치를 입력으로서 수신하고, 선택적으로, 예를 들어, 제한이 아닌 예로서, 광학 흐름 기법을 사용하여, 스코프의 이동에 기초하여 이들 기도에 대한 업데이트된 위치를 추정할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출, 객체 분할 계산, 휘도, 모션 보상 인코딩, 스테레오 디스패리티 측정 등을 포함할 수 있다. 시간 t1에서의 이전 기도의 추정된 위치는 파선 박스로 도시되어 있다. 시간적 기도 추적은 또한 시간 t1에서 현재 이미지에서 검출가능한 기도의 위치를 검출하기 위해 현재 이미지를 분석한다. 시간 t1에서 이미지에서 검출된 기도의 현재 위치는 실선 박스로 도시되어 있다. 도 25는 기도 연관과 관련하여 더 상세히 후술된다.
따라서, 기도 추적 프로세스는, 현재 시간에 대해, 현재 이미지에 대한 이전 기도의 추정된 위치 및 현재 시간에 대한 이미지 데이터에서 현재 검출된 기도의 위치를 결정한다.
E.2. 시간적 및 공간적 분석에 기초하는 기도 연관
일반적으로, 시스템에 의해 실행되는 바와 같은 기도 연관은 이전 이미지에서 검출된 기도와 현재 이미지에서 검출된 기도 사이의 관계를 생성할 수 있다. 기도 연관은 기도 추적에 의해 결정될 수 있는 바와 같은 검출된 기도의 위치 및 이전 기도의 위치에 기초하여 이들 관계를 생성한다. 관계는 이전 기도가 이제 2개의 별개의 기도로서 검출되는 경우를 나타낼 수 있다. 기도가 2개의 상이한 기도로서 묘사되게 할 수 있는 그러한 상황은, 다른 기도(예컨대, 후세대 기도(descendent airway))를 통해 가시적인 기도를 검출하는 것; 및 기도가 초기에 단일 기도로서 보이지만, 이어서 단일 기도가 서로 매우 근접하게 위치된 실제로 다수의 기도임이 명백해지는 전이를 검출하는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 일부 경우에, 이전 이미지의 원래 부분이 아닌 기도가 가시적이게 될 수 있고, 기도 연관은 그러한 새로운 기도를 이전 기도와 관련시키는 것을 회피하기 위한 조치를 취할 수 있다.
도 24는 이전 이미지 및 현재 이미지 내의 기도에 의해 나타날 수 있는 관계의 유형의 예를 예시한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 예시적인 관계는 2400(a)에 예시된 일-대-일 (A→A) 연관 및 일-대-다 (B→C,D) 연관; 2400(b)에 예시된 일-대-일 (E→E) 연관 및 다-대-일 (F,G→H) 연관; 2400(c)에 예시된 0-대-1 (none→J) 및 일-대-일 (I→I) 연관; 및 2400(d)에 예시된 1-대-0 (L→none) 및 일-대-일 (K→K) 연관을 포함할 수 있다. 실선 직사각형은 현재 이미지(예컨대, 이미지 t1)에서 검출된 기도를 캡슐화하는(encapsulating) 경계설정 박스(bounding box)이고, 파선 직사각형은 이전 이미지(예컨대, 이미지 t0)에서 검출된 기도를 캡슐화하는 경계설정 박스이다. 일부 실시예에서 직사각형 및/또는 경계설정 박스가 사용되지만, 그러한 실시예는 그와 같이 제한되지 않으며 임의의 다각형 또는 다른 형상을 사용하는 실시예로 확장될 수 있다. 연관은 기도가 주어진 고유 식별자인 일련의 기록으로서 시스템에 의해 저장될 수 있고, 함께 연관되는 기도에 대한 고유 식별자를 링크시키는 데이터를 포함할 수 있다.
시스템은 도 24에 예시된 직사각형들(또는 더 광범위하게는, 기도들의 위치 및 형상) 사이의 중첩을 비교함으로써 이전 이미지에서 검출된 기도와 현재 이미지에서 검출된 기도 사이의 대응을 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 주어진 기도가 다른 기도에 대응하는지 여부를 결정하기 위해 하기 중첩 비 값들(또는 이들의 임의의 조합) 중 하나 이상이 사용될 수 있다:
[수학식 1]
Figure 112020141682019-pct00001
[수학식 2]
Figure 112020141682019-pct00002
[수학식 3]
Figure 112020141682019-pct00003
여기서
Figure 112020141682019-pct00004
및
Figure 112020141682019-pct00005
는 2개의 직사각형들 b1 및 b2 사이의, 각각 교집합 및 합집합 연산자를 나타낸다. (직사각형 내측의 픽셀의 총수를 계산함으로써 계산될 수 있는) 직사각형 또는 다른 경계설정 형상의 (예컨대, 픽셀 내의) 면적은
Figure 112020141682019-pct00006
로서 표시된다.
Figure 112020141682019-pct00007
및
Figure 112020141682019-pct00008
는 각각 p 및 q로부터 더 작은 값 및 더 큰 값을 반환한다.
일부 실시예에서, 2개의 직사각형(예컨대, 이전 이미지에서 검출된 하나 이상의 기도에 대응하는 직사각형, 및 현재 이미지에서 검출된 하나 이상의 기도에 대응하는 다른 직사각형) 사이의 연관이 하기 조건이 충족되는 경우 확립된다:
[수학식 4]
Figure 112020141682019-pct00009
여기서
Figure 112020141682019-pct00010
는 사전-한정된 임계치이고,
Figure 112020141682019-pct00011
는 3개의 중첩 비 값(O1, O2 및 O3) 중 하나일 수 있다. 3개의 중첩 비 값은 예이며, 이들 중첩 비 값 대신에 또는 그에 더하여 다른 중첩 비 값이 사용될 수 있다. 직사각형이 도 24의 예에 사용되지만, 일부 실시예에서, 임의의 기하학적 형상(예컨대, 다각형 또는 다른 형상)이 기도들 사이의 중첩을 결정하는 데 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서, 현재 묘사에서 검출된 하나 이상의 기도에 대응하는 하나 이상의 기하학적 형상들의 하나의 세트와 이전 묘사에서 검출된 하나 이상의 기도에 대응하는 하나 이상의 기하학적 형상들의 다른 세트 사이의 중첩이 계산될 수 있다. 일부 실시예에서, 중첩을 결정하는 데 사용되는 기하학적 형상은 검출된 기도를 완전히 캡슐화한다. 다른 예에서, 기하학적 형상은 검출된 기도를 완전히 캡슐화하지 않고, 기도와 부분적으로 중첩된다. 병합될 기도의 아이덴티티가 알려진 이전의 예에서, 시스템은 도 24에 예시된 기하학적 중첩 분석의 일부 또는 전부를 건너뛸 수 있다.
상기 내용이 하나의 레벨 딥(level deep)에 있는 연관(예컨대, 2개 이상의 기도들 사이의 하나의 연관)을 생성하는 것으로 기술되었지만, 다른 실시예가 하나의 레벨 딥보다 큰 체인(chain)을 생성할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 기도 X가 기도 Y 및 Z와 연관되는 경우, 후속 이미지는 중첩 임계치를 충족시키는, Y' 및 Y''로 라벨링된, Y 내의 기도를 검출할 수 있다. 그러한 경우에, 시스템은 이어서 X→Y→Y',Y''를 포함하는 연관 체인과 같은, Y와 Y',Y'' 사이의 관계를 생성할 수 있다.
E.3. 중첩 임계치의 조절
도 25는 중첩 비 임계치의 부정확한 설정으로 인해 부정확한 연관이 결정될 수 있는 3개의 예를 예시한다. 예를 들어, 이미지(2500(a))에 도시된 관계는 2개의 일-대-일 연관(예컨대, A→A 및 B→B)이어야 한다. 그러나, 이미지(2500(a))의 제4 열에 예시된 중첩은 현재 이미지의 기도 B가 이전 이미지의 기도 A와 연관되게 할 수 있다(또는 기도 A,B가 이전 이미지의 기도 A,B와 연관되게 함). 그러한 경우에, 중첩 임계 값은 이미지(2500(a))의 제4 열에 예시된 중첩이 중첩 조건을 충족시키지 않도록 조절될 수 있다. 유사하게, 이미지(2500(b), 2500(c))는 부정확한 연관이 결정될 수 있는 다른 예 및 중첩 임계 값이 그러한 연관을 방지하도록 조절(예컨대, 제4 열에 예시된 중첩이 중첩 임계치를 충족시키지 않도록 조절)될 수 있는 방법을 예시한다.
일부 실시예에서, 중첩 비 임계치는 시스템의 설계자에 의해 구성된 설계-시간 파라미터일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 시스템은 상이한 중첩 임계 값의 실패율을 추적하기 위해 수술 데이터를 추적하고 기록할 수 있다. 그러한 시스템은 그러한 수술 데이터를 이용하여 상이한 중첩 임계 값의 사용에 대해 시스템을 훈련시키고 더 적은 실패율로 이어질 수 있는 업데이트된 중첩 임계 값으로 시스템을 업데이트할 수 있다. 또한, 다수의 시스템이 그러한 훈련 및 중첩 임계 값의 선택에 이용가능한 수술 데이터를 증가시키기 위해 수술 데이터를 공유할 수 있다.
E.4. 시간적 및 공간적 분석에 기초하는 기도 병합
기도 병합에서, 시스템은 결정된 기도 연관(들) 및 수술전 모델 데이터로부터의 데이터에 기초하여 2개 이상의 현재 기도를 병합할 수 있다. 현재 이미지 내의 2개 이상의 기도를 병합할지 여부를 결정하기 위해, 시스템은 기구의 현재 위치를 결정하고, 이어서 수술전 모델로부터의 위치에서 예상되는 기도의 수를 결정할 수 있다. 시스템이 기구의 위치를 결정하기 위한 임의의 수의 접근법을 이용할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 접근법은 전술된 센서 융합 시스템(sensor fusion system)을 포함할 수 있으며, 이는 하기 센서 유형들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: EM, 비전, 로봇 데이터, 형상 감지 섬유 등.
수술전 모델 데이터는 주어진 위치에 대한 예상된 기도의 검색을 허용하는 형태로 저장될 수 있다. 그러한 데이터는 절차 전에 생성될 수 있으며, 여기에서 예상된 기도는 수술전 모델에 대한 기구의 위치에 의해 인덱싱된다(indexed). 여기서 사용되는 바와 같이, 위치는 배향을 갖거나 갖지 않는 위치확인 위치(positional location), 세그먼트 내의 삽입 깊이를 갖거나 갖지 않는 세그먼트, 또는 임의의 다른 위치 표현일 수 있다.
일단 시스템이 현재 이미지 내의 기도들의 세트가 병합되어야 한다고 결정하면, 시스템은 병합된 기도의 새로운 기도 중심을 결정할 수 있다. 새로운 기도 중심은 이어서 전술된 이미지 기반 기도 매핑 방법에 사용될 수 있다.
단일 페어런트 기도(parent airway)를 갖는 2개의 기도를 병합하는 예에서, 2개의 기도의 기도 중심은 각각
Figure 112020141682019-pct00012
및
Figure 112020141682019-pct00013
로서 표시될 수 있다. 하나의 접근법에 따르면, 병합된 기도의 기도 중심은 현재 이미지에서 검출된 기도(예컨대, 현재 이미지 내의 기도를 나타내는 기하학적 형상)의 각각의 중심 위치의 중심으로서 계산될 수 있다. 예를 들어, 그러한 값은 하기와 같이 계산될 수 있다:
[수학식 5]
Figure 112020141682019-pct00014
다른 예에서, 병합된 기도의 기도 중심은 현재 이미지에서 검출된 기도(예컨대, 현재 이미지 내의 기도를 나타내는 기하학적 형상)의 각각의 중심 위치의 가중된 중심으로서 계산될 수 있다. 예를 들어, 그러한 값은 하기와 같이 계산될 수 있다:
[수학식 6]
Figure 112020141682019-pct00015
여기서
Figure 112020141682019-pct00016
및
Figure 112020141682019-pct00017
는 각각 병합되는 2개의 기도의 (예컨대, 픽셀 내의) 면적이다.
또 다른 예에서, 병합된 기도의 기도 중심은 현재 이미지에서 검출된 기도(예컨대, 현재 이미지 내의 기도를 나타내는 기하학적 형상)를 캡슐화하는 경계설정 다각형의 중심으로서 계산될 수 있다. 예를 들어, 2개의 기도들 중 제1 기도를 캡슐화하는 직사각형의 죄측-상부 코너 및 우측-저부 코너의 좌표가
Figure 112020141682019-pct00018
및
Figure 112020141682019-pct00019
로서 표시되고, 2개의 기도들 중 제2 기도를 캡슐화하는 직사각형의 죄측-상부 코너 및 우측-저부 코너의 좌표가
Figure 112020141682019-pct00020
및
Figure 112020141682019-pct00021
로서 표시되는 경우, 캡슐화 직사각형의 코너
Figure 112020141682019-pct00022
및
Figure 112020141682019-pct00023
는 하기와 같이 도출될 수 있다:
[수학식 7]
Figure 112020141682019-pct00024
[수학식 8]
Figure 112020141682019-pct00025
[수학식 9]
Figure 112020141682019-pct00026
[수학식 10]
Figure 112020141682019-pct00027
이들 값을 사용하여, 병합된 기도의 기도 중심은 캡슐화 직사각형의 중심으로서 계산될 수 있고, 이는 하기와 같이 획득된다:
[수학식 11]
Figure 112020141682019-pct00028
예를 들어, 계산되는 병합된 중심은 현재 이미지에서 검출된 기도의 임의의 다른 중심 위치와 상이할 수 있다. 도 22의 이미지(2200(b))에서 보여지는 바와 같이, 병합된 기도의 병합된 중심의 그래픽 표현이 병합된 기도로 병합되었던 기도의 중심 대신에 시스템의 디스플레이 상에 출력될 수 있다. 일부 경우에, 병합된 중심은 병합되었던 기도의 중심과 함께 디스플레이 상에 출력될 수 있다. 병합된 기도의 기도 중심을 계산하는 예시적인 기법이 전술되지만, 병합된 기도를 나타내는 기도 중심을 계산하는 다른 기법이 사용될 수 있다.
F. 예시적인 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 방법 및 시스템
도 26은 전술된 바와 같은 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 구현하기 위한 예시적인 방법(2600)을 예시한다. 방법(2600)은 본 개시 전반에 걸쳐 기술된 다양한 로봇-제어식 시스템에서 구현될 수 있다. 방법(2600)은 내강 네트워크 내로 삽입되도록 구성되는 세장형 본체를 갖는 기구를 포함하는 로봇 시스템으로 구현될 수 있다. 이미징 장치가 세장형 본체 상에(예컨대, 세장형 본체의 원위 단부 상에) 위치될 수 있다. 기구는 기구를 내강 네트워크를 통해 이동시키도록 구성되는 기구 위치설정 장치(예컨대, 로봇 아암)에 부착될 수 있다. 방법(2600)을 채용하는 시스템은 프로세서가 방법(2600)을 실행하게 하는 명령어로 구성되는 프로세서를 포함할 수 있다. 방법(2600)은 단지 예로서 제공되고, 이미지-기반 기도 분석 및 매핑은 도 26에 도시된 것과는 상이한 단계를 사용하여 구현될 수 있다. 간략함을 위해, 도 26에 예시된 단계는 시스템(예컨대, 본 명세서에 기술된 시스템들 중 하나 또는 여기서 기술된 기법들 중 하나 이상을 수행하도록 구성되는 시스템)에 의해 수행되는 것으로 기술된다.
블록(2602)에서, 내강 네트워크 내의 하나 이상의 기도를 매핑하기 위한 시스템은 기구 상에 위치된 이미징 장치로 내강 네트워크 내에서 복수의 이미지를 캡처한다. 복수의 이미지는 적어도 2개의 이미지를 포함할 수 있으며, 여기에서 이미지들 중 하나(예컨대, 현재 이미지, 또는 제2 이미지)는 다른 이미지(예컨대, 이전 이미지, 또는 제1 이미지) 이후의 시간에 캡처된다. 제1 이미지가 캡처되는 시간은 제1 시간으로 지칭될 수 있고, 제2 이미지가 캡처되는 시간은 제2 시간으로 지칭될 수 있다.
블록(2604)에서, 시스템은 제1 이미지에서 하나 이상의 기도를 식별한다. 일부 실시예에서, 시스템은 제1 이미지에서 단일 기도를 식별한다. 다른 실시예에서, 시스템은 제1 이미지에서 다수의 기도를 식별한다. 시스템은 본 명세서에 기술된 기도 식별 또는 검출 기법들(예컨대, 픽셀 강도 분석) 또는 다른 기법들 중 임의의 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, 식별된 기도는, 그의 픽셀이 기도 검출 방법에 의해 지정된 픽셀 강도 임계치를 충족시키는 하나 이상의 다각형 또는 다른 기하학적 형상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 중심과 같은 지점 위치가 결정되고 검출된 기도와 연관된다.
블록(2606)에서, 시스템은 제2 이미지에서 2개 이상의 기도를 식별한다. 일부 실시예에서, 시스템은 제2 이미지에서 단일 기도를 식별한다. 다른 실시예에서, 시스템은 제2 이미지에서 다수의 기도를 식별한다. 시스템은 블록(2604)에서 이용되는 것과 유사한 방식으로 제2 이미지에서 하나 이상의 기도를 식별할 수 있다.
블록(2608)에서, 시스템은, 제1 이미지 내의 제1 기도 및 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도에 기초하여, 중첩 조건이 충족된다고 결정한다. 중첩 조건이 충족된다는 결정은, 예를 들어 제1 이미지 내의 제1 기도를 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제1 세트와 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도를 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제2 세트 사이의 공간적 중첩의 정도를 결정하는 것; 및 공간적 중첩의 정도가 한정된 중첩 임계 값, 파라미터, 또는 표지(indicia)를 충족하거나 초과한다고 결정하는 것을 수반할 수 있다. 블록(2602 내지 2606)이 기도 추적 및 기도 연관과 관련하여 기술된 하나 이상의 특징을 수반할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 즉, 시스템은 현재 이미지 내의 기도의 위치 및 크기뿐만 아니라, 이전 이미지에서 이전에 검출된 기도의 예상된 위치 및 크기를 추적할 수 있다. 중첩 조건이 충족될 때, 시스템은 이전 이미지 및 현재 이미지의 하나 이상의 이미지 내의 기도와의 연관을 생성할 수 있다. 다른 연관은, 전술된 바와 같이, 일-대-일 또는 다-대-일일수 있다.
블록(2610)에서, 시스템은 제2 시간 동안 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스한다. 예를 들어, 도 26에 예시되지 않지만, 시스템은 내강 네트워크 내에 위치된 기구에 대한 위치 상태 추정치에 액세스할 수 있다. 위치 상태 추정치는 기구가 (예컨대, 도 21의 내강 네트워크(1000)의 계층적 구조 내에서) 어느 분지부에 현재 위치되어 있는지의 식별을 포함할 수 있다. 위치 상태 추정치 및 수술전 모델 데이터(예컨대, CT 이미지)에 기초하여, 시스템은 제2 시간 동안(즉, 제2 이미지가 캡처되는 시간에) 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도의 총수를 결정할 수 있다. 위치 상태 추정치는 예를 들어 도 15의 내비게이션 및 위치결정 시스템(90)에 의해 결정될 수 있다. 위치 상태 추정치는 다양한 및/또는 다수의 위치 감지 모달리티 및 정보, 예컨대 수술전 모델 데이터(91), 비전 데이터(92), EM 데이터(93)(또는 다른 위치 감지 데이터), 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 기초하여 결정될 수 있다.
블록(2612)에서, 시스템은, 수술전 모델 데이터 및 중첩 조건이 충족된다는 결정에 기초하여, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도와 수술전 모델 데이터 내의 기도 사이의 매핑을 결정한다. 이러한 블록에서, 시스템은 기도 병합(섹션 E.4. 참조)을 사용하여 제2 이미지 내의 기도와 수술전 모델 데이터 내의 기도 사이의 매핑을 결정할 수 있다. 즉, 일부 실시예에 따르면, 시스템은 제2 이미지에서 검출된 기도를 병합할지 또는 병합하지 않을지 여부를 결정하기 위해, 수술전 모델 데이터에 의해 결정될 수 있는 바와 같이, 내강 네트워크 내의 현재 위치에 대한 예상된 기도의 수의 총수 및 블록(2602 내지 2606)(기도 추적 및 기도 연관)으로부터 도출된 데이터를 사용할 수 있다. 시스템은 이어서 수술전 모델에서 병합된 또는 병합되지 않은 기도를 매핑할 수 있다. 기도를 수술전 모델 데이터에 매핑하는 것은, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되고 부록 A로서 이에 첨부된, 2017년 10월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/783,903호에 추가로 기술되어 있다.
블록(2612)의 일부로서 방금 논의된 바와 같이, 시스템은 제2 시간 동안 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스함으로써 수술전 모델에 기초하는 수술전 모델 데이터 내의 기도와 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도 사이의 매핑을 결정할 수 있다. 예상된 기도 총수를 결정하기 위해 수술전 모델 데이터에 액세스하는 것이 이제 더 상세히 설명된다. 도 26에 예시되지 않지만, 수술전 모델 데이터는 시스템이 주어진 위치에 대해 예상되는 기도의 수를 검색하도록 허용하는 데이터 구조를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 내강 네트워크 내에 위치된 기구에 대한 위치 상태 추정치에 액세스할 수 있다. 위치 상태 추정치는 기구가 (예컨대, 도 21의 내강 네트워크(1000)의 계층적 구조 내에서) 어느 분지부에 현재 위치되어 있는지의 식별을 포함할 수 있다. 위치 상태 추정치 및 수술전 모델 데이터(예컨대, 일 실시예에서, CT 이미지로부터 도출된 데이터)에 기초하여, 시스템은 위에서 언급된 데이터 구조에 액세스함으로써 제2 시간 동안(즉, 제2 이미지가 캡처되는 시간에) 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도의 총수를 결정할 수 있다. 위치 상태 추정치는 예를 들어 도 15의 내비게이션 및 위치결정 시스템(90)에 의해 결정될 수 있다. 위치 상태 추정치는 다양한 및/또는 다수의 위치 감지 모달리티 및 정보, 예컨대 수술전 모델 데이터(91), 비전 데이터(92), EM 데이터(93)(또는 다른 위치 감지 데이터), 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 기초하여 결정될 수 있다.
추가 예로서, 수술전 모델 데이터는 시스템이 내강 네트워크(1000)의 분지부(1004, 1006)를 검출할 것으로 예상됨을 지시할 수 있다. 시스템이 블록(2606)에서 2개의 기도를 검출한 경우, 시스템은 제2 이미지에서 검출된 2개 이상의 기도의 총수가 수술전 모델 데이터에 의해 지시된 예상된 기도의 총수와 동일한 것에 기초하여 병합이 필요하지 않다고 결정할 수 있다. 그러한 경우에, 시스템은 2개의 검출된 기도를, 도 21에 도시된, (예컨대, 이미지 및/또는 2개의 기도의 배향에 기초하여) 각각 분지부(1004, 1006)에 매핑할 수 있다. 도 26의 예에서, 제2 이미지에서 식별된 2개 이상의 기도의 총수가 수술전 모델 데이터에 의해 지시된 예상된 기도의 총수와 동일하다는 결정에 기초하여, 시스템은, 블록(2612)에서, 제2 이미지에서 식별된 2개 이상의 기도들 중 각각의 기도가 수술전 모델 데이터 내의 기도들 중 상이한 기도에 매핑되도록 매핑을 결정할 수 있다.
다른 예에서, 도 22에 예시된 바와 같이, 수술전 모델 데이터는, 시스템이 내강 네트워크(1000)의 분지부(1004, 1006)를 검출할 것으로 예상되지만, 시스템은 블록(2606)에서 4개의 기도(예컨대, 분지부(1004, 1012, 1014, 1016))를 검출하였을 수 있음을 지시할 수 있다. 그러한 경우에, 시스템은 4개의 기도를 (예컨대, 분지부(1012, 1014, 1016)에 대응하는 검출된 기도를 단일 기도로 병합함으로써) 2개의 기도로 병합하고, 병합된 기도를 분지부(1006)에, 그리고 병합되지 않은 기도를 분지부(1004)에 매핑할 수 있다. 도 26의 예에서, 제2 이미지에서 식별된 2개 이상의 기도의 총수가 수술전 모델 데이터에 의해 지시된 예상된 기도의 총수와 상이하다는 결정에 기초하여, 시스템은, 블록(2612)에서, 제2 이미지에서 식별된 2개 이상의 기도들 중 적어도 2개가 수술전 모델 데이터 내의 단일 기도에 매핑되도록 매핑을 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 매핑은 2개 이상의 기도들 사이의 연관을 데이터베이스에 저장하는 것을 포함한다. 예를 들어, 시스템은 이미지에서 식별된 주어진 기도가 수술전 모델 데이터에 의해 지시된 2개 이상의 기도로 분지됨의 표시를 저장할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 시스템은, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도와 수술전 모델 데이터 내의 기도 사이의 매핑에 기초하여, 기구가 현재 위치되어 있는 내강 네트워크의 세그먼트를 확인할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도와 수술전 모델 데이터 내의 기도 사이의 매핑에 기초하여, 다른 데이터에 기초한 위치 상태 추정치의 신뢰도 값을 조절할 수 있다. 예를 들어, 이러한 다른 데이터는 EM 데이터, 로봇 데이터, 광학 형상 센서 데이터, 및 관성 측정 유닛(inertial measurement unit, IMU) 데이터, 본 명세서에 기술된 임의의 다른 입력 데이터(예컨대, 도 15의 입력 데이터(91 내지 94)), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템은, 제2 이미지 내의 2개 이상의 기도와 수술전 모델 데이터 내의 기도 사이의 매핑에 기초하여, 기구가 진입하고 있을 내강 네트워크의 세그먼트를 예측할 수 있다.
블록(2608)의 일 실시예에서, 현재 이미지 내의 기도의 조합이 임계 양 초과만큼(또는 임계 양과 동일하게) 이전 이미지 내의 기도의 조합과 중첩된다고 결정할 때, 시스템은 병합 후의 현재 이미지 내의 기도의 수가 이전 이미지 내의 기도의 조합의 기도의 수와 일치하도록 현재 이미지 내의 기도의 조합을 하나 이상의 기도로 병합할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 중첩 비 값(예컨대, 위의 수학식 1 내지 수학식 3에서의 중첩 비 값들 중 임의의 것)을 임계 중첩 값과 비교하여, 기도의 2개의 조합들 사이의 연관이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 시스템은 또한 병합된 기도의 병합된 중심을 결정할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 현재 이미지 내의 기도의 조합(예컨대, 현재 이미지 내의 기도의 조합을 나타내는 기하학적 형상들의 세트)의 병합된 중심 위치를 계산할 수 있고, 여기에서 병합된 중심 위치는 현재 이미지에서 검출된 기도(예컨대, 현재 이미지 내의 기도의 조합을 나타내는 세트 내의 기하학적 형상)의 각각의 중심 위치들 중 임의의 것과 상이하다.
시스템이 기도의 조합의 다수의 페어링(pairing)이 중첩 조건을 충족한다고 결정하는 경우(예컨대, A→B가 60% 중첩을 갖고 A→C가 25% 중첩을 가짐), 시스템은 더 큰 중첩을 갖는 기도의 조합의 페어링이 연관되는 것으로(예컨대, A→B) 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 중첩 조건이 충족되는지 여부의 결정은 정도의 결정(예컨대, 중첩 비가 임계 중첩 비 이상임)이 아니며, 대신에 이진 결정(binary determination)(예컨대, 현재 이미지 내의 기도의 조합을 캡슐화하는 직사각형의 3개 이상의 세그먼트의 중간점이 페어런트 이미지 내의 기도의 조합을 캡슐화하는 직사각형 내에 있는지 여부)이다.
일부 실시예에서, 중첩 조건이 충족되는지 여부의 결정은 이전 이미지 내의 기도의 조합(예컨대, 이전 이미지 내의 기도의 조합을 나타내는 기하학적 형상들의 세트)을 캡슐화하는 경계설정 다각형(예컨대, 직사각형 또는 다른 형상)을 결정하는 것, 현재 이미지 내의 기도의 조합(예컨대, 현재 이미지 내의 기도의 조합을 나타내는 기하학적 형상들의 세트)을 캡슐화하는 경계설정 다각형을 결정하는 것, 및 2개의 경계설정 다각형들 사이의 중첩에 기초하여 공간적 중첩의 정도를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 기법은 비전 분지부 예측(Vision Branch Prediction, VBP) 접근법 또는 다른 이미지-기반 분지부 예측 접근법을 보상한다. VBP는 (예컨대, 도 22의 이미지(2200(a))에 예시된 바와 같이) 주어진 이미지에서 상이한 세대로부터의 것인 기도의 가시성으로 인해 일부 경우에 정확한 기도 매핑을 수행하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 본 명세서에 기술된 이미지-기반 기도 분석 및 매핑 기법은 내강 네트워크 내의 기도의 계층적 구조를 결정하거나 확인하고, 동일한 세대에 대응하는 기도 중심을 결정할 수 있다. 이는 도 22의 이미지(2200(b))에 예시된 바와 같이, 정확한 기도 매핑을 확립하는 데 도움을 준다.
G. 재귀 거리 검색(Recursive Distance Searching)
일부 실시예에서, 현재 이미지 내의 2개 이상의 기도가 병합되어야 한다고 결정할 때, 시스템은 재귀 거리 검색을 사용하여 기도를 병합할 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 시스템은 기도가 다른 세대보다 그의 동일한 세대로부터의 기도에 더 가까운 것으로 가정할 수 있다. 예를 들어, 이러한 가정은, 3세대인 기도(예컨대, 도 22의 저부 우측 코너에 예시된 분지부(1012, 1014, 1016))가 2세대인 기도(예컨대, 도 22의 상부 좌측 코너에 예시된 분지부(1004))보다 서로 더 가까운, 도 21 및 도 22의 예에서 유효하다.
재귀 거리 검색은 집합
Figure 112020141682019-pct00029
을 수반할 수 있고, 이는 현재 이미지에서 검출된 n개의 기도 중심들의 집합을 나타낸다. 각각의 기도 중심은
Figure 112020141682019-pct00030
로서 표시될 수 있다. 이어서, 시스템은 하기 값을 계산할 수 있다:
[수학식 12]
Figure 112020141682019-pct00031
여기서
Figure 112020141682019-pct00032
은 L2 놈(norm) 연산자를 나타낸다. 위의 수학식은 집합 p 내의 기도 중심들 중에서 서로 가장 가까운 거리를 갖는 중심들의 쌍을 발견하고, 시스템은 이들 2개의 기도가 동일한 세대로부터의 것으로 가정할 수 있다. 시스템은 이어서 예를 들어 수학식 5 내지 수학식 11에 기초하여 2개의 기도를 병합한다(예컨대, 병합된 기도의 기도 중심을 획득함). 시스템은 이어서 p로부터 pi 및 pj를 제거하고 pk를 p에 추가하고, 단 하나의 기도(또는 원하는 수의 기도)가 p에 남아 있을 때까지 이러한 프로세스(예컨대, 계산, 병합, 제거, 및 추가)를 반복한다.
IV. 구현 시스템 및 용어
본 명세서에 개시된 구현예는 로봇-제어식 의료 기구의 내비게이션을 위한 이미지-기반 기도 분석 및 매핑을 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 기술된 다양한 구현예는 내강 네트워크의 개선된 내비게이션을 제공한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에 기술된 위치 추정 및 로봇 운동 작동 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.
어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.
개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.

Claims (42)

  1. 내강 네트워크에서 하나 이상의 기도들을 매핑하기 위한 로봇 수술 시스템(robotic surgical system)으로서,
    기구로서,
    상기 내강 네트워크 내로 삽입되도록 구성되는 세장형 본체, 및
    상기 세장형 본체의 원위 부분 상에 위치되는 이미징 장치를 갖는, 상기 기구;
    상기 기구에 부착되는 기구 위치설정 장치(instrument positioning device)로서, 상기 기구를 상기 내강 네트워크를 통해 이동시키도록 구성되는, 상기 기구 위치설정 장치;
    실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및
    상기 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 상기 명령어들을 실행하여 상기 시스템으로 하여금 적어도,
    상기 기구 상에 위치되는 상기 이미징 장치로 상기 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 것으로서, 상기 복수의 이미지들은 적어도 제1 시간에 캡처되는 제1 이미지 및 상기 제1 시간 이후의 제2 시간에 캡처되는 제2 이미지를 포함하는, 상기 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하고;
    상기 제1 이미지에서 제1 기도를 식별하고;
    상기 제2 이미지에서 2개 이상의 기도들을 식별하고, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상이하고;
    상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도 및 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들에 기초하여, 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 공간적 중첩의 정도를 결정하고;
    상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 상기 공간적 중첩의 정도가 중첩 조건을 충족하는지 결정하고;
    상기 제2 시간 동안 상기 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도들의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스하고;
    상기 수술전 모델 데이터 및 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다는 상기 결정에 기초하여, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 매핑을 결정하고;
    상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 기구가 상기 내강 네트워크를 통해 이동하게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다고 결정하는 것은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도를 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제1 세트와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들을 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제2 세트 사이의 공간적 중첩의 정도에 추가로 기초하는, 로봇 수술 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서들은,
    상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도를 나타내는 상기 기하학적 형상들의 제1 세트를 캡슐화하는 제1 경계설정 다각형을 결정하고;
    상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들을 나타내는 상기 기하학적 형상들의 제2 세트를 캡슐화하는 제2 경계설정 다각형을 결정하도록 추가로 구성되고,
    상기 하나 이상의 기하학적 형상들의 상기 제1 세트와 상기 하나 이상의 기하학적 형상들의 상기 제2 세트 사이의 상기 공간적 중첩의 정도를 결정하는 것은 상기 제1 경계설정 다각형과 상기 제2 경계설정 다각형 사이의 중첩에 기초하는, 로봇 수술 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다고 결정하는 것은 상기 하나 이상의 기하학적 형상들의 제1 세트와 상기 하나 이상의 기하학적 형상들의 제2 세트 사이의 상기 공간적 중첩의 정도가 임계 중첩 양을 초과한다는 결정에 추가로 기초하는, 로봇 수술 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 매핑을 결정하는 것은 상기 제2 이미지에서 식별되는 상기 2개 이상의 기도들을 나타내는 상기 기하학적 형상들의 제2 세트의 병합된 중심 위치를 계산하는 것을 포함하고,
    상기 병합된 중심 위치는 상기 제2 세트 내의 상기 기하학적 형상들의 각각의 중심 위치들 중 임의의 것과 상이한, 로봇 수술 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 세트 내의 상기 하나 이상의 기하학적 형상들은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 적어도 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 다각형들을 포함하고, 상기 제2 세트 내의 상기 하나 이상의 기하학적 형상들은 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 적어도 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 다각형들을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서들은, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 기초하여, 상기 기구가 진입하고 있을 상기 내강 네트워크의 세그먼트를 예측하도록 추가로 구성되는, 로봇 수술 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서들은, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 기초하여, 상기 기구가 현재 위치되어 있는 상기 내강 네트워크의 세그먼트를 확인하도록 추가로 구성되는, 로봇 수술 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서들은, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 기초하여, 전자기(EM) 데이터, 로봇 데이터, 광학 형상 센서 데이터, 및 관성 측정 유닛(IMU) 데이터로 이루어진 군으로부터 선택되는 데이터에 기초한 위치 상태 추정치의 신뢰도 값을 조절하도록 추가로 구성되는, 로봇 수술 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 매핑을 결정하는 것은,
    상기 제2 이미지에서 식별되는 상기 2개 이상의 기도들의 총수가 상기 수술전 모델 데이터에 의해 지시되는 상기 예상된 기도들의 총수와 동일하다고 결정하는 것; 및
    상기 제2 이미지에서 식별되는 상기 2개 이상의 기도들의 상기 총수가 상기 수술전 모델 데이터에 의해 지시되는 상기 예상된 기도들의 총수와 동일하다고 결정하는 것에 응답하여, 상기 제2 이미지에서 식별되는 상기 2개 이상의 기도들 중 각각의 기도가 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 중 상이한 기도에 매핑되도록 상기 매핑을 결정하는 것을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
  11. 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도,
    기구 상에 위치되는 이미징 장치로 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하는 것으로서, 상기 복수의 이미지들은 적어도 제1 시간에 캡처되는 제1 이미지 및 상기 제1 시간 이후의 제2 시간에 캡처되는 제2 이미지를 포함하는, 상기 내강 네트워크 내의 복수의 이미지들을 캡처하고;
    상기 제1 이미지에서 제1 기도를 식별하고;
    상기 제2 이미지에서 2개 이상의 기도들을 식별하고, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상이하고;
    상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도 및 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들에 기초하여, 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 공간적 중첩의 정도를 결정하고;
    상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 상기 공간적 중첩의 정도가 중첩 조건을 충족하는지 결정하고;
    상기 제2 시간 동안 상기 기구의 위치에 대응하는 예상된 기도들의 총수를 나타내는 수술전 모델 데이터에 액세스하고;
    상기 수술전 모델 데이터 및 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들 사이의 상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다는 상기 결정에 기초하여, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 매핑을 결정하고;
    상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 기구가 상기 내강 네트워크를 통해 이동하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 매핑을 결정하는 것은,
    상기 제2 이미지에서 식별되는 상기 2개 이상의 기도들의 총수가 상기 수술전 모델 데이터에 의해 지시되는 상기 예상된 기도들의 총수와 상이하다고 결정하는 것; 및
    상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다는 상기 결정에 기초하여, 상기 2개 이상의 기도들이 상기 제1 기도로부터 분지된다고 결정하는 것을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  13. 제11항에 있어서, 상기 공간적 중첩의 정도가 상기 중첩 조건을 충족한다고 결정하는 것은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도를 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제1 세트와 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들을 나타내는 하나 이상의 기하학적 형상들의 제2 세트 사이의 공간적 중첩의 정도에 추가로 기초하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 세트 내의 상기 하나 이상의 기하학적 형상들은 상기 제1 이미지 내의 상기 제1 기도와 적어도 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 다각형들을 포함하고, 상기 제2 세트 내의 상기 하나 이상의 기하학적 형상들은 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 적어도 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 다각형들을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  15. 제11항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 제2 이미지 내의 상기 2개 이상의 기도들과 상기 수술전 모델 데이터 내의 상기 기도들 사이의 상기 매핑에 기초하여, 상기 기구가 진입하고 있을 상기 내강 네트워크의 세그먼트를 예측하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
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