KR102472372B1 - 신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템은 분산형 센서, 열에너지 소스, 및 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 분산형 센서는 측정 범위 내의 복수의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치를 제공한다. 열에너지 소스는 측정 범위를 따라 신체 조직에 열에너지를 인가한다. 하나 이상의 프로세서는 분산형 센서로부터 복수의 온도 측정치를 수신하고, 복수의 지점의 각각에서 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양을 결정하고, 복수의 온도 측정치 및 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양에 기초하여 복수의 지점의 각각에서 열 유속을 결정하도록 구성된다. 복수의 온도 측정치는 복수의 지점에 대응한다.

Description

신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템 및 방법
관련 출원
본 특허 출원은 본원에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2016년 12월 9일 출원된 발명의 명칭이 "신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템 및 방법(System and Method for Distributed Heat Flux Sensing of Body Tissue)"인 미국 가특허 출원 제62/432,452호를 우선권 주장하고 출원일의 이익을 청구한다.
기술분야
본 개시내용은 신체 조직의 열 유속(heat flux)을 측정하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템에 관한 것이다.
최소 침습적 외과적 시술을 수행하는데 사용되는 원격 작동식 시스템과 같은 의료용 로봇 시스템은, 적은 통증, 더 짧은 입원 기간, 정상 활동으로의 더 신속한 복귀, 최소 흉터 생성, 감소된 회복 시간, 및 조직으로의 적은 상해를 포함하여, 전통적인 개방 수술 기술에 비해 다수의 이익을 제공한다. 따라서, 이러한 의료용 원격 작동 시스템을 위한 요구가 강하고 증가하고 있다.
의료용 원격 작동 시스템의 예는 미국 캘리포니아주 서니베일 소재의 Intuitive Surgical, Inc.로부터의 da Vinci® Surgical System 및 the da Vinci® STM Surgical System을 포함한다. 이들 시스템의 각각은 외과의사의 콘솔, 환자측 카트, 고성능 3차원("3D") 비전 시스템, 및 환자측 카트에 결합된 하나 이상의 의료 기구를 포함한다.
의료 시술의 수행 전, 후, 및/또는 중에, 수술 부위에 또는 부근에서 신체 조직의 특성을 결정하는 것이 유용하다. 예를 들어, 특정 신체 조직이 건강한지, 절제되었는지, 암성(cancerous)인지 또는 비암성(non-cancerous)인지 여부를 판정하는 것이 유용하다. 게다가, 수술 부위에서 또는 부근에서 해부학적 특징의 장소를 결정하는 것이 유용하다. 예를 들어, 수술 수행은 혈관의 장소의 맵을 결정함으로써 용이해질 수도 있다. 이상적으로, 이 정보는 신체 조직 내로 절단하거나 신체로부터 조직을 추출하지 않고 결정된다.
의료 시술의 수행 전, 후, 및/또는 중에, 수술 부위로부터 실시간 피드백을 추출하는 것이 또한 유용하다. 실시간 피드백은 수술 부위에서 또는 부근에서 신체 조직에 대한 수술 개입의 영향을 반영한다. 예를 들어, 열적 절제 시술을 수행할 때, 목표 및 비목표 조직에 대한 열적 영향을 계속 모니터링하는 것이 유용하다.
이에 따라, 외과적 시술의 실시간 모니터링을 제공하는 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 실시예들은 상세한 설명에 이어지는 청구범위에 의해 가장 잘 요약된다.
몇몇 실시예에서, 신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템은 분산형 센서, 열에너지 소스, 및 하나 이상의 프로세서를 포함할 수도 있다. 분산형 센서는 측정 범위 내의 복수의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치를 제공한다. 열에너지 소스는 측정 범위를 따라 신체 조직에 열에너지를 인가한다. 하나 이상의 프로세서는 분산형 센서로부터 복수의 온도 측정치를 수신하고, 복수의 지점의 각각에서 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양을 결정하고, 복수의 온도 측정치 및 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양에 기초하여 복수의 지점의 각각에서 열 유속을 결정하도록 구성된다. 복수의 온도 측정치는 복수의 지점에 대응한다.
몇몇 실시예에서, 분산형 센서를 사용하여 신체 조직의 열 유속을 결정하기 위한 방법은 분산형 센서로부터 복수의 온도 측정치를 수신하는 단계, 복수의 지점에서 인가된 열에너지의 양을 결정하는 단계, 및 수신된 복수의 온도 측정치 및 결정된 인가된 열에너지의 양에 기초하여 복수의 지점에서 신체 조직의 열 유속을 결정하는 단계를 포함할 수도 있다. 복수의 온도 측정치는 분산형 센서의 측정 범위 내의 복수의 지점에 대응한다.
몇몇 실시예에서, 분산형 열 유속 센서를 사용하여 절제 시스템에 피드백을 제공하기 위한 방법은 절제 시술을 수행하도록 절제 프로브에 초기 작동 파라미터를 제공하는 단계, 치료 시술 중에 포착된 분산형 열 유속 센서로부터의 복수의 열 유속 측정치를 수신하는 단계, 및 복수의 열 유속 측정치에 기초하여 절제 프로브에 조정된 작동 파라미터를 제공하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘다는 본질적으로 예시적이며 설명적이고, 본 개시내용의 범주로부터 벗어남이 없이 본 개시내용의 이해를 제공하도록 의도됨을 이해하여야 한다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 추가의 양태, 특징, 및 장점이 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 원격 작동식 의료 시스템의 단순화된 도면이다.
도 2a는 본 개시내용의 양태를 이용하는 의료 기구 시스템의 단순화된 도면이다.
도 2b는 몇몇 실시예에 따른 연장된 의료 도구를 구비한 의료 기구의 단순화된 도면이다.
도 3은 몇몇 실시예에 따른 분산형 열 유속 센서 시스템의 단순화된 도면이다.
도 4는 위치의 함수로서 열 유속을 표현하는 플롯의 단순화된 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 몇몇 실시예에 따른 동심 배열의 분산형 열 유속 센서의 단순화된 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 몇몇 실시예에 따른 반-동심 배열의 분산형 열 유속 센서의 단순화된 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 몇몇 실시예에 따른 다중-섬유 배열의 분산형 열 유속 센서의 단순화된 단면도이다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 스캐닝 모드 배열의 분산형 열 유속 센서의 단순화된 도면이다.
도 9는 몇몇 실시예에 따른 분산형 열 유속 센서를 사용하는 절제 시스템의 단순화된 도면이다.
도 10은 몇몇 실시예에 따른 복수의 분산형 열 유속 센서를 사용하는 절제 시스템의 단순화된 도면이다.
도 11은 몇몇 실시예에 따른 열 유속을 결정하는 방법의 단순화된 도면이다.
도 12는 몇몇 실시예에 따른 치료 시술 중에 피드백을 제공하는 방법의 단순화된 도면이다.
도 13은 몇몇 실시예에 따른 절제된 조직을 검출하기 위한 방법의 단순화된 도면이다.
다음의 설명에서, 구체적인 세부가 본 개시내용에 일치되는 몇몇 실시예를 설명하면서 설명된다. 많은 구체적인 세부는 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 몇몇 실시예는 이러한 구체적인 세부 중 일부 또는 전부가 없이 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본원에서 설명되는 구체적인 실시예는 예시적이며 제한적이지 않도록 의도된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 여기서 구체적으로 설명되지는 않지만, 본 개시내용의 범주 및 사상 내에 있는 다른 요소들을 인식할 수 있다. 또한, 불필요한 반복을 피하기 위해, 하나의 실시예와 관련하여 도시되고 설명된 하나 이상의 특징은 달리 구체적으로 설명되지 않으면 또는 하나 이상의 특징이 실시예를 비기능적으로 만들면, 다른 실시예 내로 통합될 수 있다.
몇몇 경우에, 공지된 방법, 절차, 구성요소, 및 회로는 실시예들의 양태를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
이하의 실시예는 다양한 기구 및 기구의 일부를 그들의 3차원 공간 내에서의 상태의 측면에서 설명할 것이다. 본원에 사용될 때, "위치"라는 용어는 3차원 공간(예컨대, 직교 X, Y, Z축을 따른 것과 같이, 직교 X, Y, Z 좌표의 변화를 사용하여 설명될 수 있는 3개의 병진 이동 자유도) 내에서의 대상 또는 대상의 부분의 장소를 지칭한다. 본원에 사용될 때, "배향"이라는 용어는 대상 또는 대상의 부분의 회전 배치(3개의 회전 자유도 - 예컨대, 롤링, 피칭, 및 요잉을 사용하여 설명될 수 있음)를 지칭한다. 본원에 사용될 때, "자세"라는 용어는 적어도 하나의 병진 이동 자유도 내에서의 대상 또는 대상의 부분의 위치, 및 적어도 하나의 회전 자유도 내에서의 그러한 대상 또는 대상의 부분의 배향을 지칭한다. 3차원 공간 내의 비대칭 강체에 대해, 전체 자세는 6개의 총 자유도로 설명될 수 있다.
또한, 본원에 설명된 예의 일부는 외과적 시술 또는 도구, 또는 의료 시술 및 의료 도구를 참조하고 있지만, 설명된 기술은 비의료 시술 및 비의료 도구에 적용된다. 예를 들어, 본원에 설명된 도구, 시스템, 및 방법은 산업 용도, 일반적인 로봇 용도, 및 비조직 작업편의 감지 또는 조작을 포함하는 비의료 용도를 위해 사용될 수도 있다. 다른 예시적인 용례는 미용 개선, 인간 또는 동물 해부학적 구조물의 영상, 인간 또는 동물 해부학적 구조물로부터 데이터 수집, 시스템 셋업(setting up) 또는 분해(taking down), 및 의료 또는 비의료 요원 훈련을 수반한다. 부가의 예시적인 용례는 인간 또는 동물 해부학적 구조물로부터 제거된 조직 상의 시술(인간 또는 동물 해부학적 구조물로 복귀하지 않고), 및 인간 또는 동물 시체 상에 시술을 수행하기 위한 사용을 포함한다. 또한, 이들 기술은 또한 수술 및 비수술, 의료 치료 또는 진단 시술을 위해 사용될 수 있다.
도 1은 몇몇 실시예에 따른 원격 작동식 의료 시스템(100)의 단순화된 도면이다. 몇몇 실시예에서, 원격 작동식 의료 시스템(100)은, 예를 들어, 수술, 진단, 치료, 또는 생검 시술 시에 사용하기에 적합할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 의료 시스템(100)은 대체로 환자(P)에 대해 다양한 시술을 수행하는 데 있어서 의료 기구(104)를 작동하기 위한 원격 작동식 조작기 조립체(102)를 포함한다. 조작기 조립체는 원격 작동식일 수도 있고 또는 의료 기구(104)의 수동, 로봇, 및/또는 원격 작동식 제어를 위한 원격 작동식 및 비원격 작동식 하위 조립체의 모두를 포함할 수도 있다. 조작기 조립체(102)는 수술 테이블(T)에 또는 그 부근에 장착된다. 마스터 조립체(106)와 같은 작업자 입력 시스템이 작업자(O)(예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은 외과의사, 의료진, 또는 의사)가 중재술 부위를 관찰하고 조작기 조립체(102)를 제어하도록 허용한다.
마스터 조립체(106)는 환자(P)가 위치되는 외과용 테이블의 측면에서와 같이, 수술 테이블(T)과 동일한 공간 내에 보통 위치되는 작업자 콘솔에 위치될 수 있다. 그러나, 작업자(O)는 환자(P)와 다른 공간 또는 완전히 다른 건물에 위치될 수 있음을 이해하여야 한다. 마스터 조립체(106)는 대체로 조작기 조립체(102)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수작동 제어기, 음성 인식 장치, 신체 운동 또는 존재 센서 등과 같은, 임의의 개수의 다양한 입력 장치를 포함할 수 있다. 작업자(O)에게 기구(104)를 직접 제어하는 강한 느낌을 제공하기 위해, 제어 장치는 관련된 의료 기구(104)와 동일한 자유도를 구비할 수 있다. 이러한 방식으로, 제어 장치는 제어 장치가 의료 기구(104)와 일체라는 원격 존재감 또는 인지를 작업자(O)에게 제공한다.
몇몇 실시예에서, 제어 장치는 관련 의료 기구(104)보다 더 많거나 더 적은 자유도를 가지며, 여전히 작업자(O)에게 원격 존재감을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 장치는 선택적으로, 6개의 자유도로 이동하며, 기구를 작동시키기 위한 (예를 들어, 파지 조오(jaw)를 폐쇄하고, 전극에 전위를 인가하고, 의료적 처치를 전달하는 등을 위한) 작동 가능한 손잡이를 또한 포함할 수 있는 수동 입력 장치일 수 있다.
조작기 조립체(102)는 의료 기구(104)를 지지하고, 하나 이상의 비서보 제어식 링크(예컨대, 설치 구조물로 일반적으로 지칭되는, 수동으로 제 위치에 위치되어 로킹될 수 있는 하나 이상의 링크)의 동역학적 구조물 및 원격 작동식 조작기를 포함할 수 있다. 조작기 조립체(102) 또는 특히 원격 작동식 조작기는 제어 시스템(예컨대, 제어 시스템(112))으로부터의 명령에 응답하여 의료 기구(104)에 대한 입력을 구동하는 복수의 액추에이터 또는 모터를 선택적으로 포함할 수 있다. 액추에이터는 의료 기구(104)에 결합되었을 때, 의료 기구(104)를 자연적으로 또는 외과적으로 생성된 해부학적 구멍 내로 전진시킬 수 있는 구동 시스템을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 구동 시스템이 3개의 선형 운동도(예컨대, X, Y, Z 직교 축을 따른 선형 운동) 및 3개의 회전 운동도(예컨대, X, Y, Z 직교 축 둘레에서의 회전)를 포함할 수 있는, 복수의 자유도로 의료 기구(104)의 원위 단부를 이동시킬 수 있다. 추가로, 액추에이터는 생검 장치의 조오 내에 조직을 파지하는 등을 위해 의료 기구(104)의 굴절식 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 리졸버, 엔코더, 전위차계, 및 다른 메커니즘과 같은 액추에이터 위치 센서가 모터 샤프트의 회전 및 배향을 기술하는 센서 데이터를 의료 시스템(100)에 제공한다. 이러한 위치 센서 데이터는 액추에이터에 의해 조작되는 물체의 운동을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
원격 작동식 의료 시스템(100)은 조작기 조립체(102)의 기구에 대한 정보를 수신하기 위한 하나 이상의 하위 시스템을 구비한 센서 시스템(108)을 포함할 수 있다. 그러한 하위 시스템은 위치/장소 센서 시스템(예를 들어, 전자기(EM) 센서 시스템); 의료 기구(104)를 구성할 수 있는 가요성 본체를 따른 원위 단부 및/또는 하나 이상의 세그먼트의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위한 형상 센서 시스템; 및/또는 의료 기구(104)의 원위 단부로부터 영상을 포착하기 위한 시각화 시스템을 포함할 수 있다.
원격 작동식 의료 시스템(100)은 센서 시스템(108)의 하위 시스템에 의해 생성되는 수술 부위 및 의료 기구(104)의 영상 또는 표현을 디스플레이하기 위한 디스플레이 시스템(110)을 또한 포함한다. 디스플레이 시스템(110) 및 마스터 조립체(106)는 작업자(O)가 의료 기구(104) 및 마스터 조립체(106)를 원격 존재감을 인지하여 제어할 수 있도록 배향될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 의료 기구(104)는 수술 부위의 동시 또는 실시간 영상을 기록하고, 디스플레이 시스템(110)의 하나 이상의 디스플레이와 같은, 의료 시스템(100)의 하나 이상의 디스플레이를 통해 작업자 또는 작업자(O)에게 영상을 제공하는 관찰경 조립체를 포함할 수 있는 (아래에서 더 상세하게 설명되는) 시각화 시스템을 가질 수 있다. 동시 영상은, 예를 들어, 수술 부위 내에 위치된 내시경에 의해 포착된 2차원 또는 3차원 영상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시각화 시스템은 의료 기구(104)에 일체로 또는 제거 가능하게 결합될 수 있는 내시경 구성요소를 포함한다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 별도의 조작기 조립체에 부착된 별도의 내시경이 수술 부위를 촬영하기 위해 의료 기구(104)와 함께 사용될 수 있다. 시각화 시스템은 제어 시스템(112)의 프로세서를 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호 작용하거나 그에 의해 실행되는, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제어 시스템(112)의 프로세서는 본원에서 설명되는 방법 및 작업자에 대응하는 지시를 실행할 수도 있다.
디스플레이 시스템(110)은 또한 시각화 시스템에 의해 포착된 수술 부위 및 의료 기구의 영상을 디스플레이할 수 있다. 몇몇 예에서, 원격 작동식 의료 시스템(100)은 의료 기구들의 상대 위치가 작업자(O)의 눈과 손의 상대 위치와 유사하도록, 의료 기구(104) 및 마스터 조립체(106)의 제어부를 구성할 수 있다. 이러한 방식으로, 작업자(O)는 작업 공간을 실질적인 사실적 존재감으로 관찰하는 것처럼 의료 기구(104) 및 손 제어부를 조작할 수 있다. 사실적 존재감은 영상의 제시가 의료 기구(104)를 물리적으로 조작하고 있는 작업자의 시점을 시뮬레이팅하는 실제 투시 영상인 것을 의미한다.
몇몇 예에서, 디스플레이 시스템(110)은 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 촬영(MRI), 형광 투시법, 온도 기록법, 초음파, 광 간섭 단층 촬영(OCT), 열 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X-선 촬영 등과 같은 촬영 기술로부터의 영상 데이터를 사용하여 수술전 또는 수술중에 기록된 수술 부위의 영상을 제시할 수 있다. 수술전 또는 수술중 영상 데이터는 2차원, 3차원, 또는 (예컨대, 시간 기반 또는 속도 기반 정보를 포함하는) 4차원 영상 및/또는 수술전 또는 수술중 영상 데이터 세트로부터 생성된 모델로부터의 영상으로서 제시될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 흔히 영상 안내식 외과적 시술을 목적으로, 디스플레이 시스템(110)은 의료 기구(104)의 실제 장소가 수술전 또는 동시 영상/모델과 정합되는 (즉, 동적으로 참조되는) 가상 운행 영상을 디스플레이할 수 있다. 이는 의료 기구(104)의 시점으로부터의 내부 수술 부위의 가상 영상을 작업자(O)에게 제시하기 위해 행해질 수 있다. 몇몇 예에서, 시점은 의료 기구(104)의 팁으로부터일 수 있다. 의료 기구(104)의 팁의 영상 및/또는 다른 그래픽 또는 영숫자 표식은 의료 기구(104)를 제어하는 작업자(O)를 보조하기 위해 가상 영상 상에 중첩될 수 있다. 몇몇 예에서, 의료 기구(104)는 가상 영상 내에서 보이지 않을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 디스플레이 시스템(110)은 외부 시점으로부터의 수술 부위 내의 의료 기구(104)의 가상 영상을 작업자(O)에게 제시하기 위해 의료 기구(104)의 실제 장소가 수술전 또는 동시 영상과 정합되는 가상 운행 영상을 디스플레이할 수 있다. 의료 기구(104)의 일 부분의 영상, 또는 다른 그래픽 또는 영숫자 표식은 의료 기구(104)의 제어 시에 작업자(O)를 보조하기 위해 가상 영상 상에 중첩될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 데이터 지점의 시각적 표현이 디스플레이 시스템(110)에 대해 렌더링될 수 있다. 예를 들어, 측정된 데이터 지점, 이동된 데이터 지점, 정합된 데이터 지점, 및 본원에서 설명되는 다른 데이터 지점은 시각적 표현으로 디스플레이 시스템(110) 상에 디스플레이될 수 있다. 데이터 지점은 디스플레이 시스템(110) 상의 복수의 지점 또는 점에 의해 또는 데이터 지점들의 세트에 기초하여 생성된 메시 또는 와이어 모델과 같은 렌더링된 모델로서 사용자 인터페이스 내에서 시각적으로 표현될 수 있다. 몇몇 예에서, 데이터 지점들은 그들이 표현하는 데이터에 따라 컬러 코딩될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시각적 표현은 각각의 처리 작업이 데이터 지점을 변경하기 위해 구현된 후에 디스플레이 시스템(110) 내에서 재생될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 대응 실제 해부학적 통로를 따라 또는 통해 삽입되는 기구의 관점으로부터 해부학적 통로의 모델을 묘사하는 가상 운행 영상이 디스플레이(110)에 제시될 수도 있다.
원격 작동식 의료 시스템(100)은 제어 시스템(112)을 또한 포함할 수 있다. 제어 시스템(112)은 적어도 하나의 메모리, 및 의료 기구(104), 마스터 조립체(106), 센서 시스템(108), 및 디스플레이 시스템(110) 사이에서의 제어를 달성하기 위한 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서(도시되지 않음)를 포함한다. 제어 시스템(112)은 디스플레이 시스템(110)에 정보를 제공하기 위한 지시를 포함한, 본원에서 개시되는 양태에 따라 설명되는 방법들 중 일부 또는 전부를 구현하기 위한 프로그램된 지시(예컨대, 지시를 저장하는 비일시적 기계 판독 가능 매체)를 또한 포함한다. 제어 시스템(112)이 도 1의 단순화된 개략도에서 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 시스템은 조작기 조립체(102) 상에서 또는 그에 인접하여 선택적으로 수행되는 처리의 하나의 부분, 마스터 조립체(106)에서 수행되는 처리의 다른 부분 등을 구비한 2개 이상의 데이터 처리 회로를 포함할 수 있다. 제어 시스템(112)의 프로세서는 본원에서 개시되고 아래에서 더 상세하게 설명되는 처리에 대응하는 지시를 포함하는 지시를 실행할 수 있다. 광범위한 집중식 또는 분산형 데이터 처리 구조들 중 임의의 것이 채용될 수 있다. 유사하게, 프로그램된 지시는 다수의 별도의 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수 있거나, 본원에서 설명되는 원격 작동식 시스템의 다수의 다른 양태 내로 통합될 수 있다. 하나의 실시예에서, 제어 시스템(112)은 블루투스, IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT, 및 와이어리스 텔레메트리(Wireless Telemetry)와 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.
몇몇 실시예에서, 제어 시스템(112)은 의료 기구(104)로부터 힘 및/또는 토크 피드백을 수신할 수 있다. 피드백에 응답하여, 제어 시스템(112)은 마스터 조립체(106)로 신호를 송신할 수 있다. 몇몇 예에서, 제어 시스템(112)은 조작기 조립체(102)의 하나 이상의 액추에이터에 의료 기구(104)를 이동시키도록 지시하는 신호를 송신할 수 있다. 의료 기구(104)는 환자(P)의 신체 내의 개방부를 거쳐 환자(P)의 신체 내의 내부 수술 부위 내로 연장할 수 있다. 임의의 적합한 종래의 액추에이터 및/또는 특수화된 액추에이터가 사용될 수 있다. 몇몇 예에서, 하나 이상의 액추에이터는 조작기 조립체(102)로부터 분리되거나 그와 통합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 액추에이터 및 조작기 조립체(102)는 환자(P) 및 수술 테이블(T)에 인접하여 위치된 원격 작동식 카트의 일부로서 제공된다.
제어 시스템(112)은 영상 안내식 외과적 시술 중에 의료 기구(104)를 제어할 때 작업자(O)에게 운행 보조를 제공하기 위한 가상 시각화 시스템을 선택적으로 추가로 포함할 수 있다. 가상 시각화 시스템을 사용한 가상 운행은 해부학적 통로의 획득된 수술전 또는 수술중 데이터 세트에 대한 참조에 기초할 수 있다. 가상 시각화 시스템은 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 촬영(MRI), 형광 투시법, 온도 기록법, 초음파, 광 간섭 단층 촬영(OCT), 열 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X-선 촬영 등과 같은 촬영 기술을 사용하여 촬영된 수술 부위의 영상을 처리한다. 수동 입력과 조합하여 사용될 수 있는 소프트웨어가 기록된 영상을 부분적인 또는 전체적인 해부학적 장기 또는 해부학적 영역의 분할된 2차원 또는 3차원 복합 표현으로 변환하기 위해 사용된다. 영상 데이터 세트가 복합 표현과 관련된다. 복합 표현 및 영상 데이터 세트는 통로들 및 이들의 연결부의 다양한 위치 및 형상을 기술한다. 복합 표현을 생성하기 위해 사용되는 영상은 임상적 시술 중에, 수술전 또는 수술중에 기록될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가상 시각화 시스템은 표준 표현(즉, 환자 비특이적), 또는 표준 표현 및 환자 특이적 데이터의 하이브리드를 사용할 수 있다. 복합 표현 및 복합 표현에 의해 생성된 임의의 가상 영상은 운동의 하나 이상의 시기 중의 (예컨대, 폐의 흡기/호기 사이클 중의) 변형 가능한 해부학적 영역의 정적 자세를 표현할 수 있다.
가상 운행 절차 중에, 센서 시스템(108)이 환자(P)의 해부학적 구조물에 대한 의료 기구(104)의 대략적인 위치를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 위치는 환자(P)의 해부학적 구조물의 거시 수준 (외부) 추적 영상 및 환자(P)의 해부학적 구조물의 가상 내부 영상 둘다를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 시스템은 가상 시각화 시스템으로부터의 것과 같은, 수술전에 기록된 수술 영상과 함께 의료 기구를 정합하고 디스플레이하도록 하나 이상의 전자기(EM) 센서, 광섬유 센서, 및/또는 다른 센서를 구현할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 전체적으로 참조로 통합된 ("영상 안내식 수술을 위한 해부학적 구조물의 모델의 동적 정합을 제공하는 의료 시스템(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery)"을 개시하는) (2011년 5월 13일자로 출원된) 미국 특허 출원 제13/107,562호가 하나의 그러한 시스템을 개시한다. 원격 작동식 의료 시스템(100)은 조명 시스템, 조향 제어 시스템, 관류 시스템, 및/또는 흡입 시스템과 같은 선택적인 작업 및 지원 시스템(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 원격 작동식 의료 시스템(100)은 1개를 초과하는 조작기 조립체 및/또는 1개를 초과하는 마스터 조립체를 포함할 수 있다. 조작기 조립체의 정확한 개수는, 다른 요인 중에서도, 외과적 시술 및 수술실 내의 공간적 제약에 의존할 것이다. 마스터 조립체(106)는 공동 위치될 수 있거나, 분리된 장소들에 위치될 수 있다. 복수의 마스터 조립체들은 1인을 초과하는 작업자가 하나 이상의 조작기 조립체를 다양한 조합으로 제어하도록 허용한다.
도 2a는 몇몇 실시예에 따른 의료 기구 시스템(200)의 단순화된 도면이다. 몇몇 실시예에서, 의료 기구 시스템(200)은 원격 작동식 의료 시스템(100)에서 수행되는 영상 안내식 의료 시술에서 의료 기구(104)로서 사용될 수 있다. 몇몇 예에서, 의료 기구 시스템(200)은 비원격 작동식 탐색 절차를 위해 또는 내시경과 같은 전통적인 수동 작동식 의료 기구를 포함하는 시술에서 사용될 수 있다. 선택적으로, 의료 기구 시스템(200)은 환자(P)와 같은 환자의 해부학적 통로 내에서의 위치에 대응하는 데이터 지점들의 세트를 모으기 위해 (즉, 측정하기 위해) 사용될 수 있다.
의료 기구 시스템(200)은 구동 유닛(204)에 결합된 가요성 카테터와 같은 신장된 장치(202)를 포함한다. 신장된 장치(202)는 근위 단부(217) 및 원위 단부 또는 팁 부분(218)을 갖는 가요성 본체(216)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 가요성 본체(216)는 대략 3 mm 외경을 갖는다. 다른 가요성 본체 외경은 더 크거나 더 작을 수 있다.
의료 기구 시스템(200)은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 하나 이상의 센서 및/또는 촬영 장치를 사용하여 가요성 본체(216)를 따른 원위 단부(218) 및/또는 하나 이상의 세그먼트(224)의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위한 추적 시스템(230)을 추가로 포함한다. 원위 단부(218)와 근위 단부(217) 사이에서의 가요성 본체(216)의 전체 길이는 세그먼트(224)들로 효과적으로 분할될 수 있다. 의료 기구 시스템(200)이 원격 작동식 의료 시스템(100)의 의료 기구(104)와 일치하면, 추적 시스템(230)이다. 추적 시스템(230)은 선택적으로 도 1의 제어 시스템(112)의 프로세서를 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호 작용하거나 그에 의해 실행되는, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.
추적 시스템(230)은 형상 센서(222)를 사용하여 원위 단부(218) 및/또는 세그먼트(224)들 중 하나 이상을 선택적으로 추적할 수 있다. 형상 센서(222)는 (예컨대, 내부 채널(도시되지 않음) 내에 제공되거나 외부에 장착된) 가요성 본체(216)와 정렬된 광섬유를 선택적으로 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 광섬유는 대략 200 ㎛의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 치수는 더 크거나 더 작을 수 있다. 형상 센서(222)의 광섬유는 가요성 본체(216)의 형상을 결정하기 위한 광섬유 굽힘 센서를 형성한다. 하나의 대안예에서, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함한 광섬유가 하나 이상의 치수에서의 구조물 내의 변형 측정을 제공하기 위해 사용된다. 형상 센서 시스템(222)의 광섬유는 단일 시점에 가요성 카테터 본체(216)의 길이를 따른 형상 센서(222)의 다양한 부분의 위치를 설명하는 측정 지점의 세트의 동시 수집을 가능하게 할 수도 있다. 3차원으로 광섬유의 형상 및 상대 위치를 모니터링하기 위한 다양한 시스템 및 방법이 ("광섬유 위치 및 형상 감지 장치 및 그에 관련된 방법(Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto)"을 개시하는) (2005년 7월 13일자로 출원된) 미국 특허 출원 제11/180,389호; ("광섬유 형상 및 상대 위치 감지(Fiber-optic shape and relative position sensing)"를 개시하는) (2004년 7월 16일자로 출원된) 미국 특허 출원 제12/047,056호; 및 ("광섬유 굽힘 센서(Optical Fiber Bend Sensor)"를 개시하는) (1998년 6월 17일자로 출원된) 미국 특허 제6,389,187호에 설명되어 있고, 이들은 모두 본원에서 전체적으로 참조로 통합되었다.
센서는 몇몇 실시예에서, 레일리(Rayleigh) 산란, 라만(Raman) 산란, 브릴루앙(Brillouin) 산란, 및 형광 산란과 같은 다른 적합한 변형 감지 기술을 채용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 신장된 장치의 형상은 다른 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 가요성 본체(216)의 원위 단부 자세의 이력은 시간의 간격에 걸쳐 가요성 본체(216)의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추적 시스템(230)은 위치 센서 시스템(220)을 사용하여 원위 단부(218)를 선택적으로 그리고/또는 추가적으로 추적할 수 있다. 위치 센서 시스템(220)은 외부 발생 전자기장을 받을 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함하는 위치 센서 시스템(220)을 구비하는 EM 센서 시스템의 구성요소일 수 있다. EM 센서 시스템(220)의 각각의 코일은 그 다음 외부 발생 전자기장에 대한 코일의 위치 및 배향에 의존하는 특징을 갖는 유도 전기 신호를 생성한다. 몇몇 실시예에서, 위치 센서 시스템(220)은 6개의 자유도, 예컨대, 기본 지점의 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 피칭, 요잉, 롤링을 표시하는 3개의 배향 각도, 또는 5개의 자유도, 예컨대, 기본 지점의 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 피칭 및 요잉을 표시하는 2개의 배향 각도를 측정하도록 구성되고 위치될 수 있다. 위치 센서 시스템의 추가의 설명은 본원에서 전체적으로 참조로 통합된 ("추적되는 대상 상의 수동 트랜스폰더를 갖는 6-자유도 추적 시스템(Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked)"을 개시하는) (1999년 8월 11일자로 출원된) 미국 특허 제6,380,732호에 제공되어 있다. 몇몇 실시예에서, 형상 센서(222)는, 센서(222)의 형상이 형상 센서(222)의 베이스의 장소에 대한 정보("환자 공간"이라 칭하는 환자의 고정 좌표 시스템 내의)와 함께, 원위 팁을 포함하는 형상 센서를 따른 다양한 지점의 장소가 계산되는 것을 허용하기 때문에, 위치 센서로서 또한 기능할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 추적 시스템(230)은 대안적으로 그리고/또는 추가적으로 호흡과 같은 교대식 운동의 사이클을 따른 기구 시스템의 공지된 지점에 대해 저장된 자세 이력, 위치, 또는 배향 데이터에 의존할 수 있다. 이러한 저장된 데이터는 가요성 본체(216)에 대한 형상 정보를 발현하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 예에서, 위치 센서(220) 내의 센서와 유사한 전자기(EM) 센서와 같은, 일련의 위치 센서(도시되지 않음)들이 가요성 본체(216)를 따라 위치된 다음 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 몇몇 예에서, 시술 중에 취해진 이러한 센서들 중 하나 이상으로부터의 데이터의 이력이 특히 해부학적 통로가 대체로 정적이면, 신장된 장치(202)의 형상을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 추적 시스템(230)은 기구(200)를 따른 원위 단부(218) 및/또는 하나 이상의 세그먼트(224)의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위한 위치 센서 시스템(220) 및 형상 센서 시스템(222)을 포함할 수 있다. 추적 시스템(230)은 제어 시스템(116)의 프로세서를 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호 작용하거나 그에 의해 실행되는, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.
가요성 본체(216)는 의료 기구(226)를 수납하도록 크기 설정되고 형상화된 채널(221)을 포함한다. 도 2b는 몇몇 실시예에 따른 연장된 의료 기구(226)를 구비한 가요성 본체(216)의 단순화된 도면이다. 몇몇 실시예에서, 의료 기구(226)는 수술, 생검, 절제, 조명, 관류, 또는 흡입과 같은 시술을 위해 사용될 수 있다. 의료 기구(226)는 가요성 본체(216)의 채널(221)을 통해 전개되어 해부학적 구조물 내의 목표 위치에서 사용될 수 있다. 의료 기구(226)는, 예를 들어, 영상 포착 프로브, 생검 기구, 레이저 절제 섬유, 및/또는 다른 수술, 진단, 또는 치료 도구를 포함할 수 있다. 의료 도구는 메스, 무딘 블레이드, 광섬유, 전극 등과 같은 단일 작동 부재를 갖는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 다른 엔드 이펙터는, 예를 들어, 겸자, 파지기, 가위, 클립 어플리케이터 등을 포함할 수 있다. 다른 엔드 이펙터는 전기 수술용 전극, 트랜스듀서, 센서 등과 같은 전기 활성화 엔드 이펙터를 추가로 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 의료 기구(226)는 목표 해부학적 위치로부터 샘플 조직 또는 세포의 샘플을 제거하기 위해 사용될 수 있는 생검 기구이다. 의료 기구(226)는 가요성 본체(216) 내의 영상 포착 프로브와 함께 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 의료 기구(226)는 디스플레이를 위해 시각화 시스템(231)에 의해 처리되고 그리고/또는 원위 단부(218) 및 세그먼트(224)들 중 하나 이상의 추적을 지원하기 위해 추적 시스템(230)으로 제공되는 (비디오 영상을 포함한) 영상을 포착하기 위해 가요성 본체(216)의 원위 단부(218)에서의 또는 그 부근의 입체 또는 평면 카메라를 구비한 원위 부분을 포함하는 영상 포착 프로브일 수 있다. 영상 포착 프로브는 포착된 영상 데이터를 송신하기 위해 카메라에 결합된 케이블을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 영상 포착 기구는 시각화 시스템(231)에 결합하는, 섬유경과 같은 광섬유 다발일 수 있다. 영상 포착 기구는, 예를 들어 가시, 적외, 및/또는 자외 스펙트럼 중 하나 이상에서 영상 데이터를 포착하는, 단일 스펙트럼 또는 다중 스펙트럼일 수 있다. 대안적으로, 의료 기구(226) 자체가 영상 포착 프로브일 수 있다. 의료 기구(226)는 시술을 수행하기 위해 채널(221)의 개방부로부터 전진된 다음 시술이 완료되면 채널 내로 다시 후퇴될 수 있다. 의료 기구(226)는 가요성 본체(216)의 근위 단부(217)로부터 또는 가요성 본체(216)를 따른 다른 선택적인 기구 포트(도시되지 않음)로부터 제거될 수 있다.
의료 기구(226)는 의료 기구(226)의 원위 단부를 제어 가능하게 구부리기 위해 그의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 케이블, 링키지, 또는 다른 작동 제어부(도시되지 않음)를 추가로 수용할 수 있다. 조향 가능한 기구가 ("향상된 교치성 및 민감성을 구비한 최소 침습적 수술을 수행하기 위한 굴절식 외과용 기구(Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity)"를 개시하는) (2005년 10월 4일자로 출원된) 미국 특허 제7,316,681호 및 ("외과용 기구를 위한 수동 예비 부하 및 캡스턴 구동부(Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments)"를 개시하는) (2008년 9월 30일자로 출원된) 미국 특허 출원 제12/286,644호에 설명되어 있고, 이들은 본원에서 전체적으로 참조로 통합되었다.
가요성 본체(216)는, 예를 들어, 원위 단부(218)의 파선 도시(219)에 의해 도시된 바와 같이 원위 단부(218)를 제어 가능하게 구부리기 위해 구동 유닛(204)과 원위 단부(218) 사이에서 연장하는 케이블, 링키지, 또는 다른 조향 제어부(도시되지 않음)를 또한 수용할 수 있다. 몇몇 예에서, 적어도 4개의 케이블이 원위 단부(218)의 피칭을 제어하기 위한 독립적인 "상하" 조향 및 원위 단부(281)의 요잉을 제어하기 위한 "좌우" 조향을 제공하기 위해 사용된다. 조향 가능한 신장된 장치는 본원에서 전체적으로 참조로 통합된 ("제거 가능한 관측 프로브를 구비한 카테터(Catheter with Removable Vision Probe)"를 개시하는) (2011년 10월 14일자로 출원된) 미국 특허 출원 제13/274,208호에 상세하게 설명되어 있다. 의료 기구 시스템(200)이 원격 작동식 조립체에 의해 작동되는 실시예에서, 구동 유닛(204)은 원격 작동식 조립체의 액추에이터와 같은 구동 요소에 제거 가능하게 결합하여 그로부터 동력을 수신하는 구동 입력부를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 의료 기구 시스템(200)은 파지 특징부, 수동 액추에이터, 또는 의료 기구 시스템(200)의 이동을 수동으로 제어하기 위한 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 신장된 장치(202)는 조향 가능할 수 있거나, 대안적으로, 시스템은 원위 단부(218)의 굽힘의 작업자 제어를 위한 통합형 메커니즘이 없이 조향 불가능할 수 있다. 몇몇 예에서, 의료 기구가 그를 통해 전개되어 목표 수술 위치에서 사용될 수 있는 하나 이상의 루멘이 가요성 본체(216)의 벽 내에 형성된다.
몇몇 실시예에서, 의료 기구 시스템(200)은 폐의 검사, 진단, 생검, 또는 처치 시에 사용하기 위한, 기관지경 또는 기관지 카테터와 같은 가요성 기관지 기구를 포함할 수 있다. 의료 기구 시스템(200)은 또한 대장, 소장, 신장 및 신배, 뇌, 심장, 혈관을 포함한 순환계, 및/또는 기타를 포함한, 다양한 해부학적 계통 중 임의의 것 내에서, 자연적으로 또는 외과적으로 생성되어 연결된 통로를 거쳐, 운행 및 다른 조직의 처치에 대해 적합하다.
추적 시스템(230)으로부터의 정보는 운행 시스템(232)으로 보내질 수 있고, 여기서 이는 시각화 시스템(231)으로부터의 정보 및/또는 수술전에 획득된 모델과 조합되어, 실시간 위치 정보를 작업자에게 제공한다. 몇몇 예에서, 실시간 위치 정보는 의료 기구 시스템(200)의 제어 시에 사용하기 위해 도 1의 디스플레이 시스템(110) 상에 디스플레이될 수 있다. 몇몇 예에서, 도 1의 제어 시스템(116)은 의료 기구 시스템(200)을 위치 설정하기 위한 피드백으로서 위치 정보를 이용할 수 있다. 수술 기구를 수술 영상과 정합시켜서 디스플레이하기 위해 광섬유 센서를 사용하기 위한 다양한 시스템이 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, "영상 안내식 수술을 위한 해부학적 구조물의 모델의 동적 정합을 제공하는 의료 시스템(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery)"을 개시하는, 2011년 5월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/107,562호에 제공되어 있다.
몇몇 예에서, 의료 기구 시스템(200)은 도 1의 의료 시스템(100) 내에서 원격 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 1의 조작기 조립체(102)는 직접 작업자 제어에 의해 대체될 수 있다. 몇몇 예에서, 직접 작업자 제어는 기구의 휴대 작동을 위한 다양한 손잡이 및 작업자 인터페이스를 포함할 수 있다.
도 3은 몇몇 실시예에 따른 분산형 열 유속 센서 시스템(300)의 단순화된 도면이다. 도 1 및 도 2와 일치하는 몇몇 실시예에 따르면, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 원격 작동식 의료 시스템(100) 및/또는 의료 기구 시스템(200)과 같은 의료 시스템의 구성요소일 수도 있다. 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 신체 조직의 열 유속의 공간 변동을 분석하는 것을 돕기 위한 정보를 제공하는 것이 가능하다. 이 정보는 신체 조직의 유형, 신체 조직의 건강, 및/또는 신체 조직의 상태를 식별하는데 사용될 수도 있다. 신체 조직의 장소 및 해부학적 특징은 또한 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 결정될 것이다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 폐 조직, 폐 조직의 특정 층, 혈관, 또는 심장, 간, 횡경막 조직 등과 같은 다른 장기의 조직과 같은 신체 조직의 유형을 식별하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)으로부터의 정보는 조직이 암성인지, 비암성인지, 건강한지, 또는 건강하지 않은지(예를 들어, 염증성, 감염성, 괴사성 등) 여부를 판정하기 위한 것과 같은, 조직의 건강을 결정하는 진단 목적으로 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 정보는 절제된 또는 비절제된 것과 같은, 조직의 상태를 식별하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 예를 들어, 혈관의 장소의 맵을 제공함으로써, 외과적 시술을 위한 준비시에 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 예를 들어, 절제 시술의 수행 중에 목표 조직이 성공적으로 절제되었는지 여부를 판정함으로써, 외과적 절차의 수행 중에 실시간 모니터링을 위해 사용될 수도 있다. 각각의 용례에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 예컨대, 신체 조직 내로 절단 및/또는 신체로부터 조직 추출 없이, 적은 신체적 침습으로 신체 조직의 특징을 탐사하는 것이 가능할 수도 있다. 예를 들어, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 자연 구멍 또는 인공 개구 등을 통한 최소 칩습적 접근을 통해, 바늘 삽입을 거쳐 신체 조직을 탐사할 수 있다.
센서 시스템(300)은 예를 들어, 바늘, 내시경 프로브, 절제 프로브, 카테터, 스테이플러, 클립 어플리케이터, 바늘 드라이버, 파지기, 견인기, 가위, 전단기, 외과용 메스, 스테이플러, 소작 장치, 혈관 밀봉기, 또는 임의의 다양한 수술, 진단, 치료, 전달, 또는 생검 기구일 수도 있는 기구(315) 내에 수납되고, 그에 장착되거나, 그에 다른 방식으로 결합된 분산형 센서(310)를 포함한다. 작동 중에, 기구(315)는 측정 범위(Z)를 따른 복수의 지점에서 온도를 측정하기 위해 신체 조직과 열 접촉하여 위치된다. 예를 들어, 열 접촉은 신체 조직 내에 기구(315)를 삽입하고, 신체 조직의 표면과 접촉하여 기구(315)를 배치하고, 그리고/또는 원하는 정확성으로 온도를 결정하기 위해 신체 조직에 충분히 가깝게 기구(315)를 다른 방식으로 위치설정함으로써 달성될 수 있다. 기구(315)는 단단히 직선형, 가요성, 조향 가능, 및/또는 만곡형일 수도 있고, 직접 삽입 경로 내의 조직 내에 삽입된 것으로서 도시되어 있지만, 측정 범위(Z) 내의 삽입 경로는 조직을 횡단하고 천공되어서는 안되는 임의의 해부학적 구조를 회피하는데 필요한 임의의 패턴으로 만곡될 수도 있다. 측정 범위(Z)는, 암성 및 비암성 조직, 절제된 조직, 건강한 조직, 혈관, 신경, 및/또는 다른 해부학적 구조 또는 조직의 다양한 층을 포함하여, 하나 이상의 유형의 생물학적 조직을 통해 연장할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 측정 범위(Z)는 암성 조직, 혈관, 및 비암성 조직에 대응하는 구역에 걸쳐 있는 것으로 도시되어 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 분산형 센서(310)는 광섬유 센서를 포함할 수도 있다. 다양한 실시예에서, 광섬유 센서는 광섬유의 길이를 따른 분산형 변형 및/또는 온도 측정을 제공하기 위한 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함할 수도 있다. 광섬유 센서의 예는 그 개시내용이 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2005년 7월 13일 출원된 미국 특허 출원 제11/180,389호에 설명되어 있다.
일 실시예에서, 광섬유 센서는 단일의 클래딩 내에 수납된 하나 이상의 코어를 포함할 수도 있다. 광섬유 브래그 격자의 어레이가 각각의 코어 내에 제공된다. 각각의 FBG는 굴절률에 공간적 주기성을 생성하기 위해 코어의 굴절률의 일련의 변조를 포함한다. 간격은 각각의 굴절률 변화로부터의 부분 반사가 협대역의 파장에 대해 응집적으로 추가되고, 따라서 훨씬 더 넓은 대역을 통과하면서 이 협대역의 파장만을 반사하도록 선택될 수도 있다. FBG의 제조 중에, 변조는 공지의 거리만큼 이격되고, 이에 의해 공지의 대역의 파장의 반사를 유발한다. 격자는 온도 또는 변형과 같은 환경 조건에 부닥치기 때문에, 섬유는 압축 또는 신장되게 된다. 섬유의 이들 변화는 굴절률 프로파일, 및 따라서 FBG의 스펙트럼 응답을 수정한다. 스펙트럼 응답의 변화는 변화를 위한 자극을 결정하도록 해석될 수 있다.
단일의 섬유 코어가 다수의 센서를 갖출 수 있고 각각의 센서의 판독치가 구별될 수 있도록 광섬유 브래그 격자를 멀티플렉싱하는 다양한 방식이 존재한다. 예를 들어, 파장 분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexing: WDM)이 판독치들 사이를 구별하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 광섬유의 길이를 따른 온도는 광학 주파수 도메인 반사계(optical frequency domain reflectometry: OFDR) 및/또는 광학 시간 도메인 반사계(optical time domain reflectometry: OTDR)을 사용하여 결정될 수도 있다. 광섬유 센서의 길이를 따른 온도의 연속적인 측정은 스윕 파장 간섭계(swept wavelength interferometry)를 사용하여 코어의 광학 응답을 해석함으로써 유도될 수도 있다. OFDR은 예를 들어, 단일의 섬유 코어를 따라 분산된 수백 또는 수천개의 FBG로부터의 온도 검출을 가능하게 할 수도 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 광섬유 센서는 1 mm 이하 공간 분해능을 달성할 수도 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 광섬유 센서의 직경은 200 미크론 이하일 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 광섬유 센서는 부가적으로 센서의 형상을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 광섬유 센서는 도 2에 관하여 전술된 바와 같이, 다중 코어 광섬유를 사용하여 센서의 온도 및 3차원 형상을 동시에 결정할 수도 있는데, 코어들 중 적어도 하나는 광섬유 굽힘 센서를 형성한다. 형상 및 온도 측정을 위한 다중 코어 광섬유의 예는 그 개시내용이 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2015년 12월 7일 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US2015/064213호에 설명되어 있다. 형상 데이터 및 온도 데이터는 광섬유 센서를 사용하여 얻어진 각각의 온도 측정의 3차원 위치를 결정하도록 조합될 수도 있다.
센서 시스템(300)은 분산형 센서(310)에 결합된 센서 검출 시스템(318)을 또한 포함할 수도 있다. 센서 검출 시스템(318)은 측정 범위(Z)를 따른 온도 및/또는 형상을 결정하기 위해 사용된 반사광을 발생하고 검출한다. 따라서, 센서 검출 시스템(318)은 공지의 기준 프레임 내의 분산형 센서의 형상 및/또는 위치, 장소, 배향, 및/또는 자세를 결정할 수 있다. 센서 검출 시스템은 광원, 광학 검출기, 및 복조기를 포함할 수도 있다.
센서 시스템(300)은 신체 조직과 열 접촉하여 위치된 로컬 열원(320)을 또한 포함할 수도 있다. 로컬 열원(320)은 분산형 센서(310)의 검출 가능한 범위 내에서 신체 조직에 열을 인가하여, 분산형 센서(310)가 신체 조직의 온도에 대한 로컬 열원(320)의 효과를 측정하게 된다. 예를 들어, 로컬 열원(320)은 분산형 센서에 바로 인접한 신체 조직에 열을 인가할 수도 있다. 본 예에서, 로컬 열원(320)은 분산형 센서(310)와 동일한 기구(315)에 장착될 수도 있다. 대안적으로, 로컬 열원(320)은 분산형 센서(310) 부근에 그에 실질적으로 평행하게 위치될 수도 있다. 일 예에서, 로컬 열원(320)은 분산형 센서(310) 주위에 완전히 또는 부분적으로 감겨진 전도성 클래딩을 포함할 수도 있다. 전도성 클래딩은 전류의 인가시에 가열되게 된다. 몇몇 예에서, 로컬 열원(320) 및 분산형 센서(310)는 동일한 장치일 수도 있다.
로컬 열원(320)의 출력 전력 레벨은 신체 조직을 변경하거나 손상하지 않고, 측정 범위(Z)를 따른 분산형 센서(310)의 검출 가능한 범위 내의 신체 조직(예컨대, 분산형 센서(310)의 2 mm 이내의 신체 조직)의 측정 가능한 온도의 변화를 유발하도록 선택된다. 이에 따라, 원하는 레벨이 조사 및/또는 다른 작동 조건 하에서 신체 조직의 유형에 기초하여 변동할 수도 있기 때문에, 주어진 시술에 대한 출력 전력 레벨은 실험적으로 결정될 수도 있다. 일반적으로, 로컬 열원(320)의 출력 전력 레벨은 열에너지를 인가함으로써 조직을 파괴하도록 작동하는 절제 도구와 같은 기구의 것보다 실질적으로 낮다.
몇몇 예에서, 분산형 센서(310)가 광섬유 센서를 포함할 때, 가열 조명은 섬유가 가열되고 그리고/또는 이웃 조직 내로 열을 복사하게 하도록 광섬유를 통해 인가될 수도 있다. 가열 조명은 온도를 결정하기 위해 사용된 조명의 파장과는 상이한 파장을 가질 수도 있다. 예를 들어, 가열 조명의 파장은 낮은 투과율을 갖는 광섬유의 투과 스펙트럼의 부분에 대응할 수도 있다. 예시적인 예에서, 광섬유는 2200 nm의 파장을 갖는 조명을 흡수하는 용융 실리카로부터 제조된 유리 클래딩을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 2200 nm의 파장을 갖는 가열 조명은 가열 조명의 흡수를 거쳐 섬유를 가열하도록 광섬유의 클래딩 내로 런칭될 수도 있다. 한편, 섬유의 온도를 결정하기 위해 사용된 조명은 광섬유의 코어 내로 런칭될 수도 있다. 광섬유의 가열은 섬유를 따른 거리의 함수로서 불균일(예를 들어, 비선형)일 수도 있지만, 이러한 불균일성은 예를 들어, 불균일한 가열에 의해 유발되는 불균일성을 보상하기 위해 결과를 조정하는 미리결정된 캘리브레이션 곡선을 사용하여, 처리 중에 고려될 수도 있다.
몇몇 예에서, 열은 광섬유 센서 내부에 정재 전자기파를 발생함으로써 신체 조직에 인가될 수도 있다. 예를 들어, 광섬유 센서는 금속과 같은 전도성 재료 내에 코팅되어, 섬유 내부의 정재파를 지원할 수도 있다. 이러한 실시예에 따라, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 섬유 내에 정재파를 발생하기 위한 RF 발생기를 포함할 수도 있다.
몇몇 예에서, 광섬유 센서는 하나 이상의 전도성 섬유 및/또는 코어를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 섬유는 섬유의 하나 이상의 코어가 전도성이도록 반도체 또는 금속 재료를 갖고 인발될 수도 있다. 이에 따라, 열이 전도성 섬유를 저항성 가열함으로써 신체 조직에 인가될 수도 있다.
로컬 열원(320)은 몇몇 실시예에서 생략될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 도 9를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같은 절제 프로브와 같은 원격 열원, 혈관 밀봉기, 소작 장치, 또는 고온 전단기와 같은 도구로부터의 열원, 및/또는 전자기 복사선, 음파 등에 의해 열에너지를 신체 조직 내로 복사하는 신체의 외부에 위치된 열원을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 시스템(300)은 신체 조직을 가열하기보다는 냉각하는 로컬 또는 원격 열에너지 소스를 포함할 수도 있다.
센서 시스템(300)은 분산형 센서(310)의 측정 범위(Z) 내의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치를 수신하도록 센서 검출 시스템(312)에 결합된 프로세서(330)를 또한 포함한다. 프로세서(330)는 공지의 기준 프레임 내의 각각의 대응 지점의 3차원 장소를 또한 결정할 수도 있다. 복수의 온도 측정치는 동시에 또는 순차적으로 그리고 개별적으로 수신될 수도 있다. 프로세서(330)는 또한 복수의 지점에서 로컬 열원(320)에 의해 인가된 열에너지의 양을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 지점에서 인가된 열에너지의 양은 일정한 값, 공지의 가변값, 사용자-제공된 파라미터, 로컬 열원(320)에 의해 제공된 파라미터 등일 수도 있다. 몇몇 예에서, 프로세서(330)는 인가된 열의 양을 지시하는 신호를 수신하고 그리고/또는 인가된 열의 양을 제어하도록 로컬 열원(320)에 결합될 수도 있다.
프로세서(330)는 수신된 온도 측정치 및 결정된 인가된 열의 양에 기초하여 측정 범위(Z) 내의 복수의 지점의 각각에서 열 유속을 결정한다. 몇몇 실시예에 따르면, 열 유속은 조직의 온도의 대응 상승 없이 조직에 인가될 수 있는 최대 열의 양에 기초하여 결정될 수도 있다. 즉, 열 유속은 로컬 열원(320)에 의해 영향을 받은 조직의 체적에 인가된 열의 양이 조직에 의해 영향을 받은 체적으로부터 이격하여 전도되는 열의 양에 정합하는 지점에 기초하여 결정된다. 몇몇 예에서, 프로세서(330)는 열 유속의 결정된 프로파일에 대응하는 조직의 유형을 식별할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(330)는 이들의 열 유속 프로파일에 기초하여 조직 및/또는 다른 해부학적 특징의 유형을 식별하는 데이터베이스(또는 다른 데이터 구조)를 포함하고 그리고/또는 그와 통신할 수도 있다. 이러한 실시예에 따라, 프로세서(330)는 데이터베이스 내의 주어진 열 유속에 대응하는 조직 또는 해부학적 특징의 유형을 룩업함으로써 측정 범위 내의 각각의 지점에서 조직 및/또는 해부학적 특징의 유형을 예측할 수도 있다.
프로세서(330)는 또한 환자의 신체 내의 열 유속 측정치의 각각의 3차원 장소를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(330)는 광섬유 센서로부터 형상 데이터를 수신하고 공지의 기준 프레임 내의 형상 데이터에 기초하여 3차원 장소를 결정할 수도 있다. 공지의 기준 프레임 내의 3차원 장소, 및 환자 기준 프레임 및/또는 영상 기준 프레임과 공지의 기준 프레임의 정합에 기초하여, 프로세서(330)는 환자의 신체의 영상(예를 들어, 도 1에 관하여 전술된 바와 같이, 내시경 영상, CT 영상 및/또는 가상 운행 영상) 위에 열 유속 측정치를 오버레이할 수도 있고, 시간 경과에 따라 주어진 장소에서 열 유속의 변화를 추적하는 등일 수도 있다.
센서 시스템(300)은 외과의사 또는 분산형 열 유속 센서 시스템(300)의 다른 작업자와 같은, 사용자에 의해 관찰 가능할 수도 있는 디스플레이 시스템(110)과 같은 디스플레이(340)를 또한 포함한다. 예를 들어, 디스플레이(340)는 작업자 콘솔 및/또는 마스터 조립체(106)와 같은 마스터 조립체 내에 합체될 수도 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 디스플레이(340)는 프로세서(330)에 결합될 수도 있고, 측정 범위(Z) 내의 복수의 지점의 각각에서 결정된 열 유속의 시각적 표현을 묘사할 수도 있다. 몇몇 예에서, 시각적 표현은 측정 범위(Z)를 따른 위치의 함수로서 열 유속의 플롯을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 시각적 표현은 측정 범위(Z)를 따른 위치의 함수로서 열 유속을 식별하는, 스프레드시트와 같은 영숫자식 텍스트를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 시각적 표현은 중첩된 열 유속 정보를 갖는 환자의 신체의 영상을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 영상 내의 해부학적 특징은 측정된 열 유속에 기초하여 컬러 코딩될 수도 있다. 몇몇 예에서, 디스플레이(340)는 시각, 오디오, 및/또는 햅틱 경보를 사용자에게 제공할 수도 있다. 예를 들어, 디스플레이(340)는 열 유속이 임계치를 초과할 때(그리고/또는 미만으로 강하함) 또는 목표 범위에 진입할 때 사용자에게 경고할 수도 있다. 경보는 예를 들어, 기구(315)가 목표 영역에 도달하였고 그리고/또는 위험 영역에 진입하였으며 기구 전진 이동이 중지되어야 하고 또는 기구가 후퇴되어야 한다는 것을 지시할 수도 있다. 몇몇 예에서, 디스플레이(340)는 하나 이상의 의료 기구(예를 들어, 도 7을 참조하여 아래에 설명되는 바와 같은 절제 프로브)의 파라미터를 조정하고 그리고/또는 결정된 열 유속에 기초하여 의료 시술(예를 들어, 절제 시술)의 수행을 변경하도록 사용자에게 지시할 수도 있다.
도 4는 측정 범위(Z)를 따른 열 유속을 표현하는 플롯(400)의 단순화된 도면이다. 도 3과 일치하는 몇몇 예에서, 플롯(400)은 분산형 열 유속 센서 시스템(300)을 사용하여 결정된 측정 데이터를 도시할 수도 있고 디스플레이(340)를 거쳐 사용자에 표시될 수도 있다. 플롯(400)에 도시된 바와 같이, 혈관 내의 혈류가 다른 유형의 조직 내에서보다 크기 때문에, 혈관에 대응하는 측정 범위(404)는 최고 열 유속을 갖는다. 대조적으로, 비암성 조직을 통한 적은 혈류가 존재하기 때문에, 측정 범위(406) 내의 비암성 조직은 최저 열 유속을 가질 수도 있다. 통상적으로 비암성 조직보다 암성 조직을 통해 더 큰 혈류가 존재하기 때문에, 측정 범위(402) 내의 암성 조직은 중간 열 유속을 갖는다. 플롯(400)에는 도시되지 않았지만, 암성 및 비암성 조직 및 혈관 이외의 다양한 조직이 유사한 방식으로 구별될 수도 있다. 예를 들어, 건강한 조직은 절제된 조직보다 더 큰 혈류 및 대응하는 더 큰 열 유속을 가질 수도 있다. 플롯(400)은 비교적 노이즈가 있는 신호를 갖고 도시되어 있지만, 다양한 신호 처리 기술이 데이터를 평활화하기 위해 원시 측정 데이터에 적용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 5a 및 도 5b는 몇몇 실시예에 따른 동심 쌍극 배열의 분산형 열 유속 센서(500)의 단순화된 단면도이다. 도 3과 일치하는 몇몇 실시예에 따르면, 분산형 열 유속 센서(500)는 분산형 센서(310), 기구(315), 및/또는 로컬 열원(320)을 구현하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 분산형 열 유속 센서(500)는 최소 조직 손상을 갖고 신체 조직 내로 그리고/또는 부근에 삽입을 용이하게 하기 위해, 매우 작은 직경, 예를 들어 400 미크론 이하를 가질 수도 있다.
분산형 온도 센서(510)가 분산형 열 유속 센서(500)의 중심에 위치된다. 분산형 온도 센서(510)는 도 3에 관하여 전술된 바와 같은, 분산형 센서(310)에 대체로 대응한다. 이에 따라, 분산형 온도 센서(510)는 광섬유 센서일 수도 있다.
전도성 클래딩(520)이 분산형 온도 센서(510) 주위에 동심으로 배치된다. 전도성 클래딩(520)은 도 3에 관하여 전술된 바와 같이, 로컬 열원(320)을 구현하는데 사용된다. 전도성 클래딩(520)은 내부 전도체(522) 및 외부 전도체(524)를 포함한다. 내부 전도체(522) 및 외부 전도체(524)는 분산형 열 유속 센서(500)의 팁(526)에 결합되어 전기 회로를 형성한다. 전류 소스(528)가 전류를 제공하여 내부 전도체(522) 및/또는 외부 전도체(524)가 저항 가열을 거쳐 열을 발생하게 한다. 전류 소스(528)는 DC 전류 소스, AC 전류 소스, 펄스화 전류 소스 등일 수도 있다. 전류 소스(528)는 사용자에 의해 수동으로 그리고/또는 프로세서(330)와 같은 프로세서에 의해 자동으로 제어될 수도 있다.
분산형 열 유속 센서(500)는 전도성 클래딩(520)으로부터 전류의 누설을 방지하거나 감소하기 위한 하나 이상의 절연층(532, 534, 및/또는 536)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 외부 절연층(536)은 신체 내로 전류가 분로하는 것을 차단하기 위해 외부 전도체(524) 위에 캡톤 코팅(Kapton coating)을 포함할 수도 있다. 마찬가지로, 내부 절연층(532)은 분산형 온도 센서(510)로부터 내부 전도체(522)를 전기적으로 분리할 수도 있다. 그러나, 몇몇 예에서, 내부 절연층(532)은 생략될 수도 있다. 예를 들어, 내부 전도체(522)는 분산형 온도 센서(510)와 직접 접촉할 수도 있다(예를 들어, 내부 전도체(522)가 광섬유 센서 상의 전도성 코팅으로서 형성될 때).
간격 절연체층(534)이 내부 전도체(522)와 외부 전도체(524)를 분리한다. 몇몇 실시예에 따르면, 간격층(534)은 내부 전도체(522)와 외부 전도체(524) 사이의 공기 간극일 수도 있다. 예를 들어, 간격층(534)은 내부 전도체(522)와 외부 전도체(524)가 금속 튜브를 사용하여 각각 형성될 때 공기 간극일 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 간격층(534)은 유리 모세관과 같은 절연 튜브를 포함할 수도 있다. 이러한 실시예에 따르면, 내부 전도체(522) 및 외부 전도체(524)는 탄소 코팅과 같은 전도성 재료로 유리 모세관의 내부면 및 외부면을 코팅함으로써 형성될 수도 있다. 탄소 코팅의 두께는 전류를 열로 효율적으로 변환하기 위해 큰 저항을 제공하도록 선택될 수도 있다. 예를 들어, 탄소 코팅의 두께는 10 nm 이하일 수도 있다.
도 5c 및 도 5d는 몇몇 실시예에 따른 동심 단극 배열의 분산형 열 유속 센서(550)의 단순화된 단면도이다. 분산형 열 유속 센서(550)는 대체로 분산형 열 유속 센서(500)와 동일한 또는 유사한 기능성을 제공한다. 그러나, 분산형 열 유속 센서(500)와는 달리, 분산형 열 유속 센서(550)는 복귀 전류 경로가 없는 전도성 클래딩(560)을 포함한다. 대신에, 분산형 열 유속 센서(500)는 전도성 클래딩(560)과 신체 조직 사이의 전기 접촉을 형성하는 분산형 열 유속 센서(500)의 팁에 신체 전극(570)을 포함한다. 이에 따라, 신체는 전류 소스(528)에 의해 공급된 가열 전류를 위한 복귀 경로를 제공한다. 전도성 클래딩(560)은 전도성 클래딩(520)보다 적은 전도층을 갖기 때문에, 분산형 열 유속 센서(550)는 분산형 열 유속 센서(500)보다 작은 직경을 가질 수도 있다. 더욱이, 전도성 클래딩(560)은 더 적은 및/또는 더 얇은 층을 갖는 것에 기인하여 전도성 클래딩(520)에 비해 개선된 열 전도를 제공할 수도 있어, 이에 의해 전도성 클래딩(560)의 외부의 온도에 대한 분산형 온도 센서(510)의 민감도 및/또는 정확성을 증가시킨다.
도 6a 및 도 6b는 몇몇 실시예에 따른 반-동심 배열의 분산형 열 유속 센서(600)의 단순화된 단면도이다. 분산형 열 유속 센서(600)는 대체로, 도 5에 관하여 전술된 바와 같이, 분산형 열 유속 센서(500 및/또는 550)와 동일한 또는 유사한 기능성을 제공한다. 특히, 분산형 열 유속 센서(600)는 도 5의 유사하게 도면 부호 표기된 요소에 대체로 대응하는, 분산형 온도 센서(610), 전도성 클래딩(620), 내부 전도체(622), 외부 전도체(624), 팁(626), 전류 소스(628), 및 절연체(630)를 포함한다. 전도성 클래딩(620)은 전도성 클래딩(520)에 유사하게 쌍극 배열로 도시되어 있지만, 전도성 클래딩(620)은 또한 전도성 클래딩(560)과 유사하게, 단극 배열로 구성될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
그러나, 분산형 열 유속 센서(500)와는 달리, 분산형 열 유속 센서(600)는 분산형 온도 센서(610)가 전도성 클래딩(620)에 의해 완전히 에워싸이지 않은 반-동심 배열로 구성된다. 반-동심 배열은 분산형 온도 센서(610)와 신체 조직 사이의 직접 접촉을 위한 인터페이스를 제공한다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 분산형 열 유속 센서(600)는 분산형 열 유속 센서(500)에 비해 개선된 측정 정확성 및/또는 응답성을 달성할 수도 있다.
도 7a 및 도 7b는 몇몇 실시예에 따른 다중-섬유 배열의 분산형 열 유속 센서(700)의 단순화된 단면도이다. 분산형 열 유속 센서(700)는 대체로, 도 5 및 도 6에 관하여 전술된 바와 같이, 분산형 열 유속 센서(500 및/또는 600)와 유사한 기능성을 제공한다. 그러나, 분산형 열 유속 센서(700)는 단일의 분산형 온도 센서보다는 복수의 분산형 온도 센서(711 내지 719)를 포함한다. 십자형 로컬 열원(720)이 분산형 온도 센서(711 내지 719) 사이에 배치되어, 각각의 분산형 온도 센서(711 내지 719)가 로컬 열원(720)의 상이한 사분면에 배치되게 된다. 이에 따라, 각각의 분산형 온도 센서(711 내지 719)는 열 유속 센서(700)의 상이한 측면에서 신체 조직 온도를 측정한다. 분산형 열 유속 센서(700)는 열 유속과 연계된 차이, 구배, 및/또는 다른 방향성 정보를 결정하는데 사용될 수도 있다. 4개의 분산형 온도 센서(711 내지 719)가 도 7에 도시되었지만, 임의의 수의 분산형 온도 센서가 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
몇몇 예에서, 로컬 열원(720)은 분산형 열 유속 센서(700)로부터 생략될 수도 있다. 예를 들어, 로컬 열원(720)은 단열체로 치환될 수도 있다. 이러한 실시예에 따르면, 분산형 열 유속 센서(700)는 방향성 민감도(예를 들어, 4개의 사분면 민감도)를 갖는 분산형 온도 센서로서 기능할 수도 있다. 원격 열에너지 소스가 열 유속 측정 용례를 위한 분산형 온도 센서의 부근에서 조직에 열에너지를 공급하는데 사용될 수도 있다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 스캐닝 모드 배열의 분산형 열 유속 센서(800)의 단순화된 도면이다. 분산형 열 유속 센서(800)는 대체로, 도 5 내지 도 7에 관하여 전술된 바와 같이, 분산형 열 유속 센서(500, 600, 700)와 유사한 기능성을 제공한다. 그러나, 분산형 열 유속 센서(500, 600, 700)는 대체로 배치 모드에서 측정 범위(Z) 내의 각각의 지점을 따른 열 유속을 측정하는 반면에(예를 들어, 열 유속은 동시에 그리고/또는 센서를 물리적으로 재배치하지 않고 각각의 지점에서 측정됨), 분산형 열 유속 센서(800)는 스캐닝 모드에서, 즉 측정 범위(Z)를 통해 온도 센서(810) 및/또는 열원(820)을 물리적으로 이동함으로써 온도를 측정한다. 몇몇 실시예에서, 분산형 열 유속 센서(800)는 카테터, 프로브, 바늘, 절제 도구, 생검 도구, 또는 임의의 유사한 장치와 같은 기구 내로 통합되도록 장착될 수도 있다.
몇몇 예에서, 온도 센서(810)는 광섬유 센서와 같은 분산형 온도 센서일 수도 있다. 측정 범위(Z)를 통해 광섬유 센서를 물리적으로 이동함으로써 얻어진 정보는 광섬유 센서의 측정 민감도의 공간적 불균일성 및/또는 열원(810)에 의해 인가된 열의 분포를 보상하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 스캐닝 모드는 분산형 열 유속 센서(800)를 위한 캘리브레이션 곡선을 결정하는데 사용될 수도 있다.
몇몇 예에서, 온도 센서(810)는 외인성 패브리 페로 간섭계(extrinsic Fabry-Perot interferometer: EFPI)-기반 온도 센서와 같은 포인트 온도 센서일 수도 있다. EFPI-기반 온도 센서는 포인트 온도 센서(810) 내의 온도 변동에 의해 유발된 광학 경로 길이의 작은 변화에 극단적으로 민감하다. 이러한 실시예에 따르면, 열원(820)은 포인트 온도 센서에 결합된 포인트 열원일 수도 있다. 이에 따라, 포인트 열원은 포인트 온도 센서와 함께 측정 범위(Z)를 통해 이동한다. 그러나, 몇몇 예에서, 포인트 열원은 포인트 온도 센서에 독립적으로 이동할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 분산형 열 유속 센서(800)는 물리적 재배치 없이 측정 범위 전체에 걸쳐 열을 인가하는 신장된 열원과 같은, 신체 조직을 가열하기 위한 다른 수단을 포함할 수도 있다.
다양한 예에서, 센서(800)(또는 센서가 장착되는 기구)의 이동(예를 들어, 삽입)은 조작기 조립체(102)와 같은 포지셔너(830)에 의해 제어될 수도 있다. 예를 들어, 포지셔너(830)는 측정 범위(Z)를 통해 센서(800)(예를 들어, 온도 센서(810) 및/또는 열원(820))를 자동으로 이동시킬(예를 들어, 삽입/후퇴/조향) 수도 있고, 포지셔너(830)는 센서(800)를 삽입, 후퇴 및/또는 관절 연결하기 위한 원격 작동식 작동 기구를 포함할 수도 있고, 또는 센서(800)는 포지셔너(830)를 수동으로 삽입/후퇴/조향할 수도 있다. 이에 따라, 스캐닝 경로, 스캔 속도, 및/또는 스캔의 수와 같은 다양한 파라미터가 프로세서(330)와 같은 프로세서 내에 미리프로그램될 수도 있어, 포지셔너(830)를 사용하여 센서(800)를 자동으로 또는 원격으로 제어한다. 프로세서는 센서 검출 시스템(318)과 같은 센서 시스템으로부터 위치 정보를 수신하여, 주어진 시점에 센서(800)의 위치를 지시하는 출력 신호를 제공할 수도 있다. 이 신호에 기초하여, 프로세서는 위치의 함수로서 온도 및/또는 인가된 열의 맵을 발생할 수도 있다. 맵은 측정 범위 내의 각각의 지점에서 열 유속을 결정하는데 사용된다.
도 3 내지 도 8에 도시된 실시예는 1차원에서(즉, 분산형 온도 센서의 신장된 축을 따른) 열 유속의 결정을 도시하고 있지만, 다양한 대안이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 도 3 내지 도 8에 도시된 실시예는 2차원 면적 및/또는 3차원 체적의 열 유속 맵을 발생하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 열 유속 센서 시스템(300)은 신체 조직 전체에 걸쳐 상이한 각도 및/또는 위치에서 삽입된 열 유속 센서(300 내지 600)와 같은 복수의 열 유속 센서를 포함할 수도 있다. 유사하게, 열 유속 센서 시스템(300)은 하나 이상의 만곡된 및/또는 가요성 열 유속 센서를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 열 유속 센서는 2차원 또는 3차원으로 스캐닝될 수도 있다.
도 9는 몇몇 실시예에 따른 분산형 센서를 사용하는 절제 시스템(900)의 단순화된 도면이다. 절제 시술 중에, 절제 시스템(900)은 비목표 조직(예를 들어, 비암성 조직, 혈관, 주위 장기 등)에 대한 시술의 영향을 최소화하려고 시도하면서 목표 조직(예를 들어, 암성 조직 또는 암성 조직 및 암성 조직을 둘러싸는 규정된 체적의 비암성 또는 건강 조직)을 파괴하도록 절제 에너지(예를 들어, 열적, 화학적, 및/또는 기계적 에너지)를 인가한다.
절제 시스템(900)은, 도 3에 관하여 전술된 바와 같은 온도 센서(310), 기구(315), 및 센서 검출 시스템(318)에 대체로 대응하는 분산형 센서(910), 기구(915), 및 센서 검출 시스템(918)을 포함한다. 분산형 센서(910)는 목표 조직 내에 또는 부근에 배치되어, 절제 시술 중에 측정 범위 내의 온도의 공간적 및/또는 시간적 변동을 모니터링한다. 예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 측정 범위(Z)는 비목표 조직 및 목표 조직의 부분에 걸쳐 있다. 절제 시스템(900)은, 도 3에 관하여 전술된 바와 같은, 로컬 열원(320)에 대체로 대응하는 로컬 열원(920)을 또한 포함할 수도 있다.
절제 시스템(900)은 목표 조직에 절제 에너지를 전달하는 절제 프로브(930)를 포함한다. 예를 들어, 절제 프로브(930)는 목표 조직을 가열하는 무선 주파수 에너지, 마이크로파 복사선, 초음파 에너지, 레이저 에너지, 직접 열에너지 등의 소스를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 절제 프로브(930)는 목표 조직을 동결하는 냉동 프로브(cryoprobe)를 포함할 수도 있다. 절제 프로브(930)가 열에너지의 소스(예를 들어, RF/마이크로파 소스, 직접 열원 및/또는 극저온 치료 프로브)를 포함할 때, 로컬 열원(920)보다는, 절제 프로브(930)가 분산형 센서(910)의 측정 범위 내에서 신체 조직을 로컬식으로 가열하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 절제 프로브(930)는 화학적 절제를 수행하기 위한 화학적 전달 시스템을 포함할 수도 있지만, 이어서 로컬 열원(920)을 요구할 수도 있다.
절제 프로브(930)는 기구(935)에 장착될 수도 있다. 기구(935)의 위치는 조작기 조립체(102) 또는 구동 유닛(204)과 같은 포지셔너(938)를 사용하여 제어될 수도 있다. 예를 들어, 포지셔너(938)는 절제 프로브(920)를 삽입 및/또는 후퇴하기 위한 원격 작동식 작동 기구를 포함할 수도 있다. 도 9에는 도시되지 않았지만, 기구(915)의 위치는 마찬가지로 개별 포지셔너 또는 포지셔너(938)를 사용하여 제어될 수도 있다. 몇몇 예에서, 절제 프로브(920) 및/또는 기구(915)는 수동으로 위치설정될 수도 있다.
프로세서(940)가 센서 검출 시스템(918)으로부터 온도 정보를 수신하도록 결합된다. 예를 들어, 프로세서(940)는 측정 범위 내의 복수의 지점에서 측정 온도를 수신할 수도 있다. 프로세서(940)는 또한 로컬 열원(920) 및/또는 절제 프로브(930)에 의해 인가된 열의 양을 결정할 수도 있다. 측정된 온도 및 인가된 열에 기초하여, 프로세서(940)는 측정 범위 내의 복수의 지점의 각각에서 열 유속을 결정할 수도 있다. 결정된 열 유속은 절제된 및 비절제된 조직 사이를 구별하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 열 유속은 조직의 생물학적 상태(예를 들어, 생사), 조직의 화학적 및/또는 구조적 특성, 조직이 건조한지 여부 등에 기초하여 변화할 수도 있다. 몇몇 예에서, 프로세서(940)는 예를 들어, 분산형 센서(910)에 의해 제공된 형상 데이터를 사용하여, 공지의 기준 프레임 내의 각각의 온도 측정의 3차원 위치를 또한 결정할 수도 있다.
열 유속 정보에 기초하여, 프로세서(940)는 하나 이상의 모니터링 및/또는 피드백 신호를 발생한다. 예를 들어, 프로세서(940)는 위치의 함수로서 열 유속의 플롯에 대응하는 모니터링 신호를 발생할 수도 있다. 플롯은 디스플레이 인터페이스(디스플레이(340)와 같은)를 거쳐 사용자에 표시될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 프로세서(940)는 조직의 체적 내의 열 유속의 2차원 또는 3차원 맵에 대응하는 모니터링 신호를 발생할 수도 있다. 온도 측정의 3차원 위치 정보가 주어지면, 열 유속 맵 장소, 위치, 및/또는 배향이 공지의 기준 프레임과 연계될 수 있다. 조직 체적(예를 들어, 환자) 기준 프레임 및/또는 영상 기준 프레임과 열 유속 맵 기준 프레임의 정합으로, 열 유속 맵은 환자의 신체의 영상에 중첩될 수도 있고 영상의 하나 이상의 지점에서 조직의 상태를 식별할 수도 있다.
몇몇 예에서, 프로세서(940)는 절제 프로브(920)의 위치를 조정하기 위한 위치 피드백 신호를 발생할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(940)는, 절제 프로브(920)가 목표 조직 내에 있지 않고 그리고/또는 비목표 조직에 너무 가깝다는 것을 열 유속 정보가 지시할 때, 절제 프로브(920)의 깊이를 자동으로 증가시키거나 감소시키도록 포지셔너(930)에 위치 피드백 신호를 송신할 수도 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 프로세서(940)는 절제 프로브(920)의 출력 전력을 조정하도록 전력 피드백 신호를 발생할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(940)는, 목표 및/또는 비목표 조직의 열 유속이 원하는 범위 외에 있는 것을 열 유속 정보가 지시할 때 절제 프로브(920)에 의해 공급된 절제 에너지의 양을 자동으로 조정하도록 절제 프로브(920)에 전력 피드백 신호를 송신할 수도 있다. 전력 피드백 신호는 실시간 열 유속 정보에 기초하고, 따라서 "엄지손가락 법칙" 또는 다른 추정 방법을 사용하여 절제 프로브(920)의 출력 전력을 설정하는 것에 비해 개선된 성능을 제공한다.
몇몇 실시예에 따르면, 프로세서(940)는 임계 조건이 만족될 때 절제 시술의 스테이지를 종료하도록(예를 들어, 시술을 종료하거나 다단 시술의 다음의 스테이지로 이동하도록) 컷오프 신호를 발생할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(940)는, 절제 에너지의 임계 레벨이 목표 조직에 전달되었을 때, 목표 조직의 열 유속이 조직이 성공적으로 절제되었다는 것을 지시할 때, 비목표 조직의 열 유속이 미리결정된 허용 가능한 범위로부터 벗어날 때 등에 전력을 제공하는 것을 자동으로 중단하도록 절제 프로브(920)에 컷오프 신호를 송신할 수도 있다. 전력 피드백 신호와 같이, 컷오프 신호는 실시간 정보에 기초하고, 따라서 "엄지손가락 법칙" 또는 다른 추정 방법을 사용하여 절제 시술의 기간을 설정하는 것에 비해 개선된 성능을 제공한다.
절제 시스템(900)은 프로세서(940)로부터 피드백 신호에 자동으로 응답하는 것으로서 설명되었지만, 다른 대안예가 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 위치 피드백 신호, 전력 피드백 신호, 및/또는 컷오프 신호와 같은 하나 이상의 피드백 신호가 사용자에 표시될 수도 있다(예를 들어, 디스플레이(340)를 거쳐 경보 또는 메시지를 제공함). 이러한 실시예에 따라, 어떻게 피드백 신호에 응답하는지의 결정이 자동으로 이루어지기보다는 사용자에 의해 이루어질 수도 있다.
더욱이, 프로세서(940)로부터의 피드백 신호는 열 유속에 기초하여 결정되는 것으로서 설명되었지만, 피드백 신호는 부가적으로 또는 대안적으로 분산형 센서(910)로부터 수신된 온도 측정치로부터 직접 결정될 수도 있다. 예를 들어, 컷오프 신호는 목표 및/또는 비목표 조직의 온도가 미리결정된 임계치를 초과할 때 트리거링될 수도 있다. 이러한 실시예에 따르면, 로컬 열원(920)은 몇몇 예에서 생략될 수도 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 도 10은 복수의 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019), 절제 프로브(1020), 및 카테터(1025)를 포함하는 절제 시스템(1000)의 단순화된 도면이다. 복수의 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019)는 카테터(1025) 또는 절제 프로브(1020)로부터 반경방향으로 전개된다. 절제 프로브(1020)는 비목표 조직을 실질적으로 그대로 남겨두면서 목표 조직을 파괴하기 위해 절제 에너지(예를 들어, 열적, 화학적, 및/또는 기계적 에너지)를 인가한다. 몇몇 실시예에 따르면, 절제 프로브(1020)는 절제 에너지를 이방성으로 전달할 수도 있다. 이러한 실시예에 따르면, 절제 프로브(1020)에 의해 제공된 절제 에너지의 공간 분포가 조정 가능할 수도 있다. 예를 들어, 공간 분포는 포지셔너(1030) 및/또는 프로세서(1040)를 사용하여 절제 프로브(1020)의 배향을 변경함으로써 조정될 수도 있다.
절제 프로브(1020)는 신장된 장치(202)와 같은 가요성 카테터(1025)의 원위 단부에 위치되거나, 또는 가요성 카테터(1025)의 원위 단부에 위치되도록 가요성 카테터(1025)의 루멘을 통해 전달된다. 가요성 카테터(1025)는 목표 조직에 접근하도록, 해부학적 통로(예를 들어, 호흡, 소화, 생식 통로)를 통해 또는 혈관구조를 통해 운행될 수도 있다. 몇몇 예에서, 가요성 카테터(1025) 및/또는 절제 프로브(1020)는 조향 가능할 수도 있다. 절제 프로브(1020)가 목표 조직의 부근에 도달할 때, 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019) 중 하나 이상은 가요성 카테터(1025)의 루멘 또는 하나 이상의 부가의 루멘 또는 절제 프로브(1020)의 하나 이상의 부가의 루멘을 통해 전개될 수도 있다. 절제 시술 중에, 프로세서(1040)는 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019)로부터 열 유속 정보를 수신한다. 열 유속 정보에 기초하여, 프로세서(1040)는 절제 프로브(1020)에 의해 제공된 절제 에너지의 공간적 분포를 조정하기 위한 피드백을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 절제 프로브(1020)로부터의 절제 에너지는 대체로 분산형 열 유속 센서(1013)를 향해 배향된 방향으로 전달되는데, 이 열 유속 센서는 목표 조직의 중심을 통해 그리고 분산형 열 유속 센서(1011)로부터 이격하여 연장하고, 이 열 유속 센서는 대부분 비목표 조직을 통해 연장한다. 이 방식으로, 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019)에 의해 제공된 실시간 피드백은 절제 프로브(1020)로부터 목표 조직으로 절제 에너지를 더 효과적으로 지향함으로써 절제 시스템(1000)의 성능을 개선한다.
몇몇 실시예에 따르면, 하나 이상의 피드백 신호가 사용자에 표시될 수도 있다(예를 들어, 디스플레이(340)를 거쳐). 몇몇 예에서, 하나 이상의 피드백 신호는 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019) 사이의 구역의 조직 온도를 추정하기 위해 보간을 사용하는 조직 온도의 2차원 또는 3차원 실시간 맵을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 실시간 맵은, 예를 들어 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019)에 의해 제공된 3차원 형상 데이터를 사용하여 환자의 해부학적 구조물의 영상과 정합되고, 디스플레이를 위해 영상에 오버레이될 수도 있다. 이러한 실시예에 따라, 어떻게 피드백 신호에 응답하는지의 결정이 자동으로 이루어지기보다는 사용자에 의해 이루어질 수도 있다.
도 11은 몇몇 실시예에 따른 열 유속을 결정하는 방법(1100)의 단순화된 도면이다. 도 3과 일치하는 몇몇 실시예에서, 방법(1100)은 분산형 열 유속 센서 시스템(300)과 같은, 분산형 열 유속 센서 시스템의 작동 중에 수행될 수도 있다. 특히, 방법(1100)은 프로세서(330)와 같은, 분산형 열 유속 센서 시스템의 프로세서에 의해 실행될 수도 있다.
공정(1110)에서, 신체 조직 내로 분산형 센서(310)와 같은 분산형 센서를 삽입하기 위한 지시가 위치설정 모듈에 제공된다. 예컨대, 위치설정 모듈은 분산형 센서에 결합된 원격 작동식 조립체를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 분산형 센서는 배치 모드(batch mode)에서 측정 범위 내의 복수의 지점에서 온도를 측정하는(예를 들어, 복수의 지점의 각각에서의 온도는 동시에 그리고/또는 온도 센서를 물리적으로 재배치하지 않고 측정됨) OFDR-기반 광섬유 센서와 같은, 신장된 온도 센서일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 분산형 센서는 스캐닝 모드에서, 즉 측정 범위를 통해 이동함으로써, 측정 범위 내의 온도를 측정하는 EFPI-기반 온도 센서와 같은, 포인트 온도 센서일 수도 있다. 이러한 실시예에 따르면, 위치설정 모듈에 전송되는 지시는 스캐닝 경로, 스캐닝 속도, 및/또는 스캔의 수와 같은, 스캐닝 파라미터를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 공정(1110)은, 예로서 분산형 센서가 신체 조직 내로 수동으로 삽입될 때, 생략될 수도 있다.
공정(1120)에서, 신체 조직에 열(또는 다른 열에너지)을 인가하기 위한 지시가 열원에 제공된다. 지시는 원하는 열 또는 전력 레벨, 원하는 전류 레벨 등을 지정할 수도 있다. 지시에 응답하여, 열원은 열을 인가하여 분산형 센서의 검출 가능한 범위 이내(예를 들어, 분산형 센서의 2 mm 이내)에 위치된 신체 조직의 온도의 측정 가능한 변화를 유발한다. 열은 로컬 및/또는 원격 열원을 사용하여 인가될 수도 있다. 예를 들어, 로컬 열원은 클래딩을 통해 전류를 인가함으로써 가열되는 분산형 센서 주위의 전도성 클래딩을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 센서 자체는 로컬식으로 가열될 수도 있다. 예를 들어, 분산형 센서가 광섬유 센서를 포함할 때, 가열 조명은 도 3에 관하여 전술된 바와 같이, 광섬유가 가열되도록 광섬유(예를 들어, 광섬유의 클래딩 및/또는 코어)를 통해 인가될 수도 있다. 원격 열원은 RF 절제 프로브와 같은 무선 주파수 또는 마이크로파 복사선의 소스, 및/또는 마이크로파 또는 초음파 트랜스듀서를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 공정(1120)은, 예로서 가열 소스가 수동으로 작동될 때, 생략될 수도 있다.
공정(1130)에서, 분산형 센서의 측정 범위 내의 복수의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치가 분산형 센서 및/또는 센서 검출 시스템(318 및/또는 918)과 같은 분산형 센서에 결합된 센서 검출 시스템으로부터 수신된다. 복수의 온도 측정치는 동시에 및/또는 순차적으로 그리고 개별적으로 수신될 수도 있다. 예를 들어, 광섬유 센서가 실질적으로 동시에 복수의 지점의 각각에서 온도 측정치를 제공하도록 작동될 수도 있다. 대조적으로, 온도 프로브가 신체 조직에 삽입되고 그리고/또는 후퇴됨에 따라, EFPI-기반 온도 센서가 시간 경과에 따라 온도 측정치를 획득할 수도 있다. 몇몇 예에서, 복수의 지점 각각의 3차원 위치가 공정(1130)에서 결정될 수도 있다. 예를 들어, 분산형 센서는 센서의 길이를 따른 3차원 형상 및 온도를 동시에 측정하도록 구성된 광섬유 센서일 수도 있다. 분산형 센서로부터 수신된 3차원 형상 정보는 복수의 지점 각각의 3차원 위치를 결정하는데 사용될 수도 있다.
공정(1140)에서, 복수의 지점 각각에서 열원에 의해 인가된 열의 양이 결정된다. 몇몇 예에서, 열의 양은 출력 전력 레벨을 지시하는 신호와 같은, 열원으로부터 수신된 정보에 기초하여 결정될 수도 있다. 몇몇 예에서, 인가된 열의 양은 미리설정된 값 및/또는 사용자-선택된 값일 수도 있다. 몇몇 예에서, 열의 양은 공정(1120)에서 열원에 전송된 지시에 기초하여 결정될 수도 있다.
공정(1150)에서, 신체 조직의 열 유속은 수신된 온도 측정치 및 결정된 인가된 열의 양에 기초하여 복수의 지점에서 결정된다. 몇몇 실시예에 따르면, 열 유속은 조직의 온도의 대응 상승 없이 조직에 인가될 수 있는 최대 열의 양에 기초하여 결정될 수도 있다. 즉, 열 유속은 열원에 의해 영향을 받은 조직의 체적에 인가된 열의 양이 조직에 의해 영향을 받은 체적으로부터 이격하여 전도되는 열의 양에 정합하는 지점에 기초하여 결정된다.
공정(1160)에서, 열 유속과 연계된 모니터링 정보가 디스플레이 인터페이스를 거쳐 사용자에게 표시된다. 몇몇 예에서, 모니터링 정보는 위치의 함수로서 열 유속의 플롯을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 모니터링 정보는 복수의 지점의 각각에서 조직 유형의 식별을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 조직 유형은 암성 또는 비암성, 절제된 또는 건강 등으로서 식별될 수도 있다. 조직 유형의 식별에 기초하여, 혈관 또는 다른 해부학적 특징의 장소가 식별될 수도 있다. 몇몇 예에서, 조직 유형은 주어진 열 유속에 정합하는 조직 유형을 결정하기 위해 데이터베이스(또는 다른 데이터 구조)에 질의함으로써 결정될 수도 있다. 몇몇 예에서, 공정(1140)에서 결정된 3차원 위치 정보는 3차원 열 유속 맵을 발생하고, 환자의 해부학적 구조물의 모델 및/또는 영상에 열 유속 맵을 정합하고, 그리고/또는 열 유속 맵을 모델 및/또는 영상에 오버레이하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 모니터링 정보는 열 유속 정보가 환자 해부학적 구조물의 영상에 중첩되는 향상된 영상을 포함할 수도 있다.
공정(1170)에서, 열 유속과 연계된 피드백 정보가 수술 기구에 제공된다. 몇몇 실시예에서, 피드백 정보는 원격 작동식 수술 기구에 송신될 수도 있다. 예를 들어, 공정(1150)에서 결정된 열 유속은 원격 작동식 수술 기구가 정확하게 위치설정되었는지 및/또는 신체 조직의 주어진 체적에 대해 원하는 영향을 갖는지 여부를 지시할 수도 있다. 예를 들어, 피드백 정보는 주어진 지점에서 열 유속이 원하는 범위 외에 있는 것을 지시할 수도 있다. 피드백 정보의 수신에 응답하여, 원격 작동식 수술 기구는 그 위치 및/또는 다른 작동 파라미터를 조정할 수도 있다.
도 12는 몇몇 실시예에 따른 치료 시술 중에 피드백을 제공하는 방법(1200)의 단순화된 도면이다. 도 9 및 도 10과 일치하는 몇몇 실시예에서, 방법(1200)은 절제 시스템(900 및/또는 1000)과 같은 절제 시스템을 사용하여 수행된 절제 시술 중에 수행될 수도 있다. 특히, 방법(1200)은 프로세서(940 및/또는 1040)와 같은, 절제 시스템의 프로세서에 의해 실행될 수도 있다. 그러나, 방법(1200)은 절제 용례에 한정되는 것은 아니고, 광범위한 치료 시술에 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 2와 일치하는 실시예에서, 방법(1200)은 대체로 의료 기구(226)와 같은 의료 기구에 피드백을 제공하는데 사용될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 의료 기구(226)는 영상 포착 프로브, 생검 기구, 레이저 절제 섬유, 및/또는 다른 수술, 진단, 또는 치료 도구를 포함할 수 있다.
공정(1210)에서, 분산형 열 유속 센서(1011 내지 1019)와 같은 하나 이상의 분산형 열 유속 센서를 치료 시술의 목표 조직 내로 또는 부근으로 삽입하기 위한 지시가 위치설정 모듈에 전송된다. 공정(1210)은 대체로 방법(1100)의 공정(1110 내지 1120)에 대응한다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 분산형 열 유속 센서는 신장된 장치(202)와 같은 신장된 장치를 통해 반경방향 외향으로 돌출될 수도 있다. 몇몇 예에서, 공정(1210)은, 예로서 분산형 열 유속 센서가 수동으로 배치될 때 또는 분산형 열 유속 센서가 절제 프로브 내로 통합되는 경우에, 생략될 수도 있다.
공정(1220)에서, 치료 장치(예를 들어, 절제 프로브(920) 및/또는 포지셔너(925)와 같은 절제 프로브)의 초기 작동 파라미터가 치료 장치에 제공된다. 몇몇 실시예에서, 치료 장치는 분산형 열 유속 센서가 그로부터 돌출되는 신장된 장치에 장착되거나 그를 통해 전달될 수도 있다. 초기 작동 파라미터는 삽입 깊이, 배향, 카테터 조향 정보 등과 같은 위치설정 정보를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 치료 장치가 절제 프로브를 포함하는 경우에, 초기 작동 파라미터는 절제 프로브의 원하는 출력 전력 레벨을 지정할 수도 있다. 초기 작동 파라미터의 수신에 응답하여, 절제 프로브는 절제 에너지(예를 들어, 열적, 기계적, 및/또는 화학적 에너지)를 목표 조직에 인가한다.
공정(1230)에서, 복수의 열 유속 측정치가 하나 이상의 분산형 열 유속 센서로부터 수신된다. 복수의 열 유속 측정치는 치료 시술 중에 목표 조직 및/또는 이웃 또는 인접 비목표 조직에 대한 치료 장치의 영향을 반영한다. 예를 들어, 절제 시술 중에, 복수의 온도 측정치는 절제 프로브가 적절하게 배향되었는지 그리고/또는 정확한 절제 에너지 출력으로 설정되었는지 여부를 지시할 수도 있다.
공정(1240)에서, 조정된 작동 파라미터는 치료 장치 및/또는 포지셔너에 제공된다. 조정된 작동 파라미터는 공정(1230)에서 수신된 복수의 열 유속 측정치에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 절제 시술 중에, 복수의 열 유속 측정치가 주어진 조직의 체적이 원하는 범위의 외의 속도로(예를 들어, 너무 느리게 또는 너무 빨리) 절제되는 것을 지시할 때, 조정된 작동 파라미터는 절제 속도를 다시 원하는 범위로 유도하도록 절제 프로브의 절제 에너지 출력을 증가시키거나 감소시킬 수도 있다. 유사하게, 절제 프로브의 위치, 배향, 및/또는 방향성은 비목표 조직에 대해 목표 조직을 더 정밀하게 목표화하도록 조정될 수도 있다. 몇몇 예에서, 조정된 작동 파라미터는 임계 조건이 만족될 때 절제 시술을 중단하는 것 및/또는 절제 시술의 다음의 단계로 이동하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 열 유속 측정치는 목표 조직이 성공적으로 절제되었다는 것 또는 비목표 조직이 허용 가능한 열 유속 범위로부터 벗어났다는 것을 지시할 수도 있다. 몇몇 예에서, 목표 조직이 성공적으로 절제되었는지 여부를 판정하는 것은 절제 시술의 시작시에 포착된 기준선 열 유속 측정치에 현재 열 유속 측정치를 비교함으로써 수행될 수도 있다.
도 13은 몇몇 실시예에 따른 절제된 조직을 검출하기 위한 방법(1300)의 단순화된 도면이다. 도 9 및 도 10과 일치하는 몇몇 실시예에서, 방법(1200)은 절제 시스템(900 및/또는 1000)과 같은 절제 시스템을 사용하여 수행된 절제 시술 전, 중, 및/또는 후에 수행될 수도 있다. 특히, 방법(1300)은 프로세서(940 및/또는 1040)와 같은, 절제 시스템의 프로세서에 의해 실행될 수도 있다. 절제 시술은 목표 부위에서, 암성 조직과 같은 조직을 절제하도록 구성될 수도 있다.
공정(1310)에서, 기준선 열 유속 측정치가 목표 부위에서 포착된다. 기준선 열 유속 측정치는 도 3 내지 도 11에 도시된 분산형 열 유속 센서와 같은 분산형 열 유속 센서를 사용하여 포착될 수도 있다. 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서는 절제 프로브와 통합될 수도 있다(예를 들어, 열 유속 센서 및 절제 프로브는 동일한 기구에 장착될 수도 있음). 몇몇 예에서, 분산형 열 유속 센서 및 절제 프로브는 별개일 수도 있다.
공정(1320)에서, 절제 시술은 목표 부위에서 수행된다. 절제 시술은 목표 부위에서 조직을 절제하기 위해 열적, 화학적, 및/또는 기계적 절제 에너지를 인가하는 절제 프로브를 사용할 수도 있다. 몇몇 예에서, 절제 에너지의 양, 절제 프로브에 대한 목표 부위의 장소, 절제 에너지에 대한 목표 조직의 민감도 등은 확실하게 인지되지 않을 수도 있다. 이에 따라, 절제 프로브의 위치, 출력 전력 레벨, 절제 시간 등과 같은 절제 시술의 다양한 파라미터가 추정치, 실험 데이터 및/또는 "엄지손가락 법칙"에 기초하여 선택될 수도 있다.
공정(1330)에서, 절제후 열 유속 측정치가 목표 부위에서 포착된다. 예를 들어, 절제후 열 유속 측정치는 기준선 열 유속 측정치와 실질적으로 동일한 방식으로 포착될 수도 있다. 몇몇 예에서, 공정(1310)에서 사용된 열 유속 센서는 공정(1320)의 절제 시술 중에 목표 부위로부터 후퇴되고 공정(1330) 중에 재삽입될 수도 있다. 다른 예에서, 열 유속 센서는 공정(1310 내지 1330) 전체에 걸쳐 목표 부위에 남아 있을 수도 있다.
공정(1340)에서, 절제후 열 유속 측정치는 목표 조직이 성공적으로 절제되었는지 여부를 결정하기 위해 기준선 열 유속 측정치에 비교된다. 몇몇 예에서, 절제된 조직은 절제후 및 기준선 열 유속 측정치 사이의 차이에 기초하여 검출될 수도 있다. 예를 들어, 주어진 장소에서 열 유속의 실질적인 증가는 조직이 절제되었다는 것을 지시할 수도 있다. 목표 조직이 성공적으로 절제된 것으로 결정될 때, 절제 시술은 종료될 수도 있다. 그러나, 목표 조직의 전체 또는 일부가 성공적으로 절제되지 않았을 때, 방법(1300)은 모든 목표 조직이 성공적으로 절제될 때까지 절제 시술을 계속하도록 공정(1320)으로 복귀할 수도 있다. 목표 조직이 성공적으로 절제될 때까지 공정(1320)을 반복하는 능력은 공정(1320) 중에 사용된 작동 파라미터가 단일 샷 접근법보다 더 보수적으로 선택되게 할 수 있어, 목표 조직의 완전한 절제를 보장하면서 비목표 조직에 적은 영향을 야기한다.
프로세서(330, 940, 및/또는 840)와 같은 프로세서의 몇몇 예는 하나 이상의 프로세서(예컨대, 프로세서(330, 940, 및/또는 1040))에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 방법(1100 내지 1300)의 공정을 수행하게 할 수 있는 실행 가능한 코드를 포함하는 비일과성의 유형의 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 방법(1100 내지 1300)의 공정을 포함할 수 있는 기계 판독 가능 매체의 몇몇 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 천공 카드, 종이 테이프, 패턴화된 구멍을 구비한 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 및/또는 프로세서 또는 컴퓨터가 판독하도록 구성된 임의의 다른 매체이다.
예시적인 실시예가 도시되고 설명되었지만, 광범위한 변형, 변화, 및 대체가 상기 개시내용에서 고려되고, 몇몇 경우에, 실시예들의 몇몇 특징은 다른 특징의 대응하는 사용이 없이 채용될 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 많은 변경, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 다음의 청구범위에 의해서만 제한되어야 하고, 청구범위는 광범위하게 그리고 본원에서 개시되는 실시예들의 범주와 일치하는 방식으로 해석되어야 함이 적절하다.

Claims (53)

  1. 신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템이며,
    측정 범위 내의 복수의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치를 제공하는 분산형 센서로서, 상기 분산형 센서는 광섬유 센서를 포함하고, 상기 광섬유 센서는 측정 범위를 통해 연장하는 광섬유를 포함하는, 분산형 센서;
    상기 측정 범위를 따라 신체 조직에 열에너지를 인가하는 열에너지 소스; 및
    하나 이상의 프로세서를 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 분산형 센서로부터 상기 복수의 지점에 대응하는 복수의 온도 측정치를 수신하고;
    상기 복수의 지점의 각각에서 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양을 결정하고;
    상기 복수의 온도 측정치 및 상기 열에너지 소스에 의해 인가된 열에너지의 양에 기초하여 상기 복수의 지점의 각각에서 열 유속을 결정하고;
    공지의 3차원 기준 프레임 내의 상기 광섬유 센서로부터의 형상 데이터에 기초하여 복수의 지점의 위치를 결정하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분산형 센서는 배치 모드(batch mode) 또는 스캐닝 모드로 상기 복수의 지점에서 온도를 측정하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분산형 센서는 외인성 패브리 페로 간섭계(extrinsic Fabry-Perot interferometer: EFPI)-기반 온도 센서를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열에너지 소스는 전류의 인가시에 열을 인가하는 분산형 센서 주위의 전도성 클래딩을 포함하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전도성 클래딩은
    신체 조직에 상기 전도성 클래딩을 전기적으로 결합하기 위한 신체 전극,
    상기 전도성 클래딩의 원위 단부에 전기적으로 연결된 한 쌍의 동심 금속 튜브, 또는
    전도층에 의해 코팅된 절연 모세관 튜브로서 구성되는, 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 열에너지 소스는 광섬유가 열을 발생하게 하도록 광섬유에 가열 조명을 인가하거나, 광섬유가 전도성 재료 내에 코팅될 때 열을 발생하기 위해 광섬유 내에 정재 전자기파를 발생하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는
    공지의 3차원 기준 프레임 내의 상기 광섬유 센서의 위치 및 배향 중 적어도 하나를 결정하는 것에 의해 광섬유의 형상을 결정하고;
    광섬유의 결정된 형상에 기초하여 열 유속 맵을 발생하도록 또한 구성되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는
    신체 조직의 해부학적 모델 또는 영상을 3차원 기준 프레임에 정합하고;
    3차원 기준 프레임 내의 상기 광섬유 센서의 위치 및 배향 중 적어도 하나의 결정에 기초하여 신체 조직의 해부학적 모델 또는 영상에 열 유속 맵을 오버레이하고;
    열 유속 맵의 오버레이를 갖고 신체 조직의 해부학적 모델 또는 영상을 표시하도록 또한 구성되는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는
    결정된 열 유속에 기초하여 복수의 지점의 각각에서 조직의 유형을 식별하고;
    조직의 유형을, 암성 조직, 비암성 조직, 절제된 조직, 비절제된 조직, 건강한 조직 중 적어도 하나로서 또는 혈관으로서 분류하도록 또한 구성되는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서에 결합된 디스플레이를 더 포함하고, 상기 디스플레이는 결정된 열 유속의 시각적 표현 또는 수술 시술 중에 작동 파라미터 중 적어도 하나를 묘사하는, 시스템.
  12. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 치료 도구를 더 포함하고, 상기 프로세서는 결정된 열 유속에 기초하여 상기 치료 도구의 작동 파라미터를 변경하도록 또한 구성되는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 치료 도구는 절제 프로브인, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 치료 도구의 위치, 상기 치료 도구의 출력 전력, 및 임계 조건이 만족될 때 시술의 스테이지의 종료 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 가요성 카테터를 더 포함하고, 상기 치료 도구는 가요성 카테터에 장착되거나 그를 통해 삽입되고, 상기 분산형 센서는 가요성 카테터에 장착되거나 그를 통해 삽입되는, 시스템.
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KR1020197019557A 2016-12-09 2017-12-08 신체 조직의 분산형 열 유속 감지를 위한 시스템 및 방법 KR102472372B1 (ko)

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