KR102542190B1 - 영상 안내 수술에서의 정합 보상의 시스템 및 방법 - Google Patents

영상 안내 수술에서의 정합 보상의 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 방법은 의료 기구의 세장형 가요성 부분에 대한 형상 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 의료 기구는 수술 기준 프레임에서 공지된 자세를 갖는 고정구에 이동가능하게 결합된 기준 부분을 포함한다. 고정구는 수술 기준 프레임에서 공지된 제약 구조물 장소를 갖는 제약 구조물을 포함한다. 세장형 가요성 부분은 기준 부분에 결합되고 제약 구조물을 통과하도록 크기설정된다. 상기 방법은, 수술 기준 프레임에서의 기준 부분 위치 정보를 수신하는 단계, 기준 부분 위치 정보 및 형상 정보로부터 수술 기준 프레임에서의 추정된 제약 구조물 장소를 결정하는 단계; 추정된 제약 구조물 장소를 공지된 제약 구조물 장소와 비교함으로써 보정 인자를 결정하는 단계; 및 보정 인자에 기초하여 형상 정보를 수정하는 단계를 포함한다.

Description

영상 안내 수술에서의 정합 보상의 시스템 및 방법
본 출원은 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 2015년 4월 6일에 출원된 "SYSTEMS AND METHODS OF REGISTRATION COMPENSATION IN IMAGE GUIDED SURGERY"라는 제목의 미국 가특허 출원 62/143,405의 출원일에 대한 우선권 및 그 이점을 주장한다.
본 개시내용은 영상 안내 절차를 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 영상 안내 절차 동안 정합(registration)에 있어서의 에러를 보상하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최소 침습 의료 기술은, 침습 의료 절차 중에 손상되는 조직의 양을 줄이고 그에 의해서 환자 회복 시간, 불편함, 및 유해한 부작용을 줄이기 위한 것이다. 그러한 최소 침습 기술은 환자의 해부구조 내의 자연적인 구멍을 통해서 또는 하나 이상의 수술 절개부를 통해서 실시될 수 있다. 이들 자연적인 구멍 또는 절개부를 통해, 임상의는 최소 침습 의료 기구(수술, 진단, 치료, 또는 생검 기구를 포함)를 표적 조직 장소에 도달하도록 삽입할 수 있다. 표적 조직 장소에의 도달을 보조하기 위해서, 의료 기구의 장소 및 이동은 환자 해부구조의 수술전 또는 수술중 영상과 정합될 수 있다. 영상 안내 기구가 영상과 정합되는 것에 의해, 기구는 폐, 결장, 장, 신장, 심장, 순환 계통 등과 같은 해부학적 계통 내의 자연적 또는 수술적으로 생성된 통로를 항행할 수 있다. 일부 영상 안내 기구는 세장형 가요성 기구의 형상 및 기구의 원위 단부의 자세에 대한 정보를 제공하는 광섬유 형상 센서를 포함할 수 있다. 기구의 원위 단부에 대한 자세 추정의 정밀도를 유지하기 위해서 수술전 또는 수술중 영상에 기구의 근위 단부를 정합시키는 것에 관련된 에러를 최소화하기 위한 시스템 및 기술이 필요하다.
본 발명의 실시예는 상세한 설명 이후의 청구항에 의해 요약된다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 방법은 의료 기구의 세장형 가요성 부분에 대한 형상 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 의료 기구는 수술 기준 프레임에서 공지된 자세를 갖는 고정구에 이동가능하게 결합된 기준 부분을 포함한다. 고정구는 수술 기준 프레임에서 공지된 제약 구조물 장소를 갖는 제약 구조물을 포함한다. 세장형 가요성 부분은 기준 부분에 결합되고 제약 구조물을 통과하도록 크기설정된다. 상기 방법은, 수술 기준 프레임에서의 기준 부분 위치 정보를 수신하는 단계, 기준 부분 위치 정보 및 형상 정보로부터 수술 기준 프레임에서의 추정된 제약 구조물 장소를 결정하는 단계; 추정된 제약 구조물 장소를 공지된 제약 구조물 장소와 비교함으로써 보정 인자를 결정하는 단계; 및 보정 인자에 기초하여 형상 정보를 수정하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 방법은 의료 기구로부터 기구에 대한 형상 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 의료 기구는 수술 기준 프레임에서 공지된 자세를 갖는 고정구에 이동가능하게 결합된 기준 부분을 포함한다. 고정구는 기준 부분에 결합된 세장형 가요성 부분 및 제약 구조물을 포함한다. 세장형 가요성 부분은 수술 기준 프레임의 공지된 장소의 고정구의 제약 구조물을 통과하도록 크기설정된다. 상기 방법은 해부학적 모델 정보를 수신하는 단계 및 기구 형상 정보를 해부학적 모델 정보에 정합시키는 단계를 더 포함한다. 정합 단계는 수술 기준 프레임의 공지된 장소를 통과하도록 기구 형상 정보를 조정하는 단계를 포함한다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명의 양자 모두는 오직 예시이고 설명인 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하지 않으면서 본 개시내용의 이해를 제공하도록 의도되는 것으로 이해해야 한다. 그와 관련하여, 본 개시내용의 추가적인 양태, 특징, 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확해질 것이다.
본 개시내용의 양태는, 첨부 도면과 함께 읽을 때, 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 다양한 형상들은 본 산업 분야의 표준 실무에 따라서 비율에 맞게 도시된 것은 아님을 강조한다. 사실상, 다양한 형상들의 크기들은 설명을 명확하게 하기 위해 임의로 늘이거나 줄일 수 있다. 또한, 본 개시내용은 여러 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간단함과 명료함을 위한 것이고 그 자체가 설명된 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 원격조작 의료 시스템이다.
도 2는 본 개시내용의 양태를 이용하는 의료 기구 시스템을 도시한다.
도 3은 연장된 의료 도구를 갖는 도 2의 의료 기구 시스템의 원위 단부를 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 영상 안내 수술 절차에서 안내를 제공하기 위해 사용되는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 정합 기술의 정합 표시 스테이지를 도시한다.
도 6은 삽입 조립체에 장착된 의료 기구를 포함하는 수술 좌표 공간의 측면도를 도시한다.
도 7a는 삽입 조립체에 장착된 2 자유도 제약 구조를 갖는 대안적인 실시예에 따른 도 6의 삽입 조립체의 일부를 도시한다.
도 7b는 도 7a의 제약 구조의 단면도를 도시한다.
도 8a는 삽입 조립체에 장착된 4 자유도 제약 구조를 갖는 대안적인 실시예에 따른 도 6의 삽입 조립체의 일부를 도시한다.
도 8b는 도 8a의 제약 구조의 단면도를 도시한다.
도 9a는 일련의 해부학적 모델 정보를 갖는 의료 기구의 정합을 보정하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 9b는 형상 센서로부터의 형상 정보를 보정하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10은 형상 센서 정보에 대한 해부학적 모델 정보의 초기 정합을 도시한다.
도 11은 제약 구조를 통한 형상 센서의 통과에 기초하여 보정된 최종 정합을 도시한다.
본 발명의 양태에 관한 이하의 상세한 설명에서, 개시된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해서, 수 많은 구체적인 상세 내용이 전개된다. 그러나, 통상의 기술자는, 이러한 구체적인 상세 내용이 없이도 본 개시내용의 실시예가 실시될 수 있다는 것을 명확하게 이해할 수 있다. 다른 경우에, 본 발명의 실시예의 양태를 불필요하게 불명확하게 하지 않기 위해서, 주지의 방법, 절차, 구성요소, 및 회로는 상세히 설명하지 않는다. 그리고, 불필요한 설명적 반복을 피하기 위해서, 가능한 경우, 하나의 예시적 실시예에 따라서 설명된 하나 이상의 구성요소 또는 작용은 다른 예시적 실시예에서 이용될 수 있거나 그로부터 생략될 수 있다.
이하의 실시예는 여러 가지 기구 및 기구의 부분을 3-차원적인 공간 내에서의 그들의 상태와 관련하여 설명할 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "위치"는 3차원 공간(예를 들어, 데카르트 X, Y, Z 좌표를 따른 3개 병진 자유도)에서 대상물 또는 대상물의 일부의 장소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "배향"은 대상물 또는 대상물의 일부의 회전적 배치(3개 회전 자유도 - 예를 들어, 롤, 피치 및 요)를 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "자세"는 적어도 하나의 병진 자유도에서의 대상물 또는 대상물의 일부의 위치 및 적어도 하나의 회전 자유도에서의 대상물 또는 대상물의 일부의 배향(총 6 자유도까지)을 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "형상"은 대상물을 따라 측정된 일련의 자세, 위치 또는 배향을 지칭한다.
도면 중 도 1을 참고하면, 예를 들어 수술, 진단, 치료, 또는 생검 절차에서의 사용을 위한 원격조작 의료 시스템은 전체적으로 참조 번호 100으로 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원격조작 시스템(100)은 일반적으로 환자(P)에 대한 다양한 절차를 실행함에 있어서 의료 기구(104)를 조작하는 원격조작 조종기 조립체(102)를 포함한다. 조립체(102)는 수술대(O)에 또는 그 부근에 장착된다. 마스터 조립체(106)는 임상의 또는 외과의사(S)가 중재 부위를 관찰하고 종속 조종기 조립체(102)를 제어하는 것을 허용한다.
마스터 조립체(106)는, 통상적으로 수술대(O)와 동일한 방 안에 위치되는 외과의사의 콘솔에 위치될 수 있다. 그러나, 외과의사(S)는 환자(P)로부터 다른 방 또는 완전히 다른 건물에 위치할 수도 있다는 것을 이해해야한다. 마스터 조립체(106)는 일반적으로 조종기 조립체(102)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수조작식 제어기, 음성 인식 장치, 신체 움직임 또는 존재 센서 등과 같은 임의의 수의 다양한 입력 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외과의사가 직접적으로 기구(104)를 제어하는 강한 느낌이 들도록, 제어 장치가 기구(104)와 일체라는 인식 또는 원격현존감(telepresence)을 외과의사에게 제공하기 위해 제어 장치에는 연관된 의료 기구(104)와 동일한 자유도가 제공될 것이다. 다른 실시예에서, 제어 장치가 연관된 의료 기구(104)보다 많거나 적은 자유도를 가질 수 있으면서 여전히 의사에게 원격 현장감을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 장치는 6개의 자유도로 이동하고, 그리고 또한 기구를 작동시키기 위한(예를 들어, 파지 턱부들(grasping jaws)을 폐쇄하기 위한, 전위를 전극에 인가하기 위한, 의료적 처리를 전달하기 위한, 또는 기타 등등을 위한) 작동 가능 핸들을 포함할 수 있는 수동 입력 장치이다.
원격조작 조립체(102)는 의료 기구 시스템(104)을 지지하며, 하나 이상의 비-서보 제어형 링크(예를 들어, 셋-업 구조물로서 일반적으로 지칭되는, 수동으로 배치되고 제 위치에서 결속될(locked) 수 있는 하나 이상의 링크)의 운동학적 구조물 및 원격조작 조종기를 포함할 수 있다. 원격조작 조립체(102)는 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(112))으로부터의 명령에 응답하여 의료 기구 시스템(104)에 대한 입력을 구동하는 복수의 액추에이터 또는 모터를 포함한다. 모터는, 의료 기구 시스템(104)에 결합될 때 의료 기구를 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 해부학적 구멍으로 전진시킬 수 있는 구동 시스템을 포함한다. 다른 모터식(motorized) 구동 시스템이, 3개의 선형 운동도(degree of linear motion)(예를 들어, X, Y, Z 데카르트 축을 따른 선형 운동)를 포함할 수 있는 복수의 자유도로 그리고 3개의 회전 운동도(예를 들어, X, Y, Z 데카르트 축 주위의 회전)로 의료 기구의 원위 단부를 이동시킬 수 있다. 부가적으로, 모터를 이용하여, 생검 장치 등의 턱부 내에서 조직을 파지하기 위한 기구의 관절식 엔드 이펙터(articulable end effector)를 작동시킬 수 있다. 리졸버, 인코더, 전위차계 및 다른 기구 같은 모터 위치 센서가 모터 샤프트의 회전 및 배향을 설명하는 원격조작 조립체에 센서 데이터를 제공할 수 있다. 이 위치 센서 데이터는 모터에 의해 조작되는 대상물의 움직임을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 원격조작 의료 시스템(100)은 원격조작 조립체의 기구에 대한 정보를 수신하기 위해 하나 이상의 하위시스템을 갖는 센서 시스템(108)을 포함한다. 이런 하위시스템은 위치 센서 시스템(예를 들어, 전자기(EM) 센서 시스템), 카테터 팁 및/또는 기구 시스템(104)의 가요성 본체를 따른 하나 이상의 세그먼트의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세 및/또는 형상을 결정하기 위한 형상 센서 시스템, 기구 시스템 및/또는 환자의 외부 광 마커(optical marker)를 감시하기 위해 카메라를 사용하는 광 추적기(optical tracker) 시스템 및/또는 카테터 시스템의 원위 단부로부터 영상을 포착하기 위한 가시화 시스템을 포함할 수 있다. 이들 시스템 중 하나 이상은 기준의 환자 프레임 및/또는 기준의 수술 환경 프레임 같은 기준의 프레임에 대해 기구를 위치지정하기 위해서 사용될 수 있다.
가시화 시스템(예를 들어, 도 2의 가시화 시스템(231))은 수술 부위의 동시 또는 실시간 영상을 기록하며 그 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제공하는 관찰 스코프 조립체를 포함할 수 있다. 동시 영상은 예를 들어 수술 부위 내에 위치설정되는 내시경에 의해 포착되는 2차원 또는 3차원 영상일 수 있다. 본 실시예에서, 가시화 시스템은 의료 기구(104)에 일체로 또는 제거가능하게 결합될 수 있는 내시경 구성요소를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 개별적인 조종기 조립체에 부착되는 개별적인 내시경이 수술 부위를 영상화하기 위해 의료 기구와 함께 사용될 수 있다. 가시화 시스템은 제어 시스템(112)(이하에서 설명됨)의 프로세서를 포함할 수 있는 1개 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작용하거나 그것에 의해 다른 방식으로 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.
또한, 원격조작 의료 시스템(100)은 수술 부위의 영상 또는 표현을 표시하기 위한 표시 시스템(110)과, 센서 시스템(108)의 하위시스템에 의해 생성된 의료 기구 시스템(들)(104)을 포함할 수 있다. 표시장치(110)와 조작자 입력 시스템(106)은 조작자가 원격현존감을 인지하면서 조작자 입력 시스템(106)과 의료 기구 시스템(104)을 제어할 수 있도록 배향될 수 있다.
표시 시스템(110)은 또한 가시화 시스템에 의해 포착된 수술 부위 및 의료 기구의 영상을 표시할 수 있다. 표시장치(110) 및 제어 디바이스는, 조작자가 마치 실질적으로 실존하는 작업공간을 관찰하는 것처럼 의료 기구(104) 및 손 제어를 조종할 수 있도록, 스코프 조립체 및 의료 기구 내의 영상화 디바이스의 상대 위치가 외과의사의 눈 및 손의 상대 위치와 유사하도록 배향될 수 있다. 실존은, 영상의 제시가 기구(104)를 물리적으로 조종하고 있는 조작자의 관점을 모사하는 실제적 원근 영상인 것을 의미한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 표시장치(110)는 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 또는 나노튜브 X-선 영상화 같은 영상화 기술로부터의 영상 데이터를 수술전 또는 수술중에 사용하여 기록된 수술 부위의 영상을 제시할 수 있다. 수술전 또는 수술중 영상 정보는 2차원, 3차원 또는 4차원(예를 들어, 시간 기반 또는 속도 기반 정보 포함) 영상으로서 또는 수술전 또는 수술중 영상 데이터 세트로부터 생성되는 모델로부터의 영상으로서 제시될 수 있다.
대개 영상 안내 수술 절차의 목적을 위한 일부 실시예에서, 표시장치(110)는, 의료 기구(104)의 팁의 장소의 관점으로부터의 내부 수술 부위의 가상 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제시하도록 수술전 또는 동시성 영상/모델과 의료 기구(104)의 실제 장소가 정합되는(예를 들어, 동적으로 참조되는) 가상 항행 영상을 표시할 수 있다. 기구(104)의 팁의 영상 또는 다른 그래픽 또는 문자숫자 지시자가 의료 기구를 제어하는 외과의사를 보조하기 위해 가상 영상에 중첩될 수 있다. 대안적으로, 기구(104)는 가상 영상에서 보이지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 표시장치(110)는 외부 관점으로부터 수술 부위 내의 의료 기구의 가상 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제시하기 위해 의료 기구의 실제 장소가 수술전 또는 동시성 영상과 정합되어 있는 가상 항행 영상을 표시할 수 있다. 의료 기구 또는 다른 그래픽 또는 문자숫자 지시자의 일부의 영상이 기구(104)를 제어하는 외과의사를 보조하기 위해 가상 영상에 중첩될 수 있다.
원격조작 의료 시스템(100)은 또한 제어 시스템(112)을 포함한다. 제어 시스템(112)은 의료 기구 시스템(104), 조작자 입력 시스템(106), 센서 시스템(108), 및 표시 시스템(110) 사이의 제어를 실행하기 위해서 적어도 하나의 메모리 및 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서(도시되지 않음), 통상적으로는 복수의 프로세서를 포함한다. 또한, 제어 시스템(112)은, 표시 시스템(110)에 병리학적 정보를 제공하기 위한 명령어를 포함하여, 본원에 개시된 양태에 따라 설명된 방법 중 일부나 모두를 구현하기 위해 프로그램된 명령어(예를 들어, 명령어를 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체)를 포함한다. 제어 시스템(112)은 도 1의 단순화된 개요에서 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 시스템은 둘 이상의 데이터 처리 회로를 포함할 수 있는데, 처리의 일 부분은 선택적으로 원격조작 조립체(102) 상에서 또는 그 부근에서 실행되고, 처리의 다른 부분은 조작자 입력 시스템(106)에서 실행되는 등등일 수 있다. 매우 다양한 중앙집중형 또는 분산형 데이터 처리 아키텍처 중 임의의 것이 이용될 수 있다. 유사하게, 프로그래밍된 명령어는 많은 수의 분리된 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수 있거나, 그러한 명령어가 본원에서 설명된 원격조작 시스템의 많은 수의 다른 양태 내로 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(112)은 블루투스, IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT, 및 무선 텔레메트리(Wireless Telemetry)와 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.
일부 실시예에서, 제어 시스템(112)은 의료 기구 시스템(104)으로부터 힘 및/또는 토크 피드백을 수신하는 하나 이상의 서보 제어기를 포함할 수 있다. 피드백에 응답하여, 서보 제어기는 조작자 입력 시스템(106)으로 신호를 송신한다. 서보 제어기(들)는 또한 신체 내의 개구부를 통해서 환자 신체 내의 내부 수술 부위로 연장되는 의료 기구 시스템(들)(104)을 이동시키기 위해서 원격조작 조립체(102)에 지시를 내리는 신호를 송신할 수 있다. 임의의 적합한 통상적인 또는 특별한 서보 제어기가 이용될 수 있다. 서보 제어기는 원격조작 조립체(102)와 분리될 수 있거나, 그와 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 서보 제어기 및 원격조작 조립체는 환자의 신체에 인접하여 배치되는 원격조작 아암 카트(teleoperational arm cart)의 일부로서 제공된다.
제어 시스템(112)은, 영상 안내 수술 절차에서 사용될 때 의료 기구 시스템(들)(104)에 대한 항행 보조를 제공하기 위해 가상 가시화 시스템을 더 포함할 수 있다. 가상 가시화 시스템을 사용한 가상 항행은 해부학적 통로의 취득된 수술전 또는 수술중 데이터세트에 대한 참조에 기초한다. 더 구체적으로, 가상 가시화 시스템은 컴퓨터화 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 나노튜브 X-선 영상화 등과 같은 영상화 기술을 사용하여 영상화된 수술 부위의 영상을 처리한다. 기록된 영상을 부분적 또는 전체적 해부학적 장기 또는 해부학적 구역의 세그먼트화된 2차원 또는 3차원 복합 표현으로 변환하기 위해 소프트웨어가 단독 또는 수동 입력과 조합되어 사용된다. 영상 데이터 세트는 복합 표현과 연관된다. 복합 표현 및 영상 데이터 세트는 통로의 다양한 장소 및 형상과 그 연결성을 설명한다. 복합 표현을 생성하기 위해 사용되는 영상은 임상 절차 동안 수술전에 또는 수술중에 기록될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 가상 가시화 시스템은 표준 표현(즉, 환자에 특정되지 않음) 또는 표준 표현과 환자 특정 데이터의 혼합을 사용할 수 있다. 복합 표현 및 복합 표현에 의해 생성된 임의의 가상 영상은 하나 이상의 운동 단계 동안(예를 들어, 폐의 흡기/호기 주기 동안)의 변형가능한 해부학적 구역의 정적 자세를 표현할 수 있다.
가상 항행 절차 동안, 센서 시스템(108)은 환자 해부구조에 관한 기구의 근사 장소를 연산하기 위해 사용될 수 있다. 상기 장소는 환자 해부구조의 거시 수준 (외부) 추적 영상 및 환자 해부구조의 가상 내부 영상의 양자 모두를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 의료 기기를 수술전 기록된 수술 영상, 예컨대 가상 가시화 시스템으로부터의 영상과 정합시키고 그것과 함께 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 번호 13/107,562(2011년 5월 13일 출원)("Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery"를 개시)는 한 가지 이러한 시스템을 개시하고 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
원격조작 의료 시스템(100)은 조명 시스템, 조향 제어 시스템, 관류(irrigation) 시스템, 및/또는 흡입 시스템과 같은 선택적인 동작 및 지원 시스템(미도시)을 더 포함할 수 있다. 대안 실시예에서, 원격조작 시스템은 하나보다 많은 원격조작 조립체 및/또는 하나보다 많은 조작자 입력 시스템을 포함할 수 있다. 조종기 조립체의 정확한 수는 다른 인자들 중에서, 수술 절차 및 수술실 내의 공간적 제약에 의존할 것이다. 조작자 입력 시스템들은 함께 위치될 수 있거나, 분리된 장소들에 배치될 수 있다. 복수의 조작자 입력 시스템은 한 명보다 많은 조작자가 하나 이상의 조종기 조립체를 다양한 조합으로 제어할 수 있게 한다.
도 2는 원격조작 의료 시스템(100)에 의해 실행되는 영상 안내 의료 절차에서 의료 기구 시스템(104)으로서 사용될 수 있는 의료 기구 시스템(200)을 예시한다. 대안적으로, 의료 기구 시스템(200)은 비-원격조작 탐사 절차에 또는 내시경 검사와 같이 전형적인 수동 조작식 의료 기구를 수반하는 절차에 사용될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 의료 기구 시스템(200)은 환자 해부구조 통로 내의 장소에 대응하는 일련의 데이터 지점을 수집하기 위해 사용될 수 있다.
기구 시스템(200)은 기구 본체(204)에 결합된 카테터 시스템(202)을 포함한다. 카테터 시스템(202)은 근위 단부(217) 및 원위 단부 또는 팁부(218)를 갖는 세장형의 가요성 카테터 본체(216)를 포함한다. 일 실시예에서, 가요성 본체(216)는 대략 3mm의 외부 직경을 갖는다. 다른 가요성 본체 외부 직경은 더 크거나 더 작을 수도 있다. 카테터 시스템(202)은 원위 단부(218)에서의 카테터 팁의 그리고/또는 본체(216)를 따르는 하나 이상의 세그먼트(224)의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세 및/또는 형상을 결정하기 위한 형상 센서(222)를 선택적으로 포함할 수도 있다. 원위 단부(218)와 근위 단부(217) 사이의 본체(216)의 전체 길이는 세그먼트(224)로 효과적으로 분할될 수도 있다. 기구 시스템(200)이 원격조작 의료 시스템(100)의 의료 기구 시스템(104)인 경우, 형상 센서(222)는 센서 시스템(108)의 구성요소일 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동적으로 조작되거나 다른 방식으로 비-원격조작 절차를 위해 사용되는 경우, 형상 센서(222)는 형상 센서에 질의하고 수신된 형상 데이터를 처리하는 추적 시스템(230)에 결합될 수 있다.
형상 센서(222)는 (예컨대, 내부 채널(도시되지 않음)의 내부에 제공된 또는 외부에 장착된) 가요성 카테터 본체(216)와 정렬된 광섬유를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유는 대략 200㎛의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 치수는 더 크거나 더 작을 수도 있다. 형상 센서 시스템(222)의 광섬유는 카테터 시스템(202)의 형상을 결정하기 위한 광섬유 굴곡 센서를 형성한다. 일 대안에서, FBG(Fiber Bragg Grating)를 포함하는 광섬유가 1개 이상의 차원으로 구조의 변형 측정을 제공하기 위해 사용된다. 3차원으로 광섬유의 형상 및 상대 위치를 감시하는 다양한 시스템 및 방법이 미국 특허 출원 번호 11/180,389(2005년 7월 13일 출원)("Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto"를 개시), 미국 특허 출원 번호 12/047,056(2004년 7월 16일 출원)("Fiber-optic shape and relative position sensing"를 개시), 및 미국 특허 번호 6,389,187(1998년 6월 17일 출원)("Optical Fibre Bend Sensor"를 개시)에 설명되어 있으며, 이들은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다. 대안적인 실시예의 센서는 레일리 산란(Rayleigh scattering), 라만 산란(Raman scattering), 브릴루앙 산란(Brillouin scattering), 및 형광 산란(Fluorescence scattering) 같은 다른 적절한 변형 감지 기술을 채용할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 카테터의 형상은 다른 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 카테터의 원위 팁 자세의 이력이 시간 간격에 걸친 디바이스의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 호흡 같은 교번적인 운동의 주기를 따른 기구 시스템의 공지된 지점에 대한 이력적 자세, 위치, 또는 배향 데이터가 저장될 수 있다. 이 저장된 데이터는 카테터에 대한 형상 정보를 제작하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 카테터를 따라 위치설정되는 EM 센서 같은 일련의 위치 센서가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 절차 동안의 기구 시스템 상의 EM 센서 같은 위치 센서로부터의 데이터의 이력이, 특히 해부학적 통로가 일반적으로 정적인 경우에, 기구의 형상을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 외부 자기장에 의해 제어되는 위치 또는 배향을 갖는 무선 디바이스가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 무선 디바이스의 위치의 이력은 항행되는 통로에 대한 형상을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
의료 기구 시스템은 위치 센서 시스템(220)을 선택적으로 포함할 수도 있다. 위치 센서 시스템(220)은 외부에서 발생된 전자기장이 인가될 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함하는 센서(220)를 갖춘 EM 센서 시스템의 구성요소일 수도 있다. EM 센서 시스템(220)의 각각의 코일은 외부적으로 발생된 전자기장에 대한 코일의 위치 및 배향에 의존하는 특성을 갖는 유도 전기 신호를 생성한다. 일 실시예에서, EM 센서 시스템은 6개의 자유도, 예를 들어 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 기초 지점의 피치, 요, 및 롤을 지시하는 3개의 배향 각도 또는 5개의 자유도, 예를 들어 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 기초 지점의 피치 및 요를 지시하는 2개의 배향 각도를 측정하도록 구성 및 위치설정될 수 있다. EM 센서 시스템의 추가적인 설명이 미국 특허 번호 6,380,732(1999년 8월 11일 출원)("Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked"를 개시)에 제공되어 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다. 일부 실시예에서, 형상 센서는, 센서의 형상이 (환자의 고정된 좌표계에서의) 형상 센서의 기부의 위치에 대한 정보와 함께 원위 팁을 포함하는 형상 센서를 따른 다양한 지점의 장소가 계산되는 것을 허용하기 때문에, 위치 센서로서도 기능할 수 있다.
의료 기구 시스템은 선택적으로 광 추적 시스템(227)을 포함할 수 있다. 광 추적 시스템은 기구 시스템(200)에 위치되는 복수의 마커를 포함한다. 마커는 수술 이용 동안 환자 해부구조 외부의 기구 본체(204)에 위치될 수 있거나 수술 이용 동안 환자 해부구조의 내부에 위치되는 카테터 시스템(202)에 위치될 수 있다. 마커는 스테레오스코픽(stereoscopic) 카메라 시스템에 의해 수술 절차 동안 추적될 수 있다.
추적 시스템(230)은 기구(200)를 따른 1개 이상의 세그먼트(224) 및 원위 단부(218)의 위치, 배향, 속력, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위해 위치 센서 시스템(220), 광 추적 시스템(227) 및 형상 센서 시스템(222)을 포함할 수 있다. 추적 시스템(230)은 제어 시스템(112)의 프로세서를 포함할 수 있는 1개 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작용하거나 또는 그것에 의해 다른 방식으로 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합으로서 구현될 수 있다.
가요성 카테터 본체(216)는 의료 기구(226)를 수용하도록 크기설정 및 형성되는 채널(221)을 포함한다. 의료 기구는 예를 들어 영상 포착 프로브, 생검 기구, 레이저 절제 섬유, 또는 다른 수술, 진단, 또는 치료 도구를 포함할 수 있다. 의료 도구는 스칼펠(scalpel), 무딘 블레이드, 광섬유, 또는 전극 같은 단일 작업 부재를 갖는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 다른 엔드 이펙터는 예컨대, 겸자, 파지기, 가위 또는 클립 적용기를 포함할 수도 있다. 전기 작동식 엔드 이펙터의 예는 전기 수술용 전극, 변환기, 센서 등을 포함한다. 다양한 실시예에서, 의료 도구(226)는 표시를 위해 처리되는 영상(비디오 영상을 포함)을 포착하기 위한 가요성 카테터 본체(216)의 원위 단부(218)의 또는 그 부근의 스테레오스코픽 또는 모노스코픽(monoscopic) 카메라를 갖는 영상 포착 프로브(예를 들어, 가시화 시스템(231)의 구성요소)일 수 있다. 영상 포착 프로브는 포착된 영상 데이터를 전송하기 위한 카메라에 결합된 케이블을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 영상 포착 기구는 가시화 시스템에 결합되는 파이버스코프 같은 광섬유 번들일 수 있다. 영상 포착 기구는 예컨대, 가시, 적외선 또는 자외선 스펙트럼 중 하나 이상으로 영상 데이터를 포착하는 단일 또는 다중 스펙트럼식일 수도 있다.
의료 기구(226)는 기구의 원위 단부를 제어가능하게 굴곡시키기 위해 기구의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 케이블, 연동구, 또는 다른 작동 제어부(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. 조향가능 기구가 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 포함되는 미국 특허 번호 7,316,681(2005년 10월 4일자로 출원됨)("Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity"를 개시하고 있음) 및 미국 특허 출원 번호 12/286,644(2008년 9월 30일자로 출원됨)("Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments"를 개시하고 있음)에 상세히 기재되어 있다.
가요성 카테터 본체(216)는 또한 예를 들어 원위 단부의 파선 표시(219)에 의해 도시된 바와 같이 원위 단부(218)를 제어가능하게 굴곡시키기 위해 하우징(204)과 원위 단부(218) 사이에서 연장되는 케이블, 연동구, 또는 다른 조향 제어부(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. 조향가능 카테터가 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 포함되는 미국 특허 출원 번호 13/274,208(2011년 10월 14일자로 출원됨)("Catheter with Removable Vision Probe"를 개시하고 있음) 에 상세히 기재되어 있다. 기구 시스템(200)이 원격조작 조립체에 의해 작동되는 실시예에서, 하우징(204)은, 원격조작 조립체의 동력화 구동 요소에 제거가능하게 결합되고 그리고 이 동력화 구동 요소로부터 동력을 수신하는 구동 입력부를 포함할 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동으로 조작되는 실시예에서, 하우징(204)은 기구 시스템의 운동을 수동으로 제어하기 위해 파지 특징부, 수동 액추에이터 또는 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 카테터 시스템은 조향가능할 수도 있거나, 또는 대안적으로 카테터 시스템은 기구 굴곡의 조작자 제어를 위한 어떤 통합된 기구도 없어 조향불가능할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 루멘이 가요성 본체(216)의 벽 내에 형성되는데, 이 루멘을 통해 의료 기구가 전개되어 표적 수술 장소에서 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 의료 기구 시스템(200)은 폐의 진찰, 진단, 생검 또는 치료에서의 사용을 위한 기관지경 또는 기관지 카테터와 같은 가요성 기관지 기구를 포함할 수도 있다. 시스템(200)은 또한 결장, 장, 신장, 뇌, 심장, 순환 계통 등을 포함하는 다양한 해부학적 계통 중의 어떤 것의 자연적인 또는 수술적으로 생성된 연결 통로를 통한 다른 조직의 항행 및 치료에 적합하다.
추적 시스템(230)으로부터의 정보는, 그것이 기구(200)의 제어에서의 사용을 위해 표시 시스템(110) 상에서 외과의사 또는 다른 조작자에게 실시간 위치 정보를 제공하기 위해 가시화 시스템(231)으로부터의 정보 및/또는 수술전 획득 모델과 조합되는, 항행 시스템(232)에 송신될 수 있다. 제어 시스템(112)은 기구(200)를 위치설정하기 위한 피드백으로서의 위치 정보를 이용할 수 있다. 수술 기구를 수술 영상과 정합시키고 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 "Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery"를 개시하고 있는 2011년 5월 13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/107,562에 제공되어 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
도 2의 실시예에서, 기구(200)는 원격조작 의료 시스템(100) 내에서 원격조작된다. 대안적인 실시예에서, 원격조작 조립체(102)는 직접 조작자 제어부로 대체될 수도 있다. 직접 조작 대안에서는, 다양한 핸들과 조작자 인터페이스가 기구의 핸드-헬드(hand-held) 조작을 위해 포함될 수도 있다.
대안적인 실시예에서, 원격조작 시스템은 1개 초과의 종속 조종기 조립체 및/또는 1개 초과의 마스터 조립체를 포함할 수 있다. 조종기 조립체의 정확한 개수는 다른 인자 중 의료 절차 및 수술실 내의 공간 제약에 의존할 것이다. 마스터 조립체는 함께 위치되거나 별개의 장소에 위치설정될 수 있다. 다수의 마스터 조립체는 1명 초과의 조작자가 1개 이상의 종속 조종기 조립체를 다양한 조합으로 제어하는 것을 허용한다.
도 3에 더 상세하게 도시된 바와 같이, 수술, 생검, 절제, 조명, 관류, 또는 흡입과 같은 절차를 위한 의료 도구(들)(228)가 가요성 본체(216)의 채널(221)을 통해 전개될 수 있고 해부구조 내의 표적 장소에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도구(228)가 생검 기구인 경우, 이것은 표적 해부학적 장소로부터의 샘플 조직의 제거 또는 세포의 샘플링을 위해 사용될 수 있다. 의료 도구(228)는 또한 가요성 본체(216) 내에 있는 영상 포착 프로브와 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 도구(228)는 그 자체가 영상 포착 프로브일 수 있다. 도구(228)는 절차를 실행하기 위해 채널(221)의 개구로부터 전진되고 그 후 절차가 완료되면 채널 안으로 후퇴될 수 있다. 의료 도구(228)는 카테터 가요성 본체의 근위 단부(217)로부터 또는 가요성 본체를 따른 다른 선택적인 기구 포트(도시되지 않음)로부터 제거될 수 있다.
도 4는 영상 안내 수술 절차의 실행에서의 사용을 위한 일반적인 방법(450)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 452에서, 수술전 또는 수술중 영상 데이터가 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 또는 나노튜브 X-선 영상화 같은 영상화 기술로부터의 획득된다. 수술전 또는 수술중 영상 데이터는 2차원, 3차원 또는 4차원(예를 들어, 시간 기반 또는 속도 기반 정보 포함) 영상에 대응할 수 있다. 프로세스 454에서, 컴퓨터 소프트웨어가 단독으로 또는 수동 입력과 조합되어 기록된 영상을 부분적 또는 전체적 해부학적 장기 또는 해부학적 구역의 세그먼트화된 2차원 또는 3차원 복합 표현 또는 모델로 변환하기 위해 사용된다. 복합 표현 및 영상 데이터 세트는 통로의 다양한 장소 및 형상과 그 연결성을 설명한다. 더 구체적으로는, 세그먼트화 프로세스 동안, 영상은 색, 밀도, 강도, 및 질감 같은 소정의 특징 또는 계산된 특성을 공유하는 세그먼트 또는 요소(예를 들어, 픽셀 또는 복셀)로 구획된다. 이 세그먼트화 프로세스에 의해 획득된 영상에 기초하여 표적 해부구조의 모델을 형성하는 2차원 또는 3차원 재구성이 이루어진다. 모델을 표현하기 위해서, 세그먼트화 프로세스는 표적 해부구조를 표현하는 복셀의 세트를 표현할 수 있고 그 후 복셀을 에워싸는 3D 표면을 획득하기 위해 마칭 큐브(marching cube) 기능 같은 기능을 적용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 모델은 모델화된 통로의 중심을 통해 연장되는 일련의 상호연결 라인 세그먼트 또는 지점을 포함하는 중심선 모델을 포함할 수 있다. 프로세스 456에서, 해부학적 모델 데이터는 환자에 대한 영상 안내 수술 절차의 과정 전에 및/또는 그 과정 동안 환자 해부구조에 정합된다. 일반적으로, 정합은 강체 및/또는 비강체 변환의 사용을 통한 모델의 지점에 대한 측정 지점의 매칭을 수반한다. 측정 지점은 예를 들어 영상 중에서 스캐닝된 및 절차 동안 추적된 해부구조, 광 마커 및/또는 전자기 코일의 랜드마크(landmark)를 사용하여 생성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 측정 지점은 형상 센서 정보 및 반복적 최근접 포인트(iterative closest point)(ICP) 기술을 사용하여 생성될 수 있다.
도 5는 해부학적 모델 정보에 기초하여 인체 폐(504)의 해부학적 통로(502)의 렌더링(rendering)을 표시하는 표시 시스템(500)을 도시한다. 기준의 모델 프레임에 정합된 기준의 수술 환경 프레임에 의해, 카테터(510)의 현재 형상 및 원위 단부(518)의 장소가 모델 통로(502)의 렌더링과 동시에 위치되고 표시될 수 있다. 카테터(510)의 이동은 카테터가 통로(502) 내부를 이동함에 따라 추적 및 표시되어 카테어의 이동의 사용자 제어에 대한 안내를 제공한다.
상술한 바와 같이, 다양한 위치지정 시스템이 영상 안내 수술 절차 동안 기준의 수술 프레임(정지상태 환자에 대한 기준의 환자 프레임과 동일하거나 대략 동일함)에 대해 기구를 위치지정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 위치지정 시스템은 EM 센서, 임피던스 기반 센서, 초음파 기반 센서, 광섬유 기반 센서 및/또는 광 추적기 기반 센서의 사용을 포함한다. 이들 센서는 의료 절차 동안 환자 해부구조 내에 위치되는 기구의 구성요소에 위치될 수 있거나 의료 절차 동안 환자 해부구조의 외부에 유지되는 기구의 구성요소에 위치될 수 있다. 위치지정 시스템의 일부는 수술 환경에서 기구를 위치지정하기 위한 그들의 이용을 제한할 수 있는 특징을 갖는다. 예를 들어, EM 또는 임피던스 기반 감지에서는, 수술 환경에서 사용되는 금속 물체 또는 소정의 전자 기기가 감지된 데이터의 품질을 손상시키는 교란을 생성할 수 있다. 광 추적기 기반 시스템에서는, 추적 카메라 시스템이 해부구조 내의 마커의 관찰에 과도하게 클 수 있거나 해부구조 외부의 마커를 관찰하는 경우에는 임상적인 작업흐름을 방해할 수 있다.
광섬유 형상 센서는, 그들이 그 구역의 금속 물체에 대해 민감하지 않거나 방해적인 영상화 장비를 필요로 하지 않으면서 원위 팁의 자세를 포함하는 기구의 전체 형상에 대한 데이터를 제공하기 때문에 위치지정 센서로서 특히 유용하다. 그러나, 광섬유 형상 센서를 이용할 때, 광섬유의 근위 단부에서의 작은 위치 및 배향 에러가 센서의 길이로 인한 센서의 원위 단부에 대한 큰 축적된 위치 및 배향 에러를 발생시킬 수 있다(예를 들어, 대략 1미터). 이들 에러를 보정하기 위한 시스템 및 방법은 아래에 기재되어 있으며 해부학적 모델 정보에 대한 광섬유의 더 정확한 정합을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
도 6은 환자(P)가 플랫폼(602)에 위치설정되어 있는, 수술 좌표계(XS, YS, ZS)를 갖는 수술 환경(600)을 도시한다. 환자(P)는 총체적 환자 이동이 진정, 구속 또는 다른 수단에 의해 제한된다는 의미에서 수술 환경에서 정지상태일 수 있다. 따라서, 기준의 환자 프레임은 기준의 수술 환경 프레임에 관해 동일하거나 고정된 것으로 고려될 수 있다. 환자(P)의 호흡 및 심장 움직임을 포함하는 임상적인 해부학적 움직임은 계속될 것이다. 수술 환경(600) 내에서, 의료 기구(604)는 기구 캐리지(606)에 결합된다. 기구 캐리지(606)는 삽입 스테이지(608)에 장착된다. 삽입 스테이지(608)는 수술 환경(600) 내에서 자체적으로 고정될 수 있다. 대안적으로, 삽입 스테이지는 원격조작 시스템의 조종기 아암에 결합될 수 있다. 조종기 아암 및 그에 따른 삽입 스테이지의 이동은 예를 들어 운동성 기반 조인트 센서, 광 추적, EM 추적, 또는 조종기 아암을 위한 다른 공지의 추적 시스템을 사용하여 수술 환경(600) 내에서 추적될 수 있다. 따라서, 환경 내의 삽입 스테이지의 장소는 삽입 스테이지가 자체적으로 고정되어 있지 않는 경우에도 공지일 수 있다. 삽입 스테이지는 본 실시예에 도시된 바와 같이 선형 스테이지일 수 있거나 수술 환경에서의 다른 미리정해진 및 공지된 형상을 가질 수 있다.
기구 캐리지(606)는 삽입 움직임(즉, XS 방향의 움직임) 및 선택적으로는 요, 피치 및 롤을 포함하는 다중 방향으로의 기구의 원위 단부의 움직임을 제어하기 위해 기구(604)에 결합되는 원격조작 조종기 조립체(예를 들어, 조립체(102))의 구성요소일 수 있다. 기구 캐리지(606) 또는 삽입 스테이지(608)는 삽입 스테이지를 따른 기구 캐리지의 움직임을 제어하는 서보모터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
의료 기구(604)는 근위 강성 기구 본체(612)에 결합되는 가요성 카테터(610)를 포함할 수 있다. 강성 기구 본체(612)는 기구 캐리지(606)에 대해 결합 및 고정되며 따라서 캐리지를 통해 삽입 스테이지(608)에 이동가능하게 결합된다. 광섬유 형상 센서(614)는 강성 기구 본체(612)의 기준 부분(616)에 고정된다. 대안적인 실시예에서, 센서(614)의 기준 부분(616)은 본체(612)를 따라 이동가능할 수 있지만, 기준 부분의 장소는 공지일 수 있다(예를 들어, 추적 센서 또는 다른 추적 장치를 통해). 기준 부분(616)에 대한 기준의 프레임은 좌표계(XT, YT, ZT)를 갖는다. 형상 센서(614)는 기준 부분(616)으로부터 카테터(610)의 원위 단부(618) 같은 다른 지점까지의 형상을 측정한다. 의료 기구(604)는 의료 기구 시스템(200)과 실질적으로 유사할 수 있다.
위치 측정 장치(620)는 강성 기구 본체(612)가 삽입 축선 A를 따라 삽입 스테이지(608)에서 이동함에 따라 강성 기구 본체의 위치에 대한 정보를 제공한다. 위치 측정 장치(620)는 기구 캐리지(606)의 움직임을 제어하는 모터 샤프트의 회전 및 배향을 결정하며 결과적으로 강성적으로 부착된 기구 본체(612)의 움직임의 간접적인 측정을 제공하는 리졸버, 인코더, 전위차계, 및 다른 기구를 포함할 수 있다. 대안적으로, 위치 측정 장치(620)는 예를 들어 기계적인 줄자, 레이저 거리 센서, 또는 전자기 또는 광 추적기를 사용하여 기구 본체(612)의 움직임을 직접적으로 측정할 수 있다. 본 실시예에서, 삽입 스테이지(608)는 선형적이지만, 대안적인 실시예에서 삽입 스테이지는 만곡형이거나 만곡형 및 선형 구간의 조합을 가질 수 있다. 선택적으로, 선형 궤도는 예를 들어 그 전문에 본원에 참조로 통합되는 미국 가특허 출원 번호 62/029,917(2014년 7월 28일 출원)("Guide Apparatus For Delivery Of A Flexible Instrument And Methods Of Use"를 개시함)에 기재된 바와 같이 절첩가능할 수 있다. 도 6은 삽입 스테이지(608)를 따라 후퇴된 위치에 있는 기구 본체(612) 및 캐리지(606)를 도시한다. 이 후퇴 위치에서, 기준 부분(616)은 축선 A 상의 위치(L0)에 있다. 삽입 스테이지(608)를 따른 이 위치에서, 기준 부분(616)의 장소의 Xs 성분은 0 또는 원래의 값으로 설정될 수 있다. 기구 본체(612) 및 캐리지(606)의 이 후퇴 위치에서, 카테터의 원위 단부(618)는 환자(P)의 입구 오리피스 바로 내측에 위치설정될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제약 구조물(622)이 삽입 스테이지(608)에 강성적으로 결합된다. 대안적인 실시예에서, 제약 구조물은 이동가능할 수 있지만, 제약 구조물의 장소는 수술 기준 프레임에서 공지일 수 있다(예를 들어, 추적 센서 또는 다른 추적 장치를 통해). 제약 구조물(622)의 장소는 수술 좌표계(600)에서 고정되어 있거나 공지이기 때문에, 제약 구조물(622)을 통과하는 카테터(610)의 부분 또한 동일한 고정된 또는 공지의 장소를 통과한다. 제약 구조물의 고정된 또는 공지의 장소에 대한 이 정보는 수술 좌표계에서의 센서(614)로부터의 형상 정보의 배향을 결정 또는 보정하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 또한 카테터 및 센서의 원위 단부의 장소의 더 정확한 추정을 초래할 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제약 구조물(622a)은 2 자유도로 카테터의 이동을 제약하기 위해서 축선 A를 따라 슬라이딩 통로에서 카테터(610)를 수용하고, +XS , -XS 방향에서 짧은 길이(L1)를 갖도록 크기설정된 링 형상 부재일 수 있다. 일 실시예에서, 링은 대략 2mm의 길이(L1)를 갖는다. 제약된 지점에 대한 피봇 움직임을 허용하면서 YS 및 ZS 방향의 병진을 제약하는 다른 비교적 짧은 길이가 적합할 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 카테터(610)는, 그것이 링 제약 구조물(622a)을 통과해야 하며, 따라서 카테터의 일 지점의 YS 및 ZS 좌표가 제약 구조물의 중심의 YS 및 ZS 좌표와 동일하도록 제약된다는 점에서 제약된다. 즉, 제약 구조물(622a)의 장소에서, 카테터(610)의 병진 이동은 +/-YS 및 +/-ZS 방향에서 규제된다. 길이(L1)는 비교적 짧기 때문에, 제약 구조물(622a)을 통과하는 샤프트의 구간은 배향이 제약되지 않으며 여전히 제약된 지점 주위로 피봇될 수 있다. 대안적으로, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제약 구조물(622b)은 4 자유도로 카테터의 이동을 제약하기 위해서 +XS, -XS 방향으로 슬라이딩 통로에서 카테터(610)를 수용하고 L1보다 긴 길이 L2를 갖도록 크기설정된 튜브 형상 부재일 수 있다. 일 실시예에서, 튜브 형상 부재는 대략 2cm의 길이(L2)를 갖는다. YS 및 ZS 방향의 병진 자유도 및 피치 및 요 방향의 회전 자유도를 제약하는 다른 길이가 적합할 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 제약 구조물(622b)은, 카테터의 샤프트의 소정 구간의 YS 및 ZS 좌표가 제약 구조물의 중심선의 YS 및 ZS 좌표와 동일하게 제약될뿐만 아니라, 피치 및 요 배향 각도가 XS 방향과 정렬되도록 제약되게 카테터의 샤프트의 그 구간을 제약한다. 2개의 위치 및 2개의 배향 제약은 4개의 자유도를 제약하는 제약 구조물이 된다.
도 9a는 본 개시내용의 실시예에 따른 수술 환경(600)에서의 환자(P)에 대한 영상 안내 수술 절차에서 임상의에 대한 안내를 제공하기 위해 사용되는 방법(700)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 702에서, 형상 정보가 기구(604) 내에서 연장되는 광섬유 형상 센서(614)로부터 수신된다. 형상 정보는 근위 기준 부분(616)과 원위 단부(618) 사이의 기구(604)의 형상을 설명한다. 축적된 형상 정보는 또한 근위 기준 부분(616)에 대한(즉, XT , YT , ZT 좌표 프레임에서의) 원위 단부(618)의 위치 및 배향을 설명한다. 센서(614)로부터의 형상 정보(800)는 도 10에 도시된 바와 같이 도시될 수 있다. 형상 정보는 또한 근위 기준 부분(616)에 대한 제약부의 장소에 대한 정보를 제공한다. 형상 센서가 축선 A를 따라 이동함에 따라, 고정된 또는 공지의 제약의 장소로부터의 관찰된 형상 정보는 근위 기준 부분(616)의 다양한 장소들에 대해 동일할 것이다(즉, 동일한 공지된 제약을 나타낼 것이다).
프로세스 704에서, 해부학적 모델 정보가 수신된다. 상술한 바와 같이, 해부학적 모델 정보는 CT, MRI, 및/또는 형광투시를 포함하는 영상화 기술로부터 회득된 수술전 또는 수술중 영상 데이터로부터 생성될 수 있다. 수술전 또는 수술중 영상 데이터는 2차원, 3차원 또는 4차원 영상에 대응할 수 있다. 세그먼트화 프로세스가 획득된 영상에 기초하여 해부구조의 모델을 형성하는 2차원 또는 3차원 재구성을 생성한다. 모델은 예를 들어 모델화된 통로의 중심을 통해 연장되는 일련의 상호연결 라인 세그먼트 또는 지점을 포함하는 중심선 모델로서 표현될 수 있거나 모델화된 통로의 표면을 설명하는 표면 모델로서 표현될 수 있다. 도 10은 일련의 해부학적 통로의 중심선 모델을 나타내는 해부학적 모델 정보(802)를 도시한다.
프로세스 706에서, 기구 형상 정보(800)는 해부학적 모델 정보(802)와 정합된다. 형상 정보와 해부학적 모델 정보 사이의 정합을 실행하기 위해서, 양쪽 정보 세트가 기준의 수술 프레임(정지상태의 환자에 대한 기준 환자 프레임과 동일함)과 정합된다. 센서(614)의 근위 기준 부분(616)은 기구 캐리지(606)에 결합되는 강성 기구 본체(612)에 대해 고정되거나 공지이다. 기구 캐리지는 수술 기준 프레임에서 고정된 또는 공지된 장소를 갖는 삽입 스테이지(608)를 따라 이동한다. 예를 들어, 센서(620)를 사용하여 기구 캐리지의 이동을 추적함으로써, 수술 기준 프레임에 대한 근위 기준 부분(616) 및 그에 따른 기준의 근위 기준 부분 프레임의 위치 및 배향이 결정되고 추적될 수 있다.
수술 기준 프레임에 대한 해부학적 모델 정보(802)의 정합은 다양한 방법 중 임의의 것에 따라 실행될 수 있다. 예를 들어, 정합은 수술 절차 동안 환자에 유지되는 수술전 또는 수술중 영상화 동안 환자에게 고정되는 마커(624) 및 센서(614)의 기준 부분(616)에서 기구에 고정되는 마커(626)를 사용하여 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 마커(624)는 2차원 또는 3차원 마킹의 특유의 구성을 갖는 광 추적기일 수 있다. 다른 광 추적기가 센서(614)의 기준 부분(616)에 위치설정될 수 있다. 광 추적에 기초한 정합이 그 전문이 본원에 참조로 통합되는 [대리인 문서 번호 ISRG06890]에 기재되어 있다. 다른 실시예에서, 마커(624, 626)는 EM 센서일 수 있다. EM 센서에 기초한 정합은 예를 들어 그 전문에 본원에 참조로 통합되는 미국 특허 출원 번호 11/130,471(2005년 5월 16일 출원)("Methods and system for performing 3-D tool tracking by fusion of sensor and/or camera derived data during minimally invasive robotic surgery"를 개시함)에 기재되어 있다. 정합을 위한 다른 방법은 형상 센서에 의해 수집되는 해부학적 지점에 기초한 정합 알고리즘의 사용을 포함하며 그 전문에 본원에 참조로 통합되는 [대리인 문서 번호 ISRG06880]에 기재되어 있다. 이 정합 후에, 근위 기준 부분, 해부학적 모델 정보, 및 제약 구조물의 장소는 수술 기준 프레임에서 공지이다. 따라서, 형상 정보 및 해부학적 모델 정보는 수술 기준 프레임에서 서로 정합된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 해부학적 모델 정보(802)에 대한 기구 형상 정보(800)의 초기 정합은 기준의 모델 프레임에 대한 기준의 형상 센서 근위 기준 부분 프레임의 정합된 배향과 연관된 에러로 인해 불완전할 수 있다. 기준 상대의 기준 부분 프레임의 위치 및/또는 배향에 연관된 작은 에러는 그들이 센서의 원위 단부(804)의 자세를 결정하기 위한 기초를 형성할 때 혼합되거나 확대될 수 있다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 형상 정보(800)의 근위 기준 부분(616)에 있어서의 작은 배향 에러는 형상 센서의 원위 단부(804)의 위치지정에 있어서 큰 에러를 발생시킬 수 있다. 이들 에러는 형상 센서의 원위 단부(804)를 잘못된 해부학적 통로에 위치시킨다는 점에서 중요할 수 있다.
프로세스 708에서, 기구 형상 정보(800)는 기준의 센서 기준 부분 프레임의 배향 또는 위치와 연관된 에러를 보상함으로써 보정된다. 제약 구조물(622)은 기구가 통과해야 하는 기준의 수술 프레임의 공지된 장소를 제공한다. 따라서, 형상 센서 정보(800)는 제약 구조물(622)에 의해 강제되는 자유도 제약 상태로 공지된 장소를 통과해야 한다. 제약 구조물에 의해 부여되는 공지된 제약을 준수하지 않는 초기 정합은 제약 구조물(622)에 의해 지시되는 공지된 자세로 공지된 장소를 통과하도록 형상 센서 정보(800)의 배향을 회전시키고 그리고/또는 그 위치를 병진시킴으로써 보정될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 형상 정보(800)의 배향은 제약 구조물(622)의 장소를 통해 형상 정보(800)를 안내하도록 조정되었다.
도 9b는 형상 센서로부터의 형상 정보를 보정하는 방법(710)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 712에서, 형상 정보가 기구(604) 내에서 연장되는 광섬유 형상 센서(614)로부터 수신된다. 형상 정보는 근위 기준 부분(616)과 원위 단부(618) 사이의 기구(604)의 형상을 설명한다. 축적된 형상 정보는 또한 근위 기준 부분(616)에 대한(즉, XT , YT , ZT 좌표 프레임 에서의) 원위 단부(618)의 위치 및 배향을 설명한다. 형상 정보는 또한 근위 기준 부분(616)에 대한 제약부의 장소에 대한 정보를 제공한다. 형상 센서가 축선 A를 따라 이동함에 따라, 고정된 또는 공지된 제약부의 장소에서의 형상 정보는 근위 기준 부분의 다양한 장소에 대해 동일할 것이다.
프로세스 714에서, 수술 기준 프레임에서의 근위 기준 부분(616) 위치 정보가 수신 또는 결정된다. 일 실시예에서, 삽입 경로를 따른 근위 기준 부분(616)의 상대적인 위치 및/또는 배향을 교정하기 위해서 교정 절차가 실행된다. 예를 들어, 캐리지(606)가 부분(616)이 장소(L0)에 있는 상태의 후퇴 위치로부터 부분(616)이 장소(L1)에 있는 상태의 전진 위치로 이동함에 따라, 부분(616)의 위치 및 배향이 측정된다. 교정 절차는 위치 측정 장치(620)의 각각의 변화에 대한 부분(616)의 이동의 방향을 결정한다. 이 실시예에서, 삽입 스테이지(608)가 캐리지(606)의 이동을 선형 경로로 규제하는 경우, 교정 절차는 직선의 방향을 결정한다. 삽입 스테이지 궤도의 경사로부터, 수술 환경(600)의 부분(616)의 위치 및 배향이 위치 측정 장치(620)의 모든 대응하는 측정에 대해 결정될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 삽입 스테이지가 만곡된 또는 다른 비선형적인 형상을 갖는 경우, 교정 절차는 위치 장치의 모든 측정에 대해 수술 환경에서의 부분(616)의 위치 및 배향이 결정될 수 있도록 비선형 형상을 결정할 수 있다. 예를 들어, 기구 본체가 비선형 삽입 스테이지를 따라 안내되는 동안 카테터의 원위 팁은 고정된 위치에 유지될 수 있다. 부분(616)으로부터 형상 센서에 의해 수집된 위치 및 배향 데이터는 기구 본체가 삽입 스테이지를 따라 안내됨에 따라 위치 측정 장치와 정합되고, 따라서 삽입 스테이지(608)의 축선 A를 따른 부분(616)의 이동을 교정한다.
프로세스 716에서, 수술 기준 프레임에서의 제약 구조물(622)의 위치 및 배향은 기구 형상 정보 및 근위 기준 부분(616) 위치 정보에 기초하여 예측될 수 있다. 더 구체적으로는, 위치 측정 장치(620)의 임의의 주어진 측정에 대해, 근위 기준 부분(616)의 위치는 교정에 기초하여 수술 기준 프레임에서 공지이다. 형상 정보로부터, 기준 부분(616)에 대한 제약 구조물(622)의 위치 및 배향이 또한 공지이다. 따라서, 기준 부분(616)의 각 위치에 대해서, 수술 기준 프레임에서의 제약 구조물(622)의 위치 및 배향은 교정된 삽입 위치 정보 및 형상 정보를 조합함으로써 예측될 수 있다.
프로세스 718에서, 수술 기준 프레임에서의 제약 구조물(622)의 예측된 위치 및 배향은 수술 기준 프레임에서의 제약 구조물(622)의 공지된 위치 및 배향과 비교된다. 제약 구조물의 예측된 및 공지된 장소 사이의 위치 및 배향 성분을 포함하는 보정 인자가 결정된다. 이 보정 인자는 수술 기준 프레임에서의 형상 센서 정보의 원위 단부의 위치 및 배향을 보정하기 위해 형상 센서 정보에 적용된다. 선택적으로, 이 보정된 형상 센서 정보는 영상 안내 수술 절차를 실행하기 위해 해부학적 모델 정보와의 정합을 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 위치지정 기구는 영상 안내 수술에서 임상의를 보조하기 위해 해부학적 모델과 함께 표시될 수 있다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 폐의 연결된 기관지 통로에서의 사용을 위해 설명되었지만, 시스템 및 방법은, 결장, 장, 신장, 뇌, 심장, 순환 계통 등을 포함하는 임의의 다양한 해부학적 계통의 자연적 또는 수술적으로 형성된 연결 통로를 통한 다른 조직의 항행 및 처치에도 적합하다.
본 발명의 실시예의 하나 이상의 요소가 제어 시스템(112)과 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서를 실행하기 위한 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 본 발명의 실시예의 요소가 본질적으로 필요 과업을 실시하기 위한 코드 세그먼트(code segment)이다. 전송 매체 또는 통신 링크를 통해서 반송파로 구현된 컴퓨터 데이터 신호의 방식으로 다운로드된 것일 수 있는 프로그램 또는 코드 세그먼트가 프로세서 판독 가능 저장 매체 또는 장치에 저장될 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치는 광학 매체, 반도체 매체, 및 자기 매체를 포함하는, 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치의 예는 전자 회로; 반도체 장치, 반도체 메모리 장치, 리드 온리 메모리(ROM), 플래시 메모리, 소거가능 프로그래밍가능 리드 온리 메모리(EPROM); 플로피 디스켓, CD-ROM, 광학 디스크, 하드 디스크 또는 다른 저장 장치를 포함한다. 코드 세그먼트는 인터넷, 인트라넷, 등의 컴퓨터 네트워크를 통해 다운로드될 수 있다.
제시되는 프로세스 및 디스플레이는 본질적으로 임의의 특별한 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되지 않을 수 있다. 다양한 이러한 시스템을 위한 요구된 구조는 청구항 내의 요소로서 나타날 것이다. 또한, 임의의 특별한 프로그래밍 언어를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하지 않았다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 교시를 구현하기 위해 각종 프로그래밍 언어가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 특정의 예시적 실시예를 설명하고 첨부 도면에서 도시하였지만, 다양한 다른 변형이 통상의 기술자에게 보여질 수 있기 때문에, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것이고 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 실시예는 도시되고 설명된 구체적인 구성 및 배열로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 있다.

Claims (28)

  1. 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 방법이며,
    의료 기구의 세장형 가요성 부분에 대한 형상 정보를 수신하는 단계로서, 의료 기구는 수술 기준 프레임에서 공지된 자세를 갖는 고정구에 이동가능하게 결합된 기준 부분을 포함하고, 고정구는 수술 기준 프레임에서 공지된 제약 구조물 장소를 갖는 제약 구조물을 포함하고, 세장형 가요성 부분은 기준 부분에 결합되고 제약 구조물을 통과하도록 크기설정되는, 형상 정보 수신 단계;
    수술 기준 프레임에서의 기준 부분 위치 정보를 수신하는 단계;
    기준 부분 위치 정보 및 형상 정보로부터 수술 기준 프레임에서의 추정된 제약 구조물 장소를 결정하는 단계;
    추정된 제약 구조물 장소를 공지된 제약 구조물 장소와 비교함으로써 보정 인자를 결정하는 단계; 및
    보정 인자에 기초하여 형상 정보를 수정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 형상 정보는 의료 기구 내에서 연장되는 광섬유 형상 센서로부터 수신되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 광섬유 형상 센서는 의료 기구의 기준 부분에 위치된 근위 단부를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 형상 정보는 기구의 원위 팁의 자세를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 고정구는 수술 기준 프레임에 고정된 원격조작 조종기의 구성요소인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 기준 부분 위치 정보는 원격조작 조종기의 적어도 1개의 자유도로부터의 센서 데이터에 기초하여 교정되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제약 구조물은 수술 기준 프레임의 공지된 제약 구조물 장소에서 기구의 세장형 가요성 부분의 움직임의 적어도 2개의 자유도를 제약하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제약 구조물은 강성 링을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제약 구조물은 수술 기준 프레임의 공지된 제약 구조물 장소에서 기구의 세장형 가요성 부분의 움직임의 적어도 4개의 자유도를 제약하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제약 구조물은 세장형 슬리브를 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 공지된 제약 구조물 장소는 수술 기준 프레임의 고정된 위치인, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 해부학적 모델 정보를 수신하는 단계; 및
    수정된 기구 형상 정보를 해부학적 모델 정보에 정합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 수술 기준 프레임에서의 추정된 제약 구조물 장소를 결정하는 단계는 형상 센서 기준 프레임에서의 기준 부분에 대한 제약 구조물 장소를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 수술 기준 프레임에서의 기준 부분 위치 정보를 수신하는 단계는 의료 기구의 기준 부분이 고정구를 따라 위치설정되어 있는 동안 수신된 모터 위치 측정 장치 데이터에 기초하여 교정된 기준 부분 위치 정보를 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
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