KR102645922B1 - 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

소정의 양태는 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 시스템, 방법, 및 기술에 관한 것이다. 의료 기구에서 컨트롤러-피드백 시스템을 조정하기 위한 방법은, 기구의 원위 단부 또는 그 근처에 있는 센서로부터 데이터를 수신하는 것, 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하는 것, 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것, 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임에 대한 조정을 결정하는 것, 및 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하는 것을 포함할 수도 있다.

Description

지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 시스템 및 방법

임의의 우선권 출원에 대한 참조에 의한 통합

본 출원은 2017년 12월 6일자로 출원된 미국 가출원 제62/595,455호에 대한 우선권을 주장하는데, 이 가출원은 참조에 의해 본원에 통합된다. 본 출원과 함께 제출된 대로의 출원 데이터 시트에서 외국 또는 국내 우선권 주장이 식별되는 임의의 및 모든 출원은 37 CFR 1.57 하에서 참조에 의해 통합된다.

기술 분야

본원에서 개시되는 시스템 및 방법은 의학적 프로시져, 더 구체적으로는, 지시되지 않은 기구 롤(uncommanded instrument roll)을 수정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

내시경 검사(endoscopy)(예를 들면, 기관지경 검사(bronchoscopy))와 같은 의학적 프로시져는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 내강(lumen)(예를 들면, 기도(airway), 기관지(bronchi), 또는 세기관지(bronchiole)) 내부에 액세스하여 시각화하는 것을 수반할 수도 있다. 프로시져 동안, 가요성 관형 기구(flexible tubular instrument)(예를 들면, 내시경 또는 카테터)가 환자의 신체 안으로 삽입될 수도 있고 및 도구(예를 들면, 파지용 포셉(grasping forcep), 생검 포셉(biopsy forcep), 세포 검사 브러시(cytology brush), 풍선 확장기(balloon dilator), 올가미, 바늘 및/또는 바스켓)은 가요성 관형 기구를 통해 진단 및/또는 치료를 위해 식별되는 조직 부위로 전달될 수 있다.

본 개시의 시스템, 방법 및 디바이스 각각은 여러 가지 혁신적인 양태를 가지는데, 그 중 단일의 어떤 것도 본원에서 개시되는 바람직한 성질(attribute)을 전적으로 담당하지는 않는다.

하나의 양태에서, 환자 안으로 삽입되는 로봇 제어식 의료 기구(robotically controlled medical instrument)에서 컨트롤러 피드백 시스템(controller-feedback system)을 조정하기 방법이 제공되는데, 그 방법은 다음의 것을 포함한다: 기구의 원위 단부(distal end)에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터 데이터를 수신하는 것, 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임(tip frame of reference) - 팁 기준 프레임은 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하는 것, 해부학적 구조 기준 프레임(anatomy frame of reference) 또는 전역적 기준 프레임(global frame of reference)에 대한 기준 프레임을 나타내는 소망되는 기준 프레임(desired frame of reference)을 획득하는 것, 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임(visual frame of reference) 또는 제어 기준 프레임(control frame of reference)에 대한 조정을 결정하는 것, 및 결정된 조정에 기초하여 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하는 것.

방법은 또한 다음의 피쳐 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수도 있다: (a) 적어도 하나의 위치 센서는 전자기(electromagnetic: EM) 센서를 포함한다; (b) 시각적 기준 프레임은 기구의 원위 단부에 있는 이미징 디바이스로부터의 이미지를 나타낸다; (c) 제어 기준 프레임은 기구의 제어 시스템의 방위를 나타낸다; (d) 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것은 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐에 기초한다; (e) 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것은 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐를 나타내는 이미지의 하나 이상의 픽셀 값에 기초한다; (f) 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것은 환자의 주 카리나(main carina)의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐에 기초한다; (g) 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것은 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터에 기초한다; (h) 소망되는 기준 프레임을 획득하는 것은 팁 기준 프레임에 기초한다; (i) 조정을 결정하는 것은 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐와 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐 사이를 비교하는 것에 기초한다; (j) 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지는 기구의 원위 단부에 있는 이미징 디바이스로부터 획득된다; (k) 조정을 결정하는 것은 기구의 원위 단부 내에 있는 하나 이상의 EM 센서로부터의 데이터와 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터 사이를 비교하는 것에 기초한다; (l) 조정을 결정하는 것은 중력을 측정하도록 구성되는 가속도계로부터의 데이터에 기초한다; (m) 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하는 것은 기구의 길이 방향 축에 대하여 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 회전시키는 것을 포함한다; (n) 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하는 것은 팁 기준 프레임 또는 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 회전시키는 것을 포함한다; (o) 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하는 것은 유저 입력에 기초한다; (p) 변환된 시각적 기준 프레임 또는 변환된 제어 기준 프레임을 검증하는 것; 및/또는 (q) 변환된 시각적 기준 프레임 또는 변환된 제어 기준 프레임을 검증하는 것은, 기구를 하나의 방향에서 이동시키는 것, 기구의 움직임에 응답하여 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 계산하는 것, 및 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 예상된 변화 사이를 비교하는 것:을 포함한다.

다른 양태에서, 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 제어 프레임을 변환하도록 구성되는 시스템이 제공되는데, 그 시스템은 다음의 것을 포함한다: 의료 기구의 움직임을 결정하도록 구성되는 제어 시스템; 실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리; 및 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하며 시스템으로 하여금 적어도: 모터 제어 커맨드와 의료 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고, 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고, 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고, 그리고 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서.

시스템은 또한 다음의 피쳐 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수도 있다: (a) 적어도 하나의 위치 센서는 전자기(EM) 센서를 포함한다; (b) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 의료 기구로부터 팁 기준 프레임을 수신하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (c) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 의료 기구의 원위 단부에 있는 제2 센서로부터 데이터를 수신하게 하고 제2 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (d) 기구의 원위 단부에 있는 제2 센서는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서를 포함한다; (e) 제2 센서는 전자기(EM) 센서를 포함한다; (f) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 제어 시스템으로부터 제어 기준 프레임을 수신하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (g) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 하나의 방향에서 의료 기구를 이동시키게 하고 의료 기구의 움직임에 기초하여 제어 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (h) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 기구로부터 시각적 기준 프레임을 수신하게 하고 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (i) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 센서로부터 데이터를 수신하게 하고, 적어도 하나의 센서로부터의 데이터에 기초하여 시각적 기준 프레임을 결정하게 하고, 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (j) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (k) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐를 나타내는 이미지의 하나 이상의 픽셀 값에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (l) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (m) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지와 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델 사이의 하나 이상의 차이를 결정하게 하고, 적어도 하나의 이미지와 적어도 하나의 모델 사이의 차이에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (n) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록 의료 기구의 길이 방향 축에 대하여 제어 기준 프레임을 회전시키게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (o) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 유저 입력에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (p) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 변환된 제어 기준 프레임을 검증하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다; (q) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 의료 기구를 하나의 방향에서 이동시키게 하고, 의료 기구의 움직임에 응답하여 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 결정하게 하고, 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 예상된 변화 사이를 비교하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다; 및/또는 (r) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 의료 기구를 슬라이딩 가능하게 커버하도록 구성되는 시스(sheath)의 원위 단부의 방위를 나타내는 시스 기준 프레임을 획득하게 하고, 제어 기준 프레임 또는 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시스 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다.

여전히 다른 양태에서, 로봇 제어식 조향 가능 기구 시스템(robotically controlled steerable instrument system)이 제공되는데, 그 로봇 제어식 조향 가능 기구 시스템은, 근위 단부(proximal end), 원위 단부, 그들을 통해 연장되는 채널, 및 원위 단부에 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 조향 가능 기구 - 그 기구는 환자 안으로 삽입되도록 구성됨 - , 조향 가능 기구의 적어도 일부를 통해 연장되며 그것에 커플링되는 하나 이상의 견인 와이어(pullwire), 로봇 기구 드라이버(robotic instrument driver), 기구 드라이버에 통신 가능하게 커플링되며 하나 이상의 견인 와이어를 작동시키도록 구성되는 제어 시스템, 실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리, 및 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하며, 시스템으로 하여금 적어도, 모터 제어 커맨드와 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고, 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고, 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고, 그리고 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다.

시스템은 또한 다음의 피쳐 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수도 있다: (a) 위치 센서는 전자기(EM) 센서를 포함한다; (b) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 적어도 하나의 센서로부터 데이터를 수신하게 하고 적어도 하나의 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (c) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 제어 시스템으로부터 제어 기준 프레임을 수신하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (d) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 기구의 일부를 이동시키도록 하나 이상의 견인 와이어를 작동시키게 하고 기구의 일부의 움직임에 기초하여 제어 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (e) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 적어도 하나의 센서로부터 데이터를 수신하게 하고, 적어도 하나의 센서로부터의 데이터에 기초하여 시각적 기준 프레임을 결정하게 하고, 팁 기준 프레임 및 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (f) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (g) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (h) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지와 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델 사이의 하나 이상의 차이를 결정하게 하고, 적어도 하나의 이미지와 적어도 하나의 모델 사이의 차이에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (i) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록 기구의 길이 방향 축에 대하여 제어 기준 프레임을 회전시키게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (j) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도: 유저 입력에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성된다; (k) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 변환된 제어 기준 프레임을 검증하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다; (l) 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 기구의 일부를 이동시키도록 하나 이상의 견인 와이어를 작동시키게 하고, 기구의 일부의 움직임에 응답하여 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 결정하게 하고; 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 예상된 변화 사이를 비교하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다; 및/또는 (m) 조종 가능 기구는 기구의 적어도 일부를 슬라이딩 가능하게 커버하도록 구성되는 시스를 더 포함하고, 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서는, 시스템으로 하여금 적어도, 시스의 원위 단부의 방위를 나타내는 시스 기준 프레임을 획득하게 하고 제어 기준 프레임 또는 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시스 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 또한 실행하도록 구성된다.

하나의 양태에서, 명령어가 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공되는데, 그 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도: 모터 제어 커맨드와 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고; 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고, 환자 상에 배치되는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고, 그리고 (1) 제어 기준 프레임과 (2) 소망되는 기준 프레임 사이의 하나 이상의 차이를 결정하게 한다.

비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 또한 다음의 피쳐 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수도 있다: (a) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 모터 제어 커맨드와 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고, 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고, 환자 상에 배치되는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고, 제어 기준 프레임과 소망되는 기준 프레임 사이의 하나 이상의 차이를 결정하게 한다; (b) 적어도 하나의 위치 센서는 전자기(EM) 센서를 포함한다; (c) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도: 의료 기구로부터 팁 기준 프레임을 수신하게 한다; (d) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 팁 기준 프레임에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 한다; (e) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 결정된 차이에 기초하여 시각적 기준 프레임 또는 제어 기준 프레임을 변환하게 한다; (f) 시각적 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스의 방위를 나타낸다; (g) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하게 한다; (h) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도: 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐와 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐 사이를 비교하는 것에 의해 하나 이상의 차이를 결정하게 한다; (i) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 의료 기구의 원위 단부 내에 있는 적어도 하나의 위치 센서로부터의 데이터와 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터 사이를 비교하는 것에 의해 하나 이상의 차이를 결정하게 한다; (j) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도: 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록 의료 기구의 길이 방향 축에 대하여 제어 기준 프레임을 회전시키는 것에 의해 제어 기준 프레임을 변환하게 한다; (k) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 유저 입력에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 한다; (l) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 변환된 제어 기준 프레임을 검증하게 한다; 및/또는 (m) 명령어는, 실행시, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 적어도, 하나의 방향에서 의료 기구를 이동시키게 하고, 의료 기구의 움직임에 응답하여 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 계산하게 하고, 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 예상된 변화 사이를 비교하게 한다.

이하에서, 개시된 양태는, 개시된 양태를 제한하는 것이 아니라 예시하도록 제공되는 첨부의 도면과 연계하여 설명될 것인데, 첨부의 도면에서, 같은 명칭은 같은 엘리먼트를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경 검사 프로시져(들)를 위해 배열되는 카트 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 또 다른 양태를 묘사한다.
도 3은 요관경 검사(ureteroscopy)를 위해 배열되는 도 1의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 4는 관 프로시져(vascular procedure)를 위해 배열되는 도 1의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 5는 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 뷰를 제공한다.
도 7은 로봇 암(들)을 수용하도록 구성되는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 8은 요관경 검사 프로시져를 위해 구성되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 9는 복강경 검사 프로시져를 위해 구성되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블 기반의 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한다.
도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 가늘고 긴 샤프트의 축에 평행한 기구 및 기구 드라이버에 대한 대안적인 설계를 예시한다.
도 15는, 예시적인 실시형태에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 엘리먼트의 위치를 추정하는 위치 측정 시스템(localization system)을 예시하는 블록도를 묘사한다.
도 16a는 개시된 내비게이션 시스템 및 기술의 하나 이상의 양태를 구현하는 예시적인 동작 환경을 예시한다.
도 17은 도 16의 동작 환경에서 내비게이팅될 수 있는 예시적인 내강 네트워크(luminal network)를 예시한다.
도 18은 이미징 및 EM 감지 성능을 갖는 예시적인 기구의 원위 단부를 예시한다.
도 19a 및 도 19b는 예시적인 의료 기구의 팁 기준 프레임, 시각적 기준 프레임, 제어 기준 프레임, 소망되는 기준 프레임을 예시한다.
도 20a 및 도 20b는, 지시되지 않은 기구 롤을 갖는 예시적인 의료 기구의 팁 기준 프레임, 시각적 기준 프레임, 제어 기준 프레임, 및 소망되는 기준 프레임을 예시한다.
도 21a 및 도 21b는, 지시되지 않은 기구 롤에 대한 수정 이후의 도 20a 및 도 20b의 예시적인 의료 기구의 팁 기준 프레임, 시각적 기준 프레임, 제어 기준 프레임, 및 소망되는 기준 프레임을 예시한다.
도 22는 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 예시적인 프로세스를 나타내는 블록도를 묘사한다.
도 23은, 예시적인 실시형태에 따른, EM 패치 센서에 의해 결정되는 소망되는 기준 프레임을 설명한다.
도 24a 내지 도 24d는 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 프로세스 동안 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스를 설명한다.
도 25는 지시되지 않은 기구 롤의 조정을 결정하는 예시적인 프로세스를 묘사한다.
도 26은 지시되지 않은 기구 롤을 수정하도록 구성되는 제어 시스템을 설명한다.

1. 개관.

본 개시의 양태는, 복강경 검사와 같은 최소 침습적 프로시져, 및 내시경 검사와 같은 비 침습적 프로시져 둘 모두를 비롯한, 다양한 의료 프로시져를 수행할 수도 있는 로봇 대응 의료 시스템(robotically-enabled medical system)에 통합될 수도 있다. 내시경 검사 프로시져 중, 시스템은 기관지경 검사, 요관경 검사, 위경검사법(gastroscopy), 등등을 수행할 수 있을 수도 있다.

광범위한 프로시져를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 돕기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은, 추가적인 이점을 제공할 수도 있다. 추가적으로, 시스템은 어색한 팔 모션 및 위치에 대한 필요 없이 인체 공학적 위치에서 프로시져를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수도 있다. 여전히 또한, 시스템은, 시스템의 기구 중 하나 이상이 단일의 유저에 의해 제어될 수 있도록 향상된 사용 용이성을 가지고 프로시져를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수도 있다.

다양한 실시형태가 예시의 목적을 위해 도면과 연계하여 하기에서 설명될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예를 통해 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 것을 돕기 위해 본원에서는 표제(heading)가 포함된다. 이들 표제는, 그와 관련하여 설명되는 개념의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 그러한 개념은 전체 명세서 전체에 걸쳐 적용 가능할 수도 있다.

본원에서 사용될 때, "원위"는, 사용 동안 환자에 가장 가깝게 배치되는 스코프, 기구, 또는 도구의 단부를 가리키고, "근위"는 오퍼레이터(예를 들면, 의사 또는 로봇 제어 시스템)에 가장 가깝게 배치되는 스코프, 기구, 또는 도구의 단부를 가리킨다. 상이하게 말하면, 스코프, 기구, 도구, 및/또는 로봇 시스템의 컴포넌트의 상대적 위치는 본원에서 오퍼레이터의 시점(vantage point)에서 설명된다.

본원에서 사용될 때, 용어 "약(about)" 또는 "대략(approximately)"은, 길이, 두께, 수량, 시간 기간, 또는 다른 측정 가능한 값의 측정의 범위를 지칭한다. 측정의 그러한 범위는, 명시된 값의 그리고 그 명시된 값으로부터의 +/-10 % 또는 그 미만, 바람직하게는 +/-5 % 또는 그 미만, 더욱 바람직하게는 +/-1 % 또는 그 미만, 여전히 더욱 바람직하게는 +/-0.1 % 또는 그 미만의 변동을, 개시된 디바이스, 시스템, 및 기술에서 기능하기 위해 그러한 변동이 적절한 한에 있어서는, 포괄한다.

다양한 실시형태가 예시의 목적을 위해 도면과 연계하여 하기에서 설명될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예를 통해 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 것을 돕기 위해 본원에서는 표제가 포함된다. 이들 표제는, 그와 관련하여 설명되는 개념의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 그러한 개념은 전체 명세서 전체에 걸쳐 적용 가능할 수도 있다.

A. 로봇 시스템 - 카트.

로봇 대응 의료 시스템은 특정한 프로시져에 따라 다양한 방식으로 구성될 수도 있다. 도 1은, 진단 및/또는 치료 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 카트 기반의 로봇 대응 시스템(10)의 한 실시형태를 예시한다. 기관지경 검사 동안, 시스템(10)은, 기관지경 검사를 위한 프로시져 고유의 기관지경일 수도 있는, 조향 가능한 내시경(13)과 같은 의료 기구를, 진단 및/또는 치료 도구를 전달할 천연 구멍 액세스 포인트(natural orifice access point)(즉, 본 예의 테이블 상에 배치되는 환자의 입)로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 카트(11)는 액세스 포인트에 대한 액세스를 제공하기 위해 환자의 상반신(upper torso)에 근접하여 배치될 수도 있다. 유사하게, 로봇 암(12)은 액세스 포인트와 관련하여 기관지경을 배치하도록 작동될 수도 있다. 도 1의 배열(arrangement)은 또한, 위장(gastro-intestinal; GI) 프로시져를 위한 특수 내시경인 위내시경(gastroscope)으로 GI 프로시져를 수행할 때 활용될 수도 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시형태를 더욱 상세하게 묘사한다.

도 1을 계속 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 배치되면, 로봇 암(12)은, 로봇을 이용하여, 수동으로, 또는 이들의 조합으로, 조향 가능한 내시경(13)을 환자에게 삽입할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 조향 가능한 내시경(13)은, 내부 리더 부분(inner leader portion) 및 외부 시스 부분(outer sheath portion)과 같은 적어도 두 개의 자유 자재로 신축 가능한(telescoping) 부분을 포함할 수도 있는데, 각각의 부분은 기구 드라이버(28)의 세트와는 별개의 기구 드라이버에 커플링되고, 각각의 기구 드라이버는 개개의 로봇 암의 원위 단부에 커플링된다. 시스 부분과의 리더 부분의 동축 정렬을 용이하게 하는 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은, 하나 이상의 로봇 암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 작동시키는 것에 의해 공간적으로 재배치될 수도 있는 "가상 레일"(29)을 생성한다. 본원에서 설명되는 가상 레일은 점선을 사용하여 도면에서 묘사되며, 따라서 점선은 시스템의 임의의 물리적 구조체를 묘사하는 것은 아니다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진(translation)은, 외부 시스 부분과 관련하여 내부 리더 부분을 자유 자재로 신축 가능하거나(telescope) 또는 내시경(13)을 전진시키거나 또는 환자로부터 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조정, 병진, 및 선회될 수도 있다. 예를 들면, 기관지경 검사에서, 도시되는 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는, 내시경(13)에 대한 의사의 액세스를 제공하는 것과 내시경(13)을 환자의 입 안으로 굴곡시키는 것으로부터 유래하는 마찰을 최소화하는 것 사이의 타협을 나타낸다.

내시경(13)은, 목표 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 커맨드를 사용한 삽입 이후 환자의 기관 및 폐 아래로 지향될 수도 있다. 환자의 폐 네트워크를 통한 내비게이션을 향상시키고 및/또는 소망되는 목표에 도달하기 위해, 내시경(13)은, 향상된 관절 운동(articulation) 및 더 큰 굴곡 반경을 획득하도록, 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 자유 자재로 신축 가능한 방식으로(telescopically) 연장하도록 조작될 수도 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한, 리더 부분 및 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되는 것을 허용한다.

예를 들면, 내시경(13)은, 예를 들면, 환자의 폐 내의 병변 또는 결절(nodule)과 같은 목표에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수도 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 획득하기 위해 내시경의 길이를 따라 이어지는 작업 채널 아래로 배치될 수도 있다. 병리학 결과에 따라, 추가적인 생검을 위해 내시경의 작업 채널 아래에 추가적인 도구가 배치될 수도 있다. 결절이 악성인 것을 식별한 이후, 내시경(13)은 잠재적 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경적으로 전달할 수도 있다. 몇몇 경우에, 진단 및 치료 요법은 별개의 프로시져에서 전달되는 것을 필요로 할 수도 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 목표 결절의 위치를 "마킹"하기 위한 기준을 전달하기 위해 역시 사용될 수도 있다. 다른 경우에, 진단 및 치료 요법은 동일한 프로시져 동안 전달될 수도 있다.

시스템(10)은 또한, 제어, 전자장치, 유체 공학(fluidics), 광학기기, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 카트(11)에 제공하기 위해 지지 케이블을 통해 카트(11)에 연결될 수도 있는 이동 가능한 타워(30)를 포함할 수도 있다. 그러한 기능성(functionality)을 타워(30)에 배치하는 것은, 수술 의사 및/또는 그의/그녀의 직원에 의해 더욱 쉽게 조정 및/또는 재배치될 수도 있는 더 작은 폼팩터 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지지 타워(30) 사이의 기능성의 분할은, 수술실 혼란을 감소시키고 임상 워크플로 향상을 용이하게 한다. 카트(11)가 환자에 근접하게 배치될 수도 있지만, 타워(30)는 프로시져 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 수납될 수도 있다.

상기에서 설명되는 로봇 시스템의 지원에서, 타워(30)는, 예를 들면, 영구적 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 등등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터 기반의 제어 시스템의 컴포넌트(들)를 포함할 수도 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 발생하는지 또는 카트(11)에서 발생하는지에 관계없이, 그 전체 시스템 또는 그 서브시스템(들)을 제어할 수도 있다. 예를 들면, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 컴포넌트로 하여금, 관련 캐리지(carriage) 및 암 마운트를 작동하게 하고, 로봇 암을 작동하게 하고, 의료 기구를 제어하게 할 수도 있다. 예를 들면, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 암의 관절(joint)에 있는 모터는 암을 소정의 자세로 배치할 수도 있다.

타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 배치될 수도 있는 시스템에 제어된 관류(irrigation) 및 흡인(aspiration) 성능을 제공하기 위해, 펌프, 유량계(flow meter), 밸브 제어, 및/또는 유체 액세스를 포함할 수도 있다. 이들 컴포넌트는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 관류 및 흡인 성능은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접적으로 전달될 수도 있다.

타워(30)는 필터링되고 보호된 전력을 카트(11)에 제공하도록 설계되는 전압 및 서지 보호기를 포함할 수도 있고, 그에 의해, 카트(11)에서의 전력 변압기 및 다른 보조 전력 컴포넌트의 배치를 방지할 수도 있고, 그 결과, 더 작고 더욱 가동성의(moveable) 카트(11)로 나타날 수도 있다.

타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 배치되는 센서에 대한 지지 기기(support equipment)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 타워(30)는, 로봇 시스템(10) 도처의 광학 센서 또는 카메라로부터 수신되는 데이터를 검출, 수신 및 프로세싱하기 위한 광전자 기기(opto-electronics equipment)를 포함할 수도 있다. 제어 시스템과의 조합에서, 그러한 광전자 기기는, 타워(30)를 비롯한, 시스템 도처에 배치되는 임의의 수의 콘솔에서의 디스플레이를 위한 실시간 이미지를 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 배치된 EM 센서로부터 수신되는 신호를 수신 및 프로세싱하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수도 있다. 타워(30)는 또한, 의료 기구 내의 또는 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 생성기를 수용 및 배치하기 위해 사용될 수도 있다.

타워(30)는 또한, 시스템의 나머지 부분에서 이용 가능한 다른 콘솔, 예를 들면, 카트 상부 상에 장착되는 콘솔 외에, 콘솔(31)을 포함할 수도 있다. 콘솔(31)은 의사 오퍼레이터에 대한 유저 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수도 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로, 로봇 제어뿐만 아니라 내시경(13)의 내비게이션 및 위치 정보와 같은, 프로시져의 수술 전(pre-operative) 및 실시간 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용 가능한 유일한 콘솔이 아닌 경우, 그것은, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 동작을 모니터링하기 위해, 뿐만 아니라, 프로시져 고유의 데이터, 예컨대 내비게이션 및 위치 측정 정보를 제공하기 위해, 간호사와 같은 제2 오퍼레이터에 의해 사용될 수도 있다.

타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 커플링될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 타워(30)로부터의 지지 기능성은 단일의 케이블을 통해 카트(11)에 제공될 수도 있어서, 수술실을 단순화할 수도 있고 혼란을 제거할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 특정한 기능성은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부에 커플링될 수도 있다. 예를 들면, 전력이 단일의 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수도 있지만, 제어, 광학기기, 유체 공학, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수도 있다.

도 2는 도 1에서 도시되는 카트 기반의 로봇 대응 시스템으로부터의 카트의 한 실시형태의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 가늘고 긴 지지 구조체(14)(종종 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 베이스(15), 및 칼럼(14)의 상단에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 암(12)(도 2에서는 세 개가 도시됨)의 배치를 지원하기 위한 캐리지(17)(또는 대안적으로 "암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수도 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 나은 위치 결정을 위해 로봇 암(12)의 베이스를 조정하기 위해 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성 가능한 암 마운트를 포함할 수도 있다. 캐리지(17)는 또한, 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하는 것을 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.

캐리지 인터페이스(19)는, 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 대향하는 면(side)에 배치되는, 슬롯(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 카트 베이스(15)와 관련하여 다양한 수직 높이에 캐리지를 배치 및 유지하기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은, 카트(11)가 다양한 테이블 높이, 환자 사이즈, 및 의사 선호도를 충족하도록 로봇 암(12)의 도달 거리(reach)를 조정하는 것을 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상에 개별적으로 구성 가능한 암 마운트는, 로봇 암(12)의 로봇 암 베이스(21)가 다양한 구성으로 기울어지는 것을 허용한다.

몇몇 실시형태에서, 슬롯(20)은, 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 칼럼(14)의 내부 챔버 및 수직 병진 인터페이스로의 오물 및 유체 유입을 방지하기 위해, 슬롯 표면과 같은 높이이며 평행한 슬롯 커버로 보충될 수도 있다. 슬롯 커버는, 슬롯(20)의 수직 상부 및 하부 근처에 배치되는 스프링 스풀의 쌍을 통해 배치될 수도 있다. 캐리지(17)가 수직 상하로 병진됨에 따라, 커버는, 그들의 감겨진 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 배치될 때까지, 스풀 내에 감겨 있다. 스풀의 스프링 부하는, 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진하는 경우 커버를 스풀 안으로 후퇴시키는 힘을 제공하며, 한편 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진하는 경우 기밀(tight seal)을 또한 유지한다. 캐리지(17)가 병진될 때 커버의 적절한 연신 및 후퇴를 보장하기 위해, 커버는, 예를 들면, 캐리지 인터페이스(19)의 브래킷을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수도 있다.

칼럼(14)은, 유저 입력, 예를 들면, 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성되는 제어 신호에 응답하여 캐리지(17)를 기계화된 방식으로 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류를 사용하도록 설계되는 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 내부적으로 포함할 수도 있다.

로봇 암(12)은, 일반적으로, 일련의 관절(24)에 의해 연결되는 일련의 연결부(23)에 의해 분리되는 로봇 암 베이스(21) 및 엔드 이펙터(22)를 포함할 수도 있는데, 각각의 관절은 독립적인 액추에이터를 포함하며, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어 가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어 가능한 관절은 로봇 암이 이용 가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 암(12)의 각각은 일곱 개의 관절을 가지며, 따라서, 7 자유도를 제공한다. 다수의 관절은, "중복(redundant)" 자유도를 허용하는 다수의 자유도로 나타난다. 중복 자유도는 로봇 암(12)이 상이한 연결 위치 및 관절 각도를 사용하여 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 공간에서 특정한 위치, 방위 및 궤도에 배치하는 것을 허용한다. 이것은 의사가, 암 충돌을 방지하면서, 더 큰 액세스를 만들도록 의사가 암 관절을 환자로부터 먼 임상적으로 유리한 위치로 이동시키는 것을 허용하면서, 시스템이 의료 기구를 공간 내의 소망되는 포인트로부터 배치 및 지향시키는 것을 허용한다.

카트 베이스(15)는 플로어 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 암(12)의 중량의 균형을 맞춘다. 따라서, 카트 베이스(15)는, 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 컴포넌트뿐만 아니라, 움직임을 가능하게 하는 및/또는 카트를 고정시키는 컴포넌트를 수용한다. 예를 들면, 카트 베이스(15)는, 카트가 프로시져 이전에 방 주위를 쉽게 이동하는 것을 허용하는 구를 수 있는 휠 형상의 캐스터(rollable wheel-shaped caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 이후, 캐스터(25)는 휠락(lock lock)을 사용하여 고정되어 카트(11)를 프로시져 동안 제자리에 유지할 수도 있다.

칼럼(14)의 수직 단부에 배치되는 콘솔(16)은 유저 입력을 수신하기 위한 유저 인터페이스 및 의사 유저에게 수술 전 및 수술 중 데이터 둘 모두를 제공하기 위한 디스플레이 스크린(또는, 예를 들면, 터치스크린(26)과 같은 이중 목적 디바이스) 둘 모두를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술 전 데이터는, 수술 전 계획, 수술 전 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔으로부터 유도되는 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술 전 환자 인터뷰로부터의 메모(note)를 포함할 수도 있다. 디스플레이 상의 수술 중 데이터는, 도구, 센서 및 센서로부터의 좌표 정보로부터 제공되는 광학적 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 중요한 환자 통계치를 포함할 수도 있다. 콘솔(16)은, 의사가 칼럼(14)의 캐리지(17) 반대 측에서부터 콘솔에 액세스하는 것을 허용하도록 배치되고 기울어질 수도 있다. 이 위치로부터, 의사는 카트(11) 후방에서 콘솔(16)을 동작시키면서 콘솔(16), 로봇 암(12), 및 환자를 볼 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)의 방향 조종 및 안정화를 돕는 핸들(27)을 포함한다.

도 3은 요관경 검사를 위해 배열되는 로봇 대응 시스템(10)의 한 실시형태를 예시한다. 요관경 검사 프로시져에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 순회하도록 설계되는 프로시져 고유의 내시경인 요관경(ureteroscope)(32)을 환자의 하부 복부 영역으로 전달하도록 배치될 수도 있다. 요관경 검사에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접적으로 정렬되어 그 영역에서 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰 및 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 카트(11)는, 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 액세스를 위해 로봇 암(12)이 요관경(32)을 배치하는 것을 허용하도록 테이블의 발에 정렬될 수도 있다. 테이블의 발로부터, 로봇 암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부(lower abdomen) 안으로 바로 삽입할 수도 있다.

요도에 삽입한 이후, 기관지경 검사에서와 유사한 제어 기술을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 적용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 안으로 내비게이팅할 수도 있다. 예를 들면, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널 아래에 배치되는 레이저 또는 초음파 쇄석술(lithotripsy) 디바이스를 사용하여 축적된 신장 결석을 파괴하도록 요관 및 신장 안으로 지향될 수도 있다. 쇄석술이 완료된 이후, 결과적으로 나타나는 결석 조각은 요관경(32) 아래에 배치되는 바스켓을 사용하여 제거될 수도 있다.

도 4는 관 프로시져를 위해 유사하게 배열되는 로봇 대응 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 관 프로시져에서, 시스템(10)은, 카트(11)가 조향 가능한 카테터와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리의 대퇴 동맥의 액세스 포인트로 전달할 수도 있도록 구성될 수도 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장까지 상대적으로 덜 우회하고 덜 구불구불한 경로 둘 모두를 제공하는데, 이것은 내비게이션을 단순화시킨다. 요관경 검사 프로시져에서와 같이, 카트(11)는, 로봇 암(12)이 환자의 허벅지/고관절(hip) 영역에서 대퇴부 동맥 액세스 포인트에 대한 직접적인 선형 액세스를 갖는 가상 레일(35)을 제공하는 것을 허용하도록, 환자의 다리 및 하복부를 향해 배치될 수도 있다. 동맥 안으로의 삽입 이후, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시키는 것에 의해 지향 및 삽입될 수도 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들면, 어깨 및 손목 근처의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 관 액세스 포인트에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 배치될 수도 있다.

B. 로봇 시스템 - 테이블.

로봇 대응 의료 시스템의 실시형태는 또한 환자의 테이블을 통합할 수도 있다. 테이블의 통합은, 카트를 제거하는 것에 의해 수술실 내에서의 자본 설비(capital equipment)의 양을 감소시키는데, 이것은 환자에 대한 더 많은 액세스를 허용한다. 도 5는 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 그러한 로봇 대응 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 시스템(36)은 플로어 위에 플랫폼(38)("테이블" 또는 "베드"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조체 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트 기반의 시스템에서와 마찬가지로, 시스템(36)의 로봇 암(39)의 엔드 이펙터는, 기구 드라이버(42)의 선형적인 정렬로부터 형성되는 가상 레일(41)을 통해 또는 가상 레일(41)을 따라, 도 5에서의 기관지경(40)과 같은 가늘고 긴 의료 기구를 조작하도록 설계되는 기구 드라이버(42)를 포함한다. 실제로, 형광 투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C 암(C-arm)은 방출기 및 검출기를 테이블(38) 주위에 배치하는 것에 의해 환자의 상복부 영역 위에 배치될 수도 있다.

도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 뷰를 제공한다. 도시되는 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36)에서 링 형상으로 도시되는 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수도 있는데, 그로부터 하나 이상의 로봇 암(39)이 기초할 수도 있다. 캐리지(43)는 로봇 암(39)이 환자에게 도달하도록 배치될 수도 있는 상이한 유리한 포인트를 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 이어지는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진될 수도 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 암(39)이, 예를 들면, 환자의 양측과 같은, 테이블(38)의 다수의 측에 액세스하는 것을 허용하도록 칼럼(37) 내에 배치되는 기계적 모터를 사용하여 칼럼(37) 주위에서 회전할 수도 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시형태에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 배치될 수도 있고 다른 캐리지와는 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수도 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러쌀 필요가 없거나 또는 심지어 원형일 필요가 없지만, 도시되는 바와 같은 링 형상은 구조적 균형을 유지하면서 칼럼(37) 주위에서의 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은, 시스템이, 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자의 상이한 액세스 포인트에 정렬하는 것을 허용한다.

암(39)은, 로봇 암(39)에 추가적인 구성 가능성을 제공하기 위해 개별적으로 회전할 수도 있는 및/또는 자유 자재로 신축 가능한 방식으로 연장될 수도 있는 일련의 관절을 포함하는 암 마운트(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수도 있다. 추가적으로, 암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 암 마운트(45)가 (도 6에서 도시되는 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 쪽, (도 9에서 도시되는 바와 같이) 테이블(38)의 반대 쪽, 또는 테이블(38)의 인접한 쪽(도시되지 않음) 중 어느 하나 상에 배치될 수도 있도록, 캐리지(43) 상에 배치될 수도 있다.

칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 갖출 수도 있다. 칼럼(37)은 또한, 전력 및 제어 신호를 캐리지(43) 및 그 상에 장착되는 로봇 암(39)에 전달할 수도 있다.

테이블 베이스(46)는, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 암(39)의 균형을 맞추기 위해 더 무거운 컴포넌트를 수용하면서, 도 2에서 도시되는 카트(11)의 카트 베이스(15)와 유사한 기능에 이바지한다. 테이블 베이스(46)는 또한 프로시져 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수도 있다. 테이블 베이스(46)의 저부로부터 배치되는 캐스터는 베이스(46)의 양 측에서 반대 방향으로 연장되고 시스템(36)이 이동될 필요가 있는 경우 후퇴될 수도 있다.

도 6에서 계속하면, 시스템(36)은 또한, 폼팩터 및 테이블의 벌크를 감소시키기 위해 테이블과 타워 사이에서 시스템(36)의 기능성을 분할하는 타워(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 앞서 개시된 실시형태에서와 같이, 타워는, 프로세싱, 컴퓨팅, 및 제어 성능, 전력, 유체 공학, 및/또는 광학 및 센서 프로세싱과 같은 다양한 지원 기능성을 테이블에 제공할 수도 있다. 의사의 액세스를 향상시키고 수술실의 혼란을 제거하기 위해, 타워는 또한 환자로부터 멀어지게 배치되도록 이동 가능할 수도 있다. 추가적으로, 타워에 컴포넌트를 배치하는 것은, 로봇 암의 잠재적인 수용(stowage)을 위한 테이블 베이스에 더 많은 저장 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트와 같은 유저 입력을 위한 유저 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술 전 및 수술 중 정보에 대한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 콘솔을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 테이블 베이스는 미사용시 로봇 암을 수용 및 저장할 수도 있다. 도 7은 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태에서 로봇 암을 수용하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 암(50), 암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 베이스(49) 내에 수용하기 위해 베이스(49)로 수직으로 병진될 수도 있다. 베이스 커버(52)는, 칼럼(53) 주위에 캐리지(48), 암 마운트(51), 및 암(50)을 배치하기 위해 병진 및 후퇴 개방될 수도 있고, 미사용시 그들을 수용하여 보호하기 위해 폐쇄될 수도 있다. 베이스 커버(52)는 폐쇄시 오물 및 유체 유입을 방지하기 위해 그 개구의 에지를 따라 멤브레인(54)으로 밀봉될 수도 있다.

도 8은 요관경 검사 프로시져를 위해 구성되는 로봇 대응 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 요관경 검사에서, 테이블(38)은 칼럼(37) 및 테이블 베이스(46)로부터 환자를 비스듬히 배치하기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수도 있다. 스위블 부분(55)은, 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀어지게 배치하기 위해, 선회 포인트(예를 들면, 환자의 머리 아래에 위치됨)를 중심으로 회전 또는 선회될 수도 있다. 예를 들면, 스위블 부분(55)의 선회는, C 암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경쟁하지 않으면서 환자의 하복부 위에 배치되는 것을 허용한다. 칼럼(37) 주위에서 캐리지(35)(도시되지 않음)를 회전시키는 것에 의해, 로봇 암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 요도에 도달하기 위한 환자의 성기(groin) 영역 안으로 직접적으로 삽입할 수도 있다. 요관경 검사에서, 등자(stirrup)(58)는 또한 프로시져 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 성기 영역에 대한 명확한 액세스를 허용하기 위해 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정될 수도 있다.

복강경 검사 프로시져에서, 환자의 복벽의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구(하나 이상의 절개부의 사이즈를 조절하기 위해 형상이 가늘고 김)가 환자의 해부학적 구조 안으로 삽입될 수도 있다. 환자의 복강(abdominal cavity)의 팽창 이후, 종종 복강경으로 지칭되는 기구는, 파지, 절단, 절제, 봉합, 등등과 같은 수술 작업을 수행하도록 지시받을 수도 있다. 도 9는 복강경 검사 프로시져를 위해 구성되는 로봇 대응 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 도 9에서 도시되는 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 암(39)의 쌍을 테이블(38)의 반대 측에 배치하도록 회전 및 수직으로 조정될 수도 있고, 그 결과, 복강경(59)은 환자의 양 측 상의 최소 절개부를 통해 통과되어 그의/그녀의 복강에 도달하도록 암 마운트(45)를 사용하여 배치될 수도 있다.

복강경 검사 프로시져를 조절하기 위해, 로봇 대응 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 소망되는 각도로 기울일 수도 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 로봇 대응 의료 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 도 10에서 도시되는 바와 같이, 시스템(36)은 테이블의 한 부분을 다른 것보다 플로어로부터 더 먼 거리에 배치하기 위해 테이블(38)의 경사를 조절할 수도 있다. 추가적으로, 암 마운트(45)는, 암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지하도록 경사와 매치하도록 회전될 수도 있다. 더 가파른 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 테이블(38)이 플로어에 닿거나 또는 베이스(46)와 충돌하는 것을 방지하도록 칼럼(37)의 수직 연장을 허용하는 자유 자재로 신축 가능한 부분(60)을 포함할 수도 있다.

도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다수의 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수도 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서 직교 축(1, 2)의 위치 결정에 의해 가능하게 될 수도 있는데, 각각의 축은 전기 피치 각도 커맨드에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서 기울기 조정을 가능하게 할 것이고, 한편, 다른 스크류(6)를 따른 회전은 다른 축(2)를 따른 기울기 조정을 가능하게 할 것이다.

예를 들면, 피치 조정은, 테이블을 Trendelenburg(트렌델버그) 위치에 배치하려고 하는 경우, 즉, 하복부 수술을 위해, 플로어로부터 환자의 하복부보다 더 높은 위치에 환자의 하복부를 배치하려고 하는 경우 특히 유용하다. 트렌델버그 위치는 환자의 내부 장기로 하여금 중력을 통해 그의/그녀의 상복부를 향해 슬라이딩하게 하여, 최소 침습적 도구가 진입하여 복강경 전립선 절제술(laparoscopic prostatectomy)과 같은 하복부 수술 프로시져를 수행하도록 복강을 비운다.

C. 기구 드라이버 및 인터페이스.

시스템의 로봇 암의 엔드 이펙터는, (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기 기계적 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 디바이스 조작기"로 칭해짐) 및 (ii) 모터와 같은 어떠한 전기 기계 컴포넌트도 없을 수도 있는 제거 가능한 또는 탈거 가능한 의료 기구를 포함한다. 이 이분법은 의료 프로시져에서 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 고가의 자본 설비를 그들의 복잡한 기계 어셈블리 및 민감한 전자장치에 기인하여 적절히 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수도 있다. 따라서, 의료 기구는, 의사 또는 의사의 직원에 의한 개개의 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(따라서 시스템)로부터 분리, 제거 및 교환되도록 설계될 수도 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없으며, 보호를 위해 드레이프로 덮일(draped) 수도 있다.

도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 암의 원위 단부에 배치되는 기구 드라이버(62)는, 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축과 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)을 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)은, 기구와 상호 작용하기 위한 개개의 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 소망되는 토크로 변환하기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 피드백을 제어 회로부(control circuity)에 제공하기 위한 인코더(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력을 받게 되면, 기구 드라이버(62)는 다수의(도 12에서 도시되는 바와 같이 네 개의) 독립적인 구동 출력부(drive output)를 의료 기구에 제공할 수도 있다. 동작에서, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신하고, 모터 신호를 모터(66)에 송신하고, 인코더(67)에 의해 측정되는 결과적으로 나타나는 모터 속도를 소망되는 속도와 비교하고, 소망되는 토크를 생성하도록 모터 신호를 변조한다.

멸균 환경을 필요로 하는 프로시져를 위해, 로봇 시스템은, 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 위치되는 구동 인터페이스, 예컨대 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결되는 멸균 어댑터를 통합할 수도 있다. 멸균 어댑터의 주요 목적은, 구동 샤프트와 구동 입력부(drive input) 사이에서 물리적 분리, 따라서 멸균성을 유지하면서, 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각운동(angular motion)을 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는, 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구의 구동 입력부와 결합되도록 의도되는 일련의 회전 입력 및 출력을 포함할 수도 있다. 멸균 어댑터에 연결되며 투명 또는 반투명 플라스틱과 같이 얇은 가요성 재료로 구성되는 멸균 드레이프는, 기구 드라이버, 로봇 암, 및 (카트 기반의 시스템에서의) 카트 또는 (테이블 기반의 시스템에서의) 테이블과 같은 자본 설비를 커버하도록 설계된다. 드레이프의 사용은, 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비멸균 현장)에 여전히 위치되는 동안 자본 설비가 환자에게 근접하게 배치되는 것을 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 면 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 현장)에서 환자와 인터페이싱할 수도 있다.

D. 의료 기구.

도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계되는 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 연장 샤프트(71)(또는 가늘고 긴 본체) 및 기구 베이스(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동의 상호 작용을 위한 그것의 의도된 설계에 기인하여 "기구 핸들"로 또한 지칭되는 기구 베이스(72)는, 로봇 암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 결합되도록 설계되는 회전 가능한 구동 입력부(73), 예를 들면, 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 일반적으로 포함할 수도 있다. 물리적으로 연결되고, 래치되고, 및/또는 커플링되는 경우, 기구 베이스(72)의 결합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로 토크의 전달을 허용할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 결합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수도 있다.

가늘고 긴 샤프트(71)는, 예를 들면, 내시경 검사에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강 중 어느 하나, 또는, 예를 들면, 복강경 검사에서와 같이 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 가늘고 긴 샤프트(66)는 가요성(예를 들면, 내시경과 유사한 속성(property)을 가짐) 또는 강성(예를 들면, 복강경과 유사한 속성을 가짐) 중 어느 하나일 수도 있거나 또는 가요성 부분과 강성 부분 둘 모두의 커스터마이징된 조합을 포함할 수도 있다. 복강경 검사를 위해 설계되는 경우, 강성의 가늘고 긴 샤프트의 원위 단부는, 회전 축을 갖는 클레비스로부터 형성되는 관절식 손목(jointed wrist) 및 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 응답하여 구동 입력부가 회전함에 따라 힘줄로부터의 힘에 기초하여 작동될 수도 있는, 예를 들면, 그라스퍼(grasper) 또는 가위와 같은 수술 도구를 포함하는 엔드 이펙터에 연결될 수도 있다. 내시경 검사를 위해 설계되는 경우, 가요성의 가늘고 긴 샤프트의 원위 단부는, 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 기초하여 굴곡될 수도 있고 관절 운동할(articulated) 수도 있는 조향 가능한 또는 제어 가능한 굴곡 섹션(bending section)을 포함할 수도 있다.

기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71) 내의 힘줄을 사용하여 가늘고 긴 샤프트(71) 아래로 전달된다. 견인 와이어(pull wire)와 같은 이들 개개의 힘줄은, 기구 핸들(72) 내의 개개의 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수도 있다. 핸들(72)로부터, 힘줄은 가늘고 긴 샤프트(71) 내의 하나 이상의 견인 내강(pull lumen) 아래로 향하고 가늘고 긴 샤프트(71)의 원위 부분에 고정된다. 복강경 검사에서, 이들 힘줄은 손목, 그라스퍼 또는 가위와 같은 원위에 장착되는 엔드 이펙터에 커플링될 수도 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄에 장력을 전달할 것이고, 그에 의해, 엔드 이펙터로 하여금 어떤 방식으로 작동하게 할 것이다. 복강경 검사에서, 힘줄은 관절로 하여금 축 주위로 회전하게 할 수도 있고, 그에 의해, 엔드 이펙터로 하여금 하나의 방향 또는 다른 방향으로 움직이게 할 수도 있다. 대안적으로, 힘줄은 가늘고 긴 샤프트(71)의 원위 단부에 그라스퍼의 하나 이상의 조(jaw)에 연결될 수도 있는데, 여기서 힘줄로부터의 장력은 그라스퍼를 닫히게 한다.

내시경 검사에서, 힘줄은, 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정부를 통해 (예를 들면, 원위 단부에서) 연장 샤프트(71)를 따라 배치되는 굴곡 또는 관절 운동 섹션에 커플링될 수도 있다. 굴곡 섹션의 원위 단부에 고정되어 부착되는 경우, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄 아래로 전달되어, 더 부드러운 굴곡 섹션(때때로 관절 섹션 또는 영역으로 지칭됨)으로 하여금 굴곡되거나 또는 관절 운동하게 한다. 비 굴곡 섹션을 따라서는, 견인 와이어에서의 장력으로부터 유래하는 방사상 힘의 균형을 맞추기 위해, 개개의 힘줄을 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 내부에서) 안내하는 개개의 견인 내강을 나선형으로 나아가게 하는 또는 나선 모양으로 나아가게 하는 것이 유리할 수도 있다. 그들 사이의 간격 및/또는 나선형 형상(spiraling)의 각도는 특정한 목적을 위해 수정 또는 설계될 수도 있는데, 더 조밀한 나선형 형상은 부하 힘(load force) 하에서 더 적은 샤프트 압축을 나타내고, 한편 더 적은 양의 나선형 형상은 부하 힘 하에서 더 큰 샤프트 압축을 나타내지만, 제한된 굴곡을 또한 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부에서, 소망되는 굴곡 또는 관절 운동 가능한(articulable) 섹션에서 제어된 관절 운동을 허용하기 위해, 견인 내강은 가늘고 긴 샤프트(71)의 길이 방향 축에 평행하게 지향될 수도 있다.

내시경 검사에서, 가늘고 긴 샤프트(71)는 로봇 프로시져를 지원하기 위한 다수의 컴포넌트를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구, 관류, 및/또는 흡인을 배치하기 위한 작업 채널을 포함할 수도 있다. 샤프트(71)는 또한, 원위 팁에서 광학 어셈블리로/로부터의 신호를 전달하기 위해 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수도 있는데, 원위 팁은 광학 카메라를 포함할 수도 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위 방향에 위치된(proximally-located) 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위해 광섬유를 수용할 수도 있다.

기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한 진단 및/또는 치료, 관류 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수도 있다. 원위 팁은 또한 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡쳐하기 위해, 파이버 스코프 또는 디지털 카메라와 같은 카메라용 포트를 포함할 수도 있다. 관련하여, 원위 팁은 또한 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원용 포트를 포함할 수도 있다.

도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 따라서, 구동 입력부 축은 가늘고 긴 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이 배열은, 가늘고 긴 샤프트(71)에 대한 롤 성능을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지하면서 가늘고 긴 샤프트(71)를 그 축을 따라 롤링하는 것은, 힘줄이 구동 입력부(73)로부터 연장되어 연장 샤프트(71) 내에서 견인 내강에 진입함에 따라 힘줄의 바람직하지 않은 엉킴으로 나타난다. 그러한 힘줄의 결과적으로 나타나는 엉킴은 내시경 검사 프로시져 동안 가요성의 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 예측하도록 의도되는 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수도 있다.

도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 가늘고 긴 샤프트의 축에 평행한 기구 및 기구 드라이버에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시되는 바와 같이, 원형의 기구 드라이버(80)는 로봇 암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 그들의 구동 출력부(81)를 갖는 네 개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛 및 그들의 각각의 구동 출력부(81)는, 어셈블리(83) 내의 구동 유닛 중 하나에 의해 구동되는 기구 드라이버(80)의 회전 어셈블리(83)에 수용된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 어셈블리(83)는, 회전 어셈블리(83)를 기구 드라이버의 비 회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호는, 브러시형 슬립 링 연결(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의한 회전을 통해 유지될 수도 있는 전기 접촉을 통해 기구 드라이버(80)의 비 회전 부분(84)으로부터 회전 어셈블리(83)로 전달될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 회전 어셈블리(83)는, 회전 불가능 부분(84)에 통합되는, 따라서 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수도 있다. 회전 메커니즘(83)은, 기구 드라이버(80)가, 기구 드라이버 축(85) 주위의 단일의 유닛으로서, 구동 유닛 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 회전시키는 것을 허용한다.

앞서 개시된 실시형태와 같이, 기구(86)는 가늘고 긴 샤프트 부분(88) 및 기구 드라이버(80)에서 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 복수의 구동 입력부(89)(예컨대, 리셉터클, 풀리, 및 스풀)를 포함하는 (논의 목적을 위해 투명한 외부 스킨을 가지고 도시되는) 기구 베이스(87)를 포함할 수도 있다. 앞서 개시된 실시형태와는 달리, 기구 샤프트(88)는, 도 13의 설계에서와 같이 직교하는 대신, 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 축을 갖는 기구 베이스(87)의 중심으로부터 연장된다.

기구 드라이버(80)의 회전 어셈블리(83)에 커플링될 때, 기구 베이스(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전 어셈블리(83)와 결합되어 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 베이스(87)의 중심에 배치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착시 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 어셈블리(83)의 회전은 기구 샤프트(88)로 하여금 그 자신의 길이 방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 또한, 기구 베이스(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 베이스(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결되는 어떠한 힘줄도 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은, 어떠한 제어 힘줄도 엉키게 하지 않으면서 샤프트 회전을 허용한다.

E. 내비게이션 및 제어.

전통적인 내시경 검사는, 관내 안내(endoluminal guidance)를 오퍼레이터 의사에게 제공하기 위해, (예를 들면, C 암을 통해 전달될 수도 있는 바와 같은) 형광 투시법(fluoroscopy) 및 다른 형태의 방사선 기반의 이미징 모달리티의 사용을 수반할 수도 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 기기의 양을 감소시키기 위해 비 방사선 기반의 내비게이션 및 위치 측정 수단을 제공할 수 있다. 본원에서 사용될 때, 용어 "위치 측정(localization)"은 기준 좌표 시스템에서 오브젝트의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수도 있다. 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해, 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 커맨드 데이터와 같은 기술이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다. 방사선 기반의 이미징 모달리티가 여전히 사용되는 다른 경우에서, 전적으로 방사선 기반의 이미징 모달리티를 통해 획득되는 정보를 향상시키기 위해, 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 커맨드 데이터는 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다.

도 15는, 예시적인 실시형태에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 엘리먼트의 위치를 추정하는 위치 측정 시스템(90)을 예시하는 블록도이다. 위치 측정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 디바이스의 세트일 수도 있다. 컴퓨터 디바이스는, 상기에서 논의되는 하나 이상의 컴포넌트에서 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터 판독 가능 메모리에 의해 구현될 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 디바이스는 도 1에서 도시되는 타워(30), 도 1 내지 도 4에서 도시되는 카트, 도 5 내지 도 10에서 도시되는 베드, 등등에 있을 수도 있다.

도 15에서 도시되는 바와 같이, 위치 측정 시스템(90)은, 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하기 위해 입력 데이터(91 내지 94)를 프로세싱하는 위치 측정 모듈(95)을 포함할 수도 있다. 위치 데이터(96)는 기준의 프레임에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 방위를 나타내는 데이터 또는 로직일 수도 있다. 기준의 프레임은 환자의 해부학적 구조에 대한 또는 EM 필드 생성기와 같은 공지된 오브젝트에 대한 기준의 프레임일 수 있다(EM 필드 생성기에 대해서는 하기의 논의 참조).

이제, 다양한 입력 데이터(91-94)가 더욱 상세하게 설명된다. 저선량(low dose) CT 스캔의 집합(collection)의 사용을 통해 수술 전 매핑이 달성될 수도 있다. 수술 전 CT 스캔은, 예를 들면, 환자의 내부 해부학적 구조의 절개도의 "슬라이스"로서 시각화되는 삼차원 이미지로 재구성된다. 집합적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의, 해부학적 강(cavity), 공간 및 구조에 대한 이미지 기반의 모델이 생성될 수도 있다. 중심 라인 지오메트리와 같은 기술은 CT 이미지로부터 결정 및 근사되어, 수술 전 모델 데이터(91)로 지칭되는 환자의 해부학적 구조의 삼차원 볼륨을 발생시킬 수도 있다. 중심 라인 지오메트리의 사용은 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의되는데, 이 특허 출원의 내용은 그 전체가 본원에 통합된다. 네트워크 토폴로지 모델은 또한 CT 이미지로부터 유도될 수도 있으며, 특히 기관지경 검사에 적합하다.

몇몇 실시형태에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 갖출 수도 있다. 위치 측정 모듈(95)은 하나 이상의 비전 기반의 위치 추적을 가능하게 하기 위해 비전 데이터를 프로세싱할 수도 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터는 의료 기구(예를 들면, 내시경 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진)의 컴퓨터 비전 기반의 추적을 가능하게 하기 위해 비전 데이터(92)와 연계하여 사용될 수도 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 이동의 예상 경로에 기초하여 모델로부터 예상된 내시경 검사 이미지의 라이브러리를 생성할 수도 있는데, 각각의 이미지는 모델 내의 위치에 링크된다. 수술 중에, 카메라(예를 들면, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡쳐되는 실시간 이미지를 이미지 라이브러리에 있는 것들에 비교하여 위치 측정을 지원하기 위해, 이 라이브러리는 로봇 시스템에 의해 참조될 수도 있다.

다른 컴퓨터 비전 기반의 추적 기술은 피쳐 추적을 사용하여 카메라의, 따라서 내시경의 모션을 결정한다. 위치 측정 모듈(95)의 몇몇 피쳐는, 수술 전 모델 데이터(91)에서 해부학적 내강에 대응하는 원형의 기하학적 형상을 식별할 수도 있고 그들 기하학적 형상의 변화를 추적하여 어떤 해부학적 내강이 선택되었는지 뿐만 아니라, 카메라의 상대적 회전 및/또는 병진 모션을 결정할 수도 있다. 토폴로지 맵의 사용은, 비전 기반의 알고리즘 또는 기술을 더욱 향상시킬 수도 있다.

다른 컴퓨터 비전 기반의 기술인 광학적 흐름(optical flow)은, 카메라 움직임을 유추하기 위해 비전 데이터(92)의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석할 수도 있다. 광학적 흐름 기술의 예는 모션 검출, 객체 분할 계산, 휘도, 모션 보상 인코딩, 스테레오 디스패리티 측정, 등등을 포함할 수도 있다. 다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라의(따라서 내시경의) 움직임 및 위치가 결정될 수도 있다.

위치 측정 모듈(95)은, 수술 전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 위치 맞춤될 수도 있는 글로벌 좌표 시스템에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수도 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예를 들면, 내시경 검사 도구)에서 하나 이상의 위치 및 방위에 매립되는 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 EM 센서(또는 추적기)는, 공지된 위치에 배치되는 하나 이상의 정적 EM 필드 생성기에 의해 생성되는 EM 필드에서의 변동을 측정한다. EM 센서에 의해 검출되는 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 생성기(또는 송신기)는, 매립된 센서가 검출할 수도 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수도 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에서 작은 전류를 유도하는데, 이것은 분석되어 EM 센서와 EM 필드 생성기 사이의 거리 및 각도를 결정할 수도 있다. 이들 거리 및 방위는, 좌표 시스템에서의 단일의 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델에서의 위치에 정렬하는 기학학적 변환을 결정하기 위해 환자 해부학적 구조(예를 들면, 수술전 모델)에 수술 중에 "위치 맞춤될" 수도 있다. 일단 위치 맞춤되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예를 들면, 내시경의 원위 팁)에 있는 매립된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수도 있다.

로봇 커맨드 및 운동학 데이터(94)는 로봇 시스템에 대한 위치 측정 데이터(96)를 제공하기 위해 위치 측정 모듈(95)에 의해 또한 사용될 수도 있다. 관절 운동 커맨드로부터 유래하는 디바이스 피치(pitch) 및 요(yaw)는 수술 전 캘리브레이션 동안 결정될 수도 있다. 수술 중에, 이들 캘리브레이션 측정은 기구의 위치를 추정하기 위해 공지된 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용될 수도 있다. 대안적으로, 이들 계산은 네트워크 내에서의 의료 기구의 위치를 추정하기 위해 EM, 비전, 및/또는 토폴로지 모델링과 조합하여 분석될 수도 있다.

도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치 측정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들면, 비록 도 15에서 도시되지는 않지만, 형상 감지 파이버(shape-sensing fiber)를 활용하는 기구는, 위치 결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하기 위해 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.

위치 측정 모듈(95)은 입력 데이터(91-94)를 조합(들)에서 사용할 수도 있다. 몇몇 경우에, 그러한 조합은, 위치 측정 모듈(95)이 입력 데이터(91-94)의 각각으로부터 결정되는 위치에 신뢰도 가중치를 할당하는 확률론적 접근법을 사용할 수도 있다. 따라서, (EM 간섭이 존재하는 경우에 그럴 수도 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰 가능하지 않을 수도 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정되는 위치의 신뢰도는 감소될 수 있고, 위치 측정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 커맨드 및 운동학 데이터(94)에 더 크게 의존할 수도 있다.

상기에서 논의되는 바와 같이, 본원에서 논의되는 로봇 시스템은, 상기 기술 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수도 있다. 타워, 베드, 및/또는 카트에 기반을 둔 로봇 시스템의 컴퓨터 기반의 제어 시스템은, 예를 들면, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 또는 등등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 내에, 실행시, 시스템으로 하여금, 센서 데이터 및 유저 커맨드를 수신 및 분석하게 하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하게 하고, 글로벌 좌표 시스템, 해부학적 구조 맵, 등등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치 측정 데이터를 디스플레이하게 하는 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수도 있다.

2. 지시되지 않은 기구 롤 수정에 대한 소개

본 개시의 실시형태는, 지시되지 않은 기구 움직임을 수정하기 위해 사용될 수 있는 시스템 및 기술에 관한 것으로, 그 시스템 및 기술은, 소정의 실시형태에서, 지시되지 않은 기구 롤을 수정하는 것을 수반한다. 오퍼레이터(예를 들면, 의사, 외과 의사, 기관지경사(bronchoscopist), 또는 로봇 제어 시스템)가 환자의 신체 내부에서 가요성 관형 기구를 제어하는 경우, 기구는 기구의 방위를 변화시키는 방식으로 움직일 수도 있다. 예를 들면, 기구는 오퍼레이터의 커맨드(들)와 무관하게 (예를 들면, 기구의 길이 방향 축에 대하여) 롤링 또는 회전할 수도 있다. 그러한 지시되지 않은 움직임은, 예를 들면, 가요성 관형 기구가 기관내 튜브(endotracheal tube)를 통해 삽입될 때 및/또는 기구가 만곡된 해부학적 구조체를 통과하여 자신의 형상을 그 구조체에 일치시킬 때와 같은 다양한 상황에서 발생할 수도 있다. 지시되지 않은 롤이 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 오퍼레이터가 소망하거나 또는 기대하는 것과 일치하지 않게 만들 수도 있기 때문에, 이 지시되지 않은 롤은 가요성 관형 기구의 오퍼레이터에게 하나 이상의 조정 문제를 제기할 수 있다. 본원에서 개시되는 소정의 실시형태는 그러한 의도되지 않은 기구 움직임을 수정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

상기에서 논의되는 바와 같이, 전자기(EM) 데이터는 의료 기구(예를 들면, 조향 가능한 기구)의 내비게이션 및 위치 측정을 위해 본원에서 논의되는 실시형태에 의해 사용될 수도 있다. EM 데이터는 의료 기구 내에 위치되는 하나 이상의 EM 센서 및/또는 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치 센서에 의해 생성될 수도 있다. 도 16은 EM 데이터를 사용하여 지시되지 않은 롤을 검출 및/또는 수정하기 위해 개시된 시스템 및 기술의 하나 이상의 양태를 구현하는 예시적인 동작 환경(100)을 예시한다. 동작 환경(100)은 환자를 지지하는 테이블(38), EM 센서(105)(하기에서 논의되는 바와 같은 의료 기구 상에 위치되는 EM 기구 센서와 구별되도록, "EM 패치 센서"로도 또한 지칭됨) 및 EM 필드 생성기(110)를 포함한다. 추가적인 디바이스/엘리먼트도 또한 포함될 수도 있지만, 그러나 도 16에서 예시되지는 않는다. 예를 들면, 환경(100)은 또한, 다른 것들 중에서도, 의료 기구의 움직임을 안내하도록 구성되는 로봇 시스템, 로봇 시스템의 동작을 제어하기 위한 커맨드 센터 또는 콘솔, 및 EM 컨트롤러:를 포함할 수도 있다. EM 컨트롤러는 EM 패치 센서(105)에 전기적으로 연결되어 그로부터 EM 센서 신호를 수신할 수도 있다. EM 컨트롤러는 또한, EM 필드 생성기(110)에 연결되어 EM 필드를 생성하기 위한 제어 신호를 EM 필드 생성기(110)에 제공할 수도 있다. 소정의 실시형태에서, EM 컨트롤러는, EM 필드 생성기(110), 카트(11)(도 1 참조), 및/또는 타워(30)(도 1 참조)를 비롯한, 시스템의 다른 프로세싱 디바이스 중 하나 이상으로, 부분적으로 또는 완전히, 통합될 수도 있다.

포함되는 경우, EM 컨트롤러는 변동하는 EM 필드를 생성하도록 EM 필드 생성기(110)를 제어할 수도 있다. EM 필드는, 실시형태에 따라, 시변할 수도 있고 및/또는 공간적으로 변할 수도 있다. EM 필드 생성기(110)는, 도 2에서 예시되는 카트(11)와 유사하게, 카트 상에 위치될 수도 있거나, 또는 하나 이상의 지지 칼럼을 통해 테이블(38)의 레일에 부착될 수도 있다. 다른 실시형태에서, EM 필드 생성기(110)는, 예를 들면, 도 1의 수술용 로봇 시스템(10)에서 도시되는 것들과 유사한 로봇 암 상에 장착될 수도 있는데, 이것은 환자 주위에서 유연한 셋업 옵션을 제공할 수 있다. EM 필드 생성기(110)는, 사용시 EM 패치 센서(105)가 내부에 배치될 수도 있는 관련된 작업 볼륨을 구비할 수도 있다.

EM 공간 측정 시스템은, EM 센서 코일, 예를 들면, (도 16에서 도시되는 바와 같은) EM 패치 센서(105) 또는 (도 18에 도시되고 하기에서 논의되는 바와 같은) EM 기구 센서(305)와 함께 임베딩되는 또는 그것을 구비하는 EM 필드 내의 오브젝트의 위치를 결정할 수도 있다. EM 센서가 본원에서 설명되는 바와 같이 제어된 가변 EM 필드 내에 배치되는 경우, EM 센서에 포함되는 센서 코일(들)에서 전압이 유도된다. 이들 유도된 전압은, EM 센서 및 따라서 EM 센서를 갖는 오브젝트의 위치 및 방위를 계산하기 위해 EM 공간 측정 시스템에 의해 사용될 수 있다. EM 필드가 낮은 필드 강도를 가지며 인간 조직을 안전하게 통과할 수 있기 때문에, 광학적 공간 측정 시스템의 시선 제약 없이 오브젝트의 위치 측정이 가능하다. EM 필드는 EM 필드 생성기(110)의 좌표 프레임에 대해 정의될 수도 있고, 내강 네트워크의 3D 모델의 좌표 프레임은 EM 필드의 좌표 프레임에 매핑될 수 있거나 또는 등록될 수 있다. EM 공간 측정 시스템은, 예를 들면, 로봇 제어식 시스템(예를 들면, 시스템 10, 36 또는 47), 기구 드라이버(예를 들면, 기구 드라이버(62)), 컨트롤러(예를 들면, 제어 회로부(68)), 콘솔(예를 들면, 콘솔(16 또는 31)), 및/또는 콘솔 베이스(예를 들면, 카트 베이스(15)), 또는 이들의 컴포넌트(들)에서 구현될 수도 있다.

도 16에서 도시되는 바와 같이, 다수의 EM 패치 센서(105)가 환자의 신체 상에 또는 근처에(예를 들면, 내강 네트워크(140)의 영역 내에, 도 17 참조)에 배치될 수도 있다. 이들 위치에서의 상이한 변위를 추적하기 위해, 다수의 상이한 EM 패치 센서(105)가 신체 표면 상에서 떨어져 이격될 수도 있다. 예를 들면, 폐의 주변부는 중앙 기도보다 호흡에 기인하여 더 큰 모션을 보일 수도 있으며, 도시되는 바와 같이 다수의 EM 패치 센서(105)를 제공하는 것은 이들 모션 효과의 더욱 정확한 분석을 가능하게 할 수 있다. 이것은 내강 네트워크(140)의 상이한 영역을 통해 이동할 수도 있는 내시경의 원위 단부의 정확한 추적을 허용할 수도 있고 , 따라서 그것이 이들 상이한 영역을 통해 이동함에 따라 환자 호흡에 기인하는 다양한 레벨의 변위를 경험할 수도 있다.

EM 패치 센서(105)로부터 수신되는 EM 센서 신호는, EM 필드 생성기(110)에 대한 EM 패치 센서(105)의 위치 및 방위를 결정하기 위해 사용될 수도 있다. EM 패치 센서(105)는, 패치 센서의 각각에 대한 5 개의 자유도 DoF 데이터(예를 들면, 3 개의 위치 DoF 및 2 개의 각도 DoF) 또는 6 개의 DoF 데이터(예를 들면, 3 개의 위치 DoF 및 3 개의 각도 DoF)를 제공할 수도 있다.

도 17은, 예를 들면, 도 16의 동작 환경(100)에서 내비게이팅될 수 있는 예시적인 내강 네트워크(140)를 예시한다. 예시되는 바와 같이, 내강 네트워크(140)는 환자의 기도(150)의 분기된 구조체 및 진단 및/또는 치료를 위해 본원에 설명되는 바와 같이 액세스될 수 있는 결절(155)을 포함한다. 이 예에서, 결절(155)은 기도(150)의 주변에 위치된다. 내시경(115)은 시스(120) 및 리더(145)를 포함할 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 시스(120) 및 리더(145)는 텔레스코픽 방식으로 배열될 수도 있다. 예를 들면, 리더(145)는 시스(120)의 작업 채널 내부에 슬라이딩 가능하게 배치될 수도 있다. 시스(120)는 제1 직경을 가질 수 있고, 그것의 원위 단부는 더 작은 직경의 기도(150)를 통해 결절(155) 주위에 배치될 수 없을 수도 있다. 따라서, 리더(145)는 시스(120)의 작업 채널로부터 결절(155)까지의 잔여 거리를 연장하도록 구성될 수 있다. 리더(145)는 기구, 예를 들면, 생검 바늘, 세포 검사 브러시(cytology brush), 및/또는 조직 샘플링 포셉(tissue sampling forcep)이 결절(155)의 목표 조직 부위로 전달될 수 있는 내강을 구비할 수도 있다. 그러한 구현예에서, 시스(120)의 원위 단부 및 리더(145)의 원위 단부 둘 모두는 기도(150) 내에서의 그들의 위치를 추적하기 위한 EM 기구 센서(예를 들면, 도 18의 EM기구 센서(305))를 구비할 수 있다. 시스(120) 및 리더(145)의 이러한 텔레스코픽 배열(telescopic arrangement)은, 몇몇 실시형태에서, 내시경(115)의 더 얇은 설계를 허용할 수도 있고 시스(120)를 통해 구조적 지지를 제공하면서 내시경(115)의 굴곡 반경을 개선시킬 수도 있다.

다른 실시형태에서, 내시경(115)의 전체 직경은 텔레스코픽 배열 없이 주변부에 도달하기에 충분히 작을 수도 있거나, 또는 (예를 들면, 2.5 내지 3 cm 이내의) 주변부에 가까이 가서 조향 불가능한 카테터를 통해 의료 기구를 배치하기에 충분히 작을 수도 있다. 내시경(115)을 통해 배치되는 의료 기구에는 EM 기구 센서(예를 들면, 도 18의 EM 기구 센서(305))를 갖출 수도 있고, 하기에 설명되는 위치 필터링 및 안전 모드 내비게이션 기술이 그러한 의료 기구에 적용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 3D 내강 네트워크 모델의 2D 디스플레이, 또는 3D 모델의 단면은 도 17과 유사할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 내비게이션 안전 구역 및/또는 내비게이션 경로 정보는 그러한 표현 상으로 오버레이될 수 있다.

도 18은, 본원에서 설명되는 바와 같은 이미징 및 EM 감지를 성능을 포함할 수 있는 예시적인 기구(예를 들면, 도 17의 내시경(115), 시스(120), 또는 리더(145), 및/또는 도 1의 의료 기구(70) 또는 내시경(13))의 원위 단부(300)를 예시한다. 그러나, 본 개시의 양태는, 도 3의 요관경(32), 도 9의 복강경(59), 등등과 같은 다른 조향 가능한 기구의 사용에 관한 것일 수도 있다. 도 18에서 도시되는 바와 같이, 기구의 원위 단부(300)는 이미징 디바이스(315), 조명 소스(310), 및 EM 센서(305)의 코일의 단부를 포함할 수 있다. 원위 단부(300)는, 기구의 원위 단부(300) 근처의 영역으로의 접근을 허용하는, 도구(예를 들면, 생검 바늘, 세포 검사 브러시, 및 포셉)가 기구 샤프트를 따라 삽입될 수도 있는 기구의 작업 채널(320)로의 개구를 더 포함할 수 있다.

조명 소스(310)은 해부학적 공간의 일부분을 조명하기 위한 광을 제공할 수 있다. 조명 소스 각각은, 선택된 파장 또는 파장의 범위에서 광을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 발광 디바이스일 수 있다. 파장은 임의의 적절한 파장, 예를 들면, 몇몇 예를 거론하자면, 가시 스펙트럼 광, 적외선 광, (예를 들면, 형광 투시를 위한) x 선일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조명 소스(310)는 원위 단부(310)에 또는 그 근처에 위치되는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조명 소스(310)는, 원격 광원, 예를 들면, X 선 생성기로부터의 광을 원위 단부(300)를 통해 투과시키기 위한, 내시경의 길이를 통해 연장되는 하나 이상의 광섬유 파이버를 포함할 수 있다. 원위 단부(300)가 다수의 조명 소스(310)를 포함하는 경우, 이들 각각은 동일한 또는 상이한 파장의 광을 방출하도록 구성될 수 있다.

이미징 디바이스(315)는, 수신된 광을 나타내는 에너지를 전기 신호로 변환하도록 구성되는 임의의 감광성 기판 또는 구조체, 예를 들면, 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor; CMOS) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(315)의 몇몇 예는, 내시경의 원위 단부(300)로부터의 이미지를 내시경의 근위 단부에 있는 접안렌즈(eyepiece) 및/또는 이미지 센서로 송신하도록 구성되는 하나 이상의 광섬유, 예를 들면, 광섬유 번들을 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(315)는 다양한 광학 설계를 위해 필요로 되는 바와 같은 하나 이상의 렌즈 및/또는 파장 통과 또는 차단 필터를 추가적으로 포함할 수 있다. 조명 소스(310)로부터 방출되는 광은, 이미징 디바이스(315)가 환자의 내강 네트워크 내부의 이미지를 캡쳐하는 것을 허용한다. 그 다음, 이들 이미지는 개개의 프레임 또는 일련의 연속 프레임(예를 들면, 비디오)으로서 프로세싱 및/또는 디스플레이를 위해 커맨드 콘솔과 같은 컴퓨터 시스템으로 송신될 수 있다.

원위 단부(300) 상에 위치되는 EM 센서(305)는, 내시경이 해부학적 시스템 내에 위치되는 동안, 내시경의 원위 단부(300)의 위치 및/또는 방위를 검출하기 위해 EM 추적 시스템과 함께 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, EM 센서(305)는 상이한 축을 따라 EM 필드에 대한 감도를 제공하도록 기울어져서, 개시된 내비게이션 시스템에게 완전한 6 개의 DoF: 세 개의 위치 DoF 및 세 개의 각도 DoF를 측정하는 능력을 제공할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 축이 내시경의 내시경 샤프트를 따라 배향된 단일의 코일 또는 센서만이 원위 단부(300) 상에 또는 그 내에 배치될 수도 있다. 단일의 EM 코일 또는 센서만이 기구의 원위 단부(300) 상에 배치되어, 시스템을 그 축(예를 들면, 자신의 길이 방향 축)에 대해 대칭으로 만드는 경우, 시스템은 그 축에 대한 하나 이상의 롤을 검출할 수 없을 수도 있는데, 그 이유는, 그러한 롤(들)이 단일의 코일 또는 센서에 걸쳐 자속(magnetic flux) 또는 전기 플럭스(electric flux)를 변화시키지 않기 때문이다. 그러한 시스템의 회전 대칭에 기인하여, 그것은 그 축을 중심으로 하는 롤링에 대해 둔감할 수도 있고, 따라서 그러한 구현예에서 5 개의 DoF만이 검출될 수도 있다. 평행하지 않은 대칭 축(예를 들면, 서로 직교하는 대칭 축)을 갖는 두 개 이상의 코일 또는 센서를 시스템이 포함하는 경우, 시스템은 그 축에 대한 롤(들)에 민감할 수도 있다. 축에 대한 롤(들)에 민감하지 않은 하나 이상의 EM 코일 또는 센서를 갖는 시스템의 경우, 지시되지 않은 롤은 EM 코일 이외의 하나 이상의 센서 또는 검출기를 통해 검출될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 지시되지 않은 롤은 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(315) 또는 기구의 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 이미징 디바이스)로부터의 하나 이상의 이미지를 분석하는 것에 의해 결정될 수도 있다.

도 19a 및 도 19b는 예시적인 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(350), 의료 기구(70) 또는 도 1의 내시경(13))의 팁 기준 프레임, 시각적 기준 프레임, 제어 기준 프레임, 및 소망되는 기준 프레임을 예시한다. 도 19a는 삼차원(3D) 공간에서의 의료 기구(350)의 팁 기준 프레임(360) 및 소망되는 기준 프레임(368)을 도시한다. 의료 기구(350)는 도 18에서 도시되는 의료 기구의 원위 단부(300)의 것들과 유사한 하나 이상의 컴포넌트(예를 들면, 이미징 디바이스(356) 및/또는 EM 센서 코일(358))를 포함하는 원위 팁(352)을 갖는다. 의료 기구(350)는 또한 기구(350)의 원위 팁(352)을 조작하거나 또는 관절 운동시키도록 구성되는 하나 이상의 견인 와이어(354)를 포함할 수도 있다. 팁 기준 프레임(360)은 기구(350)의 원위 단부(352)의 방위를 나타낼 수도 있다. 팁 기준 프레임(360)은 x 축(362), y 축(364) 및 z 축(366)을 포함한다. 하기에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 팁 기준 프레임(360)은 하나 이상의 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(356)), 위치 센서(예를 들면, EM 패치 센서(105)), EM 코일(예를 들면, EM 센서 코일(358), 임의의 다른 적절한 센서(예를 들면, 중력 또는 기구(350)의 다른 모션을 측정하는 가속도계), 또는 이들의 조합에 의해 결정될 수도 있다.

소망되는 기준 프레임(368)은 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에 대한 조정이 기초로 하는 기준 프레임일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 소망되는 기준 프레임(368)은, 시스템 또는 오퍼레이터가 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환하려고 목표로 삼는 목표 기준 프레임일 수도 있다. 시스템은 트리거 - 예컨대 (유저 입력으로부터 개시되고 수신될 수도 있는 바와 같은) 요청 - 에 기초하여 이 변환이 실행되게 할 수 있거나 또는 시스템은, 의료 프로시져 동안 일치하는 뷰 및 제어가 유지되도록, 이 변환이 지속적으로 실행되게 할 수 있다. 소망되는 기준 프레임(368)은 해부학적 구조 기준 프레임(anatomical frame of reference)(예를 들면, 해부학적 구조 피쳐에 의해 결정되는 기준 프레임) 또는 월드 기준 프레임(world frame of reference)(예를 들면, 중력 방향에 의해 결정되는 기준 프레임)일 수도 있다. 도 19a에서, 소망되는 기준 프레임(368)은, 정점(369)이 기준 방향(예를 들면, 상방 방향 또는 z 방향)을 가리키는 삼각형 피라미드에 의해 표현된다.

도 19b는, 의료 기구(350)의 원위 단부(352)에 있는 이미징 디바이스(356)로부터의 하나 이상의 이미지에서 도시되는 바와 같이 의료 기구(350)의 소망되는 기준 프레임(368), 시각적 기준 프레임(380), 및 제어 기준 프레임(390)을 예시한다. 시각적 기준 프레임(380)은 의료 디바이스(350)의 이미징 디바이스(356)로부터 캡쳐되는 이미지로부터 생성되는 출력 이미지의 방위를 나타낸다. 도 19b에서, 시각적 기준 프레임(380)은, 시각적 기준 프레임(380)에서 도시되는 삼각형 피라미드에 의해 표현되는, 소망되는 제어 기준 프레임(368)에 정렬된다. 다시 말하면, 상방 방향을 나타내는 삼각형 피라미드의 정점(369)은 시각적 기준 프레임(380)의 상방 방향에 대응한다. 시각적 기준 프레임(380)은, 지시되지 않은 롤 동안 경험될 수도 있는 바와 같이, 팁 기준 프레임(360)에 대한 변화에도 불구하고 출력 이미지가 소망되는 기준 프레임(368)과 일치하는 방식으로 팁 기준 프레임(360)에 대한 변화에 기초하여 조정될 수도 있다는 것이 주목되고, 하기에서 추가로 설명된다.

제어 기준 프레임(390)은 모터 제어 커맨드와 기구(350)의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 데이터이다. 도 19b에서, 제어 기준 프레임(390)은 제어 프레임 표시자(392, 394, 396, 및 398)에 의해 표현된다. 제어 프레임 표시자(392, 394, 396, 및 398)는, 제어 입력이 의료 디바이스(350)로 하여금 작동하게 할 움직임의 방향을 예시하기 위해 도시되는 것에 불과하다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들면, 유저 입력 디바이스에서 상방 방향을 누르는 것은, 의료 디바이스(350)의 팁으로 하여금, 제어 프레임 표시자(392)에 의해 표현되는 방식으로 위쪽으로 작동되게 할 것이다. 몇몇 실시형태에서, 제어 프레임 표시자(392, 394, 396, 및 398)는 스크린 상에서 디스플레이될 수도 있다. 그들 실시형태에서, 제어 프레임 표시자(392, 394, 396, 및 398)는, 오퍼레이터(예를 들면, 의사, 외과 의사, 기관지경사, 또는 로봇 제어 시스템)가 의료 기구(350)에게 이동할 것을 지시할 수도 있는 방향(예를 들면, 각각 상, 하, 좌, 우)을 나타내는 하나 이상의 형상(예를 들면, 화살표, 도트, 또는 삼각형)을 포함할 수도 있다. 시각적 기준 프레임(380)과 유사하게, 제어 기준 프레임(390)은, 지시되지 않은 롤 동안 경험될 수도 있는 바와 같이, 팁 기준 프레임(360)의 변화에도 불구하고 모터 제어 커맨드가 소망되는 기준 프레임(368)과 일치하는 방식으로 팁 기준 프레임(360)에 대한 변화에 기초하여 조정될 수도 있다는 것이 주목되고, 하기에서 추가로 설명된다.

도 20a 및 도 20b는, 예시적인 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(450))의 팁 기준 프레임(460), 시각적 기준 프레임(480), 제어 기준 프레임(490) 및 소망되는 기준 프레임(468)에서의 변화를 예시한다. 도 20a는 지시되지 않은 롤이 발생하였지만 그러나 어떠한 수정도 이루어지지 않은 3D 공간에서의 의료 기구(450)의 팁 기준 프레임(460) 및 소망되는 기준 프레임(468)을 도시한다. 예시된 예에서, 의료 기구(450)의 원위 팁(452)은, 지시되지 않은 롤에 기인하여 원위 팁(452)이 대각선적으로 배향되는 것을 도시한다. 따라서, x 축(462), y 축(464) 및 z 축(466)을 포함하는 팁 기준 프레임(460)도 또한 대각선 방향으로 배향된다. 소망되는 기준 프레임(468)은 정점(469)이 위쪽을 가리키는 삼각형 피라미드에 의해 표현된다.

도 20b는, 역시 어떠한 수정도 없는 도 20a에서 예시되는 지시되지 않은 롤에 기초한, 의료 기구(450)의 원위 단부(452)에 있는 이미징 디바이스(456)로부터의 하나 이상의 이미지에서 도시되는 바와 같은 의료 기구(450)의 소망되는 기준 프레임(468), 시각적 기준 프레임(480), 및 제어 기준 프레임(490)을 예시한다. 도 20b에서 도시되는 바와 같이, 의료 기구(450)의 시각적 기준 프레임(480), 및 제어 기준 프레임(490)(제어 프레임 표시자(492, 494, 496, 및 498)에 의해 표현됨)은 소망되는 기준 프레임(368)과 일치하지 않는다. 그러한 불일치는 엔드 유저에 대한 방위 상실 경험(disorienting experience)으로 나타날 수도 있다. 예를 들면, 롤을 지시하지 않은 상태에서, 의료 디바이스에 의해 디스플레이되는 이미지는 엔드 유저의 기대와 일치하지 않는 방위에 있을 것이다. 이 예에서 알 수 있는 바와 같이, 제어 프레임 표시자(492)(몇몇 실시형태에서, 오퍼레이터가 기대하는 제어 프레임 표시자(492)는 상방 방향일 것이다)는, 의료 기구(450)의 지시되지 않은 롤에 기인하여, (정점(469)에 의해 나타내어지는 바와 같이) 소망되는 기준 프레임(468)의 상방 방향과 정렬되지 않는다.

도 20a 및 도 20b와는 대조적으로, 도 21a 및 도 21b는, 지시되지 않은 롤에 대한 수정 이후의 예시적인 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(450))의 팁 기준 프레임(460'), 시각적 기준 프레임(480'), 제어 기준 프레임(490'), 및 소망되는 기준 프레임(468')을 예시한다. 도 21a는 3D 공간에서 의료 기구(450)의 팁 기준 프레임(460)(x 축(462), y 축(464) 및 z 축(466)에 의해 표현됨) 및 소망되는 기준 프레임(468)을 도시한다. 지시되지 않은 롤에 대한 수정은, 하기에서 설명될, 시각적 기준 프레임(480) 및 제어 기준 프레임(468)에 대한 하나 이상의 조정을 포함할 수도 있고, 몇몇 실시형태에서, 시각적 기준 프레임(480) 및 제어 기준 프레임(490)에 대한 조정은 팁 기준 프레임(460)에서의 변화(들) 없이 발생할 수도 있다. 도 20b는, 지시되지 않은 롤 수정 이후 의료 기구(450)의 원위 단부(452)에 있는 이미징 디바이스(456)로부터의 하나 이상의 이미지에서 도시되는 바와 같은 (제어 프레임 표시자(492', 494', 496', 및 498')에 의해 표현되는) 의료 기구(450)의 소망되는 기준 프레임(468'), 시각적 기준 프레임(480'), 및 제어 기준 프레임(490')을 예시한다. 조정 동안, 의료 기구(450)의 시각적 기준 프레임(480') 및 제어 기준 프레임(490)은, 정점(469)이 상방을 가리키게끔 소망되는 기준 프레임(468')을 나타내는 삼각 피라미드의 정점(469)이 디스플레이되도록 회전되고, 제어 프레임 표시자(492', 494', 496', 및 498')는 소망되는 기준 프레임(468')과 관련하여 계속해서 상, 하, 좌, 우 방향을 각각 나타낸다. 이러한 조정은, 예를 들면, 시각적 기준 프레임(480') 및 제어 기준 프레임(490')을 오퍼레이터에게 직관적인 방향으로 배향하는 것에 의해, 오퍼레이터에 의한 의료 기구(450)의 민첩하고 일관된 조작을 지원할 수도 있다. 팁 기준 프레임 및/또는 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 조정 또는 변환하기 위한 하나 이상의 방법이 하기에서 추가로 설명된다.

본 개시의 하나 이상의 양태에 따르면, 도 22는 본원에서 설명되는 바와 같은 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 예시적인 방법 또는 프로세스(600)의 플로우차트를 묘사한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 프로세스(600)는, 기구의 제어가 더욱 직관적이도록, 팁 기준 프레임 및/또는 소망되는 기준 프레임에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 조정 또는 변환하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 프로세스(600)는, 팁 기준 프레임의 위치의 기구의 지시되지 않은 롤에 관계없이, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 유저에 의해 기대되는 또는 예상되는 방향과 정렬될 수도 있다. 프로세스(600)는, 예를 들면, 로봇 제어식 시스템(예를 들면, 시스템 10, 36 또는 47), 기구 드라이버(예를 들면, 기구 드라이버(62)), 컨트롤러(예를 들면, 제어 회로부(68)), 콘솔(예를 들면, 콘솔(16 또는 31)), 및/또는 콘솔 베이스(예를 들면, 카트 베이스(15)), 또는 이들의 컴포넌트(들)에서 구현될 수 있다. 따라서, 하기에서 설명되는 프로세스(600)를 구현하는 시스템은 로봇 제어식 시스템으로 제한되지는 않는다. 몇몇 경우에, 예시적인 프로세스(600)의 하나 이상의 블록은 시스템의 유저에 의해 수행될 수도 있다.

프로세스(600)는 블록(605)에서 시작할 수도 있다. 블록(605)에서, 시스템은 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(150, 350, 또는 450))의 팁 기준 프레임(예를 들면, 도 19a의 팁 기준 프레임(360) 또는 도 20a 및 도 21a의 팁 기준 프레임(460))을 획득 또는 결정할 수도 있다. 상기의 도 19a 내지 도 21b에서 설명되는 바와 같이, 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 물리적 방위를 나타낼 수도 있다. 몇몇 양태에서, 시스템은, 예를 들면, 의료 기구상의 하나 이상의 센서로부터 팁 기준 프레임을 획득하도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 시스템은 하나 이상의 이미징 디바이스, 위치 센서, 또는 EM 코일 또는 센서로부터 데이터를 획득하고 그 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임을 계산하도록 구성될 수도 있다. 비전 기반의 예에서, 팁 기준 프레임은 하나 이상의 이미지(예를 들면, 이미징 디바이스로부터의 하나 이상의 이미지)를 분석하는 것에 의해 결정될 수도 있다. 이미지의 분석 동안, 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐가 팁 기준 프레임을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 하기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 해부학적 구조 피쳐는 수술 중 이미지 데이터에서 도시되는 피쳐를 특성 묘사하는 피쳐일 수 있다. 위치 기반의 예에서, 팁 기준 프레임은, 의료 기구 상의 위치 센서 및 환자 또는 환자 근처에 위치되는 기기(예를 들면, 수술대)에 부착되는 EM 패치 센서로부터의 데이터에 기초하여 결정될 수도 있다.

블록(610)에서, 시스템은 소망되는 기준 프레임(예를 들면, 소망되는 기준 프레임(368 또는 468))을 획득 또는 결정할 수도 있다. 팁 기준 프레임을 획득하는 것과 유사하게, 소망되는 기준 프레임은 (예를 들면, 환자의 해부학적 구조에 기초하는) 해부학적 구조 기준 프레임, (예를 들면, 중력의 방향과 같은 세상의 피쳐에 기초하는) 월드 기준 프레임, 또는 등등에 기초하여 결정될 수도 있다. 다른 실시형태는 다른 기준 프레임을 사용할 수도 있다. 소망되는 기준 프레임이 해부학적 구조 기준 프레임으로부터 결정되는 경우, 소망되는 기준 프레임은 수술 전 데이터(예를 들면, 하나 이상의 해부학적 모델)로부터 유도되는 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐 또는 해부학적 구조 피쳐의 특성에 대한 가정에 기초할 수도 있다. 예를 들면, 프로시져 이전에, 소망되는 기준 프레임을 결정하기 위한 해부학적 구조의 피쳐를 결정하기 위해 환자의 해부학적 구조의 모델이 생성되고 프로세싱될 수도 있다. 그러한 피쳐는 모델의 주어진 위치에서의 기도의 중심점의 방위에 기초할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 환자의 해부학적 구조의 모델로부터 유도되는 피쳐를 사용하는 대신, 실시형태는 환자의 해부학적 구조의 가정 또는 알려진 특성에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정할 수도 있다. 하나의 그러한 가정된 또는 알려진 특성은, 주 카리나에서 좌측 기관지와 우측 기관지의 중심 라인이 수평 축에서 실질적으로 정렬된다는 것이다. 환자의 (예를 들면, 수술 전 데이터로부터 유도되는 또는 가정되는/알려져 있는) 해부학적 구조의 피쳐에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 결정하기 위한 예시적인 프로세스가 하기의 도 25에서 설명된다.

방금 언급한 바와 같이, 몇몇 실시형태는 환자 근처에(예를 들면, 침대 상에 또는 환자의 가슴에 부착되는) 위치되는 정적 패치 센서로부터 유도되는 기준 프레임으로부터 소망되는 기준 프레임을 유도할 수도 있다. 이들 실시형태에서, 시스템은, 예를 들면, 패치 센서에 의해 형성되는 평면에 기초하여 중력의 방향을 검출할 수 있다. 예를 들면, 패치가 환자의 가슴 또는 수술 테이블의 베드 상에 배치되는 경우, 다수의 패치에 의해 형성되는 평면의 음의 z 방향은 중력의 방향인 것으로 가정될 수도 있다. 그 다음, 시스템은 소망되는 기준 프레임이 중력의 방향에 상대적이 되도록(예를 들면, 정렬되도록) 동작할 수도 있다. 소망되는 기준 프레임을 결정하기 위해 패치 센서를 사용하는 몇몇 실시형태가 도 23을 참조하여 더 상세하게 논의된다.

블록(615)에서, 시스템은 시각적 기준 프레임(예를 들면, 시각적 기준 프레임(380 또는 480)) 및/또는 제어 기준 프레임(예를 들면, 제어 기준 프레임(390 또는 490))에 대한 조정을, 소망되는 기준 프레임에 대한 현재의 팁 기준 프레임에 기초하여 결정할 수도 있다. 조정은 팁 기준 프레임과 소망되는 기준 프레임 사이의 차이에 기초하여 결정될 수 있고, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에 대한 대응하는 조정을 행할 수도 있다. 시각적 기준 프레임 및 제어 기준 프레임에 대한 조정이 소망되는 기준 프레임에 기초하여 결정되는 예시적인 조정 프로세스는, 도 19a 내지 도 21b 및 도 24a 내지 도 24d에서 설명된다.

블록(620)에서, 시스템은 결정된 조정에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 의료 기구의 길이 방향 축에 대하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 회전시키는 것에 의해, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은, 소망되는 기준 프레임과 정렬될 때까지 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 회전시키는 것에 의해, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 유저 입력에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 회전시켜 기구의 원위 단부의 롤 또는 팁 기준 프레임의 누적된 롤의 효과를 감소시키는 것에 의해 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환할 수도 있다.

블록(625)에서, 시스템은 변환된 시각적 기준 프레임 및/또는 변환된 제어 기준 프레임을 추가로 검증할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은, 기구를 하나 이상의 방향에서 이동시키는 것, 기구의 움직임에 응답하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 계산 또는 결정하는 것, 및 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에서의 실제 변화를 예상된 변화와 비교하는 것에 의해, 변환된 시각적 기준 프레임 및/또는 변환된 제어 기준 프레임을 검증할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 방향으로 기구를 이동시키는 것은, 움직임의 특정한 시퀀스에서 기구를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다. 몇몇 양태에서, 시각적 모션 검출 방법(예를 들면, 광학적 흐름)은, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 예상된 변화 사이를 비교하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 양태에서, 시각적 모션 검출 방법은, 기구의 원위 단부로부터의 이미지가 기구와 동일한 방향(또는 동일한 방식)으로 이동하였는지의 여부를 체크할 수도 있다. 몇몇 양태에서, 시스템은 비교에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 추가로 조정할 수도 있다. 검증 단계는, 예를 들면, 기구 롤이 180 도보 다 큰 경우에 특히 유용할 수도 있다.

다수의 기구가 관절 운동이 가능할 수도 있는 신축 가능한 의료 기구를 시스템이 포함하는 경우, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에 대한 유사한 조정이 이루어질 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들면, 하나의 기구에 대한 결정된 조정은 다른 기구에 적용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 개개의 신축 가능한 기구는 독립적으로 조정될 수도 있다.

관련된 양태에서, 시스템은 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 제어 프레임을 변환하도록 구성될 수도 있다. 시스템은, 의료 기구의 움직임을 결정하도록 구성되는 제어 시스템; 실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리, 및 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하며 시스템으로 하여금 적어도: 모터 제어 커맨드와 의료 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고; 의료 기구의 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(315, 356, 또는 456)) 또는 위치 센서(예를 들면, EM 코일(305 또는 358), 또는 EM 패치 센서(105, 670, 672, 또는 674))로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고; 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고; 그리고 팁 기준 프레임 및/또는 소망되는 기준 프레임에 기초하여 제어 기준 프레임을 변환하게 하는 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수도 있다.

도 23은, 하나의 실시형태에 따른, EM 패치 센서에 기초하여 결정될 수도 있는 소망되는 기준 프레임(680)을 설명한다. 도 23은 월드 기준 프레임으로부터 결정될 수도 있는 소망되는 기준 프레임을 획득하기 위한 접근법을 예시한다. 도 23에서 도시되는 바와 같이, 하나 이상의 EM 패치 센서(예를 들면, EM 패치 센서(670, 672, 및 674))는 환자 상에 또는 그 근처에(예를 들면, 도 16의 EM 패치 센서(105)에 의해 도시되는 바와 같은 환자 상에, 또는 환자가 누워 있는 베드 상에) 배치될 수도 있다. EM 패치 센서(670, 672, 및 674)는, 정점이 EM 패치 센서(670, 672, 및 674)의 위치에 있는 삼각형에 의해 표현되는 평면(676)을 형성할 수도 있다. 소망되는 기준 프레임(680)은 평면(676)에 기초하여 결정될 수도 있다. 하나의 실시형태에서, x 축(682) 및 y 축(684)은 평면(676)에 평행하거나 또는 평면 내에 있을 수도 있고, z 축(686)은 평면(676)에 수직일 수도 있다. 몇몇 양태에서, 소망되는 기준 프레임(680)은, (예를 들면, 환자가 위로 향하여 누워 있고, EM 패치 센서가 환자의 신체 상에 배치되는 경우) 기준 프레임(680)의 음의 z 축(즉, z 축(686)과 반대 방향)이 중력의 방향과 정렬되거나 또는 적어도 대략적으로 일치할 수도 있도록 하는 그러한 것일 수도 있다.

해부학적 구조 기반의 접근법을 사용하여 시각적 기준 프레임 및 제어 기준 프레임을 조정하는 것이 이제 논의될 것이다. 본 개시의 하나 이상의 양태에 따르면, 도 24a 내지 도 24d는, 본원에서 설명되는 바와 같은 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 프로세스(예를 들면, 도 22에서의 프로세스(600)) 동안 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스(780, 800, 820, 및 840)를 예시한다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 유저 인터페이스(780, 800, 820 또는 840)는 콘솔(16 또는 31)의 디스플레이 스크린 상에서 제시될 수 있다.

도 24a는, 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(350 또는 450), 의료 기구(70), 또는 내시경(13))가 환자 안으로 삽입되기 이전에 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스(780)를 예시한다. 예시적인 유저 인터페이스(780)는 시각적 디스플레이(782), 및 하나 이상의 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)를 포함한다. 시각적 디스플레이(782)는 의료 기구의 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(315, 356 또는 456))로부터 획득되는 하나 이상의 이미지를 도시한다. 의료 기구가 환자 안으로 삽입되지 않기 때문에, 시각적 디스플레이(782)는 외부 세상(예를 들면, 수술실)의 이미지를 도시한다. 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)는 유저 입력 대 기구 제어의 매핑을 예시하기 위해 여기에서 도시되며 실제로는 시각적으로 디스플레이되지 않을 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 그러나, 시각적 표시자를 디스플레이하는 실시형태는 표시자를 임의의 적절한 형상(예를 들면, 화살표, 도트, 또는 삼각형)으로 디스플레이할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 예시적인 유저 인터페이스(780) 상에 임의의 수의 제어 프레임 표시자가 있을 수도 있다. 예를 들면, 상방 방향 또는 하방 방향을 나타내는 단지 하나의 제어 프레임 표시자가 존재할 수도 있다. 다른 예에서, 1) 상방 방향 및 하방 방향 중 하나 및 2) 좌측 방향 및 우측 방향 중 하나를 나타내는 두 개의 제어 프레임 표시자가 있을 수도 있다. 여전히 다른 예에서, 상, 하, 좌, 우 방향 외에, 네 개보다 더 많은 제어 프레임 표시자가 있을 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 시각적 기준 프레임, 제어 기준 프레임, 및/또는 팁 기준 프레임은 공중에서 또는 기구가 환자 안으로 삽입되기 이전에 교정될 수도 있다. 예를 들면, 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)의 방향 및/또는 위치(즉, 제어 기준 프레임)는, 본원에서 설명되는 바와 같이, 이미징 디바이스로부터의 이미지(예를 들면, 시각적 디스플레이(782)에서 도시되는 이미지)에 의해 결정될 수도 있다. 도 24a에서 도시되는 바와 같이, 몇몇 예에서, 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)는 중력 기준 프레임(gravitational frame of reference)과 적어도 실질적으로 일치할 수도 있다. 또한, 도 24a에서 도시되는 바와 같이, 몇몇 예에서, 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)는 시각적 디스플레이(782)의 시각적 기준 프레임과 적어도 실질적으로 일치할 수도 있다. 예를 들면, 시각적 디스플레이(782)에서의 상, 하, 좌, 우 방향은, 제어 프레임 표시자(790, 792, 794, 및 796)의 상, 하, 좌, 우 방향에 적어도 실질적으로 대응할 수도 있다.

도 24b는, 의료 기구가 환자 안으로 삽입되고, 기구의 원위 단부가 환자 내부의 소정의 영역(예를 들면, 도 24b에서 도시되는 바와 같은 환자의 주 카리나)에 도달할 때 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스(800)를 예시한다. 예시적인 유저 인터페이스(800)는 시각적 디스플레이(802) 및 제어 기준 프레임을 나타내는 하나 이상의 제어 프레임 표시자(810, 812, 814, 및 816)(예를 들면, 각각, 상, 하, 좌, 우 방향)를 포함한다. 이 예에서, 의료 기구가 환자의 주 카리나에 도달하였기 때문에, 시각적 디스플레이(802)는 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)를 갖는 주 카리나의 이미지를 도시한다. 도 24b에서 도시되는 유저 인터페이스(800)는, 지시되지 않은 롤이 발생하였고 제어 기준 프레임 또는 시각적 기준 프레임에 대한 수정이 이루어지지 않은 디스플레이를 예시한다. 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)로의 기도의 중심 라인이 실질적으로 정렬될 것이다는 것을 예상할 수도 있기 때문에, 이것은 시스템의 유저에 대한 방향 상실을 야기할 수 있다. 그러나, 도 24b에서 도시되는 바와 같이, 우측 기관지(806)는 좌측 기관지(804) 아래에서 실질적으로 회전된다. 이 회전은 시스템의 유저가, 해부학적 구조의 자신의 지식을, 의료 기구에 의해 제시되는 회전된 뷰로 조정하게 할 수도 있다. 그러한 불일치는 상기에서 설명되는 바와 같은 지시되지 않은, 의도되지 않은, 및/또는 기생성의 기구 롤 아티팩트(예를 들면, 의료 기구의 기관내 삽입에 기인하는 기구 롤)에 기인할 수도 있다.

도 24c는 시각적 기준 프레임이 변환된 이후 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스(820)를 예시한다. 예시적인 유저 인터페이스(820)는 시각적 디스플레이(822) 및 제어 기준 프레임을 나타내는 하나 이상의 제어 프레임 표시자(830, 832, 834, 및 836)(예를 들면, 각각, 상, 하, 좌, 우 방향)를 포함한다. 도 24b의 시각적 디스플레이(802)의 이미지와는 대조적으로, 시각적 디스플레이(822)의 시각적 기준 프레임은, 시각적 기준 프레임이 해부학적 구조 기준 프레임(예를 들면, 주 카리나)과 일치하도록 변환(예를 들면, 회전)된다. 예를 들면, 좌측 기관지(804)는 시각적 디스플레이(822)의 좌측 상에 위치되고, 우측 기관지(806)는 시각적 디스플레이(822)의 우측 상에 위치된다. (예를 들면, 소망되는 기준 프레임, 추적된 팁 롤, 팁 기준 프레임, 중력 기준 프레임, 및/또는, 예를 들면, EM 패치 센서(105, 670, 672 및/또는 674)와 같은 하나 이상의 EM 패치 센서에 의해 측정되는 기준 프레임에 기초하여) 시각적 기준 프레임을 변환하기 위한 방법이 본원에서 설명된다. 도 24c에서, 시각적 기준 프레임만이 해부학적 구조 기준 프레임에 대응하도록 변환되고; 제어 기준 프레임은 해부학적 구조 기준 프레임과 여전히 일치하지 않은 상태로 유지된다. 그러한 불일치는 의료 기구의 오퍼레이터에게 제어 도전 과제를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 상방으로 작동하도록 의료 기구에게 지시하는 것은, 이제, 유저 인터페이스(820)에서 제시되는 뷰에 따라 의료 디바이스로 하여금 대각선 우상(diagonal up-right)으로 이동하게 할 것이다.

도 24d는, 시각적 기준 프레임 및 제어 기준 프레임 둘 모두가 변환된 이후 유저에게 제시될 수 있는 예시적인 유저 인터페이스(840)를 예시한다. 예시적인 유저 인터페이스(840)는 시각적 디스플레이(842) 및 제어 기준 프레임을 나타내는 하나 이상의 제어 프레임 표시자(850, 852, 854, 및 856)(예를 들면, 각각 상, 하, 좌, 우 방향)를 포함한다. 도 24c의 시각적 디스플레이(822)와는 대조적으로, 시각적 디스플레이(842)에서 도시되는 시각적 기준 프레임 및 제어 기준 프레임 둘 모두는, 시각적 기준 프레임 및 (제어 프레임 표시자(850, 852, 854, 및 856)에 의해 표현되는 바와 같은) 제어 기준 프레임이 해부학적 구조 기준 프레임(예를 들면, 주 카리나)과 일치하도록, 변환(예를 들면, 회전)된다. 예를 들면, 좌측 방향을 나타내는 제어 프레임 표시자(854)는 좌측 기관지(804)의 위치에 대응하고, 우측 방향을 나타내는 제어 프레임 표시자(856)는 우측 기관지(806)의 위치에 대응한다. (예를 들면, 소망되는 기준 프레임, 추적된 팁 롤, 팁 기준 프레임, 중력 기준 프레임, 및/또는, 예를 들면, EM 패치 센서(105, 670, 672 및/또는 674)와 같은 하나 이상의 EM 패치 센서에 의해 측정되는 기준 프레임에 기초하여) 제어 기준 프레임을 변환하기 위한 방법이 본원에서 설명된다.

본 개시의 하나 이상의 양태에 따르면, 도 25는 지시되지 않은 롤을 결정하는 예시적인 프로세스를 묘사한다. 몇몇 실시형태에서, 계산된 지시되지 않은 롤은 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 조정하기 위해 사용될 수도 있다. 의료 기구(예를 들면, 의료 기구(350 또는 450), 의료 기구(70), 또는 내시경(13))의 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(315, 356, 또는 456))로부터 유도되는 이미지(860)는, 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)를 갖는 환자의 주 카리나를 도시한다. 이미지(860)는, 시각적 기준 프레임이 해부학적 구조 기준 프레임과 정렬되지 않는다는 것을 도시한다. 이 예시적인 프로세스에서, 해부학적 구조 특성(예를 들면, 이미지(860)에서 도시되는 바와 같은 주 카리나)이 랜드마크로서 사용된다. 폐의 해부학적 구조 특성에 기인하여, 주 카리나에서 가장 먼 깊이 지점은 우측 기관지(806)이다. 가장 먼 깊이 지점은, 예를 들면, 음영으로부터의 성형(Shape From Shading; SFS) 방법과 같은 다양한 계산에 의해 결정될 수도 있다.

SFS 방법은, 먼저, 이미징 디바이스로부터 유도되는 이미지(860)를 음영 이미지(865)로 변환할 수도 있는데, 여기서 음영 이미지(865)의 각각의 픽셀은 원래의 이미지(860)의 음영 또는 휘도(brightness)를 나타낸다. 음영 이미지(865)에서, 가장 밝은 픽셀(들)은 더 어두운 컬러로 표현되고, 가장 어두운 픽셀(들)은 더 밝은 컬러로 표현된다. 음영 이미지(865)는 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)의 깊이 피크(867 및 869)의 위치를 각각 도시한다. 시스템은, 예를 들면, 음영 이미지(865)에서 하나 이상의 국소적 최대 픽셀을 검색하는 것에 의해, 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)의 깊이 피크(867 및 869)를 각각 위치 결정하도록 구성될 수도 있다.

그 다음, SFS 방법은, 좌측 기관지(804) 및 우측 기관지(806)의 깊이 피크(267 및 869)의 위치에 각각 기초하여, 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임의 회전 조정을 계산할 수도 있다. 회전 조정(880)은, 원본 이미지(860)의 수평선(874)과 좌측 기관지(867) 및 우측 기관지(869)를 연결하는 라인(872) 사이의 각도를 계산하는 것에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 시각적 기준 프레임에 대한 회전 조정(880)은, 두 개의 깊이 피크(867 및 869)를 연결하는 라인(872)이 수평이 되도록 만들어지고; 좌측 기관지(804)는 변환된 이미지의 좌측 영역 상에 위치되고; 우측 기관지(806)는 변환된 이미지의 우측 영역 상에 위치된다. 제어 기준 프레임에 대한 회전 조정은, 시각적 기준 프레임에 대한 그러나 반대 방향에서 회전 조정(880)을 갖는 동일한 값이 되도록 계산된다. 제어 기준 프레임에 대한 회전 조정은, 상기에서 설명되는 바와 같이, 제어 기준 프레임이 해부학적 구조 기준 프레임에 대응하게 만든다. 몇몇 실시형태에서, 지시되지 않은 롤 또는 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임에 대한 조정을 결정하기 위한 프로세스는 자동화될 수도 있다.

도 26은 지시되지 않은 기구 롤을 수정하도록 구성되는 제어 시스템(900)을 설명한다. 제어 시스템(910)은, 예를 들면, 상기에서 설명되는 바와 같은 로봇 제어식 시스템(예를 들면, 시스템(10, 36 또는 47)), 기구 드라이버(예를 들면, 기구 드라이버(62)), 컨트롤러(예를 들면, 제어 회로부(68)), 콘솔(예를 들면, 콘솔(16 또는 31)), 및/또는 콘솔 베이스(예를 들면, 카트 베이스(15)), 또는 이들의 컴포넌트(들)에서, 하나 이상의 데이터 스토리지 디바이스 및 하나 이상의 하드웨어 프로세서로서 구현될 수 있다.

제어 시스템(900)은, 시각적 기준 프레임 데이터 저장소(visual frame of reference data repository; 902), 제어 기준 프레임 데이터 저장소(control frame of reference data repository; 904), 팁 기준 프레임 데이터 저장소(tip frame of reference data repository; 906), 소망되는 기준 프레임 데이터 저장소(desired frame of reference data repository; 908), 프로세싱 모듈(910), 변환된 시각적 기준 프레임 데이터 저장소(transformed visual frame of reference data repository; 912), 및/또는 변환된 제어 기준 프레임 데이터 저장소(transformed control frame of reference data repository; 914)를 포함한다. 입력 저장소(902, 904, 906, 및 908)의 각각의 데이터는, 유저 입력, 하나 이상의 프로세서, 또는 다른 데이터 저장소(예를 들면, 중력 기준 프레임 데이터 저장소)로부터 유래할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제어 시스템(900)은 모든 입력 데이터 저장소(902, 904, 906, 및 908)를 구비하지 않을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제어 시스템(900)은 하나보다 더 많은 입력 데이터 저장소(902, 904, 906, 및 908)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제어 시스템(900)은 모든 출력 데이터 저장소(912 및 914)를 구비하지 않을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제어 시스템(900)은 하나보다 더 많은 출력 데이터 저장소(912 및 914)를 포함할 수도 있다. 비록 이하의 논의에서의 명확성의 목적을 위해 도 24에 개별적으로 도시되지만, 데이터 저장소 중 일부 또는 전체는 단일의 메모리 또는 메모리의 세트에 함께 저장될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

프로세싱 모듈(910)은, 시각적 기준 프레임 데이터 저장소(902), 제어 기준 프레임 데이터 저장소(904), 팁 기준 프레임 데이터 저장소(906), 및/또는 소망되는 기준 프레임 데이터 저장소(908)로부터 입력 데이터를 수신하도록 그리고 출력 데이터를 변환된 시각적 기준 프레임 데이터 저장소(912), 및/또는 변환된 제어 기준 프레임 데이터 저장소(914)로 송신하도록 구성된다. 프로세싱 모듈(910)은 하나 이상의 프로세서 및, 실행시, 프로세서(들)로 하여금 본원에서 설명되는 방법, 프로세스, 및 단계를 수행하게 하는 명령어를 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다. 예를 들면, 명령어는, 실행시, 프로세서(들)로 하여금 적어도: 모터 제어 커맨드와 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임을 획득하게 하고; 의료 기구의 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(315, 356, 또는 456)) 또는 위치 센서(예를 들면, EM 코일(305 또는 358), 또는 EM 패치 센서(105, 670, 672, 또는 674))로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 팁 기준 프레임은 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방위를 나타냄 - 을 결정하게 하고; 환자 상에 또는 그 근처에 배치되는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 소망되는 기준 프레임을 획득하게 하고; 그리고 (1) 제어 기준 프레임과 (2) 소망되는 기준 프레임 사이의 하나 이상의 차이를 결정하게 할 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 명령어는, 실행시, 프로세서(들)로 하여금 적어도: 결정된 차이에 기초하여 시각적 기준 프레임 및/또는 제어 기준 프레임을 변환하게 할 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 명령어는, 실행시, 프로세서(들)로 하여금 적어도: 의료 기구의 원위 단부 내에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터와 환자 상에 또는 그 근처에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터 사이를 비교하는 것에 의해 하나 이상의 차이를 결정하게 할 수도 있다.

본원의 실시형태는, 의료 기구의 센서 데이터 및 또는 환자 상에 배치되는 패치 센서와 같은 외부에 위치되는 다른 센서를 통해 팁 기준 프레임을 결정하는 접근법을 논의하였다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다른 실시형태는 시스템 셋업 또는 기구 형상에 기초하여 팁 기준 프레임을 추정할 수도 있다. 예시하기 위해, 몇몇 실시형태는, 의료 기구가 주어진 측으로부터 환자 안으로 삽입되는지의 여부에 기초하여 의료 기구가 명시된 방향으로 롤링할 것이다는 것을 결정할 수도 있다. 예를 들면, 의료 디바이스가 환자의 우측으로부터 삽입되는 경우, 시스템은 의료 디바이스가 주어진 방향에서 롤링할 것이다는 것을 가정할 수도 있다. 스코프의 검출된 형상에 기초하여 유사한 결정이 이루어질 수도 있다. 팁 기준 프레임이 이러한 방식으로 결정되는 경우, 시스템은 이들 추정된 팁 기준 프레임을 소망되는 기준 프레임에 비교할 수도 있거나 또는 팁 기준 프레임을 검출하기 위해 상기의 방법을 보완하기 위해 사용될 수도 있다.

3. 구현 시스템 및 전문 용어

본원에서 개시되는 구현예는 지시되지 않은 기구 롤을 수정하기 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다.

본원에서 사용될 때 용어 "커플링한다(couple)", "커플링하는(coupling)", "커플링되는(coupled)" 또는 그 단어의 다른 변형어는, 간접적인 연결 또는 직접적인 연결 중 어느 하나를 나타낼 수도 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들면, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트에 "커플링되는" 경우, 제1 컴포넌트는 다른 컴포넌트를 통해 제2 컴포넌트에 간접적으로 연결될 수도 있거나 또는 제2 컴포넌트에 직접적으로 연결될 수도 있다.

본원에서 설명되는 수정, 변환 및/또는 조정 기능은, 프로세서 판독 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에서 하나 이상의 명령어로서 저장될 수도 있다. 용어 "컴퓨터 판독 가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 리드 온리 메모리(read-only memory; ROM), 전기적으로 소거가능한 프로그래머블 리드 온리 메모리(electrically erasable programmable read-only memory; EEPROM), 플래시 메모리, 컴팩트 디스크 리드 온리 메모리(compact disc read-only memory; CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 소망되는 프로그램 코드를 저장하기 위해 사용될 수 있으며 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 유형이고(tangible) 비일시적일 수도 있다는 것을 유의해야 한다. 본원에서 사용될 때, 용어 "코드"는 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수도 있다.

본원에서 개시되는 방법은, 설명된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 액션을 포함한다. 방법 단계 및/또는 액션은, 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 상호 교환될 수도 있다. 다시 말하면, 설명되고 있는 방법의 적절한 동작을 위해 특정한 순서의 단계 또는 액션이 요구되지 않는 한, 특정한 단계 및/또는 액션의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 수정될 수도 있다.

본원에 사용될 때, 용어 "복수"는 두 개 이상을 나타낸다. 예를 들면, 복수의 컴포넌트는 두 개 이상의 컴포넌트를 나타낸다. 용어 "결정(determining)"은 광범위한 액션을 포괄하며, 따라서, "결정(determining)"은 계산(calculating), 컴퓨팅(computing), 프로세싱(processing), 유도(deriving), 조사(investigating), 조회(looking up)(예를 들면, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 조회), 확인(ascertaining) 및 등등을 포함할 수 있다. 또한, "결정"은 수신(예를 들면, 정보 수신), 액세스(예를 들면, 메모리의 데이터에 대한 액세스) 및 등등을 포함할 수도 있다. 또한, "결정"은 해결(resolving), 선택(selecting), 선정(choosing), 확립(establishing) 및 등등을 포함할 수 있다.

어구 "~에 기초하여(based on)"는, 달리 명시되지 않는 한, "~에만 기초하여(based only on)"를 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초하여"는 "~에만 기초하여" 및 "적어도 ~에 기초하여(based only on)" 둘 모두를 설명한다.

본원에서 사용될 때, "통신 가능하게 커플링되는(communicatively coupled)"은, 무선 광역 네트워크(wireless wide area network; WWAN)(예를 들면, 하나 이상의 셀룰러 네트워크), 무선 근거리 통신망(wireless local area network; WLAN)(예를 들면, IEEE 802.11(Wi-Fi)과 같은 하나 이상 표준에 대해 구성됨), 블루투스, 데이터 전송 케이블, 및/또는 등등을 포함하지만 그러나 이들로 제한되지는 않는, 임의의 유선 및/또는 무선 데이터 전송 매체를 지칭한다.

개시된 구현예의 앞선 설명은, 기술 분야의 임의의 숙련된 자가 본 발명을 제조 또는 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 기술 분야의 숙련된 자들에게 명백할 것이며, 본원에서 정의되는 일반적인 원리는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현예에 적용될 수도 있다. 예를 들면, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 도구 컴포넌트를 고정, 장착, 커플링, 또는 체결하는 등가의 방식, 특정한 작동 모션을 생성하기 위한 등가의 메커니즘, 및 전기적 에너지를 전달하기 위한 등가의 메커니즘과 같은, 다수의 대응하는 대안예 및 등가의 구조적 세부 사항을 활용할 수 있을 것이다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에서 도시되는 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본원에서 개시되는 원리 및 신규의 피쳐와 부합하는 가장 넓은 범위를 부여받아야 한다.

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9. 환자 안으로 삽입되도록 구성되는 의료 기구의 제어 프레임을 변환하도록 구성되는 시스템으로서,
   실행 가능 명령어들이 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리; 및
   상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하며, 상기 명령어들을 실행시키도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함하고,
   상기 명령어들로 인해 상기 시스템은 적어도:
   상기 의료 기구의 모터 제어 커맨드와 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임 - 상기 제어 기준 프레임은 하나 이상의 유저 커맨드의 방향을 상기 의료 기구의 대응하는 모션에 관련시킴 - 내에 제공된 상기 하나 이상의 유저 커맨드에 기초하여 상기 환자 안으로 삽입되는 상기 의료 기구를 이동시키고,
   상기 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 상기 팁 기준 프레임은 상기 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방향을 나타냄 - 을 결정하고;
   소망되는 기준 프레임을 획득하며; 및
   해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지 - 상기 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지는 상기 의료 기구의 원위 단부에 있는 상기 이미징 디바이스에 의해 획득됨 - 로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐와 상기 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐를 비교하는 것에 기초하여 상기 팁 기준 프레임과 상기 소망되는 기준 프레임 사이의 차이를 검출하는 것에 의해,
   상기 이동에 의해 야기된 상기 의료 기구의 길이 방향 축에 대한 상기 의료 기구의 지시되지 않은 롤을 검출하며,
   상기 제어 기준 프레임이 상기 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록, 상기 팁 기준 프레임 및 상기 소망되는 기준 프레임 사이의 차이에 기초하여 상기 제어 기준 프레임을 변환하는, 시스템.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 위치 센서는 전자기(EM) 센서를 포함하는, 시스템.
11. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    상기 의료 기구의 원위 단부에 있는 제2 센서 - 상기 제2 센서는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서를 포함함 - 로부터 데이터를 수신하고; 및
    상기 제2 센서로부터의 데이터에 기초하여 상기 팁 기준 프레임을 결정하는, 시스템.
12. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    제어 시스템으로부터 상기 제어 기준 프레임을 가리키는 데이터를 수신하는, 시스템.
13. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    하나의 방향으로 상기 의료 기구를 이동시키고; 및
    상기 하나의 방향으로의 상기 의료 기구의 이동에 기초하여 상기 제어 기준 프레임을 결정하는, 시스템.
14. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    상기 의료 기구로부터 시각적 기준 프레임을 가리키는 데이터를 수신하고; 및
    상기 팁 기준 프레임 및 상기 소망되는 기준 프레임에 기초하여 상기 시각적 기준 프레임을 변환하는, 시스템.
15. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    상기 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐, 상기 환자의 하나 이상의 해부학적 구조 피쳐를 나타내는 이미지의 하나 이상의 픽셀 값, 또는 상기 환자 상에 배치되는 하나 이상의 EM 패치로부터의 데이터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 소망되는 기준 프레임을 결정하는, 시스템.
16. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 추가로 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    상기 의료 기구를 하나의 방향으로 이동시키고;
    상기 하나의 방향으로의 상기 의료 기구의 이동에 응답하여 상기 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 결정하고; 및
    (1) 상기 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와 (2) 상기 예상된 변화를 비교하는, 시스템.
17. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능 메모리와 통신하는 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 명령어들을 추가로 실행하도록 구성되어 상기 명령어들로 인해 상기 시스템이 적어도:
    상기 의료 기구를 슬라이딩 가능하게 커버하도록 구성되는 시스(sheath)의 원위 단부의 방향을 나타내는 시스 기준 프레임(sheath frame of reference)을 획득하고; 및
    상기 제어 기준 프레임 또는 상기 소망되는 기준 프레임에 기초하여 상기 시스 기준 프레임을 변환하는, 시스템.
18. 명령어들이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서,
    상기 명령어들이 실행될 때, 상기 명령어들로 인해 적어도 하나의 프로세서가 적어도:
    의료 기구의 모터 제어 커맨드와 모터 출력 사이의 관계를 나타내는 제어 기준 프레임 - 상기 제어 기준 프레임은 하나 이상의 유저 커맨드의 방향을 상기 의료 기구의 대응하는 모션에 관련시킴 - 내에 제공된 상기 하나 이상의 유저 커맨드에 기초하여 상기 환자 안으로 삽입되는 상기 의료 기구를 이동시키고,
    상기 의료 기구의 원위 단부에 있는 적어도 하나의 이미징 디바이스 또는 위치 센서로부터의 데이터에 기초하여 팁 기준 프레임 - 상기 팁 기준 프레임은 상기 의료 기구의 원위 단부의 현재의 방향을 나타냄 - 을 결정하고;
    소망되는 기준 프레임을 획득하며; 및
    해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지 - 상기 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 이미지는 상기 의료 기구의 원위 단부에 있는 상기 이미징 디바이스에 의해 획득됨 - 로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐와 상기 해부학적 구조 피쳐의 적어도 하나의 모델로부터 유도되는 하나 이상의 피쳐를 비교하는 것에 기초하여 상기 팁 기준 프레임과 상기 소망되는 기준 프레임 사이의 차이를 검출하는 것에 의해,
    상기 이동에 의해 야기된 상기 의료 기구의 길이 방향 축에 대한 상기 의료 기구의 지시되지 않은 롤을 검출하며,
    상기 제어 기준 프레임이 상기 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록, 상기 팁 기준 프레임 및 상기 소망되는 기준 프레임 사이의 차이에 기초하여 상기 제어 기준 프레임을 변환하는, 명령어들을 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 명령어들이 실행될 때, 상기 명령어들로 인해 상기 적어도 하나의 프로세스가 적어도:
    상기 소망되는 기준 프레임과 정렬되도록 상기 의료 기구의 길이 방향 축에 대하여 상기 제어 기준 프레임을 회전시키는 것에 의해 상기 제어 기준 프레임을 변환하는, 명령어들을 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
20. 제18 항에 있어서,
    상기 명령어들이 실행될 때, 상기 명령어들로 인해 상기 적어도 하나의 프로세스가 적어도:
    상기 의료 기구를 하나의 방향으로 이동시키고;
    상기 하나의 방향으로 상기 의료 기구의 이동에 응답하여 상기 제어 기준 프레임에서의 예상된 변화를 계산하고; 및
    (1) 상기 제어 기준 프레임에서의 실제 변화와, (2) 상기 예상된 변화를 비교하는, 명령어들을 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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