KR19990029038A - 바늘 도자의 자유로운 조준 - Google Patents

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KR19990029038A
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요아브 빨띠에리
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요아브 빨띠에리
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Abstract

본 발명은 신체 체적에 위치하는 목표부위를 향하는 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 방법이며, 상기 방법은 목표부위 및 신체 체적(18)의 영상을 발생하는 단계, 상기 영상을 촬영 검출기(28)에 의해 위치 감지 제어기(20)와 통신하는 디스플레이 스크린(22)으로 송신하는 단계, 기준에 대해 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계, 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계, 상기 공간 방향 데이터를 상기 디스플레이 스크린상에 표시하는 단계, 실질적으로 상기 목표부위를 가리키는 그 포인트를 가지는 상기 바늘을 위치시키는 단계, 상기 기준과 관련하여 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계, 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하여, 상기 위치 감지 제어기가, 상기 촬영 검출기 및 상기 바늘에 대한 공간 방향 데이터에 기초하여, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 궤적을 표시하도록 하는 단계, 및 상기 디스플레이 스크린상에 나타난 상기 궤적에 따라 상기 바늘을 상기 목표를 향하여 상기 신체 체적으로 삽입하는 단계를 포함한다.

Description

바늘 도자의 자유로운 조준
최근에는 초음파 진단 및 치료법을 광범위하게 사용하고 있으며, 환자들을 위해 보다 부드럽고 시간이 적게 소비되는 침입성 바늘 치료법이 많은 수술 과정을 대체하고 있다. 그 중에서도 특히, 산모 및 태아 조직의 초음파 촬영은 태아기 진단 및 치료를 상당히 용이하도록 하였으며, 의사들은 초음파 촬영 장치를 사용하여 생검 바늘을 정확하게 이동시켜 양막천자(amniocentesis), 성대천자(cordocentesis) 및 경복벽적 융모막(trans-abdominal chorionic sampling) 샘플링을 수행한다.
다수의 서로 다른 종류의 생검 기술 및 바늘이 있으며, 상기 바늘은 환자 및 목표 기관의 종류에 따라 서로 다르다. 현재 가장 보편적으로 사용되는 방법은 ""자유로운"("free-hand") 기술이며, 상기 방법에 의해 바늘의 진입 위치로부터 일정한 거리를 두고 트랜스듀서(transducer)가 위치하며 한 손을 사용하여 상기 바늘을 조종한다. 이러한 기술은 목표부위가 비교적 크거나 표면상에 위치하지 않는 한 상당한 기술과 자주 반복되는 천공(puncture)을 필요로 한다. 이러한 이유 때문에, 그리고 일반적으로 초음파 영상에 의해 인도되는 바늘을 조종하는 것은 의사의 양손을 요구하기 때문에, 초음파 빔을 사용하여 바늘의 방향을 지시함으로써 상기 바늘을 인도하는 자동 장치를 고안하고 제공하고자 하는 시도가 많이 있었다.
초기에 개발된 장치들은 초음파 트랜스듀서 하우징에 부착된 바늘을 포함하며, 상기 바늘은 상기 트랜스듀서와 관련하여 거리를 두고 그리고 관절연합으로(articulated) 이루어져 있다. 의사들은 이러한 장치들을 사용하여 수동으로 바늘의 방향을 원하는 생검 위치로 향하도록 할 수 있으며 상기 바늘을 필요한 깊이만큼 삽입할 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치들은 Sonec 명의의 미합중국 특허번호 4,899,756 및 Terwillinger 명의의 미합중국 특허번호 4,911,173에 개시되어 있다. 상기 모든 장치들에 의해 바늘 도자(needle guide) 및 바늘은 트랜스듀서와 관련하여 얼마간 움직일 수 있지만, 의사들은 바늘을 삽입하기 전 및 삽입 중에 상기 바늘을 위치시키는데 있어서, 또한 상기 바늘을 신체 안으로 삽입하고 난 후 상기 트랜스듀서를 재위치하는 데 있어서 여전히 상당한 정도로 제한을 받는다.
보편적으로 사용하는 다른 장치는 트랜스듀서 및 바늘을 수동으로 위치시키고 삽입하는 동축(coaxial) 바늘 도자를 포함한다. 이러한 장치들은 생검을 신속하고 편리하게 인도하지만, 이러한 장치들은 다음과 같은 몇몇 중요한 문제점을 가지고 있다: 1) 상기 트랜스듀서는 손상부위 위에 직접 위치해야 하며, 따라서 상기 손상부위를 소독하거나 소독 커버링(covering)으로 덮어야 한다. 2) 의사들은 한 손을 사용하여 상기 트랜스듀서를 잡고 있어야 하며, 다른 한 손을 사용하여 상기 생검 부위를 소독하거나 마취하여야 한다. 3) 상기 바늘을 삽입한 후, 상기 바늘이 이동하는 동안 보조자는 상기 트랜스듀서를 잡고 있거나 또는 제거하여야 한다. 4) 다양한 움직임은 상기 트랜스듀서를 재위치시키고 상기 바늘을 재삽입해야 하는 필요를 야기한다. 5) 종래의 바늘 도자들을 사용하여 표면상의 손상부위에 들어가는데 어려움이 있다. 6) 대부분의 트랜스듀서는 평평하고, 직선적이며, 비교적 크기 때문에 늑골 및 부늑골에 접근하는데 어려움이 있다.
Kwoh 명의의 미합중국 특허번호 5,078,140은 컴퓨터로 제어하는 입체공간적 뇌수술을 위한 완전 자동 장치에 대하여 개시하고 있다. 상기 장치는 바늘 또는 바늘 도자가 상기 장치와 일체적으로 연결되어 있기 때문에 의사들이 목표부위를 향하는 가장 적합한 바늘 궤적을 선택할 수 없다는 결점을 가지고 있다. 또한 상기 장치는 매우 복잡하고 비싸며 모든 수술에 대하여 교정(calibration)을 필요로 한다.
다른 장치로 본 발명의 출원인에 의해 개발되었으며, 이스라엘 특허 출원번호 107,523에 개시된 초음파로 방향이 지시되는 바늘 도자가 있다. 이는 초음파 트랜스듀서와 주사기 및 바늘을 지탱하는 바늘 도자를 포함한다. 상기 트랜스듀서 및 상기 바늘 도자는 모두 일반적으로 이동가능한 암(arm)에 각각 부착되어 있기 때문에, 상기 각각을 환자 신체 중 원하는 모든 위치에 위치시킬 수 있다. 상기 암은 수직 기둥을 따라 수직적으로 이동가능하며, 부착된 기구의 위치를 컴퓨터 수단에 알리도록 구성된 방향 감지기를 구비한다. 상기 트랜스듀서는 상기 목표부위의 영상을 촬영 장치에 송신하고, 상기 촬영 장치는 상기 정보를 상기 컴퓨터 수단에 송신한다. 상기 컴퓨터 수단은 상기 목표부위에 대한 상기 바늘 도자의 각방향을 표시하여 의사가 상기 바늘을 환자 신체상의 정확한 위치와 방향에 놓도록 프로그램화되어 있다.
본 발명은 초음파 또는 다른 촬영 장치에 의해 인도되는 의학적 바늘이 신체를 관통할 때 상기 의학적 바늘의 움직임을 컴퓨터 원용(computer-aided)제어하여 천침 생검(needle biopsy), 흡입 또는 삽입을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하며, 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 지시하며, 초음파 촬영 시스템을 포함하는 장치의 간략한 블록도이며;
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하며, 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 지시하며, 엑스-레이 촬영 시스템을 포함하는 장치의 간략한 블록도이며;
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하며, 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 지시하며, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 또는 자기 공명 촬영(MRI) 시스템을 포함하는 장치의 간략한 블록도이며;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공간적으로 분리된 3개의 트랜스폰더를 각각 구비하는 초음파 트랜스듀서 및 바늘 도자를 사용하여 목표부위를 향하는 바늘 포인트의 방향을 지시하는 그림을 간략하게 도시하며;
도 5는 동축으로 탑재된 이미터(emitter) 또는 트랜스듀서를 구비하는 바늘을 간략하게 도시하며;
도 6은 3개의 이미터 또는 트랜스듀서를 구비하는 바늘을 간략하게 도시하며;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 초음파 촬영 시스템을 사용하여 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 지시하는 방법을 나타내는 간략한 순서도이며;
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 구성되고 작동하며, 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 장치를 간략하게 도시하며;
도 9는 초음파 평면과 동일한 평면상에 바늘 및 바늘 궤적을 표시하는 컴퓨터 스크린을 간략하게 도시하며;
도 10은 초음파 평면을 교차하는 바늘 및 바늘 궤적을 표시하는 컴퓨터 스크린을 간략하게 도시하며; 그리고
도 11, 12 및 13은 본 발명의 3개의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하는 바늘 방향 감지기를 구비하는 바늘 장치를 간략하게 도시한다.
본 발명은 그 중에서도 상기 출원인의 상기 이스라엘 특허 출원번호 107,523에 개시된 관절연합 암 시스템(articulated arm system)을 개선하고자 한다. 본 발명은 상기 관절연합 암을 제거하고 트랜스듀서와 바늘을 사용하는 개선된 ""자유로운" 기술을 제공한다. 상기 트랜스듀서를 사용하여 치료될 신체 부위의 영상을 컴퓨터 스크린상에 투사하고, 그 결과로 의사들은 바늘 도자, 삽입된 바늘 및 바늘 끝의 실제 위치뿐만 아니라 바람직한 바늘 궤적을 상기 스크린상에서 얻을 수 있다. 그 후, 의사는 표시된 정보에 따라 실제 궤적을 정정할 수 있다.
선택적으로 의사들은 커셔 또는 다른 선택 장치를 사용하여 치료할 목표 신체 부위를 선택하고 표시할 수 있다. 바늘 포인트가 목표 영상의 평면에 놓이지 않는 경우, 의사는 바늘의 위치를 변경하거나 촬영원(imaging source) 또는 검출기를 회전하여, 상기 디스플레이 스크린상에 동시공존하는 평면을 획득한다.
종래 기술과 달리, 본 발명은 이 기술분야에서 특별히 숙련될 필요가 없는 의사가 매일 사용하는 다수의 시스템을 제공한다.
본 발명에서는, 초음파, 컴퓨터 단층 촬영(computerized tomography: CT) 또는 엑스-레이와 같은 모든 공지된 촬영 장치에 의해 영상을 제공한다. 이에 의해 초음파 트랜스듀서 또는 다른 촬영 검출기는 실제 진입 위치와 거리를 두고 위치할 수 있으며, 따라서 의사들은 최적의 위치에 바늘을 위치시킬 수 있다.
본 명세서와 청구항 전체를 통해, "바늘"이라는 단어는 모든 침입성 장치 또는 도구를 의미하며 "바늘 도자"라는 단어는 전자적 시스템과 일체적으로 결합된 바늘(또는 침입성 장치 또는 도구)뿐만 아니라 바늘(또는 침입성 장치 또는 도구)을 지탱하고 인도하는 모든 장치를 의미한다. "방향(orientation)"이라는 단어는 직교 시스템(Cartesian system)에서 3개의 상호 수직 축상의 위치 및 모든 축에 대한 각회전과 같은, 6개의 자유도(degrees of freedom)와 관련된 공간 위치 정보를 의미한다. "방향" 및 "위치"라는 단어는 상호교환적으로 사용된다.
본 발명은 트랜스듀서 및 바늘의 방향을 감지하는 다양한 장치를 사용할 수 있다. 무선 송신을 사용하여 초음파 트랜스듀서의 위치를 정의하는 장치의 바람직한 하나의 실시예는 상기 초음파 트랜스듀서상에 3각형 배치로 탑재된 소형 바테리로 작동하는 3개의 적외선 초음파 트랜스폰더(transponder)를 포함하며, 각 트랜스폰더는 서로 다른 트리거 코드를 가진다. 위치 감지 장치는 부호화된 적외선 신호를 상기 트랜스듀서상의 각각의 트랜스폰더로 방사하고 상기 각각의 트랜스폰더로부터 초음파 응답을 수신하는 공간적으로 떨어진 3개의 적외선 초음파 트랜시버(transceiver)를 구비한다. 수신된 신호는 제어기에 3각측량 정보(triangulation information)를 제공하며, 상기 제어기는 3차원 공간에서 트랜스듀서의 정확한 위치를 계산한다.
바늘의 위치 감지부는 이와 유사한 방법으로 작동될 수 있다. 상기 위치 감지부는 적어도 2개의 트랜시버를 구비하는데, 상기 트랜시버는 무선 부호화 적외선 신호를 바늘 또는 바늘 도자 위에 탑재된 적어도 두 개의 트랜스폰더로 송신하고 상기 데이터를 스크린상에 표시하기 위해 컴퓨터 장치에 송신하도록 고안되며, 상기 트랜스폰더는 상기 부호화된 신호를 바늘의 위치 및 방향을 계산하는 트랜시버로 되돌려 보낸다.
다른 실시예에서, 상기 트랜스듀서와 상기 바늘은 개별 수신기에 의해 수신된 신호를 계속적으로 방사하는 송신기를 구비한다. 수신된 신호는 상기 트랜스듀서와 바늘의 공간적 방향을 계산하는 컴퓨터에 송신된다.
다른 실시예에서, 위치 및 방향 제어 시스템은 본 명세서에서 참고자료로 제시한 Boyd 명의의 미합중국 특허 4,945,305에 개시되어 있는 자계 감지기(magnetic field sensors)에 기초한다. 상기 시스템은 개인용 컴퓨터, 자계 감지기, 자기(磁氣) 송신기, 초음파 프로브에 부착된 자기 수신기 및 바늘에 부착된 자기 수신기를 포함하는 것이 바람직하다. 디스플레이 스크린은 목표 영역의 실시간 초음파 영상을 보여주며, 바늘 및 바늘 궤적은 컬러 코드 방식(color coded scheme)에 따라 도시된다. 상기 컬러 코드 방식은 상기 바늘 및 상기 궤적이 초음파 평면에 놓여있는지 아니면 서로 평행하게 놓여있는지 아니면 서로 교차하여 놓여있는 지를 나타낸다.
상기 트랜스듀서 및 상기 바늘 방향 감지기는 다수의 다른 종류의 감지 장치를 포함한다. 예를 들어, 상기 감지기는 여기에서 참고자료로 제시하는 미합중국 특허번호 4,839,836에 개시되어 있는 공간 방향 데이터 신호를 제공하는 가속도계(accelerometer) 클러스터를 포함할 수 있다.
목표부위를 표시할 수 있도록 하는 본 발명의 효과는 의사들이 목표부위를 표시하고, 다른 업무를 수행한 다음, 얼마 후에 상기 목표로 복귀하여도 최종적으로 바늘이 상기 목표부위에 삽입되었는 가를 표시할 수 있다는 것에 있다. 이와 같은 특징으로 인하여 의사들은 초음파 검진 중에 자유로이 다른 업무를 수행할 수 있다. 예를 들어, 초음파 트랜스듀서를 조종하여 상기 목표로 복귀할 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 목표부위 및 신체 체적의 영상을 발생하는 단계, 상기 영상을 촬영 검출기에 의해 위치 감지 제어기와 통신하는 디스플레이 스크린으로 송신하는 단계, 기준에 대해 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계, 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계, 상기 공간 방향 데이터를 상기 디스플레이 스크린상에 표시하는 단계, 실질적으로 상기 목표부위를 가리키는 포인트를 가지는 상기 바늘을 위치시키는 단계, 상기 기준에 대해 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계, 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계, 상기 위치 감지 제어기가 상기 촬영 검출기 및 상기 바늘의 공간 방향 데이터에 기초하여 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 궤적을 표시하는 단계, 및 상기 디스플레이 스크린상에 표시된 상기 궤적에 따라 상기 바늘을 상기 목표를 향하여 상기 신체 체적으로 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 디스플레이 스크린상에 목표부위를 향하는 바늘의 실제적 전진 이동을 표시하는 단계를 더 포함한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 방법은 상기 디스플레이 스크린상에 궤적을 벗어나는 바늘의 탈선을 표시하는 단계를 더 포함한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 방법은 상기 영상의 평면 방향을 조정하여, 상기 평면 방향과 상기 목표부위에 진입하는 상기 바늘 포인트의 위치를 일치시키는 단계를 더 포함한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 방법은 상기 디스플레이 스크린상에 상기 목표부위를 표시함으로써 상기 목표부위의 위치를 상기 위치 감지 제어기에 표시하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촬영 검출기 및 바늘의 공간 방향 데이터를 위치 감지 제어기로 송신하는 단계는 유선 통신에 의해 수행된다.
추가로 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촬영 검출기 및 바늘의 공간 방향 데이터를 위치 감지 제어기로 송신하는 단계는 무선 통신에 의해 수행된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 위치 감지 제어기는 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 2차원 궤적을 표시한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 위치 감지 제어기는 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 3차원 궤적을 표시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 표시하는 단계를 더 포함한다.
추가로 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 영상을 발생하는 단계는 초음파 촬영 기구에 의해 수행된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 영상을 발생하는 단계는 엑스-레이 기구에 의해 수행된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 영상을 발생하는 단계는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 기구에 의해 수행된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 영상을 발생하는 단계는 자기 공명 촬영(magnetic resonance imaging; MRI) 장비에 의해 수행된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 "자유롭게" 지시하는 장치를 제공하며, 상기 바늘은 단지 사용자의 한 손에 의해 조종되며, 상기 장치는 디스플레이 스크린과 통신하는 위치 감지 제어기, 상기 신체 체적과 상기 목표부위의 영상을 생산하는 촬영 장치, 상기 영상을 상기 디스플레이 스크린상으로 송신하는 촬영 검출기, 기준에 대한 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 감지하는 프로브 방향 감지기, 및 상기 목표부위에 대한 바늘의 공간 방향 데이터를 감지하고, 따라서 상기 촬영 검출기 및 바늘의 공간 방향 데이터에 기초하여, 상기 위기 감지 제어기가 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트로부터 상기 목표부위까지의 궤적을 표시하도록 하는 바늘 방향 감지기를 포함한다. .
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촬영 장치는 초음파 촬영 장치이며 상기 촬영 검출기는 초음파 트랜스듀서이다.
추가로 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 프로브 방향 감지기는 트리거 코드를 통해 상기 위치 감지 제어기와 통신한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 바늘 방향 감지기는 트리거 코드를 통해 상기 위치 감지 제어기와 통신한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 프로브 방향 감지기 및 상기 바늘 방향 감지기는 전기광학 감지기이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 프로브 방향 감지기 및 상기 바늘 방향 감지기는 자기 감지기이다.
추가로 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 디스플레이 스크린상의 상기 바늘 및 궤적을 3차원적으로 관찰하는 3차원 관찰 장치가 제공된다.
본 발명은 도면을 참조한 다음의 상세한 설명에 의해 보다 충분히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하며, 신체 체적 18에 위치한 목표부위 16을 향하는 포인트 14를 가지는 바늘 12의 방향을 지시하는 장치 10에 대한 간략한 블록도인 도 1을 참조로 하여 설명한다.
장치 10은 바람직하게는 컴퓨터 24를 통해 디스플레이 스크린 22와 통신하는 위치 감지 제어기 20을 포함하는 것이 바람직하다. 목표부위 및 신체 체적에 대한 초음파의 방향을 지시함으로써 목표부위 16 및 신체 체적 18의 영상을 발생하는 초음파 촬영 시스템 26과 같은 촬영 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 초음파 프로브 28과 같은 촬영 검출기는 상기 영상을 바람직하게는 컴퓨터 24를 통해 디스플레이 스크린 22로 송신하는 시스템 26과 케이블 29를 통해 통신하는 것이 바람직하다. 종래 기술과 달리, 프로브 28은 관절연합 수단에 의해 지탱되고 인도되는 것이 아니라 "자유롭게" 조종된다.
프로브 28에는 소정의 관성 기준점(inertial reference origin)과 같은 기준에 대한 프로브 28의 공간 위치 데이터를 감지하는 프로브 방향 감지기 30이 배치되는 것이 바람직하다. 상기 위치 데이터는 디스플레이 스크린 22에 표시되는 것이 바람직하며, 상기 디스플레이 스크린 22를 관찰하는 사용자는 목표부위 16을 향하는 바늘 12의 방향을 표시할 수 있다. 상기 사용자는 선택적으로 상기 디스플레이 스크린 22상에 목표부위 16을 표시함으로써 위치 감지 제어기 20에 대하여 목표부위 16의 위치를 표시할 수 있다. 이러한 표시는 키보드, 마우스, 조이스틱, 섬휠(thumb wheel) 또는 터치 스크린과 같은 모든 편리한 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 상기 목표부위 16을 표시하기로 선택하는 장점에 대해서는 도 7을 참조로 하여 뒤에서 설명한다.
바늘 12는 바늘 도자 32에 의해 고정적으로 지탱되는 것이 바람직하다. 바늘 및 바늘 도자의 서로 다른 실시예에 대하여 도 5, 6, 11, 12 및 13을 참조로 하여 뒤에서 설명한다. 종래 기술과 달리, 바늘 12 및 바늘 도자 32는 관절연합 수단에 의해 지탱되고 인도되는 것이 아니라 "자유롭게" 조종된다.
기준에 대한 바늘 12의 공간 방향 데이터를 감지하는 바늘 방향 감지기 34는 바늘 도자 32 또는 아니면 바늘 12에 배치되는 것이 바람직하다. 위치 감지 제어기 20은 상기 바늘 12의 공간 방향 데이터에 기초하여 상기 디스플레이 스크린 22상에 바늘 포인트 14로부터 시작하는 궤적을 표시하며, 상기 궤적은 바늘 12의 세로 축을 따라 상기 바늘 포인트 14로부터 방사되는 가상 직선 광선이다. 프로브 방향 감지기 30 및 바늘 방향 감지기 34는 위치 감지 제어기 20과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조로 하여 장치 10의 다른 실시예들에 대하여 설명한다. 상기 실시예에서, 촬영 검출기 및 촬영 장치는 초음파 프로브 및 시스템 대신에 하나 이상의 엑스-레이 검출기 40, 하나 이상의 엑스-레이 방사원 42와 엑스-레이 연속 촬영 시스템 44(도 2) 및 CT 또는 MRI 검출기 50, CT 또는 MRI 방사원 52와 CT 또는 MRI 스캐너 시스템 54(도 3)를 각각 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 초음파 프로브 28 및 바늘 도자 32를 사용하여 목표부위 16을 향하는 바늘 12의 포인트 14의 방향을 지시하는 것에 대하여 도 4를 참조로 하여 설명한다. 바늘 도자 32는 주사 또는 조직 검사용 주사기(도시되지 않음)를 지탱할 수 있다. 도시된 실시예에서, 프로브 방향 감지기 30 및 바늘 방향 감지기 34는 각각 삼각 구도로 배치되고 공간적으로 분리된 3개의 트랜스폰더 60 및 62를 포함한다. 상기 트랜스폰더 60 및 62는 바람직하게는 적외선 또는 가시광으로 작동하는 전기광학 감지기이다. 상기 트랜스폰더 60 및 62는 각각 프로브 방향 감지기 30 및 바늘 방향 감지기 34에 의해 방사되는 부호화 신호에 반응하는 것이 바람직하다. 한편, 바늘 도자 32의 위치를 정의하기 위해 단지 두 개의 트랜스폰더 62만을 바늘 12의 수직축과 일치하여 제공할 수 있으며, 이와 같이 하면 바늘 12를 회전 조정할 필요는 없다.
도 4에는 3개의 트랜스폰더가 도시되어 있지만, 3개의 트랜스폰더를 하나의 트랜스폰더 유닛으로 패키지화할 수 있다.
다양한 방법으로 상기 바늘상에 바늘 방향 감지기를 탑재할 수 있다. 동축으로 탑재된 2개의 이미터 또는 트랜스폰더 72를 구비하는 바늘 70에 대하여 도 5를 참조로 하여 설명한다. 바늘 70을 거의 S형태로 휘게 하고 상기 S형태의 상부 74에 트랜스폰더 72를 부착함으로써 바늘 70의 몸체상에 상기 트랜스폰더 72를 탑재할 수 있다. 상기 트랜스폰더 72와 바늘 포인트 76간의 거리가 이미 알려져 있기 때문에, 바늘 70의 진입 깊이를 산정하고 이를 디스플레이 스크린 22(도시되지 않음)상에 표시할 수 있다.
3개의 이미터 또는 트랜스폰더 82를 구비하는 바늘 80에 대하여 도 6을 참조로 하여 설명한다. 바늘 80은 실질적으로 직선이며, 상기 트랜스폰더 82는 바람직하게는 바늘 포인트 84와 고정되어 바늘80의 몸체에 부착되는 것이 바람직하기 때문에 상기 바늘80의 삽입 깊이를 계산하고 이를 디스플레이 스크린(도시되지 않음) 22상에 이를 도시할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 초음파 촬영 시스템 26을 사용하여 목표부위 16을 향하는 바늘 포인트 14의 방향을 지시하는 방법에 대하여 간략한 순서도인 도 7을 참조로 설명한다.
초음파 시스템 26은 상기 목표부위를 포함하는 영상을 발생시키며, 상기 영상은 디스플레이 스크린 22상에 송신되어 표시된다. 컴퓨터 24는 프로브 방향 감지기 30 및 바늘 방향 감지기 34로부터 데이터를 수신하고 관성 기준에 대한 프로브 28 및 바늘 도자 32의 위치를 계산한다. 컴퓨터 24는 또한 프로브 28에 대한 초음파 영상 평면의 위치 및 방향을 계산한다. 스크린 22상에 프로브 28의 2차원 편주 돌기(projections of yaw), 피치 및 회전이 표시되기 때문에, 사용자는 프로브 28을 회전시켜 바늘 포인트 14가 관찰 평면 안으로 놓이도록 할 수 있다.
컴퓨터 24는 일반적으로 공지된 기하학적 공식에 따라 바늘 12의 궤적을 계산한다. 상기한 바와 같이, 상기 궤적은 바늘 12의 세로축을 따라 바늘 포인트 14로부터 방사되는 가상 직선 광선이다. 상기 궤적은 스크린 22상에 표시되며, 사용자는 만약 필요하다면 바늘 도자 32를 든 후, 바늘 12를 목표부위 16을 향해 삽입할 수 있다. 삽입 동안의 바늘 12의 경로가 스크린 22상에 표시되며 우연히 탈선하는 경우 정정될 수 있다.
선택적으로, 사용자는 키보드, 마우스, 조이스틱, 섬휠 또는 터치 스크린을 사용하여 스크린 22상에 목표부위 16을 표시할 수 있다. 목표부위 16이 표시되면, 컴퓨터 24는 상기 목표부위의 공간 위치를 계산할 수 있으며, 상기 목표부위를 초음파 영상과 비교하여 추적하는 것과 같은 공지된 종래의 추적 방법을 사용하여 상기 목표부위 16을 탐지할 수 있다. 몇몇의 경우에서 목표부위를 탐지하는 능력은 상기 목표부위가 위치한 신체 기관의 운동에 기인하여 상기 목표부위가 이동할 때 중요할 수 있다. 상기 목표부위를 표시함으로써, 의사들은 상기 목표부위의 운동을 경계하며, 따라서 바늘을 사용하여 상기 목표부위를 정확하게 찌르기 위하여 침입 경로를 변경할 수 있다.
상기 설명은 목표부위를 향하는 바늘의 방향을 지시하는 바람직한 방법의 일반화된 설명이다. 다른 바람직한 실시예에 대한 보다 상세한 설명은 뒤에서 도 8의 실시예를 통해 서술될 것이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하는, 바늘 92의 방향을 자유롭게 지시하는 장치 90에 대하여 도 8을 참조로 하여 설명한다. 장치 90은 Boyd 명의의 미합중국 특허번호 4,945,305에 설명되어 있는 바와 같은 자계 위치 및 방향 감지 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 자기 시스템은 자기 송신기 94, 초음파 프로브 98에 부착된 자기 수신기 96 및 바늘 92에 부착된 자기 수신기 100을 포함하는 것이 바람직하다. 장치 90은 디스플레이 스크린 106을 구비하는 컴퓨터 104를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 디스플레이 스크린 106은 목표된 영역 110의 정확한 실시간 초음파 영상 108을 표시하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 바늘 92가 초음파 영상 108의 외부에 위치하는 경우, 바늘 92는 청색 라인과 같은 컬러 라인으로 명확하게 표시된다. 바늘 92의 예상 궤적 112를 컬러 방식에 따라 표시하여, 의사들이 상기 바늘 궤적 112와 초음파 영상 평면 108간의 관계를 빠르고 쉽게 식별하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 컬러 방식의 예는 뒤에서 도 9 및 도 10을 참조로 하여 설명한다.
바늘 92 및 궤적 112를 3차원적으로 관찰하기 위해 3차원 안경 장치와 같은 3차원 관찰 장치 170을 제공할 수 있다. 그렇지 않으면, 컴퓨터 104는 디스플레이 스크린 106상에 바늘 92 및 궤적 112의 3차원 영상을 표시하는 3차원 촬영 프로그램을 구비할 수 있다. 예를 들어 이러한 프로그램은 좌, 우 눈에 투사된 시계에 따라 대상의 연속적인 2차원 영상을 표시함으로써 3차원 영상을 형성한다.
도 9에 도시되어 있듯이, 궤적 112 및 바늘 92 모두가 초음파 평면 내에 완전히 놓여 있는 경우, 궤적 112는 백색의 점선으로 표시된다. 도 10에 도시되어 있듯이 궤적 112가 초음파 평면을 교차하는 경우, 초음파 평면의 정면에 놓여있는 상기 궤적 112의 부분 160은 적색 점선으로 표시되며, 상기 평면의 후면에 놓여있는 부분 162는 녹색 점선으로 표시되며, 교차점 164는 백색 공원(empty circle)으로 표시된다. 상기 색상들은 단지 하나의 예로서 사용한 것이며, 다른 컬러 패턴을 사용해도 된다.
상기 궤적 112가 완전히 초음파 평면의 정면에 위치한다면, 다시 말해, 상기 평면과 평행하거나 또는 상기 교차점이 시계를 벗어나는 경우, 전체 궤적 112는 적색(또는 평면의 후면에 놓인 경우에는 녹색) 점선으로 표시된다.
점선의 점간 거리는 의사들에게 초음파 평면에 대한 바늘 92의 대략적 침투 각도를 시각적으로 표시한다. 점간 거리가 짧을수록, 바늘 92는 초음파 평면과 더 수직을 이룬다. 점간 거리가 멀수록, 바늘 92는 초음파 평면과 더 평행을 이룬다.
또한, 디스플레이 스크린 106은 의사가 프로브 98(도 9 및 도 10에 도시되지 않음)의 위치 및 방향을 정하는 것을 도와주기 위해 창 114를 선택적으로 표시한다. 상기한 바와 같이 창 114는 프로브 98의 평면도를 표시하는 고정 직사각형 116 및 바늘 92의 투사를 나타내는 이동가능 선 118을 포함하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, 의사들은 초음파 프로브 98을 회전하거나 그렇지 않으면 조종함으로써, 상기 창 114를 통해 프로브 98과 바늘 92가 공간적으로 형성하고 있는 상호 공간적 관계를 관찰할 수 있다. 반대로 바늘 92의 영상을 고정시키고, 직사각형 116이 초음파 프로브 98의 움직임을 표시하도록 할 수 있다.
도 9에서, 바늘 92가 초음파 영상 평면에 놓이기 때문에, 선 118은 직사각형 116을 수평적으로 통과하여 교차한다. 도 10에서, 바늘 92는 초음파 영상 평면을 교차하기 때문에, 선 118은 이들의 각도로 직사각형 116을 관통한다.
의사들이 바늘 92를 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 초음파 평면 내에 완전히 놓기를 선택한다면, 상기 과정은 아래의 단계에 따라 수행된다:
1. 바늘 삽입 포인트를 선택하라.
2. 바늘 끝을 몸체상의 삽입 포인트에 위치시켜라. 예상 궤적 112가 목표부위를 교차하도록 바늘 92의 방향을 정하라.
3. 초음파 프로브 98을 회전하여 초음파 평면이 상기 목표부위 및 바늘 전체와 그 예상 궤적을 포함하도록 하라. 이렇게 배치하면, 예상 궤적은 백색으로 표시된다. 상기 프로브 98의 회전은 창 114에서 선택적으로 관찰될 수 있다.
4. 바늘 92가 초음파 평면에 위치하고 있는 가, 다시 말해 그 영상이 백색으로 표시되는 가를 확인하면서, 바늘 92를 삽입하라. 상기 디스플레이가 상기 바늘 92가 초음파 영상에 진입하였음을 표시된다면(다시 말해 청색 실선이 상기 영상에 진입하였다면), 초음파 영상에 직접 촬영된 바늘을 관찰하라.
5. 상기 목표부위에 다가갈수록, 별도의 주의를 기울여 실제 바늘 92를 관찰하고 확인하라.
6. 바늘 끝 및 목표부위의 방향을 확인한 다음, 바늘 92를 상기 목표부위에 삽입하라.
특정 경우에, 평면 내의 삽입이 불가능하다면, 또는 의사들이 바늘 92를 초음파 평면 내에 완전히 위치하지 않기를 선택한다면, 상기 방법은 아래의 단계에 따라 수행된다.
1. 바늘 삽입 포인트를 선택하라.
2. 바늘 끝을 몸체상의 삽입 포인트에 위치시켜라. 예상 궤적 112가 목표부위를 교차하도록 바늘 92의 방향을 정하라.
3. 바늘 92를 삽입하라.
4. 바늘 92의 실제 위치를 아래와 같이 확인하라.
a) 백색 원이 청색 실선의 끝과 만날 때까지 초음파 프로브 98의 방향을 변경하라.
b) 초음파 영상에 표시된 실제 바늘 끝을 관찰하라.
c) 확인되면, 상기 단계 2에 따라 초음파 프로브 98을 원위치로 복귀시켜라.
5. 상기 확인 단계 4에서, 바늘의 탈선이 관찰된다면(바늘 끝이 청색 선의 끝과 멀리 떨어져 있다면), 실제 바늘 끝을 표시하라. 컴퓨터는 관찰된 탈선을 고려하여 정정된 궤도를 계산할 것이다. 계산된 정정이 수행되면, 바늘 92 및 예상 궤적 112를 표시하는 청색 선은 철회된다.
6. 상기 목표부위에 다가갈수록, 별도의 주의를 기울여 실제 바늘 끝을 관찰하고 확인하라.
7. 바늘 끝의 방향 및 목표부위가 확인되면, 바늘 92를 상기 목표부위에 삽입하라.
본 발명의 3개의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하는 바늘 방향 감지기를 구비하는 바늘 장치에 대하여 도 11, 12 및 13을 참조로 하여 설명한다.
도 11에서, 바늘 장치 120은 바늘 122 및 주사기 또는 다른 유사 장치(도시되지 않음)와 같은 샘플링 장치와 연결하는 커넥터 124, 바람직하게는 스탠더드(standard)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 장치 120은 방향 및 위치 시스템과 함께 사용되는 바늘 방향 감지기 128이 그 위에 탑재되어 있는 몸체 126 및, 상기 감지기 128을 외부 회로(도시되지 않음)와 연결하는 선택적 전기 케이블 130을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 감지기 128은 상기 몸체 126에 박히는 것이 바람직하다.
선택적으로 상기 몸체 126은 고정자 132에 의해 함께 결합된 2개의 부분 134 및 136을 포함할 수 있다. 상기 부분 134는 일회용 침입성 바늘 122에 영구적으로 부착되는 것이 바람직하며, 상기 부분 136은 감지기 128 및 선택적 케이블 130을 포함하며, 상기 부분 136은 재사용할 수 있으며 사용할 때마다 그 전에 소독 가능하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하는 바늘 장치 140에 대하여 도 12를 참조로 하여 설명한다. 장치 140은 도 11의 바늘 장치 120과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 바늘 장치 140에서, 바늘 122는 하나 이상의 클립 142를 사용하여 몸체 126에 구성된 홈(groove) 141에 고정되는 것이 바람직하다. 일반적으로 상기 클립 142를 파손시키지 않으면서 바늘 122를 상기 몸체 126으로부터 제거할 수 없다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 구성되고 작동하는 바늘 장치 144에 대하여 도 13을 참조로 하여 설명한다. 바람직하게 메이팅(matting) 커넥터 146을 통해 상기 몸체 126에 부착된 바늘 122의 커넥터 124를 제외하고, 장치 144는 도 11의 바늘 장치 120과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 추가 커넥터 148은 바늘 122와 유체 연통하고 상기 몸체 126에 탑재되는 것이 바람직하다. 상기 커넥터 148은 장치 144를 주사기 또는 다른 유사 장치(도시되지 않음)와 같은 샘플링 장치와 연결할 목적으로 사용될 수 있다.
개별 실시예의 내용에서 명확하게 설명된 본 발명의 다양한 특징들은 또한 단일 실시예를 결합하는 경우에도 제공될 수 있다. 또한 그 반대로, 본 발명의 간결함을 위해 단일 실시예의 내용에서 서술된 다양한 특징은 개별적으로 또는 모든 적당한 부결합에서 제공될 수 있다.
본 발명이 구체적으로 도시된 상기 설명에만 제한되지 않는다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 오히려 본 발명의 범위는 다음의 청구항에 의해서만 제한된다.
상기 내용 참조

Claims (22)

  1. 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 방법으로서,
    상기 목표부위 및 상기 신체 체적의 영상을 발생하는 단계;
    상기 영상을 촬영 검출기에 의해 위치 감지 제어기와 통신하는 디스플레이 스크린으로 송신하는 단계;
    기준에 대한 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계;
    상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계;
    상기 공간 방향 데이터를 상기 디스플레이 스크린상에 표시하는 단계;
    실질적으로 상기 목표부위를 가리키는 포인트를 가지는 상기 바늘을 위치시키는 단계;
    상기 기준에 대한 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 감지하는 단계;
    상기 바늘의 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계;
    상기 촬영 검출기 및 상기 바늘의 공간 방향 데이터에 기초하여, 상기 위치 감지 제어기가 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 궤적을 표시하는 단계; 및
    상기 디스플레이 스크린상에 표시된 상기 궤적에 따라 상기 바늘을 상기 목표를 향하여 상기 신체 체적으로 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 목표부위를 향하는 상기 바늘의 실제적 전진 이동을 표시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 궤적을 벗어나는 상기 바늘의 탈선을 표시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 3의 어느 항에 있어서, 상기 영상의 평면 방향을 조정하여, 상기 평면 방향과 상기 목표부위에 진입하는 상기 바늘 포인트의 위치를 일치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 4의 어느 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 목표부위를 표시함으로써 상기 목표부위의 위치를 상기 위치 감지 제어기에 표시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 5의 어느 항에 있어서, 상기 촬영 검출기 및 상기 바늘의 상기 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계는 유선 통신에 의해 수행되는 방법.
  7. 청구항 1 내지 5의 어느 항에 있어서, 상기 촬영 검출기 및 상기 바늘의 상기 공간 방향 데이터를 상기 위치 감지 제어기로 송신하는 단계는 무선 통신에 의해 수행되는 방법.
  8. 청구항 1 내지 5의 어느 항에 있어서, 상기 위치 감지 제어기는 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 2차원 궤적을 표시하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 5의 어느 항에 있어서, 상기 위치 감지 제어기는 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트의 3차원 궤적을 표시하는 방법.
  10. 청구항 1 내지 9의 어느 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘의 상기 공간 방향 데이터를 표시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 청구항 1 내지 10의 어느 항에 있어서, 상기 영상을 발생하는 단계는 초음파 촬영 기구에 의해 수행되는 방법.
  12. 청구항 1 내지 10의 어느 항에 있어서, 상기 영상을 발생하는 단계는 엑스-레이 기구에 의해 수행되는 방법.
  13. 청구항 1 내지 10의 어느 항에 있어서, 상기 영상을 발생하는 단계는 컴퓨터 단층 촬영 기구에 의해 수행되는 방법.
  14. 청구항 1 내지 10의 어느 항에 있어서, 상기 영상을 발생하는 단계는 자기 공명 촬영 기구에 의해 수행되는 방법.
  15. 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 장치로서, 상기 바늘은 단지 사용자의 한 손에 의해 조종되며, 상기 장치는
    디스플레이 스크린과 통신하는 위치 감지 제어기;
    상기 신체 체적과 상기 목표부위의 영상을 발생하는 촬영 장치;
    상기 영상을 상기 디스플레이 스크린상으로 송신하는 촬영 검출기;
    기준에 대한 상기 촬영 검출기의 공간 방향 데이터를 감지하는 프로브 방향 감지기; 및
    상기 목표부위에 대한 상기 바늘의 공간 방향 데이터를 감지하고, 상기 위치 감지 제어기가, 상기 촬영 검출기 및 상기 바늘의 상기 공간 방향 데이터에 기초하여, 상기 디스플레이 스크린상에 상기 바늘 포인트로부터 상기 목표부위까지의 궤적을 표시하도록 하는 바늘 방향 감지기를 포함하는 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 촬영 장치는 초음파 촬영 장치이며 상기 촬영 검출기는 초음파 트랜스듀서인 장치.
  17. 청구항 15 및 16에 있어서, 상기 프로브 방향 감지기는 트리거 코드를 통해 상기 위치 감지 제어기와 통신하는 장치.
  18. 청구항 15 또는 16에 있어서, 상기 바늘 방향 감지기는 트리거 코드를 통해 상기 위치 감지 제어기와 통신하는 장치.
  19. 청구항 15 또는 있어서, 상기 프로브 방향 감지기 및 상기 바늘 방향 감지기는 전기광학 감지기인 장치.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 프로브 방향 감지기 및 상기 바늘 방향 감지기는 자기 감지기인 장치.
  21. 청구항 15에 있어서, 그리고 상기 디스플레이 스크린상의 상기 바늘 및 상기 궤적을 3차원적으로 관찰하는 3차원 관찰 장치를 포함하는 장치.
  22. 신체 체적에 위치한 목표부위를 향하는 포인트를 가지는 바늘의 방향을 자유롭게 지시하는 장치에 있어서, 바늘 장치는
    바늘;
    샘플링 장치를 연결하는 커넥터; 및
    기준에 대한 상기 바늘의 방향을 감지하는 바늘 방향 감지기를 포함하는 바늘 장치.
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