KR20130092564A

KR20130092564A - 외과용 기구를 위한 간섭계 힘 센서

Info

Publication number: KR20130092564A
Application number: KR1020137004190A
Authority: KR
Inventors: 러셀 에이치. 테일러; 이울리안 이오르다치타; 진 강; 슈안 린
Original assignee: 더 존스 홉킨스 유니버시티
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-08-20
Also published as: US10039530B2; WO2012012565A2; US20160100906A1; EP2595587A2; EP2595587B1; CN103153248B; KR101841067B1; CN103153248A; US9241693B2; US20130190734A1; EP2595587A4; WO2012012565A3

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구 시스템은 수술 도구 및 상기 수술 도구와 광학적으로(optically) 연결된 간섭 측정(interferometry) 시스템을 포함한다. 상기 수술 도구는 몸체부, 상기 몸체부에 적어도 부착되거나 내장되는 센서부 및 상기 센서부의 상기 몸체부로부터의 반대 단(opposing end)에 적어도 부착되거나 내장되는 수술부를 포함한다. 상기 센서부는 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나가 상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 경우, 상기 힘 또는 상기 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리를 정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다.

Description

외과용 기구를 위한 간섭계 힘 센서{INTERFEROMETRIC FORCE SENSOR FOR SURGICAL INSTRUMENTS}

본 출원은 2010년 7월 20일에 출원된 미국 가특허 출원 61/365,995의 이익을 주장하고, 그 내용은 여기서 참조로써 통합된다.

본 발명은 미국 보건복지부(Department of Health and Human Services, NIH)로부터 수여 받은 No.1R01 EB 007969-01의 정부 지원으로 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대하여 일정 권리를 갖는다.

본 발명의 실시예에 의해 주장되는 분야는 외과용 기구 및 상기 외과용 기구를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 집적된 힘 센서를 갖는 시스템 및 외과용 기구에 관한 것이다.

현재, 망막 수술은 프리 핸드(free-hand) 기기로 현미경을 동작시킴으로써 수행된다. 인간의 한계는 수술 대상에 대한 정확한 인식의 불능, 생리적인 손 떨림 및 도구-조직 상호작용 시 촉각 피드백의 부족을 포함한다. 또한, 근접 센싱 또는 스마트 기능이 결여와 같은 도구의 한계는, 수술 위험 요소의 원인이 되거나 수술 목표 달성의 가능성을 떨어뜨리는 중요한 요소이다. 오늘날의 기구는 생리적 또는 예컨대 망막 조직 상에서 기구에 의해 가해지는 힘과 같은 기초적인 해석 정보 조차도 제공하지 않는다. 수술의 결과(성공 및 실패 모두)는, 종래의 기기 장치에 의해 극복될 수 없는 기술적 장애물에 의해 부분적으로 한계를 갖는다.

보통 망막 현미 수술 시 접하는 도구-조직 상호작용 힘은 일반적으로 인간의 지각적 한계[1-4]보다 훨씬 작다. 만약 너무 큰 힘이 망막 상에 가해지면, 망막은 손상을 입을 수 있다. 보통, 외과의는 얼마나 가깝게 도구-조직 힘이 받아들일 수 없는 한계에 근접하는지를 측정하기 위하여, 조직 변형의 시각적 감상에 전적으로 의존한다. 그러나, 이러한 기술은 배우기 쉽지 않고, 이러한 측정을 하는 것은 매우 숙련된 외과의에게도 어려운 일이다. 유사한 시도가 비망막 안과 수술, 신경외과 수술, 이과 수술[6-9] 및 미세 혈관 수술 등을 포함하는 다른 현미 수술 분야에서도 이뤄지고 있다. 실제 도구-조직 힘이 내시경 수술과 같은 현미 수술에서 직면하는 것보다 클 때의 수술 상황에서 조차, 도구-조직 힘은 마찰, 기계적 제한 및 제조 한계 등으로 인하여 측정 또는 외과의의 즉시 감상이 어려울 수 있다. 이러한 사항들은 수많은 연구원들로 하여금 결합 힘 센서를 외과용 기구로 하는 방법을 숙고하게 만들었다. 이러한 힘 정보는 "감각 치환"(예컨대 [1, 3, 10-12]), 촉각 피드백의 다양한 형태들(예컨대 [10, 15]), 또는 로봇식 장치의 제어로 통합되는 다른 분야(예컨대 [10, 16])에서의 사용을 포함하여 외과의를 돕기 위한 다양한 방법으로 사용될 수 있다.

예를 들면, 망막 수술(도 1)에서 수술 도구는 망막 수술 시 연약한 조직의 조작을 수행하기 위하여 공막을 통해 눈으로 삽입된다. 조직과 도구 팁 사이에 가해지는 힘을 측정하는 것은 매우 어렵다. 기구를 감지하는 힘은 밀리뉴턴(millinewton, mN) 보다 작은 해상도로 3차원으로 조직-도구 힘을 측정할 수 있어야 한다. 센서는 공막-도구 힘의 간섭을 피하기 위하여 눈 안쪽 도구 팁과 가능한 근접하여 위치하여야 한다. 따라서, 센서는 극히 작은 크기여야 하고 따라서 이는 밀리미터(millimeter, mm) 보다 작은 지름의 기구로 집적될 수 있다. 더 나아가, 자격 요건은 생체 적합성, 불모화 가능성 및 전기적 노이즈에 대한 면역력을 포함한다.

도구-조직 힘을 측정하는 하나의 방법은 (보통, 다자유도(multiple degree-of-freedom)) 힘 센서의 수술 도구의 핸들로의 결합이다. 이 방법은 실험을 감지하는 현미 수술 힘에 적용되었다(예컨대 [4, 9]). 그러나, 망막 수술과 같은 경우에는, 조직-공막 상호작용 힘이 도구-조직 상호작용 힘과 같거나 보다 더 커질 때 이러한 접근은 심각한 문제점을 갖는다. 그 결과, 공막을 통한 삽입 아래에 수술 도구의 원위부(distal portion) 상에 위치한 현미 수술 힘 센서를 발전시키는 것이 이슈가 되었다. 몇몇 유사한 접근(예컨대 [17-19])이 복강경 검사 도구에 이뤄졌음에도 불구하고, 도구-투관침 힘이 유사하게 도구-조직 힘을 가릴 때, 도구 샤프트 지름이 0.5-0.7mm 또는 이 보다 작은 경우 현미 망막 수술은 특히 어려워 진다. 존스 홉킨스[1]에서의 몇몇 앞선 연구는 해부된 돼지의 망막 상 "개방된" 실험에서 도구의 방향을 바꾸는 1 자유도(DOF) 힘을 측정하기 위하여 도구 샤프트 상에 장착된 변형계를 사용했다. 하지만 이러한 도구는 공막을 통한 삽입에 실용적이지 않았다. 다른 접근은 전기적 센서(예컨대 변형계)의 아주 작은 현미 수술 기구로의 결합을 포함한다.

수술용 어플리케이션(예컨대 [13, 14, 20-23])을 위해 제안된 몇몇의 광섬유 힘 센서와 수술 힘 감지를 위한 몇몇의 다른 광학적 접근(예컨대 [24, 25])이 있다. 이러한 센서는 반사광 또는 투과광 강도의 수정, 극성의 변화 및 광섬유 브래그 격자(FBG) 감지 등을 포함하는 다양한 물리 원칙들을 사용한다. FBG 센서는 광 섬유의 길이를 따른 굴절률(즉, "격자")의 조절을 생성함으로써 구축된다[20]. 섬유를 늘리는 것은 이러한 격자 및 섬유를 백업하도록 반사된 빛의 파장의 공간을 변화시키도록 한다. 이러한 파장 이동은 섬유의 격자 영역에서 변형의 양을 결정하도록 측정된다. 우리의 연구[13, 14]와 함께, 다른 곳에서도 FBG 힘 센서를 다른 종류의 외과용 기기 장치에 적용하였다. 예를 들면, 뮬러(Mueller)[22] 등은 FBG 센서에 기반한 6-DOF FBG에 기초한 힘/토크 센서를 보고하였는데, 도구 핸들 또는 로봇식 외과용 기구의 근위부(proximal end) 내에 장착하기 적합할 수 있고, 이는 어떠한 의미로는 다소 [9]와 비슷하다.

센서에 기초한 광섬유는 현미 수술 어플리케이션에 대하여 많은 이점을 갖는다. 섬유 및 센서는 경제적이다. 이것들은 다양한 일반적인 수단에 의해 불모화할 수 있다. 이것들은 생체에 적합하도록 만들어질 수 있다. 이것들은 매우 작게 만들어질 수 있다. 이것들은 전기적 노이즈 및 자기장에 대해 면역력이 있다. 이것들은 어떠한 전류도 수반하지 않는다. 많은 감지 이론이 미묘한 이동 및 힘을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 더 나아가, 이는 망막 수술을 위한 고려 사항이 아님에도 불구하고, 이것들은 MRI와 호환이 가능하다.

이전에 공개된 내용[13, 14]에서, 우리 존스 홉킨스 대학(JHU) 팀은 0.25 mN에 따른 힘 해상도를 갖는 1-DOF 및 2-DOF 힘 감지 도구들을 만들기 위하여 FBG 섬유를 0.5-0.7mm 현미 수술 기구의 도구의 샤프트로 결합시켰다. 우리 팀은 또한 현미 수술 기구에 기초한 3-DOF FBG를 개발했다. 3-DOF 힘 감지 도구에 대한 하나의 컨셉이 도 2a에 도시되어 있다. 여기서, 측면 힘은 FBG 센서에 의해 측정된다; 우리의 2-DOF 도구에서처럼, 축방향 힘은 핸들 내 힘 센서에 의해 측정된다. 이러한 스킴의 이점은 단순하다. 그러나, 하나의 큰 단점은 측면의 공막-도구 상호작용에 의해 생성된 모호함이 제거되었음에도 불구하고, 공막-도구 마찰에 의해 생성된 축의 모호함이 제거되지 못하였기 때문이다.

이러한 사항들은 우리로 하여금 도 2b에 도시된 것과 같은 눈 내부에서 모든 감지가 이루어지는 원형의 3-DOF 도구들[26]을 개발하도록 하였다. 이러한 설계에서는, 샤프트의 측면을 따르는 FBG 센서가 측면 힘의 결과로, 우리의 2-DOF 도구들의 경우에서와 같이, 도구 샤프트의 측면 굴절을 측정한다. 이러한 원리로, 축방향 힘에 응답하여 도구 샤프트의 축방향 연장이 또한 측정될 수 있으나, 몇몇 결점들이 존재한다. 첫째, 도구는 축 방향으로 매우 뻣뻣하기 때문에 낮은 민감도를 갖는다. 둘째, 도구의 온도 팽창은 또한 모든 섬유를 늘릴 수 있다. 그 결과, 두 개의 측면힘을 계산하기 위한 3 FBG를 사용하여 측면 힘은 사실상 다르게 계산된다. 축방향 힘에 대하여, 도구의 중간을 통해 축방향으로 연속되고 도구 샤프트의 마이크로 머신 유연부(compliant section)의 원위부에 부착되는 4 FBG를 사용한다.

그러나, FBG 감지를 기반으로하는 현미 수술 센서에는 본 발명이 해결하기 위한 많은 문제점이 있다. 문제점 일부는 다음과 같다.

-FBG 섬유는 반드시 도구의 측면을 따라 단단하게 부착되어야 한다. 이는 어려운 제조 공정을 수반할 수 있고, 접착제 준수, 점성 반응 및 도구 샤프트 사이의 이력 현상은 문제를 야기할 수 있다. 또한 반드시 미리 로딩되어야 하는 "축 방향" 섬유와 연관된 유사한(및 더 어려운) 제조 및 부착 문제가 있다.

- FBG 섬유는 상당히 뻣뻣하다. 측면 FBG 섬유의 늘림에 대한 도구 샤프트의 휘어짐으로부터의 기계적인 이점을 잃어버렸기 때문에, 이는 특히 도구의 축방향 힘 민감도에 영향을 미친다.

- 도 2b에 도시된 바와 같이 유연한 부분을 생성하기 위하여 도구 샤프트 내의 마이크로 머신 홈들은 물질로 막히게 될 것이고, 따라서 도구가 재사용된다면 도구의 교정에 영향을 미치고, 또한 제거된/없어진 문제를 만들어낼 것이다.

- 좋은 신호-노이즈 특성을 얻는 것은 FBG 격자가 상당히 길 것을 요구한다(보통 우리의 현미 수술 도구로는 약 10mm이다). 이는 도구의 설계를 강제하고, 또한 격자를 포함하거나 격자에 근위의 도구 샤프트의 영역 상에 외부 힘이 가해지면 문제를 발생시킬 수 있다.

따라서, 현미 수술 어플리케이션을 위한 개선된 수술 도구 및 시스템에 대한 요구가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구 시스템은 수술 도구; 및 상기 수술 도구와 광학적으로(optically) 연결된 간섭 측정(interferometry) 시스템을 포함한다. 상기 수술 도구는, 몸체부; 상기 몸체부에 적어도 부착되거나 내장되는 센서부; 및 상기 센서부의 상기 몸체부로부터의 반대 단(opposing end)에 적어도 부착되거나 내장되는 수술부를 포함한다. 상기 센서부는, 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나가 상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 경우, 상기 힘 또는 상기 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리를 정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구는 몸체부; 상기 몸체부에 적어도 부착되거나 내장되는 센서부; 및 상기 센서부의 상기 몸체부로부터의 반대 단(opposing end)에 적어도 부착되거나 내장되는 수술부를 포함한다. 상기 센서부는, 상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리를 정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다.

더 나아가, 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 발명의 효과는 상세한 설명, 도면 및 실시예들을 통하여 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 컨셉을 설명하기 위한 현미 수술 도구 및 망막 수술[13, 14] 시 발생할 수 있는 힘들을 도시하고 있다.
도 2a 및 도 2b는 FBG에 기초한 3-DOF 힘 감지 도구 컨셉을 도시하고 있다. 도 2a는 도구 샤프트 상의 FBG센서로부터의 측면 힘 및 핸들에서의 축방향 힘 센서를 나타내고 있다. 도 2b는 도구 샤프트의 측면 굴절을 측정하는 FBG 센서로부터의 측면 힘 및 샤프트의 마이크로 머신 유연부의 연장을 측정하는 추가적인 섬유로부터의 축방향 힘을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에서 사용되는 내부 및 외부 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometers)의 컨셉을 도시하고 있다.
도 4는 도 3의 하부 영역에 대응하는 대표적인 외적 패브리 페로 센서의 좀 더 구체적인 모습이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구 및 수술 도구 시스템의 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 도구 및 수술 도구 시스템의 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 도구 및 수술 도구 시스템의 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 도구 및 수술 도구 시스템의 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 니티놀 굴곡(Nitinol flexure)의 예시를 포함하는 수술 도구의 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 감지 섬유의 대체적인 배치를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 머신 니티놀 튜브의 예시를 사용하는 유연부의 몇몇 컨셉을 도시하고 있다. 1mN 축 방향 굴절보다 작은 굴절이 도시되고 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 유연부를 갖는 3-DOF 힘 감지 도구의 예시를 도시하고 있다.

본 발명의 몇몇 실시예들은 아래에서 상세하게 논의될 것이다. 실시예들을 설명하면서, 명확성을 위해 특정 기술이 사용된다. 하지만, 본 발명은 선택된 상기 특정 기술로 인해 한정되지 않는다. 당업자라면 다른 동일한 요소가 사용될 수 있고, 본 발명의 넓은 개념에서 벗어나지 않고 다른 방법들이 전개될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본 상세한 설명의 어떠한 부분에서 언급되는 모든 참조는 각각 개별적으로 통합된 것과 같이 참조로써 통합된다.

FBG 센서가 수술 힘 측정을 위해 상대적으로 사용하기 용이하고 (우리를 포함하여) 몇몇 그룹에 의해 채용되어 왔음에도 불구하고, 이것들은 특히 그러나 이에 제한된 것은 아니나 현미 수술 환경에서 약간의 중대한 문제점을 가지고 있다.

광섬유 브래그 격자는 가변하는 굴절률의 주기 패턴의 간격에 의존하는 빛의 좁은 파장 대역을 반사한다(여기서 사용하는 "빛"은 예컨대, 가시광선, 적외선 및 자외선을 포함할 수 있는 넓은 개념을 의미한다). 다수의 다른 위상 변조 또는 간섭 측정 센서 타입이 알려져 있다[5, 20]. 하나의 특정 타입은 패브리 페로 간섭계이다. 위상 변조 센서의 일반적인 컨셉은 두 개의 섬유를 채용하는 센서이다. 빛은 두 개의 부분으로 쪼개지고, 각각의 부분으로 주입된다. 하나의 부분은 다른 하나의 부분이 환경에 의해 동요될 수 있는 동안 기준으로 작용한다. 기준 섬유에 대해 하나의 부분이 동요될 때, 위상 이동과 같은 간섭무늬의 변화가 간섭계에 의해 정확히 측정될 수 있다. 패브리 페로 간섭계는 오직 하나의 섬유만을 요구한다. 광선은 분리된 반사면에 의해 반사되고, 그리고 나서 섬유 팁으로부터 파생된 기준과 간섭한다. 도 3에 도시된 바와 같이 내부 또는 외부로 배치될 수 있다.

도 4는 도 3의 하부 다이어그램에 대응하는 대표적인 외부 패브리 페로 센서의 구체적인 모습이다. 리드 섬유와 반사 섬유 사이의 에어 갭과 함께 두 개의 반사면이 형성된다. 제 1 반사면은 리드 섬유의 끝단에 위치하고, 제 2 반사면은 반사 섬유 표면에 위치한다. 광선은 제 1 반사면에서 부분적으로 반사되고, 에어 갭으로 부분적으로 투과된다. 이는 제 2 반사면에서의 투과된 광선을 위해 다시 발생한다(제 2 반사면은 부분적 또는 전체적으로 반사할 수 있다). 제 2 반사면에서의 광선은 그러고 나사 적어도 부분적으로 뒤로 반사되고 리드 섬유로 다시 들어간다. 제 2 반사는 제 1 반사로부터의 빛에 비해 더 긴 거리(에어 갭 길이의 두배)를 이동한다 [27], [5].

그러므로, 본 발명의 몇몇 실시예는 도구-조직 힘을 위하여 현미 수술 기구에서의 작은 기하학적 변화를 측정할 수 있도록 FBG 감지 외의 간섭 측정 감지 형태를 사용한다. 간섭 측정 센서라는 용어는, 광학적 위상 차이를 측정할 수 있도록 두 개의 광선을 혼합하는 장치보다 본질적으로 파장 선택 반사면인 FBG 장치를 배제하기 위하여 의도되었다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구 시스템(100)의 도면이다.

수술 도구 시스템(100)은 수술 도구(102) 및 수술 도구(102)에 광학적으로(optically) 연결되는 간섭 측정 시스템(104)을 포함한다. 수술 도구(102)는 몸체부(106), 적어도 몸체부(106)에 부착되거나 이를 구성하는 센서부(108) 및 센서부(108)에서 몸체부(106)로부터 반대 끝단(112)에 적어도 센서부(108)에 부착되거나 이를 구성하는 수술부(110)를 포함한다. 센서부(108)는 수술 도구(102)의 수술부(108)에 가해질 때, 적어도 힘 또는 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리(114)를 측정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다.

간섭 측정 시스템(104)은 간섭 측정 광학 센서로 빛을 전송하기 위한 광 송신기(116), 간섭 측정 광학 센서로부터 돌아온 빛을 검출하여 출력 신호를 생성하는 광 수신기(118) 및 출력 신호를 수신하기 위해 광 수신기(118)과 통신하는 신호 프로세서(120)를 포함한다. 광 송신기(116), 광 수신기(118) 및 신호 프로세서(120)는 함께 패키지될 수도 있고, 개별적으로 분리 및/또는 컴포넌트로 분리될 수도 있다. 신호 프로세서는 전용 "배선(hard-wired)" 장치 및/또는 이에 한정되는 것은 아니나 컴퓨터와 같은 프로그래밍 가능한 장치일 수 있다. 신호 프로세서(120)는 광 수신기(118)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(114) 내 변화를 측정할 수 있고, 가해지는 힘, 가해지는 토크 또는 국부적 온도 변화 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있다. 실시예에서, 신호 프로세서(120)는 광 수신기(118)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서(108)의 기준 거리(114) 내 변화를 측정할 수 있고, 국부적 온도 변화를 고려하여 조직(124)과 함께 수술부(110)의 도구 팁(122) 상에 가해지는 힘을 측정하도록 이를 사용할 수 있다.

센서부(108) 내의 간섭 측정 광학 센서는 도 3의 상부에 도시된 내부 패브리 페로 센서이다. 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(114)는 고체 물질의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 결정된다. 각각의 두 개의 대립하는 표면들은 적어도 부분적으로 반사면이다. 원한다면, 반사면(126)은 다른 굴절률을 갖는 두 물질의 접점에 기인하여 대립하는 반사면이 부분적으로 반사하는 반면 전체적으로 반사할 수 있다. 고체 물질 센서부(108)는 기준 거리(114) 내 변화를 생성하기 위해 수술부(110)에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 유연한 고체 물질이다.

수술 도구 시스템(100)은 더 나아가 몸체부(106)의 내부 영역을 따라 수술 도구(102)의 센서부(108)로 연장되는 광섬유(128)를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 수술 도구(102)는 현미 수술 도구 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 현미 수술 도구는 바늘, 피크, 메스, 겸자, 가위 또는 투관침일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 도구 시스템(200)의 도면이다. 수술 도구 시스템(200)은 수술 도구(202) 및 수술 도구(202)에 광학적으로 연결되는 간섭 측정 시스템(204)을 포함한다. 수술 도구(202)는 몸체부(206), 적어도 몸체부(206)에 부착되거나 이를 구성하는 센서부(208) 및 센서부(208)에서 몸체부(206)로부터 반대 끝단(212)에 적어도 센서부(208)에 부착되거나 이를 구성하는 수술부(210)를 포함한다. 센서부(208)는 수술 도구(202)의 수술부(208)에 가해질 때, 적어도 힘 또는 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리(214)를 측정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다.

간섭 측정 시스템(204)은 간섭 측정 광학 센서로 빛을 전송하기 위한 광 송신기(216), 간섭 측정 광학 센서로부터 돌아온 빛을 검출하여 출력 신호를 생성하는 광 수신기(218) 및 출력 신호를 수신하기 위해 광 수신기(218)과 통신하는 신호 프로세서(220)를 포함한다. 광 송신기(216), 광 수신기(218) 및 신호 프로세서(220)는 함께 패키지될 수도 있고, 개별적으로 분리 및/또는 컴포넌트로 분리될 수도 있다. 신호 프로세서는 전용 "배선(hard-wired)" 장치 및/또는 이에 한정되는 것은 아니나 컴퓨터와 같은 프로그래밍 가능한 장치일 수 있다. 신호 프로세서(220)는 광 수신기(218)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(214) 내 변화를 측정할 수 있고, 가해지는 힘, 가해지는 토크 또는 국부적 온도 변화 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있다. 실시예에서, 신호 프로세서(220)는 광 수신기(218)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서(208)의 기준 거리(214) 내 변화를 측정할 수 있고, 국부적 온도 변화를 고려하여 조직(224)과 함께 수술부(210)의 도구 팁(222) 상에 가해지는 힘을 측정하도록 이를 사용할 수 있다.

센서부(208) 내의 간섭 측정 광학 센서는 도 3 및 도 4의 하부에 도시된 외부 패브리 페로 센서이다. 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(214)는 갭의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 결정된다. 각각의 두 개의 대립하는 표면들은 적어도 부분적으로 반사면이다. 원한다면, 반사면(226)은 다른 굴절률을 갖는 두 물질의 접점에 기인하여 대립하는 반사면이 부분적으로 반사하는 반면 전체적으로 반사할 수 있다. 센서부(208)는 기준 거리(214) 내 변화를 생성하기 위해 수술부(210)에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 유연한 물질 또는 구조를 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서부(208)는 원통형 탄성 물질 또는 마이크로 머신 원통형 부품을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

수술 도구 시스템(200)은 더 나아가 몸체부(206)의 내부 영역을 따라 수술 도구(202)의 센서부(208)로 연장되는 광섬유(228)를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 수술 도구(202)는 현미 수술 도구 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 현미 수술 도구는 바늘, 피크, 메스, 겸자, 가위 또는 투관침일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 도구 시스템(300)의 도면이다. 수술 도구 시스템(300)은 수술 도구(302) 및 수술 도구(302)에 광학적으로 연결되는 간섭 측정 시스템(304)을 포함한다. 수술 도구(302)는 몸체부(306), 적어도 몸체부(306)에 부착되거나 이를 구성하는 센서부(308) 및 센서부(308)에서 몸체부(306)로부터 반대 끝단(312)에 적어도 센서부(308)에 부착되거나 이를 구성하는 수술부(310)를 포함한다. 센서부(308)는 수술 도구(302)의 수술부(308)에 가해질 때, 적어도 힘 또는 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리(314)를 측정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다(도시된 바와 같이, 또한 도 7b는 도 7a에 표시된 절단선에 대응한 도면이다). 예를 들면, 주변으로 배치된 네 개의 패브리 페로 간섭계가 있다. 그러나, 본 발명의 컨셉은 간섭계의 특정 개수 및 배치에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따라서 하나, 둘, 셋 또는 넷, 또는 그 이상의 간섭계가 있을 수 있다. 이것들은 또한 다양한 패턴을 가질 수 있고, 예를 들면, 하나를 중심으로 주변에 하나도 없는 또는 하나, 둘 셋 또는 그 이상으로 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 간섭계의 다른 배치는 본 발명의 다른 실시예에 따라 사용될 수 있을 것이다.

간섭 측정 시스템(304)은 간섭 측정 광학 센서로 빛을 전송하기 위한 광 송신기(316), 간섭 측정 광학 센서로부터 돌아온 빛을 검출하여 출력 신호를 생성하는 광 수신기(318) 및 출력 신호를 수신하기 위해 광 수신기(318)과 통신하는 신호 프로세서(320)를 포함한다. 광 송신기(316), 광 수신기(318) 및 신호 프로세서(320)는 함께 패키지될 수도 있고, 개별적으로 분리 및/또는 컴포넌트로 분리될 수도 있다. 신호 프로세서는 전용 "배선(hard-wired)" 장치 및/또는 이에 한정되는 것은 아니나 컴퓨터와 같은 프로그래밍 가능한 장치일 수 있다. 신호 프로세서(320)는 광 수신기(318)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(314) 내 변화를 측정할 수 있고, 가해지는 힘, 가해지는 토크 또는 국부적 온도 변화 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있다. 실시예에서, 신호 프로세서(320)는 광 수신기(318)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(314) 내 변화를 측정할 수 있고, 국부적 온도 변화를 고려하여 조직(324)과 함께 수술부(310)의 도구 팁(322) 상에 가해지는 힘을 측정하도록 이를 사용할 수 있다.

센서부(308) 내의 간섭 측정 광학 센서는 도 3의 상부에 도시된 내부 패브리 페로 센서이다. 그러나 하나 또는 그 이상은 외부 패브리 페로 센서로서 구성될 수 있다. 이러한 센서들은 예컨대 전술한 실시예와 관련하여 도시된 내부 및 외부 패브리 페로 센서들과 유사하게 구성될 수 있다.

수술 도구 시스템(300)은 더 나아가 몸체부(306)의 내부 영역을 따라 수술 도구(302)의 센서부(308)로 연장되는 복수의 광섬유(328)를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 수술 도구(302)는 현미 수술 도구 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 현미 수술 도구는 바늘, 피크, 메스, 겸자, 가위 또는 투관침일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 도구 시스템(400)의 도면이다. 수술 도구 시스템(400)은 수술 도구(402) 및 수술 도구(402)에 광학적으로 연결되는 간섭 측정 시스템(404)을 포함한다. 수술 도구(402)는 몸체부(406), 적어도 몸체부(406)에 부착되거나 이를 구성하는 센서부(408) 및 센서부(408)에서 몸체부(406)로부터 반대 끝단(412)에 적어도 센서부(408)에 부착되거나 이를 구성하는 수술부(410)를 포함한다. 센서부(408)는 수술 도구(402)의 수술부(408)에 가해질 때, 적어도 힘 또는 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리(414)를 측정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함한다(도시된 바와 같이, 또한 도 8b는 도 8a에 표시된 절단선에 대응한 도면이다). 예를 들면, 주변으로 배치된 네 개의 패브리 페로 간섭계가 있다. 그러나, 본 발명의 컨셉은 간섭계의 특정 개수 및 배치에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따라서 하나, 둘, 셋 또는 넷, 또는 그 이상의 간섭계가 있을 수 있다. 이것들은 또한 다양한 패턴을 가질 수 있고, 예를 들면, 하나를 중심으로 주변에 하나도 없는 또는 하나, 둘 셋 또는 그 이상으로 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 간섭계의 다른 배치는 본 발명의 다른 실시예에 따라 사용될 수 있을 것이다.

간섭 측정 시스템(404)은 간섭 측정 광학 센서로 빛을 전송하기 위한 광 송신기(416), 간섭 측정 광학 센서로부터 돌아온 빛을 검출하여 출력 신호를 생성하는 광 수신기(418) 및 출력 신호를 수신하기 위해 광 수신기(418)과 통신하는 신호 프로세서(420)를 포함한다. 광 송신기(416), 광 수신기(418) 및 신호 프로세서(420)는 함께 패키지될 수도 있고, 개별적으로 분리 및/또는 컴포넌트로 분리될 수도 있다. 신호 프로세서는 전용 "배선(hard-wired)" 장치 및/또는 이에 한정되는 것은 아니나 컴퓨터와 같은 프로그래밍 가능한 장치일 수 있다. 신호 프로세서(420)는 광 수신기(418)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(414) 내 변화를 측정할 수 있고, 가해지는 힘, 가해지는 토크 또는 국부적 온도 변화 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있다. 실시예에서, 신호 프로세서(420)는 광 수신기(418)로부터의 출력 신호로부터 간섭 측정 광학 센서의 기준 거리(414) 내 변화를 측정할 수 있고, 국부적 온도 변화를 고려하여 조직(424)과 함께 수술부(410)의 도구 팁(422) 상에 가해지는 힘을 측정하도록 이를 사용할 수 있다.

센서부(308) 내의 간섭 측정 광학 센서는 도 3의 상부에 도시된 내부 패브리 페로 센서이다. 그러나 하나 또는 그 이상은 내부 패브리 페로 센서로서 구성될 수 있다. 이러한 센서들은 예컨대 전술한 실시예와 관련하여 도시된 내부 및 외부 패브리 페로 센서들과 유사하게 구성될 수 있다.

수술 도구 시스템(400)은 더 나아가 몸체부(406)의 내부 영역을 따라 수술 도구(402)의 센서부(408)로 연장되는 복수의 광섬유(428)를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 수술 도구(402)는 현미 수술 도구 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 현미 수술 도구는 바늘, 피크, 메스, 겸자, 가위 또는 투관침일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 센서부는 굴곡부들을 포함하는 마이크로 머신 튜브인 유연 요소를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 마이크로 머신 튜브는 니티놀(Nitinol) 물질로 구성될 수 있고, 의도하는 적용에 대하여 원하는 강도 및 다른 작용 특성에 따라 다른 탄성 물질로도 대체될 수 있다. 실시예는 강철(steel) 및 티타늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서는, 센서부는 마이크로 머신 튜브의 굴곡부들 사이에 갭에 배치되는 유연한 밀봉 물질을 더 포함할 수 있다. 유연부는 간섭 측정 광학 센서의 동작 파장을 실질적으로 투과시키는 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 센서부는 쉴드(shield)를 제공하기 위하여 유연부 주위에 부착되는 유연막(flexible membrane)을 더 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6에는 간단한 1-DOF 축방향 힘 감지 도구의 몇몇 컨셉이 도시되고 있다. 본 예시에서, 작은 유연부는 도구 샤프트의 원위부 상에 위치하고 어떠한 도구 조직 상호작용 힘이 미칠 수 있는 도구 팁의 영역에 근접한다. 단순하게, 오직 도구 샤프트 축에 평행한 방향으로 도구 팁에 가해지는 힘에 따르는 유연부를 가정할 수 있다. 다수의 잘 알려진 구조 중 어느 하나는 유연부를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대:

- 굴곡 구조가 현미 수술 도구 샤프트의 끝단으로 에칭되거나 절삭될 수 있다.

- 분리된 유연 물질(도구 샤프트의 그것과는 다른)은 제조되고, 도구 샤프트의 끝단에 부착될 수 있다. 이러한 물질의 일 예는 고분자 물질일 수 있다.

광섬유는 도구 샤프트로 전해지고, 그렇게 함으로써 섬유를 통해 전달되는 빛은 도구의 도구 팁 부분과 함께 움직이는 반사면에 반사되고 다시 섬유로 돌아간다. 몇몇 적용에서는, 해당 기술 분야에서 잘 알려진 표준 수단을 사용하여 섬유의 원위부 상에 추가적인 기준 반사면을 제공해야 할 필요가 있을 수도 있다. 유연부는 빛이 섬유로부터 반사면으로 통과할 수 있고 다시 돌아갈 수 있도록 구성되었다. 이는 유연부가 튜브의 일반적인 형태를 갖는 경우 쉽게 구현할 수 있고, 따라서 섬유 및 반사면 사이에 분명한 경로가 있다. 예를 들면, 도 2b의 머신 굴곡 구조는 이러한 형태를 갖는다. 대체적으로, 유연 구조는 일정한 탄성 특성의 몇몇의 투명 고체 물질로 만들어질 수 있다. 이러한 물질의 굴절률이 섬유 내 물질과 다르면, 반 반사 거울(semi-reflecting mirror)이 섬유의 끝단으로 부착될 필요가 있다. 다른 실시예에서는, 오염을 배제하기 위하여 낮은 강도와 투명한 유연 물질로 도 2b에 도시된 것과 같이 굴곡 방식 유연 구조를 "채우는 것"이 바람직할 수 있다. 대체적으로, 유연 구조는 오염을 방지하는 목적을 달성하기 위하여 적절한 유연한 피복으로 가려질 수 있다.

해당 기술 분야에서 알려진 어떠한 간섭 측정 방법[5, 20]도, 도구에 가해지는 축방향 힘 내 힘의 변화

에 응답하여 반사면의 축 방향 변위 상 변화

를 측정하도록 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 패브리 페로 간섭 측정[5, 20, 27]이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 공통 경로 광간섭 단층 영상기(CPOCT) 시스템[28-30]이 사용될 수 있다. 두 경우 모두, 고 민감도를 얻기 위해서는, 위상 감도 측정이 사용될 필요가 있다. 패브리 페로 간섭 측정의 위상은

을 사용하여 인터페로그램(interferogram)으로부터 추출될 수 있고, 따라서

를 계산하는 또 다른 정확한 방법을 제공한다.

해당 기술 분야에서 알려진 어떠한 종래의 보정(calibration) 방법도,

및

에 대하여 컴플라이언스

를 결정하는 데에 사용될 수 있고, 그렇게 함으로써

의 관계는 고 민감도의 측정된 값

로부터

를 결정할 수 있도록 사용될 수 있다. 이러한 간단한 모델을 가정하면, 거리

는 힘

에 대응한다. 몇몇 "제로(zero)" 힘

에 대응하는 변위

를 측정하기 위해 공동으로 사용되는 힘 센서를 "재 바이어싱(re-bias)" 하는 것은 일반적이다. 그리고,

의 측정된 값으로부터

를 감산한다. 즉,

및

가 도출된다.

이러한 기본 설계는 힘 및 토크의 다자유도의 감지를 제공하기 위해 확장될 수 있다. 도 7a 및 도 8a에 도시된 도구 설계를 고려해보라. 이 경우, 유연한 도구 부분은 조직에 접촉되는 도구의 근위의 도구 샤프트 및 원위부 사이에 배치될 수 있다. 다수의 섬유는 근위의 도구 샤프트를 따라 통과되고 배열되며, 따라서 빛은 섬유로부터 도구의 원위부와 함께 움직이는 반사면으로 통과할 수 있다. 빛은 간섭 측정 시스템 내 섬유로 다시 반사된다. 섬유의 하나의 전형적인 배열은 도 7a 및 도 8a에 도시되어 있다.

편의상,

를 도구의 원위부 상 알려진 지점에 걸린 힘 및 토크의 벡터라고 두자.

를 일반적으로 "재 바이어싱(re-bias)" 단계의 결과로 측정된 몇몇 가정된 "제로(zero)" 토크 위치로부터 측정된 반사면의 변위의 벡터라고 두자. 컴플라이언스 관계(compliance relation)는

및

이고, 이때

는

의 적절한 의사 역행렬(pseudo-inverse)이다. 예를 들면, 도구 팁이 [0,0,0]의 좌표에 위치해있고, 반사면은 도구 샤프트(

) 축에 수직이며, 네 개의 배열된 섬유가 있다고 가정하라. 따라서 반사 지점은 다음과 같이 위치한다.

오직 직각 좌표(Cartesian)의 힘(토크는 제외)만이 도구 팁에 가해진다고 가정하라. 그러면, 이상적인 상태에서 첫 번째 근사치는 우리가 가질 수 있는 작은 변위에 대해 충분히 정확하다.

여기서,

는 유효 스프링 상수(effective spring constant)이다. 적절한 보정 이후에, 이러한 계수 및

를 결정할 수 있다. 실제적으로, 대부분의 보정 방법은 다양한 알려진 힘들

을 가할 수 있고 대응하는 변위 벡터

를 측정하여 수치상으로

를 추정할 수 있다. 상기 식들은 오직 설명을 위해 사용된 것임을 알아야 한다. 행렬

의 요소에 대하여, 상수여야 한다는 점 및 의사 역행렬

가 계산 가능해야 한다는 점을 제외하고는 특정 요구가 없다. 다양한 유연 구조는 다양한 행렬을 만들 수 있다.

이러한 예시가 광섬유 및 반사면을 향한 광경로가 도구 샤프트에 대해 평행하게 연장되도록 배열된다고 가정하고 있더라도, 이는 절대 필요 조건은 아님을 잘 알아야 한다. 특정 도구의 설계 요구에 따라 이 것들은 어떠한 임의 방향에서 연장되도록 배열될 수 있고, 도구에 대하여 어떠한 임의 변위를 가질 수 있다. 일반적인 문제와 같이, 도구는 시스템

및

가 수치상으로 좋은 상태를 유지하고, 원하는 힘 및 토크가 대응하는

의 유효 측정을 제공하도록 설계되어야 한다.

지금까지 논의는 외과용 기구의 열 팽창 효과는 무시하였다. 일반적으로, 도구의 유연부 내 온도 변화

는 다음과 같이

의 측정된 값 내 변화를 유발할 수 있다.

여기서 보통 다음과 같이 근사시킬 수 있다.

다수의 상황에서(예컨대, 측정을 위해 필요로 되는 시간 구간 동안

가 아주 작거나,

인 경우), 온도 효과는 무시될 수 있다. 대체적으로, 적절한 보정 절차는 온도 변화에 기인한

내 변화 및 측정된 힘에 기인한 변화를 분리하는 감지 시스템 및 유연 구조 설계 내에 충분한 리던던시가 있다고 가정하고,

및

를 추정하는 데에 사용될 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 전술한 바와 유사한 3-DOF FP 힘 센서를 좀 더 상세하게 도시하고 있다. 이 경우, 도구 샤프트에 대해 120도를 이루며 위치한 세 개의 광섬유가 제공되고, 따라서 세 힘 요소를 감지하기 위한 최소한의 배열이 제공된다. 바람직하게는, 리던던시 또는 온도 보상을 제공하기 위하여 도 7a 및 도 8a에 도시된 바와 같이 네 개의 광섬유가 용이하게 제공될 수 있다. 또는, 도 10에 도시된 바와 같이, 도구의 측면에 도시된 3 개의 섬유 배열은 도구의 중앙으로 연장되는 네 개의 섬유와 함께 보충될 수 있다. 대체적으로, 이러한 3-섬유 배열은 온도 보상과 함께 오직 측면 힘을 감지하도록 사용될 수 있다.

이 경우, 유연부는 마이크로 머신 니티놀(nickel-titanium alloy) 튜브로부터 구성된다. 도 11은 1mN 축방향 힘 아래에서 굴절의 유한 요소 시뮬레이션에 대한 몇몇 컨셉을 나타내고 있다.

도 12는 금속 굴곡부가 일정한 탄성 특성의 투명한 플라스틱에 의해 만들어진 실린더로 대체되는 대체적인 방법을 나타내고 있다. 이러한 컨셉의 장점은 간편함, 적은 비용, 쉬운 세척, 힘 및 강도를 포함한다.

다른 실시예에서, 모든 광섬유가 동일한 감지 방법을 사용한다는 요구는 없다. 예를 들면, 섬유의 배열이 도 10과 같은 경우, 측면 섬유는 샤프트 측면에 부착된 FBG 센서일 수 있고, 중앙 섬유는 도구 샤프트 및 도구 팁 사이의 축방향의 유연부의 원위부에 위치한 미러를 바라보는 패브리 페로 센서일 수 있다. FBG 센서는 샤프트를 구부리는 측면 힘을 측정하기 위하여 사용될 수 있고, 패브리 페로 센서는 축방향의 유연부를 압박하기 위한 축방향 힘을 측정하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에 따른 수술 도구 및 수술 도구 시스템은 예컨대 촉각, 시각 및/또는 청각적인 피드백에 의해 의사에게 피드백을 제공하도록 사용될 수 있다.

참조 자료(REFERENCES)

[1] P. Gupta, P. Jensen, and E. deJuan, "Surgical Forces and Tactile Perception During Retinal Microsurgery", in proceedings of the Second International Conference on Medical Image Computing and Computer - Assisted Intervention ( MICCAI 99), Cambridge, England, 1999, pp. 1218-1225

[2] P. Jensen, P. Gupta, and J. E. de Juan, "Quantification of microsurgical tactile perception", in The First Joint Meeting of BMES and EMBS, Atlanta, 1999

[3] P. K. Gupta, A Method to Enhance Microsurgical Tactile Perception and performance Through the Use of Auditory Sensory Perception , thesis in M.S. in Engineering, The Johns Hopkins University, Baltimore, 2001.

[4] A. D. Jagtap and C. N. Riviere, "Applied Force during Vitreoretinal Microsurgery with Handheld Instruments", in Proc . 26 th IEEE Engineering in Medicine and Biology Conference ( EMBS ), San Francisco, 2004, pp.2771-2773

[5] D. A. Krohn, Fiber Optic Sensors : Fundamentals and Applications : Instrument Society of America, 2000.

[6] P. J. Berkelman, D. L. Rothbaum, J. Roy, Sam Lang, L. L. Whitcomb, G. Hager, P. S. Jensen, R. H. Taylor, and J. Niparko, "Performance Evaluation of a Cooperative Manipulation Microsurgical Assistant Robot Applied to Stapedotomy", in Medical Image Computing and Computer - Assisted Interventions (MICCAI 2001), Utrecht, 2001, pp. 1426-1429

[7] D. L. Rothbaum, J. Roy, P. Berkelman, G. Hager, D. Stoianovici, R. H. Taylor, L. L. Whitcomb, M. Howard Francis, and J. K. Niparko, "Robot-assisted stapedotomy: micropick fenestration of the stapes footplate", Otolaryngology -- Head and Neck Surgery , vol. 127-5, pp. 417-426, November 2002

[8] D. Rothbaum, J. Roy, G. Hager, R. Taylor, and L. Whitcomb, "Task Performance in stapedotomy: Comparison between surgeons of different experience levels", Otolaryngology -- Head and Neck Surgery , vol. 128-1, pp. 71-77, January 2003

[9] P. J. Berkelman, L. Whitcomb, R. Taylor, and P. Jensen, "A miniature microsurgical instrument tip force sensor for enhanced force feedback during robot-assisted manipulation", IEEE T. Robotics and Automation, vol. 19-5, pp. 917-922, October 2003

[10] M. Balicki, A. Uneri, 1. Iordachita, J. Handa, P. Gehlbach, and R. H. Taylor,"Micro-force Sensing in Robot Assisted Membrane Peeling for Vitreoretinal Surgery", in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI),Beijing, September 2010, p. to appear.

[11] M. Kitagawa, D. Dokko, A. M. Okamura, B. T. Bethea, and D. D. Yuh., "Effect of Sensory Substitution on Suture Manipulation Forces for Surgical Teleoperation," in Medicine Meets Virtual Reality 12, 2004, pp. 157-163

[12] T. Akinbiyi, C. E. Reiley, S. Saha, D. Burschka, C. J. Hasser, D. D. Yuh, and A. M. Okamura, "Dynamic Augmented Reality for Sensory Substitution in Robot-Assisted Surgical Systems", in 28 th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2006, pp. 567-570

[13] I. Iordachita, Z. Sun, M. Balicki, J. U. Kang, S. J. Phee, J. Handa, P. Gehlbach, and R. Taylor, "A sub-millimetric, 0.25mN resolution fully integrated fiber-optic force-sensing tool for retinal microsurgery", IntJ Computer Assisted Radiology and Surgery，vol. 4-4, pp. 383-390, 2009 PMID: 20033585

[14] Z. Sun, M. Balicki, J. Kang, J. Handa, R. Taylor, and I. Iordachita, "Development and Preliminary Data of Novel Integrated Optical Micro-Force Sensing Tools for Retinal Microsurgery", in IEEE International Conference on Robotics and Automation - ICRA 2009, Kobe, Japan, 2009, pp. 1897-1902

[15] B. T. Bethea, A. M. Okamura, M. Kitagawa, T. P. Fitton, S. M. Cattaneo, V. L. Gott, W. A. Baumgartner, and D. D. Yuh, "Application of Haptic Feedback to Robotic Surgery", Journal of Laparoendoscopic and Advanced Surgical Techniques , vol. 14-3, pp. 191-195, 2004

[16] R. Kumar, P. Berkelman, P. Gupta, A. Barnes, P. S. Jensen, Louis L. Whitcomb, and R. H. Taylor, "Preliminary Experiments in Cooperative Human/Robot Force Control for Robot Assisted Microsurgical Manipulation ", in IEEE Conference on Robotics and Automation , San Francisco, 2000, pp. 610--617

[17] S. Prasad, M. Kitagawa, G. S. Fischer, J. Zand, M. A. Talamini, R. H. Taylor, and A. M. Okamura, "A Modular 2-DOF Force-Sensing Instrument for Laparoscopic Surgery", in Proceedings of the Sixth International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention -- MICCAI2003 , Montreal, 2003, pp. 279-286

[18] T. Akinbiyi，Intelligent instruments and visual force feedback in laparoscopic minimally invasive surger，thesis in Mechanical Engineering, The Johns Hopkins University, Baltimore, MD, 2005.

[19] G. Fischer, T. Akinbiyi, S. Saha, J. Zand, M. Talamini, M. Marohn, and R. Taylor, "Ischemia and Force Sensing Surgical Instruments for Augmenting Available Surgeon Information", in IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics - BioRob 2006, Pisa, Italy, 2006

[20] J. A. C. Heijmans, L. K. Cheung, and F. P. Wieringa,"Optical fiber sensors for medical applications-Practical engineering considerations", in 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering ECIFMBE, Antwerp, Belgium,23-27 November 2008

[21] J. C. Jan Peirsa, Dominiek Reynaerts" a, Hendrik Van Brussela, Paul Herijgersb, Brecht Cortevillea and Sarah Boone, "A micro optical force sensor for force feedback during minimally invasive robotic surgery"，Sensors and Actuators A: Physical , vol. 115- 2-3, pp. 447-455, 21 September 2004

[22] M. S. Mueller, L. Hoffmann, T. S. Buck, and A. W. Koch, "Realization of a fiber-optic force-torque sensor with six degrees of freedom", in Proc. SPIE - Optomechatronic Technologies, San Diego, CA ,17 November 2008, pp. 72660S-1 to 8. http://dx.doi.org./10.1117/12.807141.

[23] P. Puangmali, H. Liu, K. Althoefer, and L. D. Seneviratne, "Optical fiber sensor for soft tissue investigation during minimally invasive surgery", in IEEE Conference on Robotics and Automation (ICRA),Pasadena, CA , 19-23 May 2008, pp. 2934 - 2939

[24] J. Desai, "Design and Development of a 3-Axis MRI-compatible Force Sensor", in ICRA 2010 Workshop on Medical Cyber-Physical Systems Anchorage,7 May 2010, p. (Abstract in Electronic Proceedings).

[25] M. Tada and T. Kanade, "An MR-Compatible Optical Force Sensor for Human Function Modeling", in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention - MICCAI 2004, St. Malo, France, September 2004, pp. 129-136.

[26] X. He, Force Sensing Tool for Retinal Surgery , MS thesis in Mechanical Engineering (MiMed), T. U. Munich, Munich, 2009.

[27] D. Geib, Multiplexing of Extrinsic Fabry - Perot Optical Fiber Sensors for Strain Measurements thesis in Electrical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003.

[28] M. Balicki, J.-H. Han, 1. Iordachita, P. Gehlbach, J. Handa, R. H. Taylor, and J. Kang, "Single Fiber Optical Coherence Tomography Microsurgical Instruments for Computer and Robot-Assisted Retinal Surgery", in Medical Image Computing and Computer Assisted Surgery (MICCAI 2009),London2009, pp. 108-115. PMID: Pending.

[29] J. U. Kang and A. Rodriguez, "Fourier Domain common-path fiber OCT with tunable reference: analysis and optimization", OSA Technical Digest , CLEO, p. JtuA55, 2007

[30] X. Liu and J. U. Kang, "Progress toward inexpensive endoscopic high resolution common-path OCT", in SPIE Conf . on Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications X, 2010

본 상세한 설명에 개시되고 논의된 실시예는 오직 당업자로 하여금 발명자가 알고 있는 가장 적절한 방법으로 발명을 구성하고 사용할 수 있도록 의도되었다. 설명된 본 발명의 실시예에서 구체적인 용어는 명확함을 위해 사용되었다. 하지만 본 발명은 선택된 상기 구체적인 용어에 의해 한정되지 않는다. 앞서 설명된 본 발명의 실시예는 앞서 개시된 내용에 비추어 당업자에게 받아들여지는 본 발명의 범위 내에서 수정되고 변화될 수 있다. 그러므로, 청구항의 범위 및 그 동일성의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것 이외로 실행될 수 있을 것이다.

Claims

수술 도구; 및
상기 수술 도구와 광학적으로(optically) 연결된 간섭 측정(interferometry) 시스템을 포함하고,
상기 수술 도구는,
몸체부;
상기 몸체부에 적어도 부착되거나 내장되는 센서부; 및
상기 센서부의 상기 몸체부로부터의 반대 단(opposing end)에 적어도 부착되거나 내장되는 수술부를 포함하며,
상기 센서부는, 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나가 상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 경우, 상기 힘 또는 상기 토크 중 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리를 정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 측정 시스템은,
상기 간섭 측정 광학 센서로 빛을 전송하는 광 송신기;
출력 신호를 제공하기 위하여 상기 간섭 측정 광학 센서로부터 돌아온 빛을 감지하는 광 수신기; 및
상기 출력 신호를 수신하기 위하여 상기 광 수신기와 통신하는 신호 프로세서를 포함하는 수술 도구 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 신호 프로세서는,
상기 광 수신기로부터의 상기 출력 신호에서 상기 간섭 측정 광학 센서의 상기 기준 거리의 변화를 결정하고, 가해지는 힘, 가해지는 토크 또는 국부적 온도 변화 중 적어도 어느 하나를 결정하는 수술 도구 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 신호 프로세서는,
상기 광 수신기로부터의 상기 출력 신호에서 상기 간섭 측정 광학 센서의 상기 기준 거리의 변화를 결정하고, 국부적 온도 변화를 고려하여 가해지는 힘을 결정하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 측정 광학 센서의 상기 기준 거리는 고체 물질의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 정해지고,
각각의 상기 두 개의 대립하는 표면들은 적어도 부분적으로 반사면들이며,
상기 고체 물질은 상기 기준 거리 내 변화를 생성하기 위해 상기 수술부에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 유연한(compliant) 고체 물질인 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 측정 광학 센서의 상기 기준 거리는, 적어도 부분적으로 반사면들이고 상기 반사면들 사이에 갭(gap)을 가지는 대응하는 고체 물질들의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 결정되는 상기 갭이며,
상기 갭은 더 나아가 상기 몸체부 및 상기 수술부 사이의 유연한 물질에 의해 결정되며,
상기 유연한 물질은 상기 두 개의 대립하는 표면들 사이의 상기 갭의 변화를 생성하기 위해 상기 수술부에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 센서부는 상기 몸체부의 일 단 및 상기 수술부의 반대 단에 부착되는 유연 요소를 포함하는 수술 도구 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 유연 요소는, 굴곡부들을 포함하는 마이크로 머신 튜브인 수술 도구 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 마이크로 머신 튜브의 상기 굴곡부들 사이의 갭들에 배치되는 유연한 밀봉 물질을 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 유연부는,
상기 간섭 측정 광학 센서의 동작 파장을 실질적으로 투과시키는 물질을 포함하는 수술 도구 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 센서부는,
쉴드(shield)를 제공하기 위해 상기 유연부 주위에 부착되는 유연막(flexible membrane)을 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나에 응답하여 변화하거나, 상기 수술 도구의 상기 센서부의 온도 내 변화에 응답하여 변화하는 각각의 기준 거리들을 측정하는 복수의 간섭 측정 광학 센서들을 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 신호 프로세서는,
상기 복수의 간섭 측정 광학 센서들의 상기 기준 거리들의 변화를 결정하고, 복수의 가해지는 힘 요소들 또는 복수의 가해지는 토크 요소들 중 적어도 어느 하나를 결정하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 센서부로 상기 몸체부의 내부 영역을 따라 연장되는 복수의 광섬유를 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 센서부로 상기 몸체부의 내부 영역을 따라 연장되는 복수의 광섬유를 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 몸체부의 적어도 일 부분의 벤딩(bending)을 측정하도록 상기 몸체부에 배치된 광섬유 브래그 격자 센서(fiber Bragg grating sensor)를 더 포함하는 수술 도구 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수술 도구는 마이크로 수술 도구인 수술 도구 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 마이크로 수술 도구는 바늘, 피크, 메스, 겸자, 가위 또는 투관침 중 하나인 수술 도구 시스템.
몸체부;
상기 몸체부에 적어도 부착되거나 내장되는 센서부; 및
상기 센서부의 상기 몸체부로부터의 반대 단(opposing end)에 적어도 부착되거나 내장되는 수술부를 포함하며,
상기 센서부는, 상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나에 응답하여 변화하는 기준 거리를 정하는 간섭 측정 광학 센서를 포함하는 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 기준 거리는 고체 물질의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 정해지고,
각각의 상기 두 개의 대립하는 표면들은 적어도 부분적으로 반사면들이며,
상기 고체 물질은 상기 기준 거리 내 변화를 생성하기 위해 상기 수술부에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 유연한(compliant) 고체 물질인 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 기준 거리는, 적어도 부분적으로 반사면들이고 상기 반사면들 사이에 갭(gap)을 가지는 대응하는 고체 물질들의 두 개의 대립하는 표면들에 의해 결정되는 상기 갭이며,
상기 갭은 더 나아가 상기 몸체부 및 상기 수술부 사이의 유연한 물질에 의해 결정되며,
상기 유연한 물질은 상기 두 개의 대립하는 표면들 사이의 상기 갭의 변화를 생성하기 위해 상기 수술부에 가해지는 가변하는 힘에 응답하여 압축되거나 연장될 수 있는 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 센서부는 상기 몸체부의 일 단 및 상기 수술부의 반대 단에 부착되는 유연 요소를 포함하는 수술 도구.
제 22 항에 있어서,
상기 유연 요소는, 굴곡부들을 포함하는 마이크로 머신 튜브인 수술 도구.
제 23 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 마이크로 머신 튜브의 상기 굴곡부들 사이의 갭들에 배치되는 유연한 밀봉 물질을 더 포함하는 수술 도구.
제 22 항에 있어서,
상기 유연부는,
상기 간섭 측정 광학 센서의 동작 파장을 실질적으로 투과시키는 물질을 포함하는 수술 도구.
제 22 항에 있어서,
상기 센서부는,
쉴드(shield)를 제공하기 위해 상기 유연부 주위에 부착되는 유연막(flexible membrane)을 더 포함하는 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 수술 도구의 상기 수술부에 가해지는 힘 또는 토크 중 적어도 어느 하나에 응답하여 변화하거나, 상기 수술 도구의 상기 센서부의 온도 내 변화에 응답하여 변화하는 각각의 기준 거리들을 측정하는 복수의 간섭 측정 광학 센서들을 더 포함하는 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 센서부로 상기 몸체부의 내부 영역을 따라 연장되는 광섬유를 더 포함하는 수술 도구.
제 27 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 센서부로 상기 몸체부의 내부 영역을 따라 연장되는 복수의 광섬유를 더 포함하는 수술 도구.
제 19 항에 있어서,
상기 수술 도구의 상기 몸체부의 적어도 일 부분의 벤딩(bending)을 측정하도록 상기 몸체부에 배치된 광섬유 브래그 격자 센서(fiber Bragg grating sensor)를 더 포함하는 수술 도구.