KR20150044850A

KR20150044850A - 최소 침습 기구 내에 구성요소들을 구성하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150044850A
Application number: KR1020147034950A
Authority: KR
Inventors: 아눕 카우시크; 캐럴린 엠 페네크; 빈센트 듀인담; 캐이틀린 큐 돈하우
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-04-27
Also published as: US20180325417A1; US20170347912A1; US10022067B2; JP2015529104A; EP2879752A4; WO2014028400A1; KR102218413B1; CN104470575B; US20220400975A1; EP2879752A1; EP2879752B1; US11471066B2; CN107280671B; JP6441797B2; US9730611B2; US20200163581A1; US10568539B2; CN104470575A; CN107280671A; US20140051987A1

Abstract

카테터 시스템은 기다란 가요성 카테터 및 상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되는 지지 구조부를 포함하고 있다. 상기 지지 구조부는 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있다. 상기 카테터 시스템은 또한 상기 제1 정렬 피처와 상대결합되는 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 정렬 피처와 상대결합되는 제2 센서 구성요소를 포함하고 있다. 상기 제1 센서 구성요소는 상기 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 상기 제2 센서 구성요소에 대해 고정된다.

Description

최소 침습 기구 내에 구성요소들을 구성하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONFIGURING COMPONENTS IN A MINIMALLY INVASIVE INSTRUMENT}

본 발명은 최소 침습 수술용 시스템 및 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 최소 침습 기구 내에 구성요소들을 구성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최소 침습 의료 기술은 수술 과정 중에 손상되는 조직의 양을 감소시킴으로써, 환자의 회복 시간, 불편함 및 유해한 부작용을 감소시키는 것을 의도하고 있다. 이러한 최소 침습 기술은 환자의 해부구조 내의 자연적인 인체 구멍을 통해 또는 하나 이상의 수술 절개부를 통해 수행될 수 있다. 이러한 자연적인 인체 구멍이나 절개부를 통해, 임상의는 타겟 조직 위치에 도달하기 위한 수술 기구를 삽입시킬 수 있다. 타겟 조직 위치에 도달하기 위해, 최소 침습 수술 기구는 폐, 결장, 장, 신장, 심장, 뇌, 순환계 등과 같은 해부학적 기관 내의 자연적 또는 수술적으로 생성된 연결 통로들을 항행할 수 있다. 항법 보조 시스템은 임상의가 수술 기구의 경로를 정하고 해부구조에 대한 손상을 회피하는 것을 돕는다. 이러한 항법 보조 시스템은 실제 공간 내에서의 또는 사전에 기록되었거나 동시적으로 수집되는 영상들에 대한 수술 기구의 형상, 자세 및 위치를 더 정확하게 기술하기 위한 센서의 사용을 편입할 수 있다. 수많은 해부학적 통로들이 밀집된 동적 해부학적 기관 및/또는 해부학적 영역에 있어서, 수술 기구의 형상, 자세 및 위치를 정확하게 결정하는 것은 적어도 부분적으로 센서 시스템, 조향 시스템 및 촬영 구성요소의 상대 배치에 있어서의 정밀도에 좌우될 수 있다. 최소 침습 기구의 시스템들과 구성요소들의 상대 배치의 엄격한 제어를 위해 개선된 시스템 및 방법이 요구되고 있다.

본 발명의 실시형태들은 상세한 설명에 뒤따르는 청구범위에 의해 요약된다.

하나의 실시형태에 있어서, 카테터 시스템(catheter system)은 기다란 가요성 카테터 및 상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되는 지지 구조부를 포함하고 있다. 상기 지지 구조부는 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있다. 상기 카테터 시스템은 또한 상기 제1 정렬 피처와 상대결합되는 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 정렬 피처와 상대결합되는 제2 센서 구성요소를 포함하고 있다. 상기 제1 센서 구성요소는 상기 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 상기 제2 센서 구성요소에 대해 고정된다.

또 다른 실시형태에 있어서, 카테터 시스템은 기다란 가요성 카테터 및 상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되는 제1 지지 구조부를 포함하고 있다. 상기 제1 지지 구조부는 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있다. 상기 카테터 시스템은 또한 상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되는 제2 지지 구조부를 포함하고 있다. 상기 제2 지지 구조부는 제3 정렬 피처 및 제4 정렬 피처를 구비하고 있다. 상기 카테터 시스템은 또한 상기 제1 정렬 피처와 상대결합되는 제1 부분 및 상기 제3 정렬 피처와 상대결합되는 제2 부분을 구비하고 있는 제1 센서 구성요소를 포함하고 있다. 상기 카테터 시스템은 또한 상기 제2 정렬 피처 및 상기 제4 정렬 피처와 상대결합되는 조향 와이어를 포함하고 있다. 상기 제1 센서 구성요소는 상기 제1 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처 및 상기 제2 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 상기 조향 와이어에 대해 고정된다. 상기 제1 센서 구성요소는 상기 제2 지지 구조부에서 상기 제3 정렬 피처 및 상기 제4 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 상기 조향 와이어에 대해 고정된다.

또 다른 실시형태에 있어서, 방법은 가요성 카테터를 제공하는 단계를 포함하고 있다. 상기 가요성 카테터는 제1 센서 구성요소, 제2 센서 구성요소 및 제1 지지 구조부를 포함하고 있다. 상기 제1 지지 구조부가 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있다. 상기 제1 센서 구성요소가 상기 제1 지지 구조부에서 상기 제2 구성요소에 대해 소정의 포지션으로 고정된다. 상기 방법은 또한 상기 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 센서 구성요소로부터 데이터를 취득하는 단계를 포함하고 있다. 상기 방법은 또한 상기 소정의 포지션과 상기 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 센서 구성요소로부터의 데이터에 기초하여 상기 가요성 카테터의 적어도 일부분의 자세를 결정하는 단계를 포함하고 있다.

본 발명의 양태는 여기에 간단히 설명되는 첨부도면을 참조하는 하기 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 산업계의 표준적 실시에 따라, 다양한 세부형상부들은 비례척으로 도시되지 않았다는 것에 유의해야 한다. 실상, 다양한 세부형상부들의 치수는 설명의 명료함을 위해 임의적으로 증대되거나 축소될 수 있다. 또한, 본 명세서는 여러 실시예에서 참조부호 및/또는 문자를 반복사용할 수 있다. 이러한 반복사용은 간략함과 명료함을 위한 것으로, 그 자체로 기술되는 여러 실시형태 및/또는 구성들 간의 관계에 영향을 미치지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시형태들에 따른 로봇 수술 시스템의 모식적 평면도이다.
도 2는 본 발명의 양태를 활용하는 내시경 시스템을 도시하고 있다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 프로브 어셈블리의 분해도를 도시하고 있다.
도 3b는 도 3a의 카테터의 하나의 정렬 지지 구조부의 단면도이다.
도 3c는 도 3a의 카테터의 또 다른 또 다른 정렬 지지 구조부의 단면도이다.
도 3d는 도 3c의 정렬 지지 구조부의 사시도이다.
도 3e는 도 3a의 프로브의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 대안적인 근위 지지 구조부의 사시도이다.
도 5는 도 4의 근위 지지 구조부의 끝면도이다.
도 6은 3차원 공간 내에서의 프로브의 일부분의 자세를 결정하기 위한 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 프로브의 사시도이다.

이하의 발명의 양태의 상세한 설명에서, 개시되는 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 수많은 특정적인 세부사항들이 기술된다. 하지만, 개시되는 이러한 실시형태들은 이러한 특정적인 세부사항들 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 경우에 따라서는, 잘 알려진 방법, 과정, 구성요소 및 회로들은 발명의 실시형태들의 양태를 불필요하게 흐리지 않도록 하기 위해 자세히 기술되지 않는다. 또한, 불필요한 설명의 반복을 피하기 위해, 하나의 예시의 실시형태에 따라 설명된 하나 이상의 구성요소나 작용은 다른 예시의 실시형태들에 적용가능한 것으로서 이용되거나 생략될 수 있다.

이하의 실시형태들은 여러 가지 기구들 및 기구들의 부분들을 그것들의 3차원 공간 내에서의 상태의 관점에서 설명할 것이다. 여기에 사용되는 것으로서, "포지션(position)"이란 용어는 3차원 공간 내에서의 객체 또는 객체의 일부분의 위치(예컨대, 카테시안 X, Y, Z 좌표를 따른 3개의 병진운동 자유도)와 관련된다. 여기에 사용되는 것으로서, "배향(orientation)"이란 용어는 객체 또는 객체의 일부분의 회전상 배치(3개의 회전 자유도 - 예컨대, 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw))와 관련된다. 여기에 사용되는 것으로서, "자세(pose)"라는 용어는 적어도 하나의 병진운동 자유도에 있어서의 객체 또는 객체의 일부분의 포지션 및 적어도 하나의 회전 자유도에 있어서의 배향과 관련된다(총 6개의 자유도까지). 여기에 사용되는 것으로서, "형상(shape)"이란 용어는 객체를 따라 측정된 자세, 포지션 또는 배향의 집합과 관련된다.

도면들 중에서 도 1을 참조하면, 로봇 수술 시스템은 대체로 도면부호 100으로 지시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(100)은 대체로 환자(P)에 대해 다양한 과정을 수행함에 있어 수술 기구(104)를 작동시키기 위한 수술 머니퓰레이터 어셈블리(102)를 포함한다. 중재 머니퓰레이터 어셈블리(102)는 수술대(O)에 또는 그 근방에 장착된다. 마스터 어셈블리(106)가 외과의(S)로 하여금 수술 부위를 관찰하고 슬레이브 머니퓰레이터 어셈블리(102)를 제어하는 것을 가능하게 해준다.

마스터 어셈블리(106)는 일반적으로 수술대(O)와 같은 방에 위치될 수 있는 외과의 콘솔(C)에 위치될 수 있다. 하지만, 외과의(S)는 다른 방 또는 환자(P)와 완전히 다른 방에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 마스터 어셈블리(106)는 대체로 선택적 지지체(108) 및 머니퓰레이터 어셈블리(102)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치(112)를 구비한다. 제어 장치(112) 조이스틱(joystick), 트랙볼(trackball), 데이터 글러브(data glove), 트리거건(trigger-gun), 수동식(hand-operated) 컨트롤러, 음성 인식 장치, 신체 모션 센서 또는 신체 내재 센서 등과 같은 다양한 입력 장치 중의 임의의 수의 입력 장치를 구비할 수 있다.

대안적인 실시형태들에 있어서, 로봇 시스템은 하나보다 많은 슬레이브 머니퓰레이터 어셈블리 및/또는 하나보다 많은 마스터 어셈블리를 포함할 수 있다. 머니퓰레이터 어셈블리의 정확한 개수는 무엇보다 수술 과정 및 수술실 내의 공간 제약에 좌우될 것이다. 마스터 어셈블리들은 나란히 함께 배치되거나 독립된 위치들에 포지셔닝될 수 있다. 다중의 마스터 어셈블리들은 하나보다 많은 오퍼레이터가 하나 이상의 슬레이브 머니퓰레이터 어셈블리를 다양한 조합으로 제어하는 것을 가능하게 해준다.

수술 부위의 동시(실시간) 영상이 외과의 콘솔(C)에 제공되도록, 가시화 시스템(110)이 내시경 시스템을 구비할 수 있다. 동시 영상은 예컨대 수술 부위 내에 포지셔닝되는 촬영 프로브에 의해 획득되는 2차원 또는 3차원 영상일 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 가시화 시스템(110)은 수술 기구(104)에 일체형으로 또는 제거가능하게 결합될 수 있는 내시경적 구성요소들을 포함할 수 있다. 하지만, 대안적인 실시형태들에 있어서는, 독립적인 머니퓰레이터 어셈블리에 부착된 독립적인 내시경이 수술 부위를 촬영하는 데 사용될 수 있다. 선택적으로, 독립적인 내시경 어셈블리가 로봇 제어 없이 사용자에 의해 직접적으로 작동될 수도 있을 것이다. 내시경 어셈블리는 능동형 조향 장치(active steering device)(예컨대, 원격식 조향 와이어를 통한) 또는 수동형 조향 장치(passive esteering device)(예컨대, 유도 와이어 또는 직접적인 사용자 유도를 통한)를 구비한 항법 제어 장치(navigation control device)를 포함할 수 있다. 가시화 시스템(110)은 예컨대 제어 시스템(116)의 프로세서를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작동하거나 그 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합체로서 구현될 수 있다.

디스플레이 시스템(111)는 가시화 시스템(10)에 의해 획득되는 수술 부위 및 수술 기구의 영상을 표시할 수 있다. 디스플레이 시스템(111) 및 마스터 제어 장치(112)는, 오퍼레이터가 마치 실질적으로 실재감으로 작업 공간을 관찰하듯이 수술 기구(104) 및 마스터 제어 장치(112)를 조작할 수 있도록, 관찰 어셈블리 내의 촬영 장치와 수술 기구의 상대 포지션들이 외과의의 눈과 손의 상대 포지션들과 유사하도록 배향될 수 있다. 실재감(true presence)은 마치 오퍼레이터가 촬영 장치의 위치에 물리적으로 실재하여 촬영 장치의 시각에서 조직을 직접적으로 관찰하는 것처럼, 표시되는 조직 영상이 오퍼레이터에게 보여지는 것을 의미한다.

선택적으로 또는 추가적으로, 디스플레이 시스템(111)은 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기공명촬영(MRI), 투시법, 서모그래피(thermography), 초음파, 광간섭 단층촬영(OCT), 열화상 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X레이 촬영 등과 같은 영상 기술을 사용하여 사전에 기록 및/또는 모델화된 수술 부위의 영상을 제공할 수 있다. 제공되는 사전 영상들은 2차원, 3차원 또는 4차원(예컨대, 시간 기반 또는 속도 기반 정보를 포함) 영상들을 포함할 수 있다.

몇몇의 실시형태에 있어서, 디스플레이 시스템(111)은 외과의(S)에게 수술 기구의 팁의 위치에 위치한 내부 수술 부위의 가상 영상을 제공하도록 수술 기구의 실제 위치가 사전 기록된 영상 또는 동시 영상과 정합되는(예컨대, 동적 참조되는) 가상 항행 영상을 표시할 수 있다.

다른 실시형태들에 있어서, 디스플레이 시스템(111)은 외과의(S)에게 수술 부위에 위치한 수술 기구의 가상 영상을 제공하도록 수술 기구의 실제 위치가 사전 영상(사전에 기록된 영상) 또는 동시 영상과 정합되는 가상 항행 영상을 표시할 수 있다. 외과의가 수술 기구를 제어하는 것을 보조하기 위해, 수술 기구의 일부분의 영상이 가상 영상에 중첩될 수 있다.

도 1에 도시된 제어 시스템(116)은 슬레이브 수술 머니퓰레이터 어셈블리(102), 마스터 어셈블리(106), 가시화 시스템(110) 및 디스플레이 시스템(111) 사이의 제어를 실행하기 위해 적어도 하나의 프로세서(도시 안됨), 일반적으로 복수의 프로세서를 포함한다. 제어 시스템(116)은 또한 여기에 설명되는 방법들 중의 일부 또는 전부를 구현하기 위한 프로그램화된 명령어(예컨대, 그 명령어를 저장하는 컴퓨터-판독가능 매체)를 포함한다. 제어 시스템(116)이 도 1의 단순 개략도에서 단일의 블록으로서 도시되어 있지만, 제어 시스템은 다수의 데이터 처리 회로(예컨대, 슬레이브 수술 머니퓰레이터 어셈블리(102) 상의 그리고/또는 마스터 어셈블리(106) 상의)를 포함할 수 있으며, 그 처리의 적어도 일부는 선택적으로 슬레이브 수술 머니퓰레이터 어셈블리 근처에서 수행되고, 일부는 마스터 어셈블리 등에서 수행된다. 광범위한 중앙집중형 또는 분산형의 데이터 처리 구조들 중의 임의의 데이터 처리 구조가 채용될 수 있다. 마찬가지로, 프로그램화된 명령어는 다수의 독립적인 프로그램들이나 서브루틴으로서 구성될 수 있으며, 또는 프로그램화된 명령어는 여기에 설명되는 다수의 다른 양태의 로봇 시스템 내에 통합될 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 제어 시스템(116)은 블루투스(Bluetooth), IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT 및 와이어리스 텔레메트리(Wireless Telemetry)와 같은 와이어리스 통신 프로토콜을 지원한다.

몇몇의 실시형태에 있어서, 제어 시스템(116)은 수술 기구(104)로부터 제어 장치(112) 용의 하나 이상의 대응하는 서보모터로 힘 및 토크 피드백을 제공하기 위한 하나 이상의 서보 컨트롤러를 포함할 수 있다. 서보 컨트롤러는 또한 환자 신체 내의 내부 수술 부위 내로 연장되는 기구를 신체 내의 개구부를 통해 이동시키도록 머니퓰레이터 어셈블리(102)에 지시하는 신호를 전송할 수 있다. 임의의 적합한 통상적인 또는 특수한 서보 컨트롤러가 사용될 수 있다. 서보 컨트롤러는 머니퓰레이터 어셈블리(102)로부터 독립적이거나 일체형일 수 있다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 서보 컨트롤러 및 머니퓰레이터 어셈블리는 환자의 신체에 인접하여 포지셔닝되는 로봇 암 카트의 일부로서 제공된다.

각각의 머니퓰레이터 어셈블리(102)는 수술 기구(104)를 지지하고, 하나 이상의 논서보(non-servo) 제어식 링크로 이루어진 직렬적 기구학적 체인(예컨대, 수동식으로(manually) 포지셔닝되고 정위치에 잠금될 수 있고, 대체로 셋업 구조물(set-up structure)이라고 불려지는 하나 이상의 링크) 및 로봇 머니퓰레이터를 포함할 수 있다. 로봇 머니퓰레이터 어셈블리(102)는 일련의 액추에이터들(예컨대, 모터)에 의해 구동된다. 이 모터들은 제어 시스템(116)으로부터의 명령에 응답하여 로봇 머니퓰레이터를 능동적으로(actively) 이동시킨다. 모터들은 또한 수술 기구를 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 해부학적 인체 구멍 내로 전진시키고, 수술 기구의 원위 단부를 3개의 선형 운동 자유도(예컨대, 카테시안 X, Y, Z 축선을 따른 선형 운동) 및 3개의 회전 운동 자유도(예컨대, 카테시안 X, Y, Z 축선을 중심으로 한 회전)를 포함할 수 있는 다중 자유도로 이동시키도록 중재 기구에 연결된다. 또한, 모터들은 생검 장치 등의 조(jaw) 내에 조직을 파지하기 위한 기구의 관절운동가능한 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 양태를 사용하는 최소 침습 수술 시스템(200)을 도시하고 있다. 이 최소 침습 수술 시스템(200)은 최소 침습 어셈블리(202), 촬영 시스템(204), 추적 시스템(206), 및 구동 시스템(208)을 포함하고 있다. 최소 침습 수술 시스템(200)은 가시화 및 디스플레이 시스템의 부분으로서 시스템(100)과 같은 로봇 수술 시스템 내에 편입될 수 있다(예컨대, 기구(104)의 일부분으로서). 선택적으로, 최소 침습 수술 시스템(200)은 비로봇 탐색 시술용으로 또는 로봇 제어 없는 복강경 기구(예컨대, 구동 시스템(208)이 카테터(210)를 직접 조작하기 위한 핸들, 트리거(trigger) 또는 다른 인터페이스 요소를 구비하도록 되어 있는 시스템)와 같은 통상적인 수동식으로(manually) 작동되는 수술 기구를 포함하는 시술이나 로봇 제어 및 비로봇 제어의 양자 모두가 제공되거나 채용되는 "하이브리드(hybrid)" 시술에 사용될 수 있다.

최소 침습 어셈블리(202)는 원위 단부(212)와 근위 단부(214)를 가진 기다란 가요성 카테터(210)를 구비한다. 카테터(210)는 당해 카테터(210)를 관통하는 중심 작동 통로(222)를 한정하는 바디 벽(211)을 구비하고 있다. 중심 축선(A1)이 중심 작동 통로(222)를 통해 길이방향으로 연장된다. 중심 작동 통로(222)는 가요성 프로브(216)와 같은 작동 구성요소를 수용하기 위한 치수로 제작되어 있다. 가요성 프로브(216)는 예컨대 촬영 프로브일 수 있다.

가요성 카테터(210)는 수동형 가요성부(passively flexible portion)(218) 및 조향가능한 가요성부(steerable flexible portion)(220)를 포함하고 있다. 카테터(210)가 해부학적 내강(lumen)을 통해 전진할 때, 수동형 가요성부(218)는 외력에 응답하여 수동적으로 휘어지거나 만곡된다. 조향가능한 가요성부(220)는 후술하는 바와 같이 기구 휘어짐의 오퍼레이터 제어를 위한 통합형 메카니즘을 구비한다.

수동형 가요성부(218)는 예컨대 후술하는 바와 같이 조향가능한 가요성부(220) 내로는 연장되지 않는 구성요소를 당해 수동형 가요성부 내에 수용하기 위해, 조향가능한 가요성부(220)의 외경보다 더 큰 외경을 가질 수 있다. 하나의 예에 있어서, 수동형 가요성부의 외경은 대략 5mm일 수 있다. 조향가능한 가요성부(220)의 더 작은 직경은 당해 조향가능한 가요성부가 근위 바디부에 의해서는 액세스될 수 없는 더 작은 신체 내강을 항행할 수 있게 해준다. 또 다른 예에 있어서, 조향가능한 가요성부의 외경은 대략 3mm일 수 있다.

최소 침습 수술 과정 중에, 환자의 해부구조의 영상(사전 기록된 영상, 도식적 영상 또는 동시적 영상을 포함)에 대한 프로브(예컨대, 촬영 프로브)의 정확한 정합은 프로브 및 그것의 유도 카테터와 연계되는 센서 및 다른 구성요소의 포지션 및 상대 운동에 관한 가정에 의존한다. 그 가정이 정확한 것이 되기 위해서는, 상대 센서 자세의 정밀한 결정이 바람직하다. 아래에 설명되는 바와 같이, 유도 카테터 및 프로브의 구조는 상대 센서 자세, 포지션 및/또는 배향에 관한 일정하고 신뢰성 있는 정보를 제공하도록 센서, 카테터 조향 장치 및 촬영 구성요소의 상대 운동을 제한할 수 있다.

도 3a, 3b, 3c, 3d, 및 3e는 카테터를 통한 중심 작동 통로(256)를 한정하는 바디 벽(254)을 구비한 기다란 가요성 카테터(252)를 포함하는 프로브 어셈블리(250)를 도시하고 있다. 중심 축선(A2)이 중심 작동 통로(256)를 통해 길이방향으로 연장된다. 통로(256)는 가요성 프로브(258)를 수용하기 위한 치수로 제작된다. 카테터(252)는 수동형 가요성부(260), 조향가능한 가요성부(262), 근위 정렬 지지 구조부(264) 및 원위 정렬 지지 구조부(265)를 포함하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 카테터(252)의 정렬 지지 구조부(264, 265)는 다양한 센서 및 조향 와이어의 상대 포지션/정렬을 조절하도록 정밀 기계가공되거나, 몰딩되거나 다른 방식으로 제작됨으로써, 그렇지 않을 경우에 카테터(252)의 제조 및/또는 사용 중에 발생할 수 있는 기하구조적 변동성을 감소시킨다. 이러한 변동성을 감소시키는 것에 의해, 센서 및 조향 와이어의 상대 위치에 관한 가정에 의존하는 자세 및 형상 연산의 정밀도를 개선시킨다. 대안적인 실시형태들에 있어서는, 조향부의 근위 단부 또는 원위 단부에 위치하는 단일의 지지 구조부가 사용될 수 있다.

이 실시형태에 있어서, 카테터(252)의 근위 지지 구조부(264) 및 가요성부(260, 262)는 직렬적으로 정렬되고, 근위 지지 구조부(264)가 수동형 가요성부(260)와 조향가능한 가요성부(262) 사이에 결합된다. 예컨대, 근위 지지 구조부(264)의 한쪽 단부가 수동형 가요성부(260)의 원위 단부와 당접하거나 중첩할 수 있고, 다른쪽 단부가 조향가능한 가요성부(262)의 근위 단부에 당접하거나 중첩할 수 있다. 대안적인 실시형태에 있어서, 근위 지지 구조부(264)는 수동형 가요성부(260)의 원위 섹션 위를 슬라이드하여 그것에 부착되는 링(ring)일 수 있다. 근위 지지 구조부(264)를 수동형 가요성부(260) 및 조향가능한 가요성부(262)에 대해 고정시키는 다른 구조들도 적합할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서 지지 구조부가 전술한 바와 같이 수동형 가요성부 및 조향가능한 가요성부에 결합될 수 있지만, 다른 실시형태들에 있어서, 지지 구조부는 카테터를 따른 어떤 위치에도 포지셔닝될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 지지 구조부(264, 265)는 카테터(210)에 대해 일체화되거나, 부착되거나 다른 방식으로 장착될 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 근위 지지 구조부(264)는 바디 벽부(267)를 구비하고 있다. 근위 지지 구조부(264)는 당해 근위 지지 구조부 내에 연장되는 센서 및/또는 조향 와이어와 같은 작동 구성요소의 포지션 및 배향을 고정시키는 데 사용될 수 있는 정렬 피처(alignment feature)를 구비하고 있다. 예컨대, 통로(266)가 바디 벽(267)를 통해 길이방향으로 관통하여 또는 바디 벽(267)을 통해 부분적으로 연장된다. 통로(266)은 중심 축선(A2)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 있고 중심 축선(A2)에 대해 대체로 평행하다. 통로(266)는 근위 지지 구조부(264)의 전체 길이 또는 일부 길이로 연장될 수 있는 센서 구성요소(268)와 상대결합하기 위한 치수로 제작된다. 센서 구성요소(268)는 통로(266)의 적어도 일부분 내에 접착되거나, 가압 끼워맞춤되거나, 다른 방식으로 고정될 수 있어, 센서 구성요소(268)를 근위 지지 구조부(264) 내에 정밀하게 포지셔닝 및 배향시킨다. 여기에 사용되는 것으로서, "고정되다(fixed)"에 상당하는 용어는 대체로 통상적인 카테터 및 프로브 사용 시에 제한된 범위 내에서 변동하는 포지션 및 배향을 기술하는 데 사용된다. 통로(266)가 센서 구성요소(268)용 정렬 피처로서 도시되고 설명되어 있지만, 여러 가지 다른 실시형태에 있어서, 그와 같은 정렬 피처로는 바디 벽(267)의 내부 또는 내외 표면 상의 노치(notch), 그루브(groove), 리지(ridge), 포켓(pocket) 또는 임의의 다른 피처가 포함될 수 있다는 것에 유의해야 한다.

근위 지지 구조부(264)는 또한 조향 와이어(272)와 같은 항법 제어 장치를 수용하기 위한 치수로 제작된 항법 통로(270)와 같은 정렬 피처를 구비한다. 통로(270)는 중심 축선(A2)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 있고 중심 축선(A2)에 대해 대체로 평행하다. 이 실시형태에 있어서, 통로(270)는 중심 축선(A2) 둘레의 반경방향 패턴으로 대체로 균등하게 이격되어 있다. 대안적인 실시형태들에 있어서, 더 적거나 더 많은 조향 와이어를 수용하기 위해 더 적거나 더 많은 통로(270)가 존재할 수 있으며, 이러한 통로들은 중심 축선(A2)으로부터 동일한 또는 변동적인 거리에 위치하는 여러 가지 대칭적 또는 비대칭적 형태로 존재할 수 있다. 조향 와이어(272)는 근위 지지 구조부(264) 내에서의 조향 와이어의 포지션 및 배향을 제한하는 통로(270) 내에 슬라이드 가능하게 상대결합된다. 통로(270)가 조향 와이어(272)용 정렬 피처로서 도시되고 설명되어 있지만, 여러 가지 다른 실시형태에 있어서, 그와 같은 정렬 피처로는 바디 벽(267)의 내부 또는 내외 표면 상의 노치, 그루브, 리지, 포켓 또는 임의의 다른 피처가 포함될 수 있다는 것에 유의해야 한다.

근위 지지 구조부(264)는 또한 센서 구성요소(276)와 상대결합하기 위한 치수로 제작된 통로(274)를 구비할 수 있다. 통로(274)는 중심 축선(A2)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 있고 중심 축선(A2)에 대해 대체로 평행하다. 센서 구성요소(276)는 통로(274)의 적어도 일부분 내에 접착되거나 다른 방식으로 고정될 수 있어, 근위 지지 구조부(264)에 대한 센서 구성요소(276)의 횡방향 운동(예컨대, X-Y 좌표 평면 내에서의), 길이방향 운동(예컨대, Z 좌표 방향으로의) 및 롤(예컨대, Z 좌표 방향 둘레의)을 포함하는 자유도들 중의 하나 이상의 자유도의 운동을 제한한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 센서 구성요소(276)는 통로(274)의 키이홀(key-hole) 형상과 일치하는 키이 구조 형상의 단면을 가지고 있어, 근위 지지 구조부(264)에 대한 센서 구성요소(276)의 롤 운동(예컨대, Z 좌표 방향 둘레의)을 제한할 수 있다. 통로(274)가 센서 구성요소(276)용 정렬 피처로서 도시되고 설명되어 있지만, 여러 가지 다른 실시형태에 있어서, 그와 같은 정렬 피처로는 바디 벽(267)의 내부 또는 내외 표면 상의 노치, 그루브, 리지, 포켓 또는 임의의 다른 피처가 포함될 수 있다는 것에 유의해야 한다.

따라서, 통로(266, 270, 274)는 근위 지지 구조부(264) 내에서의 센서 구성요소(268), 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 서로에 대한 포지셔닝 및 배향을 제어한다. 또한, 통로(266, 270, 274)는 센서 구성요소(268), 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 중심 축선(A2)에 대한 포지셔닝 및 배향을 제어한다. 그러므로, 근위 지지 구조부(264)를 정밀하게 제조함으로써, 센서 구성요소(268), 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 서로에 대한 및/또는 중심 축선(A2)/중심 작동 통로(256)에 대한 포지셔닝 및 배향(근위 지지 구조부(264)에서의)이 카테터(210) 내에서 정밀하게 특징화되고 제어될 수 있다. 이러한 정밀한 포지션 및 배향의 제어는 결과적으로, 센서 구성요소(268), 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 실제의 포지션/배향(서로에 대한 및/또는 중심 축선(A2)에 대한)과 카테터(210)의 포지션, 형상 및/또는 자세를 제어 및/또는 탐색하기 위한 알고리즘에 사용되는 예상된 포지션/배향 사이의 밀접한 상관관계로 인해, 정밀한 센서 모니터링 및 카테터 제어를 가능하게 해준다. 근위 지지 구조부(264)는 통로(266, 270, 274)의 고정된 공간 변위를 유지시키기에 충분한 강성의 재료로 형성될 수 있다. 적합한 재료로는 금속, 강성 폴리머 재료 또는 세라믹이 포함될 수 있다. 근위 지지 구조부(264)는 대체로 카테터 가요성부(260, 262)보다 강성이 더 크다. 많은 실시형태들에 있어서, 근위 지지 구조부(264)의 카테터 가요성부(260, 262)에 비해 더 큰 강성과 대체로 더 짧은 길이는 근위 지지 구조부(264)가 카테터 가요성부(260, 262)에서 가능할 수 있는 치수 허용오차보다 훨씬 더 엄격한 치수 허용오차를 가지고 제작되는 것을 가능하게 해줌으로써, 카테터 가요성부(260, 262) 내의 정렬 피처에 의존하였을 때 가능할 수 있는 것보다 더 높은 카테터(210) 내에서의 센서 구성요소(268), 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 배치 정밀도를 가능하게 해준다.

이 실시형태에 있어서, 원위 지지 구조부(265)는 조향가능한 가요성부(262)의 원위 단부에 결합된다. 예컨대, 원위 지지 구조부(265)의 근위 단부가 조향가능한 가요성부(262)의 원위 단부와 당접하거나 중첩할 수 있다. 대안적인 실시형태들에 있어서, 원위 지지 구조부(265)는 조향가능한 가요성부(262)의 원위 섹션 위에서 또는 그 내부로 슬라이드하여 그것에 부착되는 링일 수 있다. 원위 지지 구조부(265)를 조향가능한 가요성부(262)에 대해 고정시키는 다른 구조들도 적합할 수 있다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 원위 지지 구조부(265)는 바디 벽부(278)를 구비한다. 원위 지지 구조부(265)는 당해 원위 지지 구조부 내에 연장되는 센서 및/또는 조향 와이어와 같은 작동 구성요소의 포지션 및 배향을 고정시키는 데 사용될 수 있는 정렬 피처(alignment feature)를 구비하고 있다. 예컨대, 원위 지지 구조부(265)는 또한 조향 와이어(272)와 같은 항법 제어 장치와 상대결합하기 위한 치수로 제작된 항법 통로(280)를 구비한다. 통로(280)는 중심 축선(A2)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 있고 중심 축선(A2)에 대해 대체로 평행하다. 이 실시형태에 있어서, 통로(280)는 중심 축선(A2) 둘레의 반경방향 패턴으로 대체로 균등하게 이격되어 있다. 대안적인 실시형태들에 있어서, 더 적거나 더 많은 조향 와이어를 수용하기 위해 더 적거나 더 많은 통로(280)가 존재할 수 있으며, 이러한 통로들은 중심 축선(A2)으로부터 동일한 또는 변동적인 거리에 위치하는 여러 가지 대칭적 또는 비대칭적 형태로 존재할 수 있다. 조향 와이어(272)는 원위 지지 구조부(265) 내에서의 조향 와이어의 포지션 및 배향을 제한하는 통로(280) 내에 포지셔닝된다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 조향 와이어는 통로(280) 내에 고착될 수 있다(예컨대, 접착제, 납땜, 클램핑을 통해 고착되거나 통로(280) 내 또는 둘레의 부착 피처(attachment feature)를 통해 부착됨). 다른 실시형태들에 있어서, 조향 와이어는 통로(28) 외부의 위치에서 원위 지지 구조부(265)에 고착될 수 있다.

원위 지지 구조부(265)는 또한 센서 구성요소(276)와 상대결합하기 위한 치수로 제작된 통로(282)와 같은 센서 정렬 피처를 구비할 수 있다. 통로(282)는 중심 축선(A2)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 있고 중심 축선(A2)에 대해 대체로 평행하다. 센서 구성요소(276)는 통로(282)의 적어도 일부분 내에 접착되거나 다른 방식으로 고정될 수 있어, 예컨대 원위 지지 구조부(265)에 대한 센서 구성요소(276)의 횡방향 운동(예컨대, X-Y 좌표 평면 내에서의), 길이방향 운동(예컨대, Z 좌표 방향으로의) 및 롤(예컨대, Z 좌표 방향 둘레의)을 포함하는 자유도들 중의 하나 이상의 자유도의 운동을 제한한다.

따라서, 통로(280, 282)는 원위 지지 구조부(265) 내에서의 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 서로에 대한 포지셔닝 및 배향을 제어한다. 또한, 통로(280, 282)는 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 중심 축선(A2)에 대한 포지셔닝 및 배향을 제어한다. 그러므로, 원위 지지 구조부(265)를 정밀하게 제조함으로써, 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 서로에 대한 및/또는 중심 축선(A2)/중심 작동 통로(256)에 대한 포지셔닝 및 배향(원위 지지 구조부(265)에서의)이 카테터(210) 내에서 정밀하게 특징화되고 제어될 수 있다. 근위 지지 구조부(264)에 대해 전술한 바와 마찬가지 방식으로, 이러한 정밀한 포지션 및 배향의 제어는 결과적으로, 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 실제의 포지션/배향(서로에 대한 및/또는 중심 축선(A2)에 대한)과 카테터(210)의 포지션, 형상 및/또는 자세를 제어 및/또는 탐색하기 위한 알고리즘에 사용되는 예상된 포지션/배향 사이의 밀접한 상관관계로 인해, 정밀한 센서 모니터링 및 카테터 제어를 가능하게 해준다. 원위 지지 구조부(265)는 통로(280, 282)의 고정된 공간 변위를 유지시키기에 충분한 강성의 재료로 형성될 수 있다. 적합한 재료로는 금속, 강성 폴리머 재료 또는 세라믹이 포함될 수 있다. 원위 지지 구조부(265)는 대체로 카테터 가요성부(260, 262)보다 강성이 더 크다. 지지 구조부(264, 265)는 대체로 카테터의 나머지 부분보다 더 강성이 크기 때문에, 그들을 카테터(252)의 조향가능한 가요성부의 근위 단부 및 원위 단부와 같은 제한된 위치에 배치시키는 것은 당해 지지 구조부(264, 265) 사이의 조향가능한 가요성부의 길이에 있어서의 더 큰 가요성 및 조향성을 가능하게 해준다. 또한, 많은 실시형태들에 있어서, 원위 지지 구조부(265)의 카테터 가요성부(262)에 비해 더 큰 강성과 대체로 더 짧은 길이는 원위 지지 구조부(265)가 카테터 가요성부(262)에서 가능할 수 있는 치수 허용오차보다 훨씬 더 엄격한 치수 허용오차를 가지고 제작되는 것을 가능하게 해줌으로써, 카테터 가요성부(260, 262) 내의 정렬 피처에 의존하였을 때 가능할 수 있는 것보다 더 높은 카테터(210) 내에서의 조향 와이어(272) 및 센서 구성요소(276)의 배치 정밀도를 가능하게 해준다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 원위 지지 구조부(265)는 또한 당해 원위 지지 구조부(265)에 대해 센서 구성요소(276)를 고정시키기 위해 센서 구성요소(276)를 당해 원위 지지 구조부(265)에 부착시키도록 접착성 물질(도시 안됨)이 그것을 통해 배치될 수 있게 해주는 포트(338)를 구비할 수 있다.

근위 지지 구조부(264)는 외경(D1)을 가지고, 원위 지지 구조부(265)는 외경(D2)을 가진다. 외경(D1)은 대체로 근위 지지 구조부(264) 내에 연장되는 센서(268)를 수용하기 위해 외경(D2)보다 더 크다. 통로(280, 282)는 근위 지지 구조부(264)의 각각의 통로(270, 274)와 마찬가지로 중심 축선(A2)으로부터 동일한 반경방향 간격을 가지고서 바디 벽부(278)를 통해 연장되어 있다. 선택적으로, 원위 지지 구조부(265)의 통로(280, 282)는 중심 축선(A2)으로부터 다른 소정의 거리만큼 이격되어 있을 수 있다. 예컨대, 통로(280, 282)는 더 작은 직경의 조향가능한 가요성부(262)를 수용하기 위해 중심 축선(A2)에 더 근접하게 이격될 수 있다.

더 길거나 더 짧은 카테터가 적합할 수도 있겠지만, 카테터(252)의 전체 길이는 대략 60 내지 80cm일 수 있다. 조향가능한 바디부(262)는 대략 10 내지 20cm의 길이를 가질 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 카테터(252)의 조향가능한 가요성부 및 수동형 가요성부의 길이는 더 길거나 더 짧을 수 있다.

카테터(252)의 수동형 가요성부(260)는 작동 통로(256), 조향 와이어(272) 및/또는 센서(268, 276)용의 채널들을 구비한 압출 구조를 가질 수 있다. 마찬가지로, 카테터(252)의 원위 가요성부(262)는 작동 통로(256), 조향 와이어(272) 및/또는 센서(276)용의 채널들을 구비한 압출 구조를 가질 수 있다. 선택적으로, 가요성부(260, 262)는 다층 구조(예컨대, 조향 와이어 또는 센서를 안내하기 위한 튜브를 샌드위칭하는 동축 카테터의 집합)를 가질 수 있다.

조향 와이어(272)는 카테터(252)의 수동형 가요성부(260)를 통해, 근위 지지 구조부(264)의 통로(270)를 통해, 카테터(252)의 조향가능한 가요성부(262)를 통해 연장된다. 조향 와이어(272)는 원위 지지 구조부(265)의 통로(280) 내에서 또는 원위 지지 구조부(265)의 원위측으로 연장되는 카테터(252)의 부분 내에서 끝날 수 있다. 마찬가지로, 센서 구성요소(276)는 카테터(252)의 수동형 가요성부(260)를 통해, 근위 지지 구조부(264)의 통로(274)를 통해, 카테터(252)의 조향가능한 가요성부(262)를 통해 연장된다. 센서(276)는 원위 지지 구조부(265)의 통로(282) 내에서 또는 원위 지지 구조부(265)의 원위측으로 연장되는 카테터(252)의 부분 내에서 끝날 수 있다. 센서 구성요소(268)는 근위 지지 구조부(264)의 통로(266)를 통해 연장되지만, 조향가능한 가요성부가 더 작은 해부학적 신체 통로를 항행하는 것을 가능하게 해주기 위해 조향가능한 가요성부(262)의 근위측에서 끝날 수 있다.

조향 와이어(272)는 구동 시스템(예컨대, 구동 시스템(208))에 의해 제어된다. 구동 시스템(208)은 머니퓰레이터(102)의 일부분으로서 편입될 수 있다. 원격 제어 조향 메카니즘을 구비한 구동 시스템 및 가요성 수술 기구의 예들이 "평행 운동 메카니즘을 구비한 수술 기구(Surgical Instrument With Parallel Motion Mechanism)"를 발명의 명칭으로 하여 2007년 6월 13일자로 출원된 미국 특허 제7,942,868호; "컴플라이언트 수술 장치(Compliant Surgical Device)"를 발명의 명칭으로 하여 2009년 6월 30일자로 출원된 미국 특허출원공개 제2010/0331820호; 및 "수술 기구를 위한 수동형 프리로드 및 캡스턴 구동기(Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments)"를 발명의 명칭으로 하여 2008년 9월 30일자로 출원된 미국 특허출원공개 제2010/0082041호에 개시되어 있으며, 그들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 여러 가지 대안적 실시형태들에 있어서, 카테터(252)는 기구 휘어짐의 오퍼레이터 제어를 위한 어떠한 통합형 메카니즘도 갖지 않은 상태로 조향불가능할 수 있으며, 이 경우, 조향 와이어(272) 및 그에 연계된 통로는 생략될 수 있다.

이 실시형태에 있어서, 센서 구성요소(268)는 외부 생성 전자기장에 지배될 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 구비하는 전자기장(EM) 센서 구성요소일 수 있다. 그에 따라 EM 센서 구성요소(268)의 각각의 코일은 외부 생성 전자기장에 대한 그것의 포지션 및 배향에 좌우되는 특성을 가진 유도성 전기 신호를 발생시킨다. 하나의 실시형태에 있어서, EM 센서 시스템은 예컨대 기준점의 3개의 포지션 좌표 X, Y, Z 및 피치, 요 및 롤을 지시하는 3개의 배향 각도와 같은 6개의 자유도를 측정하도록 구성되고 포지셔닝될 수 있다. 이러한 측정값들은 추적 시스템(예컨대, 추적 시스템(206))에 의해 수집된다. 선택적으로, EM 센서 시스템은 더 적은 개수의 자유도를 감지할 수도 있다. EM 센서 시스템의 추가적인 설명은 "추적되는 객체에 대한 수동형 트랜스폰더를 가지는 6 자유도 추적 시스템(Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked)"을 개시하고 있는 1999년 8월 11일자 출원의 미국 특허 제6,380,732호에 제공되어 있으며, 그 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 6 자유도 EM 센서로서 구현된다면, 조향가능한 가요성부(262)의 직경이 더 작은 신체 내강에 액세스하기 위해 최소화되는 것을 가능하게 해주기 위해, 크기 제약이 카테터(252)의 수동형 가요성부(260)에 대한 센서 구성요소(268)의 배치를 제한할 수 있다(예컨대, 근위 지지 구조부(264) 내부 또는 그 부근).

센서 구성요소(276)는 통로(274, 282)의 적어도 일부분 내에 연장되는 광섬유를 구비할 수 있다. 추적 시스템(206)은 센서 구성요소(276)의 근위 단부에 연결될 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 광섬유는 대략 200㎛의 직경을 가진다. 다른 실시형태들에 있어서, 그 치수는 더 크거나 더 작을 수 있다.

센서 구성요소(276)의 광섬유는 카테터의 조향가능한 가요성부(262)의 형상을 결정하기 위한 광섬유 휨 센서를 형성한다. 하나의 대안적 실시형태에 있어서, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함한 광섬유가 하나 이상의 차원에 있어서의 구조물의 변형률 측정값을 제공하는 데 사용된다. 3차원에 있어서의 광섬유의 형상 및 상대 포지션을 모니터하기 위한 다양한 시스템 및 방법이 "광섬유 포지션 및 형상 감지 장치 및 그 방법(Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto)"을 개시하고 있는 2005년 7월 13일자 출원의 미국 특허출원 제11/180,389호; "레일리 산란에 기초한 광섬유 포지션 및/또는 형상 감지(Fiber-optic position and shape sensing based on Raleigh scatter)"를 개시하고 있는 2005년 7월 13일자 출원의 미국 특허출원 제12/047,056호; 및 "광섬유 휨 센서(Optical Fibre Bend Sensor)"를 개시하고 있는 1998년 6월 17일자 출원의 미국 특허 제6,389,187호에 설명되어 있으며, 그들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 다른 대안적 실시형태들에 있어서는, 레일리 산란(Rayleigh scattering), 라만 산란(Raman scattering), 브릴루앙 산란(Brillouin scattering) 및 형광 산란(Fluorescence scattering)과 같은 다른 변형률 감지 기술을 채용한 센서들이 적합할 수 있다.

이 실시형태에 있어서, 형상 센서(276)의 광섬유은 단일 클래딩(cladding) 내에 다중의 코어(mulitple cores)를 포함할 수 있다. 각각의 코어는 각각의 코어 내의 빛이 다른 코어 내에서 전송되는 빛과 크게 상호작용하지 않도록 충분한 거리와 코어들을 분리시키는 클래딩을 가지는 단일 방식의 코어일 수 있다. 다른 실시형태들에 있어서, 코어의 개수는 변경될 수 있으며, 또는 각각의 코어가 별개의 광섬유 내에 수용될 수도 있다.

몇몇의 실시형태에 있어서, 광섬유 브래그 격자(FBG)의 어레이가 각각의 코어 내부에 제공된다. 각각의 FBG는 굴절률에 공간적 주기성을 발생시키도록 코어의 굴절률의 일련의 변조를 구비한다. 그 간격은 각각의 굴절률 변화로 인한 부분 반사들이 하나의 좁은 파장 대역으로 결맞게(coherently) 더해져 이 좁은 대역만을 반사시키는 한편 많이 더 넓은 파장 대역은 통과시키도록 선택될 수 있다. FBG의 제조시에, 변조들은 알려진 거리만큼 이격됨으로써, 알려진 파장 대역의 반사를 일으킨다. 하지만, 일정 변형률이 섬유 코어에 유발될 때는, 변조의 간격은 코어의 변형률의 양에 따라 변할 것이다. 선택적으로, 후방산란(backscatter) 또는 광섬유의 휨과 함께 변경되는 다른 광학 현상이 각각의 코어 내의 변형률을 결정하는 데 사용될 수 있다.

따라서, 변형률을 측정하기 위해, 빛이 광섬유에 보내지고, 되돌아오는 빛의 특성들이 측정된다. 예컨대, FBG는 섬유의 변형률과 온도의 함수인 반사 파장을 발생시킨다. 이 FBG 기술은 영국 브랙널 소재의 스마트 파이버스 엘티디(Smart Fibres Ltd.)와 같은 여러 공급처로부터 상업적으로 입수가능하다. 로봇 수술용 포지션 센서에 있어서의 FBG 기술의 이용이 "광섬유 브래그 격자를 사용하는 포지션 센서를 구비한 로봇 수술 시스템(Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings)"을 개시하고 있는 2006년 7월 20일자 출원의 미국 특허 제7,930,065호에 설명되어 있으며, 그 전체 개시사항이 여기에 참조된다.

다중 코어 섬유에 적용될 때, 광섬유의 휨은 각각의 코어의 파장 변화를 모니터함으로써 측정될 수 있는 코어 상의 변형을 유발한다. 2개 이상의 코어를 섬유 내에 축선에서 벗어나게 배치시킴으로써, 섬유의 휨이 각각의 코어 상에 상이한 변형률을 유발한다. 이들 변형률은 섬유의 국부 휨도(local degree of bending)의 함수이다. 예컨대, FBG를 보유한 코어의 영역은, 섬유가 휘어진 지점에 위치된 경우, 그 지점에서의 휨의 크기를 결정하는 데 사용될 수 있다. FBG 영역의 알려진 간격과 결합된 이 데이터는 섬유의 형상을 재구성하는 데 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 형상 센서(276)의 광섬유는 카테터(252)의 조향가능한 가요성부(262)의 형상을 모니터하는 데 사용된다. 더 구체적으로는, 광섬유를 통과하는 빛이 조향가능한 가요성부(262)의 형상을 검출하고 또한 그 정보를 수술 과정을 보조하는 데 활용하기 위해 추적 시스템(206)에 의해 처리된다. 추적 시스템(206)은 조향가능한 가요성부(262)의 형상을 결정하는 데 사용되는 빛을 발생시키고 검출하기 위한 검출 시스템을 포함할 수 있다. 이 정보는 다음으로 수술 기구의 부분들의 속도 및 가속도와 같은 다른 관련 변수들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 변수들 중의 하나 이상의 정확한 측정값을 실시간으로 획득함으로써, 컨트롤러는 로봇 수술 시스템의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 구성요소 부품들을 구동시킴에 있어 유입되는 오차들을 보정할 수 있다. 이러한 감지는 로봇 시스템에 의해 구동되는 자유도에만 제한될 수도, 또는 수동형 자유도(예컨대, 조인트들 사이의 강성 구조체들의 비구동식 휨 등)와 능동형 자유도(예컨대, 기구의 구동식 운동 등)의 모두에 적용될 수도 있다.

프로브(258)는 카테터(252)의 원위측의 환자의 해부구조의 영상을 획득하기 위해 카테터(252)의 작동 통로(256)를 통해 연장되기 위한 치수로 제작된다. 프로브(258)는 근위 단부(286)와 원위 팁을 구비한 원위 단부(288)을 가지는 기다란 가요성 바디(284)를 구비하고 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 가요성 바디(284)는 대략 2mm의 외경을 가진다. 다른 실시형태들에 있어서, 가요성 바디(284)는 더 크거나 더 작은 외경을 가질 수 있다. 가요성 바디(284)는 투명하거나, 반투명하거나 불투명한 재료로 제작될 수 있다. 가요성 바디(284)는 당해 가요성 바디의 길이의 적어도 일부를 따라 길이방향으로 뻗어 있는 채널(290)을 구비한다. 영상 획득 기구(292)가 채널(290) 내에 연장되어 있다. 센서 구성요소(294)도 채널(290)을 통해 연장되어 있다. 도 3e에 도시된 바와 같이, 프로브(258)는 선택적으로 센서 구성요소(294)가 그것을 통해 연장되는 강성의 정렬 프레임(296)과 같은 정렬 지지 구조부를 구비한다. 정렬 프레임(296)은 채널(290)의 일부분 내에 연장될 수 있어, 바디(284)에 의해 지지된다. 앞서의 정렬 지지 구조부와 마찬가지로, 강성의 프레임(296)은 센서 구성요소(294)의 바디(284)에 대한 그리고 영상 획득 기구(292)에 대한 배치를 제어한다. 이 실시형태에 있어서, 센서 구성요소(294)는 대체로 바디(284)의 중심 축선(A2)을 따라 영상 획득 기구(292)와 축선방향으로 정렬되어, 영상 획득 기구(292)의 근위측에 포지셔닝된다. 센서 구성요소(294)는 운동을 방지하도록 프레임(296)에 부착될 수 있다. 선택적으로, 조명 장치나 별개의 유체 도관(도시 안됨)과 같은 다른 작동 구성요소가 채널(290) 내에 연장될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 영상 획득 기구(292)나 임의의 다른 작동 구성요소에 의해 차지되지 않는 채널(290)의 나머지 부분은 프로브(258)의 원위 단부(288)에 유체를 유입/유출시키기 위한 유동 채널일 수 있다. 프로브의 여러 가지 실시형태의 추가적인 설명은 "최소 침습 기구를 세척하기 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Cleaning a Minimally Invasive Instrument)"을 발명의 명칭으로 하여 2012년 6월 11일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/658,305호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시사항이 여기에 참조된다.

영상 획득 기구(292)는 표시를 위해 촬영 시스템(예컨대, 촬영 시스템(204))으로 전송되어 처리되는 영상을 획득하기 위해 가요성 바디(284)의 원위 단부(288) 근방에 배치되는 입체 또는 단안 카메라를 구비한다. 촬영 시스템(204)은 가시화 시스템(110) 및 디스플레이 시스템(111)의 일부분으로서 편입될 수 있다. 영상 획득 기구(292)는 촬영 시스템(204)과의 접속을 위한 케이블류 및 다양한 기계적, 광학적 및 전기적 커플링(도시 암됨)을 구비한다. 선택적으로, 영상 획득 기구는 촬영 시스템에 연결되는 파이버스코프(fiberscope)와 같은 결맞은(coherent) 광섬유 번들일 수 있다. 영상 획득 기구는 예컨대 가시 스펙트럼 내의 영상 데이터를 획득하거나 가시 스펙트럼 및 적외선 또는 자외선 스펙트럼 내의 영상 데이터를 획득하는 등의 단일 스펙트럼형 또는 다중 스펙트럼형일 수 있다. 다른 여러 가지 대안적 실시형태에 있어서, 영상 획득 기구(292)는 영상 데이터를 촬영 시스템(204)에 무선전달할 수 있다.

센서 구성요소(294)는 외부 생성 전자기장에 지배될 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 구비하는 EM 센서 구성요소일 수 있다. 그에 따라 EM 센서 구성요소(294)의 각각의 코일은 외부 생성 전자기장에 대한 그것의 포지션 및 배향에 좌우되는 특성을 가진 유도성 전기 신호를 발생시킨다. 하나의 실시형태에 있어서, EM 센서 시스템은 기준점의 5개의 자유도를 측정하도록 구성되고 포지셔닝될 수 있다. 이러한 측정값들은 추적 시스템(206)에 의해 수집된다. 선택적으로, EM 센서 시스템은 더 적은 개수의 자유도를 감지할 수도 있다. EM 센서 시스템의 추가적인 설명은 전술한 미국 특허 제6,380,732호에 제공된다. 5 자유도 EM 센서 구성요소(294)는 6 자유도 EM 센서(268)보다 더 작을 수 있어서, 프로브(258)가 카테터(252)의 통로(256)를 통해 연장될 맡큼 충분히 작은 직경을 가지는 것을 가능하게 해준다.

추적 시스템(206)은 카테터(252)의 조향가능한 가요성부(262), 영상 획득 기구(292), 프로브(258)의 원위 팁 및/또는 카테터(252)의 다른 구성요소나 일부분의 포지션, 배향, 속력, 자세 및/또는 형상을 결정하는 데에 카테터 EM 센서 구성요소(268), 형상 센서 구성요소(276) 및 선택적으로 프로브 센서 구성요소(294)로부터 수취된 정보를 사용할 수 있다. 추적 시스템(206)은 제어 시스템(116)의 프로세서를 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작동하거나 그 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합체로서 구현될 수 있다.

추적 시스템(206)으로부터의 정보는 시스템(250)의 제어에 사용하기 위한 디스플레이 시스템(111) 상의 실시간 포지션 정보를 외과의나 다른 오퍼레이터에게 제공하기 위해, 가시화 시스템(110)으로부터의 동시 정보 및/또는 사전 기록된 환자 영상과 결합될 수 있다. 제어 시스템(116)은 이 포지션 정보를 카테터(252)를 포지셔닝시키기 위한 피드백(feedback)으로서 활용할 수 있다. 수술 기구를 수술 영상과 정합시켜 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 "영상 유도 수술을 위한 해부학적 구조의 모델의 동적 정합을 제공하는 의료 시스템(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery)"을 개시하고 있는 2011년 5월 13일자 출원의 미국 특허출원 제13/107,562호에 제공되고 있으며, 그 전체 개시사항이 여기에 참조된다.

여러 센서들 간의 또는 센서들과 조향 와이어 간의 상대 간격에 있어서의 임의의 기하구조적 변동성은 EM 센서들로부터의 데이터와 형상 센서들로부터의 데이터의 결합 데이터를 이용하여 연산되는 자세 및 형상 정보의 정밀도에 영향을 미친다. 자세 및 형상 정보에 있어서의 부정확성은 그 이후에 조향 와이어를 이동시키기 위해 제공되는 제어 신호에 오차를 야기할 수 있다. 이러한 부정확성은 또한 카테터 및 프로브의 환자의 해부학적 영상에 대한 정합에 오차를 야기할 수 있다. 카테터(252)의 근위 및 원위 지지 구조부(264, 265) 내의 통로들과 프로브(258)의 프레임(296)은 센서(268, 276, 294) 및 조향 와이어(272)의 상대 기하구조적 배치를 엄격하게 제어한다. 센서와 조향 와이어의 상대 정렬을 제어하는 것에 의해, 그렇지 않을 경우에 카테터 및 프로브가 길고 복잡한 해부학적 내강을 통해 기동될 때 발생하게 될 기구학적 변동성을 감소시킨다. 이러한 변동성을 감소시키는 것에 의해 센서 및 조향 와이어의 상대 위치에 관한 가정에 의존하는 자세 및 형상 연산의 정밀도를 개선시킬 수 있다.

환자의 해부구조의 영상(사전 기록된 영상, 도식적 영상 또는 동시적 영상을 포함)에 대한 카테터(252) 및 프로브(258)의 정확한 정합은 센서(268, 276, 294)의 포지션 및 상대 운동에 관한 가정에 기초한다. 그 가정이 정확한 것이 되기 위해서는, 상대 센서 자세가 정확하게 결정되어야 한다. 전술된 바와 같이, 개별의 통로를 구비한 지지 구조부(264, 265) 및 프레임을 구비한 프로브(258)의 구조가 상대 센서 자세, 포지션 및/또는 배향에 관한 신뢰성 있는 정보를 제공하도록 작용한다.

전술한 실시형태에 있어서, 신뢰성 있는 정보를 제공하기 위해, 형상 센서 구성요소(276)는 카테터(252)에 대해 고정된 횡방향 포지션으로 유지될 수 있다. 또한, 형상 센서 구성요소(276)는, 길이방향 슬라이드는 허용될 수 있지만, 센서 구성요소(268)에 대해 고정된 자세로 유지될 수 있다. 또한, 형상 센서 구성요소(276)는 카테터(252)의 원위 단부 및 특히 원위 팁에 대해 고정된 자세로 유지될 수 있다. 또한, 센서 구성요소(294)는 프로브(258)의 원위 팁에 대해 고정된 자세로 유지될 수 있고, 대체로 프로브의 중심 축선(프로브가 작동 통로(256) 내로 삽입될 때 중심 축선(A2)과 동일 선상인)이 동일 선상으로 정렬된다. 선택적으로, 센서 구성요소(294)는 프로브의 중심 축선에 평행한 형태와 같이 프로브 내에 알려진 다른 형태로 배치될 수 있다. 대안적인 실시형태들에 있어서, 프로브나 카테터의 센서 구성요소들은 카테터, 프로브 또는 카테터나 프로브의 특정 작동 구성요소 상의 다양한 위치에 대해 고정된 포지션, 배향 또는 자세로 유지될 수 있다. 또한, 센서 구성요소들은 카테터나 프로브의 여러 가지 다른 구성요소와 정렬되어 유지될 수 있다.

지지 구조부의 통로 및 프로브의 프레임에 대한 기계적 허용오차는 요구되는 정밀도에 따라 변경될 수 있다. 여러 가지 특정 실시형태에 있어서, 적합한 허용오차들이 아래에 설명된다. 예컨대, 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)는 EM 센서 구성요소(268)에 가장 근접한 형상 센서 구성요소의 지점에서 고정된 포지션(예컨대, 대략 1mm 미만의 변동) 및 고정된 배향(예컨대, 대략 1도 미만의 회전 변동)으로 유지될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 카테터(252)의 원위 단부 영역에서 조향 와이어(272)에 대한 형상 센서 구성요소(276)의 동일한 포지셔닝/배향이 원위 지지 구조부(265)에 의해 유지될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)는 EM 센서 구성요소(268)에 대해 고정된 횡방향 포지션(예컨대, 대략 0.5mm 미만의 변동) 및 고정된 피치/요 배향(예컨대, 대략 0.5도 미만의 회전 변동)으로 유지될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, EM 센서 구성요소(268)와 카테터(252)의 팁 사이에서 형상 센서 구성요소(276)에 유발되는 롤(roll)의 크기는 관절운동 중에 대략 5도 미만으로 유지될 수 있다. 예컨대, 센서 구성요소(276)는 통로(274/282)의 키이홀 형상과 일치하는 키이 구조 형상의 단면을 가지고 있어, 센서 구성요소(276)의 롤 운동(예컨대, Z 좌표 방향 둘레의)을 제한할 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)의 원위 단부는 카테터의 원위 팁으로부터 대략 2mm 이하의 거리의 고정된 포지션(예컨대, 대략 0.5mm 미만의 변동)에 유지될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, EM 센서 구성요소(294)는 프로브(258)의 원위 단부에 대해 고정된 포지션(예컨대, 대략 1mm 미만의 변동) 및 고정된 배향(예컨대, 대략 10도 미만의 변동)으로 유지될 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, EM 센서 구성요소(294)의 길이방향 축선은 프로브의 중심 축선과 동일 선상으로 고정될 수 있다(예컨대, 대략 0.5mm 미만과 대략 5도 미만의 변동). 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)는 대략 1mm 미만으로 변동하는 조향 와이어에 대한 횡방향 포지션을 가질 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)는 대략 1mm 미만으로 변동하는 EM 센서 구성요소(268)에 대한 횡방향 거리를 가질 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서, 형상 센서 구성요소(276)는 대략 1mm 미만으로 변동하는 카테터(252)의 원위 팁에 대한 횡방향 포지션을 가질 수 있다.

여러 가지 대안적인 실시형태에 있어서, 정렬 지지 구조부들은 카테터와 일체화될 수 있다. 예컨대, 조향가능한 가요성부 근방의(예컨대, 조향가능한 가요성부의 바로 접한 원위측 또는 근위측의) 카테터의 섹션이 카테터 내에 엄격한 허용오차의 통로들을 형성하도록 정밀 압출 또는 정밀 기계가공될 수 있다. 선택적으로, 강성 지지 구조부들은 센서 구성요소들을 고정시키기 위해 카테터 내로 삽입될 수 있다. 삽입된 지지 구조부들은 접착제, 마찰 끼워맞춤 또는 다른 알려진 부착 방법에 의해 정위치에 유지될 수 있다.

근위 지지 구조부의 하나의 대안적인 실시형태가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 이 실시형태에 있어서, 근위 지지 구조부(300)는 통로(304)가 그것을 통해 연장되는 바디 벽(302)을 가진다. 통로(304)는 원주방향 경계면(306)을 구비하고, 프로브(예컨대, 프로브(258))의 통과를 위한 치수로 제작되고, 축선(A3)을 중심으로 정렬되어 있다. 통로(308)가 바디 벽(302)을 통해 연장되어, 축선(A3)으로부터 반경방향으로 오프셋되어 대체로 축선(A3)에 평행하게 되어 있다. 통로(308)는 센서 구성요소(268)와 같은 센서 구성요소와 상대결합기 위한 치수로 제작된다. 근위 지지 구조부(300)는 또한 센서 구성요소(276)와 상대결합하기 위한 치수로 제작되는 그루브(310)를 구비한다. 그루브(310)는 대체로 센서 구성요소(276)를 원주방향 경계면(306) 근방에 유지시켜, 통로(304) 내에서의 센서 구성요소의 횡방향 운동(X-Y 좌표 방향)을 제한 또는 한정할 수 있다. 센서 구성요소(276)는 그루브(310) 내에서 슬라이드 또는 회전할 수 있다. 원위 지지 구조부(300)는 또한 조향 와이어(272)를 수용하기 위한 치수로 제작되는 그루브(312)를 구비한다. 그루브(312)는 대체로 조향 와이어(272)를 원주방향 경계면(306) 근방에 유지시켜, 통로(304) 내에서의 축선(A3)을 향한 또는 축선(A3)을 중심으로 한 반경방향으로의 센서 구성요소의 횡방향 운동을 제한 또는 한정할 수 있다. 조향 와이어(272)는 그루브(312) 내에서 슬라이드 또는 회전할 수 있다. 근위 지지 구조부(300)는 또한 당해 근위 지지 구조부(300)에 대한 센서 구성요소(268)의 운동을 방지 또는 제한하기 위해 센서 구성요소(268)를 당해 근위 지지 구조부(300)에 부착시키도록 접착성 물질(도시 안됨)이 그것을 통해 배치될 수 있게 해주는 포트(314)를 구비할 수 있다. 예시의 목적으로 여러 가지 그루브(310, 312) 및 통로(304)가 정렬 피처로서 도시되고 설명되어 있지만, 여러 가지 다른 실시형태에 있어서, 그와 같은 정렬 피처로는 바디 벽(302)의 내부 또는 내외 표면 상의 노치, 그루브, 리지, 포켓 또는 임의의 다른 피처가 포함될 수 있다는 것에 유의해야 한다.

이제 도 6을 참조하면, 내시경 시스템을 작동시키는 방법(400)은 정렬 지지 구조부를 구비한 카테터를 제공하는 단계(402)를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 지지 구조부 내에 연장되어 상기 지지 구조부에 대해 횡방향으로 고정되는 제1 센서 구성요소를 제공하는 단계(404)를 제공한다. 선택적으로, 단계(406)에서, 조향 와이어와 같은 조향 구성요소가 상기 지지 구조부 내에 연장되도록 제공된다. 조향 와이어는 상기 지지 구조부에 대해 횡방향으로 고정된다. 단계(408)에서, 프로브가 제공된다. 제2 센서 구성요소가 프로브 내에 연장되어 프로브의 팁에 대해 고정된 자세를 가진다. 상기 방법(400)은 제1 센서 구성요소로부터 데이터를 취득하는 단계(410)를 포함한다. 단계(412)에서, 제2 센서 구성요소로부터 데이터가 취득된다. 단계(414)에서, 제1 및 제2 센서 구성요소로부터의 데이터에 의해 3차원 공간 내에서의 프로브의 원위 팁의 자세가 결정된다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 상기 단계(414)의 결정은 상기 지지 구조부에 의해 한정되는 제1 및 제2 센서의 상대 포지션 및/또는 배향(서로에 대한 및/또는 카테터의 중심 축선에 대한)을 이용하여 수행된다. 외과의에게 환자의 해부구조 내에서 카테터 및 프로브를 이동시키기 위한 정확한 항법 정보를 제공하기 위해, 프로브의 원위 팁의 자세는 환자의 해부구조의 영상과 정합될 수 있다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 프로브(500)의 원위 단부를 도시하고 있다. 프로브(500)는 시스템(250) 내에 사용하기 위한 프로브(258)의 하나의 변형예로서 사용될 수 있다. 프로브(500)는 프로브(258)와 유사하며, 아래에 설명되는 차이점을 가진다. 이 실시형태에 있어서, 프로브(500)는 기다란 가요성 바디(502)를 구비한다. 가요성 바디(502)는 영상 획득 기구(506)가 그것의 내부에 연장되는 길이방향 채널(504)을 구비한다. 센서 구성요소(508)가 또한 채널(504)을 통해 연장된다. 센서 구성요소(508)는 모식적으로 도시되어 있고, 채널(504) 내에 다양한 방식들 중의 임의의 방식으로 포지셔닝될 수 있다.

프로브(500)는 선택적으로 채널 내에 영상 획득 기구 및/또는 센서 구성요소(508)를 고정된 횡방향 포지션으로 지지하기 위한 지지 구조부를 채널 내에 구비한다. 상기 지지 구조부는 센서 구성요소(508)와 영상 획득 기구(506)를 서로에 대해 또는 바디(502)에 대해 동축, 비동축, 평행 정렬 또는 각도진 관계를 포함하는 상이한 공간 관계로 유지시키도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 조명 장치나 별개의 유체 도관(도시 안됨)과 같은 다른 작동 구성요소가 채널(504) 내에 연장될 수 있다. 또한, 프로브의 여러 가지 구성요소 및 실시형태의 추가적인 설명은 전술한 미국 가특허출원 제61/658,305호에 개시되어 있다.

여기서는 시스템 및 방법이 내강용 프로브와 관련하여 설명되었지만, 시스템 및 방법은 기구의 체내 세척이 유리한 다른 적용처에도 적합하다. 예컨대, 개시된 유체 공급 및 세척 시스템 및 방법이 절제 카테터, 레이저 파이버(laser fiber), 다른 최소 침습 기구 또는 다른 종류의 내시경 장치와 함께 사용하기에 적합할 수 있다.

발명의 실시형태의 하나 이상의 요소는 제어 시스템(116)과 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서 상에서 실행하기 위한 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 발명의 실시형태의 요소는 기본적으로 필요한 작업을 수행하기 위해 코드 세그먼트로 된다. 프로그램 또는 코드 세그먼트는 전송 매체 또는 통신 링크 반송파로 구현된 컴퓨터 데이터 신호에 의해 다운로드될 수 있는 프로세서 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치는 광학 매체, 반도체 매체 및 자기 매체를 포함하여 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치의 예로는 전자 회로; 반도체 장치, 반도체 메모리 장치, 읽기 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 소거 및 프로그램가능한 읽기 전용 메모리(EPROM); 플로피 디스켓, CD-ROM, 광디스크, 하드디스크 또는 다른 저장 장치가 포함된다. 코드 세그먼트는 인터넷, 인트라넷 등의 컴퓨터 네트워크를 통해 다운로드될 수 있다.

제공되는 처리 및 표시는 특정 컴퓨터나 다른 장치에 본질적으로 연관되지 않을 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 다양한 이러한 시스템에 요구되는 구조는 청구범위의 요소로서 밝혀질 것이다. 또한, 발명의 실시형태는 특정 프로그래밍 언어와 관련하여 설명되지 않는다. 여기에 설명되는 발명의 교시를 구현하는 데는 다양한 프로그래밍 언어가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

발명의 특정 예시의 실시형태들이 기술되고 도면에 도시되었지만, 그러한 실시형태들은 단순히 예시적인 것일 뿐 광범위한 발명을 제한하는 것이 아니며, 다양한 다른 수정이 당업자에게 떠오를 수 있기 때문에, 발명의 실시형태는 도시되고 기술된 특정 구조 및 배열에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

Claims

기다란 가요성 카테터;
상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되고, 제1 정렬 피처(alignment feature) 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있는 지지 구조부;
상기 제1 정렬 피처와 상대결합되는 제1 센서 구성요소; 및
상기 제2 정렬 피처와 상대결합되는 제2 센서 구성요소;를 포함하고 있고,
상기 제1 센서 구성요소는 상기 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 상기 제2 센서 구성요소에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 기다란 가요성 카테터는 제1 길이방향 축선을 가지는 중심 내강을 한정하고 있고,
상기 지지 구조부는 또한 제2 길이방향 축선을 가지는 작동 내강을 한정하는 벽을 구비하고 있고,
상기 제2 길이방향 축선은 상기 제1 길이방향 축선과 정렬되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 기다란 가요성 카테터는 상기 작동 내강 내에 연장되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 작동 내강은 상기 중심 내강과 직렬적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 형상 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 상기 지지 구조부에 대해 횡방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서 구성요소는 전자기 포지션 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 7 항에 있어서, 상기 전자기 포지션 센서는 6 자유도 전자기 포지션 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서 구성요소는 상기 지지 구조부에 대해 횡방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 제3 정렬 피처를 구비하고 있는 제2 지지 구조부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 상기 제3 정렬 피처와 상대결합되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 제1 키이 구조를 가지고, 상기 제1 정렬 피처는 상기 제1 키이 구조와 상대결합하는 제2 키이 피처(key feature)를 가지는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 기다란 가요성 카테터 및 상기 지지 구조부 내에 연장되기 위한 치수로 제작된 기다란 가요성 프로브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
기다란 가요성 카테터;
상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되고, 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있는 제1 지지 구조부;
상기 기다란 가요성 카테터 상에 장착되고, 제3 정렬 피처 및 제4 정렬 피처를 구비하고 있는 제2 지지 구조부;
상기 제1 정렬 피처와 상대결합되는 제1 부분 및 상기 제3 정렬 피처와 상대결합되는 제2 부분을 구비하고 있는 제1 센서 구성요소; 및
상기 제2 정렬 피처 및 상기 제4 정렬 피처와 상대결합되는 조향 와이어;를 포함하고 있고,
상기 제1 센서 구성요소는 상기 제1 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처 및 상기 제2 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 고정되고,
상기 제1 센서 구성요소는 상기 제2 지지 구조부에서 상기 제3 정렬 피처 및 상기 제4 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 고정되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제1 지지 구조부는 또한 제5 정렬 피처를 구비하고 있고,
상기 카테터 시스템은 상기 제5 정렬 피처와 상대결합되는 제2 센서 구성요소를 더 포함하고 있고,
상기 제2 센서 구성요소는 상기 제1 지지 구조부에서 상기 제1 정렬 피처, 제2 정렬 피처 및 제5 정렬 피처에 의해 적어도 하나의 자유도에 있어서 고정되는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 형상 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제2 센서 구성요소는 전자기 포지션 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 카테터 시스템은 기다란 가요성 프로브를 더 포함하고 있고,
상기 기다란 가요성 카테터는 상기 기다란 가요성 프로브를 수용하기 위한 치수로 제작된 작동 통로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
제1 센서 구성요소, 제2 센서 구성요소 및 제1 지지 구조부를 포함하고 있는 가요성 카테터로서, 상기 제1 지지 구조부가 제1 정렬 피처 및 제2 정렬 피처를 구비하고 있고, 상기 제1 센서 구성요소가 상기 제1 지지 구조부에서 상기 제2 구성요소에 대해 고정된 자유도 제한 상태에 있도록 되어 있는 가요성 카테터를 제공하는 단계;
상기 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 센서 구성요소로부터 데이터를 취득하는 단계; 및
상기 고정된 자유도 제한과 상기 제1 센서 구성요소 및 상기 제2 센서 구성요소로부터의 데이터에 기초하여 상기 가요성 카테터의 적어도 일부분의 자세를 결정하는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 제1 센서 구성요소는 형상 센서를 포함하고, 상기 데이터를 취득하는 단계는 상기 제1 센서 구성요소로부터 상기 가요성 카테터에 대한 형상 데이터를 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 제2 센서 구성요소는 전자기 포지션 센서를 포함하고, 상기 데이터를 취득하는 단계는 상기 제2 센서 구성요소로부터 포지션 데이터를 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,
제3 지지 구조부 및 상기 제3 지지 구조부에 대해 고정된 제3 센서 구성요소를 구비하고 있는 기다란 가요성 프로브를 제공하는 단계;
상기 기다란 가요성 프로브를 상기 가요성 카테터 내로 삽입하는 단계; 및
상기 제3 센서 구성요소로부터 데이터를 취득하는 단계;를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.