KR20150108850A - 클램핑 기구 - Google Patents

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KR20150108850A
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멜로디 위
케빈 듀란트
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Abstract

클램핑 기구의 실시예들이 개시되어 있다. 일부 실시예들에는, 보정된 파라미터를 가진 클램핑 디바이스 및 클램핑 디바이스를 위한 보정 과정이 나타나 있다. 클램핑 기구를 보정하는 방법은, 클램핑 기구의 팁 굴절 데이터에 관한 함수로서 클램핑 토크의 데이터 세트를 구하는 단계, 데이터 세트로부터 토크 한계를 결정하는 단계, 및 토크 한계를 클램핑 기구에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

클램핑 기구{CLAMPING INSTRUMENT}
본 출원은 2013년 1월 14일자로 출원된 미국 가출원 제61/752,400호 및 2014년 1월 13일자로 출원된 미국 정규출원 제14/154,067호의 우선권을 주장하고, 이는 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명의 실시예들은 원위 팁에서 힘을 제어하기 위한 스테이플러 또는 혈관 봉합기와 같은 수술 기구 내에서의 토크 파라미터들의 조작에 관한 것이다.
최소 침습 수술 기법은 진단 절차나 수술 절차 동안 손상되는 외부 조직의 양을 감소시킴으로써 환자의 회복 시간, 불편함 및 유해한 부작용을 저감시키는 것을 목표로 한다. 결과적으로, 통상적인 수술을 위한 평균 입원 기간은 최소 침습 수술 기법을 이용하여 상당히 단축될 수 있다. 또한, 환자의 회복 시간, 환자의 불편함, 수술결과 생기는 부작용 및 수술 후 퇴원 시기는 최소 침습 수술에 의하여 줄일 수 있다.
최소 침습 수술의 일반적인 형태는 내시경 시술이고, 내시경 시술의 일반적인 형태는 복강 내부에서 최소 침습 검사 및 수술이 행해지는 복강경 시술이다. 통상적인 복강경 수술에서, 환자의 복부는 가스가 주입되고, 캐뉼라 슬리브는 복강경수술 기구용 진입 포트를 제공하기 위해서 작은(약 0.5 인치 또는 그 이하) 절개부를 통과하게 된다.
복강경 수술 기구는 수술 영역을 관찰하기 위한 내시경(예컨대 복강경)과, 수술 부위에서의 작업을 위한 툴을 포함하는 것이 일반적이다. 작업용 툴은, 각각의 툴의 엔드 이펙터 또는 작업 단부가 익스텐션 튜브(extension tube)(예컨대 기구 샤프트 또는 메인 샤프트로 알려져 있음)에 의하여 그 핸들로부터 분리되어 있다는 점을 제외하고는, 종래의 수술(개복 수술)에서 사용되는 것과 대체로 유사하다. 엔드 이펙터는, 예컨대 클램프, 파지장치(grasper), 가위, 스테이플러(stapler), 혈관 봉합기(vessel sealer), 소작용 툴(cautery tool), 직선형 커터(linear cutter), 또는 파침기(needle holder)를 포함할 수 있다.
수술 절차를 실행하기 위하여, 의사는 캐뉼라 슬리브를 지나서 체내 수술 부위 쪽으로 작업용 툴을 보내고 복부 외부에서 이 작업용 툴을 조종한다. 의사는 내시경에서 찍힌 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 모니터로부터 이 절차를 관찰한다. 유사한 내시경 기술은, 예컨대 관절경시술(arthroscopy), 후복막강경시술(retroperitoneoscopy), 골반경시술(pelviscopy), 신장경시술(nephroscopy), 방광경시술(cystoscopy), 조경시술(cisternoscopy), 부비동경시술(sinoscopy), 자궁경시술(hysteroscopy), 요도경시술(urethroscopy) 및 이와 유사한 곳에서 이용된다.
최소 침습 원격수술 로봇 시스템은, 체내 수술 부위에서의 작업시 의사의 숙련도를 향상시킬 뿐만 아니라 의사가 원격지(무균 영역 외부)에서 환자를 수술할 수 있도록 개발되어 왔다. 원격수술 시스템에서, 의사는 종종 제어 콘솔에서 수술 부위의 영상이 제공된다. 의사는 적합한 뷰어나 디스플레이 상에서 수술 부위의 3차원 영상을 관찰하면서 제어 콘솔의 마스터 입력장치 또는 제어 장치를 조종하여 환자에 대한 수술 절차를 행한다. 마스터 입력 장치 각각은 서보-기계적 작동식/관절운동식 수술 기구의 모션을 제어한다. 수술 절차 동안, 원격수술 시스템은 기계 작동을 제공할 수 있고, 마스터 입력 장치들의 조종에 응답하여 의사를 위한 여러 가지 기능들, 예컨대 바늘을 쥐거나 구동하는 것, 혈관을 파지하는 것, 조직을 절개하는 것 또는 이와 유사한 것을 실행하는 엔드 이펙터들을 가지는 다양한 수술 기구 또는 툴을 제어할 수 있다.
이러한 엔드 이펙터들의 조종 및 제어는 로봇 수술 시스템에 특히 유리한 측면이 있다. 이러한 이유로, 의사의 손목의 자연스로운 움직임을 모방하기 위해서 엔드 이펙터의 3차원 회전 운동을 제공하는 메커니즘을 포함하는 수술용 툴을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 메커니즘은 최소 침습 시술에서 사용하기에 적합한 크기를 가져야 하고, 고장의 가능성이 있는 지점을 줄이기 위해서 설계상 비교적 단순해야 한다. 게다가, 이러한 메커니즘은 엔드 이펙터가 광범위한 포지션으로 조종될 수 있도록 적합한 범위의 모션을 제공해야 한다.
수술용 클램핑 및 커팅 기구(예컨대 수술용 스테이플러로도 알려진 비로봇식(non-robotic) 직선형 클램핑, 스테이플링 및 커팅 장치 및 전기수술용 혈관 봉합 장치)는 상이한 여러 수술 절차에서 이용되어 왔다. 예를 들어, 수술용 스테이플러는 위장관으로부터 암 조직 또는 비정상적인 조직을 절제하는데 사용될 수 있다. 공지의 수술용 스테이플러를 포함하는 다수의 공지의 수술용 클램핑 및 커팅 기구는 조직을 클램핑하는 마주하는 죠(jaw)들, 및 삽입된 스테이플들 사이에서 클램핑되어 있는 조직을 커팅하는 관절운동식 나이프를 가진다.
수술용 스테이플러의 조작은 통상적으로 수술용 스테이플러의 엔드 이펙터 쪽으로의 비교적 큰 힘의 전달을 수반한다. 힘을 전달하는 한가지 방법은 액추에이터로부터 엔드 이펙터 쪽으로 회전 운동을 전달하는 것을 수반한다. 엔드 이펙터에 너무 작은 힘을 제공하여 필요 이하로 클램핑하는 것은 완전한 클램핑 상태보다 부족한 상태를 초래할 수 있고, 큰 조직 간격(tissue gap)을 남겨서 부적합하게 형성되는 스테이플을 초래한다. 엔드 이펙터에 너무 큰 힘을 제공하여 필요 이상으로 클램핑하는 것은 엔드 이펙터의 증가된 굴절을 초래할 수 있고, 부적합하게 형성되는 스테이플을 초래할 수 있는 큰 조직 간격을 다시 초래할 수 있다.
유사한 고려사항은 혈관 봉합기에 적용될 수 있다. 혈관 봉합기는 조직을 클램핑하고, 2개의 측면을 봉합하고, 봉합부들 사이의 조직을 나이프로 가른다. 더욱이, 부적합한 클램핑은 조직의 부적합한 봉합을 초래할 수 있다.
따라서, 조작 동안 적합한 클램핑을 제공하도록 기구의 클램핑을 제어할 필요가 있다.
본 발명의 양태들에 따르면, 클램핑 기구가 제공된다. 클램핑 기구는, 클램핑 엔드 이펙터, 클램핑 엔드 이펙터에 연결된 리스트, 리스트에 연결된 기구 샤프트, 및 기구 샤프트를 통해 뻗어있으면서 리스트나 클램핑 엔드 이펙터를 조종하는 커플러에 연결된 섀시를 포함할 수 있다. 섀시는, 모터 어셈블리 내의 하나 이상의 모터로부터 회전 토크를 수용하고 회전 토크를 커플러에 연결하는 기계적 컨버터, 클램핑 기구에 맞게 보정된 파라미터를 저장하기 위한 메모리, 및 모터 어셈블리에 인터페이스를 제공하되 메모리에 연결된 전자장치를 포함할 수 있다.
클램핑 기구를 보정하는 방법은, 클램핑 기구의 팁 굴절 데이터에 관한 함수로서 클램핑 토크의 데이터 세트를 구하는 단계, 데이터 세트로부터 토크 한계를 결정하는 단계, 및 토크 한계를 클램핑 기구에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
여러 가지 실시예들은 다음의 도면들에 대하여 아래에서 더 설명된다.
도 1은 시술을 행하는데 사용되고 있는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타나 있는 로봇 수술 시스템용 의사의 제어 콘솔에 관한 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타나 있는 로봇 수술 시스템 전자장치 카트에 관한 사시도이다.
도 4에는 도 1에 나타나 있는 로봇 수술 시스템이 도식적으로 설명되어 있다.
도 5에는 도 1에 나타나 있는 수술 시스템의 환자 측 카트가 도시되어 있다.
도 6a와 도 6b는 수술용 스테이플러가 도시되어 있다.
도 6c와 도 6d에는 혈관 봉합기가 도시되어 있다.
도 7에는 모터 어셈블리와 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같은 수술용 스테이플러를 연결하는 단계가 도시되어 있다.
도 8에는 수술용 스테이플러를 이용하는 수술 시스템의 조작이 도시되어 있다.
도 9a에는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 수술용 스테이플러를 보정하는 방법이 도시되어 있다.
도 9b에는 보정시의 수술용 스테이플러가 도시되어 있다.
도 9c에는 보정 절차 동안 획득된 예시적인 데이터가 나타나 있다.
도 10a와 도 10b에는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 모터 어셈블리를 보정하기 위한 절차가 도시되어 있다.
도 10c와 도 10d에는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 모터 어셈블리 내의 모터를 위한 무부하 전류의 보정이 도시되어 있다.
도 10e와 도 10f에는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 모터 어셈블리 내의 모터를 위한 토크 상수의 보정이 도시되어 있다.
도 11에는 조작 동안 수술용 스테이플러의 토크 한계를 조절하는 방법이 나타나 있다.
도면에서, 동일한 요소 번호가 제공되는 요소들은 동일하거나 유사한 기능을 가진다.
다음의 발명의 상세한 설명에서, 구체적인 세부사항은 본 발명의 일부 실시예들을 기술하여 설명된다. 그러나 일부 실시예들이 구체적인 세부사항 중 일부나 전부가 없는 상태로 실시될 수 있다는 것은 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 본 명세서에 개시된 특정 실시예들은 설명을 위한 것이지 제한하려는 것은 아니다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 본 명세서에 특별히 기술되지 않더라도 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 다른 요소들을 알 수 있을 것이다.
발명의 상세한 설명, 및 발명의 양태와 실시예들이 도시되어 있는 첨부의 도면들은 제한하는 것으로 이해되어서는 안되고, 청구범위는 보호되는 발명을 한정한다. 여러 가지 기계적인 변경, 구성상 변경, 구조적 변경 및 조작상 변경은 발명의 상세한 설명 및 청구범위의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 행해질 수 있다. 몇몇 경우에, 잘 알려진 구조 및 기술은 본 발명을 불명료하지 않게 하기 위하여 발명의 상세한 설명에 기술되거나 나타나 있지 않는다.
추가적으로, 도면은 일정한 비율로 되어 있는 것은 아니다. 구성요소들의 상대적인 크기는 설명을 위한 것이지 본 발명의 실제 실시예에서 볼 수 있는 실제 크기를 반영하지는 않는다. 2개 이상의 도면에 있는 유사한 부재번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
나아가 발명의 상세한 설명의 용어는 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 예를 들어, "밑의(beneath)", "아래의(below)", "하부(lower)", "위쪽의(above)", "상부(upper)", "근위의(proximal)", "원위의(distal)" 및 이와 유사한 것과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 다른 요소에 대한 어느 한 요소의 관계 또는 다른 부재에 대한 어느 한 부재의 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 나타나 있는 포지션 및 배향뿐만 아니라 사용시 또는 조작시 다른 포지션(즉, 장소)들 및 배향(즉, 회전 배치)들을 포함하도록 의도되어 있다. 예를 들어, 도면 내의 디바이스가 뒤집힌다면, 다른 요소들 또는 부재들의 "아래에 있는" 또는 "밑에 있는" 것으로 기술되어 있는 요소들은 다른 요소들 또는 부재들의 "위쪽에 있는" 또는 "위에 있는" 것이 될 수 있다. 따라서, "밑에 있는"이라는 예시적인 용어는 위쪽에 있거나 밑에 있는 포지션 및 배향 모두를 포함할 수 있다. 디바이스는 이와 달리 배향될 수 있고(90도 회전되거나 달리 배향될 수 있음), 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 용어는 적절히 해석될 수 있다. 마찬가지로, 여러 가지 축과 나란하거나 그 둘레에서의 운동에 관한 기술은 여러 가지 특별한 디바이스의 포지션과 배향을 포함한다. 게다가, "한(a)", "하나의(an)"와 "그(the)"라는 단수 형태는 문맥상 이와 달리 지시되지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도되어 있다. 그리고 "구비하다(comprise)", "구비하는(comprising)", "포함하다(include)", 및 이와 유사한 용어들은 언급된 부재, 단계, 조작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 부재, 단계, 조작, 요소, 구성요소 및/또는 그룹의 존재 내지 추가를 배제하지 않는다. 연결된 것으로 기술된 구성요소는 전기적으로 또는 기계적으로 직접 연결될 수 있고, 또는 하나 이상의 중간 구성요소를 통해 간접적으로 연결될 수 있다.
일 실시예를 참조하여 상세하게 기술된 요소 및 그 관련 양태는 실제로 언제든지 특별히 나타나 있거나 기술되지 않은 다른 실시예들에 포함될 수 있다. 예를 들어, 어떤 요소가 제 1 실시예를 참조해서는 상세하게 기술되지만 제 2 실시예를 참조해서는 기술되지 않는 경우라도, 이 요소는 제 2 실시예에 포함된 바와 같이 주장될 수 있다.
최소 침습 로봇 수술(Minimally Invasive Robotic Surgery)
도 1은 수술대(14)에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술 절차를 행하는데 통상적으로 사용되는 최소 침습 로봇 수술(Minimally Invasive Robotic Surgical; MIRS) 시스템(10)을 나타내는 평면도이다. 이 시스템은 시술 동안 의사(18)가 사용하는 의사의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 어시스턴트(20)가 시술에 참여할 수도 있다. MIRS 시스템(10)은 환자 측 카트(22)(수술 로봇)와 전자장치 카트(24)를 더 포함할 수 있다. 환자 측 카트(22)는 의사(18)가 콘솔(16)을 통해서 수술 부위를 관찰하는 동안 환자(12)의 신체 내의 최소 침습 절개부를 통해서 적어도 하나의 탈착가능하게 연결된 툴 어셈블리(26)(이하에서는, 간단히 "툴"이라고 함)를 조종할 수 있다. 수술 부위의 영상은 입체 내시경과 같은 내시경(28)으로 획득될 수 있고, 내시경(28)을 특정 방향으로 향하게 하기 위해서 내시경은 환자 측 카트(22)로 조종될 수 있다. 전자장치 카트(24)는 의사의 콘솔(16)을 통해서 의사(18)에 대한 차후의 디스플레이를 위하여 수술 부위의 영상을 처리하는데 사용될 수 있다. 한 번에 사용되는 수술용 툴(26)의 개수는 진단 또는 수술 절차, 및 다른 요인들 중에서 수술실 내부의 공간 제약에 따라 대체로 좌우될 것이다. 시술 동안 사용되는 하나 이상의 툴(26)을 바꿀 필요가 있는 경우라면, 어시스턴트(20)는 환자 측 카트(22)로부터 툴(26)을 제거하고 그 툴을 수술실 내의 트레이(30)에 있는 다른 툴(26)과 교체할 수 있다.
도 2는 의사의 콘솔(16)의 사시도이다. 의사의 콘솔(16)은 의사(18)가 깊이를 인지할 수 있도록 수술 부위를 좌표계로 표현한 입체적인 관찰을 의사(18)에게 제공하는 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 포함한다. 이 콘솔(16)은 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 더 포함하고, 이 입력 제어 장치는 차례로 환자 측 카트(22)(도 1에 도시됨)로 하여금 하나 이상의 툴을 조종하게 한다. 입력 제어 장치(36)는 원격현장감, 또는 의사가 툴(26)을 직접 제어하고 있다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 툴(26)과 일체로 되어 있다는 인식을 제공하기 위해서 관련된 툴(26)(도 1에 도시됨)과 동일한 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 포지션 센서, 힘 센서, 및 촉감 피드백 센서(미도시)는 입력 제어 장치(36)를 통해서 툴(26)로부터 다시 의사의 손 쪽으로 포지션, 힘 및 촉감을 전달하도록 이용될 수 있다.
의사가 시술을 직접 모니터링하고 필요한 경우에는 직접 참석하며 전화나 다른 통신 매체를 통하기보다 어시스턴트에게 직접 말할 수 있도록, 의사의 콘솔(16)은 통상적으로 환자가 있는 방과 같은 방에 위치된다. 그러나 의사는 다른 방, 완전히 다른 건물, 또는 원격 수술 절차를 가능하게 하는 환자로부터의 다른 원격지에 위치될 수 있다.
도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 연결될 수 있고, 예컨대 의사의 콘솔, 또는 근처에 위치되어 있는 그리고/또는 원격에 위치되어 있는 다른 적절한 디스플레이에서 의사에 대한 차후의 디스플레이를 위하여 캡처된 영상을 처리하는 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입체 내시경이 사용되는 곳에서, 전자장치 카트(24)는 수술 부위를 좌표계로 표현한 입체적인 영상을 의사에게 제공하기 위해서 캡처된 영상을 처리할 수 있다. 이러한 좌표계는 마주하는 이미지들 사이의 정렬상태(alignment)를 포함할 수 있고, 입체 내시경의 입체 작동 거리(stereo working distance)를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 영상 처리는 광학 수차와 같은 영상 캡처 디바이스의 촬상 에러를 보상하기 위해서 사전에 결정된 카메라 보정 파라미터의 사용을 포함할 수 있다.
도 4에는 최소 침습 시술 동안 환자 측 카트(수술 로봇)(54)(도 1의 환자 측 카트(22)와 같은 것)를 제어하기 위해서 의사가 사용할 수 있는 로봇 수술 시스템(50)(도 1의 MIRS 시스템과 같은 것)이 개략적으로 도시되어 있다. 환자 측 카트(54)는 시술 부위의 영상을 캡처하고 캡처된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하기 위해서 입체 내시경과 같은 촬상 디바이스를 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 차후의 디스플레이에 앞서 캡처된 영상을 다양한 방식으로 처리할 수 있다. 예를 들어, 전자장치 카트(56)는 의사의 콘솔(52)을 통해 의사에게 합성 영상을 디스플레이하기 전에 캡처된 영상을 가상 제어 인터페이스(virtual control interface)와 중첩(overlay)시킬 수 있다. 환자 측 카트(54)는 전자장치 카트(56)의 외부에서 처리하기 위하여 캡처된 영상을 출력할 수 있다. 예를 들어, 환자 측 카트(54)는 캡처된 영상을 처리하는데 사용될 수 있는 프로세서(58)에 캡처된 영상을 출력할 수 있다. 캡처된 영상은 캡처된 영상을 공동으로, 순차적으로, 그리고/또는 그 조합으로 처리하기 위해서 함께 연결될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 조합체에 의해 처리될 수도 있다. 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)는, 시술 부위의 영상 또는 다른 관련 영상과 같은 영상을 근처에 디스플레이하기 위하여 그리고/또는 원격에 디스플레이하기 위하여 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 연결될 수도 있다.
도 5에는 환자 측 카트(22)가 나타나 있다. 도시된 환자 측 카트(22)는 3개의 수술용 툴(26), 및 시술 부위의 영상을 캡처하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 촬상 디바이스(28)의 조종을 제공한다. 조종은 다수의 로봇 조인트를 가지는 로봇 메커니즘에 의해 제공된다. 촬상 디바이스(28)와 수술용 툴(26)은, 운동학적인 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부의 크기를 최소화하기 위해서 절개부에 유지되어 있도록, 환자 내의 절개부 또는 환자 내의 구멍을 통해 포지셔닝되고 조종될 수 있다. 수술용 툴(26)의 원위 단부가 촬상 디바이스(28)의 시야 내에 포지셔닝될 때, 수술 부위의 영상은 수술용 툴(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 5에는 멀티 포트 수술 로봇이 도시되어 있다. 본 발명의 실시예들이 싱글 포트 수술 로봇으로 이용될 수도 있다는 것은 이해되어야 한다. 멀티 포트 수술 또는 싱글 포트 수술 어느 쪽이든, 수술용 툴(26)은 수술 부위에서 환자(12) 속으로 삽입되는 캐뉼라를 통과하게 된다. 의사가 의사의 콘솔(16)에서 시술을 지휘하고 관찰하는 동안, 수술용 툴(26)은 환자 측 카트(22)를 통해 조종된다. 프로세서(58)와 전자장치 카트(24)는 의사의 콘솔(16)에서의 의사의 입력값을 수술용 툴(26)의 엔드 이펙터의 실제 모션으로 변환시키는데 이용될 수 있다. 통상적으로 이용될 수 있는 수술용 툴은 파지장치, 가위, 스테이플러, 소작용 툴, 직선형 커터, 파침기 및 다른 기구를 포함한다. 각각의 수술용 툴(26)은 프로세서(58)와 전자장치 카트(56)에 의해 제공되는 바와 같이 의사(18)의 지휘 하에 환자 측 카트(22)에 부착되고 환자 측 카트(22)에 의해 구동된다. 프로세서(58)와 전자장치 카트(16)는 의사(18)의 입력값을, 수술용 툴(26)의 엔드 이펙터의 모션에 영향을 미치는, 환자 측 카트(22)의 구동 동작으로 변환시킨다. 특히, 수술용 툴(26)은 본 발명에 따라 스테이플러 또는 혈관 봉합기 중 한 가지를 포함할 수 있다.
클램핑 기구(Clamping Instrument)
수술 시스템(10)에서 이용될 수 있는 수술용 툴(26)은 스테이플러 및 전자 혈관 봉합기와 같은 클램핑 기구를 포함할 수 있다. 이러한 장치는 예컨대 위장관으로부터 암 조직 또는 비정상적인 조직을 절제하는데 사용될 수 있다. 도 6a에는 스테이플러(600)의 일 예시가 도시되어 있다. 스테이플러(600)는 스테이플러 엔드 이펙터(602), 리스트(wrist)(604), 기구 샤프트(606) 및 섀시(608)을 포함한다.
도 6a에 나타나 있는 바와 같이, 스테이플러 엔드 이펙터(602)는 앤빌(610)과 죠(612)를 포함한다. 스테이플러 카트리지(614)는 죠(612)에 삽입될 수 있다. 스테이플러(600)의 일부 실시예들에서, 커팅 나이프 블레이드(616)는 앤빌(610)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있도록 구성되어 있다. 그러나 조작 동안 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 조직을 클램핑하기 위해서 스테이플러 죠(612)가 앤빌(610)에 대하여 힘을 받기 때문에, 스테이플러(600)는 파지장치로 이용될 수 있다.
적합한 조직 간격, 즉 클램핑 동안의 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 거리는 적합한 스테이플 형성에 중요하다. 조직 간격이 너무 큰 경우라면, 스테이플은 발사 동안 적절히 형성되지 않을 것이(여기서 '발사'는 'firing'으로서 어떤 동작이 시작되거나 어떤 구성요소 등이 작동하기 시작하는 것을 의미하며, 명세서 전체에서 같음)다. 큰 조직 간격은 죠(612)와 앤빌(610) 사이에서 과도하게 두꺼운 재료를 클램핑하여 유발될 수 있다. 몇몇 경우에서, 스테이플러 엔드 이펙터(602)는 미리 정해진 클램프 포지션, 및 측정된 이 포지션을 달성하는데 요구되는 토크로 구동될 수 있다. 이 토크가 너무 큰 경우라면, 앤빌(610)은 굴절되고 조직 간격은 너무 커질 것이다. 일부 실시예들에서, 토크 한계는 세팅될 수 있고, 엔드 이펙터(602)는 미리 정해진 클램프 포지션을 향하여 이동될 수 있다. 엔드 이펙터(602)가 미리 정해진 클램프를 달성하는 것을 토크 한계가 방해하는 경우라면, 적합한 조직 간격이 달성될 수 없다. 모든 경우, 앤빌(610)에 작용하는 토크의 정확한 감지 또는 제어는 부적합한 조직 간격을 정확하게 탐지하는데 중요하다.
스테이플러가 발사되는 경우, 스테이플은 개재되어 있는 조직을 통해서 그리고 죠(612)를 따라 이동하는 슬레드(618)에 의해 앤빌(610) 속으로 힘을 받는다. 조직 간격인 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 거리는 스테이플의 적절한 형성을 결정한다. 조직 간격의 제어는 적절한 스테이플 형성을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 충분한 클램핑은 스테이플 형성을 위하여 적합한 조직 간격을 제공한다. 조직에 작용하는 충분한 클램핑 힘은 스테이플의 길이를 결정하는 카트리지(614)에 관한 함수일 수 있다.
추가적으로, 나이프 블레이드(616)(I-빔으로 형성되거나 슬레드(618)에 부착될 수 있음)는 스테이플되어 있는 조직을 분리하도록 앤빌(610)을 따라 병진운동된다. 일부 실시예들에서, 슬레드(618)와 나이프 블레이드(616)는 카트리지(614) 내부에 형성된다. 조직 간격이 부정확한 경우라면, 스테이플은 부적절하게 형성될 수 있어서, 조직 손상과 다른 합병증을 야기한다. 일부 실시예들에서, 스테이플러(600)는 직선형 스테이플러일 수 있다. 일부 실시예들은 나이프 블레이드(616)를 포함하지 않을 수 있어서, 절단하지 않고 스테이플링을 행할 수 있다.
지혈(hemostasis) 및 호흡정지(pneumostasis)의 달성(스테이플링 디바이스를 사용한 조직의 봉합)은, 스테이플이 조직을 충분히 압축하여 출혈이나 호흡이 새는 것을 방지하도록, 클램핑 힘으로부터 생긴 적합한 압력을 발사 후 조직에 제공하는 것에 좌우된다. 너무 큰 압력을 제공하는 것은 혈액 공급을 완전히 중단시킬 만큼 충분히 세게 조직을 압착하는 스테이플을 초래할 수 있고, 조직이 치료되는 것을 방해하거나 괴사에 이르게 할 수 있다.
상술된 바와 같이, 엔드 이펙터(602)를 미리 정해진 클램프 포지션으로 포지셔닝하는데 너무 큰 클램핑 힘이 사용되는 경우라면, 죠(612)와 앤빌(610)의 팁들 사이의 굴절은 부정확한 클램핑을 초래할 것이다. 추가적으로, 엔드 이펙터를 미리 정해진 클램프 포지션으로 포지셔닝하는데 너무 작은 클램핑 힘이 사용되는 경우라면, 죠(612)는 미리 정해진 클램프 포지션으로 앤빌(610)에 대해 완전히 근접하지 않을 것이고, 조직의 부적절한 스테이플링을 다시 초래한다.
스테이플러 카트리지(614)는 조직 두께를 포함하여 특별한 환경에 맞게 컬러 코딩될 수 있다. 몇몇 다른 컬러가 이용될 수 있지만, 컬러 코딩에 관한 다음의 표가 적용될 수 있다.
카트리지 컬러 조직 두께 개방된 스테이플
높이 (mm)		 폐쇈된 스테이플
높이 (mm)
회색 장간막/얇음 2.0 0.75
흰색 혈관/얇음 2.5 1.0
청색 보통 3.5 1.5
금색 보통/두꺼움 3.8 1.8
녹색 두꺼움 4.1 2.0
흑색 매우 두꺼움 4.4 2.3
카트리지(614)는 여러 가지 길이, 예컨대 30 mm, 45 mm 또는 60 mm가 될 수 있다. 단일의 스테이플러(600)는 각각의 카트리지가 한번 발사되면 다수의 재장전 수단을 발사할 수 있다. 카트리지(614)는, 예컨대 카트리지 일련 번호, 카트리지 타입, 부품 번호, 스타일, 발사 방향, 발사 길이, 카트리지 컬러, 발사 토크, 최대 굴절량 및 다른 데이터를 보유하는 데이터 저장소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 나이프 블레이드(616)와 슬레드(618)는 카트리지(614)의 일부이고, 각각의 재장전 수단으로 교체된다.
도 6b에는 조직(650)에 클램핑되어 있는 스테이플 엔드 이펙터(602)가 도시되어 있다. 도 6b에 나타나 있는 바와 같이, 카트리지(614)는 스테이플(652)들을 포함한다. 발사 동안, 슬레드(618)는 클램핑되어 있는 조직에 걸쳐 앤빌(610) 상의 포켓(654) 속으로 카트리지(614) 내에 수용되어 있는 스테이플(652)들을 구동시키기 위해서 죠(612)를 따라 이동할 수 있다. 포켓(654)은 스테이플(652)들을, 최적의 봉합을 제공하는 "B"자 형상으로 형성하도록 구성되어 있다. 도 6b에는 스테이플(652)의 각각의 다리가 개별적인 포켓(654)에 의해 "B"자 형상의 일부로 형성될 수 있는 일 실시예가 도시되어 있지만, 일부 예시들에서 스테이플(652)은 단일의 포켓(654)에 의한 형상을 가질 수 있다. 나이프(616)는 스테이플되어 있는 조직을 절단하기 위해서 줄지어 있는 스테이플들 사이의 조직을 절단한다. 카트리지(614)는 수개의 줄지어 있는 스테이플을 만들 수 있는데, 예컨대 나이프(616)에 의해 형성된 절단부의 각각의 측면 상에 2개 또는 3개의 줄이 형성될 수 있다.
죠(612)와 앤빌(610)의 클램핑 동작 및 슬레드(618)와 나이프(616)의 발사 모션은 외부 모터(도 6a에는 미도시)로부터의 토크를 커플러(6602)에 연결시키는 섀시(608)에 의해 구동된다. 커플러(660)는, 예컨대 드라이브 샤프트 또는 케이블일 수 있다. 커플러(660)는 샤프트(606)를 따라 이동하고, 엔드 이펙터(602) 내부의 캠, 기어, 스크루 또는 웜 드라이브 및 카트리지(614)에 연결된다. 커플러(660)는 또한 리스트(604)를 제어하는데 이용된다. 도 6a에 나타나 있는 바와 같이, 섀시(608)는 케이블의 장력 또는 드라이브 샤프트의 회전을 제어하여 기구 샤프트(606)를 통해 엔드 이펙터(602) 쪽으로 뻗어있는 커플러(660)를 제어한다. 앤빌 (610)에 대한 죠(612)의 클램핑은 죠(612)를 앤빌(610) 속에서 회전시키거나 선택적으로 앤빌(610)을 죠(612) 속에서 회전시키는 캠 메커니즘으로 조작될 수 있다. 슬레드(618)와 나이프(616)의 발사는, 예컨대 드라이브 샤프트 커플러(660)에 의해 구동되는 리드 스크루 메커니즘에 의해 구동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 죠(612)와 앤빌(610)의 클램핑 및 슬레드(618)와 나이프(616)의 발사는 중실 드라이브 샤프트(rigid drive shaft)에 의해 제어될 수 있는 한편, 죠(612)와 앤빌(610)의 정상적인 파지뿐만 아니라 리스트(604)의 피칭운동(pitch)과 요잉운동(yaw)의 제어는 케이블에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 클램핑과 발사는 케이블에 의해 제어될 수 있다.
스테이플러(600)의 발사 동안 적절한 클램핑을 제공하기 위하여, 특정 클램핑 힘은 죠(612)와 앤빌(610) 사이에 제공된다. 이 클램핑 힘은 섀시(608)에 연결되는 모터의 토크에 의해 처음으로 제공된다. 섀시(608)의 제조상 차이와, 예컨대 샤프트(606), 리스트(604)에 존재할 수 있는 마찰, 및 죠(612)와 앤빌(610)의 기계적 조작 때문에, 클램핑 힘을 제공하기 위한 적합한 토크는 어느 한 스테이플러에서 다른 스테이플러에 이르기까지 다를 수 있다. 더욱이, 스테이플러(600)가 마모됨에 따라, 적합한 클램핑 입력 토크는 스테이플러(600)의 수명 동안 달라질 수 있고, 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 적절한 클램핑 힘에 영향을 미치도록 섀시(608)에 가해지는 토크는 더 적게 걸릴 수 있다. 부적절한 클램핑 힘이 죠(612)와 앤빌(610)의 부적절한 굴절에 기인한 부적절한 조직 간격을 초래하기 때문에, 너무 큰 토크가 섀시(608)에 가해지거나 너무 작은 클램핑 힘으로 인해 죠(612)와 앤빌(610)의 부적절한 근접이 있는 경우라면, 스테이플러(652)의 부적절한 형성은 발사 동안 일어날 수 있다. 이러한 부적절한 클램핑은 진행 중의 부적절한 스테이플 형성 및 부적절한 클램핑 모두의 결과로서 조직(650)을 손상시킬 수도 있다.
상술된 바와 같이, 죠(612)를 앤빌(610)에 대해 클램핑하기 위한 일반적인 구동 메커니즘은 캠 메커니즘을 이용한다. 그러나 적합한 클램핑은 캠의 포지션으로만 결정될 수 없다. 이는 죠(612)와 앤빌(610)의 팁들의 추가적인 분리를 초래할 수 있는 죠(612)와 앤빌(610)의 가요성의 결과이다. 너무 큰 클램핑 토크가 가해지는 경우, 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 팁 이격거리(tip separation), 즉 조직 간격은 발사 동안 부적절한 스테이플 형성을 너무 심하게 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예들에서, 클램핑 동안 과도한 팁 이격상태(조직 간격)가 방지되도록, 토크 한계는 세팅되고 스테이플러(600)에 적용된다. 토크 한계가 구현되면서 스테이플러(600)가 완전히 클램핑되는 포지션에 도달할 수 있는 경우에만 발사가 허용된다. 토크 한계가 클램핑(정지상태(stall))을 방해하는 경우라면 조직은 적합하게 압축될 수 없고, 클램핑이 속행되는 경우라면 죠(612)와 앤빌(610)의 가요성에 기인한 과도한 팁 이격상태가 초래될 것이다. 따라서, 스테이플러(600)는 죠(612)와 앤빌(610)이 완전히 이동한 상태에 도달하는 경우(즉 리드스크루 또는 카르단(cardan)의 예상 회전 수를 달성하여 행해짐) 클램핑되는 것이 고려될 수 있고, 토크 한계에는 도달되지 않는다.
유사한 문제점은 혈관 봉합기에 일어난다. 도 6c에는 혈관 봉합기(630)가 도시되어 있다. 혈관 봉합기(630)는 엔드 이펙터(632), 리스트(634), 기구 샤프트(636) 및 섀시(638)를 포함한다. 엔드 이펙터(632)는 봉합되는 조직에 클램핑되는 죠(642, 640)를 포함한다. 스테이플을 대신하여, 혈관 봉합기(630)는 죠들(640, 642) 사이에서 클램핑되는 조직을 봉합하는 RF 방법을 이용할 수 있다.
도 6d에는 죠들(640, 642) 중 하나에 해당할 수 있는 죠(650)를 가진 엔드 이펙터(632)가 도시되어 있다. 도 6d에 나타나 있는 바와 같이, 죠(650)는 죠 케이스(652)에 매립되어 있는 전극(654)을 포함한다. 나이프(646)는 전극(654) 내에 형성되어 있는 트랙(658)을 따라 구동될 수 있다. 죠 케이스(652)는 전극(654)들 사이의 최소 간격이 진행 중 유지되도록 전극(654)을 넘어 그 위로 뻗어 있는 팁(656)을 가진다. 일부 실시예들에서, 최소 간격은, 예컨대 0.006 인치일 수 있다. 발사되는 경우, 죠들(640, 642)은 조직을 봉합하도록 에너지가 공급될 수 있고, 나이프 블레이드(646)는 조직을 가르기 위해서 죠들(640, 642) 내의 트랙(658)을 따라 이동할 수 있다. 에너지는 죠(640)와 앤빌(642) 내에서 전극(654)를 통해 공급된다. 일부 실시예들에서, 나이프 블레이드(646)는 봉합 에너지와 별도로 활성화될 수 있다.
적절한 클램핑 힘은 전기 소작 동안 적절한 봉합 형성을 제공하는데 요구된다. 과도한 클램핑 힘은 구동 메커니즘, 예컨대 리드스크루 메커니즘을 손상시킬 수 있다. 따라서, 혈관 봉합기(630)의 조작은, 혈관 봉합기(630) 그 자체는 손상시키지 않으면서 충분한 클램핑 힘을 죠들(640, 642)에 제공하는 것에 좌우된다. 힘의 상한선은 1) 혈관 봉합기(630)를 손상시키지 않는 것, 및 2) 일관된 성능을 제공하는 것을 목표로 하는 것에 기초한다.
당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 혈관 봉합기(630)와 같은 다른 기구도 이로울 수 있다는 것을 알 수 있을지라도, 본 명세서는 스테이플러(600)의 조작에 집중할 것이다. 스테이플러(600)나 혈관 봉합기(630) 어느 것이든, 엔드 이펙터의 여러 가지 모션은 기구 샤프트를 통해 뻗어있는 케이블에 의하여 섀시를 통해 제어된다. 섀시는 기구 샤프트 내의 커플러에 영향을 미치도록 구동되고, 이는 차례로 엔드 이펙터에서의 모션을 제어한다. 스테이플러(600)에 대하여 상술된 바와 같이, 클램핑 및 발사를 제어하는 커플러는 드라이브 샤프트, 케이블, 푸시-풀 로드(push-pull rod) 또는 다른 메커니즘일 수 있다. 섀시를 구동하는데 이용되는 모터에 작용하는 토크는 엔드 이펙터의 여러 가지 구성요소들에 가해지는 힘으로 변환된다.
도 7에는 모터 어셈블리(702)에 장착되는 수술용 스테이플러(600)가 도시되어 있다. 모터 어셈블리(702)는 이후 환자 측 카트(22)의 수술용 아암에 장착되는 스테이플러 기구에 장착될 수 있다. 모터 어셈블리(702)는 또한 환자 측 카트(22)의 수술용 아암에 장착될 수 있고, 또는 환자 측 카트(22)의 수술용 아암들 중 하나의 일부가 될 수 있다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이, 모터 어셈블리(702)는 기계적 커플러(706)와 전자장치(712)를 통해 기계적으로 연결되는 하나 이상의 모터(710)를 포함한다. 기계적 커플러(706)는 스테이플러(600)가 모터 어셈블리(702)에 장착되는 경우 섀시(608)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 모터(710)는 클램핑 모터 및 발사 모터를 포함할 수 있다. 모터 어셈블리(702) 중 하나 이상의 모터(710)와 전자장치(712)의 조합체는 모터 팩으로 지칭될 수 있다. 리스트(604)를 구동시키는 모터는 모터 어셈블리(702) 내에 포함될 수 있고, 또는 모터 어셈블리(702)로부터 떨어져 있을 수 있다. 기계적 커플러(706)는 하나 이상의 모터(710)로부터, 기계적 컨버터(714)에 의해 토크가 케이블(660)에 전달되는 섀시(608) 속으로 토크를 전달한다.
전자장치(708)는 데이터를 저장하기 위한 저장 메모리, 및 데이터를 모터 어셈블리(702)에 전송하기 위한 인터페이스 전자장치를 포함한다. 전자장치(708)에 저장되는 데이터는 수술용 스테이플러(600)와 관련된 파라미터를 포함한다. 이러한 데이터는 스테이플러(600)를 확인하고 이를 제어하는데 이용될 수 있고, 예컨대 일련 번호, 기구 타입, 수명(즉 발사 횟수) 및 스테이플러(600)에 관한 다른 정보를 포함할 수 있다. 기구 데이터를 전자장치(708)에 저장하는 것은, 예컨대 미국 특허 6,866,671에 설명되어 있고, 이는 본 명세서에서 그 전체로 참조사항으로 통합되어 있다.
전자장치(708)는 또한 카트리지(614)가 엔드 이펙터(602) 속에 포지셔닝되는 경우 카트리지(614) 상의 데이터 저장소(716)와 통신할 수 있다. 데이터 저장소(716)는 카트리지의 확인, 카트리지 제품 번호, 카트리지 타입, 카트리지 일련 번호, 카트리지 발사 상태, 카트리지 컬러, 길이, 토크 오프셋 및 다른 데이터를 포함하는, 카트리지와 관련된 데이터를 저장할 수 있다. 카트리지(614)의 데이터 저장소(716)에 저장되는 데이터는 스테이플러(600), 카트리지(614) 및 모터 어셈블리(702)가 어떻게 함께 이용될 수 있는지를 판정하기 위하여 제어 시스템으로 전송될 수 있다.
모터 어셈블리(702)는 전자장치(712)를 포함할 수 있는데, 이 전자장치(712)는 인터페이스(704)를 통해 전자장치(708)와 데이터를 교환하고 시스템(10)의 다른 구성요소들에 대한 데이터와 다른 정보를 환자 측 카트(54)를 통해 통신하고, 시스템(10)의 다른 구성요소들로부터의 데이터와 명령을 수신한다. 전자장치(712)는 또한 모터 어셈블리(702)와 관련된 데이터, 예컨대 모터 어셈블리 타입, 일련 번호, 수명(즉 발사 횟수) 및 모터 어셈블리(702)의 조작에 관한 다른 정보를 저장할 수 있다. 전자장치(712)는 또한 스테이플러(600)에 기계적으로 연결되는 하나 이상의 모터(710)에 입력값을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 모터 또는 메커니즘의 다른 구성요소들의 포지션을 모니터링하는 센서로부터 데이터를 수신할 수 있다. 이러한 입력값은 하나 이상의 모터(710)에 제공되는 전류를 제어하거나 제한할 수 있고, 하나 이상의 전류 루프 제어 회로 및/또는 포지션 루프 제어 회로를 포함할 수 있다.
도 8에는 혈관 봉합기와 같은 다른 클램핑 기구가 이용될 수 있음에도 스테이플러(600)를 가진 수술 시스템의 조작이 도시되어 있다. 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 섀시(608)의 전자장치(70)는 메모리(808)와 전자장치(806)를 포함한다. 메모리(808)는 스테이플러(600)에 관한 파라미터를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리를 포함한다. 상술된 바와 같이, 이러한 파라미터는 스테이플러(600)의 조작 파라미터, 스테이플러(600)의 수명, 스테이플러(600)의 타입 및 다른 파라미터를 포함할 수 있다. 전자장치(806)는 또한 카트리지(614)로부터 데이터 저장소(716)를 판독하도록 연결되어 있고, 이러한 파라미터를 중계한다. 전자장치(806)는 인터페이스(704)를 통해 수신된 신호에 응답하여 메모리(808)로부터의 파라미터 및 데이터 저장소(716)로부터의 파라미터를 판독할 수 있다.
일부 실시예들에서, 인터페이스(704)는 섀시(608)와 모터 어셈블리(702) 사이에 전기적 연결수단(electrical connection)을 포함한다. 전자장치(806)는 프로세서, 및 메모리(808)로부터의 데이터를 판독하거나 기록하는 다른 전자장치를 포함한다.
모터 어셈블리(702)의 전자장치(712)는 전자장치(810)와 메모리(812)를 포함한다. 전자장치(810)는 프로세서, 또는 인터페이스(704)를 통해 전자장치(806)에 접속되는 다른 전자장치일 수 있다. 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 전자장치(810)는 또한 하나 이상의 모터(710)에 제어 신호를 제공한다. 도 8에는 모터(802, 804)가 나타나 있다. 모터(802, 804)는 스테이플러(602)의 기능이 실행되도록 기계적 컨버터(714)를 구동시킨다.
특히, 모터(804)는 클램핑 모터이고, 조직(650)에 대한 죠(612)와 앤빌(610) 사이의 클램핑을 제공하도록 스테이플러(600)를 조작한다. 모터(802)는 발사 모터이고, 스테이플러(600)를 발사하도록 스테이플러(600)와 카트리지(614)를 조작한다. 스테이플러(600)는 클램핑되는 경우 발사된다. 클램핑되는 조건은, 토크 한계가 과도한 팁 이격상태를 방지하도록 구현됨과 동시에 모터(804)의 출력 포지션이 적합한 클램프 포지션에 도달하는 경우 결정될 수 있다. 모터(804)에 의해 제공되는 토크는 모터(804)에 제공되는 전류에 의해 제어될 수 있다. 모터(804)에 제공되는 전류는 전자장치(810)에 의해 제어될 수 있다. 조작시, 토크 한계는 함께 사용되는 기구 및 모터 어셈블리(또는 모터 팩)에 기초하여 모터(804)에 제공된다. 클램핑은, 적합한 토크 한계가 구현되면서 모터(804)의 적합한 포지션이 도달되는 경우 결정될 수 있다. 토크 한계는 모터(804)의 전류 한계와 적접적으로 관련되어 있어서, 모터(804)의 전류 인출량(current draw; 빠져나간 전류, 이하 '전류 인출량' 이라 함)이 대응하는 전류 한계에 도달하는 경우 토크 한계는 도달된다.
전자장치(810)는 프로세서, 및 메모리(812)에 저장된 명령을 실행하는 전자장치를 포함할 수 있다. 따라서, 전자장치(810)는 각각 클램핑 모터(804)와 발사 모터(802)일 수 있는 모터(804, 802)를 제어하기 위한 전류 제어기 및 포지션 제어기를 포함할 수 있다. 도 8에 더 나타나 있는 바와 같이, 전자장치(810)는 모터 어셈블리(702)의 성능을 모니터링하는 여러 가지 센서(820)를 포함할 수 있다. 센서(820)는, 예컨대 모터 어셈블리 온도를 측정하는 온도 센서, 적어도 하나의 모터(710) 각각에 의해 인출되는 전류를 측정하는 전류 센서, 및 적어도 하나의 모터(710)의 각각의 출력 포지션을 측정하는 포지션 센서를 포함할 수 있다.
메모리(812)는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합체를 포함할 수 있고, 하나 이상의 모터(710)를 제어하기 위한 실행가능한 명령 및 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(812)는 일련 번호, 부품 번호, 버전 번호, 구성 정보(타입, 스타일, 만료 정보, 전류 제어기 이득, 포지션 제어기 이득, 기어비), 온도 계수, 마모 계수, 마찰 계수, 모터 KT(토크 대 전류에 관한 파라미터)를 포함하는, 모터 어셈블리(702)와 관련된 파라미터들을 포함할 수 있다.
스테이플러(600)의 다른 기능, 예컨대 발사 동안의 리스트(604)의 조작 및 슬레드(618)와 나이프(616)의 병진운동은 다른 모터, 또는 기계적 컨버터(714)로 조작되는 모터의 조합체에 의해 제공될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 기계적 컨버터(714)는 적합한 모션을 제공하기 위해서 케이블(660)에 연결되는 기어와 캠의 조합체일 수 있다. 발사 모터(802) 또는 다른 구동 모터와 같은 다른 모터의 전류는 전자장치(810)에 의해 제어될 수도 있다.
전자장치(810)는, 명령을 수신하고 데이터를 시스템(800)에 제공하도록 추가로 연결된다. 시스템(800)은 도 4에 있는 시스템(50)의 의사의 콘솔(52), 전자장치 카트(56), 프로세서(58) 및 디스플레이(60)의 조합체를 나타낼 수 있다. 따라서, 시스템(800)은 하나 이상의 프로세서(802), 메모리(804), 데이터 저장소(814) 및 사용자 인터페이스(816)를 포함한다. 사용자 인터페이스(816)는 의사의 콘솔(52), 디스플레이(60), 키보드, 터치스크린 또는 다른 적합한 입력 장치일 수 있다. 저장소(814)는 플래시 메모리, 하드 드라이브, CD 리더기 또는 다른 저장 매체의 리더기, 또는 데이터를 저장하기 위한 다른 장치와 같은 임의의 데이터 저장 시스템일 수 있다. 메모리(804)는 데이터의 저장 및 처리 단계를 위한 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 일부 경우, 메모리(804)는 프로그래밍 단계를 포함하여 저장소(814)로부터의 데이터로 채워질 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자장치(810)와 전자장치(806)는 정수 계산(integer math)을 지원할 수 있다. 전자장치(806, 810)를 조작하는 알고리즘은 모터(804, 802)를 제어하는 동안 전자장치에 할당된 수학적 조작을 실행하는데 적합하게 스케일링될 수 있다.
조작시, 스테이플러(600)의 조작에 관한 파라미터는 메모리(808)로부터 판독되고, 전자장치(810) 및 프로세서(802)에 제공된다. 의사 입력값은 사용자 인터페이스(816)에서 수신된다. 프로세서(802)는 스테이플러(600)의 조작을 위하여 의사 입력값을 명령으로 변환시키는 명령을 실행하고, 이 명령을 전자장치(810)에 제공한다. 일부 실시예들에서, 메모리(808)로부터 판독되는 파라미터는 전자장치(810)에 제공되는 명령을 결정하는데 이용될 수 있다. 전자장치(810)는 프로세서(802)에 의해 지시되는 모션들을 제공하기 위해서 하나 이상의 모터(710)에 신호를 제공한다. 이 모션들은 엔드 이펙터(602)에 변환된다. 하나 이상의 모터(710)에 제공되는 신호는 또한 메모리(808)로부터 판독되는 파라미터에 내포될 수 있다. 일부 경우, 프로세서(802)는 스테이플러(600)의 다음번 이용시에 이용될 수 있도록 파라미터를 메모리(808)에 제공하거나 다시 기록할 수 있다.
일반적으로, 모터 어셈블리(또는 모터 팩), 스테이플러 및 카트리지가 딱 들어맞는 것은 아니다. 시술 동안, 임의의 모터 어셈블리는 임의의 스테이플러와 함께 이용될 수 있고, 여러 가지 카트리지 중 일부는 스테이플러에서 이용될 수 있다. 따라서, 데이터 저장소(716)는 스테이플러 카트리지(614)와 관련된 파라미터를 보유하고, 메모리(808)는 특정 스테이플러(600)와 관련된 파라미터를 저장하고, 메모리(812)는 특정 모터 어셈블리(702)와 관련된 파라미터를 저장한다.
스테이플러의 초기화(Initialization of the Stapler)
상술된 바와 같이, 스테이플 카트리지(재장전 수단(reload)으로도 지칭됨)는 컬러에 의해 확인되는 다양한 크기로 이용가능하다. 각각의 컬러 카트리지는 특정 스테이플 다리 길이에 대응한다. 일반적인 카트리지는 녹색(4.3 mm 다리 길이), 청색(2.5 mm 다리 길이) 및 흰색(1.5mm 다리 길이) 카트리지(614)를 포함한다. 스테이플을 적절히 형성하기 위하여, 앤빌(610)과 죠(612)는, 스테이플(652)이 앤빌(610) 내의 포켓(654)에 충돌하여 원하는 "B"자 형상을 형성하는 것을 보장하도록, 근접한 인근에 포지셔닝될 필요가 있다(도 6b). 스테이플러(600)는 "외팔보" 스타일의 클램핑을 이용하고, 상술된 바와 같이 클램핑 토크 한계가 너무 큰 경우라면, 스테이플(652)이 발사 과정 동안 카트리지(614) 밖으로 밀리는 경우 스테이플(652)이 적절하게 형성되지 않을 수 있는 지점 쪽으로 앤빌(610)과 죠(612)의 팁을 서로 멀리 굴절시키는 것이 가능하다. 이러한 상태는, 너무 큰 토크로 클램핑하는 동안 죠 내부에 너무 많은 조직이 있는 경우라면 나타날 수 있다. 이러한 상태를 방지하고 적절한 팁 간격이 유지되는 것을 보장하기 위하여, 클램핑 토크는 제한된다.
이상적인 상황하에서, 각각의 스테이플러(600)가 동일한 경우라면, 모든 스테이플러(600)는 동일한 토크 한계를 이용할 수 있다. 그러나, 제조상 변형 및 공차는 상이한 스테이플러(600)들 사이에 상당한 변형을 초래할 수 있다. 본 발명에 따르면, 토크 한계는 각각의 스테이플러(600)에 맞게 맞춤설정될 수 있다. 결과적으로, 메모리(808)는 특정 스테이플러(600)와 관련된 특정 토크 한계를 저장할 수 있다. 게다가, 토크 한계는 카트리지(614)에 따라 개별적인 스테이플러(600) 내부에서 다를 수 있다. 따라서, 카트리지(614)의 타입에 맞는 조절량도 메모리(808)에 저장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지(614)의 타입에 맞는 조절량은 스테이플러(600)들 사이에서 다르지 않을 수 있어서, 세트 카트리지 변형은 시스템(800)에 의해 제공되거나 각각의 카트리지(614)의 데이터 저장소(716)에 저장될 수 있다. 제조 동안, 스테이플러(600) 각각은 조립되고 나서, 클램핑 거동을 "시연하도록(wear-in)" 조작된다.
본 발명에 따르면, 특정 토크 한계는 각각의 스테이플러(600) 마다 결정되고, 섀시(608)의 메모리(808)에 저장된다. 도 9a에는 특정 스테이플러(600)를 위한 토크 한계를 초기화하는 절차가 도시되어 있다. 단계(902)에서, 스테이플러(902)는 조립된다. 조립 후, 단계(904)에서, 스테이플러(600)는 클램핑 절차를 반복적으로 실행하여 "시연"된다. 스테이플러(600)는 클램핑하는데 요구되는 토크가 비교적 안정적인 경우(즉 활성화 도중에 크게 변하지 않는 경우) 시연된다. 단계(906)에서, 다른 높이를 가지는 일련의 심(shim)은 클램핑 동안 죠(612)와 앤빌(610)의 팁들의 알려진 굴절을 강제하는데 이용된다. 팁 굴절량에 관한 함수로서의 클램핑 토크의 데이터 세트는 그 후 획득된다.
도 9b에는 심(914)을 사용해서 알려진 양만큼 굴절되어 있는 팁들이 도시되어 있다. 도 9b에 나타나 있는 바와 같이, 심(914)은 죠(612)와 앤빌(610)이 클램핑되는 동안 특정 팁 이격거리를 강제한다. 단계(906)에서, 상이한 심(914)들을 사용하는 일련의 테스트는 도 9c에 나타나 있는 바와 같이 데이터 세트를 만들기 위해서 수행된다. 도 9c에 나타나 있는 바와 같이, X축에는 각각의 개별적인 심(914)에 의해 강제되는 팁 굴절량이 나타나 있다. Y축에는 클램핑 조건을 달성하도록 테스트 동안 스테이플러(602)의 섀시(608)를 구동시키는 모터 어셈블리(916) 내의 모터(918)로부터 기록된 토크 데이터가 있다. 일부 실시예들에서, 모터(918)의 피드백 전류와 모터(918)에 가해지는 토크 사이의 관계, 및 죠(612)와 앤빌(610) 사이에서의 그 결과 생기는 힘은 모터(918)와 수개의 기구를 이용하여 사전에 구해진 보정 데이터에 기초하여 알려져 있다.
단계(908)에서, 데이터는 함수에 피팅될 수 있다. 도 9c에 나타나 있는 예시에서, 데이터는 선형 함수 Y=mx+b에 피팅된다. 선형 최소자승법은 기울기(m)와 y절편(b)을 추산하는데 이용될 수 있다. 이 선형 방정식에서, Y는 요구되는 토크이고, X는 팁 굴절량이다. 도 9c에 나타나 있는 바와 같이, 토크는 밀리 뉴턴 미터(mNm)로 제공되고, 굴절량은 밀리미터(mm)로 제공된다. 도 9c에 제공된 특정 예시에서, 기울기(m)는 21.5 mNm/mm인 것으로 결정되고, y절편(b)은 50 mNm이다. 상술된 바와 같이, m과 b의 값은 상이한 스테이플러들 사이의 제조상 변형 때문에 다르다.
단계(910)에서, 최대 토크 값은 스테이플러(600)에 맞게 결정된다. 일부 실시예들에서, 최대 토크는 최대 팁 굴절량을 0.70 mm로 제한하여 결정된다. 0.70 mm는 청색 카트리지(614)에 적합한 팁 이격거리이고, 이는 청색 카트리지를 위한 안전한 베이스라인을 설정하기 위해서 고려될 수 있다. 이 예시적인 값은 팁 이격거리로 인한 발사 동안의 스테이플의 부적절한 형성을 방지한다. 도 9c에서 볼 수 있는 바와 같이 또는 위 선형 관계에 의해 연산될 수 있는 바와 같이, 도 9c에 도시되어 있는 특정 스테이플러(600)는 65 mNm의 최대 토크 값을 가진다. 위 토크 값은 적절한 스테이플 형성을 위하여 너무 큰 팁 굴절량(결과적으로는 너무 큰 조직 간격)을 허용할 수 있다. 토크 한계를 강제함으로써, 충분한 토크는 클램프에 공급되지만, 부적절한 스테이플 형성을 초래하는 더 큰 팁 굴절량을 방지하는 너무 큰 토크는 허용되지 않는다.
단계(912)에서, 스테이플러(600)의 최대 토크 값은 스테이플러(600)의 섀시(608)에 있는 메모리(808)에 저장된다. 최대 토크 값은 그 후 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 시스템(10)의 조작 동안 메모리(808)로부터 판독될 수 있고, 스테이플링 절차 동안 엔드 이펙터(602) 쪽으로 모터(804)에 의해 공급되는 최대 토크를 제어하는데 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, τcal로 지칭될 수 있는 보정된 최대 토크 값은 스테이플러(600)의 베이스라인 토크 한계로 이용된다. 이 베이스라인으로부터 조작 동안의 실제 토크는 특정 카트리지(614)들에 맞게 조절될 수 있다. 조절량은 시스템(800)에 장전되는 복수의 카트리지 및 복수의 스테이플러를 이용하여 구해진 사전에 수집된 실험적이면서도 분석적인 데이터의 대부분에 기초할 수 있다. 예시로서, 여러 가지 카트리지(614)들에 맞는 조절량은 '흰색=-3 mNm'; '청색=+2mNm'; 및 '녹색=+9 mNm'일 수 있다. 이 값들은 최대 토크 값, 및 모터 어셈블리(702)의 모터(804)의 토크 출력을 제어하는데 이용되는 조절된 값에 더해진다. 예를 들어, 카트리지(614)가 청색 카트리지인 경우라면, 클램핑 동안 이용되는 최대 토크 값은 94 mNm으로 조절된다.
위 발명의 상세한 설명에서 이용되는 실제 숫자는 단지 설명을 위한 것이지 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다. 각각의 스테이플러(600)는 상이한 최대 토크 값을 가질 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서는 상이하면서도 안전한 팁 굴절량 또는 다른 파라미터들이 이용될 수 있다. 나아가, 카트리지 타입에 맞는 조절량은 다를 수 있다. 또한, 위 설명은 스테이플러 기구에 초점을 두고 있지만, 유사한 보정이 혈관 봉합기와 같은 다른 기구 상에서 실행될 수 있다.
다른 파라미터들 또한 보정 동안 세팅될 수 있다. 예를 들어, 보정된 토크 한계는 특정 기준 온도(Tref)로 세팅될 수 있다. 다른 파라미터들은 마모 계수, 기구 수명 계수, 및 특정 스테이플러(600)와 관련되어 있는 다른 파라미터를 포함할 수 있다.
각각의 기구 마다 최대 토크를 조절하고 보정하는 것은 클램핑 동안 팁 굴절량의 보다 정밀한 제어를 허용한다. 이는 기구 성능을 극대화할 수 있다. 각각의 기구를 보정함으로써, 단일의 상수 파라미터가 모든 기구에 걸쳐 고르게 사용되는 경우 보다 더 작은 마진이 이용될 수 있다. 추가적으로, 클램핑 동안의 팁 굴절량의 불확실성은 클램핑을 보다 정밀하게 제어함으로써 감소될 수 있다. 나아가, 제조 수율은, 제조상 공차에 대한 의존도를 줄이고 제조상 변형을 조절함으로써 증가될 수 있다.
모터 어셈블리에서의 모터의 초기화(Initialization of Motors in the Motor Assembly)
스테이플러(600)를 보정하고 초기화하는 것에 더하여, 모터 어셈블리(702)도 제조상 변형을 조절하기 위해서 보정되고 초기화될 수 있다. 클램핑 모터(804)와 발사 모터(802)뿐만 아니라 기계적 컨버터(714) 에서의 제조상 변형은 모터 어셈블리들 사이의 변형을 초래한다. 모터 어셈블리 보정 동안, 클램핑 모터(804)와 발사 모터(802) 각각을 위한 모터 속도 대 무부하 전류의 관계(INL) 및 토크 상수(KT)는 결정된다.
도 10a에는 모터 어셈블리(702)의 각각의 모터들(804, 802)을 보정하는데 이용될 수 있는 보정 방법(1000)이 도시되어 있다. 방법(1000)에 나타나 있는 바와 같이, 단계(1002)는 조립된 모터 어셈블리(702)를 구하는 것이다. 단계(1004)에서, 초기 보정은 실행된다. 보정 절차의 일 예시는 도 10b에 도시되어 있다. 단계(1006)에서, 모터 어셈블리(702)의 모터들(802, 804)은 시연된다. 시연 과정 동안, 각각의 모터들(802, 804)은 기계적 컨버터(714)의 기어트레인을 길들이기 위하여 그리고 그리스가 고르게 도포되는 것을 보장하기 위하여 일정한 토크에 대해 다수의 사이클로 구동된다. 단계(1008)에서, 최종 보정은 실행된다. 단계(1008)의 최종 보정 및 단계(1004)의 초기 보정은 동일한 보정 방법일 수 있고, 이에 관한 예시는 도 10b에 나타나 있다. 단계(1010)에서, 보정된 파라미터는 모터 어셈블리(702)의 메모리(812)에 저장된다.
도 10b에는 도 10a의 단계(1004, 1008)에서 이용될 수 있는 보정 절차(1012)의 일 예시가 도시되어 있다. 도 10b에 나타나 있는 바와 같이, 단계(1014)는 클램핑 모터(804)나 발사 모터(802)일 수 있는 모터의 무부하 데이터를 구하는 것이다. 모터 속도와 모터의 무부하 전류 사이의 관계를 결정하기 위하여, 모터는 처음에는 전진 방향으로 나중에는 후퇴 방향으로 한번에 하나씩 다양한 속도로 구동된다. 각각의 다양한 속도를 달성하면서 무부하 전류 인출량 데이터뿐만 아니라 모터 어셈블리(702)의 온도가 측정된다. 일부 경우, 무부하 전류 인출량은 온도에 맞게 조절될 수 있다. 일 예시로서, 104 분당 회전수(rpm)로 나타내는 속도 진행(speed progression)은 [2.5, 1.5, 2.25, 0.5, 2.0, 0.75, 1.0, 1.75, 0.25, 1.25, 0.125]일 수 있다. 그러나 다른 속도 진행을 취하는 다른 데이터가 이용될 수 있다. 도 10c에는 전진(forward; fwd) 방향 및 후퇴(backward; bak) 방향의 모터 속도에 관한 함수로서 클램프 모터(804) 전류의 데이터가 도시되어 있다.
단계(1016)에서, 데이터는 모터 전류와 모터 속도 사이의 관계를 결정하기 위해서 지수 함수나 선형 함수와 같은 함수에 피팅된다. 예를 들어, 데이터를 피팅하는데 사용될 수 있는 비다항식으로 표현된 선형 함수는 아래의 식, 즉
Figure pct00001
으로 주어질 수 있고, 여기서 c1, c2, c3는 계수이고, Xscale은 상수이다.
도 10c에서, 실선 곡선은 데이터에 피팅된 곡선을 표현한 것이다. 데이터는 온도에 맞게 조절되고 피팅 전에 필터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원 데이터는, 온도에 관한 함수로서의 모터에 관한 이전 모델링에 기초하여 온도에 관한 함수로 조절될 수 있다. 추가적으로, 원 데이터는 잡다한 것(noise)을 줄이고 평균치를 제공하기 위해서 시간에 관한 함수로 필터링될 수 있다.
일부 실시예시에서, 선형 부분 근사(linear piecewise approximation)는 추가 계산을 용이하게 하기 위하여 함수를 피팅하도록 최적화될 수 있다. 도 10c에 나타나 있는 곡선 피팅 함수(curve fit function)에 대한 선형 부분 근사는 도 10d에 도시되어 있다. 선형 부분 근사는 결과적으로 INL로서 메모리(812)에 저장될 수 있다.
무부하 전류 보정이 완료되면, 절차(1012)는 토크 상수(KT)(전류 입력 당 토크 출력)의 결정으로 속행한다. 도 10b에 나타나 있는 바와 같이, 단계(1018)는 토크 하중 데이터를 구하는 단계를 포함한다. 토크 하중 데이터를 구하는 단계에서, 보정되는 모터(클램핑 모터(804) 또는 발사 모터(802))는 무부하에 대하여 처음 구동되고, 이후 부하는 알려진 토크 하중까지 급변하고 나서 무부하로 다시 급변한다. 알려진 토크 하중은, 예컨대 브레이크나 동력계와 같은 외부 공급원에 의해 제공될 수 있다. 데이터(즉 토크 출력 대 전류 부하)는 보정되는 모터를 향해 전진 및 후퇴 양쪽 모든 방향으로 모이게 된다. 다수의 세트를 이루는 데이터는 각각의 클램핑 모터(804)와 발사 모터(802) 마다 얻어질 수 있다.
단계(1020)에서, 토크 데이터는 토크 상수(KT)를 결정하기 위해서 분석된다. 이 데이터는 필터링될 수 있고, 토크 상수(KT)는 토크의 변화량(무부하에서 알려진 토크 부하로의 변화)을 전류의 변화량(무부하에서의 전류에서 토크 하중에서의 전류로의 변화)과 비교함으로써 결정될 수 있다. 단계(1018) 동안 얻어지는 다수의 세트를 이루는 데이터의 연산은 최종 보정 토크 상수 값을 결정하도록 평균화될 수 있다.
도 10e에는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 데이터를 구하는 단계(1018) 동안의 모터에 관한 모터 속도와 토크 대 시간의 일 예시가 도시되어 있다. 도 10f에는 도 10e에 나타나 있는 데이터에 대응하는 시간에 관한 함수로서 모터 속도, 전류 및 카르단 포지션이 나타나 있다. 도 10f에 나타나 있는 바와 같이, 전류 데이터는 테스트에 관한 전류 대 시간의 연속 함수를 획득하기 위해서 필터링될 수 있다.
도 10a에 도시되어 있는 바와 같이, 최종 보정 단계(1008) 후의 단계(1010)에서, 무부하 전류 보정 데이터(INL) 및 토크 부하 보정 데이터(KT) 양자 모두는 모터 어셈블리(702)의 메모리(812)에 저장될 수 있고, 아래에서 더 설명되는 바와 같이 모터 어셈블리(702)의 토크 한계의 추가 연산 동안 이용될 수 있다.
토크 한계 보상(Torque Limit Compensation)
도 8을 다시 참조하면, 스테이플러(600)는 스테이플러(600)가 완전한 클램프 조건에 도달하는 경우에만 발사하는 것이 허용된다. 완전한 클램프 조건에 도달하도록 모터(804)에 제공되는 토크의 양은 소프트웨어에 의해 제한된다. 이 토크 한계는 대체로, 모터(804)가 클램핑 과정 동안 인출하는 것이 허용되는 전류 상의 한계인 전류 한계로서 세팅된다. 전류 한계는 상술된 바와 같이 스테이플러(600)의 보정 데이터에 관한 함수이다. 환언하면, 초기의 토크 한계는 카트리지(614)의 컬러에 따라 조절되어 위에서 지시된 바와 같이 τcal로 세팅된다.
그러나, 스테이플러(600)의 반복되는 사용 상태에서는, 효과적인 토크 한계가 원래 보정 데이터를 벗어나거나 달라질 수 있다. 환언하자면, 몇번 사용 후 스테이플러(600)를 클램핑하는데 걸리는 동일한 토크는 그 초기 보정 상태에서 스테이플러(600)를 클램핑하는데 걸리는 토크와 다르고 통상적으로는 그 미만이다. 토크 한계가 변하지 않고 남아 있는 경우라면, 스테이플러(600)는 문제가 되는 재료(challenge material) 상에서 의도되지 않은 완전한 클램프 동작에 도달하게 될 수 있어서 죠(612)와 앤빌(610) 사이에 팁들의 원치않는 증가된 굴절을 일으킨다. 스테이플러가 발사된 경우라면, 증가된 팁 굴절은 상술된 바와 같이 불충분한 조직 간격과 부적절하게 형성된 스테이플러를 제공한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 스테이플러(600)에 이용되는 토크 한계는 다수의 조작 파라미터에 따라 조절된다. 다수의 조절 파라미터는, 예컨대 모터 어셈블리(702)의 온도, 리스트(604)의 관절운동 각도, 모터 어셈블리(702)의 사용 수명(예컨대 모터 어셈블리(702)에 의해 영향을 받는 스테이플러 발사의 횟수) 및 스테이플러(600)의 사용 수명(예컨대 스테이플러(600)를 사용하는 스테이플러 발사의 횟수)을 포함할 수 있다. 실제 토크 제한은 스테이플러(600)의 수명 및 조작 조건을 조절하기 위하여 조작 동안 조절될 수 있다.
도 11에는 이러한 조작을 실행하기 위한 알고리즘(1100)이 도시되어 있다. 알고리즘(1100)은 시스템(800), 또는 모터 어셈블리(702) 내의 프로세서(810)와 결합되어 있는 시스템(800)에 의해 실행될 수 있다. 단계(1002)에 나타나 있는 바와 같이, 알고리즘(1100)은 발사하기 전에 단계(1102)에서 스테이플러(600)를 클램핑하도록 지령이 수신되는 경우 시작된다.
단계(1104)에서, 섀시(608)의 메모리(808)에 저장되되 스테이플러(600)에 대해 특정되는 파라미터, 모터 어셈블리(702)의 메모리(812)에 저장되되 모터 어셈블리(702)에 대해 특정되는 파라미터, 및 데이터 저장소(716)에 저장되되 카트리지(614)에 대해 특정되는 파라미터가 구해진다. 단계(1106)에서, 조절된 최대 토크 한계는 결정된다. 조절된 최대 토크 한계는 특정 카트리지(614)와 결합되어 있는 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)의 마모 특성에 들어맞는 모델과 파라미터의 개수에 기초하여 결정될 수 있다. 상술된 바와 같이, 이 모델에 포함될 수 있는 요인들 중 일부는 모터 어셈블리(702)의 온도(T), 스테이플러 발사 횟수에 의해 측정되는 모터 어셈블리(702)의 수명(LMP), 스테이플러 발사 횟수에 의해 측정되는 스테이플러(600)의 수명(Linst), 및 리스트(604)의 각도(θ)를 포함한다. 일반적으로, 파라미터 세트({파라미터들})는 이용되는 토크 한계에 영향을 미치도록 정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 세트는 {T, LMP, LInst, θ,...}로 정의될 수 있다. 다른 파라미터 역시 이 모델에서 이용될 수 있다.
따라서, 조절된 최대 토크 한계는 아래의 식, 즉
Figure pct00002
으로 주어질 수 있고, 여기서 함수(F)는 클램프(600)와 모터 어셈블리(702)의 수명 내내 그 거동에 가장 잘 들어맞는 모델을 정의한다. 함수(F)는 시간의 흐름에 따른 마모 특성을 정확하게 나타내기 위해서 다수의 세트를 이루는 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)에 대해서 경험적으로 결정될 수 있다. 일부 경우, 여러 가지 파라미터에 관련된 요인들은 모델에서의 스칼라일 수 있지만, 다른 경우에는 보다 양호한 모델이 부가적인 특정 요인을 가지는 한편 다른 요인들은 스칼라이다. 예를 들어, 최대 토크 한계를 연산하는 모델은 다음과 같은 식, 즉
Figure pct00003
으로 주어질 수 있고, 여기서 f, g, h, y, z, k, x, p는 지시된 파라미터에 관한 특정 함수를 나타내고, C는 일반적인 오프셋 조건을 나타낸다. 위 방정식에 나타나 있는 바와 같이, 수정은 스칼라 성분 및 파라미터 세트의 파라미터들 각각의 부가적인 성분들을 포함할 수 있다. 일부 모델에서, 함수(f, g, h, y) 중 어떤 것은 파라미터가 스칼라 성분이 아닌 경우라면 일(1)로 세팅되는 한편, 함수(z, k, x, p)는 대응하는 파라미터가 부가적인 성분이 아닌 경우라면 0으로 세팅된다. F{파라미터들}에 관한 위 예시는 제한하는 것이 아니고, 다른 함수가 모델링에 이용될 수 있다. 일부 특정 예시적인 모델은 아래에서 보다 상세하게 나타나 있다.
단계(1108)에서, 모터 전류 한계는 토크 한계로부터 결정된다. 근사법에 따라, 모터(804)의 전류와 원하는 토크 사이에는 선형 관계가 있다. 따라서, 토크 한계로부터 전류 한계로의 전환은 클램핑 과정에서 모터(804)의 전류 한계를 결정하기 위해서 선형 관계에 따라 토크 한계를 스케일링하는 단계를 수반한다.
단계(1110)에서, 스테이플러(600)는 상술된 조절된 모터 전류 한계를 이용하여 클램핑된다. 상술된 바와 같이, 스테이플러(600)는 모터(804)가 조절된 모터 전류 한계는 초과하지 않으면서 특정 포지션을 달성하는 경우 클램핑된다. 스테이플러(600)가 클램핑되는 조건에 있다면, 스테이플러(600)는 발사될 수 있다. 단계(1112)에서, 성공적인 클램핑이 달성된 후, 알고리즘(1100)은 발사하기 전에 사용자 입력 또는 확인을 대기한다. 단계(1114)에서, 스테이플러(600)는 발사된다.
도 11에 나타나 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 발사 단계(1114)는 발사 토크 한계를 결정하는 단계(1120), 발사 모터 전류 한계를 결정하는 단계(1122), 및 발사 모터 전류 한계를 이용하여 발사하는 단계(1124)를 포함할 수 있다. 스테이플러(600) 내의 발사 카르단 조인트에 가해지는 과도한 토크는 발사 카르단 조인트를 파괴하거나 카트리지(614) 내의 리드스크루를 파괴하는 문제를 일으킬 수 있다. 과도한 토크는 또한 카트리지(614) 내의 나이프(616)를 너무 큰 힘으로 인한 뻑뻑한 정지에 대해 움직일 수 없게 할 수 있고, 환자 속에서 나이프 조각이 파괴될 가능성도 있다. 드라이브 트레인과 카트리지 리드스크루 및 나이프 메커니즘 모두는 조작 동안의 파괴를 방지하기 위해서 충분한 안전 마진을 포함하여야 한다. 발사 토크 한계(발사 모터(802)의 토크 한계)는 메커니즘에 가해지는 토크가 스테이플러 카트리지(614)나 카트리지 드라이브트레인 구성요소를 손상시키는 수준에 근접하는 것을 방지하도록 조절될 수 있다.
단계(1120)에서 발사 모터(802)의 발사 토크 한계를 결정하는 것은 단계(1106)에 대하여 상술된 바와 같이 클램핑 모터(804)의 토크 한계를 결정하는 단계와 유사할 수 있다. 상술된 바와 같이, 발사 모터(802)의 발사 토크 한계는, 예컨대 온도, 모터 어셈블리 수명, 기구 수명 및 다른 파라미터들에 관한 함수를 이용하여 조절될 수 있다. 상이한 계수를 가지는 일부 경우에서의 동일한 형태의 조절 방정식은 상술된 방정식이 클램핑 모터(804)의 토크 한계를 조절하는데 이용될 수 있는 바와 같이 발사 모터(802)의 토크 한계를 조절하는데 이용될 수 있다. 나아가, 단계(1108)에서 상술된 바와 같이 모터 전류 한계를 결정하는 동일한 형태의 방정식이 단계(1122)에서 이용될 수 있다. 발사 단계(1124)는 발사 모터(802)가 발사 모터 전류 한계를 초과하지 않으면서 특정 포지션에 도달하는 경우 완료된다.
단계(1116)에서, 파라미터들은 발사를 반영하도록 조절된다. 예를 들어, 파라미터들(LMP, Linst)은 모두 증가될 수 있다. 단계(1118)에서, 조절된 파라미터들은 추후의 이용을 위해 저장될 수 있다. 예를 들어, LMP는 메모리(812)에 저장되고, Linst는 모터 어셈블리(702) 또는 스테이플러(600)를 수반하는 다음번 스테이플링 절차에서 이용하기 위하여 메모리(808)에 저장된다.
상술된 바와 같이, 토크 한계는 단계(1108)에서의 모터(804)의 전류 한계로 변환될 수 있다. 일부 경우, 전류 한계와 토크 한계 사이의 관계는 다음의 식, 즉
Figure pct00004
으로 주어질 수 있고, 여기서 Ilimit는 모터(804)에 제공되는 전류 한계이고, INL은 보정시의 모터(804)의 무부하 전류이고, KT는 모터 어셈블리 드라이브 트레인의 토크 상수 특성이고, 그리고 τCOM은 상술된 바와 같이 클램핑시 에러를 최소화하도록 제공되는 모델링되면서 보상되는 토크를 나타낸다. INL은 모터 어셈블리의 마찰 보상을 나타내고, 속도에 관한 함수일 수 있다. 파라미터 KT는 모터(804)에서의 토크 대 전류의 전환에 관한 것이다. 기준 온도(Tref)에서의 초기 KT는 상술된 바와 같이 모터 어셈블리(702)의 보정 동안 결정될 수 있다. 일부 모델에서, KT는 다음의 식, 즉
Figure pct00005
으로 주어질 수 있고, 여기서 KTcal은 보정된 전환 계수이고, η은 모터(804)의 조작과 관련된 온도 계수이다. 일부 모델에서, INL의 값은 다음의 식, 즉
Figure pct00006
으로 주어질 수 있고, 여기서 Ical은 속도에 관한 함수로서 모터 어셈블리(702)에서의 손실을 나타내는 보정된 무부하 전류 인출량이고, μ는 온도 계수이고, T는 모터 어셈블리(702)의 온도(전자장치(810)에 의해 측정됨)이고, Tref는 기준 온도이고, κ는 모터 어셈블리 수명 계수이고, LMP는 모터 어셈블리(702)가 스테이플러를 발사한 횟수이다. 기준 온도(Tref)는, 예컨대 모터 어셈블리(702)가 보정되는 온도일 수 있고, 메모리(812)에 저장될 수 있다. 이 모델의 위 방정식으로부터 볼 수 있는 바와 같이, T=Tref에서 스테이플러(600)의 보정된 전류 한계는 Ical과 KTcal 모두를 결정하기 위해서 초기 보정 단계에서 사용될 수 있는 Ilimit=Ical + τcal/KTcal로 주어진다. Ical과 KTcal의 값들은 일부 실시예들에서 메모리(812)에 저장될 수 있다.
일부 모델들에서, 조절된 토크 한계는 다음의 식, 즉
Figure pct00007
으로 주어질 수 있고, 여기서 α는 온도 계수이고, β는 모터 어셈블리(702)의 수명 계수이고, γ는 스테이플러(600)의 수명 계수이고, δ는 상수 오프셋 온도 계수이고, 그리고 ε는 상수 오프셋이다. τdes의 값은 상술된 바와 같이 τcal과 카트리지 조절량의 합으로 주어질 수 있다.
함수(W)는 리스트(604)가 관절운동되는 경우 추가되는 마찰력을 반영한다. 일부 실시예들에서, 함수(W)는 각도(θ)에 관한 코사인 함수이고, 이 각도에 걸쳐 리스트(604)는 관절운동된다. 따라서, 일부 실시예들에서, W는 다음의 식, 즉
Figure pct00008
으로 주어질 수 있고, 여기서 θ는 도 8에 나타나 있는 바와 같이 리스트(604)의 리스트 각도이고, ξ는 토크 한계에 대한 리스트 각도의 영향을 결정하는 파라미터이다. 도시된 바와 같이, θ=0 도 일 때, W(θ)은 1이 될 것이다. 그러나 각도가 증가함에 따라, 리스트(604)에서의 마찰은 증가하고, W(θ) 만큼 τcom의 배수적 증가를 초래한다. 일부 실시예들에서, 함수(W(θ))는 대조 테이블로 구현될 수 있다. 토크 한계 리스트 조절량(W(θ))은, 리스트를 가지되 리스트를 통해 힘을 전달할 필요가 있는 수술 기구를 위하여 이용될 수 있다.
위에 나타나 있는 여러 가지 스칼라 계수는 모터 어셈블리(702)와 스테이플러(600)의 수명과 거동을 가장 양호하게 모델링하도록 조절될 수 있다. 이들 계수들은 온도 계수(η, μ, α, δ), 수명 계수(κ, β, γ), 부가적인 계수(ε) 및 리스트 계수(ξ)를 포함하고, 그 수명 내내 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)로 된 여러 가지 것들의 반복적인 테스팅을 통해 결정될 수 있고, 또는 일부 경우에는 개별적인 모터 어셈블리 또는 기구 상에서 행해지는 보정을 통해 맞춤설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 계수들이 다수의 모터 어셈블리들과 스테이플러들에 걸친 평균치에 의해 결정되어서 개별적인 모터 어셈블리들 또는 스테이플러들 사이에서 달라지지 않는 경우라면, 계수들은 모델링이 연산되는 시스템(800)에 저장될 수 있다. 이와 달리, 계수들은 그 개별적인 구성요소들과 함께 저장될 수 있다. 예를 들어, 온도 계수(η, μ, α, δ) 및 수명 계수(κ, β)는 메모리(812)에 저장될 수 있는 한편, 수명 계수(γ)는 메모리(808)에 저장될 수 있다.
위에서 지시된 바와 같이, 예를 들어 온도가 부가적인 성분이 아니라 스칼라 성분인 경우라면 δ는 0으로 세팅될 것이고, 온도가 스칼라 성분이 아니라 부가적인 성분이라면 α는 0으로 세팅될 수 있다. 이 모델에서, α와 δ가 모두 0이 아닌 상황에서, 온도는 스칼라 요인 및 부가적인 요인 양자 모두이다. 일부 실시예들에서, 계수들은 다음의 범위, 즉 0≤α≤1, 0≤β≤1, 0≤δ≤1, -10≤ε≤10, 0≤γ≤1, 0≤μ≤1, 0≤κ≤1, 0≤η≤1 및 0≤ξ≤1 내에 있을 수 있다. 여러 경우에서, 이 계수들은 10-2 미만이다.
위에서 제공되는 주요 스칼라 모델 예시는, 온도에 관한 함수로서 수명의 진행 동안의 스테이플러(600)의 조작을 위하여 토크 한계를 조절하는데 이용될 수 있는 유일한 모델이 아니다. 다른 모델은, 예컨대 부가적인 주요 모델 또는 부가적인 것의 조합을 이용할 수 있고, 스칼라 성분은 더해질 수 있고, 또는 비선형 모델이 이용될 수 있다. 모델은 사용 수명 동안 스테이플러(600)의 거동을 가장 양호하게 모델링하기 위하여 배수적이면서도 부가적인 요인들의 조합을 포함하는 것이 요구되는 만큼 확장될 수 있다.
위에서 제안된 바와 같이, 토크 한계에 대한 조절량을 모델링하는데 이용될 수 있는 다양한 모델들이 존재한다. 위에서 제안된 바와 같이, 시스템에 따라 특정 변수들은 부가적인 효과로서 모델링될 수 있고, 다른 변수들은 배수적인 효과로서 모델링될 수 있다. 일부 예시들에서, 모델은 특정 스테이플러 시스템의 수명 동안 다듬어질 수 있다. 이는, 파라미터들 중 일부를 제로로 세팅하고 나머지 일부를 제로가 아닌 값으로 세팅하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, τcom에 관한 모델링 방정식은 보다 부가적인 요인들과 부가적인 것들의 추가 조합들 및 모델링에서의 배수적인 요인들을 포함하도록 확장될 수 있다.
클램프 모터(804)를 제어하는데 이용되는 전류 한계(Ilimit)는 모터(804)를 제어하기 위하여 전자장치(810)에 제공될 수 있다. 조절된 전류 한계를 제공하는데 이용되는 모델은 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)의 조작가능한 수명 내내 적절한 클램핑을 제공하도록 조작된다. 상술된 토크 보상 알고리즘은 스테이플러(600)를 이용하는 수술 시스템이 적합한 조직 간격을 유지하면서 적합한 재료(및 두께)에 대해 효과적이면서도 안전하게 클램핑하는 것을 허용하고, 불충분한 조직 간격을 야기할 수 있는 재료(및 두께)에 대한 완전한 클램핑을 방지할 수 있다. 이 조작은, 과도한 팁 굴절을 방지하는 것과, 부적절하게 형성된 스테이플의 발사 및 부적절하게 형성된 스테이플러로부터 생길 수 있는 외과적 개입(surgical intervention)의 유발을 방지하는 것에 도움이 된다.
원위치 조절(Homing Adjustments)
본 발명의 일부 실시예들에서, 원위치 절차(homing procedure; 처음의 상태나 원래의 위치로 되돌아가는 절차 내지 과정으로서, 명세서 전체로 '원위치' 또는 '원위치시키는'은 'homing'을 의미함)는 토크 한계를 더욱 조절하도록 제공될 수 있다. 원위치 절차는 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)가 환자 측 카트(22)에 처음 부착되는 경우 구현된다. 일부 실시예들에서, 시스템(800)은 스테이플러(600)와 모터 어셈블리(702)의 대응하는 성능을 모니터링하면서 미리 세팅된 범위의 모션과 테스트에 걸쳐 스테이플러(600)를 구동시킬 수 있다. 모터들(804, 802)의 전류, 포지션 및 토크는 전자장치(810)에 의해 모니터링될 수 있고, 프로세서(800)와 통신될 수 있다. 프로세서(800)는 원위치시키는 동안 모터 어셈블리(702)와 스테이플러(600)의 측정된 거동을 수정하기 위해서 계수들과 파라미터들을 조절할 수 있다. 이러한 수정된 계수들과 파라미터들은 상술된 바와 같이 모터 어셈블리(702)로 스테이플러(600)를 조작하는 동안 이용될 수 있다.
개별적인 파라미터들은 성능 테스트에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 보정 데이터, 예컨대 τcal은 스테이플러(600)의 이용 전에 상술된 요인들에 더하여 원위치 과정의 결과로서 조절될 수 있다.
위 발명의 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 도시하여 제공되지만 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 다수의 변경과 수정은 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 본 발명은 다음의 청구범위에서 설명된다.

Claims (12)

  1. 클램핑 기구를 보정하는 방법으로서,
    클램핑 기구의 팁 굴절 데이터에 관한 함수로서 클램핑 토크의 데이터 세트를 구하는 단계;
    데이터 세트로부터 토크 한계를 결정하는 단계; 및
    토크 한계를 클램핑 기구에 저장하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    클램핑 기구를 시연하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    데이터 세트를 구하는 단계는:
    클램핑 기구의 알려진 팁 굴절을 강제하기 위해서 심을 포지셔닝하는 단계;
    모터가 클램핑 기구를 클램핑할 때 모터의 전류를 측정하는 단계; 및
    클램핑 기구로부터의 클램핑 토크를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    토크 한계를 결정하는 단계는;
    데이터 세트에 대해 함수를 피팅하는 단계;
    최대 팁 굴절량을 세팅하는 단계; 및
    토크 한계를 획득하기 위해서 함수를 푸는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    함수는 선형 함수이고, 함수를 피팅하는 단계는 데이터 세트에 대해 피팅된 최소자승법을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    클램핑 기구는 스테이플러인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 클램핑 엔드 이펙터;
    클램핑 엔드 이펙터에 연결된 리스트;
    리스트에 연결된 기구 샤프트; 및
    기구 샤프트를 통해 뻗어있고 리스트나 클램핑 엔드 이펙터를 조종하는 커플러에 연결된 섀시;
    를 구비하는 클램핑 기구로서,
    상기 섀시는:
    모터 어셈블리 내의 하나 이상의 모터로부터 회전 토크를 수용하고 회전 토크를 커플러에 연결하는 기계적 컨버터;
    클램핑 기구에 맞게 보정된 파라미터를 저장하기 위한 메모리; 및
    모터 어셈블리에 인터페이스를 제공하되 메모리에 연결되는 전자장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 클램핑 기구.
  8. 제 7 항에 있어서,
    엔드 이펙터는 스테이플러 카트리지를 수용하는 것을 특징으로 하는 클램핑 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전자장치는 스테이플러 카트리지에 저장된 데이터를 수신하여 인터페이스에 제공하는 것을 특징으로 하는 클램핑 기구.
  10. 제 7 항에 있어서,
    파라미터는 일정한 절차로부터 유도된 토크 한계 파라미터를 포함하고,
    상기 절차는:
    클램핑 기구의 팁 굴절 데이터에 관한 함수로서 클램핑 토크의 데이터 세트를 구하는 단계;
    데이터 세트로부터 토크 한계를 결정하는 단계; 및
    토크 한계를 클램핑 기구에 저장하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 클램핑 기구.
  11. 제 7 항에 있어서,
    파라미터는 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 클램핑 기구.
  12. 제 11 항에 있어서,
    파라미터는 기구 수명 계수 및 기구 수명을 포함하는 것을 특징으로 하는 클램프 기구.
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