KR20160051738A

KR20160051738A - 카테터 위치설정 및 삽입을 위한 그래픽 사용자 인터페이스

Info

Publication number: KR20160051738A
Application number: KR1020167003490A
Authority: KR
Inventors: 빈센트 듀인댐; 캐롤 라일리
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-05-11
Also published as: US11800991B2; CN105451802B; CN105451802A; KR102356881B1; JP2016529999A; EP3033132A4; US20240008762A1; CN109954196B; JP2019162512A; JP6785656B2; CN109954196A; WO2015023665A1; US20160183841A1; JP6793780B2; EP3033132B1; EP3033132A1

Abstract

환자 해부구조 내의 중재 기구를 안내하는 방법은 환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 것과, 환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 위치를 수신하는 것을 포함한다. 또한, 이 방법은 목표 장소와 제1 장소 사이의 3차원 거리를 판정하고, 목표 장소를 나타내는 상징과 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징을 표시하는 것을 포함한다.

Description

카테터 위치설정 및 삽입을 위한 그래픽 사용자 인터페이스{GRAPHICAL USER INTERFACE FOR CATHETER POSITIONING AND INSERTION}

본 개시내용은 최소 침습 절차를 수행하기 위해 환자 해부구조를 항행하기(navigating) 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히, 중재 기구 안내를 보조하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하기 위한 기기 및 방법에 관한 것이다.

최소 침습 의료 기술은 중재 절차 동안 손상되는 조직의 양을 감소시켜 환자 회복 시간, 불편함 및 유해한 부작용을 감소시키는 것을 의도한다. 이런 최소 침습 기술은 환자 해부구조의 자연적 구멍을 통해서 또는 하나 이상의 수술적 절개부를 통해 수행될 수 있다. 이들 자연적 구멍이나 절개부를 통해, 임상의사는 목표 조직 장소에 도달하도록 중재 기구(수술, 진단, 치료 또는 생검 기구를 포함)를 삽입할 수 있다. 목표 조직 장소에 도달하기 위해, 최소 침습 중재 기구는 폐, 직장, 소장, 신장, 심장, 순환계 등 같은 해부학적 시스템 내의 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 통로를 항행할 수 있다. 원격작동 중재 시스템은 환자 해부구조 내에 중재 기구를 삽입 및 위치설정하기 위해 사용될 수 있다. 위치 안내 시스템은 중재 절차가 그로부터 수행되는 환자 해부구조 내의 장소로의 중재 기구의 안내시 임상의사를 보조하기 위해 요구된다.

본 발명의 실시예는 설명에 후속하는 청구범위에 의해 요약된다.

일 실시예에서, 환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하는 방법은 환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 단계와, 환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 위치를 수신하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 제1 장소와 목표 장소 사이의 3차원 거리를 판정하는 단계와, 목표 장소를 나타내는 상징과 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징을 표시하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 시스템은 환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하기 위한 명령을 포함하는 환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하기 위한 컴퓨터 실행가능 명령을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는 환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분의 위치를 수신하고, 제1 장소와 목표 장소 사이의 3차원 거리를 판정하고, 목표 장소를 나타내는 상징과 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징을 표시하기 위한 컴퓨터 실행가능한 명령을 더 포함한다.

다른 실시예에서, 환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하는 방법은 환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 단계와, 환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 제1 위치 표시를 수신하는 단계를 포함한다. 이 방법은 목표 장소를 나타내는 상징과 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징과, 제1 위치와 목표 장소 사이의 방향을 나타내는 상징과 제1 위치와 목표 장소 사이의 삽입 거리 성분을 나타내는 상징을 포함하는 항행 보조 영상을 제1 윈도우 내에서, 제2 윈도우 내의 내시경 카메라 영상, 제3 윈도우 내의 가상 내시경 모델링된 영상, 제4 윈도우 내의 가상 경로 모델링된 영상 및 제5 윈도우 내의 목표 장소에서 마크를 갖는 환자 해부구조의 수술전 영상과 함께 동시에 표시하는 단계를 더 포함한다.

하기의 상세한 설명으로부터 본 개시내용의 추가적 양태, 특징 및 장점을 명백히 알 수 있을 것이다.

본 개시내용의 양태는 첨부 도면과 함께 읽을 때 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 산업계의 표준 관례에 따라서, 다양한 특징부는 실척대로 그려져 있지 않음을 강조해둔다. 사실 다양한 특징부의 치수는 설명의 명료성을 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다. 추가적으로, 본 개시내용은 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 참조 문자를 반복 사용할 수 있다. 이러한 반복은 간결성 및 명료성을 위한 것이며, 그 자체가 설명되는 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 나타내는 것은 아니다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 로봇 중재 시스템이다.
도 2는 본 개시내용의 양태를 사용하는 중재 기구 시스템을 예시한다.
도 3은 중재 기구 시스템의 위치설정 안내에 관련된 정보를 표시하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 그래픽 사용자 인터페이스의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 5는 정보 표시의 다른 상태에서 도 4의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 6은 또 다른 정보 표시 상태에서 도 4의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 그래픽 사용자 인터페이스의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 8은 다른 정보 표시 상태에서 도 7의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 9는 또 다른 정보 표시 상태에서 도 7의 항행 보조 화면을 예시한다.
도 10은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하는 중재 기구 시스템의 위치설정 안내에 관련된 정보를 표시하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

본 발명의 양태에 대한 이하의 상세한 설명에서, 개시된 실시예의 전반적 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 기재된다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련자는 본 개시내용의 실시예가 이들 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다. 다른 예에서, 본 발명의 실시예의 양태를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해, 잘 알려져 있는 방법, 절차, 구성요소 및 회로는 상세히 설명되어 있지 않다. 그리고, 불필요한 설명 반복을 피하기 위해, 하나의 예시적 실시예에 따라 설명되었던 하나 이상의 구성요소 또는 작용은, 가능하다면, 다른 예시적 실시예에 사용될 수 있거나, 다른 예시적 실시예로부터 생략될 수 있다.

이하의 실시예는 다양한 기구와 기구의 부분들을 3차원 공간에서 그 상태에 관하여 설명한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "위치"는 3차원 공간에서 대상물 또는 대상물의 일부의 장소를 지칭한다(예를 들어, 직교 X, Y, Z 좌표를 따른 3개 병진 자유도). 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "배향"은 대상물 또는 대상물의 일부의 회전적 배치를 지칭한다(3개 회전 자유도, 예를 들어, 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw)). 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "자세"는 적어도 하나의 병진 자유도에서 대상물 또는 대상물의 일부의 위치 및 적어도 하나의 회전 자유도에서 대상물 또는 대상물의 일부의 배향을 지칭한다(6개까지의 총 자유도). 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "형상"은 세장형 대상물을 따라 측정된 자세, 위치 또는 배향의 세트를 지칭한다.

도면의 도 1을 참조하면, 예로서, 수술, 진단, 치료 또는 생검 절차에 사용하기 위한 로봇 중재 시스템은 전체가 참조 번호 100으로 표시되어 있다. 설명될 바와 같이, 본 개시내용의 로봇 중재 시스템은 일반적으로 외과의사의 원격작동 제어 하에 있다. 그러나, 일부 절차 또는 하위절차에 대하여, 로봇 중재 시스템은 절차 또는 하위절차를 수행하도록 프로그램된 컴퓨터의 부분적 또는 전체적 제어 하에 있을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 중재 시스템(100)은 일반적으로 환자(P)가 그 위에 위치되는 수술대(O)에 또는 그 부근에 장착된 로봇 조립체(102)를 포함한다. 중재 기구 시스템(104)은 로봇 조립체(102)에 작동식으로 결합된다. 조작자 입력 시스템(106)은 외과의사 또는 다른 유형의 임상의사(S)가 수술 부위를 관찰하고 중재 기구 시스템(104)의 작동을 제어할 수 있게 한다.

조작자 입력 시스템(106)은, 통상적으로 수술대(O)와 동일한 방 안에 위치되는 외과의사의 콘솔에 위치될 수 있다. 그러나, 외과의사(S)는 환자(P)와는 다른 방에 또는 완전히 다른 건물에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 조작자 입력 시스템(106)은 일반적으로 중재 기구 시스템(104)을 제어하기 위해 하나 이상의 제어 장치(들)를 포함한다. 제어 장치(들)는 손잡이, 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수조작식 제어기, 음성 인식 장치, 터치 스크린, 신체 움직임 또는 존재 센서 등 같은 임의의 수의 다양한 입력 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 의사가 직접적으로 기구를 제어하는 강한 느낌을 갖도록, 제어 장치(들)가 기구와 일체라는 인식 또는 원격현존감(telepresence)을 외과의사에게 제공하기 위해 제어 장치(들)는 로봇 조립체의 중재 기구와 동일한 자유도를 갖는다. 다른 실시예에서, 제어 장치(들)는 연계된 중재 기구보다 많거나 적은 정도의 자유도를 가질 수 있으며, 여전히 외과의사에게 원격현존감을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 장치(들)는 6개 자유도로 이동하는 수동 입력 장치이고, 이는 또한 (예로서, 파지 조오(grasping jaw) 폐쇄, 전극에 대한 전위 인가, 의료 처치 전달 등을 위해) 기구를 작동시키기 위해 조작가능한 핸들을 포함할 수 있다.

로봇 조립체(102)는 중재 기구 시스템(104)을 지지하고, 하나 이상의 논-서보 제어 링크의 운동학적 구조(예를 들어, 일반적으로 셋업 구조라 지칭되는 제 위치에 수동 위치설정 및 고정될 수 있는 하나 이상의 링크)와 로봇 조작기를 포함할 수 있다. 로봇 조립체(102)는 중재 기구(104) 상의 입력부들을 구동하는 복수의 작동기(예를 들어, 모터)를 포함한다. 이들 모터는 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(112))으로부터의 명령에 응답하여 능동적으로 움직인다. 모터는 구동 시스템을 포함하고, 이 구동 시스템은 중재 기구(104)에 결합될 때 중재 기구를 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 해부학적 구멍 내로 전진시킬 수 있고 그리고/또는 중재 기구의 원위 단부를 다중적 자유도로 이동시킬 수 있고, 이러한 다중적 자유도는 3개 선형 운동 자유도(예를 들어, X, Y, Z 직교 축을 따른 선형 운동) 및 3개 회전 운동 자유도(예를 들어, X, Y, Z 직교 축 둘레에서의 회전)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 모터는 생검 장치 등의 조오에 조직을 파지하기 위한 기구의 관절작동식 엔드 이펙터(end effector)를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

또한, 로봇 중재 시스템(100)은 로봇 조립체의 기구에 대한 정보를 수신하기 위해 하나 이상의 하위시스템을 갖는 센서 시스템(108)을 포함한다. 이런 하위시스템은 위치 센서 시스템(예를 들어, 전자기(EM) 센서 시스템)과, 카테터 선단부 및/또는 기구(104)의 가요성 본체를 따른 하나 이상의 세그먼트의 위치, 배향, 속력, 자세 및/또는 형상을 판정하기 위한 형상 센서 시스템, 및/또는 카테터 시스템의 원위 단부로부터 영상을 포착하기 위한 가시화 시스템을 포함할 수 있다.

또한, 로봇 중재 시스템(100)은 센서 시스템(108)의 하위시스템에 의해 생성되는 중재 기구(104) 및 수술 부위의 영상을 표시하기 위한 표시장치 시스템(110)을 포함할 수 있다. 표시장치(110)와 조작자 입력 시스템(106)은 실질적으로 실제 참석하여 작업공간을 관찰하는 것처럼 조작자가 중재 기구 시스템(104) 및 조작자 입력 시스템(106)을 제어할 수 있도록 배향될 수 있다. 실제 참석은 표시된 조직 영상이 조작자가 물리적으로 영상 장소에 존재하여 영상의 시점으로부터 조직을 직접적으로 관찰하는 것처럼 조작자에게 나타난다는 것을 의미한다.

대안적으로 또는 추가적으로, 표시장치 시스템(110)은 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상, 임피던스 영상, 레이저 영상, 나노튜브 X-선 영상 등 같은 영상화 기술을 사용하여 수술전에 또는 수술중에 영상화 및/또는 모델링된 수술 부위의 영상을 제시할 수 있다. 제시된 수술전 또는 수술중 영상은 2차원, 3차원 또는 4차원(예를 들어, 시간 기반 또는 속도 기반 정보 포함) 영상과 모델을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 표시장치 시스템(110)은 수술 기구의 선단부의 장소에서 내부 수술 부위의 가상 영상을 외과의사에게 제시하도록 수술전 또는 동시성 영상과 중재 기구의 실제 장소가 정합되는(예를 들어, 동적으로 참조되는) 가상 가시화 영상을 표시할 수 있다.

다른 실시예에서, 표시장치 시스템(110)은 수술 부위에서 중재 기구의 가상 영상을 의사에게 제시하도록 이전 영상(수술전 기록된 영상 포함) 또는 동시성 영상과 중재 기구의 실제 장소가 정합되어 있는 가상 가시화 영상을 표시할 수 있다. 중재 기구를 제어하는 외과의사를 돕도록 중재 기구(104)의 일부의 영상이 가상 영상 상에 중첩될 수 있다.

또한, 로봇 중재 시스템(100)은 제어 시스템(112)을 포함한다. 제어 시스템(112)은 중재 기구 시스템(104)과, 조작자 입력 시스템(106)과, 센서 시스템(108)과, 표시장치 시스템(110) 사이의 제어를 실행하기 위해서 적어도 하나의 메모리와 적어도 하나의 프로세서(미도시) 그리고 통상적으로는 복수의 프로세서를 포함한다. 또한, 제어 시스템(112)은 본 명세서에 설명된 방법 중 일부나 모두를 이행하도록 프로그램된 명령(예를 들어, 이러한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체)을 포함한다. 제어 시스템(112)이 도 1의 단순화된 개요에 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 이 시스템은 다수의 데이터 처리 회로를 포함할 수 있고, 이러한 처리의 일부는 선택적으로 로봇 조립체(102) 상에서 또는 그에 인접한 위치에서 수행될 수 있고, 일부는 조작자 입력 시스템(106)에서 수행되는 등등일 수 있다. 매우 다양한 중앙집중식 또는 분산식 데이터 처리 아키텍쳐 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 유사하게, 프로그램된 명령은 다수의 별개의 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수 있거나 이들은 본 명세서에 설명된 로봇 시스템의 다수의 다른 양태에 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(112)은 블루투스(Bluetooth), IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT 및 와이어리스 텔레메트리(Wireless Telemetry) 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.

일부 실시예에서, 제어 시스템(112)은 중재 기구 시스템(104)으로부터의 힘 및 토크 피드백을 조작자 입력 시스템(106)을 위한 하나 이상의 대응 서보모터에 제공하도록 하나 이상의 서보 제어기를 포함할 수 있다. 서보 제어기(들)는 또한 신체 내의 개구를 통해 환자 신체 내의 내부 수술 부위로 연장하는 중재 기구(104)를 이동시킬 것을 로봇 조립체(102)에 지시하는 신호를 전송할 수 있다. 임의의 적절한 종래의 또는 특수화된 서보 제어기가 사용될 수 있다. 서보 제어기는 로봇 조립체(102)와 일체화되거나 그와 별개일 수 있다. 일부 실시예에서, 서보 제어기 및 로봇 조립체는 환자의 신체에 인접하게 위치된 로봇 아암 카트의 일부로서 제공된다.

제어 시스템(112)은 또한 중재 기구(104)에 대한 항행 보조를 제공하도록 가상 가시화 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 가상 가시화 시스템을 사용한 가상 항행은 해부학적 통로의 3차원 구조와 연계된 취득된 데이터세트에 대한 참조에 기초한다. 더 구체적으로, 가상 가시화 시스템은 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상, 임피던스 영상, 레이저 영상, 나노튜브 X-선 영상 등 같은 영상화 기술을 사용하여 기록 및/또는 모델링된 수술 부위의 영상을 처리한다. 기록된 영상을 부분적 또는 전체적 해부학적 장기 또는 해부학적 영역의 2차원 또는 3차원 모델로 변환하기 위해 소프트웨어가 사용된다. 이 모델은 통로의 다양한 장소 및 형상과 그 연결성을 설명한다. 모델을 생성하기 위해 사용되는 영상은 임상 절차 동안 수술전에 또는 수술중에 기록될 수 있다. 대안적 실시예에서, 가상 가시화 시스템은 표준 모델(즉, 환자에 특정되지 않음) 또는 표준 모델과 환자 특정 데이터의 하이브리드를 사용할 수 있다. 모델 및 모델에 의해 생성된 임의의 가상 영상은 하나 이상의 운동 단계 동안(예를 들어, 폐의 흡기/호기 사이클 동안) 변형가능한 해부학적 영역의 정적 자태를 나타낼 수 있다.

가상 항행 절차 동안, 센서 시스템(108)은 환자 해부구조에 관한 기구의 근사값 장소를 연산하기 위해 사용될 수 있다. 이 장소는 환자 해부구조의 마이크로-레벨 추적 영상 및 환자 해부구조의 가상 내부 영상 둘 모두를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 수술전 기록된 수술 영상, 예컨대 가상 영상화 시스템으로부터의 영상과 함께 중재 기구를 정합 및 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 알려져 있다. 예로서, 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2011년 5월 13일자로 출원되고 "영상 안내식 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)"를 개시하는 미국 특허 출원 제13/107,562호는 한가지 이러한 시스템을 개시하고 있다.

로봇 중재 시스템(100)은 선택적 작동 및 지원 시스템(미도시), 예컨대 조명 시스템, 조종 제어 시스템, 관주 시스템 및/또는 흡입 시스템을 더 포함할 수 있다. 대안적 실시예에서, 로봇 시스템은 하나보다 많은 로봇 조립체 및/또는 하나보다 많은 조작자 입력 시스템을 포함할 수 있다. 조작기 조립체의 정확한 수는 다른 요인들 중에서 수술 절차와, 수술실 내의 공간적 제약에 의존한다. 조작자 입력 시스템이 동일장소에 있을 수 있거나, 이들은 별개의 장소에 위치될 수 있다. 다수의 조작자 입력 시스템은 한명보다 많은 조작자가 다양한 조합으로 하나 이상의 조작기 조립체를 제어할 수 있게 한다.

도 2는 로봇 시스템(100)의 중재 기구 시스템(104)으로서 사용될 수 있는, 중재 기구 시스템(200)을 예시한다. 대안적으로, 중재 기구 시스템(200)은 비-로봇 탐색 절차를 위해, 또는 내시경검사 같은 통상적으로 수조작 작동 중재 기구를 동반하는 절차에 사용될 수 있다.

기구 시스템(200)은 기구 본체(204)에 결합된 카테터 시스템(202)을 포함한다. 카테터 시스템(202)은 근위 단부(217)와 원위 단부 또는 선단부 부분(218)을 갖는 세장형 가요성 카테터 본체(216)를 포함한다. 일 실시예에서, 가요성 본체(216)는 약 3 mm의 외경을 갖는다. 다른 가요성 본체 외경은 더 크거나 더 작을 수 있다. 카테터 시스템(202)은 본체(216)를 따른 하나 이상의 세그먼트(224) 및/또는 원위 단부(218)의 카테터 선단부의 위치, 배향, 속력, 자세 및/또는 형상을 판정하기 위해 형상 센서(222)를 포함할 수 있다. 원위 단부(218)와 근위 단부(217) 사이의 본체(216)의 전체 길이는 세그먼트(224)로 효과적으로 분할될 수 있다. 기구 시스템(200)이 로봇 중재 시스템(100)의 중재 기구 시스템(104)인 경우, 형상 센서(222)는 센서 시스템(108)의 구성요소일 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동 작동되거나 다른 방식으로 비-로봇 절차를 위해 사용되는 경우, 형상 센서(222)는 추적 시스템에 결합될 수 있으며, 이 추적 시스템은 형상 센서와 정보교류하고 수신된 형상 데이터를 처리한다.

형상 센서 시스템(222)은 가요성 카테터 본체(216)와 정렬된 광섬유를 포함할 수 있다(예를 들어, 내부 채널(미도시) 내에 제공되거나 외부적으로 장착됨). 일 실시예에서, 광섬유는 약 200 ㎛의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 이 치수는 더 크거나 더 작을 수 있다.

형상 센서 시스템(222)의 광섬유는 카테터 시스템(202)의 형상을 판정하기 위한 광섬유 굴곡 센서를 형성한다. 일 대안예에서, 파이버 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)를 포함하는 광섬유가 하나 이상의 차원에서 구조의 변형 측정치를 제공하기 위해 사용된다. 3차원에서 광섬유의 형상 및 상대적 위치를 감시하기 위한 다양한 시스템 및 방법이 2005년 7월 13일자로 출원된, "광섬유 위치 및 형상 감지 장치 및 그 관련 방법(Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto)"을 개시하는 미국 특허 출원 제11/180,389호와, 2004년 7월 16일자로 출원된 "광섬유 형상 및 상대 위치 감지(Fiber-optic shape and relative position sensing)"를 개시하는 미국 가특허 출원 제60/588,336호 및 1998년 6월 17일자로 출원된 "광섬유 굴곡 센서(Optical Fiber Bend Sensor)"를 개시하는 미국 특허 제6,389,187호에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있다. 다른 대안에서, 라일리(Rayleigh) 산란, 라만(Raman) 산란, 브릴로인(Brillouin) 산란 및 형광(Fluorescence) 산란 같은 다른 변형 감지 기술을 사용하는 센서가 적합할 수 있다. 다른 대안적 실시예에서, 카테터의 형상은 다른 기술을 사용하여 판정될 수 있다. 예로서, 카테터의 원위 선단부 자세의 이력이 시간 간격 동안 저장되는 경우, 자세 이력은 시간 간격에 걸쳐 장치의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 이력 자세, 위치 또는 배향 데이터가 호흡 같은 교번적 운동의 사이클에 따라 기구의 공지된 위치에 대해 저장될 수 있다. 이 저장된 데이터는 카테터에 대한 형상 정보를 발현하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 카테터를 따라 위치된 EM 센서들 같은 일련의 위치 센서들이 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 특히 해부학적 통로가 일반적으로 정적인 경우, 절차 동안 기구 상의 EM 센서 같은 위치 센서로부터의 데이터 이력이 기구의 형상을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 외부적 자기장에 의해 위치 또는 배향이 제어되는 무선 장치가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 그 위치에 대한 이력이 항행된 통로에 대한 형상을 판정하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 실시예에서, 광섬유는 단일 피복 내에 다중 코어를 포함할 수 있다. 각 코어는 단일 모드로 존재할 수 있으며, 각 코어 내의 광이 다른 코어 내에서 전달되는 광과 유의미하게(significantly) 상호작용하지 않도록 코어들을 분리시키는 충분한 거리 및 피복을 갖는다. 다른 실시예에서, 코어의 수가 변할 수 있거나, 각 코어가 별개의 광섬유 내에 수납될 수 있다.

일부 실시예에서, FBG의 어레이가 각 코어 내에 제공된다. 각 FBG는 굴절 지수에 공간적 주기성을 생성하도록 코어의 굴절 지수의 일련의 변조를 포함한다. 각 지수 변화로부터의 부분적 반사들이 파장의 좁은 대역에 대해 간섭적으로 가산되고, 따라서, 매우 넓은 대역을 통해 통과시키면서 이 파장의 좁은 대역만을 반사하도록 간격이 선택될 수 있다. FBG의 제조 동안, 변조는 알려진 거리만큼 이격되어 알려진 파장 대역의 반사를 유발한다. 그러나, 섬유 코어 상에 변형이 유도되면, 코어의 변형의 양에 따라 변조의 간격이 변한다. 대안적으로, 후방산란이나, 광섬유의 굴곡에 따라 변하는 다른 광학 현상이 각 코어 내의 변형을 판정하기 위해 사용될 수 있다.

따라서, 변형을 측정하기 위해, 섬유로 광이 전송되고, 복귀 광의 특성이 측정된다. 예로서, FBG는 섬유 상의 변형 및 그 온도의 함수인 반사 파장을 생성한다. FBG 기술은 영국의 브랙넬(Bracknell) 소재의 스마트 파이버스 엘티디(Smart Fibres Ltd.) 같은 다양한 출처로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 로봇 수술을 위한 위치 센서에 FBG 기술을 사용하는 것은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는, 2006년 7월 20일자로 출원된 "파이버 브래그 격자를 사용한 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템(Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings)"을 개시하는 미국 특허 제7,930,065호에 설명되어 있다.

다중코어 섬유에 적용될 때, 광섬유의 굴곡은 각 코어에서 파장 이동을 감시함으로써 측정될 수 있는 코어 상의 변형을 유도한다. 섬유내에 축을 벗어나 배치된 둘 이상의 코어를 가짐으로써, 섬유의 굴곡은 코어 각각 상에 서로 다른 변형을 유도한다. 이들 변형은 섬유의 국소 굴곡 정도의 함수이다. 예로서, FBG를 포함하는 코어의 영역은 섬유가 굴곡되는 지점에 배치되는 경우, 그에 의해 이들 지점에서 굴곡의 양을 판정하기 위해 사용될 수 있다. FBG 영역의 알려진 간격과 조합된 이들 데이터는 섬유의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 이런 시스템은 버지니아주 블랙스버그(Blacksburg) 소재의 루나 이노베이션즈 인크(Luna Innovations. Inc.)에 의해 설명되었다.

설명된 바와 같이, 광섬유는 카테터 시스템(202)의 적어도 일부의 형상을 감시하기 위해 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 광섬유를 통과하는 광은 카테터 시스템(202)의 형상을 검출하고 이 정보를 사용하여 수술 절차를 보조하기 위해 처리된다. 센서 시스템(예를 들어, 센서 시스템(108))은 카테터 시스템(202)의 형상을 결정하기 위해 사용되는 광을 생성 및 검출하기 위한 정보교류 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 정보는 그후 중재 기구의 부분의 속도 및 가속 같은 다른 관련 변수를 판정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 감지는 로봇 시스템에 의해 작용되는 자유도에만 한정될 수 있거나, 비능동적(예를 들어, 작용이 주어지지 않은, 관절부 사이의 강성 부재의 굴곡) 및 능동적(예를 들어, 작용이 주어진, 기구의 이동) 자유도 양자 모두에 적용될 수 있다.

중재 기구 시스템은 선택적으로 위치 센서 시스템(220)을 포함할 수 있다. 위치 센서 시스템(220)은 외부적으로 생성된 전자기장에 노출될 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함하는 전자기(EM) 센서 시스템일 수 있다. 이때, EM 센서 시스템(220)의 각 코일은 외부적으로 생성된 전자기장에 대한 코일의 위치 및 배향에 의존한 특성을 갖는 유도된 전기 신호를 생성한다. 한 가지 실시예에서, EM 센서 시스템은 6개 자유도, 예를 들어, 3개의 위치 좌표(X, Y, Z)와 기초 지점의 피치, 요 및 롤을 나타내는 3개의 배향 각도를 측정하거나, 5개 자유도, 예를 들어, 3개의 위치 좌표(X, Y, Z)와 기초 지점의 피치 및 요를 나타내는 2개 배향 각도를 측정하도록 구성 및 위치될 수 있다. 또한, EM 센서 시스템의 추가적 설명은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 1999년 8월 11일자로 출원된 "추적되는 대상물 상에 수동 트랜스폰더를 갖는 6 자유도 추적 시스템(Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked)"을 개시하는 미국 특허 제6,380,732호에 제공되어 있다.

가요성 카테터 본체(216)는 보조 도구(226)를 수용하도록 크기설정 및 성형된 채널을 포함한다. 보조 도구는 예로서, 영상 포착 프로브, 생검 장치, 레이저 융제 섬유 또는 다른 수술, 진단 또는 치료 도구를 포함할 수 있다. 보조 도구는 외과용 메스(scalpel), 칼날, 광섬유 또는 전극 같은 단일 작동 부재를 갖는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 다른 엔드 이펙터는 예로서 겸자, 파지기, 가위 또는 클립 적용기 같은 한 쌍의 또는 복수의 작업 부재를 포함할 수 있다. 전기적으로 작동되는 엔드 이펙터의 예는 전자수술 전극, 트랜스듀서, 센서 등을 포함한다. 다양한 실시예에서, 보조 도구(226)는 표시를 위해 처리되는 영상(비디오 영상 포함)을 포착하기 위해, 가요성 카테터 본체(216)의 원위 단부(218) 그 부근에 배치된 스테레오스코픽 또는 모노스코픽 카메라를 갖는 원위 부분을 포함하는 영상 포착 프로브일 수 있다. 영상 포착 프로브는 포착된 영상 데이터를 전송하기 위해 카메라에 결합된 케이블을 포함할 수 있다. 대안적으로, 영상 포착 기구는 영상화 시스템에 결합된 파이버스코프 같은 광섬유 다발일 수 있다. 영상 포착 기구는 단일 또는 다중 스펙트럼적일 수 있고, 예로서 가시 스펙트럼에서 영상 데이터를 포착하거나, 가시 및 적외 또는 자외 스펙트럼에서 영상 데이터를 포착한다.

또한, 가요성 카테터 본체(216)는 예로서, 원위 단부의 점선 형태에 의해 도시된 바와 같이 원위 단부(218)를 제어가능하게 굴곡 또는 회전시키도록 원위 단부(218)와 기구 본체(204) 사이에서 연장하는 케이블, 연동절 또는 다른 조종 제어부(미도시)를 수납할 수 있다. 기구 시스템(200)이 로봇 조립체에 의해 작동되는 실시예에서, 기구 본체(204)는 로봇 조립체의 동력식 구동 요소에 제거가능하게 결합되는 구동 입력부를 포함할 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동 작동되는 실시예에서, 기구 본체(204)는 파지 특징부, 수동 작동기 및 기구 시스템의 운동을 수동 제어하기 위한 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 카테터 시스템은 조종가능하거나, 대안적으로, 조종불가할 수 있고, 기구 굴곡의 조작자 제어를 위한 어떠한 통합된 메커니즘도 갖지 않을 수 있다. 또한, 또는, 대안적으로, 가요성 본체(216)는 중재 기구가 그를 통해 목표 수술 장소에서 전개 및 사용되는 하나 이상의 루멘을 형성할 수 있다.

다양한 실시예에서, 중재 기구 시스템(200)은 폐의 검사, 진단, 생검 또는 처치에 사용하기 위한 기관지경 또는 기관지 카테터 같은 가요성 기관지 기구를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 결장, 소장, 신장, 뇌, 심장, 순환계 등을 포함하는 임의의 다양한 해부학적 시스템에서 자연적 또는 수술적으로 생성된 연결된 통로를 통한 다른 조직의 처치 및 항행을 위해 적합하다.

환자 내에서 중재 기구 시스템(200)을 동작시킬 때, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 동작에 관련된 다양한 형태의 데이터에 대한 동시적 접근로를 갖는 것이 외과의사에게 바람직할 수 있다. 예로서, 호흡 시스템 같은 해부구조의 특정 부분을 통한 중재 기구의 안내시, 내시경은 중재 기구 시스템(200)과 함께 해부구조를 통해 안전하게 끼워지기에 너무 클 수 있다. 이런 동작에서, 외과의사는 상술한 유형의 수술전 영상의 표시로 내시경 카메라의 표시를 보완하기를 원할 수 있다. 추가적으로, 외과의사는 해부구조 내의 특정 목표 장소 또는 작업 부위에 대한 중재 기구의 장소의 양식화된 표현의 표시로 내시경 카메라의 표시를 보완하기를 원할 수 있다.

도 3은 표시 시스템(110) 상에 표시될 수 있는 2차원 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(300)를 예시한다. GUI(300)는 표시 시스템(110)을 통해 의사에게 동시에 보여질 수 있는 다중 윈도우를 포함한다. 이들 윈도우는 환자의 해부구조를 나타내는 영상, 중재 기구의 장소를 나타내는 영상, 외과의사를 위한 안내 정보 및 작업에 관련된 다른 정보 같은 것들을 표시할 수 있다. 도 3의 실시예에서, GUI는 환자 해부구조 내에서 내시경 카메라에 의해 생성된 내시경 카메라 영상(302), 가상 가시화 시스템에 의해 처리된 수술전 또는 수술중 영상화로부터 생성된 가상 내시경 영상(304), 가상 가시화 시스템에 의해 처리된 수술전 또는 수술중 영상화로부터 생성되고 해부학적 통로 시스템의 개요를 제공하는 가상 개요 경로 영상(306), 정합된 자세의 해당 장소에서의 수술전 또는 수술중 영상의 세트의 단면을 도시하는 다중 평면형 재구성 영상(308) 및 항행 보조 영상(314)을 포함한다.

본 실시예에서, GUI(300)는 추가적으로 영상(304, 306)에 예시된 바와 같은 GUI 내의 영상에 중첩배치될 수 있는 가상 로드맵(310)의 형태의 안내 정보를 포함한다. 가상 로드맵(310)은 수술 전에 또는 수술 중에 식별된 바와 같은 목표 장소(312)에 도달하기 위해 중재 기구(200)의 삽입을 안내하도록 외과의사에 의해 사용될 수 있다. 또한, 이런 목표 장소(312)는 영상(306, 308)에 예시된 바와 같이 GUI 내의 임의의 영상 내로 통합(예를 들어, 중첩배치, 겹침, 다른 방식으로 그와 조합)될 수 있다. 목표 장소는 예로서, 외과의사가 제거 또는 생검하기를 의도하는 종양, 외과의사가 중재 기구 시스템(200) 내의 장비로 영상화 또는 분석하기를 의도하는 해부구조의 일부, 해부학적 통로의 분기부, 해부학적 통로의 루멘(lumen) 또는 외과의사가 환자의 해부구조를 통한 간접 루트를 통해 궁극적 목표 장소를 향하여 중재 기구를 항해시킬 수 있게 하는 가상 로드맵 상의 중간점 장소를 포함할 수 있다. GUI(300)의 구성 영상 중 하나 이상은 가상 또는 내시경 영상 상에 겹쳐지거나 다른 방식으로 그에 통합되는 중재 기구(313)의 가상 영상을 포함할 수 있다. 또한, GUI는 중재 기구(200)의 원위 단부(218)(선단부 부분이라고도 지칭됨)로부터 목표 장소(312)까지의 잔여 거리를 보여주는 거리 표시(316) 같은 수술에 관련한 다른 정보를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 표시된 거리(316)는 선단부 부분과 목표 장소 사이의 유클리드 거리로서 계산될 수 있다.

또한, GUI(300)는 중재 기구의 선단부 부분의 위치에 기초하여 외과의사에게 트리거된 안내 정보를 제공할 수 있다. 예로서, 선단부 부분이 해부학적 목표를 지나치는 경우, 제공된 경고는 외과의사에게 카테터를 후퇴시킬 것을 명령하고, 따라서, 외과의사가 중재 기구를 추가로 오경로설정하거나 중재 기구를 건강한 조직 내로 안내함으로써 환자에게 부상을 입히는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 이 트리거된 안내 정보는 GUI(300)의 윈도우 중 하나에 표시될 수 있다. 예로서, 시각적 큐(cue)(예를 들어, 점멸 아이콘, 색상 변화 또는 영숫자 메시지)가 가상 개요 경로 영상(306) 상에 표시되어 의사에게 해부학적 목표 또는 전환점이 우회되었다는 것을 경고할 수 있다. 대안적으로, 트리거된 안내는 예로서 표시장치의 배경을 채우는 색상의 점멸 블록 또는 표시장치 상의 점멸 아이콘을 포함하여, GUI(300) 상의 어딘가에 시각적으로 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 트리거된 피드백은 예로서, 경보 또는 음성 기록의 재생을 포함하는 가청 경고의 형태를 취할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 트리거된 피드백은 예로서, 입력 시스템(106)의 제어 장치의 진동을 포함하는 햅틱 피드백 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예에서, 피드백은 선단부 부분이 목표 장소 부근에 있을 때, 선단부 부분이 목표 장소를 지나쳤을 때, 선단부 부분이 목표 장소를 향해 직접적으로 이동할 때, 또는 선단부 부분이 목표 장소로부터 멀어지는 방향으로 이동할 때 트리거될 수 있다. 단일 실시예는 다양한 조건에 기초하여 트리거되는 다수의 다양한 유형의 피드백을 포함할 수 있다.

이제, 도 4를 참조하면, 항행 보조 영상(314)의 일 실시예의 상세도가 예시되어 있다. 항행 보조 영상(314)은 목표 장소로의 중재 기구의 선단부 부분(218)을 안내할 때 외과의사에 의한 사용을 위해 거리 및 방향에 대한 정보를 제공하는 적응형 목표설정 시스템을 제공한다. 영상(314)은 선단부 부분(218)이 환자 해부구조 내에서 이동될 때 갱신되어 외과의사에게 목표 장소에 대한 선단부 부분의 위치 및 배향에 대한 현재 정보를 제공한다. 이 영상은 중재 기구의 선단부 부분(218)을 목표 장소(312)로 안내하기 위해 외과의사에게 방향적 및 위치적 정보를 제공한다. 중재 기구의 선단부 부분(218)의 위치를 나타내는 상징(400)은 영상(314)의 중심에 배치된다. 이러한 실시예에서, 상징(400)은 십자선 세트의 중심이지만, 대안 실시예에서, 다른 아이콘 또는 형상이 중재 기구의 선단부 부분(218)의 장소를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 십자선의 라인(406)은 상/하 또는 Y 축 병진 자유도와 정렬되고, 십자선의 라인(408)은 중재 기구의 선단부 부분(218)의 우/좌 또는 X 축 병진 자유도와 정렬된다. 상징(402)은 목표 장소(312)를 나타낸다. 본 실시예에서, 상징(402)은 원이지만, 다른 형상 또는 아이콘이 대안예에서 사용될 수 있다. 상징(404)은 선단부 부분 상징(400)과 목표 장소 상징(402)을 연결하고, 선단부 부분이 목표 장소(312)를 향해 이동하기 위해 안내될 필요가 있는 방향의 표식을 제공한다. 본 실시예에서, 상징(404)은 라인이지만, 대안적 실시예에서, 방향 지시기 상징은 화살표 또는 다른 유형의 아이콘일 수 있다. 중재 기구의 선단부 부분(218)의 제3 병진 자유도, 삽입/추출 또는 (2차원 영상(314)의 평면의 내로 또는 외로의) Z 축을 따른 거리는 상징(410)에 의해 나타내어진다. 본 실시예에서, 상징(410)은 목표 장소 상징(402)과 동심인 원이지만, 대안 실시예에서, 다른 아이콘 또는 형상은 목표 장소와 중재 기구의 선단부 부분(218) 사이의 삽입 거리를 나타내기 위해 사용될 수 있다.

선택적으로, 항행 보조 영상(314)은 X 차원 거리 성분, Y 차원 거리 성분 및/또는 Z 차원 거리 성분을 갖는, 선단부 부분(218)과 목표 장소(312) 사이의 거리를 수치적으로 표시할 수 있다. 사용되는 거리 방정식은 다음과 같다:

목표까지의 거리 =

여기서, (x2, y2, z2)는 목표의 장소이고, (x1, y1, z1)은 선단부 부분의 위치이다.

외과의사가 X 및 Y 차원으로 중재 기구의 선단부 부분(218)을 작동시킬 때, 선단부 부분 상징(400)에 대한 목표 장소 상징(402)의 위치는 따라서 항행 보조 영상(314) 내에서 변한다. 이러한 실시예에서, 선단부 부분 상징(400)은 영상(314)을 위한 기준 프레임이고, 그래서, 목표 장소 상징(402)은 실제 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분의 신규한 장소를 나타내도록 이동할 것이다. 방향 표식 상징(404)은 직접적으로 목표 장소(312)를 향해 카테터의 선단부 부분(218)을 조종하도록 외과의사에게 X-Y 방향을 나타내기 위해 선단부 부분 상징(400)을 중심으로 선회할 수 있다. 일부 실시예에서, 또한 방향 표식 상징(404)은 직접적으로 목표 장소(312)를 향해 지향되도록 선단부 부분이 이동되어야만 하는 X 및 Y 차원으로의 잔여 거리를 나타내도록 선단부 부분이 이동할 때 길이를 크기조정(scalable)할 수 있다.

외과의사가 Z 차원으로 중재 기구의 선단부 부분(218)을 작동시킬 때, 거리 표시(316)는 목표 장소(312)와 선단부 부분 사이의 변하는 거리를 표시한다. 추가적으로, 삽입 차원 상징(410)은 예로서 선단부 부분(218)과 목표 장소(312) 사이의 거리가 감소할 때 더 작아지고 거리가 증가할 때 더 커지는 상태로 크기가 크기조정될 수 있다. 다양한 실시예에서, 거리 지시기(316, 410) 중 하나 또는 양자 모두는 선택적일 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 3차원 표시장치가 제공되어 외과의사가 3차원 표시장치의 Z 차원에서 선단부 부분과 목표 장소 사이의 크기조정된 거리를 관찰할 수 있게 한다.

도 5는 도 4에 비해 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분(218)의 위치의 변화를 예시한다. 항행 보조 영상(314)의 이러한 모습에서, 목표 장소(312)와 선단부 부분(218) 사이의 Z 거리가 감소되었다. Z 차원 상징(410)은 선단부 부분(218)이 Z 차원을 따라 목표 장소(312)에 근접하다는 것을 나타내도록 목표 장소 상징(402)과 거의 동일한 크기로 감소된다. 그러나, 선단부 부분은 목표 장소(312)에 도달하도록 방향 표식 상징(404)에 의해 나타나는 바와 같이 여전히 X 및 Y 차원으로 안내되어야 한다.

외과의사가 환자의 해부구조를 통해 중재 기구의 선단부 부분(218)을 안내할 때, 그는 또한 회전 자유도로, 즉, Z 축을 중심으로 회전방향으로 선단부 부분을 작동시킬 수 있다. 기구의 원위 선단부 부분(218)이 원형이 아니거나 전개의 양호한 회전 각도를 갖는 경우, 원위 선단부 부분(218)의 특징의 회전 배향은 또한 회전 보조 상징(418)과 함께 항행 보조 영상에 의해 표시될 수 있다. 예로서, 생검 기구가 측부 개구를 갖는 경우, 개구를 갖는 측부는 회전 보조 상징(418)과 함께 항행 보조 영상 상에 표시될 수 있다.

도 6은 도 4 및 도 5에 비교한, 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분(218)의 위치의 변화를 예시한다. 항행 보조 영상(314)의 이러한 모습에서, 중재 기구의 선단부 부분(218)은 목표 장소(312)에 도달되어 있다. 선단부 부분은 도 5에 도시된 바와 같이 최소화된 Z 차원 상징(410)에 추가로 선단부 부분 상징(400) 위에 중심설정된 목표 장소 상징(402)에 의해 표현된 바와 같이 목표 장소(312)와 X 및 Y 차원에서 직접적으로 정렬된다. 목표 장소(312)가 종양 또는 다른 작업 부위 같은 궁극적 목표(중간점 또는 다른 중간 지점이 아님)인 경우, 이때, 시스템은 해당 효과에 대한 표식(예를 들어, 색상의 변화나 상징)을 표시할 수 있고 외과의사는 절차를 수행할 수 있다. 목표 장소(312)가 가상 로드맵(310)을 따른 중간점인 경우, 이때, 시스템은 목표 장소(312)를 다음 중간점으로 갱신하고, 항행 보조 영상(314) 및 거리 표시(316)가 이에 따라 갱신되어 의사가 중재 기구의 선단부 부분(218)을 다음 목표 장소로 안내하는 것을 도울 수 있다.

도 7은 항행 보조 영상(314)의 대안적 실시예를 예시한다. 본 실시예에서, 목표 장소 상징(502)이 기준 프레임이고, 따라서, 영상(314)의 중심에 고정된다. 본 실시예에서, 목표 장소 상징(502)은 원이지만, 대안적 실시예에서, 다른 유형의 형상 또는 상징일 수 있다. Z 차원 상징(510)은 목표 장소 상징(502)과 동심이다. Z 차원 상징은 목표 장소(312)와 기구 선단부 부분(218) 사이의 Z 차원 거리를 나타내기 위해 도 4의 Z 차원 상징(410)과 유사하게 기능한다. 선단부 부분 상징(500)은 선단부 부분의 X 및 Y 병진 자유도와 각각 정렬되는 라인(506, 508)에 의한 십자선의 중심으로서 표현된다. 외과의사가 중재 기구의 선단부 부분(218)을 작동시킬 때, 선단부 부분 상징(500)은 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분의 X 및 Y 차원 변화를 나타내기 위해 목표 장소 상징(502)에 대해 이동한다. 추가적으로, X 및 Y 자유도 상징(506, 508)은 이들이 선단부 부분 상징(500)에 중심설정되어 남아있도록 이동한다. 이는 더 근접하게 이동하기 위해 선단부 부분이 목표 장소(312)에 작동되어야만 하는 그 차원의 추적을 외과의사가 유지할 수 있게 한다.

도 8은 도 7에 비교하여, 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분(218)의 위치의 변화를 예시한다. 항행 보조 영상(314)의 모습에서, 삽입 치수 상징(510)의 더 작은 크기로 표시된 바와 같이, Z 거리가 최소화된다. 그러나, 선단부 부분은 목표 장소(312)와 X 및 Y 차원에서 여전히 정렬되지 않는다. 방향 표식 상징(504)은 외과의사가 선단부 부분을 목표 장소(312)에 도달하도록 안내할 필요가 있는 위치를 보여준다.

도 9는 도 7 및 도 8에 비교하여, 목표 장소(312)에 대한 선단부 부분(218)의 위치의 변화를 예시한다. 항행 보조 영상(314)의 이러한 모습에서, 중재 기구의 선단부 부분(218)은 도 5에 도시된 바와 같은 삽입 차원 상징(510)의 작은 크기 및 목표 장소 상징(502) 상에 중심설정된 선단부 부분 상징(506)에 의해 표시된 바와 같이 목표 장소(312)에 도달되어 있다. 이러한 시스템은 외과의사가 외과의사의 선호도에 부합되도록 동적으로 항행 보조 영상(314)의 일 실시예를 선택할 수 있게 한다.

외과의사가 환자의 해부구조를 통해 중재 기구의 선단부 부분을 안내할 때, 그는 또한 회전 자유도로, 즉, Z 축을 중심으로 회전적으로 선단부 부분을 작동시킬 수 있다. 기구의 원위 선단부 부분(218)이 원형이 아니거나 양호한 전개 회전 각도를 갖는 경우, 원위 선단부 부분(218)의 특징의 회전 배향도 회전 보조 상징(518)과 함께 항행 보조 영상에 의해 표시될 수 있다. 예로서, 생검 기구가 측부 개구인 경우, 개구를 갖는 측부는 회전 보조 상징(518)과 함께 항행 보조 영상 상에 표시될 수 있다.

다양한 실시예에서, GUI(300)의 복합 윈도우 내에 표시된 영상은 회전적으로 정렬된다. 예로서, 도 4에서 목표 장소 상징(402)이 선단부 부분 상징(400)에 대한 +X, -Y 사분면에 있는 경우, 수직 가시화 영상(304) 및/또는 내시경 영상(302)에서 목표와 연계된 아이콘 또는 영상은 영상의 하부 우측 부분에 배치된다. 추가적으로, 가상 개요 경로 영상(306) 및 수술전 영상(312) 같은 GUI(300) 내의 다른 영상은 선단부 부분의 배향을 반사하기에 적절하게 회전한다. 이는 외과의사가 다수의 항행 보조 영상으로부터 환자 해부구조 내에서 중재 기구의 배향 및 정렬을 일관적으로 인지할 수 있게 한다.

도 10은 환자 해부구조 내의 목표 장소로 중재 기구의 선단부 부분을 안내하는 것을 돕기 위해 GUI(300)를 사용하는 방법(600)을 설명하는 흐름도를 예시한다. 602에서, 이 방법(600)은 환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 것을 포함한다. 이는 예로서 목표 장소를 선택 또는 식별하거나 다른 처리에 의해 사전결정된 목표 장소를 수신하는 것을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 목표 장소는 생검 부위, 작업 부위, 절차 부위에서 종료하는 가상 로드맵을 따른 중간점 등일 수 있다. 604에서, 이 방법(600)은 환자 해부구조 내의 중재 기구의 선단부 부분에 대한 위치 표식을 수신하는 것을 포함한다. 606에서, 이 방법(600)은 목표 장소와 선단부 부분의 위치 사이에서 3차원 거리를 판정하는 것을 포함한다. 608에서, 이 방법(600)은 항행 보조 영상(314) 상에 목표 장소를 나타내는 상징(예를 들어, 목표 장소 상징(402 또는 502))을 그래픽으로 표시하는 것을 포함한다. 610에서, 이 방법(600)은 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징(예를 들어, 선단부 부분 상징(400 또는 500))을 그래픽으로 표시하는 것을 포함한다. 612에서, 이 방법(600)은 삽입 차원을 나타내는 상징(예를 들어, Z 차원 상징(410 또는 510))을 항행 보조 영상(314) 상에 그래픽으로 표시하는 것을 포함한다. 항행 보조 영상(314)을 관찰하는 외과의사가 목표 장소를 향해 중재 기구의 선단부 부분을 안내할 때, 영상(314)은 현재의 항행 보조를 제공하도록 갱신된다. 선단부 부분이 목표에 도달할 때, 시각적 큐(예를 들어, 항행 보조부 상의 색상 변화, 항행 보조부 상의 아이콘 변화)는 목표가 도달되었다는 것을 의사에게 경고한다. 기구의 선단부 부분의 목표 장소는 일부 절차에서 접근 대상 조직으로부터 이격될 수 있다. 예로서, 생검 절차에서, 선단부 부분을 위한 목표 장소는 바늘을 덮는 카테터로부터 바늘의 연장을 가능하게 하도록 생검 조직으로부터 충분히 이격될 수 있다.

본 발명의 실시예의 하나 이상의 요소는 제어 시스템(112) 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서 상에서 실행되도록 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 본 발명의 실시예의 요소는 본질적으로 필요한 임무를 수행하기 위한 코드 세그먼트이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트는 프로세서 판독가능 저장 매체 또는 장치 내에 저장될 수 있으며, 이는 전송 매체 또는 통신 링크를 거쳐 반송파로 구현된 컴퓨터 데이터 신호에 의해 다운로드된 것일 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치는 광학 매체, 반도체 매체 및 자기 매체를 포함하는 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치의 예는 전자 회로; 반도체 장치, 반도체 메모리 장치, 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 삭제 및 프로그램가능 판독 전용 메모리(EPROM); 플로피 디스켓, CD-ROM, 광학 디스크, 하드 디스크 또는 다른 저장 장치를 포함한다. 코드 세그먼트는 인터넷, 인트라넷 등 같은 컴퓨터 네트워크를 거쳐 다운로드될 수 있다.

제시된 처리 및 표시는 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치에 관련되지 않을 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다양한 이들 시스템을 위한 필요한 구조는 청구범위의 요소로서 나타날 것이다. 추가적으로, 본 발명의 실시예는 임의의 특정 프로그래밍 언어를 기준으로 설명되지 않는다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 교지를 이행하기 위해 다양한 프로그래밍 언어가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 특정 예시적 실시예가 설명되고 첨부 도면에 도시되었지만, 이런 실시예는 단지 광범위한 본 발명의 예시일 뿐이며, 광범위한 본 발명을 제한하지 않으며, 본 발명의 실시예는 도시 및 설명된 특정 구성 및 배열에 한정되지 않으며, 그 이유는 본 기술 분야의 통상적 숙련자가 다양한 다른 변형을 안출할 수 있기 때문이다.

Claims

환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하는 방법이며,
환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 단계와,
환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 위치를 수신하는 단계와,
제1 장소와 목표 장소 사이의 3차원 거리를 결정하는 단계와,
목표 장소를 나타내는 상징과 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징을 표시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 목표 장소와 선단부 부분의 위치 사이의 방향을 나타내는 상징을 표시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 3차원 거리의 삽입 거리 성분을 나타내는 상징을 표시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제3항에 있어서, 삽입 거리를 나타내는 상징은 목표 장소를 나타내는 상징과 동심인, 방법.
제3항에 있어서, 삽입 거리를 나타내는 상징은 선단부 부분을 나타내는 상징과 동심인, 방법.
제3항에 있어서, 삽입 거리 성분을 나타내는 상징은 크기가 크기조정가능한, 방법.
제3항에 있어서, 목표 장소와 제1 장소 사이의 3차원 거리가 변경될 때 삽입 거리 성분을 나타내는 상징의 크기를 변경하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 표시 단계는 2차원 좌표계 상에서 선단부 부분과 목표 장소를 나타내는 상징을 표시하는 것을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 표시장치의 제1 윈도우에서 선단부 부분과 목표 장소를 나타내는 상징을 표시하고 표시장치의 제2 윈도우에 보조 안내 영상을 표시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서, 제1 윈도우 내의 상징은 제2 윈도우 내의 보조 안내 영상과 회전적으로 정렬되는, 방법.
제9항에 있어서, 목표 장소를 향해 선단부 부분을 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제2 윈도우 내에 표시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서, 보조 안내 영상은 내시경 카메라 영상인, 방법.
제9항에 있어서, 보조 안내 영상은 가상 내시경 영상인, 방법.
제9항에 있어서, 보조 안내 영상은 목표 장소에 마크를 갖는 환자 해부구조의 수술전 영상인, 방법.
제9항에 있어서, 보조 안내 영상은 가상 경로 영상인, 방법.
제1항에 있어서, 목표 장소를 향해 선단부 부분을 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제공하는 단계를 더 포함하고, 방향적 안내 정보는 햅틱 피드백을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 목표 장소를 향해 선단부 부분을 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제공하는 단계를 더 포함하고, 방향적 안내 정보는 음향적 피드백을 포함하는, 방법.
환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하기 위한 명령과,
환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분의 위치를 수신하기 위한 명령과,
제1 장소와 목표 장소 사이의 3차원 거리를 판정하기 위한 명령과,
목표 장소를 나타내는 상징 및 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징을 표시하기 위한 명령을 포함하는
환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하기 위한 컴퓨터 실행가능한 명령을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서, 목표 장소와 선단부 부분의 위치 사이의 방향을 나타내는 상징을 표시하기 위한 명령을 더 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서, 3차원 거리의 삽입 거리 성분을 나타내는 상징을 표시하기 위한 명령을 더 포함하는, 시스템.
제20항에 있어서, 삽입 거리를 나타내는 상징은 목표 장소를 나타내는 상징과 동심인, 시스템.
제20항에 있어서, 삽입 거리를 나타내는 상징은 선단부 부분을 나타내는 상징과 동심인, 시스템.
제20항에 있어서, 삽입 거리 성분을 나타내는 상징은 크기가 크기조정가능한, 시스템.
제20항에 있어서, 목표 장소와 제1 장소 사이의 3차원 거리가 변화될 때 삽입 거리 성분을 나타내는 상징의 크기를 변화시키기 위한 명령을 더 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서, 상기 표시하는 것은 2차원 좌표계 상에 선단부 부분과 목표 장소를 나타내는 상징을 표시하는 것을 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서, 표시장치의 제1 윈도우에 선단부 부분과 목표 장소를 나타내는 상징을 표시하기 위한 명령과 표시장치의 제2 윈도우에 보조 안내 영상을 표시하기 위한 명령을 더 포함하는, 시스템.
제26항에 있어서, 제1 윈도우 내의 상징은 제2 윈도우 내의 보조 안내 영상과 회전적으로 정렬되는, 시스템.
제26항에 있어서, 선단부 부분을 목표 장소로 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제2 윈도우 내에 표시하기 위한 명령을 더 포함하는, 시스템.
제26항에 있어서, 보조 안내 영상은 내시경 카메라 영상인, 시스템.
제26항에 있어서, 보조 안내 영상은 가상 내시경 영상인, 시스템.
제26항에 있어서, 보조 안내 영상은 목표 장소에 마크를 갖는 환자 해부구조의 수술전 영상인, 시스템.
제26항에 있어서, 보조 안내 영상은 가상 경로 영상인, 시스템.
제18항에 있어서, 목표 장소를 향해 선단부 부분을 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제공하기 위한 명령을 더 포함하고, 방향적 안내 정보는 햅틱 피드백을 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서, 선단부 부분을 목표 장소를 향해 지향시키기 위한 방향적 안내 정보를 제공하기 위한 명령을 더 포함하고, 방향적 안내 정보는 음향적 피드백을 포함하는, 시스템.
환자 해부구조 내에서 중재 기구를 안내하는 방법이며,
환자 해부구조 내의 목표 장소를 처리하는 단계와,
환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 제1 위치 표식을 수신하는 단계와,
제1 윈도우 내의, 목표 장소를 나타내는 상징과, 중재 기구의 선단부 부분을 나타내는 상징과, 제1 위치와 목표 장소 사이의 방향을 나타내는 상징과, 제1 위치와 목표 장소 사이의 삽입 거리 성분을 나타내는 상징을 포함하는 항행 보조 영상,
제2 윈도우 내의 내시경 카메라 영상,
제3 윈도우 내의 가상 내시경 모델링된 영상,
제4 윈도우 내의 가상 경로 모델링된 영상, 및
제5 윈도우 내의 목표 장소에서 마크를 갖는 환자 해부구조의 수술전 영상을 동시에 표시하는 단계를 포함하는, 방법.
제35항에 있어서, 동시에 표시하는 단계는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 윈도우를 단일 표시 스크린 상에 표시하는 것을 더 포함하는, 방법.
제35항에 있어서, 제1 장소와 목표 장소 사이의 3차원 거리가 변화될 때 삽입 거리 성분을 나타내는 상징의 크기를 변화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제35항에 있어서, 환자 해부구조 내의 제2 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 제2 위치 표식을 수신하는 단계와,
제2 위치 표식의 수신에 응답하여 제1, 제2, 제3 및 제4 윈도우 내의 영상을 갱신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제35항에 있어서, 환자 해부구조 내의 제1 장소에서 중재 기구의 선단부 부분에 대한 제1 배향 표식을 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제35항에 있어서, 다른 영상 중 적어도 하나의 영상과 항행 보조 영상을 회전적으로 정렬하는 단계를 더 포함하는, 방법.