KR20160052626A

KR20160052626A - 의료 장치용 제어 유닛

Info

Publication number: KR20160052626A
Application number: KR1020167008565A
Authority: KR
Inventors: 모르데하이 쇼레브
Original assignee: 휴먼 익스텐션스 리미티드
Priority date: 2013-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-05-12
Also published as: EP3038542A1; WO2015029041A1; CA2920822A1; EP3488808A1; CA2920822C; EP3038542B1; DK3038542T3; JP6458036B2; US20190069968A1; CN105592801A; HUE042778T2; HRP20190569T1; JP2016533241A; CY1122043T1; US11020197B2; MX2016002222A; PT3038542T; MX370196B; AU2014313763A1; EP3038542A4

Abstract

의료 장치용 제어 유닛이 제공된다. 제어 유닛은 손의 바닥에 의해 맞물림 가능한 손바닥 인터페이스, 손의 등에 억제력을 적용하도록 탄력적으로 변형 가능한 구속장치 및 상기 손의 하나 이상의 손가락에 의해 맞물림 가능한 손가락 인터페이스를 포함한다.

Description

의료 장치용 제어 유닛{CONTROL UNIT FOR A MEDICAL DEVICE}

본 발명은 의료 장치용 제어 유닛에 관한 것으로서, 특히 복강경 공구(laparoscopic tool)와 같은 부착된 의료 공구에 자연스런 손동작(hand movement)들의 이동을 가능하게 하고 이에 의해 의료 장치의 위치와 기능에 대한 정확하고 미세한 제어를 가능하게 하는 제어 유닛 및 통합된 사용자 인터페이스에 관한 것이다.

내시경(endoscope)들과 카테터(catheter)들과 같은 의료 장치들은 기관들, 강(cavity)들, 통로들 및 조직들의 관찰 또는 치료를 위하여 최소로 절개하는 수술(minimally invasive surgery)에서 광범위하게 사용된다. 일반적으로, 그러한 장치들은 체강, 혈관 또는 조직 내에 말단에 장착되는 기구(예를 들면, 메스(scalpel), 그라스퍼(grasper) 또는 카메라/카메라 렌즈)를 전달하고 위치시키도록 디자인되는 가늘고 긴 장치 바디를 포함한다.

그러한 장치들은 조직 벽(예를 들면, 복벽(abdominal wall))에 만들어지는 작은 절개를 통하여 위치되는 전달 포트를 통하여 전달되고, 해부학적으로 제한되는(constrained) 공간에서 사용되기 때문에, 의료 장치 또는 적어도 그것의 일부는 바디 외부에 위치되는 제어들을 사용하여 바디 내부에서 조향 가능하거나(steerable) 또는 조종 가능한(maneuverable) 것이 바람직하다(의료 장치의 근위 단부(proximal end)에서). 그러한 조향은 작동자가 장치를 바디 및 해부학적 기준점(anatomical landmark)에서 말단에 장착된 기구의 위치를 정확하게 안내하는 것을 가능하게 한다.

내시경 기구들을 위한 다양한 인터페이스들이 종래 기술, 예를 들면 미국특허출원 제 2008/0255420호와 2012/0041450호 및 미국특허 제 7,572,253호에서 설명된다.

그러나, 외과의사가 바디 내부의 의료 공구를 직관적으로 조종하도록 허용하고 광범위한 장치를 통한 정확한 제어 및 이펙터-단부(effector-end) 동작들을 허용하는 의료 장치 제어 유닛의 필요성이 여전히 남아있다.

본 발명의 일 양상에 따르면 의료 장치용 제어 유닛이 제공되고, 제어 유닛은 (a) 제어 유닛의 하우징에 부착되는 회전 지지체(pivotal support) 상에 장착되고, 손의 바닥에 의해 맞물림 가능한, 제 1 인터페이스; (b) 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고, 손바닥(palm)이 제 1 인터페이스와 맞물릴 때 손의 등(back)에 억제력(restraining force)을 적용하도록 탄력적으로 변형 가능한 소자를 갖는 구속장치(restraint); 및 (c) 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고 하나 이상의 손가락에 맞물릴 수 있는 제 2 인터페이스;를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함된다.

아래에 설명되는 본 발명의 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 회전 지지체는 짐벌식이다(gimbaled).

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제어 유닛은 드라이브 유닛(drive unit)을 포함하는 하우징을 더 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 2 인터페이스는 엄지 손가락 및 집계 손가락을 통하여 순차적으로 또는 동시에 작동 가능한 레버(lever)들을 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 1 인터페이스는 회전 지지체에 대하여 경사질 수 있다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 1 인터페이스의 경사는 의료 장치의 조향 가능한 부분을 편향시킨다(deflect).

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 레버들은 의료 장치의 이펙터 단부를 작동한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 2 인터페이스는 제 1 인터페이스에 대하여 경사질 수 있다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 2 인터페이스의 경사는 의료 장치의 이펙터 단부를 편향시킨다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 드라이브 유닛은 의료 장치를 작동하기 위한 적어도 하나의 모터 및 제어 와이어(control wire)들을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면 최소로 절개하는 수술 공구를 위한 제어 유닛이 제공되고, 제어 유닛은 (a) 사용자의 손의 등에 의해 맞물릴 수 있고 조직 액세스 부위와 관련하여 최소로 절개하는 수술 공구의 각도와 높이를 제어하기 위한 제 1 인터페이스 제어; (b) 사용자의 손의 바닥에 의해 맞물릴 수 있고 최소로 절개하는 수술 공구의 조향 가능한 부분의 편향을 제어하기 위한 제 2 인터페이스 제어; 및 (c) 사용자의 하나 이상의 손가락에 의해 맞물릴 수 있고 최소로 절개하는 수술 공구의 조직 조작 단부를 제어하기 위한 제 3 인터페이스 제어;를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제어 유닛은 드라이브 유닛을 포함하는 하우징을 더 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 2 인터페이스 제어는 짐벌식이다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 1 인터페이스 제어는 등 패드(dorsum pad)에 힌지식으로(hingedly) 연결되는 암(arm)을 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제어 유닛은제 1, 제 2 및 제 3 인터페이스 제어들과 관련하여 하우징을 회전시키기 위한 노브(knob)를 더 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 3 인터페이스 제어는 등 및 집계 손가락을 통하여 작동할 수 있는 한 쌍의 손가락 홀드(finger hold)를 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제 3 인터페이스 제어는 적어도 두 개의 수직 축 주의를 회전 가능한 볼(ball)을 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 사용자는 단일 손을 통하여 제 1, 제 2 및 제 3 인터페이스 제어를 동시에 작동할 수 있다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 드라이브 유닛은 최소로 절개하는 복강경 공구를 작동하기 위한 적어도 하나의 모터를 포함한다.

설명되는 바람직한 실시 예들에서의 또 다른 특징들에 따르면, 제어 유닛은 사용자의 손을 제 1 인터페이스 제어에 고정하기 위한 스트랩(strap) 또는 클램프(clamp)를 더 포함한다.

본 발명은 복강경 같은 수술용 공구를 위한 제어 유닛을 제공함으로써 현재 알려진 구성들의 단점들을 성공적으로 처리한다. 제어 유닛은 사용자가 단일 손을 사용하여 복강경과 같은 부착된 수술용 공구의 동작과 구동을 동시에 제어하는 것을 가능하게 하는 사용자 인터페이스를 포함한다.

달리 정의되지 않으면, 여기서 사용되는 모든 기술 및/또는 과학 용어는 본 발명에 속하는 통상의 지식을 가진 자들에 의해 공통으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서 설명되는 것과 유사하거나 또는 동등한 방법들과 재료들이 본 발명의 실시 예들의 실행 또는 검사에서 사용될 수 있더라도, 바람직한 방법들 및/또는 재료들이 아래에 설명된다. 충돌이 발생하는 경우에, 정의들을 포함하는, 본 발명의 명세서가 제어할 것이다. 게다가, 재료들, 방법들, 및 실시 예들은 단지 설명을 위한 것이며 반드시 이를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 단지 실시 예로서 여기에 설명된다. 특히 이제 도면들을 상세히 참조하면, 도시된 특징들은 단지 본 발명의 바람직한 실시 예들의 예이고 설명을 위한 목적이며, 제공을 위하여 본 발명의 원리들과 개념적 양상들의 가장 유용하고 쉽게 이해되는 설명으로 고려되는 내용이 제시된다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위하여 필요한 것보다 더 상세히 본 발명의 구조적 상세내용을 도시한 어떠한 것도 시도되지 않으며, 통상의 지식을 가진 자들에 자명한 도면이 첨부된 설명은 실제로 구현될 수 있다.
도면들에서:
도 1a-c는 복강경에 부착되는 본 발명의 제어 유닛의 일 실시 예들 도시한다. 도 1a는 전동식(motorized) 복강경 공구 및 외과의사 인터페이스의 일반적인 도면이다. 도 1b는 외과의사 인터페이스 내의 외과의사 손의 위치선정을 도시한다. 도 1c는 모터 팩 커버(motor pack cover) 없는 복강경 공구를 도시한다.
도 2a-b는 인터페이스(도 2a) 및 거기에 장착된 사용자의 손의 인터페이스 부분을 도시한다.
도 3a-d는 본 발명의 등 인터페이스(dorsum interface) 부분을 도시한다.
도 4a-g는 본 발명의 손바닥 인터페이스(palm interface) 부분 및 바람직한 조이스틱 부품(도 4g)을 포함하는 손바닥 인터페이스 부품들을 도시한다.
도 5a-c는 손바닥 인터페이스의 동작들 및 관절(articulation)의 상응하는 동작들을 도시한다.
도 6a-b는 본 발명의 손가락 인터페이스 부분의 일 실시 예를 도시한다.
도 7a-b는 본 발명의 손가락 인터페이스 부분의 인체공학적 조정들을 위한 외과의사 선택사항들을 도시한다.
도 8a-d는 본 발명의 손가락 인터페이스 부분 및 관련 부품들을 도시한다.
도 9a-i는 본 발명의 손가락 인터페이스 부분에 의해 이용 가능한, 조(jaw) 개방-폐쇄 모드들을 도시한다.
도 10a-b는 본 발명의 손가락 인터페이스 부분에 의해 이용 가능한, 조 회전 모드들을 도시한다.
도 10c는 본 발명의 제어 유닛의 손가락 인터페이스에 의해 이용 가능한 센서이다.
도 11a-b는 부착된 복강경의 두 개의 조향 가능한 부분에 대한 동시 제어를 가능하게 하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한다. 도 11a는 제 2 조향 가능한 부분의 제어를 가능하게 하기 위한 센서를 도시한, 인터페이스의 단면도이다. 도 11b는 2개의 독립적인 조향 가능한 부분을 갖는 관절을 도시한다.
도 12a-e는 본 발명의 손바닥 인터페이스와 관련하여 손가락 인터페이스 부분의 회전에 의해 이용 가능한 제 2 조향 가능한 부분을 제어하는 인터페이스의 제 2 부분의 작동을 도시한다.
도 13a-h는 두 개의 독립적인 조향 가능한 부분의 인터페이스 제어들을 도시한다.
도 14a-b, 도 15 및 도 16은 본 발명의 제어 유닛의 전동식 드라이브 유닛 실시 예를 도시한다.
도 17은 사용자 인터페이스(UI) 동작들이 어떻게 제어 유닛 내의 활성 신호 및 거기에 부착된 복강경 공구의 동작으로 옮겨지는지를 도시한다.
도 18은 본 발명이 제어 유닛의 다양한 작동 모드들을 도시한다.
도 19-20은 본 발명의 원리에 따라 구성되는 프로토타입 제어 유닛을 도시한다.

본 발명은 부착되는 의료 장치의 동작, 위치 및 기능을 제어하도록 사용되는 제어 유닛 및 인터페이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자연스런 손동작들을 사용하여 복강경 같은 수술용 공구를 제어하도록 사용될 수 있다.

본 발명의 원리들과 작동은 도면들 및 첨부된 설명들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.

본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그것의 적용에서 아래의 설명에 제시되거나 또는 도면들에서 설명되는 부품들의 구성 및 배치의 상세내용에 한정되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 본 발명은 다른 실시 예들이 가능하거나 혹은 다양한 방법으로 실행되거나 또는 수행될 수 있다. 또한, 여기서 사용되는 어법 또는 용어는 설명을 위한 것이며 이를 한정하는 것으로 간주하여서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.

복강경 수술에서, 외과의사는 복강경의 말단 단부(distal end) 부분(조직 조작 단부, 예를 들면 그라스퍼를 포함하는)을 체강(예를 들면, 복강) 내에 그리고 치료 조직과 인접하게 위치시켜야만 한다. 복강경을 정확하게 위치시키기 위하여, 외과의사는 조향 가능한 위치의 편향을 제어하고 조직 조작 단부를 활성화하는 동안에 전체 복강경을 공간적으로 지향하도록 하여야만 한다.

외과의사는 일반적으로 관심 있는 조직에서의 장치 및 이펙터 단부의 위치선정, 조종, 유지 및 작동을 위하여 수술용 공구의 인터페이스(핸들)를 사용한다. 현재 사용되는 장치 인터페이스들이 그러한 기능성을 제공할 수 있으나, 그것들은 전체 장치 및 이펙터 단부(복강경 샤프트의 말단 단부 상에 장착되는 기구)의 조종 능력과 작동 능력 사이의 균형에 의해 제한될 수 있고 따라서 최소로 절개하는 치료 과정을 완료하기 위하여 외과의사의 입장에서 상당한 시간과 노력이 필요하다.

여기서 설명되는 복강경 공구 인터페이스의 다양한 프로토타입들을 사용하여 실행된 실험들은 외과의사에 복강경과 같은 의료 장치의 작동에 대한 더 자연스럽고 완전한 제어를 제공할 수 있는 제어 유닛 및 인터페이스의 개발에 이르게 하였다.

따라서, 본 발명의 일 양상에 따르면, 의료 장치용 제어 유닛이 제공된다.

제어 유닛은 드라이브 유닛 및 부착되는 사용자 인터페이스를 포함한다. 아래에 더 설명되는 것과 같이, 인터페이스는 사용자의 단일 손에 의해 작동되고 모터들을 구동하며 이에 의해 제어 유닛에 부착된 의료 장치의 위치선정, 동작 및 작동을 제어하기 위하여 제어 유닛 내의 와이어들을 제어한다.

제어 유닛은 장치 위치선정, 동작 및 이펙터 단부 위치선정과 작동을 위한 개별 제어를 갖는 사용자 인터페이스를 포함한다. 사용자 인터페이스는 제어 유닛의 하우징에 부착되는 회전 지지체 상에 장착되는 제 1 인터페이스를 포함한다. 제 1 인터페이스는 손의 바닥에 의해 맞물림 가능하고 사용자가 의료 장치의 조향 가능한 부분의 편향뿐만 아니라 전체 장치의 회전과 경사(조직 액세스 부위와 관련하여)를 제어하는 것을 가능하게 한다.

경사, 회전 및 각형성(angulation)을 통한 제 1 인터페이스에 대항하여 사용자의 손바닥을 유지하기 위하여, 제어 유닛은 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고 손바닥이 제 1 인터페이스와 맞물릴 때 손등에 억제력을 적용하도록 탄력적으로 변형 가능한 소자를 갖는 구속장치를 더 포함한다. 구속장치가 손의 등과 맞물릴 때, 소자는 탄력적으로 변형하고 손의 등에 아래쪽 힘을 적용하며 따라서 제 1 인터페이스에 대항하여 손을 유지하고 이러한 인터페이스의 정확한 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라, 사용자가 의료 장치 상에서 멈추는 것을 가능하게 한다.

제어 유닛은 또한 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고 손의 하나 이상의 손가락에 의해 맞물림 가능한 제 2 인터페이스를 포함한다.

본 발명의 사용자 인터페이스는 포유류(예를 들면, 인간 대상)의 바디 내에 또는 상의 치료의 부위에서 조직을 관찰하거나 또는 조작하도록 사용되는 어떠한 의료 공로의 사용에도 적합하다.

본 발명의 의료 장치는 바람직하게는 최소로 절개하는 수술에서 사용되고, 대상의 바디 내에 위치되는 그것의 조향 가능한 말단 부분은 예를 들면 제어 와이어들을 통하여 바디 외부에(체외에(extracorporeally)) 위치되는 근위 단부로부터 제어된다. 의료 장치는 어떠한 체강 내의 조직들의 관찰 또는 조작을 위하여 사용될 수 있다. 본 발명으로부터 이익을 얻을 수 있는 의료 장치의 예들은 내시경(예를 들면, 복강경 또는 흉강경), 카테터, 수술용 홀더 등을 포함한다.

본 발명의 사용자 인터페이스는 특히 조향 가능한 말단 부분 및 그라스퍼 또는 커터와 같은 말단으로 장착되는 기구를 갖는 복강경 장치와의 사용에 적합하다.

복강경들은 기관들, 강들, 통로들, 및 조직들의 관찰 또는 치료를 위한 최소로 절개하는 수술에서 광범위하게 사용된다. 일반적으로, 그러한 장치들은 체강, 혈관 또는 조직 내에 말단에 장착되는 기구(예를 들면, 메스, 그라스퍼 또는 카메라/카메라 렌즈)를 전달하고 위치시키도록 디자인되는 가늘고 긴 장치 바디를 포함한다.

그러한 장치들이 조직 벽(예를 들면, 복벽)에 만들어지는 작은 절개를 통하여 위치되는 전달 포트를 통하여 전달되고, 자동으로 제한되는 공간(예를 들면, 복강 내의)에서 사용되기 때문에, 의료 장치 또는 적어도 그것의 일부는 바디 외부에 위치되는 제어들을 사용하여 바디 내부에서 조향 가능하거나 또는 조종 가능한 것이 바람직하다(의료 장치의 근위 단부에서). 그러한 조향은 작동자가 장치를 바디 및 해부학적 기준점에서 말단에 장착된 기구의 위치를 정확하게 안내하는 것을 가능하게 한다.

조향 가능한 장치들의 다양한 예들이 종래에 알려져 있는데, 예를 들면 미국특허 제 2,498,692호; 제 4,753,223호; 제 6,126,649호; 제 5,873,842호; 제 7,48 1,793호; 제 6,817,974호; 제 7,682,307호 및 미국특허출원 공보 제 20090259141호가 참조된다.

조향 가능한 부분의 편향은 일반적으로 장치의 샤프트를 따라 조향 가능한 부분의 말단 단부로 작동하는 하나 이상의 제어 와이어를 통하여 영향을 받는다.

각각의 제어 와이어의 근위 단부는 제어 와이에 연결되고; 제어 와이어의 당김이 당겨진 와이어와 관련하여 조향 가능한 부분을 편향시키는 힘을 적용한다.

장치 이펙터 단부(말단에 장착되는 기구)는 제어 유닛에 유사하게 연결되고 사용자 인터페이스에 의해 작동되는 하나 이상의 부가적인 와이어를 통하여 제어된다. 따라서, 조향 가능한 복강경과 같은 조향 가능한 장치의 사용자 인터페이스 및 제어 유닛은 세 가지 개별 기능, 조직 액세스 부위와 관련하여 장치 샤프트의 위치선정(위/아래(up/down), 각도), 조향 가능한 부분의 편향 및 말단에 장착되는 기구의 작동을 제공한다.

본 발명의 사용자 인터페이스는 세 개의 개별 사지 관절(limb joint) 및 근육 그룹들의 움직임을 통하여 이러한 세 가지 기능을 제공한다.

(ⅰ) 장치의 샤프트는 암 이동에 의해 조직 액세스 부위에 대하여 위와 아래 및 좌우로(side to side) 이동된다(주로 팔꿈치 및/또는 어깨 관절에 대한).

(ⅱ) 장치 샤프트의 조향 가능한 부분이 손동작(주로 상지 관절에 대한)을 통하여 편향된다. 이는 제 1 인터페이스의 경사에 의해 달성된다.

(ⅲ) 말단에 장착되는 기구는 손가락 동작(주로 지절 간관절(interphalangeal joint) 및 중수지 관절(metacarpalphalangeal joint)에 대한)을 통하여 작동된다. 손가락 동작은 장치 샤프트를 제 2 푠형 영역 주위로 편향시키도록 사용될 수 있다.

본 발명의 인터페이스는 조향 가능한 복강경과 같은 수술용 공구를 위치시키고 작동하도록 사용할 때 몇몇 장점들을 제공한다.

(ⅰ) 더 크고 더 자연스러운 기동성 - 복강경은 덜한 수고를 사용하고 바디와 사지의 극단적인 조종을 필요로 하지 않고 작동될 수 있다;

(ⅱ) 세 가지 기능에 대한 동시 제어 - 복강경은 조향되고 작동되는 동안에 위치될 수 있다;

(ⅲ) 단일 손의 작동 - 모든 동작은 세 개의 인터페이스 영역, 등, 손바닥 및 손가락을 사용하여 단일 손을 통하여 제어된다;

(ⅳ) 다수의 조향 가능한 부분의 단일 손의 작동 - 모든 동작은 동시에 세 개의 인터페이스 영역, 등, 손바닥 및 손가락을 작동하는 단일 손을 통하여 제어된다;

(ⅴ) 손의 바닥과의 간결한 인터페이스 맞춤, 본능적 작동은 학습 곡선을 단축한다; 및

(ⅵ) 어떠한 부착된/통합된 수술용 기구를 제어하도록 사용될 수 있다.

본 발명의 제어 유닛 및 인터페이스가 도 1a-13h를 참조하여 아래에 더 상세히 설명된다.

도 1a-b는 수술용 공구(12)에 부착된 제어 유닛(10)을 도시한다. 설명의 목적을 위하여 제어 유닛(10)은 도 1a에서 복강경(12)에 부착되고 사용자의 손은 제어 유닛(10)의 사용자 인터페이스(80)와 맞물리는 것으로(도 1b) 도시된다. 그러나, 제어 유닛(10, 또는 단지 그것의 인터페이스(80))는 본 발명으로부터 이익을 얻을 수 있는 어떠한 다른 수술용 기구에 부착되거나, 또는 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

제어 유닛(10)은 도 1c에 도시된 장치 유닛(16) 회로(15)를 포함하는 하우징(14) 및 하우징(14)의 근위 단부(20) 상에 장착되는 인터페이스(80)를 포함한다. 하우징(14) 및 인터페이스(80)는 기계가공, 3차원 프린팅 및/또는 주조/주형 제조 방법들을 사용하여 중합체 및/또는 합금으로부터 제조될 수 있다. 하우징(14)은 지름이 40-60㎜이고 높이가 60-120㎜일 수 있다.

복강경(12)은 조향 가능한 부분(22)을 갖는 샤프트(13) 및 말단에 장착되는 기구(24로 도시된 그라스퍼)를 포함한다. 복강경은 종래에 잘 알려진 재료들과 방법들을 사용하여 제조될 수 있다.

샤프트(13)는 드라이브 유닛(14)으로부터 조향 가능한 부분의 단부로 하나 이상의 제어 와이어(도시되지 않음)를 전달하고 드라이브 유닛(14)으로부터 그라스퍼(24)로 하나 이상의 작동 와이어를 전달하도록 그것의 길이를 따라 배치되는 복수의 와이어 가이드(wire guide, 도시되지 않음)를 포함한다. 두 개 이상의 개별적으로 조향 가능한 부분(예를 들면 지그재그-형태의 편향을 가능하게 하는)을 포함하는 장치의 경우에, 각각의 제어 와이어는 각각의 조향 가능한 부분의 말단에 전달된다.

샤프트(13)는 길이가 20-40㎝이고 지름이 3-12㎜일 수 있고 중공(hollow) 또는 고체일 수 있다. 중공 샤프트(13)는 와이어들의 내부 전달을 가능하게 하고, 샤프트(13)의 고체 구성에서, 와이어들은 전용 가이드들을 통하여 샤프트(13)의 외부 표면 상에 전달될 수 있다.

샤프트(13)의 조향 가능한 부분은 컷아웃(cutout)들(예를 들면, 미국특허 제 US4911148호에 도시된 것과 같은)을 갖는 튜브로부터 또는 링크들(예를 들면 미국특허 제 US7682307호 제 US6817974호)로부터 제조될 수 있고 제어 와이어들은 튜브 또는 링크들 내에 형성되는 가이드들을 통하여 구동한다. 대안으로서, 조향 가능한 부분은 본 발명의 발명자들에 의해 출원된 미국가특허출원 제 61/765,745호에 설명된 것과 같이 제조될 수 있고, 상기 출원은 여기에 전체가 통합된다.

샤프트(13)의 근위 단부(30)는 하우징(14)의 말단 단부(32)에 부착되고, 샤프트의 제어 및 작동 와이어들/로드(rod)들은 하우징(32)을 통하여 구동하고 드라이브 유닛(14)에 부착된다. 드라이브 유닛(16)은 제어 및/또는 작동 와이어들을 당기기 위하여 사용자 인터페이스(80)의 동작들을 이동시키기 위한 레버들 및 기어들을 포함할 수 있다. 그러한 전달은 기계식(수동) 또는 전동식이다. 드라이브 유닛(16)의 전동식 실시 예가 도 1c와 도 14a-b 및 도 15-16에 도시된다.

도 1b는 사용자의 손(100) 및 인터페이스(80) 사이의 맞물림을 도시한다. 외과의사의 손(100)은 사용자의 손가락들 중 세 개가 제 1 인터페이스(또는 여기서 손바닥 인터페이스(40)로서 언급되는)를 자유롭게 잡는 동안에 사용자의 손의 등(여기서는 등(101))이 구속장치(33, 등 인터페이스(30)의) 아래에 위치되는 것과 같은 방식으로 위치되고, 엄지 및 집계 손가락은 제 2 인터페이스(60, 또는 여기서 손가락 인터페이스(60)로서 언급되는)와 맞물린다.

도 1c는 드라이브 유닛 및 관련 부품들의 도면이 제거된 하우징 커버를 갖는 제어 유닛(10)을 도시한다. 드라이브 유닛(16)은 모터 팩, 배터리(11), 컨트롤러(15)의 전기 회로들 및 손바닥 인터페이스(40)의 베이스(41)를 포함한다. 장치 바디에 연결되는 투열 플러그(diathermia plug, 17)가 도시된다.

도 2a는 사용자 인터페이스(80)의 세 개의 제어 인터페이스; 등 인터페이스(30), 손바닥 인터페이스(40) 및 손가락 인터페이스(60)를 더 상세히 도시한다.

등 인터페이스(30)는 그것들의 단부들에 상호 연결되는 두 개의 아치형 소자(32 및 33)를 포함한다. 소자(33)는 등(101)과 맞물리고 거기에 아래쪽 힘을 적용하는 동안에 등(101)에 일치하도록 탄력적으로 변형 가능하다. 소자(32)는 완벽하게 단단하나 일부 탄성을 가질 수 있다. 등 인터페이스(30)는 31에서 손바닥 인터페이스(40)에 연결된다. 등 인터페이스(30)는 베이스(41)에 고정되어 부착될 수 있거나 또는 베이스(41)에 대하여 자유롭게 회전할 수 있고 이에 의해 사용자의 손이 손바닥 인터페이스(42)에 대항하여(상단 상에) 맞추는 방식으로 조정한다.

손바닥 인터페이스(40)는 베이스(41)에 대하여 손바닥 인터페이스(40)의 지향을 측정함으로써, 사용자의 손의 공간 지향들을 측정하기 위한 센서들을 포함하는 베이스(41)에 회전식으로 부착된다.

손가락 인터페이스(60)는 샤프트(91)를 통하여 손바닥 인터페이스(40)에 연결된다. 샤프트(91)는 샤프트(91)가 손바닥 인터페이스(40)와 관련하여 공간적으로 회전하도록 허용하는 볼 조인트(90, 도시되지 않음)의 일부분을 형성한다. 샤프트(91)의 동작은 최적 인체 공학을 달성하기 위하여 사용자가 손가락 인터페이스(60)를 조종하도록 허용한다.

노브(92)는 사용자가 볼 조인트(90) 상의 마찰력을 조정하도록 허용하고, 손바닥 인터페이스(40)와 관련하여 손가락 인터페이스(60)를 고정시키도록 허용하거나 또는 사용자가 언제든지 손가락 인터페이스(60)의 지향을 변경하는 것을 가능하게 한다.

손가락 인터페이스(60)는 장치의 이펙터 단부(예를 들면, 그라스퍼와 같은 수술용 공구)를 제어하도록 사용된다. 손가락 인터페이스(60)는 이러한 인터페이스의 레버들에 부착되는 센서들을 통하여 사용자의 손가락들 및 그것들의 지향 사이의 거리를 동시에 결정할 수 있다.

도 2b는 인터페이스(80) 및 사용자의 손(100) 사이의 일반적인 맞물림을 도시한다. 사용자의 손바닥은 손바닥 인터페이스(40)의 손바닥 표면(42)에 기대어져 있고, 등(101)은 등 인터페이스(30) 밑에 위치되고(그리고 소자(33)의 탄성 변형에 의해 아래쪽으로 힘을 받으며), 사용자의 손가락들 중 세 개는 손바닥 표면(42)의 원주(circumference)를 잡고 나머지 두 개의 손가락(엄지 및 집계 손가락)은 손가락 인터페이스(60)의 (핀치) 레버들(62)과 맞물린다. 인터페이스(80)를 잡고 있는 동안에, 사용자는 손바닥 표면(42)을 기울일 수 있고, 손가락 인터페이스(60)의 레버들(62)을 개방/폐쇄하거나 또는 회전시킬 수 있다. 이러한 동작들을 실행하는 동안에, 인터페이스(40 및 60)에 위치되는 센서들은 동작을 측정한다. 센서 측정들은 컨트롤러(15)에 의해 샘플링된다. 컨트롤러(15)는 손바닥 표면(42)의 지향을 관절(22)의 지향과 비교한다(도 5e). 만일 차이가 존재하면 컨트롤러는 사용자의 손의 지향과 일치하도록 관절(22)의 지향을 변경하기 위하여 모터들에 명령들을 보낸다.

손가락 인터페이스(60)는 예를 들면 이러한 인터페이스의 손가락 레버들(62)의 각도들을 측정함으로써, 레버들과 맞물리는, 엄지 및 집계 손가락 사이의 거리를 측정한다. 컨트롤러(15)는 손가락들 사이의 거리 및 예를 들면 그라스퍼 이텍터 단부의 조(jaw)들 사이의 거리 사이의 차이를 계산하고, 조 개방을 손가락 거리에 일치시키기 위하여 조 개방-폐쇄 메커니즘을 작동하는 모터에 명령들을 보낸다.

회전(트위스트) 측정은 손가락 인터페이스(60) 및 샤프트(91) 사이의 각도를 측정하는 회전 센서(도시되지 않음)를 통하여 가능해진다. 컨트롤러(15)는 손가락들의 각도 및 조와 샤프트 사이의 각도 사이의 차이를 계산한다. 만일 측정들 사이에 차이가 존재하면, 컨트롤러는 조 회전을 손가락 각형성과 일치하도록 하기 위하여 명령들을 조 회전 메커니즘을 작동하는 모터에 보낸다

컨트롤러(15)에 의해 샘플링된 일부 측정들은 최적 인체공학을 유지하도록 스케일링된다. 예를 들면, 사용자의 손의 동작은 상대적으로 작은 손바닥 동작을 통하여 샤프트 편향의 큰 변화를 제공하기 위하여 증대될(scale up) 수 있거나, 또는 대안으로서, 사용자의 손의 동작은 동작의 정확도를 증가시키도록 축소될 수 있다.

위에서 설명된 것과 같이, 이러한 인터페이스 소자들 각각은 상이한 제어 기능의 역할을 하고 세 개 모두는 복강경 공구(12), 조향 가능한 부분(22) 및 이펙터 단부(24, 예를 들면 그라스터)에 대하여 정확하고 직관적 제어를 가능하게 하도록 동시에 작동될 수 있다.

위에 더하여, 사용자 인터페이스는 또한 의료 장치의 샤프트 상에(예를 들면, 조향 가능한 부분 내, 또는 이펙터 단부(24)에서), 제어 유닛(10) 내에 위치되는 광원, 투열 장치, 카메라 등을 작동시키기 위한 버튼들(인터페이스(40 또는 60) 상에, 또는 제어 유닛(10)의 하우징 상에)을 포함할 수 있다.

등 인터페이스

도 3a-b는 본 발명의 원리에 따라 구성되는 등 인터페이스(30)의 일 실시 예를 도시한다. 등 인터페이스(30)는 힌지(31)를 통하여 손바닥 인터페이스(40)의 바디에 회전식으로 연결되는 아치 형태의 구속장치(32)를 포함한다.

힌지(31)는 자유롭게 회전할 수 있거나 또는 잠겨질 수 있고 핸들(32) 및 손바닥 인터페이스 말단 단부(42) 사이의 각도의 설정을 가능하게 한다.

소자(33)는 등 인터페이스 및 인간 손의 뒤쪽(등) 사이의 탄성/변형 가능 연결로서 역할을 한다.

등 인터페이스(30)는 사용자가 장치의 공간 위치 및 지향을 제어하도록 허용한다. 사용자가 도 3c-d에 도시된 것과 같이 손바닥 표면(42) 및 손가락 인터페이스(60)로부터 풀릴 때, 등 인터페이스(30)의 소자(33)는 사용자가 조직 액세스 부위와 관련하여 제어 유닛(10)에 부착되는 의료 장치의 높이, 각도 및 회전을 변경하는 것을 가능하게 한다. 그러한 제어는 팔꿈치 및 어깨 관절들 주위의 손동작들에 의해 달성되고 어느 정도는 실제로 손바닥 표면(42)을 잡을 필요 없이 몸통(torso) 동작들에 의해 달성된다. 등 인터페이스(30)는 또한 사용자가 손바닥 인터페이스를 고정하는 손가락을 해제하도록 하용하고, 이에 의해 여전히 인터페이스(80)에 맞물리는 동안에 손의 작동에 휴식을 제공한다.

손바닥 인터페이스

손바닥 인터페이스(40)는 제어 유닛(10)에 부착되는 장치와 관련하여 사용자의 팔의 지향을 측정한다.

도 4a-e는 손바닥 인터페이스(40)의 주요 부품들을 도시한다. 베이스(41)는 하우징(14) 및 손바닥 표면(42) 사이의 연결이다. 베이스(41)는 모터(49)를 위한 하우징으로서 역할을 한다. 모터(49)는 구체 브레이크(spherical brake, 43)의 위치를 제어한다. 도 4c에 도시된 내부 구체 바디(48)는 베이스(41)로의 이동 없이 고정되고 조이 스틱 센서(50)를 포함한다. 반-구체 부품들(44 및 45)이 서로 연결되고 내부 구체 바디(48)를 형성하며 따라서 볼 조인트/짐벌을 포함한다. 실린더(51)는 로드(53)를 부품(45)의 상단 표면과 연결한다. 조립되었을 때, 부품들(44 및 45)은 부품(48) 주위로 회전할 수 있고 이에 의해 조이 스틱 센서(50)의 로드(53)를 회전시킨다. 핀(56)은 내부 구체 바디(48)에 연결되고 슬롯(57) 내에 연결된다. 이러한 구성은 볼 조인트의 부품들(44 및 45)이 내부 볼(48)의 제 3 축 주위의 원치 않는 트위스트를 방지한다. 빔(47)은 볼 조인트(부품들(44 및 45)로부터 형성된) 및 손바닥 표면(42)을 연결한다.

손바닥 표면(42)은 반구체로서 형태화되고 의료 장치의 원하는 기능들을 제어하기 위한 전기 스위치들을 포함할 수 있다. 스위치(52)는 비상 버튼(panic button)으로서 역할을 한다. 만일 사용자가 의료 장치가 원하는 대로 기능을 하지 않는다는 것을 감지하면, 비상 버튼의 작동은 즉시 모터들을 멈추고 의료 장치의 어떠한 기능도 방지한다.

스위치(52)는 원하는 지향으로 관절을 "정지(freeze)"시키도록 사용자에 의해 활성화될 수 있는 볼 조인트 내의 제동 메커니즘을 제어한다. 스위치(52)가 작동될 때, 구체 브레이크(43)는 거기에 마찰을 적용하고 그것이 부품(50)에 대하여 회전하는 것을 방지하도록 부품(44)과 맞물린다(도 4e).

스위치(52)의 제 2 작동은 부품(44)으로부터 멀리 떨어져 브레이크(43)를 이동시키는 모터(49)를 작동한다(도 4d). 스위치(52)는 또한 도 18과 관련하여 아래에 더 설명되는 것과 같이 제어 유닛(10)의 다양한 작동 모드들을 설정하도록 사용될 수 있다.

도 4f는 손바닥 인터페이스(40)의 단면도이다. 모터(49)는 베이스(41)에 연결된다. 너트(58)는 모터(49)의 축(55)에 고정되고 브레이크(43)의 베이스에 끼워진다(threaded); 축(55)이 회전할 때, 너트(58)가 회전한다. 브레이크(43)는 회전할 수 없고 축(55)의 회전을 선형 운동으로 바꾼다. 제 1 방향으로의 축(55)의 회전은 브레이크(43)를 위로 이동시키고 반대도 그렇다.

도 4g는 두 개의 직교 평면에서 레버의 지향을 측정하는 두 개의 직교 전위차계(potentiometer)를 기계적으로 회전시키는 중앙 레버(central lever, 53)를 포함하는 조이 스틱 센서를 도시한다.

도 5a-e는 손바닥 인터페이스의 지향 및 관절(22)의 지향 사이의 관계를 도시한다. 도 5a-b는 관절(22)이 제 1 평면에서 측 a 및 측 b에 따라 구부러지도록 야기하는 오른쪽-왼쪽 평면 상에 경사진 손바닥 인터페이스(40)를 도시한다.

도 5c-d는 제 1 평면에 직각인 제 2 평면에서 측 c 및 측 d에 따라 구부러지도록 야기하는 전방향-후방향 평면 상에 경사진 손바닥 인터페이스(40)를 도시한다. 다른 평면들 내의 손바닥 인터페이스의 지향은 관절의 동등한 지향을 야기할 것이다.

손가락 인터페이스

손가락 인터페이스(60)는 사용자가 이펙터 단부(24, 그라스프)의 2가지 주요 자유도를 제어하는 것을 가능하게 한다: 조 개방-폐쇄 및 조들의 회전. 그러한 제어는 직관적이고 손바닥 인터페이스(40) 및 등 인터페이스(30)와 함께 동시에 영향을 받을 수 있다.

도 6a-b는 제어 유닛(10)의 손가락 인터페이스(60)를 도시한다. 도 6a는 샤프트(91)를 통하여 손바닥 인터페이스(40)에 연결되는 손가락 인터페이스(60)를 도시한다. 도 6b는 샤프트(91)를 포함하는 볼 조인트 메커니즘(90)을 도시한다. 샤프트(91)는 하우징(93)에 대하여 회전할 수 있다. 너트(92)는 볼 조인트 상의 힘을 조절하고 외과의사가 바디(92)에 대하여 원하는 지향으로 샤프트(91)를 고정하는 것을 허용하도록 사용된다. 샤프트(91)의 말단 단부는 손가락 인터페이스(60)가 샤프트(91) 주위로 회전하는 것을 방지하기 위하여 직사각형 형태이다.

도 7a-b는 손가락 인터페이스(60)의 인체공학적 조정들을 위한 사용자 선택사항을 도시한다. 도 7a는 손바닥 표면(42)과 관련하여 손가락 인터페이스(60)의 가능한 지향들을 도시한다. 도 7b는 손가락 인터페이스(60) 및 손바닥 표면(42) 사이의 거리의 조정 가능성을 도시한다.

도 8a는 손가락 인터페이스(60)의 하우징(63) 내부 레버들(61) 및 외부 레버들(62)을 도시한다; 손가락들(엄지 및 집계)은 내부 레버들(61) 및 외부 레버들(62) 사이에 위치될 수 있다. 하우징(63)은 하우징(63)이 샤프트(91) 주위로 회전하는 것을 방지하는 사각형 베이스(61)를 통하여 샤프트(91)에 연결된다.

사용자의 손가락들과의 최적 맞춤을 달성하기 위하여 내부 레버들(61) 및 외부 레버들(62) 사이의 각도를 변형하도록 힌지(64)가 사용될 수 있다.

도 8b-c는 손가락 인터페이스(60)의 단면도이다. 내부 레버들(61)은 힌지(65) 주위를 회전하는 브래킷들(66)에 고정된다. 중앙 샤프트(69)의 핀(69)은 브래킷들(66)의 단부에서 가늘고 긴 홀들(67)을 통하여 위치된다. 내부 레버들(61)에 의한 브래킷들(66)의 회전은 샤프트(69)의 선형 운동(핀(67)을 통한)에 이르게 한다.

자석(70)이 샤프트(69)의 단부에 고정되고 자기 센서(71, 도 8d)가 샤프트(69)의 주 평면과 평행하게 위치된다. 센서(71)는 자석(70)의 선형 운동을 측정한다. 측정된 운동은 컨트롤러(15)에 의해 샘플링되고 조들의 개방-폐쇄 운동과 위치를 제어하도록 사용된다.

도 8c는 사용자가 엄지 및 집계 손가락 사이의 거리를 증가시킬 때, 하우징(63) 외부의 내부 레버들(61)의 회전으로부터 야기하는 선형 운동을 도시한다. 자석(70)은 내부 레버들(61)이 안쪽으로 눌려진 내부 위치로부터 약 4㎜ 이동한다. 외부 레버들(62)은 내부 레버들(61)을 개방하도록 사용될 수 있거나, 또는 스프링(도시되지 않음)이 정상적으로 개방 위치 내에서 내부 레버들(61)을 유지하도록 사용될 수 있다. 내부 레버들(61) 및 외부 레버들(62) 사이의 각도는 힌지(64)를 사용하여 조정될 수 있다.

도 9a-i는 손가락 인터페이스(60), 자기 센서(71)에 대한 자석(70)의 상응하는 선형 이동 및 그라스퍼(24)의 조들의 위치들에 의해 가능한 조 개방-폐쇄 작동 모드들을 도시한다.

도 10a-c는 조들의 회전 모드들 및 회전의 정도를 측정하기 위한 메커니즘을 도시한다.

자석(70, 샤프트(69) 상에 장착된)은 D 형태의 개구부(74) 회전 위치 센서(73) 내에 들어맞는 평평한 표면을 갖는다. 샤프트(69)는 레버들(61 및 62)이 사용자에 의해 회전될 때 개구부(74)를 통하여 미끄러진다. 레버들(61 및 62)의 회전은 손가락 인터페이스(60)의 바디와 관련하여 하우징(79) 및 샤프트(69)를 회전시킨다. 회전 위치 센서(73)는 바디(63)에 고정되고, 이와 같이 샤프트(69)는 회전 위치 센서(73)의 내부 바디(75)를 회전시킬 수 있고 이에 따라 레버들(61 및 62) 및 샤프트(91) 사이의 회전 각도의 측정을 가능하게 한다. 회전 위치 센서(73) 데이터는 손가락 인터페이스(60)의 지향을 그라스퍼(24)의 조들의 지향과 비교하는 컨트롤러(15)에 의해 샘플링된다. 만일 차이가 존재하면 컨트롤러(15)는 그라스퍼(24)의 조들의 지향이 사용자의 손가락들의 지향과 일치하도록 모터들에 명령을 보낸다.

도 11a-c는 적어도 두 개의 조향 가능한 위치를 제어하도록 사용될 수 있는 사용자 인터페이스(80)의 일 실시 예를 도시한다. 도 11a는 의료 장치(복강경)의 제 2 조향 가능한 부분의 제어를 가능하게 하는 부가적인 센서(50b)를 도시한 인터페이스(80)의 단면도이다. 도 11b는 두 개의 독립적으로 조향 가능한 부분, 근위 조향 가능한 부분(102) 및 말단 조향 가능한 부분(103)의 관절을 도시한다.

도 12a-e는 인터페이스(60)의 손가락 회전 메커니즘을 통한 제2 조향 가능한 부분의 지향을 도시한다. 제 1 조향 가능한 부분은 위에 설명된 것과 같이 손바닥 인터페이스(40)를 통하여 제어된다.

도 13a-h는 인터페이스(40) 및 인터페이스(60)의 손가락 회전 메커니즘의 다양한 작동 모드들 및 결과로서 생기는 두 개의 조향 가능한 부분의 독립적인 편향을 도시한다. 도 13a는 "홈(home)" 위치에서의 인터페이스를 도시한다. 두 개의 독립적인 조향 가능한 부분은 도 13b에 도시된 것과 같이 동일 선상이다. 도 13c는 근위 조향 가능한 부분(102)만의 편향을 야기하는(도 13d) 인터페이스(40)의 작동을 도시한다. 인터페이스(60)의 작동 및 결과로서 생긴 말단 조향 가능한 부분(103)만의 편향이 도 13e-f에(각각) 도시되고, 두 인터페이스 모두의 작동 및 결과로서 생긴 두 조향 가능한 부분의 편향이 도 13g-h에(각각) 도시된다.

도 14a-16은 제어 유닛(10)의 전동식 드라이브 유닛(16) 실시 예를 도시한다. 도 14a에 도시된 것과 같이, 드라이브 유닛(16)은 모터 팩(102) 및 케이블 풀리 시스템(cable pulley system, 104)을 포함한다.

모터 팩(102)은 인터페이스(80)에 의해 개별적으로 작동되는 하나 이상의 모터(108, 도 14a에 도시된 5개의 모터 중 세 개)를 포함한다. 모터들(108)은 근위 단부(130) 내에 수용된 배터리 팩(예를 들면, 3AA 1.5V 재충전 가능 배터리들, 도시되지 않음)에 의해 전력이 공급되는 전기 모터들(예를 들면, 1:256, 1:64의 기어비들을 갖는 FAULHABER 모터들(1024))이다. 모터 팩(102)은 하우징(14)의 근위 단부(130) 및 모터 하우징 바닥(112) 사이에 위치된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, 제어 유닛(10)은 5개의 모터(108), 제어 케이블들을 당기고 해제하기 위한 3개의 모터, 그라스퍼(24)의 조들의 개방과 폐쇄를 위한 하나의 모터(108) 및 조들을 회전시키기 위한 하나의 모터(108)를 포함한다.

제어 케이블들을 당기고 해제하는 모터들(108)은 서로로부터 120도에서 오프셋되는 모터 팩(102)의 중앙 세로 축 지점 주위에 배치된다. 그러한 배치는 관절의 완전한 제어를 가능하게 하는 세 개의 제어 케이블의 동시 작동을 허용한다.

도 14a에 도시된 것과 같이, 드라이브 유닛(16)은 또한 그라스퍼(24)를 작동하기 위한 링키지(linkage, 128)를 포함한다. 링키지(128)는 근위 단부(130) 내에 위치되는 드라이브 기어를 구동하는 모터(130)에 의해 작동된다. 모터 드라이브는 근위 단부(130) 내의 링키지(128)의 샤프트에 직접적으로 부착되는 제 2 기어와 맞물린다.

근위 단부(130)는 또한 메모리 유닛 및 컨트롤러 칩뿐만 아니라 펌웨어를 업로드하고, 모터들(108)과 인터페이스 소자들의 작동을 계산하기 위하여 제어 유닛(10)을 컴퓨터에 연결하기 위한 포트들을 포함할 수 있다.

모터들(108)은 모터-스크루 결합(119, 도 16)을 거쳐 스크루 하우징(116)을 통하여 케이블 풀러(cable puller, 114)에 연결된다. 스크루 하우징(116)은 모터(108)의 드라이브 샤프트의 회전 운동을 케이블 풀러(114, 도 14b에 개별적으로 도시된)의 선형 움직임(위/아래)으로 바꾸는 기능을 한다. 모터(108)는 모터-스크루 결합(119, 도 16)을 통하여 모터 기어에 결합되는 스크루 하우징(116)을 회전시킨다. 케이블 풀러(114)의 근위 단부는 스크루 하우징(116) 내의 나선형 홈과 맞물리는 나선형 스레드(thread, 도 14b에 도시된)를 포함한다. 케이블 풀러(114)는 그것이 회전하는 것을 방지하고 따라서 그것을 모터(108)의 회전 하에서 개구부를 통하여 선형으로(위/아래) 이동하도록 강요하는 하우징 바닥(117) 내의 반원형 개구부를 통과한다. 케이블 풀러(114)의 말단 부분은 케이블 헤드(115)에 부착되는 케이블(113, 도 16)에 결합하기 위한 홈(groove, 111, 도 14b)을 포함한다.

드라이브 유닛(16)은 또한 모터 팩(102) 및 케이블 풀리 시스템(104) 사이에 위치되는 기어 클러스터(106, 도 15에 분리 도면으로 도시된)를 포함한다. 기어 클러스터(106)는 스크루 하우징들(116) 주위에 장착되는 드라이브 기어들(118), 및 드라이브 기어들(118)을 센서 하우징 기어들(122)에 상호 연결하는 비-드라이브 기어들(130)을 포함한다.

도 16은 드라이브 기어(118), 비-드라이브 기어(130) 및 센서 하우징 기어(122) 사이의 구동 관계를 도시한다.

드라이브 기어(118)는 비-드라이브 기어(130)를 회전시키기 위하여 모터(108)의 회전으로 회전하고 이는 차례로 센서 하우징 기어(122)를 회전시킨다. 센서 하우징 기어(122)는 회전 센서(124)에 대항하여 센서 하우징(123)을 회전시키고, 이는 드라이브 유닛(16)에 회전의 정도 및 따라서 케이블 풀러(114)의 위/아래 운동의 정도의 표시를 제공한다. 회전 센서(124)는 하우징(123)에 고정되는 자기 디스크(125) 위에 위치되는 자기 회전 칩을 포함할 수 있다. 칩은 거리로부터 1㎜까지 자기 디스크(125)의 회전을 감지할 수 있다.

제어 유닛(10)은 또한 제어 유닛(10)의 위/아래 및 좌-우 이동뿐만 아니라, 각 회전 및 그것의 속도를 감지하기 위한 가속도계(accelerometer)들 및/또는 자이로스코프(gyroscope)들을 포함할 수 있다. 그러한 이동 및 각 파라미터들은 체강 내에 위치하는 장치와 관련하여 외과의사에 피드백을 제공하거나 및/또는 장치의 특정 각도들에서 인터페이스 작동의 정도를 한정하도록 사용될 수 있다.

위에서 설명된 것과 같이, 제어 유닛(10)에 부착된 수술용 공구의 작동은 손바닥 인터페이스(40)의 지향과 손가락 인터페이스(60)의 관절 운동의 방향 및 단부 이펙터의 작용과 이동(예를 들면, 회전) 사이의 기능적 관계의 달성에 의해 영향을 받는다. 도 17은 사용자가 손바닥 및 손가락 동작을 통하여 수술용 공구를 제어하는 것을 가능하게 하는 인터페이스(80, UI), 제어 유닛 및 부착된 복강경 사이의 기능적 관계를 도시한다.

제어 유닛(10)은 또한 다른 유용한 작동 모드들을 가능하게 한다. 그러한 작동 모드들은 사용자의 손이 인터페이스(80) 내에 위치될 때 사용자의 손가락에 의해 도달 가능한 위치에서, 제어 유닛(10)에 위치되는 제어 스위치를 통하여 개시될 수 있다. 활성화(및 불활성화)는 제어 스위치 상의 클릭(들)의 특정 순차/기간을 통하여 영향을 받을 수 있다.

각각 클릭들의 특정 순차/기간을 통하여 활성 가능한, 몇몇 작동 모드들이 도 18에 도시된다. 그러한 모드들은 제어 유닛(10)의 제동 메커니즘을 통하여 촉진될 수 있다(도 4에 도시된 모터(49) 및 구체 브레이크(43)가 제동 메커니즘으로서 사용될 수 있다).

예를 들면, 클릭(들)의 하나의 특정 순차/기간은 반-구체 부품(44)을 향하여 이동하는 모터(49)를 통하여 "정지 모드"(특정 위치로 손바닥 인터페이스 및 부착된 공구를 잠금)를 활성화할 수 있다. 모터(49)는 제어 유닛(10)이 손바닥 인터페이스의 기동성을 중단시키기 위하여 반-구체 부품(44) 상에 충분한 제동력이 적용되는 것을 검출할 때 자동으로 불활성화된다.

따라서, 그러한 "정지 모드"는 사용자가 특정 지향으로 손바닥 인터페이스(40) 및 부착된 공구를 잠그는 것을 가능하게 한다.

클릭(들)의 또 다른 특정 순차/기간은 수동 모드를 활성화할 수 있다. 그러한 모드는 사용자가 부착된 공구를 이동시키기 않고 손바닥 인터페이스를 이동시키는 것을 가능하게 한다.

"수동 모드"는 사용자가 바람직한 관절 지향으로 작업하고는 손바닥 인터페이스(40) 상의 편안한 손 지향을 자유롭게 선택하는 것을 가능하게 한다.

클릭(들)의 또 다른 특정 순차/기간은 손바닥 인터페이스(40)가 자유롭게 이동하도록 허용하는 동안에 관절을 직선 지향으로 이끌고 그리고 나서 수술용 공구의 연결 가능한 샤프트를 직선 지향으로 정지시키기 위하여 직선 관절(straight articulation) 모드를 활성화할 수 있다.

"직선 관절" 모드는 투관침(trocar)을 통하여 공구를 진행시키는데 유용하다; 게다가 직선 구성일 때, 공구는 종래의 복강경 공구들을 모방할 수 있다.

위의 모드들 중 어느 하나에서, 손가락 인터페이스(60)는 일반적으로 영향을 받지 않는데, 즉 사용자는 예를 들면 그라스퍼의 조들을 개방/폐쇄하고 회전시키기 위하여 이러한 인터페이스를 사용할 수 있으나, 활성화가 또한 손가락 인터페이스(60)를 잠그는 시나리오가 또한 여기서 예상된다. 예를 들면, 외과의사가 조들로 일정한 힘을 적용하거나 또는 조들을 바람직한 각도로 서로 고정하고자 할 때 외과의사는 클릭(들)의 특정 순차/기간으로 손가락 레버들을 개방함으로써 이러한 모드를 활성화할 수 있다.

여가서 사용되는 것과 같이 용어 "약"은 ±10%를 언급한다.

본 발명의 부가적인 목적들, 장점들 및 신규 특징들은 아래의 실시 예들의 실험 상에서 통상의 지식을 가진 자들에 자명해질 것이나, 이는 이에 한정되는 것으로 의도되지 않는다.

실시 예들

이제 위의 설명들과 함께, 비-제한적 방식으로 본 발명을 설명하는 아래의 실시 예들이 참조된다.

몇몇 형태의 복강경 공구들로 작업하는 동안에, 본 발명의 발명자들은 공구 인터페이스가 그것의 아킬레스 건(Achilles heel)이라는 사실을 인식하였다. 단독의 복강경 공구들을 지탱하고 작동하기 위하여, 제한된 정도의 제어 및 작동성을 갖는 부자연스러운 이동들을 실행하는 것이 필요하다. 이는 특히 복강경 위치선정 및 공구 조작이 단일의 다중 목적 인터페이스(예를 들면, 복강경을 위치시키고 조직 조작 단부를 작동하기 위하여 사용되는 통상의 가위 유사 핸들들)를 통하여 영형을 받는 경우에 사실이다. 종래 인터페이스들의 이러한 결점들을 극복하기 위하여, 본 발명의 발명자들은 복강경의 기능들을 개별 인터페이스 소자들로 분리하고 단일 손을 통하여 그러한 인터페이스에 대한 완전하고 동시 제어를 가능하게 하는 인터페이스를 고안하기 시작하였다.

본 발명을 실행하는데 있어서, 본 발명의 발명자들은 위의 인터페이스 디자인 철학을 구현하는 몇몇 프로토타입들로 실험하였다. 위의 문제점에 대한 해결방안은 외과의사의 손의 동작을 복강경의 동작에 직관적으로 연결하고 세 개의 독특한 인터페이스 소자를 작동하기 위하여 손의 세 개의 독특한 부분을 사용하는 인터페이스로 밝혀졌다.

도 19는 복강경 샤프트에 부착된 프로토타입 제어 유닛을 도시한다. 도 20은 제어 유닛의 드라이브 유닛 부분을 도시한다.

이러한 프로토타입은 공구의 풀리들에 연결되는 모터 팩을 포함한다. 모터 팩은 작은 모터들 및 4 자유도를 작동한 트랜스미션들을 포함하였다. 모터 팩의 크기와 중량은 외과의사에 의해 운반되기에 충분히 작았다. 인터페이스는 샤프트 축과 동일한 방향으로 모터의 상부 측에 연결되었다. 모터 팩 및 인터페이스 사이의 조인트는 외과의사가 인터페이스 및 샤프트의 긴 축 사이의 지향을 변경하도록 허용하였다. 모터 팩은 제어 소프트웨어의 설치를 허용한 프로그램 가능 제어 회로를 포함하였다. 공구를 검사하는 동안에 모터 팩은 배터리들 또는 휴대폰 변압기를 사용하였다.

본 발명의 제어 유닛 및 인터페이스의 작동성은 부착된 복강경 팬텀(phantom) 및 표준 복강경 제어 검사들을 사용하여 초보 사용자들의 그룹 상에서 검사되었다. 사용자들은 수 분 이내에 작은 대상들을 붙잡고 그것들을 작은 컵들 내로 이동시키거나 또는 작은 고무 루프들을 끼우는 것과 같은 작업들을 완료하였다. 사용자들은 또한 수분 이내에 오른쪽 지향으로 수술용 니들(needle을 붙잡을 수 있었다. 인터페이스를 검사한 외과의사는 인터페이스로의 짧은 예비 도입 10분 후에 제 1 완전한 봉합(suture)을 실증하였다.

명확성을 위하여 개별 실시 예들의 맥락에서 설명된, 본 발명의 특징들은 또한 단일 실시 예에서 조합하여 제공될 수 있다는 사실은 자명하다, 반대로, 예를 들면 단일 실시 예의 맥락에서 설명된, 본 발명의 다양한 특징들은 또한 개별적으로 또는 어떤 적절한 서브조합으로 제공될 수 있다.

특정 실시 예들과 함께 본 발명이 설명되었으나, 통상의 지식을 가진 자들에 많은 대안들, 변형들 및 변경들이 자명해질 것이라는 것은 분명한 사실이다. 따라서, 첨부된 청구항들의 정신 및 광범위한 범위를 벗어나지 않는 그러한 대안들, 변형들 및 변경들을 모두 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 언급된 모든 문헌, 특허 및 특허출원은 각각의 개별 문헌, 특허 또는 특허출원이 특별하고 개별적으로 여기에 참조로써 통합되는 것으로 나타낸 것과 같은 정도로, 여기에 참조로써 전체가 본 명세서에 통합된다. 게다가, 본 출원서 내의 어떠한 참고문헌의 인용 또는 확인은 그러한 참고문헌이 본 발명에 대한 종래 기술로서 이용 가능하다는 인정으로서 구성되어서는 안 된다.

10 : 제어 유닛
11 : 배터리
12 : 복강경
13 : 샤프트
14 : 하우징
15 : 컨트롤러
16 : 드라이브 유닛
17 : 투열 플러그
20 : 하우징의 근위 단부
22 : 조향 가능한 부분
24 : 그라스퍼
30 : 등 인터페이스
31 : 힌지
32 : 핸들
33 : 구속장치
40 : 손바닥 인터페이스
41 : 손바닥 인터페이스의 베이스
42 : 손바닥 표면
43 : 구체 브레이크
44, 45 : 반-구체 부품
47 : 빔
48 : 내부 구체 바디
49 : 모터
50 : 조이 스틱 센서
51 : 실린더
52 : 스위치
53 : 중앙 레버
55 : 모터의 축
58 : 너트
60 : 손가락 인터페이스
61 : 내부 레버
62 : 외부 레버
63 : 손가락 인터페이스의 하우징
64, 65 : 힌지
66 : 브래킷
67 : 홀
69 : 중앙 샤프트
70 : 자석
71 : 자기 센서
73 : 회전 위치 센서
74 : 개구부
75 : 회전 위치 센서의 내부 바디
80 : 사용자 인터페이스
90 : 볼 조인트
91 : 샤프트
92 : 노브
93 : 하우징
100 : 사용자의 손
101 : 손의 등
102 : 모터 팩
103 : 말단 조향 가능한 부분
104 : 케이블 풀리 시스템
108 : 모터
111 : 홈
112 : 모터 하우징 바닥
113 : 케이블
114 : 케이블 풀러
115 : 케이블 헤드
116 : 스크루 하우징
118 : 드라이브 기어
122 : 센서 하우징 기어
124 : 회전 센서
123 : 센서 하우징
125 : 자기 디스크
128 : 링키지
130 : 비-드라이브 기어

Claims

의료 장치용 제어 유닛에 있어서, 상기 제어 유닛은:
(a) 상기 제어 유닛의 하우징에 부착되는 회전 지지체 상에 장착되고, 손의 바닥에 의해 맞물림 가능한, 제 1 인터페이스;
(b) 상기 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고, 상기 손의 바닥이 제 1 인터페이스와 맞물릴 때 상기 손의 등에 억제력을 적용하도록 탄력적으로 변형 가능한 소자를 갖는 구속장치(restraint); 및
(c) 상기 제 1 인터페이스에 회전식으로 부착되고 하나 이상의 손가락에 맞물림 가능한 제 2 인터페이스;를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함하는 제어 유닛.
제 1항에 있어서, 상기 회전 지지체는 짐벌식인 제어 유닛.
제 1항에 있어서, 상기 제어 유닛은 드라이브 유닛을 포함하는 하우징을 더 포함하는 제어 유닛.
제 1항에 있어서, 상기 제 2 인터페이스는 상기 손의 엄지 손가락 및 집계 손가락을 통하여 동시에 작동 가능한 레버들을 포함하는 제어 유닛.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 인터페이스는 상기 회전 지지체에 대하여 경사진 제어 유닛.
제 5항에 있어서, 상기 제 1 인터페이스의 경사는 상기 의료 장치의 조향 가능한 부분을 편향시키는 제어 유닛.
제 4항에 있어서, 상기 레버들은 상기 의료 장치의 이펙터 단부를 작동하는 제어 유닛.
제 1항에 있어서, 상기 제 2 인터페이스는 상기 제 1 인터페이스에 대하여 경사질 수 있는 제어 유닛.
제 5항에 있어서, 상기 제 2 인터페이스의 경사는 상기 의료 장치의 이펙터 단부를 편향시키는 제어 유닛.
제 3항에 있어서, 상기 드라이브 유닛은 상기 의료 장치를 작동하기 위한 적어도 하나의 모터 및 제어 와이어들을 포함하는 제어 유닛.
최소로 절개하는 수술 공구용 제어 유닛에 있어서, 상기 제어 유닛은:
(a) 사용자의 손의 등에 의해 맞물릴 수 있고 조직 액세스 부위와 관련하여 상기 최소로 절개하는 수술 공구의 각도와 높이를 제어하기 위한 제 1 인터페이스 제어;
(b) 상기 사용자의 상기 손의 바닥에 의해 맞물릴 수 있고 상기 최소로 절개하는 수술 공구의 조향 가능한 부분의 편향을 제어하기 위한 제 2 인터페이스 제어; 및
(c) 상기 사용자의 하나 이상의 손가락에 의해 맞물림 가능하고 상기 최소로 절개하는 수술 공구의 조직 조작 단부를 제어하기 위한 제 3 인터페이스 제어;를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제어 유닛은 드라이브 유닛을 포함하는 하우징을 더 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제 2 인터페이스 제어는 짐벌식인 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제 1 인터페이스 제어는 등 패드에 힌지식으로 연결되는 암을 포함하는 제어 유닛.
제 12항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 인터페이스 제어들과 관련하여 상기 하우징을 회전시키기 위한 노브를 더 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제 3 인터페이스 제어는 등 및 집계 손가락을 통하여 작동할 수 있는 한 쌍의 손가락 홀드를 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제 3 인터페이스 제어는 적어도 두 개의 수직 축 주의를 회전 가능한 볼을 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 사용자는 단일 손을 통하여 상기 제 1, 제 2 및 제 3 인터페이스 제어를 동시에 작동할 수 있는 제어 유닛.
제 12항에 있어서, 상기 드라이브 유닛은 상기 최소로 절개하는 복강경 공구를 작동하기 위한 적어도 하나의 모터를 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 사용자의 손을 상기 제 1 인터페이스 제어에 고정하기 위한 스트랩 또는 클램프를 더 포함하는 제어 유닛.
제 11항에 있어서, 상기 제 2 또는 제 3 인터페이스 및 상기 최소로 절개하는 수술용 공구 사이의 기능적 연결은 사용자에 의해 분리될 수 있는 제어 유닛.
제 21항에 있어서, 상기 기능적 연결을 활성화/불활성화하기 위한 사용자 맞물림 가능한 스위치를 더 포함하는 제어 유닛.
제 21항에 있어서, 상기 기능적 연결의 불활성화는 상기 최소로 절개하는 수술용 공구를 현재 위치로 동결하는 제어 유닛.
제 23항에 있어서, 상기 제 2 또는 상기 제 3 인터페이스는 상기 최소로 절개하는 수술용 공구가 제자리에 동결될 때 사용자에 의해 조작될 수 있는 제어 유닛.