KR20160105919A - 팁의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 기기의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템 - Google Patents

팁의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 기기의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템 Download PDF

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데이비드 큐. 라킨
다니엘 고메즈
타비쉬 무스타파
폴 더블유. 모어
폴 이. 리라간
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Abstract

수술 도구(231, 241)를 가진 엔트리 가이드(200) 및 그 말단 끝부 밖으로 뻗어 있는 카메라(211)를 포함하는 의료용 로봇 시스템이 개시된다. 카메라에 의해 캡쳐된 이미지에 의해 제공되는 화면을 보충하기 위해, 수술 도구의 관절형 팔 및/또는 카메라를 포함하는 보조 화면이 그들의 위치 및 방향에 대한 감지된 또는 그렇지 않다면 판정된 정보로부터 생성되고, 특정된 시점의 펄스펙티브로부터 디스플레이 스크린(140) 상에 디스플레이된다. 운전자가 카메라의 위치 및 방향을 조절할 때 보조 화면에 대하여 운전자에게 직관적인 제어가 제공된다.

Description

팁의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 기기의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템{MEDICAL ROBOTIC SYSTEM PROVIDING COMPUTER GENERATED AUXILIARY VIEWS OF A CAMERA INSTRUMENT FOR CONTROLLING THE POSITIONING AND ORIENTING OF ITS TIP}
본 발명은 일반적으로 의료용 로봇 시스템에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 팁의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 기기의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템에 관한 것이다.
미소절개 수술을 수행하는데 사용되는 시스템과 같은 의료용 로봇 시스템은 적은 통증, 짧은 입원기간, 정상적인 생활로의 빠른 복귀, 최소 흉터, 회복시간 단축, 및 더 적은 조직의 손상을 포함하여, 전통적인 수술 기술을 능가하는 다양한 이점을 제공한다. 결과적으로, 이러한 의료용 로봇 시스템에 대한 수요는 크게 증가하고 있다.
WO2008/103383A1은 카메라 및 카메라의 말단 팁에 있는 기기를 위치 조절하기 위해 내시경이 위치 조절될 수 있는 내시경 시스템을 서술한다. 내시경 상에 놓여진 기준은 소정의 정위고정성(stereotactic) 공간에서 말단 팁의 추적을 가능하게 하여, 카메라에 의해 캡쳐되는 이미지는 모니터 상의 디스플레이를 위한 프로세서에 의해 확대되거나, 회전되고, 그리고/또는 일반적으로 조종될 수 있는 3차원의 수술전(pre-operative) 스캔 데이터와 정렬 및 결합될 수 있다.
이러한 의료용 로봇 시스템의 하나의 예는 미소절개 로봇 수술 시스템인 캘리포니아 서니베일의 인튜이티브 서지컬 인코퍼레이션으로부터의 다빈치?서지컬 시스템이다. 다빈치?서지컬 시스템은 수술 부위의 이미지 캡처링 디바이스에 의해 캡처된 이미지를 수술의가 봄으로써, 입력 디바이스의 움직임에 응답하여, 이미지 캡처링 디바이스 및 인튜이티브 서지컬의 소유물인 엔도리스트?관절형 수술기기와 같은, 의료용 디바이스에 부착되어 이동하는 다수의 로봇 팔을 포함한다. 각각의 의료용 디바이스는 수술부위에서 의료시술을 수행하기 위해 자신의 미소절개부를 통해 환자 몸속으로 삽입되고 위치조절된다. 절개부는 환자의 몸에 접하여 위치되어, 수술기기가 의료시술을 협동적으로 수행하기 위해 사용될 수 있고, 이미지 캡쳐 디바이스가 시술동안 그들의 로봇 팔과 충돌하지 않도록 그것을 볼 수 있다.
특정한 의료시술을 수행하기 위해 환자 몸속으로 삽입하기 위해, 미소절개부 또는 자연개구부(natural body orifice)와 같은, 하나의 엔트리 애퍼어처를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 엔트리 가이드가 먼저 삽입되고, 위치조절되고, 엔트리 애퍼어처 내에 위치 고정된다. 그 다음, 의료시술을 수행하기 위해 사용되는 관절형 카메라 및 복수의 관절형 수술도구와 같은 기기들이 엔트리 가이드의 말단 끝부로부터 뻗을 수 있도록 엔트리 가이드의 근단 끝부로 삽입될 수 있다. 그러므로, 엔트리 가이드는 수술 부위를 향해 그들을 가이드할 때, 그 기기들을 함께 번들된 상태로 유지하면서 복수의 기기에 대하여 하나의 엔트리 애퍼어처를 제공한다.
엔트리 가이드가 대체적으로 미소절개부 또는 자연개구부를 통과하기에 알맞도록 비교적 작은 직경을 가지므로, 의료시술을 수행하기 위해 수술도구를 원격조종하고, 카메라가 그것을 보는 동안 다양한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 카메라 기기가 수술도구와 함께 묶여 있으므로, 수술도구에 대한 위치조절이 제한되고, 결과적으로 수술도구의 시야가 제한된다.
그러므로, 관절형 수술도구의 팁이 카메라의 시야 내에서 유지될 수 있다 하더라도, 수술도구의 관절능력을 용이하게 하는 제어가능한 조인트에 의해 연결된 링크는 카메라의 시야 내에 있지 않을 수 있다. 결과적으로, 수술도구의 링크는 수술 수행동안 서로 (또는 카메라 기기의 링크와) 충돌할 위험이 있고, 그 결과 환자를 위험하게 하거나, 또는 그렇지 않다 하더라도 수술 수행에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다.
또한, 관절형 카메라가 대체로 자신의 제어가능한 링키지를 볼 수 없기 때문에, 운전자가 카메라 팁을 이동시키는 것은 특히 수술 도구 링크와의 충돌을 피해야 한다는 걱정거리이다. 또한, 수술 도구 및 카메라를 원격조종함에 있어서 운전자를 돕기 위해 직관적 제어가 제공될 때, 도구 및 카메라의 팁의 그러한 직관적 움직임을 만들기 위해 요구되는 링키지의 모션은 운전자에게 명백하거나 직관적이지 않을 수 있고, 그러므로 운전자가 카메라의 시야를 벗어난 링키지 사이의 충돌을 피하는 것을 훨씬 더 어렵게 만든다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 형태의 하나의 목적은 카메라를 위치 및 방향 조절하기 위한 카메라의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템을 구현하는 방법이다.
본 발명의 하나 이상의 형태의 다른 목적은 카메라의 보조 화면을 보면서 카메라의 위치 및 방향을 제어하는 운전자에게 직관적인 제어를 제공하는 의료용 로봇 시스템을 구현하는 방법이다.
본 발명의 하나 이상의 형태의 다른 목적은 카메라를 제어가능하게 위치 및 방향 조절함과 동시에, 카메라의 시야를 벗어난 관절형 기기의 링키지의 배열(configuration)의 운전자의 이해를 돕는 의료용 로봇 시스템을 구현하는 방법이다.
이러한 목적 및 추가적인 목적은 본 발명의 다양한 형태에 의해 달성되는데, 간단히 언급하자면, 하나의 형태는 카메라 팁(즉, 카메라의 뷰잉 끝부 또는 이미지 캡쳐 끝부)을 위치 및 방향 조절하는 방법이고, 본 방법은 카메라 팁을 위치 및 방향 조절하기 위해 사용되는 기계 엘리먼트의 위치를 판정하는 단계, 기계 엘리먼트의 판정된 위치를 사용하여 카메라 팁의 위치 및 방향을 판정하는 단계, 가상 카메라의 펄스펙티브(perspective)에 대응하는 카메라의 컴퓨터 모델의 화면을 생성하는 단계, 디스플레이 스크린에 상기 화면을 디스플레이하는 단계, 및 카메라 팁의 위치 및 방향이 카메라의 컴퓨터 모델의 디스플레이된 화면에 대응하도록 디스플레이 스크린을 보면서 입력 디바이스를 조종하는 운전자에게 직관적으로 나타나도록, 입력 디바이스의 조종에 응답하여 기계 엘리먼트를 이동시킴으로써 카메라 팁의 위치 및 방향을 제어하는 단계를 포함한다.
다른 형태는 카메라, 카메라의 팁을 위치 및 방향 조절하기 위해 사용되는 기계 엘리먼트, 디스플레이 스크린, 입력 디바이스, 및 컨트롤러를 포함하는 의료용 로봇 시스템이다. 컨트롤러는 기계 엘리먼트의 위치를 판정하고, 기계 엘리먼트의 판정된 위치를 사용하여 카메라 팁의 위치 및 방향을 판정하고, 가상 카메라의 펄스펙티브에 대응하는 카메라의 컴퓨터 모델의 화면을 생성하고, 상기 화면을 디스플레이 스크린에 디스플레이하고, 그리고 카메라 팁의 위치 및 방향이 카메라의 컴퓨터 모델의 디스플레이된 화면에 대응하도록 디스플레이 스크린을 보면서 입력 디바이스를 조종하는 운전자에게 직관적으로 나타나도록, 입력 디바이스의 조종에 응답하여 기계 엘리먼트를 이동시킴으로써 카메라 팁의 위치 및 방향을 제어하도록 설정된다.
본 발명의 다양한 형태의 추가적인 목적, 특징, 및 이점은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 아래의 바람직한 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 의료용 로봇 시스템의 팁의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 기기의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공한다.
도 1은 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템을 채용한 수술실의 탑 뷰를 도시한다.
도 2는 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템 내의 좌우 수동 조종가능한 입력 디바이스에 디바이스 조종기를 선택적으로 연결하고 제어하는 컴포넌트의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3-4는 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템에서 사용되는 엔트리 가이드의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 한 쌍의 관절형 구술도구, 및 관절형 카메라의 탑뷰 및 측면도를 각각 도시한다.
도 5는 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는 엔트리 가이드 및 가이드의 4 자유도의 움직임의 투시도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는, 그 근단 끝부와 말단 끝부 사이로 뻗어 있고, 그 내에 통로를 가진 엔트리 가이드의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는 엔트리 가이드 조종기의 상호작용 컴포넌트의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 8은 본 발명의 특성을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는 관절형 기기, 및 관절형 기기 조종기의 상호작용 컴포넌트의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 9는 본 발명의 특징을 이용한, 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는, 기기 조인트 위치 및 포워드 키네매틱스를 사용하여 기기 링크 위치 및 방향을 결정하기 위한 데이터 및 프로세싱 흐름도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템에 사용되는 감지된 기기 팁 위치 및 인버스 키네매틱스를 사용하여 기기 조인트 위치를 판정하기 위한 데이터 및 프로세싱 흐름도를 도시한다.
도 12-13은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내에 구현된 하나의 방법에 의해 생성되고 디스플레이 스크린상에 디스플레이된 탑 보조 화면, 및 사이드 보조 화면을 각각 도시한다.
도 14는 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내에 구현된 하나의 방법에 의해 생성되고, 디스플레이 스크린상의 개별 윈도우 내에 디스플레이된 탑 및 사이드 보조 화면을 각각 도시한다.
도 15는 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내의 모니터상에 관절형 카메라에 의해 캡쳐된 이미지와 인접하게 디스플레이된 보조 화면을 도시한다.
도 16은 디스플레이 스크린상에 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내에 구현된 하나의 방법에 의해 생성되고 디스플레이되는 절두체를 가진 관절형 카메라의 보조 측면도를 도시한다.
도 17은 디스플레이 스크린상에 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내에 구현된 하나의 방법에 의해 생성되고 디스플레이되는, 카메라에 의해 캡쳐된 이미지와 함께, 카메라의 뷰잉 포인트로부터 한 쌍의 관절형 수술도구의 보조 화면의 결합된 디스플레이를 도시한다.
도 18은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템 내의 디바이스 제어 모드에 대응하는 보조 화면 모드를 제공하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 19는 본 발명의 특징을 이용한 카메라 팁을 위치 및 방향 조절하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 20은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템에서 사용되는 컴퓨터 생성된 보조 화면에 대하여 상대적으로 보여지는 제로 위치 기준 프레임을 가진 엔트리 가이드의 말단 끝부로부터 뻗어 나온 관절형 카메라 및 관절형 수술 도구의 측면도를 도시한다.
도 21은 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템에서 사용되는 컴퓨터 생성된 보조 화면에 대하여 상대적으로 보여지는 이소메트릭 보조 화면 기준 프레임을 가진 엔트리 가이드의 말단 끝부로부터 뻗어 나온 관절형 카메라 및 관절형 수술 도구의 측면도를 도시한다.
도 22는 본 발명의 특징을 이용한 의료용 로봇 시스템에서 사용되는 컴퓨터 컨트롤러의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 1은 의료용 로봇 시스템(100)이 수술대(50)상에서 얼굴을 들고 누워있는 환자(40)에 의료적 시술을 수행하기 위해 수술의(20)에 의해 사용되고 있는 수술실의 탑 뷰를 예로서 도시한다. 수술의(20)가 수술의 콘솔(10)상의 입력 디바이스(108, 109)를 조종함으로써 원격조종으로 수술을 수행하는 동안, 수술을 보조하기 위한 하나 이상의 보조(30)들이 환자(40) 주변에 위치될 수 있다.
본 예에서, 엔트리 가이드(EG)(200)는 환자(40) 몸속으로 하나의 엔트리 애퍼어처(150)를 통해 삽입된다. 엔트리 애퍼어처(150)가 본 예에서 미소절개 삽입구이지만, 다른 의료적 수술의 수행에서 그 대신 자연개구부일 수 있다. 엔트리 가이드(200)는 로봇 팔 어셈블리(130)에 의해 유지되고 조종된다.
의료용 로봇 시스템(100)의 다른 부분과 마찬가지로, 로봇 팔 어셈블리(130)는 도 1에 개략적으로 도시된다. 의료용 로봇 시스템(100)의 하나의 예로서, 로봇 팔 어셈블리(130)는 셋업 암, 및 엔트리 가이드 조종기를 포함한다. 셋업 암은 그것이 엔트리 애퍼어처(150)로 적절하게 들어가도록 엔트리 애퍼어처(150)에 엔트리 가이드(200)를 위치시키기 위해 사용된다. 그 다음, 엔트리 가이드 조종기는 엔트리 가이드(200)를 엔트리 애퍼어처(150)로 기계적으로(robotically) 삽입하거나 그로부터 인출하기 위해 사용된다. 또한, 조종기는 엔트리 애퍼어처(150)에 위치한 피벗 포인트에 대한 피치(pitch), 롤(roll), 및 요우(yaw) 방향으로 엔트리 가이드(200)를 기계적으로 피벗하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 엔트리 가이드 조종기의 하나의 예는 도 2의 엔트리 가이드 조종기(202)이고, 엔트리 가이드(200)를 조종하는 4 자유도의 움직임의 예는 도 5에 도시되어 있다.
콘솔(10)은 수술의에게 수술 부위의 3-D 이미지를 디스플레이하기 위한 3-D 모니터(104), 좌우 수동조종가능한 입력 디바이스(108, 109), 및 (본 명세서에서 "컨트롤러"라고도 하는) 프로세서(102)를 포함한다. 입력 디바이스(108, 109)는 조이스틱, 글러브(gloves), 트리거-건(trigger-guns), 수동식 컨트롤러 등과 같은 임의의 하나 이상의 다양한 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 수술의가 의료용 로봇 시스템(100)과 상호작용할 수 있게 하기 위해 제공되는 다른 입력 디바이스는 풋 페달(105), 종래의 음성 인식 시스템(160), 및 그래픽 사용자 입력(GUI)(170)을 포함한다.
보조 디스플레이 스크린(140)은 모니터(104)상에 도시된 것을 보충하기 위하여 수술의에게 보조적인 화면 제공하기 위해 콘솔(10)(및 프로세서(102))에 연결된다. 제2의 보조 디스플레이 스크린(140')은 또한 보조들에게 보조 화면을 제공하기 위해 콘솔(10)(및 프로세서(102))에 연결된다. 입력 디바이스(180)는 또한 보조가 제2 보조 디스플레이 스크린(140')상에 디스플레이하기 위해 사용가능한 보조 화면 사이에서 선택할 수 있도록 하기 위해 콘솔에 연결될 수 있다.
*콘솔(10)은 수술의가 수술과정을 직접적으로 모니터링하고, 필요하다면 물리적으로 사용가능하고, 그리고 전화 또는 다른 통신 매체를 통하는 것보다 직접적으로 보조들에게 말할 수 있도록, 동일한 방 안에 위치하는 것이 일반적이다. 그러나, 수술의가 또한 다른 방, 완전히 다른 빌딩, 또는 원격 수술과정을 허용하는 환자로부터 다른 멀리 떨어진 위치에 위치할 수도 있음을 이해해야한다. 이러한 경우에, 콘솔(10)은 근거리 통신망, 광대역 통신망, 또는 인터넷과 같은 네트워크 연결을 통해 제2의 보조 디스플레이 스크린(140') 및 입력 디바이스(180)에 연결될 수 있다.
도 3-4에 도시된 바와 같이, 엔트리 가이드(200)는 그 말단 끝부에서 뻗어나간 관절형 스테레오 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)를 포함한다. 단지 2개의 도구(231, 241)만이 도시되어 있으나, 엔트리 가이드(200)는 환자의 수술 부위에서 의료적 수술을 수행하기 위해 필요한 추가적인 도구를 가이드할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 통로(351)는 다른 관절형 수술도구를 엔트리 가이드(200)를 통해 그리고 그 말단 끝부를 통과하여 나가도록 뻗게 하기 위해 사용가능하다. 각각의 수술도구(231, 241)는 도구 팔로우잉 모드에서 입력 디바이스(108, 109) 중 하나에 연결된다. 수술의는 수술의가 수술부위의 이미지가 관절형 카메라(211)에 의해 캡쳐될 때, 콘솔 모니터(104)상에 3-D로 수술부위를 볼 수 있도록, 컨트롤러(102)가 그들의 각각 연결된 수술도구(231, 241)의 대응하는 이동을 일으키도록 입력 디바이스(108, 109)를 조종함으로써 의료적 수술을 수행한다.
입력 디바이스(108, 109)는 수술의가 도구(231, 241)를 직접 제어하는 것 같은 강한 느낌을 가지도록, 입력 디바이스(108, 109)가 도구(231, 241)와 함께 통합되어 있다는 인식, 또는 원격 현장감(telepresence)을 수술의에게 제공하기 위해, 적어도 그들의 연관된 도구(231, 241)와 동일한 자유도를 가지도록 제공되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 모니터(104)는 또한 수술의가 실제로 수술 부위를 직접 내려다보는 것으로 느끼고, 도구(231, 241)의 이미지가 수술의의 손이 위치하는 곳에 실질적으로 위치되는 것으로 나타나도록, 방향조절된 투영된 이미지를 디스플레이하기 위해 수술의의 손 부근에 위치한다.
또한, 모니터(104)상의 실시간 이미지는 수술의가 마치 실질적으로 실제 현장에서 수술부위를 보는 것처럼, 그들의 대응하는 입력 디바이스(108, 109)를 통해 도구(231, 241)의 말단 작용기(331, 341)를 조종할 수 있도록, 펄스펙티브(perspective) 이미지로 투영되는 것이 바람직하다. 실제 현장감(true presence)에 의해, 이미지의 프리젠테이션이 말단 작용기(331, 341)를 물리적으로 조종하는 운전자의 뷰 포인트를 시뮬레이팅하는 트루 펄스펙티브 이미지임을 의미한다. 그러므로, 프로세서(102)는 모니터(104)상에 도시된 펄스펙티브 이미지가 수술의가 말단 작용기(331, 341) 바로 뒤에 위치할 때 수술의가 볼 수 있는 이미지이도록, 인식되는 위치로 말단 작용기(331, 341)의 좌표를 변환할 수 있다.
프로세서(102)는 시스템(100) 내의 다양한 기능을 수행한다. 프로세서가 수행하는 하나의 중요한 기능은 그 시점에 입력 디바이스(108, 109)에 선택적으로 연결되어 있는, 도구(231, 241), 카메라,(211), 및 엔트리 가이드(200)와 같은, 디바이스를 수술의가 효과적으로 조종할 수 있도록, 버스(110)를 통한 제어 신호를 통해 입력 디바이스(108, 109)의 기계적 모션을 변환하고 전달하는 것이다. 다른 기능은 본 명세서에 서술된 다양한 방법 및 컨트롤러 기능을 수행하는 것이다.
프로세서로 서술되었으나, 프로세서(102)는 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어의 임의의 조합에 의해 실제로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서 서술된 그 기능은 하나의 유닛에 의해 수행되거나, 각각 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어의 임의의 조합에 의해 결과적으로 구현된 상이한 컴포넌트 사이에 분할될 수 있다. 또한, 콘솔(10)과 물리적으로 인접하게 또는 콘솔의 일부로서 도시되어 있으나, 프로세서(102)는 시스템 전체에 분산된 다수의 서브유닛을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 서술된 다양한 형태의 의료용 로봇 시스템의 구성 및 동작에 대한 추가적인 세부사항에 대하여, 예컨대, "미소절개 수술 장치의 제어 시스템의 형태"란 제목의 미국특허번호 제6,493,608호, 및 "미소절개 수술 장치에서의 카메라 기준 제어"란 제목의 미국특허번호 제6,671,581호를 참조할 수 있다.
도 2는 하나의 예로서 입력 디바이스(108, 109)에 디바이스 조종기를 선택적으로 연결하고 제어하는 컴포넌트의 블록 다이어그램을 도시한다. 그래스퍼(graspers), 커터(cutters), 및 니들(needles)과 같은 다양한 수술도구가 환자 몸속의 수술부위에서 의료시술을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 본 예에서, 2개의 수술도구(231, 241) 및 카메라(211)가 시술을 보기 위해 사용된다. 수술도구(231, 241) 및 카메라(211)는 엔트리 가이드(200) 내의 통로를 통해 삽입된다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 엔트리 가이드(200)는 로봇 팔 어셈블리(130)의 셋업부를 사용하여 엔트리 애퍼어처(150)를 통해 환자 몸속으로 삽입되고, 의료시술이 수행되는 수술부위를 향해 로봇 팔 어셈블리(130)의 엔트리 가이드 조종기(EGM)(202)에 의해 조종된다.
각각의 디바이스(231, 241, 211, 200)는 그들 자신의 조종기에 의해 조종된다. 더욱 상세하게는, 카메라(211)는 카메라 조종기(ECM)(212)에 의해 조종되고, 제1 수술도구(231)는 제1 도구 조종기(PSM1)(232)에 의해 조종되고, 제2 수술도구241)는 제2 도구 조종기(PSM2)(242)에 의해 조종되고, 그리고 엔트리 가이드(200)는 엔트리 가이드 조종기(EGM)(202)에 의해 조종된다. 도면을 너무 복잡하게 하지 않기 위해, 디바이스(231, 241, 211, 200)는 도시되지 않고, 그 각각의 조종기(232, 242, 212, 202)만이 도면에 도시되어 있다.
각각의 기기 조종기(232, 242, 212)는 액츄에이터를 전달하고, 각각의 관절형 기기에 모션을 전달하기 위한 무균의 기계적 인터페이스를 제공하는 의료용 어셈블리이다. 각각의 기기(231, 241, 211)는 그들의 조종기로부터 모션을 수신하고, 케이블 트랜스미션의 의해, 그들의 말단 아티큘레이션(예컨대, 조인트)으로 그 모션을 전달하는 기계적 어셈블리이다. 이러한 조인트는 프리즈매틱(예컨대, 선형 모션)이거나, (예컨대, 기계축에 대하여 피벗하는) 회전형일 수 있다. 또한, 기기는 사전결정된 형식으로 함께 이동시키도록 복수의 조인트에 힘을 가하는 내부적 기계적 제약(예컨대, 케이블, 기어링, 캠, 벨트 등)을 가질 수 있다. 기계적으로 제약된 조인트의 각각의 세트는 특정 축의 모션을 구현하고, 제약은 한 쌍의 회전형 조인트(예컨대, 조글(joggle) 조인트)에 대하여 고안될 수 있다. 또한, 이러한 방법으로, 사용가능한 액츄에이터 보다 많은 조인트를 가질 수 있음을 이해해야 한다.
이와 대조적으로, 엔트리 가이드 조종기(202)는 상이한 구성과 동작을 가진다. 엔트리 가이드 조종기(202)의 부분 및 동작의 설명은 도 7을 참조하여 아래에 설명된다.
본 예에서, 각각의 입력 디바이스(108, 109)는 디바이스(211, 231, 241, 200) 중 하나와 선택적으로 연결될 수 있고, 연결된 디바이스는 그것의 컨트롤러 및 조종기를 통해 입력 디바이스에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 각각의 스위치(258, 259)를 도구 팔로우잉 모드 "T2" 및 "T1"로 놓음으로써, 좌우 입력 디바이스(108, 109)는 각각 (바람직하게는 프로세서(102) 내에 구현된) 그들의 각각의 컨트롤러(233, 243), 및 조종기(232, 242)를 통해 원격 기계적으로 제어되는 제1 및 제2 수술도구(231, 241)에 연결될 수 있고, 수술의는 엔트리 가이드(200)가 제 위치에서 잠금된 동안 환자에 의료시술을 수행할 수 있다.
카메라(211) 또는 엔트리 가이드(200)가 수술의에 의해 재 위치조절되어야 할 때, 좌우 입력 디바이스(108, 109) 중 하나 또는 모두는 수술의가 카메라(211) 또는 엔트리 가이드(200)를 그것의 각각의 컨트롤러(213, 또는 203) 및 조종기(212 또는 202)를 통해 이동시킬 수 있도록, 카메라(211) 또는 엔트리 가이드(200)에 연결될 수 있다. 이러한 경우, 수술도구(231, 241) 중 연결되지 않은 것은 그것의 컨트롤러에 의해 엔트리 가이드(200)에 상대적인 위치에 잠금된다. 예를 들어, 스위치(258, 259)를 각각 카메라 위치조절 모드 "C2" 및 "C1"로 놓음으로써, 좌우 입력 디바이스(108, 109)는 수술도구(231, 241) 및 엔트리 가이드(200)가 그들 각각의 컨트롤러(258, 259)에 의해 위치고정된 채로 수술의가 카메라(211)를 위치조절할 수 있도록, (바람직하게는 프로세서(102) 내에 구현된) 컨트롤러(213) 및 조종기(212)를 통해 원격로봇식으로 제어되는 카메라(211)에 연결될 수 있다. 하나의 입력 디바이스만이 카메라를 위치조절하기 위해 사용될 것이라면, 스위치(258, 259) 중 하나만이 카메라 위치조절 모드로 놓여지고, 스위치(258, 259) 중 다른 하나는 도구 팔로우잉 모드를 유지하여, 그 각각의 입력 디바이스는 연결된 수술도구를 계속 제어할 수 있다.
한편, 스위치(258, 259)를 각각 엔트리 가이드 위치조절 모드 "G2" 및 "G1"에 놓음으로써, 좌우 입력 디바이스(108, 109)는 수술의가 수술도구(231, 241) 및 카메라(211)가 각각의 컨트롤러(233, 243, 213)에 의해 엔트리 가이드(200)에 상대적인 위치로 잠금된 채로 엔트리 가이드(200)를 위치조절할 수 있도록, (바람직하게는 프로세서(102) 내에 구현된) 컨트롤러(203) 및 조종기(202)를 통해 원격로봇적으로 컨트롤될 수 있는 엔트리 가이드(200)에 연결될 수 있다. 카메라 위치조절 모드에서, 하나의 입력 디바이스만이 엔트리 가이드(200)를 위치조절하기 위해 사용될 것이라면, 스위치(258, 259) 중 하나만이 엔트리 가이드 위치조절 모드로 놓여지고, 스위치(258, 259) 중 다른 하나는 도구 팔로우잉 모드를 유지하여, 각각의 입력 디바이스는 연결된 수술도구를 계속 제어할 수 있다.
본 예에서 다른 디바이스에 입력 디바이스(108, 109)를 선택적으로 연결하는 것은 종래의 방법의 GUI(170) 또는 음성 인식 시스템(160)을 사용하여 수술의에 의해 수행될 수 있다. 대안으로서, 입력 디바이스(108, 109)의 연결은 수술의가 입력 디바이스(108, 109) 중 하나의 디바이스 상의 버튼을 누름으로써, 또는 풋 페달(105)을 누름으로써, 또는 임의의 다른 주지된 모드 스위칭 기술을 사용함으로써 변경될 수 있다.
도 3-4는 예로서 외부로 뻗어 있는 카메라(211) 및 수술도구(231, 241)를 가진 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부의 탑 뷰, 및 우측면도를 각각 도시한다. 도 5에 단순화된 (비축적의) 엔트리 가이드(200)의 투시도에 도시된 바와 같이, 엔트리 가이드(200)는 대체로 실린더 형상이고, 그 길이를 따라 중심을 지나는 세로축(X')을 가진다. 원격 중심 "RC"이라고도 불리는 피벗 포인트는 도시된 X, Y, Z 축을 가진 고정된 기준 프레임, 및 도시된 X', Y', 및 Z' 축을 가진 엔트리 가이드 기준 프레임 모두에 대한 원점으로서 역할한다. 시스템(100)이 엔트리 가이드 위치조절 모드일 때, 엔트리 가이드 조종기(202)는 원격 센터 "RC"에서 요우 Ψ로 (공간에서 고정되어 유지되는) Z 축에 대한 하나 이상의 연결된 입력 디바이스의 움직임에 응답하여, 엔트리 가이드(200)를 피벗할 수 있다. 또한, 엔트리 가이드 조종기(202)는 피치 θ로 (엔트리 가이드(200)의 세로축 X'에 수직인) Y' 축에 대한 하나 이상의 입력 디바이스의 움직임에 응답하여 엔트리 가이드(200)를 피벗할 수 있고, 롤 Φ으로 세로축 X'에 대하여 엔트리 가이드(200)를 회전하고, 하나 이상의 연결된 입력 디바이스의 움직임에 응답하여 삽입/인출 또는 인/아웃 "I/O" 방향으로 세로축 X'을 따른 엔트리 가이드(200)를 선형 이동할 수 있다. 공간이 고정된 Z 축과 달리, X' 및 Y' 축은 엔트리 가이드(200)와 함께 이동함을 이해해야 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 엔트리 가이드 조종기(EGM)(202)는 엔트리 가이드(200)의 4 자유도의 움직임(즉, 피치 θ, 요우 Ψ, 롤 Φ, 및 인/아웃 I/O)을 액츄에이팅하기 위해 4개의 액츄에이터(701-704), 및 그것을 구현하기 위한 4개의 대응하는 어셈블리(711-714)를 가진다.
도 3-4를 다시 참조하면, 관절형 카메라(211)는 통로(321)를 통해 뻗어 있고, 관절형 수술도구(231, 241)는 각각 엔트리 가이드(200)의 통로(431, 441)를 통해 뻗어 있다. 카메라(211)는 (카메라 컨트롤러에 연결된 스테레오 카메라 및 외부 광원에 연결된 광섬유 케이블을 하우징한) 팁(311), 제1, 제2, 및 제3 링크(322, 324, 326), 제1 및 제2 조인트 어셈블리(323, 325)(이하 "조인트"라 함), 및 손목 어셈블리(327)를 포함한다. 제1 조인트 어셈블리(323)는 제1 및 제2 링크(322, 324)를 연결하고, 제2 조인트 어셈블리(325)는 제2 및 제3 링크(324, 326)을 연결하여, 제2 링크(324)는 제1 및 제3 링크(322, 326)를 서로 평행하게 유지하면서, 제1 조인트 어셈블리(323)에 대하여 피치 및 요우로 피벗할 수 있다.
제1 및 제2 조인트(323, 325)는 제2 링크(324)가 제1 조인트(323)에 대하여 피치 및/또는 요우로 피벗하도록 함께 협동적으로 동작하고, 제3 링크(326)가 제1 및 제3 링크(322, 326)가 항상 서로 평행하게 유지되도록 하는 보완적인 방식으로 제2 조인트(325)에 대하여 피벗하기 때문에 "조글 조인트"라 불린다. 제1 링크(322)는 또한 세로축 둘레로 회전함은 물론, 통로(321)를 통해 인앤아웃으로(예컨대, 수술부위를 향한 삽입, 및 수술부위로부터의 인출) 이동할 수 있다. 손목 어셈블리(327)는 또한 카메라의 팁(311)이 위아래로, 및 좌우로, 및 그 조합으로 방향조절될 수 있도록, 피치 및 요우 각도 이동 능력을 가진다.
도구(231, 241)의 조인트 및 링크는 카메라(211)의 조인트 및 링크와 구성 과 작동이 유사하다. 더욱 상세하게는, 도구(231)는 (조우(338, 339)를 가진) 말단 작용기(331), 제1, 제2, 제3 링크(332, 334, 336), 제1 및 제2 조인트 어셈블리(333, 335), 및 (말단 작용기(331)를 액츄에이팅하기 위한 추가적인 액츄에이터를 포함하여) 도 8을 참조하여 서술된 바와 같은 액츄에이터에 의해 구동되는 손목 어셈블리(337)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 도구(241)는 (조우(348, 349)를 가진) 말단 작용기(341), 제1, 제2, 제3 링크(342, 344, 346), 제1 및 제2 조인트 어셈블리(343, 345), 및 (말단 작용기(341)를 액츄에이팅하기 위한 추가적인 액츄에이터를 포함하여) 도 8을 참조하여 서술된 바와 같은 액츄에이터에 의해 구동되는 손목 어셈블리(347)를 포함한다.
도 8은, 하나의 예로서, (관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)와 같은) 관절형 기기 및 대응하는 (카메라 조종기(212) 및 도구 조종기(232, 242)와 같은) 대응하는 기기 조종기의 상호작용 부분의 다이어그램을 도시한다. 각각의 기기는 (말단 작용기를 포함한) 기기의 관절(articulation)을 유효화하기 위한 다수의 관절형 어셈블리(821-823, 831-833, 870)를 포함하고, 대응하는 조종기는 액츄에이팅가능한 어셈블리를 액츄에이팅하기 위한 다수의 액츄에이터(801-803, 811-813, 860)를 포함한다.
또한, 다수의 인터페이스 메카니즘이 제공될 수 있다. 예를 들어, (각각 조글 조인트 피치/요우 및 손목 피치/요우를 위한) 피치/요우 커플링 메카니즘(840, 850), 및 (각각 기기 회전 및 말단 작용기 액츄에이션을 위한) 기어 비(845, 855)는 조종기 액츄에이터 공간 내의 협소한 제약을 만족하고, 인터페이스에 걸친 움직임의 정밀한 전달을 유지함과 동시에, 기기 조인트 공간 내의 기기 조인트의 요구되는 동작 범위를 달성하기 위해, 무균 조종기/기기 인터페이스 내에 제공된다. 하나의 블록(840)으로 도시되어 있으나, (#1 및 #2로 구분된) 조글 조인트 액츄에이터(801, 802)와 조글 조인트 피치/요우 어셈블리(821, 822) 사이의 커플링은 무균 인터페이스의 각 사이드 상에 하나씩인(즉, 인터페이스의 조종기 측상에 하나, 인터페이스의 기기측 상에 하나인) 한쌍의 커플링 메카니즘을 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 하나의 블록(850)으로 도시되어 있으나, (#1 및 #2로 구분되어 있는) 손목 액츄에이터(812, 813)와 손목 피치/요유 조인트 어셈블리(832, 833) 사이의 커플링은 또한 무균 인터페이스의 각 사이드 상에 하나씩인 한쌍의 커플링 메카니즘을 포함할 수 있다.
조글 조인트 피치 어셈블리(821) 및 조글 조인트 요우 어셈블리(822)는 모두 제1, 제2, 및 제3 링크(예컨대, 관절형 카메라(211)의 링크(322, 324, 326)), 및 제1 및 제2 조인트(예컨대, 관절형 카메라(211)의 조인트(322, 325))를 공유한다. 이러한 공유된 구성요소와 더불어, 제2 링크가 제1 조인트를 통과하는 선에 대하여, 그리고 제1 링크(예컨대, 관절형 카메라(211)의 링크(322)의 세로축에 위도(latitudinal)인 축을 따라 제어가능하게 피벗할 수 있도록, 그리고, 제2 링크가 제1 조인트를 통과하는 선에 대하여, 그리고 제1 링크의 세로축 및 위도축에 모두 수직인 축을 따라 제어가능하게 피벗할 수 있도록, 조글 조인트 피치 및 요우 어셈블리(821, 822)는 또한 제1 및 제2 조인트를 (조글 커플링(840)을 통해) 조글 조인트 피치 및 요우 액츄에이터(801, 802)에 연결하는 기계적 커플링을 포함한다.
인/아웃(I/O) 어셈블리(823)는 제1 링크(예컨대, 관절형 카메라(211)의 링크(322)), 및 제1 링크가 I/O 액츄에이터(803)의 액츄에이션에 의해 그 세로축을 따라 선형으로 제어가능하게 이동되도록 제1 링크에 인/아웃(I/O) 액츄에이터(803)를 연결하는 구동 트레인을 통한 인터페이스를 포함한다. 롤 어셈블리(831)는 제1 링크 및 제1 링크가 롤 액츄에이터(811)의 액츄에이션에 의해 그 세로축에 대하여 제어가능하게 회전되도록 제1 링크에 (모터의 회전자와 같은) 롤 액츄에이터(811)의 회전부재를 연결하는 하나 이상의 기어(즉, 기어비(845)를 가진)를 통한 인터페이스를 포함한다.
기기 조종기(예컨대, 카메라 조종기(212))는 기기 팁(예컨대, 카메라 팁(311)이 손목 어셈블리에 대하여 위아래(즉, 피치)로, 그리고 측방향(즉, 요우)으로 제어가능하게 피벗하게 하도록 하기 위해, 손목 어셈블리(예컨대, 관절형 카메라(211)의 손목(327)의 피치 및 요우 조인트(832, 833)를 손목 커플링(850)을 통해 액츄에이팅하는 손목 액츄에이터(812, 813)를 포함한다. 그립 어셈블리(870)는 말단 작용기(예컨대, 수술도구(231)의 말단 작용기(331)), 및 말단 작용기를 제어가능하게 액츄에이팅하기 위해 말단 작용기에 그립 액츄에이터(860)를 연결하는 (즉, 기어비(855)를 가진) 하나 이상의 기어를 통한 인터페이스를 포함한다.
도 9는, 하나의 예로서, 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및/또는 관절형 수술도구(231, 241)와 같은, 관절형 기기를 포함하는 컴퓨터 생성된 보조 화면을 제공하는 의료용 로봇 시스템(100)의 컨트롤러(102) 내에 구현된 방법의 흐름도를 도시한다. 예시의 목적으로, 관절형 카메라(211) 및 수술도구(231, 241)는 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있고, 보조 화면 내에 포함된 것으로 가정한다. 그러나, 본 방법은 관절형 카메라 없는 조합 및/또는 초음파 프로브와 같은 대안의 타입의 이미지 캡쳐 디바이스를 가진 조합을 포함하여, 임의의 조합의 관절형 기기에 적용가능함을 이해해야 한다.
901에서, 본 방법은 보조 화면을 생성해야할지 여부를 판단한다. 901에서 생성하지 않는 것으로 판정되면, 본 방법은 그러한 상황의 변경 여부를 주기적으로 체크하기 위해 뒤로 루핑한다. 한편, 901에서 생성할 것으로 판정되면, 본 방법은 902로 진행한다. 보조 화면이 생성되어야 한다는 지시는 컨트롤러(102) 내에 프로그래밍되거나, 자동적으로 생성되거나, 운전자 커맨드에 의해 생성될 수 있다.
902에서, 본 방법은 각각의 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드(200)에 대한 위치 및 방향과 같은 상태 정보를 수신한다. 이러한 정보는 그들의 각각의 조종기(212, 232, 242, 202) 내의 액츄에이터에 연결된 인코더에 의해 제공될 수 있다. 대안으로서, 이러한 정보는 그 움직임을 측정하기 위해 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드 조종기(202)의 조인트 및/또는 링크, 또는 대응하는 조종기와 기기 사이의 인터페이스의 커플링 메카니즘, 기어, 및 구동 트레인에 연결된 센서에 의해 제공될 수 있다. 두번째 경우에, 센서는 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드 조종기(202) 내의 회전형 조인트의 회전 이동을 감지하는 회전 센서, 및 프리스매틱 조인트의 선형 이동을 감지하는 선형 센서와 같이, 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드 조종기(202) 내에 포함될 수 있다. 기기(211, 231, 241), 엔트리 가이드(200), 및/또는 엔트리 가이드 조종기(202) 상의 전략적 포인트(죠인트, 링크, 및/또는 팁 등)에 위치하는 능동 소자(예컨대, 무선주파수, 전자기적 등) 또는 수동 소자(예컨대, 자성 등)일 수 있는 추적가능한 엘리먼트를 감지하고 추적하는 외부 센서와 같은, 다른 센서가 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드(200)의 위치 및 방향의 정보를 제공하기 위해 사용될 수도 있다.
903에서, 본 방법은 902에서 수신된 정보, 및 포워드 키네매틱스, 및 기기(211, 231, 241), 엔트리 가이드(200), 및 엔트리 가이드 조종기(202)의 주지된 구성을 사용하여, 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 3차원 컴퓨터 모델을 생성한다. 본 예에서 생성된 컴퓨터 모델은 도 5에 도시된 원격 중심의 기준 프레임(X, Y, Z축)에 대하여 참조될 수 있고, 대안으로서, 생성된 컴퓨터 모델은 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부에 형성된 기준 프레임에 참조될 수 있다. 후자인 경우에, 원격의 중심으로부터 엔트리 가이드(200)의 위치 및 크기(extension)는 본 방법에 의해 생성된 보조 화면 내에서 고려되지 않아도 되고, 엔트리 가이드(200)에 대한 위치 및 방향정보는 902에서 생략될 수 있다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 902에서 수신된 상태 정보가 기기의 조인트 위치(1001)라면, 이 정보는 기준 프레임(1004)에 대한 기기의 링크 위치 및 방향(1005)을 생성하기 위해 기기의 키네매틱 모델(1003)을 사용하여 기기의 포워드 키네매틱스(1002)에 적용될 수 있다. 또한 902에서 수신된 상태 정보가 조종기/기기 인터페이스 내의 조글 커플링 및 기어 메카니즘의 감지된 상태라면, 동일한 프로세스가 일반적으로 적용될 수도 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 902에서 수신된 상태 정보가 기기의 (기준 프레임(1004) 내의) 팁 위치(1101)라면, 이 정보는 기기의 조인트 위치(1001)를 생성하기 위해 기기의 키네메틱 모델(1003) 및 센서 기준 프레임을 사용하여 기기의 인버스 키네매틱스(1102)에 적용될 수 있다. 기기의 조인트 위치(1001)는 기준 프레임(1004)에 대한 기기의 링크 위치 및 방향(1005)을 생성하기 위해 도 10을 참조하여 서술한 바와 같이 적용될 수 있다.
대안으로서, 또한 도 11을 참조하면, 902에 제공된 상태 정보가 카메라의 팁 위치만으로 한정된다면, 수술도구(231, 241)의 팁 위치는 종래의 이미지 프로세싱 기술을 사용하여 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지 내의 팁을 식별하고, 그 위치를 기준 프레임(1004)으로 변환함으로써 카메라 기준 프레임에 대하여 결정될 수 있고, 카메라 및 도구 팁의 위치는 기준 프레임에 대한 기기의 링크 위치 및 방향(1005)을 생성하기 위해 도 10, 11을 참조하여 서술된 바와 같이 적용될 수 있다.
904에서, 본 방법은 기준 프레임의 3차원 공간 내의 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 컴퓨터 모델의 화면을 특정된 뷰잉 포인트로 조절한다(용어 "뷰잉 포인트"는 본 명세서에서 위치 및 방향을 포함하는 것으로 이해해야 한다). 예를 들어, 도 12는 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부 위쪽 및 약간 뒤쪽의 뷰잉 포인트에 대응하는, 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 탑 뷰를 도시한다. 다른 예로서, 도 13은 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부의 우측 및 약간 앞쪽에 대한 뷰잉 포인트에 대응하는, 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 측면도를 도시한다. 도 12-13에 도시된 보조 화면이 2차원이지만, 3차원 정보가 생성된 컴퓨터 모델로부터 사용가능하므로 3차원 화면일 수도 있음을 이해해야 한다. 후자인 경우, 3차원 화면이 디스플레이되는 보조 화면 스크린(140)은 모니터(104)와 같은 3차원 디스플레이 스크린일 수 있다.
뷰잉 포인트는 도 12에 도시된 펄스펙티브로부터 이소메트릭(3차원) 도면을 제공하는 것과 같은 고정 포인트로 설정될 수 있다. 이 펄스펙티브는 수술도구(231, 241)가 (수술도구(231, 241)를 사용하는 의료 시술을 수행하기 위한 전형적인 구성인) 도시된 바와 같이 "엘보우 아웃"으로 굽혀질 때, 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 선명한 화면을 수술의에게 제공한다. 한편, (예컨대, 도 6에 도시된 통로(351)를 통해 삽입된) 제3의 수술도구가 사용될 때, 제3의 수술도구가 카메라(211) 아래에 위치할 수 있고, 그러므로 도 12에 도시된 펄스펙티브에서 카메라에 의해 가려질 수 있으므로, 도 13의 펄스펙티브로부터의 사이드 화면이 추가적으로 유용할 수 있다.
뷰잉 포인트를 항상 고정된 포인트로 설정하는 것이 아니라, 뷰잉 포인트는 또한 그 시점에 동작가능한 제어 모드(즉, 도 2에 참조로 도시된 모드 중 하나)에 따라 자동적으로 변경될 수 있다. 하나의 예로서, 도 18은 의료용 로봇 시스템(100)에서 현재 동작가능한 제어 모드에 따라 보조 화면 모드를 자동적으로 변경하는 방법을 도시한다. 더욱 상세하게는, 본 방법을 사용하여, 제1 보조 화면 모드는 의료용 로봇 시스템(100)이 도구 팔로우잉 모드인 것으로 1801에서 판정된 때 1802에서 수행되고, 제2 보조 화면 모드는 의료용 로봇 시스템(100)이 엔트리 가이드 위치조절 모드인 것으로 1803에서 판정된 때 1804에서 수행되고, 제3 보조 화면 모드는 의료용 로봇 시스템(100)이 카메라 위치조절 모드인 것으로 1805에서 판정된 때 1806에서 수행된다. 각각의 제어 모드에 대한 화면 모드는 그러한 모드 동안 수술의가 액션을 수행하기에 가장 유리하도록 선택된다. 예를 들어, 도구 팔로우잉 모드 및 카메라 위치조절 모드에서, 수술도구(231, 241) 및 카메라 중 하나 또는 모두는 그 시점에 이동되는 중이므로, 도 12 및 13에 도시된 바와 같이, 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)의 보조 화면은 카메라(211)의 시야를 벗어난 링크들 사이의 충돌을 피하는데 유용하다. 한편, 엔트리 가이드 위치조절 모드에서, 관절형 카메라(211) 및 관절형 수술도구(231, 241)는 엔트리 가이드(200)에 상대적인 위치로 잠금되고, 그러므로 보조화면은 도 16 및 17에 도시된 바와 같은 다른 것에 대한 정보를 제공한다.
대안으로서, 의료시술의 수행 동안 뷰잉 포인트를 변경하기 위한 운전자 선택가능한 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, GUI(170) 또는 음성 인식 시스템(160)은 수술의가 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부로부터 뻗어 있는 관절형 카메라(211) 및/또는 관절형 수술도구(231, 241)의 보조 화면의 뷰잉 모드를 선택하거나 그리고/또는 뷰잉 포인트를 변경하는 상호작용적인 수단을 제공하도록 조절될 수 있다. 입력 디바이스(108, 109) 상의 버튼 또는 풋 페달(105)은 또한 뷰잉 모드의 수술의 선택을 위해 사용될 수 있다. 보조를 위해, 입력 디바이스(180)가 뷰잉 모드 선택을 위해 디스플레이 스크린(140')에 연결된 GUI와 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 수술의 및 보조가 한 시점에 보는 뷰잉 모드는 그 시점에 그들의 특화된 작업에 최적화될 수 있다. 이러한 운전자 선택가능한 뷰잉 모드 및 뷰잉 각도의 예는 도 12-17에 도시되어 있다.
905에서, 본 방법은 컴퓨터 모델을 렌더링한다. 이러한 경우에서 렌더링은 기기(211, 231, 241) 및 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부의 주지된 구성 피처(feature)와 같은 3차원 퀄리티를 모델에 추가하는 것, 솔리드 모델을 만들기 위해 임의의 갭을 채우는 것, 및 자연 색상 및 음영(shading)을 제공하는 것을 포함한다. 또한, 렌더링은 하나 이상의 기기(211, 231, 241)(또는 하나 이상의 조인트 또는 링크 또는 기기의 일부분)의 색상 또는 강도를 변경하여, 기기(또는 조인트 또는 링크 또는 기기의 일부분)이 식별 목적으로 두드러지게 하는 것을 포함한다.
대안으로서, 하나 이상의 기기(211, 231, 241)(또는 기기의 조인트, 링크, 또는 일부분)의 색상, 강도, 또는 점멸 주기(예컨대, 플래싱)는 그 기기(또는 조인트 또는 링크 또는 일부분)이 그 동작 범위의 한계에 근접하거나, 다른 기기와 너무 가까워지고 있거나 충돌하는 것과 같은 바람직하지 않은 이벤트 또는 상태에 도달하고 있다는 경고로서 역할할 수 있다. 색상이 경고로서 사용된 때, 색상은 피해야할 이벤트의 경고 임계치(예컨대, 동작 한계 범위 또는 충돌)에 도달한 때, 제1 색상(예컨대, 녹색)에서 제2 색상(예컨대, 황색)으로 변할 수 있고, 피해야할 이벤트에 도달한 때, 제2 색상에서 제3 색상(예컨대, 적색)으로 변할 수 있다. 강도가 경고로서 사용될 때, 색상의 강도는 기기(또는 그 일부분)가 경고 임계치를 지나 피해야할 이벤트를 향해 이동함에 따라 변하고, 그 이벤트에 도달한 때 최대 강도가 제공된다. 색상의 점멸이 경고로서 사용될 때, 점멸 주기는 기기(또는 그 일부분)가 경고 임계치를 지나 피해야할 이벤트를 향해 이동함에 따라 변하고, 그 이벤트에 도달한 때 최대 주기가 제공된다. 경고 임계치는 기기(또는 조인트와 같은 기기의 일부분)의 동작 범위를 기초로 할 수 있고, 또는 기기(또는 기기의 일부분) 및 충돌할 수 있는 다른 기기(또는 기기의 일부분) 사이의 거리를 기초로 할 수 있다. 기기의 이동 속도는 또한 경고 임계치를 결정하는 하나의 요소일 수 있다. 경고 임계치는, 예컨대, GUI(170)를 사용하여 운전자에 의해 프로그래밍되거나, 또는 기기의 이동 속도와 같은 다른 요소를 감안한 프로세서(102) 내에 프로그래밍된 알고리즘에 의해 자동적으로 결정될 수도 있다.
대안으로서, 하나 이상의 기기(211, 231, 241)(또는 기기의 조인트, 링크, 또는 일부분)의 색상, 강도, 또는 점멸 주기(예컨대, 플래싱)는 그 기기(또는 조인트 또는 링크 또는 일부분)이 의료시술을 수행하거나 보기 위한 최적의 위치 또는 구성과 같은 바람직한 이벤트 또는 상태에 도달하였다는 경보 역할을 할 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 기기(211, 231, 241)(또는 기기의 조인트, 링크, 또는 일부분)의 색상, 강도, 및/또는 점멸이, 본 경우에, 경고 임계값이 도달된 때 변화가 시작되고, 바람직한 이벤트 또는 상태에 도달하거나 달성된 때 변화가 최대가 되거나 끝난다는 점을 제외하고, 경고 임계값 및 바람직하지 않은 이벤트 또는 상태에 관하여 앞서 서술한 것과 유사한 방식으로 변할 수 있도록, 경보 임계값이 정의될 수 있다. 경고 임계치는 또한 운전자에 의해 프로그래밍되거나, 경고 임계값과 개념적으로 유사한 방식으로 프로그래밍된 알고리즘에 의해 자동적으로 결정될 수 있다.
식별, 경고, 또는 경보 목적으로 기기를 강조하는 것의 하나의 예로서, 도 15는 카메라(211)가 강조되어 있는 윈도우(1052)에서, 카메라(211) 및 수술도구(231, 241)의 보조화면을 도시한다. 식별, 경고, 또는 경보 목적으로 기기의 조인를 강조하는 하나의 예로서, 도 12는 강조된 수술도구(231, 241)의 조인트를 도시한다. 경고 목적으로 기기의 일부분을 강조하는 하나의 예로서, 도 14는 그 부분들이 충돌 위험에 근접했음을 지시하기 위해 강조된 수술도구(241)의 일부분(1402), 및 카메라(211)의 일부분(1403)을 도시한다.
렌더링하는 것은 또한 보조 이미지의 뷰잉 포인트가 카메라(211)의 뷰잉 포인트와 동일하거나 바로 뒤에 있을 때, 보조 화면 위에 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지를 오버레이하는 것을 포함한다. 하나의 예로서, 도 17은 카메라(211)의 뷰잉 포인트(또는 바로 뒤)로부터 생성된 수술도구(231, 241)의 보조 화면에 대한 오버레이로서 렌더링된 카메라(211)의 캡쳐된 이미지(1700)를 도시한다. 본 예에서, 보조 디스플레이 스크린(140)(및/또는 보조 디스플레이 스크린(140')상에 디스플레이되는 수술도구(231, 241)의 보조 화면은 오버레이하는 캡쳐된 이미지(1700) 내의 부분(예컨대, 1731, 1741), 및 오버레이하는 캡쳐된 이미지(1700) 외부의 부분(예컨대, 1732, 1742)을 포함한다. 그러므로, 캡쳐된 이미지(1700) 외부의 수술도구(231, 241)의 부분은 수술의에게 카메라(211)의 시야를 벗어난 수술도구 각각의 링크 또는 관절형 팔에 대한 추가적인 정보를 제공한다. 또한, 캡쳐된 이미지(1700) 외부의 기기 부분(예컨대, 1732, 1742)은 식별 목적으로, 또는 상기 서술한 바와 같은 경고 또는 경보 상태를 나타내기 위해 강조될 수 있다. 또한, 보조 화면상에 캡쳐된 이미지(1700)를 오버레이하는 것은 이러한 경우에, 오버레이하지 않는다면, 보조 화면 내에 일반적으로 있지 않을 수술도구(231, 241)의 전방에 있는 해부구조(360)를 볼 수 있다는 장점을 가진다. 본 예가 보조 디스플레이 스크린(140)상에 보조 화면을 오버레이하는 캡쳐된 이미지(1700)를 보여주고 있으나, 다른 렌더링 스킴에서, 보조 화면은 모니터(104) 상에 디스플레이되는 캡쳐된 이미지를 오버레이할 수도 있다.
캡쳐된 이미지를 오버레이하는 것보다는, 랜더링하는 것은 또한 적절한 배열로 그리고 모자이크 방식으로 캡쳐된 이미지에 인접하게, 캡쳐된 이미지 내에 보여지지 않는 기기(231, 241)의 부분(즉, 도 17에서 기기(231, 241)의 점선 부분)만 디스플레이함으로써, 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지를 확대시키기 위해 보조 화면을 사용하는 것을 포함한다.
보조 화면상에 캡쳐된 이미지를 오버레이하거나, 보조 화면으로 캡쳐된 이미지를 확대하는 것과 더불어, 또는 그것을 대신하여, 렌더링은 또한 보조 화면 내에 다른 유용한 정보를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 도 16은 카메라 팁(311)으로부터 나오고(emanating), 그것과 함께 움직이는 보조 디스플레이(140) 상에 디스플레이되도록 보조 화면 상에 렌더링된 절두체(1601)와 함께, 관절형 카메라(211)의 사이드 보조 화면을 도시한다. 절두체(1601)가 절단된 원뿔로 도면에 도시되어 있으나, 모니터(104) 상에 도시된 캡쳐된 이미지에 대응하도록 절단된 피라미드로 나타날 수도 있음을 이해해야 한다. 절두체(1601)의 측면은 카메라(211)의 시야 범위를 나타내고, 절두체(1601)의 밑면(1602)은 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지(1650)를 디스플레이한다. 간략함을 위해, 보조 화면 내의 일반적인 수술도구(231, 241)는 본 예에서 삭제되었음을 이해해야 한다. 다른 예로서, 도 14는 수술도구의 강조된 부분(1402, 1403)과 카메라(211)가 위험하게 충돌에 가까워졌음을 운전자에게 지시하기 위해, 경고 임계값이 도달된 때, 렌더링 프로세스의 일부로서 본 방범에 의해 디스플레이되는 (바람직하게는 붉은 색의) 반투명 구 또는 버블(1401)을 도시한다. 이러한 경우에, 강조된 부분(1402, 1403)은 그 구 내의 중심에 위치하는 것이 바람직하다. 또 다른 예로서, 도 14는 또한 의료시술을 수행하기 위해 사용되고 있을 때, 수술도구(231, 241)의 말단 작용기를 보기 위한 카메라 팁(311)에 대한 최적의 위치를 나타내는 마커 또는 다른 지시기(1410)를 도시한다. 최적의 위치는, 예컨대, 말단 작용기의 팁이 캡쳐된 이미지의 중심으로부터 등거리(equidistant)인 위치를 찾음으로써 결정될 수 있다.
906에서, 본 방법은 렌더링된 컴퓨터 모델(즉, 보조 화면)을 선택된 뷰잉 포인트의 펄스펙티브로부터 하나 이상의 디스플레이된 스크린(예컨대, 140 및 140') 상에 디스플레이 되게 한다. 도 12-14 및 16-17에 도시된 바와 같이, 보조 화면은 보조 디스플레이 스크린(140) 상에 디스플레이된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 보조 화면이 한번에 디스플레이될 수 있다(예컨대, 탑 펄스펙티브 및 사이드 펄스펙티브가 동시에 각각 윈도우(1421 및 1422) 내에 제공될 수 있다). 도 15에 도시된 바와 같이, 보조 화면은 또한 다른 윈도우(1501)에 보여지고 있는 관절형 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지와 인접한 윈도우(1502) 내에 주 모니터(104) 상에 디스플레이될 수 있다. 윈도우(1501 및 1502)가 본 예에서 동일한 크기로 표시되었으나, 보조 화면 윈도우(1502)의 위치 및 크기는 변할 수 있고, 그 또한 본 발명의 범위에 속함을 이해해야 한다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 보조 화면은 분리된 윈도우(1502) 대신에 윈도우(1501) 내에 캡쳐된 이미지에 오버레이될 수 있다. 이러한 경우, 오버레이된 보조 화면은 의료시술의 수행중 캡쳐된 이미지를 혼란스럽게 하지 않도록, 수술의에 의해 온오프 스위칭될 수 있다. 이러한 경우에 온오프 스위칭은 입력 디바이스(108, 109) 중 하나 디바이스 상의 버튼를 누르거나, 풋 패달(105)을 누름으로써 수행될 수 있다. 대안으로서, 온오프 스위칭은 음성 인식 시스템(160)을 사용한 음성 활성화에 의해, 또는 GUI(170)와의 수술의의 상호작용을 통해, 또는 임의의 다른 종래의 기능 스위칭 수단을 사용하여 수행될 수도 있다.
906을 완료한 후, 본 방법은 컨트롤러(102)의 후속 프로세싱 사이클에 대하여 901-906을 반복하기 위해 901로 되돌아간다.
수술의가 환자 몸속의 수술 부위에서 수행되거나 수행되어야 할 의료 시술을 보기 위해 더 유리한 위치 및/또는 방향으로 카메라 팁(311)의 위치를 재조정하고자 할 때, 입력 디바이스(108, 109) 중 하나 또는 모두는 일시적으로 카메라 조종기(212)와 연결됨으로써 그렇게 동작하도록 사용될 수 있다. 수술의가 이러한 위치 재조정을 수행할 수 있는 하나의 방법은 수술의가 도 15의 윈도우(1501)에 도시된 이미지와 같은, 카메라 팁(311) 내의 쌍안 카메라에 의해 캡쳐된 3-D 모니터(104) 상의 이미지를 보고, 입력 디바이스의 조종을 가이드하기 위해 캡쳐된 이미지를 사용하는 것이다. 이러한 타입의 카메라 제어는 수술의가 카메라 움직임의 제어를 위한 기준으로서 카메라(211)에 의해 캡쳐된 이미지를 사용하므로(즉, 입력 디바이스(108)의 모션은 캡쳐된 이미지에 대하여 카메라 팁(311)의 모션에 대응한다), "이미지 기반 제어"라 불린다. 이미지 기반 제어는 수술의가 카메라 팁(311)의 위치 및/또는 방향을 미세조종할 때 유용할 수 있으나, 더 큰 움직임에 대하여 카메라(211)의 시야를 벗어난 기기 링크 간의 의도하지 않은 충돌 결과와 같은 문제가 발생한다. 이러한 후자의 경우에, 도 15의 윈도우(1502)에 도시된 바와 같은 엔트리 가이드(200)의 말단 끝부 밖으로 뻗어 나온 카메라(211) 및 도구(231, 241)의 보조 화면이 입력 디바이스의 수술의의 조종을 가이드하기 위해 바람직할 수 있는 "기기 기반 제어"가 더 바람직할 수 있다(즉, 입력 디바이스(108)의 모션이 보조 화면에 대하여 카메라 팁(311)의 모션에 대응한다).
도 19는 "기기 기준 제어"의 하나의 예로서, 운전자가 디스플레이 스크린(140) 또는 콘솔 모니터(104) 중 하나 상에 카메라(211)의 컴퓨터 생성된 보조 화면을 보면서 (카메라 위치 조절 모드에서) 입력 디바이스(108)의 운전자 조종에 응답하여 관절형 카메라 기기(211)의 팁(311)을 위치 및 방향 조절하는 의료용 로봇 시스템(100)을 구현하는 방법의 흐름도를 도시한다. 자전거 "핸드레버" 타입 제어와 같이, 입력 디바이스(108, 109) 모두 카메라(211)를 위치 및 방향 조절하기 위해 사용될 수 있으나, 본 예는 단지 하나의 입력 디바이스(108)(본 명세서에서 "마스터" 또는 "마스터 조종기"라 함)만 사용되고, 다른 입력 디바이스(109)는 여전히 도구(231)에 연결되어 제어하는 것으로 가정한다.
1901에서, 의료용 로봇 시스템이 카메라 위치조절 모드인지에 대한 판정이 이루어진다. 도 2를 참조하여 앞서 서술한 바와 같이, 스위치(258)의 상태를 확인함으로써, 좌측 입력 디바이스(108)에 대하여 판정될 수 있다. 스위치(258)가 "C2" 위치에 있으면, 입력 디바이스(108)는 카메라 위치 조절 모드이다. 그렇지 않다면, 입력 디바이스(108)는 카메라 위치 조절 모드가 아니다.
1901에서의 판정이 '아니오'이면, 본 방법은 스위치(258)의 현재 상태를 확인하기 위해 (예컨대, 각각의 프로세싱 사이클에서, 또는 프로그래밍 가능한 복수의 프로세싱 사이클에서) 주기적으로 루프 백(loop back)한다. 한편, 1901에서의 판정이 '예'이면, 본 방법은 1907에서 입력 디바이스(108)에 의해 카메라 팁(311)의 위치 및 방향에 대한 컨트롤을 활성화하기 전에, 준비 태스크(1902-1906)를 수행한다.
1902에서, 입력 디바이스(108)에 연결된 다른 의료용 디바이스(241, 200)는 소프트-락(soft-locked)되어, 그들의 컨트롤러(242, 202)에 의해 그들의 현재 고정 상태를 유지하도록 명령받는다.
1903에서, 본 방법은 제어 목적으로 사용되는 기준 프레임("제어 기준 프레임")을 계산한다. 이러한 기준 프레임은 마스터(108)의 데카르트 모션과 카메라 팁(311)의 데카르트 모션 사이를 맵핑하기 위해 필수적인 것이다. 기준 프레임은 계산의 용이함을 위해 카메라 위치조정 모드 동안 공간적으로 고정되어 있는 것이 바람직하다. 그러므로, 도구 팔로우잉 모드와 같이, 카메라 팁(311)에 의해 형성된 기준 프레임은 카메라 위치조정 모드에서 바람직하지 못한데, 이는 카메라 위치조정 모드에서는, 카메라 팁(311)이 움직이므로, 그 상태가 판정가능하다 하더라도, 그것의 자세(pose)는 수술의에 의해 명백하게 인식가능하지 않기 때문이다. 그러므로, 수술의는 마스터(108)를 사용하여 환자의 해부구조에 대하여 바람직한 위치에 카메라 팁(311)을 위치시키는 것이 이러한 상황에서 더욱 어렵다는 것을 알 수 있다.
사용될 수 있는 하나의 가능한 기준 프레임으로서, 도 20은 링크(321, 324, 326)가 직선 내에 있고, 그들의 삽입 위치가 완전히 쑥 들어간 위치이도록, 조인트(323, 325, 327)가 회전되는 위치 및 방향에 대응하는 소위 "제로 위치" 기준 프레임(2002)을 도시한다(즉, 카메라 팁(311)은 엔트리 가이드(200)의 통로(321) 바로 안쪽에 있다). 이러한 위치에서, 카메라 팁에서 형성된 기준 프레임(즉, 카메라 기준 프레임(2010)은 "제로 위치" 기준 프레임(2002)과 일치한다. 이러한 프레임은 엔트리 가이드(200)와 나란한 특성을 가지고, 카메라 팁(311)의 동작공간에 대하여 중심에 위치한다. 그러므로, (입력 디바이스(108) 상의 햅틱 피드백을 통해 운전자가 인식하는) 모션 한계 범위는 카메라 팁(311)의 중심 위치를 찾기 위해 사용될 수 있고, 운전자는 카메라 기기(211)가 운전자의 팔/손의 모션에 응답하여 어떻게 움직이지는 쉽게 이해할 수 있다. 즉, 사용자 팔/손과 카메라 팁(311) 사이의 키네스세틱 맵핑은 카메라 모션과 콘솔(104) 및/또는 보조 디스플레이(140)에 위치한 수술의가 보는 보조 화면 사이의 가상 맵핑에 대하여 정렬된다.
사용될 수 있는 다른 가능한 기준 프레임으로서, 도 21은 (도 12에 도시된 바와 같은) 보조 디스플레이(140) 및/또는 (도 15의 윈도우(1502)에 도시된 바와 같은) 모니터(104) 상에 디스플레이되고 있는 보조 화면의 시점에 대응하는 "이소메트릭 보조 화면" 기준 프레임(2102)을 도시한다. 이러한 경우 시점은 가상 카메라(2103)의 펄스펙티브로부터 획득된 화면으로서 생각될 수 있고, 가상 카메라의 위치 및 방향은 카메라 위치조정 모드 동안 고정되는 것이 바람직하다. 기준 프레임(2102)은 가상 카메라(2103)의 팁(즉, 뷰잉 끝부)에서 형성되고, 그 위치 및 방향은 카메라 기기(211)가 통과하여 뻗어 있는 엔트리 가이드(200)의 통로(321)의 중앙 세로축(2101) 상의 (가상 카메라(2103)의) 초점(2104)에 대하여 방위각 α을 가지도록 계산된다. 더욱 상세하게는, 세로축(2101)을 따른 초점(2104)의 위치 및 방위각 α의 크기는 가상 카메라(2103)가 보조 화면의 이소메트릭 렌더링에 적절한 깊이 지각을 제공하기 위해 약간 위쪽에 위치하고, 카메라의 시야(2106)가 카메라 위치조정 모드 동안 카메라 기기(211)와 수술 도구(231)의 링크를 포함하도록 선택된다. 사용자 연구는 대략 25도의 각도 α가 이러한 목적에 특히 바람직하다는 것을 밝혀냈다. "제로 위치" 기준 프레임의 대칭 특성은 운전자가 카메라 팁(311)의 위치 및 방향을 드라이빙하기 위해 이소메트릭 화면을 사용할 수 있고, 그 프레임에서 전체적으로 일치하는 햅틱 피드백을 가질 수 있다는 잠재적인 이점과 함께, "보조 화면" 기준 프레임에서도 적용가능하다.
1904에서, 입력 디바이스(108)의 손으로 잡을 수 있는 부분의 방향(본 명세서에서 "마스터 방향이라고도 함")은 3-D 모니터(104) 상에 디스플레이되는 보조 화면에 대한 마스터 방향이 카메라 컨트롤을 위해 1903에서 계산된 기준 프레임에 대하여 카메라 팁(311)의 현재 방향과 동일하도록 정렬된다. 대안으로서, 이러한 방향 정렬은, 예컨대, 초기 방향에 대한 마스터 각 모션이 카메라 팁(311)의 움직임을 명령하기 위해 사용되도록, 현재 마스터 방향과 현재 카메라 방향 사이의 오프셋을 계산하고, 고려함으로써 피할 수도 있다.
1905에서, 입력 디바이스(108)의 손으로 잡을 수 있는 부분의 현재 위치는 병진(translational) 오프셋을 상쇄시키기 위해 카메라 팁(311)의 현재 위치에 맵핑되고, 1906에서, 사용자-선택가능한 스캐일링 팩터는 입력 디바이스(108)와 카메라(211) 작동공간 사이로 설정된다.
1907에서, 카메라 컨트롤러(CTRLC)(213)는 입력 디바이스(108)가 지금 카메라 컨트롤러(CTRLC)(213) 및 조종기(ECM)(212)를 통해 관절형 카메라 기기(211)의 위치 및 방향을 컨트롤하도록 활성화되고, 1908에서, 카메라 팁(311)은 원하는 위치 및/또는 방향으로 이동된다. 컨트롤 기준 프레임을 사용하는 카메라 컨트롤러(213)의 설명은 도 22를 참조하여 아래에 제공된다.
카메라 팁(311)이 원하는 위치 및/또는 방향으로 조절된 후, 본 방법은 1911에서 입력 디바이스(108)에 의해 도구(241)를 통한 컨트롤을 활성화하기에 앞서, 준비 태스크(1909-1910)를 수행한다. 더욱 상세하게, 1909에서, 카메라(211)는 소프트 락킹되어, 카메라 컨트롤러(213)에 의해 현재의 고정 상태(즉, 원하는 위치 및/또는 방향)로 유지되도록 명령되고, 1910에서, 마스터 방향은 도구(241)의 방향과 나란하게 정렬된다.
도 22는 (본 명세서에서 "슬레이브 조종기" 또는 "슬레이브"라고도 하는) 카메라 조종기(ECM)(212)의 움직임, 및 결과적으로 수술의에 의한 (본 명세서에서 "마스터 조종기" 또는 "마스터"라고도 하는) 입력 디바이스(108, 109)의 조작에 의해 명령받는, 카메라 기기(211)의 팁(311)의 위치 및 방향을 제어하기 위한 카메라 컨트롤러(CTRLC)(213)의 블록 다이어그램을, 하나의 예로서, 도시한다.
입력 디바이스(108)는 복수의 자유도의 동작을 용이하게 하기 위해 조인트에 의해 연결된 다수의 링크를 포함한다. 예를 들어, 수술의가 입력 디바이스(108)를 하나의 위치에서 다른 위치로 이동시킬 때, 입력 디바이스(108)의 조인트에 연결된 센서는 (컨트롤러(102)의 처리 속도 및 카메라 제어 목적에 적합한) 샘플링 인터벌로 그러한 움직임을 감지하고, 조인트 공간에서 그러한 샘플링된 움직임을 나타내는 디지털 정보를 입력 프로세싱 블록(2210)에 제공한다.
입력 프로세싱 블록(2210)은 조인트 위치 정보로부터 조인트 속도를 계산하고, 주지된 변환 기술을 사용하여 눈 관련 정보, 및 야코비안 매트릭스를 사용하는 변환을 수행함으로써, 수술의의 눈의 위치에 관련된 기준 프레임("눈 기준 프레임")에 관한 데카르트 공간에서 카메라 팁(311)에 대한 대응하는 원하는 위치 및 속도로 그 정보를 변환하기 위해 입력 디바이스(108)의 조인트 센서로부터 수신된 정보를 프로세싱한다.
스케일 및 오프셋 프로세싱 블록(2201)은 입력 프로세싱 블록(2210)으로부터 프로세싱된 정보(2211)를 수신하고, 카메라 팁(311)의 결과적인 움직임, 및 최종적으로 모니터(104) 및/또는 보조 디스플레이(140) 상에 그 시간에 수술의가 보고 있는 컴퓨터 생성된 보조 화면이 자연적으로 수술의에 의해 예상되는 대로 나타나도록, 그 정보에 스캐일 및 오프셋 조절을 적용한다. 스캐일 조정은 수술 부위를 볼 때, 카메라 팁(311)의 더욱 정밀한 움직임을 가능하게 하기 위해 입력 디바이스(108)의 큰 움직임에 대하여 카메라 팁(311)의 작은 움직임이 바람직한 데에 유용하다. 오프셋 조정은 모니터(104) 및/또는 보조 디스플레이(140) 상에 그 시간에 디스플레이되고 있는 보조 화면을 통한 카메라 팁(311)의 움직임을 명령하기 위해 수술의가 입력 디바이스(108)를 조종할 때, 수술의의 눈에 대하여 입력 디바이스(108)를 정렬시키기 위해 적용된다.
시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)은 스캐일 및 오프셋 프로세싱 블록(2201)의 출력(2221)을 수신하고, 그 동작에 있어서 특이성을 피하고, 그리고 물리적 한계 또는 환자의 조직 또는 다른 부위에 해로운 접촉을 피하는 것과 같은 다른 제약을 피하기 위해, 명령된 조인트 위치 및 속도를 제한함과 동시에, 그것의 인버스 키네매틱스를 사용하여 눈 기준 프레임의 데카르트 공간에서부터 카메라 조종기(212)의 조인트 공간으로 카메라 팁(311)에 대한 명령된 위치 및 속도를 변환시킨다. 이러한 변환을 수행하기 위해, 하나의 맵핑은 눈 프레임과 (기준 프레임 계산 블록(2250)에 의해 제공된) 컨트롤 기준 프레임 사이에서 수행되고, 다른 맵핑은 마스터(108)의 손으로 잡을 수 있는 부분과 카메라 팁(311) 사이에서 수행된다. 이러한 맵핑이 스캐일 및 오프셋 블록(2201)에서 오프셋이 보상되는 동안 방향을 보존함을 이해해야 한다. 맵핑이 형성된 후, 인버스 및 포워드 키네매틱스 블록(2204, 2206)은 맵핑이 컨트롤 기준 프레임에 대한 마스터 및 카메라 팁의 위치 및 방향을 설명하므로, 그들의 계산을 수행하기 위해 이러한 정보를 사용한다.
시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)의 출력(2224)은 그 다음 조인트 컨트롤러 블록(2205) 및 포워드 키네매틱스 블록(2206)에 제공된다. 조인트 컨트롤러 블록(2205)은 (도 8을 참조하여 도시되고 서술된 병진형 및 방향성 어셈블리와 같은) 카메라 기기(211)의 각각의 컨트롤되는 조인트(또는 "조글 조인트"와 같이 동작적으로 연결된 조인트)에 대한 조인트 컨트롤 시스템을 포함한다. 시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)의 출력(2224)은 카메라 기기(211)의 각각의 조인트에 대한 명령된 값을 제공한다. 피드백 제어를 목적으로 하여, 카메라 기기(211)의 각각의 컨트롤되는 조인트에 연결된 센서는 카메라 기기(211)의 각각의 조인트의 현재 위치 및/또는 속도를 나타내는 센서 데이터(2232)를 조인트 컨트롤러 블록(2205)에 다시 제공한다. 이러한 센서는 이러한 조인트 정보를 직접적으로(예컨대, 카메라 기기(211) 상의 조인트로부터) 또는 간접적으로(예컨대, 조인트를 구동하는 카메라 조종기(212) 내의 액츄에이터로부터) 센싱할 수 있다. 조인트 컨트롤러(2205) 내의 각각의 조인트 컨트롤 시스템은 그 다음 종래의 피드백 제어 시스템 방식으로 명령된 조인트 값과 감지된 조인트 값 간의 차이를 0이 되게 하기 위해 카메라 조종기(212) 내의 각각의 액츄에이터에 대한 토크 커맨드를 생성한다.
포워드 키네매틱스 블록(2206)은 시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)의 출력(2224)을 컨트롤 기준 프레임에 대한 카메라 기기(211)의 포워드 키네매틱스를 사용하여 조인트 공간에서 다시 눈 기준 프레임에 대한 데카르트 공간으로 변환한다. 스캐일 및 오프셋 블록(2201)은 에러 값이 출력(2211)과 입력(2212) 사이에서 계산되는 입력 프로세싱 블록(2210)으로 출력(2212)을 패싱하기 전에, 포워드 키네매틱스 블록(2206)의 출력(2242)에서 인버스 스캐일 및 오프셋 기능을 수행한다. 시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)으로의 입력(2221)에 부과된 제한 또는 다른 제약이 없다면, 에러 값은 0이 아니고, 수술의의 손에 의해 느껴지는 포스 피드백을 제공하기 위해 변환된다. 그러므로, 수술의는 수술의가 그 방향으로 입력 디바이스(108)를 이동시키는데 저항을 느끼는 힘에 의해 제한 또는 제약이 부과되고 있음을 인식할 것이다. 이러한 포스 피드백과 더불어, 다른 센서 또는 알고리즘(예컨대, 충돌 방지를 위해 수술 도구의 동작 볼륨을 피하기 위한 포스/압력 센서 또는 알고리즘)으로부터 들어오는 힘은 포스 피드백과 중첩될 수 있다.
포워드 키네매틱스 블록(2206)의 출력(2241)은 또한 제어 목적으로 시뮬레이팅된 카메라 블록(2204)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이팅된 위치 출력값은 피드백되고 명령된 위치와 비교될 수 있다.
본 발명의 다양한 형태가 바람직한 실시예에 관하여 서술되었으나, 본 발명은 첨부된 청구항의 완전한 범위 내에서 완전히 보호됨이 이해될 것이다.

Claims (7)

  1. 이미지 캡쳐 디바이스의 팁이 엔트리 가이드로부터 뻗어 있는 동안 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 보조 이미지를 이용하여 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    상기 프로세서를 사용하여, 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 상태 정보 및 상기 이미지 캡쳐 디바이스 및 상기 엔트리 가이드의 구조 및 포워드 키네매틱스를 이용하여 상기 프로세서에 의해 선택된 뷰잉 포인트의 펄스펙티브(perspective)로부터 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 부분의 보조 화면을 생성하는 단계;
    상기 프로세서를 사용하여, 상기 보조 화면을 디스플레이 스크린에 디스플레이하는 단계; 및
    상기 프로세서를 사용하여, 상기 디스플레이 스크린에 디스플레이되는 보조 화면에 대한 입력 디바이스의 방향과 제어 기준 프레임에 대한 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 결정된 방향 사이의 정렬 오류를 처리하고 상기 디스플레이 스크린에 디스플레이되는 보조 화면에 대한 입력 디바이스의 움직임을 상기 제어 기준 프레임에 대한 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 명령된 움직임으로 매핑함으로써, 상기 입력 디바이스의 움직임에 대응하여 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향을 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 기준 프레임은 상기 이미지 캡쳐 디바이스가 상기 엔트리 가이드로부터 뻗어나오는 공간의 지점에 위치한 원점(origin)을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 기준 프레임은 상기 디스플레이 스크린에 디스플레이되는 보조 화면의 펄스펙티브에 정렬된 방향과 원점을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 프로세서를 이용하여 관절형 툴 도구의 팁이 상기 엔트리 가이드로부터 뻗어 있을 때 상기 관절형 툴 도구의 팁의 위치와 방향을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    생성된 상기 보조 화면은 상기 관절형 툴 도구의 결정된 팁의 위치 및 방향을 이용하여 프로세서에 의해 결정된, 상기 엔트리 가이드로부터 뻗어 있는 상기 관절형 툴 도구의 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서를 이용하여 상기 엔트리 가이드로부터 뻗어 있는 이미지 캡쳐 디바이스의 부분의 보조 화면을 생성하는 단계는:
    상기 프로세서를 이용하여, 3차원 뷰잉 포인트의 펄스펙티브로부터 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 부분의 컴퓨터 모델의 화면을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린에 디스플레이되는 보조 화면에 대한 입력 디바이스의 움직임을 상기 제어 기준 프레임에 대한 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 명령된 움직임으로 매핑하는 것은 병진 오프셋을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 입력 디바이스와 상기 이미지 캡쳐 디바이스의 작동 공간 사이의 사용자 선택 가능한 스캐일링 팩터를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 캡쳐 디바이스의 팁의 위치 및 방향 조절하기 위해 프로세서에 의해 구현되는 방법.
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