KR20170087878A - 시각 추적 시스템과 추적 마커 간에 데이터를 전송하기 위한 가시광 통신 시스템 - Google Patents

시각 추적 시스템과 추적 마커 간에 데이터를 전송하기 위한 가시광 통신 시스템 Download PDF

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KR20170087878A
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Abstract

광학 추적 시스템은, 광학적으로 1 내지 2,000 MB/s로 데이터를 생성하고 전송하기 위한 적어도 하나의 추적 어레이를 포함한다. 1 내지 2,000 MB/s로 광학적으로 전송된 데이터를 광학적으로 수신하기 위한 적어도 하나의 추적기가 또한 제공된다. 추적 시스템은 물체를 추적하고 추적 정보를 신속하게 전송할 뿐만 아니라 컴퓨터 보조 디바이스와 같은 외부 디바이스와 관련된 추가적인 데이터를 수술실의 사용자 또는 다른 구성 요소에 제공하는 데에도 사용된다. 슬관절 전치환술(TKA)과 같은 정형 외과 수술은 광학 추적 시스템을 사용하면 보다 효율적으로 보다 우수한 결과로 수행될 수 있다.

Description

시각 추적 시스템과 추적 마커 간에 데이터를 전송하기 위한 가시광 통신 시스템{VISIBLE LIGHT COMMUNICATION SYSTEM FOR TRANSMITTING DATA BETWEEN VISUAL TRACKING SYSTEMS AND TRACKING MARKERS}
관련 출원
본 출원은 2014년 11월 21일에 출원된 미국 가출원 번호 62/083,052의 우선권 이익을 주장하며; 그 내용은 본 명세서에 병합된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 가시광 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수술 환경에서 추적 시스템과 추적 마커(marker) 사이의 데이터 전송에 관한 것이다.
추적 및 네비게이션 시스템은 공간 내 대상체(subject)를 정확하게 찾고, 추적하며 네비게이팅하기 위해 여러 응용에서 사용되어 왔다. 의료 분야에서, 추적 시스템은 정밀 수술을 수행하는 외과 의사들을 돕기 위해 의료 기기에 사용되어 왔다.
수술실에서 대상체를 추적하기 위한 일반적인 구성 및 방법은 이 기술 분야에 잘 알려져 있다. 이러한 방법 중 하나는 환자의 해부학적 구조에 대한 의료 기기의 위치와 배향을 찾기 위해 광학 신호(optical signals)(광, 무선 주파수, 적외선, 소리 등)와 광학 수신기(optical receivers)(광다이오드, CMOS 또는 CCD 카메라)를 활용한다. 광학 추적 시스템은 그것의 정확성(accuracy)과 적응성(adaptability)으로 인해 일반적으로 사용된다.
광학 추적 시스템은 일반적으로 다음 구성을 포함한다. 광학 신호를 방출하거나 또는 반사하는 3개 이상의 능동(active) 또는 수동(passive) 마커가 추적 어레이(tracking array)에 알려진 형상(geometry)으로 배열된다. 2개 이상의 광학 수신기(optical receiver)가 수술실에서 환자로부터 멀리 떨어져 수용되어 마커로부터 방출되거나 반사된 신호를 수신한다. 광학 수신기에 전기적으로 연결된 처리 유닛(processing unit)은 입력 신호를 분석하여 추적 어레이의 위치와 배향을 계산한다.
추적 어레이는 환자의 해부학적 구조와 의료 디바이스 양쪽 모두에 고정되어 있다. 이 기술 분야에 잘 알려진 기술을 사용하여, 광학 센서, 추적 어레이, 환자의 해부학적 구조 및 의료 디바이스의 좌표 프레임(coordinate frame)이 서로에 대해 계산될 수 있다. 수술 동안, 마커는 주기적으로 신호를 방출하거나 반사하는데 이 신호는 광학 센서에 의해 포착되어, 관심 있는 환자의 해부학적 구조에 대해 의료 기기의 위치와 배향을 계산하도록 처리된다.
설명된 추적 시스템은 여러 의료 응용에 사용되고 있다. 예를 들어, 마커 어레이(marker array)는 스트리커(Stryker)사가 제조한 ES2 척추 시스템(Spinal System)과 같은 휴대형(hand-held) 디바이스에 부착되어 왔다. 외과 의사는 수술실(operating room: OR)에서 디스플레이 모니터상에 환자 척추(vertebrae)에 대한 척추경나사(pedicle screw)의 배치를 시각화할 수 있다. 또 다른 응용은 고관절 전치환술(total hip arthroplasty)에서 비구(acetabular)를 준비하는 동안 리머(reamer)의 위치와 배향에 대한 시각적 피드백을 제공하는 마코(Mako)사가 제조한 리오 로봇 아암 상호 작용 정형 시스템(RIO Robotic Arm Interactive Orthopedic System)과 같은 반-능동(semi-active) 컴퓨터 보조 디바이스를 갖는 추적 시스템을 사용하는 것이다. 유사하게는, 이 추적 시스템은 완전 능동(fully active) 컴퓨터 보조 디바이스에 사용되어, 환자의 해부학적 구조에 대해 디바이스의 움직임을 가이드하는 제어 유닛으로 송신되는 위치 정보를 제공할 수 있다.
현재, 마커로부터 방출되거나 반사된 신호는 공간에서의 마커 위치를 정확하게 검출하고 백그라운드(신호 대 잡음)로부터 마커를 식별하는 수단만을 제공한다. 그러나, 특히 의료 환경에서 복수의 가치 있는 용도를 제공할 수 있는 이전에 실현 가능했던 것보다 더 고속으로 데이터를 전송하는 수단을 제공하는 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 기술이 최근에 발전되었다.
최근에, LED, 및 CCD 또는 CMOS 카메라와 같은 광학 센서로부터 방출된 가시광을 사용하여 1.6 Gbit/s 이상의 데이터 속도(data rate)가 증명되었다. 작은 크기의 구성 요소가 필요하고 전기적 연결을 통해 신호를 장거리로 전송할 수 있기 때문에 이 기술에 대해 매일 여러 새로운 응용이 생겨난다. 예를 들어, 가정, 쇼핑 센터, 백화점 또는 사무실 작업장의 여러 위치에 이제 LED를 배치하여, 컴퓨터, 휴대 전화, 팩스 등으로 데이터를 전송할 수 있다. 스트리밍된 데이터는 사용자를 인터넷에 연결하고, 광고를 송신하고, 위치 정보 등을 제공할 수 있다.
추가적으로, 전통적인 무선 주파수와 달리 가시광을 사용하여 데이터를 전송하는 것에는 많은 이점이 있다. 무선 전파(radio wave)는 주변의 전자 장비와 전자기 간섭(electromagnetic interference)을 야기하고 벽에 침투할 수 있어서 잠재적인 보안 위험이 된다. 그러나, 광은 가시선(line of sight)에 국한되며, 전자기 간섭의 위험이 없고 무선 전파에 비해 약 1만 배 더 많은 대역폭을 가질 수 있다.
전통적인 광학 추적 시스템이 이미 LED 마커와 광학 센서를 포함하고 있음을 고려하면, 이 시스템은 500 Mb/초(second)를 초과하는 이론적인 속도로 추적 정보와 추가 정보를 전송하여 복수의 기능을 제공하도록 변경될 수 있다. 안타깝게도, 수술 환경의 복잡성과 수술과 관련된 높은 허용오차(tolerance) 때문에 수술 환경에서 LED 데이터를 전송하는 것은 곤란하였다.
따라서, 광 기반 데이터 전송 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 로봇 수술과 관련하여 이러한 시스템에 대한 필요성이 더 존재한다.
광학 추적 시스템은 1 내지 2,000 MB/s로 데이터를 생성하고 광학적으로 전송하기 위한 적어도 하나의 추적 어레이를 포함한다. 1 내지 2,000 MB/s로 상기 광학적으로 전송된 데이터를 광학적으로 수신하기 위한 적어도 하나의 추적기가 또한 제공된다. 상기 추적 시스템은 대상체를 추적하고 추적 정보를 신속하게 송신할 뿐만 아니라 컴퓨터 보조 디바이스와 같은 외부 디바이스와 관련된 추가적인 데이터를 수술실의 사용자 또는 다른 구성 요소에 제공하는 데에도 사용된다. 슬관절 전치환술(total knee arthroplasty: TKA)과 같은 정형외과 수술은 광학 추적 시스템을 사용하면 더욱 효율적이고 보다 우수한 결과를 가지도록 수행될 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 여러 형태의 처리 유닛이 관련된 본 발명의 추적 어레이와 외부 디바이스를 도시한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 요소들을 갖는 본 발명의 추적 시스템의 예를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 수술실의 수술 조명(surgical light)에 부착된 광센서의 본 발명의 배열을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f는 처리 유닛 및/또는 광센서가 내부에 부착된 본 발명의 추적 어레이와 외부 디바이스의 여러 예를 도시한다.
도 5는 데이터를 전송하기 위한 발광 다이오드와 관련된 광센서의 배열의 본 발명의 일 예이다.
도 6은 데이터 링크를 타겟팅(targeting)하는데 사용될 수 있는 LED 및/또는 광센서를 포함하는 다중 면(multi-faced)을 갖는 본 발명의 추적 어레이를 도시한다.
도 7은 데이터를 타겟팅하기 위해 광센서 주위에 물리적 배리어(barrier)을 배치한 것을 도시한다.
본 명세서에 개시된 발명은 일반적으로 추적 시스템의 기존의 구성 요소들을 사용하여 고속으로 데이터를 전송하는 방법 및 디바이스로서 유용성을 가지며, 보다 구체적으로는 의료 환경에서 사용될 추적 시스템, LED 마커, 및 다른 외부 디바이스, 또는 의료 환경 내에 있는 환자 사이에서 데이터를 전송하는 것에 유용성을 갖는다.
값의 범위가 제공되는 경우 이 범위는 이 범위의 종점 값뿐만 아니라 이 범위에 명시적으로 포함되고 이 범위의 마지막 유효 숫자에 의해 변하는 이 범위의 중간 값도 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해된다. 예를 들어, 1 내지 4라고 언급된 범위는 1 내지 2, 1 내지 3, 2 내지 4, 3 내지 4, 및 1 내지 4를 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "고속(high rate)"은 1 Mb/초(second)를 초과하는 속도를 포함하는 것으로 데이터 전송과 관련하여 정의된다; 그러나, LED 작동(actuation)은 이 기술 분야에서 현재 1 내지 2,000 Mb/초 범위의 속도를 포함할 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명을 사용하는 주요 이점은 대상체를 추적하고 추적 정보를 신속하게 송신할 뿐만 아니라 컴퓨터 보조 디바이스와 같은 외부 디바이스와 관련된 추가적인 데이터를 수술실의 사용자 또는 다른 구성 요소에 제공하는데 사용될 수 있는 추적 시스템의 능력이다. 이러한 컴퓨터 보조 디바이스는 예시적으로 로봇, 수술용 톱(surgical saw), 수술용 드릴, 촉각-제어(haptically controlled) 디바이스, 자율형(autonomous) 및 반자율형(semi-autonomous) 수술 디바이스 및 이들의 조합을 포함한다.
예를 들어, 슬관절 전치환술(TKA)은 보철 슬관절 임플란트(prosthetic knee implant)를 위한 무릎을 준비하기 위해 원위 대퇴골과 근위 경골을 절단할 것을 요구한다. 보철(prosthetics)이 정확하게 장착되어 무릎 관절(knee joint)의 정렬을 복원하는 것을 보장하기 위해 절단부의 위치, 경사 및 배향이 매우 중요하다. TKA 절차는 일반적으로 다음 사항을 포함한다. 외과 의사는 환자의 MRI 또는 CT 스캔을 검토하고, 질병의 정도를 평가하고, 수술 전 수술 계획을 세운다. 수술 중, 외과 의사는 무릎 관절을 노출시키고, 환자 특이적 지그(jig)의 도움을 받아 수술 톱을 일반적으로 사용하여 대퇴골과 경골을 정확히 절단한다. 절단이 완료된 후, 시험용 임플란트를 사용하여 환자의 운동 범위와 임플란트의 적합성을 평가한다. 외과 의사가 운동 범위와 적합성을 받아들일 수 있는 경우, 보철을 이식하고 무릎을 봉합한다.
본 명세서에 개시된 마커는 일반적으로 가시광, 무선 주파수, 적외선, 소리 및 전자기 신호와 같은 신호를 반사하거나 또는 방출할 수 있는 임의의 수동 또는 능동 전송기를 지칭한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 데이터를 추적 및/또는 전송하기 위한 능동 LED 마커의 사용을 개시하고, 특히, 데이터를 전송하기위한 LED 마커는 임의의 스펙트럼/주파수의 광을 방출할 수 있지만, 바람직하게는 320 나노미터 내지 760 나노미터의 파장 범위의 광을 방출할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 추적 어레이는 복수의 마커의 형태인 것으로 간주된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 발광 다이오드(LED)는 전기적으로 변조된 전기 발광(electrically modulated electroluminescence)을 야기할 수 있는 임의의 광원인 것으로 정의된다.
본 발명에서 작동하는 LED는 이 기술 분야에 잘 알려진 복수의 반도체 재료로 용이하게 제조되어 임의의 스펙트럼/주파수의 광을 생성한다. 이러한 물질의 예로는 예시적으로 갈륨 비소 인화물(gallium arsenide phosphide), 알루미늄 갈륨 인듐 인화물(aluminum gallium indium phosphide), 갈륨(III) 인화물(gallium(III) phosphide), 아연 셀렌화물(zinc selenide), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 인듐 갈륨 질화물(indium gallium nitride), 전술된 것 중 임의의 것의 나노결정-민감성 또는 염료-민감성 형태, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에 한정된 임의의 파장을 생성할 수 있는 LED는 상업적으로 용이하게 입수될 수 있는 것으로 인식된다. 예를 들어, H.S. Chen, C.K. Hsu, 및 H.Y. Hong의 "InGaN-CdSe-ZnSe 양자점(quantum dot) 백색 LED" (IEEE Photon. Technol. Lett. 18(1), 193-195(2006))에서 입증된 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색 LED의 조합이 백색광을 방출하는 것이 알려져 있거나, 단일 백색광 LED가 이 기술 분야에 알려져 있다.
의료 분야에서 사용되는 추적 시스템 또는 추적기의 유형은 미국 특허 번호 6,061,644에 기재된 것과 같은 것이 이 기술 분야에 잘 알려져 있다. 광학 추적 시스템의 정확성과 신뢰성은 까다로운 설계 과제였으며, 마커 형태, 광센서의 유형, 신호 처리 방법, 및 마커와 광센서 사이의 거리와 같은 많은 변수의 함수이다. 각 변수를 설명하는 것은 개시된 발명의 범위를 벗어나지만, 본 명세서에 설명된 실시예는 임의의 추적 시스템 구성에 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
추적 어레이와 외부 디바이스의 데이터 전송
이제 도 1a를 참조하면, 본 발명의 광학 추적 시스템은, 데이터를 전송하기 위한 적어도 하나의 LED(103), 및 시간 또는 주파수 도메인 변조 기술을 사용하여 고속으로 데이터를 전송하기 위해 LED(들)(103)를 작동시키는 적어도 하나의 처리 유닛(102)을 구비하는 추적 어레이(101)를 포함한다. 전송될 데이터는 추적 어레이(101)의 내부 처리 유닛(102)에 의해 생성된다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 전송될 데이터는 추적 어레이(101)와 외부 디바이스(104) 사이에 전기적 연결을 사용하여 외부 디바이스(104)로부터 추적 어레이(101)에 의해 수신되고, 여기서 내부 프로세서(102)는 LED를 작동시켜 외부 디바이스로부터 수신된 데이터를 개발된 형태(as-developed), 전처리된 형태(pre-processed) 또는 처리된 형태(processed form)로 송신할 수 있다. 처리 유닛(102)은 예를 들어, 에러 정정 코드 인코딩(error-correction code encoding), 변조(modulation), 인터리빙(interleaving), FFT/IFFT 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 여러 신호 처리 동작을 수행할 수 있다. 프로세서는 또한 원하는 신호로 LED를 작동시키기 위한 적어도 하나의 발광 소자 구동 회로(light-emitting element drive circuit)를 포함한다. 추가적으로, 처리 유닛(102)은 예를 들어, 온-오프 키잉 변조(on-off keying modulation), 진폭 변조(amplitude modulation), 펄스 폭 변조(pulse width modulation), M-레벨의 직교 진폭 변조(M-level quadrature amplitude modulation) 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 기술을 사용하여 신호를 변조할 수 있다. 처리 유닛(102)은 예를 들어, 주파수 분할 다중화(frequency division multiplexing), 시분할 다중화(time division multiplexing), 직교 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency division multiplexing), 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 기술을 사용하여 신호를 다중화할 수 있다. 특정 본 발명의 실시 예에서, 처리 유닛(102)은 신호를 더 다중화하고 변조할 수 있다.
예를 들어, 본 출원의 양수인에게 양도되고 전체 내용이 본 명세서에 병합된 국제 출원 번호 PCT/US2015/051713에 기술된 바와 같이 2-자유도(2-degree of freedom: 2DOF) 휴대형 드릴과 같은 외부 디바이스는 이 드릴에 장착되고 전기적으로 연결되는 것에 의해 본 발명의 추적 어레이가 장착된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 추적 어레이의 내부 프로세서는 LED(들)(103)를 통해 내부 프로세서에서 생성된 데이터를 송신할 수 있다(예를 들어, 이 데이터는 추적 어레이의 식별 코드이거나, 또는 이 데이터는 추적 어레이 그 자체로 고유하거나 또는 추적 어레이에 대한 IMU 데이터이다). 본 발명의 또 다른 실시 예에서, 2DOF 드릴로부터의 데이터는 내부 프로세서로 송신되고, 이 내부 프로세서는 LED를 작동시켜 드릴에 고유한 데이터(예를 들어, 드릴 팁의 절단 속도에 관한 데이터, 사용자 프롬프트, 드릴에 의해 가해진(experienced) 힘, 및 아래에 설명된 것과 같은 다른 데이터)를 무선으로 전송할 수 있다.
본 발명의 특정 실시 예에서, 이 추적 어레이는 고속 데이터 전송을 위한 적어도 하나의 LED(103), 및 가시광, 무선 주파수, 적외선, 소리 또는 전자기 신호와 같은 광학 신호를 방출하거나 반사할 수 있는 2개 이상의 능동 및/또는 수동 마커를 포함한다. 2개 이상의 능동 및/또는 수동 마커는 특히 전통적인 추적을 위해 사용될 수 있는 반면, 작동 LED(103)는 특히 데이터 전송을 위해 사용된다. 본 발명의 특정 실시 예에서, 추적 어레이는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 2개 이상의 LED(103)를 포함한다. 데이터를 전송할 수 있는 LED(들)(103)는 광학 추적기가 추적 어레이와 이 추적 어레이에 부착된 임의의 대상체, 예를 들어, 외부 디바이스(104)를 추적하기 위한 소스(source)로서 사용될 수도 있음을 알아야 한다.
본 발명의 특정 실시 예에서, 내부 처리 유닛(102)은 외부 디바이스(104) 내에/상에 수용되거나 위치되고, 도 1b에 도시된 바와 같이 작동을 제어하기 위해 개별 LED(103)에 전기적으로 연결된다. 외부 디바이스(104)는 또한 신호 처리를 위한 적어도 하나의 프로세서를 수용할 수 있고, 도 1c에 도시된 바와 같이 전기적 연결에 의해 추적 어레이(101)의 내부 프로세서(102)에 연결될 수 있다. 외부 디바이스(104) 내에/상에 수용된 프로세서(102)는 또한 외부 디바이스(104)를 제어할 수 있다.
추적기 데이터 수신기
이제 도 2를 참조하면, LED(103)로부터 전송된 데이터(112)는 추적기(109)의 적어도 하나의 광센서(106)에 의해 수신된다. 추적기(109)는 또한, 이들 광센서(106) 및 이 기술 분야에 알려진 임의의 표준 추적, 교정, 및 등록 방법을 사용하여, 어레이(101) 및 이 어레이에 부착된 임의의 대상체의 위치와 배향을 결정할 수 있다. 적어도 하나의 광센서(106)는 광다이오드, CCD 및/또는 CMOS 카메라를 포함하지만 이에 국한되지 않는 이 기술 분야에 알려진 임의의 검출 센서일 수 있다. 디바이스의 적어도 하나의 실시예에서, 2개 이상의 광센서(106)가 추적기(109) 내에 알려진 형태로 배열된다. 특정 실시 예에서, 추적에 전용된 2개 이상의 광센서(106), 및 전송된 데이터(112) 수신에 전용된 하나 이상의 추가적인 광센서가 있다. 적어도 하나의 실시 예에서, 추적기(109)는 도 2에 도시된 바와 같이 수술실에 배치될 수 있는 베이스를 갖는 강성 구조에 부착된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 추적기(109)가 부착된 강성 구조는 배열된 광센서(106)를 갖는 추적기(109)를 물리적 좌표계(physical coordinate system)의 적어도 하나의 자유도로 조정하기 위한 구성 요소(도시되지 않음)들을 포함한다. 자유도 이동을 위한 좌표계는 예시적으로 직교 좌표계(Cartesian)와 구형 좌표계(spherical)를 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 이들 구성 요소는 배열된 광센서(106)를 갖는 추적기(109)를 사용자에 의해 수동으로 조정되도록 조작된다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 배열된 광센서(106)를 갖는 추적기(109)를 조정하기 위한 구성 요소들은 추적기 처리 유닛 및/또는 컴퓨터(111)에 의해 제어되거나, 또는 추적 어레이(101), 컴퓨터(111) 및/또는 다른 외부 디바이스 상의 LED(103)로부터 생성된 데이터에 기초하여 추적기(109)를 병진이동시키거나 및/또는 회전시킬 수 있는 다른 처리 유닛(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 복수의 추적기(109)가 수술실 주위에 위치된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 광센서(106)를 갖는 추적기(109)는 수술실 내 다른 물체에 부착된다. 추적기(109)를 부착하기 위한 물체는 수술실 벽, 수술실 천장, 수술실 바닥, 의료 장비, 수술 조명 및 이들의 조합일 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 적어도 하나의 실시 예에서, 추적기(109)는 도 3a에 도시된 바와 같이 수술 조명(116)과 같은 수술실 내 특정 물체에 부착하도록 구성되거나 도 3b에 도시된 바와 같이 수술 조명(116')에 직접 내장될 수 있다.
광센서(106)는 LED/LED들(103)로부터 전송된 데이터(112)를 역으로(inversely) 처리하기 위해 추적기 처리 유닛에 전기적으로 연결되고, 수술실 내에 임의의 추적된 대상체의 자세(POSE)를 결정하는 프로세서일 수도 있다. 추적기 처리 유닛은 예를 들어 복조(demodulation), FFT/IFFT, 에러 정정(error correction), 디인터리빙(deinterleaving), 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않은 다른 신호 처리 기술을 사용하여 수신된 데이터를 복구할 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 광센서(106)는 디지털 또는 물리적 필터를 사용하여 특정 LED 및/또는 데이터 주파수를 선발한다. 예시적으로, 물리적 필터의 유형은 흡수 필터(absorptive filter), 다이크로익 필터(dichroic filter), 단색(monochromatic), 장역 통과(longpass), 대역 통과(bandpass), 단역 통과(shortpass), 편광자(polarizer) 등을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 디지털 필터링의 유형은 FFT/IFFT, 대역 통과, 칼만(Kalman) 필터, 베셀(Bessel) 필터, 고역 통과(high-pass), 저역 통과(low-pass), 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.
추적기 처리 유닛은 추적기(109) 내에/상에 위치될 수 있고/있거나, 컴퓨터(111)의 일부이고/이거나, 추적기(109)가 부착된 강성의 구조의 베이스 상에 및/또는 외부 디바이스 상에 위치될 수 있다.
추적 어레이 및 외부 디바이스 데이터 수신기
도 4를 참조하면, 추적 어레이(101)는 데이터 수신기로 작동하는 적어도 하나의 광센서(113)를 포함한다. 광센서(113)는 광다이오드, CCD 및/또는 CMOS 카메라를 예시적으로 포함하는 임의의 광 검출 센서이다. 본 발명의 일부 실시 예에서 광센서(113)에 의해 수신된 데이터는 도 4a의 내부 프로세서(102)에서 역으로 처리되어 복구되고, 또는 대안적으로, 이 데이터는 도 4b의 외부 디바이스와 마커 사이의 전기적 연결을 사용하여 외부 디바이스에 위치된 프로세서로 전송된다. 본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 추적 어레이(101)는 도 4c에 도시된 바와 같이 입력 데이터를 역처리 하는데에만 전용된, 광센서(113)에 전기적으로 연결된 추가적인 처리 유닛(114)을 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 광센서(113)는 도 4d에 도시된 바와 같이 외부 디바이스(104) 상에 위치되어 데이터를 수신하고, 이 데이터는 외부 디바이스 상에서 처리 유닛을 사용하여 역 처리되고 복구될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 외부 디바이스(104) 상에 위치된 적어도 하나의 광센서(113)로부터 수신된 데이터는 전기적 연결에 의해 추적 어레이(101) 상의 내부 처리 유닛(102)에 전송되어, 여기서 도 4e에 도시된 바와 같이 역 처리되어 복구될 수 있다. 적어도 하나의 실시 예에서, 추적 어레이와 외부 디바이스는 도 4f에 도시된 바와 같이 하나의 광센서와 적어도 하나의 처리 유닛을 각각 구비하고, 이 광 센서와 처리 유닛은 전기적 연결을 통해 추적 어레이와 외부 디바이스 사이에 전송될 수 있는 데이터를 수신 및 처리할 수 있다.
적어도 하나의 실시 예에서, 추적 어레이(101) 및/또는 외부 디바이스(104) 상의 처리 유닛(102)은 광센서(113)에 의해 수신된 신호를 역으로 처리하는 구성 요소들을 포함한다. 처리 유닛(102 및/또는 114)은 복조, FFT/IFFT, 에러 정정, 디인터리빙 등을 포함하지만 이에 국한되지 않은 신호 처리 기술을 사용하여 수신된 데이터를 복구할 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 데이터는 추적 어레이(101) 상의 광센서(113)에 의해 수신되고, 처리 유닛(102 및/또는 114)에 의해 역으로 처리되는데, 여기서 처리된 데이터는 전기적 연결을 통해 외부 디바이스(104)에 전송되어 이 외부 디바이스(104)에 의해 사용된다. 다른 실시 예에서, 데이터는 외부 디바이스(104) 상의 광센서(113)에 의해 수신되고, 처리 유닛(102 및/또는 114)에 의해 역으로 처리되는데, 여기서 처리된 데이터는 추적 어레이(101)의 LED(103)에서 고속으로 전송된다.
도 4a 내지 도 4f에 도시된 실시예는 광센서(들) 및/또는 처리 유닛(113, 114)의 여러 형태를 도시한다. 본 명세서에 개시된 발명은 도 4a 내지 도 4f에 도시된 예들의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 예시를 위한 것이며 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다.
적어도 하나의 실시 예에서, 도 4a 내지 도 4f에 도시된 처리 유닛(102)은 광센서(113)에 의해 수신된 입력 데이터를 처리할 뿐만 아니라 LED를 작동시켜 데이터를 전송할 수 있다. 전송될 데이터는 이제 추적 어레이(101) 상의 처리 유닛(102)에 의해 생성되거나, 외부 디바이스(104)로부터 오는 것이거나, 외부 디바이스(102)의 처리 유닛으로부터 오는 것이거나, 및/또는 적어도 하나의 광센서(113)에 의해 수신된 데이터로부터 오는 것이거나, 및 이들의 임의의 조합으로부터 생성될 수 있다. 추적 어레이(101), 외부 디바이스(104), 추적기(109), 외부 디바이스(110), 컴퓨터(111), 및 이 추적 어레이(101)에 전기적으로 연결되거나 및/또는 추적 어레이를 포함하는 임의의 다른 디바이스 간에 데이터 검색/전송, 처리/역처리의 여러 조합이 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
추적기 데이터 전송
도 5를 참조하면, 추적기(109)는 적어도 하나의 LED(115)를 포함할 수 있다. LED(115)는 추적기(109) 상에 위치되고, 데이터를 추적 어레이(101) 및/또는 외부 디바이스(104) 상에 위치된 광센서(113)로 고속으로 전송한다. 본 발명의 실시 예에서, LED(115)는 광센서/광센서들(106) 근처에 위치될 수 있지만, 전술한 바와 같이 케이싱(casing) 내에 수용되지는 않는다. 예를 들어, LED(115)는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 것과 같은 수술 조명에 부착된 것과 동일한 추적기(109) 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, LED(115)는 추적 어레이(101)의 처리 유닛(102)에 대해 설명된 바와 같은 구성 요소 및 방법을 사용하여 고속으로 데이터를 전송하도록 작동될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에서, LED는 추적기 처리 유닛으로부터, 및/또는 컴퓨터(111)로부터, 및/또는 추적기 내에 위치되거나 추적기(109)에 전기적으로 외부적으로 연결된 외부 디바이스 및/또는 추가적인 처리 유닛(도시되지 않음)으로부터 작동된다.
추적기(109) 상의 LED/LED들(115)로부터 전송될 데이터는 복수의 소스로부터 생성될 수 있다. 예로서 그리고 비-제한적으로, 데이터는 추적기 처리 유닛으로부터 내부적으로 생성될 수 있고, 이 처리 유닛은 모니터(109), 컴퓨터(111), 키보드(107) 및 마우스를 통해 사용자로부터 데이터를 수신할 수 있으며, 데이터는 USB와 같은 메모리 저장 디바이스(도시되지 않음) 또는 CD와 같은 전달 가능한 매체로부터 생성될 수 있고, 데이터는 추적기 처리 유닛에 전기적으로 연결된 외부 디바이스로부터 생성될 수 있고/있거나, 데이터는 추적 어레이(101) 또는 외부 디바이스(104)에 의해 송신된 데이터로부터 생성될 수 있다.
데이터의 유형과 기능
복수의 디바이스, 추적 어레이 또는 추적 시스템에 의해 전송/수신되는 데이터의 유형은 복수의 상이한 기능을 위해 사용될 복수의 상이한 정보를 포함할 수 있다. 송신/수신되는 데이터의 유형은 예로서 다음 정보를 포함할 수 있으며, 이는 결코 본 발명을 제한하거나 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 이 데이터는 특정 LED의 식별자(identification)와 위치, 외부 디바이스의 동작 상태, 환자의 해부학적 구조의 위치와 배향, 외부 디바이스를 제어하기 위한 프롬프트, 외부 디바이스의 하드웨어 또는 소프트웨어 버전, 외부 디바이스에 의해 로그된 데이터, 외부 디바이스의 동작 파라미터, 속도 프로파일, 위치와 배향, 가속도, 전류, 온도, 배터리 수명, 디바이스에 의해 가해지거나 디바이스 상에 가해지는 힘, 경고, 중지(interruption), 결함, 수술 전 계획 상태, 수술 계획, 수술 계획을 위한 의료 영상 데이터, 실행가능한 프로그램과 같은 수술 계획 응용, 및 데이터의 2진 스트림(binary stream)을 포함할 수 있다. 본 발명은 컴퓨터 보조 의료 디바이스에 관한 것이므로, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특히 본 발명에서 전송될 수 있는 정보와 데이터의 유형이 다차원(multi-dimensional)일 가능성을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 전송된 데이터는 마커 LED의 이동을 추적하는데 사용된다. 도플러 알고리즘(Doppler algorithm)을 사용하는 것을 통해, 공간에서 장비의 3차원 움직임, 신체의 움직임, 신체의 방향, 호흡 속도 등과 같은 여러 유형의 움직임이 측정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명에 의해 생성된 3차원 데이터는 예시적으로 환자의 신체 구조, 장비 및 이들의 조합을 포함하는 영상; 이들 사이의 동적 상호 작용; 좌표 공간에서 적어도 하나의 마커의 위치; 마커들 사이의 동적 위치 변화; 및 전술한 것들의 조합을 포함한다.
적어도 하나의 실시 예에서, LED 마커는 수면 무호흡(sleep apnea)을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 마커 LED의 움직임은 실시간으로 모니터링 된다. 본 발명의 다른 실시 예에서, LED 마커는 실시간으로 환자의 움직임을 의료 장비와 동기화시키는데 사용된다. 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, LED 마커는 방사선 치료 빔을 환자의 움직임으로 조정함으로써 치료될 종양의 타겟팅을 최대화하기 위해 환자의 움직임을 하나 이상의 의료 선형 가속기의 움직임과 동기화시키는데 사용되며, 이에 따라 주변 조직과 장기(organ)에 수반되는 손상을 최소화하면서 종양 부위에 방사선량을 최대화한다.
유사하게는, 복수의 디바이스, 추적 어레이, 추적 시스템 및/또는 이들의 조합에 의해 송신/수신되는 데이터는 복수의 상이한 기능을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 결코 본 발명을 제한하거나 본 발명에 필수적인 것은 아니지만, 적어도 하나의 실시 예에서, 데이터는 모니터(109)에 직접 디스플레이되거나 다른 외부 디바이스들에 중계될 수 있으며, 데이터는 사용자에게 태스크(task)를 수행하도록 프롬프트할 수 있고, 데이터는 외부 디바이스가 예를 들어, 수술 계획을 실행하기 위한 명령 세트이고, 데이터는 추적 어레이(101) 및/또는 외부 디바이스(104)로 다른 디바이스의 위치 및/또는 배향에 기초하여 수술 현장 내의 외부 디바이스가 이동하도록 명령할 수 있고, 외부 디바이스는 추적되고 있는 환자의 해부학적 구조의 위치와 배향에 기초하여 이동하도록 지시받을 수 있다.
데이터 타겟팅
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 송신/수신되는 데이터는 특정 광센서 및 LED로/로부터 타겟팅 될 수 있다. 특정 추적 어레이, LED 및/또는 광센서의 타겟팅은 여러 상이한 방법으로 달성될 수 있다. 적어도 하나의 실시 예에서, LED/LED들 및/또는 광센서/광센서들의 시야는 특정 범위로 제한된다. 예를 들어, LED의 일반적인 방출 필드(emission field)는 원추형으로 120도이다. LED 및/또는 광센서 또는 이들의 조합은 도 6에 도시된 것과 같이 다수의 면을 포함하는 추적 어레이 상에 여러 형태로 배열될 수 있다. LED/광센서의 방출/수신 필드는 추적 어레이의 배향에 기초하여 방출/수신된 신호가 더 높은 강도에 있는 위치를 생성한다. 고속으로 데이터를 전송할 수 있기 때문에 더 높은 강도로 신호를 방출/수신하는 면은 '능동(active)' 면으로 타겟팅될 수 있다. 따라서 송신/수신될 데이터는 '능동' 면으로/으로부터 지향될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 데이터 링크(data link)를 가시선(line of sight) 상에 있는 광센서/광센서들과 LED/LED들로만 제한하는 것에 의해 타겟팅이 달성된다. 처리 유닛은 광센서의 가시선으로부터 차단된(obstructed) LED로부터 데이터 링크가 없는 것을 계산할 수 있다. 차단된 LED/광센서로부터 방출/수신된 데이터는 중단될 수 있고, 전송/수신되는 데이터는 보다 "능동"인 다른 LED 및/또는 광센서로 전송/타겟팅될 수 있다. 따라서, 데이터는 또한 특정 LED, 광센서, 추적 어레이, 추적 어레이 면, 외부 디바이스 및 추적기로/로부터 타겟팅된 것 중 적어도 하나와 사용되는 것과 조합하여 또는 단독으로 수술실 내 컴퓨팅 디바이스에 전송될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 하나의 마커가 광센서에 의해 보이지 않더라도 데이터가 여전히 정확하게 전송되는 중복 전송 시스템(redundant transmission system)을 생성하기 위해 LED들이 동시에 작동된다. 예를 들어, LED/LED들은 중복 다중-광센서 시스템(redundant multi-photosensor system)을 생성하기 위해 각 광센서와 공동 배치될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 광센서가 관련 LED와 함께 차폐(blocked)되면, 다른 LED를 여전히 사용하여 데이터를 추적하고 전송할 수 있다. 다른 예에서, 다수의 광센서는 추적기 상에 공동 배치되어 또 다른 중복 다중-광센서 시스템을 생성할 수 있다. 하나의 광센서가 차폐되면, 추적기 상에 있는 위치된 또 다른 광센서가 여전히 보일 수 있어서 전송 LED에 의해 데이터를 수신할 수 있다.
추가적으로, LED들은 독립적으로 작동되어 데이터 전송 속도를 증가시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 개개의 LED들은 다른 LED와 독립적으로 상이한 유형의 데이터를 전송할 수 있다. 예로서, 하나의 LED는 외부 디바이스(104)의 동작 상태를 계속 송신하는 반면, 인접한 LED는 외부 디바이스(104)의 속도 데이터를 계속 송신한다. 본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 하나 이상의 LED가 광센서(106)로부터 차단된 경우에 데이터가 수신될 기회를 개선하기 위해 LED들이 특정 데이터를 전송하도록 순차적으로 작동된다. 예를 들어, 제1 LED는 주어진 시간 동안 외부 디바이스의 동작 상태를 전송한 다음, 상기 외부 디바이스의 동작 상태는 다른 시간 동안 제2 LED에 의해 전송된 다음, 데이터는 제3 LED에 의해 전송되고, 필요에 따라 추가적인 LED에 의해 계속 전송된다. 따라서, 제1 및 제2 LED가 광센서(106)의 가시선에서 차단된 상황에서는, 결국 제3 LED 또는 일부 다른 LED가 외부 디바이스의 동작 상태를 전송하게 된다.
적어도 하나의 실시 예에서, 데이터 전송 속도에 2개 이상의 모드 또는 설정이 존재한다. 예시적으로, 하나의 모드는 약 1 Mb/s의 속도로 데이터를 송신할 수 있지만, 다른 모드는 약 10 Mb/s 속도로 데이터를 송신할 수 있다. 1 Mb/s의 모드는 예시적으로 추적 어레이 또는 LED의 식별(identity) 및 다른 '백그라운드' 정보와 같은 데이터를 송신할 수 있으며, 10 Mb/s의 다른 모드는 추적 정보를 송신할 수 있다. 10 Mb/s의 모드는 또한 수술 계획, 소프트웨어 업그레이드를 위한 실행 가능한 애플리케이션 전송과 같은 데이터, 및 더 큰 패킷의 형태일 수 있는 다른 데이터를 송신하는데에 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 하나의 모드로부터 다른 모드로 변경하는 것은 전송될 데이터의 크기에 의해 자동으로 수행될 수 있다. 예시적으로, 컴퓨터는 전달될 데이터의 크기를 알고, 데이터가 큰 경우 10 Mb/s의 데이터 전송 모드로 전환하기 위해 프로세서(107)에 통신한다. 프로세서(107)는 LED(115)를 작동시킴으로써 초기 신호를 추적 어레이의 광센서(113)와 프로세서(102)에 송신하여, 적절한 데이터 속도로 데이터를 수집하고 판독할 수 있는 수신 모드로 전환할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 데이터는 2개 이상의 모드에서 병렬로 전송된다. 예시로서, 추적 어레이는 1 Mb/s의 하나의 모드에서 식별 정보를 송신하는 한편, 추가적으로 10 Mb/s의 다른 모드에서 추적 정보를 송신한다. 본 명세서에서는 1 Mb/s 및 10 Mb/s가 일 예로서 주어진 것이므로, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 보다 높거나 또는 보다 낮은 데이터 속도가 본 발명에서 달성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
다중채널 전송은 또한 전송 LED 각각에 대해 상이한 파장 또는 상이한 유형의 변조를 갖는 것에 의해 달성될 수 있다. 하나의 LED는 제1 파장에서 데이터를 전송할 수 있고, 동일한 추적 어레이 또는 별도의 추적 어레이에 있는 다른 LED는 제2 파장에서 데이터를 전송할 수 있다. 이것은 별도의 추적 어레이/외부 디바이스를 구별하거나 다른 유형의 데이터를 송신하는 데 사용될 수 있는 다중채널 전송 시스템을 생성한다.
특정 실시예에서, 데이터는 광센서 주위에 배치된 물리적 배리어를 사용하여 타겟팅 될 수 있다. 도 7을 참조하면, 추적기(109)는 추적기(109)의 광센서 주위에 원추형 물리적 배리어(117)가 배치된 것으로 도시되어 있다. 물리적 배리어(117)는 전송 LED(들)의 방출 필드보다 더 작은 원추각(conical angle)을 가질 수 있다. 추적기(109)가 전술된 메커니즘을 통해 조정 가능한 경우, 추적기의 광센서는 특정 추적 어레이로 직접 지향되거나 수술실에서 전송 LED로 지향될 수 있다. 따라서, 이들 LED로부터 오는 데이터만이 추적기(109)에 전송된다. 물리적 배리어는 임의의 형상 또는 크기일 수 있고, 추적기, 추적 어레이 또는 외부 디바이스(들) 상의 광센서들 중 임의의 광센서 주위에 위치될 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명은 수술실에서 복수의 디바이스, 환자의 해부학적 구조, 추적 어레이 및 다수의 추적 시스템 사이의 고속 데이터 네트워크를 생성할 수 있는 것으로 이해된다. 추가적으로, 데이터는 많은 응용에서 사용될 수 있는 특정 전송기/수신기로/로부터 타겟팅될 수 있으며, 일반적인 광 충실도(light fidelity)(LiFi) 개념과는 구별된다.
추가적인 추적 단위
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 이 기술 분야에 알려진 추가적인 추적 구성 요소들이 위치와 배향에 대한 추가적인 정보를 제공하기 위해 추적 어레이(101)에 부착될 수 있다. 예로서, 시작 기준 위치가 주어진 경우 회전 운동과 병진이동 운동을 계산하기 위해 자이로스코프(gyroscope)와 가속도계(accelerometer)를 포함하는 관성 측정 디바이스(inertial measurement unit: IMU)가 사용될 수 있다. IMU로부터 데이터는 추적 어레이의 내부 프로세서(102)에 의해 처리되고 LED(103)를 통해 추적 시스템의 광센서(106)로 전송된 후, 다른 외부 디바이스로 전송될 수 있다. IMU로부터 오는 데이터, 및 추적 어레이 상의 LED의 검출된 위치는 처리 유닛(107)에 의해 융합되고 처리되어, 현재 광학 추적 시스템에서 보이는 지연 기간(latency period)을 개선시킬 수 있다. 추가적으로, 현재 추적 시스템에서, 단 하나의 LED(103)만이 광센서(106)의 가시선 내에 있을 때, 다른 LED의 위치와 배향이 프로세서(107)에 의해 계산된 이들 LED의 이전의 위치와 속도 벡터에 기초하여 추정된다. IMU로부터 추가적인 위치와 배향 정보를 사용하고, 이 LED로부터 고속으로 여전히 데이터를 전송할 수 있는 능력이 있는 것에 의해, 추정된 위치와 배향의 정확도가 증가된다. 따라서, IMU, 전통적인 추적 시스템과, 고속으로 데이터를 전송하는 능력을 사용하는 것에 의해 컴퓨터 지원 의료 기기를 추적, 네비게이팅 및 가이드하는 지연 기간 및 정확도가 크게 개선되었다.
IMU는 초기 기준 위치가 드리프트(drift)하기 시작할 때 에러가 누적된다는 내부 문제를 갖고 있다는 점을 알아야 한다. 드리프트는 공간에서 추적기 어레이의 실제 위치와 배향에 오류를 야기할 수 있다. 적어도 하나의 실시 예에서, IMU 드리프트를 극복하기 위해, 추가적인 GPS 유닛이 IMU에 연결되어 글로벌 기준 위치를 제공한다. 적어도 하나의 실시 예에서, LED가 광센서에서 보이고 GPS 유닛을 요구하지 않을 때 추적 시스템은 IMU의 기준 위치를 재설정할 수 있다.
예
본 발명은 상세한 설명과 관련하여 설명되었지만, 전술한 설명은 예시하기 위한 것일 뿐, 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 다른 양태, 이점 및 변형은 다음의 청구 범위 내에 있다.
광학 추적 시스템은 환자의 해부학적 구조 및 촉각으로 가이드되는 휴대형 수술 톱과 함께 사용되어 사용자가 슬관절 전치환술을 수행하는 것을 돕는다. 하나의 추적 어레이(101)는 수술 톱(104)에 전기적으로 연결되는 반면, 추가적인 추적 어레이(101)는 수술 부위 근처의 환자의 대퇴골과 경골에 고정된다. 사용자는 촉각으로 가이드되는 수술 톱을 노출된 대퇴골과 경골 주위의 일반적인 부위에 배치한다. 모니터를 통해 외과 의사는 수술실에서 수술 전 또는 수술 동안 수술 계획을 확인한다. 수술 계획 데이터는 프로세서(107)에 의해 변조되고/되거나 다중화되고, 프로세서(107)는 추적기(109) 상의 LED(115)를 적절히 작동시켜 고속으로 데이터를 송신한다. 이 데이터는 광센서(113 또는 114)에 의해 수신되고, 수술 톱 상의 추적 어레이(101)의 추적 프로세서(102)에 의해 판독된다. 수술 계획 데이터는 판독되어, 수술 톱의 촉각 피드백 메커니즘을 활성화시켜, 사용자의 배향과 위치를 올바른 곳으로 조정하여 대퇴골 또는 경골을 계획대로 절단한다.
환자 상의 추적 어레이와 수술 톱 상의 추적 어레이 사이의 데이터는 또한 수술 톱을 정확하게 배치하는 것을 도울 수 있다. 추적 어레이의 배향이 환자의 해부학적 구조에 대해 알려져 있고, 추적 어레이의 배향이 수술 톱 상에서 알려져 있는 경우, 추적 어레들의 서로 다른 면들 사이의 신호 강도는 올바른 평면을 찾는데 도움이 될 수 있다. 특정 면이 추적 어레이들 사이에 정렬되면, 둘 간에 데이터의 신호 강도를 위치지정(LED 데이터 타겟팅)하는데 사용할 수 있다. 추가적으로, 촉각 피드백 메커니즘이 톱의 위치와 배향을 조정하는 것을 돕기 때문에, 피드백 메커니즘의 동작에 관한 데이터는 수술 톱 상의 추적 어레이(101)에 의해 추적기로 중계될 수 있고, 내부 프로세서(102)에 의해 LED(103)를 적절히 작동시키는 것을 통해 모니터 상에 디스플레이될 수 있다. 추적기 유닛과 수술 톱 사이에 전기적 연결이 요구되지 않는다.
수술 톱이 한정된 평면을 절단함에 따라, LED(103)를 통해 추적 어레이(101)는 동작 속도, 수술 톱의 팁에 가해지는 힘, 제거되고 있는 뼈의 양, 평면 절단의 위치와 배향의 정확도, 디바이스에 연질 조직이 접한 경우 경고를 포함하는 수술 톱의 동작 데이터를 송신한다. 환자의 해부학적 구조 상의 추적 어레이는 수술 톱이 정렬되거나 잘못 정렬되거나 특정 구조물을 위험에 빠뜨린다는 데이터를 수신하고, 추적 시스템과 수술 톱에 데이터를 전송하여 올바른 정렬을 확인하고 수술 톱이 잘못 정렬되면 이 수술 톱을 수정하거나 일시 중지하거나, 또는 잠재적으로 안전 문제가 있는 경우 사용자에게 경고를 보낸다. 수술 톱이 그 작업을 완료한 후 수술 톱은 새로운 명령을 요구하는 프롬프트를 사용자에게 전송한다.
적어도 하나의 예시적인 실시 예가 전술된 상세한 설명에 제시되었지만, 많은 변형이 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 단지 예시를 위한 것일 뿐, 임의의 방식으로 설명된 실시 예들의 범위, 적용 가능성 또는 형태를 제한하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 예시적인 실시 예 또는 예시적인 실시 예들을 구현하기 위한 편리한 로드맵을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 제공하는 것이다. 첨부된 청구 범위 및 그 법적 등가물에 기재된 범위를 벗어나지 않으면서 요소의 기능과 배열에 여러 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야한다. 추가적으로, 의료용 응용이 본 명세서에 제시되었으므로, 이 기술은 다른 산업에도 구현될 수 있는 것으로 이해된다.

Claims (14)

  1. 광학 추적 시스템으로서,
    1 내지 2,000 MB/s로 데이터를 생성하고 광학적으로 전송하기 위한 적어도 하나의 추적 어레이(tracking array); 및
    상기 1 내지 2,000 MB/s로 광학적으로 전송된 데이터를 광학적으로 수신하기 위한 적어도 하나의 추적기(tracker)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추적 어레이는 적어도 하나의 광학 센서(optical sensor)와 적어도 하나의 내부 처리 유닛(internal processing unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 처리 유닛은 에러-정정 코드 인코딩(error-correction code encoding), 변조(modulation), 다중화(multiplexing), 인터리빙(interleaving), FFT/IFFT 또는 이들의 조합을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 처리 유닛은 상기 적어도 하나의 광학 센서를 작동시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 유닛은 시간/주파수 도메인 변조(time/frequency domain modulation)를 사용하여 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 복수의 광학 센서인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 LED인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고속으로 데이터를 전송하기 위한 적어도 하나의 LED, 및 가시광, 무선 주파수, 적외선 또는 소리와 같은 광학 신호를 방출하거나 또는 반사하기 위한 적어도 2개의 마커를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추적 어레이는 적어도 하나의 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광센서는 광다이오드, CCD, CMOS 카메라, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추적 어레이는 추적기 처리 유닛, 및 상기 광학적으로 전송된 데이터를 판독, 이동 및 추적하기 위한 기계 판독 가능 명령을 갖는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추적 어레이는 고속으로 데이터를 전송하기 위한 적어도 하나의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추적기는 복수의 추적기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추적 어레이는 적어도 하나의 추적기로부터 데이터를 수신하기 위한 광센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.




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