KR20200002879A

KR20200002879A - 3차원 로봇 바이오 프린터

Info

Publication number: KR20200002879A
Application number: KR1020197032312A
Authority: KR
Inventors: 모세 쇼햄
Original assignee: 메이저 로보틱스 엘티디.
Priority date: 2017-04-02
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2020-01-08
Also published as: US20240156492A1; CN110769771A; KR102493255B1; AU2018248134A1; CN110769771B; EP3606461B1; US11864795B2; WO2018185755A1; EP4000551A1; US20210007778A1; CN116602771A; EP3606461A4; JP2020515372A; EP3606461A1

Abstract

수술 로봇을 대상체의 바디 내부에서 생체 조직의 제조를 위한 3 차원 프린터로 사용한 최소 침윤 시스템. 수술 전 계획이 로봇의 모션과 바이오 잉크 압출 둘 다를 지시하고 제어하는데 사용된다. 로봇 모션은 원하는 두께 및 치수를 갖는 층들을 형성하기 위해 잉크 압출과 조정되고, 다른 유형의 잉크의 사용은 복합 요소가 적층될 수 있게 한다. 이러한 시스템은 일반적으로 피스톤 구동 캐뉼라 형태의 작은 직경의 바이오 잉크 분사 메커니즘을 가지며, 조인트와 같은 제한된 영역에 액세스 가능하게 된다. 로봇 제어는 대상체로 삽입되는 지점에서 피봇 지점 주위에서 각운동이 발생하도록 프로그래밍 된다. 바이오 잉크는 하나의 캐뉼라로부터 순차적으로 분배될 수 있도록 캐뉼라 내의 미리 설정된 층들에 저장될 수 있다.

Description

3차원 로봇 바이오 프린터

본 발명은 바이오프린팅 분야에 관한 것으로, 특히 최소 침습 로봇 수술 시스템(minimally invasive robotic surgical systems)을 사용하여 체내에서 수행되는 바이오프린팅에 관한 것이다.

3차원 바이오프린팅을 사용한 조직 조작(tissue engineering)은 장기 부족과 이식 필요 사이의 격차(gap)를 타개하기 위한 희망을 주는 유망한 연구 분야였다. 3차원 바이오프린팅은 조직 또는 잠재적으로 장기까지도 조작된 다음 대상체에 이식되도록 하여, 환자의 치료를 위한 대기 시간을 현저하게 줄인다. 게다가, 조직은 소량의 대상체의 조직(자가 조직)으로부터 조작될 수 있으므로, 이러한 가능성의 사용은 이식의 거부반응과 항거제(anti-rejection drugs)의 필요를 피할 수 있다.

체외 장기의 3 차원 프린팅에 대한 검토는, 2010년 7월에 발표된 International Journal of Computer Assisted Radiology Surgery; 2010년 5월 15일 5(4):335-41. doi: 10.1007/s11548-010-0476-x.에 전자 공개된, Rengier F. 등에 의한 "3D printing based on imaging data: review of medical applications"라는 제목의 논문에서 찾을 수 있다.

Boland 등의 "Ink-Jet Printing of Viable Cells"에 대한 미국 특허 제7,051,654는 "세포를 함유하는 세포 조성물을 기재(substrate) 상에 잉크-젯 프린트하여, 세포의 약 25 % 이상이 24 시간 동안 인큐베이션 한 후에 상기 기재 상에 생존 가능한 상태로 유지되는 것에 의해 생존 세포의 어레이를 형성하는 방법"을 기술한다. 그러나, 이러한 종래 기술은 단지 하나의 기재에 생존 세포를 바이오 프린팅하는 것에 대해서만 기술할 뿐, 대상체의 바디(body)에 직접 프린팅하는 것을 기술하지는 않는다.

2012년, Tissue Engineering: Part A, Volume 18, Number 11 및 12에 발표된, Xiaofeng Cui 등에 의한 "Direct Human Cartilage Repair Using Three-Dimensional Bioprinting Technology"라는 제목의 논문은 "이러한 3D 열 잉크젯 기반 바이오 프린팅/광중합 방법은 연골 개발을 위한 충분한 기계적 안정성을 가진 컴퓨터 제어되는 물질의 층별 구성의 첫 번째 예를 제공한다"고 말하고 있다. 이 참조에서는 각 프린트 헤드에 50 개의 노즐을 사용하여 체내 바이오 페이퍼(biopaper) 상에 수정된 HP Deskjet 500 프린터로 프린팅한 다음, 프린팅 후 24 시간 내에 세포 생존율을 확인하는 방법을 설명한다.

생존 세포의 조작 방법 외에, 체내 자가 조직 및 비자가 조직 및 장기를 조작하고, 이어 이를 대상체의 몸에 이식하기 위한 방법 및 시스템이 설명되었다. 그러나, 이러한 방법들은 프린팅된 조직의 최종 치수와 동일한 치수의 개구를 필요로 하므로, 주변 건강한 조직에 대한 외상을 상당히 증가시킨다.

예를 들어, 대한민국 수원의 성균관 대학교 생명공학과 생명공학부의 Nhayoung Hong 등에 의해 발표된, "3D bioprinting and its in vivo applications"라는 제목의 논문은, "골조성 배지에서 일주일 동안 배양되어 면역-결핍 쥐에게 피하 이식된 뼈 조직 구조"를 기술하고 있다. 또한, 이 논문은 "세포 생존력 및 더 크고 더 다양한 조직 또는 장기로 조직화될 프린트된 조직의 혈관화와 같은 해결해야 할 문제가 여전히 남아있다... 조직의 혈관화는 인체 규모의 조직을 제조하기 위한 주요 제한 요소이므로 체내 프린팅은 임상적으로 관련이 있는 작은 크기의 영양분 확산(~ 수 mm)으로 제한된다"라고 말하고 있다. 상기 논문은 또한 "생체 물질에 살아있는 세포를 캡슐화하는 데 있어 중요한 단점 중 하나는 세포-바이오 물질 현탁액이 세포 생존력을 훼손하고 생체 활동을 제한하는 물질 저장소에 상당한 시간 동안 저장될 필요가 있다는 점이다. 따라서, 세포-바이오 물질 현탁액을 로딩 및 분사하는 보다 자동화된 방법이 필요하다..."라고 말하고 있다.

대상체의 신체에 직접 바이오 프린팅하기 위해 현재 이용 가능한 방법 및 시스템은, 일반적으로 이러한 혈관화 문제를 방지하는 연골교정을 위해 개발되었으며, 상당한 크기의 요소를 가진 프린팅 헤드가 필요하며, 프린팅 헤드와 동일한 오더의 절개가 필요하다. 일부 종래 시스템들은 또한 내시경 카메라와 같은 침습적으로 삽입된 센싱 장치를 필요로 한다. 중국 특허 출원 번호 제CN 104688388호의 " 3D (three-dimensional) printing technique-based cartilage repair system and method"는, 도 1 및 2에서, 실제로 노즐 레버로부터 튀어나와 삽입 가능한 부분의 크기를 더 증가시키는 터보차저(turbocharger)(22)외에, 노즐 레버의 직경을 모두 증가시키는 3D 스캐너(5)와 노즐 레버(2)에 위치된 카메라(6)를 도시한다. 이 시스템의 또 다른 단점은 노즐 레버가 해부학적 무릎 공동(cavity) 내에 완전히 배치된 기계적 방사형 회전 메커니즘(4)에 의해 회전된다는 점이다. 이는 대상체의 조직에 대한 외상을 실질적으로 증가시키고, 노즐에 의해 프린트될 수 있는 볼륨을 감소시키고, 원하는 볼륨에 도달하기 위해 다수의 삽입이 필요할 수 있을 것으로 보인다.

중국 특허 출원 제CN 204092271호는 대상체 내에서 바이오프린팅하기 위한 파이프를 개시한다. 이 참조에서는, 도 2에서, 프린팅 파이프(20), 검출 파이프(30) 및 조명 장치(40)를 포함하는 제1 파이프 바디(10)을 도시하며, 이들 모두는 제1 파이프 바디(10)의 직경을 증가시킨다. 이 참조의 도 1은 말단에서 크기를 증가시키는, 파이프의 말단에 이미지 데이터 출력 포트(302)를 도시한다. 상기 장치는 바디 내에서 적절히 장치를 위치시키기 위한 가이드 와이어를 필요로 한다. 상기 장치는 플렉서블한 파이프이기 때문에, 파이프의 움직임은 복잡하고 실시간 위치 분석을 위한 이미징 구성요소들을 필요로 한다. 이러한 복잡한 움직임은 또한 조직에 외상을 증가시킬 수 있다.

2017년 5월 17일, the Journal of Tissue Engineering for Regenerative Medicine에서 발표된, Di Bella C. 등에 의한 "In situ handheld three-dimensional bioprinting for cartilage regeneration"라는 제목의 논문에서, "단일 세션 수술에서 체내 연골 결함으로 바이오스캐폴드(bioscaffold) 및 배양된 세포의 동시 동축 압출을 허용하는 핸드 헬드 3D 프린팅 장치(바이오펜)"가 기술되어 있다. 그러나, 바이오펜은 그 위치결정의 정확도가 외과의의 손놀림에 달려 있도록 하는 핸드 헬드이다. 이러한 단점은 특히 3차원 생물학적 물체를 만드는 데 필요한 궤적이 복잡한 경우 현저해진다. 추가로 프로시저(procedure) 동안 바이오펜의 궤적이 외과의의 재량에 달려있는 경우, 외과의는 비능률적인 경로 또는 결과가 좋지 않는 경로를 선택할 수 있다.

대부분의 현대 바이오펜의 또 다른 가장 큰 단점은 이러한 장치가 종종 대상체에서 큰 개구를 필요로 할 정도로 크며, 예를 들어, 무릎 관절의 개구가 필요해질 수 있다는 것이다. 이는 하나 이상의 유형의 조직이 프린트될 경우, 바이오 펜에는 다른 바이오 잉크 유형을 호스팅하는 적어도 두 개의 카트리지, 챔버 또는 구획이 필요하며 이러한 카트리지가 바이오 펜의 삽입 가능한 부분 내에 위치할 때, 이것은 장치의 직경을 증가시킨다. 예를 들어, 2016년 3월 22일 제8권 제8호 학술지에서, Cathal D O'Connell 등에 의한 "Development of the Biopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site"라는 제목의 논문은 "바이오펜은 2개의 잉크 챔버('좌측' 및 '우측'으로 라벨링된)를 수용하는 3D 프린트 섀시, 3D 프린트(티타늄) 압출기 노즐 및 UV 소스로 구성되어 있다. 사용자(즉, 외과의)는 공압 압출 시스템을 통해 각각의 잉크 챔버를 통한 압출을 개별적으로 제어할 수 있다. 풋 페달(foot pedals)을 사용하여, 외과의는 '좌측' 또는 '우측' 챔버로부터 또는 두 챔버로부터 동시에 압출시킬 수 있다". 이 참조에서, 바이오 펜의 위치는 외과의의 손놀림에 좌우될 뿐만 아니라, 압출이 수동으로 제어되므로 외과의의 페달 손놀림에 좌우될 수도 있다. 게다가, 예를 들어, 연골 구조에서와 같이 서로 다른 조직이 서로 다른 층에 프린트될 때, 핸드 헬드 장치는 수동으로 도포된 층의 정확도의 부족으로 인해 필요한 얇은 층 스택(stack)을 제공할 수 없다.

따라서, 종래 기술에 도시된 시스템 및 장치의 단점 중 적어도 일부를 극복하는 작은 직경의 삽입 가능한 장치로 최소 침습 수술을 정확하게 수행할 수 있는 시스템 및 방법이 필요하다.

본 섹션 및 본 명세서의 다른 섹션에서 언급된 각각의 공보의 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합된다.

본 개시는 예를 들어, 연골 수복(cartilage repair)을 위해 대상체의 바디 내부에서 체내 생체 조직을 제조하기 위해 수술 로봇을 3 차원 프린터로 사용하는 새로운 최소 침습(minimally invasive) 시스템 및 방법을 기술한다. 이러한 시스템은 수술 프로시저 및 잉크 압출 동안 로봇의 모션을 정확하게 지시하고 제어하기 위해 포괄적인 수술 전 계획을 사용한다. 두 로봇 기능은 서로 조정하여 수행된다. 이러한 시스템은 일반적으로 캐뉼라 형태의 작은 직경의 바이오 잉크 분사 메커니즘을 가지며, 로봇 제어는 이 캐뉼라에 적용되는 각운동이 대상체로의 삽입 지점에서 회전 지점 주위에서 발생하도록 프로그래밍되며, 조직에 대한 외상을 최소화하고 프린트 가능한 양을 늘리기 위한 추가 절개의 필요성을 줄인다.

바이오-잉크 분사 메커니즘은 일반적으로 대상체를 관통하도록 구성된 캐뉼라, 하나 이상의 바이오-잉크, 로봇 제어식 피스톤과 같은 바이오-잉크 압출 메커니즘을 호스팅하기에 적합한 바이오-잉크 저장 볼륨, 하나 이상의 바이오 잉크를 말단으로 이동 시키도록 구성되고, 하나 이상의 바이오 물질 층을 형성하도록 캐뉼라의 말단에 대상체 내부에서 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 노즐을 포함한다. 바디 내부에서 프린트된 조직을 제조하는 것은 바디 외부의 인큐베이터에서 조직을 배양하는 것과 달리, 프린트된 조직 세포를 배양하기 위한 최상의 환경 및 최상의 인큐베이터를 제공한다.

장치의 삽입 가능한 부분의 크기를 증가시키는 복수의 바이오 잉크 챔버들을 필요로 하는 일부 종래 시스템과 달리, 현재 개시된 시스템은 압출 전에 하나 이상의 유형의 바이오 잉크를 수용하기 위한 단일의 작은 직경 볼륨만을 선택적으로 가질 수 있다. 이러한 볼륨은 캐뉼라 내의 원통형 볼륨일 수 있으며, 예를 들어 바늘(needle) 또는 카테테르(catheter)일 수 있다. 단일의, 작은 직경의 볼륨은 순차적인 압출을 위한 저장 볼륨의 길이를 따라 층들에 배열된 하나 이상의 상이한 바이오 잉크 유형을 호스팅할 수 있기 때문에, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경은 충분한 양과 광범위한 잉크 압출을 제공하기에 충분히 커야 하는 노즐의 크기에 의해서만 제한될 수 있다. 대안으로, 여러 개의 공급 튜브는 컬러 프린터 헤드에 사용되는 일부 배열과 유사하게 각각 다른 세포 유형들을 가진 단일 프린트 헤드에 연결될 수 있다.

게다가, 장치의 위치 결정 및 바이오 잉크 압출 둘 모두가 수동으로 제어되는 종래 기술 시스템과 달리, 현재 개시된 시스템에서 이러한 둘 모두는 편리하게 로봇으로 제어되어, 정확도를 증가시킬 수 있다. 3 차원 조직 요소의 (i) 형태, (ii) 구성성분, (iii) 위치 및 (iv) 크기 중 적어도 하나를 포함하는 수술 계획은 수술 전에 결정될 수 있다. 수술 전 계획은 포괄적이기 때문에 어떤 바이오 잉크가 필요하고 어떤 순서와 양이 필요한지가 미리 알려져 있다. 따라서, 겔(gel) 형태로 유리하게 제공되는 다른 바이오 물질은 수술 계획에 따라 정확한 순서와 양으로 캐뉼라 저장 볼륨에서 사전 계산된 층에 수술 전에 준비될 수 있으므로 단 하나의 압출 장치 볼륨만 필요하며, 따라서 삽입된 장치의 직경을 줄일 수 있다. 이 접근 방법은 타겟 3D 프린팅 영역을 둘러싸는 건강한 조직에 대한 외상을 상당히 줄인다.

수술 계획은 필요한 3D 프린트 가능한 볼륨을 분석하고 복수의 자유도에서 프로시저 동안 바이오 잉크 분사 메커니즘의 필요한 해당 모션들을 결정하는 컨트롤러에 입력될 수 있다. 로봇의 모션은 바이오 잉크 분사 메커니즘이 미리 설정된 궤적을 따르도록 컨트롤러에 의해 지시되어야 한다. 컨트롤러는 또한 노즐로부터 분사에 필요한 잉크의 유형, 및 순서, 이러한 바이오 잉크의 분사의 양과 속도를 결정하기 위해 수술 계획의 분석을 사용할 수 있다.

수술 부위에서 바이오 압출 메커니즘의 위치 및 방향을 조작하기 위해 수술 로봇을 지시하고, 수술 전 수술 계획에 따라 바이오 잉크의 분사를 동등하게 제어하는 것 외에, 컨트롤러는 수술 전 수술 계획에 따라 프로시저 전에 하나 이상의 바이오 잉크로 캐뉼라는 충전하기 위한 요구사항들을 제공하도록 더 구성될 수 있다. 상기 요구사항들은 필요한 바이오 잉크의 양과 유형을 포함해야 하며, 단일 원통형 볼륨만이 제공되는 경우, 원통형 볼륨 잉크 전달 시스템에서 필요한 바이오 잉크 층의 순서와 볼륨이 포함되어야 한다. 컨트롤러는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서와 같은 하드웨어 컴포넌트들에 의해 명령 및 처리 단계를 실행한다. 컨트롤러는 정보를 저장하기 위한 메모리 컴포넌트를 더 포함할 수 있다.

일부 종래 기술의 시스템은 외과의가 프린팅 프로시저의 위치 및 진행을 볼 수 있게 하기 위해 침습적으로(invasively) 삽입된 이미징 장치를 필요로 하므로, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경에 불리하게 기여한다. 이러한 시스템에 반해, 레지스트레이션 프로세스(registration process)는 로봇의 좌표 시스템 및 수술 중 제조 동안 바이오 잉크가 프린팅되고 있는 대상체의 좌표 시스템에 수술 전 계획의 공간 좌표를 매칭시키는데 사용될 수 있다. 이는 대상체로 삽입되도록 구성되는 바이오 잉크 분사 메커니즘 자체에 내시경 카메라 또는 임의의 다른 이미징 장치에 대한 필요를 배제한다. 레지스트레이션 프로세스는 수술 중 이미지들에 수술 전 이미지들을 매칭시키거나, 대안으로 기준 피처(fiducial features) 및 로봇의 실시간 추적을 수행하도록 네비게이션 추적 시스템을 사용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 레지스트레이션 프로시저(registration procedure)의 사용으로, 로봇 바이오 프린팅 시스템은, 캐뉼라가 단지 캐뉼라의 근처에 위치되어 있는 바이오 잉크의 저장부를 갖는 유동 캐뉼라이든 또는 바이오 잉큰 저장 볼륨을 함유하는 복합 캐뉼라이든, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경이 바이오 잉크의 적당한 유동을 제공하기 위해 필요한 캐뉼라 직경 및 노즐 개구 크기로 제한될 수 있도록, 어떠한 이미징, 센싱 또는 조명 요소에 대한 필요 없이 동작할 수 있다.

현재 개시된 시스템의 추가 특징은 복수의 각도에서 자유도를 갖는 노즐의 모션은 대상체에 장치의 삽입 지점에 위치된 단일 피봇(pivot) 지점 또는 펄크럼(fulcrum) 주위에서 유리하게 수행될 수 있다는 점이다. 펄크럼 및 피봇 지점이란 용어는 이 개시 전반에 걸쳐 동등하게 사용될 수 있다. 이 삽입 지점 주위에서 임의의 상응하는 각 위치결정 외에, 캐뉼라는 또한 이 삽입 지점을 통해 길이방향으로(longitudinally) 이동될 수 있다. 이는 대상체의 조직에 외상을 줄이면서 프린터 가능한 볼륨을 증가시킨다. 바이오 잉크 분사 메커니즘은 복수의 바이오 잉크 유형들을 포함할 수 있으므로, 복수의 DOF 바이오 잉크 분사 메커니즘은 동일한 수평면에서의 복수의 물질을 압출하고, 및/또는 서로 다른 수평면에서의 서로 다른 물질들을 압출할 수 있다. 예를 들어, 원주에 고리 섬유증과 중심에 핵 펄 포스로 구성된 척추 간 디스크(intervertebral disc)의 프린팅은 노즐이 장착된 로봇 위치에 따라 프린트된 바이오 잉크의 유형을 교대로 하여 두 가지 다른 물질이 정확한 위치에 증착되어 척추 간 디스크의 고리(annulus)와 핵(nucleus)을 생성한다.

상기에 설명된 시스템 및 방법에서, 3 차원 바이오 프린팅이란 용어는 체내 요소를 생성할 층을 배치하는 프로세스를 설명하기 위해 사용되었다. 이 프로세서는, 헤드에서의 바이오 잉크의 열적 가열에 의해서든 고강도 음향장의 적용에 의해서든 바이오 잉크의 작은 방울들(drops)이 분사되는 진정한 잉크 젯 유형의 메커니즘 둘 다를 포함하여, 많은 다른 형태를 취할 수 있으며, 이들 중 하나는, 동일한 볼륨의 바이오 잉크를 배출시켜 작은 버블들(bubbles)을 생성하고, 압출 유형의 프린팅 헤드는 피스톤 또는 공압을 가한 주사기를 사용하며, 이는 작은 노즐로부터 바이오 잉크의 방울들을 배출시킨다. 다른 유형들의 마이크로 프린팅이 또한 이용 가능하다. 이 개시 및 청구항 전반에 걸쳐, 3차원 프린팅, 잉크 젯 프린팅, 잉크 젯 압출 또는 분사라는 용어, 및 유사 용어들은 사용된 3 차원 프린팅 헤드의 특정 유형에 상관없이 연속적인 층들을 적층함으로써 임의의 이러한 3차원 요소의 생성을 포함하는 것으로 의도된다.

따라서 이 개시에 설명된 장치의 예시적인 구현예에 따르면, 적어도 하나의 3차원 수술 전 이미지 세트에 기초하는 수술 전 수술 계획에 따라, 대상체 내에서 3 차원 조직 요소를 형성하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:

(i) (캐뉼라(cannula)의 치수와 동일한 주문의 횡방향 치수를 가지는 표면 개구부를 통해 상기 대상체로 삽입하기 위해 구성된 상기 캐뉼라로서, 상기 캐뉼라는 수술 로봇에 부착되도록 구성되며 그 말단에 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 노즐을 포함하는, 상기 캐뉼라;

(ii) 상기 캐뉼라로부터 말단으로(distally) 상기 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 구성된 적어도 하나의 바이오 잉크 압출 메커니즘; 및

(iii) 컨트롤러로서,

(i) 상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 길이방향(longitudinal) 위치 및 방향(orientation)을 조정하도록 상기 수술 로봇을 지시하고; 및

(ii) 상기 바이오 잉크가 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 길이방향 위치 및 방향에 따라 분사되도록 상기 압출 메커니즘을 제어하도록 적응된, 상기 컨트롤러를 포함하고,

상기 시스템은 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 상기 횡방향 치수보다 더 큰 치수를 갖는 3차원 조직 요소를 형성하게 하고, 및

상기 수술 로봇은 상기 표면 개구부를 상기 캐뉼라의 상기 방향에 대한 피봇 지점으로 사용하여, 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 조정을 수행하도록 구성된다.

이러한 시스템에서, 상기 컨트롤러는 상기 3차원 수술 전 이미지 세트에 대한 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템의 레지스트레이션(registration)을 획득하도록 더 적응될 수 있다. 이러한 시스템 중 어느 하나의 경우에, 수술 전 수술 계획은 적어도 상기 3차원 조직 요소의 (i) 기하학적 형태, (ii) 구성성분, (iii) 위치, 및 (iv) 치수들을 포함할 수 있다.

이러한 시스템의 추가 구현예에 따르면, 상기 수술 전 수술 계획은 (i) 상기 3차원 수술 전 이미지 세트의 이미지 처리, 및 (ii) 외과의로부터의 입력 중 적어도 하나를 사용하여 상기 컨트롤러에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 이러한 시스템에서, 상기 수술 전 수술 계획의 결정은 의료 데이터베이스로부터 데이터의 분석을 더 이용할 수 있다.

또 다른 구현예는 상기에 설명된 바와 같은 시스템을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 바이오 잉크는 (i) 상기 캐뉼라에, 또는 (ii) 상기 캐뉼라에 유동적으로 연결된 하나 이상의 바이오 잉크 저장 볼륨에 수용될 수 있다. 이러한 시스템의 옵션(1)에 따르면, 상기 캐뉼라는 상기 캐뉼라의 길이를 따라 배열된 층들에 적어도 2 개의 바이오 잉크를 수용하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 층들의 미리 설정된 양, 구성성분 및 순서는 수술 전 수술 계획에 따라 컨트롤러에 의해 결정될 수 있다.

이러한 시스템의 또 다른 추가 구현예들에 따르면, 상기 3 차원 조직 요소 전체는 상기 대상체로부터 상기 캐뉼라를 제거할 필요 없이 형성될 수 있다. 이러한 3 차원 조직 요소는 (a) 제1 바이오 물질 층을 형성하기 위해, 상기 캐뉼라의 증분 길이방향 이동과 함께 제1 깊이에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 조정을 수행하고, 그리고 (b) 이어서, 상기 대상체 내의 제2 깊이로 상기 캐뉼라를 이동시키고, 제2 바이오 물질 층을 형성하기 위해 상기 캐뉼라의 증분 길이방향 이동과 함께 상기 제2 깊이에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 조정을 수행하고, 상기 3차원 조직 요소가 형성될 때까지 (b)를 반복함으로써 형성될 수 있다.

상기 설명된 임의의 시스템에서, 표면 개구부는 대상체의 무릎 관절에 대한 액세스를 제공하는데 사용될 수 있다. 추가로, 바이오 잉크 압출 메커니즘은 상기 바이오 잉크 압출 메커니즘은 피스톤, 외부 압력 도포 장치, 가스 압력 장치 또는 바이오 잉크 젯 프린팅 헤드 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 캐뉼라의 직경은 3mm 미만일 수 있으며, 심지어 3mm 미만일 수 있다.

상기 설명된 시스템의 또 다른 추가 구현예들에 따르면, 상기 바이오 물질 층들 중 적어도 하나는 연골(cartilage), 골조 배지(bone medium), 근육(muscle), 혈관(blood vessel) 또는 인대 물질(ligament material)을 포함할 수 있다.

이러한 시스템의 또 다른 구현예는 상기 수술 로봇과 연관된 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟(tracking target)을 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟을 사용하여 상기 3 차원 수술 전 이미지 세트에 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 레지스트레이션하도록 적응된다. 이러한 경우, 시스템은 상기 대상체의 적어도 하나의 해부학적 요소 또는 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 배치된 기준 마커들을 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 기준 마커들 또는 상기 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 레지스트레이션하기 위해 상기 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟을 사용하도록 더 적응된다. 이러한 경우, 상기 컨트롤러는 상기 해부학적 기준 마커들 또는 상기 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 대해 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 포함하는 의사(pseudo) 3차원 이미지를 생성하고, 상기 수술 로봇의 상기 위치가 상기 수술 전 수술 계획에 레지스트레이션될 수 있도록 상기 3차원 수술 전 이미지 세트의 유사 선택된 윈도우에 상기 의사 3차원 이미지의 선택된 윈도우를 관련시키도록 더 적응된다.

상기 설명된 임의의 시스템은 상기 캐뉼라의 상기 노즐을 원하는 방향으로 스티어링(steering)하기 위한 스티어링 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 게다가, 상기 캐뉼라는 상기 노즐의 접근성이 증가되도록 적어도 하나의 제어 링크(link) 또는 조인트(joint)를 포함할 수 있다.

본 개시의 추가 구현예에 따르면, 수술 로봇을 위한 수술 계획을 결정하는 방법이 또한 제공된다.

수술 로봇을 위한 수술 계획을 결정하는 방법으로서, 상기 수술 로봇은 표면 개구부를 통해 대상체로 상기 수술 로봇이 삽입되는 캐뉼라를 이용하고, 상기 캐뉼라는 그 말단에 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 적어도 하나의 노즐을 포함하며, 상기 방법은,

(i) 상기 대상체의 3 차원 수술 전 이미지 세트를 획득하는 단계,

(ii) 상기 3 차원 수술 전 이미지 세트에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 수술 로봇에 의해 형성될 3 차원 조직 요소의 적어도 (a) 형태, (b) 구성성분, (c) 위치, 및 (d) 치수들을 포함하는 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계,

(iii) 상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 적어도 하나의 노즐에 대한 계획된 궤적을 계산하는 단계,

(iv) 상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해, 상기 계획된 궤적을 주행하는 상기 적어도 하나의 노즐에 따라 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 분사 계획을 생성하는 단계, 및

(v) 상기 노즐이 상기 분사 계획에 따라 상기 계획된 궤적을 주행할 수 있도록, 상기 수술 로봇을 조작하고 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 분사를 제어하도록 적응된 컨트롤러에 상기 계획된 궤적을 입력하여, 상기 3차원 조직 요소가 상기 수술 로봇에 의해 상기 대상체 내에서 자동으로 형성되게 하는 단계를 포함한다.

이러한 방법은 계획된 궤적에 따라 수술 로봇의 계획된 모션을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가로, 수술 로봇의 이 계획된 모션은 상기 궤적을 주행하도록 상기 노즐에 필요한 상기 캐뉼라의 임의의 각운동이 상기 대상체의 표면 개구부를 피봇 지점으로 사용하여 수행되도록 하는 것일 수 있다.

추가로, 상기 언급된 임의의 방법에서, 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 점도는 상기 적어도 2 개의 바이오 잉크가 상기 적어도 2 개의 바이오 잉크의 혼합 없이 상기 캐뉼라 내에서 길이방향으로 배열된 층들에 배치될 수 있는 정도일 수 있다.

상기 설명된 방법의 추가 구현예에 따르면, 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계는 복수의 대상체들의 3 차원 이미지 세트들을 포함하는 의료 데이터베이스에 액세스하는 단계를 포함할 수 있다. 이런 경우, 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계는 긍정적 결과의 통계학적 가능성이 가장 높은 수술 계획을 결정하기 위해 상기 의료 데이터베이스로부터 데이터를 분석함으로써 수행될 수 있다. 추가로, 이러한 임의의 방법에서, 상기 계획된 궤적 및 상기 분사 계획 중 적어도 하나는 인공 지능을 사용하여 계산될 수 있다.

또한, 상기 계획된 궤적은 가장 효율적이거나 최적의 궤적이 되어야 하며, (a) 상기 캐뉼라에 의해 손상될 것 같은 금지된 영역들의 회피, (b) 상기 3차원 조직 요소를 형성하기 위한 가장 짧은 궤적, 및 (c) 상기 대상체의 건강한 조직에 최소한의 외상을 일으킬 수 있는 궤적 중 적어도 하나를 고려하여 계산될 수 있다.

본 개시의 또 다른 양태에 따르면, 대상체 내에서 3 차원 조직 요소를 형성하기 위해 수술 로봇 시스템을 구성하는 방법으로서, 상기 수술 로봇 시스템은 표면 개구부를 통해 삽입된 캐뉼라를 이용하고, 상기 캐뉼라는 상기 대상체 내에서 노즐을 통해 적어도 2 개의 바이오 잉크를 분사하도록 구성되는, 상기 방법이 추가 제공되며, 상기 방법은,

(ii) 상기 3창원 수술 전 이미지 세트로부터 상기 3 차원 조직 요소의 (a) 형태, (b) 구성성분, (c) 위치 및 (d) 치수들을 포함하는 수술 계획을 결정하는 단계,

(iii) 상기 수술 계획에 따라 상기 노즐에 대한 계획된 궤적을 결정을 하는 단계, 및

(iv) 상기 수술 계획에 따라, 상기 노즐이 상기 계획된 궤적을 주행함에 따라 상기 적어도 2개의 바이오 잉크의 분사 계획을 제공하는 단계를 포함하며,

상기 적어도 2개의 바이오 잉크는 분사 전에 적층되며, 상기 3차원 조직 요소가 상기 수술 로봇에 의해 자동으로 형성될 수 있도록 각 바이오 잉크 층의 양, 위치 및 구성성분이 상기 계획된 궤적 및 상기 분사 계획에 따라 선택될 수 있다.

이러한 방법에서, 상기 적어도 2개의 바이오 잉크의 상기 층들은 상기 캐뉼라의 길이를 따라 길이방향으로 수용될 수 있다. 대안으로, 이러한 방법에서, 적어도 2 개의 바이오 잉크의 층들은 캐뉼라에 유동적으로 연결된 저장 볼륨에 길이방향으로 수용될 수 있다. 또한, 후자의 경우, 상기 층들은 저장 볼륨의 길이를 따라 길이방향으로 배열될 수 있으며, 미리 설정된 양, 구성성분 및 순서를 가질 수 있다.

마지막으로, 대상체 내에 3차원 조직 요소의 생성을 위해 수동 지시 프로시저(procedure)를 수행하는 방법이 추가 개시되며, 상기 방법은,

(i) 말단에 적어도 하나의 노즐을 포함하고, 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 캐뉼라를 제공하는 단계,

(ii) 표면 개구부를 통해 상기 대상체로 상기 캐뉼라를 삽입하는 단계, 및

(iii) 상기 노즐이 상기 대상체 내에서 상기 적어도 하나의 바이오 물질 층을 생성하기에 적절한 궤적을 따르도록 상기 캐뉼라를 조작하고, 상기 노즐의 모션에 따라 상기 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하는 단계를 포함하며,

상기 조작하는 단계는 적어도 상기 노즐이 상기 적어도 하나의 바이오 물질 층을 생성하기에 적절한 상기 궤적을 따르는지를 검증하기 위해 외부에 배치된 이미징 시스템을 사용하여 수행된다.

본 발명은 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해되고 인식될 것이다:
도 1은 대상체 내에서 3차원 바이오 프린팅을 위한 예시적인 개략적 로봇 수술 시스템을 도시한다;
도 2a 및 2b는 도 1의 수술 시스템의 예시적인 대안 바이오 잉크 분사 매커니즘을 도시한다;
도 3a 내지 3d는 바이오 잉크의 층들을 형성하도록 대상체의 삽입 포인트를 펄크럼(fulcrum)으로 사용하여 횡방향으로 삽입되는 도 1에 따른 로봇으로 제어되는 캐뉼라(cannula)의 예시적인 모션 패턴을 나타내는 개락적인 도면들이다;
도 4a 내지 4d는 바이오 잉크의 층들을 형성하도록 대상체의 삽입 포인트를 펄크럼으로 사용하여 수직으로 삽입되는 도 1에 따른 로봇으로 제어되는 캐뉼라(cannula)의 예시적인 모션 패턴을 나타내는 개락적인 도면들이다;
도 5는 대상체의 무릎 내에서 3차원 연골 요소를 형성하는데 사용되는 현재 개시된 로봇 수술 시스템의 예시적인 적용을 도시한다;
도 6a 및 6b는 현재 개시된 로봇 수술 시스템의 예시적인 컨트롤러 구성과, 그로부터의 입력 및 출력에 대한 개략적인 개요를 도시한다; 도 6a는 단순 구성을 도시하는 반면, 도 6b는 보다 복잡한 구성을 도시한다;
도 7은 컨트롤러를 사용하여 로봇 3D 바이오 프린팅 프로시저를 계획하는 예시적인 방법을 도시한다; 그리고
도 8은 컨트롤러를 사용하여 로봇 3D 바이오 프린팅 프로시저를 수행하는 예시적인 방법을 도시한다.

먼저 대상체 내에서 로봇 3D 바이오 프린팅을 위한 예시적인 개략적인 수술 시스템을 나타내는 도 1에 대한 참조가 이루어진다. 시스템은, 대상체 내에서 3차원 조직 요소(10)를 형성하기 위해, 3D 체내 바이오 프린팅을 위해 구성된 수술 로봇(1), 및 수술 로봇의 자세를 지시하고 또한 로봇의 자세에 따른 바이오 잉크의 분사를 제어하는 둘 다를 수행하도록 구성되는 컨트롤러(21)를 포함한다. 로봇 시스템은 수술 전 수술 계획에 따라 자체적으로 동작할 수 있다. 수술 로봇은 베이스(base)(20)에 장착되고, 로봇으로 제어되는 바이오 잉크 분사를 위한 조립체인, 엔드 이펙터(end effector)로 파지하도록 적응된다.

바이오 잉크 분사 조립체는 대상체로 최소 침습 삽입을 위해 적응된 작은 직경의 캐뉼라(cannula)를 포함한다. 도 1에서는, 대상체의 피부(22)의 절개(11)를 통해 삽입된 캐뉼라가 도시된다. 캐뉼라는, 캐뉼라의 말단에 있는 노즐(2)로부터, 그리고 대상체의 조직으로, 캐뉼라를 통해 하나 이상의 바이오 잉크 층들을 분사하기 위한 피스톤(15)이 장착될 수 있다. 캐뉼라의 노즐(2)은 단순히 캐뉼라의 말단(distal end)에 있는 개구부로서 도시되었으나, 다른 구현예들에 따르면, 이는 캐뉼라를 이동시킬 필요 없이 여러 방향들로 잉크 분사를 제공하는, 다양한 각도로 유도될 수 있는 힌지형 노즐(hinged nozzle)의 형태로 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 구현예에 피스톤 분사가 도시되었으나, 예컨대 캐뉼라 외부에 위치된 압력 도포 장치, 가스 압력을 배출하는 장치, 가용성 벽식(flexible walled) 바이오 잉크 저장 볼륨의 기계적 스퀴징(squeezing), 열 또는 음향 구동 잉크 젯 헤드, 또는 정확하고 제어된 방식으로 필요한 양의 바이오 잉크를 압출할 수 있는 임의의 다른 메커니즘과 같은, 대안적인 로봇으로 제어된 바이오 잉크 압출 메커니즘이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

도 1에서, 캐뉼라는 환자의 조직으로 바이오 잉크를 분사하기 위한 미세한 바늘 섹션(fine needle section)과, 조직내로 주입될 바이오 잉크를 고정하기 위한 큰 직경의 배럴(barrel)이 도시된다. 그러나, 대안적인 구현예에서는 환자의 조직 내로 전체 실린더가 삽입될 수 있는 충분히 좁은 바이오 잉크 주사기 실린더가 사용될 수 있다. 바이오 잉크 압출 메커니즘은 캐뉼라의 말단에 있는 노즐을 향해 말단으로(distally) 하나 이상의 바이오 잉크들을 이동시키도록 구성되며, 이는 바이오 잉크의 분사를 제어하여 하나 이상의 바이오 물질 층들을 형성하도록 적응된다. 압출 메커니즘은, 수술 전 수술 계획과 그에 따른 노즐의 모션에 따라 압출의 유동 속도 및/또는 양이 정확하게 계량되고 지시될 수 있도록, 로봇으로 제어되어야 한다. 상이한 바이오 잉크 조성물을 각각 함유하는 개별 바이오 잉크 챔버들을 갖는 대안적인 캐뉼라 구현예들은, 이하의 도 2b에 도시되는 바와 같이, 상이한 유형의 바이오 잉크들이 개별적으로 압출될 수 있도록 하나 이상의 바이오 잉크 압출 메커니즘을 필요로 할 수 있다. 캐뉼라는 소독을 용이함을 위해 수술 로봇으로부터 제거 가능할 수 있거나, 또는 1회용일 수 있다.

로봇은, 캐뉼라의 축을 공간에 위치시킬 수 있고 또한 그 길이방향을 따라 이동시킬 수 있도록, 바람직하게는 적어도 5 자유도를 갖는다. 6 이상의 자유도는 일반적으로 더 간단한 로봇 프로그래밍 루틴으로 태스크(task)를 수행할 수 있으며, 로봇의 작업량은 필요한 치료 영역(treated area)을 커버할 수 있어야 한다. 5 자유도 미만의 로봇이 사용될 수 있지만, 그러면 또한 공간에 삽입 지점을 고정시키는 추가 메커니즘의 사용을 필요로 한다. 도 1의 예시적인 시스템에 도시된 수술 로봇은, 3개의 회전식 조인트(16)를 갖는, 캐뉼라(12)를 조작하기 위한 로봇 암(robotic arm)을 갖는다.

어떠한 로봇 구성이 사용되든, 이는 캐뉼라의 각운동이 펄크럼 또는 피봇 지점으로 유지되는 삽입 지점(11)으로 수행될 수 있도록 엔드 이펙터에 충분한 모션 유연성을 제공해야 한다. 삽입 구멍에서 피봇 지점 주위의 캐뉼라의 모션은, 삽입 지점(11)에서 초기 개구부가 캐뉼라의 직경에 의한 것보다 더 클 필요 없이, 그리고 삽입 지점(11)에서 스트레스를 받거나 또는 심지어 외상을 유발하지 않고, 또는 프로시저 동안 그 크기를 증가시키지 않고, 로봇이 대상체(22)의 피부 표면에 대해 캐뉼라를 임의의 원하는 각도로 배향될 수 있게 하는 이점을 갖는다. 이러한 배열은 단일의, 최소 침습 절개를 통해 최대 3차원 프린팅 볼륨이 캐뉼라로 커버되게 한다.

따라서, 수술 로봇은 확실히 액세스 가능한 조직 위치뿐만 아니라 심지어 고유(native) 조직의 틈새 내에 또는 아래에 바이오 물질들을 증착시키도록 조작될 수 있다. 수술 로봇은 프린트 가능한 볼륨의 원하는 위치를 돌출시키는 조직을 신연시키기 위한 전개 가능한 신연 장치를 더 포함할 수 있으며, 이러한 신연 장치는, 삽입 동안과 같이, 상기 장치가 전개되지 않을 때 충분히 작아, 삽입 장치가 캐뉼라의 직경을 크게 증가시키지 않는다. 대안으로서, 종래 신연 장치는 바이오 프린팅 캐뉼라가 삽입되는 되는 곳과 다른 위치에서 추가적인 최소 침습 절개를 통해 바이오 프린팅이 수행되고 있는 부위로 삽입될 수 있다. 이 배열은 특히 정형외과 상황에 확실히 유용할 수 있으며, 바이오 프린팅이 수행되고 있는 동일한 절개를 통해 골격 구조를 신연시키고자 하는 것보다 더 많은 유연성을 제공할 수 있다. 바디(body) 내에서 추가 기동성(maneuverability) 및 액세스를 제공하기 위해, 캐뉼라 또는 캐뉼라의 노즐은, 프린팅 헤드가 바디 내 액세스하기 어려운 위치들에 들어가기 위해 스티어링될 수 있도록, 캐뉼라의 노즐의 원주 위치에 연결된 텐션 와이어 액추에이터들(tensioned wire actuators)과 같은 스티어링 장치가 장착될 수 있다. 스티어링 장치는 또한 로봇으로 제어될 수 있으며 수술 계획에 따라 삽입이 수행될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 스티어링 장치는 프린팅이 수행되는 구역에 걸쳐 더 많은 유연성이 얻어질 수 있도록 캐뉼라 축에 대해 프린팅 노즐이 향하는 방향을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 링크 및 조인트는 이들이 복잡한 통로 또는 액세스 경로를 지나게 하도록 캐뉼라에 통합될 수 있다. 로봇은 또한, 예를 들어, 무릎 관절의 내시경 프로시저에서 보통 수행되는 것과 같이, 조직 및 뼈를 추출하여 프린팅을 위한 영역을 먼저 준비하도록 프로그래밍 될 수 있다.

수술 로봇이 본 명세서에 직렬 형태로 도시되었으나, 수술 로봇은 병렬 또는 하이브리드일 수 있다. 수술 로봇은 바닥, 천정, 침대에 위치되거나, 또는 3D 바이오 프린팅이 수행되고 있는 곳의 해부학적 특징에 또는 근처에 부착될 수 있다. 수술 로봇은 기술분야에서 공지되어 있는 바와 같은 액추에이터, 추가 암(arm), 힌지 및 조인트를 더 포함할 수 있다.

일부 종래 시스템은 외과의가 프린팅 프로시저의 위치 및 진행을 볼 수 있게 하기 위해 침습적으로(invasively) 삽입된 이미징 장치를 필요로 하므로, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경에 불리하게 기여한다. 이러한 시스템에 반해, 레지스트레이션 프로세스는 로봇의 좌표 시스템 및 수술 중 제조 동안 바이오 잉크가 프린팅되고 있는 대상체의 좌표 시스템에 수술 전 계획의 공간 좌표를 매칭시키는데 사용될 수 있다. 이는 대상체로 삽입되도록 구성되는 바이오 잉크 분사 메커니즘 자체에 내시경 카메라 또는 임의의 다른 이미징 장치에 대한 필요를 배제한다. 레지스트레이션 프로세스는 수술 중 이미지들에 수술 전 이미지들을 매칭시키거나, 대안으로 기준 피처(fiducial features) 및 로봇의 실시간 추적을 수행하도록 네비게이션 추적 시스템을 사용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 레지스트레이션 프로시저의 사용으로, 로봇 바이오 프린팅 시스템은, 캐뉼라가 단지 캐뉼라의 근처에 위치되어 있는 바이오 잉크의 저장부를 갖는 유동 캐뉼라이든 또는 바이오 잉큰 저장 볼륨을 함유하는 복합 캐뉼라이든, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경이 바이오 잉크의 적당한 유동을 제공하기 위해 필요한 캐뉼라 직경 및 노즐 개구 크기로 제한될 수 있도록, 어떠한 이미징, 센싱 또는 조명 요소에 대한 필요 없이 동작할 수 있다. 이러한 레지스트레이션 프로시저의 사용으로, 로봇 바이오 프린팅 시스템은, 캐뉼라가 단지 캐뉼라의 근처에 위치되어 있는 바이오 잉크의 저장부를 갖는 유동 캐뉼라이든 또는 바이오 잉큰 저장 볼륨을 함유하는 복합 캐뉼라이든, 장치의 삽입 가능한 부분의 직경이 바이오 잉크의 적당한 유동을 제공하기 위해 필요한 캐뉼라 직경 및 노즐 개구 크기로 제한될 수 있도록, 어떠한 이미징, 센싱 또는 조명 요소에 대한 필요 없이 동작할 수 있다. 그러나, X-레이, CT 또는 초음파와 같은 대상체 외부에서 수행된 실시간 이미징은 대상체에 임의의 추가 침습 이미징 요소를 삽입할 필요 없이 실시간으로 로봇 프로브의 위치를 확인하거나 심지어 안내하는데 사용될 수 있는 점을 이해해야 한다. 이러한 후자 어플리케이션, 즉 C-암 형광 투시 시스템과 같은 실시간 이미징 장치의 프로비전(provision) 또는 대안적인 이미징 방법은 더 높은 정확도의 핸드 헬드 바이오 프린팅의 달성이 수행될 수 있게 한다. 이러한 이미징 장치의 사용은 대상체의 바디에 삽입되는 내시경 카메라와 같은 이미징 장치의 필요 없이 프린팅 위치 및 진행에 대한 실시간 정보를 제공하며, 이에 따라 위에 이미 언급된 바와 같이 캐뉼라의 크기를 증가시킨다. 이미징 장치는3차원 바이오 프린팅된 요소가 형성되고 있는 영역을 이미지화하도록 위치될 수 있으며, 바람직하게는 대안적인 여러 각도들로부터 프린팅 진행을 이미지화할 수 있도록 얼라이너 볼(aligner ball)이어야 한다.

이전에 언급된 것처럼, 본 시스템은 로봇과 바이오 잉크가 프린팅되고 있는 대상체의 영역의 좌표 시스템에 수술 전 계획의 공간 좌표를 매칭시키기 위해 레지스트레이션 프로세스를 사용한다. 이를 수행하는 한 방법은 프린팅되고 있는 영역의 수술 중 형광 투시 이미지들에 수술 전 3D 이미지들을 매칭시키는 것이다. 이는 이미지화된 영역의 해부학적 피처들을 로봇 위치의 표시 및 그에 따른 두 이미지 세트에 도시된 좌표를 매칭시킴으로써 유리하게 수행될 수 있다. 로봇 위치는, 대안적으로 환자의 해부학적 구조에 장착된 추적 요소와 같은, 로봇 및 기준 피처의 실시간 추적을 수행하는 네비게이션 시스템의 사용에 의해 바이오 프린팅되는 영역과 관련될 수 있다. 이러한 조직 기준 피처는 수술 전 3D 이미지에도 존재해야 한다. 도 1에 도시된 예시적인 시스템에서, 수술이 수행중인 영역 위에 장착된 추적 카메라(19), 및 대상체의 해부학적 피처와 로봇 또는 캐뉼라와 같은 바이오 잉크 분사 메커니즘의 공간적으로 정의된 컴포넌트 상에 장착된 기준 마커들(18)에 의해 도시된 바와 갈이, 이러한 추적 시스템이 이용될 수 있다. 대상체 및 로봇 상의 이러한 기준 마커들의 사용은 로봇 위치와 대상체의 위치 사이에 고정된 관련성을 제공할 필요를 배제한다.

이제 도 1의 수술 시스템의 예시적인 대안 바이오 잉크 분사 메커니즘을 도시하는 도 2a 및 2b에 대한 참조가 이루어진다. 도 2a는 대상체 및 로봇으로 제어되는 피스톤을 관통하도록 구성된 실린더 형태의 캐뉼라(12)를 갖는 예시적인 바이오 잉크 분사 메커니즘을 도시한다.

가장 단순한 형태에서, 캐뉼라는 프린팅될 단일 바이오 잉크를 포함할 수 있지만, 도 2a의 캐뉼라는 상이한 조성을 갖는 3가지 유형의 바이오 잉크인, 바이오 잉크(25A), 바이오 잉크(25B) 및 바이오 잉크(25C)를 호스팅하는 것이 도시되나, 단일 유형의 바이오 잉크이든 또는 임의의 다른 수의 바이오 잉크이든 수술 계획에 따른 양 또는 조합으로 적층될 수 있음이 이해되어야 한다. 바이오 잉크 층들은, 수술 계획에 따라, 캐뉼라 내에서 길이방향으로(longitudinally)(즉, 캐뉼라의 길이를 따라) 미리 설정된 양, 조성 및 순서로 적층될 수 있다. 필요한 바이오 잉크 층들은 수술 계획, 계획된 모션 프로파일과 궤적, 및 모션 계획과 궤적으로 조정된 분사 계획으로부터 추정하는 컨트롤러를 사용하여 유리하게 결정될 수 있다. 분사 계획은, 예를 들어, 캐뉼라를 통해 피스톤의 길이방향 움직임의 속도를 정의할 수 있을 것이다. 이러한 계층화된 배열은 프로시저 동안 피스톤(15)에 의해 노즐(2)로부터 바이오 잉크 층들이 순차적으로 압출될 수 있게 한다. 이 구현예가 효율적이 되도록 하기 위해, 바이오 잉크는 바람직하게는 페이스트(paste) 또는 겔(gel) 형태와 같이 캐뉼라 내에서 크게 혼합되지 않도록 점성 형태이어야 한다. 로봇 시스템은 바이오 잉크 층들의 양, 순서 및 조성에 있어 높은 수준의 정확도를 제공하고, 로봇 시스템의 자율성에 기여하는 컨트롤러에 의해 결정된 요구사항들에 따라 수술 전 필요한 바이오 잉크 층들로 캐뉼라를 충전시키는 로봇 로딩 덕(robotic loading dock)(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 대안으로, 캐뉼라 내의 층들은 수동으로 준비될 수 있다.

이제 도 1의 수술 시스템의 예시적인 대안 바이오 잉크 분사 메커니즘을 도시하는 도 2b에 대한 참조가 이루어진다. 이 구현예에서, 상이한 바이오 잉크 유형들(25A 및 25B)(12)을 위해 캐뉼라(12) 내에 개별 채널들이 제공되며, 채널들은 원하는 작은 직경의 캐뉼라를 유지하도록 직경이 작고 서로 근접해 있다. 캐뉼라는 바이오 잉크의 체내 압출을 위해 단일 노즐(2)이 위치되는 말단에서 테이퍼링(taper)된다. 캐뉼라는 바이오 잉크의 체내 압출을 위해 단일 노즐(2)이 위치되는 말단에서 테이퍼링된다. 이 도면에서, 두 채널이 도시되나, 임의의 수의 채널들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 바이오 잉크 유형들(25A 및 25B)이 개별적으로 압출될 수 있도록 두 개의 개별 로봇으로 제어된 피스톤(15A 및 15B)이 제공된다.

대안적인 구현예들에서, 바이오 잉크 또는 바이오 잉크들은 캐뉼라의 외부에 부분적으로 또는 완전히 호스팅될 수 있고 임의의 형태의 볼륨으로 수용될 수 있지만, 캐뉼라를 통해 바이오 잉크 말단으로의 유동을 제공하도록 캐뉼라의 내부 볼륨에 유체로 연결되어야 한다. 캐뉼라는 바이오 잉크의 중합(polymerization)을 위해 로봇의 삽입 가능한 부분의 직경을 크게 증가시키니 않는 초소형 UV 광을 더 포함할 수 있다. 본 개시에 걸쳐 사용된 “캐뉼라(cannula)”라는 용어는 바늘(needle), 카테테르(catheter) 또는 임의의 다른 삽입 가능한 수술 툴(tool)일 수 있음을 이해해야 한다.

이제, 바이오 잉크 층들을 형성하기 위해, 대상체의 삽입 지점(11)을 펄크럼으로 사용하여, 도 1에 따라 말단에 노즐(2)을 갖는 로봇으로 제어된 캐뉼라(12)의 예시적인 모션 패턴을 나타내는 개략적인 도면들인 도 3a 내지 3d에 대한 참조가 이루어진다. 도 3a 내지 3d는 도 4에 더욱 상세히 도시되는 바와 같이, 대상체의 무릎에 3차원 연골 요소를 주입하기 위한 것처럼, 캐뉼라(12)가 대상체에 횡방향으로 삽입되는 예시적인 구현예를 도시한다. 도 3a에서, 캐뉼라(12)는, 컨트롤러 또는 외과 의상에 의해 결정된 수술 계획 및/또는 계획된 궤적으로 설계되는 대상체(22)의 피부의 절개(11)를 통해, 최소 침습적으로 대상체에 원하는 깊이로 삽입된다. 현재 개시된 시스템의 이러한 최적의 구현예에서, 삽입 개구부 절개(11)는 캐뉼라(12) 자체의 크기에 의해서만 제한된다.

이제 바이오 잉크가 대상체 내에 체내 바이오 잉크(30)의 제1층을 형성하기 위해 바이오 잉크가 노즐(2)로부터 압출됨에 따라 바이오 잉크의 캐뉼라(12)의 각도가 수술 로봇에 의해 로봇으로 조정되는 도 3b에 대한 참조가 이루어진다. 이전에 언급한 바와 같이, 수술 로봇에 의해 제공된 복수의 자유도는 삽입 포인트가 펄크럼으로서 유지될 수 있게 한다. 이 도면에서 캐뉼라(12)가 개구에 스트레스를 주거나 찢어지거나 확장시키지 않고 단일 삽입 지점(11) 주변에서 어떻게 조작되는지를 알 수 있다. 각운동에 의해 캐뉼라의 선형 운동과 각운동을 조정하도록 로봇을 프로그래밍하여 직선층 또는 실제로 임의의 다른 라인 형태를 프린트하는 것이 가능하다.

이제 캐뉼라(12)가 제1 층(30) 근처에 제2 바이오 잉크 층(31)이 형성될 위치까지 길이방향으로 철수되는 것이 도시되는 도 3c에 대한 참조가 이루어진다. 캐뉼라(12)의 각도는 새로운 길이방향 위치에서 로봇으로 스윕(swept)되면서 바이오 잉크가 제어 가능하게 분사되어, 제2 바이오 잉크 층(31)을 형성한다. 제1 층(30)과 제2 층(31) 사이에 도면에 도시된 틈이 있지만, 평면 조직 요소가 형성될 수 있도록 각 바이오 잉크 층은 일반적으로 이전 층에 접촉하여 형성됨을 이해해야 한다. 이러한 제1 측면 층이 수술 계획 및/또는 계획된 궤적에 따라 완료될 때까지 캐뉼라(12)가 더 철회되고 더 많은 층들이 형성되는 프로세스가 반복된다.

진정한 3차원 프린트된 요소를 빌드업하기 위해, 이제 제1 조직층의 상단에 축가 바이오 층들을 프린트하는 것이 필요하다. 이제 새로운 층(32)이 다음 측면 레벨 내에서 형성될 수 있도록 다음 측면 레벨을 프린트하는 것을 진행하기 위해 캐뉼라(12)가 어떻게 조정되는지가 도시되는 도 3d에 대한 참조가 이루어진다. 도 3b 및 3c에 도시된 프로세스는 그런 다음 새로운 측면 레벨에서 반복된다. 심지어 단일 층 내에서, 다른 유형의 셀들이 사용될 수 있다. 모든 필요한 측면 레벨이 캐뉼라에 의해 액세스되고, 필요한 층들이 각 측면 레벨에서 형성된 후, 3차원 조직 요소가 완료되고, 캐뉼라는 대상체로부터 완전히 철수될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 프린트되어 있는 층들에 대량 평행한 모션을 수행하는 캐뉼라에 의한 층들의 형성을 도시한다. 이 구성은 헤드룸이 제한된 위치들에서 층들의 생성에 유용하다. 그러나, 이는 캐뉼라가 프린팅되는 층에 거의 수직이면서 모션을 수행하는 동안 층들을 프린팅하게 하는 것이 가능하고, 일반적으로 해부학적 기하학 구조가 허용하는 곳에서 더 단순화된다.

이제 바이오 잉크의 층들을 형성하기 위해, 대상체(22)의 피부 내 삽입 지점(11)을 펄크럼으로 사용하여, 도 1에 따라 수직으로 삽입된 로봇으로 제어되는 캐뉼라(12)의 이러한 예시적인 모션 패턴을 나타내는 개략도인 4a 내지 4d에 대한 참조가 이루어진다.

먼저 캐뉼라(12)가 타겟 3D 프린팅 영역(도시되지 않음)을 향해 대상체의 피부(22) 내의 최소 침승성 절개(11)를 통해 일반적으로 수직으로 삽입되는 것을 나타내는 도 4a에 대한 참조가 이루어진다. 조직층들이 수술 로봇에 의해 형성될 수 있는 잠재적 볼륨인 작업 공간(workspace)(40)이 원추형(cone-shaped)으로 도시되며, 이는 단일 펄크럼으로 인해 가능한 최대 작업공간 볼륨이다. 도 3a 내지 3d의 구현예에서처럼, 삽입 개구부(11)는 캐뉼라(12) 자체의 크기에 의해서만 제한되어야 한다.

이제 바이오 잉크가 노즐(2)로부터 분사되는 동안 일반적으로 가장 깊은 층인 대상체 내의 제1 바이오 잉크 층(41)을 형성하기 위해 캐뉼라(12)가 절개(11) 주위에 펄크럼으로서 배향되는 것을 도시하는 도 4b에 대한 참조가 이루어진다. 이 도면에서 층(41)은 원형으로 도시되지만, 수술 계획 및/또는 계획된 궤적을 따라 임의의 형태일 수 있다. 이전에 언급한 바와 같이, (도 1에 도시된) 수술 로봇의 복수의 자유도는 삽입 지점(11)이 펄크럼으로 유지될 수 있게 한다. 이 도면에서 캐뉼라(12)가 개구부(11)에 스트레스를 주거나 찢어지거나 확장시키지 않고 단일 삽입 지점(11) 주변에서 어떻게 조작되는지를 알 수 있다.

이제 제2 바이오 잉크 층(42)이 형성될 준비를 하도록 로봇 활성화 암을 사용하여 캐뉼라(23)가 절개(11)를 통해 미리 설정된 양에 의해 로봇으로 길이방향으로 철수되는 것을 도시하는 도 4c에 대한 참조가 이루어진다. 캐뉼라(12)의 각도는 새로운 길이방향 위치에서 로봇으로 조정되면서 바이오 잉크가 노즐(2)로부터 제어 가능하게 분사되어, 제2 바이오 잉크 층(42)을 형성한다. 제1 층(41)과 제2 층(42) 사이에 도면에 도시된 틈이 있지만, 3차원 조직 요소(10)가 형성될 수 있도록 각 바이오 잉크 층은 일반적으로 이전 층에 접촉하여 형성됨을 이해해야 한다. 가장 표면층이 수술 계획 및/또는 계획된 궤적에 따라 완료될 때까지 캐뉼라(12)가 점진적으로 더 철회되고 더 많은 층들이 형성되는 프로세스가 반복된다.

이제 완전히 형성된 3차원 조직 요소(10)를 도시하는 도 4d에 대한 참조가 이루어진다. 3D 프린팅 프로세스가 완료되었기 때문에, 캐뉼라(12)는 절개(11)의 크기를 증가시키지 않는 방식으로 피부 표면(22) 내 절개(11)를 통해 대상체로부터 완전히 철수되고 있다.

도 3a 내지 3d 및 도 4a 내지 4d에 도시된 기술들은 외상을 최소화하기 때문에, 일부 경우 이전 층이 치료된 후 후속 층을 축적하여 프린트된 볼륨의 구조적 강성을 향상시키는 여러 단계의 프로시저를 수행하는 것이 유리할 수 있다.

이제 일반적으로 관절 내에 남아 있는 연골을 보강하고 증대시키는 대상체의 무릎 내의 발생 부위에서(in situ) 3차원 연골 요소를 형성하는데 사용되는, 현재 개시된 로봇 수술 시스템의 예시적인 어플리케이션을 도시하는 도 5에 대한 참조가 이루어진다. 이용 가능한 제한된 공간이 무릎 관절에 미리 형성된 연골 요소를 삽입하는 것을 매우 어렵게 만들 것이고, 용인되는 가능성은 관절 내 발생 부위에서 증착된 요소보다 더 적기 때문에, 이 어플리케이션은 특히 현재 시스템의 이점을 보여준다. 무릎 연골의 제조는 1mm 정도로 작을 수 있는 측면 최소 침습 절개(11)를 통해 수행된다. 이 어플리케이션에 이용 가능한 매우 제한된 공간 때문에, 캐뉼라(12)는 바늘 캐뉼라 근위의(proximal) 주사기와 유사한 실린더에 분사를 위해 저장되어 있는 바이오 잉크 또는 잉크들로 도포될 영역에 바이오 잉크를 분사하기 위한 미세한 바늘을 사용한다. 바늘 캐뉼라(12)는 슬개골(patella)(50) 아래로, 의료 메니스커스(medial meniscus)(51) 위로 그리고 무릎(의료 관절구 아래에 숨겨진 도포 지점)의 인공 연골(53)의 정면 십자열 인대(54) 표면으로 통과하는 것이 도시되며, 여기서 3차원 연골 요소를 형성하기 위해 바이오 잉크가 (도 1에 도시된) 캐뉼라의 노즐로부터 분사될 것이다. 대퇴골(femur)(55) 및 경골(tibia)(52)도 도시된다. 캐뉼라(12)의 조작은 컨트롤러에 의해 제공된 명령에 따라 수술 로봇(1)에 의해 제어된다. 로봇 조인트의 조정된 모션은 삽입 지점(11)이 프로시저 내내 모션의 펄크럼으로 유지될 수 있게 한다. 이용 가능한 공간이 좁기 때문에, 이 프로시저는 외부 신연 장치의 적용을 필요로 할 수 있다.

이제 현재 개시된 로봇 수술 시스템의 컨트롤러(21)에 의해 수행된 프로세스들에 대한 예시적인 구성들, 및 그에 대한 입력 및 그로부터의 출력의 개요를 나타내는 도 6a 및 6b에 대한 참조가 이루어진다. 도 6a는 입력들이 입력(61)에서의 계획된 캐뉼라 노즐 궤적 및 입력(62)에서의 그 궤적과 연관된 분사 루틴 일 수 있는 컨트롤러(21)에 대한 간단한 구성을 도시한다. 이 입력 정보는 수술 전 이미지들로부터 진단된 바와 같이 대상체의 필요에 기초하여 외과의에 의해 결정될 수 있다. 그/그녀의 경험 및 수술 전 이미지들의 분석에 기초하여, 외과의는 원하는 바이오 프린트된 요소 또는 기관의 형태, 크기, 구성성분 및 위치를 계획할 수 있다. 이 제1 구성에서, 컨트롤러(21)로부터의 출력은, 외과의의 계획된 프린트된 요소를 생성하기 위해, 캐뉼라 노즐의 로봇 궤적과 조정하여 바이오 잉크 분사(66)에 대한 계획을 수행하도록 하는 외과의의 계획된 궤적을 수행하기 위한 로봇 시스템에 대한 명령 세트(65), 및 바이오 잉크 로봇 분사 메커니즘에 대한 관련 명령 세트(66)일 수 있다.

도 6b는 입력들이 프린트될 3차원 조직 요소의 미리 설정된 형태, 구성성분, 위치 및 크기를 정의하는 수술 계획(63)일 수 있는, 컨트롤러(21)에 대한 제2 및 더 높은 수준의 구성을 도시한다. 대안으로, 치료될 영역의 수술 전 이미지들은, 의료 데이터베이스(60)에 액세스하고 그로부터 정보를 추출하는 것을 포함하는 인공 지능의 사용을 포함할 수 있는, 용인될 수 있거나 최적의 수술 계획을 결정하기 위해 그 분석을 수행하도록 구성되는 컨트롤러에 직접 입력될 수 있다(64). 이러한 분석은, 그 중에서도, 조직 손상의 정도, 대상체의 의료 프로파일에 기초한 진단, 이 영역에 수행된 3D 바이오 프린팅 프로시저에 포함된 유사한 경우들의 데이터베이스로부터의 지식, 및 그 결과 및 임의의 다른 임상적 관련 인자들을 결정하기 위해 수술 전 이미지들의 분석을 포함할 수 있다. 수술 계획은, 예를 들어, 캐뉼라에 의해 손상될 수 있는 금지된 영역, 타겟 지점에서 조직의 유형 또는 밀도, 타겟 지점에서의 해부학적 피처들의 형태, 해부학적 경계들의 제약으로 인한 3차원 조직 요소의 크기 제한, 및 대상체의 조직들에 대한 외상을 줄이기 위해 의도된 위치 또는 크기 제한과 같은 많은 다른 인자들에 기초하여 컨트롤러에 의해 선택될 수 있다.

수술 계획의 결정을 위해 수술 전 이미지들의 입력(64) 및 분석 외에, 컨트롤러는 이미지 레지스트레이션을 위해 대상체의 이러한 수술 전 이미지들을 사용할 수 있다. 이러한 이미지들은 컨트롤러가 대상체에 대해 그리고 또한 수술 전 이미지들로부터 획득된 수술 계획에 대해 수술 로봇의 수술 중 위치를 결정하게 하고 이에 따라 적절한 자세로 수술 로봇을 향하게 하도록 기준 마커들 또는 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들로부터 컨트롤러로의 그 입력들(67)과 같은 수술 중 획득된 데이터로 레지스트레이션될 수 있다.

시스템 구현예의 추가 제안 양태에 따르면, 컨트롤러는, 컨트롤러가 건강한 사람의 특성들에 대해 대상체의 관심 영역을 다시 가져오기 위해 이식될 필요가 있는 조직의 볼륨의 최적의 형태, 크기 및/또는 위치를 결정할 수 있도록, 대상체의 프로파일과 유사한 의료 프로파일을 갖는 건강한 사람들로부터 예상된 이미지들과 데이터베이스(60)로부터 획득된 바와 같은 관심 영역의 대상체의 수술 전 3D 이미지들(64)을 비교하도록 구성될 수 있다. 위에 언급된 건강한 사람들의 이미지들에서 동일한 볼륨에 대해 유한 요소 또는 복셀 분석이 수행될 수 있으며, 이 볼륨의 그레이 스케일 유닛의 레벨은 수술 계획의 일부인 바이오 잉크 맵을 생성하기 위해 각 위치에서 정확한 밀도를 제공하는 대응되는 바이오 잉크 물질로 전환될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 수술 계획에 대한 조직의 형태, 볼륨 또는 위치는 유사한 진단 또는 손상, 예를 들어, 연골 손상을 갖는 환자들의 분석으로부터 결정될 수 있으며, 그런 다음 계획은 긍정적 결과의 가장 높은 통계학적 가능성에 기초하여 계산될 수 있다. 수술 계획이 결정되는 수단에 상관없이, 수술 전 플래닝으로부터 생성된 파라미터들은 로봇을 배치하기 위해 그리고 수술 프로시저 동안 바이오 잉크의 조정된 분사를 위해 컨트롤러에 저장될 수 있다.

도 6b에 도시된 컨트롤러(21)로부터의 출력들은 계획된 궤적(68) 및 분사를 위한 플랜(69)이며, 이는 수술 계획을 처리한 후 수행되도록 한다. 계획된 궤적은 가장 효율적이거나 최적의 궤적이 되어야 하며, (i) 캐뉼라에 의해 손상될 것 같은 금지된 영역들의 회피, (ii) 3차원 조직 요소를 형성하기 위한 가장 짧은 궤적, 및 (iii) 대상체의 건강한 조직에 적어도 외상을 일으킬 수 있는 궤적 중 적어도 하나를 고려하여 계산될 수 있다. 생체 잉크 분사에 대한 계획은 피스톤 모션, 바이오 잉크 분사에 대한 경과 시간 및/또는 압출 성형될 바이오 잉크의 계측량과 같은 바이오 잉크 압출 메커니즘의 속도를 포함할 수 있다. 계획된 유동 속도 및 계획된 궤적은 수술 로봇이 자체적으로 수술 계획을 이행할 수 있게 함께 동작할 수 있도록 결정되어야 한다. 컨트롤러는 또한 수술 계획에 따라 수술 전 캐뉼라를 준비하는데 필요한 바이오 잉크의 미리 설정된 양, 구성성분 및 층들의 순서를 결정하기 위해 계획된 궤적 및 분사를 위한 계획을 사용할 수 있다. 컨트롤러는 다양한 가능한 바이오 잉크들로부터 프로시저에 적합한 특정 유형의 바이오 잉크를 선택할 수 있다. 추가로, 외과의가 달리 결정하는 경우, 그/그녀는 시스템의 선택을 무시할 수 있으며 최적의 출력을 다시 계산하기 위해 대안적인 바이오 잉크를 수술 계획으로 대체할 수 있다.

이제 컨트롤러(21)를 사용하여 로봇 3차원 바이오 프린팅 프로시저를 계획하는 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도인 도 7에 대한 참조가 이루어질 수 있다. 단계 70에서, MRI, CT 또는 초음파 이미지들로부터 도출된 바와 같은, 대상체에 대한 3차원 이미지 세트가 획득되며, 이미지 세트는 3D 바이오 프린팅 프로시저에 대한 수술 로봇의 레지스트레이션에 사용하기 위해 저장된다. 단계 71에서, 수술 전 3D 이미지 세트는 대상체 내에 형성될 3D 조직 요소의 형태, 구성성분, 위치 및 치수를 포함하여, 수술 계획을 결정하는데 사용된다. 컨트롤러는 그런 다음 수술 계획을 프린트될 층들의 유형, 형태 및 크기, 대상체의 해부학적 구조에 대한 3D의 교정 위치, 및 형태 내의 각 위치에 대한 정확한 바이오 잉크 컴포넌트를 포함하는 동작 특성의 세트로 전환한다. 하나의 비-제한 예로서, 사용자는 원하는 3D 형태를 생성하도록 가상의 수술 전 이미지 상에 바이오 잉크의 다양한 유형들을 나타내는 점들을 전자적으로 위치시키고 삽입할 수 있다.

단계 72에서, 수술 계획은 일반적으로 컨트롤러에 의해 판독될 수 있는 수술 계획을 나타내는 파일들을 생성하는 CAD 기반 소프트웨어를 사용하여 처리된다.

단계 73에서, 파일들은 컨트롤러를 사용하여 (a) 수술 로봇의 노즐에 대한 계획된 궤적, 및 (b) 하나 이상의 잉크의 분사 계획을 결정하도록 처리되며, 계획된 궤적 및 분사 계획은 프로시저 동안 수술 로봇 및 분사 메커니즘을 지시하도록 저장된다. 계획된 궤적 및 분사 계획은 원하는 궤적을 달성하기 위해 복수의 자유도에서 필요한 로봇 프린터 모션을 포함하는 수술 계획 및, 이 모션 동안 바이오 잉크 분사의 필요한 위치 및 유형이 함께 고려될 수 있다. 따라서, 높은 수준의 정확도로 결정될 수 있으며, 이는 계획된 궤적 및 피봇 지점의 유지 둘 다를 따르게 하기 위해 수술 로봇의 로봇 암에 모션이 필요할 것이다. 마찬가지로, 프로시저 전반에 걸쳐 요구되는 피스톤의 정확한 욕구 속도와 같은 압출 메커니즘의 모션 또는 작동이 또한 결정될 수 있다.

계획된 궤적 및 분사 계획은 도 6b에 따라 상기에 기술된 바와 같이 결정될 수 있다. 작은 직경의 캐뉼라와 바이오 잉크를 호스팅하기 위한 단일 실린더형 볼륨을 갖는 수술 시스템에 의해 수행된 방법의 예를 사용하여, 단계 74에서, 결정된 계획된 궤적 및 분사 계획에 따라, 바이오 잉크의 각 길이방향 적층된 층에 필요한 양, 위치 및 구성성분이 결정된다. 바이오 잉크의 한 유형 또는 구성성분이 필요한 경우, 또는 캐뉼라가 다양한 바이오 잉크 유형을 호스팅하도록 적응된 개별 챔버들로 분할된 경우, 개별 챔버가 독립적으로 활성화되는 본 개시의 대안 방법에서, 이 단계 74는 필요하지 않을 수 있다.

이제 수술 전 계획에 의해 수술 중 획득된 이미지들의 레지스트레이션, 및 수술 전 이미지들과 로봇의 좌표계를 수행하기 위해 컨트롤러(21)를 사용하여 생성된 로봇 3 차원 바이오 프린팅 프로시저를 수행하는 실시 단계들을 설명하는 예시적인 방법을 도시하는 도 8에 대한 참조가 이루어진다. 도 8에 도시된 단계들은 포괄적인 프로시저를 포함하지만, 모든 단계들이 기본적으로 컨트롤러에 의해 생성되는 것이 아니라, 일부는 외부에서 결정된 단계들에 의해 또는 외과의의 개입에 의해 수행되거나 입력될 수 있음을 이해해야 한다.

단계 80에서, 수술 로봇의 좌표 시스템은 수술 전 3D 이미지 세트를 사용하여 수술 계획에 레지스트레이션된다. 단계 81에서, 삽입 지점은 대상체에 위치되되, 삽입 지점은 계획된 궤적으로부터 도출되고, 수술 로봇은 진입에 적합한 자세로 향하게 된다. 단계 82에서, 최소 침습 수술 절개는 대상체에 만들어지며, 수술 로봇은 수술 계획에 의해 결정된 바와 같이, 미리 설정된 각도로 대상체의 삽입 지점에 작은 직경의 캐뉼라를 삽입하도록 지시된다. 프린트 헤드는 그 크기를 증가시키는 이미징 요소를 포함하지 않기 때문에, 프로시저는 작은 개구부, 예를 들어 1mm를 통해 최소 침습적으로 수행될 수 있다. 이는 주변 조직에 대한 외상을 크게 감소시키고 대상체에 대한 회복 시간을 줄인다.

단계 83에서, 일단 캐뉼라가 계획된 궤적에 따라 필요한 진입 깊이에 도달하면, 바이오 잉크의 제1층은, 수술 로봇에 의해 제어되는 것처럼, 캐뉼라의 모션에 따라 압출 메커니즘에 의해 제어 가능하게 분사된다. 도 3a 내지 3d에서 이전에 도시된 바와 같이, 대상체의 삽입 지점은 이 프로세스에 걸쳐 피봇 지점으로서 유지되어야 한다. 바이오 잉크의 제1층은 계획된 궤적 및 분사 계획에 따라 수술 로봇을 지시함으로써 정확한 형태, 구성성분, 대상체에 대한 위치 및 치수로 분사된다.

바이오 잉크 층이 형성된 이후, 단계 85에서, 필요한 3 차원 조직 요소가 완전히 생성되는지 여부가 결정된다. 생성되지 않으면, 시스템은 단계 85에서 캐뉼라가 미리 설정된 증분양에 의해 길이 방향으로 철수되고, 캐뉼라의 각도는 바이오 잉크의 제2 층을 형성하기 위해 계획된 궤적에 따라 조정되도록 지시한다. 단계 85는 도 3a 내지 3d에서 설명된 횡방향 프로시저에 대해 설명된다. 도 4a 내지 4d의 프로시저의 수행에 필요한 모션은 이에 따라 수정되어야 한다. 그런 다음, 단계 86에서, 시스템은 필요한 3 차원 조직 요소가 완전히 생성되었는지를 다시 확인한다. 생성되지 않으면, 시스템은 단계 85가 반복되도록 지시한다. 3 차원 조직 요소가 완료되었으면, 프로시저는 단계 86에서와 같이 종료될 수 있으며, 캐뉼라는 대상체로부터 완전히 철수된다. 필요한 3 차원 대상체의 크기 및 형태를 충족시키기 위해 추가 절개가 필요한 경우, 단계 81 내지 87이 반복될 수 있으며, 동일한 프로시저 동안이든 추후 다른 프로시저 동안이든 반복될 수 있다.

도 8의 방법은 일반적으로 컨트롤러 및 수술 로봇에 의해 자동으로 수행된다; 그러나, 컨트롤러는 외과의가 프로시저를 중단하거나 미리 설정된 수술 계획을 무효화하려고 하는 경우와 같은 선택적 사용자 입력을 수신할 수 있다. 시술자는 원하는 경우 계획된 로봇 프린터 모션 또는 이 모션 동안 바이오 잉크 분사의 위치 및 유형을 변경할 수 있다. 예를 들어, 계획된 궤적은 효율 알고리즘에 기반될 수 있으며 단일 수술 프로시저에 대한 궤적일 수 있지만, 외과의는 수술 계획을 두 프로시저로 나누기로 결정하고, 즉 이전 층이 치료된 후 후속 층을 빌드업 함으로써 프린트된 볼륨의 구조적 강성을 향상시킬 수 있다.

결론적으로, 현재 개시된 시스템 및 방법은 높은 정확도, 낮은 외상, 작은 절개 크기, 방사선에 대한 최소 노출 및 시험관 내 바이오 요소 프린팅 프로시저로부터 발생될 수 있는 것보다 더 적은 감염 가능성을 제공하고, 이어 보다 철저한 수술 프로시저에 의한 요소의 삽입으로 이어진다.

당업자는 본 발명이 상기에 특별히 도시되고 상기에 설명된 것에 의해 제한되지 않음을 알 수 있다. 오히려 본 발명의 범위는 상기 설명을 읽을 때 당업자에게 발생하고 종래 기술이 아닌 변경 및 변형 외에 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위 조합 둘 다를 포함한다.

Claims

적어도 하나의 3차원 수술 전 이미지 세트에 기초하는 수술 전 수술 계획에 따라, 대상체 내에서 3 차원 조직 요소를 형성하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
캐뉼라(cannula)의 치수와 동일한 오더(order)의 횡방향 치수를 가지는 표면 개구부를 통해 상기 대상체로 삽입하기 위해 구성된 상기 캐뉼라로서, 상기 캐뉼라는 수술 로봇에 부착되도록 구성되며 그 말단에 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 노즐을 포함하는, 상기 캐뉼라;
상기 캐뉼라로부터 말단으로(distally) 상기 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 구성된 적어도 하나의 바이오 잉크 압출 메커니즘; 및
컨트롤러를 포함하되,
상기 컨트롤러는,
(i) 상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 길이방향(longitudinal) 위치 및 방향(orientation)을 조정하도록 상기 수술 로봇을 지시하고; 그리고
(ii) 상기 바이오 잉크가 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 상기 길이방향 위치 및 상기 방향에 따라 분사되도록 상기 압출 메커니즘을 제어하도록 적응되며,
상기 시스템은 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 상기 횡방향 치수보다 더 큰 치수를 갖는 3차원 조직 요소를 형성하게 하고, 그리고
상기 수술 로봇은 상기 표면 개구부를 상기 캐뉼라의 상기 방향에 대한 피봇 지점으로 사용하여 상기 대상체 내에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 상기 조정을 수행하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 3차원 수술 전 이미지 세트에 대한 상기 수술 로봇의 좌표 시스템의 레지스트레이션(registration)을 획득하도록 더 적응된, 시스템.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 전 수술 계획은 적어도 상기 3차원 조직 요소의 (i) 기하학적 형태, (ii) 구성성분, (iii) 위치, 및 (iv) 치수들을 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 전 수술 계획은 (i) 상기 3차원 수술 전 이미지 세트의 이미지 처리, 및 (ii) 외과의로부터의 입력 중 적어도 하나를 사용하여 상기 컨트롤러에 의해 적어도 부분적으로 결정되는, 시스템.
제4항에 있어서, 상기 수술 전 수술 계획의 상기 결정은 의료 데이터베이스로부터의 데이터 분석을 더 이용하는, 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 바이오 잉크는 (i) 상기 캐뉼라에, 또는 (ii) 상기 캐뉼라에 유동적으로 연결된 하나 이상의 바이오 잉크 저장 볼륨에 수용되는, 시스템.
제6항의 옵션 (i)에 있어서, 상기 캐뉼라는 상기 캐뉼라의 길이를 따라 배열된 층들에 적어도 2 개의 바이오 잉크를 수용하도록 구성되되, 상기 층들은 미리 설정된 양, 구성성분 및 순서를 갖는, 시스템.
제7항에 있어서, 상기 층들의 상기 미리 설정된 양, 구성성분, 및 순서는 상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 컨트롤러에 의해 결정되는, 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3 차원 조직 요소 전체는 상기 대상체로부터 상기 캐뉼라를 제거할 필요 없이 형성되는, 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3 차원 조직 요소는 (a) 제1 바이오 물질 층을 형성하기 위해, 상기 캐뉼라의 증분 길이방향 이동과 함께 제1 깊이에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 조정을 수행하고, 그리고 (b) 이어서, 상기 대상체 내에서 제2 깊이로 상기 캐뉼라를 이동시키고, 제2 바이오 물질 층을 형성하기 위해 상기 캐뉼라의 증분 길이방향 이동과 함께 상기 제2 깊이에서 상기 캐뉼라의 상기 방향의 조정을 수행하고, 상기 3차원 조직 요소가 형성될 때까지 (b)를 반복함으로써 형성되는, 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 개구부는 상기 대상체의 무릎 관절에 대한 액세스를 제공하는데 사용될 수 있는, 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오 잉크 압출 메커니즘은 피스톤, 외부 압력 도포 장치, 가스 압력 장치 또는 바이오 잉크 젯 프린팅 헤드 중 어느 하나인, 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐뉼라의 직경은 1mm 미만인, 시스템.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐뉼라의 직경은 3mm 미만인, 시스템.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오 물질 층들 중 적어도 하나는 연골(cartilage), 골조 배지(bone medium), 근육(muscle), 혈관(blood vessel) 또는 인대 물질(ligament material)을 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 수술 로봇과 연관된 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟(tracking target)을 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟을 사용하여 상기 3 차원 수술 전 이미지 세트에 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 레지스트레이션하도록 적응된, 시스템.
제16항에 있어서, 상기 시스템은 상기 대상체의 적어도 하나의 해부학적 요소 또는 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 배치된 기준 마커들을 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 기준 마커들 또는 상기 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 레지스트레이션하기 위해 상기 적어도 하나의 3 차원 트래킹 타겟을 사용하도록 더 적응된, 시스템.
제17항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 해부학적 기준 마커들 또는 상기 형광 투시로 이미지화된 해부학적 요소들에 대해 상기 수술 로봇의 상기 좌표 시스템을 포함하는 의사(pseudo) 3차원 이미지를 생성하고, 상기 수술 로봇의 상기 위치가 상기 수술 전 수술 계획에 레지스트레이션될 수 있도록 상기 3차원 수술 전 이미지 세트의 유사 선택 윈도우에 상기 의사 3차원 이미지의 선택 윈도우를 관련시키도록 더 적응된, 시스템.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐뉼라의 상기 노즐을 원하는 방향으로 스티어링(steering)하기 위한 스티어링 메커니즘을 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐뉼라는 상기 노즐의 접근성이 증가되도록 적어도 하나의 제어 링크 또는 조인트를 포함하는, 시스템.
수술 로봇을 위한 수술 계획을 결정하는 방법으로서,
상기 수술 로봇은 표면 개구부를 통해 대상체로 상기 수술 로봇이 삽입되는 캐뉼라를 이용하고, 상기 캐뉼라는 그 말단에 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 적어도 하나의 노즐을 포함하며,
상기 방법은,
상기 대상체의 3 차원 수술 전 이미지 세트를 획득하는 단계;
상기 3 차원 수술 전 이미지 세트에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 수술 로봇에 의해 형성될 3 차원 조직 요소의 적어도 (i) 형태, (ii) 구성성분, (iii) 위치, 및 (iv) 치수들을 포함하는 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계;
상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 적어도 하나의 노즐에 대한 계획된 궤적을 계산하는 단계;
상기 수술 전 수술 계획에 따라 상기 대상체 내에서 상기 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해, 상기 계획된 궤적을 주행하는 상기 적어도 하나의 노즐에 따라 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 분사 계획을 생성하는 단계; 및
상기 노즐이 상기 분사 계획에 따라 상기 계획된 궤적을 주행할 수 있도록, 상기 수술 로봇을 조작하고 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 분사를 제어하도록 적응된 컨트롤러에 상기 계획된 궤적을 입력하여, 상기 3차원 조직 요소가 상기 수술 로봇에 의해 상기 대상체 내에서 자동으로 형성되게 하는 단계를 포함하는, 방법.
제21항에 있어서, 상기 계획된 궤적에 따라 상기 수술 로봇의 계획된 모션을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제22항에 있어서, 상기 수술 로봇의 상기 계획된 모션은 상기 궤적을 주행하도록 상기 노즐에 필요한 상기 캐뉼라의 임의의 각운동이 상기 대상체의 표면 개구부를 피봇 지점으로 사용하여 수행되도록 하는 것인, 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 바이오 잉크의 점도는 상기 적어도 2 개의 바이오 잉크가 상기 적어도 2 개의 바이오 잉크의 혼합 없이 상기 캐뉼라 내에서 길이방향으로 배열된 층들에 배치될 수 있는 정도인, 방법.
제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계는 복수의 대상체들의 3 차원 이미지 세트들을 포함하는 의료 데이터베이스에 액세스하는 단계를 포함하는, 방법.
제25항에 있어서, 상기 수술 전 수술 계획을 결정하는 단계는, 긍정적 결과의 통계학적 가능성이 가장 높은 수술 계획을 결정하기 위해 상기 의료 데이터베이스로부터 데이터를 분석함으로써 수행되는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계획된 궤적 및 상기 분사 계획 중 적어도 하나는 인공 지능을 사용하여 계산되는, 방법.
제21항 내지 제27항에 있어서, 상기 계획된 궤적은 (i) 상기 캐뉼라에 의해 손상될 것 같은 금지된 영역들의 회피, (ii) 상기 3차원 조직 요소를 형성하기 위한 가장 짧은 궤적, 및 (iii) 상기 대상체의 건강한 조직에 최소한의 외상을 일으킬 수 있는 궤적 중 적어도 하나를 고려하여 계산되는, 방법.
대상체 내에서 3 차원 조직 요소를 형성하기 위해 수술 로봇 시스템을 구성하는 방법으로서,
상기 수술 로봇 시스템은 표면 개구부를 통해 삽입된 캐뉼라를 이용하고, 상기 캐뉼라는 상기 대상체 내에서 노즐을 통해 적어도 2 개의 바이오 잉크를 분사하도록 구성되며,
상기 방법은,
상기 대상체의 3 차원 수술 전 이미지 세트를 획득하는 단계;
상기 3 차원 수술 전 이미지 세트로부터 상기 3 차원 조직 요소의 (i) 형태, (ii) 구성성분, (iii) 위치, 및 (iv) 치수들을 포함하는 수술 계획을 결정하는 단계;
상기 수술 계획에 따라 상기 노즐에 대한 계획된 궤적을 결정을 하는 단계; 및
상기 수술 계획에 따라, 상기 노즐이 상기 계획된 궤적을 주행함에 따라 상기 적어도 2개의 바이오 잉크의 분사 계획을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 적어도 2개의 바이오 잉크는 분사 전에 적층되며, 상기 3차원 조직 요소가 상기 수술 로봇에 의해 자동으로 형성될 수 있도록 각 바이오 잉크 층의 양, 위치 및 구성성분이 상기 계획된 궤적 및 상기 분사 계획에 따라 선택되는, 방법.
제29항에 있어서, 상기 적어도 2개의 바이오 잉크의 상기 층들은 상기 캐뉼라의 길이를 따라 길이방향으로 수용되는, 방법.
제30항에 있어서, 상기 층들은 미리 설정된 양, 구성성분 및 순서를 갖는, 방법.
제29항에 있어서, 상기 적어도 2개의 바이오 잉크의 상기 층들은 상기 캐뉼라에 유동적으로 연결된 저장 볼륨에 길이방향으로 수용되는, 방법.
제32항에 있어서, 상기 층들은 상기 저장 볼륨의 길이에 따라 길이방향으로 배열되고, 미리 설정된 양, 구성성분 및 순서를 갖는, 방법.
대상체 내에 3차원 조직 요소의 생성을 위해 수동 지시 프로시저(procedure)를 수행하는 방법에 있어서,
말단에 적어도 하나의 노즐을 포함하고, 상기 대상체 내에서 적어도 하나의 바이오 물질 층을 형성하기 위해 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하도록 적응된 캐뉼라를 제공하는 단계;
표면 개구부를 통해 상기 대상체로 상기 캐뉼라를 삽입하는 단계; 및
상기 노즐이 상기 대상체 내에서 상기 적어도 하나의 바이오 물질 층을 생성하기에 적절한 궤적을 따르도록 상기 캐뉼라를 조작하고, 상기 노즐의 모션에 따라 상기 하나 이상의 바이오 잉크를 분사하는 단계를 포함하며,
상기 조작하는 단계는 적어도 상기 노즐이 상기 적어도 하나의 바이오 물질 층을 생성하기에 적절한 상기 궤적을 따르는지를 검증하기 위해 외부에 배치된 이미징 시스템을 사용하여 수행되는, 방법.