KR20200024873A

KR20200024873A - 의료 기구 압축 보상을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20200024873A
Application number: KR1020207002803A
Authority: KR
Inventors: 천시 에프. 그래첼; 박준규
Original assignee: 아우리스 헬스, 인코포레이티드
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-03-09
Also published as: CN110868903A; WO2019005992A1; US20200038123A1; AU2018292606A1; KR102639335B1; JP7208173B2; AU2018292606B2; KR102530831B1; JP2020526252A; EP3644820A1; US20230277260A1; JP7271774B2; KR20230066659A; CN110868903B; JP2022177148A; US11666393B2; CN115721418A; EP3644820A4; US10426559B2; US20190000566A1

Abstract

소정의 양태는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트에서의 압축을 보상하기 위한 시스템 및 기술에 관한 것이다. 의료 기구에는, 관절 운동될 때, 압축을 겪을 수도 있는 가늘고 긴 샤프트를 포함할 수 있다. 의료 기구는, 이러한 압축을 보상하기 위해 의료 기구를 이동시키도록 구성되는 기구 위치 결정 디바이스에 부착될 수 있다. 예를 들면, 기구 위치 결정 디바이스는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트에서의 압축을 보상하기 위해 의료 기구를 전진시킬 수 있다. 몇몇 경우에, 압축의 양은 압축 보상 파라미터를 사용하여 결정된다. 압축 보상 파라미터는 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정될 수 있다.

Description

의료 기구 압축 보상을 위한 시스템 및 방법

관련된 출원

본 출원은 2017년 6월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/640,277호를 우선권으로 주장하는데, 이 미국 출원은 참조에 의해 본원에 통합된다.

기술 분야

본원에서 개시되는 시스템 및 방법은 의료 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 의료 기구의 가늘고 긴(elongated) 샤프트의 압축을 보상하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

의료 프로시져는 진단 또는 치료 목적을 위해 환자의 내부 영역에 액세스하고 시각화하는 것을 수반할 수도 있다. 내시경 검사(endoscopy)는, 예를 들면, 환자의 관강(예를 들면, 기도) 내부에 액세스하여 시각화하는 것을 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 복강경 검사(laparoscopy)는 환자의 내부 공동에 액세스하여 시각화하는 것을 포함할 수도 있다. 프로시져 동안, 예를 들면, 스코프와 같은 의료 기구가 환자의 신체 안으로 삽입될 수도 있고, 기구가 스코프를 통해 진단 및/또는 치료를 위해 식별되는 조직 부위로 전달될 수 있다.

몇몇 경우에, 의료 기구는, 환자의 내부 영역을 내비게이팅하기 위해 조향 가능한 또는 관절 운동 가능한(articulable) 가늘고 긴 샤프트(또는 일반적으로 가늘고 긴 본체)를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 의료 기구는 로봇을 이용하여(robotically) 제어될 수 있다.

본 개시의 시스템, 기술 및 디바이스 각각은 여러 가지 혁신적인 양태를 가지는데, 그 중 단일의 어떤 것도 본원에서 개시되는 바람직한 성질(attribute)을 전적으로 담당하지는 않는다.

몇몇 경우에, 의료 기구는 환자의 신체 안으로의 삽입을 위해 구성되는 가늘고 긴 샤프트를 포함한다. 가늘고 긴 샤프트는 환자 내부에서 내비게이팅될 수 있도록 관절 운동이 가능할 수 있다. 가늘고 긴 샤프트는 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 견인 와이어(pull wire)를 포함할 수 있다. 견인 와이어 기반의 움직임(즉, 견인 와이어를 작동시키는 것에 의해 야기되는 움직임)은 가늘고 긴 샤프트의 바람직하지 않은 압축(예를 들면, 축 방향 압축(axial compression))을 야기할 수도 있다. 본 개시의 시스템 및 방법은, 압축의 양을 결정하고 압축을 보상하기 위해 기구 위치 결정 디바이스(instrument positioning device)(예를 들면, 로봇 암)를 사용하여 의료 기구를 이동(예를 들면, 전진)시키는 것에 의해 이 압축을 보상할 수 있다.

몇몇 경우에, 압축 보상 파라미터는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트의 압축을 결정하기 위해 사용된다. 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 기반의 움직임의 특성(characteristic)(예를 들면, 견인 와이어 장력, 견인 와이어 변위, 액추에이터 변위, 관절 운동(articulation)의 지시 각도(commanded angle), 관절 운동의 측정된 각도, 등등)을 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 압축 보상 파라미터는 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스(calibration process) 동안 결정될 수 있다. 압축 보상 파라미터는 의료 기구 상의 메모리(예를 들면, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체)에 저장될 수 있다.

따라서, 본 개시의 제1 양태는 의료 기구에 관한 것이다. 의료 기구는 원위 부분(distal portion)과 근위 부분(proximal portion) 사이에서 연장되는 가늘고 긴 샤프트를 포함한다. 가늘고 긴 샤프트는, 사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성된다. 의료 기구는 또한, 가늘고 긴 샤프트의 근위 부분에 연결되는 기구 베이스(instrument base)를 포함한다. 기구 베이스는 로봇 암에 대한 부착을 용이하게 하도록 구성되는 부착 인터페이스(attachment interface)를 포함한다. 의료 기구는 또한, 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축에 관련시키는 압축 보상 파라미터를 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 의료 기구는 또한 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분에 연결되는 견인 와이어를 포함한다. 견인 와이어는 원위 부분과 기구 베이스에 배치되는 구동 입력부(drive input) 사이에서 가늘고 긴 샤프트를 따라 연장된다. 구동 입력부는, 견인 와이어를 작동시켜 저장된 압축 보상 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 야기하도록 구성된다.

제1 양태의 의료 기구는 다음의 피쳐 중 하나 이상을, 임의의 조합으로, 포함할 수도 있다: (a) 가늘고 긴 샤프트의 움직임은 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동을 포함하고, 압축 보상 파라미터는, 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를, 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (b) 관절 운동의 각도는 관절 운동의 지시 각도를 포함함; (c) 관절 운동의 각도는 관절 운동의 측정된 각도를 포함함; (d) 적어도 하나의 전자기(electromagnetic; EM) 센서가 가늘고 긴 샤프트 상에 배치되고, 관절 운동의 측정된 각도는 EM 센서로부터의 신호에 기초하여 결정됨; (e) 형상 감지 파이버(shape-sensing fiber)가 가늘고 긴 샤프트 상에 포함되고, 관절 운동의 측정된 각도는 형상 감지 파이버에 기초하여 결정됨; (f) 적어도 하나의 장력 센서가 견인 와이어에 연결됨; (g) 압축 보상 파라미터는, 장력 센서에 의해 측정되는 바와 같은 견인 와이어에서의 장력을, 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (h) 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 변위를 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (i) 구동 입력부는 풀리(pulley)를 포함하고, 압축 보상 파라미터는 풀리의 회전을 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (j) 구동 입력부는 레버(lever), 트리거(trigger), 크랭크(crank), 및 캠(cam) 중 적어도 하나를 포함함; (k) 구동 입력부는 선형 구동 입력부를 포함하고, 압축 보상 파라미터는 선형 구동 입력부의 일부의 선형 변위를 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (l) 압축 보상 파라미터는 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정됨; (m) 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 무선 주파수 식별(radio frequency identification; RFID) 태그를 포함함; (n) RFID 태그가 기구 베이스에 배치됨; (o) RFID 태그는, 로봇 암의 RFID 판독기에 의해 활성화될 때 압축 보상 파라미터를 전달하도록 구성됨; (p) 가늘고 긴 샤프트는 내시경을 포함함; (q) 가늘고 긴 샤프트는 관통 채널이 형성되는 시스(sheath)를 포함하되, 채널은 시스의 축을 따라 연장됨; 및/또는 (r) 하나 이상의 추가적인 견인 와이어.

제2 양태에서, 본 개시는 로봇 시스템에 관한 것이다. 로봇 시스템은, 사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구를 포함한다. 제1 기구는 다음의 것을 포함한다: 제1 가늘고 긴 샤프트, 제1 가늘고 긴 샤프트의 견인 와이어 기반의 움직임을 야기하도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스. 시스템은 제1 기구 베이스에 부착되며 환자의 관강을 통해 제1 기구를 전진시키거나 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제1 기구 위치 결정 디바이스를 포함한다. 시스템은 실행 가능한 명령어를 저장한 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 시스템은 또한, 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는데, 명령어는, 시스템으로 하여금 적어도: 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 그리고 환자의 관강을 통해 제1 기구의 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제1 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축을 보상하게 한다.

제2 양태의 로봇 시스템은 다음의 피쳐 중 하나 이상을, 임의의 조합으로, 포함할 수도 있다: (a) 명령어는, 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 제1 가늘고 긴 샤프트의 견인 와이어 기반의 움직임을 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축에 관련시키는 압축 보상 파라미터를 사용하여 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 함; (b) 견인 와이어 기반의 움직임은 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동을 야기하고, 압축 보상 파라미터는 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (c) 관절 운동의 각도는 관절 운동의 지시 각도를 포함함; (d) 관절 운동의 각도는 관절 운동의 측정된 각도를 포함함; (e) 제1 가늘고 긴 샤프트 상에 배치되는 적어도 하나의 EM 센서, 관절 운동의 측정된 각도는 EM 센서로부터의 신호에 기초하여 결정됨; (f) 제1 가늘고 긴 샤프트 상의 형상 감지 파이버, 관절 운동의 측정된 각도는 형상 감지 파이버에 기초하여 결정됨; (g) 압축 보상 파라미터는 제1 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정됨; (h) 제1 의료 기구 상의 RFID 태그 - RFID 태그는 압축 보상 파라미터를 저장함 - , 및 적어도 하나의 프로세서에 연결되는 RFID 판독기; (i) RFID 태그는 제1 기구 베이스 상에 배치되고, RFID 판독기는 제1 기구 위치 결정 디바이스 상에 배치됨; (j) 제1 의료 기구는 내시경을 포함함; (k) 제1 의료 기구는 시스를 포함함; (l) 제1 기구의 작업 채널을 통해 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 의료 기구, 제2 의료 기구는 제2 가늘고 긴 샤프트, 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함함, 제2 기구에 부착되며 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제2 기구 위치 결정 디바이스, 명령어는, 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 의료 기구의 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키게 함; (m) 명령어는, 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 제2 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고, 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 제2 의료 기구의 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제2 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축을 보상하게 함; (n) 명령어는, 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 제2 기구의 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제1 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축을 보상하게 함; 및/또는 (o) 제1 기구는 시스를 포함하고 제2 기구는 내시경을 포함함.

본 개시의 제3 양태에서, 로봇 시스템은, 사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구를 포함한다. 제1 기구는 제1 가늘고 긴 샤프트, 제1 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스를 포함한다. 제1 기구 위치 결정 디바이스는, 제1 기구 베이스에 부착되며 환자의 관강을 통해 제1 의료 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다. 로봇 시스템은 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 기구를 포함한다. 제2 의료 기구는 제2 가늘고 긴 샤프트, 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함한다. 제2 기구 위치 결정 디바이스는 제2 기구 베이스에 부착되며 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다. 시스템은 또한 실행 가능한 명령어를 저장한 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체, 및 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는데, 명령어는, 시스템으로 하여금, 적어도: 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 환자의 관강을 통해 제1 의료 기구의 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제1 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축의 제1 부분을 보상하게 하고; 그리고 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 의료 기구의 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제1 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축의 제2 부분을 보상하게 한다. 제2 부분은 제1 부분보다 더 클 수도 있다.

제4 양태에서, 로봇 시스템은, 사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구를 포함한다. 제1 기구는 제1 가늘고 긴 샤프트, 제1 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스를 포함한다. 제1 기구 위치 결정 디바이스는, 제1 기구 베이스에 부착되며 환자의 관강을 통해 제1 의료 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다. 시스템은 또한 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 기구를 포함한다. 제2 의료 기구는 제2 가늘고 긴 샤프트, 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함한다. 제2 기구 위치 결정 디바이스는 제2 기구 베이스에 부착되며 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다. 시스템은 또한 실행 가능한 명령어를 저장한 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체, 및 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는데, 명령어는, 시스템으로 하여금, 적어도: 제2 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 환자의 관강을 통해 제1 의료 기구의 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제2 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축의 제1 부분을 보상하게 하고; 제1 기구의 작업 채널을 통해 제2 의료 기구의 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 제2 가늘고 긴 샤프트의 결정된 축 방향 압축의 제2 부분을 보상하게 한다. 제2 부분은 제1 부분보다 더 클 수도 있다.

본 개시의 제5 양태에서, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 명령어를 저장하는데, 그 명령어는, 실행시, 디바이스의 프로세서로 하여금, 적어도: 제1 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트의 견인 와이어 기반의 움직임 및 압축 보상 파라미터를 나타내는 정보에 적어도 부분적으로 기초하여, 제1 기구의 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 그리고 제1 의료 기구에 연결되는 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 보상하게 한다.

제5 양태의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 다음의 피쳐 중 하나 이상을, 임의의 조합으로, 포함할 수도 있다: (a) 견인 와이어 기반의 움직임을 나타내는 정보는 제1 의료 기구에 대한 지시된 관절 운동(commanded articulation)을 나타내는 정보를 포함함; (b) 견인 와이어 기반의 움직임을 나타내는 정보는, 제1 의료 기구에 대한 측정된 관절 운동을 나타내는 정보를 포함함; (c) 압축 보상 파라미터는 제1 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정됨; (d) 압축 보상 파라미터는 제1 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (e) 압축 보상 파라미터는 제1 기구의 견인 와이어에서의 장력을 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (f) 압축 보상 파라미터는 제1 기구의 견인 와이어의 변위를 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; (g) 압축 보상 파라미터는 제1 기구의 견인 와이어에 부착되는 풀리의 회전을 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시킴; 및/또는 (h) 명령어는, 실행시, 프로세서로 하여금, 제1 관절 운동 가능한 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트를 환자의 관강 안으로 전진시키게끔 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키게 함.

본 개시의 제6 양태에서, 관절 운동 가능한 가늘고 긴 샤프트를 포함하는 의료 기구를 캘리브레이팅하는(calibrating) 방법은 다음의 것을 포함한다: 가늘고 긴 샤프트를 제1 위치로 이동시키기 위한 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것; 가늘고 긴 샤프트가 제1 위치에 있는 상태에서, 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하는 것; 및 제1 위치를 결정된 축 방향 압축에 관련시키는 것에 의해, 가늘고 긴 샤프트에 대한 압축 보상 파라미터를 결정하는 것.

제6 양태의 방법은 또한 다음의 피쳐 중 하나 이상을, 임의의 조합으로, 포함할 수도 있다: (a) 가늘고 긴 샤프트를 제1 위치로 관절 운동시키는 것; (b) 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키는 것은 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분에 연결되는 견인 와이어에 장력을 인가하는(tensioning) 것을 포함함; (c) 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 견인 와이어의 장력을 측정하는 것을 포함함; (d) 하나 이상의 공간 캡(spatial cap)을 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분에 부착하는 것 - 하나 이상의 공간 캡은 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성되되, 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 공간 데이터를 분석하는 것을 포함함 - ; (e) 축 방향 압축을 결정하는 것은 공간 데이터를 분석하는 것을 포함함; (f) 가늘고 긴 샤프트는 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성되는 공간 센서를 포함하고, 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 공간 데이터를 분석하는 것을 포함함; (g) 축 방향 압축을 결정하는 것은 공간 데이터를 분석하는 것을 포함함; (h) 하나 이상의 공간 캡은 하나 이상의 EM 센서를 포함함; (i) 축 방향 압축을 결정하는 것은 가늘고 긴 샤프트의 길이를 측정하는 것을 포함함; (j) 관절 운동을 결정하는 것은 가늘고 긴 샤프트의 각도를 측정하는 것을 포함함; 및/또는 (k) 압축 보상 파라미터를 제1 의료 기구의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 것.

이하에서, 개시된 양태는, 개시된 양태를 제한하는 것이 아니라 예시하도록 제공되는 첨부의 도면과 연계하여 설명될 것인데, 첨부의 도면에서, 같은 명칭은 같은 엘리먼트를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경 검사 프로시져(들)를 위해 배열되는 카트 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 또 다른 양태를 묘사한다.
도 3은 요관경 검사(ureteroscopy)를 위해 배열되는 도 1의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 4는 관 프로시져(vascular procedure)를 위해 배열되는 도 1의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 5는 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 뷰를 제공한다.
도 7은 로봇 암(들)을 수용하도록 구성되는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 8은 요관경 검사 프로시져를 위해 구성되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 9는 복강경 검사 프로시져를 위해 구성되는 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블 기반의 로봇 시스템의 한 실시형태를 예시한다.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블 기반의 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한다.
도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 가늘고 긴 샤프트의 축에 평행한 기구 및 기구 드라이버에 대한 대안적인 설계를 예시한다.
도 15는, 예시적인 실시형태에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 엘리먼트의 위치를 추정하는 위치 측정 시스템(localization system)을 예시하는 블록도를 묘사한다.
도 16a는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트의 실시형태를 예시한다.
도 16b는 견인 와이어 기반의 움직임의 예에 의해 야기되는 축 방향 압축을 겪는 도 16a의 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트를 묘사한다.
도 16c는 견인 와이어 기반의 움직임의 다른 예에 의해 야기되는 축 방향 압축을 겪는 도 16a의 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트를 묘사한다.
도 17a는 기구 위치 결정 디바이스의 실시형태에 커플링되는 도 16a의 의료 기구를 예시한다.
도 17b는 의료 기구의 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 축 방향 압축을 보상하기 위해 이동하는 도 17a의 기구 위치 결정 디바이스의 예를 묘사한다.
도 17c는 의료 기구의 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 축 방향 압축을 보상하기 위해 이동하는 도 17a의 기구 위치 결정 디바이스의 예를 묘사한다.
도 18은 의료 기구에서의 압축을 보상하기 위한 예시적인 방법을 예시하는 플로우차트이다.
도 19a는 제1 의료 기구의 작업 채널 내에서 신축 가능한(telescoping) 제2 의료 기구의 예를 예시한다.
도 19b는 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 제1 및 제2 의료 기구의 축 방향 압축의 예를 묘사한다.
도 19c는 도 19b의 축 방향 압축이, 각각, 제1 및 제2 의료 기구에 커플링되는 제1 및/또는 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키는 것에 의해 보상될 수 있다는 것을 예시한다.
도 20은 축 방향 압축을 보상하도록 구성되는 의료 기구의 실시형태를 예시한다.
도 21은 의료 기구의 축 방향 압축을 보상하도록 구성되는 시스템의 실시형태의 블록도를 묘사한다.
도 22는 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 예시적인 방법을 예시하는 플로우차트이다.

1. 개관.

본 개시의 양태는, 복강경 검사와 같은 최소 침습적 프로시져, 및 내시경 검사와 같은 비 침습적 프로시져 둘 모두를 비롯한, 다양한 의료 프로시져를 수행할 수도 있는 로봇 대응 의료 시스템(robotically-enabled medical system)에 통합될 수도 있다. 내시경 검사 프로시져 중, 시스템은 기관지경 검사, 요관경 검사, 위장관 검사(gastroenterology), 등등을 수행할 수 있을 수도 있다.

광범위한 프로시져를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 돕기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은, 추가적인 이점을 제공할 수도 있다. 추가적으로, 시스템은 어색한 팔 모션 및 위치에 대한 필요 없이 인체 공학적 위치에서 프로시져를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수도 있다. 여전히 또한, 시스템은, 시스템의 기구 중 하나 이상이 단일의 유저에 의해 제어될 수 있도록 향상된 사용 용이성을 가지고 프로시져를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수도 있다.

다양한 실시형태가 예시의 목적을 위해 도면과 연계하여 하기에서 설명될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예를 통해 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 것을 돕기 위해 본원에서는 표제(heading)가 포함된다. 이 표제는, 그와 관련하여 설명되는 개념의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 그러한 개념은 전체 명세서 전체에 걸쳐 적용 가능할 수도 있다.

A. 로봇 시스템 - 카트.

로봇 대응 의료 시스템은 특정한 프로시져에 따라 다양한 방식으로 구성될 수도 있다. 도 1은, 진단 및/또는 치료 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 카트 기반의 로봇 대응 시스템(10)의 한 실시형태를 예시한다. 기관지경 검사 동안, 시스템(10)은, 기관지경 검사를 위한 프로시져 고유의 기관지경일 수도 있는, 조향 가능한 내시경(13)과 같은 의료 기구를, 진단 및/또는 치료 도구를 전달할 천연 구멍 액세스 포인트(natural orifice access point)(즉, 본 예의 테이블 상에 배치되는 환자의 입)로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 카트(11)는 액세스 포인트에 대한 액세스를 제공하기 위해 환자의 상반신(upper torso)에 근접하여 배치될 수도 있다. 유사하게, 로봇 암(12)은 액세스 포인트와 관련하여 기관지경을 배치하도록 작동될 수도 있다. 도 1의 배열(arrangement)은 또한, 위장(gastro-intestinal; GI) 프로시져를 위한 특수 내시경인 위내시경(gastroscope)으로 GI 프로시져를 수행할 때 활용될 수도 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시형태를 더욱 상세하게 묘사한다.

도 1을 계속 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 배치되면, 로봇 암(12)은, 로봇을 이용하여, 수동으로, 또는 이들의 조합으로, 조향 가능한 내시경(13)을 환자에게 삽입할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 조향 가능한 내시경(13)은, 내부 리더 부분(inner leader portion) 및 외부 시스 부분(outer sheath portion)과 같은 적어도 두 개의 자유 자재로 신축 가능한(telescoping) 부분을 포함할 수도 있는데, 각각의 부분은 기구 드라이버(28)의 세트와는 별개의 기구 드라이버에 커플링되고, 각각의 기구 드라이버는 개개의 로봇 암의 원위 단부에 커플링된다. 시스 부분과의 리더 부분의 동축 정렬을 용이하게 하는 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은, 하나 이상의 로봇 암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 작동시키는 것에 의해 공간적으로 재배치될 수도 있는 "가상 레일"(29)을 생성한다. 본원에서 설명되는 가상 레일은 점선을 사용하여 도면에 묘사되며, 따라서 점선은 시스템의 임의의 물리적 구조체를 묘사하는 것은 아니다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진(translation)은, 외부 시스 부분과 관련하여 내부 리더 부분을 자유 자재로 신축 가능하거나 또는 내시경(13)을 전진시키거나 또는 환자로부터 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조정, 병진, 및 선회될 수도 있다. 예를 들면, 기관지경 검사에서, 도시되는 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는, 내시경(13)에 대한 의사의 액세스를 제공하는 것과 내시경(13)을 환자의 입 안으로 굴곡시키는 것으로부터 유래하는 마찰을 최소화하는 것 사이의 타협을 나타낸다.

내시경(13)은, 목표 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 커맨드를 사용한 삽입 이후 환자의 기관 및 폐 아래로 지향될 수도 있다. 환자의 폐 네트워크를 통한 내비게이션을 향상시키고 및/또는 소망되는 목표에 도달하기 위해, 내시경(13)은, 향상된 관절 운동(articulation) 및 더 큰 굴곡 반경을 획득하도록, 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 자유 자재로 신축 가능한 방식으로(telescopically) 연장하도록 조작될 수도 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한, 리더 부분 및 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되는 것을 허용한다.

예를 들면, 내시경(13)은, 예를 들면, 환자의 폐 내의 병변 또는 결절(nodule)과 같은 목표에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수도 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 획득하기 위해 내시경의 길이를 따라 이어지는 작업 채널 아래로 배치될 수도 있다. 병리학 결과에 따라, 추가적인 생검을 위해 내시경의 작업 채널 아래에 추가적인 도구가 배치될 수도 있다. 결절이 악성인 것을 식별한 이후, 내시경(13)은 잠재적 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경적으로 전달할 수도 있다. 몇몇 경우에, 진단 및 치료 요법은 별개의 프로시져에서 전달되는 것을 필요로 할 수도 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 목표 결절의 위치를 "마킹"하기 위한 기준을 전달하기 위해 역시 사용될 수도 있다. 다른 경우에, 진단 및 치료 요법은 동일한 프로시져 동안 전달될 수도 있다.

시스템(10)은 또한, 제어, 전자장치, 유체기기(fluidics), 광학기기, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 카트(11)에 제공하기 위해 지지 케이블을 통해 카트(11)에 연결될 수도 있는 이동 가능한 타워(30)를 포함할 수도 있다. 그러한 기능성(functionality)을 타워(30)에 배치하는 것은, 수술 의사 및/또는 그의/그녀의 직원에 의해 더욱 쉽게 조정 및/또는 재배치될 수도 있는 더 작은 폼팩터 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지지 타워(30) 사이의 기능성의 분할은, 수술실 혼란을 감소시키고 임상 워크플로 향상을 용이하게 한다. 카트(11)가 환자에 근접하게 배치될 수도 있지만, 타워(30)는 프로시져 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 수납될 수도 있다.

상기에서 설명되는 로봇 시스템의 지원에서, 타워(30)는, 예를 들면, 영구적 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 등등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터 기반의 제어 시스템의 컴포넌트(들)를 포함할 수도 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 발생하는지 또는 카트(11)에서 발생하는지에 관계 없이, 그 전체 시스템 또는 그 서브시스템(들)을 제어할 수도 있다. 예를 들면, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 컴포넌트로 하여금, 관련 캐리지(carriage) 및 암 마운트를 작동하게 하고, 로봇 암을 작동하게 하고, 의료 기구를 제어하게 할 수도 있다. 예를 들면, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 암의 관절(joint)에 있는 모터는 암을 소정의 자세로 배치할 수도 있다.

타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 배치될 수도 있는 시스템에 제어된 관주(irrigation) 및 흡인(aspiration) 성능을 제공하기 위해, 펌프, 유량계(flow meter), 밸브 제어, 및/또는 유체 액세스를 포함할 수도 있다. 이들 컴포넌트는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 관주 및 흡인 성능은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접적으로 전달될 수도 있다.

타워(30)는 필터링되고 보호된 전력을 카트(11)에 제공하도록 설계되는 전압 및 서지 보호기를 포함할 수도 있고, 그에 의해, 카트(11)에서의 전력 변압기 및 다른 보조 전력 컴포넌트의 배치를 방지할 수도 있고, 그 결과, 더 작고 더욱 가동성의(moveable) 카트(11)로 나타날 수도 있다.

타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 배치되는 센서에 대한 지지 기기(support equipment)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 타워(30)는, 로봇 시스템(10) 도처의 광학 센서 또는 카메라로부터 수신되는 데이터를 검출, 수신 및 프로세싱하기 위한 광전자 기기(opto-electronics equipment)를 포함할 수도 있다. 제어 시스템과의 조합에서, 그러한 광전자 기기는, 타워(30)를 비롯한, 시스템 도처에 배치되는 임의의 수의 콘솔에서의 디스플레이를 위한 실시간 이미지를 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 배치된 전자기(EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신 및 프로세싱하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수도 있다. 타워(30)는 또한, 의료 기구 내의 또는 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 생성기를 수용 및 배치하기 위해 사용될 수도 있다.

타워(30)는 또한, 시스템의 나머지 부분에서 이용 가능한 다른 콘솔, 예를 들면, 카트 상부 상에 장착되는 콘솔 외에, 콘솔(31)을 포함할 수도 있다. 콘솔(31)은 의사 오퍼레이터에 대한 유저 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수도 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로, 로봇 제어뿐만 아니라 내시경(13)의 내비게이션 및 위치 정보와 같은, 프로시져의 수술 전(pre-operative) 및 실시간 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용 가능한 유일한 콘솔이 아닌 경우, 그것은, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 동작을 모니터링하기 위해, 뿐만 아니라, 프로시져 고유의 데이터, 예컨대 내비게이션 및 위치 측정 정보를 제공하기 위해, 간호사와 같은 제2 오퍼레이터에 의해 사용될 수도 있다.

타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 커플링될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 타워(30)로부터의 지지 기능성은 단일의 케이블을 통해 카트(11)에 제공될 수도 있어서, 수술실을 단순화할 수도 있고 혼란을 제거할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 특정한 기능성은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부에 커플링될 수도 있다. 예를 들면, 전력이 단일의 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수도 있지만, 제어, 광학기기, 유체공학, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수도 있다.

도 2는 도 1에서 도시되는 카트 기반의 로봇 대응 시스템으로부터의 카트의 한 실시형태의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 가늘고 긴 지지 구조체(14)(종종 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 베이스(15), 및 칼럼(14)의 상단에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 암(12)(도 2에서는 세 개가 도시됨)의 배치를 지원하기 위한 캐리지(17)(또는 대안적으로 "암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수도 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 나은 위치 결정을 위해 로봇 암(12)의 베이스를 조정하기 위한 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성 가능한 암 마운트를 포함할 수도 있다. 캐리지(17)는 또한, 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하는 것을 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.

캐리지 인터페이스(19)는, 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 대향하는 면(side)에 배치되는, 슬롯(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 카트 베이스(15)와 관련하여 다양한 수직 높이에 캐리지를 배치 및 유지하기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은, 카트(11)가 다양한 테이블 높이, 환자 사이즈, 및 의사 선호도를 충족하도록 로봇 암(12)의 도달 거리(reach)를 조정하는 것을 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상에 개별적으로 구성 가능한 암 마운트는, 로봇 암(12)의 로봇 암 베이스(21)가 다양한 구성으로 기울어지는 것을 허용한다.

몇몇 실시형태에서, 슬롯(20)은, 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 칼럼(14)의 내부 챔버 및 수직 병진 인터페이스로의 오물 및 유체 유입을 방지하기 위해, 슬롯 표면과 같은 높이이며(flush) 평행한 슬롯 커버로 보충될 수도 있다. 슬롯 커버는, 슬롯(20)의 수직 상부 및 하부 근처에 배치되는 스프링 스풀의 쌍을 통해 배치될 수도 있다. 캐리지(17)가 수직 상하로 병진됨에 따라, 커버는, 그들의 감겨진 상태로부터 연장(extend) 및 후퇴되도록 배치될 때까지, 스풀 내에 감겨 있다. 스풀의 스프링 부하는, 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진하는 경우 커버를 스풀 안으로 후퇴시키는 힘을 제공하며, 한편 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진하는 경우 기밀(tight seal)을 또한 유지한다. 캐리지(17)가 병진될 때 커버의 적절한 연신 및 후퇴를 보장하기 위해, 커버는, 예를 들면, 캐리지 인터페이스(19)의 브래킷을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수도 있다.

칼럼(14)은, 유저 입력, 예를 들면, 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성되는 제어 신호에 응답하여 캐리지(17)를 기계화된 방식으로 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류를 사용하도록 설계되는 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 내부적으로 포함할 수도 있다.

로봇 암(12)은, 일반적으로, 일련의 관절(24)에 의해 연결되는 일련의 연결부(23)에 의해 분리되는 로봇 암 베이스(21) 및 엔드 이펙터(22)를 포함할 수도 있는데, 각각의 관절은 독립적인 액추에이터를 포함하며, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어 가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어 가능한 관절은 로봇 암이 이용 가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 암(12)의 각각은 일곱 개의 관절을 가지며, 따라서, 7 자유도를 제공한다. 다수의 관절은, "중복(redundant)" 자유도를 허용하는 다수의 자유도로 나타난다. 중복 자유도는 로봇 암(12)이 상이한 연결 위치 및 관절 각도를 사용하여 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 공간에서 특정한 위치, 방위 및 궤도에 배치하는 것을 허용한다. 이것은 의사가, 암 충돌을 방지하면서, 더 큰 액세스를 만들도록 의사가 암 관절을 환자로부터 먼 임상적으로 유리한 위치로 이동시키는 것을 허용하면서, 시스템이 의료 기구를 공간 내의 소망되는 포인트로부터 배치 및 지향시키는 것을 허용한다.

카트 베이스(15)는 플로어 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 암(12)의 중량의 균형을 맞춘다. 따라서, 카트 베이스(15)는, 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 컴포넌트뿐만 아니라, 움직임을 가능하게 하는 및/또는 카트를 고정시키는 컴포넌트를 수용한다. 예를 들면, 카트 베이스(15)는, 카트가 프로시져 이전에 방 주위를 쉽게 이동하는 것을 허용하는 구를 수 있는 휠형 캐스터(rollable wheel-shaped caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 이후, 캐스터(25)는 휠락(lock lock)을 사용하여 고정되어 카트(11)를 프로시져 동안 제자리에 유지할 수도 있다.

칼럼(14)의 수직 단부에 배치되는 콘솔(16)은 유저 입력을 수신하기 위한 유저 인터페이스 및 의사 유저에게 수술 전 및 수술 중 데이터 둘 모두를 제공하기 위한 디스플레이 스크린(또는, 예를 들면, 터치스크린(26)과 같은 이중 목적 디바이스) 둘 모두를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술 전 데이터는, 수술 전 계획, 수술 전 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔으로부터 유도되는 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술 전 환자 인터뷰로부터의 메모(note)를 포함할 수도 있다. 디스플레이 상의 수술 중 데이터는, 도구, 센서 및 센서로부터의 좌표 정보로부터 제공되는 광학적 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 중요한 환자 통계치를 포함할 수도 있다. 콘솔(16)은, 의사가 칼럼(14)의 캐리지(17) 반대 측에서부터 콘솔에 액세스하는 것을 허용하도록 배치되고 기울어질 수도 있다. 이 위치로부터, 의사는 카트(11) 후방에서 콘솔(16)을 동작시키면서 콘솔(16), 로봇 암(12), 및 환자를 볼 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)의 방향 조종 및 안정화를 돕는 핸들(27)을 포함한다.

도 3은 요관경 검사를 위해 배열되는 로봇 대응 시스템(10)의 한 실시형태를 예시한다. 요관경 검사 프로시져에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 순회하도록 설계되는 프로시져 고유의 내시경인 요관경(ureteroscope)(32)을 환자의 하부 복부 영역으로 전달하도록 배치될 수도 있다. 요관경 검사에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접적으로 정렬되어 그 영역에서 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰 및 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수도 있다. 도시되는 바와 같이, 카트(11)는, 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 액세스를 위해 로봇 암(12)이 요관경(32)을 배치하는 것을 허용하도록 테이블의 발에 정렬될 수도 있다. 테이블의 발로부터, 로봇 암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부(lower abdomen) 안으로 바로 삽입할 수도 있다.

요도에 삽입한 이후, 기관지경 검사에서와 유사한 제어 기술을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 적용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 안으로 내비게이팅할 수도 있다. 예를 들면, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널 아래에 배치되는 레이저 또는 초음파 쇄석술(lithotripsy) 디바이스를 사용하여 축적된 신장 결석을 파괴하도록 요관 및 신장 안으로 지향될 수도 있다. 쇄석술이 완료된 이후, 결과적으로 나타나는 결석 조각은 요관경(32) 아래에 배치되는 바스켓을 사용하여 제거될 수도 있다.

도 4는 관 프로시져를 위해 유사하게 배열되는 로봇 대응 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 관 프로시져에서, 시스템(10)은, 카트(11)가 조향 가능한 카테터와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리의 대퇴 동맥의 액세스 포인트로 전달할 수도 있도록 구성될 수도 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장까지 상대적으로 덜 우회하고 덜 구불구불한 경로 둘 모두를 제공하는데, 이것은 내비게이션을 단순화시킨다. 요관경 검사 프로시져에서와 같이, 카트(11)는, 로봇 암(12)이 환자의 허벅지/고관절(hip) 영역에서 대퇴부 동맥 액세스 포인트에 대한 직접적인 선형 액세스를 갖는 가상 레일(35)을 제공하는 것을 허용하도록, 환자의 다리 및 하복부를 향해 배치될 수도 있다. 동맥 안으로의 삽입 이후, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시키는 것에 의해 지향 및 삽입될 수도 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들면, 어깨 및 손목 근처의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 관 액세스 포인트에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 배치될 수도 있다.

B. 로봇 시스템 - 테이블.

로봇 대응 의료 시스템의 실시형태는 또한 환자의 테이블을 통합할 수도 있다. 테이블의 통합은, 카트를 제거하는 것에 의해 수술실 내에서의 자본 설비(capital equipment)의 양을 감소시키는데, 이것은 환자에 대한 더 많은 액세스를 허용한다. 도 5는 기관지경 검사 프로시져를 위해 배열되는 그러한 로봇 대응 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 시스템(36)은 플로어 위에 플랫폼(38)("테이블" 또는 "베드"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조체 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트 기반의 시스템에서와 마찬가지로, 시스템(36)의 로봇 암(39)의 엔드 이펙터는, 기구 드라이버(42)의 선형적인 정렬로부터 형성되는 가상 레일(41)을 통해 또는 가상 레일(41)을 따라, 도 5에서의 기관지경(40)과 같은 가늘고 긴 의료 기구를 조작하도록 설계되는 기구 드라이버(42)를 포함한다. 실제로, 형광 투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C 암(C-arm)은 방출기 및 검출기를 테이블(38) 주위에 배치하는 것에 의해 환자의 상복부 영역 위에 배치될 수도 있다.

도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 뷰를 제공한다. 도시되는 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36)에서 링 형상으로 도시되는 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수도 있는데, 그로부터 하나 이상의 로봇 암(39)이 기초할 수도 있다. 캐리지(43)는 로봇 암(39)이 환자에게 도달하도록 배치될 수도 있는 상이한 유리한 포인트를 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 이어지는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진될 수도 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 암(39)이, 예를 들면, 환자의 양측과 같은, 테이블(38)의 다수의 측에 액세스하는 것을 허용하도록 칼럼(37) 내에 배치되는 기계적 모터를 사용하여 칼럼(37) 주위에서 회전할 수도 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시형태에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 배치될 수도 있고 다른 캐리지와는 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수도 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러쌀 필요가 없거나 또는 심지어 원형일 필요가 없지만, 도시되는 바와 같은 링 형상은 구조적 균형을 유지하면서 칼럼(37) 주위에서의 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은, 시스템이, 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자의 상이한 액세스 포인트에 정렬하는 것을 허용한다.

암(39)은, 로봇 암(39)에 추가적인 구성 가능성을 제공하기 위해 개별적으로 회전할 수도 있는 및/또는 자유 자재로 신축 가능한 방식으로 연장될 수도 있는 일련의 관절을 포함하는 암 마운트(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수도 있다. 추가적으로, 암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 암 마운트(45)가 (도 6에서 도시되는 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 쪽, (도 9에서 도시되는 바와 같이) 테이블(38)의 반대 쪽, 또는 테이블(38)의 인접한 쪽(도시되지 않음) 중 어느 하나 상에 배치될 수도 있도록, 캐리지(43) 상에 배치될 수도 있다.

칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지(43)의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 갖출 수도 있다. 칼럼(37)은 또한, 전력 및 제어 신호를 캐리지(43) 및 그 상에 장착되는 로봇 암(39)에 전달할 수도 있다.

테이블 베이스(46)는, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 암(39)의 균형을 맞추기 위해 더 무거운 컴포넌트를 수용하면서, 도 2에서 도시되는 카트(11)의 카트 베이스(15)와 유사한 기능에 이바지한다. 테이블 베이스(46)는 또한 프로시져 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수도 있다. 테이블 베이스(46)의 저부로부터 배치되는 캐스터는 베이스(46)의 양 측에서 반대 방향으로 연장되고 시스템(36)이 이동될 필요가 있는 경우 후퇴될 수도 있다.

도 6을 계속하면, 시스템(36)은 또한, 폼팩터 및 테이블의 벌크를 감소시키기 위해 테이블과 타워 사이에서 시스템(36)의 기능성을 분할하는 타워(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 앞서 개시된 실시형태에서와 같이, 타워는, 프로세싱, 컴퓨팅, 및 제어 성능, 전력, 유체공학, 및/또는 광학 및 센서 프로세싱과 같은 다양한 지원 기능성을 테이블에 제공할 수도 있다. 의사의 액세스를 향상시키고 수술실의 혼란을 제거하기 위해, 타워는 또한 환자로부터 멀어지게 배치되도록 이동 가능할 수도 있다. 추가적으로, 타워에 컴포넌트를 배치하는 것은, 로봇 암의 잠재적인 수용(stowage)을 위한 테이블 베이스에 더 많은 저장 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트와 같은 유저 입력을 위한 유저 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술 전 및 수술 중 정보에 대한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 콘솔을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 테이블 베이스는 미사용시 로봇 암을 수용 및 저장할 수도 있다. 도 7은 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태에서 로봇 암을 수용하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 암(50), 암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 베이스(49) 내에 수용하기 위해 베이스(49)로 수직으로 병진될 수도 있다. 베이스 커버(52)는, 칼럼(53) 주위에 캐리지(48), 암 마운트(51), 및 암(50)을 배치하기 위해 병진 및 후퇴 개방될 수도 있고, 미사용시 그들을 수용하여 보호하기 위해 폐쇄될 수도 있다. 베이스 커버(52)는 폐쇄시 오물 및 유체 유입을 방지하기 위해 그 개구의 에지를 따라 멤브레인(54)으로 밀봉될 수도 있다.

도 8은 요관경 검사 프로시져를 위해 구성되는 로봇 대응 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 요관경 검사에서, 테이블(38)은 칼럼(37) 및 테이블 베이스(46)로부터 환자를 비스듬히 배치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수도 있다. 스위블 부분(55)은, 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀어지게 배치하기 위해, 선회 포인트(예를 들면, 환자의 머리 아래에 위치됨)를 중심으로 회전 또는 선회될 수도 있다. 예를 들면, 스위블 부분(55)의 선회는, C 암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경쟁하지 않으면서 환자의 하복부 위에 배치되는 것을 허용한다. 칼럼(37) 주위에서 캐리지(35)(도시되지 않음)를 회전시키는 것에 의해, 로봇 암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 요도에 도달하기 위한 환자의 성기(groin) 영역 안으로 직접적으로 삽입할 수도 있다. 요관경 검사에서, 등자(stirrup)(58)는 또한 프로시져 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 성기 영역에 대한 명확한 액세스를 허용하기 위해 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정될 수도 있다.

복강경 검사 프로시져에서, 환자의 복벽의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구(하나 이상의 절개부의 사이즈를 조절하기 위해 형상이 가늘고 김)가 환자의 해부학적 구조 안으로 삽입될 수도 있다. 환자의 복강(abdominal cavity)의 팽창 이후, 종종 복강경으로 지칭되는 기구는, 파지, 절단, 절제, 봉합, 등등과 같은 수술 작업을 수행하도록 지시받을 수도 있다. 도 9는 복강경 검사 프로시져를 위해 구성되는 로봇 대응 테이블 기반의 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 도 9에서 도시되는 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 암(39)의 쌍을 테이블(38)의 반대 측에 배치하도록 회전 및 수직으로 조정될 수도 있고, 그 결과, 복강경(59)은 환자의 양 측 상의 최소 절개부를 통해 통과되어 그의/그녀의 복강에 도달하도록 암 마운트(45)를 사용하여 배치될 수도 있다.

복강경 검사 프로시져를 조절하기 위해, 로봇 대응 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 소망되는 각도로 기울일 수도 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 로봇 대응 의료 시스템의 한 실시형태를 예시한다. 도 10에서 도시되는 바와 같이, 시스템(36)은 테이블의 한 부분을 다른 것보다 플로어로부터 더 먼 거리에 배치하기 위해 테이블(38)의 경사를 조절할 수도 있다. 추가적으로, 암 마운트(45)는, 암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지하도록 경사와 매치하도록 회전될 수도 있다. 더 가파른 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 테이블(38)이 플로어에 닿거나 또는 베이스(46)와 충돌하는 것을 방지하도록 칼럼(37)의 수직 연장을 허용하는 자유 자재로 신축 가능한 부분(60)을 포함할 수도 있다.

도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다수의 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수도 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서 직교 축(1, 2)의 위치 결정에 의해 가능하게 될 수도 있는데, 각각의 축은 전기 피치 각도 커맨드에 응답하여 별개의 모터(2, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서 기울기 조정을 가능하게 할 것이고, 한편, 다른 스크류(6)를 따른 회전은 다른 축(2)를 따른 기울기 조정을 가능하게 할 것이다.

예를 들면, 피치 조정은, 테이블을 Trendelenburg(트렌델버그) 위치에 배치하려고 하는 경우, 즉, 하복부 수술을 위해, 플로어로부터 환자의 하복부보다 더 높은 위치에 환자의 하복부를 배치하려고 하는 경우 특히 유용하다. 트렌델버그 위치는 환자의 내부 장기로 하여금 중력을 통해 그의/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습적 도구가 진입하여 복강경 전립선 절제술(laparoscopic prostatectomy)과 같은 하복부 수술 프로시져를 수행하도록 복강을 비운다.

C. 기구 드라이버 및 인터페이스.

시스템의 로봇 암의 엔드 이펙터는, (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기 기계적 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 디바이스 조작기"로 칭해짐) 및 (ii) 모터와 같은 어떠한 전기 기계 컴포넌트도 없을 수도 있는 제거 가능한 또는 탈거 가능한 의료 기구를 포함한다. 이 이분법은 의료 프로시져에서 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 고가의 자본 설비를 그들의 복잡한 기계 어셈블리 및 민감한 전자장치에 기인하여 적절히 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수도 있다. 따라서, 의료 기구는, 의사 또는 의사의 직원에 의한 개개의 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(따라서 시스템)로부터 분리, 제거 및 교환되도록 설계될 수도 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없으며, 보호를 위해 드레이프로 덮일(draped) 수도 있다.

도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 암의 원위 단부에 배치되는 기구 드라이버(62)는, 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축과 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)을 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)은, 기구와 상호 작용하기 위한 개개의 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 소망되는 토크로 변환하기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 피드백을 제어 회로부(control circuity)에 제공하기 위한 인코더(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되면, 기구 드라이버(62)는 다수의(도 12에서 도시되는 바와 같이 네 개의) 독립적인 구동 출력부(drive output)를 의료 기구에 제공할 수도 있다. 동작에서, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신하고, 모터 신호를 모터(66)에 송신하고, 인코더(67)에 의해 측정되는 결과적으로 나타나는 모터 속도를 소망되는 속도와 비교하고, 소망되는 토크를 생성하도록 모터 신호를 변조한다.

멸균 환경을 필요로 하는 프로시져를 위해, 로봇 시스템은, 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 위치되는 구동 인터페이스, 예컨대 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결되는 멸균 어댑터를 통합할 수도 있다. 멸균 어댑터의 주요 목적은, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이에서 물리적 분리, 따라서 멸균성을 유지하면서, 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각운동(angular motion)을 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는, 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구의 구동 입력부와 결합되도록 의도되는 일련의 회전 입력 및 출력을 포함할 수도 있다. 멸균 어댑터에 연결되며 투명 또는 반투명 플라스틱과 같이 얇은 가요성 재료로 구성되는 멸균 드레이프는, 기구 드라이버, 로봇 암, 및 (카트 기반의 시스템에서의) 카트 또는 (테이블 기반의 시스템에서의) 테이블과 같은 자본 설비를 커버하도록 설계된다. 드레이프의 사용은, 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비멸균 현장)에 여전히 위치되는 동안 자본 설비가 환자에게 근접하게 배치되는 것을 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 면 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 현장)에서 환자와 인터페이싱할 수도 있다.

D. 의료 기구.

도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계되는 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 연장 샤프트(71)(또는 가늘고 긴 본체) 및 기구 베이스(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동의 상호 작용을 위한 그것의 의도된 설계에 기인하여 "기구 핸들"로 또한 지칭되는 기구 베이스(72)는, 로봇 암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 결합되도록 설계되는 회전 가능한 구동 입력부(73), 예를 들면, 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 일반적으로 포함할 수도 있다. 물리적으로 연결되고, 래치되고, 및/또는 커플링되는 경우, 기구 베이스(72)의 결합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로 토크의 전달을 허용할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 결합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수도 있다.

가늘고 긴 샤프트(71)는, 예를 들면, 내시경 검사에서와 같이, 해부학적 개구 또는 관강 중 어느 하나, 또는, 예를 들면, 복강경 검사에서와 같이 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 가늘고 긴 샤프트(66)는 가요성(예를 들면, 내시경과 유사한 속성(property)을 가짐) 또는 강성(예를 들면, 복강경과 유사한 속성을 가짐) 중 어느 하나일 수도 있거나 또는 가요성 부분과 강성 부분 둘 모두의 커스터마이징된 조합을 포함할 수도 있다. 복강경 검사를 위해 설계되는 경우, 강성의 가늘고 긴 샤프트의 원위 단부는, 회전 축을 갖는 클레비스로부터 형성되는 관절식 손목(jointed wrist) 및 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 응답하여 구동 입력부가 회전함에 따라 힘줄로부터의 힘에 기초하여 작동될 수도 있는, 예를 들면, 그라스퍼(grasper) 또는 가위와 같은 수술 도구를 포함하는 엔드 이펙터에 연결될 수도 있다. 내시경 검사를 위해 설계되는 경우, 가요성의 가늘고 긴 샤프트의 원위 단부는, 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 기초하여 굴곡될 수도 있고 관절 운동할 수도 있는 조향 가능한 또는 제어 가능한 굴곡 섹션(bending section)을 포함할 수도 있다.

기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71) 내의 힘줄을 사용하여 가늘고 긴 샤프트(71) 아래로 전달된다. 견인 와이어와 같은 이들 개개의 힘줄은, 기구 핸들(72) 내의 개개의 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수도 있다. 핸들(72)로부터, 힘줄은 가늘고 긴 샤프트(71) 내의 하나 이상의 견인 관강(pull lumen) 아래로 향하고 가늘고 긴 샤프트(71)의 원위 부분에 고정된다. 복강경 검사에서, 이들 힘줄은 손목, 그라스퍼 또는 가위와 같은 원위에 장착되는 엔드 이펙터에 커플링될 수도 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄에 장력을 전달할 것이고, 그에 의해, 엔드 이펙터로 하여금 어떤 방식으로 작동하게 할 것이다. 복강경 검사에서, 힘줄은 관절로 하여금 축 주위로 회전하게 할 수도 있고, 그에 의해, 엔드 이펙터로 하여금 하나의 방향 또는 다른 방향으로 움직이게 할 수도 있다. 대안적으로, 힘줄은 가늘고 긴 샤프트(71)의 원위 단부에 그라스퍼의 하나 이상의 조(jaw)에 연결될 수도 있는데, 여기서 힘줄로부터의 장력은 그라스퍼를 닫히게 한다.

내시경 검사에서, 힘줄은, 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정부를 통해 (예를 들면, 원위 단부에서) 연장 샤프트(71)를 따라 배치되는 굴곡 또는 관절 운동 섹션에 커플링될 수도 있다. 굴곡 섹션의 원위 단부에 고정되어 부착되는 경우, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄 아래로 전달되어, 더 부드러운 굴곡 섹션(때때로 관절 섹션 또는 영역으로 지칭됨)으로 하여금 굴곡되거나 또는 관절 운동하게 한다. 비 굴곡 섹션을 따라서는, 견인 와이어에서의 장력으로부터 유래하는 방사상 힘의 균형을 맞추기 위해, 개개의 힘줄을 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 내부에서) 안내하여 개개의 견인 관강을 나선형으로 나아가게 하는 또는 나선 모양으로 나아가게 하는 것이 유리할 수도 있다. 그들 사이의 간격 및/또는 나선형 형상(spiraling)의 각도는 특정한 목적을 위해 수정 또는 설계될 수도 있는데, 더 조밀한 나선형 형상은 부하 힘(load force) 하에서 더 적은 샤프트 압축을 나타내고, 한편 더 적은 양의 나선형 형상은 부하 힘 하에서 더 큰 샤프트 압축을 나타내지만, 제한된 굴곡을 또한 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부에서, 소망되는 굴곡 또는 관절 운동 가능한 섹션에서 제어된 관절 운동을 허용하기 위해, 견인 관강은 가늘고 긴 샤프트(71)의 길이 방향 축에 평행하게 지향될 수도 있다.

내시경 검사에서, 가늘고 긴 샤프트(71)는 로봇 프로시져를 지원하기 위한 다수의 컴포넌트를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구, 관주, 및/또는 흡인을 배치하기 위한 작업 채널을 포함할 수도 있다. 샤프트(71)는 또한, 원위 팁에서 광학 어셈블리로/로부터의 신호를 전달하기 위해 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수도 있는데, 원위 팁은 광학 카메라를 포함할 수도 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근접하게 위치된 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위해 광섬유를 수용할 수도 있다.

기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한 진단 및/또는 치료, 관주 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수도 있다. 원위 팁은 또한 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡쳐하기 위해, 파이버 스코프 또는 디지털 카메라와 같은 카메라용 포트를 포함할 수도 있다. 관련하여, 원위 팁은 또한 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원용 포트를 포함할 수도 있다.

도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 따라서, 구동 입력부 축은 가늘고 긴 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이 배열은, 가늘고 긴 샤프트(71)에 대한 롤 성능을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지하면서 가늘고 긴 샤프트(71)를 그 축을 따라 롤링하는 것은, 힘줄이 구동 입력부(73)로부터 연장되어 연장 샤프트(71) 내에서 견인 관강에 진입함에 따라 힘줄의 바람직하지 않은 엉킴으로 나타난다. 그러한 힘줄의 결과적으로 나타나는 엉킴은 내시경 검사 프로시져 동안 가요성의 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 예측하도록 의도되는 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수도 있다.

도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 가늘고 긴 샤프트의 축에 평행한 기구 및 기구 드라이버에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시되는 바와 같이, 원형의 기구 드라이버(80)는 로봇 암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 그들의 구동 출력부(81)를 갖는 네 개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛 및 그들의 각각의 구동 출력부(81)는, 어셈블리(83) 내의 구동 유닛 중 하나에 의해 구동되는 기구 드라이버(80)의 회전 어셈블리(83)에 수용된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 어셈블리(83)는, 회전 어셈블리(83)를 기구 드라이버의 비 회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호는, 브러시형 슬립 링 연결(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의한 회전을 통해 유지될 수도 있는 전기 접촉을 통해 기구 드라이버(80)의 비 회전 부분(84)으로부터 회전 어셈블리(83)로 전달될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 회전 어셈블리(83)는, 회전 불가능 부분(84)에 통합되는, 따라서 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수도 있다. 회전 메커니즘(83)은, 기구 드라이버(80)가, 기구 드라이버 축(85) 주위의 단일의 유닛으로서, 구동 유닛 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 회전시키는 것을 허용한다.

앞서 개시된 실시형태와 같이, 기구(86)는 가늘고 긴 샤프트 부분(88) 및 기구 드라이버(80)에서 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 복수의 구동 입력부(89)(예컨대, 리셉터클, 풀리, 및 스풀)를 포함하는 (논의 목적을 위해 투명한 외부 스킨을 가지고 도시되는) 기구 베이스(87)를 포함할 수도 있다. 앞서 개시된 실시형태와는 달리, 기구 샤프트(88)는, 도 13의 설계에서와 같이 직교하는 대신, 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 축을 갖는 기구 베이스(87)의 중심으로부터 연장된다.

기구 드라이버(80)의 회전 어셈블리(83)에 커플링될 때, 기구 베이스(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전 어셈블리(83)와 결합되어 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 베이스(87)의 중심에 배치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착시 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 어셈블리(83)의 회전은 기구 샤프트(88)로 하여금 그 자신의 길이 방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 또한, 기구 베이스(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 베이스(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결되는 어떠한 힘줄도 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은, 어떠한 제어 힘줄도 엉키게 하지 않으면서 샤프트 회전을 허용한다.

E. 내비게이션 및 제어.

전통적인 내시경 검사는, 관내 안내(endoluminal guidance)를 오퍼레이터 의사에게 제공하기 위해, (예를 들면, C 암을 통해 전달될 수도 있는 바와 같은) 형광 투시법(fluoroscopy) 및 다른 형태의 방사선 기반의 이미징 모달리티의 사용을 수반할 수도 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 기기의 양을 감소시키기 위해 비 방사선 기반의 내비게이션 및 위치 측정 수단을 제공할 수 있다. 본원에서 사용될 때, 용어 "위치 측정(localization)"은 기준 좌표 시스템에서 오브젝트의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수도 있다. 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해, 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 커맨드 데이터와 같은 기술이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다. 방사선 기반의 이미징 모달리티가 여전히 사용되는 다른 경우에서, 전적으로 방사선 기반의 이미징 모달리티를 통해 획득되는 정보를 향상시키기 위해, 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 커맨드 데이터는 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다.

도 15는, 예시적인 실시형태에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 엘리먼트의 위치를 추정하는 위치 측정 시스템(90)을 예시하는 블록도이다. 위치 측정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 디바이스의 세트일 수도 있다. 컴퓨터 디바이스는, 상기에서 논의되는 하나 이상의 컴포넌트에서 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터 판독 가능 메모리에 의해 구현될 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 디바이스는 도 1에서 도시되는 타워(30), 도 1 내지 도 4에서 도시되는 카트, 도 5 내지 도 10에서 도시되는 베드, 등등에 있을 수도 있다.

도 15에서 도시되는 바와 같이, 위치 측정 시스템(90)은, 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하기 위해 입력 데이터(91 내지 94)를 프로세싱하는 위치 측정 모듈(95)을 포함할 수도 있다. 위치 데이터(96)는 기준의 프레임에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 방위를 나타내는 데이터 또는 로직일 수도 있다. 기준의 프레임은 환자의 해부학적 구조에 대한 또는 EM 필드 생성기와 같은 공지된 오브젝트에 대한 기준의 프레임일 수 있다(EM 필드 생성기에 대해서는 하기의 논의 참조).

이제, 다양한 입력 데이터(91-94)가 더욱 상세하게 설명된다. 저선량(low dose) CT 스캔의 집합(collection)의 사용을 통해 수술 전 매핑이 달성될 수도 있다. 수술 전 CT 스캔은 이차원 이미지를 생성하는데, 각각은 환자의 내부 해부학적 구조의 파단도(cutaway view)의 "슬라이스"를 나타낸다. 집합적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의, 해부학적 강(cavity), 공간 및 구조에 대한 이미지 기반의 모델이 생성될 수도 있다. 중심 라인 지오메트리와 같은 기술은 CT 이미지로부터 결정 및 근사화되어, 수술 전 모델 데이터(91)로 지칭되는 환자의 해부학적 구조의 삼차원 볼륨을 발생시킬 수도 있다. 중심 라인 지오메트리의 사용은 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의되는데, 이 특허 출원의 내용은 그 전체가 본원에 통합된다. 네트워크 토폴로지 모델은 또한 CT 이미지로부터 유도될 수도 있으며, 특히 기관지경 검사에 적합하다.

몇몇 실시형태에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 갖출 수도 있다. 위치 측정 모듈(95)은 하나 이상의 비전 기반의 위치 추적을 가능하게 하기 위해 비전 데이터를 프로세싱할 수도 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터는 의료 기구(예를 들면, 내시경 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진)의 컴퓨터 비전 기반의 추적을 가능하게 하기 위해 비전 데이터(92)와 연계하여 사용될 수도 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 이동의 예상 경로에 기초하여 모델로부터 예상된 내시경 검사 이미지의 라이브러리를 생성할 수도 있는데, 각각의 이미지는 모델 내의 위치에 링크된다. 수술 중에, 카메라(예를 들면, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡쳐되는 실시간 이미지를 이미지 라이브러리에 있는 것들에 비교하여 위치 측정을 지원하기 위해, 이 라이브러리는 로봇 시스템에 의해 참조될 수도 있다.

다른 컴퓨터 비전 기반의 추적 기술은 피쳐 추적을 사용하여 카메라의, 따라서 내시경의 모션을 결정한다. 위치 측정 모듈(95)의 몇몇 피쳐는, 수술 전 모델 데이터(91)에서 해부학적 관강에 대응하는 원형의 기하학적 형상을 식별할 수도 있고 그들 기하학적 형상의 변화를 추적하여 어떤 해부학적 관강이 선택되었는지 뿐만 아니라, 카메라의 상대적 회전 및/또는 병진 모션을 결정할 수도 있다. 토폴로지 맵의 사용은, 비전 기반의 알고리즘 또는 기술을 더욱 향상시킬 수도 있다.

다른 컴퓨터 비전 기반의 기술인 광학적 흐름(optical flow)은, 카메라 움직임을 유추하기 위해 비전 데이터(92)의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석할 수도 있다. 다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라의(따라서 내시경의) 움직임 및 위치가 결정될 수도 있다.

위치 측정 모듈(95)은, 수술 전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 위치 맞춤될 수도 있는 글로벌 좌표 시스템에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수도 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예를 들면, 내시경 검사 도구)에서 하나 이상의 위치 및 방위에 매립되는 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 EM 센서(또는 추적기)는, 공지된 위치에 배치되는 하나 이상의 정적 EM 필드 생성기에 의해 생성되는 EM 필드에서의 변동을 측정한다. EM 센서에 의해 검출되는 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 생성기(또는 송신기)는, 매립된 센서가 검출할 수도 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수도 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에서 작은 전류를 유도하는데, 이것은 분석되어 EM 센서와 EM 필드 생성기 사이의 거리 및 각도를 결정할 수도 있다. 이들 거리 및 방위는, 좌표 시스템에서의 단일의 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델에서의 위치에 정렬하는 기학학적 변환을 결정하기 위해 환자 해부학적 구조(예를 들면, 수술전 모델)에 수술 중에 "위치 맞춤될" 수도 있다. 일단 위치 맞춤되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예를 들면, 내시경의 원위 팁)에 있는 매립된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수도 있다.

로봇 커맨드 및 운동학 데이터(94)는 로봇 시스템에 대한 위치 측정 데이터(96)를 제공하기 위해 위치 측정 모듈(95)에 의해 또한 사용될 수도 있다. 관절 운동 커맨드로부터 유래하는 디바이스 피치(pitch) 및 요(yaw)는 수술 전 캘리브레이션 동안 결정될 수도 있다. 수술 중에, 이들 캘리브레이션 측정은 기구의 위치를 추정하기 위해 공지된 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용될 수도 있다. 대안적으로, 이들 계산은 네트워크 내에서의 의료 기구의 위치를 추정하기 위해 EM, 비전, 및/또는 토폴로지 모델링과 조합하여 분석될 수도 있다.

도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치 측정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들면, 비록 도 15에서 도시되지는 않지만, 형상 감지 파이버를 활용하는 기구는, 위치 결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하기 위해 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.

위치 측정 모듈(95)은 입력 데이터(91-94)를 조합하여 사용할 수도 있다. 몇몇 경우에, 그러한 조합은, 위치 측정 모듈(95)이 입력 데이터(91-94)의 각각으로부터 결정되는 위치에 신뢰도 가중치를 할당하는 확률론적 접근법을 사용할 수도 있다. 따라서, (EM 간섭이 존재하는 경우에 그럴 수도 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰 가능하지 않을 수도 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정되는 위치의 신뢰도는 감소될 수 있고, 위치 측정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 커맨드 및 운동학 데이터(94)에 더 크게 의존할 수도 있다.

상기에서 논의되는 바와 같이, 본원에서 논의되는 로봇 시스템은, 상기 기술 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수도 있다. 타워, 베드, 및/또는 카트에 기반을 둔 로봇 시스템의 컴퓨터 기반의 제어 시스템은, 예를 들면, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 또는 등등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 내에, 실행시, 시스템으로 하여금, 센서 데이터 및 유저 커맨드를 수신 및 분석하게 하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하게 하고, 글로벌 좌표 시스템, 해부학적 구조 맵, 등등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치 측정 데이터를 디스플레이하게 하는 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수도 있다.

2. 의료 기구 압축 보상

본 개시의 실시형태는 의료 기구의 압축을 보상하기 위한 시스템 및 기술에 관한 것이다. 의료 기구에는 관절 운동시 압축을 겪는 가늘고 긴 샤프트를 포함할 수 있다. 본원에 설명되는 바와 같이, 의료 기구는, 이 압축을 보상하기 위해 의료 기구를 이동시키도록 구성되는 기구 위치 결정 디바이스에 부착될 수 있다. 예를 들면, 기구 위치 결정 디바이스는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트에서의 압축을 보상하기 위해 의료 기구를 전진시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 압축의 양은 하나 이상의 압축 보상 파라미터를 사용하여 결정된다. 하나 이상의 압축 보상 파라미터는 의료 기구의 캘리브레이션 동안 결정될 수 있다.

A. 의료 기구의 압축.

도 16a는 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)의 실시형태를 예시한다. 가늘고 긴 샤프트(101)는, 사용시, 환자의 신체 안으로의 삽입을 위해 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는, 예를 들면, 복강경 프로시져를 통해, 환자의 공동 안으로의 삽입을 위해 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는, 예를 들면, 내시경 프로시져를 통해, 환자의 관강(또는 관강 네트워크) 안으로의 삽입을 위해 구성된다. 도 17a의 실시형태에서 도시되는 바와 같이, 의료 기구(100)는 또한, 의료 기구(100)를 로봇 암과 같은 기구 위치 결정 디바이스(115)의 기구 드라이버(113)에 커플링하도록 구성되는 기구 베이스(111)(또는 핸들)를 포함할 수도 있다.

가늘고 긴 샤프트(101)는 관절 운동 가능할(또는 조향 가능할) 수도 있다. 즉, 오퍼레이터는 가늘고 긴 샤프트(101)의 자세, 형상, 및/또는 관절 운동을 제어할 수도 있다. 이것은, 오퍼레이터가 환자의 신체 내에서 가늘고 긴 샤프트(101)를 안내 또는 내비게이팅하는 것을 허용할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 의료 기구(100)는 상기에서 설명되는 바와 같이 로봇을 이용하여 제어 가능하다. 원격 오퍼레이터는, 가늘고 긴 샤프트(101)를 조작(예를 들면, 조향, 관절 운동, 삽입, 등등)하는 기구 위치 결정 디바이스에 제어 신호 또는 입력을 제공할 수도 있다. 가늘고 긴 샤프트(101)는 가요성 또는 굴곡 가능한 재료로 형성될 수도 있다. 예시된 실시형태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는 원위 부분(103)과 근위 부분(105) 사이에서 연장된다. 원위 부분(103)은 원위 팁(distal tip)을 포함할 수도 있다. 원위 부분(103)은 가늘고 긴 샤프트(101)의 선단(leading end)(즉, 사용시, 환자 안으로 삽입되는 단부)일 수도 있다. 근위 단부(105)는 (제거 가능하게 또는 영구적으로) 기구 베이스(111)(도 17a 참조)에 연결될 수도 있다.

의료 기구(100)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 하나 이상의 섹션을 통해 연장되는 견인 와이어(또는 힘줄(tendon))를 포함할 수 있다. 상기에서 설명되는 바와 같이, 견인 와이어는 가늘고 긴 샤프트(101)의 자세, 형상, 및/또는 관절 운동을 제어하도록 작동 가능하다. 예시된 실시형태에서, 두 개의 견인 와이어(107, 109)는 가늘고 긴 샤프트(101)를 통해 연장된다. 비록 두 개의 견인 와이어(107, 109)가 예시되지만, 의료 기구(100)는 다른 수의 견인 와이어를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 의료 기구(100)는 하나, 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 또는 그 이상의 견인 와이어를 포함할 수 있다. 예시된 실시형태에서, 견인 와이어(107, 109)는 가늘고 긴 샤프트(101)를 통해(즉, 내부에서) 연장된다. 다른 예에서, 견인 와이어(107, 109)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 외부를 따라 연장될 수도 있다. 또한, 비록 견인 와이어(107, 109)가 가늘고 긴 샤프트(101)를 통해 직선으로(즉, 선형 경로를 따라) 연장되는 것으로 예시되지만, 다른 실시형태에서, 견인 와이어(107, 109)는 하나 이상의 와선형(spiraled), 코일형(coiled), 또는 나선형(helical) 섹션을 포함할 수도 있다.

하나의 예에서, 견인 와이어(107, 109)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 단부(103)에 커플링될 수도 있다. 다른 예(도시되지 않음)에서, 견인 와이어(107, 109)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 단부(103)에 대해 근위에 위치되는 위치에 커플링될 수도 있다. 근위 단부(105)에서, 견인 와이어(107, 109)는 기구 베이스(111)(도 17a 참조) 안으로 연장될 수 있다. 기구 베이스(111) 내에서, 견인 와이어(107, 109)는, 견인 와이어(107, 109)를 작동하도록(즉, 장력을 인가하도록 또는 당기도록) 구성되는 구동 입력부(예컨대, 상기에서 설명되는 구동 입력부(81))에 커플링될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각각의 견인 와이어(107, 109)는 독립적으로 동작 가능한 구동 입력부에 커플링된다. 의료 기구(100)가 기구 위치 결정 디바이스(115)의 기구 드라이버(113)에 커플링되는 경우, 구동 입력부는 상기에서 설명되는 바와 같이 기구 위치 결정 디바이스(115) 상의 대응하는 구동 출력부와 맞물린다. 구동 출력부는 견인 와이어(107, 109)의 작동을 로봇을 이용하여 제어하도록 구동 입력부를 작동시킬 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐 논의되는 바와 같이, 가늘고 긴 샤프트(101)는, 그것이 다양한 위치, 자세, 또는 형상으로 관절 운동하거나 또는 이동될 때 압축을 겪을 수도 있다. 압축은 축 방향 압축(즉, 가늘고 긴 샤프트(101)의 길이 방향 축을 따라 측정되는 압축)일 수도 있다. 압축은 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기될 수도 있다. 다시 말하면, 가늘고 긴 샤프트(101)의 관절 운동, 자세 및/또는 형상을 제어하기 위해 견인 와이어(107, 109)의 작동(즉, 당김 또는 장력 인가)은 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축을 야기할 수도 있다.

몇몇 경우에, 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축은 바람직하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 오퍼레이터는 가늘고 긴 샤프트(101)의 관절 운동(예를 들면, 굽힘)을 지시할 수도 있다. 그러나, 지시된 관절 운동에 더하여, 가늘고 긴 샤프트(101)는 또한 압축을 겪을 수도 있고, 그 결과, 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 단부(103)의 예기치 않은 또는 소망되지 않은 위치로 나타날 수도 있다. 이것은, 의료 기구(100)를 구동(예를 들면, 안내 또는 제어)하는 동안 오퍼레이터에 대한 어려움을 야기할 수도 있다. 이것은 또한, 의료 기구(100)의 위치를 구동 및/또는 모니터링하기 위해 사용되는 로봇 내비게이션 시스템에서 부정확성을 야기할 수도 있다. 예를 들면, 로봇 내비게이션 시스템은 신체 내에서의 의료 기구(100)의 위치(예를 들면, 원위 팁 또는 부분의 위치)를 결정 또는 추정하기 위해 기구 위치 결정 디바이스(들)(115)로부터의 원격 측정 데이터를 사용할 수 있다. 가늘고 긴 본체의 압축은, 고려되지 않는 경우, 로봇 내비게이션 시스템으로 하여금 의료 기구(100)의 위치를 정확하게 결정 또는 추정하지 못하게 할 수도 있다. 예를 들면, 압축이 고려되지 않으면, 로봇 내비게이션 시스템은, 원위 팁이 실제로 그것이 삽입되는 것보다 더 많이 신체 안으로 삽입된다는 것을 결정 또는 추정할 수도 있다.

도 16a에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는 디폴트의 또는 비압축 상태로 예시되어 있다. 디폴트 상태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는 원위 단부(103)와 근위 단부(105) 사이에서 측정되는 길이(L)를 갖는다. 하기에서 논의될 바와 같이, 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축은 길이(L)를 감소시키는 것으로 나타날 수도 있다.

예시의 용이성 및 명확성을 위해, 의료 기구(100)의 다양한 다른 피쳐가 도 16a에서 생략되어 있다. 예를 들면, 의료 기구(100)는 또한, 작업 채널, 이미징 디바이스(들)(예를 들면, 하나 이상의 카메라), 공간 센서(들)(예를 들면, 위치 센서, 방위 센서), 등등을 포함할 수도 있다.

도 16b는, 견인 와이어 기반의 움직임의 예에 의해 야기되는 축 방향 압축을 겪는 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)를 묘사한다. 예시된 예에서, 힘(F)이 예시된 방향으로 견인 와이어(107)에 인가되었다. 예시되는 바와 같이, 힘(F)은, 도시되는 바와 같이, 가늘고 긴 샤프트(101)로 하여금 관절 운동하게 또는 각도(α)로 굴곡되게 하는 견인 와이어(107)의 장력 또는 변위를 야기한다. 이러한 타입의 견인 와이어 기반의 움직임은, 의료 기구(100)를 조향하기 위해 또는 방향 전환시키기 위해 오퍼레이터에 의해 사용될 수도 있다. 가늘고 긴 샤프트(101)의 각도(α)로의 관절 운동에 더하여, 견인 와이어(107)의 장력 또는 변위는 또한 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축을 야기한다. 예시된 실시형태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)은, 도시되는 바와 같이, 거리(C)를 축 방향으로 압축 또는 후퇴시켰다. 즉, 가늘고 긴 샤프트(101)의 길이(L)는, 가늘고 긴 샤프트(101)의 견인 와이어 기반의 움직임(즉, 각도(α)로의 관절 운동)에 응답하여 거리(C)만큼 감소된다. 상기에서 언급되는 바와 같이, 이것은 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)이 위치를 벗어나게 되는 것으로 나타날 수도 있다. 이 축 방향 압축은 바람직하지 않을 수도 있다.

도 16c는, 견인 와이어 기반의 움직임의 다른 예에 의해 야기되는 축 방향 압축을 겪는 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)를 묘사한다. 이 예에서, 견인 와이어(107, 109) 둘 모두는 힘(F)에 의해 동일하게 작동된다. 견인 와이어(107, 109) 둘 모두가 동일하게 작동되기 때문에, 가늘고 긴 샤프트(101)는 굴곡 없이 압축을 겪는다. 예시된 예에서, 가늘고 긴 샤프트(101)의 길이(L)는, 도시되는 바와 같이 거리(C)만큼 축 방향으로 압축된다. 이러한 타입의 견인 와이어 기반의 움직임은 가늘고 긴 샤프트(101)의 강성 또는 감도를 증가시키기 위해 오퍼레이터에 의해 사용될 수도 있다. 그러나, 몇몇 경우에, 오퍼레이터는 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)의 위치를 변경하지 않으면서 가늘고 긴 샤프트(101)의 강성 또는 감도를 증가시키기를 소망할 수도 있고, 따라서, 도 16c에서 예시되는 축 방향 압축은 바람직하지 않을 수도 있다.

하기에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 개시에 따르면, (예를 들면, 도 16b 및 16c에서 예시되는 바와 같이) 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 축 방향 압축은 보상되어, 가늘고 긴 샤프트(101)를 포함하는 의료 기구(100)의 증가된 움직임 정확도 및 향상된 구동 경험을 허용할 수 있다.

B. 압축 보상.

의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축은, 의료 기구(100)가 커플링되는 기구 위치 결정 디바이스(115)(예를 들면, 로봇 암)와 함께 의료 기구(100)를 이동(예를 들면, 전진 또는 후퇴)시키는 것에 의해 보상될 수도 있다. 예를 들면, (예를 들면, 길이 방향 축을 따르는) 압축의 정도 또는 양(예를 들면, 길이)이 계산, 결정, 또는 추정될 수 있고, 기구 위치 결정 디바이스(115)는, 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)이 예상된 위치 내에 유지되도록 하는 대응하는 양만큼 의료 기구(100)를 전진시킬 수 있다. 다시 말하면, 기구 위치 결정 디바이스(115)는, 축 방향 압축이 없는 상태에서 원위 부분(103)의 위치에 대응하는 위치에 원위 부분(103)가 위치되도록 하는 압축의 양에 대응하는 양만큼 의료 기구(100)를 전진시킬 수 있다.

도 17a는 기구 위치 결정 디바이스(115)의 실시형태에 커플링되는 의료 기구(100)를 예시한다. 도시되는 바와 같이, 의료 기구(100)는 원위 부분(103)과 근위 부분(105) 사이에서 연장되는 가늘고 긴 샤프트(101)를 포함한다. 근위 부분(105)은 (제거 가능하게 또는 영구적으로) 기구 베이스(111)에 커플링된다. 기구 베이스(111)는 기구 위치 결정 디바이스(115)의 기구 드라이버(113)에 커플링된다. 도 17a에서, 기구 위치 결정 디바이스(115)의 일부분만이 도시되어 있다. 기구 위치 결정 디바이스(115)는 상기에서 설명되는 도 1 내지 도 15에서 도시되는 로봇 암(12, 39, 61) 중 임의의 것과 같은 로봇 암을 포함할 수도 있다. 상기에서 언급되는 바와 같이, 기구 드라이버(113)는 견인 와이어(107, 109)를 작동시키기 위해 기구 베이스(111) 내의 구동 입력부를 작동시키기 위한 구동 출력부를 포함할 수 있다. 기구 위치 결정 디바이스(115)는 환자 내에 의료 기구 디바이스(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)를 삽입(또는 전진)시키거나 또는 후퇴시키도록 이동 가능하다.

도 17b는 의료 기구(100)의 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 축 방향 압축을 보상하게끔 이동하도록 구성되는 기구 위치 결정 디바이스(115)의 예를 묘사한다. 도 17b에서, 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축(C)을 야기하는, 도 16b에서 도시되고 설명되는 바와 같은 견인 와이어 기반의 움직임을 겪는 가늘고 긴 샤프트(101)가 예시되어 있다. 도 17b의 예에서 도시되는 바와 같이, 기구 위치 결정 디바이스(115)는 압축(C)를 보상하기 위해 예시된 방향으로 거리(D)를 이동할 수 있다(즉, 가늘고 긴 샤프트(101)를 전진시킬 수 있다). 예시된 예에서, 거리(D)는 압축(C)의 거리와 동일하며, 그 결과, 원위 부분(103)의 위치는, 압축이 없는 상태에서 원위 부분(103)이 있었을 위치로 전진된다. 도시되는 바와 같이, 가늘고 긴 샤프트(101)는 각도(α)로 관절 운동하고 압축(C)을 보상하기 위해 거리(D)만큼 전진된다.

도 17c는 의료 기구(100)의 다른 타입의 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 축 방향 압축을 보상하게끔 이동하도록 구성되는 기구 위치 결정 디바이스(115)의 예를 묘사한다. 도 17c에서, 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축(C)을 야기하는, 도 16c에서 도시되고 설명되는 바와 같은 견인 와이어 기반의 움직임을 겪는 가늘고 긴 샤프트(101)가 예시되어 있다. 도 17c의 예에서 도시되는 바와 같이, 기구 위치 결정 디바이스(115)는 압축(C)를 보상하기 위해 예시된 방향으로 거리(D)를 이동할 수 있다(즉, 가늘고 긴 샤프트(101)를 전진시킬 수 있다). 예시된 예에서, 거리(D)는 압축(C)의 거리와 동일하며, 그 결과, 원위 부분(103)의 위치는, 압축이 없는 상태에서 원위 부분(103)이 있었을 위치로 전진된다.

도 18은 의료 기구(100)에서의 압축을 보상하기 위한 예시적인 방법(200)을 예시하는 플로우차트이다. 방법(200)은 의료 기구(100)의 지시된 견인 와이어 기반의 움직임이 수신되는 블록(202)에서 시작한다. 지시된 견인 와이어 기반의 움직임은 오퍼레이터로부터 수신될 수도 있다. 오퍼레이터는 원격에 위치되는 입력 디바이스를 사용하여 지시된 견인 와이어 기반의 움직임을 제공할 수도 있다. 지시된 견인 와이어 기반의 움직임은 기구 위치 결정 디바이스(115)에 의해 실행될 수 있다.

다음으로, 방법(200)은 지시된 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 의료 기구(100)의 압축이 결정되는 블록(204)으로 이동한다. 하나의 예에서, 압축을 결정하는 것은 압축을 측정하는 것을 포함한다. 다른 예에서, 압축을 결정하는 것은 압축을 계산하는 것을 포함한다. 다른 예에서, 압축을 결정하는 것은 압축을 추정하는 것을 포함한다.

하기에서 더 상세하게 논의될 바와 같이, 압축은 하나 이상의 압축 보상 파라미터를 사용하여 결정, 계산, 또는 추정될 수도 있다. 압축 보상 파라미터 및 그것의 사용에 대해서는 하기의 섹션 II.C.에서 더 상세하게 논의된다.

하나 이상의 압축 보상 파라미터를 사용하는 것과 연계하여, 의료 기구(100)의 압축은 하나 이상의 다른 기술로부터의 데이터에 기초하여 결정, 계산, 또는 추정될 수 있다. 하나의 예에서, 압축 보상 파라미터의 사용에 더하여, 압축을 결정하기 위해, 의료 기구(100)의 형광 투시 이미지(fluoroscopic image)가 분석될 수 있다. 다른 예에서, 의료 기구(100)는 자신에게 배치되는 하나 이상의 공간 센서(예를 들면, EM 센서)를 포함할 수 있다. 공간 센서는 의료 기구(100)의 위치에 관한 위치 데이터를 제공할 수도 있다. 이 위치 데이터는, 압축 보상 파라미터의 사용에 더하여, 의료 기구(100)의 압축을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 다른 예에서, 의료 기구(100)는 형상 감지 파이버를 포함할 수 있다. 형상 감지 파이버는 의료 기구(100)의 형상 또는 자세에 관한 데이터를 제공할 수 있다. 이 데이터는, 압축 보상 파라미터의 사용에 더하여, 의료 기구(100)의 압축을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 다른 예에서, 의료 기구(100)의 압축은, 압축 보상 파라미터의 사용에 더하여, 예를 들면, 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트의 형상, 사이즈, 및 재료 속성에 기초한 모델을 사용하여 결정된다. 모델을 사용하여 의료 기구(100)의 압축을 결정하는 하나의 예에서, 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)는 오일러-베르누이 빔 이론(Euler-Bernoulli beam theory)을 사용하여 모델링될 수 있는 하나 이상의 섹션으로 분할될 수 있다.

다른 예에서, 제1 의료 기구의 압축은, 압축 보상 파라미터의 사용에 더하여, 제2 의료 기구에 대해 측정될 수 있다. 하기의 섹션 II.D에서 설명되는 바와 같이, 신축 가능한 사용을 위해 두 개 이상의 의료 기구가 구성될 수 있다. 즉, 제2 의료 기구는 제1 의료 기구의 작업 채널 내에서 신축 가능할(telescope) 수 있다. 제1 의료 기구는 자신의 원위 부분에 위치되는 공간 센서를 포함할 수 있다. 제2 의료 기구는 자신의 원위 부분에 위치되는 공간 센서를 포함할 수 있다. 이들 두 위치 센서의 상대적 위치를 비교하는 것에 의해 압축이 결정 또는 추정될 수 있다. 이것은, 두 개의 의료 기구의 원위 부분이 정렬된 상태(즉, 같은 높이인 상태)를 유지할 가능성을 보장할 수도 있거나 또는 증가시킬 수도 있다.

방법(200)의 블록(206)에서, 의료 기구(100)에 커플링되는 기구 위치 결정 디바이스(115)는 블록(204)에서 결정되는 압축을 보상하기 위해 이동(예를 들면, 전진 또는 후퇴)된다. 몇몇 경우에, 기구 위치 결정 디바이스(115)는 결정된 압축을 보상하기 위해 의료 기구(100)를 환자의 신체 안으로 더 전진시킨다. 하나의 예에서, 환자 신체 안으로 전진되는 거리는 결정된 압축과 대략 동일하다. 다른 예에서, 전진되는 거리는 결정된 압축보다 더 작다. 다른 예에서, 전진되는 거리는 결정된 압축보다 더 크다. 하기의 섹션 II.D에 설명되는 바와 같이, 신축 가능한 의료 기구를 포함하는 실시형태에서, 압축을 보상하기 위해 하나의 의료 기구가 후퇴될 수 있거나, 압축을 보상하기 위해 다른 의료 기구가 전진될 수 있거나, 또는 압축을 보상하기 위해 하나의 의료 기구는 전진될 수 있고 다른 의료 기구는 후퇴될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 블록(206)은 견인 와이어 기반의 움직임이 실행되는 것과 실질적으로 동시에 수행된다. 즉, 기구 위치 결정 디바이스(115)는, 견인 와이어가 견인 와이어 기반의 움직임을 수행하기 위해 작동되는 것과 실질적으로 동시에 압축을 보상하기 위해 전진 또는 후퇴한다. 몇몇 실시형태에서, 이것은 지시된 견인 와이어 기반의 움직임 전체에 걸쳐 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)의 정확한 또는 소망되는 배치를 유지하거나 또는 유지하는 것을 돕는다.

몇몇 실시형태에서, 방법(200)의 블록(202, 204, 206)은, 의료 기구의 각각의 새롭게 지시된 견인 와이어 기반의 움직임에 대한 압축 보상을 제공하기 위해, 루프에서 수행될 수 있다.

방법(200)은 예시되는 것 외에 다른 블록 또는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 방법(200)의 예시된 모든 블록이 구현될 필요는 없다.

C. 압축 보상 파라미터.

가늘고 긴 샤프트(101)의 압축은 하나 이상의 압축 보상 파라미터를 사용하여 결정, 계산, 또는 추정될 수 있다. 압축 보상 파라미터는 의료 기구(100)의 캘리브레이션 동안 결정될 수도 있다. 압축 보상 파라미터가 결정될 수 있는 예시적인 캘리브레이션 방법 및 프로세스는 하기의 섹션 II.F.에서 설명된다.

압축 보상 파라미터는 특정한(specific) 또는 특정한(particular) 의료 기구(100)에 고유할 수 있다. 즉, 특정한 의료 기구(100)에 대해, 압축 보상 파라미터는 특정한 의료 기구(100)의 캘리브레이션 동안 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 압축 보상 파라미터는, 그 특정한 의료 기구(100)의 고유한 속성(예를 들면, 재료 변동, 제조 프로세스 변동, 등등에 의해 야기됨)을 설명할 수 있다. 압축 보상 파라미터는 특정한 의료 기구(100)와 관련될 수 있다. 예를 들면, 압축 보상 파라미터는 의료 기구(100)의 메모리 또는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 압축 보상 파라미터는 원격 데이터베이스에 저장되고 특정한 의료 기구(100)가 사용될 때 압축을 결정하기 위해 그것이 액세스되고 사용될 수 있도록 특정한 의료 기구(100)와 관련된다.

다른 예에서, 압축 보상 파라미터는 유사한 의료 기구(100)의 클래스, 배치(batch), 또는 모델에 고유할 수 있다. 즉, 동일한 압축 보상 파라미터가 유사한 의료 기구(100)의 클래스, 배치, 또는 모델에 대해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 더 큰 그룹의 유사한 의료 기구(100)에 의해 사용될 압축 보상 파라미터를 결정하기 위해, 단일의 또는 다수의 의료 기구(100)가 캘리브레이팅된다.

몇몇 실시형태에서, 압축 보상 파라미터는, 예를 들면, 의료 기구(100)의, 예를 들면, 재료 속성 및 치수를 고려하는 모델을 사용하여 결정된다. 하나의 예에서, 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)는 오일러-베르누이 빔 이론을 사용하여 모델링될 수 있는 하나 이상의 섹션으로 분할될 수 있다.

압축 보상 파라미터는, 견인 와이어 기반의 움직임의 특성을 축 방향 압축에 관련시키는 값, 인자(factor), 또는 파라미터일 수 있다. 하나의 예로서, 압축 보상 파라미터는 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)의 관절 운동의 각도를 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 예를 들면, 압축 보상 파라미터는 가늘고 긴 샤프트(101)의 x 각도의 관절 운동을 y 밀리미터의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 압축 보상 파라미터는 관절 운동의 지시 각도를 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 다른 예에서, 압축 보상 파라미터는 관절 운동의 측정된 각도를 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 몇몇 경우에, 관절 운동의 각도는 공간 센서(예를 들면, EM 센서), 형상 감지 파이버, 의료 이미징(예를 들면, 형광 투시법(fluoroscopy)), 또는 다른 방법을 사용하여 측정된다.

다른 예에서, 압축 보상 파라미터는 견인 와이어에서의 장력을 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 의료 기구(100)는 견인 와이어에서의 장력을 측정하기 위한 하나 이상의 장력 센서를 포함할 수도 있다.

다른 예에서, 압축 보상 파라미터는 견인 와이어의 변위(예를 들면, 선형 변위)를 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 의료 기구(100)는 견인 와이어를 작동시키기 위한 선형 액추에이터를 포함할 수도 있다. 압축 보상 파라미터는 액추에이터 또는 견인 와이어의 선형 운동을 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 예를 들면, 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 또는 액추에이터의 x 밀리미터 선형 변위를 y 밀리미터 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 의료 기구(100)는 견인 와이어를 작동시키는 회전 액추에이터를 포함한다. 예를 들면, 견인 와이어는, 견인 와이어를 작동시키기 위해 회전되는 풀리 상에 장착될 수도 있다. 압축 보상 파라미터는, 주위에 견인 와이어가 감겨지는 풀리의 회전을 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다. 예를 들면, 압축 보상 파라미터는 풀리의 x 각도의 회전을 y 밀리미터의 축 방향 압축에 관련시킬 수 있다.

상기에서 열거되는 예에서, 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 기반의 움직임의 특성을 축 방향 압축에 선형적으로 관련시키는 파라미터이다. 이것은 모든 실시형태에서 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 압축 보상 파라미터는, 견인 와이어 기반의 움직임의 특성을 축 방향 압축에 관련시키는 기능을 포함할 수 있는데, 그 기능은 비선형이다.

몇몇 실시형태에서, 단일의 압축 보상 파라미터만이 의료 기구(100)와 관련된다. 몇몇 실시형태에서, 다수의 압축 보상 파라미터가 의료 기구(100)와 관련된다. 예를 들면, 상이한 압축 보상 파라미터가 상이한 견인 와이어의 각각과 관련될 수 있다. 다른 예로서, 상이한 방향에서의 견인 와이어 기반의 움직임을 보상하기 위해, 상이한 압축 보상 파라미터가 사용될 수 있다. 다른 예로서, 예를 들면, 다항식 함수, 지수 함수, 또는 다른 비선형 함수를 사용하여, 가늘고 긴 본체(101)의 비선형 압축을 모델링하기 위해, 다수의 압축 보상 파라미터가 사용될 수 있을 것이다. 몇몇 경우에, 압축 파라미터의 수 및/또는 함수의 타입(선형 또는 비선형)은, 압축 대 입력의 관계를 밀접하게 모델링하기 위해 변경될 수 있다.

상기에서 설명되는 바와 같이, 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 기반의 움직임의 하나 이상의 특성을 축 방향 압축에 관련시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 압축 보상 파라미터는, 주어진 견인 와이어 기반의 움직임에 대한 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축을 결정, 계산, 또는 추정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 압축 보상 값은, 상기에서 설명되는 방법(200)의 블록(204)에서 사용된다.

D. 신축 가능한 의료 기구에서의 압축 보상.

비록 상기의 설명이 주로 단일의 의료 기구에 초점을 맞추고 있지만, 본원에서 설명되는 압축 보상 방법 및 시스템은, 예를 들면, 제1 의료 기구의 작업 채널 내에서 신축 가능한 제2 의료 기구를 포함하는 시스템과 같은, 신축 가능한 의료 기구를 포함하는 시스템에서 적용될 수 있다. 시스템 및 방법은 또한, 두 개보다 더 많은(예를 들면, 세 개, 네 개, 다섯 개, 또는 그 이상의) 신축 가능한 의료 기구를 포함하는 시스템에서 적용될 수도 있다.

도 19a는 제1 의료 기구(100)의 작업 채널(117) 내에서 신축 가능한 제2 의료 기구(120)의 실시형태를 예시한다. 예시된 실시형태에서, 제1 의료 기구(100)는 가늘고 긴 샤프트(101) 및 기구 베이스(111)를 포함하면서, 앞서 설명되는 바와 같이 구성된다. 가늘고 긴 샤프트(101)는 자신을 관통하여 연장되는 작업 채널(117)을 포함한다. 제1 의료 기구(100)는 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)의 제1 기구 드라이버(113)에 커플링된다. 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)는 제1 의료 기구(100)를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다.

제2 의료 기구(120)는, 원위 부분(123)과 근위 부분(125) 사이에서 연장되는 가늘고 긴 샤프트(121)를 포함하면서, 제1 의료 기구(100)와 유사하게 구성된다. 근위 부분(125)은 (제거 가능하게 또는 영구적으로) 제2 기구 베이스(131)에 연결된다. 제2 기구 베이스(131)는 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)의 제2 기구 드라이버(133)에 커플링된다. 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)는 제2 의료 기구(120)를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다.

도시되는 바와 같이, 제2 의료 기구(120)의 가늘고 긴 샤프트(121)는 제1 의료 기구(100)의 작업 채널(117)을 통해 연장된다. 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)는 제1 의료 기구(100)의 작업 채널(117)을 통해 제2 의료 기구(120)를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성된다. 비록 예시되지는 않았지만, 몇몇 예에서, 제2 의료 기구(120)는 또한 제3 의료 기구를 수용하기 위한 작업 채널을 포함할 수도 있다.

도 19a에서 예시되는 구성에서, 제2 의료 기구(120)의 원위 부분(123)은 제1 의료 기구(100)의 원위 부분(103)과 정렬된다. 몇몇 경우에, 이것은 의료 기구(100, 120)를 구동시키기 위한 바람직한 구성일 수도 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)는, 그들이 신체를 통해 목표 부위로 내비게이팅함에 따라 (원위 부분(103, 123)이 정렬되거나 또는 같은 높이인 상태에서) 이러한 구성으로 있을 수 있다.

제1 의료 기구(100)는 제1 가늘고 긴 샤프트(101)의 관절 운동, 형상, 및/또는 자세를 제어하기 위한 견인 와이어를 포함할 수 있다. 제2 의료 기구(120)는 제2 가늘고 긴 샤프트(121)의 관절 운동, 형상, 및/또는 자세를 제어하기 위한 견인 와이어를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 제1 의료 기구(100)는 견인 와이어를 포함하지 않는 수동 기구(즉, 조향 가능하지 않은 기구)일 수 있거나 또는 제2 의료 기구(120)는 견인 와이어를 포함하지 않는 수동 기구(즉, 조향 가능하지 않은 기구)일 수 있다.

도 19b는 견인 와이어 기반의 움직임에 의해 야기되는 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)의 축 방향 압축의 예를 묘사한다. 예시된 예에서, 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)는 도 19a에서 도시되는 위치로부터 도 19b에서 도시되는 각도로 관절 운동한다. 제1 및 제2 의료 기구(100, 120) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 압축을 겪을 수 있다. 도 19b에서 예시되는 위치에서, 제2 가늘고 긴 샤프트(121)는 제1 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 단부(103)로부터 외측으로 연장된다. 이것은 제1 및/또는 제2 가늘고 긴 샤프트(101, 121)의 축 방향 압축에 의해 야기될 수도 있다. 이것은 바람직하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 상기에서 언급되는 바와 같이, 원위 단부(103, 123)가 같은 높이로 배치된 상태에서 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)를 구동하는 것이 종종 바람직하다.

도 19c는, 도 19b에서 예시되는 축 방향 압축이, 제1 및/또는 제2 기구 위치 결정 디바이스(115, 135)를 이동시켜 보상하는 것에 의해 보상될 수 있다는 것을 예시한다. 축 방향 압축을 보상하고, 원위 부분(103, 123)을 같은 높이의 위치로 복귀시키기 위해, 시스템은, 제1 의료 기구(100)를 전진시키도록 나타내어진 방향으로 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)를 거리(D1)만큼 이동시키거나, 제2 의료 기구(120)를 후퇴시키도록 나타내어지는 방향으로 거리(D2)만큼 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)를 이동시키거나, 또는 제1 의료 기구(100)를 전진시키는 것 및 제2 의료 기구(120)를 후퇴시키는 것 둘 모두를 행하도록 제1 및 제2 기구 위치 결정 디바이스(115, 135)의 조합된 움직임을 수행할 수 있다.

하나의 예에서, "압축 보상 비율"(compression compensation ratio; CCR)이 각각의 의료 기구(100, 120)에 대해 정의되거나 또는 설정될 수 있다. CCR은 제로와 1 사이의 값일 수 있다. CCR은, 압축된 의료 기구가 그 자신의 압축을 완전히 보상하는 경우 1이고, 역방향의(reciprocal) 의료 기구(이것은 또한 압축되지 않았을 수도 있거나 또는 관절 운동하고 압축될 수도 있음)가 압축된 의료 기구의 압축을 완전히 보상하도록 이동되는 경우 제로이다. 각각의 의료 기구에 대해 CCR을 사용하여, 다음과 같이, 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)의 이동 또는 삽입을 정의하기 위한 수학식을 정의하는 것이 가능하다:

상기에서 설명되는 원리 및 수학식뿐만 아니라, 각각의 의료 기구(100, 120)에 대해 CCR을 사용하여, 제1 의료 기구(100)만을 이동시키는 것에 의해, 제2 의료 기구(120)만을 이동시키는 것에 의해, 또는 의료 기구(100, 120) 둘 모두를 이동시키는 것에 의해, 제1 및/또는 제2 의료 기구(100, 120)의 압축을 보상하는 것이 가능하다.

몇몇 실시형태에서, 제1 및 제2 의료 기구(100, 120)의 후퇴(CCR = 0)가 바람직하다. 예를 들면, 몇몇 경우에, 제1 및 제2 의료 디바이스(100, 120)의 후퇴는 의료 기구의 삽입보다 더 안전할 수도 있다. 그러나, 몇몇 실시형태에서, 삽입(CCR = 1)이 가능하다. 추가적으로, 제로와 1 사이의 CCR도 또한 사용될 수 있다.

추가적으로, CCR 값은, 제1 및 제2 의료 디바이스(100, 120)의 원위 부분(103, 123)에 의해 취해지는 공간 경로에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 1의 CCR은 더욱 구형의 경로(spherical path)에 대응할 수도 있고, 한편, 제로의 CCR은 (구체 대신 타원체를 따라) 더욱 무딘 경로(obtuse path)를 생성할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 최적의 경로가 경험적으로 튜닝될 수 있도록 CCR 값이 조정될 수 있다. 몇몇 경우에, CCR 값은 가늘고 긴 본체(101)의 원위 팁의 목표 모션 경로를 전달하도록 디바이스 캘리브레이션 동안 조정된다. 캘리브레이션 동안, 팁 경로의 분석을 통해 조정이 수동적으로 또는 자동적으로 수행될 수 있다.

E. 압축 보상을 위한 예시적인 의료 기구 및 시스템.

도 20은 축 방향 압축을 보상하도록 구성되는 의료 기구(100)의 실시형태를 예시한다. 예시된 실시형태에서, 의료 기구(100)는, 예를 들면, 원위 부분(103)과 근위 부분(105) 사이에서 연장되는 가늘고 긴 샤프트(101)를 포함하면서, 상기에서 설명되는 바와 같이 구성된다. 가늘고 긴 샤프트(101)는 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키기 위한 하나 이상의 견인 와이어를 포함할 수도 있다. 가늘고 긴 샤프트(101)는 기구 베이스(111)에 연결된다. 기구 디바이스(111)는 기구 위치 결정 디바이스(115)의 기구 드라이버(113)에 커플링되도록 구성된다. 기구 위치 결정 디바이스(115)는 환자 내에서 가늘고 긴 샤프트(101)를 전진 또는 후퇴시키기 위해 의료 기구(100)를 이동시키도록 구성될 수 있다.

예시되는 바와 같이, 몇몇 실시형태의 경우, 의료 기구(100)는 컴퓨터 판독 가능 매체(151)를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체(151)는 기구 베이스(111) 상에 또는 그 내에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 컴퓨터 판독 가능 매체(151)는 가늘고 긴 샤프트(101) 상에 또는 그 내에 배치될 수 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체(151)는 의료 기구(100)와 관련되는 정보를 저장할 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능 매체(151)는 상기의 섹션 II.C에서 논의되는 바와 같은 하나 이상의 압축 캘리브레이션 파라미터를 저장할 수 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체(151)는 다른 디바이스에 의해 판독될 수 있는 컴퓨터 판독 가능 코드를 포함할 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능 코드는 무선 주파수 식별자(radio frequency identifier; RFID) 태그일 수 있다. 압축 보상 파라미터와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체(151)에 저장되는 데이터는, RFID 판독기로 RFID 태그를 스캐닝하는 것에 의해 다른 디바이스에 의해 액세스될 수 있다. 바코드, QR 코드, 등등과 같은 다른 타입의 컴퓨터 판독 가능 코드가 또한 사용될 수도 있다.

의료 기구(100)는 컴퓨터 판독 가능 매체(151)에 저장되는 데이터를 다른 디바이스와 통신하기 위한 통신 회로부(communication circuitry)를 포함할 수 있다. 그러한 통신 회로부는 유선 또는 무선일 수도 있다.

의료 기구(100)는 하나 이상의 EM 센서(157)를 포함할 수 있다. EM 센서(157)는 가늘고 긴 샤프트(101) 상에 또는 그 내에 배치된다. 예시되는 바와 같이, EM 센서(157)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)에 배치된다. EM 센서(157)는 의료 기구(100)에 대한 위치 및/또는 방위 데이터를 제공하도록 구성될 수도 있다. EM 센서(157)는 외부에서 생성된 EM 필드에 대한 위치 및/또는 방위 데이터를 제공한다. 다른 타입의 공간 센서도 또한 포함될 수 있다.

의료 기구(100)는 형상 감지 파이버(159)를 포함할 수 있다. 형상 감지 파이버(159)는 가늘고 긴 샤프트(159)를 따라 또는 그 내에서 연장될 수도 있다. 형상 감지 파이버(159)는 의료 기구(100)의 형상, 관절 운동, 또는 자세와 관련되는 데이터를 제공할 수 있다.

의료 기구(100)는 하나 이상의 견인 와이어와 관련되는 하나 이상의 장력 센서를 포함할 수 있다. 장력 센서는 하나 이상의 견인 와이어에 대한 장력 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 장력 센서는 기구 베이스(111)에 배치된다.

도 21은 의료 기구(100, 120)의 압축을 보상하도록 구성되는 시스템(300)을 묘사하는 블록도이다. 예시된 실시형태에서, 시스템(300)은 메모리 또는 컴퓨터 판독 가능 매체(304)(또는 복수의 컴퓨터 판독 가능 매체)에 연결되는 프로세서(302)(또는 복수의 프로세서)를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체(304)는 시스템(300)을 제어하기 위해 프로세서(302)에 의해 실행될 수 있는 명령어를 포함할 수 있다.

예시된 실시형태에서, 시스템(300)은 제1 의료 기구(100)에 커플링되는 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)를 포함한다. 제1 의료 기구(100)는 컴퓨터 판독 가능 코드(310)를 포함한다. 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)는 코드 판독기(306)를 포함한다. 코드 판독기(306)는 제1 의료 기구(100) 상의 컴퓨터 판독 가능 코드(310)를 판독하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능 코드(310)는 RFID 태그이고 판독기(306)는 RFID 판독기이다. 컴퓨터 판독 가능 코드(310)는 압축 보상 파라미터와 같은 제1 의료 기구(100)에 관련되는 데이터를 저장할 수 있다. 코드 판독기(306)는 머신 판독 가능 코드(310)로부터 데이터를 판독할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능 코드(310)로부터 판독되는 데이터는 시스템(300)을 제어함에 있어서 사용하기 위해 프로세서(302)로 전달될 수 있다.

시스템(300)은 또한 추가적인 의료 기구에 커플링되는 추가적인 기구 위치 결정 디바이스를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 예시되는 바와 같이, 시스템(300)은 제2 의료 기구(120)에 커플링되는 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)를 포함한다. 제2 기구 위치 결정 디바이스(135)는 앞서 설명되는 방식으로 제2 의료 기구(120) 상의 머신 판독 가능 코드(312)를 판독하도록 구성되는 판독기(308)를 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 시스템(300)은 상기에서 설명되는 방법(200)을 사용하여 제1 및 제2 의료 기구에서의 압축을 보상한다.

몇몇 실시형태에서, 제2 의료 기구(120)는 제1 의료 기구(100)의 작업 채널 내에서 신축 가능하다. 시스템(300)은 섹션 II.D.에서 설명되는 바와 같이 압축을 보상하기 위해 상기에서 설명되는 CCR을 사용할 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체(304)는, 시스템(300)으로 하여금, 제1 의료 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)의 견인 와이어 기반의 움직임을 나타내는 정보 및 압축 보상 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여, 제1 기구(100)의 가늘고 긴 샤프트(101)의 축 방향 압축을 결정하게 하도록 프로세서(302)를 구성하는 명령어를 포함할 수 있다. 압축 보상 파라미터는, 판독기(306)를 사용하여, 컴퓨터 판독 가능 코드(310)로부터 판독될 수 있다. 명령어는 또한, 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 보상하기 위해, 제1 의료 기구(100)에 연결되는 제1 기구 위치 결정 디바이스(115)를 이동시키도록 구성될 수 있다.

F. 예시적인 캘리브레이션 프로세스.

압축 보상 파라미터는 의료 기구(100)의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정될 수 있다. 캘리브레이션 프로세스는, 견인 와이어 기반의 움직임을 통해 의료 기구를 제1 위치로 관절 운동시키는 것, 의료 기구의 압축을 결정하는 것, 견인 와이어 기반의 움직임의 특성을 결정된 압축에 관련시켜 압축 보상 파라미터를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

캘리브레이션 프로세스는, 의료 기구(100)를 여러 가지 상이한 위치로 관절 운동시키는 것 및 각각에 대한 압축 및 압축 보상 파라미터를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 단일의 압축 보상 파라미터는 여러 가지 상이한 관절 위치로부터 유도된다.

캘리브레이션 프로세스는 하나 이상의 공간 캡을 의료 기구(100)에 부착하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 공간 캡은 의료 기구(100)의 자세(예를 들면, 위치 및/또는 방위)의 유효한 계측 또는 측정을 제공하도록 캘리브레이팅될 수 있다. 몇몇 경우에, 하나 이상의 공간 캡은 의료 기구(100)의 가늘고 긴 본체(101)의 원위 팁의 계측 또는 측정 또는 자세를 제공하도록 캘리브레이팅된다. 공간 캡은 의료 기구(100)의 관절 운동, 자세, 또는 위치에 관한 위치 및/또는 방위 데이터를 제공하는, EM 센서와 같은 공간 센서를 포함할 수 있다. 공간 캡은 의료 기구(100)의 관절 운동 및/또는 압축을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 공간 캡은 의료 기구(100) 상에 포함되는 공간 센서를 추가로 확인하기 위해 사용될 수 있다.

다른 실시형태에서, 하나 이상의 공간 캡의 사용 대신 또는 그에 부가하여 팁 자세를 추정하기 위해, 의료 기구(100) 상에(예를 들면, 가늘고 긴 본체의 원위 팁에) 포함되는 이미징 디바이스로부터의 피드백이 외부 추적 디바이스를 사용하여 분석될 수 있다. 하나 이상의 공간 캡에 부가하여 또는 그 대신, 삼각 측량법, 투영 또는 직접 또는 수동 측정(예를 들면, 각도기를 사용함) 방법이 또한 사용될 수 있다.

의료 기구(100)의 관절 운동 및/또는 압축은, 의료 기구(100) 그 자체 상에 위치되는 공간 센서로부터 결정될 수 있다. 예를 들면, 관절 운동 및/또는 압축은 앞서 설명되는 바와 같이 EM 센서 또는 형상 감지 파이버를 사용하여 결정될 수 있다.

도 22는 의료 기구(100)를 캘리브레이팅하기 위한 예시적인 방법(400)을 예시하는 플로우차트이다. 방법(400)은 블록(401)에서 시작하는데, 여기서 가늘고 긴 샤프트(101)를 제1 위치로 이동시키기 위해 견인 와이어 기반의 움직임이 수행된다. 몇몇 경우에, 가늘고 긴 샤프트(101)를 관절 운동시키는 것은, 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)에 연결되는 견인 와이어에 장력을 인가하는 것, 그 견인 와이어를 당기는 것, 또는 다르게는 그 견인 와이어를 작동시키는 것을 포함한다.

방법(400)은 블록(402)으로 계속되는데, 여기서 견인 와이어 기반의 움직임의 특성이 결정된다. 몇몇 경우에, 견인 와이어 기반의 움직임의 특성을 결정하는 것은, 견인 와이어 장력, 견인 와이어 변위, 액추에이터 변위, 관절 운동의 지시 각도, 관절 운동의 측정된 각도, 등등을 포함할 수 있다.

몇몇 예에서, 방법(400)은 하나 이상의 공간 캡을 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)에 부착하는 것을 더 포함한다. 하나 이상의 공간 캡은 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 공간 캡으로부터의 공간 데이터를 분석하는 것을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 공간 캡은 하나 이상의 EM 센서를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 가늘고 긴 샤프트의 각도를 측정하는 것을 포함한다.

블록(404)에서, 가늘고 긴 샤프트(101)가 제1 위치에 있는 상태에서, 가늘고 긴 샤프트(101)의 압축이 결정된다. 한 예에서, 압축을 결정하는 것은 공간 캡으로부터의 공간 데이터를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 가늘고 긴 샤프트(101)는 가늘고 긴 샤프트(101)의 원위 부분(103)의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성되는 공간 센서를 포함하고, 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 것은 공간 센서로부터의 공간 데이터를 분석하는 것을 포함한다. 다른 예에서, 축 방향 압축을 결정하는 것은 가늘고 긴 샤프트의 길이를 측정하는 것을 포함한다.

블록(406)에서, 압축 보상 파라미터는 제1 위치를 가늘고 긴 샤프트(101)의 결정된 압축에 관련시키는 것에 의해 결정된다. 몇몇 실시형태에서, 방법(400)은 압축 보상 파라미터를 제1 의료 기구(100)의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 것을 더 포함한다.

3. 구현 시스템 및 전문 용어

본원에서 개시되는 구현예는 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트에서의 압축을 보상하기 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 압축은, 몇몇 경우에, 의료 기구의 캘리브레이션 동안 결정되는 압축 보상 파라미터를 사용하여 결정될 수 있고, 의료 기구를 자신에게 커플링되는 기구 위치 결정 디바이스와 함께 이동시키는 것에 의해 보상될 수 있다.

본원에서 사용될 때 용어 "커플링한다(couple)", "커플링하는(coupling)", "커플링되는(coupled)" 또는 그 단어의 다른 변형어는, 간접적인 연결 또는 직접적인 연결 중 어느 하나를 나타낼 수도 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들면, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트에 "커플링되는" 경우, 제1 컴포넌트는 다른 컴포넌트를 통해 제2 컴포넌트에 간접적으로 연결될 수도 있거나 또는 제2 컴포넌트에 직접적으로 연결될 수도 있다.

본원에서 설명되는 특정한 컴퓨터 구현 프로세스/기능을 참조하는 어구는, 프로세서 판독 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에서 하나 이상의 명령어로서 저장될 수도 있다. 용어 "컴퓨터 판독 가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 리드 온리 메모리(read-only memory; ROM), 전기적으로 소거가능한 프로그래머블 리드 온리 메모리(electrically erasable programmable read-only memory; EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 리드 온리 메모리(compact disc read-only memory; CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 소망되는 프로그램 코드를 저장하기 위해 사용될 수 있으며 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 유형이고(tangible) 비일시적일 수도 있다는 것을 유의해야 한다. 본원에서 사용될 때, 용어 "코드"는 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수도 있다.

본원에서 개시되는 방법은, 설명된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 액션을 포함한다. 방법 단계 및/또는 액션은, 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 상호 교환될 수도 있다. 다시 말하면, 설명되고 있는 방법의 적절한 동작을 위해 특정한 순서의 단계 또는 액션이 요구되지 않는 한, 특정한 단계 및/또는 액션의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 수정될 수도 있다.

본원에 사용될 때, 용어 "복수"는 두 개 이상을 나타낸다. 예를 들면, 복수의 컴포넌트는 두 개 이상의 컴포넌트를 나타낸다. 용어 "결정(determining)"은 광범위한 액션을 포괄하며, 따라서, "결정(determining)"은 계산(calculating), 컴퓨팅(computing), 프로세싱(processing), 유도(deriving), 조사(investigating), 조회(looking up)(예를 들면, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 조회), 확인(ascertaining) 및 등등을 포함할 수 있다. 또한, "결정"은 수신(예를 들면, 정보 수신), 액세스(예를 들면, 메모리의 데이터에 대한 액세스) 및 등등을 포함할 수도 있다. 또한, "결정"은 해결(resolving), 선택(selecting), 선정(choosing), 확립(establishing) 및 등등을 포함할 수 있다.

어구 "~에 기초하여(based on)"는, 달리 명시되지 않는 한, "~에만 기초하여(based only on)"를 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초하여"는 "~에만 기초하여" 및 "적어도 ~에 기초하여(based only on)" 둘 모두를 설명한다.

개시된 구현예의 앞선 설명은, 기술 분야의 임의의 숙련된 자가 본 발명을 제조 또는 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이며, 본원에서 정의되는 일반적인 원리는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현예에 적용될 수도 있다. 예를 들면, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 도구 컴포넌트를 고정, 장착, 커플링, 또는 체결하는 등가의 방식, 특정한 작동 모션을 생성하기 위한 등가의 메커니즘, 및 전기적 에너지를 전달하기 위한 등가의 메커니즘과 같은, 다수의 대응하는 대안예 및 등가의 구조적 세부 사항을 활용할 수 있을 것이다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에서 도시되는 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본원에서 개시되는 원리 및 신규의 피쳐와 부합하는 가장 넓은 범위를 부여받아야 한다.

Claims

의료 기구(medical instrument)로서,
원위 부분(distal portion)과 근위 부분(proximal portion) 사이에서 연장되는 가늘고 긴 샤프트, 상기 가늘고 긴 샤프트(elongated shaft)는, 사용시, 환자의 관강(lumen) 안으로의 삽입을 위해 구성됨 - ;
상기 가늘고 긴 샤프트의 상기 근위 부분에 연결되는 기구 베이스(instrument base) - 상기 기구 베이스는 로봇 암에 대한 부착을 용이하게 하도록 구성되는 부착 인터페이스를 포함함 - ;
상기 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 상기 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축(axial compression)에 관련시키는 압축 보상 파라미터를 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체; 및
상기 가늘고 긴 샤프트의 상기 원위 부분에 연결되는 견인 와이어(pull wire) - 상기 견인 와이어는 상기 원위 부분과 상기 기구 베이스에 배치되는 구동 입력부 사이에서 상기 가늘고 긴 샤프트를 따라 연장되며, 상기 구동 입력부는 상기 저장된 압축 보상 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 가늘고 긴 샤프트의 움직임을 야기하게끔 상기 견인 와이어를 작동시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트의 움직임은 상기 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동(articulation)을 포함하고, 상기 압축 보상 파라미터는 상기 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 의료 기구.
제2항에 있어서,
관절 운동의 상기 각도는 관절 운동의 지시 각도(commanded angle)를 포함하는, 의료 기구.
제2항에 있어서,
관절 운동의 상기 각도는 관절 운동의 측정된 각도를 포함하는, 의료 기구.
제4항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트 상에 배치되는 적어도 하나의 전자기(electromagnetic; EM) 센서를 더 포함하되, 관절 운동의 상기 측정된 각도는 상기 EM 센서로부터의 신호에 기초하여 결정되는, 의료 기구.
제4항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트 상에 형상 감지 파이버(shape-sensing fiber)를 더 포함하되, 관절 운동의 상기 측정된 각도는 상기 형상 감지 파이버에 기초하여 결정되는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 견인 와이어에 연결되는 적어도 하나의 장력 센서를 더 포함하는, 의료 기구.
제7항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는, 상기 장력 센서에 의해 측정되는 바와 같은 상기 견인 와이어에서의 장력을, 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 견인 와이어 변위를 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 구동 입력부는 풀리(pulley)를 포함하고, 상기 압축 보상 파라미터는 상기 풀리의 회전을 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 구동 입력부는 레버(lever), 트리거(trigger), 크랭크(crank), 및 캠(cam) 중 적어도 하나를 포함하는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 구동 입력부는 선형 구동 입력부를 포함하고, 상기 압축 보상 파라미터는 상기 선형 구동 입력부의 일부의 선형 변위를 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스(calibration process) 동안 결정되는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 무선 주파수 식별(radio frequency identification; RFID) 태그를 포함하는, 의료 기구.
제14항에 있어서,
상기 RFID 태그는 상기 기구 베이스에 배치되는, 의료 기구.
제15항에 있어서,
상기 RFID 태그는, 상기 로봇 암의 RFID 판독기에 의해 활성화되는 경우, 상기 압축 보상 파라미터를 전달하도록 구성되는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트는 내시경(endoscope)을 포함하는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트는 관통 채널이 형성되는 시스(sheath)를 포함하되, 상기 채널은 상기 시스의 축을 따라 연장되는, 의료 기구.
제1항에 있어서,
하나 이상의 추가적인 견인 와이어를 더 포함하는, 의료 기구.
로봇 시스템으로서,
사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구 - 상기 제1 기구는: 제1 가늘고 긴 샤프트, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 견인 와이어 기반의 움직임을 야기하도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 상기 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제1 기구 베이스에 부착되며 상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제1 기구 위치 결정 디바이스;
실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체; 및
상기 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 상기 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는 상기 시스템으로 하여금 적어도:
상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 그리고
상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 기구의 상기 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 상기 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축을 보상하게 하는, 로봇 시스템.
제20항에 있어서,
상기 명령어는, 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 견인 와이어 기반의 움직임을 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축에 관련시키는 압축 보상 파라미터를 사용하여 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 축 방향 압축을 결정하게 하는, 로봇 시스템.
제21항에 있어서,
상기 견인 와이어 기반의 움직임은 상기 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동을 야기하고, 상기 압축 보상 파라미터는 상기 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를 상기 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 로봇 시스템.
제22항에 있어서,
관절 운동의 상기 각도는 관절 운동의 지시 각도를 포함하는, 로봇 시스템.
제22항에 있어서,
관절 운동의 상기 각도는 관절 운동의 측정된 각도를 포함하는, 로봇 시스템.
제24항에 있어서,
상기 제1 가늘고 긴 샤프트 상에 배치되는 적어도 하나의 전자기(EM) 센서를 더 포함하되, 관절 운동의 상기 측정된 각도는 상기 EM 센서로부터의 신호에 기초하여 결정되는, 로봇 시스템.
제24항에 있어서,
상기 제1 가늘고 긴 샤프트 상에 형상 감지 파이버를 더 포함하되, 관절 운동의 상기 측정된 각도는 상기 형상 감지 파이버에 기초하여 결정되는, 로봇 시스템.
제21항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 제1 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정되는, 로봇 시스템.
제21항에 있어서,
상기 제1 의료 기구 상의 RFID 태그 - 상기 RFID 태그는 상기 압축 보상 파라미터를 저장함 - , 및;
상기 적어도 하나의 프로세서에 연결되는 RFID 판독기를 더 포함하는, 로봇 시스템.
제28항에 있어서,
상기 RFID 태그는 상기 제1 기구 베이스 상에 배치되고, 상기 RFID 판독기는 상기 제1 기구 위치 결정 디바이스 상에 배치되는, 로봇 시스템.
제20항에 있어서,
상기 제1 의료 기구는 내시경을 포함하는, 로봇 시스템.
제20항에 있어서,
상기 제1 의료 기구는 시스를 포함하는, 로봇 시스템.
제20항에 있어서,
상기 제1 기구의 작업 채널(working channel)을 통해 상기 환자의 상기 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 의료 기구 - 상기 제2 기구는: 제2 가늘고 긴 샤프트, 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 상기 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제2 기구에 부착되며 상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제2 기구 위치 결정 디바이스를 더 포함하되,
상기 명령어는 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금:
상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 의료 기구의 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키도록 상기 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키게 하는, 로봇 시스템.
제32항에 있어서,
상기 명령어는 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금:
상기 제2 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 그리고
상기 제2 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축을 보상하기 위해 상기 제1 의료 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 의료 기구의 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키도록 상기 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키게 하는, 로봇 시스템.
제32항에 있어서,
상기 명령어는, 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금, 상기 제1 의료 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 기구의 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진 또는 후퇴시키게끔 상기 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축을 보상하게 하는, 로봇 시스템.
제32항에 있어서,
상기 제1 기구는 시스를 포함하고 상기 제2 기구는 내시경을 포함하는, 로봇 시스템.
로봇 시스템으로서,
사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구 - 상기 제1 기구는: 제1 가늘고 긴 샤프트, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 상기 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제1 기구 베이스에 부착되며 상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 의료 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제1 기구 위치 결정 디바이스;
상기 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 상기 환자의 상기 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 기구 - 상기 제2 의료 기구는: 제2 가늘고 긴 샤프트, 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 상기 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제2 기구 베이스에 부착되며 상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제2 기구 위치 결정 디바이스;
실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체; 및
상기 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 상기 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는 상기 시스템으로 하여금 적어도:
상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고;
상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 의료 기구의 상기 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 상기 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축의 제1 부분을 보상하게 하고; 그리고
상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 의료 기구의 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 상기 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축의 제2 부분을 보상하게 하는, 로봇 시스템.
제36항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분보다 더 큰, 로봇 시스템.
로봇 시스템으로서,
사용시, 환자의 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제1 의료 기구 - 상기 제1 기구는: 제1 가늘고 긴 샤프트, 상기 제1 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제1 견인 와이어, 및 상기 제1 견인 와이어를 작동시키기 위한 제1 구동 입력부를 포함하는 제1 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제1 기구 베이스에 부착되며 상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 의료 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제1 기구 위치 결정 디바이스;
상기 제1 의료 기구의 작업 채널을 통해 상기 환자의 상기 관강 안으로의 삽입을 위해 구성되는 제2 기구 - 상기 제2 의료 기구는: 제2 가늘고 긴 샤프트, 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키도록 작동 가능한 제2 견인 와이어, 및 상기 제2 견인 와이어를 작동시키기 위한 제2 구동 입력부를 포함하는 제2 기구 베이스를 포함함 - ;
상기 제2 기구 베이스에 부착되며 상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 기구를 전진 또는 후퇴시키게끔 이동하도록 구성되는 제2 기구 위치 결정 디바이스;
실행 가능 명령어가 저장된 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체; 및
상기 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 통신하며 상기 명령어를 실행하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는 상기 시스템으로 하여금 적어도:
상기 제2 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고;
상기 환자의 상기 관강을 통해 상기 제1 의료 기구의 상기 제1 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 상기 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제2 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축의 제1 부분을 보상하게 하고;
상기 제1 기구의 상기 작업 채널을 통해 상기 제2 의료 기구의 상기 제2 가늘고 긴 샤프트를 전진시키게끔 상기 제2 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜, 상기 제2 가늘고 긴 샤프트의 상기 결정된 축 방향 압축의 제2 부분을 보상하게 하는, 로봇 시스템.
제36항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분보다 더 큰, 로봇 시스템.
명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서,
상기 명령어는, 실행시, 디바이스의 프로세서로 하여금, 적어도:
제1 의료 기구의 가늘고 긴 샤프트의 견인 와이어 기반의 움직임 및 압축 보상 파라미터를 나타내는 정보에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 제1 기구의 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하게 하고; 그리고
상기 제1 의료 기구에 연결되는 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시켜 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 상기 축 방향 압축을 보상하게 하는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 견인 와이어 기반의 움직임을 나타내는 상기 정보는 상기 제1 의료 기구에 대한 지시된 관절 운동을 나타내는 정보를 포함하는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 견인 와이어 기반의 움직임을 나타내는 상기 정보는 상기 제1 의료 기구에 대한 측정된 관절 운동을 나타내는 정보를 포함하는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 제1 의료 기구의 캘리브레이션 프로세스 동안 결정되는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
압축 보상 파라미터는 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 관절 운동의 각도를 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 제1 기구의 견인 와이어에서의 장력을 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 제1 기구의 견인 와이어의 변위를 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터는 상기 제1 기구의 견인 와이어에 부착되는 풀리의 회전을 상기 제1 가늘고 긴 샤프트의 압축의 축 방향 길이에 관련시키는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
제40항에 있어서,
상기 명령어는, 실행시, 상기 프로세서로 하여금, 제1 관절 운동 가능한 의료 기구의 상기 가늘고 긴 샤프트를 환자의 관강 안으로 전진시키도록 상기 제1 기구 위치 결정 디바이스를 이동시키게 하는, 명령어를 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
관절 운동 가능한 가늘고 긴 샤프트를 포함하는 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법으로서,
상기 가늘고 긴 샤프트를 제1 위치로 이동시키기 위한 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 단계;
상기 가늘고 긴 샤프트가 상기 제1 위치에 있는 상태에서, 상기 가늘고 긴 샤프트의 축 방향 압축을 결정하는 단계; 및
상기 제1 위치를 상기 결정된 축 방향 압축에 관련시키는 것에 의해, 상기 가늘고 긴 샤프트에 대한 압축 보상 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트를 상기 제1 위치로 관절 운동시키는 단계를 더 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제50항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트를 관절 운동시키는 단계는, 상기 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분에 연결되는 견인 와이어에 장력을 인가하는(tensioning) 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제51항에 있어서,
상기 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 단계는 상기 견인 와이어에서의 장력을 측정하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
하나 이상의 공간 캡(spatial cap)을 상기 가늘고 긴 샤프트의 원위 부분에 부착하는 단계를 더 포함하되, 상기 하나 이상의 공간 캡은 상기 가늘고 긴 샤프트의 상기 원위 부분의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성되고, 상기 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 단계는 상기 공간 데이터를 분석하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제53항에 있어서,
상기 축 방향 압축을 결정하는 단계는 상기 공간 데이터를 분석하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
상기 가늘고 긴 샤프트는 상기 가늘고 긴 샤프트의 상기 원위 부분의 위치 및 방위에 관한 공간 데이터를 제공하도록 구성되는 위치 센서를 포함하고, 상기 견인 와이어 기반의 움직임을 결정하는 단계는 상기 공간 데이터를 분석하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제55항에 있어서,
상기 축 방향 압축을 결정하는 단계는 상기 공간 데이터를 분석하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제53항에 있어서,
상기 하나 이상의 공간 캡은 하나 이상의 EM 센서를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
상기 축 방향 압축을 결정하는 단계는 상기 가늘고 긴 샤프트의 길이를 측정하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
상기 관절 운동을 결정하는 단계는 상기 가늘고 긴 샤프트의 각도를 측정하는 단계를 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.
제49항에 있어서,
상기 압축 보상 파라미터를 상기 제1 의료 기구의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 단계를 더 포함하는, 의료 기구를 캘리브레이팅하기 위한 방법.