KR20200073246A - 내비게이션 경로 추적 용도로 구성된 로봇 시스템 - Google Patents
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Abstract
특정 양태는 내비게이션 경로 추적을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 일 양태에서, 시스템은 루멘 네트워크의 수술 전 모델을 디스플레이한다. 시스템은 수술 전 모델에 대한 루멘 네트워크 내의 기기의 위치를 결정한다. 수술 전 모델에 대한 기기의 위치에 기초하여, 시스템은 경로 추적 모드로 진입할지 여부를 결정한다. 경로 추적 모드에서, 시스템은 디스플레이된 수술 전 모델에 대한 기기의 경로를 나타내는 시각적 표지를 디스플레이한다. 시각적 표지는 기기의 내비게이션 경로를 시각화하고 및/또는 수술 전 모델을 확장하는 데 사용될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 13일자로 제출된 미국 가출원 번호 제62/572,285호 및 2018년 9월 26일자로 제출된 미국 출원 번호 제16/143,362호의 이익을 주장하며, 상기 출원 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 의료 기기의 내비게이션을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 의료 기기를 위한 내비게이션 경로 추적 방법 및 내비게이션 시스템에 관한 것이다.
내시경 검사(예를 들면, 기관지 내시경 검사)와 같은 의료 시술에는 진단 및/또는 치료 목적으로 환자의 루멘(lumen)(예를 들면, 기도)의 내부에 액세스하여 시각화하는 것이 포함될 수 있다. 시술 중에, 내시경과 같은 가요성의 관형 툴(flexible tubular tool) 또는 기기가 환자의 신체 내로 삽입될 수 있다. 어떤 경우에는, 제2 기기가 내시경을 통해 진단 및/또는 치료를 위해 식별된 조직 부위로 통과될 수 있다.
기관지 내시경 검사는 의사가 기관지(bronchi) 및 세기관지(bronchioles)와 같은, 환자의 폐의 기도의 내부 상태를 검진할 수 있게 하는 의료 시술이다. 의료 시술 중에, 기관지 내시경으로 알려진 가늘고 가요성의 관형 툴 또는 기기가 환자의 입 안으로 삽입될 수 있으며, 환자의 목구멍을 지나서 폐의 기도 내로 해서 후속 진단 및 치료를 위해 식별된 조직 부위 쪽으로 통과될 수 있다. 기관지 내시경은 조직 부위로의 경로를 제공하는 내부 루멘("작업 채널")을 가질 수 있으며, 카테터 및 다양한 의료용 툴이 작업 채널을 통해 조직 부위로 삽입될 수 있다.
특정 의료 시술에서는, 의료 기기의 삽입 및/또는 조작을 제어하기 위해 의료용 로봇 시스템이 사용될 수 있다. 의료용 로봇 시스템은 시술 중에 의료 기기의 위치 설정을 제어하는 데 사용되는 매니퓰레이터 조립체를 포함한 적어도 하나의 로봇 아암 또는 다른 기기 위치 설정 디바이스를 포함할 수 있다.
복강경 검사 시술과 같은 최소 침습성 시술 및 내시경 검사 시술과 같은 비침습성 시술 양자 모두를 포함한 다양한 의료 시술를 수행하기 위해 로봇 작동식 의료 시스템이 사용될 수 있다. 내시경 검사 시술 중에서, 로봇 작동식 의료 시스템은 기관지 내시경 검사, 요관경 검사, 위장병학 등을 수행하는 데 사용될 수 있다. 이러한 시술 중에, 의사 및/또는 컴퓨터 시스템은 환자의 루멘 네트워크를 통해 의료 기기를 내비게이션시킬 수 있다. 루멘 네트워크는 (기관지 또는 신장의 네트워크에서와 같은) 복수의 분기형 루멘 또는 (위장관과 같은) 단일 루멘을 포함할 수 있다. 로봇 작동식 의료 시스템은 루멘 네트워크를 통해 의료 기기를 유도하기(또는 유도를 지원하기) 위한 내비게이션 시스템을 포함할 수 있다. 내비게이션 시스템은 적어도 부분적으로는 루멘 네트워크의 수술 전 모델에 기초하여 유도를 제공할 수 있다.
수술 전 모델은 루멘 네트워크의 특정 부분으로만 국한될 수 있다. 즉, 루멘 네트워크는 수술 전 모델에 의해 표현되는 부분 너머로 확장될 수 있다. 하지만, 시술 중에, 의사는 수술 전 모델에 표현되지 않은 루멘 네트워크의 부분으로 의료 기기를 내비게이션하기를 원할 수 있다. 내비게이션 시스템에 의해 제공되는 유도는 적어도 부분적으로는 수술 전 모델을 기초로 할 수 있기 때문에, 이는 어려울 수 있다. 또한, 의료 기기를 수술 전 모델 너머로 내비게이션시킬 때, 의사는 기기의 위치를 추적하기가 어렵다. 특정 경우에서, 의사는 의료 기기를 수술 전 모델 너머로 내비게이션시킬 수 없을 수도 있고, 또는 의료 기기가 수술 전 모델 너머로 내비게이션되는 경우, 의료 기기의 위치를 결정하는 것이 어려울 수 있다.
전술한 문제는 무엇보다도, 본 명세서에 기재된 루멘 네트워크 내비게이션 시스템 및 기법에 의해 대처된다. 몇몇 구현예에서, 개시된 기법은 내비게이션 경로 추적을 제공한다. 내비게이션 경로 추적은 의료 기기의 위치(및 과거 위치)를 나타내는 이력 경로(예를 들면, 이동 경로(breadcrumbs))를 제공할 수 있다. 의사가 수술 전 모델에 의해 표현되지 않은 루멘 네트워크의 부분을 시각화할 수 있도록 의사에게 이력 경로가 디스플레이될 수 있다. 내비게이션 경로 추적은 수술 전 모델 너머의 루멘 네트워크의 부분에 제공될 수 있다. 몇몇 경우에는, 수술 전 모델을 확장하기 위해 내비게이션 경로 추적이 사용될 수 있다. 몇몇 경우에는, 수술 전 모델에 의해 표현되는 루멘 네트워크의 부분 내에서도 내비게이션 경로 추적이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템, 방법, 및 디바이스는 각각 몇 가지 혁신적인 양태를 가지며, 이들 중 어느 것 하나도 본 명세서에 개시된 바람직한 속성들을 단독으로 감당하지는 않는다.
따라서, 일 양태는 실행될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 적어도: 환자의 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하고; 수술 전 모델의 매핑된 부분에 대해 루멘 네트워크 내에 위치된 기기의 원위 단부의 위치를 결정하며; 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대한 기기의 원위 단부의 위치에 기초하여, 경로 추적 모드로 진입하고; 및, 경로 추적 모드에 있을 때, 디스플레이된 수술 전 모델에 대해 기기의 원위 단부의 경로를 나타내는 시각적 표지(visual indicia)를 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게 하는 명령어들(instructions)이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체에 관한 것이다.
제1 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: (a) 명령어들은 기기의 원위 단부의 위치가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 있을 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 경로 추적 모드로 진입하게 하도록 구성되고; (b) 명령어들은 기기의 원위 단부의 위치가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 내부에 있을 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 경로 추적 모드를 비활성화하게 하도록 구성되며; (c) 명령어들은 기기의 원위 단부의 위치가 수술 전 모델의 최종 세그먼트의 단부의 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 또는 5 % 이내에 있을 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 경로 추적 모드로 진입하게 하도록 구성되고; (d) 시각적 표지는 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 이력 위치(historical positions)를 나타내며; (e) 경로 추적 모드에서, 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이에서 기기가 이동한 거리에 기초하여 시각적 표지의 빈도(frequency)를 조정하게 하도록 구성되고; (f) 경로 추적 모드에서, 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되며; (g) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티(navigation modalities)에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (h) 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 형상 감지 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하며; (i) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (j) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되며; (k) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (l) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (m) 비전 데이터는 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하고; (n) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; 및/또는 (o) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금: 사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및, 사용자 입력 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (p) 사용자 입력 데이터는: 이동이 이루어진 루멘의 표시; 이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시; 루멘의 단부의 표시; 루멘의 개구부의 표시; 현재의 루멘이 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및, 루멘 직경 중 하나 이상을 포함하고; (q) 명령어들은 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 디바이스의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 시각적 표지에 장착하도록 구성되며; (r) 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크(branched network of lumens)를 포함하고; 및/또는 (s) 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함한다.
제2 양태는 루멘 네트워크를 내비게이션하기 위한 로봇 외과 또는 의료 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: 세장형 몸체 및 세장형 몸체의 원위 단부 상에 배치된 센서를 갖는 기기; 실행 가능 명령어들이 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 가독 메모리; 및, 적어도 하나의 컴퓨터 가독 메모리와 통신하며, 시스템으로 하여금 적어도: 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 수술 전 모델에 액세스하고 수술 전 모델을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하며; 센서를 사용하여 수술 전 모델에 대한 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 위치를 결정하고; 수술 전 모델에 대해 결정된 위치에 기초하여, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동했을 때를 검출하며; 및, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동했을 때, 디스플레이된 수술 전 모델에 대한 기기의 원위 단부의 위치의 시각적 표지를 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게 하도록 명령어들을 실행하도록 구성된, 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
제2 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: (a) 하나 이상의 프로세서는 시스템으로 하여금 센서의 좌표 프레임 및 수술 전 모델의 좌표 프레임을 등록하게 하도록 명령어들을 실행하도록 구성되고; (b) 전자계(EM field)를 발생시키도록 구성된 전자계 발생기를 포함하고, 센서는 EM 센서이며, 하나 이상의 프로세서는 시스템으로 하여금 전자계 내에서의 EM 센서의 위치를 결정하게 하도록 명령어들을 실행하도록 구성되며; (c) 센서는 형상 감지 섬유(shape sensing fiber)이고; (d) 하나 이상의 프로세서는 시스템으로 하여금 루멘 네트워크 내에서 기기를 이동시키도록 명령어들을 실행하도록 구성되며; (e) 하나 이상의 프로세서는 시스템으로 하여금 적어도: 기기의 원위 단부의 위치가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하고; 및, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하게 하도록 명령어들을 실행하도록 구성되고; (f) 시각적 표지는 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내며; (g) 명령어들은 하나 이상의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이에서 기기가 이동한 거리에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되고; (h) 명령어들은 하나 이상의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되며; (i) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 하나 이상의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (j) 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 형상 감지 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하며; (k) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되며: (l) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 하나 이상의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (m) 명령어들은 하나 이상의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (n) 비전 데이터는 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하고; (o) 명령어들은 하나 이상의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (p) 명령어들은 하나 이상의 프로세서로 하여금: 사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및, 사용자 입력 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (q) 사용자 입력 데이터는: 이동이 이루어진 루멘의 표시; 이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시; 루멘의 단부의 표시; 루멘의 개구부의 표시; 현재의 루멘이 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및, 루멘 직경 중 하나 이상을 포함하고; (r) 명령어들은 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 하나 이상의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 시각적 표지에 장착하도록 구성되며; (s) 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하고; (t) 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함하며; (u) 기기는 내시경이고; (v) 기기 위치 설정 디바이스를 포함하며, 기기는 기기 위치 설정 디바이스에 부착되고; 및/또는 (w) 기기 위치 설정 디바이스는 로봇 아암을 포함한다.
제3 양태는 루멘 네트워크 내에서 기기의 내비게이션 경로를 결정하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계; 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대해 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계; 루멘 네트워크 내에서 기기를 이동시키는 단계; 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분을 지나서 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분으로 전진되었을 때를 결정하는 단계와 경로 추적 모드로 진입하는 단계; 및, 경로 추적 모드에 있을 때, 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 수술 전 모델에 대해 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분에서의 기기의 원위 단부의 경로의 시각적 표지를 디스플레이하는 단계를 포함한다.
제3 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: (a) 기기의 원위 단부의 위치가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하는 단계; 및, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하는 단계; (b) 시각적 표지는 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내고; (c) 시각적 표지 사이에서 기기가 이동한 거리에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하는 단계; (d) 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하는 단계; (e) 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때 복수의 내비게이션 모달리티를 기초로 하며; (f) 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 형상 감지 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하고; (g) 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부를 기초로 하며; (h) 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터를 기초로 하고; (i) 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합을 기초로 하며; (j) 비전 데이터를 시각적 표지와 연관시키는 단계; (k) 비전 데이터는 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하고; (l) 로봇 명령 및 운동학 데이터를 시각적 표지와 연관시키는 단계; (m) 사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하는 단계; 및, 사용자 입력 데이터를 시각적 표지와 연관시키는 단계; (n) 사용자 입력 데이터는: 이동이 이루어진 루멘의 표시; 이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시; 루멘의 단부의 표시; 루멘의 개구부의 표시; 현재의 루멘이 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및, 루멘 직경 중 하나 이상을 포함하며; (o) 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 기하학적 구조체를 시각적 표지에 장착하는 단계; (p) 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하고; 및/또는 (q) 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함한다.
제4 양태는 실행될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 적어도: 환자의 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하고; 수술 전 모델에 대해 루멘 네트워크 내에 위치된 기기의 원위 단부의 위치를 결정하며; 기기의 원위 단부의 위치가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동될 때를 검출하고; 및, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 디스플레이된 수술 전 모델에 대한 기기의 원위 단부의 위치를 나타내는 시각적 표지를 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게 하는 명령어들이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체에 관한 것이다.
제4 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: (a) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금: 기기의 원위 단부의 위치가 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하고; 및, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하게 하도록 구성되고; (b) 시각적 표지는 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내며; (c) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이에서 기기가 이동한 거리에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되고; (d) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되며; (e) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (f) 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 형상 감지 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하며; (g) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (h) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되며; (i) 명령어들은 기기가 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 기기의 원위 단부의 위치를 결정하게 하도록 구성되고; (j) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (k) 비전 데이터는 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하고; (l) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되며; (m) 명령어들은 디바이스의 프로세서로 하여금: 사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및, 사용자 입력 데이터를 시각적 표지와 연관시키도록 구성되고; (n) 사용자 입력 데이터는: 이동이 이루어진 루멘의 표시; 이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시; 루멘의 단부의 표시; 루멘의 개구부의 표시; 현재의 루멘이 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및, 루멘 직경 중 하나 이상을 포함하며; (p) 명령어들은 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 디바이스의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 시각적 표지에 장착하도록 구성되고; (q) 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하고; 및/또는 (r) 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함한다.
개시된 양태들을 제한하는 것이 아니라 예시하도록 제공되며 동일한 부재 번호들이 동일한 요소들을 나타내는 첨부된 도면들과 연계하여 개시된 양태들이 이하에 설명될 것이다.
도 1은 진단 및/또는 치료용의 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 카트 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 다른 양태를 도시한다.
도 3은 요관경 검사(ureteroscopy)를 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4는 혈관 시술을 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 5는 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대체의 도면을 제공한다.
도 7은 로봇 아암(들)을 수납하도록 구성된 예시적인 시스템을 도시한다.
도 8은 요관경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 9는 복강경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블 기반의 로봇 시스템의 컬럼과 테이블 사이의 인터페이스의 상세 예시를 제공한다.
도 12는 예시적인 기기 드라이버(instrument driver)를 도시한다.
도 13은 페어링된 기기 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기기를 도시한다.
도 14는 구동 유닛의 축들이 기기의 세장형 샤프트 축에 평행한, 기기 드라이버 및 기기의 대체의 설계를 도시한다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기기의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치 특정 시스템(localization system)을 예시하는 블록도를 도시한다.
도 16은 로봇 제어식 의료 기기에 의해 내비게이션될 수 있는 루멘 네트워크의 예를 도시한다.
도 17은 도 16의 루멘 네트워크의 예시적인 수술 전 모델을 도시한다.
도 18은 도 16의 루멘 네트워크 상에 중첩된 도 17의 수술 전 모델의 도면으로, 수술 전 모델이 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응함을 도시한다.
도 19는 루멘 네트워크 내를 내비게이션하는 의료 기기의 예를 제공한다.
도 20은 예시적인 의료 기기의 원위 단부의 상세도를 도시한다.
도 21은 의료 기기의 위치를 결정하기 위한 예시적인 전자기(electromagnetic: EM) 시스템의 특정 컴포넌트들을 도시한다.
도 22는 일 실시예에 따른, 예시적인 의료용 로봇 시스템을 위한 디스플레이를 포함하는 예시적인 커맨드 콘솔(command console)을 도시한다.
도 23a는 특정 로봇 시스템에서 구현될 수 있는 예시적인 내비게이션 경로 추적 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 23b는 특정 내비게이션 경로 추적 방법의 일부로서 루멘 네트워크 내의 기기의 위치를 결정하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 24는 루멘 네트워크 내에서 기기의 내비게이션 경로를 결정하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 25는 내비게이션 경로 추적 시스템의 예시적인 출력을 제공한다.
도 26은 내비게이션 경로 추적 시스템의 다른 예시적인 출력을 제공한다.
도 27은 내비게이션 경로 추적 시스템의 다른 예시적인 출력을 제공하며, 내비게이션 경로 추적 시스템이 수술 전 모델을 확장하는 데 사용될 수 있음을 도시한다.
도 1은 진단 및/또는 치료용의 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 카트 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 다른 양태를 도시한다.
도 3은 요관경 검사(ureteroscopy)를 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4는 혈관 시술을 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 5는 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대체의 도면을 제공한다.
도 7은 로봇 아암(들)을 수납하도록 구성된 예시적인 시스템을 도시한다.
도 8은 요관경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 9는 복강경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블 기반의 로봇 시스템의 컬럼과 테이블 사이의 인터페이스의 상세 예시를 제공한다.
도 12는 예시적인 기기 드라이버(instrument driver)를 도시한다.
도 13은 페어링된 기기 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기기를 도시한다.
도 14는 구동 유닛의 축들이 기기의 세장형 샤프트 축에 평행한, 기기 드라이버 및 기기의 대체의 설계를 도시한다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기기의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치 특정 시스템(localization system)을 예시하는 블록도를 도시한다.
도 16은 로봇 제어식 의료 기기에 의해 내비게이션될 수 있는 루멘 네트워크의 예를 도시한다.
도 17은 도 16의 루멘 네트워크의 예시적인 수술 전 모델을 도시한다.
도 18은 도 16의 루멘 네트워크 상에 중첩된 도 17의 수술 전 모델의 도면으로, 수술 전 모델이 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응함을 도시한다.
도 19는 루멘 네트워크 내를 내비게이션하는 의료 기기의 예를 제공한다.
도 20은 예시적인 의료 기기의 원위 단부의 상세도를 도시한다.
도 21은 의료 기기의 위치를 결정하기 위한 예시적인 전자기(electromagnetic: EM) 시스템의 특정 컴포넌트들을 도시한다.
도 22는 일 실시예에 따른, 예시적인 의료용 로봇 시스템을 위한 디스플레이를 포함하는 예시적인 커맨드 콘솔(command console)을 도시한다.
도 23a는 특정 로봇 시스템에서 구현될 수 있는 예시적인 내비게이션 경로 추적 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 23b는 특정 내비게이션 경로 추적 방법의 일부로서 루멘 네트워크 내의 기기의 위치를 결정하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 24는 루멘 네트워크 내에서 기기의 내비게이션 경로를 결정하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 25는 내비게이션 경로 추적 시스템의 예시적인 출력을 제공한다.
도 26은 내비게이션 경로 추적 시스템의 다른 예시적인 출력을 제공한다.
도 27은 내비게이션 경로 추적 시스템의 다른 예시적인 출력을 제공하며, 내비게이션 경로 추적 시스템이 수술 전 모델을 확장하는 데 사용될 수 있음을 도시한다.
1. 개요
본 발명의 양태는 복강경 검사와 같은 최소 침습성 시술 및 내시경 검사와 같은 비침습성 시술 양자 모두를 포함하는 다양한 의료 시술을 수행할 수 있는 로봇 작동식(robotically-enabled) 의료 시스템에 통합될 수 있다. 내시경 검사 시술 중에서, 본 시스템은 기관지 내시경 검사, 요관경 검사, 위 내시경 검사 등을 수행할 수 있다.
폭넓은 시술을 수행하는 것 외에, 본 시스템은 의사를 지원하기 위한 향상된 이미징 및 가이던스와 같은 추가 이점을 제공할 수 있다. 또한, 본 시스템은 어색한 팔 동작 및 위치를 필요로 함이 없이 인체 공학적 위치에서 시술을 수행할 수 있는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 또한, 본 시스템은 시스템의 하나 이상의 기기가 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록 개선된 사용 용이성으로 시술을 수행할 수 있는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면들과 연계하여 아래에 설명될 것이다. 개시된 개념들의 많은 다른 구현이 가능하고, 개시된 구현에 의해 다양한 이점이 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 참조를 위해서 및 다양한 섹션의 위치 파악을 돕기 위해 제목이 여기에 포함된다. 이들 제목은 이와 관련하여 설명된 개념들의 범위를 제한하고자 함이 아니다. 이러한 개념들은 본 명세서 전체에 걸쳐서 적용 가능할 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트
로봇 작동식 의료 시스템은 특정 시술에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료용의 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 카트 기반의 로봇 작동식 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 기관지 내시경 검사 중에, 시스템(10)은 진단 및/또는 치료용 툴을 전달하기 위해 자연적인 오리피스 접근점(즉, 본 예에서는 테이블 상에 위치된 환자의 입)에, 기관지 내시경 검사를 위한 시술 고유의 기관지경(bronchoscope)일 수 있는 조종 가능한 내시경(13)과 같은 의료 기기를 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 몸통 상부(upper torso)에 근접하여 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근점에 대해 기관지 내시경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배치는 위장관(gastro-intestinal: GI) 시술을 위한 특수 내시경인 위 내시경으로 GI 시술을 수행할 때도 또한 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 보다 상세하게 도시한다.
도 1을 계속 참조하면, 카트(11)가 올바르게 위치되고 나면, 로봇 아암(12)은 조종 가능한 내시경(13)을 로봇식, 수동식, 또는 이들의 조합으로 환자 내부로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조종 가능한 내시경(13)은 내측 리더 부분(inner leader portion) 및 외측 쉬드 부분(outer sheath portion)과 같은 적어도 2개의 텔레스코핑 부분(telescoping parts)을 포함할 수 있는데, 각 부분은 기기 드라이버(28) 세트의 개별 기기 드라이버에 결합되고, 각 기기 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 쉬드 부분과 동축으로 정렬하는 것을 용이하게 하는 기기 드라이버들(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재배치될 수 있는 "가상 레일"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기재된 가상 레일들은 파선을 사용하여 도면에 도시되며, 그에 따라 파선은 시스템의 물리적 구조를 나타내지는 않는다. 가상 레일(29)을 따라서의 기기 드라이버들(28)의 병진은 외측 쉬드 부분에 대해 내측 리더 부분을 텔레스코프 형식으로 이동시키거나, 내시경(13)을 환자로부터 후퇴 또는 전진시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사의 선호도에 기초하여 조정, 병진, 및 선회될 수 있다. 예를 들어 기관지 내시경 검사에서, 도시된 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로 인해 발생되는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사의 접근을 제공하는 것 사이의 절충점을 나타낸다.
내시경(13)은 삽입 후 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 타겟 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 환자의 기관(trachea) 및 폐(lung)의 하류로 유도될 수 있다. 환자의 폐 네트워크를 통한 내비게이션을 향상시키고 및/또는 원하는 타겟에 도달하기 위해, 내시경(13)은 관절운동을 증대시키고 굽힘 반경을 보다 크게 하기 위해 외측 쉬드 부분으로부터 내측 리더 부분을 텔레스코프 방식으로 연장하도록 조작될 수 있다. 개별 기기 드라이버들(28)의 사용은 또한 리더 부분과 쉬드 부분이 서로 독립적으로 구동될 수 있게 한다.
예를 들어, 내시경(13)은 생검 바늘(biopsy needle)을 예를 들면, 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 타겟에 전달하도록 지시될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 수득하기 위해 내시경의 길이에 걸쳐 이어진 작업 채널(working channel)의 하류로 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가 생검을 위해 추가 툴이 내시경의 작업 채널의 하류로 전개될 수도 있다. 결절이 악성임을 식별한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암성 조직(cancerous tissue)을 절제하기 위한 툴을 내시경에 의해 전달할 수 있다. 어떤 경우에는, 진단 처치와 치료 처치가 별개의 시술로 제공될 필요가 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 내시경(13)은 타겟 결절의 위치를 또한 "표시"하기 위한 기준점을 제공하는 데에도 또한 사용될 수 있다. 다른 경우에는, 진단 처치와 치료 처치가 동일한 시술 중에 제공될 수도 있다.
시스템(10)은 제어장치, 전자장치, 유체공학, 광학, 센서, 및/또는 카트(11)에 대한 전력의 지원을 제공하기 위해 지원 케이블을 통해 카트(11)에 연결될 수 있는 가동 타워(movable tower)(30)를 또한 포함할 수 있다. 이러한 기능을 타워(30)에 배치하는 것은 수술의 및/또는 그 직원에 의해 보다 용이하게 조정 및/또는 재배치될 수 있는 보다 작은 폼팩터(form factor)의 카트(11)를 가능케 한다. 또한, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실 혼잡을 줄이고 임상적 작업 흐름(clinical workflow)의 개선을 촉진한다. 카트(11)는 환자에 근접하여 위치될 수 있는 한편, 타워(30)는 시술 중에 방해되지 않도록 원격 위치에 수납될 수 있다.
전술한 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는 예를 들어, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어들을 저장하는 컴퓨터 기반의 제어 시스템의 컴포넌트(들)를 포함할 수 있다. 타워(30)에서 실행되는지 또는 카트(11)에서 실행되는지에 관계없이 이들 명령어들의 실행은 전체 시스템 또는 그 서브시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들면 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어들은 로봇 시스템의 컴포넌트들이 관련 캐리지 및 아암 마운트를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키며, 의료 기기를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트의 모터들은 아암을 특정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주(controlled irrigation) 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어장치, 및/또는 유체 액세스를 또한 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트도 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 개별 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링 및 보호된 전력을 제공하도록 설계된 전압 및 서지 프로텍터를 포함할 수 있으며, 이에 의해 카트(11)에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 컴포넌트들의 배치를 회피할 수 있고, 그래서 보다 소형이며 보다 가동성의 카트(11)가 될 수 있게 한다.
타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서들을 위한 지원 장비를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서들 또는 카메라들로부터 수신되는 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 결합하여, 이러한 광전자 장비는 타워(30)를 포함하여 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 개수의 콘솔에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 전개된 전자기(electromagnetic: EM) 센서들로부터 수신되는 신호들을 수신 및 처리하기 위한 전자 서브시스템을 또한 포함할 수 있다. 타워(30)는 의료 기기 내의 또는 의료 기기 상의 EM 센서들에 의한 검출을 위한 전자계(EM field) 발생기를 수용 및 위치시키는 데에도 또한 사용될 수 있다.
타워(30)는 시스템의 나머지 부분에서 이용 가능한 다른 콘솔들, 예를 들면 카트의 상단에 장착된 콘솔 외에 콘솔(31)을 또한 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 터치스크린과 같은 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10)의 콘솔들은 일반적으로 내시경(13)의 내비게이션 및 위치 특정 정보와 같은 시술의 수술 전 및 실시간 정보뿐만 아니라 로봇 제어를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사에게 이용 가능한 유일한 콘솔이 아닌 경우에, 환자의 건강 또는 바이털(vitals) 및 시스템의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라 내비게이션 및 위치 특정 정보와 같은 시술 고유의 데이터를 제공하기 위해 간호사와 같은 제2 조작자에 의해서도 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(30)은 타워(30)와 별개인 몸체에 수용된다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(미도시)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공될 수 있으며, 그래서 수술실을 단순화하고 및 혼잡도를 없앤다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별도의 케이블 및 연결부로 결합될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 공급될 수 있는 한편, 제어장치, 광학, 유체공학, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별도의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트 기반의 로봇 작동식 시스템의 카트의 실시예의 상세 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조체(14)(종종 "컬럼"으로 지칭됨), 카트 베이스(15), 및 컬럼(14)의 상단에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 컬럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(도 2에는 3개가 도시됨)의 전개를 지지하기 위한 캐리지(17)(또는 달리 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 보다 양호한 위치 설정을 위해 로봇 아암(12)의 베이스를 조정하기 위해 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성 가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 캐리지(17)가 컬럼(14)을 따라 수직으로 병진할 수 있게 하는 캐리지 인터페이스(19)를 또한 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 컬럼(14)의 상반 측면(opposite sides)에 배치된 슬롯(20)과 같은, 슬롯을 통해 컬럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 카트 베이스(15)에 대해 다양한 수직 높이로 캐리지를 위치시키고 유지하기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 다양한 테이블 높이, 환자의 크기, 및 의사의 선호도를 충족시키도록 로봇 아암(12)의 도달 거리(reach)를 조절할 수 있게 한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성 가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 베이스(21)가 다양한 구성으로 각이 질 수 있게 한다.
몇몇 실시예에서, 슬롯(20)에는 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 컬럼(14)의 내부 챔버들 및 수직 병진 인터페이스 내로의 먼지 및 유체의 유입을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일면을 이루며 이에 평행한 슬롯 커버들이 부가될 수 있다. 슬롯 커버들은 슬롯(20)의 수직 상단 및 하단 근처에 위치된 스프링 스풀 쌍(pairs of spring spools)을 통해 배치될 수 있다. 커버들은 캐리지(17)가 수직으로 상하로 병진함에 따라 그 감겨진 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 감겨 있다. 스풀의 스프링 하중은 캐리지(17)가 스풀 쪽으로 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공하면서, 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 타이트한 밀봉을 또한 유지한다. 커버들은 캐리지(17)가 병진할 때 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들면 캐리지 인터페이스(19)의 브래킷들을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
컬럼(14)은 사용자 입력, 예를 들면 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호들에 응답하여 캐리지(17)를 기계화된 방식으로 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류를 사용하도록 설계된, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 내부에 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로 일련의 조인트(24)에 의해 연결된 일련의 링크장치(23)에 의해 분리된 로봇 아암 베이스들(21)과 엔드 이펙터들(22)을 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어 가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어 가능한 조인트는 로봇 아암에 이용 가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 그래서 7의 자유도를 제공한다. 복수의 조인트는 복수의 자유도를 유발하며, 그래서 "여분의(redundant)" 자유도를 가능케 한다. 여분의 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤도에 그 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시킬 수 있게 한다. 이는 시스템이 원하는 공간 지점으로부터 의료 기기를 위치시키고 유도할 수 있게 하면서, 의사가 아암의 충돌을 회피하면서 보다 나은 접근을 위해 아암 조인트를 환자로부터 멀리 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동할 수 있게 한다.
카트 베이스(15)는 컬럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 무게를 바닥 위에서 균형화시킨다. 따라서, 카트 베이스(15)는 전자장치, 모터, 전원장치와 같은 보다 무거운 컴포넌트들뿐만 아니라 카트를 이동 가능케 하고 및/또는 고정시킬 수 있는 컴포넌트들을 수용한다. 예를 들어, 카트 베이스(15)는 카트가 시술 전에 (진료)실을 쉽게 이동할 수 있게 하는 구름운동 가능한 휠 형상의 캐스터(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 시술 중에 카트(11)를 적소에 유지하기 위해 캐스터(25)는 휠 록(lock lock)을 사용하여 고정될 수 있다.
컬럼(14)의 수직 단부에 위치된 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린(또는 터치스크린(26)과 같은 이중 목적 디바이스) 양자 모두를 가능케 하여, 수술 전 및 수술 중 데이터 양자 모두를 의사 사용자에게 제공할 수 있다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술 전 데이터는 수술 전 계획, 수술 전 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술 전 환자 인터뷰로부터의 노트를 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술 중 데이터는 툴로부터 제공되는 광학 정보, 센서들로부터의 센서 및 좌표 정보뿐만 아니라 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 중요한 환자 통계를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편의 컬럼(14) 측으로부터 콘솔에 접근할 수 있도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤에서 콘솔(16)을 조작하면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 카트(11)의 조종 및 안정화를 돕는 핸들(27)을 또한 포함한다.
도 3은 요관경 검사를 위해 배치된 로봇 작동식 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 요관경 검사 시술에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 횡단하도록 설계된 시술 고유의 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경 검사에서는, 그 영역의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰 및 힘을 저감시키기 위해 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 요관경(32)을 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 위치시킬 수 있도록 테이블의 발에 정렬될 수 있다. 테이블의 발로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부에 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로 삽입된 후에, 기관지 내시경 검사에서와 유사한 제어 기법을 사용하여 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 적용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장으로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관 및 신장 내로 유도되어, 요관경(32)의 작업 채널의 하류로 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석 디바이스(lithotripsy device)를 사용하여 신장 결석의 축적을 파괴할 수 있다. 쇄석이 완료된 후에, 발생된 결석 파편들은 요관경(32)의 하류로 전개된 바스켓을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 시술을 위해 유사하게 배치된 로봇 작동식 시스템의 실시예를 도시한다. 혈관 시술에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조종 가능한 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기기(34)를 환자의 다리의 대퇴 동맥의 접근점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 보다 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 비교적 덜 우회적인 사행 경로(less circuitous and tortuous path)를 제공하는데, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경 검사 시술에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 가상 레일(35)에 환자의 대퇴/고관절 영역의 대퇴 동맥 접근점으로의 직접 선형 접근을 제공할 수 있도록, 환자의 다리 및 하복부 쪽으로 위치될 수 있다. 동맥 내로 삽입된 후에, 의료 기기(34)는 기기 드라이버(28)를 병진시킴으로써 유도 및 삽입될 수 있다. 혹은, 카트는 예를 들면, 어깨와 손목 근처의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 다른 혈관 접근점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수도 있다.
B. 로봇 시스템 테이블
로봇 작동식 의료 시스템의 실시예는 환자의 테이블을 또한 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내 자본 장비(capital equipment)의 수량을 저감시키는데, 이는 환자에 대한 접근을 보다 향상시킨다. 도 5는 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 이러한 로봇 작동식 시스템의 실시예를 도시한다. 시스템(36)은 바닥 위에 플랫폼(38)( "테이블" 또는 "침대"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조체 또는 컬럼(37)을 포함한다. 카트 기반의 시스템과 마찬가지로, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터들은 기기 드라이버들(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 이를 따라 도 5의 기관지 내시경(40)과 같은 세장형 의료 기기를 조종하도록 설계된 기기 드라이버들(42)을 포함한다. 실제에서는, 형광 투시 영상을 제공하기 위한 C 아암이 이미터와 검출기를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적으로 환자 및 의료 기기가 없는 시스템(36)의 대체 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 컬럼(37)은 시스템(36)에 링 형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 이에 하나 이상의 로봇 아암(39)이 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 컬럼(37)의 길이를 따라 이어진 수직 컬럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는 로봇 아암(39)이 예를 들면, 환자의 양측과 같이 테이블(38)의 복수의 측면에 접근할 수 있도록 컬럼(37) 내에 위치된 기계 모터를 사용하여 컬럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 복수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지들은 컬럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고 다른 캐리지들과 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지들(43)은 컬럼(37)을 둘러쌀 필요가 없고 또는 심지어는 원형일 필요도 없으나, 도시된 바와 같은 링 형상은 구조적 균형을 유지하면서 컬럼(37)을 중심으로 한 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지들(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기기들을 환자의 상이한 접근점에 정렬시킬 수 있게 한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 환자 테이블 또는 침대를 따라 연장되는 바(bar) 또는 레일 형태의 조정 가능한 아암 지지대를 갖는 환자 테이블 또는 침대를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예를 들면, 팔꿈치 조인트를 갖는 어깨를 통해), 수직으로 조정될 수 있는 조정 가능한 아암 지지대에 부착될 수 있다. 수직 방향의 조정을 제공함으로써, 로봇 아암들(39)은 환자 테이블 또는 침대의 아래에 컴팩트하게 유리하게 수납될 수 있고, 그 후 시술 중에는 들어 올려질 수 있다.
아암들(39)은 로봇 아암들(39)에 추가 구성 가능성을 제공하기 위해 개별적으로 회전 및/또는 텔레스코프 방식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트(45) 세트를 통해 캐리지들 상에 장착될 수 있다. 또한, 캐리지들(43)이 적절하게 회전될 때, 아암 마운트들(45)이 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측면에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 상반 측면에, 또는 테이블(38)의 인접한 측면들에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록, 아암 마운트들(45)은 캐리지들(43) 상에 위치될 수 있다.
컬럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지 및 캐리지들의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 컬럼(37)은 캐리지들의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지들의 병진을 기계화하기 위한 모터가 구비될 수 있다. 컬럼(37)은 캐리지(43) 및 그 위에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호들을 전달할 수 있다.
테이블 베이스(46)는 도 2에 도시된 카트(11)의 카트 베이스(15)와 유사한 기능을 하며, 테이블/침대(38), 컬럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 보다 무거운 컴포넌트들을 수용한다. 테이블 베이스(46)는 또한 시술 중에 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터(rigid casters)를 통합할 수 있다. 테이블 베이스(46)의 바닥으로부터 전개될 때, 캐스터들은 베이스(46)의 양 측면에서 상반 방향으로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때에는 후퇴될 수 있다.
도 6을 계속하면, 시스템(36)은 테이블의 폼 팩터 및 육중함을 저감시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이로 분할하는 타워(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다. 이전의 개시된 실시예들에서와 같이, 타워는 처리, 계산, 및 제어 능력, 전력, 유체공학, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한 의사의 접근을 개선하고 수술실의 혼잡을 해소하기 위해 환자로부터 멀리 떨어져 위치되도록 이동될 수도 있다. 또한, 타워에 컴포넌트들을 배치하는 것은 잠재적인 로봇 아암의 수납을 위해 테이블 베이스에 더 넓은 저장 공간을 확보할 수 있게 한다. 타워는 키보드 및/또는 펜던트와 같은 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술 전 및 수술 중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 양자 모두를 제공하는 마스터 컨트롤러 또는 콘솔을 또한 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타워는 흡입용으로 사용되는 가스 탱크용 홀더를 또한 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 테이블 베이스는 사용 중이지 않을 때 로봇 아암들을 수납 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블 기반의 시스템의 실시예에서 로봇 아암들을 수납하는 시스템(47)을 도시한다. 시스템(47)에서, 캐리지들(48)은 로봇 아암들(50), 아암 마운트들(51), 및 캐리지들(48)을 베이스(49) 내에 수납하기 위해 베이스(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 베이스 커버들(52)은 컬럼(53) 주위에 캐리지들(48), 아암 마운트들(51), 및 아암들(50)을 전개하기 위해 병진 및 후퇴되어 개방될 수 있고, 사용 중이지 않을 때에는 이들을 보호하기 위해 수납되도록 닫혀질 수 있다. 베이스 커버들(52)은 닫혀질 때 먼지 및 유체의 유입을 방지하기 위해 그 개구의 에지를 따라 멤브레인(54)으로 밀봉될 수 있다.
도 8은 요관경 검사 시술용으로 구성된 로봇 작동식의 테이블 기반의 시스템의 실시예를 도시한다. 요관경 검사에서, 테이블(38)은 컬럼(37) 및 테이블 베이스(46)로부터 환자를 비스듬히 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 하단 부분을 컬럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 (예를 들면, 환자의 두부의 아래에 위치된) 선회점을 중심으로 회전 또는 선회할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 선회는 C 아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 컬럼(도시되지 않음)과 공간을 놓고 경합함이 없이 환자의 하복부의 위에 위치될 수 있게 한다. 컬럼(37)을 중심으로 캐리지(35)(도시되지 않음)를 회전시킴으로써, 로봇 아암들(39)은 요도에 도달하기 위해 가상 레일(57)을 따라 요관경(56)을 환자의 서혜부(groin area) 내로 직접 삽입할 수 있다. 요관경 검사에서는, 시술 중에 환자의 다리 위치를 지지하고 환자의 서혜부에 대한 명확한 접근을 허용하기 위해 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 스터럽(stirrup)(58)이 또한 고정될 수 있다.
복강경 검사 시술에서는, 환자의 복벽의 작은 절개부(들)를 통해 최소 침습성 기기들이 환자의 해부학적 구조 내에 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 최소 침습성 기기들은 환자 체내의 해부학 구조에 접근하는 데 사용되는 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강을 팽창시킨 후에, 종종 복강경이라고 지칭되는 기기들이 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 외과 또는 의료 작업을 수행하도록 유도될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기기들은 복강경과 같은 스코프를 포함할 수 있다. 도 9는 복강경 검사 시술용으로 구성된 로봇 작동식의 테이블 기반의 시스템의 실시예를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 로봇 아암(39)의 쌍들을 테이블(38)의 상반 측면에 위치시키기 위해 시스템(36)의 캐리지들(43)이 회전되고 수직으로 조정될 수 있으며, 그래서 기기들(59)이 환자의 양측의 최소 절개부를 통과하여 그 복강에 도달하도록 아암 마운트들(45)을 사용하여 위치될 수 있다.
복강경 검사 시술에 대처하기 위해, 로봇 작동식의 테이블 시스템은 플랫폼을 원하는 각도로 또한 틸팅시킬 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 로봇 작동식 의료 시스템의 실시예를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블의 한 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 먼 거리에 위치시키기 위해 테이블(38)의 틸트를 수용할 수 있다. 또한, 아암 마운트들(45)은 아암들(39)이 테이블(38)과 동일 평면 관계를 유지하도록 틸트와 매칭되도록 회전할 수 있다. 보다 가파른 각도를 수용하기 위해, 컬럼(37)은 테이블(38)이 바닥에 닿거나 베이스(46)와 충돌하는 것을 방지하기 위해 컬럼(37)의 수직 연장을 허용하는 텔레스코핑 부분(60)을 또한 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 컬럼(37) 사이의 인터페이스의 상세 예시를 제공한다. 복수의 자유도로 컬럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하기 위해 피치 회전 메커니즘(61)이 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 컬럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축들(1, 2)의 위치 설정에 의해 가능하게 될 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 개별 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)에 따른 회전은 하나의 축(1)에서 틸트 조정을 가능케 할 수 있는 한편, 다른 스크류(6)에 따른 회전은 다른 축(2)을 따라서 틸트 조정을 가능케 할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 복수의 자유도로 컬럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하기 위해 볼 조인트가 사용될 수 있다.
예를 들어, 피치 조정은 하복부 수술을 위해 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg positioin)로 배치하려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 배치하려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내장이 중력을 통해 그 상복부 쪽으로 슬라이드되게 하며, 그래서 최소 침습성 툴이 들어가서 복강경 전립선 절제술과 같은 하복부 외과 또는 의료 시술을 수행할 수 있게 복강을 비우게 된다.
C. 기기 드라이버 및 인터페이스
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터들은 (i) 의료 기기를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합한 기기 드라이버(혹은 "기기 구동 메커니즘" 또는 "기기 디바이스 매니퓰레이터(Instrument Device Manipulator)"라고도 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 컴포넌트들이 없을 수 있는 분리 가능 또는 착탈식 의료 기기를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 시술에 사용되는 의료 기기들을 멸균해야 할 필요성, 및 그 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절히 멸균할 수 없음에 의해 초래될 수 있다. 따라서, 의료 기기들은 의사 또는 의사의 직원에 의한 개별 멸균 또는 폐기를 위해 기기 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 분리, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기기 드라이버들은 변경 또는 멸균될 필요가 없으며 보호를 위해 드레이프로 커버될 수 있다.
도 12는 예시적인 기기 드라이버를 도시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 배치되는 기기 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기기에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축들과 함께 배치된 하나 이상의 구동 유닛(63)을 포함한다. 각 구동 유닛(63)은 기기와 상호 작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트의 회전을 원하는 토크로 변환하기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 발생시키기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로에 피드백을 제공하는 인코더(67), 및 제어 신호들을 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로(68)를 포함한다. 각 구동 유닛(63)은 독립적으로 제어되고 전동화되므로, 기기 드라이버(62)는 복수(도 12에 도시된 바와 같이 4개)의 독립적인 구동 출력부를 의료 기기에 제공할 수 있다. 작동시, 제어 회로(68)는 제어 신호를 수신하고, 모터 신호를 모터(66)에 전송하며, 인코더(67)에 의해 측정된 발생 모터 속도를 원하는 속도와 비교하고, 원하는 토크를 발생시키기 위해 모터 신호를 변조하게 된다.
무균 환경이 요구되는 시술의 경우에, 로봇 시스템은 기기 드라이버와 의료 기기 사이에 있는, 무균 드레이프(sterile drape)에 연결된 무균 어댑터와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 무균 어댑터의 주 목적은 구동 샤프트와 구동 입력부 사이에 물리적인 분리 및 그에 따른 무균성을 유지하면서 기기 드라이버의 구동 샤프트로부터 기기의 구동 입력부로 각 운동(angular motion)을 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 무균 어댑터는 기기 드라이버의 구동 샤프트 및 기기의 구동 입력부와 감합하도록 의도된 일련의 회전 입력부 및 출력부를 포함할 수 있다. 무균 어댑터에 연결되는, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같이 박형의 유연한 재료로 구성된 무균 드레이프는 기기 드라이버, 로봇 아암, 및 카트(카트 기반의 시스템에서) 또는 테이블(테이블 기반의 시스템에서)과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(예를 들면, 비무균 지역)에 여전히 배치되면서 환자에 근접하게 위치될 수 있게 한다. 무균 드레이프의 반대 측에서, 의료 기기는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 무균 필드)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.
D. 의료 기기
도 13은 페어링된 기기 드라이버를 갖는 예시적인 기기를 도시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기기들과 마찬가지로, 의료 기기(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 몸체) 및 기기 베이스(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호 작용을 위한 그 의도된 설계로 인해 "기기 핸들"이라고도 또한 지칭되는 기기 베이스(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기기 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 감합하도록 설계된 회전 가능한 구동 입력부(73), 예를 들면 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래치, 및/또는 결합될 때, 기기 베이스(72)의 감합된 구동 입력부(73)는 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로 토크의 전달이 가능하도록 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)와 회전축을 공유할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 감합하도록 설계된 스플라인을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예를 들어 내시경 검사에서와 같이 해부학적 개구부 또는 루멘을 통해 또는, 예를 들어 복강경 검사에서와 같이 최소 침습성 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(66)는 가요성(예를 들면, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예를 들면, 복강경과 유사한 특성을 가짐) 중 어느 하나일 수 있으며, 또는 가요성 부분과 강성 부분 양자 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경 검사용으로 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 적어도 1의 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로 형성된 관절형 손목(jointed writst)으로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 응답하여 구동 입력부가 회전함에 따라 힘줄(tendon)로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는 예를 들면, 그래스퍼(grasper) 또는 가위와 같은 외과용 툴 또는 의료 기기에 연결될 수 있다. 내시경 검사용으로 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 기초하여 관절 운동될 수 있고 굽혀질 수 있는 조종 가능한 또는 제어 가능한 굽힘 섹션(bending section)을 포함할 수 있다.
기기 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71)를 따라 힘줄을 사용하여 세장형 샤프트(71)의 하류로 전달된다. 풀 와이어(pull wires)와 같은 이들 개별 힘줄은 기기 핸들(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 핸들(72)로부터, 힘줄은 세장형 샤프트(71)를 따라 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)의 하류로 유도되며, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에 또는 세장형 샤프트의 원위 부분에서 손목에 고정된다. 복강경 검사, 내시경 검사, 또는 하이브리드 시술과 같은 시술 중에, 이들 힘줄은 손목, 그래스퍼, 또는 가위와 같은, 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 이러한 배치 하에서, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄에 장력을 전달하게 되며, 그에 의해 엔드 이펙터가 소정 방식으로 작동하게 한다. 몇몇 실시예에서, 외과 시술 중에, 힘줄은 조인트를 축을 중심으로 회전시킬 수 있으며, 그에 의해 엔드 이펙터를 일 방향 또는 타 방향으로 이동시킬 수 있다. 혹은, 힘줄은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 그래스퍼의 하나 이상의 조(jaw)에 연결될 수 있는데, 힘줄로부터의 장력은 그래스퍼가 닫히게 한다.
내시경 검사에서, 힘줄은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 세장형 샤프트(71)를 따라 (예를 들면, 원위 단부에) 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄의 하류로 전달되며, 그래서 보다 연질의 굽힘 섹션(때로는 관절 운동 가능 섹션 또는 영역으로도 지칭됨)이 굽혀지거나 관절 운동하게 한다. 비굽힘 섹션을 따라서, 풀 와이어의 장력으로 인해 발행하는 반경방향의 힘을 균형화하기 위해 개별 힘줄을 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 내부에서) 안내하는 개별 풀 루멘(pull lumens)을 나선형 또는 나선으로 하는 것이 유리할 수 있다. 나선의 각도 및/또는 그 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경되거나 설계될 수 있는데, 보다 타이트한 나선은 하중력(load force) 하에서 보다 적은 샤프트 압축을 나타내는 하편, 보다 적은 양의 나선은 하중력 하에서 보다 큰 샤프트 압축을 발생하지만 또한 굽힘을 제한한다. 스펙트럼의 타단에서, 원하는 굽힘 또는 관절 운동 가능 섹션에서 제어된 관절 운동이 가능하도록 풀 루멘은 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경 검사에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 시술을 보조하기 위한 다수의 컴포넌트를 수용한다. 샤프트는 외과용 툴(또는 의료 기기), 관주, 및/또는 흡인을 샤프트(71)의 원위 단부의 수술 영역에 전개하기 위한 작업 채널을 포함할 수 있다. 샤프트(71)는, 광학 카메라를 포함할 수 있는 원위 선단(distal tip)의 광학 조립체에/로부터 신호들을 전송하기 위해 와이어 및/또는 광섬유를 또한 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 발광 다이오드와 같은 근위에 위치한 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 운반하기 위한 광섬유를 또한 수용할 수 있다.
기기(70)의 원위 단부에서, 원위 선단은 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 툴을 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구부를 또한 포함할 수 있다. 원위 선단은 내부의 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위해 파이버스코프(fiber scope) 또는 디지털 카메라와 같은 카메라용 포트를 또한 포함할 수 있다. 관련하여, 원위 선단은 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트도 또한 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 구동 샤프트의 축, 및 그에 따른 구동 입력부의 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 하지만, 이 배치는 세장형 샤프트(71)의 롤 능력(roll capabilities)을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지하면서 세장형 샤프트(71)를 그 축을 따라 롤링(rolling)하는 것은 힘줄이 구동 입력부(73)로부터 연장되어 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어갈 때 바람직하지 않은 힘줄의 뒤엉킴을 초래한다. 이러한 힘줄의 결과적인 뒤엉킴은 내시경 검사 시술 중에 가요성의 세장형 샤프트의 움직임을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 혼란시킬 수 있다.
도 14는 구동 유닛의 축들이 기기의 세장형 샤프트 축에 평행한, 기기 드라이버 및 기기의 대체의 설계를 도시한다. 도시된 바와 같이, 원형의 기기 드라이버(80)는 로봇 아암(82)의 단부에서 그 구동 출력부(81)가 평행하게 정렬된 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛 및 그 각각의 구동 출력부(81)는 회전 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동되는 기기 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 수용된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기기 드라이버의 비회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 브러시형 슬립 링(brushed slip ring) 연결(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접점을 통해 기기 드라이버(80)의 비회전 부분(84)으로부터 회전 조립체(83)로 전력 및 제어 신호들이 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 회전 불가능 부분(84)에 통합되며 그에 따라 다른 구동 유닛들과 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기기 드라이버(80)가 구동 유닛 및 그 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기기 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키게 할 수 있다.
앞서 개시된 실시예들과 마찬가지로, 기기(86)는 세장형 샤프트 부분(88) 및 기기 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성된 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 (논의 목적으로 투명한 외부 스킨으로 도시된) 기기 베이스(87)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예들과 달리, 기기 샤프트(88)는 도 13의 설계에서와 같이 직교하는 것이 아니라 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 축으로 기기 베이스(87)의 중심으로부터 연장된다.
기기 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기기 베이스(87)와 기기 샤프트(88)를 포함하는 의료 기기(86)는 기기 드라이버 축(85)을 중심으로 회전 조립체(83)와 함께 회전한다. 기기 샤프트(88)는 기기 베이스(87)의 중심에 위치되므로, 기기 샤프트(88)는 부착될 때 기기 드라이버 축(85)과 동축을 이룬다. 그래서, 회전 조립체(83)의 회전은 기기 샤프트(88)가 그 자신의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 또한, 기기 베이스(87)가 기기 샤프트(88)와 함께 회전하므로, 기기 베이스(87)의 구동 입력부(89)에 연결된 어떠한 힘줄도 회전 중에 뒤엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기기 샤프트(88)의 축들의 평행성은 어떠한 제어 힘줄의 뒤엉킴도 없이 샤프트의 회전을 가능케 한다.
E. 탐색 및 제어
전통적인 내시경 검사는 수술자인 의사에게 관내 안내(endoluminal guidance)를 제공하기 위해 (예를 들면, C 아암을 통해 제공될 수 있는) 형광 투시법 및 다른 형태의 방사선 기반의 이미징 방식을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 의해 구상되는 로봇 시스템은 방사선에 대한 의사의 노출을 저감시키고 수술실 내의 장비의 수량을 저감시키기 위해 비방사선 기반의 내비게이션 및 위치 특정 수단을 제공할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "위치 특정(localization)"이라는 용어는 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기술이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 방사선 기반의 이미징 방식이 여전히 사용되는 다른 경우에서는, 방사선 기반의 이미징 방식을 통해서만 획득되는 정보를 개선하기 위해 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터가 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기기의 위치와 같은 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치 특정 시스템을 예시하는 블록도이다. 위치 특정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 디바이스의 세트일 수 있다. 컴퓨터 디바이스들은 위에서 논의된 하나 이상의 컴포넌트의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터 가독 메모리에 의해 실시될 수 있다. 한정이 아니라 예로서, 컴퓨터 디바이스들은 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 침대 등에 있을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 위치 특정 시스템(90)은 의료 기기의 원위 선단에 대한 위치 데이터(96)를 생성하기 위해 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치 특정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임에 대한 기기의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 로직일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 전자계 발생기(전자계 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)와 같은 알려진 물체에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 보다 상세히 설명된다. 수술 전 매핑은 저선량 CT 스캔의 컬렉션의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술 전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되는데, 이들 이미지는 예를 들면, 환자의 내부 해부학적 구조의 절취도(cutaway view)의 "슬라이스"로 시각화된다. 종합적으로 분석될 때, 환자의 폐(lung) 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 강(cavities), 공간, 및 구조에 대한 이미지 기반의 모델이 생성될 수 있다. 모델 데이터(91)(수술 전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때에는 "수술 전 모델 데이터"라고도 또한 지칭됨)로 지칭되는 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨을 작성하기 위해 중심선 지오메트리(center-line geometry)와 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정 및 근사화될 수 있다. 중심선 지오메트리의 사용은 미국 특허 출원 제14/523,760호에 논의되어 있으며, 상기 특허 출원의 내용은 그 전체가 본 명세서에 통합되어 있다. 네트워크 토폴로지 모델도 또한 CT 이미지로부터 도출될 수 있으며, 특히 기관지 내시경 검사에 적합하다.
몇몇 실시예에서, 기기에는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라가 구비될 수 있다. 위치 특정 모듈(95)은 하나 이상의 비전 기반의 위치 추적을 가능케 하기 위해 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술 전 모델 데이터는 의료 기기(예를 들면, 내시경 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기기의 전진)의 컴퓨터 비전 기반의 추적을 가능케 하기 위해 비전 데이터(92)와 연계되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터(91)을 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상되는 이동 경로에 기초한 모델로부터 예상되는 내시경 이미지의 라이브러리를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 위치에 링크된다. 수술 중에, 이 라이브러리는 위치 특정을 지원하기 위해 카메라(예를 들면, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전 기반의 추적 기법은 카메라의 움직임 및 그에 따른 내시경의 움직임을 결정하기 위해 특징 추적(feature tracking)을 사용한다. 위치 특정 모듈(95)의 몇몇 특징은 해부학적 루멘에 대응하는 수술 전 모델 데이터(91) 내의 원형의 기하학적 구조를 식별하고 이들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 루멘이 선택되었는지 뿐만 아니라 카메라의 상대적인 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 토폴로지 맵의 사용은 비전 기반의 알고리즘 또는 기법을 더욱 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전 기반의 기법인 광학 흐름(optical flow)은 카메라의 움직임을 유추하기 위해 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출, 객체 세그멘테이션 계산, 휘도, 모션 보상 인코딩, 스테레오 디스패리티 측정 등을 포함할 수 있다. 복수 회의 반복에 걸친 복수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 움직임 및 위치가 결정될 수 있다.
위치 특정 모듈(95)은 수술 전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 등록될 수 있는 글로벌 좌표계에서의 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기기(예를 들면, 내시경 검사 툴)에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 EM 센서(또는 트래커)는 알려진 위치에 배치된 하나 이상의 정적 전자계(EM field) 발생기에 의해 발생된 전자계의 변동을 측정한다. EM 센서들에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. 전자계 발생기(또는 송신기)는 내장 센서가 검출할 수 있는 저강도(low intensity) 자계를 발생시키기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자계는 EM 센서의 센서 코일에 작은 전류를 유도하는데, 이는 EM 센서와 전자계 발생기 사이의 거리와 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술 전 모델의 위치와 일치시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 수술 전 모델)에 수술 중에 "등록"될 수 있다. 등록되고 나면, 의료 기기의 하나 이상의 위치(예를 들면, 내시경의 원위 선단)에 내장된 EM 트래커가 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기기의 진행 상황의 실시간 표시를 제공할 수 있다.
로봇 시스템에 위치 특정 데이터(96)를 제공하기 위해 위치 특정 모듈(95)에 의해 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)가 또한 사용될 수 있다. 관절 운동 명령으로 인해 발생하는 디바이스의 피치 및 요(yaw)는 수술 전 교정 중에 결정될 수 있다. 수술 중에, 이들 교정 측정치는 기기의 위치를 추정하기 위해 알려진 삽입 깊이 정보와 합동으로 사용될 수 있다. 혹은, 이들 계산은 네트워크 내에서 의료 기기의 위치를 추정하기 위해 EM, 비전, 및/또는 토폴로지 모델링과 합동으로 분석될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치 특정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되지는 않았으나, 형상 감지 섬유(image-sensing fiber)를 이용하는 기기는 위치 특정 모듈(95)이 기기의 위치 및 형상을 결정하기 위해 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치 특정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합하여 사용할 수 있다. 몇몇 경우에, 이러한 조합은 위치 특정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰도 가중치를 할당하는 확률적 접근법을 사용할 수 있다. 그래서, (EM 간섭이 존재하는 경우일 수 있는) EM 데이터가 신뢰할 수 없는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도는 저하될 수 있으며, 위치 특정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 보다 심하게 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 상기 기술들 중 하나 이상의 기술의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 침대 및/또는 카트를 기반으로 한 로봇 시스템의 컴퓨터 기반의 제어 시스템은, 실행시 시스템이 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에서 제어 신호들을 생성하며, 글로벌 좌표계 내에서의 기기의 위치, 해부학적 맵 등과 같은 내비게이션 및 위치 특정 데이터를 디스플리이하게 하는 컴퓨터 프로그램 명령어들을 예를 들면, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체 내에 저장할 수 있다.
2. 내비게이션 경로 추적
본 발명의 실시예들은 내비게이션 경로 추적을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 내비게이션 경로 추적은 의료 기기가 루멘 네트워크를 통해 내비게이션됨에 따라 기기의 이력 경로(예를 들면, 이동 경로)를 나타내는 시각적 표지(visual indicia)를 생성 및 디스플레이하는 데 사용될 수 있다. 기기가 루멘 네트워크를 통해 내비게이션됨에 따라, 기기의 위치가 결정될 수 있고 기기의 위치를 나타내는 시각적 표지가 디스플레이될 수 있다(예를 들면, 플롯되거나 또는 달리 디스플레이됨). 시각적 표지는 루멘 네트워크의 어느 부분이 기기에 의해 이미 탐색되었는지 또는 내비게이션되었는지를 시각화함에 있어서 사용자에게 도움을 줄 수 있다. 시각적 표지는 루멘 네트워크의 형상을 시각화하고 및/또는 루멘 네트워크의 수술 전 모델을 확장하는 데에도 또한 사용될 수 있다.
A. 예시적인 루멘 네트워크 및 수술 전 모델
도 16은 본 명세서에 기재된 내비게이션 경로 추적 방법 및 시스템을 사용하여 내비게이션될 수 있는 환자의 예시적인 루멘 네트워크(130)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 루멘 네트워크(130)는 환자의 폐 내부의 기도의 기관지 네트워크이다. 도시된 바와 같이, 루멘 네트워크(130)는 분기형 구조로 배열된 복수의 루멘(132)을 포함한다. 도시된 루멘 네트워크(130)는 복수의 분기형 루멘(132)을 포함하고 있으나, 몇몇 경우에서, 루멘 네트워크(13)는 단일 루멘(132)만을 포함할 수도 있다. 즉, 몇몇 경우에서, 루멘 네트워크(130)는 루멘(132)의 분기형 배열을 포함할 필요가 없다. 예시의 편의상, 도 16은 루멘 네트워크(130)를 2차원 구조로 나타낸다. 이는 어떠한 방식으로든 본 발명을 2차원 루멘 네트워크로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 일반적으로, 루멘 네트워크(130)는 3차원 구조를 포함한다.
특정 루멘 네트워크(130)가 도 17에 도시되어 있으나, 본 명세서에 기재된 내비게이션 경로 추적 방법 및 시스템은 매우 다양한 루멘 네트워크(130)의 내비게이션 중에 구현될 수 있다. 이러한 루멘 네트워크(130)는 예를 들면, 기관지 네트워크, 신장 네트워크, 심혈관 네트워크(예컨대, 동맥 및 정맥), 위장관, 요로 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 내비게이션 경로 추적 방법 및 시스템은 분기형 및 비분기형 양자 모두의 루멘 네트워크(130)의 내비게이션 중에 구현될 수 있다.
도 17은 도 16의 루멘 네트워크(130)의 예시적인 수술 전 모델(150)을 도시한다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 몇몇 경우에, 수술 전 모델은 루멘 네트워크(130)를 통한 의료 기기의 내비게이션을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 내비게이션 전에 및/또는 내비게이션 중에 사용자에게 디스플레이될 수 있다.
수술 전 모델(150)은 의료 기기에 의해 내비게이션되고 있는 루멘 네트워크(130)의 하나 이상의 부분을 나타낼 수 있다. 몇몇 구현예에서, 수술 전 모델(150)은 다양한 수술 전 이미징 및 매핑 기법들 중 하나 이상을 사용하여 루멘 네트워크의 내비게이션 전에 생성될 수 있다. 일례로서, 수술 전 매핑은 저선량 CT 스캔의 컬렉션의 사용을 통해 달성될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 수술 전 CT 스캔은 환자의 내부의 해부학적 구조의 절취도의 "슬라이스"를 각각 나타내는 2차원 이미지들을 생성할 수 있다. 종합적으로 분석될 때, 환자의 폐 네트워크(즉, 루멘 네트워크)와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 강(cavities), 공간, 및 구조에 대한 이미지 기반의 수술 전 모델이 생성될 수 있다. 수술 전 모델(150)을 생성하기 위한 다른 방법들도 또한 가능하다.
도시된 실시예에서, 수술 전 모델(150)은 복수의 세그먼트(152)를 포함한다. 수술 전 모델(150)의 세그먼트(152)는 루멘 네트워크(130)의 루멘(132)의 적어도 일부에 대응한다. 그래서, 루멘 네트워크(130)가 루멘(132)의 분기형 배열을 포함하는 경우, 수술 전 모델(150)은 대응하는 세그먼트(152)의 분기형 배열을 포함할 수 있다. 루멘 네트워크(130)가 단일 루멘(132)을 포함하는 경우, 수술 전 모델(150)은 대응하는 단일 분기(branch)(152)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 3차원 형상의 적어도 일부에 대응하는 3차원 형상을 포함한다. 수술 전 모델(150)은 3차원 형상을 포함할 수 있으나, 도 17은 예시의 용이성을 위해 수술 전 모델(150)을 2차원 형상으로 도시하고 있다. 몇몇 경우에는, 3차원의 수술 전 모델(150)의 단면이 2차원 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다.
도 16의 루멘 네트워크(130)와 도 17의 수술 전 모델(150)을 비교하면, 몇몇 경우에, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 일부만을 나타내거나 일부에만 대응할 수 있음을 알 수 있다. 이는 루멘 네트워크(130) 상에 중첩된 수술 전 모델(150)의 도면인 도 18에 추가로 도시되어 있다. 몇몇 경우에는, 수술 전 모델(150)을 생성하는 데 사용되는 수술 전 이미징 및 매핑 기법에서의 제약이 루멘 네트워크(130) 전체에 대응하는 모델의 생성을 방지할 수 있다. 예를 들어, 루멘 네트워크 내의 특정 분기형 루멘(132)은 통상의 수술 전 이미징 및 매핑 기법으로 명확하게 묘사 및 분석될 수 없을 정도로 충분히 작을 수 있다. 이와 같이, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 완전한 표현을 제공하지 않을 수 있으며, 예를 들면 루멘 네트워크(130)의 다양한 부분을 수술 전 모델(150)에 매핑되지 않은 및/또는 표현되지 않은 상태로 남겨두게 된다.
예를 들어, 도 18에 도시 된 바와 같이, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 매핑된 부분(155)에 대응할 수 있다. 수술 전 모델(150)에 의해 표현되지 않을 수 있는 루멘 네트워크(130)의 매핑되지 않은 부분(135)은 매핑된 부분(155) 너머로 확장될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크를 포함하는 기관(organ)의 외부 표면의 표현을 또한 포함할 수 있다. 예를 들면, 폐의 경우에, 수술 전 모델은 기도의 적어도 일부 및 또한 폐의 외부 표면의 표현을 포함할 수 있다.
B. 의료 기기에 의한 루멘 네트워크의 내비게이션
도 19는 루멘 네트워크(330) 내를 내비게이션하는 의료 기기(예를 들면, 내시경(315) 및 카테터(345))의 예를 제공한다. 도시된 바와 같이, (상술한 루멘 네트워크(130)와 유사할 수 있는) 루멘 네트워크(330)는 (루멘(132)과 유사할 수 있는) 기도(350)의 분기형 구조를 포함한다. 이 예에서는, 내시경(315)이 진단 및/또는 치료를 위해 루멘 네트워크(330)를 통해 관심 영역(예를 들면, 결절(355)) 쪽으로 내비게이션(예를 들면, 안내, 유도, 이동 등)된다. 도시된 예에서, 결절(355)은 루멘 네트워크(330) 및 기도(350)의 주변부에 위치된다. 내시경(315)은 제1 직경을 가지며, 그래서 그 원위 단부는 결절(355) 주위의 보다 작은 직경의 기도를 통해서는 위치될 수 없을 수 있다. 따라서, 조종 가능한 카테터(steerable catheter)(345)가 내시경(315)의 작업 채널로부터 결절(355)까지의 잔여 거리에 걸쳐 연장될 수 있다. 조종 가능한 카테터(345)는 생검 바늘, 세포학 브러시(cytology brush), 조직 샘플링 겸자 등과 같은 기기들이 결절(355)의 타겟 조직 부위로 통과될 수 있는 루멘을 가질 수 있다. 이러한 구현예에서는, 내시경(315)의 원위 단부와 조종 가능한 카테터(345)의 원위 단부 양자 모두에 기도(350) 내에서의 그 위치를 추적하기 위한 EM 기기 센서(또는 다른 위치 센서)가 구비될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 내시경(315)의 전체 직경이 조종 가능한 카테터(345) 없이도 주변부에 도달할 만큼 충분히 작을 수 있으며, 또는 조종 불가능한 카테터를 통해 의료 기기를 전개할 수 있도록 주변부에 근접(예를 들면, 2.5 내지 3cm 이내)할 만큼 충분히 작을 수 있다. 내시경(315)을 통해 전개되는 의료 기기에는 EM 기기 센서(또는 다른 위치 센서)가 구비될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 19의 예에서, 결절(355)은 루멘 네트워크(330)의 주변부에 위치된다. 이는 수술 전 모델(150)에 의해 표현되지 않은 루멘 네트워크(330)의 영역에 있을 수 있다. 즉, 결절(355)은 몇몇 경우에 루멘 네트워크(130, 330)의 매핑되지 않은 부분(135) 내에 위치될 수 있다.
도 20은 예시적인 의료 기기(400)의 원위 단부의 상세도를 도시한다. 의료 기기(400)는 도 19의 내시경(315) 또는 조종 가능한 카테터(345)를 나타낼 수 있다. 의료 기기(400)는 도 1의 내시경(13), 도 3의 요관경(32), 도 9의 복강경(59) 등과 같은 본 발명의 전체에 걸쳐 기재된 임의의 의료 기기를 나타낼 수 있다. 도 19에서, 기기(400)의 원위 단부는 이미징 디바이스(415), 조명원(illumination sources)(410), 및 EM 기기 센서를 형성하는 EM 센서 코일들(405)의 단부들을 포함한다. 원위 단부는 기기의 작업 채널(420)로의 개구부를 또한 포함하는데, 이를 통해 생검 바늘, 세포학 브러시, 겸자 등과 같은 외과(또는 의료) 기기가 기기 샤프트를 따라 삽입될 수 있으며, 그래서 기기의 선단 근처의 영역에 대한 접근을 가능케 할 수 있다.
기기(400)의 원위 단부에 위치된 EM 코일(405)(EM 위치 센서(405)로도 지칭됨)은 루멘 네트워크 내에 위치되어 있는 동안 기기(400)의 원위 단부의 위치 및 배향을 검출하기 위해 EM 추적 시스템(아래 설명된 도 21 참조)과 함께 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코일들(405)은 상이한 축들을 따라 전자계(EM fields)에 대한 감도를 제공하도록 각도를 가질 수 있으며, 그래서 개시된 내비게이션 시스템에 전체 6의 자유도(degree of freedom: DoF): 즉, 3개의 위치 DoF 및 3개의 각도 DoF를 측정하는 능력을 부여한다. 다른 실시예들에서는, 단일 코일(405)만이 그 축이 기기 샤프트를 따라 배향된 상태로 원위 단부 상에 또는 원위 단부 내에 배치될 수 있다. 이러한 시스템의 회전 대칭성으로 인해, 그 축을 중심으로 한 롤(roll)에는 영향을 받지 않을 수 있으며, 그래서 이러한 구현예에서는 5의 자유도만이 검출될 수 있다. EM 코일들은 EM 데이터(93)(도 15 참조)를 제공하도록 구성될 수 있는데, 이 EM 데이터(93)로부터 내비게이션 및 위치 특정 시스템(90)이 기기의 위치를 결정 또는 추정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, EM 코일들(405)은 기기(400)의 위치를 검출하기 위한 다른 유형의 위치 센서로 대체되거나 이에 부가적으로 사용될 수 있다.
도 21은 EM 코일들(405)에 의해 생성된 EM 데이터(93)에 기초하여 의료 기기의 위치를 결정하기 위한 예시적인 전자기(EM) 시스템(500)의 특정 컴포넌트들을 도시한다. 시스템(500)은 기기(400) 상에 위치된 전자계 발생기(EM field generator)(510) 및 EM 코일들(405)을 포함할 수 있다. 시스템(500)은 환자를 지지하기 위한 테이블을 포함하는 작동 환경에서 구현될 수 있다. 소정의 부가적인 디바이스들/요소들도 또한 포함될 수 있으나, 도 21에는 도시되지 않았다. 예를 들어, 환경은: 의료 기기의 이동을 안내하도록 구성된 로봇 시스템, 외과용(또는 의료용) 로봇 시스템의 작동을 제어하기 위한 커맨드 센터/콘솔, 및 EM 컨트롤러를 또한 포함할 수 있다. EM 컨트롤러는 전자계를 발생시키기 위한 제어 신호들을 전자계 발생기(510)에 제공하기 위해 전자계 발생기(510)에도 또한 연결될 수 있다. 특정 실시예들에서, EM 컨트롤러는 전자계 발생기(510), 카트(11)(도 1 참조), 타워(30)(도 1 참조) 등을 포함한, 시스템의 다른 처리 디바이스들 중 하나 이상에 부분적으로 또는 완전히 통합될 수도 있다.
포함될 때, EM 컨트롤러는 전자계를 발생시키도록 전자계 발생기(510)를 제어할 수 있다. 전자계는 변동성의 전자계일 수 있다. 전자계는 실시예에 따라, 시변성(time-varying) 및/또는 공간적으로 변할 수 있다. 전자계 발생기(510)는 도 2에 도시된 카트(11)와 유사한 카트 상에 위치될 수도 있고, 또는 하나 이상의 지지 컬럼을 통해 테이블의 레일에 부착될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 전자계 발생기(510)는 예를 들면, 도 1의 외과용(또는 의료용) 로봇 시스템(10)에 도시된 것과 유사한 로봇 아암에 장착될 수도 있는데, 이는 환자의 주변에 유연한 셋업 옵션을 제공할 수 있다.
EM 공간 측정 시스템은 EM 센서 코일, 예를 들면 (도 20에 도시된) EM 코일(405)이 내장되거나 구비된, 전자계 내의 물체의 위치를 결정할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이 EM 센서가 제어된 가변 전자계 내에 배치될 때, EM 센서에 포함된 센서 코일(들)에 전압이 유도된다. 이들 유도 전압은 EM 공간 측정 시스템에 의해 EM 센서 및 그에 따라 EM 센서를 갖는 물체의 위치 및 배향을 계산하는 데 사용될 수 있다. 전자계는 계(field) 강도가 낮고 인체 조직을 안전하게 통과할 수 있으므로, 광학 공간 측정 시스템의 가시선(line of sight)의 제약없이 물체의 위치 측정이 가능하다.
전자계는 전자계 발생기(510)의 좌표 프레임에 대해 정의될 수 있으며, 루멘 네트워크(130)의 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임은 전자계의 좌표 프레임에 매핑(또는 등록)될 수 있다. 그래서, 전자계 내에서 기기 상의 EM 기기 센서들(405)의 위치에 의해 결정되는 기기의 위치는, 위치를 결정하기 위해 수술 전 모델에 의존함이 없이 수술 전 모델의 좌표 프레임 내에서 결정될 수 있다.
그래서 시스템(500)은 위치 특정 시스템(90)에 의해 기기의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있는 EM 데이터(93)를 리턴할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 이 EM 데이터(93)는 수술 전 모델(150)에 매핑되거나 등록된 좌표 프레임 내에서의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있는 모달리티(modality)를 제공할 수 있다.
도 20으로 돌아가면, 기기(400)는 조명원(410)을 또한 포함할 수 있다. 조명원(410)은 해부학적 공간의 일부를 조명하기 위한 빛을 제공한다. 조명원은 각각 선택된 파장에서 또는 파장의 범위에서 빛을 발하도록 구성된 하나 이상의 발광 디바이스일 수 있다. 파장은 몇 가지 예를 들면, 임의의 적절한 파장, 예를 들어 가시 스펙트럼 광, 적외광, (예를 들면, 형광 투시용의) x 선일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 조명원(410)은 기기(400)의 원위 단부에 위치된 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 조명원(410)은 원격 광원, 예를 들면 x 선 발생기로부터 원위 단부를 통해 빛을 전송하기 위해 내시경의 길이에 걸쳐 연장되는 하나 이상의 광섬유(fiber optic fibers)를 포함할 수 있다. 원위 단부가 복수의 조명원(410)을 포함하는 경우, 이들은 각각 서로 동일하거나 상이한 파장의 빛을 발하도록 구성될 수 있다.
이미징 디바이스(415)는 수신된 빛을 나타내는 에너지를 전기 신호들로 변환하도록 구성된 임의의 감광성 기판 또는 구조, 예를 들면 CCD(charge-coupled device: 전하결합소자) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor: 상보형 금속산화 반도체) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(415)의 몇몇 예는 내시경의 원위 단부(400)로부터의 이미지를 나타내는 빛을 내시경의 근위 단부 근처의 접안경(eyepiece) 및/또는 이미지 센서로 전송하도록 구성된 하나 이상의 광섬유, 예를 들면 광섬유 다발(fiber optic bundle)을 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(415)는 다양한 광학 설계에 요구되는 바와 같이 하나 이상의 렌즈 및/또는 파장 통과 또는 차단 필터를 추가로 포함할 수 있다. 조명원(410)으로부터 방출된 빛은 이미징 디바이스(415)가 환자의 루멘 네트워크 내부의 이미지들을 캡처할 수 있게 한다. 이들 이미지는 그리고 나서 개별 프레임으로 또는 일련의 연속적인 프레임(예를 들면, 비디오)으로 커맨드 콘솔(200)과 같은 컴퓨터 시스템에 전송될 수 있다.
도 22는 본 명세서에 기재된 로봇 시스템의 몇몇 구현예와 함께 사용될 수 있는 예시적인 커맨드 콘솔(200)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 커맨드 콘솔(200)은 콘솔 베이스(201), 디스플레이(202)(예를 들면, 모니터), 및 하나 이상의 제어 모듈(예를 들면, 키보드(203) 및 조이스틱(204))을 포함한다. 사용자(205)(예를 들면, 의사)는 커맨드 콘솔(200)을 사용하여 인체 공학적 위치로부터 의료용 로봇 시스템(예를 들면, 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명된 시스템)을 원격 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자(205)는 환자의 루멘 네트워크 내에서 기기를 내비게이션시키기 위해 커맨드 콘솔(200)을 사용할 수 있다. 커맨드 콘솔(200)은 또한 루멘 네트워크의 내비게이션을 돕는 데 사용될 수 있는 정보를 사용자(205)에게 디스플레이할 수 있다.
디스플레이(202)는 전자 모니터(예를 들면, LCD 디스플레이, LED 디스플레이, 터치 감응 디스플레이), 가상 현실 뷰잉 디바이스(예를 들면, 고글 또는 안경), 및/또는 다른 디스플레이 디바이스를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 디스플레이(202)는 환자의 루멘 네트워크(130)의 수술 전 모델(150)을 디스플레이할 수 있다. 디스플레이(202)는 루멘 네트워크(130) 내에서 기기 상에 위치된 카메라 또는 다른 감지 디바이스로부터 수신되는 이미지 정보를 또한 디스플레이할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 외과 또는 의료 시술의 상태를 나타내는 것을 돕기 위해 기기의 모델 또는 표현에 수술 전 모델(150)이 디스플레이된다.
몇몇 실시예에서, 콘솔 베이스(201)는 예를 들어, 환자의 루멘 네트워크 내에 위치된 의료 기기로부터의 카메라 이미지 및 추적 센서 데이터와 같은 신호들을 해석 및 처리하는 것을 담당하는 중앙 처리 장치(CPU 또는 프로세서), 메모리 유닛(컴퓨터 가독 메모리), 데이터 버스, 및 관련 데이터 통신 포트들을 포함한다. 몇몇 경우에, 아래에 설명되는 내비게이션 경로 추적 방법은 콘솔 베이스(201)의 프로세서에 의해 실행된다. 콘솔 베이스(201)는 또한 제어 모듈(203, 204)을 통해 사용자(205)에 의해 제공되는 명령(commands) 및 명령어(instructions)를 처리할 수 있다. 도 22에 도시된 키보드(203)와 조이스틱(204) 외에, 제어 모듈은 컴퓨터 마우스, 트랙패드, 트랙볼, 컨트롤 패드, 핸드헬드 리모콘(handheld remote controllers)과 같은 컨트롤러, 및 손 제스처와 손가락 제스처를 캡처하는 센서(예를 들면, 모션 센서 또는 카메라)와 같은 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 컨트롤러는 기기의 동작(예를 들면, 관절 운동, 구동, 관주(water irrigation) 등)에 매핑된 사용자 입력(예를 들면, 버튼, 조이스틱, 방향성 패드 등) 세트를 포함할 수 있다. 콘솔 베이스(200)의 제어 모듈(203, 204)을 사용하여, 사용자(205)는 루멘 네트워크(130)를 통해 기기를 내비게이션시킬 수 있다.
A. 예시적인 내비게이션 경로 추적 방법 및 시스템
도 23a는 예시적인 내비게이션 경로 추적 프로세스, 알고리즘, 또는 방법(100)을 나타내는 흐름도이다. 방법(100)은 도 1 내지 도 15에 도시된 로봇 시스템 및 다른 로봇 시스템과 같은 특정 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 방법(100)은 도 15의 내비게이션 또는 위치 특정 시스템(90)과 같은, 내비게이션 시스템에서 또는 내비게이션 시스템에 의해 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 하나 이상의 컴퓨터 디바이스가 방법(100)을 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 디바이스들은 위에서 논의된 하나 이상의 컴포넌트 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터 가독 메모리에 의해 실시될 수 있다. 컴퓨터 가독 메모리는 방법(100)을 수행하기 위해 프로세서(들)에 의해 실행될 수 있는 명령어들을 저장할 수 있다. 명령어들은 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 예로서 비한정적으로, 컴퓨터 디바이스들은 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 침대, 도 22에 도시된 커맨드 콘솔(200) 등에 있을 수 있다.
방법(100)(또는 방법(100)을 내장하는 시스템)은 (도 16의 루멘 네트워크(130)와 같은) 루멘 네트워크 내에 위치된 의료 기기의 위치(예를 들면, 이력 위치 및/또는 현재 위치)를 나타내는 시각적 표지(예를 들면, 도 25 내지 도 27 참조)를 제공(예를 들면, 플롯 또는 달리 디스플레이)하도록 구성될 수 있다. 시각적 표지는 의료 기기가 루멘 네트워크를 내비게이션함에 따라 의료 기기가 이동한 경로를 나타낼 수 있다. 시각적 표지는 (도 22의 디스플레이(202)와 같은) 사용자 디스플레이를 통해 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 디스플레이된 시각적 표지는 사용자에게 의료 기기에 의해 내비게이션된 루멘 네트워크의 하나 이상의 부분의 시각화(visualization)를 제공할 수 있다. 시각적 표지는 루멘 네트워크의 수술 전 모델을 확장하는 데에도 또한 사용될 수 있다. 방법(100)의 몇몇 구현예에서 달성되는 이들 및 다른 특징들이 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
내비게이션 경로 추적 방법(100)은 블록 101에서 시작한다. 방법(100)은 예를 들면, 의료 기기가 예를 들면, 도 21에 도시된 바와 같이 루멘 네트워크(130)를 통해 내비게이션될 때에 실행될 수 있다. 방법(100)은 그래서, 몇몇 실시예에서는, 의료 기기가 루멘 네트워크(130) 내로 도입될 때 트리거될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방법(100)은 자동으로 트리거될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 방법(100)은 예를 들어, 사용자 입력 또는 명령이 수신될 때 수동으로 트리거될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 방법(100)은 (기관지 네트워크, 신장 네트워크, 심혈관 네트워크(예를 들면, 동맥 및 정맥) 등과 같은) 분기형 루멘 네트워크 및 (위장관, 요로 등과 같은) 비분기형(예를 들면, 단일 루멘) 루멘 네트워크를 포함한, 매우 다양한 루멘 네트워크의 내비게이션용으로 구현될 수 있다.
블록 103에서, 방법(100)은 수술 전 모델(예를 들면, 수술 전 모델(150))을 디스플레이하는데, 이는 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 예를 들면, 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 수술 전 모델(150)은 다양한 이미징 및 매핑 기법을 사용하여 수술 전에(현재 시술 전에) 생성될 수 있다. 수술 전 모델(150)은 3D 모델을 포함할 수 있다. 수술 전 모델(150)은 메모리로부터 검색될 수 있다. 수술 전 모델(150)은 예를 들어, 도 15를 참조하여 설명된 수술 전 모델 데이터(91)로서 메모리에 저장될 수 있다. 수술 전 모델(150)은 루멘 네트워크(130)의 적어도 일부를 나타내거나 이에 대응할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 수술 전 모델(150)은 도 18에 도시된 바와 같이 루멘 네트워크(130)의 매핑된 부분(155)을 나타낼 수 있으며 이에 대응할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 루멘 네트워크(130)의 매핑되지 않은 부분(135)(도 18 참조)은 수술 전 모델(150)에 의해 표현되지 않을 수 있다. 수술 전 모델(150)은 사용자 디스플레이(예를 들면, 사용자 디스플레이(202)) 상에 디스플레이될 수 있다. 사용자 디스플레이는 커맨드 콘솔(200) 또는 다른 디바이스의 일부일 수 있다.
수술 전 모델(150)이 디스플레이되고 나면, 방법(100)은 블록 105로 이동한다. 블록 105에서, 방법(100)은 수술 전 모델(150)에 대한 의료 기기의 위치를 결정하는데, 이는 예를 들면, 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대한 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 위치는 위에서 설명되고 도 15에 도시된 내비게이션 또는 위치 특정 시스템(90)을 사용하여 결정 또는 추정된다. 위치 특정 시스템(90)은 기기의 위치를 결정 또는 추정하기 위해 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 다양한 기술 또는 모달리티를 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 몇몇 경우에는, 방사선 기반의 이미징 모달리티(예를 들면, 형광 투시법)가 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 방사선 기반의 이미징 모달리티는 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및/또는 로봇 명령 데이터에 의해 보완될 수 있다.
상술한 바와 같이, 위치 특정 시스템(90)은 의료 기기에 대한 위치 데이터(96)(예를 들면, 위치 날짜(96)는 기기의 원위 선단의 위치를 나타낼 수 있음)를 생성하기 위해 다양한 모달리티로부터의 복수의 유형의 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치 특정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 다양한 유형의 입력 데이터는 예를 들면, 상술한 바와 같이 수술 전 모델 데이터(91)(예를 들면, 수술 전 모델(150)), 비전 데이터(92), EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터), 형상 감지 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 경우에, 위치 특정 시스템(90)은 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰도 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법을 사용할 수 있다. 그래서, 한 가지 유형의 데이터가 (다양한 이유로) 신뢰할 수 없는 경우에, 그 유형의 데이터에 의해 결정된 위치의 신뢰도는 감소될 수 있으며, 위치 특정 모듈(95)은 기기의 위치를 결정함에 있어서 다른 유형의 데이터에 더 크게 의존할 수 있다.
위치 특정 시스템(90)은 기기의 위치를 나타내는 위치 데이터(96)를 제공한다. 위치 데이터(96)는 수술 전 모델(150)에 등록된 좌표 프레임에 제시될 수 있으며, 그래서 수술 전 모델(150)에 대한 기기의 위치가 결정될 수 있다. 예를 들어, EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터)는 상술한 바와 같이 수술 전 모델(150)에 등록될 수 있으며, 그래서 EM 데이터에 의해 결정된 위치는 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임 내에 제시될 수 있다. 몇몇 경우에, 다양한 다른 모달리티(예를 들면, 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)) 중 하나 이상이 모델(150)의 좌표 프레임에 또한 등록될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 위치 데이터(96)는 디스플레이들(202) 중 하나에서 사용자(205)에게 디스플레이될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서, 위치 특정 모달리티 중 소정의 것은 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 매핑되는 루멘 네트워크(130)의 부분 내에 위치될 때에만 이용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 비전 데이터(92)는 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치될 때에만 기기에 대한 위치 추정치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 몇몇 실시예에서, 비전 데이터(92)에 기초하여 위치를 결정하는 것은 수술 전 모델 데이터(91)에도 또한 부분적으로 의존하기 때문일 수 있다. 예를 들어, 비전 데이터(92)는 위치를 결정하기 위해 수술 전 모델 데이터(91)와 비교될 수 있다. 수술 전 모델(150)의 외부에서, 비전 데이터(92)는 몇몇 실시예에서 신뢰할 수 없는 위치 추정치를 제공할 수 있다. 유사하게, 몇몇 실시예에서, 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)는 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치될 때에만 기기에 대한 위치 추정치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 몇몇 실시예에서, 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 기초하여 위치를 결정하는 것은 수술 전 모델 데이터(91)에도 또한 부분적으로 의존하기 때문일 수 있다. 예를 들어, 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)는 위치를 결정하기 위해 수술 전 모델 데이터(91)와 연계될 수 있다. 수술 전 모델(150)의 외부에서, 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)는 몇몇 실시예에서 신뢰할 수 없는 위치 추정치를 제공할 수 있다.
대조적으로, 몇몇 실시예에서, 위치 특정 모달리티 중 소정의 것은 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 매핑되는 루멘 네트워크(130)의 부분 내에 위치되는지 여부에 관계없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터)는 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 매핑되는 루멘 네트워크(130)의 부분 내에 위치되는지 여부에 관계없이 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임에 등록되는 것을 제외하고는, EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터)의 위치 결정이 수술 전 모델 데이터(91)에 독립적일 수 있기 때문이다.
다른 예로서, 몇몇 실시예에서, 비전 데이터(92)와 로봇 및 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)는 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치되는지 여부에 종속적이지 않은 내비게이션 모달리티를 제공할 수 있다. 예를 들어, 비전 알고리즘 또는 모듈은 기기 상의 이미징 디바이스(415)로부터 수신된 이미지들을 분석하여 루멘으로의 하나의 개구부를 검출할 수 있다. 로봇 명령 및 운동학 알고리즘 또는 모듈은 루멘을 통한 기기의 이동(movement)을 분석하여 기기의 이동 길이(travel length)를 추정할 수 있다. 이들 모달리티는 수술 전 모델(150)을 기초로 하지 않는 위치 추정치를 생성하기 위해 결합될 수 있다. 몇몇 경우에, 비전 데이터(92)와 로봇 및 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)는 기기 위치의 인공 또는 2차원 추정치를 생성하기 위해 결합된다.
몇몇 실시예에서는, 수술 전 모델(150) 및/또는 수술 전 모델 데이터(91)를 또한 기초로 함이 없이 (수술 전 모델에 등록된 좌표 프레임 내에서) 위치를 결정하기 위해 다른 모달리티들이 사용된다. 이들은 형광 투시법, 형상 감지 섬유(shape sensing fibers), 위치 및/또는 모션 센서 등을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 블록 105에서, 방법(100)은 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 표현되는 루멘 네트워크(130)의 부분의 내부에 또는 외부에 위치되는지를 결정한다. 몇몇 실시예에서, 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 표현되는 루멘 네트워크(130)의 부분 내에 위치되는 경우, 위치는 수술 전 모델 데이터(91)에 종속적인 모달리티 및/또는 수술 전 모델 데이터(91)에 종속적이지 않은 모달리티를 사용하여 (예를 들면, 수술 전 모델(150)에 매핑된 좌표 프레임 내에서) 수술 전 모델(150)에 대해 결정된다. 몇몇 실시예에서, 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 표현되는 루멘 네트워크(130)의 부분의 외부에 위치되는 경우, 위치는 수술 전 모델 데이터(91)에 종속적이지 않은 모달리티를 사용하여 (예를 들면, 수술 전 모델(150)에 매핑된 좌표 프레임 내에서) 수술 전 모델(150)에 대해 결정된다. 몇몇 실시예에서, 수술 전 모델 데이터(91)에 종속적이지 않은 모달리티는 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임에 등록된 EM 데이터(93) 및/또는 다른 위치 센서 데이터를 포함한다.
블록 105에서 수술 전 모델에 대한 기기의 위치를 결정하고 난 후에, 방법(100)은 결정 상태(107)로 이동한다. 결정 상태(107)에서, 방법(100)은 경로 추적 모드로 진입 또는 유지할지 여부를 결정하는데, 이는 예를 들면, 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분을 지나서 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분으로 전진되었을 때를 결정하는 단계와 경로 추적 모드로 진입하는 단계를 포함할 수 있다. 도 25 내지 도 27을 참조하여, 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 경로 추적 모드에서는, 루멘 네트워크(130)를 통한 기기의 이력 경로를 나타내기 위해 시각적 표지가 디스플레이될 수 있다.
몇몇 예에서, 경로 추적 모드로 진입 또는 유지할지 여부의 결정은 적어도 부분적으로는 블록 105에서 결정된 수술 전 모델(150)에 대한 기기의 위치에 기초하여 이루어진다. 예를 들어, 방법(100)은 기기가 수술 전 모델(150)의 외부에 위치될 때 경로 추적 모드로 진입 또는 유지할 수 있다. 그래서, 몇몇 실시예에서, 방법(100)은 기기가 수술 전 모델(150)에 의해 표현되는 루멘 네트워크(130)의 매핑된 부분(155)의 외부에 있을 때 경로 추적 모드를 트리거한다.
다른 예로서, 결정 상태(decision state)(107)의 결정(determination)은 수술 전 모델(150)의 단부 또는 수술 전 모델(150)의 세그먼트의 단부에 대한 근접도에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 방법(100)은 기기가 수술 전 모델(150)의 단부 또는 수술 전 모델(150)의 세그먼트의 단부의 0.1 mm, 0.25 mm, 0.5 mm, 0.75 mm, 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 7.5 cm, 또는 10 cm 이내에 위치될 때 경로 추적 모드로 진입할 수 있다. 다른 예로서, 방법(100)은 기기가 수술 전 모델(105)의 길이 또는 수술 전 모델(150)의 세그먼트(예를 들면, 최종 세그먼트)의 길이의 1 %, 2.5 %, 5 %, 7.5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 또는 50 % 이내에 위치될 때 경로 추적 모드로 진입할 수 있다. 그래서, 몇몇 경우에는, 기기가 수술 전 모델(150) 너머로 이동되기 전에 경로 추적 모드가 트리거된다. 대체로서 또는 추가적으로, 몇몇 구현예에서, 경로 추적 모드는 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치될 때 활성화된다.
다른 예로서, 결정 상태(107)의 결정은 루멘 네트워크(130) 내에서의 기기의 이동 방향에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 경로 추적 모드는 기기가 루멘 네트워크(130) 내로 전진될 때, 루멘 네트워크(130)로 도로 후퇴될 때, 또는 양자 모두일 때 활성화된다.
다른 예로서, 결정 상태(107)의 결정은 루멘 네트워크(130) 내에서 기기에 의해 이동된 거리에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 몇몇 경우에, 경로 추적 모드는 기기가 적어도 0.1 mm, 0.25 mm, 0.5 mm, 0.75 mm, 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 7.5 cm, 또는 10 cm 이동했을 때 활성화된다. 다른 거리도 또한 사용할 수 있다.
다른 예로서, 결정 상태(107)의 결정은 경과된 시간에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 경로 추적 모드는 0.1 초, 0.25 초, 0.5 초, 0.75 초, 1 초, 1.5 초, 2 초, 2.5 초, 3 초, 4 초, 5 초, 7.5 초, 또는 10 초마다 활성화될 수 있다. 다른 기간도 또한 사용될 수 있다.
몇몇 예에서, 경로 추적 모드로 진입 또는 유지할지 여부의 결정은 적어도 부분적으로는 사용자 입력에 기초하여 이루어진다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 사용자는 원하는 바에 따라 경로 추적 모드를 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는 커맨드 콘솔(200)에서 사용자 명령을 입력함으로써 달성된다.
경로 추적 모드로 진입 또는 유지할지 여부를 결정하기 위해 다른 요인들도 또한 고려될 수 있다. 또한, 몇몇 경우에는, 결정 상태(107)에서 요인들의 조합이 고려될 수 있다.
결정 상태(107)가 경로 추적 모드로 진입 또는 유지하기로 결정하는 경우, 방법(100)은 블록 109로 이동하며, 그곳에서 시각적 표지가 생성 및/또는 디스플레이되는데, 이는 예를 들면, 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 수술 전 모델에 대한 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분에서의 기기의 원위 단부의 경로의 시각적 표지를 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 시각적 표지는 기기가 루멘 네트워크(130)를 통해 이동할 때의 기기의 이력 위치의 표시자이다. 시각적 표지는 루멘 네트워크(130)를 통한 기기의 이동 경로를 나타내는 트레일(예를 들면, 이동 경로 또는 이력 경로)을 생성할 수 있다. 시각적 표지는 디스플레이(202) 상에 디스플레이될 수 있다. 시각적 표지는 아래에서 도 25 내지 도 27을 참조하여 설명되는 바와 같이 많은 유형의 표시자를 포함할 수 있다.
블록 109에서 시각적 표지가 생성 및 디스플레이된 후에, 방법(100)은 결정 상태(111)로 이동한다. 결정 상태(111)에서, 방법은 종료할지(예를 들면, 절차가 종료되는지) 또는 계속할지(예를 들면, 절차가 계속될지) 여부를 결정한다. 결정 상태(111)가 방법(100)이 종료되어야 한다고 결정하면, 방법은 블록 113에서 종료된다. 결정 상태(111)가 방법(100)이 계속된다고 결정하면, 방법은 블록 115로 이동한다.
블록 115에서, 기기는 루멘 네트워크(130) 내에서 새로운 위치로 이동된다. 이는 루멘 네트워크(130) 내에서 기기를 전진시키거나 후퇴시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 기기를 관절 운동시킴으로써 달성할 수도 있다. 방법(100)은 그리고 나서 블록 105로 되돌아 가는데, 그곳에서 루멘 네트워크(130) 내에서의 기기의 새로운 위치가 결정된다.
도 23a에 도시된 바와 같이, 방법(100)이 계속되는 동안, 방법(100)은 기기가 루멘 네트워크 내에서 이동되고 난 후의 각각의 새로운 위치에 대해 2개의 가능한 루프를 포함한다. 결정 상태(107)가 경로 추적 모드가 활성중(active)이라고 결정하면, 루프는 새로운 위치에 대한 새로운 시각적 표지를 생성 및 디스플레이한다. 결정 상태(107)가 경로 추적 모드가 비활성중(inactive)이라고 결정하면, 새로운 시각적 표지는 생성 또는 디스플레이되지 않는다. 그래서, 결정 상태(107)에 의해 사용되는 기준은 시각적 표지를 언제 디스플레이할지를 결정하기 위해 변경될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 이들 기준은 기기가 수술 전 모델의 내부에 또는 외부에 있는지 여부, (예를 들면, 이전의 시각적 표지 이후에) 기기에 의해 이동된 거리, 이동 방향, 이전의 시각적 표시 사이의 경과 시간 등을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 기준이 시각적 표지가 생성되는 빈도(frequency)뿐만 아니라 연속적인 시각적 표지 사이의 거리를 결정하기 위해서도 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
경로 추적 방법(100)(또는 이를 구현하는 시스템)은 그래서 기기가 루멘 네트워크를 통해 이동함에 따라 기기의 이력 위치를 나타내는 시각적 표지를 생성 및 디스플레이할 수 있다. 시각적 표지가 생성 및 디스플레이됨에 따라, 기기가 이동한 루멘이 시각화될 수 있다. 이동이 이루어진 루멘에 관한 데이터는 시각적 표지와 연관되어 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 데이터 및 시각적 표지는 또한 추후 사용을 위해 저장될 수 있다. 몇몇 경우에, 수술 전 모델을 수술 전 모델에 의해 이전에 매핑되지 않은 루멘 네트워크의 부분으로 확장시키기 위해 튜브형 구조체가 시각적 표지의 둘레에 장착될 수 있다. 경로 추적 방법(100)(또는 이를 구현하는 시스템)은 루멘 네트워크의 내비게이션 및 시각화에 있어서 사용자에게 유리하게 도움을 줄 수 있다.
도 23b는 몇몇 실시예에서, 도 23a의 방법(100)의 단계 105를 수행하기 위한 예시적인 서브루틴을 도시하는 흐름도이다. 도 23b의 서브루틴은 방법(100)의 모든 구현예에 포함될 필요는 없다. 서브루틴은 루멘 네트워크(130) 내에서의 기기의 위치를 결정하는 방법을 제공한다. 서브루틴은 블록 117에서 시작한다. 결정 상태(119)에서, 서브루틴은 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치되는지 여부를 결정한다. 예를 들면, 위치 데이터(96)를 수술 전 모델의 좌표 프레임에 등록한 후에, 위치 데이터(96)는 기기가 루멘 네트워크(130)의 매핑된 부분(155) 내에 있는지 또는 매핑되지 않은 부분(135) 내에 있는지(도 18 참조)를 결정하기 위해 수술 전 모델(150)과 비교될 수 있다.
기기가 수술 전 모델(150) 내에 있는 것으로 결정되면, 서브루틴은 블록 121로 이동한다. 블록 121에서, 서브루틴은 부분적으로 수술 전 모델(150) 및/또는 수술 전 모델 데이터(91)을 기초로 한 위치(예를 들면, 위치 데이터(96))를 리턴한다. 즉, 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치될 때, 서브루틴은 수술 전 모델(150) 및/또는 수술 전 모델 데이터를 이용하는 내비게이션 모달리티에 적어도 부분적으로 기초한 위치 데이터를 리턴할 수 있다. 서브루틴은 블록 123에서 종료된다.
결정 상태(119)에서 기기가 수술 전 모델(150)의 외부에 있는 것으로 결정되면, 서브루틴은 블록 125로 이동한다. 블록 125에서, 서브루틴은 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임에 등록되는 것을 제외하고는, 수술 전 모델(150) 및/또는 수술 전 모델 데이터(91)을 기초로 하지 않는 위치를 리턴한다. 즉, 기기가 수술 전 모델(150)의 외부에 위치될 때, 서브루틴은 (그 출력이 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임에 등록된 것을 제외하고는) 수술 전 모델(150) 및/또는 수술 전 모델 데이터를 이용하지 않는 내비게이션 모달리티에 기초한 위치 데이터를 리턴할 수 있다. 이는 기기가 수술 전 모델의 외부에 위치될 수 있으며 수술 전 모델(150) 또는 수술 전 모델 날짜(91)에 의존하는 내비게이션 모달리티으로부터의 데이터가 이용 가능하지 않을 수 있기 때문일 수 있다. 서브루틴은 블록 127에서 종료된다.
결정 상태(119)를 고려하면, 서브루틴은 기기가 수술 전 모델(150) 내에 있는지 여부에 따라 다양한 내비게이션 모달리티에 기초하여 위치를 리턴한다. 기기가 수술 전 모델(150) 내에 있을 때, 기기가 수술 전 모델(150)의 외부에 있을 때보다 더 많은 수의 내비게이션 모달리티가 위치 특정 시스템(90)에 이용 가능할 수 있다.
몇몇 실시예에서, EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터)는 기기가 수술 전 모델(150) 내에 위치되는지 여부에 종속적이지 않은 내비게이션 모달리티를 제공할 수 있다. 즉, 수술 전 모델(150)의 좌표 프레임에 등록되는 것을 제외하고는, EM 데이터(93)(또는 다른 위치 센서 데이터)는 수술 전 모델(150)을 기초로 하지 않는 위치 결정을 제공할 수 있다. 그래서, EM 데이터(93)는 서브루틴의 블록 125에서 수술 전 모델을 기초로 함이 없이 위치를 리턴하는 데 사용될 수 있다.
도 24는 루멘 네트워크 내에서 기기의 내비게이션 경로를 결정하는 예시적인 프로세스, 알고리즘, 또는 방법(140)을 도시한 흐름도이다. 도 23a의 방법(100)에서와 같이, 도 24의 방법(140)은 도 1 내지 도 15에 도시된 로봇 시스템 및 다른 로봇 시스템과 같은 특정 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 방법(140)은 도 15의 내비게이션 또는 위치 특정 시스템(90)과 같은, 내비게이션 시스템에서 또는 내비게이션 시스템에 의해 구현될 수 있다.
방법(140)은 블록 141에서 시작한다. 블록 142에서, 방법(100)은 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 인터페이스 상에 디스플레이한다. 도 23a의 방법(100)을 참조하여 위에서 언급된 바와 같이, 수술 전 모델(150)은 다양한 이미징 및 매핑 기법을 사용하여 수술 전에(현재 시술 전에) 생성될 수 있다. 도 23a의 방법(100)을 참조하여 위에서 설명된 다수의 양태가 도 24의 방법(140)에도 적용 가능하며, 그래서 간결성을 위해 반복되지 않을 것이다.
블록 143에서, 방법(140)은 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대해 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 위치를 결정한다. 몇몇 실시예에서, 위치는 위에서 설명되고 도 15에 도시된 내비게이션 또는 위치 특정 시스템(90)을 사용하여 결정된다. 위치 특정 시스템(90)은 기기의 위치를 결정 또는 추정하기 위해 예를 들면, 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 형상 감지 섬유 데이터, 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터와 같은 다양한 기술 또는 모달리티를 사용할 수 있다.
블록 144에서, 방법(140)은 루멘 네트워크 내에서 기기를 이동시킨다. 이는 루멘 네트워크(130) 내에서 기기를 전진시키거나 후퇴시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 기기를 관절 운동시킴으로써 달성될 수도 있다.
블록 145에서, 방법(140)은 기기의 원위 단부가 루멘 네트워크의 매핑된 부분을 지나서 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분으로 전진되었을 때를 결정하고 경로 추적 모드로 진입한다. 경로 추적 모드에서, 루멘 네트워크(130)를 통한 기기의 이력 경로를 나타내기 위해 시각적 표시가 디스플레이될 수 있다.
블록 146에서, 방법(140)은 경로 추적 모드에 있을 때, 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 수술 전 모델에 대한 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분에서의 기기의 원위 단부의 경로의 시각적 표지를 디스플레이한다. 시각적 표지는 아래에서 도 25 내지 27을 참조하여 설명되는 바와 같이 많은 유형의 표시자를 포함할 수 있다. 방법(140)은 블록 147에서 종료된다.
C. 예시적인 내비게이션 경로 추적 출력 및 디스플레이
도 25는 시각적 표지(170)를 도시한 내비게이션 경로 추적 시스템 또는 방법의 예시적인 출력을 제공한다. 도시된 예에서, 시각적 표지(170)는 원으로 도시되어 있으나, 이는 모든 실시예에서 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 시각적 표지(170)는 점(dots), 쇄선(dashes), X, 다른 형상 등과 같은 임의의 적절한 형상 또는 마커일 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 시각적 표지(170)는 수술 전 모델(150)에 의해 표현되지 않은 루멘 네트워크(130)의 부분의 형상을 드러낼 수 있다. 즉, 기기가 루멘 네트워크(130)를 통해 이동되고 (예를 들면, 경로 추적 모드에 있을 때) 시각적 표지(170)가 플롯되거나 디스플레이됨에 따라, 시각적 표지(170)는 루멘 네트워크(130)의 형상 또는 구조의 표시를 제공할 수 있다.
도 26은 몇 가지 상이한 유형의 시각적 표지를 도시하는, 내비게이션 경로 추적 시스템 또는 방법의 다른 예시적인 출력을 제공한다. 시각적 표지는 사용자에게 다양한 유형의 정보를 제공하기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 26의 도시된 예에서, 시각적 표지(170)는 검정 색칠된 원(darkened circle)으로 도시되어 있다. 시각적 표지(170)는 루멘 네트워크의 루멘 내에서의 기기의 위치를 나타낼 수 있다. 시각적 표지(172, 174)는 삼각형으로 도시되어 있다. 시각적 표지(172, 174)는 분기(branches)가 존재하는 루멘 네트워크(130) 내에서의 기기의 위치를 나타낼 수 있다. 시각적 표지(172)는 검정 색칠된 삼각형으로 도시되는데, 이는 기기가 그 위치에서 이용 가능한 모든 분기의 하류로 이동했음을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(174)는 검정 색칠되지 않은 삼각형으로 도시되는데, 이는 그 위치로부터의 분기가 기기에 의해 아직 탐색되지 않았음을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(176, 178)는 검정 색칠되지 않은 원으로 도시되어 있다. 이 예에서, 검정 색칠되지 않은 원은 기기가 탐색한 루멘 내의 가장 원거리 지점을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(176)는 실선 윤곽을 갖는 검정 색칠되지 않은 원으로 도시되어 있다. 이는 루멘의 단부의 위치 또는 예를 들어, 기기와 루멘의 상대적 크기로 인해 기기가 루멘 내로 더 이상 진행할 수 없는 지점을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(178)는 쇄선 윤곽을 갖는 검정 색칠되지 않은 원으로 도시되어 있다. 이는 루멘이 계속되며 기기에 의해 아직 탐색되지 않았음을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(171)는 회색 원으로 도시되어 있다. 도시된 예에서, 시각적 표지(171)는 수술 전 모델 내에서의 기기의 이력 위치를 도시한다.
도 26에 도시된 다양한 시각적 표지는 예로서만 제공되며, 제한하고자 함이 아니다. 이들 예는 다양한 유형의 시각적 표지가 사용자에게 기기의 이력 위치에 관한 상이한 정보뿐만 아니라 루멘 네트워크(130)에 대한 다양한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있음을 예시한다. 다양한 시각적 표지를 나타내는 데 사용되는 특정 심벌뿐만 아니라 표현될 수 있는 정보의 유형은 폭넓게 변할 수 있다.
몇몇 경우에, 시각적 표지는 시간 경과에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 시각적 표지는 보다 최근에 이동된 부분이 이전에 이동된 부분보다 더 진하도록 시간 경과에 따라 희미해질 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 몇몇 구현예에서, 데이터(180)는 시각적 표지와 연관될 수 있다. 예를 들어, 사용자(예를 들면, 의사)는 특정의 시각적 표지와 연관된 데이터를 포함하는 노트를 작성할 수 있다. 사용자는 커맨드 콘솔(200)을 통해 데이터(180)를 입력할 수 있고, 데이터(180)는 디스플레이(202)를 통해 볼 수 있다.
또한, 방법(100)(또는 방법(100)을 구현하는 시스템)은 다양한 다른 유형의 데이터를 시각적 표지와 연관지을 수 있다. 예를 들어, 비전 데이터(예를 들면, 시각적 표지로 표현된 위치에서의 루멘의 이미지)가 시각적 표지와 연관될 수 있다. 분기가 존재하는지 여부, 루멘의 직경/크기 등과 같은, 다양한 정보가 비전 데이터로부터 도출될 수 있다.
도 27은 내비게이션 경로 추적 시스템 또는 방법의 다른 예시적인 출력을 제공하며, 내비게이션 경로 추적 시스템이 수술 전 모델(150)을 확장하는 데 사용될 수 있음을 도시한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 시각적 표시(170)는 수술 전 모델(150)을 확장하기 위해 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 경로 추적 모드는 시각적 표지(170)의 스트링을 루멘에 대응하는 것으로 식별하며, 튜브형 구조체(190)를 시각적 표지의 스트링에 장착하여 수술 전 모델(190)을 확장할 수 있다. 튜브형 구조체(190)의 직경은 루멘의 내부의 비전 데이터 또는 다른 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 그래서, 튜브형 구조체(190)는 수술 전 모델(150)을 수술 전 모델(150)에 의해 이전에 매핑되지 않은 루멘 네트워크(130)의 부분으로 확장시킨다. 확장된 수술 전 모델은 추후 시술 중에 사용하기 위해 예를 들면, 컴퓨터 가독 메모리에 저장될 수 있다.
3. 시스템 및 용어의 구현
본 명세서에 개시된 구현예들은 내비게이션 경로 추적을 위한 시스템, 방법, 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 기재된 다양한 구현예는 루멘 네트워크의 개선된 내비게이션을 제공한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 결합이라는 단어의 다른 변형은 간접 연결 또는 직접 연결을 나타낼 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트에 "결합된" 경우, 제1 컴포넌트는 다른 컴포넌트를 통해 제2 컴포넌트에 간접적으로 연결되거나 제2 컴포넌트에 직접 연결될 수 있다.
본 명세서에 기재된 위치 추정 및 로봇 모션 작동 기능은 프로세서 가독 또는 컴퓨터 가독 매체에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. "컴퓨터 가독 매체"라는 용어는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체를 지칭한다. 예로서 비한정적으로, 이러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(random access memory: RAM), 읽기 전용 메모리(read-only memory: ROM), 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능한 읽기 전용 메모리(elecrically erasable programmable read-only memory: EEPROM), 플래시 메모리, 컴팩트 디스크 읽기 전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있으며 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 기타 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 가독 매체는 유형적(tangible)이고 비일시적일 수 있음에 유의해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 "코드(code)"라는 용어는 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어, 명령어, 코드, 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 설명된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계들 및/또는 동작들은 청구범위의 범위로부터 일탈함이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 설명되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 스텝 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 스텝 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범위로부터 일탈함이 없이 변경될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "복수"라는 용어는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 컴포넌트는 2개 이상의 컴포넌트를 나타낸다. "결정하는"이라는 용어는 광범위한 동작을 포괄하며, 그래서 "결정하는"은 계산하는, 연산하는, 처리하는, 도출하는, 조사하는, 조회하는(예를 들면, 테이블, 데이터 베이스 또는 다른 데이터 구조에서 조회하는), 확인하는 것 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신하는(예를 들면, 정보를 수신하는), 액세스하는(예를 들면, 메모리의 데이터에 액세스하는) 것 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해결하는, 선택하는, 선정하는, 확립하는 것 등을 포함할 수 있다.
"에 기초하여"라는 어구는 달리 명시되지 않는 한 "에만 기초하여"를 의미하지는 않는다. 다시 말하면, "에 기초하여"라는 어구는 "에만 기초하여" 및 "적어도 ~에 기초하여" 양자 모두를 기술한다.
본 명세서에 사용된 "대략"이라는 용어는 길이, 두께, 수량, 기간, 또는 다른 측정 가능한 값들의 측정치들의 범위를 지칭한다. 이러한 측정치들의 범위는 다음과 같은 변동치들이 개시된 디바이스, 시스템, 및 기술에서 기능하기에 적합한 한, 특정 값의 및 이 특정 값으로부터 +/- 10% 이하, 바람직하게는 +/- 5% 이하, 보다 바람직하게는 +/- 1% 이하, 더욱 더 바람직하게는 +/- 0.1% 이하의 변동치들을 포함한다.
개시된 구현예들의 전술한 설명은 본 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명을 제작 또는 이용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 변경은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 자명할 것이며, 본 명세서에 정의된 포괄적인 원리는 본 발명의 범위로부터 일탈함이 없이 다른 구현예에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자는 툴 컴포넌트들의 고정, 장착, 결합, 또는 계합의 동등한 방법, 특정 작동 동작을 발생시키기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘과 같은, 다수의 대응하는 대체 및 동등한 구조적 상세 사항을 채용할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 나타낸 구현예들에 국한되도록 의도되는 것이 아니라 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르게 된다.
Claims (80)
- 실행될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 적어도:
환자의 루멘 네트워크(luminal network)의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델(preoperative model)을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하고;
상기 수술 전 모델의 매핑된 부분에 대해 상기 루멘 네트워크 내에 위치된 기기의 원위 단부의 위치를 결정하며;
상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대한 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치에 기초하여, 경로 추적 모드로 진입하고; 및
상기 경로 추적 모드에 있을 때, 상기 디스플레이된 수술 전 모델에 대해 상기 기기의 원위 단부의 경로를 나타내는 시각적 표지(visual indicia)를 상기 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게:
하는 명령어들(instructions)이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 있을 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 경로 추적 모드로 진입하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제2 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 내부에 있을 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 경로 추적 모드를 비활성화하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 수술 전 모델의 최종 세그먼트의 단부(end)의 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 또는 5 % 이내에 있을 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 경로 추적 모드로 진입하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 시각적 표지는 상기 루멘 네트워크 내에서의 상기 기기의 원위 단부의 이력 위치(historical positions)를 나타내는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 경로 추적 모드에서, 상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이에서 상기 기기가 이동한 거리에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도(frequency)를 조정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 경로 추적 모드에서, 상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티(navigation modalities)에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제8 항에 있어서,
상기 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 및 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제8 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제13 항에 있어서,
상기 비전 데이터는 상기 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금:
사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및
상기 사용자 입력 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록:
구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제16 항에 있어서,
상기 사용자 입력 데이터는:
이동이 이루어진 루멘의 표시;
이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시;
루멘의 단부의 표시;
루멘의 개구부의 표시;
현재의 루멘이 상기 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및
루멘 직경:
중 하나 이상을 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 상기 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 상기 시각적 표지에 장착하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크(branched network of lumens)를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제1 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 루멘 네트워크를 내비게이션하기 위한 로봇 시스템으로서,
세장형 몸체 및 상기 세장형 몸체의 원위 단부 상에 배치된 센서를 갖는 기기;
실행 가능 명령어들이 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 가독 메모리; 및
상기 적어도 하나의 컴퓨터 가독 메모리와 통신하며, 상기 시스템으로 하여금 적어도:
상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 수술 전 모델에 액세스하고 상기 수술 전 모델을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하며;
상기 센서를 사용하여 상기 수술 전 모델에 대해 상기 루멘 네트워크 내에서의 상기 기기의 원위 단부의 위치를 결정하고;
상기 수술 전 모델에 대해 상기 결정된 위치에 기초하여, 상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동했을 때를 검출하며; 및
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동했을 때, 상기 디스플레이된 수술 전 모델에 대한 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치의 시각적 표지를 상기 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게:
하도록 상기 명령어들을 실행하도록 구성된, 하나 이상의 프로세서:
를 포함하는, 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 시스템으로 하여금 상기 센서의 좌표 프레임 및 상기 수술 전 모델의 좌표 프레임을 등록하게 하도록 상기 명령어들을 실행하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 시스템은 전자계(EM field)를 발생시키도록 구성된 전자계 발생기를 더 포함하고, 상기 센서는 EM 센서이며, 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 시스템으로 하여금 상기 전자계 내에서의 상기 EM 센서의 위치를 결정하게 하도록 상기 명령어들을 실행하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 센서는 형상 감지 섬유(shape sensing fiber)인,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 시스템으로 하여금 상기 루멘 네트워크 내에서 상기 기기를 이동시키도록 상기 명령어들을 실행하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 시스템으로 하여금 적어도:
상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하고; 및
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 상기 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하게:
하도록 상기 명령어들을 실행하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 시각적 표지는 상기 루멘 네트워크 내에서의 상기 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이에서 상기 기기가 이동한 거리에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제30 항에 있어서,
상기 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 및 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하는,
시스템. - 제30 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
시스템. - 제34 항에 있어서,
상기 비전 데이터는 상기 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금:
사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및
상기 사용자 입력 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록:
구성되는,
시스템. - 제37 항에 있어서,
상기 사용자 입력 데이터는:
이동이 이루어진 루멘의 표시;
이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시;
루멘의 단부의 표시;
루멘의 개구부의 표시;
현재의 루멘이 상기 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및
루멘 직경:
중 하나 이상을 포함하는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 상기 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 상기 시각적 표지에 장착하도록 구성되는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함하는,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 기기는 내시경인,
시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 시스템은 기기 위치 설정 디바이스를 더 포함하고, 상기 기기는 상기 기기 위치 설정 디바이스에 부착되는,
시스템. - 제43 항에 있어서,
상기 기기 위치 설정 디바이스는 로봇 아암을 포함하는,
시스템. - 루멘 네트워크 내에서 기기의 내비게이션 경로를 결정하는 방법으로서,
루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계;
상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대해 상기 루멘 네트워크 내에서의 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계;
상기 루멘 네트워크 내에서 상기 기기를 이동시키는 단계;
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분을 지나서 상기 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분으로 전진되었을 때를 결정하는 단계와 경로 추적 모드로 진입하는 단계; 및
상기 경로 추적 모드에 있을 때, 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 상기 수술 전 모델에 대해 상기 루멘 네트워크의 매핑되지 않은 부분에서의 상기 기기의 원위 단부의 경로의 시각적 표지를 디스플레이하는 단계:
를 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하는 단계; 및
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 상기 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
상기 시각적 표지는 상기 루멘 네트워크 내에서의 상기 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내는,
방법. - 제45 항에 있어서,
상기 시각적 표지 사이에서 상기 기기가 이동한 거리에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
상기 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
상기 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때 복수의 내비게이션 모달리티를 기초로 하는,
방법. - 제50 항에 있어서,
상기 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 및 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하는,
방법. - 제50 항에 있어서,
상기 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 상기 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부를 기초로 하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
상기 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터를 기초로 하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
상기 기기의 원위 단부의 위치를 결정하는 단계는 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합을 기초로 하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
비전 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제55 항에 있어서,
상기 비전 데이터는 상기 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
로봇 명령 및 운동학 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하는 단계; 및
상기 사용자 입력 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제58 항에 있어서,
상기 사용자 입력 데이터는:
이동이 이루어진 루멘의 표시;
이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시;
루멘의 단부의 표시;
루멘의 개구부의 표시;
현재의 루멘이 상기 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및
루멘 직경:
중 하나 이상을 포함하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 상기 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 기하학적 구조체를 상기 시각적 표지에 장착하는 단계:
를 더 포함하는, 방법. - 제45 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하는,
방법. - 제45 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함하는,
방법. - 실행될 때, 디바이스의 프로세서로 하여금 적어도:
환자의 루멘 네트워크의 매핑된 부분에 대응하는 수술 전 모델을 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하고;
상기 수술 전 모델에 대해 상기 루멘 네트워크 내에 위치된 기기의 원위 단부의 위치를 결정하며;
상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 너머로 이동될 때를 검출하고; 및
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때 상기 디스플레이된 수술 전 모델에 대한 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 나타내는 시각적 표지를 상기 사용자 디스플레이 상에 디스플레이하게:
하는 명령어들이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금:
상기 기기의 원위 단부의 상기 위치가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분 내로 이동될 때를 검출하고; 및
상기 기기의 원위 단부가 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 내부에 위치될 때 상기 시각적 표지를 디스플레이하는 것을 중지하게:
하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 시각적 표지는 상기 루멘 네트워크 내에서의 상기 기기의 원위 단부의 이력 위치를 나타내는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이에서 상기 기기가 이동한 거리에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 시각적 표지 사이의 경과된 시간에 기초하여 상기 시각적 표지의 빈도를 조정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분 내에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 복수의 내비게이션 모달리티에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제68 항에 있어서,
상기 복수의 내비게이션 모달리티는 복수의 수술 전 모델 데이터, 비전 데이터, 위치 센서 데이터, 및 로봇 명령 및 운동학 데이터를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제68 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 상기 복수의 내비게이션 모달리티 중 일부에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 EM 센서로부터 수신된 EM 데이터에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 기기가 상기 수술 전 모델의 매핑된 부분의 외부에 위치될 때, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터와 로봇 명령 및 운동학 데이터의 조합에 기초하여 상기 기기의 원위 단부의 상기 위치를 결정하게 하도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 비전 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제73 항에 있어서,
상기 비전 데이터는 상기 기기의 원위 단부 상의 이미징 디바이스로부터 수신된 이미지를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 로봇 명령 및 운동학 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록 구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 디바이스의 프로세서로 하여금:
사용자 입력으로부터 사용자 입력 데이터를 수신하게 하고; 및
상기 사용자 입력 데이터를 상기 시각적 표지와 연관시키도록:
구성되는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제76 항에 있어서,
상기 사용자 입력 데이터는:
이동이 이루어진 루멘의 표시;
이동이 이루어지지 않은 루멘의 표시;
루멘의 단부의 표시;
루멘의 개구부의 표시;
현재의 루멘이 상기 기기의 현재 위치 너머로 연장된다는 표시; 및
루멘 직경:
중 하나 이상을 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 명령어들은 상기 루멘 네트워크의 매핑된 부분의 외부의 상기 루멘 네트워크의 루멘의 시각화를 제공하기 위해, 상기 디바이스의 프로세서로 하여금 기하학적 구조체를 상기 시각적 표지에 장착하도록 구성되는,
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상기 루멘 네트워크는 분기형 루멘 네트워크를 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체. - 제63 항에 있어서,
상기 루멘 네트워크는 단일 루멘을 포함하는,
비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
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