KR20200118825A

KR20200118825A - 피추적 장치들을 사용하는 작업흐름 제어

Info

Publication number: KR20200118825A
Application number: KR1020207024805A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 피. 보니
Original assignee: 씽크 써지컬, 인크.
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-10-16
Also published as: WO2019173600A1; EP3761896A4; US20200390506A1; AU2019230113A1; EP3761896A1; JP2021514772A

Abstract

컴퓨터 지원 수술 과정 동안의 작업흐름을 제어 및 실행하는 방법 및 시스템은, 시야를 가지며 작업흐름과 통신하는 광학 추적 시스템을 제공하는 단계와, 제1 피추적 장치를 시야에 도입시키는 단계와, 제1 피추적 장치에 연계된 제1 기준부재에 기반한 추적 시스템을 갖는 제1 피추적 장치를 식별하는 단계와, 제1 피추적 장치의 식별에 기반하여 작업흐름 내의 제1 단계를 판단하는 단계와, 그래픽 사용자 인터페이스 상에 이 제1 단계를 사용자에게 화상표시하는 단계를 포함한다. 광학 추적 시스템은 추적 시스템의 시야 내의 피추적 장치들의 어느 것의 존재 또는 부존재를 식별하고, 피추적 장치의 식별에 기반하여 작업흐름의 단계를 판단하며, 그리고 판단된 단계를 그래픽 사용자 인터페이스 상에 화상표시하도록 작업흐름에 명령하도록 시키는, 소프트웨어로 실행 가능한 명령들을 가지는 프로세서를 포함한다.

Description

피추적 장치들을 사용하는 작업흐름 제어

관련 출원들

본원은 2018년 3월 7일자로 출원된 미국특허 가출원 제 62/639,672호에 대한 우선권을 주장하는 바, 그 내용은 이 명세서에 참고로 포함되어 있다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 컴퓨터 지원 수술(computer-assisted surgery)에 관한 것이며, 더 구체적으로는 피추적 장치(tracked devices)를 사용하여 수술 작업흐름(surgical workflow)을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수술 작업흐름(surgical workflow)은 수술 과정(surgical procedure) 동안 수술 팀을 안내하는 복수의 단계들로 구성된다. 복수의 단계들의 각각은 사용자가 그 단계에 대한 특정한 행위를 완수하도록 하는 지시(instruction)들을 제공하거나 어떤 경우에는 단순히 사용자에게 정보를 전달한다. 이 지시 또는 정보는 전형적으로 수술실 내의 모니터 상에 텍스트 또는 그래픽으로 화상표시되거나, 어떤 경우에는 음성 또는 촉각 형태로 제공된다. 작업흐름은 사용자가 추가적인 과업들을 수행하거나 하나 이상의 수술 단계들을 반복할 수 있도록 하는 복수의 옵션들 또는 기능들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어 로봇 지원(robotic-assisted) 슬관절 전 치환술(total knee arthroplasty; TKA)은 다음 단계들로 구성될 수 있다. 첫 화면은 "피부를 절개하여 원위 대퇴골(distal femur)과 근위 경골(proximal tibia)을 노출시켜 환자를 준비시켜라"라고 화상표시한다. 사용자가 확인한 다음 두 번째 화면은 "대퇴골과 경골을 등록하라"고 화상표시한다. 성공적으로 등록하고 나면, 세 번째 화면은 "로봇 아암(robotic arm)을 뼈의 상부로 유도하라"고 화상표시한다. 아암이 위치설정 되고 나면, 네 번째 화면은 "절개 준비 완료?"라고 표시한다. 확인하고 나면 로봇 아암이 대퇴골과 경골을 절개하고 수술전 수술 계획(pre-operative surgical plan)에 따라 임플란트(implant)를 넣는다.

수술 작업흐름이 성공적인 컴퓨터 지원 수술을 완수하는데 절대적으로 필요하므로, 작업흐름을 제어하는 현재의 방법은 시간 소모적이고, 번거롭고, 가파른(steep) 학습곡선(learning curve)을 요구한다. 예를 들어 많은 작업흐름들은 (예를 들어 단계의 확인, 옵션 메뉴로의 이동(navigation), 등록 점(registration point)의 수집 등) 사용자가 작업흐름과 상호작용 및 제어할 수 있게 하는 컨트롤러 또는 펜던트 스위치(pendant)의 사용을 요구한다. 컨트롤러는 안전장치로서의 컴퓨터 지원 장치에 유선 연결(hard wired)되지만 그 대가로 작업공간이 추가적인 배선으로 어지러워진다. 한 대안(workaround)으로, 화상표시 모니터가 터치스크린을 포함할 수 있다. 그러나 OR(수술실) 내의 모니터의 위치에 따라 터치스크린 모니터로 작업흐름과 상호작용 및 제어할 수 있는 능력은 어려워질 수 있거나, 적어도 전담(dedicated) 수술 팀 멤버가 모니터 근처에 위치할 것을 요구한다. 뿐만 아니라, 현재의 컨트롤러는 일반적으로 작업흐름을 조종(navigating)하기 위한 몇 개의 버튼들을 포함한다. 버튼 수가 증가하면, 작업흐름을 제어할 다양성이 증가한다. 그러나 부정확한 버튼을 작동시키거나 누를 가능성과 함께 학습곡선 역시 증가한다.

이에 따라 컴퓨터 지원 수술 과정을 완수하도록 더 효율적이고 유효하게 작업흐름을 제어할 시스템 및 방법에 대한 요구가 존재한다.

수술 부위(surgical site)의 시야(field of view)를 가지며 작업흐름과 통신하는 광학 추적 시스템(optical tracking system)을 제공하는 단계와, 제1 피추적(tracked) 장치를 시야로 도입시키는 단계와, 제1 피추적 장치에 연계된 제1 기준 부재(reference member)에 기반한 추적 시스템을 갖는 제1 피추적 장치를 식별하는 단계와, 제1 피추적 장치의 식별에 기반하여 작업흐름에서의 제1 단계를 결정하는 단계와, 및 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface) 상에 제1 단계를 사용자에게 화상표시하는 단계를 포함하는, 컴퓨터 지원 수술 과정 동안 작업흐름을 제어하는 방법이 제공된다.

추적 시스템의 시야 내의 피추적 디지타이저 탐침(probe) 또는 피추적 수술 장치의 존재 또는 부존재 여부를 식별하는 소프트웨어로 실행 가능한 명령(instruction)들을 가져, 피추적 디지타이저 탐침 또는 피추적 수술 장치의 어느 하나의 식별에 기반하여 작업흐름에서의 단계를 결정하며, 그래픽 사용자 인터페이스 상에 결정된 단계를 화상표시하도록 작업 흐름을 명령(command)하는, 프로세서를 가지는 광학 추정 시스템을 포함하는, 컴퓨터 지원 수술 과정 동안 작업흐름을 제어하는 방법을 실행하는 컴퓨터 지원 수술 시스템 역시 제공된다.

본 발명의 임의의 양태(aspect)들을 보이고자 의도된 다음 도면들을 참조하여 본 발명이 더 상세히 설명될 것이며, 다만 본 발명의 실시를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 작업흐름을 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 등록 작업흐름을 도시한 도이다.
도 3a-3d는 본 발명의 실시예들에 따른 몇 가지 수술 모드의 작업흐름들을 도시하며, 여기서, 도 3a는 제1 수술 모드를 도시한 도이고, 도 3b는 제2 수술 모드를 도시한 도이다. 도 3c는 제3 수술 모드를 도시한 도이며, 도 3d는 제4 수술 모드를 도시한 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 작업흐름을 구현하는 수술 시스템을 도시한 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피추적 수술 장치를 도시한 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 피추적 디지타이저 탐침을 도시한 도이다.

본 발명은 현재 가능한 것보다 더 우수한 효율을 가지는, 컴퓨터 지원 수술 과정에 대한 작업흐름을 제어하는 시스템 및 방법으로서의 유용성을 가진다. 이제 본 발명을 다음 실시예들을 참조하여 설명할 것이다. 이 설명들에서 명확하듯, 본 발명은 여러 가지 다른 형태들로 실시될 수 있으므로 이 명세서에 설명된 실시예들로 한정된다고 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이 실시예들은 이 개시가 철저하고 완전하도록 하고, 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 예를 들어, 한 실시예에 연계하여 설명된 특징들이 다른 실시예들에 포함될 수 있고, 특정한 실시예에 연계하여 설명된 특징들이 그 실시예에서 삭제될 수 있다. 또한 이 명세서를 읽고 나면 이 명세서에 제시된 실시예들에 대한 수많은 변형과 추가들이 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 자명해질 것인데, 이들은 본 발명을 벗어나지 않는다. 이에 따라, 이하의 명세서는 본 발명의 일부 구체적인 실시예들을 설명하고자 의도한 것이며, 그 모든 치환, 조합, 및 변형들을 완전히 규정하고자 한 것이 아니다.

뿐만 아니라, 이 명세서에 기재된 시스템 및 방법들이 슬관절 전 치환술을 참조하고 있지만, 이 시스템 및 방법은 예를 들어 둔부, 발목, 팔꿈치, 손목, 두개골, 및 척추 등을 포함하는 인체의 다른 뼈와 관절들뿐 아니라 전술한 뼈와 관절들 중 어느 것의 부분적 교체 수술(replacement procedure) 및 초기 복구(repair) 또는 교체에 관련된 다른 컴퓨터 지원 수술 과정들에도 적용될 수 있음을 이해해야 할 것이다.

또한, 이 시스템 및 방법의 실시예들이 이 명세서에 개시된 컴퓨터 지원 수술 과정의 작업흐름을 효율적이고 유효하게 제어한다는 사실이 컴퓨터 지원 수술 과정에 대한 작업흐름 제어 분야를 대체(preempt)하지 않는다는 것도 이해해야 할 것이다.

달리 규정되지 않는 한, 이 명세서에 사용된 모든 기술 및 과학적 용어들은 본 발명이 속한 당업계에 통상의 기술을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 발명의 설명에 사용된 용어들은 구체적인 실시예들을 설명하기 위한 목적만이며 본 발명을 한정하고자 의도하지 않았다.

명시적 또는 문맥에 의해 달리 지시되지 않는 한, 다음 용어들은 이 명세서에서 다음에 규정된 바와 같이 사용되었다.

본 발명의 설명과 첨부된 청구항들에 사용된 단수형 "a," "an" 및 "the"들은 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한 복수형들 역시 포함하도록 의도한 것이다.

또한 이 명세서에 사용된 "and/or"는 연계하여 열거된 항목들의 하나 이상의 모든 가능한 조합들을 지칭 및 포괄할 뿐 아니라, 선택("or")으로 해석될 때는 조합들을 제외(lack)한다.

이 명세서에 사용된 "수술전 뼈 데이터(pre-operative bone data)"라는 용어는 실제 뼈를 변경시키기 전에 과정을 수술전 계획하는 데 사용하는 뼈 데이터를 지칭한다. 수술전 뼈 데이터는 다음 중의 하나 이상을 포함할 수 있다: (예를 들어 전산화단층촬영술(computed tomography; CT), 자기공명화상(magnetic resonance imaging; MRI), 초음파, x선, 레이저 스캔 등을 통해 취득된) 뼈의 화상 데이터 세트, 가상 포괄적 뼈 모델(virtual generic bone model), 물리적 뼈 모델, 뼈의 화상 데이터 세트로부터 생성된 가상 환자 특정 뼈 모델(virtual patient-specific bone model), 수술중(intra-operatively) 뼈 위에서 직접 수집된 데이터 세트(일반적으로 무화상(imageless) 컴퓨터 지원 장치에 사용) 등.

이 명세서에 사용된 "등록(registration)"이라는 용어는 컴퓨터 지원 장치, 뼈, 수술전 뼈 데이터, 수술 계획 데이터(즉 임플란트 모델, 절개 파일(cut-file), 가상 경계들(virtual boundaries), 가상 평면들, 수술전 뼈 데이터에 연계되거나 이에 대해 규정된 절개 변수), 및 그런 지표(landmark)가 존재한다면 뼈에 연계된 어떤 외부 지표들(예를 들어, 추적 어레이(tracking array))의 위치 및 방향(position and orientation; POSE)의 결정 및/또는 둘 이상의 객체들 또는 좌표계들 간의 좌표 변환을 지칭한다. 당업계에 알려진 등록의 일반적 방법은 미국특허 제6,033,415호; 제8,010,177호; 및 제8,287,522호에 기재되어 있다.

이 명세서에 사용된 "실시간(real-time)"이라는 용어는 연산된 값들이 10초 내의 연산 개시(initiation)에 사용될 수 있도록 하는 입력 데이터의 수십 밀리초 내의 처리를 지칭한다.

또한, 본원의 양수인에게 양도되고 그 전체로서 이 명세서에 참고로 포함된 미국특허출원 제15/505,167호에 기재된 적외선 또는 가시광을 통한 무선 데이터 전송을 지칭하는 "최적 통신(optical communication)"이라는 용어도 이 명세서에 사용되었다.

뿐만 아니라, 이하의 설명은 컴퓨터 지원(computer-assisted) 수술 시스템(200)의 예가 도 4-6을 참조하여 뒤에 상세히 설명되는 컴퓨터 지원 수술 과정(surgical procedure)을 수행하는 컴퓨터 지원 수술 시스템을 참조한다. 이 컴퓨터 지원 수술 시스템(200)은 대략, 수술 작업흐름(surgical workflow)과 통신하는 광학 추적 시스템(optical tracking system; 206)과, 수술 작업흐름의 하나 이상의 단계들을 화상표시하는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface; GUI)를 가지는 화상표시 모니터(212)와, (예를 들어 피추적(tracked) 디지타이저 탐침(probe)(230) 및 피추적 수술 장치(204) 등) 둘 이상의 추적 가능한(trackable) 장치들을 포함한다. 더 구체적으로, 광학 추적 시스템(206)은 수술 부위(surgical site)의 시야(field of view; FOV)를 가져 추적 시스템(206)이 하나 이상의 추적 가능한 장치들을 FOV 내에 추적할 수 있게 하는 둘 이상의 광학 카메라들을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 광학 카메라들은 의도적이건 아니건 수술 부위의 FOV를 제한하도록 수술실(operating room; OR) 내에 위치한다. 예를 들어, 광학 카메라들은 수술 부위 위에 위치하는 수술 램프 내부에 위치할 수 있다. 이 경우, 수술 램프가 수술되는 부위를 직접 지향하므로 (하나 또는 두 뼈들의 FOV 등으로) 수술 부위의 FOV가 제한될 수 있다. 이는 큰 FOV를 포괄하여 전부는 아니더라도 많은 추적 가능한 장치들을 동시에 추적하도록 광학 추적 시스템이 OR 내에 설치된 다른 광학 추적 시스템에 대조된다.

이제 도면들을 참조하면, 도 1은 컴퓨터 지원 정형외과 수술(orthopedic procedure)을 수행하는 대략적(high-level) 수술 작업 흐름(100)의 흐름도를 도시한다. 수술 작업흐름(100)은 주 메뉴(101)를 화상표시하는 제1 단계와, 하나 이상의 뼈들을 등록하라는 지시(instruction)들을 가지는 등록 모드(102)인 제2 단계와, 하나 이상의 뼈들에 하나 이상의 행위들을 수행하라는 지시들을 가지는 수술 모드(104)인 제3 단계와, 해부학적 구조(anatomy)에 대한 측정값들을 취득하는 해부학적 측정 모드(106)인 제4 단계와, 및 수술을 완결하는 임플란트 선택/수술 완결 모드(108)인 제5 단계를 포함하여 복수의 단계들을 포함한다. 각 단계는 후술하는 바와 같이 하부 단계(sub-step)들을 더 포함할 수 있다. 또한 제1, 제2, 제3 등의 용어는 불가피하게 순차적 순서를 지칭하지만, 이보다는 작업흐름(100) 내의 다른 단계들을 식별하는 것이라고 이해해야 할 것이다.

수술 작업흐름(100)은 주 메뉴(101)로 시작한다. 주 메뉴(101)는 사용자에게: 1) 피추적(tracked) 디지타이저 탐침(digitizer probe; 230)을 추적 시스템(tracking system)의 FOV(시야)로 도입; 2) 피추적 수술 장치(surgical device; 204)를 추적 시스템의 FOV로 도입; 3) GUI 상에서"해부학적 측정(Anatomic Measures)"을 선택; 4) GUI 상에서 "임플란트/최종화(Implant/Finalize)"를 선택들을 포함하는 몇 가지 선택 가능한(available) 옵션들을 제공한다. 주 메뉴(101)는 처음 사용자에게 하나 이상의 수술전(pre-surgical) 단계들(검정(calibration), 진단(diagnostic)들, 및 설정(set-up))이 완료되었음을 한번 화상표시한다. 그러면 사용자는 하나 이상의 선택 가능한 옵션들을 실행한다. 주 메뉴(101)는 또한, 수술(procedure) 전 또는 동안의 FOV의 경계들을 사용자가 완전히 파악(grasp)하기 위해 광학 카메라들로 보이는 대로의 FOV를 GUI 상에 사용자를 위해 보여주는 옵션을 포함할 수 있다. 또한 사용자가 광학 카메라들에 보이는 대로의 FOV를 PIP(picture in picture) 화면(view)으로 끌어올 수 있게 "FOV 시각(FOV Perspective)" 옵션이 수술 동안 언제나 GUI 상에 제공될 수 있다. 마찬가지로, "FOV 투사(FOV projection)" 옵션이 주 메뉴(101) 및/또는 GUI에 언제나 포함될 수 있는데, 이것이 작동되면 예를 들어 적색광 등의 유색 광이 수술 램프 또는 광학 카메라의 영역으로부터 시술 또는 수술 영역으로 투사되어, 사용자가 시스템과 접속하여 방법을 수행하면서 광학 카메라들의 FOV의 경계들을 가시화할(visualize) 수 있다.

사용자가 피추적 디지타이저 탐침(230)을 FOV에 진입시키면 등록 모드(registration mode; 102)가 화상표시된다. 더 구체적으로, 사용자가 피추적 디지타이저 탐침(230)을 FOV로 진입시키기만 하면, 광학 추적 시스템은: a) 디지타이저 탐침(230)과 연계된 (예를 들어 부착된 추적 어레이(tracking array; 220c) 또는 고유한 형상(geometry), 독특한 방출 파장, 또는 독특한 방출 신호를 가지는 기표(fiducial mark)들 등의) 기준 부재(reference member)에 기반하여 피추적 디지타이저 탐침(230)을 식별; b) 수술 작업흐름(100)의 어느 단계가 피추적 디지타이저 탐침(230)을 사용하는지 판단(determine); 및 c) 사용자에게 등록 모드(102)를 GUI 상에 화상표시하도록 작업흐름에 지령(command)을 수행한다. 이어서 사용자가 디지타이저 탐침(230)을 FOV로부터 치우거나 감추면, 작업흐름(100)은 한 번의 경고(caveat)와 함께 주 메뉴(101)로 복귀한다. (예를 들어 등록될 뼈의 선택에 의해) 등록 모드(102)에서 사용자가 등록 절차를 개시한 경우는, FOV로부터의 디지타이저 탐침(230)을 치우는 것은 작업흐름(100)이 주 메뉴(101)로 전환하도록 유발하는 대신, 사용자가 적어도 하나의 뼈의 등록을 완료할 때까지 등록 모드(102)가 활성을 유지하도록 한다. 이에 따라 등록이 개시된 이후 디지타이저 탐침(230)이 추적 시스템(206)의 FOV로부터 감춰지더라도, 등록 과정이 너무 이르게 자동으로 중단되지 않는다. 등록 모드(102)의 추가적 상세는 도 2를 참조하여 후술한다.

사용자가 피추적 수술 장치(204)를 FOV로 진입시키기만 하면 수술 모드(104)가 화상표시된다. 더 구체적으로, 사용자가 피추적 수술 장치(204)를 FOV로 진입시키기만 하면, 광학 추적 시스템(206)은: a) 그 수술 장치(204)에 연계된 (예를 들어 부착된 추적 어레이 또는 독특한 형상, 독특한 방출 파장, 또는 독특한 방출 신호를 가지는 기표(314) 등의) 기준 부재에 기반하여 피추적 수술 장치(204)를 식별; b) 수술 작업흐름(100) 내에서 그 수술 장치(204)를 사용하는 단계를 판단; 및 c) 사용자에게 수술 모드(104)를 GUI 상에 화상표시하도록 작업흐름에 지령을 수행한다. 어느 때라도 사용자가 수술 장치(204)를 FOV로부터 치우거나 감추면, 작업흐름(100)은 주 메뉴(101)로 복귀한다. 수술 모드(104)의 추가적 상세들을 도 3a-3d를 참조하여 후술한다.

한 구체적인 본 발명 실시예에서, 피추적 디지타이저 탐침(230)과 피추적 수술 장치(204)가 FOV 내에 동시에 존재하는 경우에는, 오류 메시지(110)가 GUI 상에 화상표시된다. 이 오류 메시지(110)는 사용자에게 디지타이저 (탐침)(230) 또는 수술 장치(204) 중의 어느 하나를 시야에서 치울 것을 지시한다. 이에 따라, 추적 시스템(206)은 사용자의 의도에 기반하여 작업흐름(100)의 어느 단계가 화상표시될 지를 판단한다. 피추적 디지타이저 탐침(230) 또는 수술 장치(204) 중의 어느 하나가 FOV에서 치워지고 나면, 작업흐름(100)은 적절한 단계(즉 등록 모드(102) 또는 수술 모드(104))를 화상표시한다. 양 장치들이 모두 FOV에서 치워지면, 작업흐름(100)은 주 메뉴(101)를 화상표시한다.

해부학적 측정 모드(anatomic measures mode; 106)는 사용자가 주 메뉴(101)에서 GUI 상의 해부학적 측정 옵션을 선택하면 액세스된다. 해부학적 측정 모드(106)는 사용자가 다음 옵션들: a) 운동(motion)의 굴신(flexion-extension) 범위; b) 내반-외반 이완(varus-valgus laxity); 및 c) 하지 정렬(limb alignment) 간을 선택할 수 있게 한다. 굴신 옵션은 (예를 들어 뼈(들)가 노출되었지만 반드시 등록되지는 않은 등) 환자가 준비된 다음에는 언제라도 선택 가능하고, 내반-외반 이완은 한 뼈가 등록된 후에만 선택 가능하며, 그리고 하지 정렬은 양 뼈들이 등록된 후에만 선택 가능하다. 해부학적 측정은 사용자는 뼈 절개부들과 뼈 위의 임플란트의 위치설정을 조정 또는 확인하는 수술중(intra-operative) 측정을 제공한다. 더 상세히. 굴신 측정 옵션에서, 작업흐름(100)은 하지의 측면도(lateral view)를 GUI 상에 화상표시한다. (예를 들어 대퇴골(femur; F) 등의) 제1 뼈 상에 설치된 제1 추적 어레이와 (예들 들어 경골(tibia; T) 등의) 제2 뼈 상에 설치된 제2 추적 어레이의 위치들은 굴곡(flexion)을 통해 추적되고, 측면도는 양 뼈들의 현재의 상대위치에 부합하도록 갱신된다. 어느 뼈도 등록되지 않았다면, 작업흐름(100)은 기표들에 대한 뼈들의 위치를 응용프로그램(application)이 평가하기에 충분한 굴곡이 수행된 이후에만 굴곡의 범위를 화상표시한다. 양 뼈들이 등록되었다면, 작업흐름(100)은 굴곡 범위를 즉시 화상표시하고, 수술전 계획수립 컴퓨터(workstation)에서 생성된 수술전 계획에 규정된 제1 뼈와 제2 뼈의 기계적 축들을 사용하여 최대 굴곡 각도 및 최대 신장 각도 역시 화상표시한다. 사용자는 또한 굴곡의 측정 범위를 리셋(reset)할 옵션을 가진다. 내반-외반 측정 옵션에서, 작업흐름(100)은 하지의 관상면도(coronal view)를 GUI 상에 화상표시한다. 제1 추적 어레이와 제2 추적 어레이의 위치들은 마찬가지로 관상면(coronal plane) 내의 운동을 통해 추적되고, 양 뼈들의 현재의 상대 위치에 부합되도록 관상면도를 갱신한다. 한 뼈만이 등록되었다면, 작업흐름(100)은 내반-외반 이완의 범위를 화상표시한다. 양 뼈들이 모두 등록되었다면, 작업흐름(100)은 내반-외반 운동의 범위를 화상표시하고, 수술전 수술 계획에서 규정된 제1 뼈 및 제2 뼈의 기계적 축들을 사용하여 최대 외반 이완과 최대 내반 이완 역시 화상표시한다. 사용자는 마찬가지로 내반-외반 이완의 측정 범위를 리셋할 옵션을 가진다. 하지 정렬 측정 옵션에서, 작업흐름(100)은 하지의 관상면도를 GUI 상에 화상표시한다. 제1 추적 어레이 및 제2 추적 어레이의 위치들은 수술전 수술 계획에서 규정된 제1 뼈 및 제2 뼈의 기계적 축들을 사용한 현재의 하지 정렬을 화상표시하는 데 사용된다.

임플란트 선택/수술 최종화 모드(implant selection/finalize surgery mode; 108)는 사용자가 GUI 상의 이 옵션을 주 메뉴(101)에서 선택했을 때 액세스된다. 수술 최종화 단계(108) 동안, 작업흐름(100)은 계획된 임플란트들에 대한 정보를 화상표시한다. 이 수술 최종화 모드 단계(108)에서 해부학적 측정 모드(106) 역시 액세스 가능하다. GUI 상에서 "완료(complete)" 버튼을 누르면 작업흐름(100)은 추적 어레이를 환자로부터 제거하라는 지시를 화상표시하도록 진행한다. 수술 최종화 모드(108)에서의 옵션 역시 사용자가 주 메뉴(101)로 복귀할 수 있게 해준다. 사용자가 수술을 최종화하고 나면, 수술이 완료되고 데이터가 보관되며(archived), 수술후(post-surgery)를 마무리(wrap-up)하라는 다른 어떤 지시들(예를 들어 추적 어레이들의 제거, 해체(tear-down) 지시들, 소독 지시들)이 GUI 상에 화상표시된다.

이제 도 2에는 등록 모드(102)가 더 상세히 도시되어 있는데, 등록 모드(102)는 사용자가 하나 이상의 뼈들에 대한 수술 계획 또는 수술 계획 데이터의 등록을 안내한다. 등록 모드(102)는 사용자에게 등록될 뼈를 선택하도록 지시하는 등록 모드 메뉴(112)를 포함한다. 특정한 실시예들에서, 사용자는 대퇴골(femur; F) 또는 경골(tibia; T) 중의 어느 것을 선택한다. 피추적 디지타이저 탐침(230)은 이 선택을 지원하도록 추적 시스템(206)과 광학적으로 통신하는 둘 이상의 버튼(334a, 334b)들을 포함할 수 있는데, 각 버튼(334a, 334b)은 각각 대퇴골(F)과 경골(T)에 대응한다. 사용자가 대퇴골(F) 또는 경골(T) 중의 어느 것을 선택하고 나면, 작업흐름(100)은 대퇴골 등록 모듈(114) 또는 경골 등록 모듈(116) 중의 어느 하나로 진행된다. 대퇴골 등록 모듈(114)에서는, 수집될 복수의 등록점(registration point)들을 가지는 원위(distal) 대퇴골의 이미지가 GUI 상에 화상표시된다. 마찬가지로 경골 등록 모듈(116)에서는 수집될 복수의 등록점들을 가지는 근위(proximal) 경골의 이미지가 GUI 상에 화상표시된다. 그러면 사용자는 탐침 팁(336)을 지정된 위치에 있는 뼈 위에 위치시켜 버튼(334a, 334b)들 중의 하나를 누름으로써 대퇴골(F) 또는 경골(T) 상의 화상표시된 점들을 수집한다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 피추적 디지타이저 탐침(230)은, 사용자가 피추적 디지타이저 탐침(230)을 수집될 복수의 등록점들 각각에 가까이 이동시키거나 사용자가 등록점을 성공적으로 등록시켰을 때, 등록점 수집의 정확성을 보장하기 위해 작동되는 램프(light), 스피커, 또는 진동 소자 등의 피드백 기구를 포함할 수 있다. 사용자는 필요시 하나 이상의 버튼(334a, 334b)들을 소정의 시간 동안 누름(holding)으로써 점을 소거할 수 있다. 일부 본 발명 실시예들은 탐침 팁(336)의 상태(condition) 감시를 포함하며, 이 시스템은 이 상태가 소정의 임계값 밑으로 떨어지면 GUI 상에서 사용자에게 경보할 수 있다. 이 상태가 소정의 임계값 밑이라고 판단되면, 작업흐름 제어 시스템은 이러한 재조정에 관한 지시들을 제공하면서 팁을 재조정(recondition)할 것을 지시한다. 등록이 성공되고 나면, 피추적 수술 기계(204)가 FOV 내에 있을 때, (예를 들어 뼈에 대한 하나 이상의 목표 평면(target plane)들의 위치, 수술 기계(204)를 제어할 운용 데이터, 및/또는 추적 시스템으로부터의 뼈(들) 및 수술 기계(204)의 POSE 데이터 등의) 변환된(transformed) 수술 계획 데이터가 피추적 수술 기계(204)에 광학적으로 전송된다. 원한다면 사용자가 한 뼈만을 등록 및 준비할 수 있도록, 한 뼈에 대한 수술 계획 데이터는 다른(a second) 뼈에 대한 수술 계획 데이터와 독립적으로 전송될 수 있다. 특정한 본 발명 실시예들에서, 수술 계회 데이터가 수술 기계(204)로 전송된 다음, 수술 모드(104)의 하나 이상의 수술 단계들이 자동으로 선택된다. 예를 들어, 대퇴골(F)만이 등록되었다면, 시스템은 대퇴골 원위 절개를 자동으로 선택한다. 경골(T)만이 등록되었다면, 시스템은 경골 근위 절개를 자동으로 선택하고, 대퇴골(F) 및 경골(T) 모두가 등록되었다면 시스템은 대퇴골 근위 절개를 자동으로 선택한다.

이제 도 3a-3d를 참조하면, 뼈의 등록 상태에 따른 작업흐름(100)의 네 가지 가능한(potential) 등록 모드(104a, 104b, 104c, 104d)들이 도시되어 있다. 도 3a는 대퇴골도 경골도 등록되지 않았을 때의 제1 등록 모드(104a)를 도시한다. 사용자는 단순히 수술 장치(204)를 FOV에서 치우거나 감추고 적어도 하나의 뼈를 등록하라고 지시된다. 수술 장치(204)를 치우거나 감추면 작업흐름(100)은 주 메뉴(101)로 복귀한다. 도 3b는 대퇴골(F) 및 경골(T) 모두가 등록되었을 때의 작업흐름을 가지는 제2 수술 모드(104b)를 도시한다. 시스템은 피추적 수술 장치(204) 바로 위에 위치하는 선택 입력 기구(322) 또는 GUI 상에 이뤄진 선택 중의 어느 것으로부터의 입력에 기반하여 뼈 위에 어느 수술 행위가 수행될 것인지를 판단한다. 특정한 실시예들에서, 이 수술 행위는, 본원의 양수인에게 양도되고, 이 명세서에 참고로 포함되었으며, 현재 미국특허출원 제15/778811호가 된 PCT 국제출원번호 제US2016/062020호에 기재된 목표 평면들 상의 핀(pin)들의 삽입을 포함한다. 그러면 시스템은 어느 평면(122)이 선택될지 결정하고, 선택된 평면에 기반하여 시스템은 (예를 들어 절개 가이드, 뼈 핀들 등) 필요한 액세서리들의 목록을 포함하여 그 평면에 대한 수술 행위를 완료하라는 지시들을 화상표시한다. 이 지시들은: a) ("GUI 상에서 새 평면 선택(select a new plane on GUI)", 또는 수술 장치(204)에서 입력 기구(input mechanism; 322) 선택(즉 "Device Plane Select Cycled") 중의 어느 하나에 의한) 새 평면의 선택; b) 다른 피추적 장치의 FOV 진입(오류 메시지); 또는 c) 사용자가 GUI 상에서 다른 선택 가능한 옵션 선택까지 GUI 상에 유지된다. 특히 2-DOF(자유도) 관절형(articulating) 수술 장치(204)에 있어서, 가능한 절개 평면들은 원위 절개부(124), 대퇴골 말단부(femoral finishing; 126), 근위 절개부(128), 경골 말단부(tibial finishing)로도 지칭되는 전방-후방(Anterior-Posterior; A-P) 선(130)을 포함한다. 원위 절개부(124)는 원위 대퇴골 상에 원위 절개 평면을 생성할 절개 가이드를 수용하도록 핀들을 삽입하라는 지시들을 제공한다. 대퇴골 말단부(126)는 잔여 대퇴골 절개부들을 생성할 절개 가이드들을 수용하도록 (예를 들어 전방 절개면, 후방 절개면, 전방 모떼기(chamfer) 절개면, 후방 모떼기 절개면 등의) 원위 절개면(cut plane)에 핀들을 삽입하라는 지시들을 제공한다. 근위 절개부(128)는 경골 상에 근위 절개면을 생성할 핀들을 삽입하라는 지시들을 제공한다. 그리고 A-P선(130)은 경골 구성요소의 내측-외측 회전을 마킹(marking)하라는 지시들을 제공한다. 도 3c는 대퇴골만이 등록되어 제2 수술 모드(104b)로부터의 대퇴골 작업흐름 지시들만을 포함하는 제3 수술 모드(104c)를 도시한다. 도 3d는 경골만이 등록되어 제2 수술 모드(104b)로부터의 경골 작업흐름 지시들만을 포함하는 제4 수술 모드(104d)를 도시한다. 일부 본 발명 실시예들은 수술 장치(204), 특히 수술 장치(204)의 툴(306)의 상태(condition) 감시를 포함하여, 이 상태가 툴(306)에 대해 소정의 임계값 밑으로 떨어졌다고 판단되면 시스템이 GUI 상에서 사용자에게 경보한다. 상태가 소정의 임계값 밑으로 떨어졌다고 판단되면. 작업흐름 제어 시스템은 이러한 재조정에 대한 지시들을 제공하면서 사용자에게 툴을 재조정할 것을 지시한다.

컴퓨터 지원 수술 시스템(Computer- Assisted Surgical System)

전술한 작업흐름(100)은 여러 가지 다른 컴퓨터 지원 수술 시스템 및 수술 과정들로 구현될 수 있다. 컴퓨터 지원 수술 시스템의 일례는, 모두 그 전체로서 이 명세서에 참고로 포함된 미국특허 제7,206,626호, 제8,876,830호, 및 제8,961,536호, 제9,566,122호, 미국특허출원 제2013/0060278호, 및 PCT 국제출원 제US2016/062020호에 기재된 바와 같은, 피추적 1-N 자유도(degree of freedom) 핸드헬드(hand-held) 수술 시스템, 피추적 자율(autonomous) 직렬 연쇄(serial-chain) 매니퓰레이터 시스템, 피추적 촉각(haptic) 직렬 연쇄 매니퓰레이터 시스템, 피추적 병렬(parallel) 로봇 시스템, 또는 마스터-슬레이브(master-slave) 로봇 시스템 등을 포함한다.

도 4 및 도 5에는, 본원의 양수인에게 양도된 PCT 국제출원번호 제US2016/062020호에 더 상세히 기재된, 2 자유도(2-degree-of-freedom; 2-DOF) 수술 시스템(200)의 본 발명 구체적 실시예가 도시되어 있다. 2-DOF 수술 시스템(200)은 대략 연산 시스템(202)과, 관절형 수술 장치(204)와, 및 추적 시스템(206)을 포함한다. 수술 시스템(200)은 환자의 뼈에 대해 정의된 목표 핀 평면에 일치하도록 핀들을 정확히 위치시키는 데 사용자를 안내 및 보조한다. 목표 평면은 수술 계획에서 정의되며 핀들은 보철(prosthetic) 임플란트를 계획된 POSE로 수납하도록 수술의가 대퇴골과 경골에 절개부를 형성하도록 보조하는 여러 가지 절개 가이드와 액세서리들의 조립을 가능하게 한다.

도 5에는, 관절형 수술 장치(204)의 구성요소들이 더 상세히 도시되어 있다. 수술 장치(204)는 파지부(hand-held portion; 302)와 작동부(working portion; 304)를 포함한다. 파지부(302)는 사용자가 파지하여 조작하도록 인체공학적 설계된 외부 케이싱을 포함한다. 작동부(304)는 종방향 툴 축을 가지는 툴(tool; 306)을 포함한다. 툴(306)은 모터(305)로 구동되고 거기에 척(chuck; 307)으로 부착된다. 트리거(trigger; 309)는 모터(305)를 작동시키며 다른 사용자들의 입력을 허용한다. 파지부(302)와 작동부(304)는 파지부(302)에 대한 작동부(306)의 피치(pitch)와 병진(translation)을 조정하는 전부 전동(transmission) 조립체(308a) 및 후부 전동 조립체(308b)로 연결된다. 각 전동 조립체(308a, 308b)는 선형 레일(linear rail)과, 선형 가이드와, 볼 너트(ball nut) 및 볼 스크류(ball screw)를 포함한다. 각 선형 레일의 첫 번째 단부는 힌지(310a, 310b)를 통해 작동부(304)에 부착되는데, 힌지(310a, 310b)들은 작동부(304)가 전동 조립체(308a, 308b)들에 대해 회동(pivot)할 수 있게 한다. 볼 너트들은 선형 레일들의 반대쪽 단부에 부착되어 볼 스크류들과 기계적으로 연통된다. 전부 볼 스크류는 전부 액튜에이터(312a)로 구동되고 후부 볼 스크류는 후부 액튜에이터(312b)로 구동된다. 액튜에이터(312a, 312b)들은 볼 스크류들을 양방향으로 회전시키는 서보 모터(servo motor)일 수 있다. 액튜에이터(312a, 312b)들은 볼 너트들을 작동시키는 볼 스크류들을 구동하고, 이에 따라 선형 레일들이 볼 스크류들의 축을 따라 병진하도록 한다. 이에 따라, 대응 볼 스크류 상의 각 볼 너트의 위치에 따라 작동부(304)의 병진과 피치가 조정될 수 있다. 선형 가이드(222)는 선형 레일들의 병진 방향으로의 이동을 더 구속 및 안내할 수 있다.

관절형 (수술) 장치(302)는 작동부(304)에 견고하게 부착되거나 통합되어 추적 시스템(206)이 작동부(304)의 POSE를 추적할 수 있게 하는, 셋 이상의 기표(fiducial marker; 314a, 314b, 314c, 3l4d)들을 더 포함한다. 이 기표(314a, 314b, 314c, 3l4d)들은 발광다이오드(LED) 등의 능동형 기표 또는 역반사 구(retroreflective sphere) 등의 수동형 기표가 될 수 있다. 셋 이상의 기표(314a, 314b, 314c, 3l4d)들은 추적 시스템(206)이 FOV 내에서 수술 장치(204)를 식별할 수 있게 하는 그 수술 장치(204)에 연계된 기준 부재로 작용한다. 셋 이상의 기표(314a, 314b, 314c, 3l4d)들은 기표(314a, 314b, 314c, 3l4d)들의 독특한 형상(geometry) 또는 기표(314a, 314b, 314c, 3l4d)들의 독특한 방출 파장/주파수 중의 어느 것에 기반하여 수술 장치(304)를 고유하게 식별한다. 한 특정한 본 발명 실시예에서, 수술 장치(304)는 (예를 들어 후술하는 전자 모듈(320) 등의) 수술 장치 '호스트(host)' 프로세서와 광학 추적 시스템(206) 또는 조종(navigation) 컴퓨터(208) 등의 다른 서브시스템들 간에 데이터와 지령들을 중계(relay)하는 직렬 인터페이스를 제공하도록 광학 통신 모뎀(316)을 더 포함한다. 광학 통신 모뎀(316)은 전용의(dedicated) 적외선 LED(316)을 통해 데이터를 방출하고 광다이오드(318)을 통해 데이터를 수신할 수 있다. 수술 장치(304)는 분리 가능한 배터리와 액튜에이터(312a, 312b)들을 제어하는 전자 모듈(320)을 더 포함할 수 있다. 전자 모듈(320)은 국부적 상태 제어를 제공하고, 액튜에이터 제어 기능의 대부분을 구현하는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 이 마이크로컨트롤러는 광학 통신 모뎀(316)을 통해 (예를 들어 광학 추적 시스템(206)과, 조종 컴퓨터(208)와, 및 작업흐름(100) 등의) 다른 서브시스템들과 통신한다. 이 데이터 교환(data transaction)은: a) 연산 시스템(202)로부터 수술 장치(204)로의 목표 평면들의 수신; b) 광학 추적 시스템(206)으로부터의 실시간 기표 POSE들의 수신; c) 수술 장치(204)로부터 추적 시스템(206) 또는 조종 컴퓨터(208)로의 (예를 들어 배터리 전압, 목표 평면 선택, 고장 상태(fault condition) 등의) 상태(status)/수신확인(acknowledge) 패킷(packet)들의 전송; 및 d) 수술 장치(204)로부터의 데이터 로그들의 업로드(uploading)를 포함한다.

수술 장치(204)는 평면 선택 입력 기구(322)와, 복수의 피드백 선택 LED(324a, 324b, 324c, 324d)들과, 및 전원/상태 LED(326)를 더 포함한다. 평면 선택 입력 기구(322)는 전술한 바와 같이 사용자가 (예를 들어 원위 절개부(124), 대퇴부 단부(126), 근위 절개부(128), A-P선(130) 등) 하나 이상의 평면들을 선택할 수 있게 하는 하나 이상의 버튼 또는 미끄럼 토글(스위치)(sliding toggle)을 포함할 수 있다. 피드백 선택 LED(324a, 324b, 324c, 324d)들은 사용자에게 어느 평면이 선택되었는지 표시한다. 전원/상태 LED는 상태 정보를 중계한다. 예를 들어, 장치에 전원 공급이 없으며 이 LED가 꺼진다. 녹색 LED가 반짝이면(flashing green) 전원이 공급되지만 수술 계획 데이터가 다운로드 되지 않았다는 것을 표시할 수 있다. 녹색 LED가 계속 켜져 있으면(solid green) 사용 준비가 된 것을 의미한다. 황색 LED가 반짝이면 배터리가 낮은 것을 표시하고 적색 LED가 계속 켜져 있으면 하드웨어 고장을 표시한다.

다시 도 4로 돌아가, 일부 본 발명 실시예들에서 연산 시스템(202)은: 프로세서를 포함하는 조종 컴퓨터(208)와; 프로세서를 포함하는 계획수립 컴퓨터(planning computer; 210)와, 프로세서를 포함하는 추적 컴퓨터(211), 및 주변 장치들을 포함한다. 연산 컴퓨터(202) 내의 프로세서들은 본 발명 시스템 및 방법에 연계된 연산을 수행한다. 이 프로세서 기능들은 컴퓨터들, 원격 서버, 클라우드 컴퓨팅 네트워크(cloud computing facility), 또는 그 조합들 간에 공유됨을 이해해야 할 것이다.

특정한 본 발명 실시예들에서, 조종 컴퓨터(208)는 하나 이상의 프로세서들, 컨트롤러들, 및 RAM, ROM, 또는 다른 비휘발성 또는 휘발성 메모리 등의 추가적인 데이터 저장 매체를 포함하여, 수술 작업흐름(100)의 제어에 관련된 기능들을 수행하고 사용자에게 안내를 제공하며, 수술전 계획 수술 데이터를 해석하고 목표 평면 위치들을 수술 장치(204)에 전송할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조종 컴퓨터(208)는 광학 추적 시스템(206)과 직접 통신하여, 광학 추적 시스템(206)이 FOV 내에서 피추적 장치들을 식별하면 이에 따라 조종 컴퓨터(208)가 피추적 장치의 신원(identity)에 기반하여 작업흐름(100)을 제어할 수 있다. 그러나 조종 컴퓨터(208)와 추적 컴퓨터(211)가 도시된 바와 같이 별도의 컴퓨터이거나, 그 작동들이 수술 시스템(200)의 구성에 따라 단 하나 또는 두 컴퓨터들 상에서 실행될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 에를 들어, 조종 컴퓨터(208)의 필요 없이 추적 컴퓨터(211)가 작업흐름(100)을 직접 제어할 작동 데이터를 가질 수 있다. 이와는 달리(or), 추적 컴퓨터(211)의 필요 없이 조종 컴퓨터(208)가 광학 카메라들로부터 검출된 데이터를 직접 판독한 작동 데이터를 포함할 수도 있다. 어느 경우에건, 주변 장치들은 사용자가 수술 시스템(200)과 접속할 수 있게 하는데: 디스플레이(display) 또는 모니터(212) 등 하나 이상의 사용자 인터페이스들; 및 예를 들어 키보드(214), 마우스(222), 펜던트(스위치)(224), 조이스틱(226), 풋페달(foot pedal; 228) 등을 포함하는 다양한 사용자 입력 기구들을 포함하거나 모니터(212)가 터치스크린 기능들을 가질 수 있다.

계획수립 컴퓨터(210)는 바람직하기로 수술전 또는 수술중의 어느 (수술) 과정의 계획수립 전용이다. 예를 들어, 계획수립 컴퓨터(210)는 의료 화상 데이터를 수신 및 판독하고, 화상 데이터를 분할(segmenting)하며, 삼차원(3D) 가상 모델을 구축 및 조작하고, 컴퓨터 지원 설계(computer-aided design; CAD) 파일들을 저장 및 제공하며, 뼈에 대한 임플란트들의 POSE를 계획하고, 시스템(200)에 사용될 수술계획 데이터를 생성하며, 사용자가 수술 과정을 계획하는 것을 보조하는 여러 가지 다른 기능들을 제공할 수 있는 (예를 들어 프로세서, 컨트롤러, 및 메모리 등의) 하드웨어, 소프트웨어, 데이터, 및 지원 프로그램(utility)들을 포함할 수 있다. 계획수립 컴퓨터는 또한 목표 평면 규정 전용의 소프트웨어를 포함할 수 있다. 최종적인 수술계획 데이터는 뼈의 화상 데이터 세트와, 뼈 등록 데이터와, 환자식별 정보와, 뼈에 대한 임플란트들의 POSE와, 뼈에 대해 규정된 하나 이상의 목표 평면들의 POSE와, 및 어떤 조직 수술(tissue modification) 지시(instruction)들을 포함할 수 있다. 최종 수술계획은 수술실(OR) 내의 유선 또는 무선 연결을 통하거나; 계획수립 컴퓨터(210)가 OR 외부에 위치한다면 (예를 들어 콤팩트디스크(CD), 휴대용 범용직렬버스(USB 드라이브) 등의) 비휘발성 데이터 저장 매체를 통해 조종 컴퓨터(208) 및/또는 추적 컴퓨터(211)에 용이하게 전송될 수 있다. 그러면 등록된 수술계획 데이터는 전술한 바와 같이 수술 장치(204)에 광학적으로 전송된다.

한 특정한 실시예에서, 추적 시스템(206)은 강체(rigid body)(추적 어레이)들 상에 배열되거나 피추적 장치들에 직접 통합된 기표(fiducial marker)들의 위치를 검출하는 둘 이상의 광학 카메라(카메라들은 수술 램프(218) 내에 위치하여 수술 부위를 지향하므로 도시되지 못함)를 가지는, 미국특허 제6,061,644호에 기재된 바와 같은 광학 추적 시스템이다. 기표의 예시적 예들은: LED 또는 전자기 복사 방출기 등의 능동적 발신기(transmitter); 플라스틱 구 또는 역반사 필름 등의 수동적 반사기; 또는 특유의(distinct) 패턴 또는 형상, 선, 또는 다른 문자들의 연속(sequence)을 포함한다. 강체 상에 배열된 기표들의 세트를 이 명세서에서는 추적 어레이(220a, 220b, 220c)로 지칭하지만, 기표들은 피추적 장치들에 직접 통합될 수도 있다. 각 피추적 장치 상의 각 기표 어레이(220a, 220b, 220c), 또는 기표들의 세트는 기표들의 독특한 형상/배열을 가지거나, 기표가 능동형 LED들인 경우 독특한 발신(transmitting) 파장/주파수를 가져, 추적 시스템(206)이 피추적 객체들의 각각을 구분함으로써 각 피추적 장치에 연계된 기준부재로서 작용할 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예들에서, 추적 시스템(106)이 수술 램프(218)에 설치되는데, 그러면 광학 카메라들의 FOV가 제한된다. 그러나 다른 실시예들에서는, 추적 시스템(206)과 카메라들은 붐(boom), 스탠드 상에 위치하거나, 수술실의 벽 또는 천정에 설치된다. 추적 시스템 컴퓨터(211)는 국부 또는 전체 좌표계에서의 (예를 들어 대퇴골(F) 및 경골(T) 등의 뼈들, 수술 장치(204) 등의) 객체의 POSE를 결정하는 추적 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 및 지원프로그램을 포함한다. 객체들의 POSE는 이 명세서에서 POSE 데이터로 지칭되는데, 이 POSE 데이터는 유선 또는 무선 연결을 통해 조종 컴퓨터(208)와 전자 모듈(320)들에 용이하게 전송된다(communicated).

수술 시스템(200)은 하나 이상의 뼈들을 등록하기 위해 전술한 피추적 디지타이저 탐침(230)을 더 포함한다. 도 6에는, 피추적 디지타이저 탐침(230)의 상세도가 도시되어 있다. 피추적 디지타이저 탐침(230)은 셋 이상의 기표(330a, 330b, 330c)들과, 광학 통신 LED(332)와, 둘 이상의 선택 버튼(334a, 334b)들과, 및 탐침 팁(probe tip; 336)을 포함한다. 기표 어레이(330a, 330b, 330c)들은 추적 시스템(206)이 피추적 디지타이저 탐침(230)을 식별할 수 있게 하는 독특한 형태로(unique fashion) 추적 어레이(220c) 상에 존재하거나 탐침(230)에 직접 통합될 수 있다. 광학 통신 LED(332)는 탐침(230)이 추적 시스템(206) 및/또는 조종 시스템(208)과 통신할 수 있게 한다. 둘 이상의 선택 버튼(334a, 334b)들은 전술한 바와 같이 사용자가 등록 모드 메뉴(112)의 대퇴골과 경골 간을 선택할 수 있게 한다. 버튼(334a, 334b)들은 또한 사용자가 등록 과정 동안 클릭하여 점들을 수집할 수 있게 한다.

다른 실시예들(Other Embodiments)

이상의 상세한 설명에서 적어도 하나의 예시적 실시예가 설명되었으나, 아주 많은 변형예들이 존재함을 이해해야 할 것이다. 또한 이 예시적 실시예 또는 예시적 실시예들은 단지 예들이며, 본 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 설명된 실시예들의 구성들을 어떤 방식으로건 제한하려 의도한 것이 아님도 이해해야 할 것이다. 오히려 전술한 상세한 설명들은 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 이 예시적 실시예 또는 실시예들을 구현할 편리한 지침(roadmap)을 제공할 것이다. 첨부된 청구항들과 그 법적 등가물들로 규정되는 범위를 벗어나지 않고도 부재들의 기능과 구성에 다양한 변경이 이뤄질 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims

컴퓨터 지원 수술 과정 동안 작업 흐름을 제어하는 방법으로서:
수술 부위의 시야를 가지는 광학 추적 시스템을 제공하는 단계로, 상기 광학 추적 시스템이 상기 작업흐름과 통신하는 단계와;
제1 피추적 장치를 상기 시야에 도입시키는 단계와;
상기 제1 피추적 장치에 연계된 제1 기준 부재에 기반하여 상기 광학 추적 시스템으로 상기 제1 피추적 장치를 식별하는 단계와;
상기 제1 피추적 장치의 식별에 기반하여 상기 작업흐름 내의 제1 단계를 판단하는 단계와; 및
상기 제1 단계를 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 사용자에게 화상표시하는 단계를
포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 피추적 장치가 상기 시야에 동시에 존재하는 동안 제2 피추적 장치를 진입시키는 단계와;
상기 제1 피추적 장치 또는 상기 제2 피추적 장치 중의 적어도 하나를 상기 시야로부터 치우라는 오류 메시지를 상기 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 상기 사용자에게 화상표시하는 단계를
더 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 피추적 장치를 상기 시야로부터 치우는 단계와;
상기 제2 피추적 장치를 상기 시야로 도입시키는 단계와;
상기 제2 피추적 장치에 연계된 제2 기준부재에 기반하여 상기 제2 피추적 장치를 식별하는 단계와;
상기 제2 피추적 장치의 식별에 기반하여 상기 작업흐름 내의 제2 단계를 판단하는 단계와; 및
상기 제2 단계를 상기 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 상기 사용자에게 화상표시하는 단계를
더 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1 피추적 장치도 상기 시야 내에 없고 상기 제2 피추적 장치도 상기 시야 내에 없으면 상기 작업흐름의 주 메뉴를 상기 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 상기 사용자에게 화상표시하는 단계를
더 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 제1 단계 및 제2 단계가 순차적 또는 비순차적 중의 어느 하나인 수술 작업흐름 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 제1 피추적 장치가 피추적 디지타이저 탐침이고, 상기 제2 피추적 장치가 피추적 수술 장치인 수술 작업흐름 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 작업흐름 내의 상기 단계가 상기 피추적 디지타이저 탐침으로 뼈를 등록하라는 지시들을 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 피추적 디지털 탐침만이 상기 시야 내에 있을 때 뼈 등록을 개시하도록 사용자 확인을 요청하는 단계와;
상기 요청을 확인하는 단계와; 및
상기 뼈를 등록하는 단계로, 상기 피추적 디지타이저 탐침을 상기 시야에서 치워도 상기 등록이 완료될 때까지 상기 작업흐름이 상기 주 메뉴를 화상표시하지 않는 단계를
더 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 작업흐름 내의 상기 제2 단계가 상기 피추적 수술 장치로 상기 뼈에 적어도 하나의 행위를 수행하라는 지시들을 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 작업흐름 내의 상기 제2 단계가 제1 수술 모드와, 제2 수술 모드와, 제3 수술 모드와, 및 제4 수술 모드를 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 뼈에 수행되는 상기 적어도 하나의 행위가 적어도 상기 뼈의 절개인 수술 작업흐름 제어 방법.
제10항에 있어서,
어느 뼈도 등록되지 않으면 상기 제1 수술 모드를 개시하여, 상기 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 상기 피추적 수술장치를 상기 시야에서 치우거나 감추라는 지시를 상기 사용자에게 제공하는 단계와;
제1 뼈와 제2 뼈가 등록되었으면 상기 제2 수술 모드를 개시하여, 상기 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 상기 제1 뼈 및 제2 뼈에 적어도 하나의 행위를 수행하라는 지시를 상기 사용자에게 제공하는 단계와;
상기 제1 뼈만 등록되었으면 상기 제3 수술 모드를 개시하여, 상기 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 상기 제1 뼈에만 적어도 하나의 행위를 수행하라는 지시를 상기 사용자에게 제공하는 단계와; 및
상기 제2 뼈만 등록되었으면 상기 제4 수술 모드를 개시하여, 상기 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 상기 제2 뼈에만 적어도 하나의 행위를 수행하라는 지시를 상기 사용자에게 제공하는 단계를
더 포함하는 수술 작업흐름 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 뼈가 대퇴골이고 상기 제2 뼈가 경골인 수술 작업흐름 제어 방법.
제6항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 피추적 수술 장치가 수술 계획에 따라 상기 대퇴골 및 경골에 핀들을 삽입하는 2 자유도 관절형 수술 장치인 수술 작업흐름 제어 방법.
제6항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 피추적 수술 장치가 수술 계획에 따라 상기 대퇴골 및 경골로부터 능동적으로 재질을 제거하는 적어도 5자유도의 수술 로봇인 수술 작업흐름 제어 방법.
수술 부위의 시야를 가지는 광학 추적 시스템으로, 그래픽 사용자 인터페이스 상에 화상표시될 수 있는 복수의 단계들을 가지는 수술 작업흐름과 통신하는 상기 광학 추적 시스템과;
피추적 디지타이저 탐침과; 및
피추적 수술 장치를 포함하고;
상기 광학 추적 시스템이 프로세서를 포함하며, 실행시 상기 프로세서가:
상기 추적 시스템의 상기 시야 내의 상기 피추적 디지타이저 탐침 또는 상기 피추적 수술 장치의 존재 또는 부존재를 식별하고;
상기 피추적 디지타이저 탐침 또는 상기 피추적 수술 장치 중의 어느 것의 식별에 기반하여 상기 작업흐름 내의 단계를 판단하며;
상기 판단된 단계를 상기 그래픽 사용자 인터페이스 상에 화상표시하라고 상기 작업흐름에 명령하도록
시키는, 소프트웨어로 실행 가능한 명령들을 가지는 상기 프로세서를 포함하는 컴퓨터 지원 수술 시스템.
제16항에 있어서,
실행시 상기 프로세서를 시키는 실행 가능한 명령들이, 상기 프로세서가:
상기 시야 내의 상기 피추적 탐침과 상기 피추적 수술 장치 양자를 동시에 식별하고; 그리고
상기 피추적 탐침 또는 상기 피추적 수술 장치 중의 적어도 하나를 상기 시야로부터 치우라고 사용자에게 지시하는 오류 메시지를 상기 그래픽 사용자 인터페이스 상에 화상표시하도록 상기 작업흐름에 명령하도록
시키는 것을 더 포함하는 컴퓨터 지원 수술 시스템.
제17항에 있어서,
상기 피추적 수술 장치가 하나 이상의 핀들을 뼈에 삽입하는 2자유도 관절형 수술 장치인 컴퓨터 지원 수술 시스템.
제18항에 있어서,
그 내부의 뼈 모델에 대해 규정된 복수의 목표 평면들을 가지는 수술 계획을 더 포함하고, 상기 목표 평면들이 상기 2자유도 관절형 수술 장치로 상기 뼈에 하나 이상의 핀들을 삽입할 위치를 지정하는 컴퓨터 지원 수술 시스템.
제19항에 있어서,
상기 관절형 수술 장치가 사용자가 상기 복수의 가상 평면들 간을 전환할 수 있게 하는 스위치를 포함하는 컴퓨터 지원 수술 시스템.
제20항에 있어서,
상기 뼈에 삽입된 상기 하나 이상의 핀들에 조립되는 하나 이상의 절개 가이드들을 더 포함하고, 상기 절개 가이드들이 상기 뼈에 평면형 절개부를 형성할 때 수술 톱을 안내하는 안내 슬롯들을 가지는 컴퓨터 지원 수술 시스템.