KR20200128204A - 수술 시스템 기구 장착 - Google Patents

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KR20200128204A
KR20200128204A KR1020207031744A KR20207031744A KR20200128204A KR 20200128204 A KR20200128204 A KR 20200128204A KR 1020207031744 A KR1020207031744 A KR 1020207031744A KR 20207031744 A KR20207031744 A KR 20207031744A KR 20200128204 A KR20200128204 A KR 20200128204A
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다니엘 고메즈
제프리 디. 브라운
토마스 쥐. 쿠퍼
유진 에프. 듀발
로버트 이. 할럽
안토니 케이. 맥그로간
크라이그 알. 램스타드
테오도르 더블류. 로저스
토드 솔로몬
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인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

로봇 수술 시스템 및 수술 기구를 조작기 암에 연결하는 방법이 제공된다. 한 구체예에서, 시스템은 베이스(208); 로봇 수술 시스템의 원격 동작 중심을 위치시키는, 베이스에 작동 가능하게 연결된 셋업 링크(222, 218); 셋업 링크에 작동 가능하게 연결된 근위 링크(226; 및 근위 링크에 작동 가능하게 연결된 원위 링크(238)를 포함한다. 복수의 기구 조작기(242a)는 원위 링크의 원단부에 회전 가능하게 연결되며, 기구 조작기는 각각 프레임의 원단부로부터 원위 쪽으로 돌출한 복수의 가동장치 출력(442b,c,d,e)을 포함한다.

Description

수술 시스템 기구 장착{SURGICAL SYSTEM INSTRUMENT MOUNTING}
관련 출원의 참조
본 출원은 전체 내용이 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 2010년 5월 14일 제출된 미국 가 출원 제61/334,978호, 발명의 명칭 "Surgical System"의 이익을 주장한다.
본 출원은 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,165호와 관련된다. 미국 특허출원 제11/762,165호는 이후의 미국 가 특허출원의 우선권을 주장했고, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다: 60/813,028, 발명의 명칭 "단일 입구 시스템 2" 2006년6월13일 제출, Cooper et al.; 60/813,029, 발명의 명칭 "단일 입구 수술 시스템 1" 2006년6월13일 제출, Cooper; 60/813,030, 발명의 명칭 "독립적으로 가동되는 광학 트레인" 2006년6월13일 제출, Larkin et al.; 60/813,075, 발명의 명칭 "모듈형 캐뉼라 구조" 2006년6월13일 제출, Larkin et al.; 60/813,125, 발명의 명칭 "최소한의 혼란으로 중간 구조를 거쳐 기구를 수술 부위로 송달하는 방법" 2006년6월13일 제출, Larkin et al.; 60/813,126, 발명의 명칭 "강성 단일 입구 수술 시스템" 2006년6월13일 제출, Cooper; 60/813,129, 발명의 명칭 "최소 순 힘 가동" 2006년6월13일 제출, Cooper et al.; 60/813,131, 발명의 명칭 "측면 작업하는 도구 및 카메라" 2006년6월13일 제출, Duval et al.; 60/813,172, 발명의 명칭 "조인트를 통과하는 케이블" 2006년6월13일 제출 Cooper; 60/813,173, 발명의 명칭 "매끄럽게 휘는 중공 기구 조인트" 2006년6월13일 제출, Larkin et al.; 60/813,198, 발명의 명칭 "리트랙션 장치 및 방법" 2006년6월13일 제출, Mohr et al.; 60/813,207, 발명의 명칭 "엔도루미날 로봇용의 감지 구조", 2006년6월13일 제출, Diolaiti et al.; 및 60/813,328, 발명의 명칭 "단일 입구 복강경 수술의 개념", 2006년6월13일 제출, Mohr et al.
또한, 본 출원은 하기 계류중인 미국 특허출원과 관련되며, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다: 11/762,217, 발명의 명칭 "단일 입구 진입, 로봇 보조 의료 과정을 위한 조직 리트랙션", Mohr; 11/762,222, 발명의 명칭 "단일 입구 진입, 로봇 보조 의료 과정을 위한 번들형 의료 장치의 지지", Mohr et al.; 11/762,231, 발명의 명칭 "로봇 보조 의료 과정 동안 의료 장치를 지지하기 위한 연장 가능한 흡인면", Schena; 11/762,236, 발명의 명칭 "의료 로봇 시스템에서 비-이상적 가동장치-대-조인트 연결 특징을 보상하도록 구성된 제어 시스템", Diolaiti et al.; 11/762,185, 발명의 명칭 "수술 기구 가동 시스템", Cooper et al.; 11/762,172, 발명의 명칭 "수술 기구 가동장치", Cooper et al.; 11/762,161, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 기구 개선", Larkin et al.; 11/762,158, 발명의 명칭 "수술 기구 제어 및 가동", Cooper et al.; 11/762,154, 발명의 명칭 "평행 동작 메커니즘을 지닌 수술 기구", Cooper; 11/762,149, 발명의 명칭 "측면 출구 기구를 지닌 최소 침습 수술 장치", Larkin; 11/762,170, 발명의 명칭 "측면 출구 기구를 지닌 최소 침습 수술 장치", Larkin; 11/762,143, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 기구 시스템", Larkin; 11/762,135, 발명의 명칭 "측면 조망 최소 침습 수술 기구 조립체" Cooper et al.; 11/762,132, 발명의 명칭 "측면 조망 최소 침습 수술 기구 조립체" Cooper et al.; 11/762,127, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 기구를 위한 가이드 튜브 제어" Larkin et al.; 11/762,123, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 가이드 튜브", Larkin et al.; 11/762,120, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 가이드 튜브", Larkin et al.; 11/762,118, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 리트랙터 시스템", Larkin; 11/762,114, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 조명", Schena et al.; 11/762,110, 발명의 명칭 "역행 기구", Duval et al.; 11/762,204, 발명의 명칭 "역행 기구", Duval et al.; 11/762,202, 발명의 명칭 "기구/조직 충돌 방지", Larkin; 11/762,189, 발명의 명칭 "단면이 감소된 최소 침습 수술 기구 조립체", Larkin et al.; 11/762,191, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템", Larkin et al.; 11/762,196, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템", Duval et al.; 및 11/762,200, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템", Diolaiti.
또한, 본 출원은 하기 미국 특허출원과 관련되며, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다: 12/163,051(2008년6월27일 제출, 발명의 명칭 "분배 배향 및 병진 모드를 이용한 영상 기준 카메라 제어를 가진 의료 로봇 시스템"); 12/163,069(2008년6월27일 제출, 발명의 명칭 "기구 팁 속도가 제한된 진입 가이드 컨트롤러를 가진 의료 로봇 시스템"); 12/494,695(2009년6월30일 제출, 발명의 명칭 "운동학적 단일성에 대한 의료 로봇 시스템 조작기의 제어"); 12/541,913(2009년8월15일, 발명의 명칭 "상이한 작업공간 조건을 지닌 관절화된 기구 횡단 면적의 매끄러운 제어"); 12/571,675(2009년10월1일 제출, 발명의 명칭 "외측 창문이 있는 캐뉼라"); 12/613,328(2009년11월5일 제출, 발명의 명칭 "진입 가이드 안팎으로의 움직임 동안 관절화된 기구의 컨트롤러 보조 재구성"); 12/645,391(2009년12월22일 제출, 발명의 명칭 "사이클로이드 표면을 지닌 기구 리스트"); 12/702,200(2010년2월8일 제출, 발명의 명칭 "다이렉트 풀 수술 그립퍼"); 12/704,669(2010년2월12일 제출, 발명의 명칭 "관절화된 기구의 명령된 상태와 바람직한 자세의 차이를 나타내는 감지 피드백을 제공하는 의료 로봇 시스템"); 12/163,087(2008년6월27일 제출, 발명의 명칭 "진입 가이드의 원단부로부터 연장된 관절화 가능한 기구의 보조 화면을 제공하는 의료 로봇 시스템"); 12/780,071(2010년5월14일 제출, 발명의 명칭 "제어 모드들이 연결된 의료 로봇 시스템"); 12/780,747(2010년5월14일 제출, 발명의 명칭 "케이블 재-순서화 장치"); 12/780,758(2010년5월14일 제출, 발명의 명칭 "로봇 수술 기구를 위한 힘 전달"); 12/780,773(2010년5월14일 제출, 발명의 명칭 "과잉 힘 보호 메커니즘"); 12/832,580(2010년7월8일 제출, 발명의 명칭 "조인트 적용 기구를 위한 외장"); 미국 특허출원 No. 12/855,499(2010년8월12일 제출, 발명의 명칭 "수술 시스템 멸균 드레이프"(대리인 사건번호 No. ISRG02430/US)); 미국 특허출원 No. 12/855,488(2010년8월12일 제출, 발명의 명칭 "수술 시스템 진입 가이드"(대리인 사건번호 No. ISRG02450/US)); 미국 특허출원 No. 12/855,413(2010년8월12일 제출, 발명의 명칭 "수술 시스템 기구 조작기"(대리인 사건번호 No. ISRG02460/US)); 미국 특허출원 No. 12/855,434(2010년8월12일 제출, 발명의 명칭 "수술 시스템 구조"(대리인 사건번호 No. ISRG02550/US)); 미국 특허출원 No. 12/855,475(2010년8월12일 제출, 발명의 명칭 "수술 시스템 평형추"(대리인 사건번호 No. ISRG02560/ US)); 및 미국 특허출원 No. 12/855,461(2010년8월12일, 발명의 명칭 "수술 시스템 기구 멸균 어댑터"(대리인 사건번호 No. ISRG02820/US)).
로봇 보조 또는 원격로봇 수술에서 의사는 전형적으로 마스터 컨트롤러를 조종해서 환자로부터 먼 곳일 수 있는 장소로부터 수술 부위에서 수술 기구의 동작을 원격 제어한다(예를 들어, 수술실을 가로질러, 다른 수술실에서 또는 환자가 있는 곳과 완전히 다른 건물에서). 마스터 컨트롤러는 일반적으로 하나 이상의 손 입력 장치, 예를 들어 조이스틱, 외골격 글러브 등을 포함하며, 이들은 서보 모터를 가진 수술 기구에 연결되어 수술 부위에서 기구를 관절화한다. 서보 모터는 전형적으로 열린 수술 부위 안으로 직접 도입되거나 환자의 복부와 같은 체강으로 트로카 슬리브를 통해서 도입되는 수술 기구를 지지하고 제어하는 전기기계 장치나 수술 조작기("종속")의 일부이다. 작동시키는 동안 수술 조작기는 기계 관절화 및 조직 파지기, 니들 드라이버, 전기수술 소작 프로브 등과 같은 여러 수술 기구의 제어를 제공하며, 이들은 각각 바늘을 잡거나 구동시키는 것, 혈관을 붙잡는 것, 또는 조직을 절개하거나 소작하거나 응고시키는 것 등 의사를 위해 다양한 기능을 수행한다.
자유도(DOF)의 수는 원격로봇 시스템의 자세/구성을 특유하게 식별하는 독립 변수들의 수이다. 로봇 조작기는 (입력) 조인트 공간과 (출력) 데카르트 공간을 맵핑하는 운동학적 사슬이므로 DOF의 인식은 이들 두 공간 중 어느 것으로 표현될 수 있다. 특히, 조인트 DOF의 세트는 모든 독립적으로 제어되는 조인트에 대한 조인트 변수들의 세트이다. 일반성의 손실 없이 조인트는, 예를 들어 단일 병진(프리즘 조인트) 또는 회전(레볼루트 조인트) DOF를 제공하는 메커니즘이다. 2개 이상의 분리된 조인트로서 운동학 모델링 관점으로부터 1 보다 큰 DOF 동작을 제공하는 어떤 메커니즘이 고려된다. 데카르트 DOF의 세트는 일반적으로 3개의 병진(위치) 변수(예를 들어, 서지, 히브, 스웨이)와 3개의 회전(방향) 변수(예를 들어, 율러 각도 또는 롤/피치/요우 각도)에 의해서 표시되며, 이들은 주어진 기준 데카르트 프레임과 관련하여 단부 작동기(또는 팁) 프레임의 위치와 방향을 설명한다.
예를 들어, 2개의 독립적인 수직 레일에 장착된 단부 작동기를 지닌 평면 메커니즘은 이 2개 레일에 걸쳐진 영역 안에서 x/y 위치를 제어하는 능력을 가진다(프리즘 DOF). 단부 작동기가 레일의 평면에 수직인 축 주위에서 회전될 수 있다면 3개의 출력 DOF(단부 작동기의 x/y 위치 및 방향 각도)에 상응하는 3개의 입력 DOF가 있게 된다(2개의 레일 위치 및 요우 각도).
모든 병진 및 방향 변수가 독립적으로 제어되는 데카르트 기준 프레임 안에서의 바디를 설명하는 비-여분 데카르트 DOF의 수는 6일 수 있지만, 조인트 DOF의 수는 일반적으로 메커니즘과 일의 내역의 복잡성을 고려한 설계 선택의 결과이다. 따라서, 조인트 DOF의 수는 6보다 많거나, 6과 동일하거나, 또는 6보다 적을 수 있다. 비-여분 운동학 사슬의 경우, 독립적으로 제어되는 조인트의 수는 단부 작동기 프레임의 이동성 정도와 같다. 특정한 수의 프리즘 및 레볼루트 조인트 DOF에서, 단부 작동기 프레임은 병진(x/y/z 위치)과 회전(롤/피치/요우 방향 각도) 동작의 조합에 상응하는 데카르트 공간 안에서 동일한 수의 DOF(단일 구성일 때를 제외하고)를 가질 것이다.
입력 DOF와 출력 DOF의 구분은 운동학 사슬(예를 들어, 기계적 조작기)이 여분성 또는 "불완전성"인 상황에서 극히 중요하다. 특히, "불완전성" 조작기는 독립적으로 제어되는 조인트가 6개 미만이어서 단부 작동기 위치와 방향을 충분히 제어할 수 있는 능력을 갖지 못한다. 대신에, 불완전성 조작기는 위치와 방향 변수의 하위군만을 제어하도록 제한된다. 한편, 여분성 조작기는 6을 넘는 조인트 DOF를 가진다. 따라서, 여분성 조작기는 1을 넘는 조인트 구성을 사용하여 원하는 6-DOF 단부 작동기 자세를 확립할 수 있다. 다시 말해서, 추가의 자유도를 사용해서 단부 작동기의 위치와 방향은 물론 조작기 자체의 "모양"을 제어할 수 있다. 운동학적 자유도에 더하여, 메커니즘은 파지 턱 또는 가위 날의 선회하는 레버 움직임과 같은 다른 DOF를 가질 수 있다.
원격 조작을 통한 원격로봇 수술은 수술에 필요한 절개부의 크기와 수를 줄일 수 있어서 환자 회복을 증진시키며, 또한 환자 외상과 불편함을 줄이는데도 도움이 된다. 그러나, 원격로봇 수술은 또한 많은 새로운 도전을 만들었다. 환자에 인접한 로봇 조작기는 때로 환자측 스텝이 환자에 접근하는 것을 어렵게 만들고, 특히 단일 입구 수술을 위해 설계된 로봇의 경우 단일 입구 접근이 극히 중요하다. 예를 들어, 의사는 수술 과정 동안 전형적으로 많은 수의 상이한 수술 기구/도구를 사용하며, 용이한 조작기 및 단일 입구 접근성과 용이한 기구 교환이 매우 바람직하다.
또 다른 도전은 전기기계적 수술 조작기의 일부가 수술 부위에 인접해서 위치된다는 사실로 인해서 생긴다. 따라서, 수술 조작기는 수술 동안 오염될 수 있으며, 전형적으로는 폐기되거나 작업 사이에 멸균된다. 비용의 관점에서는 장치를 멸균하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 모터를 로봇 제어하는데 필요한 서보 모터, 센서, 인코더 및 전기 접속은 멸균 과정 동안 이 시스템 부품들이 손상되거나 파손될 수 있기 때문에 전형적으로 종래의 방법, 예를 들어 스팀, 열 및 압력, 또는 화학물질을 사용해서 멸균될 수 없다.
수술 조작기를 덮기 위한 멸균 드레이프가 이미 사용되고 있으며, 이것은 어댑터(예를 들어, 리스트 유닛 어댑터 또는 캐뉼라 어댑터)가 멸균 현장으로 들어가는 통로인 구멍을 이미 포함했었다. 그러나, 이것은 불리하게도 각 과정 후 어댑터의 탈착과 멸균이 필요하며, 또한 드레이프에 있는 구멍을 통해 오염될 가능성이 크다.
또한, 다중 암 수술 로봇 시스템을 위한 현재의 멸균 드레이프 디자인에서는 시스템의 각각의 개별 암이 드레이프로 덮이지만, 이러한 디자인은 단일 입구 시스템의 경우, 특히 모든 기구 가동장치가 단일 종속 조작기에 의해서 함께 움직일 때는 적용될 수 없다.
따라서, 환자의 수술 부위에서 수술 기구를 원격 제어하기 위한 개선된 원격로봇 시스템, 장치 및 방법이 필요하다. 특히, 이들 시스템, 장치, 및 방법은 시스템과 수술 환자를 보호하면서 비용 효능을 개선하기 위해서 멸균 필요성을 최소화하도록 구성되어야 한다. 이에 더하여, 이들 시스템, 장치, 및 방법은 기구와 조작기 사이에 정확한 인터페이스를 제공하면서 수술 과정 동안 기구 교환 시간 및 어려움을 최소화하도록 설계되어야 한다. 또한, 이들 시스템 및 장치는 형태 요소를 최소화함으로써 수술 스텝을 위해 진입구 주위의 공간을 많이 이용할 수 있도록 하면서 개선된 동작 범위를 제공해야 한다. 또한, 이들 시스템, 장치, 및 방법은 기구와 다른 장치의 충돌을 줄이면서 단일 입구를 통해 다수의 기구를 조직하고 지지하며 효과적으로 작동시킬 수 있어야 한다.
본 개시는 원격로봇 수술을 위한 개선된 수술 시스템, 장치 및 방법을 제공한다. 한 양태에 따라서, 시스템, 장치 및 방법은 정확하며 확실한 인터페이스로서 드레이프로 덮인 기구 조작기와 조작기 암의 원단부에 적어도 하나의 원격조작 수술 기구를 제공하며, 또한 용이한 기구 교환 및 증진된 기구 조작을 제공하고, 각 수술 기구는 서로 독립적으로 작동하며, 각각 데카르트 공간 안에서 적어도 6의 능동적으로 제어되는 자유도를 지닌 단부 작동기를 가진다(즉, 서지, 히브, 스웨이, 롤, 피치, 요우).
한 구체예에서, 로봇 수술 시스템은 베이스, 및 베이스에 작동 가능하게 연결된 셋업 링크를 포함하며, 셋업 링크는 로봇 수술 시스템의 원격 동작 중심을 위치시킨다. 또한, 시스템은 셋업 링크에 작동 가능하게 연결된 근위 링크, 근위 링크에 작동 가능하게 연결된 원위 링크, 및 원위 링크의 원단부에 작동 가능하게 연결된 복수의 기구 조작기를 포함하며, 기구 조작기는 각각 프레임의 원단부로부터 원위 쪽으로 돌출한 복수의 가동장치 출력을 포함한다.
다른 구체예에서, 로봇 수술 시스템은 상기 설명된 요소들과 상응하는 기구 조작기의 원단부에 작동 가능하게 연결된 복수의 수술 기구를 포함하며, 각 기구는 상응하는 기구 조작기의 상응하는 가동장치 출력과 맞물린 힘 전달 메커니즘의 근위면 상에 가동장치 입력을 가진다.
또 다른 구체예에서, 수술 기구와 로봇 수술 시스템의 조작기 암을 연결하는 방법은 상기 설명된 로봇 수술 시스템을 제공하는 단계 및 수술 기구의 근위면을 상응하는 기구 조작기의 원단부에 장착하여 기구 조작기의 가동장치 출력과 수술 기구의 가동장치 입력을 작동 가능하게 연결하는 단계를 포함한다.
당업자는 하나 이상의 구체예들에 대한 이후의 상세한 설명을 참조하여 본 개시의 구체예들을 더 완전히 이해하고, 추가의 이점들을 실현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면을 참조하며, 먼저 이들을 간단히 설명한다.
도 1a 및 1b는 본 개시의 한 구체예에 따른 멸균 드레이프가 있을 때와 없을 때의 원격수술 시스템에서 환자측 지지 조립체의 도식도를 각각 예시한다.
도 2a는 멸균 드레이프가 있고 기구가 장착된 원격수술 시스템의 한 구체예를 예시하는 도식적 투시도이다.
도 2b 및 2c는 멸균 드레이프가 도시되지 않은 상태의 도 2a의 원격수술 시스템의 측면도와 상면도를 각각 예시한다.
도 3은 조작기 베이스 플랫폼, 기구 조작기 클러스터, 및 장착된 기구의 한 구체예를 예시하는 투시도이다.
도 4a 및 4b는 삽입 축을 따라 각각 연장된 상태와 접힌 상태의 기구 조작의 투시도이다.
도 5a-1 및 5b-1은 기구 조작기의 원위면에 기구 전달 메커니즘의 근위면을 연결하기 위한 지지 후크의 작동을 예시하고, 도 5a-2 및 5b-2는 도 5a-1 및 5b-1의 단면도를 각각 예시한다.
도 5c-1 내지 5c-4는 외부 하우징이 없는 기구 조작기의 상이한 도면들을 예시한다.
도 6a-6b는 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기의 그립 모듈의 상이한 도면들을 예시한다.
도 7a는 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기의 짐볼 가동장치 모듈의 도면을 예시한다.
도 7b는 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기의 롤 모듈의 도면을 예시한다.
도 8은 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기의 텔레스코프 삽입 축의 도면을 예시한다.
도 9a 및 9b는 기구 조작기에 장착하도록 구성된 기구의 근위 부분 및 원위 부분의 투시도를 각각 예시한다.
도 10은 본 개시의 한 구체예에 따른 기구에 작동 가능하게 연결된 기구 조작기의 단면도를 예시한다.
도 11a-11b는 본 개시의 한 구체예에 따른 접힌 상태와 연장된 상태의 멸균 드레이프의 일부분의 투시도를 각각 예시한다.
도 11c는 본 개시의 한 구체예에 따른 베이스 플랫폼을 포함하는 조작기 암의 원단부에 장착된 회전하는 멸균 드레이프 부분의 단면도를 예시한다.
도 11d는 본 개시의 한 구체예에 따른 연장된 멸균 드레이프를 예시한다.
도 12는 본 개시의 한 구체예에 따른 멸균 어댑터를 포함하는 연장된 멸균 드레이프의 일부분의 투시도를 예시한다.
도 13a 및 13b는 본 개시의 한 구체예에 따른 조립된 멸균 어댑터의 투시도와 멸균 어댑터의 분해도를 각각 예시한다.
도 13c는 본 개시의 한 구체예에 따른 롤 가동장치 인터페이스의 확대도를 예시한다.
도 14a 및 14b는 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기의 하부 투시도와 하면도를 예시한다.
도 15는 본 개시의 한 구체예에 따른 멸균 어댑터에 작동 가능하게 연결된 기구 조작기의 하부 투시도를 예시한다.
도 16a-16e는 본 개시의 한 구체예에 따른 기구 조작기와 멸균 어댑터를 연결하기 위한 순서를 예시한다.
도 17a-17c는 본 개시의 한 구체예에 따른 멸균 어댑터에 수술 기구를 연결하기 위한 순서를 예시한다.
도 18a 및 18b는 맞물림 전의 기구와 멸균 어댑터의 확대된 투시도와 측면도를 각각 예시한다.
도 19a 및 19b는 접힌 위치와 전개된 위치에 있는 움직일 수 있는 캐뉼라 장착부의 투시도를 각각 예시한다.
도 20a 및 20b는 한 구체예에 따른 캐뉼라 클램프 상에 장착된 캐뉼라의 전면 및 후면 투시도를 예시한다.
도 21은 캐뉼라만의 투시도를 예시한다.
도 22는 본 개시의 한 구체예에 따른 조작기 플랫폼 위에서 기구 조작기에 장착된 기구와 조합된 도 21의 캐뉼라와 도 23a와 23b의 장착된 진입 가이드의 단면도를 예시한다.
도 23a 및 23b는 도 22의 진입 가이드의 투시도와 상면도를 예시한다.
도 24는 본 개시의 한 구체예에 따른 조작기 플랫폼 위에서 기구 조작기에 장착된 기구와 조합된 또 다른 캐뉼라와 또 다른 장착된 진입 가이드의 단면도를 예시한다.
도 24a-24b는 접힌 위치와 전개된 위치에 있는 또 다른 움직일 수 있는 캐뉼라 장착 암의 투시도를 각각 예시한다.
도 24c는 또 다른 구체예에 따른 캐뉼라의 근위 상부 구획을 예시한다.
도 24d는 또 다른 구체예에 따른 캐뉼라 장착 암의 원단부에 있는 캐뉼라 클램프를 예시한다.
도 25a-25c, 26a-26c 및 27a-27c는 기구 조작기 조립체 롤 축 또는 기구 삽입 축이 상이한 방향을 향하는 수술 시스템의 상이한 도면들을 예시한다.
도 28은 한 구체예에 따른 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 집중 동작 제어 시스템의 도식도이다.
도 29는 한 구체예에 따른 최소 침습 원격수술 시스템을 위한 분산 동작 제어 시스템의 도식도이다.
도 30a-30b는 한 구체예에 따른 로봇 수술 시스템의 평형추 링크의 상이한 도면들을 예시한다.
도 31은 한 구체예에 따른 외부 하우징이 없는 평형추 링크의 도면을 예시한다.
도 32a 및 32b는 한 구체예에 따른 평형추 링크의 원위 부분의 하부 투시도와 단면도를 각각 예시한다.
도 33은 단부 플러그가 없는 평형추 링크의 원위 부분의 측면도를 예시하고, 도 34는 단부 플러그 직선 가이드의 확대된 투시도를 예시하고, 도 35는 본 개시의 다양한 양태에 따른 조정 핀의 투시도를 예시한다.
도 36a-36c는 본 개시의 다양한 양태에 따른 직선 가이드에 대해 단부 플러그를 움직이는 조정 핀의 동작 범위를 도시하는 단면 측면도를 예시한다.
도 37a-37c는 본 개시의 다양한 양태에 따른 평형추 근위 링크의 원단부로부터의 상세도를 예시한다.
본 개시의 구체예들과 이들의 이점들은 이후의 상세한 설명과 관련하여 가장 잘 이해된다. 유사한 참조 번호들은 도면들 중 하나 이상에 예시된 유사한 요소들을 식별하기 위해 사용된다는 것이 인정되어야 한다. 또한, 도면들은 반드시 축적으로 그릴 필요는 없을 수 있다는 것이 인정되어야 한다.
본 개시의 양태들과 구체예들을 예시하는 본 설명 및 첨부한 도면들은 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 다양한 기계적, 조성적, 구조적, 전기적 그리고 작동상의 변화들이 본 설명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 잘 공지된 회로, 구조 및 기술은 본 개시를 애매하게 하지 않도록 상세히 나타내지 않았다. 둘 이상의 도면에서 같은 숫자들은 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
또한, 본 설명에서 용어들은 본 개시를 제한하지 않는다. 예를 들어, "밑", "아래", "하부", "위", "상부", "근위", "원위" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 예시된 한 가지 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 관계를 설명하기 위해서 사용될 수 있다. 이런 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 위치 및 방향에 더하여 사용중이거나 작동중인 장치의 다른 위치와 방향도 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 요소 또는 특징의 "아래" 또는 "밑"으로서 설명된 요소들은 이 다른 요소 또는 특징의 "위" 또는 "상위"가 될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 위치와 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 식으로 배향될 수도 있으며(90도 회전 또는 다른 방향으로), 본원에 사용된 공간적으로 상대적인 기술자들은 그에 따라서 해석된다. 마찬가지로, 다양한 축을 따른 움직임과 축 주위의 움직임에 대한 설명도 여러 공간적인 장치 위치 및 방향을 포함한다. 이에 더하여, 단수형 "한" 및 "그"는 문맥상 다른 의미가 아니라면 복수형 역시 포함하도록 의도된다. 용어 "포함하다", "포함하는", "포함하다" 등은 언급된 특징, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 작동, 요소, 구성요소 및/또는 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다. 결합된 것으로 설명된 구성요소들은 전기적으로 또는 기계적으로 직접 결합될 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간 구성요소를 통해서 간접적으로 결합될 수 있다.
한 예에서, 용어 "근위" 또는 "근위 쪽에"는 시스템 움직임의 운동학적 사슬을 따라 조작기 암 베이스에 더 가까이 있는, 또는 시스템 움직임의 운동학적 사슬을 따라 원격 동작 중심(또는 수술 부위)로부터 더 멀리 있는 물체나 요소를 설명하기 위한 일반적인 방식으로 사용된다. 유사하게, 용어 "원위" 또는 "원위 쪽에"는 시스템 움직임의 운동학적 사슬을 따라 조작기 암 베이스로부터 더 멀리 있는, 또는 시스템 움직임의 운동학적 사슬을 따라 원격 동작 중심(또는 수술 부위)에 더 가까이 있는 물체나 요소를 설명하기 위한 일반적인 방식으로 사용된다.
로봇 종속 장치를 제어하여 작업 부위에서 작업을 수행하기 위해 마스터 장치에서 오퍼레이터의 입력을 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 시스템은 여러 명칭으로 불리는데, 예를 들어 원격작동, 원격조작 또는 원격로봇 시스템이라고 한다. 원격조작 시스템의 한 가지 타입은 오퍼레이터가 작업 부위에 존재하는 것처럼 인식하는 것이며, 이러한 시스템은 예를 들어 텔레프레젠스 시스템이라고 불린다. 캘리포니아 서니베일의 Intuitive Surgical, Inc.에서 상용화된 da Vinci® 수술 시스템이 텔레프리젠스 원격조작 시스템의 한 예이다. 이러한 수술 시스템에 대한 텔레프리젠스 원리는 본원에 참고로 포함되는 미국특허 제6,574,355호(2001년 3월 21일 제출됨)에 개시된다. 원격작동 수술 시스템(텔레프리젠스 특징을 갖거나 갖지 않거나)은 원격수술 시스템이라고도 할 수 있다.
하기 도면 및 설명에서 다양한 양태들과 예시적인 구체예들에 관해서 반복을 피하기 위해서 많은 특징들이 많은 양태들과 구체예들에 공통된다는 것이 이해되어야 한다. 설명이나 도면으로부터 어떤 양태의 생략은 그 양태가 해당 양태가 통합된 구체예에서 빠져 있다는 의미는 아니다. 대신에, 해당 양태는 명료성을 위해서 그리고 장황한 설명을 피하기 위해서 생략된 것일 수 있다. 따라서, 한 묘사된 및/또는 설명된 구체예와 관련해서 설명된 양태들은 실행 불가능하지 않다면 다른 묘사된 및/또는 설명된 구체예들과 함께 존재하거나 거기에 적용될 수 있다.
따라서, 몇 가지 일반적인 양태들은 하기 다양한 설명에 적용된다. 다양한 수술 기구, 가이드 튜브 및 기구 조립체들이 본 개시에 적용 가능하며, 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,165호(2007년 6월 13일 제출됨; 미국 특허출원 공개 US 2008/0065105 A1)에 더 설명된다. 수술 기구는 단독으로, 또는 가이드 튜브, 다수의 기구 및/또는 다수의 가이드 튜브를 포함하는 조립체로서 본 개시에 적용 가능하다. 따라서, 다양한 수술 기구가 이용될 수 있으며, 각 수술 기구는 서로 독립적으로 작동하고, 각각 단부 작동기를 가진다. 일부 예에서, 단부 작동기는 환자에 있는 단일 진입구를 통해서 데카르트 공간 내에서 적어도 6의 능동적으로 제어되는 DOF(즉, 서지, 히브, 스웨이, 롤, 피치, 요우)에 의해 작동한다. 1 이상의 추가 단부 작동기 DOF가, 예를 들어 파지 또는 전단 기구에서 단부 작동기의 턱 움직임에 적용될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 수술 단부 작동기가 여러 도면에 도시되거나 설명된다. 단부 작동기는 특정한 수술 기능(예를 들어, 겸자/집게, 니들 드라이버, 가위, 전기소작 후크, 스테이플러, 클립 적용기/제거기 등)을 수행하는 최소 침습 수술 기구 또는 조립체의 일부분이다. 많은 단부 작동기는 그 자체가 단일 DOF를 가지진다(예를 들어, 열리고 닫히는 집게). 단부 작동기는 "리스트" 타입 메커니즘 같은 1 이상의 추가 DOF를 제공하는 메커니즘을 가진 수술 기구 본체에 연결될 수 있다. 이러한 메커니즘의 예들은 본원에 참고로 포함되는 미국특허 제6,371,952호(1999년 6월 28일 제출됨; Madhani et al.)와 미국특허 제6,817,974호(2002년 6월 28일 제출됨; Cooper et al.)에 도시되고, da Vinci® 수술 시스템에서 8mm 및 5mm 기구에 사용되는 것과 같은 다양한 Intuitive Surgical, Inc. Endowrist® 메커니즘으로서 알려져 있다. 본원에 설명된 수술 기구는 일반적으로 단부 작동기를 포함하지만, 일부 양태에서는 단부 작동기가 생략될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 기구 본체 샤프트의 블런트 원위 팁은 조직의 리트랙션에 사용될 수 있다. 다른 예로서, 흡인 또는 관주 개구가 본체 샤프트 또는 리스트 메커니즘의 원위 팁에 존재할 수 있다. 이들 양태에서, 단부 작동기의 배치 및 배향에 관한 설명은 단부 작동기를 지니지 않은 수술 기구의 팁의 배치 및 배향을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 단부 작동기의 팁에 대한 기준 프레임을 다루는 설명은 단부 작동기를 지니지 않은 수술 기구의 팁의 기준 프레임을 포함하는 것으로 읽혀야 한다.
본 설명 전체적으로 단안 또는 입체 영상 시스템/영상 캡처 구성요소/카메라 장치가 단부 작동기가 도시되거나 설명된 어디서든 기구의 원단부에 위치될 수 있거나(이 장치는 "카메라 기구"로 간주될 수 있다), 또는 어떤 가이드 튜브나 다른 기구 조립체 요소의 원단부에 또는 근처에 위치될 수 있다. 따라서, 본원에서 사용된 용어 "영상 시스템" 등은 설명된 양태들과 구체예들의 맥락 내에서 영상 캡처 구성요소 및 영상 캡처 구성요소와 관련 회로구조 및 하드웨어의 조합을 모두 포함하도록 광범하게 해석되어야 한다. 이러한 내시경 영상 시스템(예를 들어, 광학, 적외선, 초음파 등)은 원위 쪽에 위치된 영상 감지 칩과 관련 회로를 가진 시스템을 포함하며, 이들은 무선 또는 유선 접속을 통해서 신체 외부로 캡처된 영상 데이터를 중계한다. 이러한 내시경 영상 시스템은 또한 신체 외부에서 캡처하기 위해 영상을 중계하는 시스템을 포함한다(예를 들어, 로드 렌즈 또는 광섬유를 사용함으로써). 어떤 기구 또는 기구 조립체에서, 다이렉트 뷰 광학 시스템(내시경 영상을 대안렌즈로 직접 본다)이 사용될 수 있다. 원위 쪽에 위치된 반도체 입체 영상 시스템의 예가 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/614,661호(2006년 12월 2일 제출됨; "입체 내시경"을 개시함; Shafer et al.)에 개시된다. 전기 및 광섬유 조명 접속과 같은 잘 알려진 내시경 영상 시스템 구성요소는 명료성을 위해 생략되거나 기호로 표시된다. 내시경 영상을 위한 조명은 전형적으로 단일 조명 포트에 의해서 도면에 표시된다. 이들 설명은 예시라는 것이 이해되어야 한다. 조명 포트의 크기, 위치 및 수는 변할 수 있다. 조명 포트는 전형적으로 렌즈 구경의 여러 측면에 배열되거나, 또는 렌즈 구경을 완전히 둘러싸면서 배열되며, 이로써 깊은 음영이 최소화될 수 있다.
본 설명에서, 캐뉼라는 전형적으로 수술 기구나 가이드 튜브가 환자 조직에 문지르듯 닿는 것을 방지하기 위해 사용된다. 캐뉼라는 절개부와 자연 개구에 모두 사용될 수 있다. 기구나 가이드 튜브가 그것의 삽입 축(종축)에 대해 자주 병진하거나 회전하지 않는 상황에서는 캐뉼라가 사용되지 않을 수 있다. 취입이 필요한 상황에서는 캐뉼라는 기구나 가이드 튜브를 지나 과잉의 취입 가스가 누출되는 것을 방지할 수 있는 시일을 포함할 수 있다. 수술 부위에서의 취입과 취입 가스가 필요한 과정을 뒷받침하는 캐뉼라 조립체의 예들은 전체 개시가 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제12/705,439호(2010년 2월 12일 제출됨; "단일 입구 시스템에서 다수 기구를 위한 진입 가이드"를 개시함)에서 찾을 수 있다. 취입이 필요하지 않은 흉부 수술의 경우 캐뉼라 시일은 생략될 수 있으며, 만일 기구 또는 가이드 튜브 삽입 축 움직임이 최소라면 캐뉼라 자체가 생략될 수도 있다. 강직성 가이드 튜브는 일부 구성에서 가이드 튜브에 대해 삽입되는 기구를 위한 캐뉼라로서 기능할 수 있다. 캐뉼라 및 가이드 튜브는, 예를 들어 스틸 또는 압출 플라스틱일 수 있다. 플라스틱은 스틸보다 저렴하며, 일회용으로 적합할 수 있다.
가요성 수술 기구 및 가이드 튜브의 다양한 예들과 조립체들이 상기 인용된 미국 특허출원 제11/762,165호에 도시되고 설명된다. 이러한 가요성은 본 설명에서 다양한 방식으로 달성된다. 예를 들어, 기구 또는 가이드 튜브의 어떤 구간이 연속해서 곡선을 이룬 가요성 구조일 수 있으며, 예를 들어 나선형 권선 코일에 기초한 것 또는 여러 구간이 제거된 튜브(예를 들어, 커프 타입 컷들)에 기초한 것일 수 있다. 또는, 가요성 부분은 일련의 짧은 피벗 연결된 구간들로 이루어질 수 있으며, 이들은 연속 곡선 구조로 된 대략적인 뱀 모양을 제공한다. 기구 및 가이드 튜브 구조는 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 공개 US 2004/0138700(2003년 12월 2일 제출됨; Cooper et al.)에 설명된 것들을 포함할 수 있다. 명료성을 위해서 도면 및 관련 설명은 일반적으로 기구 및 가이드 튜브의 단지 두 구간만을 도시하며, 이들은 근위(전달 메커니즘에 더 가깝고 수술 부위에서는 더 먼 쪽)와 원위(전달 메커니즘에서 더 멀고 수술 부위에 더 가까운 쪽)로 명명된다. 기구와 가이드 튜브는 3개 이상의 구간으로 나눠질 수 있으며, 각 구간은 강직성이거나, 수동적 가요성이거나, 또는 능동적 가요성이라는 것이 이해되어야 한다. 원위 구간, 근위 구간, 또는 전체 메커니즘에 관해 설명된 신축 및 휨은 또한 명료성을 위해 생략된 중간 구간에도 적용된다. 예를 들어, 근위 구간과 원위 구간 사이의 중간 구간은 간단한 또는 복합적인 곡선으로 휠 수 있다. 가요성 구간은 다양한 길이일 수 있다. 외경이 작은 구간은 더 작은 최소 곡률 반경을 가질 수 있고, 외경이 큰 구간보다 휘게 된다. 케이블-제어 시스템의 경우, 허용되지 않는 높은 케이블 마찰이나 바인딩이 휘는 동안의 최소 곡률 반경과 전체 휨 각도를 제한한다. 가이드 튜브의(또는 어떤 조인트의) 최소 휨 반경은 내부 수술 기구 메커니즘의 매끄러운 움직임을 곤란하게 하거나 저지하지 않도록 해야 한다. 가요성 구성요소는, 예를 들어 최대 약 4 피트 길이, 약 0.6 인치 직경일 수 있다. 특정 메커니즘에 대해서는 다른 길이 및 직경(예를 들어, 더 짧은, 더 작은)과 가요성 정도가 메커니즘이 맞춰서 설계된 표적 해부구조에 의해서 결정될 수 있다.
일부 예에서는 기구 또는 가이드 튜브의 원위 구간만이 가요성이고, 근위 구간은 강직성이다. 다른 예에서는 환자 몸안에 존재하는 기구 또는 가이드 튜브의 전체 구간이 가요성이다. 또 다른 예에서, 가장 원위 구간이 강직성일 수 있고, 하나 이상의 다른 근위 구간은 가요성이다. 가요성 구간들은 수동적일 수 있거나, 또는 능동적으로 제어될 수 있다("조종가능"). 이러한 능동적 제어는, 예를 들어 대향하는 케이블 세트를 이용해서 행해질 수 있다(예를 들어, 한 세트는 "피치"를 제어하고 직교하는 세트는 "요우"를 제어한다; 3개의 케이블을 사용하여 유사한 작용을 수행할 수 있다). 작은 전기 또는 자기 가동장치, 형상기억 합금, 전자활성 폴리머("인공 근육"), 기압 또는 유압 풀무 또는 피스톤 등과 같은 다른 제어 요소들이 사용될 수 있다. 기구 또는 가이드 튜브의 구간이 완전히 또는 부분적으로 또 다른 가이드 튜브 안에 위치된 예에서는 능동적 가요성과 수동적 가요성의 다양한 조합들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 수동적 가요성 가이드 튜브 안에서 능동적 가요성 기구가 둘러싼 가이드 튜브를 신축할 만큼 충분한 외측 힘을 발휘할 수 있다. 유사하게, 능동적 가요성 가이드 튜브는 그것 안의 수동적 가요성 기구를 신축할 수 있다. 가이드 튜브와 기구의 능동적 가요성 구간은 협력하여 작업할 수 있다. 기구와 가이드 튜브가 가요성이고 강직성인 두 경우 모두, 다양한 디자인에 있어서의 순응성을 고려하여, 중심 종축으로부터 더 멀리 위치된 제어 케이블이 중심 종축에 더 가까이 위치된 케이블보다 기계적 이점을 제공할 수 있다.
가요성 구간의 순응성(강성)은 거의 완전히 이완된 상태(적은 내부 마찰이 존재한다)에서부터 실질적으로 강직성인 상태까지 변할 수 있다. 일부 양태에서, 순응성은 제어 가능하다. 예를 들어, 기구 또는 가이드 튜브의 가요성 구간의 어떤 구간이나 전부가 실질적으로(즉, 유효하지만 무한하지는 않은) 강직성일 수 있다(이 구간은 "강직성" 또는 "고정성"이다). 고정성 구간은 직선, 간단한 곡선 또는 복합적 곡선 모양으로 고정될 수 있다. 고정은 마찰을 일으켜 인접한 척추구조가 움직이는 것을 방지할 만큼 충분한 기구나 가이드 튜브를 따라 길이방향으로 이어진 하나 이상의 케이블에 장력을 적용함으로써 달성될 수 있다. 케이블 또는 케이블들은 각 척추구조의 큰 중심 구멍을 통해서 이어질 수 있거나, 또는 척추구조의 바깥 원주 근처에 있는 작은 구멍을 통해서 이어질 수 있다. 또는 달리, 하나 이상의 제어 케이블을 움직이는 하나 이상의 모터의 구동 요소가 제자리에 부드럽게 고정되어(예를 들어, 서보제어에 의해서) 케이블을 제자리에 홀딩함으로써 기구 또는 가이드 튜브 움직임을 방지하고, 이로써 척추구조를 제자리에 고정할 수 있다. 모터 구동 요소를 제자리에 유지함으로써 다른 움직일 수 있는 기구 및 가이드 튜브 구성요소를 역시 제자리에 효과적으로 유지할 수 있다. 서보제어 하의 강성은 유효하기는 하지만 일반적으로 조인트에 직접 위치된 브레이크, 예를 들어 수동적 셋업 조인트를 제자리에 유지하기 위해 사용된 브레이크를 사용하여 얻어질 수 있는 강성보다는 적다는 것이 이해되어야 한다. 일반적으로 케이블 강성은 그것이 일반적으로 서보시스템이나 브레이크 적용된 조인트 강성보다 적기 때문에 중요하다.
어떤 상황에서, 가요성 구간의 순응성은 이완된 상태와 강직성 상태에서 계속 변할 수 있다. 예를 들어, 고정한 케이블 장력이 증가하면 강직성 상태에서 가요성 구간의 고정 없이도 강성이 증가할 수 있다. 이러한 중간 순응성은 수술 부위로부터의 반응성 힘에 의해 야기되는 움직임으로 인해 일어날 수 있는 조직 외상을 감소시키면서 원격수술 작동을 허용할 수 있다. 가요성 구간에 통합되는 적합한 휨 센서는 원격수술 시스템이 기구 및/또는 가이드 튜브 위치를 그것이 휘는 상태에 따라 결정할 수 있도록 한다. 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 공개 US 2006/0013523(2005년 7월 13일 제출됨; Childers et al.)은 광섬유 위치 형상감지 장치와 방법을 개시한다. 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/491,384호(2006년 7월 20일 제출됨; Larkin et al.)는 이러한 구간 및 가요성 장치의 제어에 사용되는 광섬유 휨 센서(예를 들어, 광 브래그 격자)를 개시한다.
본원에 설명된 것 같은 최소 침습 수술 기구 조립체, 기구, 단부 작동기, 및 조작기 암 구성의 양태들을 제어하기 위한 의사의 입력은 일반적으로 직관적인 카메라 기준 제어 인터페이스를 사용하여 행해진다. 예를 들어, da Vinci® 수술 시스템은 이러한 제어 인터페이스를 가진 의사 콘솔을 포함하며, 이것은 본원에 설명된 양태들을 제어하도록 변형될 수 있다. 의사는 예를 들어 6의 DOF를 가진 하나 이상의 수동 입력 마스터 메커니즘을 조작하여 종속 기구 조립체 및 기구를 제어할 수 있다. 입력 메커니즘은 1 이상의 단부 작동기 DOF를 제어하기 위한 손가락으로 작동되는 집게를 포함한다(예를 들어, 집게의 턱을 닫는 것). 직관적 제어는 의사의 입력 메커니즘과 영상 출력 표시장치의 위치에 따라 단부 작동기와 내시경 영상 시스템의 상대적 위치를 배향함으로써 제공된다. 이런 배향은 의사가 마치 수술 작업 부위를 실질적으로 실제 현장에서 보고 있는 것처럼 입력 메커니즘과 단부 작동기 컨트롤을 조작할 수 있도록 한다. 이 원격작동 실제 현시는 의사가 오퍼레이터가 수술 부위에서 직접 보면서 작업하는 것처럼 나타난 투시로부터 영상을 본다는 것을 의미한다. 본원에 참고로 포함되는 미국특허 제6,671,581호(2002년 6월 5일 제출됨; Niemeyer et al.)는 최소 침습 수술 장치에서 카메라 기준 제어에 대한 더 이상의 정보를 함유한다.
단일 입구 수술 시스템
이제 도 1a 및 1b와 관련하여, 본원에 설명된 최소 침습 수술 기구, 기구 조립체 및 조작과 제어 시스템의 양태들을 이용하는 로봇-보조(원격조작) 최소 침습 수술 시스템의 양태를 예시하는 도식적 측면도와 정면도가 도시된다. 세 가지 주요 구성요소는 내시경 영상 시스템(102), 의사 콘솔(104)(마스터) 및 환자측 지지 시스템(100)(종속)이며, 도시된 대로 유선(전기 또는 광학) 또는 무선 접속(106)에 의해서 모두 상호 연결된다. 하나 이상의 전자 데이터 처리장치가 이들 주 구성요소에 다양하게 위치될 수 있으며, 이로써 시스템 기능성을 제공할 수 있다. 예들은 상기 인용된 미국특허 출원 제11/762,165호에 개시된다. 점선으로 도시된 멸균 드레이프(1000)가 유익하게 환자측 지지 시스템(100)의 적어도 일부를 덮어서 수술 과정 동안 멸균 현장을 유지하면서 기구와 그것의 관련 조작기 사이의 정확한 인터페이스와 함께 효과적이고 간단한 기구 교환을 제공한다.
영상 시스템(102)은, 예를 들어 수술 부위의 캡처된 내시경 영상 데이터 및/또는 환자 외부에 있는 다른 영상 시스템으로부터의 사전작업 또는 실시간 영상 데이터에 대해 영상 처리 기능을 수행한다. 영상 시스템(102)은 처리된 영상 데이터(예를 들어, 수술 부위의 영상뿐만 아니라 관련된 제어 및 환자 정보)를 의사 콘솔(104)의 의사에게 출력한다. 일부 양태에서, 처리된 영상 데이터는 다른 수술실 요원이 볼 수 있는, 또는 수술실에서 먼 곳의 하나 이상의 장소에서 볼 수 있는 선택적 외부 모니터에 출력된다(예를 들어, 다른 장소에 있는 의사가 비디오를 모니터할 수 있다; 바로바로 제공되는 비디오가 훈련에 사용될 수 있다; 등등).
의사 콘솔(104)은, 예를 들어 의사가 본원에 설명된 수술 기구, 가이드 튜브, 및 영상 시스템("종속") 장치를 조작할 수 있도록 하는 다중 DOF의 기계적 입력("마스터") 장치를 포함한다. 일부 양태에서, 이러한 입력 장치는 기구 및 기구 조립체 구성요소로부터 의사에게 촉각적 피드백을 제공한다. 또한, 콘솔(104)은 표시장치의 영상이 일반적으로 표시장치 스크린 뒤/아래에서 의사의 손작업에 상응하는 거리에서 초점이 맞도록 위치된 입체 비디오 출력 표시장치를 포함한다. 이들 양태는 본원에 참고로 포함되는 미국특허 제6,671,581호에 더 충분히 논의된다.
삽입 동안의 제어는, 예를 들어 의사가 주 장치의 하나 또는 둘 다를 사용하여 실제로 영상을 움직임으로써 달성될 수 있다. 의사는 주 장치를 사용해서 영상을 옆으로 나란히 움직이고 영상을 자신 쪽으로 당겨서 영상 시스템과 그것의 관련 기구 조립체(예를 들어, 가요성 가이드 튜브)에 출력 표시장치 상의 고정된 중심점을 향해 조종하여 환자 몸안에서 나아가도록 명령을 내린다. 한 양태에서, 카메라 제어는 주 장치가 영상에 고정됨으로써 영상이 주 장치 핸들이 움직이는 것과 동일한 방향으로 움직인다는 인상을 제공하도록 설계된다. 이런 설계는 주 장치가 정확한 위치에 있도록 함으로써 의사가 카메라 제어를 하지 않을 때도 기구를 제어할 수 있도록 하며, 결과적으로 기구 제어를 시작하거나 재개하기 전에 주 장치를 클러치(맞물림 해제), 이동 및 제자리로 클러치 해제(맞물림)할 필요성이 없어진다. 일부 양태에서, 주 장치 위치는 넓은 주 장치 작업공간의 사용을 피하기 위해서 삽입 속도에 비례하여 정해질 수 있다. 또는 달리, 의사는 주 장치를 클러치 및 클러치 해제함으로써 래칫 동작을 이용해서 삽입을 행할 수 있다. 일부 양태에서, 삽입은 수동으로 제어될 수 있으며(예를 들어, 손으로 작동되는 휠에 의해서), 자동화된 삽입(예를 들어, 서보모터 구동 롤러)은 수술 기구 조립체의 원단부가 수술 부위 근처에 있을 때 행해진다. 환자의 해부학적 구조와 삽입 궤적에 이용될 수 있는 공간의 사전 작업 또는 실시간 영상 데이터(예를 들어, MRI, 엑스선)를 사용해서 삽입을 보조할 수 있다.
환자측 지지 시스템(100)은 바닥-장착된 베이스(108), 또는 달리 교호선으로 도시된 것과 같은 천장-장착된 베이스(110)을 포함한다. 베이스는 움직일 수 있거나, 또는 고정될 수 있다(예를 들어, 바닥, 천장, 벽 또는 수술대와 같은 다른 장비에).
베이스(108)는 수동적인 비제어형 "셋업" 부분과 능동적으로 제어되는 "조작기" 부분을 포함하는 암 조립체(101)를 지지한다. 한 예에서, 셋업 부분은 2개의 수동적 회전 "셋업" 조인트(116 및 120)를 포함하며, 이들은 조인트 브레이크가 해제되었을 때 연결된 셋업 링크(118 및 122)의 수동 배치를 허용한다. 암 조립체와 링크(114)에 연결된 베이스 사이에 수동적 프리즘형 셋업 조인트(미도시)를 사용하여 더 큰 수직 조정부(112)를 허용할 수 있다. 또는 달리, 이들 셋업 조인트의 일부는 능동적으로 제어될 수 있으며, 다양한 구성에서 셋업 조인트가 더 많이 또는 더 적게 사용될 수 있다. 셋업 조인트와 링크는 데카르트 x, y, z 공간 안에서 다양한 위치와 배향에 암의 로봇 조작기 부분을 배치할 수 있도록 한다. 원격 동작 중심은 요우, 피치 및 롤 축이 교차하는 장소이다(즉, 조인트는 이들의 동작 범위에서 움직이면서 운동학적 사슬은 유효하게 정지된 채로 유지되는 장소). 아래 더 상세히 설명된 대로, 이들 능동적으로 제어되는 조인트의 일부는 개별 수술 기구의 DOF를 제어하는 것과 관련되고, 이들 능동적으로 제어되는 조인트의 나머지는 이들 로봇 조작기의 단일 조립체의 DOF를 제어하는 것과 관련된다. 능동적 조인트와 링크는 모터 또는 다른 가동장치에 의해서 움직일 수 있으며, 의사 콘솔(104)에서 주 장치 암의 움직임과 관련된 움직임 제어 신호를 수신한다.
도 1a 및 1b에 도시된 것처럼, 조작기 조립체 요우 조인트(124)는 셋업 링크(122)의 원단부와 제1 조작기 링크(126)의 근단부 사이에 연결된다. 요우 조인트(124)는 링크(126)가 조작기 조립체 요우 축(123) 주위에서 "요우"로서 임의로 한정될 수 있는 동작으로 링크(122)를 기준으로 움직일 수 있도록 한다. 도시된 대로, 요우 조인트(124)의 회전 축은 원격 동작 중심(146)과 정렬되며, 이것은 일반적으로 기구(미도시)가 환자로 들어가는 위치이다(예를 들어, 복부 수술에서는 배꼽). 한 구체예에서, 셋업 링크(122)는 수평 또는 x, y 평면을 따라 회전 가능하며, 요우 조인트(124)는 제1 조작기 링크(126)가 요우 축(123)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되고, 이로써 셋업 링크(122), 요우 조인트(124) 및 제1 조작기 링크(126)가 요우 조인트(124)에서부터 원격 동작 중심(146)까지 수직 점선으로 예시된 대로 로봇 암 조립체에 대해 일정한 수직 요우 축(123)을 제공한다.
제1 조작기 링크(126)의 원단부는 제2 조작기 링크의 근단부에 연결되고, 제2 조작기 링크(130)의 원단부는 제3 조작기 링크(134)의 근단부에 연결되며, 제3 조작기 링크(134)의 원단부는 제4 조작기 링크(138)의 근단부에 연결되고, 이러한 연결은 각각 능동적으로 제어되는 회전 조인트(128, 132 및 136)에 의해 이루어진다. 한 구체예에서, 링크(130, 134 및 138)들이 함께 연결되어 연결된 동작 메커니즘으로서 작용한다. 연결된 동작 메커니즘은 잘 공지되어 있다(예를 들어, 이러한 메커니즘은 입력과 출력 링크 동작이 서로 평행하게 유지될 때 평행 동작 연결로 알려져 있다). 예를 들어, 회전 조인트(128)가 능동적으로 회전되면 조인트(132 및 136)들도 또한 회전하여 링크(138)가 링크(130)와 일정한 관계로 움직인다. 따라서, 조인트(128, 132 및 136)의 회전 축이 평행한 것을 알 수 있다. 이들 축이 조인트(124)의 회전 축과 수직일 때는 링크(130, 134 및 138)가 조작기 조립체 피치 축(139) 주위에서 "피치"로서 임의로 한정될 수 있는 동작으로 링크(126)를 기준으로 움직인다. 한 구체예에서, 링크(130, 134 및 138)는 단일 조립체로서 움직이므로, 제1 조작기 링크(126)는 능동적 근위 조작기 링크라고 간주될 수 있고, 제2 내지 제4 조작기 링크(130, 134 및 138)는 종합해서 능동적 원위 조작기 링크라고 간주될 수 있다.
조작기 조립체 플랫폼(140)은 제4 조작기 링크(138)의 원단부에 연결된다. 조작기 플랫폼(140)은 하기 더 상세히 설명되는 2개 이상의 수술 기구 조작기를 포함하는 조작기 조립체(142)를 지지하는 회전 가능한 베이스 플레이트를 포함한다. 회전하는 베이스 플레이트는 조작기 조립체(142)가 조작기 조립체 롤 축(141) 주위에서 "롤"로서 임의로 한정될 수 있는 동작으로 플랫폼(140)을 기준으로 단일 유닛으로서 회전할 수 있도록 한다.
최소 침습 수술의 경우, 불필요한 조직 손상을 피하기 위해서 기구들은 절개부든 자연 개구든 이들이 환자의 몸으로 진입하는 위치와 관련해서 실질적으로 정지된 채로 유지되어야 한다. 따라서, 기구 샤프트의 요우 및 피치 동작은 공간 내에서 비교적 정치한 상태로 머무르는 조작기 조립체 롤 축 또는 기구 삽입 축 상의 단일 위치에 중심이 있어야 한다. 이 위치를 원격 동작 중심이라고 한다. 기구들이 전부(카메라 기구를 포함해서) 하나의 작은 절개부(예를 들어, 배꼽에 있는)나자연 개구를 통해 진입되어야 하는 단일 입구 최소 침습 수술의 경우, 모든 기구는 이러한 일반적으로 정지된 원격 동작 중심을 기준으로 움직여야 한다. 따라서, 조작기 조립체(142)에 대한 원격 동작 중심은 조작기 조립체 요우 축(123)과 조작기 조립체 피치 축(139)의 교차에 의해서 한정된다. 링크(130, 134 및 138) 및 조인트(128, 132 및 136)의 구성은 원격 동작 중심(146)이 조작기 조립체가 환자와 관련하여 자유롭게 움직일 수 있는 충분한 거리를 두고 조작기 조립체(142)의 원위 쪽에 위치된다. 조작기 조립체 롤 축(141)이 또한 원격 동작 중심(146)과 교차한다는 것을 알 수 있다.
아래 더 상세히 설명된 대로, 수술 기구는 조작기 조립체(142)의 각 수술 기구 조작기 상에 장착되어 그것에 의해서 가동된다. 기구들은 탈착 가능하게 장착되며, 이로써 다양한 기구들이 특정 기구 조작기 상에 상호 교환 가능하게 장착될 수 있다. 한 양태에서, 하나 이상의 기구 조작기는 카메라 기구와 같은 특정 타입의 기구를 지지하고 가동하도록 구성될 수 있다. 기구의 샤프트는 기구 조작기로부터 원위 쪽으로 연장된다. 샤프트들은 진입구에 위치된 공통된 캐뉼라를 통해서 환자 몸안으로 연장된다(예를 들어, 체벽을 통해서 또는 자연 개구에서). 한 양태에서, 진입 가이드는 캐뉼라 안에 위치되며, 각 기구 샤프트가 진입 가이드의 채널을 통해서 연장됨으로써 기구 샤프트를 위한 추가의 지지를 제공한다. 캐뉼라는 캐뉼라 장착부(150)에 탈착 가능하게 연결되며, 이것은 한 구체예에서 제4 조작기 링크(138)의 근단부에 연결된다. 한 실시형태에서, 캐뉼라 장착부(150)는 회전 조인트에 의해서 링크(138)에 연결되고, 이것은 장착부가 링크(138)에 인접한 삽입된 위치와 정확한 위치에 캐뉼라를 홀딩하는 작동 위치 사이에서 움직일 수 있도록 하며, 이로써 원격 동작 중심(146)이 캐뉼라를 따라 위치된다. 한 양태에 따라서, 작동 동안 캐뉼라 장착부는 링크(138)에 대해 제자리에 고정된다. 기구(들)는 캐뉼라 장착부(150)의 원단부에 장착된 진입 가이드와 캐뉼라 조립체를 통해 슬라이딩할 수 있으며, 이것의 예들이 하기 더 상세히 설명된다. 다양한 수동적 셋업 조인트/링크와 능동적 조인트/링크가 환자가 움직이는 수술대 위에서 다양한 자세로 있을 때 기구 조작기를 배치함으로써 기구와 영상 시스템을 큰 동작 범위에서 움직일 수 있도록 한다. 일부 구체예에서, 캐뉼라 장착부는 근위 링크 또는 제1 조작기 링크(126)에 연결될 수 있다.
조작기 암에서 특정한 셋업 및 능동적 조인트 및 링크는 로봇의 크기와 모양을 줄이기 위해서 생략될 수 있거나, 또는 조인트와 링크가 추가되어 자유도를 증가시킬 수 있다. 조작기 암은 수술을 위한 필요한 자세 범위를 달성하기 위하여 링크, 수동적 조인트 및 능동적 조인트의 다양한 조합을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다(여분의 DOF가 제공될 수 있다). 또한, 다양한 수술 기구가 단독으로 또는 가이드 튜브, 다수의 기구 및/또는 다수의 가이드 튜브를 포함하는 기구 조립체, 및 다양한 구성(예를 들어, 기구 전달 수단 또는 기구 조작기의 근위면 또는 원위면 위에)을 통해 기구 조작기(예를 들어, 가동장치 조립체)에 연결된 기구가 본 개시의 양태들에 적용될 수 있다.
도 2a-2c는 각각 원격작동 수술(원격수술) 시스템의 환자측 지지 카트(200)의 도식적 투시도, 측면도 및 상면도이다. 묘사된 카트(200)는 도 1a 및 1b와 관련하여 상기 설명된 일반적 구성의 예시적인 구체예이다. 의사 콘솔과 비디오 시스템은 도시되지 않지만, 도 1a 및 1b와 공지된 원격로봇 수술 시스템 구조(예를 들어, da Vinci® 수술 시스템 구조)와 관련하여 상기 설명된 대로 적용할 수 있다. 이 구체예에서, 카트(200)는 바닥-장착된 베이스(208)를 포함한다. 베이스는 움직일 수 있거나, 또는 고정될 수 있다(예를 들어, 바닥, 천장, 벽 또는 다른 충분히 단단한 구조에). 베이스(208)는 지지 기둥(210)을 지지하며, 암 조립체(201)가 지지 기둥(210)에 연결된다. 암 조립체는 2개의 수동적 회전 셋업 조인트(216 및 220)을 포함하며, 이들은 브레이크가 해제되었을 때 연결된 셋업 링크(218 및 222)의 수동 배치를 허용한다. 묘사된 구체예에서, 셋업 링크(218 및 222)는 수평면에서 움직인다(바닥에 평행하게). 암 조립체는 기둥(210)과 수직 셋업 링크(214) 사이의 수동적 슬라이딩 셋업 조인트(215)에서 지지 기둥(210)에 연결된다. 조인트(215)는 조작기 암이 수직으로 조정되는 것을 허용한다(바닥에 수직으로). 따라서, 수동적 셋업 조인트와 링크를 사용하여 환자를 기준으로 원격 동작 중심(246)을 적절히 배치할 수 있다. 일단 원격 동작 중심(246)이 적절히 위치되면, 각 조인트(215, 216 및 220)에서 브레이크가 설정되어 암의 셋업 부분이 움직이는 것을 방지한다.
이에 더하여, 암 조립체는 조작기 암 구성과 움직임, 기구 조작, 및 기구 삽입을 위한 능동적 조인트 및 링크를 포함한다. 제1 조작기 링크(226)의 근단부는 능동적으로 제어되는 회전 조작기 조립체 요우 조인트(224)를 통해 셋업 링크(222)의 원단부에 연결된다. 도시된 것처럼, 요우 조인트(224)의 회전 조작기 조립체 요우 축(223)은 요우 조인트(224)에서부터 원격 동작 중심(246)까지 수직 점선으로 예시된 대로 원격 동작 중심(246)과 정렬된다.
제1 조작기 링크(226)의 원단부는 제2 조작기 링크(230)의 근단부와 연결되고, 제2 조작기 링크(230)의 원단부는 제3 조작기 링크(234)의 근단부와 연결되며, 제3 조작기 링크(234)의 원단부는 제4 조작기 링크(238)의 근단부와 연결되고, 이러한 연결은 각각 능동적으로 제어되는 회전 조인트(228, 232 및 236)에 의해 이루어진다. 상기 설명된 대로, 링크(230, 234 및 238)는 연결된 동작 메커니즘으로서 기능하며, 이로써 링크(230)가 가동될 때 제2 조작기 링크(230)와 협력하여 제4 조작기 링크(238)가 자동으로 움직인다. 묘사된 구체예에서, 미국특허 제7,594,912호(2004년 9월 30일 제출됨)에 개시된 것과 유사한 메커니즘이 용도에 맞게 변형된다(또한, 예를 들어 미국 특허출원 제11/611,849호(2006년 12월 15일 제출됨; 미국 특허출원 공개 US 2007/0089557 A1)를 참조한다). 따라서, 제1 조작기 링크(226)는 능동적 근위 링크라고 생각될 수 있고, 제2 내지 제4 링크(230, 234 및 238)는 종합해서 능동적 원위 링크라고 생각될 수 있다. 한 구체예에서, 제1 링크(226)는 압축 스프링 평형추 메커니즘을 포함할 수 있으며, 이것은 하기 더 설명된 대로 조인트(228)를 중심으로 한 원위 링크의 움직임으로 인한 힘의 균형을 맞추는 역할을 한다.
조작기 조립체 플랫폼(240)은 제4 링크(238)의 원단부에 연결된다. 플랫폼(240)은 베이스 플레이트(240a)를 포함하며, 그 위에 기구 조작기 조립체(242)가 장착된다. 도 2a에 도시된 대로, 플랫폼(240)은 "할로" 링을 포함하며, 그 안에서 디스크 모양 베이스 플레이스(240a)가 회전한다. 다른 구체예에서는 할로와 디스크 이외의 다른 구성들이 사용될 수 있다. 베이스 플레이트(240)의 회전 중심은 조작기 플랫폼(240)의 중심과 원격 동작 중심(246)을 통해서 연장된 점선으로 나타낸 대로 조작기 조립체 롤 축(241)과 일치한다. 한 구체예에서, 기구(260)는 기구 조작기의 원위면 위에서 조작기 조립체(242)의 기구 조작기에 장착된다.
도 2a 및 2b에 도시된 것처럼, 기구 조작기 조립체(242)는 4개의 기구 조작기(242a)를 포함한다. 각 기구 조작기는 그것의 관련된 기구를 지지하고 가동시킨다. 묘사된 구체예에서, 1개의 기구 조작기(242a)는 카메라 기구를 가동하도록 구성되고, 3개의 기구 조작기(242a)는 수술 부위에서 수술 작업 및/또는 진단 작업을 수행하는 여러 다른 상호 교환가능한 수술 기구를 가동하도록 구성된다. 기구 조작기는 더 많이 또는 더 적게 사용될 수 있다. 일부 작동 구성에서, 하나 이상의 조작기는 수술 과정의 도중에 잠깐 또는 내내 관련된 수술 기구를 갖지 않을 수 있다. 기구 조작기가 아래 더 상세히 개시된다.
상기 언급된 대로, 수술 기구(260)는 각 기구 조작기(242a)에 장착되어 조작기에 의해서 가동된다. 본 개시의 한 양태에 따라서, 각 기구는 단지 기구의 근단부에서만 그것의 관련된 조작기에 장착된다. 도 2a에서 이 근단부 장착 특징부가 기구 조작기 조립체(242)를 유지하고 환자로부터 가능한 멀리 떨어져 플랫폼(240)을 지지한다는 것을 볼 수 있으며, 이것은 주어진 기구 기하구조에서 조작기 암의 능동적으로 제어되는 부분이 환자와 부딪치지 않으면서 환자에 대해 최대 동작 범위 안에서 자유롭게 움직일 수 있도록 한다. 기구(260)는 이들의 샤프트가 조작기 조립체 롤 축(241) 주위에 클러스터를 이루도록 장착된다. 각 샤프트는 기구의 힘 전달 메커니즘으로부터 원위 쪽으로 연장되고, 모든 샤프트는 입구에 위치된 단일 캐뉼라를 통해 환자 몸안으로 연장된다. 캐뉼라는 제4 조작기 링크(238)에 연결된 캐뉼라 장착부(250)에 의해 베이스 플레이트(240a)에 대해 고정된 위치에 탈착 가능하게 홀딩된다. 단일 가이드 튜브가 캐뉼라에 삽입되어 그 안에서 자유롭게 회전하며, 각 기구 샤프트가 가이드 튜브에서 관련된 채널을 통해 연장된다. 캐뉼라와 가이드 튜브의 종축은 일반적으로 롤 축(241)과 일치한다. 따라서, 가이드 튜브는 베이스 플레이트(240a)가 회전함에 따라 캐뉼라 안에서 회전한다. 일부 구체예에서, 캐뉼라 장착부는 제1 조작기 링크(226)에 움직일 수 있게 연결될 수 있다.
각 기구 조작기(242a)는 베이스 플레이트(240a)에 작동 가능하게 연결된 능동적 텔레스코핑 삽입 메커니즘(224)(도 2b)에 가동 가능하게 연결되며, 이것을 사용하여 수술 기구(들)을 삽입하거나 빼낼 수 있다. 도 2a는 텔레스코핑 삽입 메커니즘(224)의 원단부를 향해 일정 거리 연장된 기구 조작기(242a)를 예시하고(또한, 도 3 및 4a를 참조한다), 도 2b는 텔레스코핑 삽입 메커니즘(244)의 근단부 쪽으로 리트랙트된 기구 조작기(242)를 예시한다(또한, 도 4b를 참조한다). 능동적 조인트(224, 228, 232, 236)와 조작기 플랫폼(240)이 함께 및/또는 독립적으로 움직이며, 이로써 수동적 셋업 암과 조인트에 의해서 원격 동작 중심이 확립된 후에 수술 기구(또는 조립체)가 진입구에서, 예를 들어 환자의 배꼽에서 원격 동작 중심(246) 주위에서 움직인다.
도 2a에 도시된 대로, 캐뉼라 장착부(250)가 제4 조작기 링크의 근단부 근처에서 제4 링크와 연결된다. 다른 양태에서, 캐뉼라 장착부(250)는 근위 링크의 다른 구간과 연결될 수 있다. 상기 설명된 대로, 캐뉼라 장착부(250)는 힌지를 이루며, 이로써 그것은 제4 링크(238)에 인접한 삽입된 위치와 캐뉼라를 지지할 수 있는 연장된 위치(도시된 것처럼)를 왔다갔다 할 수 있다. 한 양태에 따라서, 작동하는 동안 캐뉼라 장착부(250)는 제4 링크(238)에 대해 고정된 위치에 홀딩된다.
제1 조작기 링크(226)는 묘사된 구체예에서는 일반적으로 한 예로서 뒤집힌 "L" 모양임을 알 수 있다. "L" 모양 링크의 근위쪽 다리는 요우 조인트(224)에서 링크(226)에 연결되고, 링크의 원위쪽 다리는 회전 조인트(228)에서 제2 조작기 링크(238)에 연결된다. 이 예시적인 구체예에서, 2개 다리는 일반적으로 수직이고, 제1 조작기 링크의 근위쪽 다리가 조작기 조립체 요우 축(223)에 일반적으로 수직인 평면 주위에서 회전한다(예를 들어, 요우 축이 수직(z)일 경우 수평(x, y)면). 따라서, 원위쪽 다리는 조작기 조립체 요우 축(223)에 일반적으로 평행하게 연장된다(예를 들어, 요우 축이 수평일 경우 수직(z)으로). 이 모양은 조작기 링크(230, 234 및 238)가 요우 축(224) 아래에서 움직이는 것을 허용하며, 이로써 링크(230, 234 및 238)는 원격 동작 중심(246)과 교차하는 조작기 조립체 피치 축(239)을 제공한다. 제1 링크(226)의 다른 구성들도 가능하다. 예를 들어, 제1 링크(226)의 근위쪽 다리와 원위쪽 다리는 서로 수직이 아닐 수 있으며, 근위쪽 다리가 수평면과 상이한 평면에서 회전할 수 있거나, 또는 링크(226)가 원호 모양과 같은 일반적인 "L" 모양이 아닌 다른 모양을 가질 수 있다.
점선(249)(도 2c)으로 도시된 대로 수직 요우 축(223)이 링크(226)가 실질적으로 360도 회전하도록 허용한다는 것을 알 수 있다. 한 예에서, 조작기 조립체의 요우 회전은 연속적일 수 있으며, 다른 예에서 조작기 조립체의 요우 회전은 대략 +180도이다. 또 다른 예에서, 조작기 조립체 요우 회전은 대략 660도일 수 있다. 피치 축(239)은 이러한 요우 축 회전 동안 일정하게 유지될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 기구들이 일반적으로 조작기 조립체의 롤 축(241)과 정렬된 방향으로 환자에 삽입되므로, 암을 능동적으로 제어하여 조작기 조립체 요우 축 주위에서 어떤 원하는 방향으로 기구 삽입 방향을 배치 및 재배치할 수 있다(예를 들어, 환자의 머리 쪽을 향한 기구 삽입 방향을 도시한 도 25a-25c와 환자의 발 쪽을 향한 기구 삽입 방향을 도시한 도 26a-26c를 참조한다). 이런 능력은 일부 수술에서는 상당히 유익할 수 있다. 기구가 배꼽에 위치된 단일 입구를 통해서 삽입되는 특정한 복부 수술에서, 예를 들어 기구들은 환자의 체벽에 새로운 입구를 열 필요없이 복부의 4개 사분면 모두에 접근할 수 있도록 위치될 수 있다. 다중 사분면 접근은, 예를 들어 복부를 통해 림프절에 접근하는 경우 필요할 수 있다. 반면에, 다중 입구 원격로봇 수술 시스템의 사용은 다른 복부 사분면에 더 충분히 접근하기 위해서 환자의 체벽에 추가의 입구를 만드는 것이 필요할 수 있다.
추가로, 조작기는 약간 위로 피치된 구성으로 수직으로 아래를 향하도록 기구에 명령할 수 있다(예를 들어, 위로 피치된 기구 삽입 방향을 도시한 도 27a-27c를 참조한다). 이와 같이, 단일 진입구를 통한 기구의 진입 각도(원격 중심을 중심으로 요우와 피치 모두)가 쉽게 조작될 수 있고, 또한 환자 안전성 및 환자측 요원이 잘 조종할 수 있도록 하기 위해 진입구 주변의 공간을 넓히면서 변경될 수 있다.
또한, 링크(230, 234 및 238)는 조인트(228, 232 및 236)와 함께 사용되며, 이로써 단일 진입구 주변에 공간을 만들면서 단일 진입구를 통과하는 기구의 진입 피치 각도를 쉽게 조작할 수 있다. 예를 들어, 링크(230, 234 및 238)는 환자로부터 "멀리 원호를 그리는" 형태 요소를 갖도록 위치될 수 있다. 이러한 떨어진 원호는 요우 축(223)을 중심으로 조작기 암의 회전을 허용하며, 조작기 암과 환자의 충돌을 일으키기 않는다. 또한, 이러한 떨어진 원호는 환자측 요원이 기구 교환시 조작기에 쉽게 접근할 수 있도록 하며, 수동 기구(예를 들어, 수동 복강경 기구 또는 리트랙션 장치)의 삽입 및 작동을 위한 진입구 접근도 용이하게 한다. 또 다른 예에서, 제4 링크(238)는 원격 동작 중심과 그에 따라 환자로부터 멀리 원호를 그리는 형태 요소를 가지며, 이로써 환자 안전성이 높아진다. 다른 용어로서, 기구 조작기(242a)의 클러스터의 작동 엔벨로프는 대략 원뿔형이며, 기구 조작기(242a)의 원격 동작 중심(246)에 원뿔의 팁이 위치되고, 근단부에 원뿔의 원형 단부가 위치된다. 이러한 작동 엔벨로프는 환자와 수술 로봇 시스템 사이의 방해를 줄이고, 시스템의 동작 범위를 크게 하여 수술 부위로의 접근성을 개선하며, 수술 스텝들의 환자 접근성을 개선한다.
따라서, 조작기 암 조립체(201)의 구성 및 기하구조는 그것의 큰 동작 범위와 함께 단일 입구를 통한 다중 사분면 수술을 허용한다. 단일 절개부를 통해서 조작기는 기구를 한 방향으로 보내고 쉽게 방향을 변경할 수 있으며, 예를 들어 환자의 머리나 골반 쪽에서 작업한 다음(예를 들어, 도 25a-25c를 참조한다), 조작기 암을 일정한 수직 요우 축을 중심으로 움직여서 방향을 환자의 골반이나 머리 쪽으로 변경할 수 있다(예를 들어, 도 26a-26c를 참조한다).
이 예시적인 조작기 암 조립체는, 예를 들어 원격 동작 중심을 참조하여 움직이도록 작동되는 기구 조립체에 사용된다. 조작기 암에서 특정한 셋업 및 능동적 조인트 및 링크는 생략될 수 있거나, 또는 자유도를 증가시키기 위해 조인트와 링크가 추가될 수 있다. 조작기 암은 수술에 필요한 자세 범위를 달성하기 위해서 링크, 수동적 조인트 및 능동적 조인트(여분의 DOF가 제공될 수 있다)의 다양한 조합을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 다양한 수술 기구는 단독으로 또는 가이드 튜브, 다수의 기구, 및/또는 다수의 가이드 튜브를 포함하는 기구 조립체로, 및 다양한 구성(예를 들어, 가동장치 조립체 또는 전달 메커니즘의 근위면 또는 원위면에)을 통해 기구 조작기에 연결된 기구들로서 본 개시에 적용될 수 있다.
이제 도 3, 4a-4b, 5a-1 내지 5b-2, 5c-1 내지 5c-4 및 8에 관해서, 기구 조작기의 양태들과 구체예들이 더 상세히 설명되지만, 이들 양태와 구체예들에 본 개시가 제한되는 것은 아니다. 도 3은 조작기 조립체 플랫폼의 회전 가능한 베이스 플레이트(340a), 베이스 플레이트(340a)에 장착되어 기구 조작기 조립체를 형성하는 4개의 기구 조작기(342)의 클러스터, 및 관련 기구 조작기(342)의 원위면에 각각 장착된 4개의 기구(360)(근위 부분이 예시된다)의 구체예의 투시도이다. 베이스 플레이트(340a)는 상기 설명된 대로 조작기 조립체 롤 축(341)을 중심으로 회전할 수 있다. 한 구체예에서, 롤 축(341)은 캐뉼라와 진입 가이드 조립체의 길이방향 중심을 통해서 이어지며, 진입 가이드를 통해서 기구(360)가 환자의 몸으로 들어간다. 롤 축(341)은 또한 각 기구 조작기(342)의 원위면의 실질적으로 단일 평면에 실질적으로 수직이며, 그 결과 기구 조작기의 원위면에 장착된 기구의 근위면의 실질적으로 단일 평면에도 실질적으로 수직이다.
각 기구 조작기(342)는 베이스 플레이트(340a)에 연결된 삽입 메커니즘을 포함한다. 도 8은 기구 삽입 메커니즘의 구체예를 더 상세히 예시하는 컷어웨이 투시도이다. 도 8에 도시된 대로, 기구 삽입 메커니즘(844)은 텔레스코핑 방식으로 서로에 관하여 직선 슬라이딩하는 3개의 링크를 포함한다. 삽입 메커니즘(844)은 캐리지(802), 캐리지 링크(804) 및 베이스 링크(808)를 포함한다. 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/613,800호(2006년 12월 20일 제출됨; 미국 특허출원 공개 US 2007/0137371 A1)에 설명된 대로, 캐리지 링크(804)는 베이스 링크(808)를 따라 슬라이드하고, 캐리지(802)는 캐리지 링크(804)를 따라 슬라이드한다. 캐리지(802)와 링크(804, 808)는 커플링 루프(806)에 의해서 상호연결된다(이것은 한 예에서 하나 이상의 가요성 금속 벨트를 포함한다; 또는 달리 하나 이상의 케이블이 사용될 수 있다). 베이스 링크(808)의 리드 스크류(808a)가 커플링 루프(806) 상의 고정된 위치에 연결된 슬라이더(808b)를 구동시킨다. 캐리지(802)도 역시 고정된 위치에서 커플링 루프(806)에 연결되고, 이로써 슬라이더(808b)가 베이스 링크(808)를 기준으로 특정한 거리 x를 슬라이드함에 따라 캐리지(802)는 베이스 링크(808)를 기준으로 2x 만큼 슬라이드한다. 다양한 다른 직선 동작 메커니즘(예를 들어, 리드 스크류 및 캐리지)들도 삽입 메커니즘의 다른 실시형태에서 사용될 수 있다.
도 3 및 8에 도시된 것처럼, 베이스 링크(808)의 근단부는 회전 가능한 베이스 플레이트(340a)에 연결되고, 캐리지(802)는 기구 조작기(342)의 외부 쉘 또는 내부 프레임에 연결된다(예를 들어, 도 5c-1 내지 5c-3의 내부 프레임 구경(542i') 안에). 서보모터(미도시)가 리드 스크류(808a)를 구동시키고, 그 결과 기구 조작기(342)가 일반적으로 롤 축(341)과 평행한 방향으로 베이스 플레이트(340a)를 기준으로 근위와 원위 쪽으로 움직인다. 수술 기구(360)가 조작기(342)에 연결되므로, 삽입 메커니즘(344)은 캐뉼라를 통해 기구를 수술 부위를 향해서 삽입하고 수술 부위로부터 멀리 빼내는 기능을 한다(기구 삽입 DOF). 커플링 루프에 인접하여 이어진 평평한 전기전도성 신축성 케이블(미도시)이 기구 조작기에 파워, 신호 및 접지를 제공할 수 있다.
삽입 메커니즘(344)의 텔레스코핑 특징부의 이점은 그것이 기구 조작기가 그것의 완전히 근위 위치에서 그것의 완전히 원위 위치로 움직일 때 더 큰 동작 범위를 제공한다는 점임을 알 수 있으며, 조작기가 그것의 완전히 근위 위치에 있을 때는 단지 하나의 정지된 삽입 단계 피스만이 사용된 경우보다 삽입 메커니즘이 더 적게 돌출된다(예를 들어, 도 4a(완전히 원위 위치)와 4b(완전히 근위 위치)를 참조한다). 단축된 돌출부는 기구 조작기가 그것의 근위 위치에 있을 때 삽입 메커니즘이 수술 동안 환자를 방해하는 것과 예를 들어 기구 교환 동안 수술실 요원을 방해하는 것을 방지한다.
도 3에 더 예시된 것처럼, 텔레스코핑 삽입 메커니즘(344)은 한 구체예에서 회전 가능한 베이스 플레이트(340a)에 대칭 장착되고, 따라서 기구 조작기(342)와 장착된 기구(360)가 롤 축(341)을 중심으로 대칭 클러스터를 이루게 된다. 한 구체예에서, 기구 조작기(342)와 그것의 관련 기구(360)는 일반적으로 파이-웨지 레이아웃으로 롤 축 주위에 배치되며, 기구 샤프트는 조작기 조립체 롤 축(341) 근처에 위치된다. 따라서, 베이스 플레이트가 롤 축(341)을 중심으로 회전함에 따라 기구 조작기(342)와 장착된 기구(360)의 클러스터도 역시 롤 축을 중심으로 회전한다.
도 4a 및 4b는 각각 회전 가능한 베이스 플레이트(440a)에 장착된 삽입 메커니즘(444)을 따라 연장된 위치와 리트랙트된 위치에 있는 기구 조작기(442)를 예시하는 투시도이다. 상기 주지된 대로, 기구 조작기(442)는 삽입 메커니즘(444)에 인접한 이중 화살표로 도시된 대로 삽입 메커니즘의 베이스 플레이트(440a)와 자유 원단부(444a) 사이의 삽입 메커니즘(444)의 종축을 따라 연장되고 리트랙트될 수 있다. 이 예시적인 구체예에서, 기구는 기구 조작기(442)의 원위면(442a)에 대해 장착된다.
원위면(442a)은 가동력을 장착된 기구로 전달하는 다양한 가동 출력을 포함한다. 도 4a 및 4b에 도시된 대로, 이러한 가동 출력은 그립 출력 레버(442b)(기구 단부 작동기의 그립 동작 제어), 조글 출력 짐볼(442c)(원단부 평행 연결("조글" 또는 "엘보" 메커니즘)의 사이드 투 사이드 동작 및 업 앤 다운 동작 제어), 리스트 출력 짐볼(442d)(기구 단부 작동기의 요우 동작 및 피치 동작 제어), 및 롤 출력 디스크(442e)(기구의 롤 동작 제어)를 포함할 수 있다. 이러한 출력들과 이러한 출력을 수용하는 기구 힘 전달 메커니즘의 관련 부품들에 대한 상세한 내용은 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제12/060,104호(2008년 3월 31일 제출됨; 미국 특허출원 공개 US 2009/0248040 A1)에서 찾을 수 있다. 이러한 입력을 수용할 수 있는 예시적인 수술 기구의 근단부의 예들은 상기 참조된 미국 특허출원 제11/762,165호에서 찾을 수 있다. 간단히 말해서, 사이드 투 사이드 및 업 앤 다운 DOF는 원단부 평행 연결에 의해서 제공되고, 단부 작동기 요우 및 단부 작동기 피치 DOF는 원위 가요성 리스트 메커니즘에 의해서 제공되고, 기구 롤 DOF는 단부 작동기를 본질적으로 일정한 위치 및 피치/요우 방향에 유지하면서 기구 샤프트를 롤링함으로써 제공되고, 기구 그립 DOF는 2개의 움직이는 대향 단부 작동기 턱에 의해서 제공된다. 이러한 DOF는 더 많은 또는 더 적은 DOF의 예시이다(예를 들어, 일부 실시형태에서 카메라 기구는 기구 롤과 그립 DOF가 생략된다).
기구 조작기의 원위면에 대한 기구의 장착을 용이하게 하기 위해서 지지 후크(442f)와 같은 지지물이 기구 조작기 상에 위치된다. 묘사된 구체예에서, 지지 후크는 기구 조작기의 메인 하우징에 관련하여 정지되어 있으며, 기구 조작기의 원위 표면이 근위와 원위 쪽으로 움직여서 기구 조작기와 기구 사이에 확고한 상호연결을 제공한다. 래치 메커니즘(442a)을 사용하여 기구 조작기의 원위면을 기구의 근위면 쪽으로 움직인다. 다른 구체예에서, 래치 메커니즘은 기구의 근위면을 조작기의 원위면 쪽으로 움직이기 위해 사용될 수 있으며, 이로써 조작기 출력과 기구 입력이 맞물리거나 맞물림이 해제될 수 있다.
도 5a-1 및 5b-1은 기구 조작기(542)의 예시적인 구조를 예시하는 투시도이다. 도 5a-2 및 5b-2는 각각 절단선 I-I 및 II-II를 따른 도 5a-1 및 5b-1의 단면도이다. 도시된 대로, 조작기는 외부 셀(542h)에, 예를 들어 슬라이딩 조인트, 레일 등에 의해서 움직일 수 있게 연결된 내부 프레임(542i)을 포함한다. 내부 프레임(542i)은 래치 메커니즘(542g)의 작용 결과로서 외부 셀(542h)을 기준으로 원위 및 근위 쪽으로 움직인다.
이제 도 5a-1 내지 5b-2에 관해서, 기구 조작기(542)에 기구(미도시)를 장착하기 위한 지지 후크(542f)와 래치 메커니즘(542g)의 작동이 예시된다. 도시된 대로, 기구 조작기(542)의 원위면(542a)은 실질적으로 단일 평면이며, 그것은 기구 힘 전달 메커니즘의 근위면에 작동 가능하게 연결된다(예를 들어, 도 9a-9b에서 기구(960)의 근위면(960')). 래치 메커니즘(542g)은 도르래 및 와이어와 같은 가동 메커니즘을 포함할 수 있으며, 이로써 기구 조직기의 내부 프레임과 외부 셀을 서로에 대해서 움직일 수 있고, 작동 동안 원위면(542a)을 기구에 대해 홀딩할 수 있다.
묘사된 구체예에서, 기구 지지 후크(542f)는 기구 조작기 외부 셀(542h)에 단단히 장착되며, 래치 메커니즘(542g)이 가동되었을 때 기구 조작기의 내부 프레임(542i)의 원위면(542a)이 기구 조작기의 외부 셀의 근위면(542j)으로부터 멀어지면서 지지 후크(542f)의 원단부를 향해 원위 쪽으로 움직인다. 따라서, 기구 힘 전달 메커니즘이 지지 후크(542f)에 장착된 경우, 기구 조작기의 원위면(542a)은 지지 후크(542f)에 의해 구속되는 기구 전달 메커니즘의 근위면을 향해 움직이며, 이로써 도 5a-1 및 5a-2에서 화살표 A1으로 예시된 대로 기구 조작기 출력과 기구 힘 전달 입력이 맞물리거나 작동 가능하게 인터페이스된다. 이 구체예에 의해 예시된 대로, 조작기의 가동장치 출력은 근위 기구 면에 대해 압착되어 인터페이스를 형성함으로써 기구 가동장치 신호를 기구로 전달한다. 래치(542g)가 역 방향으로 가동되었을 때는 기구 조작기의 원워면(542a)이 기구 조작기의 근위면(542j)을 향해 움직이며(즉, 정지된 지지 후크(542f)의 원단부로부터 멀리), 이로써 도 5b-1 및 5b-2에서 화살표 A2로 예시된 대로 기구 조작기 출력과 기구 입력의 맞물림이 해제된다. 묘사된 구체예의 장점은 래치 메커니즘이 활성화되었을 때 기구 조작기의 가동장치 부분이 지지 후크 상의 공간에 고정된 정지된 기구에 대해 움직인다는 점이다. 기구를 향한 또는 기로부터 멀어지는 기구 조작기 가동장치의 움직임은 래치 또는 래치 해제 과정 동안 불필요한 또는 의도치 않은 기구 동작을 최소화한다. 따라서, 기구가 기구 장착 과정 동안 환자에 대해 움직이지 않으므로 기구의 원단부가 계속 환자의 몸안에 있을 수 있기 때문에 가능한 조직 손상이 방지된다.
다른 구체예에서, 지지 후크(542f)는 근위면(542j)을 향해 리트랙트되어 기구의 근위면을 정지된 기구 조작기의 원위면(542a) 쪽으로 이동시켜 도 5a-1 및 5a-2에서 화살표 B1으로 도시된 대로 기구 조작기 출력과 기구 입력을 맞물리게 한다. 래치가 열리거나 역 가동될 때는 이 과정이 역전되어 지지 후크(542f)가 정지된 기구 조작기의 원위면(542a)으로부터 멀어져서 도 5b-1 및 5b-2에서 화살표 B2로 예시된 대로 기구 조작기 출력과 기구 입력의 맞물림이 해제된다.
도 5c-1 내지 5c-4는 외부 셀(542h)이 없는 기구 조작기(542)의 상이한 도면들을 예시하며, 이로써 기구 조작기 출력을 가동시키기 위한 독립적인 구동 모듈들이 드러난다. 구동 모듈은 기구 조작기의 내부 프레임(542i)에 모듈 형태로 장착되며, 이것은 구동 모듈을 따라 기구 조작기의 외부 셀(542h)과 지지 후크(542f)에 대해 움직인다. 래치가 닫혔을 때 기구 조작기의 내부 프레임은 설정된 거리를 기구를 향해 움직이고, 스프링 로딩된 모듈 출력이 멸균 드레이프를 통해 기구 입력과 맞물리는데, 이것은 아래 더 설명된다. 래치가 열렸을 때는 이 과정이 역전된다. 스프링 로딩된 가동장치 구동 모듈 출력은 하기 더 상세히 설명된 대로 드레이프를 통한 기구 힘 전달 메커니즘 입력과의 강고한 인터페이스를 제공한다.
묘사된 구체예에 예시된 대로, 기구 조작기(542)는 그립 출력 레버(542b)를 가동하기 위한 그립 가동장치 구동 모듈(542b'), 조글 출력 짐볼(542c)을 가동하기 위한 조글 가동장치 구동 모듈(542c'), 리스트 출력 짐볼(542d)을 가동하기 위한 리스트 가동장치 구동 모듈(542d') 및 롤 출력 디스크(542e)를 가동하기 위한 롤 가동장치 구동 모듈(542e')을 포함한다. 출력(542b, 542c, 542d 및 542e)은 예를 들어 도 5c-4에 도시된 대로 기구 조작기의 원위면(542a)로부터 원위 쪽으로 돌출되며, 이들은 기구 힘 전달 메커니즘 출력과 맞물려 장착된 기구의 X-Y 병진과 그립, 피치, 요우 및 롤 단부 작동기 움직임을 가동시키도록 개조된다.
도 6a-6b는 기구 조작기의 그립 가동장치 구동 모듈(642b')의 상부 및 하부 투시도이다. 그립 가동장치 구동 모듈(642b')은 직선 슬라이드(602), 스프링(606)을 포함하는 구동 스프링 메커니즘(604) 및 그립 구동 출력 레버(642b)를 포함한다. 구동 스프링 메커니즘(604)은 기구 조작기의 내부 프레임(542i)에 연결된다. 래치(542g)가 가동되어 기구와 맞물림에 따라 내부 프레임이 움직이고, 그립 구동 모듈(642b')이 출력 레버(642b)가 그것의 기구 상의 메이팅 입력과 접촉할 때까지 직선 슬라이드(602)를 따라 움직인다. 이런 접촉은 스프링(606)에 미리 하중을 부과하며, 이로써 기구가 제자리에 래칫됨에 따라 기구 입력에 대해 그립 출력(642b)에 스프링이 로딩된다. 사전 로딩된 스프링(606)이 다음에 적절한 가동장치 구동 출력/입력 접촉이 작동 동안 유지되도록 보장하며, 이로써 출력/입력 접촉에 클리어런스가 발생하지 않고, 정밀한 운동학적 제어가 어렵게 된다.
도 7a는 기구의 조글 메커니즘의 X-Y 병진을 제어하는 조글 출력 짐볼 또는 기구 단부 작동기의 피치 및 요우를 제어하기 위한 리스트 출력 짐볼을 제공하는데 사용될 수 있는 기구 조작기의 짐볼 구동 모듈(742c/d')의 하부 투시도이다. 이 구체예에서, 짐볼 구동 모듈(742c/d')은 직선 슬라이드(702), 스프링(706)을 포함하는 구동 스프링 메커니즘(704) 및 짐볼 핀(710)상의 가동장치 출력 짐볼(742c/d)을 포함한다. 구동 스프링 메커니즘(704)은 기구 조작기의 내부 프레임(542i)에 연결된다. 래치(542f)가 가동되어 기구와 맞물림에 따라 내부 프레임은 원위 쪽으로 움직이고, 가동장치 구동 모듈(742c/d')은 출력 짐볼(742c/d)이 기구 상의 메이팅 입력과 접촉할 때까지 직선 슬라이드(702)를 따라 움직인다. 이런 접촉은 스프링(706)을 미리 로딩함으로써 기구가 제자리에 래칫될 때 기구 입력에 대해 출력 짐볼(742c/d)를 스프링 로딩한다. 그립 가동장치 구동 모듈과 마찬가지로, 미리 로딩된 스프링은 작동 동안 적절한 가동장치 구동 출력/입력 접촉이 유지되도록 보장하며, 이로써 출력/입력 접촉시 클리어런스가 발생하지 않아서 정밀한 운동학적 제어가 어렵게 된다. 짐볼 구동 모듈(742c/d')은 2개의 "도그 본" 링크(712), 2개의 볼 스크류(714), 2개의 모터(716), 2개의 홀 이펙트 센서(718) 및 2개의 회전 또는 직선 동작 인코더(720)를 더 포함한다. 모터(716)는 관련된 볼 스크류(714)를 구동시키고, 이것은 도그 본 링크(712)를 가동시킨다. 도그 본 링크(712)의 근단부는 직선 슬라이드(721)에 연결되고, 이것은 볼 스크류(714)와 평행한 축을 따라 움직인다. 도그 본 라인(712)의 원단부는 출력 짐볼(742c/d)과 연결되며, 이것은 각각 짐볼 핀(710)을 통해 종축에 수직인 2개의 직교 축을 중심으로 회전한다. 한 양태에서, 구동 모듈의 짐볼은 2의 자유도를 갖지만, 직교 축은 갖지 않는다.
도 7b는 장착된 기구의 롤 움직임을 제어하는 롤 출력 디스크를 제공하는데 사용될 수 있는 기구 조작기의 롤 가동장치 구동 모듈(742e')의 하부 투시도이다. 이 구체예에서, 롤 가동장치 구동 모듈(742e')은 하모닉 드라이브(736)를 구동시키는 모터(734)를 포함하며, 이것은 이어서 수퍼 기어(740)를 구동시킨다. 수퍼 기어(740)는 롤 출력 디스크(742e)를 회전시키고, 따라서 기구 상의 롤 입력 디스크를 구동시킨다. 인코더(732)를 사용하여 위치를 감지해서 모터(734)를 정류한다. 절대 인코더(738)는 롤 출력 디스크(742e)에 연결되고, 기구 롤의 절대 위치를 감지한다.
한 양태에서, 시스템 구동 모듈은 작동 가능하게 독립적이며 서로 충분히 분리됨으로써 하나의 인터페이스 출력을 통해 적용되는 큰 힘이 나머지 인터페이스 출력에 전달되지 않는다. 다시 말해서, 하나의 인터페이스 출력을 통한 큰 힘은 다른 인터페이스 출력에 전달되지 않고, 이로써 나머지 인터페이스 출력에 의해 가동되는 기구 구성요소에 영향을 미치지 않는다. 한 양태에서, 구동 모듈과 그것의 상응하는 가동장치 출력은 다른 구동 모듈 및/또는 그것의 상응하는 가동장치 출력으로부터의 의도치 않은 힘 입력이 실질적으로 없게 된다. 이런 특징은 기구 작동을 개선하고, 결과적으로 환자 안전성을 개선한다.
도 9a 및 9b는 각각 도 4a-4b와 5a-1 내지 5c-4의 기구 조작기에 장착하도록 구성된 기구(960)의 근위 부분(960a)과 원위 부분(960b)의 투시도이다. 기구(960)의 전달 메커니즘의 근위면(960')은 그립 출력 레버(542b)와 인터페이스되는 기구 그립 입력 레버(962b), 조글 출력 짐볼(542c)과 인터페이스되는 기구 조글 입력 짐볼(962c), 리스트 출력 짐볼(542d)과 인터페이스되는 기구 리스트 입력 짐볼(962d) 및 롤 출력 디스크(542e)와 인터페이스되는 기구 롤 입력 디스크(962e)를 포함한다. 도 9b는 리스트(964), 조글 메커니즘(966) 및 단부 작동기(968)를 포함하는 가요성 수술 기구(960)의 원단부(960b)의 일례를 예시한다. 한 구체예에서, 기구(960)의 전달 메커니즘의 근위면(960')은 조작기 출력과 기구 입력이 작동 가능하게 맞물렸을 때 기구 조작기의 원위면과 작동 가능하게 인터페이스되는 실질적으로 단일 평면이다. 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,165호, 발명의 명칭 "최소 침습 수술 시스템"(Larkin et al.) 및 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,154호, 발명의 명칭 "평행 동작 메커니즘 수술 기구"(Cooper et al.)가 기구(960)와 같은 수술 기구의 적용 가능한 원위 부분 및 근위 부분에 대해 더 상세히 개시한다.
도 9a 및 9b에 도시된 예시적인 양태에서, 기구(960)는 그것의 근단부에 전달 부분, 기다란 기구 본체, 다양한 수술 단부 작동기(968) 중 하나, 및 단부 작동기(968)와 조글 메커니즘(966)과 기구 본체를 연결하는 뱀 모양의 2 자유도 리스트 메커니즘(964)을 포함한다. da Vinci® 수술 시스템과 마찬가지로, 일부 양태에서 전달 부분은 지지 암에 영구 장착된 전기 가동장치(예를 들어, 서보모터)와 인터페이스되는 디스크를 포함하며, 이로써 기구는 쉽게 교환될 수 있다. 짝을 이루는 짐볼 플레이트와 레버와 같은 다른 연결들도 기계적 인터페이스에서 가동력을 전달하는데 사용될 수 있다. 전달 부분의 기계 메커니즘(예를 들어, 기어, 레버, 짐볼)은 디스크로부터의 가동력을 기구 본체(이것은 하나 이상의 관절화된 부분을 포함할 수 있다)에 있는 하나 이상의 채널을 통해 이어진 케이블, 와이어 및/또는 케이블, 와이어 및 하이포튜브 조합으로 전달하여 리스트(964)와 단부 작동기(970) 움직임을 제어한다. 일부 양태에서, 하나 이상의 디스크 및 관련 메커니즘이 그것의 종축 주위에서 기구 본체를 롤링하는 가동력을 전달한다. 기구 본체의 주 부분은 실질적으로 강직성인 단일 튜브이며, 일부 양태에서는 약간 탄성이 있는 가요성일 수 있다. 이런 작은 가용성은 가이드 튜브의 근위 본체편 근위부(즉, 환자 바깥쪽의)가 약간 신축될 수 있도록 하며, 이로써 동일한 길이의 몇 개의 잘린 꽃들이 목이 좁은 화병에 위치된 것처럼 몇 개의 기구 본체가 이들의 각각의 전달 부분 하우징이 허용할 수 있는 것보다 가이드 튜브 안에서 더 밀착하여 있을 수 있다. 이런 신축은 최소한이며(예를 들어, 한 구체예에서 약 5도의 휨 각도 이하), 기구 본체 내에서 제어 케이블과 하이포튜브의 휨 각도가 작기 때문에 유의한 마찰을 일으키지도 않는다. 다시 말해서, 한 구체예에서 기구 샤프트는 힘 전달 메커니즘의 원위면 또는 근위면에 직교하는 대신 약간의 각도로 힘 전달 메커니즘의 원위 쪽에서 빠져나올 수 있다. 다음에, 기구 샤프트는 약간 휘어 계속 직선을 유지하면서 힘 전달 메커니즘의 원위 쪽에서 빠져나오는 기구 샤프트의 원위 구간에서 약간 원호를 형성할 수 있다. 이와 같이, 기구는 가이드 튜브 가까이 있는 근위 곡선 구간과 원위 직선 구간을 가진 기구 샤프트를 가질 수 있다. 한 예에서, 기구 샤프트는 힘 전달 메커니즘을 원위 쪽에서 빠져나올 때 약 0도 내지 약 5도로 피치될 수 있다.
도 9a 및 9b에 도시된 대로, 기구(960)는 근위 본체편(968)(한 예에서 가이드 튜브를 통해 연장된다)과 적어도 하나의 원위 본체편 또는 조글 메커니즘(966)(한 예에서 가이드 튜브의 원단부를 지나 위치된다). 예를 들어, 기구(960)는 근위 본체편(968), 조인트(967)에서 근위 본체편(968)에 연결된 조글 메커니즘(966), 또 다른 조인트(965)에서 조글 메커니즘(966)과 연결된 리스트 메커니즘(964)(이 연결은 또 다른 짧은 원위 본체편을 포함할 수 있다), 및 단부 작동기(970)를 포함한다. 일부 양태에서, 조글 메커니즘(966)과 조인트(965 및 967)는 평행 동작 메커니즘으로 기능하며, 이 메커니즘의 원단부에 있는 기준 프레임의 위치는 원위 기준 프레임의 방향을 변경하지 않고 메커니즘의 근단부에 있는 기준 프레임에 대해 변경될 수 있다. 적용 가능한 기구의 관련된 조인트를 포함하는 적용 가능한 평행 동작 또는 조글 메커니즘의 상세한 내용은 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,165호에 더 개시된다.
도 10은 본 개시의 양태에 따른 기구(960)에 작동 가능하게 연결된 기구 조작기(542)의 단면도이다. 도 10에 도시된 대로, 기구 조작기(542)의 원위면 상의 가동장치 출력(542b-542e)은 수술 기구(960)의 근위면 상의 가동장치 입력(962b-962e)과 인터페이스된다.
수술을 용이하게 하기 위해서 기구 단부 작동기에 7의 자유도(기구 삽입, 그립, 2-DOF 리스트 관절화, 2-DOF 조글(리스트 병진) 및 기구 롤)가 제공되므로, 기구 가동 정밀도의 요건은 높으며, 기구와 기구 조작기 사이에는 높은 충실도, 낮은 백러시 인터페이스가 바람직하다. 기구 조작기의 독립적으로 작동되는 구동 시스템 모듈(예를 들어, 모듈 542b', 542c', 542d' 및 542e')이 다양한 구동 트레인이 실질적으로 성능은 포함하지 않는 부정확하게 제조된 드레이프를 통해서 수술 기구에 연결되는 것을 허용된다. 구동 시스템 모듈들은 서로 연결되지 않고 서로 충분히 분리되어 있으므로, 하나의 인터페이스 출력을 통해 적용되는 큰 힘은 나머지 인터페이스 출력으로 전달되지 않는다. 다시 말해서, 하나의 인터페이스 출력을 통한 큰 힘은 다른 인터페이스 출력으로 전달되지 않으며, 이로써 나머지 인터페이스 출력에 의해서 가동되는 기구 구성요소에 영향을 미치지 않는다. 한 양태에서, 구동 모듈과 그것의 상응하는 가동장치 출력은 다른 구동 모듈 및/또는 그것의 상응하는 가동장치 출력으로부터 유래하는 의도치 않은 힘을 실질적으로 갖지 않는다. 이런 특징은 기구 작동을 개선하고, 결과적으로 환자 안전성을 개선한다.
한 양태에서, da Vinci® 수술 시스템 기구 인터페이스에서처럼 힘 전달 특징부와 가동 특징부에 메이팅 디스크가 사용될 수 있다. 다른 양태에서, 메이팅 짐볼 플레이트와 레버가 사용된다. 전달 메커니즘의 다양한 기계 구성요소(예를 들어, 기어, 레버, 케이블, 도르래, 케이블 가이드, 짐볼 등)를 사용하여 기계적인 힘을 인터페이스로부터 제어되는 요소로 전달한다. 각 가동장치 메커니즘은 관련 기구의 원단부에서 움직임을 제어하는 적어도 하나의 가동장치(예를 들어, 서보모터(브러시 또는 무브러시)를 포함한다. 예를 들어, 가동장치는 수술 기구의 단부 작동기 그립 DOF를 제어하는 전기 서보모터일 수 있다. 기구(본원에 설명된 가이드 프로브를 포함한다) 또는 가이드 튜브(또는 종합해서 기구 조립체)는 관련된 가동장치 메커니즘으로부터 해제되어 슬라이드될 수 있다. 다음에, 다른 기구나 가이드 튜브로 대체될 수 있다. 기계적 인터페이스에 더하여, 각 전달 메커니즘과 가동장치 메커니즘 사이에 전자적 인터페이스가 있다. 이런 전자적 인터페이스는 데이터의 전달을 허용한다(예를 들어, 기구/가이드 튜브 타입). 다양한 기구, 가이드 튜브 및 영상 시스템, 그리고 또한 멸균 현장을 보존하기 위한 멸균 드레이프에 대한 예들은 본원에 모두 참고로 포함되는 미국특허 제6,866,671호(2001년 8월 13일 제출됨; Tierney et al.)와 제6,132,368호(1997년 11월 21일 제출됨; Cooper)에 개시된다.
수술 기구는 단독으로 또는 가이드 튜브, 다수의 기구 및/또는 다수의 가이드 튜브를 포함하는 조립체로, 및 다양한 구성(예를 들어, 기구/가동장치 조립체의 근위면 또는 원위면 상에)을 통해 가동장치 조립체에 연결된 기구로서 본 개시에 적용될 수 있다. 따라서, 다양한 수술 기구가 이용될 수 있으며, 각 수술 기구는 서로 독립적으로 작동하고, 각각은 환자의 단일 진입구를 통해서 데카르트 공간(즉, 서지, 히브, 스웨이, 롤, 피치, 요우) 안에서 적어도 6의 능동적으로 제어되는 DOF를 가진 단부 작동기를 가진다.
상기 설명된 이들 운동학적 사슬의 단부를 형성하는 기구 샤프트는 환자로의 삽입을 위한 캐뉼라 및/또는 진입 가이드를 통해 가이드될 수 있으며, 이것은 하기 더 설명된다. 캐뉼라와 같은 적용 가능한 부속 클램프와 부속품들은 전체 내용이 모든 취지를 위해서 본원에 참고로 포함되는 계류중인 미국 특허출원 제11/240,087호(2005년 9월 30일)에 개시된다.
멸균 드레이프
멸균 드레이프의 구체예들이 이제 더 상세히 설명될 것이다. 다시 도 1a-1b 및 2a-2c와 관련하여, 멸균 드레이프(1000 및 2000)가 각각 암 조립체(101 및 201)의 일부를 덮어서 조작기 암의 비-멸균 부품을 멸균 현장으로부터 차폐하고, 또한 암과 그것의 여러 부품을 수술 과정의 물질(예를 들어, 체액 등)로부터 차폐하는 것이 도시된다. 한 구체예에서, 멸균 드레이프는 기구 조작기 조립체의 기구 조작기를 수용하도록 구성된 드레이프 포켓을 포함한다. 드레이프 포켓은 멸균 현장에 인접한 외부 표면과 비-멸균 기구 조작기에 인접한 내부 표면을 포함한다. 드레이프는 기구 조작기의 출력(예를 들어, 관련 기구에 가동력을 전달하는 인터페이스)과 수술 기구의 입력(예를 들어, 관련 기구 조작기로부터의 가동력을 수용하는 인터페이스) 사이의 인터페이스를 위한 드레이프 포켓의 원단부의 가요성 멤브레인, 및 드레이프 포켓의 근위 개구에 작동 가능하게 연결된 회전 가능한 시일을 포함한다.
다른 구체예에서, 멸균 드레이프는 복수의 드레이프 포켓을 포함하며, 각 드레이프 포켓은 각 기구 조작기의 출력과 수술 기구의 리스트, 롤, 그립 및 병진 동작을 제어하는 각 수술 기구의 입력 사이에 인터페이스를 위해 원단부에 복수의 가요성 멤브레인을 포함한다. 라비린스 시일과 같은 회전 가능한 시일이 드레이프 포켓의 근위 개구에 작동 가능하게 연결되어 모든 드레이프 포켓이 드레이프의 더 근위 부분을 기준으로 그룹으로서 함께 회전할 수 있도록 한다. 한 예에서, 다수의 드레이프 포켓을 포함하는 회전 가능한 시일의 제1 부분은 조작기 조립체 플랫폼의 회전 가능한 베이스 플레이트에 연결되고, 회전 가능한 시일의 제2 부분은 조작기 조립체 플랫폼의 프레임에 연결된다.
또 다른 구체예에서, 로봇 수술 시스템의 조작기 암에 드레이프를 걸치는 방법은 먼저 기구 조작기의 원단부에 멸균 드레이프의 원단부를 위치시키고, 이어서 기구 조작기의 원단부로부터 기구 조작기의 근단부를 향해서 드레이프 포켓으로 각 기구 조작기를 덮는 것을 포함한다. 다음에, 멸균 드레이프의 회전 가능한 시일이 조작기 조립체 플랫폼의 회전 가능한 베이스 플레이트와 프레임에 연결된다. 다음에, 원한다면 조작기 암의 원단부로부터 조작기 암의 근단부를 향해서 조작기 암의 나머지 부분들에 드레이프가 덮일 수 있다. 이 예에서, 조작기 암은 기구 조작기로부터 요우 조인트 쪽으로 드레이프가 덮인다.
유익하게는, 멸균 드레이프를 구비한 조작기 암과 기구 조작기의 구성 및 기하구조는 큰 동작 범위를 제공하여, 단일 입구를 통한 다중 사분면 수술(즉, 단일 진입구에서 모든 환자 사분면으로의 수술적 접근), 환자 및 진입구 주위의 증가된 공간 및 증가된 환자 안전성을 허용하며, 동시에 또한 상기 설명된 대로 강고한 기구/조작기 인터페이스, 용이한 기구 교환 및 멸균 환경 유지를 제공한다.
다시 도 10과 관련하여, 기구 조작기(542)의 가동장치 출력은 멸균 드레이프(1000 또는 2000)를 통해서 기구(960)의 가동장치 입력과 맞물린다. 상기 주지된 대로, 한 구체예에서 래치(542g)가 가동되었을 때 기구 조작기(542)의 내부 프레임이 기구(960)를 향해 설정된 거리를 움직이고, 스프링 로딩된 모듈 출력(542b-542e)이 드레이프(1000 또는 2000)를 통해 기구 입력(962b-962e)과 맞물린다. 기구 조작기(542)의 독립적인 가동장치 구동 모듈(542b', 542c', 542d' 및 542e')은 각각 가동장치 출력(542b, 542c, 542d 및 542e)을 제공하고, 이들은 상기 설명된 대로 래치 메커니즘(542g)를 가동했을 때 멸균 드레이프를 통해 기구 입력(962b, 962c, 962d 및 962e)과 각각 맞물린다.
이제 도 10과 함께 도 11a-11d를 보면, 도 11a-11b는 각각 리트랙트된 상태와 연장된 상태의 멸균 드레이프(1100)(도 11d)의 제1 드레이프 부분(1100a)의 투시도를 예시하고, 도 11c는 본 개시의 구체예에 따른 조작기 플랫폼의 회전 가능한 베이스 플레이트(1140a)의 원단부에 장착된 드레이프 부분(1100a)의 단면도를 예시한다. 상기 멸균 드레이프(1000 및 2000)에 관한 설명이 멸균 드레이프(1100)와 관련해서도 적용될 수 있다. 예를 들어, 멸균 드레이프(1100)는 조작기 암 조립체의 일부, 특히 기구 조작기를 덮어서 조작기 암의 비-멸균 부품을 멸균 현장으로부터 차폐한다. 또한, 드레이프 부분(1100a)은 복수의 포켓(1105)(예를 들어, 4개의 웨지 모양 드레이프 포켓(1105a-1105d가 도시된다)을 포함하며, 각 포켓은 멸균 현장에 인접하도록 구성된 외부 표면과 비-멸균 기구 조작기에 인접하도록 구성된 내부 표면을 포함한다. 드레이프 포켓(1105)은 각각 기구 조작기의 출력과 수술 기구의 입력 사이의 인터페이스를 위해 드레이프 포켓(1105)의 원단부(1101)에 복수의 가요성 멤브레인(1102)을 포함한다. 한 예에서, 가요성 멤브레인(1102b, 1102c, 1102d 및 1102e)이 기구 조작기 출력(542b, 542c, 542d, 542e)과 기구 입력(962b, 962c, 962d, 962e) 사이에 인터페이스되어 각각 수술 기구의 기구 그립, 병진, 리스트 및 롤 동작을 제어한다. 가요성 멤브레인은 각 기구 조작기(예를 들어, 삽입 메커니즘(444))의 텔레스코핑 삽입 메커니즘에 포켓 연장부(1106)를 제공하며, 이것을 따라 기구 조작기가 병진할 수 있다.
한 양태에서, 포켓 연장부(1106)의 원단부는 드레이프 포켓 연장부(1106)가 삽입 메커니즘과 함께 움직이고, 환자로부터 멀어져서는 컴팩트 형태로 유지됨으로써 수술 입구에 공간과 접근성을 제공할 수 있도록 삽입 메커니즘에 부착된다. 한 예에서, 포켓 연장부(1106)의 원단부는 클립, 탭, 벨크로 스트립 등과 같은 어떤 적절한 부착 수단에 의해서 삽입 메커니즘(844)(도 8)의 캐리지 링크(804)에 부착될 수 있다.
회전 가능한 시일(1108)은 드레이프 포켓(1105)의 근위 개구(1103)와 조작기 암 조립체의 조작기 플랫폼을 작동 가능하게 연결한다. 한 예에서, 회전 가능한 시일(1108)은 롤 커버 부분(1108a)과 롤 커버 부분(1108a) 안에서 그것에 대해 회전할 수 있는 베이스 콤 부분(1108b)을 가진 회전 가능한 라비린스 시일을 포함한다. 한 구체예에서, 베이스 콤 부분(1108b)은 구멍을 가진 복수의 웨지 모양 "프레임"을 형성하는 립(1104)을 가진 디스크를 포함하며, 각 프레임은 기구 조작기를 둘러쌀 수 있는 크기이다. 한 구체예에서, 베이스 콤 부분(1108b)은 디스크 안에서 90도 떨어져 형성된 립(1104)을 포함한다. 드레이프 포켓(1105)의 근단부는 베이스 콤 부분(1108b)의 각 프레임에 연결된다. 따라서, 립을 가진 베이스 콤 부분(1108b)은 기구 조작기의 회전 가능한 베이스 플레이트 위에서 밀착 클러스터를 이루고 있는 개별 기구 조작기들에 드레이프를 덮는 것을 보조하며, 더 나아가 수술 과정 동안 드레이프가 덮인 기구 조작기가 움직임일 때 드레이프 포켓(1105)의 방향 및 배치를 유지하는데도 도움이 된다.
롤 커버 부분(1108a)은 조작기 플랫폼의 프레임에 고정 장착되고, 베이스 콤 부분(1108b)은 회전 가능한 베이스 플레이트(1140a)에 고정 장착되며, 이로써 베이스 플레이트(1140a)가 회전할 때 베이스 콤 부분(1108b)도 드레이프 덮인 기구 조작기와 함께 회전하며, 이때 롤 커버 부분(1108a)은 조작기 플랫폼 프레임에 고정 장착된 상태로 정지되어 있다.
도 11a 및 11b는 기구 조작기가 그것의 각 삽입 축을 따라 리트랙트되고 연장될 때 리트랙트된 상태와 연장된 상태의 드레이프 포켓(1105)을 각각 예시한다. 4개의 드레이프 포켓(1105)이 동일하게 리트랙트되고 연장되는 것으로 도시되지만, 드레이프 포켓은 기구 조작기가 서로에 대해 독립적으로 및/또는 의존적으로 제어되기 때문에 독립적으로 리트랙트되고 연장될 수 있다.
또한, 베이스 콤 부분(1108b)은 베이스 콤 부분의 각 프레임을 통해 기구 조작기를 장착할 수 있는 공간이 제공되기만 한다면 90도가 아닌 다른 각도로 배향된 다수의 립을 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 한 예에서, 베이스 콤 부분(1108b)은 원형 면적을 각각 기구 조작기를 봉입할 수 있는 크기를 가진 다수의 구간으로 나누는 립들로 이루어질 수 있다.
또한, 멸균 드레이프(1100)는 도 11d에 도시된 대로 개별 기구 조작기에 덮인 드레이프를 조작기 암 조립체의 나머지 부분으로 이전하는 것을 허용한다. 드레이프(1100)는 회전 가능한 시일(1108)(예를 들어, 롤 커버 부분(1108a))로부터 계속되어 원한다면 조작기 암의 나머지 부분(예를 들어, 조인트 및 링크)을 덮도록 설계된 더 큰 제2의 드레이프 부분(1100b)에 합쳐질 수 있으며, 한 예에서는 조작기 조립체 요우 조인트(예를 들어, 요우 조인트(124, 224))까지 조작기 암을 연속하여 덮는다. 따라서, 회전 가능한 시일(1108)은 실질적으로 전체 암 조립체에 드레이프가 덮인 상태를 유지하면서 기구 조작기 클러스터가 조작기 암 조립체의 나머지 부분에 대해 자유롭게 회전하는 것을 허용하며, 이로써 수술 부위의 멸균 환경이 보존된다.
다른 구체예에 따라서, 멸균 드레이프 부분(1100b)은 리트랙션 가능한 캐뉼라 장착 암에 드레이프를 덮도록 설계되며, 이것은 아래 더 상세히 설명된다. 한 구체예에서, 움직이는 캐뉼라 장착부는 조작기 암에 연결된 베이스 부분과 베이스 부분에 움직일 수 있게 연결된 리트랙션 가능한 부분을 포함한다. 리트랙션 가능한 부분은 회전 조인트를 통해서 리트랙트된 위치와 전개된 위치에서 움직일 수 있으며, 이로써 리트랙션 가능한 부분이 위를 향해 회전되거나, 또는 베이스 부분을 향해 접혀서 환자 주위에 더 많은 공간을 만들 수 있고 및/또는 조작기 암에 드레이프를 덮을 때 캐뉼라 장착부 위에 더 쉽게 드레이프를 입힐 수 있다. 다른 조인트들도 리트랙션 가능한 부분과 베이스 부분을 연결하는데 사용될 수 있으며, 제한은 아니지만 이들은 볼 소켓 조인트 또는 만능 조인트, 텔레스코핑 효과를 만드는 슬라이딩 조인트 등을 포함하고, 이로써 리트랙션 가능한 부분이 베이스 부분에 더 가깝게 움직여서 캐뉼라 장착부의 전체적인 형태 요인을 감소시킬 수 있다. 또 다른 구체예에서, 전체 캐뉼라 장착부는 조작기 암에 대해 안쪽으로 텔레스코핑될 수 있다. 따라서, 움직이는 캐뉼라 장착 암은 드레이프에 비교적 작은 개구를 가진 더 큰 로봇 암의 드레이프를 허용한다. 드레이프는 리트랙트된 캐뉼라 장착 암 위에 위치될 수 있으며, 다음에 포켓(1110) 안에서 드레이프가 덮인 후 캐뉼라 장착 암이 작동 위치로 연장될 수 있다. 한 양태에 따라서, 캐뉼라 장착 암은 기구의 작동 동안 작업 위치에 고정된다.
한 예에서, 드레이프 포켓(1110)은 캐뉼라 장착 암의 원단부에 있는 클램프(예를 들어, 도 19a-19b 및 20a-20b의 클램프(1754) 및 도 24a-24d의 클램프(2454)와 수용부(2456)를 참조한다) 위에 장착하는 강화된 드레이프 부분(1111)을 포함할 수 있다.
드레이프(1100a)는 개별 드레이프 포켓(1105)의 측면에 래치 커버(1107)를 더 포함할 수 있으며, 이로써 사용 도중에 기구 조작기의 원주 밖으로 연장될 수 있는 개별 래치(1342g)(도 14a, 15, 16a 및 17a-17c)를 덮을 수 있다.
유익하게는, 기구와 인터페이스되는 기구 조작기의 원위면, 기구 조작기의 스프링 로딩된 독립적인 출력, 및 유익한 멸균 드레이프 때문에, 기구들은 수술 과정 동안 확실한 멸균 환경을 유지하면서 기구 조작기 위에서 쉽게 그리고 확실하게 교환될 수 있다. 또한, 멸균 드레이프는 빠르고 쉽게 제조될 수 있는 수술 로봇 시스템을 허용하며, 동시에 또한 작은 형태 요인을 가진 개선된 동작 범위(예를 들어, 회전 동작)를 제공하고, 이로써 수술실 제조 시간과 비용이 줄어든다.
멸균 어댑터
멸균 어댑터를 포함하는 드레이프의 또 다른 구체예가 이제 더 상세히 설명된다. 도 12는 본 개시의 또 다른 구체예에 따른 멸균 어댑터(1250)를 포함하는 연장된 멸균 드레이프의 드레이프 부분(1200a)의 투시도를 예시한다. 드레이프 부분(1200a)은 도 11d의 드레이프 부분(1100a)을 대체할 수 있으며, 회전 가능한 시일(1108)과 실질적으로 유사한 회전 가능한 시일(1208)의 방식으로 드레이프 부분(1100b)과 작동 가능하게 연결된다. 드레이프 부분(1200a)은 회전 가능한 시일(1208)과 멸균 어댑터(1250) 사이에 연결된 복수의 드레이프 슬리브(1205)를 포함한다. 드레이프 부분(1200a)은 기구 조작기의 삽입 메커니즘 위에 드레이프를 덮기 위해 멸균 어댑터(1250)에 연결된 포켓 연장부(1206)를 더 포함한다.
회전 가능한 시일(1208)은 드레이프 슬리브(1205)의 근위 개구(1203)와 조작기 암 조립체의 조작기 플랫폼을 작동 가능하게 연결한다. 한 예에서, 회전 가능한 시일(1208)은 롤 커버 부분(1208a)과 롤 커버 부분(1208a)에 대해 회전 가능한 베이스 콤 부분(1208b)을 가진 회전 가능한 라비린스 시일을 포함한다. 한 구체예에서, 베이스 콤 부분(1208b)은 구멍을 가진 복수의 웨지 모양 "프레임"을 형성하는 립(1204)을 가진 디스크를 포함하며, 각 프레임은 기구 조작기를 둘러쌀 수 있는 크기이다. 한 구체예에서, 베이스 콤 부분(1208b)은 디스크 안에서 90도 떨어져 형성된 립(1204)을 포함한다. 드레이프 슬리브(1205)의 근단부는 베이스 콤 부분(1208b)의 각 프레임에 연결된다. 따라서, 립을 가진 베이스 콤 부분(1208b)은 기구 조작기의 회전 가능한 베이스 플레이트 위에서 밀착 클러스터를 이루고 있는 개별 기구 조작기들에 드레이프를 덮는 것을 보조하며, 더 나아가 수술 과정 동안 드레이프가 덮인 기구 조작기가 움직임일 때 드레이프 포켓(1205)의 방향 및 배치를 유지하는데도 도움이 된다.
도 12는 드레이프 슬리브(1205)가 모두 연장된 상태인 것, 예를 들어 기구 조작기가 이들의 각 삽입 메커니즘을 따라 연장된 것을 예시하지만, 기구 조작기가 독립적으로 및/또는 의존적으로 서로에 대해 제어되기 때문에 드레이프 슬리브가 독립적으로 리트랙트되고 연장될 수 있다는 것이 주지된다.
또한, 베이스 콤 부분(1208b)은 베이스 콤 부분의 각 프레임을 통해 기구 조작기를 장착할 수 있는 공간이 제공되기만 한다면 90도가 아닌 다른 각도로 배향된 다수의 립을 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 한 예에서, 베이스 콤 부분(1208b)은 원형 면적을 각각 기구 조작기를 봉입할 수 있는 크기를 가진 다수의 구간으로 나누는 립들로 이루어질 수 있다.
롤 커버 부분(1208a)은 조작기 플랫폼의 프레임(예를 들어, 조작기 할로)에 고정 장착되고, 베이스 콤 부분(1208b)은 회전가능한 베이스 플레이트(1140a)에 고정 장착되며, 이로써 베이스 플레이트(1140a)가 회전할 때 베이스 콤 부분(1208b)도 역시 드레이프가 덮인 기구 조작기와 함께 회전한다. 한 예에서, 드레이프 슬리브(1205)의 근단부가 베이스 콤 부분(1208b)에 연결되므로, 모든 드레이프 슬리브(1205)가 더 근위 쪽의 드레이프 부분(1100b)을 기준으로 그룹으로서 함께 회전한다.
도 13a 및 13b는 본 개시의 구체예에 따른 조립된 멸균 어댑터(1250)의 투시도 및 멸균 어댑터(1250)의 분해도를 각각 예시한다. 멸균 어댑터(1250)는 부트 벽(1252a)과 기구 조작기 상의 포스트를 위한 통로로 사용되는 원통형 구멍(1252b)을 가진 부트(1252)를 포함하며, 이것은 아래 더 설명된다. 드레이프 슬리브(1205)의 원단부가 부트 벽(1252a)의 외부 표면에 연결될 수 있다. 어댑터(1250)는 또한 멸균 어댑터의 상부면 위의 기구 조작기와 맞물리도록 멸균 어댑터 밑에 수술 기구를 적절히 정렬하고 배치하고 보유하는데 사용되는 한 쌍의 지지물(1258)을 포함한다. 어댑터(1250)는 또한 수술 기구의 리스트, 롤, 그립 및 병진 동작을 제어하기 위한 각 기구 조작기의 출력과 각 수술 기구의 입력 사이에서 인터페이스되는 가요성 멤브레인 인터페이스(1254)를 포함한다. 한 구체예에서, 멤브레인 인터페이스(1254)는 관련된 기구 조작기 출력과 인터페이스되는 그립 가동장치 인터페이스(1254b), 조글 가동장치 인터페이스(1254c), 리스트 가동장치 인터페이스(1254d) 및 롤 가동장치 인터페이스(1254e)를 포함한다.
한 구체예에서, 롤 가동장치 인터페이스(1254e)는 멸균 어댑터(1250) 안에서 멸균 장벽을 회전시키고 유지할 수 있도록 설계된다. 도 13c에 예시된 대로, 한 양태에서, 롤 가동장치 인터페이스(1254e)는 평평한 보유 플레이트(1254f)를 수용하는 디스크의 원주 주위에 슬롯 또는 홈(1257b)이 있는 롤 디스크(1257a)를 포함한다(도 13b). 보유 플레이트(1254f)는 가요성 멤브레인 인터페이스(1254)에 부착되어 멸균 어댑터와 드레이프의 멸균 장벽을 유지하면서 롤 디스크가 회전할 수 있도록 한다.
멤브레인 인터페이스(1254)는 부트(1252)와 지지물(1258) 사이에 위치되고, 튜브(1256)가 부트(1252)와 멤브레인 인터페이스(1254)와 지지물(1258)을 함께 연결한다. 튜브(1256)는 부트 구멍(1252b) 및 멤브레인 구멍(1254b)과 정렬되고, 튜브(1256)의 샤프트 부분이 구멍들 사이에 위치된다. 튜브 립(1256a)이 부트 구멍 (1252b) 안에 보유되고, 튜브 단부(1256)는 튜브(1256)와 그에 따른 지지물(1258)이 도 13a에서 이중 화살표로 도시된 대로 튜브 샤프트의 특정한 길이방향 거리를 이동할 수 있도록 지지물(1258)에 고정 연결된다.
선택적으로, 그립 가동장치 인터페이스 플레이트(1254b'), 조글 가동장치 인터페이스 플레이트(1254c') 및 리스트 가동장치 인터페이스 플레이트(1254d')가 그립 가동장치 인터페이스(1254b), 조글 가동장치 인터페이스(1254c) 및 리스트 가동장치 인터페이스(1254d)의 밑부분에 각각 연결될 수 있으며, 관련 기구 입력과의 맞물림과 연결이 증가된다.
도 14a 및 14b는 본 개시의 구체예에 따른 기구 조작기(1300)의 하부 투시도 및 하부도를 예시한다. 이 예시적인 구체예에서, 기구는 기구 조작기(1300)의 원위면(1342a)에 대해 장착된다. 원위면(1342a)은 도 3-8과 관련하여 상기 설명된 기구 조작기와 유사하게 가동력을 장착된 기구로 전달하는 다양한 가동 출력을 포함한다. 도 14a와 14b에 도시된 대로, 이러한 가동 출력은 그립 출력 레버(1342b)(기구 단부 작동기의 그립 동작 제어), 조글 출력 짐볼(1342c)(원단부 평행 연결("조글" 또는 "엘보" 메커니즘)의 사이드 투 사이드 동작 및 업 앤 다운 동작 제어), 리스트 출력 짐볼(1342d)(기구 단부 작동기의 요우 동작 및 피치 동작 제어), 및 롤 출력 디스크(1342e)(기구의 롤 동작 제어)를 포함할 수 있다. 기구 조작기(1300)의 독립적 가동장치 구동 모듈(모듈(542b', 542c', 542d' 및 542e')과 관련하여 상기 설명된 것들과 유사하다)이 가동장치 출력(1342b, 1342c, 1342d 및 1342e)을 제공한다. 유사한 방식으로, 가동장치 출력(1342b-1342e)은 스프링-로딩될 수 있다. 이러한 출력들과 이러한 출력을 수용하는 기구 힘 전달 메커니즘의 관련 부품들에 대한 상세한 내용은 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제12/060,104호(2008년 3월 31일 제출됨; 미국 특허출원 공개 US 2009/0248040 A1)에서 찾을 수 있다. 이러한 입력을 수용할 수 있는 예시적인 수술 기구의 근단부의 예들은 상기 참조된 미국 특허출원 제11/762,165호에서 찾을 수 있다. 이러한 입력을 수용할 수 있는 예시적인 수술 기구의 근단부의 예들은 상기 참조된 미국 특허출원 제11/762,165호에서 찾을 수 있다. 간단히 말해서, 사이드 투 사이드 및 업 앤 다운 DOF는 원단부 평행 연결에 의해서 제공되고, 단부 작동기 요우 및 단부 작동기 피치 DOF는 원위 가요성 리스트 메커니즘에 의해서 제공되고, 기구 롤 DOF는 단부 작동기를 본질적으로 일정한 위치 및 피치/요우 방향에 유지하면서 기구 샤프트를 롤링함으로써 제공되고, 기구 그립 DOF는 2개의 움직이는 대향 단부 작동기 턱에 의해서 제공된다. 이러한 DOF는 더 많은 또는 더 적은 DOF의 예시이다(예를 들어, 일부 실시형태에서 카메라 기구는 기구 롤과 그립 DOF가 생략된다).
기구 조작기(1300)는 멸균 어댑터(1250)를 통해 기구 조작기(1300)의 가동장치 출력과 장착된 기구의 가동장치 입력을 맞물리기 위한 래치 메커니즘(1342g)을 더 포함한다. 한 구체예에서, 상기 설명된 래치 메커니즘과 유사하게, 래치(1342g)가 가동되었을 때 기구 조작기(1300)의 내부 프레임(1342i)은 외부 셀(1342h)에 대해 장착된 기구 쪽으로 설정된 거리를 움직인다. 스프링-로딩 모듈 출력(1342b-1342e)은 멸균 어댑터(1250)를 통해서, 한 구체예에서 멤브레인 인터페이스(1254)를 통해서 적절한 기구 입력을 맞물린다. 따라서, 장착된 기구가 멸균 어댑터의 멤브레인 인터페이스를 통해서 지지물(1258)의 상부 표면과 스프링 로딩된 출력 사이에 클램프된다.
상기 주지된 대로, 드레이프(1100a)는 개별 드레이프 포켓(1105) 위의 래치 커버(1107)를 포함할 수 있으며, 이로써 사용 도중에 기구 조작기의 원주 바깥으로 연장될 수 있는 개별 래치(1342g)를 덮을 수 있다. 래치 핸들은 각각 상응하는 기구 조작기의 원주 안에서 접힐 수 있으며, 이로써 드레이프의 회전 가능한 시일이 기구 조작기를 확실히 지나갈 수 있다.
기구 조작기(1300)는 기구 조작기(1300)와 멸균 어댑터(1250)의 작동 가능한 연결을 위한 포스트(1350)를 더 포함하며, 이것은 하기 더 설명된다.
이제 도 15 및 16a-16c에 관해서, 기구 조작기(1300)와 멸균 어댑터(1250)의 연결이 예시되고 설명된다. 도 15는 본 개시의 구체예에 따른 멸균 어댑터(1250)에 작동 가능하게 연결된 기구 조작기(1300)의 하부 투시도이다. 도 16a-16e는 본 개시의 구체예에 따른 멸균 어댑터(1250)와 기구 조작기(1300)를 연결하는 순서를 예시한다. 도 16a에 도시된 것처럼, 포스트(1350)가 부트 구멍(1252b) 내에서 튜브(1256)와 정렬된다. 다음에, 도 16b에 도시된 대로, 포스트(1350)의 자유 단부가 포스트(1350)의 단부에 있는 탭이 도 16e에 도시된 대로 관련 지지물 구멍과 맞물릴 때까지 튜브(1256)를 통과해 위치된다. 따라서, 포스트(1350)의 한쪽 단부가 지지물(1258)에 고정 장착된다. 한 구체예에서, 지지물(1258)은 도 16c-1 및 16c-2에 예시된 대로 키홀 구멍(1258b)을 가진 슬라이드(1258a)를 포함한다. 멸균 어댑터가 화살표 II로 도시된 대로 최종 위치로 리프트됨에 따라 지지물(1258)은 화살표 I의 방향으로 슬라이드되어 포스트(1350)가 키홀 구멍(1258b)의 단부로 넘어가게 된다. 다음에, 지지물(1258)은 바이어싱 수단에 의해 화살표 III의 방향으로 리턴되며, 이로써 키홀 구멍(1258b)의 좁은 구간이 포스트(1350)에 있는 홈(1350a)에 고정된다(도 16e).
멸균 어댑터의 지지물(1258)이 기구 조작기 하우징의 포스트에 부착된 후 멸균 어댑터(1250)의 부트(1252)가 기구 조작기(1300)의 원위면(1342a)에 부착된다. 한 구체예에서, 이 부착은 기구 조작기의 내부 프레임(1342i)의 측면들에 있는 오목부에 정합하는 부트의 내벽 상의 돌출부에 의해서 달성된다. 이러한 부착은 내부 프레임이 래치(1342g)에 의해 상승하거나 하강할 때 부트가 내부 프레임에 부착된 채로 머무르는 것을 허용한다.
이제 도 17a-17c와 18a-18b에 관해서, 수술 기구(1460)와 멸균 어댑터(1250)의 연결이 예시되며 설명된다. 도 17a-17c는 본 개시의 구체예에 따른 멸균 어댑터(1250)와 수술 기구(1460)를 연결하는 순서를 예시한다. 도 17a에 도시된 것처럼, 기구(1460)는 힘 전달 메커니즘(1460a)과 샤프트(1460b)를 포함한다. 샤프트(1460b)의 팁은 캐뉼라(1600) 안에서 자유롭게 회전 가능한 진입 가이드(1500) 안에 위치된다. 도 17b는 한 쌍의 지지물(1258)에 의해 정렬되어 그와 맞물린 기구(1460)의 힘 전달 메커니즘(1460a) 상의 탭(예를 들어, 도 18a의 탭(1462))을 도시하고, 도 17c는 힘 전달 메커니즘(1460a)을 도시하는데, 이것은 지지물(1258)의 상부면을 따라 또한 병진된다.
도 18a 및 18b는 지지물(1258)을 따라 힘 전달 메커니즘(1460a)이 완전히 이전되기 전의 기구(1460)와 멸균 어댑터(1250)의 확대된 투시도와 측면도를 각각 예시한다. 기구(1460)는 보유 메커니즘이 지지물을 따라 도달하게 될 때까지 지지물(1258)을 따라 이전되며, 이것은 한 예에서 지지물(1258)의 윗면에 있는 구멍과 정렬되어 결합되는 탭(1462)의 밑면에 있는 돌출부일 수 있다. 래치(1342g)가 다음에 가동되어 기구 조작기 출력과 기구 입력이 멸균 어댑터(1250)를 통해서 맞물릴 수 있다. 한 구체예에서, 지지물(1258)은 기구가 장착된 후 포스트(1350)로부터 제거되는 것이 방지된다. 한 양태에서, 지지물 상의 돌출부가 기구 힘 전달 메커니즘 하우징의 측면에 있는 오목부와 맞물려 기구가 장착되는 동안 지지물이 움직이는 것을 방지한다.
진입 가이드
진입 가이드, 캐뉼라 및 캐뉼라 장착 암의 구체예들이 이제 더 상세히 설명된다. 앞서 설명된 대로, 수술 기구는 각각의 수술 기구 조작기에 장착되어 가동된다. 기구들은 착탈 가능하게 장착되며, 이로써 다양한 기구들이 특정한 조작기에 상호 교환 가능하게 장착될 수 있다. 한 양태에서, 하나 이상의 조작기는 카메라 기구와 같은 특정한 타입의 기구를 지지하고 가동하도록 구성될 수 있다. 기구의 샤프트는 기구 조작기로부터 원위 쪽으로 연장된다. 샤프트는 환자 몸안으로의 진입구에 위치된 공통 캐뉼라를 통해서 연장된다(예를 들어, 체벽을 통해서, 자연 개구에서). 캐뉼라는 조작기 암에 움직일 수 있게 연결된 캐뉼라 장착 암에 연결된다. 한 양태에서, 진입 가이드는 적어도 부분적으로 캐뉼라 안에 위치되며, 각 기구 샤프트는 진입 가이드의 채널을 통해서 연장되고, 이로써 기구 샤프트에 대해 추가의 지지가 제공될 수 있다.
도 19a 및 19b는 접힌 위치와 전개된 위치에 있는 움직일 수 있고/있거나 탈착할 수 있는 캐뉼라 장착부(1750)의 구체예의 투시도를 각각 예시한다. 캐뉼라 장착부(1750)는 제4 조작기 링크(138)(도 1a 및 1b)의 근단부에 인접한 것과 같이, 조작기 암의 링크(1738)에 움직일 수 있게 연결된 연장부(1752)를 포함한다. 캐뉼라 장착부(1750)는 연장부(1752)의 원단부에 클램프(1754)를 더 포함한다. 한 실시형태에서, 연장부(1752)는 링크(1738)에 인접한 집어 넣어진 위치와 정확한 위치에 캐뉼라를 유지한 작동 위치 사이에서 연장부(1752)가 움직이도록 허용하는 회전 조인트(1753)에 의해서 링크(1738)에 연결되며, 이로써 원격 동작 중심이 캐뉼라를 따라 위치되게 된다. 한 실시형태에서, 연장부(1752)는 화살표 C로 도시된 대로 위를 향해 회전되거나 링크(1738)를 향해 접힐 수 있으며, 이로써 환자 주위에 더 많은 공간이 생기고/생기거나 조작기 암에 드레이프를 덮을 때 드레이프를 캐뉼라 장착부 위에 더 쉽게 입힐 수 있게 된다. 연장부(1752)를 연결하는데 다른 조인트들도 사용될 수 있으며, 제한은 아니지만 이들은 볼 소켓 조인트 또는 만능 조인트, 텔레스코핑 효과를 내는 슬라이딩 조인트 등을 포함하고, 이로써 연장부는 링크에 더 가까이 이동됨으로써 캐뉼라 장착부와 조작기 암의 전체적인 형태 요소를 감소시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 연장부(1752)는 조작기 암에 대해 안쪽으로 텔레스코핑될 수 있거나, 또는 연장부(1752)는 링크로부터 탈착될 수 있고, 링크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 수술 시스템의 작동 동안 연장부(1752)는 작업 위치에 유지된다.
도 20a 및 20b는 도 19a-19b에 예시된 캐뉼라 장착부(1750)의 클램프(1754)에 장착된 캐뉼라(1800)의 투시도를 예시하고, 도 21은 자유-기립형 캐뉼라(1800)의 투시도를 예시한다. 한 구체예에서, 캐뉼라(1800)는 클램프(1754)에 탈착 가능하게 연결된 근위 부분(1804)과 기구 샤프트가 통과하는 튜브(1802)(도 22에 도시된 대로)를 포함한다. 일단 캐뉼라(1800)가 클램프(1754)에 장착되면 클램프는 캐뉼라(1800)가 회전하지 않도록 할 수 있다. 한 예에서, 튜브(1802)는 스테인리스 스틸로 이루어지고, 튜브(1802)의 내면은 윤활재나 마찰방지재로 코팅되거나 라이닝될 수 있지만, 캐뉼라는 다른 재료나 라이너로 이루어질 수도 있고, 라이너가 없을 수도 있다. 근위 부분(1804)은 도 22, 23a-23b에 도시된 대로 외부 릿지(1806, 1808)와 채널을 지닌 진입 가이드를 수용하기 위한 내부 공간을 포함할 수 있으며, 이것은 아래 더 상세히 설명된다. 캐뉼라와 같은 적용 가능한 부속 클램프 및 부속품들의 예들은 전체 내용이 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 2005년 9월 30일 제출된 계류중인 미국 특허출원 제11/240,087에 개시된다.
본 개시의 구체예에 따른 이제 도 22 및 23a-23b에 관해서, 도 22는 도 21의 캐뉼라(1800)의 단면도, 및 장착된 진입 가이드 튜브(2200)의 단면도를 예시한다. 기구 조작기(1942)는 조작기 플랫폼의 회전 가능한 베이스 플레이트(1940)에, 한 예에서 텔레스코핑 삽입 메커니즘(1942a)에 의해 연결되며, 기구(2160)는 기구 조작기(1942)에 장착된다(예를 들어, 기구 조작기의 원위면 또는 근위면에). 한 구체예에서, 텔레스코핑 삽입 메커니즘(1942a)은 회전 가능한 베이스 플레이트(1940)에 대칭 장착되며, 한 예에서 서로 90도 떨어지게 설정되어 4개의 기구 조작기를 제공한다. 삽입 메커니즘(및 그에 따른 기구 조작기와 기구)의 다른 구성 및 수도 가능하다.
따라서, 기구(2160)는 기구 샤프트(2160b)들이 조작기 조립체 롤 축(1941) 주위에 클러스터를 이루도록 기구 조작기(1942)에 장착된다. 각 샤프트(2160b)는 기구의 힘 전달 메커니즘(2160a)으로부터 원위 쪽으로 연장되고, 모든 샤프트가 환자 몸안으로의 입구에 위치된 캐뉼라(1800)를 통해서 연장된다. 캐뉼라(1800)는 캐뉼라 장착부(1750)에 의해서 베이스 플레이트(1940)를 기준으로 고정된 위치에 탈착 가능하게 유지되며, 캐뉼라 장착부는 한 구체예에서 제4 조작기 링크(138)에 연결된다. 진입 가이드 튜브(2200)는 캐뉼라(1800)에 삽입되어 그 안에서 자유롭게 회전하고, 각 기구 샤프트(2160b)가 가이드 튜브(2200)의 관련 채널(2204)을 통해 연장된다. 캐뉼라와 가이드 튜브의 중심 종축은 일반적으로 롤 축(1941)과 일치한다. 따라서, 베이스 플레이트(1940)가 회전하여 기구 조작기와 각 가구 샤프트를 회전시킴에 따라 가이드 튜브(2200)도 베이스 플레이트(1940)가 회전함에 따라 캐뉼라 안에서 회전한다. 한 예에서, 진입 가이드 튜브(2200)는 캐뉼라의 중심 종축과 정렬된 가이드 튜브의 중심 종축을 중심으로 캐뉼라 안에서 자유롭게 회전할 수 있으며, 계속해서 캐뉼라의 중심 종축은 조작기 플랫폼의 롤 축(1941)과 정렬되거나 평행하게 이어진다. 다른 구체예에서, 진입 가이드 튜브(2200)는 기구 샤프트를 위해 고정된 지지물이 바람직할 경우 캐뉼라에 고정 장착될 수 있다.
진입 가이드 튜브(2200)의 단면도는 커플링 립(2202), 튜브(2206) 및 채널 (2204a, 2204b)을 가진 진입 가이드 튜브(2200)의 측면도 및 상면도를 각각 예시하는 도 23a 및 23b의 선 III-III를 따라 취한 것이다. 진입 가이드 튜브(2200)는 튜브(2206)의 근단부 상에 진입 가이드와 캐뉼라의 근위 부분(1804)를 회전 가능하게 연결하기 위한 립(2202)을 포함한다. 한 예에서, 립(2202)은 캐뉼라의 릿지(예를 들어, 도 22의 릿지(1806 및 1808))들을 연결한다. 다른 구체예에서, 진입 가이드는 커플링 립을 필요로 하지 않으며, 이것은 하기 더 설명된다.
진입 가이드 튜브(2200)는 기구 샤프트(예로서 도 22의 기구 샤프트(2160b))의 통로로서 진입 가이드를 통하는 캐뉼라(2204a, 2204b)를 더 포함한다. 한 양태에서, 1개의 채널 또는 통로가 기구 샤프트마다 제공되며, 채널은 상이한 기하 모양과 크기를 가질 수 있다. 도 23a 및 23b에 예시된 것처럼, 채널(2204a)은 채널(2204b)과는 다른 모양과 크기를 가지며, 한 예에서 채널(2204a)은 더 크고 더 강직성인 샤프트를 가진 카메라 기구를 안내하는데 사용되고, 채널(2204b)은 전형적인 기구의 기구 샤프트를 안내하는데 사용된다. 다른 모양과 크기의 채널들도 적용될 수 있으며, 제한은 아니지만 원형, 계란형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 및 다각형의 모양을 가진 개구를 포함한다.
베이스 플레이트가 롤 축(1941)을 중심으로 회전할 때 기구 조작기(1942)와 기구(2160)의 클러스터도 롤 축을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(2160b)가 진입 가이드의 채널(2204) 안에 있는 채로 롤 축(1941)을 중심으로 회전할 때 기구 샤프트는 진입 가이드 채널의 내면에 부딪히게 되고, 적어도 하나의 회전하는 기구 샤프트가 진입 가이드 튜브(2200)를 구동시켜 캐뉼라(1800) 안에서 그것에 대해 회전시킬 수 있으며, 캐뉼라(1800)는 캐뉼라 장착부의 클램프, 예를 들어 캐뉼라 장착부(1750)의 클램프(1754)에 의해서 클램핑되어 정지된 상태로 유지된다.
기구 샤프트는 각 삽입 메커니즘(1942a)의 움직임에 의해서 독립적으로 또는 서로 협력하여 진입 가이드 채널을 통해 삽입되고 철수될 수 있다. 기구(2160)는 롤 축(1941)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있으며, 그에 따라 진입 가이드 튜브(2200)도 상응하여 롤 축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 또한, 4개의 채널이 진입 가이드에 예시되고, 복수의 기구 샤프트가 진입 가이드와 캐뉼라를 통과하는 것으로 예시되지만, 진입 가이드와 캐뉼라 조립체는 진입 가이드와 캐뉼라를 통해 이어진 다른 수의 채널 및 기구/기구 조립체 샤프트를 가진 수술 시스템 안에서 기능할 수 있다. 예를 들어, 진입 가이드와 캐뉼라를 통해 하나 이상의 기구/기구 조립체 샤프트가 이어지는 하나 이상의 채널을 가진 진입 가이드 튜브도 본 개시의 범위 내에 들어간다. 또한, 기구 샤프트에 의해 제공되어 진입 가이드를 회전시킬 수 있는 토크는 복수의 기구 샤프트에 의해 대칭 제공될 필요는 없으며, 단일 기구 샤프트에 의해서 제공되는 토크의 대부분을 포함해서 비대칭으로 그리고 독립적으로 제공될 수 있다.
한 구체예에서, 진입 가이드 튜브(2200)와 캐뉼라(1800)는 각각 라디오 주파수 식별(RFID) 칩 또는 택과 같은 전자 인터페이스 또는 무선 인터페이스를 포함하며, 이것은 캐뉼라 및/또는 진입 가이드 튜브에 대한 정보를 확인하는 것을 포함하고, 수술 시스템이 특정한 진입 가이드 및/또는 캐뉼라의 식별을 인식할 수 있도록 한다(예를 들어, 조작기 암에 의해 판독된다). 또한, 금속 링, 기계적 핀 및 유도 감지 메커니즘을 사용하여 식별 데이터를 판독할 수 있다. 이런 전자 또는 무선 인터페이스는 데이터(예를 들어, 진입 가이드 튜브/캐뉼라 타입)가 수술 시스템으로 전달되는 것을 허용한다. 다양한 기구, 가이드 튜브 및 영상 시스템을 위한 기계적 및 전기적 인터페이스와 멸균 필드를 보존하기 위한 멸균 드레이프 적용에 대한 상세한 내용은 모두 본원에 참고로 포함되는 미국특허 제6,866,671호(Tierney et al.) 및 제6,132,368호(Cooper)에서 논의되며, 이들은 진입 가이드 및 캐뉼라와 함께 유사하게 사용될 수 있다.
다른 구체예에서, 진입 가이드 튜브는 커플링 립을 포함하지 않을 수 있다는 것이 더 주지된다. 도 24는 캐뉼라(2400)에 장착된 진입 가이드 튜브(2300)의 단면도를 예시한다. 진입 가이드 튜브(2300)는 채널(2304)을 포함하며, 상기 설명된 진입 가이드 튜브(2200)와 유사하지만 커플링 립을 포함하지 않는다. 대신, 진입 가이드 튜브(2300)는 진입 가이드 튜브 채널(2304)의 내벽에 기구 샤프트(2160b)가 부딪히는 힘에 의해서 캐뉼라의 근위 부분에 회전 가능하게 연결된다. 또한, 캐뉼라가 근위 부분에 외부 릿지를 포함할 필요가 없다는 것이 주지된다. 또한, 한 양태에서, 진입 가이드 튜브는 진입 가이드 튜브를 통해 이어진 기구 샤프트에 의해서 구동되는, 캐뉼라의 종축 또는 롤 축을 따라 길이 방향으로 회전하면서 움직일 수 있다.
이제 도 24a-24d에 관해서, 상기 설명된 진입 가이드와 함께 사용될 수 있는 캐뉼라 장착 암, 클램프 및 캐뉼라의 상이한 구체예가 예시된다. 도 24a 및 24b는 접힌 위치와 전개된 작동 위치에 있는 움직일 수 있고/있거나 탈착할 수 있는 캐뉼라 장착부(2450)의 구체예의 투시도를 각각 예시한다. 캐뉼라 장착부(2450)는 제4 조작기 링크(138)(도 1a, 1b)의 근단부에 인접한 것과 같이 기구 조작기 조립체 플랫폼(2440)을 가진 조작기 암의 링크(2438)에 움직일 수 있게 연결된 연장부(2452)를 포함한다. 한 실시형태에서, 연장부(2452)는 링크(2438)에 인접한 집어 넣어진 위치와 정확한 위치에 캐뉼라를 유지한 작동 위치 사이에서 연장부(2452)가 움직이도록 허용하는 회전 조인트(2453)에 의해서 링크(2438)에 연결되며, 이로써 원격 동작 중심이 캐뉼라를 따라 위치되게 된다. 한 실시형태에서, 연장부(2452)는 화살표 D로 도시된 대로 위를 향해 회전되거나 링크(2438)를 향해 접힐 수 있으며, 이로써 환자 주위에 더 많은 공간이 생기고/생기거나 조작기 암에 드레이프를 덮을 때 드레이프를 캐뉼라 장착부 위에 더 쉽게 입힐 수 있게 된다. 연장부(2452)를 연결하는데 다른 조인트들도 사용될 수 있으며, 제한은 아니지만 이들은 볼 소켓 조인트 또는 만능 조인트, 텔레스코핑 효과를 내는 슬라이딩 조인트 등을 포함하고, 이로써 연장부는 링크에 더 가까이 이동됨으로써 캐뉼라 장착부와 조작기 암의 전체적인 형태 요소를 감소시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 연장부(2452)는 조작기 암에 대해 안쪽으로 텔레스코핑될 수 있거나, 또는 연장부(2452)는 링크로부터 탈착될 수 있고, 링크에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
캐뉼라 장착부(2450)는 연장부(2452)의 원단부 상에서 수용부(2456) 위에 클램프(2454)를 더 포함한다. 도 24c는 도 24d에 예시된 캐뉼라 장착부(2450)의 클램프(2454)와 수용부(2456)에 장착 가능한 캐뉼라(2470)의 투시도를 예시한다. 한 구체예에서, 캐뉼라(2470)는 보스(2476)를 가진 근위 부분(2474)을 포함한다. 보스(2476)는 짝을 이루는 수용부(2456) 안에 위치된 하부 반구면(2478)을 포함한다(반구면(2478)에서부터 수용부(2456)까지 화살표로 도시된 대로). 보스(2476)는 클램프(2454)와 맞물리는 상부면(2479)을 더 포함하며, 이로써 보스가 제자리에 고정되고, 그에 따라 캐뉼라(2470)도 캐뉼라 장착부 연장부(2452)에 대해 고정된 위치에 고정된다. 클램프(2454)는 레버(2480)에 의해서 가동된다. 캐뉼라(2470)는 기구 샤프트의 통로로서 튜브(2472)를 더 포함한다(도 22 및 24에 도시된 대로). 일단 캐뉼라(2470)가 클램프(2454)와 수용부(2456)에 의해 장착되면 클램프는 캐뉼라(2470)가 회전하지 않도록 할 수 있다. 한 예에서, 튜브(2472)는 스테인리스 스틸로 이루어지고, 튜브(2472)의 내면은 윤활재나 마찰방지재로 코팅되거나 라이닝될 수 있지만, 캐뉼라는 다른 재료나 라이너로 이루어질 수도 있고, 라이너가 없을 수도 있다. 근위 부분(2474)은 도 22 및 23a-23b 및 24에 도시된 대로 채널을 지닌 진입 가이드를 수용하기 위한 내부 공간을 포함한다. 캐뉼라와 같은 적용 가능한 부속 클램프 및 부속품들의 예들은 전체 내용이 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 2005년 9월 30일 제출된 계류중인 미국 특허출원 제11/240,087에 개시된다.
한 양태에서, 상기 설명된 진입 가이드와 캐뉼라 조립체는 취입 및 수술 부위에 취입 가스가 필요한 과정을 지원한다. 진입 가이드와 캐뉼라 조립체를 통한 취입에 관한 추가의 개시는 전체 내용이 모든 취지에 있어서 본원에 참고로 포함되는 2010년 2월 12일 제출된 미국 특허출원 제12/705,439호, 발명의 명칭 "단일 입구 시스템에서 다수의 기구를 위한 진입 가이드"에서 찾을 수 있다.
유익하게는, 진입 가이드가 기구 샤프트(들)에 의해 종속되어 구동되기 때문에, 진입 가이드를 회전시키기 위한 모터나 다른 가동 메커니즘에 대한 필요가 사라진다. 또한, 진입 가이드는 환자 또는 수술 부위 근처에서 부피가 큰 가동장치 메커니즘을 없애는 것을 허용한다. 따라서, 진입 가이드와 캐뉼라 조립체는 단일 입구를 통해서 다수의 기구를 유익하게 조직화하여 지지하고, 수술 과정 동안 기구와 다른 장치의 충돌을 줄일 수 있는 효과적이며 확실한 수단을 제공한다.
단일 입구 수술 시스템 구조
도 25a-25c, 26a-26c 및 27a-27c는 환자(P)에 대해 상이한 방향을 향하는 기구 조작기 조립체 롤 축 또는 기구 삽입 축을 가진 수술 시스템(2500)의 상이한 도면들을 예시한다. 도 25a-25c는 환자(P)의 머리(H) 쪽으로 아래 방향으로 지정된 조작기 조립체 롤 축(2541)을 예시한다. 도 26a-26c는 환자(P)의 발(F) 쪽으로 아래 방향으로 지정된 조작기 조립체 롤 축(2541)을 예시한다. 도 27a-27c는 환자(P)의 머리(H) 쪽으로 위를 향해 지정된 조작기 조립체 롤 축(2541)을 예시한다.
수술 시스템(2500)은 로봇 수술 시스템의 원격 동작 중심을 위치시키기 위한 셋업 링크(2518) 및 능동적 근위 링크(2526)와 능동적 원위 링크(2528)를 포함하는 조작기 암 조립체(2501)를 포함하며, 근위 링크(2526)가 능동적 요우 조인트(2524)에 의해서 셋업 링크(2528)에 작동 가능하게 연결된다. 복수의 기구 조작기(2542)가 원위 링크(2528)의 원단부에 회전 가능하게 연결된 기구 조작기 조립체를 형성한다. 한 구체예에서, 복수의 기구 조작기들은 텔레스코핑 삽입 메커니즘(2544)에 의해서 조작기 조립체 플랫폼(2540)에 연결된다. 복수의 기구 조작기(2542)는 롤 축(2541)을 중심으로 회전할 수 있다. 한 구체예에서, 복수의 기구 조작기는 각각 원위면을 포함하며, 이 원위면으로부터 복수의 가동장치 출력이 원위 쪽으로 돌출되고, 복수의 수술 기구(2560)가 상응하는 기구 조작기의 원위면에 연결된다. 캐뉼라 장착부(2550)가 원위 링크(2528)에 움직일 수 있게 연결되고, 캐뉼라와 진입 가이드 튜브 조립체(2552)가 캐뉼라 장착부(2550)에 연결된다. 한 구체예에서, 캐뉼라는 롤 축(2541)과 실질적으로 일치하는 중심 종축을 가진다. 각 수술 기구는 진입 가이드 튜브와 캐뉼라를 통과하는 샤프트를 가지며, 이로써 적어도 하나의 기구 샤프트의 회전이 캐뉼라의 종축을 중심으로 진입 가이드 튜브를 회전시킨다.
요우 조인트(2524)에서 수직 조작기 조립체 요우 축(2523)은 수술 시스템의 원격 동작 중심을 중심으로 근위 링크(2526)가 실질적으로 360도 이상 회전할 수 있도록 한다(예를 들어, 도 2c를 참조한다). 한 예에서, 조작기 조립체 요우 회전은 연속적일 수 있으며, 다른 예에서 조작기 조립체 요우 회전은 대략 +180도이다. 또 다른 예에서, 조작기 조립체 요우 회전은 대략 660도일 수 있다. 기구가 조작기 조립체 롤 축(2541)과 일반적으로 정렬된 방향으로 환자 몸안으로 삽입되므로, 조작기 암 조립체(2501)를 능동적으로 제어하여 조작기 조립체 요우 축 주위에서 임의의 원하는 방향으로 기구 삽입 방향을 배치 및 재배치할 수 있다(예를 들어, 환자의 머리 쪽을 향한 기구 삽입 방향을 도시하는 도 25a-25c와 환자의 발 쪽을 향한 기구 삽입 방향을 도시하는 도 26a-26c를 참조한다). 이런 능력은 일부 수술 과정에서 매우 유익할 수 있다. 기구가 배꼽에 위치된 단일 입구를 통해 삽입되는 특정한 복부 수술에서(예를 들어, 도 25a-25c를 참조한다), 예를 들어 기구는 환자의 체벽에 새로운 입구를 열 필요 없이 복부의 4개의 사분면 모두에 접근할 수 있도록 위치될 수 있다. 다중 사분면 접근은, 예를 들어 복부 전체에서의 림프절 접근에 필요할 수 있다. 반면에, 다중 입구 원격로봇 수술 시스템의 사용은 다른 복부 사분면에도 더 충분히 접근하기 위해서 환자의 체벽에 추가의 입구를 만들 필요가 있을 수 있다.
추가로, 조작기는 기구를 약간 위를 향해 피치된 구성으로 수직으로 아래를 향해 보낼 수 있다(예를 들어, 신체의 구멍(O) 근처에서 위를 향해 피치된 기구 삽입 방향을 도시한 도 27a-27c를 참조한다). 따라서, 단일 진입구를 통해 기구를 진입하는 각도(원격 중심을 중심으로 요우와 피치 모두)는 쉽게 조작되어 변경될 수 있으며, 동시에 또한 환자 안전성과 환자측 요원의 조종능을 위해 진입구 주위에 증가된 공간이 제공될 수 있다.
또한, 조작기 암 조립체(2501)의 링크와 능동적 조인트를 사용해서 단일 진입구 주위에 공간을 만들면서 단일 진입구를 통한 기구의 진입 각도의 피치를 쉽게 조작할 수 있다. 예를 들어, 암 조립체(2501)의 링크는 환자로부터 "멀리 원호를 그리는" 형태 요소를 갖도록 위치될 수 있다. 이러한 멀리 떨어져 원호를 이루는 것은 요우 축(2523)을 중심으로 한 조작기 암의 회전시 조작기 암과 환자의 충돌이 일으나지 않도록 한다. 또한, 이러한 원호는 환자측 요원이 조작기에 쉽게 접근하여 기구를 교환할 수 있도록 하고, 진입구에 쉽게 접근하여 수동 기구(예를 들어, 수동 복강경 기구 또는 리트랙션 장치)를 삽입하고 작동시킬 수 있도록 한다. 다시 말해서, 기구 조작기(2542)의 클러스터의 작업 엔벨로프는 대략 원뿔형일 수 있으며, 원격 동작 중심에 원뿔의 팁이 위치하고, 기구 조작기(2542)의 근단부에 원뿔의 원형 단부가 위치한다. 이러한 작업 엔벨로프는 환자와 수술 로봇 시스템 사이의 방해를 줄이고, 시스템의 동작 범위를 크게 하여 수술 부위 접근성을 개선하며, 수술 스태프들의 환자 접근성을 개선한다.
따라서, 조작기 암 조립체(2501)의 구성 및 기하구조는 그것의 큰 동작 범위와 함께 단일 입구를 통한 다중 사분면 수술을 허용한다. 단일 절개부를 통해서 조작기가 기구를 한 방향으로 보낼 수 있고 쉽게 방향을 바꿀 수도 있다. 예를 들어, 환자의 머리 쪽에서 작업한 다음(예를 들어, 도 25a-25c를 참조한다), 일정한 수직 요우 축(2523)을 중심으로 조작기 암을 움직임으로써 환자의 골반 쪽으로 방향을 바꿀 수 있다(예를 들어, 도 26a-26c를 참조한다).
이제 도 28에 관해서, 도식도는 본원에 설명된 수술 기구 조립체와 구성요소들을 통합한 최소 침습 원격수술 시스템의 집중 동작 제어 및 코디네이션 시스템 구조의 양태를 예시한다. 동작 코디네이터 시스템(2802)은 마스터 입력(2804), 센서 입력(2806) 및 최적화 입력(2808)을 수신한다.
마스터 입력(2804)은 마스터 제어 메커니즘 상에서 의사의 팔, 손목, 손 및 손가락의 움직임을 포함할 수 있다. 입력은 또한 다른 움직임(예를 들어, 버튼, 레버, 스위치 등을 누르거나 움직이는 손가락, 발, 무릎 등) 및 특정 구성요소의 위치 및 방향을 제어하는 명령(예를 들어, 음성)이나 일-특이적 작업을 제어하는 명령(예를 들어, 전기소작 단부 작동기 또는 레이저에 에너지 적용, 영상 시스템 작동 등)으로부터 있을 수 있다.
센서 입력(2806)은, 예를 들어 측정된 서보모터 위치 또는 감지된 휨 정보로부터의 위치 정보를 포함할 수 있다. 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/491,384호(Larkin, et al.), 발명의 명칭 "섬유 브래그 격자를 이용한 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템"은 위치 감지를 위한 섬유 브래그 격자의 사용을 설명한다. 이러한 휨 센서는 본원에 설명된 다양한 기구 및 영상 시스템에 통합될 수 있으며, 구성요소(예를 들어, 단부 작동기 팁)의 위치 및 방향 정보를 결정할 때 사용될 수 있다. 또한, 위치 및 방향 정보는 환자의 외부에 위치된 하나 이상의 센서(예를 들어, 형광투시기, MRI, 초음파 등)에 의해 생성될 수 있으며, 환자 내부에서 구성요소의 위치 및 배향의 변화를 실시간으로 감지한다.
아래 설명된 대로, 사용자 인터페이스는 3개의 연결된 제어 모드를 가지며, 이들은 기구(들)에 대한 모드, 영상 시스템에 대한 모드 및 조작기 암 구성 및/또는 롤 축 제어에 대한 모드이다. 가이드 튜브(들)에 대한 모드가 또한 이용될 수 있다. 이들 연결된 모드는 한 부분씩 직접 제어하는 것이 아니라 사용자가 시스템을 전체로서 다룰 수 있도록 한다. 따라서, 동작 코디네이터가 특정한 목표를 달성하기 위해 전체적인 시스템 운동학(즉, 시스템의 전체 DOF)을 어떻게 이용할 수 있을지 결정해야 한다. 예를 들어, 한 가지 목표는 환자 주위의 공간을 최적화하는 것, 또는 조작기 암의 형태 요소를 최소화하는 것일 수 있다. 또 다른 목표는 특정한 구성에 맞춰 기구 작업공간을 최적화하는 것일 수 있다. 다른 목표는 영상 시스템의 시야를 두 기구 사이에 중심을 둔 채로 유지하는 것을 수 있다. 따라서, 최적화 입력(2808)은 하이-레벨 커맨드일 수 있거나, 또는 이 입력은 더 상세한 명령 또는 지각 정보를 포함할 수 있다. 하이-레벨 커맨드의 예는 지능형 컨트롤러에 작업공간을 최적화하라고 하는 명령일 수 있다. 더 상세한 명령의 예는 영상 시스템에 그것의 카메라를 시작하거나 중지하라고 하는 명령일 수 있다. 센서 입력의 예는 작업공간 한계에 도달했다는 신호일 수 있다.
동작 코디네이터(2802)는 다양한 원격수술 시스템 암의 조작기와 관련된 다양한 가동장치 컨트롤러 및 가동장치(예를 들어, 서보모터)에 명령 신호를 출력한다. 도 28은 4개의 기구 컨트롤러(2810), 영상 시스템 컨트롤러(2812), 롤 축 컨트롤러(2814) 및 조작기 암 컨트롤러(2816)에 출력 신호를 전송하는 일례를 묘사하며, 이들은 이어서 기구 가동장치, 능동적 암 조인트, 조작기 플랫폼의 회전 메커니즘, 및 능동적 텔레스코핑 삽입 메커니즘에 제어 신호를 전송할 수 있다. 다른 수의 컨트롤러 및 조합이 사용될 수 있다. 제어 및 피드백 메커니즘과 신호, 예를 들어 위치 정보(예를 들어, 하나 이상의 무선 송신기, RFID 칩 등의) 및 감지 시스템으로부터의 다른 데이터는 본원에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제11/762,196호에 개시되며, 이들은 본 개시에 적용될 수 있다.
따라서, 일부 양태에서, 원격수술 시스템을 운용하는 의사는 상기 확인된 적어도 3개의 제어 모드에 동시에 자동으로 접근하게 될 것이며, 이들은 기구를 움직이기 위한 기구 제어 모드, 영상 시스템을 움직이기 위한 영상 시스템 제어 모드, 및 특정한 형태 요소로 또는 서로에 대해 조작기 암의 링크를 구성하거나 조작기 플랫폼의 회전을 구성하고, 또한 다중 사분면 수술을 보장하기 위한 외부 요우 축을 중심으로 한 능동적 움직임을 위한 조작기 암 롤 축 제어 모드이다. 유사한 집중 구조가 본원에 설명된 다양한 다른 메커니즘 양태들에 따라서 작업할 수 있도록 개조될 수 있다.
도 29는 본원에 설명된 수술 기구 조립체와 구성요소들을 통합한 최소 침습 원격수술 시스템에 대한 분산된 동작 제어 및 코디네이션 시스템 구조의 양태를 예시하는 도식도이다. 도 29에 도시된 예시적인 양태에서, 제어 및 변환 프로세서 (2902)는 2개의 마스터 암 최적화기/컨트롤러(2904a, 2904b)와, 3개의 수술 기구 최적화기/컨트롤러(2906a, 2906b, 2906c)와, 영상 시스템 최적화기/컨트롤러(2908)와, 그리고 롤 축 최적화기/컨트롤러(2910)와 정보를 교환한다. 각 최적화기/컨트롤러는 원격수술 시스템의 마스터 암 또는 종속 암(이것은 예를 들어 카메라(영상 시스템) 암, 기구 암 및 조작기 암을 포함한다)과 관련된다. 최적화기/컨트롤러는 각각 암-특이적 최적화 목표(2912a-2912g)를 수신한다.
제어 및 변환 프로세서(2902)와 다양한 최적화기/컨트롤러 사이의 이중 화살표는 최적화기/컨트롤러의 암과 관련된 추적 데이터의 교환을 표시한다. 추적 데이터는 베이스 프레임과 원위 팁 프레임을 포함하는 전체 암의 완전한 데카르트 구성을 포함한다. 제어 및 변환 프로세서(2902)는 각 최적화기/컨트롤러로부터 수신된 추적 데이터를 모든 최적화기/컨트롤러로 보내고, 이로써 각 최적화기/컨트롤러는 시스템에 있는 모든 암의 현재 데카르트 구성에 대한 데이터를 가지게 된다. 이에 더하여, 각 암의 최적화기/컨트롤러는 암에 특유한 최적화 목표를 수신한다. 다음에, 각 암의 최적화기/컨트롤러는 최적화 목표를 추구할 때 나머지 암 위치를 입력 및 구속으로서 이용한다. 한 양태에서, 각 최적화 컨트롤러는 내장된 로컬 최적화기를 사용해서 그것의 최적화 목표를 추구한다. 각 암의 최적화기/컨트롤러의 최적화 모듈은 독립적으로 켜지거나 꺼질 수 있다. 예를 들어, 단지 영상 시스템과 기구 암의 최적화 모듈만 켜질 수 있다.
분산된 제어 구조는 집중 구조보다 더 많은 유연성을 제공하지만, 성능이 감소될 가능성이 있다. 그러나, 이런 분산된 구조에서는 최적화가 단일 모듈이 전체 시스템의 상태를 인식하는 집중 구조에서 수행될 수 있는 전체적인 최적화에 비해 국소적이다.
링크 평형추
이제 근위 링크에서 평형추 메커니즘의 구체예가 도 30a-37c를 참조하여 더 상세히 설명된다. 도 30a는 상기 설명된 암 조립체와 실질적으로 유사한 조작기 암 조립체(3001)를 예시하는데, 상기 설명된 암 조립체의 특징들이 조립체(3001)와 관련해서도 적용될 수 있으며, 도 30b는 암 조립체(3001)의 평형추 근위 링크의 근접도를 예시한다. 도 31-37c는 근위 링크 하우징의 벽이 없는 평형추 시스템의 상이한 양태들 및 도면을 예시한다. 특히, 도 31은 평형추 시스템의 투시도를 예시하고, 도 32a-36c는 조정 핀, 직선 가이드, 및 직선 가이드에 대해 단부 플러그를 움직이기 위한 조정 동작 범위의 도면들을 예시하고, 도 37a-37c는 본 개시의 다양한 양태에 따른 락커 암과 세트 스크류를 도시하는 평형추 근위 링크의 원단부로부터의 상세도를 예시한다.
이제 도 30a-30b에 관해서, 조작기 암 조립체(3001)는 요우 조인트에 의해서 셋업 링크에 작동 가능하게 연결되어 조작기 조립체 요우 축(3023)을 형성할 수 있는 근위 링크(3026)를 포함한다. 근위 링크(3026)는 선회 축(3070)을 중심으로 원위 링크(3028)에 회전 가능하게 연결된다. 한 예에서, 모터(3073)를 제어하여 선회 축(3070)을 중심으로 원위 링크(3028)를 선회시킬 수 있다. 한 구체예에서, 원위 링크(3028)는 원위 링크의 원단부에 기구 조작기 조립체 플랫폼(3040)을 포함한다. 캐뉼라 장착부(3050)는 원위 링크(3028)에 움직일 수 있게 연결된다. 한 구체예에서, 플랫폼(3040)은 회전 가능한 베이스 플레이트를 제공하며, 이 위에 기구 조작기가 장착되어 기구 조작기 조립체 롤 축(3041)을 중심으로 회전될 수 있다. 요우 축(3023), 롤 축(3041) 및 기구 조작기 조립체 피치 축(3039)의 교차가 상기 이미 설명된 대로 원격 동작 중심(3046)을 형성한다.
이제 특히 도 30b 및 31에 관하여, 평형추 링크(3026)는 하우징 근단부 또는 제1 단부(3084a)와 하우징 원단부 또는 제2 단부(3084b) 사이에 이어진 중심 종축(3084c)을 가진 하우징(3084)을 포함한다. 압축 스프링(3080)이 종축(3084c)을 따라 배치되며, 이것은 스프링 근단부 또는 제1 단부(3080a)와 스프링 원단부 또는 제2 단부(3080b)를 가진다. 한 구체예에서, 압축 스프링은 실리콘 크롬 합금으로 이루어지지만, 다른 재료들로 이루어질 수도 있다. 베이스(3092)가 하우징의 제1 단부에 배치되고, 그 사이의 정렬 링(3090)에 의해서 압축 스프링(3080)의 제1 단부(3080a)와 연결된다. 플러그(3074)가 하우징의 제2 단부에 배치되고, 압축 스프링(3080)의 제2 단부(3080b)에 연결된다. 한 구체예에서, 정렬 링(3090)은 압축 스프링(3080)의 제1 단부(3080a)에 고정 연결되며, 플러그(3074)는 스프링 제2 단부(3080b)가 집어 넣어지는 외부 스크류 스레드(예를 들어, 스크류 스레드(3074a))를 포함한다.
케이블의 제1 단부에 커플러(3071)를 가진 케이블(3088)이 원위 링크(3028)로부터의 로드에 연결되고, 케이블(3088)의 제2 단부는 플러그(3074)에 작동 가능하게 연결된다. 커플러(3071)에 있는 케이블(3088)의 로드 베어링 단부로부터 케이블(3088)이 하우징(3084) 바깥쪽의 복수의 도르래(3076 및 3078)를 통과하고, 이어서 베이스(3092)에 있는 도르래(3094)를 통과한 후에 플러그(3074)에 연결된다. 원위 링크(3028)로부터의 로드가 케이블(3088)을 도르래(3094)(도 31)를 중심으로 방향 E1 및 E2로 당겨서 플러그(3074)가 스프링(3080)을 E2 방향으로 압축하며, E2 방향은 선회 축(3070)을 중심으로 원위 링크로부터 로드의 적어도 일부를 평형을 맞출 수 있도록 설정된다.
안전성을 증가시키기 위해 케이블(3088)은 여분의 케이블을 포함할 수 있으며, 이들은 여분의 케이블을 가로지른 장력을 대등하게 하는 케이블 장력 이퀄라이저(3082)에 연결된다. 케이블 트위스터(3095)를 선택적으로 사용해서 도르래(3094)와 커플러(3071) 사이에서 여분의 케이블들을 서로 작동 가능하게 연결한다. 복수의 캡 스크류(3075)가 케이블 장력 이퀄라이저(3082)와 플러그(3074) 사이에 배치될 수 있고, 이것을 사용해서 평형추 링크의 힘 분기를 조정할 수 있다. 한 구체예에서, 3개의 캡 스크류(3075)가 케이블 장력 이퀄라이저(3082)와 플러그(3074)를 연결하며, 1개의 캡 스크류는 실질적으로 모든 장력을 지탱하고, 나머지 2개의 캡 스크류는 여분성과 안전성을 위해 제공된다.
한 양태에서, 도르래(3094)와 플러그(3074) 사이의 케이블(3088) 부분은 실질적으로 근위 링크 하우징의 중심 종축(3084c)을 따라 이어진다. 다른 양태에서, 스프링(3080)은 실질적으로 근위 링크 하우징의 중심 종축(3084c)을 따라 압축된다. 그러나, 스프링 압축은 하우징의 종축을 따라 스프링의 "보잉" 또는 비-직선 압축을 일으킬 수 있고, 이것은 연삭 및 근위 링크 하우징의 내면과 스프링의 접촉을 일으킬 수 있다. 보잉을 줄이거나 실질적으로 제거하기 위해서 제1 및 제2 단부(3080a 및 3080b) 모두에서 스프링(3080)의 방향은 본 개시의 다양한 양태에 따라서 조정될 수 있다. 또한, 한 구체예에서, 하우징은 하우징(3084c)의 종축과 평행하게 배치된 직선 가이드 트랙(3096)을 포함한다. 직선 가이드 트랙(3096)에 움직일 수 있고 슬라이드 가능하게 이어진 직선 가이드(3086)가 압축 스프링(3080)의 코일에 고정 연결된다. 직선 가이드 트랙(3096)에 또한 움직일 수 있게 또는 슬라이드 가능하게 이어진 직선 가이드(3072)가 플러그(3074)에 작동 가능하게 연결된다. 직선 가이드 트랙(3096)과 직선 가이드(3086 및 3072)는 더 나아가 압축 스프링(3080)의 보잉을 줄이거나 실질적으로 제거한다. 일부 구체예에서, 평형추 시스템은 직선 가이드와 직선 가이드 트랙 없이 작동될 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
이제 압축 스프링의 제1 단부 또는 근단부의 조정 가능한 정렬과 관련하여, 한 양태에서 정렬 링(3090)이 복수의 조정 스크류(3091)에 의해서 베이스(3092)에 움직일 수 있게 연결되며, 이로써 조정 스크류(3091)의 움직임이 정렬 링(3090)의 방향을 조정하고, 그에 따라 스프링(3080a)의 제1 단부의 방향이 정렬 링(3090)에 고정 연결된다. 한 예에서, 베이스(3092)는 정사각형 또는 직사각형 구성으로 서로 떨어져 있도록 설정된 4개의 조정 스크류(3091)에 의해서 정렬 링(3090)에 연결된다. 스크류의 다른 기하 구성들도 가능하다. 조정 스크류(3091)는 각각 정렬 링(3090)의 평면 상부면에 실질적으로 수직인 방향으로 움직이며(예를 들어, 내부 스크류 스레드를 가진 베이스 구멍을 통한 스크류 작용에 의해), 이로써 정렬 링의 방향은 조정 스크류와의 각 접촉 지점에서 조정될 수 있다. 따라서, 정렬 링(3090)의 방향과 스프링(3080)의 고정 연결된 제1 단부(3080a)는 정렬 링(3090)을 따라 여러 지점에서 조정될 수 있다. 더 많은 또는 더 적은 조정 스크류(3091)도 본 개시의 범위 내에 들어간다.
이제 도 32a-37c에 관해서, 링크 하우징의 벽이 없는 평형추 근위 링크의 원단부로부터의 상세도가 예시된다. 특히, 이 도면들은 본 개시의 다양한 양태에 따른 조정 핀(3106), 락커 암(3108), 및 단부 플러그(3074)와 스프링(3080)의 고정 연결된 제2 단부(3080b)의 방향을 조정하기 위한 조정 핀과 락커 암의 동작 범위의 도면들을 예시한다.
도 32a는 평형추 시스템의 하부 투시도를 예시하고, 도 32b는 도 31, 32a 및 37a의 선 IV-IV를 따른 단면의 투시도를 예시한다. 상기 주지된 대로, 복수의 캡 스크류(3075a 및 3075b)가 케이블 장력 이퀄라이저(3082)와 플러그(3074) 사이에 배치되어 이들을 연결한다. 이 구체예에서, 캡 스크류(3075a)는 모든 장력을 지탱하고, 나머지 2개의 캡 스크류(3075b)는 여분성과 안전성을 위해서 제공된다. 상기 더 주지된 대로, 스프링(3080)의 원단부는 플러그(3074)의 외부 스크류 스레드(3074a) 상에서 스크류를 작용시킴으로써 플러그(3074)에 연결된다. 선택적으로 플러그(3074)는 플러그의 중량을 가볍게 하기 위해 형성된 복수의 홈(3200)을 포함한다. 또한, 직선 가이드(3072)는 직선 가이드 플랜지(3072a)에 의해 직선 가이드 트랙(3096)에 슬라이드 가능하게 연결될 수 있다.
도 32a-32b에서 볼 수 있는 것처럼, 플러그(3074)는 조정 핀(3106), 조정 핀(3106)의 내부 채널을 통해 이어진 소켓 스크류(3104) 및 소켓 스크류(3104)의 자유 단부(3104a) 위에서 스크류되어 조정 핀(3106)과 직선 가이드(3072)의 위치를 서로에 대해 제자리에 고정시키는 너트(3102)에 의해 직선 가이드(3072)에 연결된다. 한 구체예에서, 소켓 스크류(3104)는 6-소켓 스크류이다. 소켓 스크류(3104)의 헤드(3104b)는 자유 단부(3104a)와 대향하여 있으며, 조정 핀(3106)의 맞물리는 트렌치(3105) 내부에 위치되어 너트(3102)가 소켓 스크류의 자유 단부(3104a)에서 완전히 맞물렸을 때 소켓 스크류의 헤드 부분을 조정 핀 안에 고정할 수 있고, 이로써 조정 핀(3106)과 직선 가이드(3072)의 위치가 서로에 대해 고정된다.
이제 도 33-36c에 관해서, 직선 가이드(3072)에 대한 조정 핀(3106)의 움직임을 조정하는 것이 더 상세히 설명된다. 도 33은 직선 가이드(3072)에 연결된 조정 핀(3106), 원(3114), 및 조정 핀이 직선 가이드(3072)에 대해 제자리에 완전히 고정되지 않았을 때 조정 핀(3106)이 선회할 수 있는 원 중심(3114a)의 측면도를 예시한다. 도 34는 조정 핀(3106)의 중심 종축(3107)이 직선 가이드(3072) 또는 가이드 트랙(3096)의 중심 종축(3097)과 수직일 때의 직선 가이드 마킹(3072b)과 조정 핀 마킹(3106c)을 예시한다. 평형추 시스템(및 특히 플러그 방향)의 조정장치에 의해서 직선 가이드 마킹(3072b)과 조정 핀 마킹(3106c)이 사용되어 조정핀과 직선 가이드의 상대적 위치가 결정될 수 있다. 도 35는 핀 샤프트(3106a)와 핀 헤드(3106b)를 포함하는 조정 핀(3106)의 투시도를 예시한다. 도 33-35에서 볼 수 있는 것처럼, 핀 헤드(3106b)는 직선 가이드(3072)의 곡선면과 작동 가능하게 짝을 이루는 곡선 상부면을 가진다.
도 36a-36c는 조정 핀(3106)과 직선 가이드(3072)와 이들의 각각의 중심 종축(3107 및 3097)의 측면도를 각각 예시한다. 도 36a는 직선 가이드(3072)의 중심 종축(3097)에 대한 조정 핀(3106)의 중심 종축(3107)의 수직 위치를 예시하고, 도 36b는 조정 핀(3106)의 중심 종축(3107)이 직선 가이드(3072)의 중심 종축(3097)과 둔각을 형성하는 위치를 예시하고, 도 36c는 조정 핀(3106)의 중심 종축(3107)이 직선 가이드(3072)의 중심 종축(3097)과 예각을 형성하는 위치를 예시한다. 따라서, 도 36a-36c는 직선 가이드(3072)에 대한 조정 핀(3106)의 선회 움직임과 그에 따라 플러그(3074)와 스프링(3080)의 고정 연결된 제2 단부(3080b)에 대해 이루어질 수 있는 방향 조정을 예시한다.
도 37a는 락커 암(3108)과 세트 스크류(3110)를 도시하는 평형추 시스템의 또 다른 하부 투시도를 예시하고, 도 37b는 플러그(3074)가 제거된 도 37a를 예시하고, 도 37c는 락커 암(3108)이 제거된 도 37b를 예시한다. 락커 암(3108)은 핀 샤프트(3106a)의 자유 단부에 있는 조정 핀(3106)에 연결되고, 세트 스크류(3110)는 락커 암(3108)과 플러그(3074)를 연결한다. 크로스 디스크 핀(3112)은 락커 암(3108)을 조정 핀(3106)에 클램프한다. 락커 암(3108)과 연결된 플러그(3074)는 조정 핀(3106)의 중심 종축(3107)을 중심으로 선회할 수 있고, 종축(3107)에 실질적으로 수직인 방향으로 세트 스크류(3110)의 움직임에 의해서, 예를 들어 내부 스크류 스레드를 가진 락커 암 구멍을 통한 스크류 작용에 의해서 조정될 수 있다. 따라서, 플러그(3074)와 스프링(3080)의 고정 연결된 제2 단부(3080b)의 방향은 세트 스크류(3110)과 접촉하는 각 지점에서 조정될 수 있다. 더 많은 또는 더 적은 조정 스크류(3110)도 본 개시의 범위 내에 들어간다. 따라서, 플러그와 그에 따른 스프링(3080)의 제2 또는 원단부의 방향은 조정 핀(3106)과 락커 암(3108)을 선회시킴으로써 다양한 지점에서 조정될 수 있다. 한 양태에서, 조정 핀(3106)과 락커 암(3108)은 서로 수직인 축들을 중심으로 선회한다.
또한, 본 개시의 평형추 링크는 플러그와 압축 스프링의 제2 단부 사이를 조정함으로써 압축 스프링에서 압축될 수 있는 능동적 코일의 수를 변화시킬 수 있다. 한 양태에서, 압축 스프링의 제2 단부는 플러그의 외부 스크류 스레드 위에서 더 멀리 또는 더 조금 스크류되어 압축될 수 있는 능동적 코일의 수를 변화시킬 수 있다.
유익하게는, 증가된 유익한 로봇 암 구성 및 기구 조작을 위해 모터가 선회 축(3070)을 중심으로 원위 링크(3028)를 선회시킴에 따라, 평형추 근위 링크(3026)는 원위 링크의 더 용이한 움직임을 허용하고, 모터가 원위 링크를 선회시키는데 필요한 토크를 줄이면서 동시에 또한 어떤 모터 장애로부터도 증가된 안정성을 제공한다. 일부 구체예에서, 근위 링크의 평형추 메커니즘이 전체적으로 실패했더라도 원위 링크를 선회시키는 모터에 브레이크가 적용되어 원위 링크를 제자리에 고정할 수 있다.
상기 설명된 구체예들은 본 개시를 예시하며 제한하지 않는다. 또한, 다수의 변형와 변화가 본 개시의 원리를 따라서 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 많은 양태에서 본원에 설명된 장치는 단일 입구 장치로서 사용되는데, 즉 수술 과정을 완료하는데 필요한 모든 구성요소가 단일 진입구를 통해 몸안으로 들어간다. 그러나, 일부 양태에서 다수의 장치와 입구가 사용될 수 있다.

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  1. 발명의 설명 또는 도면에 기재된 방법 또는 장치.
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