KR20200136931A - 매핑 및 내비게이션을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
소정 태양은 로봇식 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 기구는 기구가 내부 영역 내에서 내비게이션함에 따라 위치 정보를 제공하는 위치 센서를 포함할 수 있다. 위치 정보로부터 도출되는 시각적 표지는 내부 영역의 기준 이미지 상에 중첩될 수 있다. 시각적 표지는 기구의 이력 위치를 특성화할 수 있다. 기구는 이미징 장치를 포함할 수 있다. 이미징 장치에 의해 캡처되는 내부 영역의 이미지는 이미지가 캡처된 내부 영역 내의 위치에 링크될 수 있다.
Description
우선권 출원(들)
본 출원은 본 명세서에 참고로 포함되는, 2018년 3월 1일자로 출원된 미국 가출원 제62/637,048호에 대해 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 신체의 내부 영역의 매핑(mapping) 및/또는 내비게이션(navigation)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 로봇식(robotically-enabled) 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
내시경술(endoscopy)(예컨대, 요관경술(ureteroscopy))과 같은 의료 절차는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 신체의 내부 영역(예컨대, 신장)에 접근하고 시각화하는 것을 수반할 수 있다.
요관경술은 신장 결석의 처치에 통상적으로 사용되는 의료 절차이다. 절차 동안, 요관경(ureteroscope)으로 알려진 얇은 가요성 튜브형 도구 또는 기구가 요도 내로, 방광 및 요관을 통해, 그리고 신장 내로 삽입될 수 있다.
소정 절차에서, 로봇식 의료 시스템이 기구의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 절차 동안 기구의 위치설정을 제어하는 데 사용되는 조작기 조립체(manipulator assembly)를 갖는 로봇 아암(robotic arm) 또는 다른 기구 위치설정 장치를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예는 로봇식 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 시스템 및 기법은 기구가 내부 영역을 통해 내비게이션됨에 따라 기구의 이력(historical)(예컨대, 이전) 위치들을 나타내는 시각적 표지(visual indicia)를 생성하도록 구성될 수 있다. 시각적 표지는 위치 센서로부터 수신된 위치 정보로부터 도출될 수 있다. 시각적 표지는 내부 영역의 기준 이미지(reference image) 상에 중첩될 수 있다. 시각적 표지는 기구의 이전 위치들을 나타낼 수 있는 맵(map)을 형성할 수 있다. 맵은 내부 영역의 해부학적 구조를 시각화하는 데 사용될 수 있고, 의사에 의해 내부 영역을 내비게이션하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 시각적 표지는 기구가 내부 영역을 통해 내비게이션함에 따라 기구의 경로를 나타내는 지점들 또는 트레이스(trace)를 포함한다. 일부 구현예에서, 시각적 표지는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는 메시(mesh) 구조를 포함할 수 있다.
방법 및 기법은 또한 기구 상에 위치된 이미지 센서로부터 이미지 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 이미지 데이터는 스틸 이미지(still image) 또는 비디오를 포함할 수 있다. 방법 및 기법은 특정 위치에서 캡처된 이미지가 호출되고 사용자에게 디스플레이될 수 있도록 이미지 데이터를 위치 데이터와 링크시킬(link) 수 있다. 일부 구현예에서, 이미지들은 사용자가 내부 영역 내의 위치를 선택할 때 또는 기구가 링크된 이미지가 있는 위치에 위치될 때 호출되고 디스플레이된다. 또한, 방법 및 기법은 의사가 관심 대상의 소정 특징부들 또는 위치들을 태깅하게(tag) 허용하도록 구성될 수 있다.
따라서, 일 태양은 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 신체의 내부 영역의 기준 이미지를 디스플레이하는 단계; 적어도 하나의 위치 센서를 포함하는 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키는 단계; 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계로서, 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치를 나타내는, 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계; 및 신체의 내부 영역 내에서의 이동 동안 기구의 이력 위치들을 특성화하기 위해 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지를 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 기준 이미지는 역방향 신우조영사진(retrograde pyelogram) 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함함; (b) 기준 이미지는 형광투시(fluoroscopic) 또는 초음파 이미지를 포함함; (c) 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT) 또는 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI) 절차 동안 캡처됨; (d) 기준 이미지를 수술중에(intraoperatively) 캡처하는 단계; (e) 기준 이미지는 수술전에(preoperatively) 캡처됨; (f) 기구 상에 위치되는 이미징 장치(imaging device)로부터 기구 이미지 데이터를 수신하는 단계로서, 기구 이미지 데이터는 기구의 이동 동안 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함함, 및 적어도 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 서브세트의 각각의 이미지를, 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 위치 데이터 세트와 링크시키는 단계; (g) 미래의 절차 동안 사용하기 위해 링크된 이미지들을 저장하는 단계를 포함함; (h) 위치 선택의 사용자 입력을 수신하는 단계, 및 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계; (i) 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하는 단계, 및 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계; (j) 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처됨; (k) 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처됨; (l) 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하는 단계; (m) 태깅하는 단계는 사용자 입력을 수신하는 단계를 포함함; (n) 태깅하는 단계는 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 단계를 포함함; (o) 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계; (p) 기구의 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 시각적 표지를 연결하는 단계; (q) 시각적 표지는 메시를 포함함; (r) 메시는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타냄; (s) 메시는 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출됨; (t) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 지속적 빈도(durational frequency)로 기준 이미지 상에 중첩됨; (u) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 위치적 빈도(positional frequency)로 기준 이미지 상에 중첩됨; (v) 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하는 단계; (w) 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 시각적 표지를 저장하는 단계; (x) 신체의 내부 영역은 신장을 포함하고, 방법은 기구를 신장의 신배(calyx) 내로 이동시키는 단계; 및 신장의 신배로의 입구, 신장의 극(pole), 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종(transitional cell cancer)의 영역 중 적어도 하나를 태깅하는 단계를 추가로 포함함; 및/또는 (y) 생리학적 이동을 고려하기 위해 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하는 단계, 및 조절된 위치를 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계.
다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 개시된다. 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도, 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고; 기구의 이동 동안 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 위치를 나타냄 -; 신체의 내부 영역의 이미지를 디스플레이하고; 신체의 내부 영역 내에서의 기구의 이동 동안 기구의 이력 위치들을 특성화하기 위해 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지를 이미지 상에 중첩시키게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 기준 이미지는 역방향 신우조영사진 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함함; (b) 기준 이미지는 형광투시 또는 초음파 이미지를 포함함; (c) 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI) 절차 동안 캡처됨; (d) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 기준 이미지를 수술중에 캡처하게 함; (e) 기준 이미지는 수술전에 캡처됨; (f) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 기구 상에 위치되는 이미징 장치로부터 기구 이미지 데이터를 수신하고 - 기구 이미지 데이터는 기구의 이동 동안 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함함 -; 적어도 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 서브세트의 각각의 이미지를, 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 위치 데이터 세트와 링크시키게 함; (g) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 미래의 절차 동안 사용하기 위해 링크된 이미지들을 저장하게 함; (h) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 위치 선택의 사용자 입력을 수신하고; 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 함; (i) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하고; 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 함; (j) 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처됨; (k) 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처됨; (l) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하게 함; (m) 태깅하는 것은 사용자 입력을 수신하는 것을 포함함; (n) 태깅하는 것은 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 것을 포함함; (o) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 기준 이미지 상에 중첩시키게 함; (p) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 기구의 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 시각적 표지를 연결하게 함; (q) 시각적 표지는 메시를 포함함; (r) 메시는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타냄; (s) 메시는 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출됨; (t) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 지속적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩됨; (u) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 위치적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩됨; (v) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하게 함; (w) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 시각적 표지를 저장하게 함; (x) 신체의 내부 영역은 신장을 포함하고, 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 기구를 신장의 신배 내로 이동시키고; 신장의 신배로의 입구, 신장의 극, 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종의 영역 중 적어도 하나를 태깅하게 함; 및/또는 (y) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 생리학적 이동을 고려하기 위해 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하고; 조절된 위치를 기준 이미지 상에 중첩시키게 함.
다른 태양에서, 로봇 수술 시스템(robotic surgical system)이 개시된다. 로봇 수술 시스템은 세장형 본체 및 세장형 본체 상에 배치되는 적어도 하나의 위치 센서를 갖는 기구; 실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 명령어들을 실행하여 시스템으로 하여금 적어도, 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고; 기구의 이동 동안 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고; 신체의 내부 영역의 이미지를 디스플레이하고; 신체의 내부 영역 내에서의 기구의 이동 동안 기구의 이력 위치들을 특성화하기 위해 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지를 이미지 상에 중첩시키게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 위치 센서는 전자기 센서(electromagnetic sensor)를 포함함; (b) 위치 센서는 형상 감지 섬유(shape sensing fiber)를 포함함; (c) 위치 센서는 세장형 본체의 원위 단부 상에 위치됨; (d) 기구는 내시경(endoscope)을 포함함; (e) 기구는 요관경을 포함함; (f) 세장형 본체는 기구의 자세를 제어하도록 관절운동가능함(articulable); (g) 기구에 연결되는 기구 위치설정 장치로서, 기구 위치설정 장치는 기구를 조작하도록 구성됨; (h) 기구 위치설정 장치는 로봇 아암을 포함함; (i) 기준 이미지는 역방향 신우조영사진 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함함; (j) 기준 이미지는 형광투시 또는 초음파 이미지를 포함함; (k) 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI) 절차 동안 캡처됨; (l) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 기준 이미지를 수술중에 캡처하게 함; (m) 기준 이미지는 수술전에 캡처됨; (n) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 기구 상에 위치되는 이미징 장치로부터 기구 이미지 데이터를 수신하고 - 기구 이미지 데이터는 기구의 이동 동안 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함함 -; 적어도 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 서브세트의 각각의 이미지를, 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 위치 데이터 세트와 링크시키게 함; (o) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 미래의 절차 동안 사용하기 위해 링크된 이미지들을 저장하게 함; (p) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 위치 선택의 사용자 입력을 수신하고; 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 함; (q) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하고; 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 함; (r) 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처됨; (s) 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처됨; (t) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하게 함; (u) 태깅하는 것은 사용자 입력을 수신하는 것을 포함함; (v) 태깅하는 것은 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 것을 포함함; (w) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 기준 이미지 상에 중첩시키게 함; (x) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 기구의 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 시각적 표지를 연결하게 함; (y) 시각적 표지는 메시를 포함함; (z) 메시는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타냄; (aa) 메시는 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출됨; (bb) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 지속적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩됨; (cc) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 위치적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩됨; (dd) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하게 함; (ee) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 시각적 표지를 저장하게 함; (ff) 신체의 내부 영역은 신장을 포함하고, 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 기구를 신장의 신배 내로 이동시키고; 신장의 신배로의 입구, 신장의 극, 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종의 영역 중 적어도 하나를 태깅하게 함; 및/또는 (gg) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 생리학적 이동을 고려하기 위해 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하고; 조절된 위치를 기준 이미지 상에 중첩시키게 함.
다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 기술된다. 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도, 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고; 기구의 이동 동안 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치를 나타냄 -; 기구의 이동 동안 내부 영역 내의 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하고 - 이미지 데이터는 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 이미징 장치에 의해 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함함 -; 각각의 이미지가 캡처된, 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 위치에 기초하여 적어도 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키고; 위치 선택을 포함하는 사용자 입력을 결정하고; 위치 선택에 대응하는 링크된 이미지들 중의 링크된 이미지를 디스플레이하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 사용자 명령을 결정하는 것은 사용자 명령을 수신하는 것을 포함함; (b) 이미지 데이터는 스틸 이미지를 포함함; (c) 이미지 데이터는 비디오를 포함함; (d) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 지속적 빈도로 선택됨; (e) 위치 데이터 세트들의 서브세트는 위치적 빈도로 선택됨; (f) 위치 정보는 기구의 배향을 나타내는 정보를 포함함; (g) 이미지 데이터는 자동으로 캡처됨; (h) 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처됨; (i) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 현재 위치와 연관되는 사용자 입력을 수신하고; 사용자 입력을, 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지와 링크시키게 함; 및/또는 (j) 명령어들은, 실행될 때, 추가로 프로세서로 하여금, 이미지 데이터의 이미지 내에서, 관심 대상의 특징부를 검출하게 함.
다른 태양에서, 신체의 내부 영역을 내비게이션하기 위한 로봇 수술 시스템이 기술된다. 시스템은 기구로서, 세장형 본체, 세장형 본체 상에 배치되는 적어도 하나의 위치 센서, 및 세장형 본체 상에 배치되는 이미징 장치를 포함하는, 기구; 실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 명령어들을 실행하여 시스템으로 하여금 적어도, 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고; 기구의 이동 동안 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치를 나타냄 -; 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하고 - 이미지 데이터는 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 이미징 장치에 의해 기구의 이동 동안 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함함 -; 각각의 이미지가 캡처된, 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 위치에 기초하여 적어도 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
(a) 위치 센서는 EM 센서를 포함함; (b) 위치 센서는 형상 감지 섬유를 포함함; (c) 위치 센서는 세장형 본체의 원위 단부 상에 위치됨; (d) 기구는 내시경을 포함함; (e) 기구는 요관경을 포함함; (f) 세장형 본체는 기구의 자세를 제어하도록 관절운동가능함; (g) 기구에 연결되는 기구 위치설정 장치로서, 기구 위치설정 장치는 기구를 조작하도록 구성됨; 및/또는 (h) 기구 위치설정 장치는 로봇 아암을 포함함.
다른 태양에서, 신체의 내부 영역을 내비게이션하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 적어도 하나의 위치 센서 및 적어도 하나의 이미징 장치를 포함하는 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키는 단계; 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계로서, 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치를 나타내는, 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계; 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계로서, 이미지 데이터는 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 이미징 장치에 의해 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함하는, 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계; 각각의 이미지가 캡처된, 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 위치에 기초하여 적어도 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키는 단계; 적어도 하나의 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하는 단계로서, 현재 위치는 복수의 위치 데이터 세트들 중의 현재 위치 데이터 세트에 대응하는, 적어도 하나의 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하는 단계; 및 사용자 디스플레이 상에, 현재 위치 데이터 세트와 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기에서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술(bronchoscopy) 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차(laparoscopic procedure)를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 신장 내에서 내비게이션하는 기구를 예시한 제1 예시적인 형광투시 이미지.
도 16b는 신장 내에서 내비게이션하는 도 16a의 기구를 예시한 제2 예시적인 형광투시 이미지.
도 16c는 신장 내에서 내비게이션하는 도 16a의 기구를 예시한 제3 예시적인 형광투시 이미지.
도 17은 신장 내에서 내비게이션하는 기구의 위치 센서로부터 수신된 위치 데이터를 나타내는 시각적 표지의 예시적인 표현을 예시한 도면.
도 18은 신장의 기준 이미지 상에 중첩된 도 17의 시각적 표지의 표현을 예시한 도면.
도 19는 환자의 내부 영역 내에서 내비게이션하는 의료 기구의 이미징 장치에 의해 캡처된 이미지가, 이미지가 캡처된 의료 기구의 위치와 링크될 수 있음을 예시한 도면.
도 20a는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 20b는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 다른 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 21a는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 21b는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 다른 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 22는 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템의 일 실시예의 소정 구성요소를 예시한 블록도.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술(bronchoscopy) 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차(laparoscopic procedure)를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 신장 내에서 내비게이션하는 기구를 예시한 제1 예시적인 형광투시 이미지.
도 16b는 신장 내에서 내비게이션하는 도 16a의 기구를 예시한 제2 예시적인 형광투시 이미지.
도 16c는 신장 내에서 내비게이션하는 도 16a의 기구를 예시한 제3 예시적인 형광투시 이미지.
도 17은 신장 내에서 내비게이션하는 기구의 위치 센서로부터 수신된 위치 데이터를 나타내는 시각적 표지의 예시적인 표현을 예시한 도면.
도 18은 신장의 기준 이미지 상에 중첩된 도 17의 시각적 표지의 표현을 예시한 도면.
도 19는 환자의 내부 영역 내에서 내비게이션하는 의료 기구의 이미징 장치에 의해 캡처된 이미지가, 이미지가 캡처된 의료 기구의 위치와 링크될 수 있음을 예시한 도면.
도 20a는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 20b는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 다른 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 21a는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 21b는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 다른 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 22는 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템의 일 실시예의 소정 구성요소를 예시한 블록도.
1. 개요.
본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식 의료 시스템 내에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.
광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 운동 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트.
로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차를 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경(bronchoscope)일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경(gastroscope)으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스(sheath) 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬시키는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될(pivoted) 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.
내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.
예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가의 도구가 추가의 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 필요가 있을 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 상황에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.
시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지지 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.
전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 이루어지든 또는 카트(11)에서 이루어지든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트(joint) 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.
타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광-전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광-전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔(console)에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(slot)(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지시키기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.
일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀들(spring spools)의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상하로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지시킨다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(end effector)(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암이 이용가능한 독립적인 자유도(degree of freedom)를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 따라서 7 자유도를 제공한다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여분의(redundant)" 자유도를 허용한다. 여분의 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.
카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지시키기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.
칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구, 센서로부터 제공되는 광학 정보 및 센서로부터의 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 작동시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 가로지르도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.
B. 로봇 시스템 - 테이블.
로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(platform)(38)("테이블" 또는 "베드(bed)"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지시키면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경(laparoscope)과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬시키도록 허용한다.
아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.
칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.
테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트(pendant)와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 콘솔을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(35)(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.
복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구(하나 이상의 절개부의 크기를 수용하기 위해 형상이 세장형임)가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 환자의 복강의 팽창 후에, 흔히 복강경으로 지칭되는 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 복강경(59)이 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.
복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지시키게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다수의 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다.
예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 절차를 수행할 복강을 비운다.
C. 기구 드라이버 및 인터페이스.
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.
도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)으로 구성된다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환시키기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되기 때문에, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(도 12에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력을 제공할 수 있다. 작동 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.
멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지시키면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부로 구성될 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.
D. 의료 기구.
도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리(pulley) 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭(latched), 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(66)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 회전 축을 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist), 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구를 포함하는 엔드 이펙터에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.
기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71) 내의 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 풀 와이어(pull wire)와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71) 내의 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에서 고정된다. 복강경술에서, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 복강경술에서, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오(jaw)에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.
내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 풀 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 풀 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 또한 한계 굽힘을 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 풀 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구, 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널로 구성될 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.
기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경(fiberscope) 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤(roll) 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지시키면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전 부분(84) 내에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.
이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)로 구성될 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 13의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.
기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.
E. 내비게이션 및 제어.
전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 기법의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 기법이 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 기법만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 CT 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 수술전 모델 데이터(91)로 지칭되는, 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT-이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.
일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반 위치 추적을 가능하게 하도록 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술 중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적(feature tracking)을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 운동을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징은 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다.다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일로 구성되는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술 중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 정합될 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수 있다.
로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요(yaw)는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술 중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.
도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰가능하지 않을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.
2. 신체의 내부 영역의 매핑 및 내비게이션.
본 개시의 실시예는 로봇식 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 시스템 및 기법은 기구가 내부 영역을 통해 내비게이션됨에 따라 기구의 이전 위치를 나타내는 시각적 표지를 생성하도록 구성될 수 있다. 시각적 표지는 내부 영역의 기준 이미지 상에 중첩되고 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 시각적 표지는 위치 센서로부터 수신된 위치 정보로부터 도출될 수 있다. 위치 센서는 기구 상에 위치될 수 있다. 시각적 표지는 기구의 이전 위치를 나타내는 맵을 형성할 수 있다. 맵은 내부 영역의 해부학적 구조를 시각화하는 데 사용될 수 있고, 의사에 의해 내부 영역 내에서 기구를 내비게이션하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 의사는 시각적 표지에 의해 생성된 맵을 사용하여 내부 영역의 이전에 조사된(visited) 부분으로 내비게이션하거나, 기구가 내부 영역의 새로운(즉, 이전에 조사되지 않은) 부분으로 내비게이션되고 있을 때를 결정할 수 있다.
방법 및 기법은 또한 기구 상에 위치된 이미지 센서로부터 이미지 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 이미지 데이터는 스틸 이미지 또는 비디오를 포함할 수 있다. 방법 및 기법은 특정 위치에서 캡처된 이미지가 호출되고 사용자에게 디스플레이될 수 있도록 이미지 데이터를 위치 데이터와 링크시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 이미지는 사용자가 위치를 선택할 때 또는 기구가 링크된 이미지가 있는 위치에 위치될 때 호출되고 디스플레이된다. 또한, 방법 및 기법은 의사가 관심 대상의 소정 특징부 또는 위치를 태깅하게 허용하도록 구성될 수 있다.
로봇식 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 내시경술 또는 복강경술 절차와 같은 많은 의료 절차 동안 채용될 수 있다. 시스템 및 기법은 후술되는 바와 같이 종래 기법과 연관된 하나 이상의 문제 또는 난제를 감소시키거나 제거함으로써 종래 기법을 개선할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 기법은 수동 의료 절차에 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 예들 중 많은 것에서, 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 신장으로부터 신장 결석을 제거하기 위한 요관경술 절차와 관련하여 기술된다. 그러나, 시스템 및 기법은 의료 기구가 환자의 신체의 내부 영역 내에서 내비게이션되는 다른 의료 절차, 예컨대 기관지경술, 위내시경술, 및 다른 것에 채용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
A. 도입.
요관경술 또는 경피적 신장 결석 제거 절차의 시작 및 종료 시에, 의사는 흔히 매핑 단계를 수행한다. 이는 가요성 내시경, 예컨대 요관경 또는 방광경(cystoscope)을 제1 (머리쪽(cephalad)) 신배로 내비게이션하고, 내시경 상의 이미징 장치로 결석 파편을 시각적으로 관찰하고, 이어서 최저부 신배에 도달할 때까지 다음 신배로 순차적으로 이동시키는 것을 수반할 수 있다. 의사는 신장의 모든 영역이 신장 형태(morphology)의 넓은 변화에도 불구하고 관찰되는 것을 보장하기 위한 노력으로 이러한 체계적 접근법을 사용한다.
이러한 매핑 절차에 있어서 몇 가지 문제가 있을 수 있다. 첫째, 그러한 매핑은 많은 시간을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 파편이 발견되고 처치될 때마다, 의사는 매핑 프로세스를 반복하여 제1 신배로부터 다시 시작할 필요가 있다. 둘째, 그러한 매핑은 많은 방사선을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 내시경이 신장 내측에 위치되는 곳은 내시경 뷰(endoscopic view)만에 기초해서는 흔히 불명확하다. 따라서, 의사는 흔히 신장 내에서의 내시경의 위치를 검증하기 위한 노력으로 모든 신배에서 형광투시 이미지 및 때때로 선택적 신우조영사진을 촬영한다. 셋째, 그러한 매핑은 오류 발생이 쉬울 수 있다. 잔류 파편의 비율은 의사가 흔히 이러한 매핑 절차 동안 신배를 누락시켰음을 시사한다.
본 명세서에서 논의된 일부 실시예는 위에서 논의된 매핑 기법을 개선하고/하거나 연관된 문제들 중 하나 이상을 감소시키거나 제거할 수 있는, 로봇식 의료 기구(예컨대, 내시경, 요관경, 방광경 등)에 의한 신체의 내부 영역(예컨대, 신장 또는 다른 것)의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법에 관한 것일 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 본 명세서에서 논의된 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 매핑에 요구되는 절차 시간 및 방사선의 양을 감소시키면서, 의사가 신장의 모든 신배를 통해 기구를 내비게이션하였다는 의사의 신뢰도를 증가시킬 수 있다.
일부 구현예에서, 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 의사에게 해부학적 구조의 맵-유사 컨텍스트(context)에 의한 기구의 위치의 연속적인 추적을 제공할 수 있다. 또한, 일부 구현예에서, 관심 대상의 위치 및 내시경 상의 이미징 장치로 촬영된 이미지의 태깅은 기구가 해부학적 구조 내측에 현재 위치되는 곳을 의사에게 알리는 능력을 추가로 향상시킨다.
예를 들어, 그의 원위 팁(또는 스코프(scope) 상의 다른 곳)에 내장된 EM 센서(또는 다른 위치 센서)를 포함하는 가요성 요관경 또는 가요성 방광경이 신장을 내비게이션하는 데 사용되는 내시경의 작업 채널을 통해 삽입될 수 있다. EM 센서는 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타내는 위치 데이터를 제공할 수 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 기구의 위치를 결정하기 위한 다른 센서 및 방법(예컨대, 형상-감지 섬유, 임피던스 추적, 또는 다른 형태의 위치결정)이 EM 센서에 더하여 또는 그 대신에 사용될 수 있다. 위치 정보로부터 도출되는 시각적 표지가 의사에게 디스플레이될 수 있다. 일부 구현예에서, 시각적 표지는 해부학적 구조의 기준 이미지(예컨대, 수술전 CT 이미지 또는 수술중 또는 수술전 역방향 신우조영사진) 상에 중첩된다. 위치 데이터는 위치 데이터의 좌표계를 기준 이미지의 좌표계와 정렬시키기 위해, 예를 들어 1, 2 또는 3-점 정합으로 정합될 수 있다.
기준 이미지의 좌표계와의 위치 데이터의 좌표계의 정합은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 일례로서, 스코프는 스코프의 시점으로부터(예컨대, 스코프 상의 이미징 장치로 캡처된 이미지 내에서) 그리고/또는 기준 이미지 내에서, 예를 들어 스코프의 시점으로부터 그리고 기준 이미지 내에서의 둘 모두로 같이, 인식될 수 있는 해부학적 구조 내의 하나 이상의 특징부로 내비게이션될 수 있다. 인식된 해부학적 특징부에 위치될 때의 스코프로부터의 위치 데이터는 위치 데이터의 좌표계를 기준 이미지의 좌표계와 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예에서, 신장의 경우에, 스코프는 스코프 상의 이미징 장치를 사용하여 신장 내의 누두(infundibulum) 중 하나 이상으로 내비게이션될 수 있다. 누두의 위치에 관한 EM 센서로부터의 위치 데이터는 정합을 달성하기 위해 기준 이미지 내의 누두의 위치와 정렬될 수 있다. 이미지-기반 정합을 위한 다른 방법(즉, 스코프 상의 이미징 장치로 캡처된 이미지 내에서 인식된 위치를 기준 이미지 내의 위치와 상관시키는 것)이 또한 가능하다. 다른 정합 예로서, 스코프 자체가 이미지 내에 나타나도록 스코프가 해부학적 구조 내에 위치된 상태에서 해부학적 구조의 기준 이미지 또는 다른 이미지(예컨대, CT 이미지)가 캡처될 수 있다. (예컨대, EM 데이터로부터의) 위치 데이터를 통해 결정되는 바와 같은 스코프의 위치 및 이미지 내에서의 스코프의 위치는 위치 데이터 및 기준 이미지 둘 모두의 좌표 프레임을 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 다른 정합 방법이 또한 가능하다.
일부 구현예에서, 정합 후에, 기구의 위치는 기구가 내부 영역 내에서 이동함에 따라 기준 이미지 상에 디스플레이될 수 있다. 일부 실시예에서, 시각적 표지는 기구의 이력(예컨대, 이전) 위치를 나타내는 브레드크럼즈(breadcrumbs)(예컨대, 데이터 포인트, 트레이스, 또는 임의의 다른 적합한 시각적 표시자)로서 디스플레이된다. 디스플레이된 시각적 표지는 의사가 신장의 모든 신배가 기구에 의해 내비게이션되었음을 검증하는 데 도움을 줄 수 있다. 일부 구현예에서, 의사가 신장을 통해 기구를 내비게이션함에 따라, 디스플레이된 시각적 표지는 신장의 해부학적 구조를 나타내는 맵을 형성한다. 의사는 이러한 맵을 사용하여 신장 내의 이전에 조사된 위치를 재조사하고/하거나 기구가 현재 새로운(즉, 이전에 조사되지 않은) 신배 내에 위치되어 있는지 여부를 결정할 수 있다.
일부 구현예에서, 시각적 표지는 신장의 해부학적 구조를 나타내는 3차원 메시 구조를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 의사가 신장을 통해 기구를 내비게이션함에 따라, 시각적 표지는 신장의 이전에 조사된 해부학적 구조의 3차원 모델을 구축할 수 있다. 일부 구현예에서, 메시는 EM 센서로부터 수신된 위치 정보뿐만 아니라, 일부 경우에, 기구 상의 이미징 장치로부터 수신된 이미지 데이터로부터 도출된다.
본 명세서에 기술된 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 기구를 해부학적 구조를 통해 내비게이션하면서 관심 대상의 위치 및/또는 특징부의 태깅을 허용할 수 있다. 예를 들어, 의사가 내비게이션함에 따라, 그녀는 "신배 1", "상극(upper pole)", "큰 결석" 등과 같은 관심 대상의 지점을 "태깅"할 수 있다. 일부 구현예에서, 지점이 태깅될 때, (예컨대, 기구 상의 이미징 장치로 촬영된) 이미지가 위치가 촬영된 (예컨대, EM 센서에 의해 결정될 수 있는 바와 같은) 위치와 함께 자동으로 세이브된다(saved). 태깅된 지점은 기준 이미지 상에 디스플레이될 수 있고, 시스템은 사용자가 라벨 또는 기록된 설명과 같은 보완 데이터를 추가하도록 허용할 수 있다. 일부 구현예에서, 후속 내비게이션 동안(후속 내비게이션 또는 후속 절차 중 어느 하나 동안), 본 명세서에 기술된 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 기구가 이전에 태깅된 지점 부근에 위치되어 참조를 위해 세이브된 이미지를 띄우거나 사용자가 사용자 선택에 기초하여 태깅된 지점을 호출하도록 허용할 때를 결정할 수 있다.
신장의 3차원 맵을 생성할 수 있는 것에 더하여, 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템 및 기법은 (예컨대, 기구 상의 이미징 장치로 촬영된) 기록된 이미지 또는 비디오를 신장 내측에서의 그들의 해부학적 위치 및 배향과 상관시키는 데 사용될 수 있다. 이는 의사가 그들이 어느 신배를 관찰하고 있는지를 이해하도록 허용하고/하거나 그들이 특정 위치로부터 이미지를 호출하도록 허용할 수 있다.
EM 센서로부터 수신된 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지를 해부학적 구조의 기준 이미지 상으로 중첩시키는 것은 의사가 데이터를 컨텍스트화하도록(contextualize) 허용할 수 있다. 이는 의사가 해부학적 구조 및 해부학적 구조 내의 기구의 위치를 시각화하도록 허용할 수 있다. 이는 의사가 그녀가 누락시켰을 수 있는 신장의 임의의 영역을 식별하도록 추가로 허용할 수 있다. 태깅은 시각적 표지를 이해하는 의사의 능력을 추가로 향상시킬 수 있고, 태깅된 위치의 이미지를 호출하는 것은 의사가 태깅된 위치가 이전에 관찰된 위치와 동일하다는 것의 시각적 확인을 수행하도록 허용할 수 있다. 이들 시스템 및 기법은 절차 시간, 방사선 노출, 및/또는 누락된 신배의 오류율을 감소시킬 수 있다.
종래의 요관경술은 현재, 요관경이 각각의 신배에 도달하였는지를 확인하기 위해 다수의 형광투시법 이미지에 의존한다. 통상적으로, 신장은 절차 동안 조영제(contrast)로 채워지지 않으며, 이는 정확한 신배에 접근하였는지를 확인하는 데 매우 적은 해부학적 랜드마크(landmark)가 있다는 것을 의미한다.
예를 들어, 도 16a 내지 도 16c는 요관경술 절차 동안 촬영된 3개의 예시적인 형광투시 이미지를 예시한다. 도 16a는 신장(103) 내에서 내비게이션하는 기구를 예시한 제1 예시적인 형광투시 이미지(101a)이다. 이미지(101a)에 도시된 바와 같이, 신장(103)의 윤곽은 가시적이지만, 신장(103)의 특정 내부 구조는 용이하게 명백하지는 않다. 신장(103) 내에서 내비게이션하는 기구(105)는 제1 위치에서 가시적이다. 제1 위치는 신장(103)의 제1 신배일 수 있다. 의사는 기구(105)가 제1 신배 내에 위치되는 것을 검증하기 위해 이미지(101a)를 촬영할 수 있다. 도 16b는 신장(103) 내에서 제2 위치에 있는 기구(105)를 예시한 제2 예시적인 형광투시 이미지(101b)이다. 제2 위치는 신장(103)의 제2 신배일 수 있다. 의사는 기구(105)가 제2 신배 내에 위치되는 것을 검증하기 위해 이미지(101b)를 촬영할 수 있다. 도 16c는 신장(103) 내에서 제3 위치에 있는 기구(105)를 예시한 제3 예시적인 형광투시 이미지(101c)이다. 제3 위치는 제3 신배일 수 있다. 의사는 기구(105)가 제3 신배 내에 위치되는 것을 검증하기 위해 이미지(101c)를 촬영할 수 있다. 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 종래의 요관경술 절차 동안, 의사는 신장(103) 내에서의 기구의 위치를 결정하기 위한 노력으로 내비게이션의 상이한 단계에서 다수의 형광투시 이미지를 촬영해야 한다. 위에 언급된 바와 같이, 이는 그것이 방사선에 대한 다수의 노출을 필요로 하고, 시간 소모적이며, 오류 발생이 쉬울 수 있기 때문에 불리할 수 있다.
도 17은 신장 내에서 내비게이션하는 기구의 위치 센서로부터 수신된 위치 데이터를 나타내거나, 그것을 표현하거나, 그것으로부터 도출된 시각적 표지(110)의 예시적인 표현을 예시한다. 예시된 예에서, 위치 데이터의 시각적 표지(110)는 트레이스로서 디스플레이된다. 일부 실시예에서, 트레이스는 선에 의해 연결된 일련의 지점을 포함할 수 있다. 트레이스는 기구가 신장 내에서 내비게이션함에 따라 기구가 이동한 경로를 나타낼 수 있다. 도시된 바와 같이, 경로는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타낼 수 있는 맵을 형성할 수 있다. 시각적 표지(110) 및/또는 위치 데이터는 기구가 신장을 통해 이동함에 따라 기구의 팁의 연속적인 또는 거의 연속적인 위치 추적을 나타낼 수 있다. 시각적 표지(110)는, 특히 내부 영역의 기준 이미지 상에 중첩될 때 유용한 이미지 또는 맵을 생성할 수 있다.
도 18은 신장의 기준 이미지(115) 상에 중첩된 도 17의 시각적 표지(110)의 표현을 예시한다. 이와 관련하여, 시각적 표지(110)는 내비게이션하는 데 도움을 주도록 사용될 수 있는 해부학적 구조의 맵을 제공한다. 또한, 의사는 관심 대상의 소정 위치를 태깅할 수 있다. 태깅된 정보는 또한 기준 이미지 상으로 중첩될 수 있다. 예를 들어, 도 18의 예에서, 신장의 7개의 신배가 태깅된다.
일부 구현예에서, 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는 시각적 표지(110)가 도출될 수 있다. 예를 들어, 도 18에 예시된 바와 같이, 해부학적 구조의 윤곽(117)은 위치 데이터 및/또는 시각적 표지(110)로부터 도출되고 기준 이미지 상으로 중첩될 수 있다. 예시된 실시예에서, 윤곽(117)은 해부학적 구조의 2차원 표현으로서 예시되어 있지만; 일부 구현예에서, 윤곽(117)은 해부학적 구조를 나타내는 3차원 메시를 포함할 수 있다. 따라서, 윤곽(117)은 절차 동안 의사가 내비게이션하는 데 도움을 줄 수 있는 내부 영역의 모델을 제공할 수 있다.
신체의 내부 영역의 매핑 및 내비게이션을 위한 방법 및 시스템의 이들 및 다른 특징과 이점은 이제 몇 가지 특정 예시적인 방법 및 시스템을 참조하여 더 상세히 기술될 것이다. 기술된 방법 및 시스템은 단지 예로서 제공되며, 본 개시의 원리를 예시하는 것으로 의도된다. 본 개시는 기술된 예만으로 제한되지 않아야 한다.
B. 신체의 내부 영역의 매핑 및 내비게이션을 위한 예시적인 방법 및 시스템.
도 20a는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 예시적인 방법(200)을 예시한 흐름도이다. 방법(200)은 도 1 내지 도 15 및 도 22에 예시된 로봇 시스템 및 다른 것과 같은, 소정의 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 컴퓨터 장치는 방법(200)을 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 장치는 예를 들어 위 또는 아래에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터-판독가능 메모리는 방법(200)을 수행하기 위해 프로세서(들)에 의해 실행될 수 있는 명령어를 저장할 수 있다. 명령어는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
방법(200)은 예를 들어 매우 다양한 의료 절차(예컨대, 내시경술 및/또는 복강경술 절차) 동안, 예를 들어 의료 기구가 신체의 내부 영역 내에서 내비게이션됨에 따라 실행될 수 있다. 내부 영역은 예를 들어 장기, 내강, 내강 네트워크(luminal network), 및/또는 공동 등일 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(200)은 기구가 내부 영역 내로 도입될 때 개시될 수 있다. 방법(200)은 자동으로(예컨대, 초기화 또는 이벤트의 검출 시에) 또는 수동으로(예컨대, 사용자 입력 또는 명령의 수신 시에) 트리거될(triggered) 수 있다.
방법(200)은 신체의 내부 영역의 기준 이미지가 디스플레이되는 블록(201)에서 시작한다. 기준 이미지는 신체의 내부 영역을 나타내거나 예시할 수 있다. 일부 구현예에서, 기준 이미지는 예를 들어 역방향 신우조영사진 절차 동안 캡처된 이미지, 형광투시 이미지, 초음파 이미지, 컴퓨터 단층촬영(CT) 절차 동안 캡처된 이미지, 및 자기 공명 영상(MRI) 절차 동안 캡처된 이미지, 또는 임의의 다른 유형의 의료 이미지 중 하나 이상일 수 있다.
일부 구현예에서, 기준 이미지는 수술중에 캡처될 수 있다. 예를 들어, 기준 이미지는 방법(200)이 구현되는 의료 절차 동안 캡처될 수 있다. 그러한 경우에, 방법(200)은 기준 이미지를 캡처하기 위한 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기준 이미지는 수술전에 캡처될 수 있다. 예를 들어, 절차 전에(예컨대, 이전 절차 또는 이전 의사 방문 동안) 촬영된 내부 영역의 이미지가 기준 이미지로서 사용될 수 있다.
기준 이미지는 의료 절차를 수행하는 의사에게 디스플레이될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 기준 이미지는 내부 영역의 해부학적 구조의 일부 표시를 제공할 수 있다. 그러나, 일부 구현예에서, 기준 이미지만으로 해부학적 구조를 완전히 파악하기에 충분한 상세사항을 의사에게 제공하지는 못할 수 있다. 예를 들어, 도 16a 내지 도 16c의 예시적인 형광투시 이미지에 도시된 바와 같이, 형광투시 이미지는 내부 영역의 전반적인 윤곽만을 제공할 수 있다. 도 16a 내지 도 16c에서, 신장(103)의 전반적인 형상이 보일 수 있지만, 신장의 특정 내부 해부학적 구조 및 레이아웃(layout)(예컨대, 극, 신배 등)은 완전히 가시적이지는 않다.
아래에서 더 상세히 논의될 바와 같이, 기준 이미지는 기구 상의 위치 센서로부터 수신된 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지가 그 상으로 중첩될 수 있는 컨텍스트를 제공할 수 있다.
방법(200)은 절차 동안의 방사선 노출의 양을 감소시키거나 그것을 완전히 제거할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 환자는 절차 동안 한 번만 방사선에 노출된다 - 기준 이미지가 캡처된 때. 대조적으로, 종래의 요관경술 절차 동안, 의사는 일반적으로 위에서 논의된 바와 같이 절차 전체에 걸쳐 (환자를 다수의 선량의 방사선에 노출시키는) 다수의 형광투시 이미지를 촬영한다. 도 16a 내지 도 16c는, 모두가 단일 요관경술 절차 동안 캡처될 수 있는 예시적인 형광투시 이미지를 예시한다. 종래의 요관경술 절차에서, 의사는 각각의 신배가 조사되었는지를 결정하기 위해 연속적인 형광투시 이미지에 의존할 수 있다. 그러나, 방법(200)의 일부 구현예에서, 단일 기준 이미지만이 캡처될 필요가 있으며, 따라서 환자가 노출되는 방사선의 양을 제한한다. 또한, 방법(200)의 일부 구현예에서, 절차 동안의 방사선 노출은 예를 들어 이전 절차 또는 의사 방문 동안 이전에 캡처된 기준 이미지를 사용함으로써 완전히 제거될 수 있다.
블록(203)에서, 방법(200)은 신체의 내부 영역 내에서 기구를 이동시키는(예컨대, 내비게이션하는) 단계를 수반한다. 기구는 예를 들어 전술된 내시경(13)(도 1), 요관경(32)(도 3), 기구(34)(도 4), 요관경(56)(도 8), 복강경(59)(도 9), 기구(70)(도 13), 또는 기구(86)(도 14), 또는 후술되는 기구(401)(도 22)와 같은 본 명세서에 기술된 임의의 다른 의료 기구일 수 있다. 일부 구현예에서, 기구는 본 개시 전체에 걸쳐 기술된 바와 같이 로봇식 의료 시스템에 의해 제어되는 로봇식 기구일 수 있다. 일부 실시예에서, 기구는 수동으로 제어되는 기구일 수 있다.
기구는 적어도 하나의 위치 센서를 포함할 수 있다. 위치 센서는 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)에 관한 위치 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 위치 센서는 예를 들어 전술된 바와 같은 EM 센서일 수 있다. EM 센서는 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드 내에서의 EM 센서의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)에 관한 위치 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 센서는 기구 상에 위치된 EM 필드 발생기일 수 있다. EM 필드 발생기의 위치는 기구의 위치를 결정하기 위해 환자의 외부에 위치된 복수의 EM 센서에 대해 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 다른 유형의 위치 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 위치 센서는 형상-감지 섬유(예컨대, 광섬유 형상 센서), 임피던스 추적기, 가속도계, 자이로스코프(gyroscope), 초음파 센서, 또는 기구의 위치를 결정하기 위한 임의의 다른 유형의 센서일 수 있다.
위치 센서들 중 하나 이상이 기구 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 위치 센서들 중 하나 이상이 기구의 원위 팁 상에 위치될 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 센서들 중 하나 이상은 기구 상에 위치되지 않는다. 예를 들어, 위치 센서는 기구의 근위 단부 상의 또는 기구가 부착되는 로봇 아암의 모터 팩(motor pack) 상의 토크 센서일 수 있다. 위치 센서의 다른 예는 기구의 추정된 자세 및 위치를 모델링하는 데 사용될 수 있는, 로봇식 의료 시스템에 의해 명령되는 이동 데이터, 및/또는 기구의 이동 및 위치를 결정하기 위해 분석될 수 있는, 이미지 상의 이미징 장치로부터 수신되는 비전 데이터를 포함할 수 있다.
방법(200)의 일부 구현예에서, 의사는 예를 들어 로봇식 의료 시스템에 명령을 제공함으로써 내부 영역 내에서의 기구의 이동을 제어한다. 의사는 내부 영역 내에서 기구를 내비게이션하도록 기구의 이동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 요관경술 신장 결석 제거 절차 동안, 의사는 기구를 제거될 결석으로 내비게이션할 수 있거나, 전술된 바와 같이, 의사는 신장의 각각의 신배를 통해 기구를 내비게이션하여, 결석 및 결석 파편이 제거되었음을 검증하기 위해 각각의 신배를 시각적으로 검사할 수 있다. 다른 예로서, 의사는 기구를 관심 대상의 영역으로 내비게이션할 수 있다. 예를 들어, 의사는 기구를 이행 세포 암종의 영역으로 내비게이션하여 그 영역을 모니터링, 생검, 처치, 또는 절제할 수 있다. 후술될 바와 같이, 기구의 이동 또는 내비게이션은 기준 이미지 상에 중첩된, 위치 센서로부터 수신된 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지에 의해 도움을 받을 수 있다.
블록(205)에서, 방법(200)은 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계를 수반한다. 위에 언급된 바와 같이, 위치 정보는 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 3 자유도 위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위치 정보는 직교 좌표계 내에서의 기구의 위치를 나타내는 x, y, 및 z 좌표를 포함할 수 있다. 다른 좌표계(예컨대, 극좌표계)가 또한 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 더 높은 자유도 위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위치 정보는, 예를 들어 위치에 대한 x, y, 및 z 좌표뿐만 아니라 기구의 배향을 나타내는, 기구에 대한 피치 및 요 각도의 표시를 포함하는 5 자유도 위치를 포함할 수 있다. 기구에 대한 6 자유도 위치는 또한 기구에 대한 롤 정보를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트를 포함한다. 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 데이터 세트는 기구가 내부 영역을 통해 이동됨에 따라 연속적으로 생성된다. 각각의 위치 데이터 세트는 특정 시점에서의 기구의 위치를 나타낼 수 있다. 이와 같이, 위치 데이터 세트는 기구에 대한 이력 위치의 로그(log)를 포함할 수 있다.
블록(207)에서, 방법(200)은 기구의 이력 위치를 특성화하도록 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지를 기준 이미지 상으로 중첩시키는 단계를 수반한다. 예를 들어, 블록(207)은 신체의 내부 영역 내에서의 이동 동안 기구의 이력 위치를 특성화하기 위해 적어도 위치 데이터 세트의 서브세트로부터 도출된 시각적 표지를 기준 이미지 상으로 중첩시키는 단계를 수반할 수 있다. 중첩된 시각적 표지는 의사가 내부 영역을 내비게이션하는 데 도움을 줄 수 있는 맵을 형성할 수 있다. 시각적 표지는 기구가 내부 영역을 내비게이션함에 따라 기구가 이동한 경로를 나타낼 수 있다. 시각적 표지는 사용자 디스플레이를 통해, 기준 이미지 상에 중첩되어 의사에게 디스플레이될 수 있다. 따라서, 기준 이미지는 디스플레이된 시각적 표지를 이해하고 시각화하는 컨텍스트를 제공한다.
일부 구현예에서, 시각적 표지는 적어도 위치 데이터 세트의 서브세트에 대응하는 지점(예컨대, 브레드크럼즈)을 포함할 수 있다. 지점은 기구의 이력 위치를 디스플레이하기 위해 기준 이미지 상에 플로팅될(plotted) 수 있다. 지점은 매우 다양한 시각적 표지에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 시각적 표지는 도트(dot), 대시(dash), X, 다른 형상 등과 같은 임의의 적합한 형상 또는 마커로서 표현될 수 있다.
기준 이미지 상으로 시각적 표지를 중첩시킬 때(즉, 시각적 표지가 중첩되는 빈도)를 결정하기 위해 다양한 기준이 사용될 수 있다. 이러한 기준은 예를 들어 기구가 이동한 거리(예컨대, 이전 시각적 표지 이후로 이동한 거리), 이동 방향, 이전의 중첩된 시각적 표지 이후로 경과된 시간 등을 포함할 수 있다. 당업자는 이들 기준이 시각적 표지가 생성되고 기준 이미지 상으로 중첩되는 빈도뿐만 아니라 연속적인 시각적 표지들 사이의 거리를 결정하기 위해 변경될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
일부 구현예에서, 위치 데이터 세트의 서브세트가 지속적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩된다. 지속적 빈도는 중첩된 시각적 표지들 사이의 시간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시각적 표지는 약 0.05초마다, 즉 약 0.05초의 시간 간격으로 중첩될 수 있다. 다른 예에서, 시각적 표지는 약 0.1, 약 0.25초, 또는 약 0.5초의 시간 간격뿐만 아니라, 열거된 예보다 짧고 긴 둘 모두의 다른 지속시간으로 중첩될 수 있다. 일부 실시예에서, 지속적 빈도는 변경될 수 있다. 예를 들어, 각각의 중첩된 시각적 표지들 사이에 고정된 지속시간이 있을 필요는 없다.
일부 구현예에서, 위치 데이터 세트의 서브세트는 위치적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩된다. 위치적 빈도는 중첩된 시각적 표지들 사이의 거리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시각적 표지는 약 0.05 mm, 약 0.1 mm, 약 0.25 mm, 약 0.5 mm, 약 1.0 mm, 또는 약 2.0 mm의 간격뿐만 아니라, 열거된 예보다 짧고 긴 둘 모두의 다른 거리로 중첩될 수 있다. 일부 실시예에서, 위치적 빈도는 변경될 수 있다. 예를 들어, 각각의 중첩된 시각적 표지들 사이에 고정된 거리가 있을 필요는 없다.
일부 구현예에서, 시각적 표지는 기구의 이력 위치를 나타내는 연속적인 트레이스를 형성하도록 실질적으로 연속적으로 기준 이미지 상으로 중첩된다(예를 들어, 도 17 및 도 18 참조). 일부 구현예에서, (예컨대, 별개의 지점으로서) 지속적 또는 위치적 빈도로 중첩된 시각적 표지는 기구의 이동의 이력 경로를 디스플레이하도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 인접한 중첩된 시각적 표지를 연결하기 위해 선이 사용될 수 있다. 다른 예에서, 중첩된 시각적 표지에 곡선이 피팅될(fit) 수 있다.
의사가 내부 영역을 통해 기구를 내비게이션하고 시각적 표지가 기준 이미지 상에 중첩됨에 따라, 시각적 표지는 맵을 형성하기 시작할 수 있다. 맵은 기구의 이력 위치를 나타낼 수 있다. 맵은 또한 내부 영역의 해부학적 구조를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 의사가 각각의 신배 내외로 내비게이션함에 따라, 시각적 표지에 의해 형성되는 경로는 각각의 신배의 구조를 나타낼 수 있다. 의사는 이러한 맵을 사용하여, 기구가 현재 새로운(즉, 이전에 조사되지 않은) 신배로 내비게이션되고 있는지 또는 이전에 조사된 신배로 복귀하는지 여부를 결정할 수 있다.
일부 구현예에서, 기준 이미지 상에 중첩된 시각적 표지는 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는 메시를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 해부학적 구조를 나타내는 3차원 메시 또는 모델을 개발하기 위해 튜브-유사 구조가 위치 데이터 세트에 맞춰 피팅될 수 있다. 튜브-유사 구조의 직경 또는 다른 형상은 내부 영역 내에서의 기구의 이동에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 튜브의 직경 또는 다른 형상은 기구 상에 위치된 이미징 장치부터 수신된 이미지 및 위치 데이터 세트에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 방법은 그러한 위치에서 캡처된 이미지로부터의 주어진 위치에서 튜브의 직경을 추정할 수 있다. 이로부터, 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는 3차원 메시가 개발되어 기준 이미지 상으로 중첩된 시각적 표지로서 디스플레이될 수 있다.
일부 경우에, 시각적 표지는 시간 경과에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 시각적 표지는 더 최근에 이동된 부분이 이전에 이동된 부분보다 어두워지도록 시간 경과에 따라 희미해질 수 있다. 다른 예로서, 내부 영역의 상이한 영역으로부터의 시각적 표지는 상이한 컬러로 표현될 수 있으며(예를 들어, 도 17 및 도 18 참조), 여기서 상이한 컬러는 상이한 유형의 대싱(dashing)의 선에 의해 표현된다. 예를 들어, 각각의 상이한 신배를 통한 경로를 도시하기 위해 상이한 컬러가 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 데이터는 시각적 표지와 연관될 수 있다. 예를 들어, 의사는 소정의 시각적 표지와 연관되는 데이터를 포함하는 노트(note)를 생성할 수 있다. 사용자는 명령 콘솔을 통해 데이터를 입력할 수 있고, 데이터는 디스플레이를 통해 보여질 수 있다.
기준 이미지 상에 중첩된 시각적 표지는 사용자에게 수술중에(절차 동안) 디스플레이될 수 있다. 기준 이미지 상에 중첩된 시각적 표지는 미래의 의료 절차 동안의 사용을 위해 저장 또는 세이브될 수 있다.
일부 구현예에서, 방법(200)은 하나 이상의 추가 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법(200)은 후술되는 방법(300)(도 21a) 및/또는 방법(320)(도 21b)의 단계들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
방법(200)은 또한 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 방법(200)은 기구 상에 위치된 이미징 장치로부터 현재 이미지를 수신하고 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다. 이미지를 관찰하는 의사는 이미지가 관심 대상의 위치 또는 특징부를 포함한다고 결정할 수 있다. 예를 들어, 의사는 이미지가 신배로의 입구, 신장의 극, 이행 세포 암종의 영역, 신장 결석, 결석 파편 등을 포함한다고 결정할 수 있다. 의사는 이러한 위치를 태깅할 수 있다. 의사는 태깅된 위치와 관련된 데이터를 입력할 수 있다. 태깅된 위치 및/또는 입력 데이터는 기준 이미지 상에 중첩될 수 있다(예를 들어, 태깅된 신장의 7개의 신배를 도시하는 도 18 참조).
일부 구현예에서, 방법(200)은 관심 대상의 특징부를 자동으로 검출 및 태깅하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 기구 상의 이미징 장치로부터 수신된 이미지는 그들이 기구의 임의의 위치 또는 특징부를 포함하는지 여부를 결정하기 위해 처리 및 분석될 수 있다. 예를 들어, 자동화된 프로세스는 이미지 내의 결석, 결석 파편, 또는 신배로의 입구를 검출하고 이들 위치를 자동으로 태깅할 수 있다. 이전에서와 같이, 태깅된 위치 및/또는 연관된 데이터는 기준 이미지 상으로 중첩될 수 있다.
일부 구현예에서, 방법(200)은 생리학적 이동을 고려하기 위해 위치 센서에 의해 결정된 위치를 조절하고 조절된 위치를 기준 이미지 상으로 중첩시키도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 이동 센서가 환자 상에 위치될 수 있다. 이동 센서는 환자의 이동(예컨대, 호흡)을 검출하고, 환자의 이동을 고려하기 위해 위치 센서에 의해 결정된 위치를 조절할 수 있다.
도 20b는 신체의 내부 영역을 매핑하기 위한 다른 예시적인 방법(220)을 예시한 흐름도이다. 방법(220)은 도 1 내지 도 15 및 도 22에 예시된 로봇 시스템 및 다른 것과 같은, 소정의 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 컴퓨터 장치는 방법(220)을 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 장치는 예를 들어 위 또는 아래에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터-판독가능 메모리는 방법(220)을 수행하기 위해 프로세서(들)에 의해 실행될 수 있는 명령어를 저장할 수 있다. 명령어는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
방법(220)은 예를 들어 매우 다양한 의료 절차(예컨대, 내시경술 및/또는 복강경술 절차) 동안, 예를 들어 의료 기구가 신체의 내부 영역 내에서 내비게이션됨에 따라 실행될 수 있다. 내부 영역은 예를 들어 장기, 내강, 내강 네트워크, 및/또는 공동 등일 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(220)은 기구가 내부 영역 내로 도입될 때 개시될 수 있다. 방법(220)은 자동으로(예컨대, 초기화 또는 이벤트의 검출 시에) 또는 수동으로(예컨대, 사용자 입력 또는 명령의 수신 시에) 트리거될 수 있다.
방법(220)은 기구가 신체의 내부 영역 내에서 이동되는 블록(221)에서 시작한다. 블록(223)에서, 방법(220)은 위치 센서로부터 기구에 대한 위치 정보를 수신하는 단계를 수반한다. 블록(221, 223)은 전술된 방법(200)의 블록(203, 205)과 유사할 수 있다. 간략함을 위해, 블록(221, 223)의 특징은 여기서 다시 기술되지 않는다.
블록(225)에서, 방법(220)은 신체의 내부 영역의 구조를 특성화하도록 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지를 디스플레이하는 단계를 수반한다. 많은 점에서, 블록(225)은 방법(200)의 블록(207)과 유사하다. 그러나, 방법(200)의 블록(207)과는 대조적으로, 블록(225)은 반드시 시각적 표지를 기준 이미지 상으로 중첩시키는 단계를 수반하지는 않는다. 실제로, 일부 구현예에서, 방법(220)은 기준 이미지의 사용을 전혀 수반하지 않을 수 있다. 대신에, 블록(225)은 위치 정보로부터 도출된 시각적 표지를 사용자에게 직접 디스플레이하는 단계(즉, 임의의 기준 이미지를 참조함이 없이)를 수반할 수 있다. 그러한 시각적 표지의 예가 시각적 표지(110)로서 표현되는 위치 정보를 예시하는 도 17에 도시되어 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 어떠한 기준 이미지도 도시되어 있지 않지만, 일부 경우에, 시각적 표지(110)만이 신체의 내부 영역의 구조를 특성화하기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 도 17의 시각적 표지(110)의 트레이스를 따름으로써, 의사는 내부 영역의 이전에 내비게이션된 영역의 전반적인 해부학적 구조의 이해를 얻을 수 있다. 블록(225)에서 디스플레이되는 시각적 표지(110)는, 별개의 지점에서 디스플레이되는 시각적 표지, 선에 의해 연결되거나 선으로 피팅된 시각적 표지, 해부학적 구조를 나타내는 메시 등을 포함하는, 본 명세서에 기술된 임의의 유형의 시각적 표지일 수 있다.
방법(220)은 유리하게는 기구가 내부 영역을 통해 내비게이션함에 따라 신체의 내부 영역의 모델 또는 맵을 구축할 수 있다. 일부 경우에, 모델 또는 맵은 이전에 조사된 위치로 복귀하기 위해 또는 기구가 내부 영역의 새로운 부분으로 내비게이션되고 있을 때를 결정하기 위해 의사에 의해 사용될 수 있다. 일부 경우에, 기구가 내부 영역 내에서 더 많이 내비게이션될수록, 맵 또는 모델이 더 명확해진다.
일부 구현예에서, 방법(220)은 하나 이상의 추가 블록을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법(220)은 후술되는 방법(300)(도 21a) 및/또는 방법(320)(도 21b)의 블록들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 21a는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 예시적인 방법(300)을 예시한 흐름도이다. 방법(300)은 도 1 내지 도 15 및 도 22에 예시된 로봇 시스템 및 다른 것과 같은, 소정의 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 컴퓨터 장치는 방법(300)을 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 장치는 예를 들어 위 또는 아래에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터-판독가능 메모리는 방법(300)을 수행하기 위해 프로세서(들)에 의해 실행될 수 있는 명령어를 저장할 수 있다. 명령어는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
방법(300)은 예를 들어 매우 다양한 의료 절차(예컨대, 내시경술 및/또는 복강경술 절차) 동안, 예를 들어 의료 기구가 신체의 내부 영역 내에서 내비게이션됨에 따라 실행될 수 있다. 내부 영역은 예를 들어 장기, 내강, 내강 네트워크, 및/또는 공동 등일 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(300)은 기구가 내부 영역 내로 도입될 때 개시될 수 있다. 방법(300)은 자동으로(예컨대, 초기화 또는 이벤트의 검출 시에) 또는 수동으로(예컨대, 사용자 입력 또는 명령의 수신 시에) 트리거될 수 있다.
방법(300)은 기구가 신체의 내부 영역 내에서 이동되는 블록(301)에서 시작한다. 기구는 예를 들어 전술된 내시경(13)(도 1), 요관경(32)(도 3), 기구(34)(도 4), 요관경(56)(도 8), 복강경(59)(도 9), 기구(70)(도 13), 또는 기구(86)(도 14), 또는 후술되는 기구(401)(도 22)와 같은 본 명세서에 기술된 임의의 다른 의료 기구일 수 있다. 일부 구현예에서, 기구는 본 개시 전체에 걸쳐 기술된 바와 같이 로봇식 의료 시스템에 의해 제어되는 로봇식 기구일 수 있다.
기구는 위치 센서, 예컨대 EM 센서, EM 필드 발생기, 형상-감지 섬유(예컨대, 광섬유 형상 센서), 임피던스 추적기, 가속도계, 자이로스코프, 초음파 센서, 또는 기구의 위치를 결정하기 위한 임의의 다른 유형의 센서를 포함할 수 있다.
방법(300)의 일부 구현예에서, 의사는 예를 들어 전술된 바와 같이 로봇식 의료 시스템에 명령을 제공함으로써 내부 영역 내에서의 기구의 이동을 제어한다. 의사는 전술된 바와 같이 내부 영역 내의 원하는 위치로 기구를 내비게이션하도록 기구의 이동을 제어할 수 있다.
블록(303)에서, 방법(300)은 기구의 이동 동안 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계를 수반한다. 위치 정보는 전술된 바와 같이 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 3 자유도 위치를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 더 높은 자유도 위치, 예컨대 5 자유도 위치 또는 6 자유도 위치를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트를 포함한다. 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 데이터 세트는 기구가 내부 영역을 통해 이동됨에 따라 연속적으로 생성된다. 각각의 위치 데이터 세트는 특정 시점에서의 기구의 위치를 나타낼 수 있다. 이와 같이, 위치 데이터 세트는 기구에 대한 이력 위치의 로그를 포함할 수 있다.
블록(305)에서, 방법(300)은 기구의 이동 동안 내부 영역 내의 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계를 수반한다. 이미징 장치는 수신된 광을 나타내는 에너지를 전기 신호로 변환하도록 구성되는 임의의 감광 기판(photosensitive substrate) 또는 구조물, 예를 들어 전하-결합 소자(charge-coupled device, CCD) 또는 상보형 금속-산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 이미지 센서일 수 있다. 일부 예에서, 이미징 장치는 하나 이상의 광섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미징 장치는 이미지를 나타내는 광을 기구의 원위 단부로부터 이미지 센서로 전송하도록 구성되는 광섬유 번들일 수 있다. 이미징 장치에 의해 캡처된 이미지는 저장 또는 디스플레이를 위해 개별 프레임으로서 또는 일련의 연속적인 프레임(예컨대, 비디오)으로서 컴퓨터 시스템으로 전송될 수 있다.
이미지 데이터는 내부 영역 내의 하나 이상의 위치에서 이미징 장치에 의해 캡처된 하나 이상의 이미지 또는 비디오를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 이미징 장치는 이미지 데이터를 자동으로 캡처하도록 구성된다. 예를 들어, 이미징 장치는 지속적 빈도로 이미지를 캡처하도록 구성될 수 있다. 지속적 빈도는 캡처된 이미지들 사이의 시간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지는 약 0.05초, 약 0.1초, 약 0.25초, 또는 약 0.5초의 간격뿐만 아니라, 열거된 예보다 짧고 긴 둘 모두의 다른 지속시간으로 캡처될 수 있다. 일부 실시예에서, 지속적 빈도는 변경될 수 있다. 예를 들어, 각각의 캡처된 이미지 사이에 고정된 지속시간이 있을 필요는 없다. 이미징 장치는 위치적 빈도로 이미지를 캡처하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 위치적 빈도는 캡처된 이미지들 사이에서 기구가 이동한 거리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지는 약 0.05 mm, 약 0.1 mm, 약 0.25 mm, 약 0.5 mm, 약 1.0 mm, 또는 약 2.0 mm의 간격뿐만 아니라, 열거된 예보다 짧고 긴 둘 모두의 다른 거리로 캡처될 수 있다. 일부 실시예에서, 위치적 빈도는 변경될 수 있다. 예를 들어, 각각의 캡처된 이미지 사이에 고정된 거리가 있을 필요는 없다. 일부 실시예에서, 이미지는 실질적으로 연속적으로 캡처된다.
일부 구현예에서, 이미지는 사용자 명령의 수신 시에 캡처된다. 예를 들어, 의사가 이미지를 캡처할 때를 선택할 수 있다.
블록(307)에서, 방법(300)은 각각의 이미지가 캡처된, 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 위치에 기초하여 적어도 하나 이상의 이미지의 서브세트를 적어도 위치 데이터 세트의 서브세트와 링크시키는 단계를 수반한다. 예를 들어, 적어도 하나 이상의 이미지의 서브세트에 대해, 이미지가 촬영된 위치에서 수신된 위치 데이터는 이미지에 링크될(예를 들어, 이미지와 함께 세이브될) 수 있다. 이미지는 3 자유도 위치(예컨대, 공간 내의 지점)와 링크될 수 있다. 이미지는 또한 예를 들어, 전술된 5 또는 6 자유도 위치와 같은 더 높은 차수의 자유도 위치를 갖는 이미지를 링크시킴으로써 배향 정보와 링크될 수 있다. 블록(307)에서, 방법(300)은 이미지가 캡처된 위치와 연관되거나 링크된 이미지의 데이터베이스를 생성할 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 이미지는 의사에게 디스플레이하기 위해 그들의 연관되거나 링크된 위치에 기초하여 데이터베이스로부터 호출될 수 있다.
일부 구현예에서, 모든 캡처된 이미지는 그들의 연관된 위치 데이터 세트와 링크된다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 이미지의 서브세트만이 그들의 연관된 위치 데이터 세트와 링크된다. 서브세트는 지속적 빈도(예를 들어, 약 0.1초, 약 0.25초, 약 0.5초, 또는 약 1.0초의 지속적 빈도) 또는 위치적 빈도(예를 들어, 약 0.1 mm, 약 0.25 mm, 약 0.5 mm, 또는 약 1.0 mm의 위치적 빈도)로 선택될 수 있다.
블록(309)에서, 방법(300)은 위치 선택을 포함하는 사용자 입력을 결정하는 단계를 수반한다. 일부 구현예에서, 사용자 명령을 결정하는 단계는 사용자 명령을 수신하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 사용자는 내부 영역 내에서의 위치를 선택할 수 있다. 일부 구현예에서, 사용자는 디스플레이된 시각적 표지들 중에서 위치를 선택한다. 일부 구현예에서, 사용자는 기준 이미지에 대한 위치를 선택한다.
블록(311)에서, 방법(300)은 위치 선택에 대응하는 링크된 이미지들 중의 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 수반한다. 예를 들어, 선택된 위치에 링크된 이미지가 전술된 데이터베이스로부터 검색될 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(300)은 선택된 위치에 대응하는 링크된 이미지가 없는 경우에 선택된 위치에 가장 가깝게 대응하는 링크된 이미지를 검색하고 디스플레이한다.
따라서, 방법(300)은 사용자가 내부 영역 내의 특정 위치에 대응하는 이미지를 관찰하도록 허용할 수 있다. 이는 내부 영역 내에서의 내비게이션을 용이하게 할 수 있다. 이는 의사가 관심 대상의 특정 위치 또는 특징부를 찾고 그것으로 복귀하는 데 도움을 줄 수 있다. 소정 구현예에서, 의사는 기구 상의 이미징 장치로 촬영된 현재 이미지를, 기구의 내비게이션을 용이하게 하도록 내부 영역 내에서의 위치에 링크된 하나 이상의 이전에 촬영된 이미지와 비교할 수 있다.
도 21b는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위한 다른 예시적인 방법(320)을 예시한 흐름도이다. 방법(320)은 도 1 내지 도 15 및 도 22에 예시된 로봇 시스템 및 다른 것과 같은, 소정의 로봇 시스템에서 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 컴퓨터 장치는 방법(320)을 실행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 장치는 예를 들어 위 또는 아래에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터-판독가능 메모리는 방법(320)을 수행하기 위해 프로세서(들)에 의해 실행될 수 있는 명령어를 저장할 수 있다. 명령어는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
방법(320)은 예를 들어 매우 다양한 의료 절차(예컨대, 내시경술 및/또는 복강경술 절차) 동안, 예를 들어 의료 기구가 신체의 내부 영역 내에서 내비게이션됨에 따라 실행될 수 있다. 내부 영역은 예를 들어 장기, 내강, 내강 네트워크, 및/또는 공동 등일 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(320)은 기구가 내부 영역 내로 도입될 때 개시될 수 있다. 방법(320)은 자동으로(예컨대, 초기화 또는 이벤트의 검출 시에) 또는 수동으로(예컨대, 사용자 입력 또는 명령의 수신 시에) 트리거될 수 있다.
방법(320)은 기구가 신체의 내부 영역 내에서 이동되는 블록(321)에서 시작한다. 기구는 예를 들어 전술된 내시경(13)(도 1), 요관경(32)(도 3), 기구(34)(도 4), 요관경(56)(도 8), 복강경(59)(도 9), 기구(70)(도 13), 또는 기구(86)(도 14), 또는 후술되는 기구(401)(도 22)와 같은 본 명세서에 기술된 임의의 다른 의료 기구일 수 있다. 일부 구현예에서, 기구는 본 개시 전체에 걸쳐 기술된 바와 같이 로봇식 의료 시스템에 의해 제어되는 로봇식 기구일 수 있다.
기구는 본 개시 전체에 걸쳐 기술된 바와 같이 적어도 하나의 위치 센서를 포함할 수 있다. 방법(300)의 일부 구현예에서, 의사는 예를 들어 로봇식 의료 시스템에 명령을 제공함으로써 내부 영역 내에서의 기구의 이동을 제어한다. 의사는 내부 영역 내의 원하는 위치로 기구를 내비게이션하도록 기구의 이동을 제어할 수 있다.
블록(323)에서, 방법(320)은 기구의 이동 동안 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계를 수반한다. 위치 정보는 전술된 바와 같이 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 3 자유도 위치를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 정보는 기구에 대한 더 높은 자유도 위치, 예컨대 5 자유도 위치 또는 6 자유도 위치를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트를 포함한다. 각각의 위치 데이터 세트는 기구의 이동 동안 기구의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 데이터 세트는 기구가 내부 영역을 통해 이동됨에 따라 연속적으로 생성된다. 각각의 위치 데이터 세트는 특정 시점에서의 기구의 위치를 나타낼 수 있다. 이와 같이, 위치 데이터 세트는 기구에 대한 이력 위치의 로그를 포함할 수 있다.
블록(325)에서, 방법(320)은 기구의 이동 동안 내부 영역 내의 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계를 수반한다. 이미지 데이터는 내부 영역의 비디오의 하나 이상의 스틸 이미지를 포함할 수 있다. 블록(325)은 방법(300)의 블록(305)과 유사할 수 있다. 간략함을 위해, 블록(325)의 특징은 여기서 다시 기술되지 않을 것이다.
블록(327)에서, 방법(320)은 각각의 이미지가 캡처된, 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 위치에 기초하여 적어도 하나 이상의 이미지의 서브세트를 적어도 위치 데이터 세트의 서브세트와 링크시키는 단계를 수반한다. 예를 들어, 적어도 하나 이상의 이미지의 서브세트에 대해, 이미지가 촬영된 위치에서 수신된 위치 데이터는 이미지에 링크될(예를 들어, 이미지와 함께 세이브될) 수 있다. 블록(327)은 방법(300)의 블록(307)과 유사할 수 있다. 간략함을 위해, 블록(327)의 특징은 여기서 다시 기술되지 않을 것이다.
블록(329)에서, 방법(320)은, 적어도 하나의 위치 센서에 의해, 기구의 현재 위치를 결정하는 단계를 수반하며, 현재 위치는 복수의 위치 데이터 세트들 중의 현재 위치 데이터 세트에 대응한다. 예를 들어, 방법(320)은, 블록(329)에서, 내부 영역 내에서의 기구의 현재 위치를 결정할 수 있다.
블록(331)에서, 방법(320)은 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지들 중의 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 수반한다. 따라서, 방법(320)은 임의의 링크된 이미지가 기구의 현재 결정된 위치에 대해 이용가능한지 여부를 결정하는 단계를 수반하며, 링크된 이미지를 의사에게 디스플레이하는 단계가 이용가능하다. 이는 유리하게는 의사가 링크된 이미지를 이미징 장치로 촬영된 현재 이미지와 비교함으로써 기구의 위치를 검증하도록 허용할 수 있다. 이미지가 일치하는 경우, 의사는 기구가 그것이 이전에 내비게이션된 위치에 있는 것으로 결론을 내릴 수 있다.
방법(320)은 또한 의사가 시간 경과에 따라 촬영된 이미지를 비교하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 의사는 기구를 후속 절차 동안의 기구의 위치(예컨대, 이행 세포 암종의 영역)로 내비게이션할 수 있다. 방법(320)은 이전 절차 동안 촬영된 관심 대상의 위치의 이미지를 검색 및 디스플레이할 수 있다. 의사는 관심 대상의 위치의 변화를 결정하기 위해 링크된 이미지와 현재 이미지를 비교할 수 있다.
도 19는 링크된 이미지의 디스플레이의 예를 예시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 디스플레이(120)는 해부학적 구조의 표현을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이(120)는 해부학적 구조의 이미지(예컨대, 형광투시 또는 다른 의료 이미지)를 도시한다. 일부 실시예에서, 디스플레이(120)는 컴퓨터 모델과 같은 해부학적 구조의 표현을 도시한다. 사용자가 도 21a를 참조하여 전술된 바와 같이 위치(121)를 선택할 수 있다. 다른 실시예에서, 위치(121)는, 예를 들어 도 21b를 참조하여 전술된 바와 같이, 해부학적 구조 내의 기구의 현재 위치를 나타낼 수 있다. 링크된 이미지(123)가 선택된 위치에 대해 이용가능한 경우, 링크된 이미지(123)는 또한 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 예시된 실시예에서, 링크된 이미지(123)는 신장 결석(125)을 도시한다.
도 22는 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템(400)의 일 실시예의 소정 구성요소를 예시한 블록도이다. 예시된 실시예에서, 시스템(400)은 기구(401)를 포함한다. 기구(401)는 신체의 내부 영역의 내비게이션을 위해 구성된 세장형 본체를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 세장형 본체는 하나 이상의 도구가 그것을 통해 삽입될 수 있는 작업 채널을 포함할 수 있다. 세장형 본체는 관절운동가능할 수 있다. 즉, 일부 구현예에서, 세장형 본체의 형상 또는 자세가 제어될 수 있다. 예를 들어, 세장형 본체는 세장형 본체의 형상 또는 자세를 조절하도록 작동가능한 하나 이상의 풀 와이어 또는 텐돈을 포함할 수 있다.
기구(401)는 또한 위치 센서(402)를 포함한다. 위치 센서는 기구(401)의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)에 관한 위치 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 위치 센서(402)는 예를 들어 전술된 바와 같은 EM 센서일 수 있다. EM 센서는 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드 내에서의 EM 센서의 위치(예컨대, 위치 및/또는 배향)에 관한 위치 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 센서는 기구 상에 위치된 EM 필드 발생기일 수 있다. EM 필드 발생기의 위치는 기구의 위치를 결정하기 위해 환자의 외부에 위치된 복수의 EM 센서에 대해 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 다른 유형의 위치 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(402)는 형상-감지 섬유(예컨대, 광섬유 형상 센서), 임피던스 추적기, 가속도계, 자이로스코프, 초음파 센서, 또는 기구(401)의 위치를 결정하기 위한 임의의 다른 유형의 센서일 수 있다.
예시된 바와 같이, 위치 센서(402)는 기구(401) 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(402)는 세장형 본체의 원위 팁 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 위치 센서(402)는, 기구(401)의 근위 단부 상의 또는 기구가 부착되는 로봇 아암의 모터 팩 상의 토크 센서와 같이, 기구(401) 상에 위치되지 않는다. 위치 센서의 다른 예는 기구의 추정된 자세 및 위치를 모델링하는 데 사용될 수 있는, 로봇식 의료 시스템에 의해 명령되는 이동 데이터, 및/또는 기구의 이동 및 위치를 결정하기 위해 분석될 수 있는, 이미지 상의 이미징 장치로부터 수신되는 비전 데이터를 포함할 수 있다.
기구(401)는 또한 이미징 장치(403)를 포함한다. 이미징 장치(403)는 수신된 광을 나타내는 에너지를 전기 신호로 변환하도록 구성되는 임의의 감광 기판 또는 구조물, 예를 들어 전하-결합 소자(CCD) 또는 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서일 수 있다. 일부 예에서, 이미징 장치(403)는 하나 이상의 광섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미징 장치(403)는 이미지를 나타내는 광을 기구의 원위 단부로부터 이미지 센서로 전송하도록 구성되는 광섬유 번들일 수 있다. 이미징 장치(403)에 의해 캡처된 이미지는 스틸 이미지 및/또는 비디오를 포함할 수 있다.
시스템(400)의 예시된 실시예에서, 기구(401)는 기구 위치설정 장치(404)에 부착된다. 기구 위치설정 장치(404)는 기구(401)를 조작하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기구 위치설정 장치(404)는 기구(401)를 신체의 내부 영역 내로 삽입 또는 후퇴시키도록 그리고/또는 관절운동을 제어하도록(즉, 기구(401)의 형상 또는 자세를 조절하도록) 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기구 위치설정 장치(404)는 기구(401)를 전진 또는 후퇴시키기 위해 이동하도록 구성되는 하나 이상의 로봇 아암을 포함한다. 기구 위치설정 장치(404)는 또한 전술된 바와 같은 기구 장치 조작기를 포함할 수 있다. 기구 장치 조작기는 기구(401)의 관절운동을 제어하기 위해 기구(401)의 풀 와이어 또는 텐돈을 작동시키도록 구성될 수 있다.
시스템(400)은 프로세서(405) 및 메모리(406)를 포함한다. 메모리(406)는 다양한 방법 또는 프로세스를 실행하도록 프로세서(405)를 구성한 명령어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(406)는 프로세서(405)로 하여금 전술된 방법(200)(도 20a), 방법(220)(도 20b), 방법(300)(도 21a), 및/또는 320(도 22b)을 실행하게 하는 명령어를 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 시스템(400)은 또한 의료 이미징 장치(407)를 포함한다. 의료 이미징 장치(407)는 신체의 내부 영역의 기준 이미지를 캡처하도록 구성될 수 있다. 의료 이미징 장치(407)는, 예를 들어 X-선 기계, 초음파, CT 스캐너, 또는 MRI 기계를 포함하는 임의의 유형의 의료 이미저(medical imager)일 수 있다. 의료 이미징 장치(407)는 전술된 바와 같이 사용하기 위한 기준 이미지를 제공하도록 프로세서(405) 및 메모리(406)에 연결될 수 있다.
시스템(400)은 또한 데이터 저장소(408)를 포함한다. 그러한 데이터 저장소(408)는 정보를 저장하기 위한, 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 플래시 드라이브 등과 같은 메모리일 수 있다. 일부 구현예에서, 데이터 저장소(408)는 위치 센서(402)로부터 수신되는 위치 정보 및 이미징 장치(403)로부터 수신되는 이미지 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 데이터 저장소(408)는, 각각의 이미지가 캡처된 위치가 이미지에 링크되도록, 위치 데이터에 링크되는 방식으로 이미지 데이터를 저장한다. 데이터 저장소(408)는 또한 프로세서(405)가 방법(200, 220)을 실행할 때 생성되는 시각적 표지를 저장하도록 구성될 수 있다.
시스템(400)은 또한 디스플레이(409)를 포함한다. 디스플레이(409)는 예를 들어 전자 모니터(예컨대, 액정 디스플레이(LCD) 디스플레이, LED 디스플레이, 또는 터치-감응형 디스플레이), 가상 현실 관찰 장치(예컨대, 고글 또는 안경), 및/또는 다른 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
디스플레이(409)는 절차 동안 의사에게 다양한 정보를 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(409)는 기준 이미지뿐만 아니라 그 상에 중첩되는 시각적 표지를 디스플레이할 수 있다. 다른 예로서, 디스플레이(409)는 위치의 사용자 선택에 관련된 하나 이상의 태깅된 이미지를 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
3. 구현 시스템 및 용어.
본 명세서에 개시된 구현예는 로봇식 의료 기구에 의한 신체의 내부 영역의 매핑 및/또는 내비게이션을 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에 기술된 매핑 및 내비게이션 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.
어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.
개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.
Claims (107)
- 신체의 내부 영역을 매핑하기(mapping) 위한 방법으로서,
상기 신체의 상기 내부 영역의 기준 이미지(reference image)를 디스플레이하는 단계;
적어도 하나의 위치 센서를 포함하는 기구를 상기 신체의 상기 내부 영역 내에서 이동시키는 단계;
상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계로서, 상기 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 위치를 나타내는, 상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계; 및
상기 신체의 상기 내부 영역 내에서의 상기 이동 동안 상기 기구의 이력 위치(historical position)들을 특성화하기 위해 적어도 상기 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지(visual indicia)를 상기 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 기준 이미지는 역방향 신우조영사진(retrograde pyelogram) 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기준 이미지는 형광투시(fluoroscopic) 또는 초음파 이미지를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT) 또는 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI) 절차 동안 캡처되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기준 이미지를 수술중에(intraoperatively) 캡처하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기준 이미지는 수술전에(preoperatively) 캡처되는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기구 상에 위치되는 이미징 장치(imaging device)로부터 기구 이미지 데이터를 수신하는 단계로서, 상기 기구 이미지 데이터는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함하는, 상기 기구 상에 위치되는 이미징 장치로부터 기구 이미지 데이터를 수신하는 단계; 및
적어도 상기 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 이미지를, 상기 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 상기 위치 데이터 세트와 링크시키는(linking) 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제7항에 있어서, 미래의 절차 동안 사용하기 위해 상기 링크된 이미지들을 저장하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서,
위치 선택의 사용자 입력을 수신하는 단계; 및
상기 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제7항에 있어서,
상기 위치 센서에 의해, 상기 기구의 현재 위치를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제7항에 있어서, 상기 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처되는, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하는(tagging) 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 태깅하는 단계는 사용자 입력을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 태깅하는 단계는 상기 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 상기 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기구의 상기 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 상기 시각적 표지를 연결하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시각적 표지는 메시(mesh)를 포함하는, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 메시는 상기 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 메시는 상기 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트로부터 도출되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 지속적 빈도(durational frequency)로 상기 기준 이미지 상에 중첩되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 위치적 빈도(positional frequency)로 상기 기준 이미지 상에 중첩되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 상기 시각적 표지를 저장하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 신체의 상기 내부 영역은 신장을 포함하고, 상기 방법은,
상기 기구를 상기 신장의 신배(calyx) 내로 이동시키는 단계; 및
상기 신장의 상기 신배로의 입구, 상기 신장의 극(pole), 상기 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종(transitional cell cancer)의 영역 중 적어도 하나를 태깅하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
생리학적 이동을 고려하기 위해 상기 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하는 단계; 및
상기 조절된 위치를 상기 기준 이미지 상에 중첩시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도,
기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고;
상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 상기 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 상기 기구의 위치를 나타냄 -;
상기 신체의 상기 내부 영역의 이미지를 디스플레이하고;
상기 신체의 상기 내부 영역 내에서의 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 이력 위치들을 특성화하기 위해 적어도 상기 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지를 상기 이미지 상에 중첩시키게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제27항에 있어서, 기준 이미지는 역방향 신우조영사진 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 기준 이미지는 형광투시 또는 초음파 이미지를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI) 절차 동안 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 기준 이미지를 수술중에 캡처하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 기준 이미지는 수술전에 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
상기 기구 상에 위치되는 이미징 장치로부터 기구 이미지 데이터를 수신하고 - 상기 기구 이미지 데이터는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함함 -;
적어도 상기 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 이미지를, 상기 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 상기 위치 데이터 세트와 링크시키게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제33항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 미래의 절차 동안 사용하기 위해 상기 링크된 이미지들을 저장하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제33항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
위치 선택의 사용자 입력을 수신하고;
상기 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제33항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
상기 위치 센서에 의해, 상기 기구의 현재 위치를 결정하고;
상기 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제33항에 있어서, 상기 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제33항에 있어서, 상기 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제39항에 있어서, 태깅하는 것은 사용자 입력을 수신하는 것을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제39항에 있어서, 태깅하는 것은 상기 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 것을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제39항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 기준 이미지 상에 중첩시키게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 기구의 상기 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 상기 시각적 표지를 연결하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 시각적 표지는 메시를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제44항에 있어서, 상기 메시는 상기 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제45항에 있어서, 상기 메시는 상기 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트로부터 도출되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 지속적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 위치적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 상기 시각적 표지를 저장하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제27항에 있어서, 상기 신체의 상기 내부 영역은 신장을 포함하고, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
상기 기구를 상기 신장의 신배 내로 이동시키고;
상기 신장의 상기 신배로의 입구, 상기 신장의 극, 상기 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종의 영역 중 적어도 하나를 태깅하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
생리학적 이동을 고려하기 위해 상기 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하고;
상기 조절된 위치를 기준 이미지 상에 중첩시키게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 로봇 수술 시스템(robotic surgical system)으로서,
세장형 본체 및 상기 세장형 본체 상에 배치되는 적어도 하나의 위치 센서를 갖는 기구;
실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및
상기 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 상기 명령어들을 실행하여 상기 시스템으로 하여금 적어도,
상기 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고;
상기 기구의 상기 이동 동안 상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고;
상기 신체의 상기 내부 영역의 이미지를 디스플레이하고;
상기 신체의 상기 내부 영역 내에서의 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 이력 위치들을 특성화하기 위해 적어도 위치 데이터 세트들의 서브세트로부터 도출되는 시각적 표지를 상기 이미지 상에 중첩시키게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 로봇 수술 시스템. - 제53항에 있어서, 상기 위치 센서는 전자기 센서(electromagnetic sensor)를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 위치 센서는 형상 감지 섬유(shape sensing fiber)를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 세장형 본체의 원위 단부 상에 위치되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 기구는 내시경(endoscope)을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 기구는 요관경(ureteroscope)을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 세장형 본체는 상기 기구의 자세를 제어하도록 관절운동가능한(articulable), 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 로봇 수술 시스템은 상기 기구에 연결되는 기구 위치설정 장치를 추가로 포함하고, 상기 기구 위치설정 장치는 상기 기구를 조작하도록 구성되는, 로봇 수술 시스템.
- 제60항에 있어서, 상기 기구 위치설정 장치는 로봇 아암(robotic arm)을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 기준 이미지는 역방향 신우조영사진 절차 동안 캡처되는 이미지를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 기준 이미지는 형광투시 또는 초음파 이미지를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 기준 이미지는 컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI) 절차 동안 캡처되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 기준 이미지를 수술중에 캡처하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 기준 이미지는 수술전에 캡처되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금,
상기 기구 상에 위치되는 이미징 장치로부터 기구 이미지 데이터를 수신하고 - 상기 기구 이미지 데이터는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 이미징 장치에 의해 캡처되는 복수의 이미지들을 포함함 -;
적어도 상기 복수의 이미지들의 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 이미지를, 상기 이미지가 캡처된 위치를 나타내는 상기 위치 데이터 세트와 링크시키게 하는, 로봇 수술 시스템. - 제67항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 미래의 절차 동안 사용하기 위해 상기 링크된 이미지들을 저장하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제67항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
위치 선택의 사용자 입력을 수신하고;
상기 사용자 입력에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 하는, 로봇 수술 시스템. - 제67항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금,
상기 위치 센서에 의해, 상기 기구의 현재 위치를 결정하고;
상기 결정된 현재 위치에 대응하는 링크된 이미지를 디스플레이하게 하는, 로봇 수술 시스템. - 제53항에 있어서, 기구 이미지 데이터는 자동으로 캡처되는, 로봇 수술 시스템.
- 제67항에 있어서, 상기 기구 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 내부 영역 내의 관심 대상의 위치 또는 특징부를 태깅하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제73항에 있어서, 태깅하는 것은 사용자 입력을 수신하는 것을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제73항에 있어서, 태깅하는 것은 상기 관심 대상의 위치 또는 특징부를 자동으로 검출하는 것을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제73항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 태깅된 관심 대상의 위치 또는 특징부를 기준 이미지 상에 중첩시키게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 기구의 상기 이동의 이력 경로를 특성화하기 위해 상기 시각적 표지를 연결하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 시각적 표지는 메시를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제78항에 있어서, 상기 메시는 상기 내부 영역의 해부학적 구조를 나타내는, 로봇 수술 시스템.
- 제79항에 있어서, 상기 메시는 상기 기구 상의 이미징 장치로부터 수신되는 이미지 데이터 및 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트로부터 도출되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 지속적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 위치적 빈도로 기준 이미지 상에 중첩되는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 시각적 표지를 수술중에 디스플레이하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 미래의 의료 절차 동안 사용하기 위해 상기 시각적 표지를 저장하게 하는, 로봇 수술 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 신체의 상기 내부 영역은 신장을 포함하고, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금,
상기 기구를 상기 신장의 신배 내로 이동시키고;
상기 신장의 상기 신배로의 입구, 상기 신장의 극, 상기 신장 내의 결석, 및 이행 세포 암종의 영역 중 적어도 하나를 태깅하게 하는, 로봇 수술 시스템. - 제53항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금,
생리학적 이동을 고려하기 위해 상기 위치 센서에 의해 결정되는 위치를 조절하고;
상기 조절된 위치를 기준 이미지 상에 중첩시키게 하는, 로봇 수술 시스템. - 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 장치의 프로세서로 하여금 적어도,
기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고;
상기 기구의 이동 동안 상기 기구의 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 상기 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 위치를 나타냄 -;
상기 기구의 상기 이동 동안 상기 내부 영역 내의 상기 기구의 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하고 - 상기 이미지 데이터는 상기 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 상기 이미징 장치에 의해 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함함 -;
각각의 이미지가 캡처된, 상기 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 상기 위치에 기초하여 적어도 상기 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 상기 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키고;
위치 선택을 포함하는 사용자 입력을 결정하고;
상기 위치 선택에 대응하는 상기 링크된 이미지들 중의 링크된 이미지를 디스플레이하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제87항에 있어서, 사용자 명령을 결정하는 것은 상기 사용자 명령을 수신하는 것을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 이미지 데이터는 스틸 이미지(still image)를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 이미지 데이터는 비디오를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 지속적 빈도로 선택되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 위치 데이터 세트들의 상기 서브세트는 위치적 빈도로 선택되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 위치 정보는 상기 기구의 배향을 나타내는 정보를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 이미지 데이터는 자동으로 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 이미지 데이터는 사용자 명령의 수신 시에 캡처되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 제87항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금,
현재 위치와 연관되는 사용자 입력을 수신하고;
상기 사용자 입력을, 상기 현재 위치에 대응하는 상기 링크된 이미지와 링크시키게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체. - 제96항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금, 상기 이미지 데이터의 이미지 내에서, 관심 대상의 특징부를 검출하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
- 신체의 내부 영역을 내비게이션하기(navigating) 위한 로봇 수술 시스템으로서,
기구로서,
세장형 본체,
상기 세장형 본체 상에 배치되는 적어도 하나의 위치 센서, 및
상기 세장형 본체 상에 배치되는 이미징 장치를 포함하는, 상기 기구;
실행가능 명령어들을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리; 및
상기 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리와 통신하고, 상기 명령어들을 실행하여 상기 시스템으로 하여금 적어도,
상기 기구를 신체의 내부 영역 내에서 이동시키고;
상기 기구의 이동 동안 상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하고 - 상기 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 위치를 나타냄 -;
상기 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하고 - 상기 이미지 데이터는 상기 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 상기 이미징 장치에 의해 상기 기구의 상기 이동 동안 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함함 -;
각각의 이미지가 캡처된, 상기 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 상기 위치에 기초하여 적어도 상기 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 상기 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키게 하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 로봇 수술 시스템. - 제98항에 있어서, 상기 위치 센서는 EM 센서를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 위치 센서는 형상 감지 섬유를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 세장형 본체의 원위 단부 상에 위치되는, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 기구는 내시경을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 기구는 요관경을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 세장형 본체는 상기 기구의 자세를 제어하도록 관절운동가능한, 로봇 수술 시스템.
- 제98항에 있어서, 상기 로봇 수술 시스템은 상기 기구에 연결되는 기구 위치설정 장치를 추가로 포함하고, 상기 기구 위치설정 장치는 상기 기구를 조작하도록 구성되는, 로봇 수술 시스템.
- 제105항에 있어서, 상기 기구 위치설정 장치는 로봇 아암을 포함하는, 로봇 수술 시스템.
- 신체의 내부 영역을 내비게이션하기 위한 방법으로서,
적어도 하나의 위치 센서 및 적어도 하나의 이미징 장치를 포함하는 기구를 상기 신체의 상기 내부 영역 내에서 이동시키는 단계;
상기 기구의 상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계로서, 상기 위치 정보는 복수의 위치 데이터 세트들을 포함하고, 각각의 위치 데이터 세트는 상기 기구의 상기 이동 동안 상기 기구의 위치를 나타내는, 상기 기구의 상기 적어도 하나의 위치 센서로부터 위치 정보를 수신하는 단계;
상기 기구의 상기 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계로서, 상기 이미지 데이터는 상기 내부 영역 내의 하나 이상의 위치들에서 상기 이미징 장치에 의해 캡처되는 하나 이상의 이미지들을 포함하는, 상기 기구의 상기 이미징 장치로부터 이미지 데이터를 수신하는 단계;
각각의 이미지가 캡처된, 상기 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 상기 위치에 기초하여 적어도 상기 하나 이상의 이미지들의 서브세트를 적어도 상기 위치 데이터 세트들의 서브세트와 링크시키는 단계;
상기 적어도 하나의 위치 센서에 의해, 상기 기구의 현재 위치를 결정하는 단계로서, 상기 현재 위치는 상기 복수의 위치 데이터 세트들 중의 현재 위치 데이터 세트에 대응하는, 상기 적어도 하나의 위치 센서에 의해, 상기 기구의 현재 위치를 결정하는 단계; 및
사용자 디스플레이 상에, 상기 현재 위치 데이터 세트와 링크된 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함하는, 방법.
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