KR20200140299A - 위치 센서의 정합을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20200140299A
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아우리스 헬스, 인코포레이티드
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Abstract

위치 센서의 정합을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 일 태양에서, 시스템은 기구, 및 기구를 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 구동시키기 위해 제1 세트의 명령들을 제공하도록 구성되는 프로세서를 포함하고, 제1 분지부는 모델 내의 표적으로의 경로 외측에 있다. 프로세서는 또한 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적하도록 그리고 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하도록 구성된다. 프로세서는 제1 분지부 및 제2 분지부를 따른 기구의 구동 동안 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 기초하여 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하도록 추가로 구성된다.

Description

위치 센서의 정합을 위한 시스템 및 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 2018년 3월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/649,513호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 위치 센서의 정합(registration)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 위치 센서 좌표계를 다른 좌표계에 정합시키는(registering) 것에 관한 것이다.
내시경술(예컨대, 기관지경술)과 같은 의료 절차는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 내강 네트워크(luminal network)(예컨대, 기도) 내로의 의료 도구의 삽입을 수반할 수 있다. 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)은 의료 절차 동안 의료 도구의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 수술 로봇 시스템은 의료 절차 전에 그리고 그 동안에 의료 도구의 위치설정을 제어하는 데 사용될 수 있는 조작기 조립체(manipulator assembly)를 포함하는 적어도 하나의 로봇 아암(robotic arm)을 포함할 수 있다. 수술 로봇 시스템은 위치 센서 좌표계에 대한 의료 도구의 원위 단부의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되는 위치 센서(들)를 추가로 포함할 수 있다.
수술 로봇 시스템은 모델 좌표계에 대해 한정될 수 있는, 환자의 내강 네트워크의 모델을 추가로 이용할 수 있다. 위치 센서 좌표계는 모델 좌표계에 정합되지 않을 수 있고, 따라서 시스템은 위치 센서(들)로부터 수신되는 위치 데이터가 모델에 대한 의료 도구의 원위 단부의 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있도록 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 달성하기 위한 프로세스를 수행할 수 있다.
본 개시의 시스템, 방법 및 장치는 각각 여러 혁신적인 태양을 가지며, 그 중 어떠한 단일 태양도 단독으로 본 명세서에 개시된 바람직한 속성의 원인이 되는 것은 아니다.
일 태양에서, 시스템으로서, 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 포함하는 기구(instrument)로서, 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되는, 기구; 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되는 기구 조작기들의 세트; 프로세서들의 세트; 및 프로세서들의 세트와 통신하고, 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리로서, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함하는, 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리를 포함하는, 시스템이 제공된다. 메모리는 프로세서들의 세트로 하여금, 기구를 내강 네트워크의 제1 분지부(branch)를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있음 -, 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터(registration parameter)들의 세트를 추적하고; 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하고, 기구를 다시 경로로 복귀시키고 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있음 -; 제1 분지부 및 제2 분지부를 따른 기구의 구동 동안 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 기초하여 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장할 수 있다.
다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 명령어들은, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금, 기구를 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 기구는 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 포함하고, 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되고, 기구 조작기들의 세트는 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되고, 메모리가 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장하고, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함하고, 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있음 -; 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적하고; 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하고; 기구를 다시 경로로 복귀시키고 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있음 -; 제1 분지부 및 제2 분지부를 따른 기구의 구동 동안 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 기초하여 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 제공된다.
또 다른 태양에서, 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 정합시키는 방법으로서, 기구를 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계로서, 기구는 위치 센서들의 세트를 포함하고, 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되고, 기구 조작기들의 세트는 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되고, 메모리가 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장하고, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함하고, 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있는, 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계; 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적하는 단계; 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하는 단계, 기구를 다시 경로로 복귀시키고 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계로서, 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있는, 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계; 및 제1 분지부 및 제2 분지부를 따른 기구의 구동 동안 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 기초하여 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
또한 또 다른 태양에서, 하나 이상의 프로세서들의 세트, 및 프로세서들의 세트와 통신하고 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리를 포함하는 시스템으로서, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함하고, 메모리는 프로세서들의 세트로 하여금, 디스플레이 장치를 통해 내강 네트워크를 디스플레이하기 위한 명령어들을 제공하고, 모델 좌표계 내의 표적의 위치의 표시를 수신하고; 내강 네트워크 내의 제1 분지부 및 제2 분지부를 식별하고 - 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있고, 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있음 -, 기구의 원위 단부를 제1 분지부를 따라, 다시 제1 분지부로부터 경로로, 그리고 제2 분지부를 따라 구동시키기 위한 명령어들의 세트를 생성하고 - 명령어들에 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터가 위치 데이터의 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 용이하게 함 -; 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 추적되는 하나 이상의 정합 파라미터들에 대한 정합 기준을 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장한, 시스템이 제공된다.
또 다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 명령어들은, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금, 디스플레이 장치를 통해 내강 네트워크를 디스플레이하기 위한 명령어들을 제공하고 - 내강 네트워크는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장되고, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함함 -; 모델 좌표계 내의 표적의 위치의 표시를 수신하고; 내강 네트워크 내의 제1 분지부 및 제2 분지부를 식별하고 - 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있고, 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있음 -; 기구의 원위 단부를 제1 분지부를 따라, 다시 제1 분지부로부터 경로로, 그리고 제2 분지부를 따라 구동시키기 위한 명령어들의 세트를 생성하고 - 명령어들에 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터가 위치 데이터의 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 용이하게 함 -; 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 추적되는 하나 이상의 정합 파라미터들에 대한 정합 기준을 결정하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 제공된다.
다른 태양에서, 수술전 계획의 방법으로서, 디스플레이 장치를 통해 내강 네트워크를 디스플레이하기 위한 명령어들을 제공하는 단계로서, 내강 네트워크는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장되고, 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함하는, 명령어들을 제공하는 단계; 모델 좌표계 내의 표적의 위치의 표시를 수신하는 단계; 내강 네트워크 내의 제1 분지부 및 제2 분지부를 식별하는 단계로서, 제1 분지부는 표적으로의 경로 외측에 있고, 제2 분지부는 표적으로의 경로의 부분에 있는, 제1 분지부 및 제2 분지부를 식별하는 단계; 기구의 원위 단부를 제1 분지부를 따라, 다시 제1 분지부로부터 경로로, 그리고 제2 분지부를 따라 구동시키기 위한 명령어들의 세트를 생성하는 단계로서, 명령어들에 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터가 위치 데이터의 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 용이하게 하는, 명령어들의 세트를 생성하는 단계; 및 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 추적되는 하나 이상의 정합 파라미터들에 대한 정합 기준을 결정하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
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 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 절차를 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 개시된 내비게이션 시스템(navigation system) 및 기법의 하나 이상의 태양을 구현하는 예시적인 수술 환경을 예시한 도면.
도 16b는 도 16a의 수술 환경에서 내비게이션될 수 있는 예시적인 내강 네트워크를 예시한 도면.
도 16c는 도 16b의 내강 네트워크를 통한 기구 이동을 안내하기 위한 로봇 시스템의 예시적인 로봇 아암을 예시한 도면.
도 17은 예를 들어, 예시적인 수술 환경에서 명령 콘솔로서 사용될 수 있는 예시적인 명령 콘솔을 예시한 도면.
도 18은 본 명세서에 기술된 바와 같은 이미징 및 EM 감지 능력을 갖는 예시적인 기구, 예를 들어 도 16a 내지 도 16c의 기구의 원위 단부를 예시한 도면.
도 19는 본 개시의 태양에 따른, 위치 센서 정합이 수행될 수 있는 예시적인 내강 네트워크를 예시한 도면.
도 20a는 본 개시의 태양에 따른, 위치 센서 좌표계를 반대측으로 정합시키기(contra-laterally registering) 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 20b는 본 개시의 태양에 따른, 반대측 정합(contra-lateral registration)을 용이하게 하기에 충분한 위치 데이터가 수신되었는지 여부를 결정하기 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 21은 본 개시의 태양에 따른, 내강 네트워크의 모델에 대한 위치 데이터를 예시한 도면.
도 22는 본 개시의 태양에 따른, 반대측 정합 프로세스를 수행하지 않는 위치 데이터의 정합의 예를 예시한 도면.
도 23은 본 개시의 태양에 따른, 수술전 계획을 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
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(robotically-enabled) 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 기관지경일 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 위내시경으로 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 스풀(spring spool)들의 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(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터(mapping data), 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 이미징(fluoroscopic imaging)을 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 복강경과 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 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. 위치 데이터(96)는 또한 본 명세서에서, 환자의 해부학적 구조의 모델(예컨대, 골격 모델(skeletal model))에 대한 의료 기구의 원위 팁의 현재 상태를 기술하는 "상태 데이터(state data)"로 지칭될 수 있다. 상태 데이터는 주어진 샘플 기간 동안 의료 기구의 원위 팁의 위치 및 배향과 같은 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 환자의 해부학적 구조가 내강 네트워크의 중간점에 기초하여 골격 모델을 사용하여 모델링될 때, 위치는 세그먼트 ID 및 그 세그먼트를 따른 깊이의 형태를 취할 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(3D) 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 3D 볼륨(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. 수술중에, 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 맵(topological map)의 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 수술중에 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. 수술중에, 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. 위치 센서의 정합에 대한 도입.
본 개시의 실시예는 하나 이상의 위치 센서에 의해 사용되는 좌표계를 해부학적 모델에 의해 사용되는 좌표계와 같은 다른 좌표계와 정합시키기 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 정합은 위치 센서 데이터를 해부학적 모델의 좌표계로 매핑하기 위해 위치 센서 데이터에 적용될 수 있는 변환을 지칭할 수 있다. 따라서, 정합은 위치 센서 데이터에 기초하여 해부학적 모델에 대한 하나 이상의 위치 센서(들)의 위치를 결정하기 위해 시스템에 의해 사용될 수 있다. 위치 센서(들)는 의료 절차 동안 해부학적 위치에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 위치 센서(들)는 기구의 원위 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있거나, 기구의 원위 단부로부터 원격에 위치될 수 있다. 기구의 원위 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있는 위치 센서의 예는 EM 센서, 비전-기반 위치 센서(예컨대, 카메라), 형상 감지 섬유 등을 포함한다. 기구의 원위 단부로부터 원격에 위치될 수 있는 위치 센서의 예는 형광투시 이미징 장치, 하나 이상의 기구 조작기를 통해 기구의 위치를 제어하는 데 사용되는 로봇 데이터 등을 포함한다.
위치 센서는 위치 센서 좌표계에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성될 수 있다. 위치 센서가 기구의 원위 단부와 병치될 때, 위치 데이터는 위치 센서 자체의 위치를 나타낼 수 있으며, 이는 이어서 기구의 원위 단부의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 소정 실시예에서, 위치 센서 좌표계는 위치 센서를 구현하는 데 사용되는 특정 기법에 기초하여 한정될 수 있는 축 및 원점의 세트를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기구 내에 또는 기구 상에 위치되는 EM 센서는 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드를 측정하도록 구성될 수 있다. EM 필드의 특성, 및 그에 따라 EM 센서에 의해 측정되는 EM 값은 EM 필드 발생기의 위치 및 배향에 대해 한정될 수 있다. 따라서, EM 필드 발생기의 위치설정은 EM 센서에 의해 측정되는 값에 영향을 미칠 수 있고, 또한 EM 좌표계의 위치 및 배향을 한정할 수 있다.
전술된 바와 같이, 환자의 내강 네트워크는 예를 들어 내강 네트워크의 모델을 생성하기 위해 저 선량 CT 스캔을 사용하여 수술전에 매핑될 수 있다. 모델이 기구의 원위 단부의 위치를 찾아내는 데 사용되는 것과 상이한 기법을 통해 생성될 수 있기 때문에, 모델 좌표계는 위치 센서 좌표계와 정렬되지 않을 수 있다. 따라서, 위치 센서 좌표계를 사용하여 모델에 대한 기구의 위치를 추적하기 위해, 본 개시의 소정 태양은 위치 센서 좌표계를 모델 좌표계에 "정합시키는" 것에 관한 것이다. 이러한 정합은 예를 들어 위치 센서 좌표계로부터의 위치 데이터를 모델 좌표계로 매핑하기 위해 위치 데이터에 적용될 수 있는 병진 및/또는 회전을 포함할 수 있다.
내강 네트워크의 모델이 환자의 내강 네트워크의 매핑을 제공하기 때문에, 모델 좌표계는 환자에 대해 "고정"되거나 한정된다. 즉, 모델 좌표계에 대한 기준 프레임은 절차 동안 환자의 위치 및/또는 배향에 기초한다. 위치 센서 좌표계를 모델 좌표계에 정합시키는 것의 하나의 문제는 위치 센서 좌표계에 대한 기준 프레임이 환자에 대해 "고정"되거나 사전한정되지 않을 수 있다는 것이다. 예를 들어, 위치 센서가 EM 센서로서 구현될 때, EM 좌표계에 대한 기준 프레임은 EM 필드 발생기일 수 있다. 그러나, 소정 구현예에서, EM 필드 발생기는 EM 필드 발생기가 로봇 수술 시스템의 다른 요소(예컨대, 로봇 아암, C-아암 등)의 경로 외부에 위치될 수 있도록 소정 영역 내에 자유롭게 위치될 수 있다. EM 필드 발생기의 위치, 및 그에 따라 EM 좌표계의 기준 프레임은 사전한정되지 않기 때문에, 시스템은 EM 좌표계를 모델 좌표계에 정합시키는 프로세스를 수행하도록 구성될 수 있다.
EM 좌표계를 모델 좌표계에 정합시키기 위한 하나의 기법은 수술전 모델 내의 복수의 위치를 식별하는 수술전 단계 및 기구를 이러한 위치들 각각으로 구동시키라는 명령어를 사용자에게 제공하는 수술중 단계를 포함할 수 있다. 시스템은 다른 형태의 내비게이션(예컨대, 카메라 피드백)에 의존하여, 기구를 위치들 각각으로 구동시키도록 사용자에게 지시할 수 있고, 시스템은 기구가 식별된 위치들 각각에 위치될 때를 확인하는 입력을 사용자로부터 수신하도록 추가로 구성될 수 있다. 사용자로부터 수신된 확인, EM 데이터, 및 모델 내의 식별된 위치를 사용하여, 시스템은 EM 데이터를 식별된 위치에 매핑하는 정합을 결정할 수 있다. 이어서, 이러한 정합은 기구의 원위 단부의 위치를 나타내는 EM 데이터를 절차의 나머지 부분을 위해 모델에 매핑하는 데 사용될 수 있다.
그러나, 전술된 정합 프로세스는 사용자에게 복잡하고 시간 소모적일 수 있다. 예를 들어, 충분히 강건한 정합을 제공하기 위해, 시스템은 공간적으로 다양한 비교적 다수의 위치(예컨대, 6개 이상의 위치)를 식별하도록 요구될 수 있다(예컨대, 식별된 위치는 서로 적어도 소정 거리로 이격되도록 요구될 수 있음). 따라서, 본 개시의 소정 태양은 단순화된 프로세스를 통해 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 제공할 수 있는 시스템 및 기법에 관한 것이다.
A. EM 내비게이션-안내식 기관지경술.
이하에서, 위치 센서의 정합은 EM 내비게이션-안내식 기관지경술 절차에 사용하기 위한 EM 센서의 정합의 실시예에 관하여 기술될 것이다. 그러나, 본 개시의 태양은 또한 대응하는 위치 센서 좌표계 내에서 위치 데이터를 생성할 수 있는 다른 위치 센서뿐만 아니라, 다른 의료 유형의 의료 절차에 적용될 수 있다.
기관지경은 의사가 환자의 기관(windpipe) 및 기도를 검사하도록 허용하는 광원 및 소형 카메라를 포함할 수 있다. 환자 외상은 환자 기도 내에서의 기관지경의 정확한 위치가 알려져 있지 않은 경우에 발생할 수 있다. 기관지경의 위치를 확인하기 위해, 이미지-기반 기관지경술 안내 시스템은 기관지경 카메라로부터의 데이터를 사용하여 환자 기도의 분기(bifurcation)에서 국소 정합(예컨대, 내강 네트워크 내의 특정 위치에서의 정합)을 수행할 수 있고, 따라서 유리하게는 환자 호흡 운동으로 인한 위치 오차에 덜 민감할 수 있다. 그러나, 이미지-기반 안내 방법이 기관지경 비디오에 의존하기 때문에, 그들은 환자 기침 또는 점액성 폐색(mucous obstruction) 등에 의해 유발되는 기관지경 비디오의 아티팩트(artifact)에 의해 영향을 받을 수 있다.
EM 내비게이션-안내식 기관지경술은 폐의 기관지 경로를 통해 내시경술 도구 또는 카테터의 위치를 결정하고 안내하기 위해 EM 기법을 구현하는 유형의 기관지경술 절차이다. EM 내비게이션-안내식 기관지경술 시스템은, 저-강도의 다양한 EM 필드를 방출하고 환자의 내강 네트워크 주위의 추적 볼륨의 위치를 설정하는 EM 필드 발생기를 사용할 수 있다. EM 필드는 필드 부근의 대전된 물체의 거동에 영향을 주는, 전기적으로 대전된 물체에 의해 생성되는 물리적 필드이다. 기구에 부착된 EM 센서는, 생성된 필드 내에 위치될 때, EM 필드 내의 기구의 위치 및 배향을 추적하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 전자기장에 의해 EM 센서에서 소전류(small current)가 유도된다. 이들 전기 신호의 특성은 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도에 의존한다. 따라서, EM 내비게이션-안내식 기관지경술 시스템은 EM 필드 발생기, 그의 원위 팁에 또는 그 부근에 하나 이상의 EM 센서를 갖는 조향가능 기구, 및 안내 컴퓨팅 시스템을 포함할 수 있다. EM 필드 발생기는 내비게이션될 환자의 내강 네트워크, 예를 들어 기도, 위장관, 또는 순환 경로 주위에 EM 필드를 생성한다. 조향가능 채널은 기관지경의 작업 채널을 통해 삽입되어 EM 센서를 통해 EM 필드 내에서 추적된다.
EM 내비게이션-안내식 기관지경술 절차의 시작 전에, 환자의 특정 기도 구조에 대해, 예를 들어 수술전 CT 흉부 스캔으로부터 가상 3D 기관지 모델이 획득될 수 있다. 모델 및 EM 내비게이션-안내식 기관지경술 시스템을 사용하여, 의사는 방사선치료를 안내하거나 근접치료 카테터를 안내하도록 병변을 생검하고, 림프절의 병기를 구분하고, 마커를 삽입하기 위해 폐 내의 원하는 위치로 내비게이션할 수 있다. 예를 들어, EM 좌표계와 모델 좌표계 사이의 매핑을 생성하기 위한 절차의 시작 시에 정합이 수행될 수 있다. 따라서, 기구가 기관지경술 동안 추적됨에 따라, 모델 좌표계 내의 기구의 위치는 EM 센서로부터의 위치 데이터에 기초하여 명목상 알려지게 된다.
도 16a는 개시된 내비게이션 시스템 및 기법의 하나 이상의 태양을 구현하는 예시적인 수술 환경(100)을 예시한다. 수술 환경(100)은 환자(101), 환자(101)를 지지하는 플랫폼(102), 기구(115)의 이동을 안내하는 수술 또는 의료 로봇 시스템(110), 로봇 시스템(110)의 작동을 제어하기 위한 명령 센터(105), EM 제어기(135), EM 필드 발생기(120), 및 EM 센서(125, 130)를 포함한다. 도 16a는 또한 도 16b에 더 상세히 도시된, 환자(101) 내의 내강 네트워크(140)의 영역의 윤곽을 예시한다.
시스템(110)은 환자(101)의 내강 네트워크(140)를 통해 기구(115)를 위치설정하고 그의 이동을 안내하기 위한 하나 이상의 로봇 아암을 포함할 수 있다. 명령 센터(105)는 위치 데이터를 수신하고/하거나 사용자로부터의 제어 신호를 제공하기 위해 로봇 시스템(110)에 통신가능하게 결합될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "통신가능하게 결합된"은 무선 광역 통신망(WWAN)(예컨대, 하나 이상의 셀룰러 네트워크), 무선 근거리 통신망(WLAN)(예컨대, IEEE 802.11 (Wi-Fi)와 같은 하나 이상의 표준으로 구성됨), 블루투스, 데이터 전송 케이블 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 유선 및/또는 무선 데이터 전송 매체를 지칭한다. 로봇 시스템(110)은 도 1 내지 도 15에 관하여 전술된 시스템들 중 임의의 것일 수 있다. 시스템(110)의 일 실시예가 도 16c에 관하여 더 상세히 논의되고, 명령 센터(105)는 도 17에 관하여 더 상세히 논의된다.
기구(115)는, 환자의 해부학적 구조 내로 삽입되어 해부학적 구조(예컨대, 신체 조직)의 이미지를 캡처하고 다른 의료 기구를 표적 조직 부위로 삽입하기 위한 작업 채널을 제공하는 튜브형이고 가요성인 수술 기구일 수 있다. 전술된 바와 같이, 기구(115)는 절차-특정적 내시경, 예를 들어 기관지경, 위내시경, 또는 요관경일 수 있거나, 복강경 또는 혈관 조향가능 카테터일 수 있다. 기구(115)는 그의 원위 단부에 하나 이상의 이미징 장치(예컨대, 카메라 또는 다른 유형의 광학 센서)를 포함할 수 있다. 이미징 장치는 광섬유, 섬유 어레이, 감광 기판(photosensitive substrate), 및/또는 렌즈(들)와 같은 하나 이상의 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 광학 구성요소는 기구(115)의 팁과 함께 이동하여, 기구(115)의 팁의 이동이 이미징 장치에 의해 캡처되는 이미지의 시야에 대한 대응하는 변화를 생성하게 한다. 내강 네트워크(140) 주위에 생성되는 EM 필드 내에서 원위 단부의 위치를 추적하기 위한 하나 이상의 EM 센서(125)가 기구(115)의 원위 단부에 제공될 수 있다. 기구(115)의 원위 단부는 도 18을 참조하여 추가로 후술된다.
EM 제어기(135)는 다양한 EM 필드를 생성하도록 EM 필드 발생기(120)를 제어할 수 있다. EM 필드는 실시예에 따라 시변(time-varying)이고/이거나 공간적으로 변화할 수 있다. EM 필드 발생기(120)는 일부 실시예에서 EM 필드 발생 보드일 수 있다. 개시된 환자 내비게이션 시스템의 일부 실시예는 환자와 환자를 지지하는 플랫폼(102) 사이에 위치되는 EM 필드 발생기 보드를 사용할 수 있으며, EM 필드 발생기 보드는 그 아래에 위치되는 전도성 또는 자기 재료에 의해 유발되는 임의의 추적 왜곡을 최소화하는 얇은 장벽을 통합할 수 있다. 다른 실시예에서, EM 필드 발생기 보드는, 예를 들어 환자 주위에서의 유연한 설정 옵션을 제공할 수 있는, 로봇 시스템(110)에 도시된 것과 유사한 로봇 아암 상에 장착될 수 있다.
도 16b는 도 16a의 수술 환경(100)에서 내비게이션될 수 있는 예시적인 내강 네트워크(140)를 예시한다. 내강 네트워크(140)는 환자(101)의 기도(150)의 분지 구조(branched structure), 주 분기부(carina)(156)(전형적으로 기관지경술 내비게이션 동안 마주치는 제1 분기)로 이어지는 기관(154), 및 진단 및/또는 처치를 위해 본 명세서에 기술된 바와 같이 접근될 수 있는 결절(또는 병변)(155)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 결절(155)은 기도(150)의 주변부에 위치된다. 기구(115)는 제1 직경을 갖는 시스(141)를 포함할 수 있고, 따라서 시스(141)의 원위 단부는 결절(155) 주위에서 소-직경 기도를 통해 위치되지 못할 수 있다. 따라서, 스코프(scope)(145)가 기구(115)의 작업 채널로부터 그리고 결절(155)까지의 나머지 거리에 걸쳐 연장된다. 스코프(145)는 기구, 예를 들어 생검 바늘, 세포채취용 브러시(cytology brush), 및/또는 조직 샘플링 겸자가 그것을 통해 결절(155)의 표적 조직 부위로 통과될 수 있는 루멘을 가질 수 있다. 그러한 구현예에서, 시스(141)의 원위 단부 및 스코프(145)의 원위 단부 둘 모두에는 기도(150) 내에서의 그들 각각의 위치를 추적하기 위한 EM 센서가 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 3D 내강 네트워크 모델의 2D 디스플레이 또는 3D 모델의 단면은 도 16b와 유사할 수 있다. 추정된 위치 정보는 그러한 표현 상으로 오버레이될 수 있다.
도 16c는 도 16b의 내강 네트워크(140)를 통한 기구 이동을 안내하기 위한 로봇 시스템(110)의 예시적인 로봇 아암(175)을 예시한다. 로봇 아암(175)은 일부 실시예에서 전술된 로봇 아암(12, 39)을 포함할 수 있고, 다양한 실시예에서 카트 기부(15), 환자 플랫폼(38)의 칼럼(37), 또는 천장-기반 마운트를 포함할 수 있는 기부(180)에 결합된다. 전술된 바와 같이, 로봇 아암(175)은 로봇 아암(175)에 다수의 자유도를 제공하는 조인트(165)에서 결합되는 다수의 아암 세그먼트(170)를 포함한다.
로봇 아암(175)은 기구 조작기(190), 예를 들어 전술된 기구 조작기(62)에, 예컨대 메커니즘 체인저 인터페이스(mechanism changer interface, MCI)(160)를 사용하여 결합될 수 있다. 기구 조작기(190)는 제거되어, 상이한 유형의 기구 조작기, 예를 들어 내시경을 조작하도록 구성되는 제1 유형의 기구 조작기 또는 복강경을 조작하도록 구성되는 제2 유형의 기구 조작기로 교체될 수 있다. MCI(160)는 로봇 아암(175)으로부터 기구 드라이버(190)로 공압, 전력, 전기 신호, 및 광학 신호를 전달하는 커넥터를 포함한다. MCI(160)는 세트 스크류 또는 기부 플레이트 커넥터일 수 있다. 기구 조작기(190)는 기구, 예를 들어 기구(115)를, 직접 구동, 하모닉 구동(harmonic drive), 기어식 구동, 벨트 및 풀리, 자기 구동 등을 포함하는 기법을 사용하여 조작한다. MCI(160)는 기구 조작기(190)의 유형에 기초하여 교환가능하고, 소정 유형의 수술 절차에 대해 맞춤화될 수 있다. 로봇 아암(175)은 원위 단부에 리스트 및 조인트 레벨 토크 감지를 포함할 수 있다.
로봇 시스템(110)의 로봇 아암(175)은 기구(115)의 팁을 편향시키기 위해 전술된 바와 같은 텐돈을 사용하여 기구(115)를 조작할 수 있다. 기구(115)는 세장형 이동 부재에 의해 인가되는 힘에 응답하여 비선형 거동을 나타낼 수 있다. 비선형 거동은 기구(115)의 강직성 및 압축성뿐만 아니라, 상이한 세장형 이동 부재들 사이의 슬랙(slack) 또는 강직성의 변동에 기초할 수 있다.
기부(180)는 의사와 같은 사용자가 명령 콘솔에서 편안하게 로봇 시스템(110)을 제어할 수 있는 상태에서, 로봇 아암(175)이 환자에게 수술 절차를 수행하거나 수술 절차를 보조하기 위해 접근할 수 있도록 위치될 수 있다. 기부(180)는 도 16a에 도시된 명령 콘솔(105)에 통신가능하게 결합될 수 있다.
기부(180)는 로봇 아암(175)을 이동시키기 위한 전원(182), 공압부(186), 및 제어부 및 센서 전자장치(184) - 중앙 처리 유닛, 데이터 버스, 제어 회로, 및 메모리와 같은 구성요소를 포함함 - 및 모터와 같은 관련 액추에이터를 포함할 수 있다. 전자장치(184)는 본 명세서에 기술된 내비게이션 제어 기법을 구현할 수 있다. 기부(180) 내의 전자장치(184)는 또한 명령 콘솔로부터 전달되는 제어 신호를 처리하고 전송할 수 있다. 일부 실시예에서, 기부(180)는 로봇 시스템(110)을 이송하기 위한 휠(188) 및 휠(188)을 위한 휠 로크(lock)/브레이크(brake)(도시되지 않음)를 포함한다. 로봇 시스템(110)의 이동성은 수술실의 공간 제약을 수용할 뿐만 아니라 수술 장비의 적절한 위치설정 및 이동을 용이하게 하는 데 도움을 준다. 또한, 이동성은 로봇 아암(175)이 환자, 의사, 마취과 의사, 또는 임의의 다른 장비와 간섭되지 않도록 로봇 아암(175)이 구성되도록 허용한다. 절차 동안, 사용자는 제어 장치, 예를 들어 명령 콘솔을 사용하여 로봇 아암(175)을 제어할 수 있다.
도 17은 예를 들어, 예시적인 수술 환경(100)에서 명령 콘솔(105)로서 사용될 수 있는 예시적인 명령 콘솔(200)을 예시한다. 명령 콘솔(200)은 콘솔 기부(201), 하나 이상의 디스플레이(202)(예컨대, 모니터), 및 하나 이상의 제어 모듈(예컨대, 키보드(203) 및 조이스틱(204))을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 명령 콘솔(200) 기능 중 하나 이상은 로봇 시스템(110)의 기부(180) 또는 로봇 시스템(110)에 통신가능하게 결합된 다른 시스템에 통합될 수 있다. 사용자(205), 예컨대 의사가 명령 콘솔(200)을 사용하여 인체공학적 위치로부터 로봇 시스템(110)을 원격으로 제어한다.
콘솔 기부(201)는 카메라 이미지와 같은 신호의 해석과 처리 및 예컨대 도 16a 내지 도 16c에 도시된 기구(115)로부터의 센서 데이터의 추적을 담당하는 중앙 처리 유닛, 메모리 유닛, 데이터 버스, 및 연관 데이터 통신 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 콘솔 기부(201) 및 기부(180) 둘 모두는 하중-균형(load-balancing)을 위한 신호 처리를 수행한다. 콘솔 기부(201)는 또한 제어 모듈(203, 204)을 통해 사용자(205)에 의해 제공되는 명령 및 명령어를 처리할 수 있다. 도 17에 도시된 키보드(203) 및 조이스틱(204)에 더하여, 제어 모듈은 다른 장치, 예를 들어 컴퓨터 마우스, 트랙패드, 트랙볼, 제어 패드, 제어기, 예컨대 핸드헬드 원격 제어기, 및 손 제스처와 손가락 제스처를 캡처하는 센서(예컨대, 모션 센서 또는 카메라)를 포함할 수 있다. 제어기는 기구의 작동(예컨대, 관절운동, 구동, 물 관주 등)에 매핑되거나 링크되는 사용자 입력부들(예컨대, 버튼, 조이스틱, 지향성 패드 등)의 세트를 포함할 수 있다.
디스플레이(202)는 전자 모니터(예컨대, LCD 디스플레이, LED 디스플레이, 터치-감응형 디스플레이), 가상 현실 관찰 장치, 예컨대 고글 또는 안경, 및/또는 다른 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이 모듈(202)은 예를 들어 터치스크린을 갖는 태블릿 장치로서 제어 모듈과 통합된다. 일부 실시예에서, 디스플레이들(202) 중 하나는 환자의 내강 네트워크의 3D 모델 및 가상 내비게이션 정보(예컨대, EM 센서 위치에 기초한 모델 내의 내시경의 단부의 가상 표현)를 디스플레이할 수 있는 한편, 디스플레이들(202) 중 다른 하나는 기구(115)의 단부에서 카메라 또는 다른 감지 장치로부터 수신된 이미지 정보를 디스플레이할 수 있다. 일부 구현예에서, 사용자(205)는 통합된 디스플레이(202) 및 제어 모듈을 사용하여 데이터를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 시스템(110)에 명령을 입력할 수 있다. 디스플레이(202)는 입체 장치(stereoscopic device), 예컨대 바이저 또는 고글을 사용하여 3D 이미지의 2D 렌더링 및/또는 3D 이미지를 디스플레이할 수 있다. 3D 이미지는 환자의 해부학적 구조를 예시하는 컴퓨터 3D 모델인 "엔도 뷰(endo view)"(즉, 내시경 뷰)를 제공한다. "엔도 뷰"는 환자의 내부의 가상 환경 및 환자 내측의 기구(115)의 예상 위치를 제공한다. 사용자(205)는 "엔도 뷰" 모델을 카메라에 의해 캡처된 실제 이미지와 비교하여, 마음속으로 배향시키고 기구(115)가 환자 내에서 정확한 - 또는 대략 정확한 - 위치에 있는지를 확인하는 데 도움을 준다. "엔도 뷰"는 기구(115)의 원위 단부 주위의 해부학적 구조, 예컨대 환자의 기도, 순환 혈관, 또는 장 또는 결장의 형상에 관한 정보를 제공한다. 디스플레이 모듈(202)은 기구(115)의 대략 원위 단부에서의 해부학적 구조의 3D 모델 및 CT 스캔을 동시에 디스플레이할 수 있다. 또한, 디스플레이 모듈(202)은 3D 모델 및 CT 스캔 상에 기구(115)의 이미 결정된 내비게이션 경로를 오버레이할 수 있다.
일부 실시예에서, 기구(115)의 모델이 수술 절차의 상태를 나타내는 데 도움을 주기 위해 3D 모델과 함께 디스플레이된다. 예를 들어, CT 스캔은 생검이 필요할 수 있는 해부학적 구조 내의 병변을 식별한다. 작동 동안, 디스플레이 모듈(202)은 기구(115)의 현재 위치에 대응하는, 기구(115)에 의해 캡처된 기준 이미지를 보여줄 수 있다. 디스플레이 모듈(202)은 사용자 설정 및 특정 수술 절차에 따라 기구(115)의 모델의 상이한 뷰를 자동으로 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 모듈(202)은 기구(115)가 환자의 수술 영역에 접근함에 따라 내비게이션 단계 동안 기구(115)의 오버헤드 형광투시 뷰를 보여준다.
도 18은 본 명세서에 기술된 바와 같은 이미징 및 EM 감지 능력을 갖는 예시적인 기구, 예를 들어 도 16a 내지 도 16c의 기구(115)의 원위 단부(300)를 예시한다. 도 18에서, 기구의 원위 단부(300)는 이미징 장치(315), 조명원(310), 및 EM 센서 코일(305)의 단부를 포함한다. 원위 단부(300)는 생검 바늘, 세포채취용 브러시, 및 겸자와 같은 수술 기구가 그것을 통해 내시경 샤프트를 따라 삽입되어 내시경 팁 부근의 영역에 대한 접근을 허용할 수 있는 내시경의 작업 채널(320)에 대한 개구를 추가로 포함한다.
원위 단부(300) 상에 위치된 EM 코일(305)은 그것이 해부학적 시스템 내에 배치된 상태에서 내시경의 원위 단부(300)의 위치 및 배향을 검출하도록 EM 추적 시스템과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코일(305)은 상이한 축을 따라 EM 필드에 대한 감도를 제공하도록 경사져, 개시된 내비게이션 시스템에 최대 6 자유도: 3개의 위치 및 3개의 각도를 측정하는 능력을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 코일만이, 그의 축이 기구의 내시경 샤프트를 따라 배향된 상태로, 원위 단부(300) 상에 또는 그 내에 배치될 수 있다. 그러한 시스템의 회전 대칭성으로 인해, 그것은 그의 축을 중심으로 하는 롤에 민감하지 않고, 따라서 그러한 구현예에서 5 자유도만이 검출될 수 있다.
B. 위치 센서 정합을 위한 기법.
위에서 논의된 바와 같이, 위치 센서는 의료 절차 동안 기구가 그것을 통해 구동되는 환자의 해부학적 구조의 모델에 대한 기구의 일부분(예컨대, 기구의 원위 단부)의 위치를 추적하기 위해 사용될 수 있다. 모델이 수술전 측정에 기초하여 생성될 수 있고, 위치 센서가 독립적인 좌표계에 기초하여 기능할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 위치 센서를 사용하여 기구의 위치를 정확하게 결정하기 위해, 위치 센서 좌표계는 모델 좌표계에 정합되고, 이는 모델 좌표계 내의 대응하는 위치에 도달하기 위해 위치 센서로부터의 측정에 적용될 수 있는 변환을 제공한다. 도 17은 예를 들어, 예시적인 수술 환경(100)에서 명령 콘솔(105)로서 사용될 수 있는 예시적인 명령 콘솔(200)을 예시한다. 명령 콘솔(200)은 콘솔 기부(201), 하나 이상의 디스플레이(202)(예컨대, 모니터), 및 하나 이상의 제어 모듈(예컨대, 키보드(203) 및 조이스틱(204))을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 명령 콘솔(200) 기능 중 하나 이상은 로봇 시스템(110)의 기부(180) 또는 로봇 시스템(110)에 통신가능하게 결합된 다른 시스템에 통합될 수 있다. 사용자(205), 예컨대 의사가 명령 콘솔(200)을 사용하여 인체공학적 위치로부터 로봇 시스템(110)을 원격으로 제어한다.
소정 구현예에서, 위치 센서 좌표계는 기구가 환자의 해부학적 구조 내에서 구동되는 상태에서 취해진 위치 센서 데이터에 기초하여 모델 좌표계에 정합될 수 있다. 위치 센서 좌표계를 해부학적 구조의 모델의 좌표계에 정합시키는 데 요구되는 데이터의 양 및 유형은 주어진 해부학적 구조의 형상에 의존할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 좌표계를 모델 좌표계에 정합시키기 위한 하나의 기법은 위치 센서(들)로부터 수신되는 데이터의 이력을 유지시키는 것 및 위치 데이터 이력에 의해 형성되는 형상을, 기구가 그것을 따라 해부학적 구조의 모델에 기초하여 이동할 수 있는 후보 경로에 일치시키는 것을 수반한다. 이러한 기법은 소정 양의 비대칭성을 갖는 해부학적 구조에 대해 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 찾는 데 더 성공적일 수 있다.
도 19는 본 개시의 태양에 따른, 위치 센서 정합이 수행될 수 있는 예시적인 내강 네트워크를 예시한다. 도 19의 실시예에서, 예시된 내강 네트워크(400)는 환자의 기도에 대응하고, 주 분기부(410)에서 2개의 2-세대 기도(415, 420)(예컨대, 1차 기관지)로 분지되는 1-세대 기도(405)(예컨대, 기관)를 포함한다. 시스템이 의료 절차 동안 기구를 구동시킬 수 있는 표적(425)(예컨대, 내강 네트워크(400) 내의 병변 또는 결절)이 또한 예시되어 있다. 표적 경로(430)는 기구가 그것을 따라 표적(425)에 도달하도록 구동될 수 있는 계획 경로를 제공한다. 실시예에 따라, 시스템은 내강 네트워크(400)의 수술전에 스캐닝된 모델 및 표적(425)의 위치에 기초하여 표적 경로(425)를 자동으로 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 표적 경로(425)는 수술전 계획 동안 사용자에 의해 선택될 수 있다. 시스템은 표적(425)에 도달하기 위해 기구를 구동시킬 방향의 표시를 사용자에게 제공하도록 디스플레이 상에 모델에 대한 표적 경로(430)의 예시를 디스플레이할 수 있다. 소정 실시예에서, 표적 경로(430)는 1회 초과로 내강 네트워크의 동일한 부분을 가로지르지 않는 표적(425)으로의 직접 경로만을 포함할 수 있다(즉, 표적 경로(425)를 가로지르는 것은 내강 네트워크의 세그먼트를 따라 전진시키는 것 및 동일한 세그먼트를 따라 기구를 다시 후퇴시키는 것을 수반하지 않음).
인식되어야 하는 바와 같이, 2-세대 분지부(415, 420)에 의해 한정되는 기도는 대칭이 아니라, 대신에 1-세대 기도(405)와 상이한 각도를 형성하고 상이한 길이를 가질 수 있다. 본 개시에 따른 소정의 정합 기법에서, 소위 반대측 정합이 기구 정합을 개선하기 위해 분지부들(415, 420) 사이의 이러한 비대칭성을 이용한다. 실시예는 기구를 반대측 경로(435)를 따라 구동시킴으로써 비대칭성을 이용할 수 있으며, 이는 기구를 표적 경로(430) 상의 기도에 대해 반대측인 2-세대 기도(415) 내로 구동시키고, 다시 1-세대 기도(405)로 후퇴시키고, 이어서 경로(430) 상에서 2-세대 기도로 구동시키는 것을 포함할 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 실시예는 반대측 분지부(415)를 자동으로 검출하는 것 및 반대측 분지부(415)를 따라 기구가 가로지르는 거리가 충분할 때를 자동으로 결정하는 것과 같은, 반대측 정합을 용이하게 하는 특징을 추가로 포함할 수 있다.
반대측 경로(435)의 사용을 더 잘 설명하기 위해, (반대측 경로(435)를 포함하는) 정합 프로세스 동안 위치 센서로부터 출력되는 데이터에 의해 한정되는 경로 또는 트레이스는 내강 네트워크(400)의 모델에 의해 한정되는 다양한 형상과 비교될 수 있다. 내강 네트워크(400)에 의해 형성되는 비대칭 형상으로 인해, 정합 프로세스 동안 위치 센서 데이터에 의해 한정되는 경로는 내강 네트워크(400)의 모델의 단일 부분, 즉 1-세대 기도(405) 및 2-세대 기도들(415, 420) 각각에 의해 한정되는 형상에 고유하게 대응할 수 있다. 따라서, 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합은 정합 프로세스 동안 위치 센서 데이터에 의해 한정되는 경로 또는 트레이스(예컨대, 반대측 경로(435))와 1-세대 기도(405) 및 2-세대 기도들(415, 420) 각각에 의해 한정되는 형상 사이의 변환에 기초하여 한정될 수 있다.
도 19가 내강 네트워크의 일 실시예로서 환자의 기도의 예를 제공하지만, 본 개시의 태양은 또한 다른 내강 네트워크, 및 특히 적어도 부분적으로 비대칭인 내강 네트워크를 내비게이션하는 데 사용되는 위치 센서의 정합에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 태양은 위장 네트워크, 요로, 혈관 네트워크 등에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시의 태양은 내강 네트워크 내에서 비대칭 경로의 적어도 일부분을 따라 기구를 구동시키는 상태에서 수신되는 위치 데이터에 기초하는 위치 센서의 정합에 관한 것이다.
도 20a는 본 개시의 태양에 따른, 위치 센서 좌표계를 반대측으로 정합시키기 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 도 20a에 예시된 방법(500)의 단계가 수술 로봇 시스템의 프로세서에 의해 수행될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 편의상, 방법(500)은 시스템의 프로세서에 의해 수행되는 것으로 기술된다. 방법(500)의 다양한 단계의 설명과 관련될 때, 아래의 방법(500)의 일 실시예를 기술하기 위해 도 19에 예시된 내강 네트워크(400)가 참조될 것이다.
프로세서는 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 갖는 기구를 포함하는 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성될 수 있다. 위치 센서는 기구의 원위 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있고(예컨대, 도 18 참조), 따라서 위치 데이터는 기구의 원위 단부의 위치를 나타낼 수 있다. 시스템은 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되는 기구 조작기들의 세트 및 프로세서와 통신하고 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리를 추가로 포함할 수 있다. 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함할 수 있다. 메모리는 프로세서들의 세트로 하여금 방법(500)을 수행하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어를 추가로 저장할 수 있다.
방법(500)은 블록(501)에서 시작된다. 블록(505)에서, 프로세서는 내강 네트워크의 제1 분지부(예컨대, 반대측 분지부(415))를 따라 기구를 구동시키기 위해 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공한다. 일부 실시예에서, 제1 세트의 명령은 하나 이상의 사용자 입력 장치들의 세트로부터 수신되는 사용자 입력에 기초하여 생성될 수 있다. 따라서, 프로세서는 (예컨대, 반대측 정합 경로(435)의 제1 부분을 따라 기구를 구동시키기 위해) 정합 프로세스와 연관되는 이동들의 세트를 따르는 명령어를 포함하는 사용자 명령어가 사용자에게 제공되게 할 수 있다. 이어서, 시스템은 사용자 명령어에 대응하는 사용자 입력을 수신하고, 제1 분지부를 따른 기구의 이동을 위한 제1 세트의 명령을 생성할 수 있다. 도 19에 예시된 바와 같이, 제1 분지부(415)는 표적(430)으로의 표적 경로(430)의 외측에 위치된다. 따라서, 제1 세트의 명령들은 기구 조작기가 기구를 반대측 정합 경로(435)의 제1 부분을 따라 반대측 분지부(415) 아래로 구동시키게 할 수 있다.
블록(510)에서, 프로세서는 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적한다. 정합 파라미터는, 시스템에 의해 추적되고 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 수행하기 위해 시스템에 의해 충분한 데이터가 수집되었는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있는 임의의 데이터일 수 있다. 블록(515)에서, 프로세서는 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정한다. 정합 기준을 만족시키는 정합 파라미터는 기구가 반대측 분지부(415)를 따라 충분한 거리를 이동함을 나타낼 수 있고, 정합 프로세스는 기구가 다시 표적 경로(430)로 후퇴되는 상태로 계속될 수 있다. 정합 파라미터를 추적하고 정합 파라미터가 정합 기준을 만족하는지 여부를 판정하기 위한 더 상세한 실시예가 도 20b와 관련하여 아래에 제공된다.
블록(520)에서, 프로세서는, 기구를 다시 표적 경로(430)로 복귀시키고 기구를 제2 분지부(예컨대, 외측 분지부(lateral branch)(420))를 따라 구동시키기 위해 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공한다. 도 19에 예시된 바와 같이, 분지부(420)는 표적(425)으로의 표적 경로(430)를 따라 위치된다. 프로세서는 외측 분지부(420)를 따라 계속되는, 반대측 정합 경로(435)의 나머지 부분을 따라 기구를 구동시킬 수 있다.
블록(525)에서, 프로세서는 제1 분지부 및 제2 분지부를 따른(예컨대, 반대측 정합 경로(435)를 따른) 기구의 구동 동안 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 기초하여 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정한다. 기구를 다시 외측 분지부(420)로 후퇴시키는 명령을 제공하기 전에 블록(515)에서 정합 파라미터가 정합 기준을 만족시키는 것을 확인함으로써, 프로세서는 정합을 결정하기에 충분한 위치 데이터가 수집되는 것을 보장할 수 있다. 방법(500)은 블록(530)에서 종료된다.
소정 실시예에서, 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합은 단계(505)에서 참조되는 제1 세트의 명령들 및 단계(520)로부터의 제2 세트의 명령들에 추가로 기초할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 세트의 명령들은 기구의 이동을 제어하기 위해 기구 조작기(들)에 제공된 로봇 데이터일 수 있다. 제1 및 제2 세트의 명령들이 기구의 이동을 제어하는 데 사용되기 때문에, 프로세서는 제1 및 제2 세트의 명령들에 기초하여 이동될 때 기구의 위치를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 프로세서는 기구를 구동시키는 데 사용되는 로봇 데이터에 기초하여 모델에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 예로서, 기구의 원위 단부가 분기부(도 19에 예시된 분기부(410) 참조)에 또는 그 부근에 위치되고 제1 분지부(예컨대, 반대측 분지부(415))를 따라 구동되도록 위치된 경우, 기구에 삽입 명령을 제공한 후에, 프로세서는 기구의 원위 단부가 삽입 명령으로 지시되는 양만큼 제1 분지부 내로 삽입된 것으로 결정할 수 있다.
프로세서는 하나 이상의 사용자 입력 장치들의 세트로부터 수신된 사용자 입력에 기초하여, 기구 조작기에 제공되는 제1 및 제2 세트의 명령들을 생성하도록 추가로 구성될 수 있다. 따라서, 기구의 구동은 시스템에 의해 수신된 사용자 입력에 기초하여 수동으로 수행될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 정합은 데이터를 위치 센서 좌표계로부터 모델 좌표계로 매핑할 수 있는 변환을 포함할 수 있다. 변환은 위치 센서 데이터에 적용될 수 있는 병진 및/또는 회전을 포함할 수 있다. 데이터를 위치 센서 좌표계로부터 모델 좌표계로 정확하게 매핑하는 정합을 결정하는 것을 보조하기 위해, 프로세서는 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이에서 앵커(anchor)로서 사용될 수 있는 2개의 좌표계들 각각에서 알려진 위치를 식별할 수 있다. 도 19를 참조하면, 분기부(410)는 내강 네트워크의 모델로부터 자동으로 식별될 수 있고, 사용자는 기구를 분기부(410)로 용이하게 내비게이션하고 분기부(410)의 위치를 나타내는 피드백을 프로세서에 제공할 수 있다.
소정 실시예에서, 시스템은 또한 위치 센서 및 모델 좌표계들 각각에서 알려진 위치에 앵커 포인트(anchor point)를 결정하기 위한 안내 명령어를 생성할 수 있다. 안내 명령어는 기구의 원위 단부를 구동시켜 분기부(410)와 접촉시키고 이어서 분기부(410)와 접촉한 후에 기구를 후퇴시키기 위한 사용자에 대한 명령어를 포함할 수 있다. 사용자 입력에 기초하여, 프로세서는 기구를 분기부(410)로 구동시키고 분기부(410)에 도달한 후에 기구를 후퇴시키기 위한 명령을 제공할 수 있다. 따라서, 후퇴 직전에 기구의 위치를 식별함으로써, 프로세서는 위치 센서 좌표계 내의 식별된 위치가 분기부(410)의 위치에 대응한다고 결정할 수 있다. 이어서, 2개의 좌표계들 각각에서의 분기부(410)의 위치는 위치 센서 좌표계를 모델 좌표계에 매핑하는 변환을 결정하기 위해 1회용 데이터 피스로서 사용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 사용자가 기구를 후퇴시킴으로써 분기부(410)의 위치를 표시할 것을 요구하기보다는, 프로세서는 기구의 원위 단부 상에 포함된 카메라를 사용하여 모델에 대한 기구의 위치를 결정할 수 있다. 사용자는 카메라에 의해 캡처되고 내강 네트워크를 통해 내비게이션하기 위해 디스플레이에 제공되는 이미지를 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 카메라에 의해 획득된 이미지는 실시간으로 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 프로세서는 카메라로부터 수신된 이미지의 분석에 기초하여 기구의 원위 단부의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 내강 네트워크의 내부의 특징부를 결정할 수 있는 임의의 이미지 처리 기법이 모델에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 프로세서는 기구의 원위 단부의 원위 단부가 기구의 원위 단부의 결정된 위치에 기초하여 제1 위치(예컨대, 분기부(410))로부터 임계 거리 내에 있다고 추가로 결정할 수 있다.
도 20b는 본 개시의 태양에 따른, 반대측 정합을 용이하게 하기에 충분한 위치 데이터가 수신되었는지 여부를 결정하기 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 도 20a에 예시된 방법(550)의 단계가 수술 로봇 시스템의 프로세서에 의해 수행될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 편의상, 방법(550)은 시스템의 프로세서에 의해 수행되는 것으로 기술된다. 방법(550)의 단계는 도 20a의 블록(들)(510, 515)의 구현예로서 수행될 수 있다.
방법(550)은 블록(551)에서 시작된다. 블록(555)에서, 프로세서는 원시 위치 데이터 및 상태 데이터를 수신한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "원시 위치 데이터"는 위치 센서 좌표계 내의 위치를 나타내는 위치 데이터를 지칭할 수 있다. 따라서, "원시 위치 데이터"는 모델 좌표 프레임보다는 기구 좌표 프레임 내의 위치를 나타내는 위치 데이터일 수 있다. 정합 프로세스를 수행하고 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하기 전에, 프로세서는 위치 센서 데이터를 모델 좌표계에 매핑할 수 없다. 따라서, 정합 프로세스의 완료 전에 수신된 위치 데이터가 미정합 또는 원시 위치 데이터임이 인식될 것이다.
상태 데이터는 모델 내의 기구의 위치를 나타내는, 프로세서에 의해 생성된 데이터를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 예시된 위치결정 시스템(90)은 방법(500, 550)에 사용될 수 있는 위치 데이터(96)(상태 데이터로도 지칭됨)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 상태 데이터는 주어진 세그먼트 내의 기구의 현재 깊이 또는 해부학적 모델 내의 삽입 깊이와 같은 깊이 정보를 포함할 수 있다. 상태 데이터는 또한 모델 좌표 프레임 내의 기구의 원위 단부의 배향을 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 프로세서는 도 20a에 예시된 정합 프로세스(500) 전체에 걸쳐 원시 위치 데이터 및 상태 데이터를 수신할 수 있다.
블록(560)에서, 프로세서는 정합 프로세스, 예컨대 방법(500)을 통해 수행되는 정합 프로세스 동안 수집된 위치 데이터 및 상태 데이터를 저장할 수 있다. 정합 프로세스는 내강 네트워크의 형상과 관련될 수 있는 기구의 안무화된(choreographed) 이동들의 세트를 포함할 수 있다. 이동들의 세트는 또한 모델 내의 표적(425)에 대한 한정된 표적 경로(430)에 기초할 수 있다. 정합 프로세스는 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 기구를 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 것을 수반할 수 있으며, 여기서 제1 분지부는 반대측 분지부(415) 상에, 그리고 그에 따라 표적(425)으로의 표적 경로(430)의 외측에 있다. 정합 프로세스는 또한 기구를 다시 표적 부위(425)로의 표적 경로(430)로 그리고 그를 따라 계속 이동시키는 명령을 제공하는 것을 수반할 수 있다. 안무화된 이동들의 세트는 기구의 원위 단부를 반대측 정합 경로(435)에 의해 한정되는 경로를 따라 구동시키는 데 요구되는 명령들의 세트(들)를 포함할 수 있다. 프로세서는 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트, 예컨대 깊이 정보를 추적할 수 있다.
블록(565)에서, 프로세서는 추적되는 정합 파라미터에 기초하여 정합 프로세스의 반대측 단계의 일부로서 충분한 위치 센서 데이터가 수집되었는지 여부를 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 프로세서는 기구가 반대측 경로(435)의 반대측 분지부(415)를 따라 충분한 거리로 구동되었는지 여부를 결정하기 위해 깊이 정보(예컨대, 기구의 삽입 깊이)와 같은 정합 파라미터를 사용할 수 있다. 소정 실시예에서, 하나의 정합 기준이 만족된 후에, 프로세서는, 기구를 다시 표적 경로(430)로 복귀시키고 기구를 표적 부위를 향해 제2 분지부를 따라 구동시키기 위해 제2 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공할 수 있다. 기구가 표적 부위를 따라 계속됨에 따라, 프로세서는 정합 프로세스를 위한 기구 위치 데이터 및 상태 데이터를 계속 추적할 수 있다.
기구가 반대측 분지부(415)를 따라 충분한 거리로 구동되었는지 여부를 결정함으로써, 시스템은 사용자로부터 요구되는 입력의 양을 감소시켜, 그에 의해 사용자-오류의 가능성을 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 소정의 정합 프로세스는 사용자가 복수의 한정된 위치로 구동시키고, 기구가 한정된 위치로 구동되었음을 나타내는 입력을 시스템에 제공할 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 유형의 요구되는 사용자 입력을 제거함으로써, 본 개시의 태양은 정합 프로세스의 용이성을 개선하고 사용자 오류의 잠재적인 원인을 감소시킬 수 있다.
블록(570)에서, 프로세서는 정합 프로세스 동안 추적되는 위치 데이터 및 상태 데이터(예컨대, 반대측 경로(435) 및 표적 경로(430)를 따라 추적되는 위치 데이터 및 상태 데이터)를 사용하여 위치 좌표계를 모델 좌표계에 정합시킬 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이는 위치 센서를 사용하여 추적되는 바와 같은 기구에 의해 취해진 경로의 형상을 모델의 골격 구조에 의해 한정되는 내강 네트워크의 형상에 일치시키는 것을 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 추적되는 경로로부터의 최저 차이를 갖는 모델의 형상이 선택되어, 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하기 위해 사용된다. 추적되는 경로가 반대측 분지부(415)를 포함하기 때문에, 실시예는 추적되는 경로가 모델 내의 다른 후보 경로에 일치할 가능성을 감소시킬 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 방법(550)은 블록(575)에서 종료된다.
정합을 결정함에 있어서, 프로세서는 위치 센서 데이터 및 로봇 데이터의 이력에 의해 한정되는 형상을 일치시키도록 추가로 구성될 수 있다. 따라서, 소정 구현예에서, 프로세서는 기구를 반대측 정합 경로를 따라 구동시키는 상태에서 위치 좌표계에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 나타내는 위치 데이터 포인트(location data point)들의 세트를 생성하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 기구를 반대측 정합 경로를 따라 구동시키는 상태에서 모델 좌표계에 대한 기구의 원위 단부의 위치를 나타내는 모델 포인트(model point)들의 세트를 추가로 생성할 수 있다. 프로세서는 로봇 데이터 및 모델의 이력에 기초하여 모델 포인트를 생성할 수 있다. 포인트들의 2개의 세트는 위치 좌표계 내의 위치 데이터 포인트들의 세트를 모델 좌표계 내의 모델 포인트들의 제2 세트에 매핑하는 정합을 결정하는 것에 기초하여 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하기 위해 프로세서에 의해 사용될 수 있다.
도 21은 본 개시의 태양에 따른, 내강 네트워크의 모델에 대한 위치 데이터를 예시한 도면이다. 도 21의 예에서, 도면(600)은 내강 네트워크의 수술전 스캔의 모델(602)을 포함하며, 이는 또한 모델(602)에 의해 한정되는 기도들 각각을 따른 중간점에 의해 한정되는 골격(605)을 포함할 수 있다. 특히, 골격(605)은 내강 네트워크 내의 대응하는 내강의 중간점에 각각 위치되는 일련의 세그먼트를 포함한다. 또한, 해부학적 구조에 대한 반대측 정합 프로세스 동안 기구의 원위 단부의 실제 또는 정확한 위치를 나타내는 실측 데이터(ground truth data)(610)가 예시되어 있다. 도 21에 도시된 실측 데이터(610)는 반대측 정합 프로세스의 정확도를 강조하기 위해 절차 동안 통상적으로 사용되지 않는 시험 도구에 의해 생성되었을 수 있다. 예시된 예에서, 표적(625)은 도면의 좌측에 위치될 수 있다. 따라서, 정합 절차 동안, 기구는 1-세대 기도(630)로부터 반대측 2-세대 기도(635) 내로 구동될 수 있다. 그 후에, 기구는 다시 1-세대 기도(630) 내로 후퇴되고 표적(625)으로의 경로를 따라 위치된 외측 2-세대 기도(640) 내로 전진될 수 있다.
시스템은 또한 모델(605)의 골격을 따른 기구의 위치를 나타내는 상태 데이터(615)를 추적할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 프로세서는 (예컨대, 도 15의 위치결정 모듈(95)을 통해) 기구의 원위 단부의 위치를 나타내는 데이터의 하나 이상의 상이한 소스로부터 수신되는 데이터에 기초하여 상태 데이터를 결정할 수 있다. 일단 정합 프로세스 동안 충분한 데이터가 수신되면, 정합된 위치 데이터(620)를 생성하기 위해 정합 변환이 원시 위치 데이터에 적용될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 정합된 위치 데이터(620)는 실측 데이터(610)를 근사하게 추적할 수 있다. 위치 데이터가 정합된 후에, 프로세서는 정합된 위치 데이터(620)를 상태 데이터(615)를 결정하는 입력으로서 사용할 수 있다.
도 22는 본 개시의 태양에 따른, 반대측 정합 프로세스를 수행하지 않는 위치 데이터의 정합의 예를 예시한 도면이다. 이러한 예에서, 반대측 정합 프로세스가 수행되지 않을 때(예컨대, 기구가 반대측 분지부를 따라 구동되지 않음), 원시 위치 데이터(705)는 모델 내의 2개의 상이한 후보 경로(710, 715)를 실질적으로 일치시킬 수 있다. 즉, 2개의 후보 경로들(710, 715) 각각은 원시 위치 데이터(705)의 회전 및/또는 병진이 경로들(710, 715) 둘 모두에서 실질적으로 일치할 수 있도록 유사한 형상을 가질 수 있다. 그러나, 2개의 경로(710, 715)가 분기하기 때문에, 정합을 위한 부정확한 경로(715)를 선택하는 것은 위치 데이터가, 2개의 경로들(710, 715) 사이의 분기점(divergence)을 지나 구동될 때 기구의 위치의 부정확한 표시를 제공하게 할 수 있다. 반면에, 본 개시의 태양에 따른 반대측 정합 프로세스를 수행함으로써, 부정확한 후보 정합 경로(715)는 후보 정합들의 세트로부터 제거될 수 있는데, 그 이유는 부정확한 후보 정합 경로(715)에 기초한 정합은 기구에 의해 취해진 반대측 경로를 따른 형상의 일치를 제공하지 않을 것이기 때문이다(예컨대, 도 21 참조).
위에서 논의된 바와 같이, 반대측 정합 절차는 제1 분지부와 제2 분지부가 비대칭일 때(예컨대, 2-세대 세그먼트) 더 정확하고 더 강건한 정합을 제공할 수 있다. 따라서, 소정 실시예에서, 프로세서는 반대측 정합 절차를 위한 내강 네트워크의 비대칭 분지를 선택할 수 있다. 내강 네트워크 내의 위치의 이러한 선택은 또한 위치 데이터와 모델 사이의 일치에 대한 가능한 해법의 수를 감소시켜, 더 강건한 정합 절차로 이어질 수 있다. 기관지경술 예에서, 표적으로의 경로를 따라 진행하기 전에 기구를 반대측 분지부 내로 구동시키는 것은 모델 좌표계에 대한 위치 센서의 정합을 용이하게 하기에 충분한 원시 위치 데이터를 제공할 수 있다. 따라서, 소정 실시예에서, 제1 분지부는 표적에 대해 내강 네트워크의 반대측면(contra-lateral side) 상에 위치된다.
C. 위치 센서 정합 계획.
본 개시의 태양은 또한 위치 센서 정합 절차와 관련된 명령어 및/또는 기준을 결정하는 것을 수반할 수 있는 수술전 계획에 관한 것이다. 도 23은 본 개시의 태양에 따른, 수술전 계획을 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능한 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 수술전 계획을 위한 절차(800)는 본 개시의 태양에 따른 수술전 계획을 위해 수술 로봇 시스템 또는 그의 구성요소(들)에 의해 작동가능할 수 있다. 예를 들어, 수술전 계획을 위한 방법(800)의 태양은 도 17에 예시된 명령 콘솔(200)과 같은 명령 콘솔에 의해 수행될 수 있거나, 명령 콘솔의 일부로서 포함될 수 있는 수술 로봇 시스템의 프로세서(또는 프로세서들의 세트)에 의해 수행될 수 있다. 편의상, 수술전 계획을 위한 방법은 시스템의 프로세서에 의해 수행되는 것으로 기술된다. 소정 실시예에서, 시스템은 또한, 프로세서들의 세트와 통신하고 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리를 포함할 수 있다. 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 표적으로의 경로를 포함한다. 메모리는 또한 프로세서들의 세트로 하여금 방법(800)을 수행하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어를 저장할 수 있다.
방법(800)은 블록(801)에서 시작된다. 블록(905)에서, 프로세서는 디스플레이 장치를 통해 내강 네트워크를 디스플레이하기 위한 명령어를 제공한다. 특히, 프로세서는 디스플레이 장치를 통해 내강 네트워크를 디스플레이하기 위한 명령어를 제공할 수 있다. 이는 예를 들어 프로세서가 메모리로부터 내강 네트워크의 모델을 검색하고 사용자가 관찰하도록 모델을 디스플레이하는 것을 수반할 수 있다. 모델의 디스플레이는 예를 들어 (도 19, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이) 내강 네트워크의 수술전 스캔에 기초하여 생성되는 골격 및/또는 더 상세한 세그먼트화된 이미지를 디스플레이하는 것을 수반할 수 있다.
블록(810)에서, 프로세서는 모델 좌표계 내의 표적의 위치의 표시를 수신한다. 예를 들어, 프로세서는 사용자로부터, 사용자 입력 장치를 통해, 의료 절차의 적어도 일부분이 수행되어야 하는 모델의 표적 부분의 표시를 수신할 수 있다. 표적은 예를 들어 방사선치료를 안내하거나 근접치료 카테터를 안내하도록 병변을 생검하고, 림프절의 병기를 구분하고, 마커를 삽입하기 위한 폐 내의 원하는 위치일 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 종양을 나타내는 수술전 스캔 내의 특징부를 검출하는 것에 기초하여 표적 위치(425)를 자동으로 검출하거나 달리 결정할 수 있다.
블록(815)에서, 프로세서는 내강 네트워크 내의 제1 분지부(예컨대, 도 19의 반대측 분지부(415)와 같은, 내강 네트워크의 반대측면 상에 위치된 분지부) 및 제2 분지부(도 19의 외측 분지부(420)와 같은, 내강 네트워크의 외측면(lateral side) 상에 위치된 분지부)를 식별한다. 식별된 제1 및 제2 분지부가 표적의 위치에 대해 내강 네트워크의 반대측면 및 외측면 상에 각각 위치되기 때문에, 제1 분지부는 표적으로의 경로의 외측에 위치될 수 있고 제2 분지부는 표적으로의 경로를 따라 위치될 수 있다.
소정 실시예에서, 모델 및 선택된 표적에 기초하여, 프로세서는 위치 센서의 정합을 보조하기 위해 기구가 가로지를 수 있는 모델의 소정 세그먼트를 자동으로 식별할 수 있다. 이는 내강 네트워크의 반대측면 상에 위치된 분지부로서 제1 분지부를 그리고 내강 네트워크의 외측면 상에 위치된 분지부로서 제2 분지부를 식별하는 프로세서를 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 제1 및 제2 분지부는 도 19에 예시된 분지부(415, 420)와 같은, 내강 네트워크의 2-세대 분지부일 수 있다. 프로세서는, 기구가 2-세대 분지부에 의해 한정되는 반대측 정합 경로를 따라 구동될 때, 모델 내의 어떠한 다른 형상도 반대측 정합 프로세스 동안 기구에 의해 취해진 경로와 일치하지 않도록, 제1 및 제2 분지부에 의해 형성된 형상이 내강 네트워크 내에서 충분히 고유한 것으로 결정하도록 추가로 구성될 수 있다. 이러한 결정은 형상의 임의의 가능한 상충이 존재하는지 여부를 결정하기 위해 제1 및 제2 분지부의 형상을 모델 내의 다른 가능한 형상과 비교함으로써 수행될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 소정의 정합 프로세스는 사용자가 기구를 내강 네트워크 내에서 복수의 한정된 위치로 구동시키고, 기구가 한정된 위치에 위치될 때의 표시를 시스템에 제공할 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 기법은 또한 사용자가 수술전 계획 단계 동안 한정된 위치를 식별할 것을 필요로 할 수 있다. 그러나, 프로세서가 정합 프로세스를 위해 사용될 수 있는 반대측 경로를 자동으로 식별할 수 있기 때문에, 수술전 계획 단계 동안 사용자에게 필요한 단계가 감소될 수 있다.
블록(820)에서, 프로세서는 기구의 원위 단부를 제1 분지부를 따라, 다시 제1 분지부로부터 경로로, 그리고 제2 분지부를 따라 구동시키기 위한 안내 명령어들의 세트를 생성한다. 따라서, 명령어들의 세트는 도 19의 반대측 정합 경로(435)와 같은, 반대측 정합 경로를 한정할 수 있다. 안내 명령어는 의료 절차 동안 사용자에게 제공되도록 메모리에 저장될 수 있다. 의료 절차 동안, 명령어에 따른 기구의 구동 동안 하나 이상의 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터는 위치 데이터의 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합을 용이하게 할 수 있다. 정합은 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 병진 및 회전 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 블록(825)에서, 프로세서는 제1 분지부를 따른 기구의 구동 동안 추적되는 하나 이상의 정합 파라미터를 위한 정합 기준을 결정한다. 방법(800)은 블록(830)에서 종료된다.
정합 기준은 모델 좌표계에 대한 위치 센서 좌표계의 정합에 요구되는 위치 데이터의 양에 관련될 수 있다. 예를 들어, 기준은 기구가 다시 제1 분지부로부터 경로로 복귀될 수 있기 전에, 반대측 분지부를 따른 기구에 대해 요구되는 이동 거리를 특정할 수 있다. 정합 기준은 또한 환자의 해부학적 구조의 특정 형상에 의존할 수 있다. 예를 들어, 일부 환자에 대한 기도는 다른 환자에 대해서보다 제1 분지부와 제2 분지부 사이에 형성되는 형상들과 각도들 사이의 더 큰 차이를 가질 수 있다. 제1 분지부와 제2 분지부 사이의 차이가 더 현저해질 때, 기구가 정합을 위한 충분한 데이터를 수신하기 위해 제1 분지부를 따라 멀리 이동할 필요가 없을 수 있다. 다른 실시예에서, 정합 기준은 수행될 특정 절차를 위해 대다수의 환자에 대한 정합을 위한 충분한 위치 데이터를 제공하도록 결정된 임계치에 기초하여 설정될 수 있다.
정합 파라미터는 반대측 분지부 내로의 기구의 삽입 깊이를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 정합 파라미터들의 세트는 제1 분지부 내로의 삽입 깊이가 임계 삽입 깊이보다 큰 것에 응답하여 정합 기준을 만족시킨다. 예를 들어, 정합 기준은 경로 상의 1-세대 분지부로 복귀하기 전에 반대측 분지부의 50% 이상을 따라 기구를 구동시키기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 특정 값은 의료 절차에 수반되는 특정 해부학적 구조에 따라 그리고/또는 일반적인 모집단에서의 해부학적 구조의 형상의 변동의 분석에 기초하여 상이할 수 있다.
특정 의료 절차에 따라, 프로세서는 또한 제1 분지부와 제2 분지부가 비대칭인지 여부를 결정할 수 있다. 프로세서는 제1 분지부와 제2 분지부가 비대칭이라고 결정하는 것에 응답하여 제1 분지부 및 제2 분지부를 식별할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 정합 프로세스는 비대칭 경로 및/또는 비대칭으로 형상화된 내강 네트워크에 대해 더 정확할 수 있다. 따라서, 프로세서는 정합 프로세스가 수행되는 위치에 대해 비대칭 형상을 갖는 내강 네트워크 내의 분기를 선택할 수 있다. 기도에 대한 것과 같은 소정 실시예에서, 정합 프로세스가 수행될 수 있는 하나의 분지부는 기관으로부터 주 기관지 내로의 분지부이다. 따라서, 프로세서는 제1 분지부가 표적에 대해 내강 네트워크의 반대측면 상에 위치된다고 결정하는 것에 추가로 응답하여 제1 분지부를 식별할 수 있다.
소정 실시예에서, 명령어들의 세트는 기구를 내강 네트워크 내의 제1 위치로 구동시키기 위한 명령어를 포함한다. 제1 위치는 위치 센서 좌표계 및 모델 좌표계 각각 내에서 알려진 위치를 제공할 수 있는, 의료 절차 동안 사용자에 의해 식별가능한 위치일 수 있다. 예를 들어, 기관지경술 절차 동안, 제1 위치는 환자의 분기부에 대응할 수 있다. 분기부는 주 기관지들 사이의 분지부에서의 그의 위치에 기초하여 모델 내에서 식별될 수 있고, 사용자는 위치 데이터의 정합 전에 분기부로 구동시키는 것이 가능할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 분지부는 환자의 주 기관지에 대응할 수 있다. 위치 센서 좌표계와 모델 좌표계 사이의 정합은 기구의 원위 단부가 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있는 상태에서 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 위치 데이터에 추가로 기초할 수 있다. 제1 위치를 위치 좌표계와 모델 좌표계 사이의 알려진 기준점으로서 사용함으로써, 정합을 위한 순열의 수가 제한될 수 있다. 추가적으로, 사용자 명령어는 분기부와 접촉한 후에 기구를 후퇴시키기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 이러한 후퇴는 정합 절차 동안에 제1 위치로서 사용될 수 있는, 분기부의 위치의 표시로서 해석될 수 있다.
3. 구현 시스템 및 용어.
본 명세서에 개시된 구현예는 모델 좌표계에 대한 위치 센서의 정합을 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 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 (30)

  1. 시스템으로서,
    하나 이상의 위치 센서들의 세트를 포함하는 기구(instrument)로서, 상기 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 상기 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되는, 상기 기구;
    상기 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되는 기구 조작기(instrument manipulator)들의 세트;
    프로세서들의 세트; 및
    상기 프로세서들의 세트와 통신하고, 환자의 내강 네트워크(luminal network)의 모델을 저장한 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리로서, 상기 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 상기 표적으로의 경로를 포함하고, 상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 기구를 상기 내강 네트워크의 제1 분지부(branch)를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 상기 제1 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로 외측에 있음 -,
    상기 제1 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터(registration parameter)들의 세트를 추적하고,
    상기 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하고,
    상기 기구를 다시 상기 경로로 복귀시키고 상기 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 상기 제2 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로의 부분에 있음 -,
    상기 제1 분지부 및 상기 제2 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 기초하여 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장한, 상기 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 메모리를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정합은 상기 위치 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 병진 및 회전 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 분지부와 상기 제2 분지부는 비대칭인, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 분지부는 상기 표적에 대해 상기 내강 네트워크의 반대측면(contra-lateral side) 상에 위치되는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들에 추가로 기초하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 하나 이상의 사용자 입력 장치들의 세트를 추가로 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금, 상기 하나 이상의 사용자 입력 장치들로부터 수신되는 사용자 입력에 기초하여 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들을 생성하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장한, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 기구를 상기 내강 네트워크 내의 제1 위치로 구동시키도록 제3 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 기구의 상기 원위 단부가 상기 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있는 상태에서 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 제1 위치에 도달한 후에 상기 기구를 후퇴시키도록 제4 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하고,
    상기 제3 세트의 명령들 및 상기 제4 명령들에 기초하여 상기 모델 좌표계 내의 상기 제1 위치의 위치를 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 위치로부터 상기 기구를 후퇴시키기 전에 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기구는 카메라를 추가로 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 카메라로부터 수신되는 이미지의 분석에 기초하여 상기 기구의 상기 원위 단부의 위치를 결정하고,
    상기 기구의 상기 원위 단부의 상기 원위 단부가 상기 기구의 상기 원위 단부의 결정된 위치에 기초하여 상기 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있다고 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장한, 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 기구를 상기 제1 분지부 및 제2 분지부를 따라 구동시키는 상태에서 상기 위치 좌표계에 대한 상기 기구의 상기 원위 단부의 위치를 나타내는 위치 데이터 포인트(location data point)들의 세트를 생성하고,
    상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들에 기초하여 상기 모델 좌표계에 대한 상기 기구의 상기 원위 단부의 상기 위치를 나타내는 모델 포인트(model point)들의 세트를 생성하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 모델 좌표계 내의 상기 모델 포인트들의 세트에 대한 상기 위치 좌표계 내의 상기 위치 데이터 포인트들의 세트의 매핑(mapping)에 추가로 기초하는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트는 상기 제1 분지부 내로의 삽입 깊이를 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서들의 세트로 하여금,
    상기 정합 파라미터들의 세트가, 상기 제1 분지부 내로의 상기 삽입 깊이가 임계 삽입 깊이보다 큰 것에 응답하여 상기 정합 기준을 만족한다고 결정하게 하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어들을 추가로 저장한, 시스템.
  12. 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    기구를 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 상기 기구는 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 포함하고, 상기 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 상기 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되고, 상기 기구 조작기들의 세트는 상기 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되고, 메모리가 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장하고, 상기 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 상기 표적으로의 경로를 포함하고, 상기 제1 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로 외측에 있음 -;
    상기 제1 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적하고;
    상기 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하고;
    상기 기구를 다시 상기 경로로 복귀시키고 상기 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하고 - 상기 제2 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로의 부분에 있음 -;
    상기 제1 분지부 및 상기 제2 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 기초하여 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하게 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 정합은 상기 위치 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 병진 및 회전 중 적어도 하나를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 분지부와 상기 제2 분지부는 비대칭인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 분지부는 상기 표적에 대해 상기 내강 네트워크의 반대측면 상에 위치되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  16. 제12항에 있어서, 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들에 추가로 기초하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  17. 제12항에 있어서, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    프로세서들의 세트가, 하나 이상의 사용자 입력 장치들의 세트로부터 수신되는 사용자 입력에 기초하여 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들을 생성하게 하도록 하는 명령어들을 추가로 저장한, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  18. 제12항에 있어서, 상기 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    상기 기구를 상기 내강 네트워크 내의 제1 위치로 구동시키도록 제3 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하게 하는 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 기구의 상기 원위 단부가 상기 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있는 상태에서 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    상기 제1 위치에 도달한 후에 상기 기구를 후퇴시키도록 제4 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하고,
    상기 제3 세트의 명령들 및 상기 제4 명령들에 기초하여 상기 모델 좌표계 내의 상기 제1 위치의 위치를 결정하게 하는 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 위치로부터 상기 기구를 후퇴시키기 전에 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기구는 카메라를 추가로 포함하고,
    상기 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    상기 카메라로부터 수신되는 이미지의 분석에 기초하여 상기 기구의 상기 원위 단부의 위치를 결정하고,
    상기 기구의 상기 원위 단부의 상기 원위 단부가 상기 기구의 상기 원위 단부의 결정된 위치에 기초하여 상기 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있다고 결정하게 하는 명령어들을 추가로 저장한, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  21. 제12항에 있어서, 상기 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    상기 기구를 상기 제1 분지부 및 제2 분지부를 따라 구동시키는 상태에서 상기 위치 좌표계에 대한 상기 기구의 상기 원위 단부의 위치를 나타내는 위치 데이터 포인트들의 세트를 생성하고,
    상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들에 기초하여 상기 모델 좌표계에 대한 상기 기구의 상기 원위 단부의 상기 위치를 나타내는 모델 포인트들의 세트를 생성하게 하는 명령어들을 추가로 저장하고,
    상기 위치 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 모델 좌표계 내의 상기 모델 포인트들의 세트에 대한 상기 위치 좌표계 내의 상기 위치 데이터 포인트들의 세트의 매핑에 추가로 기초하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트는 상기 제1 분지부 내로의 삽입 깊이를 포함하고,
    상기 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 장치로 하여금,
    상기 정합 파라미터들의 세트가, 상기 제1 분지부 내로의 상기 삽입 깊이가 임계 삽입 깊이보다 큰 것에 응답하여 상기 정합 기준을 만족한다고 결정하게 하는 명령어들을 추가로 저장한, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  23. 하나 이상의 위치 센서들의 세트를 정합시키는 방법으로서,
    기구를 내강 네트워크의 제1 분지부를 따라 구동시키도록 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계로서, 상기 기구는 상기 위치 센서들의 세트를 포함하고, 상기 위치 센서들의 세트는 위치 센서 좌표계 내의 상기 위치 센서들의 세트의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성하도록 구성되고, 상기 기구 조작기들의 세트는 상기 기구의 원위 단부의 이동을 제어하도록 구성되고, 메모리가 환자의 내강 네트워크의 모델을 저장하고, 상기 모델은 모델 좌표계 내의 표적 및 상기 표적으로의 경로를 포함하고, 상기 제1 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로 외측에 있는, 상기 제1 세트의 명령들을 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계;
    상기 제1 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 하나 이상의 정합 파라미터들의 세트를 추적하는 단계;
    상기 정합 파라미터들의 세트가 정합 기준을 만족한다고 결정하는 단계;
    상기 기구를 다시 상기 경로로 복귀시키고 상기 기구를 제2 분지부를 따라 구동시키도록 제2 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계로서, 상기 제2 분지부는 상기 표적으로의 상기 경로의 부분에 있는, 상기 제2 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계; 및
    상기 제1 분지부 및 상기 제2 분지부를 따른 상기 기구의 상기 구동 동안 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 기초하여 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 정합을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 정합은 상기 위치 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 병진 및 회전 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1 분지부와 상기 제2 분지부는 비대칭인, 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제1 분지부는 상기 표적에 대해 상기 내강 네트워크의 반대측면 상에 위치되는, 방법.
  27. 제23항에 있어서, 상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들에 추가로 기초하는, 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    프로세서들의 세트로 하여금, 하나 이상의 사용자 입력 장치들의 세트로부터 수신되는 사용자 입력에 기초하여 상기 제1 세트의 명령들 및 상기 제2 세트의 명령들을 생성하게 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 방법은 상기 기구를 상기 내강 네트워크 내의 제1 위치로 구동시키도록 제3 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 기구의 상기 원위 단부가 상기 제1 위치로부터 임계 거리 내에 있는 상태에서 상기 위치 센서들의 세트로부터 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 제1 위치에 도달한 후에 상기 기구를 후퇴시키도록 제4 세트의 명령들을 상기 기구 조작기들의 세트에 제공하는 단계, 및
    상기 제3 세트의 명령들 및 상기 제4 명령들에 기초하여 상기 모델 좌표계 내의 상기 제1 위치의 위치를 결정하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 위치 센서 좌표계와 상기 모델 좌표계 사이의 상기 정합은 상기 제1 위치로부터 상기 기구를 후퇴시키기 전에 수신되는 상기 위치 데이터에 추가로 기초하는, 방법.
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