KR20210089677A

KR20210089677A - 로봇 척추 수술 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210089677A
Application number: KR1020217015142A
Authority: KR
Inventors: 효식 강; 지에난 딩; 데이비드 진 볼링; 크리스토퍼 더블유. 존스; 그렉 맥이완; 루카스 그셀만
Original assignee: 마코 서지컬 코포레이션
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-07-16
Also published as: JP2024119982A; WO2020097481A1; CN113038899A; AU2019374890B9; EP3876859A1; AU2019374890B2; JP2022506879A; CN113038899B; JP7506669B2; AU2019374890A1

Abstract

척추 수술을 수행하기 위한 로봇 시스템 및 방법들이 개시된다. 시스템은 도구를 이용하여 나사를 홀딩하고 회전축을 중심으로 나사를 회전시키는 로봇 조작기를 포함한다. 나사는 셀프 태핑(self-tapping)하는 것이고 제어기에 의해 저장되는 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 가진다. 내비게이션 시스템은 타겟 부위의 위치를 추적한다. 로봇 조작기의 움직임은 타겟 부위의 추적된 위치에 기초하여 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 수술 도구의 회전축을 유지시키도록 제어된다. 자율 또는 수동 동작 모드에서, 회전축을 중심으로 하는 나사의 회전 속도 및/또는 계획된 궤적에 따라 직선으로 나사의 전진 속도는 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 제어된다.

Description

로봇 척추 수술 시스템 및 방법

관련 출원 상호 참조

본 출원은 2019년 11월 8일에 출원된 국제특허출원 PCT/US2019/060502에 대한 우선권을 주장하는 국내 단계로 진입하는 출원이며, 상기 국제특허출원의 전문 및 개시내용은 본 명세서에 참고로 통합된다.

환자의 척추에 수술 절차들을 수행하기 위한 로봇 시스템들이 잘 알려져 있다. 예를 들어, 로봇 시스템들은 현재 환자의 척추에 척추경 나사들을 배치시키기 위해 이용된다.

환자가 척추경 나사들을 배치시키는 것을 수반하는 수술을 필요로 할 때, 치료를 필요로 하는 환자의 인체(anatomy) - 이 경우 환자의 척추 - 를 시각화하기 위해 수술전 이미징 및/또는 수술중 이미징이 보통 채용된다. 이어서 외과의는 이미지들에 대하여 그리고/또는 이미지들로부터 생성된 3-D 모델에 대하여 척추경 나사들을 배치시킬 곳을 계획한다. 계획은 예를 들어, 이미지들 및/또는 3-D 모델에서 원하는 포즈를 식별함으로써, 각 척추경 나사의 위치 및 배향(즉, 포즈)을 이것들이 배치되고 있는 특정 척추골에 대하여 결정하는 것을 포함한다. 계획이 설정되면, 계획은 실행을 위해 로봇 시스템으로 전달된다.

전형적으로, 로봇 시스템은 환자 위에 그리고 배치될 척추경 나사의 목적하는 배향과 정렬되는 목적하는 궤적을 따라 도구 가이드를 위치시키는 로봇 조작기를 포함한다. 로봇 시스템은 또한 로봇 조작기가 외과의의 계획에 따라 목적하는 궤적을 따라 도구 가이드를 배치할 수 있도록 환자의 인체에 대하여 도구 가이드의 위치를 결정하기 위한 내비게이션 시스템을 포함한다. 일부 경우들에서, 내비게이션 시스템은 로봇 시스템이 목적하는 궤적을 유지하기 위해 필요에 따라 도구 가이드를 이동시킴으로써 수술 절차 동안 환자의 움직임을 모니터링하고 이에 응답할 수 있도록 조작기 및 환자에 부착되는 추적 디바이스들을 포함한다.

도구 가이드가 목적하는 궤적과 정렬되어 위치되면, 로봇 조작기는 정렬을 유지하도록 제어된다. 이어서, 외과의는 도구 가이드를 통해 척추골에 인접하게 캐뉼라를 위치시킨다. 외과의는 척추경 나사를 위한 파일럿 홀을 드릴링하기 위해 기존 드릴링 도구를 캐뉼라 내로 삽입한다. 이어서, 외과의는 드릴링 공구를 제거하고 척추경 나사 구동기를 이용하여 파일럿 홀 내의 위치로 척추경 나사를 구동시킨다. 이 방법론에서, 로봇 조작기는 파일럿 홀을 드릴링하거나 척추경 나사를 삽입하는 역할을 거의 하지 않거나 전혀 하지 않기 때문에 다소 활용도가 낮다.

일 실시 예에서, 로봇 조작기 및 환자의 척추에 이식물을 배치하기 위해 회전축을 중심으로 회전하도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공된다. 로봇 제어기는 회전축을 목적하는 궤적을 따라 배치하고, 목적하는 궤적을 따라 회전축을 유지시키며, 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 환자의 척추에의 이식물의 설치를 제어하도록 수술 도구의 움직임을 제어하도록 로봇 조작기에 결합된다. 로봇 제어기는 이식물이 목적하는 위치의 미리 정의된 거리 내에 있을 때까지 환자의 척추에 이식물을 배치하기 위해 수술 도구의 자율적인 움직임을 야기하도록 구성되고, 이어서, 로봇 제어기는 이식물이 목적하는 위치에 배치될 때까지 수술 도구의 수동 조작을 제어하도록 구성된다.

다른 실시 예에서, 로봇 조작기 및 회전축을 중심으로 회전하도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템을 사용하여 환자의 척추에 이식물을 배치하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 목적하는 궤적을 따라 회전축을 배치시키기 위해 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 목적하는 궤적을 따라 회전축을 유지시키고 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 환자의 척추에의 이식물의 설치를 제어한다. 이식물의 설치를 제어하는 것은 이식물이 목적하는 위치의 미리 정의된 거리 내에 있을 때까지 환자의 척추에 이식물을 배치하기 위해 수술 도구의 자율적인 움직임을 야기하는 것, 그리고 이어서, 이식물이 목적하는 위치에 배치될 때까지 수술 도구의 수동 조작을 제어하는 것을 포함한다.

다른 실시 예에서, 로봇 조작기 및 환자의 척추에 절개를 생성하기 위해 로봇 조작기에 결합될 피부 절개 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공된다. 피부 추적기가 환자의 피부를 추적하기 위해 환자의 피부에 부착될 것이다. 로봇 제어기는 햅틱 개체(haptic object)에 대하여 피부 절개 도구의 움직임을 제어하기 위해 로봇 조작기에 결합된다. 햅틱 개체는 환자의 피부에서의 목적하는 위치에서 절개가 이루어지도록 정의된다.

다른 실시 예에서, 로봇 조작기, 로봇 조작기에 결합될 피부 절개 도구, 및 환자의 피부를 추적하기 위해 환자의 피부에 부착되는 피부 추적기를 포함하는 수술 로봇 시스템을 사용하여 환자의 피부에 절개를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 피부 추적기가 환자에 부착되는 동안, 포인터를 이용하여 절개의 목적하는 위치를 식별하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 내비게이션 시스템을 이용하여 목적하는 위치의 움직임을 추적하는 단계 및 햅틱 개체에 대하여 피부 절개 도구의 움직임을 제어하는 단계를 포함한다. 햅틱 개체는 환자의 피부에서의 목적하는 위치에서 절개가 이루어지도록 타겟 좌표계에서 정의된다.

다른 실시 예에서, 로봇 조작기 및 이식물을 수용하기 위해 환자의 척추에 홀을 형성하기 위해 회전축을 중심으로 회전하도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공된다. 로봇 제어기는 회전축을 목적하는 궤적을 따라 배치하고, 목적하는 궤적을 따라 회전축을 유지시키며, 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 환자의 척추에의 홀의 형성을 제어하도록 수술 도구의 움직임을 제어하도록 로봇 조작기에 결합된다. 수술 도구는 이식물을 위한 파일럿 홀(pilot hole)을 생성하기 위한 드릴 및 드릴에 통합되고 이식물의 헤드를 위한 시트(seat)를 생성하도록 성형된 리머(reamer)를 포함한다.

다른 실시 예에서, 이식물을 수용하기 위한 홀을 생성하기 위한 수술 도구가 제공된다. 수술 도구는 이식물을 위한 파일럿 홀을 생성하기 위한 드릴을 포함한다. 드릴은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 샤프트를 가진다. 리머는 원위 단부로부터 근위로 이격된 샤프트 상의 위치에서 드릴로 통합된다. 리머는 이식물의 헤드를 위한 시트를 생성하도록 성형된다.

다른 실시 예에서, 로봇 조작기 및 회전축을 중심으로 회전하도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 이용하여 환자의 척추에 홀을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 회전축을 목적하는 궤적을 따라 배치하고, 목적하는 궤적을 따라 회전축을 유지시키며, 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 환자의 척추에의 홀의 형성을 제어하도록 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계를 포함한다. 환자의 척추에 형성되는 홀은 이식물을 위한 파일럿 홀 및 이식물의 헤드를 위한 시트를 포함한다. 파일럿 홀 및 시트의 적어도 일부는 동시에 형성된다.

다른 실시 예에서, 내비게이션 시스템, 로봇 조작기, 및 회전축을 중심으로 나사를 회전시키도록 로봇 조작기에 결합될 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공되며, 나사는 셀프 태핑(self-tapping)하는 것이고 알려져 있는 나사tks 기하학적 구조를 가진다. 내비게이션 시스템은 타겟 부위의 위치를 추적하도록 구성된다. 로봇 제어기는 로봇 조작기 및 내비게이션 시스템에 결합되고, 알려져 있는 나사산 기하학적 구조(thread geometry)를 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 로봇 제어기는 타겟 부위의 추적된 위치에 기초하여 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 회전축을 유지시키도록 로봇 조작기의 움직임을 제어하도록 구성된다. 로봇 제어기는 또한 회전축을 중심으로 일정 회전 속도로 나사를 회전시키도록 그리고 계획된 궤적을 따라 일정 전진 속도로 나사를 직선으로 전진시키도록 수술 도구를 자율적으로 제어하도록 구성되되, 회전 속도 및 전진 속도는 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례한다.

다른 실시 예에서, 내비게시연 시스템, 로봇 조작기, 및 회전축을 중심으로 나사를 회전시키도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템을 사용하여 타겟 부위에 나사를 배치하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 수술 도구를 이용하여 나사를 홀딩하는 단계를 포함하며, 툴은 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 가진다. 방법은 로봇 제어기의 메모리에 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하는 단계를 포함한다. 방법은 내비게이션 시스템을 이용하여 타겟 부위의 위치를 추적하는 단계를 포함한다. 방법은 타겟 부위의 추적된 위치에 기초하여 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 회전축을 유지시키도록 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계를 포함한다. 방법은 회전축을 중심으로 일정 회전 속도로 나사를 회전시키도록 그리고 계획된 궤적을 따라 일정 전진 속도로 나사를 직선으로 전진시키도록 수술 도구를 자율적으로 제어하는 단계를 포함하되, 회전 속도 및 전진 속도는 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례한다.

다른 실시 예에서, 센서를 포함하는 로봇 조작기를 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공된다. 수술 로봇 시스템은 로봇 조작기에 결합되고 나사를 홀딩하도록 그리고 회전축을 중심으로 나사를 회전시키도록 구성된 수술 도구를 포함하며, 나사는 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 가진다. 수술 로봇 시스템은 타겟 부위의 위치를 추적하도록 구성된 내비게이션 시스템을 포함한다. 수술 로봇 시스템은 로봇 조작기 및 내비게이션 시스템에 결합되고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 로봇 제어기를 포함한다. 로봇 제어기는 타겟 부위의 추적된 위치에 기초하여 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적 상에 수술 도구의 회전축을 유지시키도록 로봇 조작기의 움직임을 제어하도록 구성된다. 로봇 제어기는 센서를 이용하여, 사용자에 의해 가해지는 힘을 검출하도록 구성된다. 로봇 제어기는 타겟 부위 내로 나사를 이식하기 위해 사용자에 의해 가해지는 힘에 기초하여 계획된 궤적에 직선으로 따르는 나사의 전진 속도 또는 회전축을 중심으로 하는 나사의 회전 속도 중 하나를 제어하도록 구성된다. 로봇 제어기는 전진 속도 및 회전 속도가 사용자에 의해 가해지는 힘 및 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 나사의 전진 속도 또는 회전 속도 중 다른 하나를 자율적으로 제어하도록 구성된다.

다른 실시 예에서, 수술 로봇 시스템을 사용하여 타겟 부위에 나사를 배치하기 위한 방법이 제공된다. 수술 로봇 시스템은 로봇 조작기, 내비게이션 시스템, 로봇 조작기 및 내비게이션 시스템과 통신하는 로봇 제어기를 포함한다. 수술 로봇 시스템은 회전축을 중심으로 나사를 회전시키도록 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함한다. 로봇 조작기는 센서를 포함한다. 방법은 수술 도구를 이용하여 나사를 홀딩하는 단계를 포함하며, 나사는 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 가진다. 방법은 로봇 제어기의 메모리에 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하는 단계를 포함한다. 방법은 내비게이션 시스템을 이용하여 타겟 부위의 위치를 추적하는 단계를 포함한다. 방법은 타겟 부위의 추적된 위치에 기초하여 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 회전축을 유지시키도록 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계를 포함한다. 방법은 센서를 이용하여, 사용자에 의해 가해지는 힘을 검출하는 단계를 포함한다. 방법은 타겟 부위 내로 나사를 이식하기 위해 사용자에 의해 가해지는 힘에 기초하여 계획된 궤적에 직선으로 따르는 나사의 전진 속도 또는 회전축을 중심으로 하는 나사의 회전 속도 중 하나를 제어하는 단계를 포함한다. 방법은 전진 속도 및 회전 속도가 사용자에 의해 가해지는 힘 및 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 나사의 전진 속도 또는 회전 속도 중 다른 하나를 자율적으로 제어하는 단계를 포함한다.

도 1은 로봇 수술 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 시스템과 함께 사용되는 수술 로봇 아암의 사시도이다.
도 3은 척추 수술을 수행하기 위해 이미징 디바이스와 조합하여 사용되는 로봇 수술 시스템의 사시도이다.
도 4는 드릴에 결합되는 하우징을 포함하는 수술 도구에 결합되는 로봇 아암의 부분 사시도이다.
도 5는 구동기 및 나사에 결합되는 수술 도구에 결합되는 로봇 아암의 부분 사시도이다.
도 6은 대안적인 수술 도구의 입면도이다.
도 7은 척추경에 파일럿 홀을 드릴링하는 것의 도해이다.
도 8은 파일럿 홀 내로 척추경 나사를 구동하는 것의 도해이다.
도 9a 및 도 9b는 드릴링 및 척추경 나사 삽입이 사용자의 계획에 따르는지를 검증하는 데 사용될 수 있는, 전류 출력 대 깊이를 도시하는 도면들이다.
도 10a는 로봇 아암에 부착된 피부 절개 도구의 도해이다.
도 10b는 로봇 아암에 부착된 대안적인 피부 절개 도구의 도해이다.
도 11은 로봇 아암에 부착된 Jamshidi 니들의 도해이다.
도 12는 이식물을 목적하는 위치에 배치하기 위해 하나의 절차에서 수행되는 샘플 단계들의 흐름도이다.
도 13은 절개를 생성하기 위해 하나의 절차에서 수행되는 샘플 단계들의 흐름도이다.
도 14는 파일럿 홀 내로 척추경 나사를 구동하는 것의 도해이다.
도 15는 이식물을 목적하는 위치에 배치하기 위해 하나의 절차에서 수행되는 샘플 단계들의 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 척추 시술들, 이를테면 척추경 나사들, 다른 나사들, 또는 다른 유형들의 이식물들이 척추에 배치되는 척추 시술들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 시술들을 위해 사용될 수 있는 수술 로봇 시스템(10)이 도시되어 있다. 로봇 시스템(10)은 로컬라이저(14) 및 추적 디바이스(16), 하나 이상의 디스플레이(18), 및 로봇 조작기(예를 들어, 베이스(22), 테이블 등에 장착되는 로봇 아암(20))를 포함하는 내비게이션 시스템(12)을 포함한다. 로봇 아암(20)은 베이스(22)에 회전 가능하게 결합되는 베이스 링크(24) 및 베이스 링크(24)로부터 원위 단부(28)로 연속하여 연장되는 복수의 아암 링크들(26)을 포함한다. 아암 링크들(26)은 로봇 아암(20)에서의 복수의 조인트들을 중심으로 피봇/회전한다. 예를 들어, 척추 시술을 수행하는 데 사용하기 위한 수술 도구가 개괄적으로 30으로 도시되어 있다. 수술 도구(30)는 로봇 아암(20)의 원위 단부(28)에 피봇식으로 연결될 수 있다.

로봇 제어기(32)는 수술 도구(30)의 조작 동안 로봇 아암(20)의 제어 또는 외과의에 안내를 제공하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 로봇 제어기(32)는 로봇 아암(20)을 통해 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하기 위해 로봇 아암(20)을 제어하도록(예를 들어, 이의 조인트 모터들을 제어함으로써) 구성된다. 이러한 햅틱 피드백은 외과의가 수술 절차와 연관된 미리 정의된 가상 경계들을 넘어 수술 도구(30)를 수동으로 이동시키는 것을 제한하거나 저해하도록 돕는다. 가상 경계들을 정의하는 이러한 햅틱 피드백 시스템 및 관련 햅틱 개체들은 예를 들어, 2006년 2월 21일에 출원된, "Haptic Guidance System And Method"라는 명칭의 Quaid 등의 미국 특허 제8,010,180호 및/또는 2012년 12월 21일에 출원된, "Systems Ands for Haptic Control Of A Surgical Tool"이라는 명칭의 Otto 등의 미국 특 출원 공보 제2014/0180290호에 설명되며, 이의 각각은 이에 의해 그 전문이 여기에 참고로 통합된다. 일 실시 예에서, 로봇 시스템(10)은 미국, 플로리다의 Fort Lauderdale의 MAKO Surgical Corp.가 제조한 RIO™ Robotic Arm Interactive Orthopedic System이다.

일부 실시 예들에서, 로봇 아암(20)은 수술 절차를 수행하기 위해 미리 정의된 도구 경로들 및/또는 다른 미리 정의된 움직임들에 기초하여 자율적으로 작동한다. 이러한 움직임들은 수술 절차 동안 및/또는 수술 전 정의될 수 있다. 추가 실시 예들로, 수동 및 자율 제어의 조합도 이용된다. 예를 들어, 사용자가 로봇 아암(20)의 움직임을 야기하도록 수술 도구(30)에 힘을 가하는 수동 모드 및 사용자가 로봇 아암(20)을 자율적으로 공구 경로를 따르도록 제어하기 위해 펜던트를 홀딩하는 반자율 모드 둘 다를 채용하는 로봇 시스템이 2015년 6월 4일에 출원된 "Robotic System And Method For Transitioning Between Operating Modes"라는 명칭의 Bowling 등의 미국 특허 제9,566,122호에 설명되어 있으며, 이는 이에 의해 그 전문이 여기에 참고로 통합된다.

내비게이션 시스템(12)은 타겟 좌표계에 대한 수술실에서의 다양한 개체들의 움직임을 추적하도록 설정된다. 이러한 개체들은 예를 들어, 수술 도구(30), 환자의 관심 인체, 예를 들어, 하나 이상의 척추골, 및/또는 다른 개체들을 포함한다. 내비게이션 시스템(12)은 외과의에게 타겟 좌표계에서 상대적인 위치들 및 배향들을 디스플레이하기 위해, 그리고 일부 경우들에서, (예를 들어, 수술 내비게이션에서 잘 알려져 있는 좌표계 변환을 통해) 환자의 인체와 연관되고 타겟 좌표계에 대하여 정의된 가상 경계들에 관한 수술 도구(30)의 움직임을 제어하거나 제한하기 위해 이러한 개체들을 추적한다.

수술용 내비게이션 시스템(12)은 내비게이션 제어기(36)를 하우징하는 컴퓨터 카트 어셈블리(34)를 포함한다. 내비게이션 제어기(36) 및 로봇 제어기(32)는 공동으로 로봇 시스템(10)의 제어 시스템을 형성한다. 내비게이션 인터페이스는 내비게이션 제어기(36)와 동작 가능하게 통신한다. 내비게이션 인터페이스는 컴퓨터 카트 어셈블리(34)에 조정 가능하게 장착되는 디스플레이(18)를 포함한다. 키보드 및 마우스와 같은 입력 디바이스들은 정보를 내비게이션 제어기(36)에 입력하거나, 그 외 내비게이션 제어기(36)의 특정 양태들을 선택/제어하기 위해 사용될 수 있다. 터치 스크린(도시되지 않음) 또는 음성 활성화를 포함하는 다른 입력 디바이스들도 고려된다.

로컬라이저(14)는 내비게이션 제어기(36)와 통신한다. 도시된 실시 예에서, 로컬라이저(14)는 광학 로컬라이저이고 카메라 유닛(감지 디바이스의 일례)을 포함한다. 카메라 유닛은 하나 이상의 광학 위치 센서를 하우징하는 외부 케이싱을 가진다. 일부 실시 예들에서, 적어도 두 개의 광학 센서들, 때때로 개 이상이 채용된다. 광학 센서들은 별개의 전하 결합 디바이스들(charge-coupled devices; CCD)일 수 있다. 카메라 유닛은 이상적으로는 장애물이 없는 후술될 추적 디바이스들(16)의 시야를 이용하여 광학 센서들을 위치시키도록 조정 가능한 아암 상에 장착된다. 일부 실시 예들에서, 카메라 유닛은 회전식 조인트를 중심으로 회전시킴으로써 적어도 1 자유도로 조정 가능하다. 다른 실시 예들에서, 카메라 유닛은 약 2 이상의 자유도로도 조정 가능하다.

로컬라이저(14)는 광학 센서들로부터 신호들을 수신하도록 광학 센서들과 통신하는 로컬라이저 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. 로컬라이저 제어기는 유선 또는 무선 연결(도시되지 않음) 중 어느 하나를 통해 내비게이션 제어기(36)와 통신한다. 하나의 이러한 연결은 고속 통신 및 등시성 실시간 데이터 전송을 위한 직렬 버스 인터페이스 표준인 IEEE 1394 인터페이스일 수 있다. 연결은 또한 회사 특정 프로토콜을 사용할 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 광학 센서들은 내비게이션 제어기(36)와 직접 통신한다.

위치 및 배향 신호들 및/또는 데이터는 개체들을 추적하기 위해 내비게이션 제어기(36)로 전송된다. 컴퓨터 카트 어셈블리(34), 디스플레이들(18), 및 로컬라이저(14)는 2010년 5월 25일에 발행된 "Surgery System"이라는 명칭의 Malackowski 등의 미국 특허 제7,725,162호에 설명된 것들과 같을 수 있다.

로봇 제어기(32) 및 내비게이션 제어기(36)는 각각, 또는 공동으로, 하나 이상의 개인용 컴퓨터 또는 랩톱 컴퓨터\, 데이터의 저장에 적합한 메모리, 및 로컬 메모리, 외부 메모리, 클라우드-기반 메모리, 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 비휘발성 RAM(non-volatile RAM; NVRAM), 플래시 메모리, 또는 임의의 다른 적합한 형태의 메모리와 같은 컴퓨터 판독 가능한 명령어들을 포함할 수 있다. 로봇 제어기(32) 및 내비게이션 제어기(36)는 각각, 또는 공동으로, 여기서 설명된 기능들을 수행하기 위해 메모리에 저장된 명령어들을 프로세싱하기 위한 또는 알고리즘들을 프로세싱하기 위한, 마이크로프로세서들과 같은 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서들은 임의의 유형의 프로세서, 마이크로프로세서 또는 멀티-프로세서 시스템일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 로봇 제어기(32) 및 내비게이션 제어기(36)는 각각, 또는 공동으로, 하나 이상의 마이크로 제어기, 현장 프로그래밍 가능한 게이트 어레이, 시스템 온 칩, 이산 회로부, 및/또는 여기서 설명된 기능들을 수행할 수 있는 다른 적합한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 로봇 제어기(32) 및 내비게이션 제어기(36)는 로봇 조작기, 컴퓨터 카트 어셈블리(34)에 의해 운반될 수 있고/있거나 임의의 다른 적합한 위치에 장착될 수 있다. 로봇 제어기(32) 및/또는 내비게이션 제어기(36)는 후술될 바와 같이 소프트웨어로 로딩된다. 소프트웨어는 로컬라이저(14)로부터 수신된 신호들을 추적되는 개체들의 위치 및 배향을 나타내는 데이터로 변환한다.

도 3을 참조하면, 내비게이션 시스템(12)은 복수의 추적 디바이스들(16)(여기서 추적기들이라고도 함)을 포함한다. 도시된 실시 예에서, 추적기들(16)은 환자의 별개의 척추골들에 결합된다. 일부 경우들에서, 추적기들(16)은 뼈 나사들, 뼈 핀들 등을 통해 골의 섹션들에 견고하게 부착된다. 다른 경우들에서는, 극상 돌기 또는 척추의 다른 부분 상의 클램프들이 추적기들(16)을 부착하기 위해 사용될 수 있다. 추가 실시 예들에서, 추적기들(16)은 인체의 다른 조직 유형들 또는 부분들에 장착될 수 있다. 추적기들(16)이 부착되는 인체에 관한 추적기들(16)의 위치는 점 기반 정합(point-based registration)과 같은 정합 기술들에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 디지털화 프로브(73)(예를 들어, 자체 마커들을 갖는 내비게이션 포인터)가 뼈 상의 뼈 랜드마크들 상에서 터치 오프(touch off)하거나 표면 기반 정합을 위해 뼈 상의 여러 지점들 상에서 터치하는데 사용된다. 추적기들(16)의 포즈를 환자의 인체, 예를 들어 치료 받는 척추골(V)에 상관시키기 위해 종래의 정합 기술들이 채용될 수 있다.

척추골(V)의 극상 돌기에 부착되고 클램프가 부착되는 극상 돌기의 형상을 결정하기 위해 촉각 센서들(도시되지 않음)을 갖는 기계적 클램프들과 추적기(16)를 사용하는 것과 같은 다른 유형들의 정합도 또한 가능하다. 이어서 극상 돌기의 형상은 정합을 위해 극상 돌기들의 3-D 모델에 매칭될 수 있다. 촉각 센서들과 추적 디바이스(16) 상의 세 개 이상의 마커들 사이의 알려져 있는 관계는 내비게이션 제어기(36)로 사전 로딩된다. 이러한 알려져 있는 관계에 기초하여, 환자의 인체에 관한 마커들의 위치들이 결정될 수 있다.

베이스 추적기(16)는 또한 수술 도구(30)의 포즈를 추적하기 위해 베이스(22)에 결합된다. 다른 실시 예들에서, 별도의 추적기(16)는 수술 도구(30)에 고정될 수 있는데, 예를 들어, 제조 동안 수술 도구(30)에 통합될 수 있거나, 또는 수술 절차들을 위한 준비 시 수술 도구(30)를 별도로 장착될 수 있다. 임의의 경우에, 수술 도구(30)의 작업 단부는 베이스 추적기(16) 또는 다른 추적기에 의해 추적된다. 작업 단부는 수술 도구(30)의 부속품의 원위 단부일 수 있다. 이러한 부속품들은 드릴, 버(bur), 톱(saw), 전기 절제 디바이스, 나사 구동기, 탭(tap), 수술용 나이프, Jamshidi 니들 등을 포함할 수 있다.

도시된 실시 예에서, 추적기들(16)은 수동 추적기들이다. 본 실시 예에서, 각 추적기(16)는 로컬라이저(14)로부터의 광을 광학 센서들로 다시 반사시키기 위한 적어도 세 개의 수동 추적 요소들 또는 마커들(M)을 가진다. 다른 실시 예들에서, 추적기들(16)은 능동 추적기들이고, 적외선과 같은 광을 광학 센서들에 전송하는 발광 다이오드들 또는 LED들을 가질 수 있다. 수신된 광 신호들에 기초하여, 내비게이션 제어기(36)는 기존 삼각 측량 기술들을 사용하여 로컬라이저(14)에 관한 추적기들(16)의 상대적인 위치들 및 배향들을 표시하는 데이터를 생성한다. 일부 경우들에서, 더 많거나 더 적은 마커들이 채용될 수도 있다. 예를 들어, 추적되는 개체가 라인을 중심으로 회전 가능한 경우들에서, 라인 주위의 다양한 위치들에서 마커들의 위치들을 측정함으로써 라인의 배향을 결정하기 위해 두 개의 마커들이 사용될 수 있다. 로컬라이저(14) 및 추적기(16)는, 광학 추적 기술들을 이용하는 것으로 상술되었지만, 대안적으로 또는 추가적으로, 전자기 추적, 무선 주파수 추적, 관성 추적, 이들의 조합들 등과 같은 다른 추적 양식들을 이용하여 개체들을 추적할 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

또한, 수술 도구(30)가 임의의 목적하는 절개 경계들 외부의 환자의 피부에 부주의하게 접촉하거나 침투하지 않도록 보장하기 위해 환자의 피부 표면을 추적하는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 접착성 뒤판을 갖는 능동 또는 수동 마커들과 같은 피부에 부착되는 마커들(M)이 환자의 피부에 부착되어 환자의 피부와 연관된 경계를 정의할 수 있다. 이러한 마커들(M)의 어레이는 주변 링(74)(원형, 직사각형 등)에 제공될 수 있어, 수술 절차는 링(74)을 실질적으로 교란시키지 않고(즉, 링은 관심 절개 및 추골 주위 환자의 피부 상에 배치된다) 링(74) 내부에서 계속된다. 하나의 적합한 피부 마커 어레이는 독일, 프라이부르크 D-79111,

41의, Stryker Leibinger GmbH & Co. KG가 제조한 SpineMask® 추적기이다. 또한, 2015년 5월 13일자로 출원된 "Navigation System For And Method Of Tracking The Position Of A Work Target"이라는 명칭의 Schoepp 등의 미국 특허 출원 공보 제2015/0327948호(이에 의해 여기에 그 전문이 참고로 통합된다)를 참조한다. 다른 적합한 피부 추적기들도 또한 고려된다. 디지털화 프로브 또한 피부 표면 및/또는 절개를 맵핑하는데 사용될 수 있다. 그러나, 맵핑되면, 추가적인 디지털화 없이는 피부의 어떠한 움직임도 검출되지 않을 것이지만, 부착된 추적기 어레이는 환자의 피부의 움직임을 검출할 수 있다.

수술 절차의 시작 전에, 추가 데이터가 내비게이션 제어기(36)로 로딩된다. 추적기들(16)의 위치 및 배향 및 이전에 로딩된 데이터에 기초하여, 내비게이션 제어기(36)는 작업 단부가 적용될 조직에 관한 수술 도구(30)의 작업 단부의 위치 및 수술 도구(30)의 배향을 결정한다. 추가 데이터는 추적기(16) 또는 이의 마커들(M)의 위치들 및/또는 배향들을 수술 도구(30)의 작업 단부에 관련시키는 기하학적 데이터와 같은 캘리브레이션 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 캘리브레이션 데이터는 또한 예를 들어, 자체 추적기 또는 베이스 추적기(16)에 관해, 수술 도구(30)의 작업 단부의 위치를 결정하기 위해 알려져 있는 기하학적 구조의 추적기(16) 상의 캘리브레이션 프로브 또는 캘리브레이션 디보트(divot)를 사용함으로써, 수술 전에 또는 수술 중에 결정될 수 있다. 추가 데이터는 추적기들(16)을 환자의 인체 또는 이의 3-D 모델들에 연관시키는 변환 데이터와 같은 정합 데이터를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 내비게이션 제어기(36)는 이러한 데이터를 로봇 제어기(32)에 포워딩한다. 이어서 로봇 제어기(32)는 미국 특허 제8,010,180호 또는 제9,566,122호에 설명된 바와 같은 로봇 아암(20)을 제어하기 위한 데이터를 사용할 수 있으며, 이들 둘 모두는 이전에 여기에 참고로 통합된 것이다.

내비게이션 제어기(36)는 또한 관심 조직에 대한 수술 도구(30)의 작업 단부의 상대적인 위치를 표시하는 이미지 신호들을 생성한다. 이러한 이미지 신호들은 디스플레이들(18)에 인가된다. 디스플레이(18)는 이러한 신호들에 기초하여, 외과의 및 스태프가 수술 부위에 대한 수술 도구(30)의 상대적인 위치를 볼 수 있게 하는 이미지들을 생성한다. 위에서 논의된 바와 같은 디스플레이들(18)은 커맨드들의 입력을 가능하게 하는 터치 스크린 또는 다른 입력/출력 디바이스를 포함할 수 있다.

도시된 실시 예에서, 내비게이션 시스템(12)을 사용하여, 베이스 추적기(16)를 통해 베이스(22)의 위치를 추적하고 로봇 아암(20)의 조인트들로부터의 조인트 인코더 데이터 및 수술 도구(30)와 로봇 아암(20) 사이의 알려져 있는 기하학적 관계에 기초하여 수술 도구(30)의 포즈를 계산함으로써 수술 도구(30)의 포즈가 결정될 수 있다. 궁극적으로, 로컬라이저(14) 및 추적 디바이스들(16)은 수술 도구(30) 및 환자의 인체의 포즈를 결정할 수 있게 하여, 내비게이션 시스템(12)이 수술 도구(30)와 환자의 인체 사이의 상대적인 관계를 알게 된다. 이러한 내비게이션 시스템 중 하나는 2013년 9월 24일자로 출원된 “Navigation System Including Optical And Non-Optical Sensors”이라는 명칭의 Wu 등의 미국 특허 제9,008,757호(이에 의해 참고로 여기에 통합된다)에 제시되어 있다.

동작 시, 특정 수술 작업들에 대해, 사용자는 로봇 아암(20)을 수동으로 조작하여(예를 들어, 이를 이동시키거나 이의 움직임을 야기하여), 드릴링, 절단, 톱질 , 리밍(reaming), 이식물 설치 등과 같은, 환자에 대한 수술 절차를 수행하도록 수술 도구(30)를 조작한다. 사용자가 수술 도구(30)를 조작함에 따라, 내비게이션 시스템(12)은 수술 도구(30) 및/또는 로봇 아암(20)의 위치를 추적하고 햅틱 피드백(예를 들어, 힘 피드백)을 사용자에게 제공하여 환자의 인체에 정합(또는 맵핑)되는 하나 이상의 미리 정의된 가상 경계를 넘어서 수술 도구(30)를 이동시킬 수 있는(또는 이의 움직임을 야기할 수 있는) 사용자의 능력을 제한하며, 이는 드릴링, 절단, 톱질, 리밍, 및/ 또는 이식물 배치가 매우 정확하고 반복 가능하게 한다.

일 실시 예에서, 로봇 아암(20)은 수동 방식으로 작동하고 외과의가 수술 도구(30)를 가상 경계를 넘어서 이동시키려고 할 때 햅틱 피드백을 제공한다. 햅틱 피드백은 로봇 아암(20)에서의 하나 이상의 액추에이터(예를 들어, 조인트 모터)에 의해 생성되고 케이블 구동 변속기와 같은 유연한 변속기를 통해 사용자에게 전송된다. 로봇 아암(20)이 햅틱 피드백을 제공하고 있지 않을 때, 로봇 아암(20)은 사용자에 의해 자유롭게 이동 가능하다. 다른 실시 예들에서, 여기서 참조로 이전에 통합된 미국 특허 제9,566,122호에 도시된 것과 유사하게, 로봇 아암(20)은 사용자에 의해 유사한 방식으로 조작되지만, 로봇 아암(20)은 능동 방식으로 동작한다. 예를 들어, 사용자는 힘/토크 센서에 의해 측정되는 힘을 수술 도구(30)에 가하고, 로봇 아암(30)은 힘/토크 센서로부터의 측정에 기초하여 사용자의 목적하는 움직임을 에뮬레이트한다. 다른 수술 작업들을 위해, 로봇 아암(20)은 자율적으로 작동한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 수술 도구(30)는 로봇 아암(20)의 원위 단부(28)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 커플링(40)이 수술 도구(30)와 로봇 아암(20)의 원위 단부(28) 사이에 제공되어 수술 도구(30)가 축(A)을 중심으로 원위 단부(28)에 관해 회전할 수 있게 한다. 도 4에서, 수술 도구(30)는 척추경 나사, 다른 나사, 또는 다른 유형의 이식물을 위한 파일럿 홀을 드릴링하기 위한 드릴(42)을 포함한다. 드릴(42)은 회전축(R)을 중심으로 회전하도록 배열된다. 도 5에서, 수술 도구(30)는 척추경 나사(pedicle screw; PS) 또는 이식물에의 구동을 위해 회전축(R)을 중심으로 회전하기 위해 회전축(R)을 따라 배열된 구동기(44)(예를 들어, 나사 구동기)를 포함한다.

수술 도구(30)는 하우징(45)을 포함한다. 구동 시스템(예를 들어, 모터)은 드릴(42), 구동기(44), 또는 다른 부속품을 구동하기 위해 하우징(45) 내에 위치된다. 구동 시스템은 가변 속도일 수 있다. 핸들(46)은 하우징(45)에 달려 있고 수술 절차 동안 수술 도구(30) 및/또는 로봇 아암(20)을 조작하기 위해 사용자에 의해 파지되는 그립을 포함한다.

하우징(45)은 드릴(42), 구동기(44) 또는 다른 부속품을 구동 시스템에 해제 가능하게 부착하기 위한 콜릿(collet)(47) 또는 다른 유형의 커플러를 더 포함한다. 일부 경우들에서, 감속기(48)(도 5 참조)가 특정 부속품들에 사용되도록 콜릿(47)에 해제가능하게 부착될 수 있다. 감속기(48)는 부속품의 회전 속도가 구동 시스템에 직접 연결되는 것에 비해 감소되게 하는 변속기 또는 기어 장치를 포함한다. 이는 더 느린 회전 속도가 요구되는 경우들에 유용하다. 트리거(49)가 또한 드릴(42) 및/또는 구동기(44)의 속도를 제어하기 위해, 로봇 아암(20)의 움직임을 개시하기 위해, 회전축(R)을 목적하는 궤적과 정렬시키기 위해, 또는 기타 등등을 위해 존재할 수 있다. 트리거(49)는 로봇 아암(20) 및/또는 수술 도구(30)를 제어하기 위한 신호들을 로봇 제어기(32)(공구 제어기를 포함할 수 있음)에 통신할 수 있다.

도 6에 도시된 다른 실시 예에서, 커플링(40)의 일 단부는 축(A)을 중심으로 회전하도록 수술 도구(30)를 지지한다. 커플링(40)의 다른 단부는 하우징(45)을 지지한다. 하우징(45)은 커플링(40)에 고정될 수 있거나 또는 회전축(R)을 중심으로 커플링(40) 내에서 회전하도록 지지될 수 있다. 즉, 하우징(45)은 커플링(40) 내에서 수동으로 회전할 수 있을 수 있다. 그러나, 동시에, 커플링(40)은 하우징(45)의 위치 설정이 정밀하게 제어될 수 있도록 커플링(40)에 관한 회전축(R)에 따른 하우징(45)의 축방향 움직임을 제한한다. 추적기(도시되지 않음)는 하우징(45)의 위치 및/또는 배향을 추적하고 이에 의해 회전축(R) 및/또는 하우징(45)에 부착되는 부속품의 원위 단부를 추적하도록 하우징(45)에 장착될 수 있다. 하우징(45)에는 회전 샤프트(60)가 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전 샤프트(60)는 부속품(예를 들어, 도시된 바와 같은 구동기(44))에 결합되는 원위 인터페이스/콜릿(62) 및 토크의 소스, 예를 들어, 모터, 수동 회전을 위한 회전 가능한 핸들 등과 같은 전원에 결합되는 근위 인터페이스/콜릿(64)을 가진다. 예를 들어, 구동기(44)는 원위 인터페이스(62)/회전 샤프트(60)에 결합되는 것으로 도시되고, 내부 모터를 갖는 핸드피스(66)는 근위 인터페이스(64)에 결합된 것으로 도시되어 사용자가 핸드피스(66)를 파지하고, 모터의 동작을 트리거하며, 모터가 회전 샤프트(60)를 통해 구동기(44)로 그리고 궁극적으로 척추경 나사(PS)로 토크를 전달하게 할 수 있게 된다. 이러한 구성에 의해, 사용자는 척추경 나사들(PS)을 삽입할 때 직접적인 토크 피드백을 느낄 수 있다.

치료를 필요로 하는 환자의 인체 - 이를테면 환자의 척추 - 를 시각화하기 위해 수술전 이미징 및/또는 수술중 이미징이 채용될 수 있다. 외과의는 이미지들에 대하여 그리고/또는 이미지들로부터 생성된 3-D 모델에 대하여 척추경 나사들(PS)을 배치시킬 곳을 계획한다. 계획은 예를 들어, 이미지들 및/또는 3-D 모델에서 원하는 포즈를 식별함으로써, 각 척추경 나사(PS)의 포즈를 이것들이 배치되고 있는 특정 척추골(V)에 대하여 결정하는 것을 포함한다. 이는 환자의 인체의 3-D 모델에 대하여 척추경 나사(PS)의 별도의 3-D 모델을 생성하거나 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 계획이 설정되면, 계획은 실행을 위해 로봇 시스템(10)으로 전달된다.

로봇 시스템(10)은 임의의 수술전 이미지들, 예를 들어 수술 전에 촬영되는 X-레이, CT 스캔, 또는 MRI 이미지에 추가적으로 또는 대안적으로 환자의 인체의 수술중 이미지들을 촬영하기 위해 이미징 디바이스(50)(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 C-아암)와 협력하여 사용될 수 있다. 이미징 디바이스(50)로부터의 수술중 이미지들은 환자의 척추에 배치되는 척추경 나사들(PS)의 목적하는 배향에 관한 드릴(42) 또는 구동기(44)의 실제 위치를 결정하는 것을 도울 수 있다. 척추경 나사들(PS) 또는 다른 이식물들을 척추골(V) 내에 배치시킬 때, 각 척추골(V)을 개별적으로 추적하고 드릴(42) 및/또는 구동기(44)의 대응하는 포즈를 별개의 척추골(V)에 관해 추적하기 위해 별개의 추적 디바이스들(16)이 각 척추골(V)에 채용될 수 있다.

로봇 시스템(10)은 척추경 나사들(PS)의 목적하는 포즈를 평가하고, 수술 도구(30)의 드릴(42) 및 구동기(44)가 사용자의 계획에 따라 척추경 나사들(PS)을 궁극적으로 배치하는 방식으로 제어되도록 로봇 아암(20)의 움직임을 제어하도록 척추경 나사들(PS)의 목적하는 포즈에 대응하는 가상 경계들(예를 들어, 햅틱 개체들), 미리 정의된 도구 경로들, 및/또는 다른 자율 움직임 명령어들을 생성한다. 이는 예를 들어, 수술 절차 동안 수술 도구(30)의 궤적이 척추경 나사들(PS)의 목적하는 포즈와 정렬되는 것을 보장하는 것, 예를 들어, 회전축(R)을 척추경 나사식 나사(PS)의 바람직한 포즈와 정렬하는 것을 포함할 수 있다.

다른 실시 예들에서, 사용자는 목적하는 궤적 및/또는 나사 배치를 수술 중에 계획할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 디스플레이(18)가 회전축(R)의 궤적이 목적하는 배향에 있다는 것을 나타낼 때까지 드릴(42)을 관심 인체, 예를 들어 척추골(V)에 관해 목적하는 진입 지점에 위치시킬 수 있고 드릴(42)을 배향시킬 수 있다. 사용자가 궤적에 만족하면, 사용자는 이 궤적을 절차 동안 유지될 목적하는 궤적으로서 설정하기 위해 제어 시스템에 입력(예를 들어, 터치스크린, 버튼, 풋 페달 등)을 제공할 수 있다. 회전축(R)이 목적하는 궤적을 따라 머무르도록 유지시키기 위해 수술 도구(30)의 움직임을 제한하기 위해 생성된 햅틱 개체는 도 4에 도시된 바와 같은 라인 햅틱 개체(line haptic object; LH)일 수 있다. 라인 햅틱 개체(LH)는 아래에서 더 설명될 바와 같이, 시작 지점(starting point; SP), 드릴(42), 척추경 나사(PS) 등의 목적하는 깊이를 정의하는 타겟 지점(target point; TP), 및 출구 지점(exit point; EP)을 가질 수 있다. 다른 햅틱 개체 형상들, 크기들 등이 또한 고려된다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 척추rhf(V) 중 하나가 도시되어 있다. 척추 유합 수술(spinal fusion surgery)과 같은 수술 절차 동안, 외과의는 척추골(V)의 척추체(100) 내로 척추경 영역emf을 통해 하나 이상의 척추경 나사(PS)를 삽입할 수 있다. 척추경 나사들(PS)을 삽입하기 전에, 외과의는 드릴(42)을 채용하여 척추체(100)에서 파일럿 홀들(102)을 절단할 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 파일럿 홀들은, 이를테면 셀프 드릴링(self-drilling), 셀프 태핑 뼈 나사가 채용되는 곳에서는 배제될 수 있다. 예를 들어, 2009년 12월 29일에 발행된 "Self-drilling bone screw"라는 명칭의 Stefan Auth의 미국 특허 제7,637,929호(이에 의해 여기에 그 전문이 참고로 통합된다)의 교시를 참조한다.

일 실시 예에서, 드릴링이 시작되기 전에, 로봇 시스템(10)은 파일럿 홀들(102)의 목적하는 배향과 일치하는, 목적하는 궤적과 수술 도구(30)의 회전축(R)을 자율적으로 정렬시킴으로써 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하도록 수술 도구(30)의 움직임을 제어한다. 이 경우, 로봇 아암(20)은 목적하는 궤적을 따라 드릴(42)을 자율적으로 위치시킬 수 있지만, 드릴(42)이 척추체(100)와 아직 접촉하지 않도록 (도 4에 도시된 바와 같이)척추체(100) 위에 이격된다. 이러한 자율적인 위치 설정은 사용자가 수술 도구(30) 상의 트리거를 당기거나, 그렇지 않으면 움직임을 시작하기 위해 제어 시스템에 입력을 제공함으로써 개시될 수 있다. 일부 경우들에서, 수술 도구(30)의 도구 중심점(tool center point; TCP)은 처음에 목적하는 궤적을 제공하는 라인 햅틱 개체(LH)의 시작 지점(SP)의 미리 정의된 거리 내(이를테면 미리 정의된 시작 구 내)에 있게 된다. TCP(예를 들어, 버 중심(bur centroid), 드릴 팁 중심(drill tip center) 등)가 시작 지점(SP)의 미리 정의된 거리 내에 있으면, 트리거를 당기는 것(또는 대안적으로 풋 페달(foot pedal)을 누르거나 일부 다른 입력을 작동시키는 것)은 로봇 아암(20)이 목적하는 궤적 상에 수술 도구(30)를 자율적으로 정렬 및 위치시키게 한다. 예를 들어, 2012년 12월 21일에 출원된 “Systems And Methods For Haptic Control Of A Surgical Tool”이라는 명칭의 Otto 등의 미국 특허 출원 공보 제2014/0180290호(이에 의해 여기에 그 전문이 참고로 통합된다)의 교시를 참조한다. 로봇 아암(20)은 수술전 계획에 기초하여 수술 도구(30)를 환자로부터의 일정 거리로 이동시키도록 프로그래밍될 수 있거나, TCP를 궤적 상의 가장 가까운 지점으로 이동시킬 수 있다. 수술 도구(30)가 목적하는 포즈로 있으면, 로봇 시스템(10)은 환자의 움직임을 추적하고 회전축(R)을 목적하는 궤적 상에, 즉 라인 햅틱 개체(LH)와 정렬되게 유지시키기 위해 필요에 따라 로봇 아암(20)을 자율적으로 조정함으로써 목적하는 궤적 상에 수술 도구(30)의 회전축(R)을 효과적으로 홀딩할 수 있다.

로봇 시스템(10)이 목적하는 궤적 상에 수술 도구(30)를 홀딩하는 동안, 이어서 사용자는 수술 도구(30)를 수동으로 조작하여 드릴(42)을 라인 햅틱 개체(LH)를 따라 척추체(100)를 향해 이동시켜(또는 이의 움직임을 유발하여) 파일럿 홀들(102)을 드릴링할 수 있다. 수동 로봇 아암(20)을 사용할 때와 같은, 일부 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 사용자가 라인 햅틱 개체(LH) 및 목적하는 궤적으로부터 벗어나는 방식으로 수술 도구(30)를 이동시키려고 할 경우 사용자에게 햅틱 피드백을 제공함으로써 사용자의 수술 도구(30)의 움직임을 목적하는 궤적을 따라 머무르게 제한한다. 사용자가 수술 도구(30)의 비제한 움직임을 위해, 로봇 아암(20)을 자유 모드로 복귀시키고자 하는 경우, 사용자는 출구 지점(EP)에 도달할 때까지, 라인 햅틱 개체(LH)를 따라, 환자로부터 멀어지게, 수술 도구(30)를 거둬 들일 수 있다.

이어서 사용자는 파일럿 홀들(102)을 목적하는 깊이들로 드릴링한다. 드릴링 속도는 트리거를 통해 사용자에 의해 제어될 수 있거나, 환자의 인체에 관한 드릴(42)의 특정 위치에 기초하여 자동으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 드릴(42)의 회전 속도는 척추체(V)로의 초기 드릴링 동안 높게 설정될 수 있지만, 척추체(V) 내로의 추가 드릴링 동안 느려질 수 있고, 최종 깊이로의 최종 드릴링 동안 훨씬 더 느리게 설정될 수 있다. 제어 시스템은 또한 로봇 제어기(32)와 통신하는 하나 이상의 센서(S)(예를 들어, 하나 이상의 힘 센서, 힘/토크 센서, 토크 센서, 압력 센서, 광학 센서 등)를 통해 라인 햅틱 가이딩 동안 접촉/접촉력을 모니터링할 수 있다. 수술 도구(30)가 연조직을 통과하는 것을 의미하는 상당한 접촉/접촉력이 검출되지 않는 경우, 제어 시스템은 수술 도구(30)의 모터 또는 다른 전원(예를 들어, RF 에너지, 초음파 모터 등)의 활성화를 막는다. 뼈와의 접촉이 검출될 때(예를 들어, 광학적으로, 감지된 힘이 미리 정의된 임계치를 초과하는 등), 제어 시스템은 모터 또는 다른 전원을 활성화시킬 수 있다. 사용자들은 또한 수동적으로 접촉/접촉력을 느끼고 스위치를 트리거하여 전원을 활성화할 수도 있다.

목적하는 궤적에 따른 사용자의 움직임을 제한하기 위해 사용되는 가상 경계들(예를 들어, 햅틱 개체들)은 또한 햅틱 피드백을 통해, 사용자가 파일럿 홀들(102)의 목적하는 깊이에 도달했을 때, 예를 들어, 타겟 지점(TP)에 도달했을 때를 표시할 수 있다. 목적하는 깊이들을 설정하기 위해 별도의 가상 경계들이 사용될 수도 있다. 다른 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 파일럿 홀들(102)을 목적하는 깊이들로 자율적으로 드릴링할 수 있다. 추가 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 처음에 자율적으로 드릴링할 수 있지만, 이어서 최종 드릴링은 수동으로 이루어질 수 있거나, 또는 그 반대도 가능하다. 파일럿 홀들(102)이 생성되면, 이어서 구동기(44)를 사용하여 척추경 나사들(PS)이 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 파일럿 홀들(102)은 불필요할 수 있고, 척추경 나사들(PS)이 로봇 시스템(10)에 의해 또는 임의의 안내 없이 배치된 가이드 와이어들 위에 배치될 수 있다. 파일럿 홀들은 이를테면 셀프 드릴링, 셀프 태핑 뼈 나사가 채용되는 경우와 같이, 불필요할 수 있다. 예를 들어, 2009년 12월 29일에 발행된 "Self-drilling bone screw"라는 명칭의 Stefan Auth의 미국 특허 제7,637,929호(이에 의해 여기에 그 전문이 참고로 통합된다)의 교시를 참조한다.

내비게이션 시스템(12)을 사용하여 각 척추골(V)을 개별적으로 연속하여 추적하고 드릴(42)의 움직임을 추적하는 것의 한 가지 이점은 척추경 나사들(PS)이 척수(103)에 매우 근접하게 삽입될 수 있다는 점이고, 이에 따라 척추경 나사들(PS) 및 이것들의 대응하는 파일럿 홀들(102)의 배치는 척수(103)와 상호 작용하거나 이를 손상시키는 것을 피하기 위해 정밀하게 정렬되어야 한다. 외과의가 부적절한 각도로 그리고/또는 너무 깊게 파일럿 홀들(102)을 드릴링하는 경우, 척추경 나사들(PS) 또는 파일럿 홀들(102)을 드릴링하는 데 사용되는 드릴(42)이 척수(103)를 손상시킬 수 있다. 이 결과, 내비게이션 시스템(12)을 사용하여 환자의 인체 및 구체적으로 수술전 이미지들 및/또는 수술중 이미지들에 윤곽이 나타나는 바와 같은 인체에 관한 드릴(42) 및/ 또는 구동기(44)의 포즈를 추적함으로써, 척수(103)가 회피될 수 있다.

구체적으로 도 7을 참조하여, 드릴링이 완료되면, 드릴(42)은 척추체(100)로부터 제거되고, 드릴(42)은 콜릿(47)을 통해 구동 시스템으로부터 분리되고, 구동기(44)는 (감속기(48)를 갖거나 갖지 않는) 구동 시스템에 결합된다. 척추경 나사(PS)는 파일럿 홀들(102) 중 하나에의 배치를 위해 구동기(44)의 원위 단부에 부착된다. 척추경 나사(PS)를 구동하기 위해 원래의 라인 햅틱 개체가 사용될 수 있거나, 구동기(44) 및/또는 척추경 나사(PS)를 부착 시 새로운 시작 지점, 타겟 지점, 및 출구 지점을 갖는 새로운 라인 햅틱 개체가 생성될 수 있다. 이 경우, 드릴(42) 및/또는 구동기(44)는 RFID 태그들 또는 다른 식별 디바이스들을 가질 수 있어 로봇 제어기(32)가 어느 부속품이 하우징(45)에 연결되는지를 식별할 수 있다. 하우징(45)은 태그를 판독하고 어느 부속품이 부착되는지를 결정하기 위해 로봇 제어기(32)와 통신하는 대응하는 RFID 판독기 등을 가질 수 있다. 이러한 정보에 기초하여, 이어서 제어기는 새로운 라인 햅틱 개체를 생성, 액세스, 또는 결정할 수 있다. 유사하게, 척추경 나사들(PS)에 또한 RFID 태그들이 설치될 수 있고, 구동기(44)는 유사한 판독기를 가질 수 있어 로봇 제어기(32)는 또한 어느 크기/유형의 척추경 나사(PS)가 부착되는지도 결정할 수 있다. 따라서, 라인 햅틱 개체는 구동기(44) 및/또는 척추경 나사(PS)에 기초할 수 있어 로봇 아암(20)은 특정 척추경 나사 (PS)를 환자의 인체에 대하여 목적하는 위치, 예를 들어,목적하는 배향 및 깊이에 배치하기 위해 정밀하게 제어된다.

부가적으로, RFID 태그들, 또는 비전 카메라와 같은 다른 검출 디바이스들 중 어느 하나를 통한 부속품의 자동 검출과 함께, 제어 시스템은 로봇 시스템(10)과 함께 이용되는 임의의 수술 절차 소프트웨어를 구동기(44)와 연관된 다음 스크린 - 구동기(44)가 연결되므로 사용자에 대한 상이한 프롬프트들, 명령어들 등을 가질 수 있다 - 으로 전진시킬 수 있다. 음성 인식(voice recognition), 제스처 감지(gesture sensing), 또는 다른 입력 디바이스들이 소프트웨어를 전진시키고/거나 치료될 다음 척추골(100)로 변하고/거나 동작이 수행되는 척추체(100) 측을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 이는 또한 수술 도구(30)의 위치에 기초할 수 있다. 예를 들어, 부착된 부속품의 TCP가 사용자에 의해 다른 것보다 특정 척추골(V)의 일측에 더 가깝게 배치되는 경우, 소프트웨어는 척추골(V)의 해당 측에 대응하도록 자동으로 전진할 수 있다. 선택된 척추골(V) 및 동작 측은 디스플레이들(18)을 이용하여 시각적으로 또는 청각 입력/출력을 통해 확인될 수 있다.

다시, 드릴(42)이 제어되는 것과 매우 동일한 방식으로, 로봇 시스템(10)이 목적하는 궤적 상에 수술 도구(30)를 홀딩하는 동안, 이어서 사용자는 수술 도구(30)를 수동으로 조작하여 구동기(44) 및 척추경 나사(PS)를 라인 햅틱 개체(LH)를 따라 척추체(100)를 향해 이동시켜(또는 이의 움직임을 유발하여) 척추경 나사(PS)를 파일럿 홀들(102)에 삽입할 수 있다. 수동 로봇 아암(20)을 사용할 때와 같은, 일부 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 수술 도구(30)가 목적하는 궤적과 정렬되어 유지되고 목적하는 궤적을 따라 머무르도록 수술 도구(30)의 사용자의 움직임을 제한함으로써 수술 도구(30)의 움직임을 제어한다. 이는 사용자가 목적하는 궤적으로부터 벗어나는 방식으로 수술 도구(30)를 이동시키려고 할 경우 사용자에게 햅틱 피드백을 제공함으로써 실현될 수 있다 - 이에 따라 로봇 아암(20)은 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 환자의 척추에 이식물의 설치를 여전히 제어할 수 있다. 이어서 사용자는 척추경 나사(PS)를 파일럿 홀(102) 내로 목적하는 위치로, 예를 들어 목적하는 배향에서 목적하는 깊이로 구동시킨다. 구동 속도는 트리거를 통해 사용자에 의해 제어될 수 있거나, 환자의 인체에 관한 구동기(44) 및/또는 척추경 나사(PS)의 특정 위치에 기초하여 자동으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 구동기(44)의 회전 속도는 척추체(V)로의 초기 설치 동안 높게 설정될 수 있지만, 척추체(V) 내로의 추가 설치 동안 느려질 수 있고, 최종 깊이로의 최종 설치 동안 훨씬 더 느리게 설정될 수 있다.

목적하는 궤적에 따른 사용자의 움직임을 제한하기 위해 사용되는 가상 경계들(예를 들어, 라인 햅틱 개체들)은 또한 햅틱 피드백을 통해, 사용자가 척추경 나사(PS)의 목적하는 깊이에 도달했을 때를 표시할 수 있다. 목적하는 깊이를 설정하기 위해 별도의 가상 경계들이 사용될 수도 있다. 다른 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 척추경 나사들(PS)을 목적하는 깊이들로 자율적으로 삽입할 수 있다. 추가 경우들에서, 로봇 시스템(10)은 처음에 자율적으로 척추경 나사들(PS)을 초기 깊이로 구동할 수 있지만, 이어서 최종 깊이로 최종 이식은 수동으로 이루어질 수 있거나, 또는 그 반대도 가능하다. 일례에서, 척추경 나사들(PS)은 (내비게이션 시스템(12)에 의해 결정된 바와 같은) 최종 깊이의 미리 정의된 거리 내에 있을 때까지 자율적으로 배치된다. 이때, 사용자는 사용자가 척추경 나사들(30)의 조임을 느낄 수 있도록 척추경 나사(PS)를 수술 도구(30)를 이용하여 수동으로 이식하는 것을 마치거나, 별도의 도구(동력식 또는 수동식)가 척추경 나사(PS)의 배치를 완료하는 데 사용된다. 사용자는 제어 시스템에 의해, 디스플레이(18)를 통해, 척추경 나사(PS)가 최대 깊이에 도달하기 전에 얼마나 많은 턴이 남아 있는지를 지시받을 수 있고/또거나,디스플레이들(18)이 척추경 나사들(PS), 인체, 및/또는 목표 지점을 그래픽으로 나타낼 수 있어 사용자는 척추경 나사(PS)의 얼마나 더 많은 구동이 요구되는지를 쉽게 시각화할 수 있다.

일부 절차들에서, 회전축(R)은 이를테면 모든 파일럿 홀들이 먼저 드릴링되고, 이어서 모든 척추경 나사들(PS)이 그것들의 목적하는 위치로 구동될 때, 파일럿 홀들을 드릴링하는 것과 이식물들을 구동하는 것 사이에서 목적하는 궤적에서 벗어날 수 있다. 이러한 경우, 척추경 나사들(PS) 각각을 배치하기 전에, 로봇 시스템(10)은 먼저 전술한 방식으로 수술 도구(30)의 회전축(R)을 각각의 척추경 나사들(PS) 각각에 대해 목적하는 궤적과 자율적으로 정렬시킴으로써 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하도록 수술 도구(30)의 움직임을 제어할 수 있다.

일 대안 예에서, 척추경 나사들(PS)은 로봇 시스템(10)의 도움으로 삽입되며, 이때 로봇 제어기(32)는 회전축(R)을 중심으로 하는 회전 속도 및 계획된 궤적에 따른 전진 속도가 척추경 나사의 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 삽입을 제어한다. 예를 들어, 나사산 기하학적 구조는 척추경 나사(PS) 길이, 나사산 직경, 나사산 깊이, 헤드 크기, 및 나사 피치(Pitch; P) 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 도 14는 타겟 부위 - 이 경우에는 척추골(vertebra; V)로서 도시된다 - 에 인접한 척추경 나사(PS)의 시작 위치를 도시하며, 계획된 궤적은 직선 햅틱 개체(LH)로 지정된다.

척추경 나사(PS)와 척추체(100) 사이의 나사산 계면은 척추경 나사가 부정확하게 삽입되면 뼈, 나사(PS), 구동기(44) 또는 수술 도구(30)에 손상을 입힐 위험이 있다. 뼈는 가장 약한 물질일 수 있고 이에 따라 나사가 부정확하게 삽입되면 손상을 받을 가능성이 가장 높다. 부적절한 삽입은 예를 들어, 척추경 나사(PS)가 회전축(R)을 중심으로 불충분한 회전으로 궤적(LH)을 따라 직선으로 전진할 때 발생할 수 있다. 이는 뼈 물질이 나사산들에 인접해서 잘라져 뼈 속으로 밀려 들어가게 할 수 있다. 다른 예에서, 부적절한 삽입은, 예를 들어, 척추경 나사(PS)가 궤적(LH)을 따라 불충분하게 전진하며 회전축(R)을 중심으로 회전될 때 발생할 수 있으며, 이는 골 물질이 나사산에 인접해서 벗겨지고 나사산들을 따라 사실상 홀을 드릴링하는 것을 넘어서 뒤로 밀리게 한다. 어느 예이든, 부적절한 삽입의 결과는 뼈에 척추경 나사(PS)를 고정하기 위해 골 물질의 강도 및 양을 감소시키는 것이다.

도 14는 이러한 잠재적인 위험을 처리하기 위해 위치 제어를 사용한 삽입을 위해 척추체(100)에 인접한 시작점(Do)에서의 척추경 나사(PS)을 도시한다. 나사를 삽입하기 위한 위치 제어는 적절한 깊이 위치 및 각도 또는 회전 위치가 동작 전반에 걸쳐 유지되는 것을 보장한다. 척추체(100)는 상기한 실시 예들에 도시된 바와 같이, 파일럿 홀이 준비될 수 있거나, 파일럿 홀이 요구되지 않도록 동작이 셀프 드릴링 및 셀프 태핑 나사를 채용할 수 있다. 척추경 나사(PS)의 시작점(Do)은 척추체(100)에 인접하는 데, 즉 나사의 임의의 부분이 척추체(100)로 관통하기 전에 있다. 일 대안 예에서, 시작 지점(Do)은 동작 전반에 걸쳐 적절한 위치 제어를 보장하기 위해 안전 마진으로서 일정 거리만큼 척추체(100)로부터 이격될 수 있다. 삽입 깊이(D)는 척추체(100)에 척추경 나사(100)의 설치를 완료하기 위해 계획된 깊이로서 궤적(LH)을 따라 최종 깊이(Df)로 전진한다.

로봇 제어기(32)는 궤적(LH)에 따른 전진 속도 및 회전 속도가 척추경 나사(PS)의 나사산 피치(P)에 비례하도록 척추경 나사(PS)의 삽입을 제어하도록 구성된다. 척추경 나사(PS)는 알려져 있는 기하학적 구조를 갖고 내비게이션 시스템(12) 내에 가상으로 제시된다. 나사산 피치(P)는 단위 길이당 나사산 수로서 정의된다. 특정 예에서, 도 14에 도시된 척추경 나사는 인치당 12 나사산의 나사산 피치를 가질 수 있다. 다른 예시적인 척추경 나사들(PS)은 인치당 8, 10, 14, 16개 또는 다른 수의 나사산들을 가질 수 있다. 로봇 아암(20)과 척추경 나사(PS) 사이의 정의된 관계, 및 로봇 시스템(10)의 메모리에 저장된 척추경 나사(PS)의 알려져 있는 기하학적 구조를 가지고, 로봇 제어기(32)는 특정 나사산 피치를 갖는 척추경 나사를 삽입하기 위한 적절한 회전 속도 및 전진 속도를 보장하도록 구성된다.

척추경 나사(PS)의 나사산 기하학적 구조는 수술전 또는 수술중 로봇 시스템(10)의 메모리에 저장될 수 있다. 일례에서, 척추경 나사(PS)는 수술 계획의 일부로서 선택되고, 척추골 나사(PS)의 대응하는 나사 기하학적 구조는 척추경 나사(PS)와 연관되고 계획으로 입력된다. 수술중 수술을 위해 계획이 로딩되면, 로봇 시스템(10)은 즉각적인 액세스를 위해 메모리에 저장된 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 가질 것이다. 다른 예에서, 조작자는 상이한 척추경 나사들(PS)을 수동으로 선택할 수 있거나, 로봇 시스템(10)의 동작과 관련된 GUI를 사용하여 나사산 기하학적 구조를 수동으로 입력할 수 있다. 입력된 나사산 기하학적 구조는 메모리에 저장된 데이터베이스로부터 획득될 수 있거나, 선택된 척추경 나사(PS)와 연관된 오프라인 사양으로부터 이러한 정보를 획득하는 조작자로부터 유도될 수 있다. 이러한 예들 중 어느 하나의 예에서, 나사산 기하학적 구조는 로봇 시스템(10)이 후속하여 입력된 나사산 기하학적 구조로 여기서 설명된 제어 기술들을 수행할 수 있도록 GUI를 사용하한 조작자 입력 후에 메모리에 저장될 수 있다. 또 다른 예에서는, 로봇 시스템(10)에 직접 또는 무선으로 연결된 측정 도구가 임의의 의도된 척추경 나사(PS)를 스캔 또는 측정하여 나사산 기하학적 구조를 추출하고 측정된 나사산 기하학적 구조를 로봇 시스템(10)의 메모리로 전송하기 위해 이용될 수 있다.

척추경 나사 나사산 피치, 각도, 또는 회전, 위치 및 삽입 깊이, 또는 궤적에 따른 전진 사이의 관계는 식 θ = D*(피치 / 2π)에 의해 좌우되며, 여기서 θ는 각도 위치이고, D는 단위 길이의 삽입 깊이이고, 피치는 척추경 나사(PS)의 단위 길이당 나사산들이다. 로봇 제어기(32)는 이 관계를 사용하여 척추경 나사의 설치를 제어한다. 예를 들어, 시간에 대해 1차 도함수를 취하면, 각도 위치의 변화율, 또는 회전 속도(δθ/δt)는 삽입 깊이의 변화율, 또는 전진율(δD/ δt)에 피치를 2π로 나눈 값과 동일하다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다:

(식 1).

상술한 바와 같이, 로봇 아암은 사용자가 힘/토크 센서에 의해 측정되는 힘을 수술 도구에 가하는 능동 방식으로 동작할 수 있다. 로봇 아암은 힘/토크 센서로부터의 측정에 기초하여 사용자의 목적하는 움직임을 에뮬레이트한다. 로봇 제어기(32)는 가해진 힘의 방향으로 그리고 가해진 힘의 크기에 비례하여로봇 아암(20)의 변위를 명령하도록 구성될 수 있다. 로봇 제어기(32)는 또한 나사산 피치에 관한 척추경 나사(PS)의 전진 속도와 회전 속도와 사이의 비례 관계를 유지하도록 구성된다.

일 대안 예에서, 도 15에 도시된 바와 같이, 이식물을 배치하는 방법이 제공된다. 도 15는 나사를 뼈 내에 배치하는 것과 같이, 이식물을 목적하는 위치에 배치하기 위해 수술 절차에서 수행될 수 있는 샘플 단계들의 흐름도를 도시한다. 단계(400)에서, 먼저 인체가 이식물을 수용하도록 준비된다. 이러한 준비는: (1) 환자에 절개를 형성하는 단계(또한 도 13 참조); (2) 견인기를 이용하여 조직을 견인하는 단계; (3) 인체에 파일럿 홀을 드릴링는 단계; (4) 인체로 나사산들을 태핑하는 단계 등과 같은 여러 단계들을 포함할 수 있다. 모든 준비 단계들이 모든 동작들에서 수행될 필요는 없다. 예를 들어, 셀프 드릴링, 셀프-태핑 나사가 채용되는 경우, 파일럿 홀을 드릴링하거나, 나사산들을 태핑하는 별도의 준비 단계들은 필요하지 않다.

회전축(R)이 수술 계획에 따라 도 14에서와 같이 계획된 궤적(LH)과 아직 정렬되지 않은 경우, 또는 다른 이유들로 회전축(R)이 목적하는 궤적으로부터 멀어지게 이동한 경우, 단계(402)에서 회전축(R)이 정렬된다. 구체적으로, 단계(402)에서, 로봇 시스템(10)은 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하도록 수술 도구(30)의 움직임을 제어한다. 이는 로봇 시스템(10)이 수술 도구(30)의 자율적인 움직임을 유발하여 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로봇 시스템(10)은 회전축(R)이 계획된 궤적(LH)을 따라 배치될 때까지 수동 모드에서 힘/토크를 인가함으로써 사용자가 수술 도구(30)를 이동시킬 수 있게 할 수 있다. 로봇 시스템(10)은 적절한 정렬을 표시하기 위해 사용자에 대한 (시각적, 청각적, 및/또는 촉각적) 피드백을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 인력 햅틱(attractive haptic)은 도구의 위치가 계획된 궤적(LH)에 인력 햅틱에 의해 정의된 임계 거리만큼 가까울 때 계획된 궤적을 향해 도구(30)를 당기는 데 이용될 수 있다.

회전축(R)이 목적하는 궤적 상에 배치되면, 단계(404)에서 로봇 시스템(10)은 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 유지시키도록 동작한다. 이는, 이식물이 목적하는 위치에 배치될 때까지 수술 도구(30)가 동작 전체 동안 목적하는 궤적과 정렬되어 유지되도록, 수술 도구(30)의 움직임을 자율적이든 수동적이든 제한하는 것을 포함할 수 있다.

환자의 척추골(V)에의 이식물의 설치는 단계들(406-410)에서 일어나서, 이식물이 목적하는 위치에 배치된다. 단계(406 및 408)에서, 로봇 시스템(10)은 수술 도구(30)의 자율적임 움직임을 유발하여, 계획된 궤적을 따라 직선으로 도구의 자율적인 전진을 동시에 제어하면서, 또한 회전축(R)을 중심으로 수술 도구의 자율적인 회전도 제어한다. 전진 및 회전의 자율적인 제어는 상술된 식 1에 의해 정의된 나사 피치와 관련된다. 나사산 피치에 따르는 자율적인 제어는 척추경 나사의 적절한 설치를 보장하여 주변 뼈 조직에 손상을 일으키는 것을 막는다.

자율 제어는 로봇 시스템(10)이 이식물을 목적하는 위치, 즉 수술 계획에 따른 최종 삽입 깊이에 배치하는 단계(410)의 완료를 통해 계속된다.

단계 400-410은 사용자에 의해 다수의 대안들로 명령될 수 있다. 제1 예에서, 로봇 시스템(10)은 완전히 자율적으로 실행하도록 구성될 수 있다. 즉, 사용자가 로봇 시스템(10)에 동작을 수행할 것을 명령하면, 로봇 시스템(10)은 동작이 완료될 때까지 추사 사용자 입력 없이 동작을 수행한다. 대안적인 실시 예에서, 사용자는 동작의 자율적인 실행을 개시할 수 있고 이어서 이를테면 버튼을 누르고 홀딩하는 것에 의해, 풋 스위치를 누르고 홀딩하는 것에 의해, 또는 입력이 중단되면, 예를 들어 버튼 또는 풋 스위치가 해제되면, 로봇 시스템(10)이 동작의 실행을 일시 정지하도록 하는 다른 연속적인 입력 제어에 의해 연속적인 입력을 제공할 수 있다. 자율적인 제어와 협력하여, 사용자는 동작이 실행되는 속도를 변경할 수 있다. 버튼 또는 풋스위치에 더하여, 사용자가 다수의 개별 속도들로 단계별 기능으로 로봇 속도의 증가 또는 감소를 명령할 수 있도록 하는 추가 제어도 제공될 수 있다. 추가 속도 제어는 버튼, 선택기, 다이얼, 또는 다른 적절한 제어의 세트를 포함할 수 있다.

추가 실시 예에서, 방법은 사용자가 힘/토크 센서에 의해 측정되는 힘을 수술 도구에 가하는 능동 방식으로 로봇 시스템(10)을 사용하는 단계를 포함한다. 로봇 시스템은 힘/토크 센서로부터의 측정치에 기초하여 로봇 아암의 사용자의 목적하는 움직임을 에뮬레이트한다. 이 실시 예에서, 사용자는 로봇 시스템을 자율 모드로 토글링하고, 이식물을 삽입하기 위한 자율적인 제어 동작의 실행을 명령할 수 있다. 로봇 시스템(10)은 사용자에 의해 인가된 입력을 표시하는 신호를 힘/토크 센서로부터 수신하고, 입력 힘의 크기에 비례하는 속도로 자율적인 제어를 실행한다. 로봇 시스템(10)은 또한 사용자가 제어기부터 자신들의 손을 제거하거나 힘/토크 센서에 임의의 힘을 입력하는 데 실패하는 경우 동작의 실행을 일시 정지하도록 구성될 수 있다.

추가 실시 예에서, 방법은 도 4 내지 도 6에 도시된 수술 도구(30)를 포함하고 사용자의 입력을 나타내는 신호들을 로봇 제어기(32)에 전달할 수 있는 트리거(49)를 갖는 로봇 시스템(10)을 사용하는 단계를 포함한다. 로봇 시스템(10)은 사용자가 트리거(49)가 눌려지는 양에 따라 이식물의 설치 동안 궤적에 따른 전진 또는 회전축(R)을 중심으로 하는 회전 속도 중 어느 하나를 제어하도록 하는 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 단계(406-410)에서, 사용자는 예를 들어, 회전 속도 또는 전진 속도를 제어하기 위해 트리거(49)를 가변적으로 누름으로써 입력을 제공한다. 로봇 시스템은 전진 속도 또는 회전 속도 중 다른 하나를 제어함으로써 입력에 응답하여 상술된 식 1에 정의된 관계에 따라 나사산 피치에 비례하는 이식물의 설치의 양태들을 둘 다를 유지한다.

단계 410 후에, 이식물이 목적하는 위치에 배치된 상태에서, 단계 412에서 도구가 이식물로부터 회수된다. 이식물을 뼈로 전진시키는 것과 같이, 사용자는 수술 도구의 회수를 명령하기 위해 척추골(V)로부터 멀어지는 방향으로 수술 도구에 힘을 입력할 수 있다. 대안적으로, 로봇 시스템(10)은 이식물이 배치되면 사용자로부터의 추가 입력 없이 수술 도구를 자율적으로 회수할 수 있다. 단계들(400 내지 412)에서 설명된 바와 같은 프로세스는 추가 이식물을 배치하기 위해 새로 수행될 수 있고, 수술 계획에 따라 모든 이식물들이 배치될 때까지 계속될 수 있다.

부분 관절면 절제술은 척추경 나사(PS)의 헤드의 최종 수용을 위한 매끄러운 뼈 표면을 제공하기 위해 수술 도구(30)로 수행될 수 있다. 절제 용적은 사용자의 계획에 기초하여, 즉 3-D 모델에서 헤드의 위치를 결정함으로써 정의될 수 있다. 헤드 형상에 대응하는 버(bur) 또는 사전 성형된 리머(reamer)(70)가 재료를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 드릴(42)은 도 7에 은선들로 도시된 바와 같이, 별도의 도구를 회피하기 위해 리머를 그 안에 통합할 수 있어 드릴(42)은 파일럿 홀을 생성하기 위해 더 작은 프로파일 드릴링 샤프트를 갖고 척추경 나사(PS)의 헤드를 위한 시트(72)를 생성하기 위해 리머(70)가 더 근위에 위치된다 - 이에 따라 시트(72) 및 파일럿 홀(102)의 적어도 일부가 동시에 형성될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 드릴(42)은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 드릴링 샤프트 및 원위 단부에 있는 드릴 팁을 가진다. 리머(70)는 드릴(42)이 타겟 척추체에 목적하는 깊이까지 삽입되면 리머(70)가 관절면 근처에 위치되도록 드릴 팁으로부터 근위로 이격된다. 임의의 적합한 드릴 및/또는 리머 절단 피처들이 홀을 형성하기 위해, 예를 들어 이식물을 수용하기 위해 환자의 척추에 파일럿 홀 및 시트를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

로봇 제어기(32)는 구동기(44)에 의한 척추경 나사(PS)의 구동과 연관된 토크를 측정함으로써 척추경 나사들(PS)의 삽입을 제어하는 데 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 척추경 나사(PS)를 척추체(100) 내로 삽입하기 위해 요구되는 토크는 척추경 나사(PS)가 척추체(100)에 더 깊게 배치되도록 증가하고, 파일럿 홀(102)의 단부에 도달하면 더 증가한다. 이 결과, 수술 도구(30)에서의 모터의 토크 출력은 척추경 나사(PS)가 목적하는 깊이 및/또는 파일럿 홀(102)의 단부에 도달했는지를 표시할 수 있다. 로봇 제어기(32)는 (예를 들어, 이를테면 모터의 전류 견인을 모니터링하는 등에 의해, 토크 센서를 통해) 이 토크를 모니터링하고 이에 따라 구동기(44)의 회전을 제어한다. 예를 들어, 임계 토크에 도달하면, 구동기(44)는 정지될 수 있다.

도 9a 및 9b를 참조하면, 제어 시스템은 삽입 동안 드릴(42) 또는 척추경 나사(PS)의 위치를 검증하기 위해 토크 출력, 예를 들어, 전류, 또는 다른 측정된 힘 파라미터를 사용할 수 있다. 이는 추적 디바이스(16)가 척추골(100)에 관해 부주의하게 이동하는 경우들에서 특히 유용할 수 있으며, 그렇지 않으면 이는 검출되지 않을 수 있고 드릴링 또는 나사 구동에서 에러를 초래할 수 있을 것이다. 예를 들어, 척추골(100)의 수술전 및/또는 수술중 이미지들은 척추골(100)에 대한 뼈 무기질 밀도(bone mineral density, BMD)의 체적 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다. 로봇 수술을 위한 이러한 BMD 맵들의 생성 및 이용은 2016년 6월 28일에 출원된 "Robotic Systems And Methods For Controlling A Tool Removing Material From A Workpiece"라는 명칭의, Moctezuma de la Barrera 등의, 미국 특허 출원 공보 제2017/0000572호(이에 의해 여기에 그 전문이 참고로 통합된다)에 도시되고 설명된다. 드릴링 또는 나사 구동 동안, 제어 시스템은 BMD 맵을 평가하여 3-D 모델 및 사용자의 계획에 따른 골과 드릴(42)/척추경 나사(PS)의 접촉 지점(즉, 드릴/척추경 나사(PS)가 계획을 따르는 경우 현재 접촉 지점)에서 BMD를 예측할 수 있다. 이어서 제어 시스템은 수술 도구(30)의 전류 또는 토크 또는 상호 작용 힘의 대응하는 값(예를 들어, 힘/토크 센서를 사용하여)을 예측할 수 있고, 이의 값을 측정된 실제 값들과 비교하여 임계치 초과의 불일치가 발견되는지를 결정할 수 있다. 불일치가 발견되면, 이는 절차를 정지하거나 계획을 업데이트하는 데 사용될 수 있다. 도 9b는 척추경 나사(PS)의 삽입 전류, 토크 및 힘의 프로파일을 도시한다. 사실상, 나사 구동 동안, 로봇 시스템(10)은 척추경 나사가 계획된 궤적을 따름을 표시하기 위해 나사들의 힘, 토그, 및 삽입 전류의 프로파일을 모니터링할 수 있다. 삽입 토크의 프로파일은 또한 뼈의 골다공증의 정도를 나타내는 데 사용될 수도 있다.

초음파 트랜스듀서(도시되지 않음)는 또한 환자의 인체의 실시간 이미지들을 생성하고 수술 절차를 진행하기 위해 환자의 피부의 뒷면에 장착될 수 있다. 수술 중 이미지들은 척추경 나사(PS)가 계획된 목적하는 궤적을 따르는지를 결정하는 데 또는 드릴(42) 또는 척추경 나사(PS)가 신경 및 내측 또는 외측 피질 경계부를 포함하는 임의의 중요한 구조들에 가까워지는지를 결정하는 데 사용될 수 있다.

도 10a를 참조하면, 수술 도구(30)의 부속품들 중 하나는 외과용 메스, 전기수술용 나이프, 날카로운 팁을 갖는 다른 도구들 등과 같은 피부 절개 도구(80)를 포함할 수 있다. 피부 절개 도구(80)는 드릴(42) 및/또는 구동기(44)와 매우 유사하게 장착될 수 있거나, 별도의 엔드 이펙터의 일부일 수 있고 커플링(40)에 부착되는 마운트(81)에 연결될 수 있고, 피부 절개(I)는 전술된 것과 유사한 방식으로 햅틱 안내로 이루어질 수 있는데, 즉 가상 경계들(예를 들어, 햅틱 개체들)은 환자의 피부에서 목적하는 절개에 대한 사용자의 움직임을 제한하기 위해 절개(I)를 생성할 때 사용될 수 있다. 일례에서, 디지털화 프로브(73)는 목적하는 절개 위치를 터치하고 관련 경계/햅틱 개체를 생성하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 3-D 피부 모델은 링(74)의 포즈에 기초하여, 디지털화를 통해, 및/또는 수술전 방법들을 통해 결정될 수 있고, 척추경 나사 배치의 목적하는 계획은 피부 모델에 기초하여 절개(I) 위치를 결정하기 위해 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다.

도 10b를 참조하면, 디지털화 프로브(73)와 유사한 다른 유형들의 포인터들이 또한 절개의 위치를 표시하기 위해 환자의 피부 상에 가시광(LT)을 투사하기 위해 피부 절개 도구(80), 엔드 이펙터, 또는 다른 구성요소에 장착될 수 있는 레이저 포인터(laser pointer; LP)와 같이 절개의 목적하는 위치를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 레이저 포인터는 먼저 피부 절개 도구(80)의 회전축(R)을 목적하는 궤적과 정렬하고, 이어서 레이저 포인터(LP)를 작동시켜 목적하는 궤적을 따라 광을 투사함으로써 사용될 수 있다. 피부 절개 도구(80)의 대안적인 형태가 도 10b에 도시되어 있으며, 이는 로봇 아암에 의해 제자리에 홀딩되는 도구 가이드(tool guide; TG)를 통해 배치된다. 피부 추적기(예를 들어, 링(74))를 통해 실현되는 환자의 피부의 추적으로 인해, 내비게이션 시스템(12)은 또한 피부 모델(예를 들어, 표면 모델, 점군 등) 및 목적하는 궤적과 피부 모델의 교차에 기초하여 절개(I)의 목적하는 위치를 대략적으로 결정할 수 있어,사용자는 햅틱 피드백에 의해 목적하는 위치의 환자의 피부에서 목적하는 절개를 절단할 수 있다.

햅틱 개체는 절개의 형성을 가이드하기 위해 햅틱 피드백을 설정하기 위해 다양한 방식들로 정의될 수 있다(예를 들어, 도 10a에 도시된 V-형상의 햅틱 개체(VH) 참조). 햅틱 개체들은 피부 절개 도구의 폭, 피부 절개의 목적하는 길이, 및/또는 절개의 바람직한 깊이에 기초하여 정의될 수 있다. 목적하는 절개 깊이는 또한 햅틱 개체의 일부로서 프로그래밍된 최대 절개 깊이 중 어느 하나에 의해 결정될 수 있는 최대 절개 깊이 내에서 사용자에 의해 제어될 수 있으며, 기계적 정지부가 피부 절개 도구(80)가 미리 결정된 지점을 넘어서 엔드 이펙터의 도구 가이드(TG) 내의 가이드 개구(도시되지 않음)를 통해 슬라이딩하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.

도 11을 참조하면, 수술 도구(30)의 부속품들 중 하나는 Jamshidi 니들, 탐침(stylet)을 갖는 다른 접근 캐뉼라 등과 같은 와이어 삽입 도구(90)를 포함할 수 있다. 와이어 삽입 도구(90)는 피부 절개 도구(80)와 매우 유사하게 장착될 수 있거나, 별도의 엔드 이펙터의 일부일 수 있고 커플링(40)에 부착되는 마운트(91)에 고정적으로 연결될 수 있다. 와이어 삽입 도구(90)와 마운트(91) 사이에 상대적인 모션이 허용되지 않는 경우, 즉 이들이 서로 고정되는 경우, 와이어 삽입 도구(90)는 라인 햅틱 개체(LH)로 가이드되어 피부 절개(I)에 진입하여 골, 예를 들어 척추골 상의 목표 지점(TP)에 도달할 수 있다. 마운트(91)가 개구(93)를 갖는 공구 가이드(TG)를 포함할 때와 같이, 와이어 삽입 공구(90)와 마운트(91) 사이의 상대적인 축방향 슬라이딩 모션이 허용된다면, 공구 가이드(TG)는 목적하는 배향으로 위치될 수 있고 와이어 삽입 도구(90)는 와이어 삽입 공구(TG)에서의 개구(93)를 따라 삽입될 수 있다. 타겟 지점(TP)에 대한 상대적인 거리, 와이어 삽입 도구(90)의 길이, 및 도구 가이드 위치에 따라, 드릴(42) 및/또는 구동기(44)에 대해 전술된 것과 동일한 방식으로 와이어 삽입 도구(90)가 라인 햅틱 개체(LH)를 통해 가이드될 수 있다.

도 12는 나사를 뼈 내에 배치하는 것과 같이, 이식물을 목적하는 위치에 배치하기 위해 외과적 시술에서 수행될 수 있는 샘플 단계들의 흐름도를 도시한다. 단계(200)에서, 먼저 인체가 이식물을 수용하도록 준비된다. 이러한 준비는 (1) 환자에 절개를 형성하는 단계(또한 도 13 참조), (2) 조직 견인기를 이용하여 조직을 견인하는 단계, (3) 견인된 조직에 캐뉼라를 배치하는 단계, (4) 인체에 파일럿 홀을 드릴링하는 단계, (5) 인체로 나사산들을 태핑하는 단계 등과 같은 여러 단계들을 포함할 수 있다.

회전축(R)이 목적하는 궤적과 아직 정렬되지 않은 경우, 또는 다른 이유들로 회전축(R)이 바람직한 궤적으로부터 멀어지게 이동된 경우, 단계(202)에서 회전축(R)이 정렬된다. 구체적으로, 단계(202)에서, 로봇 시스템(10)은 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하도록 수술 도구(30)의 움직임을 제어한다. 이는 로봇 시스템(10)이 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 배치하도록 수술 도구(30)의 자율적인 움직임을 야기하는 것을 포함할 수 있다.

회전축(R)이 목적하는 궤적 상에 배치되면, 단계(204)에서 로봇 시스템(10)은 목적하는 궤적을 따라 회전축(R)을 유지하도록 동작한다. 이는 사용자가 수술 도구(30)를 척추를 향해 수동으로 이동시키거나 이의 움직임을 야기하는 동안 수술 도구(30)가 목적하는 궤적과 정렬된 상태를 유지하도록 수술 도구(30)의 움직임을 제한함으로써 수술 도구(30)의 수동 조작을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

환자의 척추에의 이식물의 설치는 이식물이 목적하는 위치에 배치되도록 단계들(206 및 208)에서 일어난다. 단계(206)에서, 로봇 시스템(10)은 이식물이 목적하는 위치의 미리 정의된 거리 내에 있을 때까지 환자의 척추에 이식물을 배치하기 위해 수술 도구(30)의 자율적인 움직임을 야기한다. 이어서, 단계(208)에서 사용자는 수술 도구(30)를 수동 조작하고 로봇 시스템(10)은 이식물이 목적하는 위치에 배치될 때까지 수술 도구(30)의 이러한 수동 조작을 제어한다. 로봇 시스템(10)은 예를 들어, 이식물이 목적하는 위치에 도달했음을 표시하기 위해 로봇 제어기(32)로 사용자에 대한 햅틱 피드백을 생성함으로써 이러한 수동 조작을 제어할 수 있다. 이식물이 목적하는 위치에 배치되면, 수술 도구(30)는 단계(210)에서 인체로부터 회수되고 절차는 모든 이식물들이 배치될 때까지 진행된다.

도 13은 환자의 피부에 절개(I)를 형성하기 위해 수행되는 샘플 단계들의 흐름도를 도시한다. 단계(300)에서, 피부 추적기(예를 들어, 링(74))가 환자에 부착되면서, 먼저 절개의 목적하는 위치가 포인터를 이용하여 식별된다. 일례로, 포인터는 목적하는 절개 위치를 터치하여 절개(I)의 목적하는 위치를 식별하고 관련 경계/햅틱 개체를 생성하기 위해 사용될 수 있는 디지털화 프로브(73)를 포함한다. 다른 예로, 레이저 포인터(LP)가 절개의 목적하는 위치를 식별하기 위해 사용될 수 있다.

단계(302)에서, 절개(I)의 목적하는 위치가 식별되면, 피부(및 절개(I)를 위해 피부 상의 목적하는 위치)는 이전에 설명된 방식으로 내비게이션 시스템(12)으로 추적될 수 있다.

피부 및 절개(I)를 위해 목적하는 위치가 추적되므로, 로봇 시스템(10)은 단계(304)에서 절개를 위해 생성된 햅틱 개체에 대한 피부 절개 도구(80)의 움직임을 제어할 수 있다. 햅틱 개체는 환자의 피부에서의 목적하는 위치에서 절개가 이루어지도록 타겟 좌표계에서 정의된다. 일례로, 로봇 시스템(10)은 피부 절개 도구(80)의 수동 조작을 제어함으로써 햅틱 개체에 대한 피부 절개 도구(80)의 움직임을 제어할 수 있다. 이는 햅틱 개체에 의해 정의된 가상 경계에 대한 피부 절개 도구(80)의 이동을 제한함으로써 이루어질 수 있어, 사용자가 피부 절개 도구(80)를 수동으로 이동하거나 이의 움직임을 수동으로 야기하는 동안 피부 절개 도구(80)는 목적하는 위치에 절개(I)를 만든다. 로봇 시스템(10)은 피부 절개 도구(80)가 절개(I)의 목적하는 깊이에 도달했거나 그 외 절개(I)를 위해 목적하는 한계에 도달했음을 표시하기 위해 사용자에 대한 햅틱 피드백을 생성함으로써 햅틱 개체에 대한 피부 절개 도구(80)의 움직임을 제한할 수 있다. 절개(I)가 목적하는 위치에 만들어지면, 피부 절개 도구(80)는 단계(306)에서 인체로부터 멀어지게 회수되고 절차는 모든 절개들이 이루어질 때까지 진행된다.

여기서 설명되는 시스템들 및 방법들은 척추경 나사들(pedicle screws; PS), 다른 나사들, 체결구들, 또는 다른 이식물들을 환자 내에 배치하기 위해 채용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 비록 척추경 나사들(PS)이 일례로서 전반에 걸쳐 언급되지만, 여기서 설명되는 동일한 시스템들 및 방법들은 환자의 임의의 인체를 치료하기 위해 그리고/또는 임의의 이식물들을 환자 내에, 예를 들어, 둔부, 무릎, 대퇴골, 경골, 얼굴, 어깨, 척추 등에 배치하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암(20)은 척추 이식물을 위한 케이지를 배치하거나, 로드들을 배치하거나, 또는 다른 구성요소들을 배치하는 데에도 사용될 수 있고, 추간판절제술 또는 기타 시술들에 사용될 수도 있다. 상이한 엔드 이펙터들이 또한 다른 시술들을 위해 로봇 아암(30)에 부착될 수 있다. 일부 경우들에서, 엔드 이펙터는 또한 이식물 삽입을 용이하게 하기 위해, 즉 이식물을 목적하는 자세로 배치하기 위해 관절 아암을 가질 수도 있다. 엔드 이펙터의 관절 아암은 단순히 이식물을 배치하기 위해 동일한 방식으로 제어되는 로봇 아암(20)의 소형 버전일 수 있거나 이식물을 위치시키기 위해 제어되는 또 다른 메커니즘일 수도 있다. 내비게이션 시스템(12)은 광학 기반 추적기들을 갖는 광학 내비게이션 시스템을 포함할 수 있지만, 추가적으로 또는 대안적으로 초음파를 통해 개체들을 추적하는 초음파 내비게이션 시스템들, RF 에너지를 통해 개체들을 추적하는 무선 주파수 내비게이션 시스템들, 및/또는 전자기 신호들을 통해 개체들을 추적하는 전자기 내비게이션 시스템들과 같은, 다른 양식들을 채용할 수도 있을 것이다. 다른 유형들의 내비게이션 시스템들도 고려된다. 또한, 여기서 설명되는 모델들은 삼각화된 메시들, 복셀들을 사용하는 체적 모델들, 또는 일부 경우들에서 다른 유형들의 3-D 및/또는 2-D 모델들을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

전술한 설명에서 여러 실시 예들이 논의되었다. 그러나, 여기서 논의된 실시 예들은 본 발명을 총망라하거나 임의의 특정 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 사용된 용어는 특성상 제한보다는 설명의 단어들로 의도된다. 상기한 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하고 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수도 있다.

Claims

수술용 로봇 시스템으로서,
로봇 조작기;
상기 로봇 조작기에 결합되고 나사를 홀딩하도록 그리고 회전축을 중심으로 상기 나사를 회전시키도록 구성된 수술 도구로서, 상기 나사는 셀프 태핑(self-tapping)하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조(thread geometry)를 갖는 것인, 상기 수술 도구;
타겟 부위의 위치를 추적하도록 구성된 내비게이션 시스템; 및
상기 로봇 조작기 및 상기 내비게이션 시스템에 결합되고 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 로봇 제어기를 포함하며, 상기 로봇 제어기는:
상기 타겟 부위의 추적된 상기 위치에 기초하여 상기 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 상기 수술 도구의 상기 회전축을 유지시키도록 상기 로봇 조작기의 움직임을 제어하도록, 그리고
상기 회전축을 중심으로 일정 회전 속도로 상기 나사를 회전시키도록 그리고 계획된 상기 궤적을 따라 일정 전진 속도로 상기 나사를 직선으로 전진시키도록 상기 수술 도구를 자율적으로 제어하도록 구성되되, 상기 회전 속도 및 상기 전진 속도는 상기 메모리에 저장된 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 상기 수술 도구는 나사 구동기를 포함하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 계획된 상기 궤적은 햅틱 개체(haptic object)에 의해 정의되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제3항에 있어서, 상기 햅틱 개체는 라인 햅틱 개체(line haptic object)를 포함하며, 상기 로봇 제어기는 상기 나사가 상기 타겟 부위에서 계획된 삽입 깊이에 도달했음을 표시하기 위해 상기 사용자에 대한 햅틱 피드백을 생성하도록 상기 로봇 조작기를 제어하도록 구성되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 상기 로봇 제어기는 계획된 상기 궤적을 따라 상기 회전축을 배치시키기 위해 상기 수술 도구의 자율적인 움직임을 야기하도록 구성되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 상기 나사를 구동하기 위해 인가되는 토크를 결정하기 위한 토크 센서를 포함하되, 상기 로봇 제어기는 상기 토크가 토크 임계치를 충족하거나 초과하면 상기 수술 도구가 상기 나사를 상기 타겟 부위로 구동하는 것을 정지시키도록 구성되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제6항에 있어서, 상기 토크 센서는 전류 측정 회로를 포함하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 상기 내비게이션 시스템은 내비게이션 제어기, 및 상기 내비게이션 제어기에 결합되는 이미징 디바이스를 포함하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제8항에 있어서, 상기 내비게이션 시스템은 상기 수술 도구를 추적하기 위한 제1 추적기 및 상기 타겟 부위를 추적하기 위한 제2 추적기를 포함하는 것인, 수술 시스템.
제8항에 있어서, 상기 내비게이션 제어기에 결합되는 디스플레이를 포함하되, 상기 내비게이션 제어기는 상기 타겟 부위에 관한 상기 나사의 위치에 관한 정보를 상기 디스플레이 상에 출력하도록 구성되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전 속도 및 상기 전진 속도는 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하며, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치(Pitch)는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 수술용 로봇 시스템.
로봇 조작기, 내비게이션 시스템, 상기 로봇 조작기 및 상기 내비게이션 시스템과 통신하는 로봇 제어기, 및 회전축을 중심으로 상기 나사를 회전시키도록 상기 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇 시스템을 사용하여 타겟 부위에 나사를 배치하는 방법으로서,
상기 수술 도구를 이용하여 상기 나사를 홀딩하는 단계로서, 상기 나사는 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 갖는 것인, 상기 나사를 홀딩하는 단계;
상기 로봇 제어기의 메모리에 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하는 단계;
상기 내비게이션 시스템을 이용하여 상기 타겟 부위의 위치를 추적하는 단계;
상기 타겟 부위의 추적된 상기 위치에 기초하여 상기 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적을 따라 상기 회전축을 유지시키도록 상기 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계;
상기 회전축을 중심으로 일정 회전 속도로 상기 나사를 회전시키도록 그리고 계획된 상기 궤적을 따라 일정 전진 속도로 상기 나사를 직선으로 전진시키도록 상기 수술 도구를 자율적으로 제어하는 단계를 포함하되, 상기 회전 속도 및 전진 속도는 상기 메모리에 저장된 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하는 것인, 방법.
제12항에 있어서, 햅틱 개체에 의해 계획된 상기 궤적을 정의하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 햅틱 개체에 의해 계획된 상기 궤적을 정의하는 단계는 라인 햅틱 개체에 의해 계획된 상기 궤적을 정의하는 단계를 포함하고, 상기 수술 도구의 움직임을 제어하는 단계는 상기 나사가 상기 타겟 부위에서 계획된 삽입 깊이에 도달했음을 표시하기 위해 상기 로봇 제어기로 상기 사용자에 대한 햅틱 피드백을 생성하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
제12항에 있어서, 계획된 상기 궤적을 따라 상기 회전축을 배치시키기 위해 상기 수술 도구의 움직임을 자율적으로 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 나사를 구동하기 위해 인가되는 토크를 결정하는 단계 및 상기 토크가 토크 임계치를 충족하거나 초과하면 상기 수술 도구가 상기 나사를 전진 및 회전하는 것을 정지시키는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 계획된 상기 궤적에 관한 상기 회전축의 포즈를 추적하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 타겟 부위에서 계획된 삽입 깊이에 관한 상기 나사의 위치에 관한 정보를 디스플레이하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 회전 속도 및 전진 속도는 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하며, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 방법.
수술용 로봇 시스템으로서,
센서를 포함하는 로봇 조작기;
상기 로봇 조작기에 결합되고 나사를 홀딩하도록 그리고 회전축을 중심으로 상기 나사를 회전시키도록 구성된 수술 도구로서, 상기 나사는 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 갖는 것인, 상기 수술 도구;
타겟 부위의 위치를 추적하도록 구성된 내비게이션 시스템; 및
상기 로봇 조작기 및 상기 내비게이션 시스템에 결합되고 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 로봇 제어기를 포함하며, 상기 로봇 제어기는:
상기 타겟 부위의 추적된 상기 위치에 기초하여 상기 타겟 부위에 대하여 계획된 궤적 상에 상기 수술 도구의 상기 회전축을 유지시키도록 상기 로봇 조작기의 움직임을 제어하도록,
상기 센서를 이용하여, 사용자에 의해 가해지는 힘을 검출하도록;
상기 타겟 부위 내로 상기 나사를 이식하기 위해 상기 사용자에 의해 가해지는 상기 힘에 기초하여 계획된 상기 궤적에 따라 직선으로 상기 나사의 전진 속도 또는 상기 회전축을 중심으로 하는 상기 나사의 회전 속도 중 하나를 제어하도록; 그리고
상기 전진 속도 및 상기 회전 속도가 상기 사용자에 의해 가해지는 상기 힘 및 상기 메모리에 저장된 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 상기 나사의 상기 전진 속도 또는 상기 회전 속도 중 다른 하나를 자율적으로 제어하도록 구성되는 것인, 로봇 수술 시스템.
제20항에 있어서, 상기 수술 도구는 트리거를 포함하며, 상기 센서는 상기 트리거에 결합되고 사용자의 입력을 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 것인, 수술 로봇 시스템.
제21항에 있어서, 상기 로봇 제어기는 상기 신호에 기초하여 상기 회전 속도를 제어하고, 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 회전 속도에 비례하도록 상기 전진 속도를 자율적으로 제어하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제22항에 있어서, 상기 로봇 제어기는 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 회전 속도에 비례하도록 상기 전진 속도를 자율적으로 제어하며, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 수술 로봇 시스템.
제21항에 있어서, 상기 로봇 제어기는 상기 신호에 기초하여 상기 전진 속도를 제어하고, 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 전진 속도에 비례하도록 상기 회전 속도를 자율적으로 제어하는 것인, 수술 로봇 시스템.
제24항에 있어서, 상기 로봇 제어기는 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 전진 속도에 비례하도록 상기 회전 속도를 자율적으로 제어하며, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 수술 로봇 시스템.
로봇 조작기, 내비게이션 시스템, 상기 로봇 조작기 및 상기 내비게이션 시스템과 통신하는 로봇 제어기, 및 회전축을 중심으로 상기 나사를 회전시키도록 상기 로봇 조작기에 결합되는 수술 도구를 포함하며, 상기 로봇 조작기가 센서를 포함하는, 수술 로봇 시스템을 사용하여 타겟 부위에 나사를 배치하는 방법으로서,
상기 수술 도구를 이용하여 상기 나사를 홀딩하는 단계로서, 상기 나사는 셀프 태핑하는 것이고 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 갖는 것인, 상기 나사를 홀딩하는 단계;
상기 로봇 제어기의 메모리에 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조를 저장하는 단계;
상기 내비게이션 시스템을 이용하여 상기 타겟 부위의 위치를 추적하는 단계;
상기 타겟 부위의 추적된 상기 위치에 기초하여 상기 타겟 부위에 대하여 계획된 상기 궤적을 따라 상기 회전축을 유지시키도록 상기 수술 도구의 움직임을 자율적으로 제어하는 단계;
상기 센서를 이용하여, 사용자에 의해 가해지는 힘을 검출하는 단계;
상기 타겟 부위 내로 상기 나사를 이식하기 위해 상기 사용자에 의해 가해지는 상기 힘에 기초하여 계획된 상기 궤적에 따라 직선으로 상기 나사의 전진 속도 또는 상기 회전축을 중심으로 상기 나사의 회전 속도 중 하나를 제어하는 단계; 및
상기 전진 속도 및 상기 회전 속도가 상기 사용자에 의해 가해지는 상기 힘 및 상기 메모리에 저장된 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조에 비례하도록 상기 나사의 상기 전진 속도 또는 상기 회전 속도 중 다른 하나를 자율적으로 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제26항에 있어서, 상기 센서는 가해지는 상기 힘을 검출하기 위해 상기 수술 도구 상에 배열되는 힘/토크 센서를 포함하는 것인, 방법.
제26항에 있어서, 계획된 상기 궤적을 따라 상기 회전축을 배치시키기 위해 상기 수술 도구의 움직임을 자율적으로 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제26항에 있어서, 상기 수술 도구는 트리거를 포함하며, 상기 트리거는 상기 센서에 결합되고 사용자의 입력을 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 것인, 방법.
제29항에 있어서, 상기 회전 속도 또는 상기 전진 속도 중 하나를 제어하는 단계는 상기 신호에 기초하여 상기 회전 속도를 제어하는 단계, 및 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 회전 속도에 비례하도록 상기 전진 속도를 자율적으로 제어하는 단계를 포함하되, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 방법.
제29항에 있어서, 상기 회전 속도 또는 상기 전진 속도 중 하나를 제어하는 단계는 상기 신호에 기초하여 상기 전진 속도를 제어하는 단계, 및 관계식
에 따라 상기 알려져 있는 나사산 기하학적 구조 및 상기 전진 속도에 비례하도록 상기 회전 속도를 자율적으로 제어하는 단계를 포함하되, 상기 관계식에서
는 상기 회전 속도이고,
는 상기 전진 속도이며, 피치는 상기 나사의 단위 길이당 나사산 수인 것인, 방법.