KR20210113344A - 추적 어레이의 위치 정확성 검증 방법 - Google Patents

추적 어레이의 위치 정확성 검증 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210113344A
KR20210113344A KR1020217025466A KR20217025466A KR20210113344A KR 20210113344 A KR20210113344 A KR 20210113344A KR 1020217025466 A KR1020217025466 A KR 1020217025466A KR 20217025466 A KR20217025466 A KR 20217025466A KR 20210113344 A KR20210113344 A KR 20210113344A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bone
tracking
surgical
reference device
tracking reference
Prior art date
Application number
KR1020217025466A
Other languages
English (en)
Inventor
조엘 주하르
Original Assignee
씽크 써지컬, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 씽크 써지컬, 인크. filed Critical 씽크 써지컬, 인크.
Publication of KR20210113344A publication Critical patent/KR20210113344A/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/1613—Component parts
    • A61B17/1615—Drill bits, i.e. rotating tools extending from a handpiece to contact the worked material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/17—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires
    • A61B17/1707—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires using electromagnetic effects, e.g. with magnet and external sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like
    • A61B17/68—Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/84—Fasteners therefor or fasteners being internal fixation devices
    • A61B17/86—Pins or screws or threaded wires; nuts therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00681—Aspects not otherwise provided for
    • A61B2017/00725—Calibration or performance testing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B2017/1602—Mills
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2051—Electromagnetic tracking systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points
    • A61B2034/207—Divots for calibration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • A61B2090/065—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension for measuring contact or contact pressure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3904—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers specially adapted for marking specified tissue
    • A61B2090/3916—Bone tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3937—Visible markers
    • A61B2090/3945—Active visible markers, e.g. light emitting diodes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3954—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers magnetic, e.g. NMR or MRI
    • A61B2090/3958—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers magnetic, e.g. NMR or MRI emitting a signal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3991—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers having specific anchoring means to fixate the marker to the tissue, e.g. hooks

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법이 제공되는데, 추적 기준 장치를 뼈에 부착하는 단계가 포함된다. 이어서 뼈는 추적 기준 장치의 좌표계에 대해 등록된다. 이어서 뼈 위에 검증 마크가 생성되는데, 추적 기준 장치에 대한 검증 마크의 위치가 추적 시스템을 통해 등록된다. 추적 기준 장치의 위치 정확성은 로봇 지원 수술 장치의 엔드이펙터에게 뼈 위의 검증 마크와 정렬되도록 명령함으로써 검증되는데, 엔드이펙터가 검증 마크에 정렬되지 않으면 추적 기준 장치의 위치 정확성이 손상된 것이다. 컴퓨터화된 방법을 수행하는 수술 시스템 역시 제공된다.

Description

추적 어레이의 위치 정확성 검증 방법
본 발명은 일반적으로 로봇 지원(robotic-assisted) 정형외과 수술(orthopedic surgery)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 로봇지원 정형외과 수술 동안 추적 어레이(tracking array)의 위치 정확성(positional accuracy)을 검증하는 방법에 관한 것이다.
일생 동안, 뼈와 관절들은 정상적 사용, 질병 상태, 외상적 사건(traumatic event), 또는 그 조합으로 손상되고 마모된다. 관절염(arthritis)은 시간에 걸쳐 연골 기능저하(cartilage degradation), 통증, 경직(stiffness), 골 손실을 유발하는 주된 원인이다. 관절염은 또한 관절을 잇는 근육이 강도를 잃어 고통스럽게 되는 원인도 된다.
장애(dysfunctional) 관절에 연계된 고통은 저침습적(less-invasive) 요법으로는 완화되지 않으며, 관절 성형 수술(joint arthroplasty procedure)이 치료 옵션으로 고려된다. 관절 성형은 관절염 또는 장애 관절 표면이 정형외과 보철물(orthopedic prosthesis)로 대체되는 정형외과 수술이다.
이러한 임플란트(implant; 보철물)의 정확한 거치(placement)와 정렬(alignment)은 관절 성형의 성공을 결정하는 큰 요인이다. 임플란트 위치설정(positioning)의 약간의 정렬 불량(misalignment)은 불량한 마모 특성, 저하된 기능, 불량한 임상 결과(clinical outcome), 저하된 보철물 수명, 또는 그 조합으로 결과될 수 있다.
정확한 임플란트 거치와 정렬을 달성하기 위해, 전형적으로 환자의 뼈의 3-D 뼈 모델과 원하는 임플란트의 하나 이상의 임플란트 모델들을 사용하여 수술 계획(surgical plan)이 생성된다. (이 계획에는) 사용자 위치들과 뼈 모델들에 대한 임플란트 모델들이 최적의 전체적 맞춤(fit), 채움(fill)과 사용자의 뼈들에 대한 특정(given) 임플란트의 정렬을 위해 지정된다. 이어서 계획은 수술실(operating room; OR) 내의 로봇 지원(robotic-assisted) 수술 장치로 전송되어 선택된 계획을 정확히 실행한다. 하나의 특정한 로봇 지원 수술 장치는 미국특허출원 제2018/344409호에 기재된 핸드헬드(hand-held) 컴퓨터 지원 수술 장치인데; 그 내용은 이 명세서에 참고로 포함되어 있다. 이 핸드헬드 장치는 2개 이상의 핀(pin)들을 뼈에 정확히 정렬시키는 데 사용자를 보조하는데, 안내 슬롯(guide slot)들을 갖는 절개 가이드(cut guide)가 거기에 조립되어 있다. 핀들은 절개 가이드가 거기에 조립될 때, 안내 슬롯들이 수술 톱(surgical saw)이 계획된 절개부를 형성하는 것을 안내하도록 뼈 위에 위치된다. 다른 로봇 지원 수술 장치는 톱, (예를 들어 엔드밀(end-mill) 등의) 커터, 또는 리머(reamer)를 제어함으로써 뼈 절개부를 직접 형성하는 로봇 수술 시스템이다. 어떤 로봇 지원 수술 장치에서도, 계획에 따라 절개부들을 정확히 생성하려면 장치와 수술 계획에 대한 뼈의 위치 및 방향(position and orientation; POSE)을 알 필요가 있다. 장치 및 계획에 대한 뼈의 POSE는 등록(registration)으로 지칭되는 프로세스를 사용하여 처음에 결정될 수 있다. 미국특허 제6,033,415호 및 미국특허 제5,951,475호에 기재된 바와 같은 몇 가지 등록 방법들이 알려져 있다. 등록 이후, 뼈들은 수술 장치에 대한 뼈의 POSE를 실시간으로 갱신하기 위해 추적될(tracked) 필요가 있다.
종래의 추적 시스템은 광학 추적 시스템, 전자기 추적 시스템, 및 기계적 추적 시스템을 포함한다. 이 추적 시스템들의 각각은 추적 시스템에 뼈의 추적을 위한 링크(link)를 제공하기 위한 등록 전에 환자의 뼈에 고정된 추적 기준 장치(tracking reference device)를 요구한다. 이어서 등록 이후, 추적 시스템은 뼈를 실시간으로 정확히 추적할 수 있다. 예를 들어 광학 추적 시스템은 환자의 뼈에 고정된 추적 어레이(tracking array)를 사용하고, 전자기 추적 시스템은 환자의 뼈에 고정된 자기장 송신기(magnetic field transmitter)를 사용하며, 기계적 추적 장치는 뼈에 고정된 하나 이상의 관절운동 링크(articulating linkage)들의 원위단(distal end)을 사용한다.
그러나 이러한 시스템들에 관련된 문제는 등록 후 뼈에 대한 기준 장치의 예기치 못한 이동이다. 기준 장치가 등록 후에 뼈에 대해 알아채지 못하게 이동하면, 뼈와 수술 계획 간의 상대적 POSE가 이동의 양만큼 편이(shift)할 것이고, 이에 따라 절개부들의 생성 또는 핀들의 정렬을 이동과 유사한 양만큼 이동시킬 것이다. 이는 뼈 위의 임플란트들의 정렬에 심각한 영향을 미쳐 불량한 임상 결과를 야기할 수 있다.
이에 따라 로봇 지원 정형외과 수술 절차 동안 뼈에 대한 추적 기준 장치의 위치 정확성을 효율적 및 유효하게 검증할 방법에 대한 수요가 존재한다.
추적 기준 장치(tracking reference device)의 위치 정확성을 검증하는 방법은 추적 기준 장치를 뼈에 부착하는 단계를 포함한다. 이어서 뼈는 추적 기준 장치의 좌표계(coordinate frame)에 대해 등록된다. 이어서 뼈 위에 검증 마크(verification mark)가 생성되고 추적 기준 장치에 대한 검증 마크의 위치가 추적 시스템을 통해 기록된다. 로봇 지원 수술 장치의 엔드이펙터(end-effector)를 뼈 위의 검증 마크와 정렬시킴으로써 추적 기준 장치의 위치 정확성이 검증되는데, 엔드이펙터가 검증 마크와 정렬되지 않으면 추적 기준 장치의 위치 정확성이 손상된(compromised) 것이다.
전술한 방법을 컴퓨터화한 방법을 수행하는 수술 시스템은 엔드이펙터 툴(tool)을 갖는 수술 로봇(surgical robot) 또는 핸드헬드(hand-held) 수술 장치를 포함한다. 컴퓨터와, 사용자 주변기기(user-peripherals)와, 및 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface; GUI)를 화상표시하는 모니터를 포함하는 컴퓨터 시스템이 구비된다. 기계식 디지타이저(mechanical digitizer) 또는 비기계적 추적 시스템 중의 적어도 하나 역시 구비된다. 컴퓨터는 프로세서와, 비일시적 저장 메모리와, 및 방법을 실행하기 위한 다른 하드웨어, 소프트웨어, 데이터와, 및 유틸리티들을 포함한다. 사용자 주변기기는 사용자가 GUI와 상호작용하도록 해주고, 키보드 마우스, 펜던트(pendant), 핸드헬드 컨트롤러, 모니터 상의 터치스크린 능력 등의 사용자 입력 기구, 또는 수술 로봇 또는 핸드헬드 수술 장치에 직접 통합된 다른 사용자 입력 기구 중의 적어도 하나를 포함한다.
이하 본 발명이 본 발명의 어떤 양태(aspect)들을 보이고자 의도했지만, 본 발명의 구현에 대한 한정으로 해석되어서는 안 되는 다음 도면들을 참조하여 상세히 설명되는데, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른, 로봇 지원 수술 절차 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법의 흐름도;
도 2a는 핸드헬드 수술 장치를 갖는 수술실(OR) 맥락에서의 수술 시스템의 개략도로, 수술 시스템은 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법을 수행할 수 있는 도면;
도 2b 및 2c는 최소 고도와 회전(도 2b)과 최대 고도와 회전(도 2c)을 보이는 도 2a의 핸드헬드 수술 장치의 상세도;
도 3a 및 3b는 로봇 지원 수술 절차 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법의 2개의 시나리오들을 도시하는데, 도 3a는 대퇴골에 대한 추적 기준 장치의 이동이 없는 경우를 도시하고, 도 3b는 대퇴골에 대한 추적 기준 장치의 이동을 도시하며;
도 4는 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 실시예들을 구현할 수 있는 로봇 수술 시스템의 종래기술의 실시예들 도시하는 도면;
도 5a 및 5b는 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 실시예들을 구현하도록 엔드이펙터를 제어하는 도 4의 로봇 수술 시스템의 로봇 아암의 사용을 도시하는 도면으로, 도 5a는 대퇴골에 대한 추적 기준 장치의 이동이 없는 경우를 도시하고, 도 5b는 대퇴골에 대해 추적 기준 장치가 이동한 경우를 도시하며; 및
도 6은 뼈 핀 형태의 검증 마크를 사용하는 로봇 지원 수술 절차 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 시나리오를 도시하는 도면.
본 발명은 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법으로서의 용도를 갖는다. 이하 본 발명을 다음 실시예들을 참조하여 설명할 것이다. 이 설명에서 자명하듯, 본 발명은 다른 형태들로도 구현될 수 있으므로 이 명세서에 제시된 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이 실시예들은 이 명세서가 당업계에 통상의 기술을 갖는 자에게 본 발명의 범위를 철저하고 완전하며 충분히 전달하도록 제공되는 것이다. 예를 들어, 한 실시예에 관해 설명된 특징들은 다른 실시예들에도 포함될 수 있고, 특정한 실시예에 관해 설명된 특징들은 (다른) 실시예에서 삭제될 수 있다. 또한, 이 명세서를 읽고 나면 이 명세서에 제안된 실시예들에 대한 많은 변형과 추가들이 당업자들에게 자명할 것인데, 이들은 본 발명을 벗어나지 않는 것이다. 이에 따라 이하의 상세한 설명은 본 발명의 일부 특정한 실시예들을 설명할 것을 의도한 것이며, 그 모든 대체, 조합, 및 변형들을 빠짐없이(exhaustively) 규정하고자 의도한 것이 아니다.
또한, 이 명세서에 기재된 시스템 및 방법들이 근위 대퇴골(proximal femur)을 언급하고 있지만, 본 발명 시스템 및 방법들은 예를 들어, 둔부, 발목, 팔꿈치, 손목, 두개골, 및 등뼈 등을 포함하는 신체의 다른 뼈 및 관절들과 함께 전술한 뼈 또는 관절들 중 어느 것의 초기 보수의 수정 또는 교체에도 적용될 수 있다.
이 명세서에 사용된 "수술전 뼈 데이터(pre-operative bone data)"는 실제 뼈에 수정을 가하기 전에 수술 절차를 수술전 계획하는 데 사용되는 뼈 데이터를 지칭한다. 수술전 뼈 데이터는 다음들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. (예를 들어 컴퓨터 단층촬영(computed tomography), 자기공명 화상법(magnetic resonance imaging), 초음파, X-선, 레이저 스캔에 의한) 뼈의 화상 데이터 집합(set), 가상 제너릭 뼈 모델(virtual generic bone model), 물리적 뼈 모델, 뼈의 화상 데이터 집합으로부터 생성된 가상 환자 맞춤(patient-specific) 뼈 모델, 또는 일반적으로 무화상(imageless) 컴퓨터 보조 장치와 함께 사용되는 수술중(intra-operatively) 뼈에서 직접 수집한 데이터의 집합.
이 명세서에 사용된 "등록(registration)"이라는 용어는 컴퓨터 지원 장치, 뼈, 수술전 뼈 데이터, 수술 계획 데이터(즉 임플란트 모델, 절개 파일(cut-file), 가상 경계들, 가상 평면들, 수술전 뼈 데이터에 관련된 또는 이에 대해 규정된 절개 파라미터들), 및 뼈에 관련된 (예를 들어 기준 마커 어레이(fiducial marker array)(이 명세서에서 추적 어레이(tracking array)로도 지칭됨), 또는 전자기 센서(electromagnetic sensor) 등의) 어떤 외부 랜드마크(landmark)(이러한 랜드마크가 존재한다면) 등 둘 이상의 객체들 또는 좌표계(coordinate system)들 간의 POSE의 결정 및/또는 좌표계 변환을 지칭한다. 당업계에 알려진 등록 방법은 미국특허 제6,033,415호와; 제8,010,177호와; 및 제8,287,522호에 기재되어 있다.
이 명세서에 사용된 "실시간(real-time)"이라는 용어는 계산된 값들이 연산 개시로부터 2초 내에 사용 가능하도록 입력 데이터를 수 밀리초 내에 처리하는 것을 지칭한다.
또한 이 명세서에는 "로봇 지원 수술 장치(robotic-assisted surgical devices)"가 기재되어 있다. 로봇 지원 수술 장치는 수술 절차를 돕는 데 엔드이펙터(end effector)의 컴퓨터 제어를 요구하는 장치/시스템들을 지칭한다. 로봇 지원 수술 장치의 예는 예를 들어 미국특허 제5,086,401호와; 제7,206,626호와; 8,876,830호와;및 제8,961,536호와; 미국특허공보 제2013/0060278호와; 미국특허출원 제2018/344409호에 기재된 능동 및 햅틱(haptic) 1-N 자유도의 핸드헬드(hand-held) 수술 장치 및 시스템, 자율 직렬 연쇄(serial-chain) 조작기(manipulator) 시스템, 햅틱 직렬 연쇄 조작기 시스템, 병렬 로봇 시스템(parallel robotic system), 마스터-슬레이브 로봇 시스템을 포함한다. 로봇 수술 시스템의 구체적 실시예들을 이하에 더 상세히 설명한다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 하나의 실시예의 흐름도를 도시한다. 전통적 기법들을 사용하여 뼈가 노출된 다음, 단계 10에서 추적 기준 장치가 부착된 뼈는 추적 시스템의 좌표계(coordinate frame)에 대해 등록된다. 등록 후 어떤 점에서 추적 기준 장치의 위치 정확성은 로봇 지원 수술 장치의 엔드이펙터가 뼈 위에 마킹(marking)과 정렬되도록 명령함으로써 검증되는데, 뼈 위의 마킹의 위치는 등록 이후 단계 12의 검증 이전에 추적 시스템의 좌표계 내에서 정의된다. 엔드이펙터가 마킹과 정렬되지 않으면 추적 기준 장치의 위치 정확성이 손상된(compromied) 것이므로 단계 14에서 뼈가 추적 시스템의 좌표계 내에 재등록된다. 이 방법의 구체적 실시예들을 이하에 더 상세히 설명한다.
추적 기준 장치는 예를 들어(illustratively) 추적 어레이(tracking array)와, 전자기 센서(electromagnetic sensor)와, 기계적 추적 시스템의 원위단(distal end), 또는 추적 시스템이 뼈를 추적하게 해줄 목적으로 뼈에 부착된 다른 장치를 포함한다. 추적 기준 장치는 뼈 핀, 뼈 나사못, 클램프, 또는 다른 체결 요소들을 포함하는 당업계에 알려진 기법들을 사용하여 뼈에 고정될 수 있다. 정확한 추적을 가능하게 하려면 추적 기준 장치가 뼈에 견고하게 고정되는 것이 중요하다. 추적 시스템은 추적 어레이를 추적하는 광학 추적 시스템, 링크들의 원위단 또는 원위 링크(distal link)에 부착된 탐침(probe)을 추적하는 링크 및 관절들의 집합(set)을 갖는 기계적 추적 시스템, 또는 전자기 센서를 추적하는 전자기장을 방출하는 전자기 생성기를 지칭할 수 있다.
추적 기준 장치가 뼈에 고정된 후, 뼈가 등록된다. 뼈는 예를 들어 점 대 점 매칭(matching), 점 대 면 매칭, 레이저 스캐닝(laser scanning), 화상 대 화상 매칭, 또는 무화상(image-free) 등록 기법을 포함하는 당업계에 알려진 등록 기법들을 사용하여 등록된다. 추적 시스템이 뼈를 정확히 추적할 수 있게 하도록 뼈는 추적 기준 장치의 좌표계에 대해 등록된다. 뼈는 전형적으로 수술전 뼈 데이터에 등록되는데, 수술전 뼈 데이터는 뼈를 수정하라는 명령(instruction)들을 가진 뼈의 가상 모델(virtual model)을 포함한다. 하나의 특정한 실시예에서, 뼈는 광학 추적 시스템으로 추적되는 추적 어레이의 좌표계에 대해 등록되어, 광학 추적 시스템이 뼈를 추적할 수 있게 된다. 광학 추적 시스템은 로봇에 부착된 추적 어레이를 통해 로봇 수술 장치의 엔드이펙터를 더 추적하는데, 이에 따라 뼈에 대한 엔드이펙터의 위치를 추적할 수 있다. 다른 실시예에서는, 뼈가 기계적 추적 시스템의 좌표계, 또는 수술 로봇의 좌표계에 대해 등록된다. 수술 로봇의 엔드이펙터는 뼈 위의 점들을 등록을 위해 디지타이징하는(digitize) 데 사용될 수 있거나, 수술 로봇이 거기에 부착된 기계적 추적 시스템을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서는. 뼈가 전자기 추적 시스템에 대해 등록된다. 등록 후, 추적 시스템은 추적 기준 장치를 통해 뼈를 정확하게 추적할 수 있다.
등록 이후의 어떤 시점에서, 추적 기준 장치의 위치 정확성은 로봇 시스템의 엔드이펙터를 이전에 뼈 위에 형성/설치된 검증 마크에 정렬함으로써 검증할 수 있는데, 여기서 검증 마크의 POSE는 추적 기준 장치의 뼈에 대한 어떤 잠재적 위치 이동 전의 추적 기준 장치의 좌표계에 대해 정의된다. 검증 마크는 뼈에 생성된 물리적 구멍, 각인(imprint), 또는 노치(notch)의 형태가 될 수 있다. 검증 마크는 이와는 달리 뼈에 설치된 (예를 들어 뼈 핀(bone-pin) 등의) 장치의 형태가 될 수도 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 마킹은 이하에 더 상세히 설명할 로봇 시스템으로 형성될 수 있다.
도 2a에는 핸드헬드 수술 장치(104)를 갖는 수술실(operating room; OR) 맥락에서의 종래기술의 수술 시스템(100)의 특정한 실시예를 보이는데, 그 상세는 미국특허출원 제2018/344409호에 기재되어 있다. 이 시스템(100)은 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 어레이의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 실시예들을 수행할 수 있다. 대략, 수술 시스템(100)은 연산 시스템(102)과, 관절운동(articulating) 핸드헬드 수술 장치(104)와, 및 광학적 추적 시스템(106)을 포함한다. 연산 시스템(102)은 장치 컴퓨터(108)와, 계획수립 컴퓨터(planning computer; 110)와, 및 마우스(112), 키보드(114), 조이스틱(joystick; 116), 펜던트(pendant; 118), 풋 페달(foot pedal; 120), 및 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface; GUI)를 화상표시하는 디스플레이 모니터(122) 등의 주변기기를 포함할 수 있다. 장치 컴퓨터(108)는 광학 추적 시스템(106)으로부터의 데이터를 사용하여 주로 핸드헬드 수술 장치(104)의 작동을 전담하는 반면, 계획 수립 컴퓨터(110)는 주로 수술 절차의 계획수립을 전담한다. 광학 추적 시스템(106)은 둘 이상의 광학 카메라/수신기(124)들을 포함하는데, 이는 수술 램프(126), 붐(boom), 또는 스탠드 상에 조립된다.
추적 시스템(106)은 또한 추적 컴퓨터(128) 역시 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로세스들은 연산 시스템(102) 내에서 공유될 수 있음을 이해해야 할 것인데, 예를 들어 추적 컴퓨터(128)가 핸드헬드 수술 장치(104)를 직접 제어하거나, 또는 장치 컴퓨터(108)가 광학 카메라/수신기(124)에서 수신된 데이터에 기반하여 OR 내의 객체들의 POSE를 결정하고 도 1에 관련하여 설명된 방법을 수행할 수 있다. 또한, 컴퓨터들 간의 데이터 및/또는 핸드헬드 수술 장치(104)로부터의 데이터가 유선 또는 무선 연결을 통해 전송될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 핸드헬드 수술 장치(104)를 오가는(to and from) 데이터는 미국특허공보 제2017/0245945호에 기재된 바와 같이 작동된(actuated) LED들을 통해 전송될 수 있다.
관절연결 핸드헬드 수술 장치(104)는 도 2b 및 2c에 가장 잘 보인다. 핸드헬드 수술 장치(104)는 작동부(working portion; 130)와, 파지부(hand-held portion; 132)와, 엔드이펙터(134)와, 및 추적 기준 장치(136)를 포함한다. 작동부(130)는 파지부(132) 내의 2개의 선형 액튜에이터들로 작동된다. 이에 따라 작동부(130)는 도 2b 및 2c에 보인 바와 같이 2 자유도(병진 운동 'd', 및 회전 운동 'a')로 작동된다. 핸드헬드 수술 장치(104)는 이에 따라 엔드이펙터(134)를 작동부(130)의 작동 한도(working limit) 내의 어디라도 위치시킬 수 있다. 특정한 실시예들에서, 엔드이펙터(134)는 드릴 비트(drill-bit)인 반면, 다른 실시예들에서 엔드이펙터(134)가 뼈 핀(bone-pin)이다. 작동부(130)은 (예를 들어 드릴 비트를 회전시키거나 뼈 핀을 회전시키도록) 엔드이펙터(134)를 작동시키는 모터(138)를 더 포함한다. 추적 기준 장치(136)는 3개 이상의 능동형 또는 수동형 기준 마커(fiducial marker)들을 갖는 추적 어레이이다. 이 기준 마커들은 작동부에 부착된 강체(rigid body) 상에 배치되거나, 기준 마커들이 핸드헬드 수술 장치(104)의 작동부(130) 상에 직접 통합될 수 있다.
도 2a의 수술 시스템(100)은 대퇴골(femur bone; F), 경골(tibia bone; T), 및 디지타이저(140)를 더 도시하고 있다. 대퇴골(F)과 경골(T)은 각각, 각각의 뼈에 고정된 추적 기준 장치(136b, 136c)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 디지타이저(140) 역시 추적 기준 장치(136d)를 포함한다. 여기서 추적 기준 장치(136b, 136c, 136d)들은 강체 상에 배치된 3개 이상의 기준 마커들을 갖는 추적 어레이들이다. 로봇 지원 수술 동안 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 하나의 실시예에서 전술한 바와 같이, 추적 기준 장치(136b, 136c)들이 뼈들에 고정되고 난 후, 뼈 위의 추적 기준 장치(136b, 136c)들의 위치 정확성의 검증을 보조하기 위해 검증 마크(verification mark)가 뼈 위에 형성/설치된다.
수술 시스템(100)의 핸드헬드 수술 장치(104)를 사용하면, 검증 마크는 드릴 비트 또는 뼈 핀이 엔드이펙터(134)로 작용하여 뼈 위에 형성/설치될 수 있다. 사용자는 검증 마크를 뼈 위에 생성하도록 연산 시스템(102)으로 지시될(prompted) 수 있다. 이어서 사용자는 핸드헬드 수술 장치(104)를 뼈 위의 적절한 위치에 위치시켜 드릴 비트 또는 뼈 핀을 뼈 안에 삽입함으로써 마크를 생성하여, 뼈에 마크를 형성/설치한다. 하나의 특정한 실시예에서, (도 3a 및 3b에 보인 바와 같이) 사용자가 드릴 비트 또는 뼈 핀을 뼈에서 제거함으로써 드릴 구멍 또는 핀 구멍(142) 형태의 검증 마크를 남긴다. 도 6에 보인 바와 같은 다른 실시예들에서는, 사용자는 뼈 핀(143) 또는 다른 장치를 검증 마크로 사용되도록 뼈 안에 남기거나 설치할 수 있다. 검증 마크는 추가적 또는 대체적으로(also or alternatively) 단부 점(end-point; 145) 또는 뼈 핀(143) 상의 디보트(divot) 등 뼈 핀(143)(또는 다른 장치) 상의 특징부(feature)가 될 수 있다. (예를 들어 뼈 핀(143)의 단부 점 등의) 구성부는 바람직하기로 뼈의 표면과 떨어지지만, 다른 장치에서는 뼈 핀(143)이 그 전체로서 검증 마크로 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 어느 경우에건, 뼈 추적 기준 장치(136b, 136c)의 좌표에 대한 뼈 위의 검증 마크의 POSE가 이후의 위치 정확성 검증을 위해 추적 시스템(106)에 기록 및 저장된다. 엔드이펙터(134)의 POSE와 추적 기준 장치(136b, 136c)의 POSE가 추적 시스템으로 추적되므로 추적 기준 장치(136b, 136c)의 좌표에 대한 검증 마크의 POSE가 기록될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 검증 마크가 (예를 들어 수동 툴이나 표준 수술 드릴의 사용으로) 수술 장치 없이 뼈 위에 형성/설치될 수 있는데, 검증 마크가 형성/설치된 후 피추적(tracked) 디지타이저 또는 피추적 수술 장치로 검증 마크를 디지타이징함으로써 검증 마크의 POSE가 추적 기준 장치에 대해 기록된다.
검증 마크를 생성한 후의 어느 시점에서, 사용자는 뼈 추적 기준 장치의 위치 정확성을 다음과 같이 검증할 수 있다. 도 3a 및 3b에는 2개의 시나리오들이 도시되었는데, 도 3a는 추적 기준 장치(136b)가 대퇴골(F)에 대해 이동이 없는 경우를 도시하고, 도 3b는 추적 기준 장치(136b)가 대퇴골(F)에 대해 이동한 경우를 도시한다. 위치 정확성을 검증하기 위해, 사용자는 수술 시스템(100)에, 어느 시점에서 수술 시스템(100)이 엔드이펙터(134)에 검증 마크(이 경우 뼈에 구멍(142)이 형성되어 있음)와 정렬되도록 명령(instruct)할지 지시(prompt)할 수 있다. 수술 시스템(100)은 마찬가지로 사용자에게 수술 절차 동안 주기적으로 위치 정확성을 검증하도록 지시(prompt)할 수 있다. 검증이 개시되고 나면, 사용자는 핸드헬드 수술 장치(104)를 구멍(142)으로 이동시키는데, 여기서 작동부(130)는 엔드이펙터(134)를 구멍(142)에 정렬시키도록 능동적으로 작동된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 엔드이펙터의 축(144)을 구멍(142)과 정렬시킴으로써 도시된 바와 같이 엔드이펙터(134)가 구멍(142)과 정렬된다. 여기서 추적 기준 장치(136b)의 위치 정확성이 검증되면 기준 장치(136b)와 대퇴골(F) 간에 이동이 발생되지 않은 것이다. 역으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 엔드이펙터(134)가 구멍(142)과 정렬되지 않으면 추적 기준 장치(136b)가 대퇴골(F)에 대해 천이(shift)되어 위치 정확성이 명확히 손상된(compromised) 것이다. 위치 정확성이 손상된 경우는, 이후의 정확한 추적을 보장하기 위해 뼈가 재등록된다. 추적 기준 장치(136b) 역시 더 우수한 고정을 제공하도록 뼈에 재고정될 수 있다.
도 6에서는, 위치 정확성이 뼈 핀(143) 형태의 검증 마크를 사용하여 검증될 수 있다. 위치 정확성을 검증하기 위해, 사용자는 수술 시스템(100)에, 어느 시점에서 수술 시스템(100)이 엔드이펙터(134)에 뼈 핀(143)과 정렬되도록 명령할지 지시할 수 있다. 수술 시스템(100)은 마찬가지로 사용자에게 수술 절차 동안 주기적으로 위치 정확성을 검증하도록 지시할 수 있다. 검증이 개시되고 나면, 사용자는 핸드헬드 수술 장치(104)를 뼈 핀(143)으로 이동시키는데, 여기서 작동부(130)는 엔드이펙터(134)를 뼈 핀(143)에 정렬시키도록 능동적으로 작동된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 엔드이펙터의 축(144)을 뼈 핀(143)과 정렬시킴으로써 도시된 바와 같이 엔드이펙터(134)가 뼈 핀(143)과 정렬된다. 여기서 추적 기준 장치(136c)의 위치 정확성이 검증되면 기준 장치(136b)와 대퇴골(F) 간에 이동이 발생되지 않은 것이다. 역으로, 엔드이펙터(134)가 뼈 핀(143)과 정렬되지 않으면 추적 기준 장치(136b)가 대퇴골(F)에 대해 천이(shift)되어 위치 정확성이 명확히 손상된 것이다. 위치 정확성이 손상된 경우는, 이후의 정확한 추적을 보장하기 위해 뼈가 재등록된다.
다른 실시예에서, 엔드이펙터(134)는 위치 정확성을 검증하기 위해 뼈 핀(143)의 측부에 정렬되도록 프로그래밍될 수 있다. 검증이 개시되고 나면, 사용자는 핸드헬드 수술 장치(104)를 뼈 핀(143)의 외주(perimeter) 둘레 또는 그 측부로 이동시키는데, 여기서 작동부(130)는 엔드이펙터(134)의 축을 정렬시켜 뼈 핀(143)에 정합(match)되도록 능동적으로 작동된다. 뼈 핀(143) 측부 상의 엔드이펙터(134)의 축이 뼈 핀(143)의 축과 정렬되면 기준 장치(136b)의 위치 정확성은 손상되지 않은 것이다. 역으로, 축들이 정렬되지 않으면 위치 정확성이 손상된 것이므로 정확한 추적을 실행하기 위해 뼈가 재등록되어야 한다.
위치 정확성을 검증하는데 핸드헬드 수술 장치(104)를 사용하면, 사용자가 장치(104)를 손으로 이동시켜 엔드이펙터(134)를 검증 마크의 영역에 신속하게 위치할 수 있으므로 특히 유용하다. 이는 완전히 자율적인 로봇 아암과 상반되는데, 로봇은 환자의 안전을 위해 더 느린 이동을 요구할 수 있다. 또한, 엔드이펙터의 검증 마크와의 정렬은 1 내지 6 자유도의 어느 것에서도 이뤄질 수 있음을 이해해야 할 것이다. 엔드이펙터를 (예를 들어 뼈 핀(142) 등의) 선형(linear) 검증 마크의 측부에 정렬시키는 것은 2 자유도에서의 정렬이 될 것이다. 마찬가지로, (예를 들어 구멍(143) 또는 노치 등의) 점(point) 검증 마크 위에 떠(hovering)있지만 실제 점 검증 마크를 접촉하지 않는 것 역시 2 자유도 정렬인 반면, 점 검증 마크를 실제 접촉하는 것은 3 자유도 정렬이 될 것이다. 특정한 실시예들에서, 위치 정확성의 검증은 검증 마크를 실제 접촉하지 않고 수행된다.
직렬 연쇄 로봇 수술 시스템(Serial-Chain Robotic Surgical System)
도 4에는, 전술한 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 어레이의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법을 구현할 수 있는 로봇 수술 시스템(200)의 한 실시예가 도시된다.
수술 시스템(200)은 일반적으로 수술 로봇(202)과, 연산 시스템(204)과, 및 추적 시스템(106) 및/또는 기계적 디지타이저 아암(208)을 포함한다.
수술 로봇(202)은 가동 기부(movable base; 210)와, 기부(210)에 연결된 조작기 아암(manipulator arm; 212)과, 조작기 아암(212)의 원위단(distal end)에 위치한 엔드이펙터(134)와, 및 엔드이펙터(134)에 근접하여(proximal) 위치하여 엔드이펙터(134)에 인가되는 외력(force)을 감지하는 외력 센서(213)를 포함할 수 있다. 기부(210)는 기부(210)를 기동시키는 휠(wheel; 214)들의 집합(set)을 포함하는데, 이들은 유압 브레이크 등의 제동 시스템을 사용하여 제자리에 고정될 수 있다. 기부(210)는 조작기 아암(212)이 높이를 조정하는 액튜에이터를 더 포함할 수 있다. 조작기 아암(212)은 엔드이펙터(134)를 다양한 자유도로 조작하기 위해 다양한 관절과 링크들을 포함한다. 관절들은 예를 들어 각기둥(prismatic), 다관절(revolute), 구형(spherical), 또는 그 조합들이다. 일부 실시예들에서, 수술 시스템(200)은 기부(210)에 부착된 적어도 하나의 피추적(tracked) 디지타이저(140) 또는 기계적 피추적 디지타이저(208)를 포함한다. 피추적 디지타이저(140)는 추적 시스템(106)으로 추적된, 추적 어레이(136d)를 포함할 수 있는 한편, 디지타이저 아암(208)은 그 자체의 추적 컴퓨터를 갖거나 장치 컴퓨터(218)에 직접 연결될 수 있다.
연산 시스템(204)은 대략 계획수립 컴퓨터(110)와; 장치 컴퓨터(108)와; 추적 컴퓨터(128)와; 및 주변기기들을 포함한다. 계획수립 컴퓨터(110)와 장치 컴퓨터(108)와 추적 컴퓨터(128)는 수술 시스템에 따라 3개의 별도의 개체들이거나 단일 개체(one-in-the-same)이거나 그 조합들이 될 수 있고, 도 1을 통해 설명된 방법을 수행할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 계획수립 컴퓨터(110), 장치 컴퓨터(108), 및/또는 추적 컴퓨터(128)의 조합은 유선 또는 무선 통신을 통해 연결될 수 있다. 주변기기들은 사용자가 수술 시스템의 컴포넌트들과 접속(interface)하도록 해주며: 마우스(112), 키보드(114), 조이스틱(116), 펜던트(118), 풋페달(120), 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 화상표시하는 디스플레이 모니터(122)를 포함할 수 있다.
계획수립 컴퓨터(110)는 일부 본 발명 실시예들에서 수술전 또는 수술중의(pre-operatively or intra-operatively) 어느 하나의 수술 절차의 계획 수립 전용의 (예를 들어 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 메모리 등의) 하드웨어와, 소프트웨어와, 데이터와, 및 유틸리티들을 포함한다. 이는 의료 화상 데이터의 판독(reading), 화상 데이터의 분할(segmenting), 3차원(3D) 가상 모델의 구축, 컴퓨터 자원 설계(CAD) 파일의 저장, 사용자의 수술 절차의 계획수립을 돕는 다양한 함수 또는 위젯(widget)들의 제공, 및 수술 계획 데이터의 생성을 수행할 수 있다. 최종적 수술 계획은 수술전 뼈 데이터, 환자 데이터, 수술전 뼈 데이터에 대해 정의된 점(P)들의 POSE를 포함하는 등록 데이터, 임플란트 위치 데이터, 궤적(trajectory) 파라미터들, 및/또는 수술 데이터(operational data)를 포함할 수 있다. 수술 데이터는: 뼈의 체적을 자율적으로 변경시키는 절개 파일(cut-file) 내의 (예를 들어 절개 경로, 스핀들(spindle) 속도, 공급 속도(feed-rate) 등의) 절개 파라미터들 의 집합 등, 해부학적 구조(anatomy)에 대해 정의되는 조직의 몸체(volume of tissue)를 수정할 명령들의 집합(set)과; 툴(tool)을 수정될 뼈의 정의된 경계들 내에 촉각적으로(haptically) 제약시키도록 정의되는 가상 경계들의 집합; 또는 뼈 내에 핀들을 박을 평면 또는 드릴 구멍들의 집합을 포함할 수 있다. 특정한 본 발명 실시예들에서, 수술 데이터는 구체적으로 뼈의 몸체를 자율적으로 수정하는 수술 로봇에 의해 실행될 절개 파일을 포함하는데, 이는 정확성과 사용 가능성(usability) 관점에서 유용하다. 계획수립 컴퓨터(110)로부터 생성된 수술 계획 데이터는 수술실(OR) 내의 유선 또는 무선 연결을 통해 장치 컴퓨터(108) 및/또는 추적 컴퓨터(128)로 전송되거나; 계획수립 컴퓨터(110)가 OR 외부에 위치한다면 (예를 들어 콤팩트디스크(compact disc; CD), 휴대용 범용 시리얼 버스(universal serial bus; USB) 드라이브 등의) 비일시적 데이터 저장 매체를 통해 장치 컴퓨터(108) 및/또는 추적 컴퓨터(128)로 전송될 수 있다.
일부 본 발명 실시예들에서의 장치 컴퓨터(108)는 가동(movable) 기부(210)에 수납되고, 바람직하기로 로봇 수술 장치(202) 작동 전용인 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티들을 포함한다. 이는 수술 장치 제어, 로봇 조작기 제어, 운동학적(kinematic) 및 역(inverse) 운동학적 데이터의 처리, 검정(calibration) 루틴의 실행, (예를 들어 절개 파일, 궤적 파라미터 등의) 수술 데이터의 실행, 좌표 변환 처리, 작업흐름(workflow) 명령들의 사용자 제공, 및 추적 시스템(106)으로부터의 위치 및 방향(POSE) 데이터의 사용을 수행한다. 장치 컴퓨터(108)는 또한 이 명세서에 기재된 위치 정확성 검증 루틴도 실행할 수 있다.
추적 시스템(106)은 강체들 상에 고유하게 배치된 (예를 들어 역반사 구(retroreflective sphere), 능동적 발광다이오드(LED) 등의) 기준 마커의 위치를 검출하는 둘 이상의 광학 수신기(124)들을 포함하는 광학적 추적 시스템이 될 수 있다. 강체 상에 배치된 기준 마커들은 집합적으로 추적 어레이(136b, 136c, 136d, 136e)로 지칭될 수 있는데, 마커들이 능동적 LED들이라면 각 추적 어레이(136)는 기준 마커들의 고유한 배치, 또는 고유한 전송 파장/주파수를 갖는다. 기준 마커들은 마찬가지로 장치에 통합 또는 부착되어 직접 그 장치에 대한 추적 어레이로 동작할 수 있다. 광학적 추적 시스템의 예는 미국특허 제6,061,644호에 기재되어 있다. 추적 시스템(106)은 수술 램프에 매립되거나 붐(boom), 스탠드(220) 상에 위치하거나, 수술실(OR)의 벽 또는 천장에 매립될 수 있다. 추적 시스템 컴퓨터(128)는 국부 또는 전체 좌표계에서 (예를 들어 뼈(B), 수술 장치(202) 등의) 객체들의 POSE를 결정하는 추적 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티들을 포함할 수 있다. 객체들의 POSE는 이 명세서에서 집합적으로 POSE 데이터로 지칭되는데, 이 POSE 데이터는 유선 또는 무선 연결을 통해 장치 컴퓨터(108)로 전송될(communicated) 수 있다. 이와는 달리, 장치 컴퓨터(108)는 광학 수신기(124)들로 검출된 기준 마커들의 위치를 직접 사용하여 POSE 데이터를 결정할 수 있다. 또한, 추적 컴퓨터(128) 또는 장치 컴퓨터(108)는 뼈 추적 기준 장치에 대한 뼈 위의 검증 마크들의 POSE를 기록 또는 저장할 수 있다.
POSE 데이터는 수술 동안 연산 시스템(204)에 사용되어, 수술 로봇(202)이 수술 계획을 정확히 실행할 수 있도록 조작기 아암(212) 및/또는 뼈(B)가 수술 동안 이동함에 따라 뼈(B)의 POSE 및/또는 좌표 변환, 수술 계획, 및 수술 로봇(202)을 갱신한다. 추적 시스템(106')로부터의 데이터는 또한 이 명세서에 기재된 위치적 검증 방법을 실행하는 데 사용될 수 있는데, 뼈(B)와 수술 장치(202)의 추적된 POSE들은 엔드이펙터(134)를 검증 마크에 정렬시키는 데 사용되어 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증할 수 있다.
도 4는 또한 기계적 추적 시스템(222)을 더 도시한다. 기계적 추적 시스템(222)은 둘 이상의 관절운동 링크(articulating linkage)들을 갖는데, 추적 시스템(222)의 원위단(distal end)은 뼈에 고정된다. 여기서 광학 추적 시스템(106)에 대체하거나 이에 추가하여 뼈(B)가 기계적으로 추적된다면, 추적 시스템(222)의 원위단은 뼈(B) 위의 추적 기준 장치로 작동된다.
도 5a 및 5b는 로봇 지원 정형외과 수술 동안 추적 어레이의 위치 정확성을 검증하는 본 발명 방법의 실시예들을 구현하는 엔드이펙터(134)를 제어하기 위해 도 4의 로봇 수술 시스템(200)의 로봇 아암(202)의 사용을 도시한다. 엔드이펙터(134)는 드릴 비트, 뼈 핀, 또는 엔드밀(end-mill) 또는 커터 등의 다른 장치가 될 수 있다. 위치 정확성 검증이 개시되면, 로봇 아암(202)은 엔드이펙터(134)를 이전에 형성/설치된 검증 마크(이 경우는 뼈에 형성된 구멍(142))에 정렬시키도록 지시된다. 도 5a는 엔드이펙터의 축(144)이 구멍(142)과 정렬되고 이에 따라 위치 정확성이 검증되는 시나리오를 도시한다. 역으로 도 5b는 엔드이펙터의 축(144)이 구멍(142)과 정렬되지 않고 이에 따라 추적 기준 장치(136b)의 위치 정확성이 손상된 시나리오를 도시한다. 도 5b의 시나리오에서, 이후의 정확한 추적을 보장하기 위해 뼈가 재등록된다. 추적 기준 장치(136b) 역시 더 양호한 고정을 제공하도록 뼈에 재고정될 수 있다.
로봇 아암(202)을 사용한 추적 기준 장치(136b)의 위치 정확성은 추가적 또는 대체적으로(also or alternatively) 핸드헬드 수술 장치(104)를 참조하여 전술한 바와 같이 뼈 핀(143) 형태의 검증 마크를 사용하여 검증될 수 있다. 즉 엔드이펙터(134)는 뼈 핀(143)의 축 상에 떠(hovering)있거나 뼈 핀(134)의 측부에 정렬되는 어느 하나에 의해 뼈 핀(143)의 측부에 정렬되도록 지시될 수 있다. 마찬가지로, 축들이 정렬되면 추적 기준 장치(136b)의 위치 정확성이 검증되고, 축들이 정렬되지 않으면 손상된 것이다.
다른 실시예들(Other Embodiments)
이상의 설명에서 적어도 하나의 예시적 실시예가 제시되었지만, 방대한 수의 변형들이 존재함을 이해해야 할 것이다. 또한 이 예시적 실시예 또는 예시적 실시예들은 단지 예일 뿐, 기재된 실시예들의 범위, 응용 가능성, 또는 구성을 어떤 방식으로건 한정하려 의도한 것이 아님도 이해해야 할 것이다. 오히려 이상의 상세한 설명은 당업계에 통상의 기술을 갖는 자에게 예시적 실시예 또는 예시적 실시예들을 구현하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이다. 첨부된 청구항들에 제시된 것과 그 법적 등가물의 범위를 벗어나지 않고도 요소들의 기능과 배치에 다양한 변경들이 이뤄질 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 방법으로, 상기 방법이:
    상기 추적 기준 장치를 뼈에 부착하는 단계;
    상기 뼈를 상기 추적 기준 장치의 좌표계에 대해 등록하는 단계;
    상기 뼈에 검증 마크를 생성하는 단계로서, 상기 검증 마크의 위치가 추적 시스템을 통해 상기 추적 기준 장치에 대해 기록되는 단계; 및
    로봇 지원 수술 장치의 엔드이펙터를 상기 뼈 위의 상기 검증 마크에 정렬하도록 명령함으로써 상기 추적 기준 장치의 위치 정확성을 검증하는 단계로서, 상기 엔드이펙터가 상기 검증 마크와 정렬되지 않으면 상기 추적 기준 장치의 위치 정확성이 손상되는, 단계를
    포함하는, 검증 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추적 기준 장치의 상기 위치 정확성이 손상되었으면 상기 뼈를 상기 추적 기준 장치의 좌표계 내에 재등록하는 단계를
    더 포함하는, 검증 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추적 기준 장치가 추적 어레이 또는 전자기 송신기를 더 포함하는, 검증 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 추적 어레이가 3개 이상의 능동형 또는 수동형 기준 마커들을 더 포함하는, 검증 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 추적 기준 장치가 뼈 핀, 뼈 나사, 클램프, 또는 다른 체결 요소들 중의 적어도 하나를 사용하여 상기 뼈에 고정되는, 검증 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 추적 기준 장치가 상기 뼈에 부착되고 난 후, 상기 뼈가 점 대 점 매칭, 점 대 면 매칭, 레이저 스캐닝, 화상 대 화상 매칭, 또는 무화상 등록 기법 중의 적어도 하나를 사용하여 등록되는, 검증 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 뼈가 상기 추적 기준 장치의 좌표계 내의 뼈 데이터에 등록되는, 검증 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 뼈가 상기 추적 기준 장치의 좌표계에 대해 등록되고, 상기 추적 기준 장치가 광학 추적 시스템으로 추적되며, 상기 광학 추적 시스템이 뼈와 로봇 수술 장치의 엔드이펙터를 더 추적하는, 검증 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 뼈가 전자기 추적 시스템에 대해 등록되는, 검증 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 검증 마크가 상기 뼈에 생성된 물리적 구멍, 각인, 또는 노치 중의 적어도 하나인, 검증 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 검증 마크가 상기 뼈에 설치되는 뼈 핀 또는 다른 장치 중 적어도 하나인, 검증 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 마크가 핸드헬드 수술 장치의 엔드이펙터에 의해 생성되는, 검증 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 엔드이펙터가 드릴 비트, 뼈 핀, 엔드밀, 또는 커터 중의 적어도 하나인, 검증 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 마크가 수술 로봇의 엔드이펙터에 의해 생성되고, 상기 엔드이펙터가 관절운동 아암에 부착되는, 검증 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 엔드이펙터가 드릴 비트 또는 뼈 핀 중의 적어도 하나인, 검증 방법.
  16. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    수술 절차 동안 주기적으로 사용자에게 위치 정확성을 검증하도록 지시해주는 수술 시스템을 더 포함하는, 검증 방법.
  17. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    수술 절차 동안 사용자가 위치 정확성을 검증하도록 지시하는 수술 시스템을 더 포함하는, 검증 방법.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 컴퓨터화된 방법을 수행하는 수술 시스템으로, 상기 수술 시스템이:
    엔드이펙터 공구를 갖는 수술 로봇 또는 핸드헬드 수술 장치;
    컴퓨터와, 사용자 주변기기와, 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 화상표시하는 모니터를 구비하는 연산 시스템; 및
    기계적 디지타이저 또는 비기계적 추적 시스템 중의 적어도 하나를 포함하고;
    상기 컴퓨터가 프로세서와, 비일시적 저장 메모리와, 및 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항의 방법을 실행하는 다른 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티들을 더 구비하며; 그리고
    상기 사용자 주변기기가 사용자가 상기 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 상호작용할 수 있게 해주고, 키보드, 마우스, 펜던트, 핸드헬드 컨트롤러, 상기 모니터 상의 터치스크린 능력, 또는 상기 수술 로봇 또는 핸드헬드 수술 장치에 직접 통합된 사용자 입력 기구 중의 적어도 하나를 구비하는, 수술 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 엔드이펙터 공구의 위치와 상기 수술 절차를 받는 상기 뼈의 위치를 검출하는 추적 시스템을 더 포함하는, 수술 시스템.
KR1020217025466A 2019-02-05 2020-02-05 추적 어레이의 위치 정확성 검증 방법 KR20210113344A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962801252P 2019-02-05 2019-02-05
US62/801,252 2019-02-05
PCT/US2020/016763 WO2020163457A1 (en) 2019-02-05 2020-02-05 Method of verifying tracking array positional accuracy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210113344A true KR20210113344A (ko) 2021-09-15

Family

ID=71947922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217025466A KR20210113344A (ko) 2019-02-05 2020-02-05 추적 어레이의 위치 정확성 검증 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220071713A1 (ko)
EP (1) EP3920828A4 (ko)
JP (1) JP2022523681A (ko)
KR (1) KR20210113344A (ko)
AU (1) AU2020219128A1 (ko)
WO (1) WO2020163457A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109998682B (zh) * 2019-04-28 2020-08-18 北京天智航医疗科技股份有限公司 探针装置、精度检测方法、精度检测系统及定位系统
US20240008910A1 (en) * 2020-11-06 2024-01-11 Stryker Corporation Robotic Hand-Held Surgical Instrument Systems And Methods
CN113616350B (zh) * 2021-07-16 2022-04-19 元化智能科技(深圳)有限公司 标记点选取位置的验证方法、装置、终端设备和存储介质
CN115645048A (zh) * 2022-10-27 2023-01-31 南京普爱医疗设备股份有限公司 一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法
CN115844546B (zh) * 2023-02-23 2023-07-14 北京壹点灵动科技有限公司 骨骼的切削装置、存储介质和处理器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8560047B2 (en) * 2006-06-16 2013-10-15 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Method and apparatus for computer aided surgery
US9839486B2 (en) * 2010-04-14 2017-12-12 Smith & Nephew, Inc. Systems and methods for patient-based computer assisted surgical procedures
US10470838B2 (en) * 2012-12-21 2019-11-12 Mako Surgical Corp. Surgical system for spatial registration verification of anatomical region
WO2017011576A2 (en) * 2015-07-13 2017-01-19 Mako Surgical Corp. Lower extremities leg length calculation method
EP3376990A4 (en) * 2015-11-16 2019-05-08 Think Surgical, Inc. METHOD OF CONFIRMING BONE RECORDING UNDER OBSERVATION
WO2017151751A1 (en) * 2016-03-02 2017-09-08 Think Surgical, Inc. Method for recovering a registration of a bone
AU2017257887B2 (en) * 2016-04-27 2019-12-19 Biomet Manufacturing, Llc. Surgical system having assisted navigation
US10223798B2 (en) * 2016-05-27 2019-03-05 Intellijoint Surgical Inc. Systems and methods for tracker characterization and verification
EP3484376A4 (en) * 2016-07-12 2020-07-22 Mobius Imaging LLC MULTI-STAGE DILATOR AND CANNULA SYSTEM AND METHOD

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020163457A1 (en) 2020-08-13
EP3920828A1 (en) 2021-12-15
US20220071713A1 (en) 2022-03-10
EP3920828A4 (en) 2022-11-02
AU2020219128A1 (en) 2021-08-19
JP2022523681A (ja) 2022-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6832870B2 (ja) 生体構造を加工するためのシステム及び方法
US20220071713A1 (en) Method of verifying tracking array positional accuracy
JP2023002737A (ja) ロボットの配置をユーザーにガイドするための方法およびシステム
JP2022529147A (ja) 手術器具の切断ガイドを操作するためのロボットシステム及び方法
US20220031412A1 (en) Planning a tool path for an end-effector using an environmental map
US20220218422A1 (en) Surgical Systems And Methods For Guiding Robotic Manipulators
US20200170751A1 (en) System and method for fiducial attachment for orthopedic surgical procedures
US11185373B2 (en) Method for recovering a registration of a bone
US20200297440A1 (en) Interactive anatomical positioner and a robotic system therewith
WO2019135805A1 (en) Interactive anatomical positioner and a robotic system therewith
US11819297B2 (en) Light guided digitization method to register a bone
US20230248374A1 (en) System and method to align an implant keel punch
US20230137702A1 (en) Digitizer calibration check
US20230157773A1 (en) Measurement guided resurfacing during robotic resection
WO2023059931A1 (en) Surgical system and method for forming less than all bone cut surfaces for implant placement
US20210030477A1 (en) Computer assisted implant placement
US20220192754A1 (en) System and method to check cut plane accuracy after bone removal
US20220202495A1 (en) Precise tunnel location placement and guidance for a robotic drill
US20200367980A1 (en) Robot specific implant designs with contingent manual instrumentation
US20240065776A1 (en) Light guided digitization method to register a bone
WO2022204010A1 (en) System and method for detecting a potential collision between a bone and an end-effector