KR20220010765A - 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20220010765A
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페이모 쉔
인 케이. 문
데니즈 에이. 밀러
브라이언 지. 웨이
제임스 피. 모라시
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씽크 써지컬, 인크.
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Abstract

컴퓨터로 제어되는 수술 기구를 사용하여 수술 과정 중에 수술 부위를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 일반적으로 상기 방법은 하나 또는 그 이상의 절개 부위를 가지는 절개 경로를 처리하는 단계; 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전의 정의된 인접 부위 내에 이동 가능한 말단 유효 인자가 있음을 나타내는 경보를 생성하기 위해 상기 절개 부위와 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전 간의 상관 관계를 결정하는 단계; 절개 부위 내 대상 조직에 컴퓨터로 제어되는 수술 기구가 작용하기 쉽게 하고 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전을 제외시키는 단계; 및 상기 절개 경로를 계속하여 처리하기 위해 사용자가 경보를 인식했음을 요청하는 단계를 포함한다. 본 명세서는 또한 부분적으로 컴퓨터로 제어되는 수술 과정에서 사용자의 피로를 최소화하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 일반적으로 상기 방법은 컴퓨터가 생성한 경보에 대한 반응으로 사용자가 인식 신호를 생성할 것을 요청하는 단계를 포함하며, 상기 사용자가 인식 신호는 사용자 경험에 대한 침습을 최소화하는 사용자 제어기를 사용하여 생성된다.

Description

크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING A SURGICAL PROCEDURE WITH CRITICAL REGIONS}
본 출원은 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 예비 특허 출원 제 61/786,125호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 명세서에 참조로써 통합되었다.
본 명세서에서 언급된 모든 출판물들과 특허 출원들은 마치 각각의 출판물과 특허 출원이 개별적으로 특정하게 참조에 의해 그 전체가 통합된 것처럼, 본 명세서에 참조로써 전체적으로 통합되었다.
본 발명은 일반적으로는 로보틱스, 의학 영상 기술 및 과정에 관한 것이며, 특히 해부학적으로 정의된 크리티컬 리전(critical regions)을 포함하여 로봇의 보조를 받는 수술을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
의학적 절차를 보조하기 위한 다수의 로봇 시스템이 제안되어 있으며 신경외과 수술, 복강경 수술, 및 정형외과 과정을 포함하는 여러 과정에서 구현되었다.
이러한 복잡한 수술을 계획하는데 있어서 환자의 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography: CT) 또는 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging: MRI) 스캔과 같은 수술 전 의학 영상 분석을 통해 컴퓨터가 점점 더 많이 사용되고 있다. 이러한 수술 계획을 실행하기 위해서, 수술 전 3차원(3D) 데이터를 수술 중에 대상의 해부학적 특징의 정확한 위치에 정렬시키거나 등록하는 것이 중요하다. 또한, 로봇의 도움을 받아 수술을 실행할 때는(예를 들어, 고관절인공관절치환술 - 환자의 대퇴골 뼈 내부로 고관절(hip joint)을 삽입하기 위해 대퇴골 뼈로 공동을 절개할 때), 해부학적으로 크리티컬 리전을 충분한 주의를 기울이면서 모니터링할 수 있는 것이 매우 중요하다.
의학 장비가 외과 의사의 간접적 제어를 통해 인간에게 작동할 때는 위험이 발생할 수 있다. 예를 들면, 동작하는 수술 도구를 사용하여 컴퓨터로 제어되는 수술을 시행하는 동안, 외과 의사가 수술 부위를 모니터링하는 것이 안전과 효율을 위해 필요하다. 절개 부위가 사용자에게 뚜렷하지 않게 보이거나 사용자의 주의가 분산된 경우 오퍼레이터(사용자 또는 외과의사와 유사한 의미로 사용)가 수술 도구에 의해 수행되는 바람직하지 못한 절개를 알지 못할 때는 추가적인 위험이 있을 수 있다. 경고가 발생하지 않고 시정 조치가 행해지지 않으면 이러한 위험은 환자에게 해를 끼칠 가능성이 있다.
수술 과정 동안 오퍼레이터의 자유로운 운동을 고려하는 것 또한 중요하다. 예를 들어, 의학 장비가 작동하는 동안 장비를 능동적으로 조작하여야 하는 오퍼레이터는 쉽게 피로해 질 수 있다.
이에 따라, 이러한 위험을 감소시키기 위해 컴퓨터로 제어되는 수술 과정 중에 모니터링되어야 하는 해부학적으로 중요한 부위를 결정하고 해당 부위의 수술 중에 오퍼레이터에게 경보를 발령하도록 하는 시도가 바람직한 것으로 생각되어 왔다. 외과 의사가 시행 중인 절개를 계속하는 것에 대한 경보를 인식하게 해 주는 주의 제어기로서 오퍼레이터 제어기가 수술 도구에 추가될 수 있다.
오쏘닥(ORTHODOC) 수술 전 계획 웍스테이션 및 로보닥(ROBODOC) 로봇 수술 시스템이 다음 문헌을 포함하는 다수의 문헌에 설명되어 있다: (1) 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 미텔스타트(Mittelstadt), B. D., 테일러(Taylor), R. H.: "수술 로봇을 위한 힘의 탐지와 제어", 로보틱스와 자동화에 대한 IEEE 회의, 612-616페이지, 프랑스, 니체, 1992년 5월. (2) 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 미텔스타트(Mittelstadt), B. D., 윌리엄슨(Williamson), B., 케인(Cain), P., 스미스(Smith), F., 로즈(Rose), L., 머스티스(Mustis), B.: "수술 로봇의 구조" 시스템, 인간, 및 사이버 공학에 대한IEEE 회의, 일리노이, 시카고., 1624-1629페이지, 1992년 10월. (3) 폴(Paul), H. A., 바가르(Bargar), W. L., 미텔스타트(Mittelstadt), B., 머시츠(머시츠(Musits)), B., Taylor, R. H., 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 윌리엄슨(Williamson), B., 핸슨(Hanson), W.: "접합제를 쓰지 않는 고관절 관절 성형술을 위한 수술 로봇의 개발," 임상 정형외과, 제 285권, 57-66페이지, 1992년 12월. (4) 카잔지데스(Kazanzides), P., 미텔스타트(Mittelstadt), B. D., 주하르스(Zuhars), J., 케인(Cain), P., 폴(Paul), H. A., "수술용 및 산업용 로봇: 비교 및 사례 연구" 국제 로봇 및 비전 자동화 회의, 1019-1026페이지, 미시가, 디트로이트, 1993년 4월. (5) 미텔스타트(Mittelstadt), B., 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 윌리엄슨(Williamson), B., 페티트(Pettit), R., 케인(Cain), P., 클로스(Kloth), D., 로즈(Rose), L., 머시츠(Musits), B.: "접합제를 쓰지 않는 고관절 치환을 위한 수술 로봇의 개발," 로보티카, 제 11권, 553-560페이지, 1993. (6) 미텔스타트(Mittelstadt) B., 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 케인(Cain), P., 윌리엄슨(Williamson), B.: "로봇 수술: 예측이 불가능한 상황에서의 예측 가능한 결과의 성취," 고급 로보틱스에 대한 제 6회 국제 회의, 367-372페이지, 동경, 1993년 11월. (7) 케인(Cain), P., 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 미텔스타트(Mittelstadt), B., 폴(Paul), H.: "수술용 로봇에서 안전에 대한 고려," 생물 의학 계측 제어, 제 29권, 291-294페이지, 텍사스, 산안토니오, 1993년 4월. (8) 미텔스타트(Mittelstadt), B. D., 카잔지데스(Kazanzides), P., 주하르스(Zuhars), J., 윌리엄슨(Williamson), B., 케인(Cain), P., 스미스(Smith), F. 바가르(Bargar), W.: "기초 기술에서 인간에 대한 임상적 사용에 이르는 수술용 로봇의 진화" 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 36-41페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1994년 9월.
로봇 수술 및 기타 절차에서 영상 등록을 설명하는 다른 출간물에는 다음 문서들이 포함된다: (9) 그림슨(Grimson), W. E. L., 로자노 페레즈(Lozano-Perez), T., 웰즈(Wells) III, W. M., 에팅거(Ettinger), G. J., 화이트(White), S. J., 키키니스(Kikinis), R.: "수술에서의 실제 시야를 개선하기 위한 자동화된 등록" 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 82-89페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1995년 9월 22-24일. (10) 놀테(Nolte), L. P., 자모라노(Zamorano), L. J., 지앙(Jiang), Z., 왕(Wang), Q., 랑로츠(Langlotz), F., 암(Arm), E., 비사리우스(Visarius), H.: "컴퓨터 보조 척추 수술에 대한 신규한 접근 방식," 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 II권, 제 IV 세션, 323-328페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1994년 9월 22-24일. (11) 라발리(Lavallee), S., 사우토트(Sautot), P., 트로카즈(Troccaz), J., 신퀸(Cinquin), P., 멀로즈(Merloz), P.: "컴퓨터 보조 척추 수술: CT 데이터 및 3차원 광학 로컬라이저를 사용한 정확한 경부 통과 고정을 위한 기술" 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 II권, 제 IV 세션, 315-321페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1994년 9월 22-24일. (12) 포타미아노스(Potamianos), P., 데이비스(Davies), B. L., 히버드(Hibberd), R. D.: "키홀 수술 방법론 및 조정을 위한 수술 간 영상 가이드 활용" 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 98-104페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1994년 9월 22-24일. (13) 사이몬(Simon), D. A., 히버트(Hebert), M., 카나데(Kanade), T.: "빠르고 정확한 수술 간 등록을 위한 기술", 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 90-97페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1994년 9월 22-24일. (14) 페리아(Peria), O., 프랑소아 주버트(Francois-Joubert), A., 라발리(Lavallee), S., 샴플보우(Champleboux), G., 신퀸(Cinquin), P., 그랜드(Grand), S.: "뇌전증 또는 종양을 앓는 환자의 SPECT 및 MR 뇌 영상의 정확한 등록", 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 II권, 제 IV 세션, 58-62페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1995년 9월 22-24일. (15) 리(Lea), J. T., 왓킨즈(Watkins), D., 밀스(Mills), A., 페쉬킨(Peshkin), M. A., 키엔즐(Kienzle) III, T. C., 스툴버그(Stulberg), D. S.: "로봇 보조 정형외과 수술을 위한 등록 및 움직임 고정", 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 63-68페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1995년 9월 22-24일. (16) 올트(Ault), T., 시겔(Siegel), M. W.: "초음파 영상을 사용한 프레임을 사용하지 않는 환자 등록", 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 74-81페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1995년 9월 22-24일. (17) 샴플보우(Champleboux), G., 라발리(Lavallee), S., 신퀸(Cinquin), P.: "방사선 치료 계획을 위한 광학 적응기", 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술에 대한 제 1회 국제 심포지엄, 제 I권, 제 I-III 세션, 69-73페이지, 펜실베니아, 피츠버그, 1995년 9월 22-24일.
기점 이식을 사용한 다양한 영상 등록을 위한 시스템이 또한 앨런(Allen)의 미국 특허 제 4,991,579호; 4,945,914호; 5,094,241호; 5,119,817호; 5,097,839호; 5,142,930호; 5,211,164호; 5,230,338호; 5,222,499호; 및 5,397,329호에 설명되어 있다.
로봇의 보조를 받아 수술을 실행하는 시스템 및 방법은 미국 특허 제 5,086,401호에 기술되어 있다. 컴퓨터 보조 영상 및 탐침 추적 시스템은 미국 특허 제 5,383,454호; 5,198,877호; 및 WO 91/07726에 기술되어 있다. 미국 특허 제 5,806,518호는 로봇 탐침을 대퇴골의 골수강에 정렬시킴으로써 뼈의 영상을 로봇 좌표 시스템으로 변환하기 위한 방법 및 시스템을 기술한다. 미국 특허 제 6,033,415호는 로봇의 좌표 시스템과 영상 데이터 셋 사이에 1) 뼈를 따라 축 상에 떨어져서 위치한 두 개의 위치 좌표 및 2) 최소한 하나의 위치 좌표를 따라 지나가는 방향 벡터를 등록하여 이를 기반으로 뼈의 영상을 로봇의 좌표 시스템으로 변환하는 방법 및 시스템을 기술한다. 불행하게도, 수술용 로봇이 대상자의 조직의 크리티컬 리전으로 의도하지 않게 움직이는 것을 오퍼레이터에게 경고하는 능력은 선행 기술에서 충분히 구현되지 않았다.
따라서, 크리티컬 리전을 가지는 컴퓨터 보조 수술 과정을 이 과정 중에 모니터링하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 요구되어 왔다. 또한 로봇이 크리티컬 리전으로 움직이는 것에 대한 경보를 수신하는 충분한 인터페이스를 사용자에게 제공할 필요성이 존재하였다.
컴퓨터로 제어되는 수술 기구를 사용하여 수술 과정 중에 수술 부위를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 일반적으로 상기 방법은 하나 또는 그 이상의 절개 부위를 가지는 절개 경로를 처리하는 단계; 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전의 정의된 인접 부위 내에 이동 가능한 엔드 이펙터(end effector)가 있음을 나타내는 경보를 생성하기 위해 상기 절개 부위와 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전 간의 상관 관계를 결정하는 단계; 절개 부위 내 대상 조직에 컴퓨터로 제어되는 수술 기구가 작용하기 쉽게 하고 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전을 제외시키는 단계; 및 상기 절개 경로를 계속하여 처리하기 위해 사용자가 경보를 인식했음을 요청하는 단계를 포함한다. 본 명세서는 또한 부분적으로 컴퓨터로 제어되는 수술 과정에서 사용자의 피로를 최소화하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 일반적으로 상기 방법은 컴퓨터가 생성한 경보에 대한 반응으로 사용자가 인식 신호를 생성할 것을 요청하는 단계를 포함하며, 상기 사용자가 인식 신호는 사용자 경험에 대한 침습을 최소화하는 사용자 제어기를 사용하여 생성된다.
본 발명은 크리티컬 리전을 가지는 컴퓨터 보조 수술 과정을 이 과정 중에 모니터링하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다. 또한 로봇이 크리티컬 리전으로 움직이는 것에 대한 경보를 수신하는 충분한 인터페이스를 사용자에게 제공한다.
도 1은 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 본 발명의 일부 실시예에 따라 모니터링하기 위한 방법을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 구조를 도시한다.
도 3은 도 2의 수술 시스템의 수술용 구성 부품들을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따라 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예의 방법을 사용하여 3차원 영상 또는 투사 데이터로의 표면 데이터의 등록을 위한 방법을 예시하는 차트이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 오퍼레이터 컨트롤러를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 이하의 설명은 본 발명을 이러한 바람직한 실시예로 한정하기 보다는, 본 발명의 분야에 숙련된 자가 본 발명을 익히고 사용할 수 있도록 하는 의도로 기술되었다. 본 명세서에서는 컴퓨터로 제어되는 수술 과정 동안 사용자가 피로를 느끼지 않도록 하기 위해 컴퓨터로 제어되는 수술 과정 및 방법의 수술 부위를 모니터링하기 위한 방법을 개시한다. 본 명세서는 또한 컴퓨터로 제어되는 수술 과정을 위한 시스템 및 장비와 본 명세서에 개시되고 사용자의 피로를 최소화하기 위한 방법을 구현하기 위한 사용자 컨트롤러 장비를 설명한다. 본 발명은 로봇 보조 수술 및 이러한 수술을 수행하기 위한 시스템에서 활용될 수 있다.
일반적으로, 상기 방법은 사용자가 인식하였음을 요청하는 경보를 생성하기 위해 (절개 경로의) 절개 부위와 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전 사이의 상관 관계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 크리티컬 리전을 식별하고 이러한 크리티컬 리전을 처리하여 외과 의사에게 경보를 발령하는 단계를 포함한다. 상기 크리티컬 리전은 절개 경로를 처리하는 단계(실제 절개)와 병렬로 처리될 수 있다. 다시 말하면, 절개 명령이 로봇에게 전달되는 동안(또는 그 이전에), 컴퓨터가 경보를 발령할 수 있는 절개 부위와 식별된 크리티컬 리전 사이의 상관 관계를 점검할 수 있다.
본 명세서에서 기술된 발명적 개념 중의 하나는 엔드 이펙터가 해부학적으로 크리티컬 리전(예를 들어, 결정 조직, 맥관, 또는 신경 손상이 발생할 수 있는 부위)에 진입할 때 외과 의사에게 이를 경고하여 절개를 수행하거나 수술 과정을 계속하거나 이를 재배치하는 등의 적절한 조치를 취할 수 있게 함으로써 위험을 완화시키는 방법이다. 이에 따라, 본 발명은 외과 의사가 절개 수술 중에 작동 중인 수술 도구를 직접 제어할 수 있도록 한다. 크리티컬 리전을 비크리티컬 리전과 구별하기 위해 영상 데이터에 대한 반자동 구획 단계를 채택하여 크리티컬 리전을 결정하기 위한 3차원 영상 분석이 수행될 수 있다. 식별된 크리티컬 리전 정보는 저장되어 컴퓨터로 제어되는 수술 도구가 취하는 기존의 절개 경로와 병렬로 사용될 수 있다. 상기 절개 경로가 장비가 작동하는 엔드 이펙터에서 크리티컬 리전으로 진입하려 할 때, 상기 장비는 외과 의사에게 장비가 작동하는 엔드 이펙터가 크리티컬 리전 내 주요 구조에 가까이 있음을 경고하기 위해 모니터 상에 (오디오 출력과 함께 또는 오디오 출력이 없이) 이를 표시한다. 상기 크리티컬 리전으로의 진입이 발생하면, 장비는 절개를 중단할 수 있다. 수술을 위한 절개 경로의 스캔 해상도는 수술 과정의 경과 내에서 수술 대상 조직에 장비를 적용하기 전에 외과 의사가 피하고자 하는 맥관이나 신경의 미세 구조를 탐지 못하는 것으로 인정된다. 이러한 영역을 사용자가 발견하면 이를 회피할 수 있으며, 발명의 일부 실시예에서는 이후의 절개 경로를 위한 크리티컬 리전으로서 지정된다.
경보가 외과 의사에게 전달되면, 외과 의사는 이러한 경보를 수신하여 인식하였음을 알림으로써 기구가 절개를 계속 진행되게 하여야 한다. 이러한 인식은 외과 의사가 휴대하는 펜던트 상의 주의 제어 버튼을 통해 수신될 수 있다. 이러한 인식을 수신하지 못하면, 기구는 절단 작동을 중단하여, 환자에게 해를 줄 수 있는 바람직하지 않은 절단의 위험을 최소화시킨다. 그러나, 크리티컬 리전에 진입하기 전에 이러한 경보가 인식되면, 중요하지 않은 부위에서 크리티컬 리전으로 이전할 때 절단이 중단되지 않는다.
추가적으로, 기존의 로보닥(ROBODOC) 제어 펜던트는 버튼을 오래 누를 수 있도록 인간 공학적으로 설계되지 않았다. 또한, 상기 버튼들은 자체적으로 구축된 스위치 메커니즘을 가지기 때문에 수술 주기의 기간을 최적화하도록 구성되지 않았을 수도 있다.
본 명세서에서 기술된 상기 시스템 및 방법은 컴퓨터로 제어되는 능동적 수술 도구에 의해 환자 부상의 위험을 완화시킨다.
도 1에 도시된 것과 같이, 2차원 X 선 영상 데이터(일부 실시예에서 조정 데이터를 포함)가 데이터 프로세서(12)로 입력되며, 상기 프로세서는 또한 CT 또는 MRI 스캔 데이터와 수술 계획을 수신한다. 상기 데이터 프로세서(12)는 이 데이터 상에 아래에 기술된 것과 같은 본 발명의 방법에 따라 작용하여, 로봇 이동 명령을 로봇 시스템(20)으로 출력한다. 이에 대한 반응으로, 상기 로봇은 수술 기술을 실행하거나 이러한 실행을 보조하여, 이펙터(예를 들어, 절개 도구)가 정확하게 위치하도록 하여 이식되는 장비를 수용할 수 있도록 뼈의 일부를 제거한다.
수술용 로봇 시스템
예를 들어, 공동 소유 미국 특허 제 6,033,415호; 5,824,085호; 5,806,518호; 5,776,136호; 및 5,769,092호에서 기술된 것과 같이, 로봇 보조 수술을 위한 본 발명의 방법을 구현할 수 있는 예시적 시스템(10)이 도 2에 도시된다. 상기 시스템(10)은 수술 전 계획 웍스테이션(12) 및 이식 설계 라이브러리(14)를 모두 포함하며, 이는 예를 들어, CAD 모델 데이터 셋(15)의 형태일 수 있다. 예를 들어 대표적인 CT 뼈 영상에서, 뼈의 영상 데이터 셋(16)은 수술 전 계획 웍스테이션(12)에 의해 획득되어 전송된다. 시술 외과 의사나 시술 외과 의사와 함께 작업하는 보조자와 같은 사용자는 수술 전 계획 웍스테이션에서 작업하여 적절한 이식 설계를 선택하여 이를 환자의 뼈 내에 위치시킬 수 있다. 이러한 수술 전 계획에 대한 상세한 사항은 위에서 인용된 오쏘닥(ORTHODOC) 수술 전 계획 시스템과 관련된 문헌에 잘 기술되어 있다.
상기 본 발명의 시스템(10)은 로봇 컨트롤러(22)(예를 들면, 프로그램이 가능한 컴퓨터 형태의 디지털 프로세서), 온라인 디스플레이 화면(24), 및 로봇 암(26)을 포함하는 로봇을 사용한 수술 시스템(20)을 포함한다. 상기 로봇 암은 조작 가능한 로봇 암(28)을 가지는 어떠한 산업용 로봇일 수 있으며, 일부 실시예에서는 최소한 5개의 축을 가지고 고 정밀도로 기기를 위치시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 힘 센서(30)가 암(28)의 먼 쪽 단부에 장착되며, 탐침(32) 형태의 이펙터 또는 수술 용 절개 도구(미 도시)가 상기 힘 센서에 부착될 수 있다.
상기 로봇 시스템(20)은 도 2에 도시된 것과 같이 안전 프로세서(44), 및 실시간 모니터링 컴퓨터(46)를 더 포함할 수 있다. 상기 힘 센서(30), 안전 프로세서(44), 실시간 모니터(46), 및 뼈 이동 탐지기(51)(도 3 참조)는 각각 상기 조작 가능 암(28) 말단의 이펙터의 위치, 미끄러짐, 및 막히는지의 여부를 모니터링한다. 일부 실시예에서, 상기 뼈(60)(예를 들어 대퇴골)는 고정기 조립체(52)에 의해 자리에 위치한다. 이러한 파라미터에 대한 실시간 모니터링이 상기 로봇 시스템이 계획대로 동작하도록 하는데 도움이 될 수 있다. 이러한 모니터링 시스템에 대한 상세 사항은 위의 로보닥(ROBODOC) 로봇 수술 시스템을 기술하는 인용된 문헌들에 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 디지털로 변환된 뼈 데이터 셋은 상기 로봇 좌표 시스템에 등록된 뼈 디지타이저 암에 의해서 측정된 뼈 위의 다수의 표면 위치들의 좌표 위치를 포함한다. 이에 따라, 상기 시스템(10)은, 예를 들어, 공동 소유 미국 특허 제 6,033,415호에 기술된 뼈 디지타이저 암(100)을 포함한다. 디지털로 변환되어 획득되는 뼈 데이터 셋(16)(도 2에서 로봇 컨트롤러(22)에 대한 입력으로 도시)은 디지타이저 암에 의해 획득되어 뼈 영상 데이터 셋(16)을 로봇 좌표 시스템으로 변환하기 위해 사용된다.
도 3에서 알 수 있듯이, 상기 시스템(10)은 수동적 기계적 암 뼈 이동 탐지기(51) 및 뼈 고정기(52)를 포함한다. 상기 예비 계획 웍스테이션(사용자 인터페이스)(12)는 컴퓨터(17) 및 터미널 디스플레이(24)를 포함한다.
수술용 로봇 암(28) 상의 절단 도구(32)는 동공을 뼈(60)의 단부에 절개하고 이식하도록 구성된다. 상기 고정기(52)는 뼈(60)를 수술 중에 실질적으로 고정된 위치에 유지하도록 구성된다. 각각의 수술용 로봇 암(28), 수동적 기계적 암(50) 및 고정기(52)는 고정된 기초로 작용하여 인접 말단들(25, 45) 사이의 상대적 운동을 예방하는 수술용 로봇 암(28)과 수동적 기계적 암(50) 각각의 로봇(26)에 인접한 자신들의 단부에 부착된다.
수동적인 기계의 암(50)의 인접 말단(45) 및 수술용 로봇 암(28)의 인접 말단(25) 모두가 로봇(26)으로 연결되면 말단들(25, 45) 사이의 상대적 운동을 피할 수 있으며, 이에 따라 수술용 로봇 암(28)과 수동적 기계의 암(50) 동일한 상대 좌표 시스템에서 움직이게 된다.
상기 시스템은 본 명세서에서 논의된 다양한 모듈을 포함한다. 본 발명의 분야에 숙련된 자라면 쉽게 알 수 있듯이, 각 모듈은 다양한 서브루틴, 프로시듀어, 정의된 스테이트먼트 및 매크로를 포함한다. 이들 모듈 각각은 일반적으로 별도로 컴파일되어 단일한 실행 가능 프로그램으로 링크된다. 따라서, 각 모듈에 대한 설명이 편의 상 바람직한 시스템의 기능을 설명하기 위해 사용되었다. 따라서, 각 모듈에 의해 수행되는 과정들은 하나 또는 다른 모듈로 임의로 재배치될 수 있으며, 단일 모듈로 결합되거나, 예를 들어, 공유 가능한 동적 링크 라이브러리로 만들어 사용할 수 있다.
본 명세서에서 사용된, “인스트럭션” 또는 “명령”이란 용어는 시스템 내에서 정보를 처리하기 위해 컴퓨터로 구현된 단계들을 의미한다. 명령어들은 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며 시스템의 구성 요소들이 수행하는 모든 유형의 프로그래밍된 단계들을 포함한다.
“마이크로프로세서” 또는 “프로세서”는 기존의 범용 단일 또는 다중 코어 마이크로프로세서일 수 있다. 또한, 상기 마이크로프로세서는 디지털 신호 프로세서 또는 그래픽 프로세서와 같이 특별한 목적으로 구성된 마이크로프로세서일 수 있다.
한 예에서, 상기 시스템은 본 명세서에 설명된 과정들을 수행하기 위한 별도의 하위 과정을 사용할 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 본 명세서에서 설명된 모든 동작, 과정 등은 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 명령으로 수행될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 명령은 이동 가능 유닛의 프로세서, 네트워크 요소, 및/또는 기타 다른 컴퓨터 장치에 의해 실행될 수 있다.
본 명세서에 개시된 발명은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 결합을 생성하기 위해 표준적인 프로그래밍 또는 공학 기술을 사용하는 방법, 장치 또는 제조 항목으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "제조 항목"은 하드웨어 또는 광학 저장 장치, 및 휘발성 또는 비휘발성 메모리와 같은 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에서 구현되는 코드 또는 로직을 의미한다. 이러한 하드웨어는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 응용프로그램 주문형 집적회로(ASIC), 복합 프로그램 가능 로직 장치(CPLD), 프로그램 가능 로직 어레이(PLAs), 마이크로프로세서, 또는 기타 유사한 처리 장치를 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
추가적으로, 상기 모듈 또는 명령어는 플래시(FLASH) 드라이브, 시디롬, 하드디스크 및 DVD와 같은 하나 또는 그 이상의 저장 장치에 저장될 수 있다.
수술 과정을 모니터링하기 위한 예시적 장치 및 방법
도 4는 시스템(10)의 구현 중 하나에서 동작할 수 있는 예시적 과정(400)을 도시하는 흐름도를 보여 준다. 상기 과정(400)은 도 2의 시스템(10)의 일부로서 예시된 것과 같이 메모리에 포함된 명령어의 구현일 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 방법의 바람직한 실시예는 블록(417) 내 절개 파일 내 절개 경로로부터 블록(420) 내 절개 부위를 처리하는 단계, 상기 절개 부위와 결정 블록(440) 내 상기 크리티컬 리전(블록 (435)) 사이의 상관 관계를 결정하는 단계, 블록(445) 내에서 로봇 이동 명령 출력을 생성하는 단계, 블록(450) 내에서 경보를 생성하는 단계, 결정 블록(460) 내에서 사용자의 인식을 요청하는 단계, 블록(465) 내에서 기본값으로서 정지를 생성하는 단계, 결정 블록(470) 내에서 사용자 인식의 값을 결정하는 단계, 블록(480) 내에서 절개 부위 생략 명령을 생성하는 단계, 및 블록(475) 내에서 수술 과정 재배치 명령을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 블록(410) 내에서 3차원 뼈 모델을 생성하는 단계, 블록(415) 내에서 절개 파일을 생성하는 단계, 및 블록(430) 내에서 3차원 크리티컬 리전 모델을 생성하는 단계 중 최소한 한 단계를 포함한다. 각 단계가 이하에서 상세히 설명된다.
일부 실시예에서, 상기 과정(400)은 크리티컬 리전 모델이 수신되는 블록(435)에서 시작한다. 블록(417)에서 절개 파일을 수신한 이후에 상기 과정은 블록(420)로 이동하며 여기서 상기 시스템은 상기 절개 파일 내 절개 경로의 절개 부위를 처리하기 시작한다. 본 명세서에서 상세히 논의 되었듯이, 상기 절개 경로는 한 번에 절개 부위를 처리하거나 실시간으로 처리될 수 있다. 상기 절개 파일 및/또는 상기 크리티컬 리전 모델은 로봇 수술 시스템(20)에 저장 및/또는 이에 의해 처리될 수 있다. 다른 방법으로, 상기 절개 파일 및/또는 상기 크리티컬 리전 모델은 로봇 수술 계획 웍스테이션(12)에 저장 및/또는 이에 의해 처리될 수 있다.
절개 경로의 처리가 시작되어 첫 번째 절개 부위가 처리된 이후에, 상기 과정(400)은 결정 블록(440)으로 이동하며, 여기서 최초 절개 부위와 크리티컬 리전 사이에 상관 관계가 존재하는 지를 과정(400)이 평가한다. 선택된 상관 관계가 존재하지 않는 것으로 결정되는 경우, 상기 과정은 블록(420)으로 이동하며 여기서 절개 경로의 처리가, 예를 들어, 절개 경로 내의 다음 절개 부위를 처리함으로써 계속된다. 또한, 선택된 상관 관계가 존재하지 않는 것으로 결정되는 경우, 상기 과정은 블록(445)로 이동하며 여기서 최초 절개 부위에 대해 로봇 이동 명령 출력이 생성된다.
하지만, 선택된 상관 관계가 존재하는 것으로 결정된 경우, 상기 과정(400)은 계속하여 블록(450)로 진행하여 여기서 경보 명령이 생성된다. 본 명세서에서 상세히 논의 되었듯이, 상기 경보 명령은 최소한 하나의 시각적 또는 청각적 출력 명령을 포함할 수 있다. 상기 경보 명령은 로봇 수술 시스템(20)에 저장 및/또는 이에 의해 처리될 수 있다. 다른 방법으로서, 상기 경보 명령은 계획 웍스테이션(12)에 저장 및/또는 이에 의해 처리될 수 있다. 또한, 상기 경보 명령은 펜던트와 같은 사용자 컨트롤러에 저장 및/또는 이에 의해 처리될 수 있다. 적절한 사용자 컨트롤러는 아래에서 보다 상세히 논의된다. 상기 경보 명령은 예를 들어, 온라인 디스플레이 화면(24) 및/또는 사용자 컨트롤러 상에 (시각적 및/또는 청각적) 경보를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
이후, 상기 과정(400)은 절개 경로의 처리를 계속하기 위해 사용자 인식을 요청한다. 결정 블록(460)에서 인식이 수신되었는지의 여부가 결정된다. 사용자의 인식이 수신되지 않은 것으로 결정되면, 상기 과정은 블록(465)으로 이동하여 여기서 정지 명령이 생성된다. 일부 실시예에서, 상기 과정(400)은 사용자가의 인식이 수신될 때까지 다시 시작되지 않을 것이며, 예를 들어, 상기 과정이 기본값으로서 정지 명령을 가질 수 있다. 그러나, 사용자가 인식하였음이 수신되면, 상기 과정(400)은 결정 블록(470)으로 이동한다. 어떠한 유형 또는 값의 인식이 수신되었는지를 결정 블록(470)에서 결정한다. 인식의 유형 또는 값은 “계속”, “절개 부위 생략”, “수술 과정 재배치”, “느린 속도로 절개”, “일시 정지”, “정지” 등을 포함될 수 있으나 이로 한정되는 것은 아니다. “절개 부위 생략” 명령이 수신되면, 예를 들어, 상기 프로세서(400)는 블록(420)을 계속 수행하며 반면에 상기 과정(400)은 해당 순간의 절개 부위에 대한 로봇 이동 명령 출력을 생성하지 않은 채로 (예를 들면, 절개 경로 내 다음 절개 부위를 처리함으로써) 절개 경로를 계속 진행한다. 그러나, “계속” 명령이 수신되면, 상기 과정(400)는 계속하여 절개 경로를 처리하며 해당 시간의 절개 부위에 대한 로봇 이동 명령 출력을 생성한다.
사용자 인식 명령은 하나 또는 그 이상의 소스로부터 수신될 수 있다. 예를 들어, 사용자 인식 명령은 아래에서 설명되는 사용자 컨트롤러로부터 수신될 수 있다. 다른 방법으로서, 또는 추가적 방법으로서, 사용자 인식은 로봇 수술 시스템(20) 및/또는 로봇 제어기(22)와 같은 시스템(10) 내 적절한 입력점으로부터 수신될 수 있다.
로봇 이동 명령 출력 또는 명령어 블록(450)은, 예를 들어, 계획 웍스테이션(12)의 메모리와 같은 시스템에 저장될 수 있으며, 이후에 로봇 수술 시스템(20)이 사용을 위해 접근할 수 있다. 다른 방법으로서, 상기 로봇 이동 명령 출력 또는 명령어는 상기 로봇 시스템(20)의 메모리에 저장될 수 있다.
상기 과정(400)은 절개 파일 내 각각의 절개 부위가 처리되거나 “정지” 명령이 수신될 때까지 계속하여 (재귀적으로) 구동될 수 있다.
3차원 뼈 모델의 구성 및 절개 파일의 생성
도 4에 도시된 것과 같이, 상기 과정(400)은 블록(415) 내에서 절개 파일을 생성하기 위한 과정 또는 루틴을 포함할 수 있으며, 이는 아래에서 보다 상세하게 설명된다. 일부 실시예에서, 상기 절개 파일은 3 차원 뼈 모델을 사용하여 생성될 수 있으며, 따라서 상기 과정(400)은 또한 블록(410) 내에서 3차원 뼈 모델을 생성하기 위한 과정 또는 루틴을 포함할 수 있다. 3차원 뼈 모델을 생성하기 위한 접근 방식 중 하나가 공동 소유 미국 특허 제 5,951,475호에 기술되어 있다. CT 스캔 또는 MRI 스캔과 같은 스캔으로부터 x선 데이터와 같은 이차원 투사 데이터로부터 획득한 3차원 데이터(모델 데이터)의 해부학 기반 등록을 성취하기 위한 예제 시스템 및 방법 이 기술되었으며, 이를 통해 수술 전 로봇을 수술 전 치료 계획에 등록하는 것이 가능해 진다. 수술 전 CT 스캔 데이터를, 예를 들어, 고관절 치환수술(THR)과 같은 수술 간에 사용되는 로봇에 등록하기 위한 반자동적 방법이 개시된다.
도 5에 도시된 것과 같이, 단계 A에서, CT 스캔 데이터가 획득되며, 이로부터 생성되는 영상 슬라이스들이 단계 B에서 처리되어, 대퇴골(또는 수술의 대상이 되는 다른 조직)의 정확한 3차원 모델을 생성한다. 단계 C에서, 대퇴골에 대한 다수의 x선 화면(예를 들어, 화면 1, 화면 2)과 조정 기구(12 또는 12')로부터의 영상 위치 조정 마커를 포함하는 화면이 얻어지며, 단계 D에서는 단계 C에서 얻어진 x선 화면들이 윤곽을 탐지하기 위해 처리된다. 단계 E에서 처리 과정이 상기 데이터 프로세서(16)에 의해 초기화된다. 단계 F에서, 영상이 위에서 설명한 과정을 사용하여 조정되어 2차원 윤곽을 지나는 3차원 선들의 모임을 생성한다. 단계 G에서 자세 평가 및 영상 조정 데이터가 상기 3차원 모델 상에서 각각의 x선 화면에 대해 다양한 3차원 윤곽 곡선을 생성하기 위해 사용된다. 단계 H에서, 상기 방법은 상기 윤곽 곡선 상의 3차원 선들에 해당하는 3차원 포인트들을 식별하며, 단계 I에서, 3차원 점들을 3차원 선들에 합치시키는 합치 과정이 수행된다. 단계 G, H 및 I는 대퇴골 표면 모델 데이터와 x선 영상 데이터가 수렴하여, 결과적으로 대퇴골 모델에 대한 x선 데이터의 조정을 산출할 때까지 한 번 또는 그 이상 반복된다.
컴퓨터 단층 촬영 데이터로부터의 뼈 해부 세그멘테이션
표면 모델이 반 자동적 방법을 사용하여 CT 스캔으로부터 추출될 수 있다. 테스트용 CT 스캔에서, 상기 슬라이스 간 간격은 1 에서3으로, 다시 6으로 결국은 120 mm까지 다양하게 변화하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 변동은 실제 현장에서 x선 투여량을 제한하면서 크리티컬 리전 내의 상세 사항을 최대화하기 위해 기대될 수 있다. 이러한 상황 하에서, 표면 추출을 위한 균일 표면 알고리즘이 효과적으로 배제될 수 있는데, 이는 이러한 알고리즘이 슬라이스 수준에서 윤곽선 정의를 저하시키고 윤곽선 들 사이의 표면의 타일 형 배치를 어렵게 하는 문제를 겪고 있기 때문이다.
그 대신에, 다음과 같은 알고리즘들이 선호된다: 각각의 슬라이스에 대해, 기존의 방사선 사진에서 행해진 것과 같이 능동적 윤곽선 모델을 사용하여 뼈의 윤곽을 탐지한다. 윤곽은 0.1 내지 0.3밀리미터 이내로 근사되며, 평균 삼각형 압축이 최대화될 수 있도록 최적의 형태로 타일 식으로 배치된다. 본 명세서에서 삼각형 압축은 다음과 같이 정의된다: (삼각형 면적의 4*제곱근 3*)을 삼각형 변의 길이의 제곱을 더한 값으로 나눈 값. 최적의 삼각형화는 동적 프로그래밍을 사용하여 성취할 수 있으며 따라서 연산적으로 사용 가능하다. 결과적으로 생성된 표면은 일반적으로 두 개의 경계를 가지는 방향성 있는 매니폴드이다. 표면을 형성하는 윤곽선들은 이들의 상세함의 정도와 함께 표면을 완전히 결정하는 스크립트 파일 내로 모아진다. 상기 스크립트 파일은 다양한 수준의 상세 사항을 검사하거나 특정 슬라이스를 첨가 또는 배제하기 위해 쉽게 편집될 수 있다.
결과적으로 생성된 표면은 이후 바람직한 실시예에서는 1995년 11월 매릴랜드, 볼티모어에서 발표된 안드레(Andre) P. 구에지엑(Gueziec)의 "가변 허용 오차를 사용한 표면 간소화", MRCASII, 132-139페이지에 기술된 방법을 사용하여 0.3 mm의 허용 오차로서 근사된다. 최종 표면에서 인접한 지역과 먼 지역 모두 불완전하게 되며, 거리를 두고 위치한 두 슬라이스 사이에 120 mm의 간격이 생기에 된다. 모델의 최종적인 표면은 3,460개의 삼각형을 포함하며, 이는 매우 압축된 것으로 간주된다.
컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography: CT) 영상 데이터의 2차원 슬라이스들로부터 뼈의 3차원 모델을 구축하기 위한 바람직한 방법에 대한 보다 상세한 기술은 공동 소유 미국 특허 제 5,951,475호에서 제공된다. 본 명세서에서는 연속성의 목적을 위해, 상기 방법에 대한 요약을 이하에서 기술한다.
특정 발명의 실시예에서 모델을 구축하는 방법은 다음과 같은 단계를 수반한다. 첫 번째 단계에서, 능동적인 윤곽선 소프트웨어가 CT 데이터의 각각의 슬라이스로부터 뼈의 외부 윤곽선을 추출하기 위해 사용된다. 능동적 윤곽선은 1987년 컴퓨터 비전에 대한 제 1회 국제 회의에서 발표된 카스(Kass), 윗킨(Witkin)과 테르조풀로스(Terzopoulos)의 "스네이크(Snake): 능동적 윤곽선 모델"에 기술되어 있다. 이 기술에서, 오퍼레이터는 "점을 찍어 클릭"함으로써 CT 영상 내 대상 구조의 근처에 다수의 제어점(control point: CP)을 선택한다. 상기 시스템은 다시 제어점들을 연결하는 다각형 곡선을 구축하고, 상기 다각형 곡선을 수정하여 곡선 길이의 척도, 곡선의 평균 곡률의 척도, 곡선의 영상 전위(potential) 평균 곡률의 척도, 및 영상 전위(potential)를 통합하는 표현을 최소화한다. 일반적으로, 상기 전위는 영상 기울기 벡터의 크기의 제곱과 같다. I(x,y)가 (x,y) 위치 픽셀의 영상 강도인 경우, 상기 영상 기울기 grad (I)는 벡터로서 첫 번째 좌표는 I를 x에 대해 미분한 값이고, 두 번째 좌표는 I를 y에 대해 미분한 값이다. 각 슬라이스에 상기 윤곽 기술을 적용한 이후에, 뼈의 윤곽(들)을 나타내는 다각형 곡선(들)을 획득한다.
제 2 단계에서, 상기 방법은 다각형 곡선을 몇 개의 정점을 포함하는 근사적인 다각형 곡선으로 대체하여, 근사적인 다각형 곡선이 원래의 다각형 곡선으로부터 사전에 지정된 소정의 문턱값(예를 들어, 0.3밀리미터) 이상 벗어나지 않도록 한다. 각 다각형 곡선은 정렬된 정점들의 배열로 표시되며, 각 정점은 배열 내의 위치에 따라 번호가 주어진다. 각각의 다각형 곡선에 대해, 최대 편차 문턱값이 신뢰도 있게 지켜질 때까지 다음 과정이 반복된다. 먼저 임의의 정점과 마지막 정점을 처음의 정점과 연결하여 얻어진 선분 사이의 최대 편차를 계산한다. 계산된 최대 편차가 문턱값보다 큰 경우, 정렬된 정점들의 배열이 동일한 크기를 가지는 두 개의 배열로 분할되며(정점의 개수가 짝수 이면, 첫 번째 배열이 두 번째 배열보다 하나 많은 정점을 포함한다), 결과적으로 나타나는 배열로서 정의된 두 개의 다각형 곡선을 고려한다.
제 3단계에서 상기 발명적 방법은 근사적 다각형 곡선의 모든 변을 포함하는 삼각형으로 이루어지는 표면 모델을 구축한다. 이 제 3단계는 다시 연속적인 슬라이스의 각 쌍들을 점검하고 양 슬라이스로부터 추출된 근사적 다각형 곡선을 포함하는 표면 슬랩을 구축한다.
첫 번째 슬라이스에 하나의 곡선이 있고 두 번째 슬라이스에 하나의 곡선이 있는 경우, 상기 방법은 삼각형 셋을 결정하기 위해 "동적 프로그래밍" 방법으로 알려진 과정으로 진행하며, 이 과정은, 예를 들어, 코르멘(Cormen), 라이세르슨(Leicerson), 및 리벳(Rivest)의 "알고리즘 기초", MIT 출판부, 1994,에 기술되어 있다. 상기 삼각형 셋은 각 삼각형이 서로 다른 곡선에서 최소한 두 개의 정점을 가지고, 위에서 정의한 삼각형 압축도의 합이 삼각형이 형성될 수 있는 모든 경우에 있어서 최소화되도록 결정된다.
제 4단계에서는, 제 3단계에서 구축된 상기 표면 슬랩이 결합되고 두 슬랩이 공유하는 다각형 곡선에 속하는 정점에 대한 중복된 참조를 제거하여 하나의 표면을 형성한다.
5 단계 및 마지막 단계에서, 상기 제 4단계의 결과로 얻은 표면이 더 적은 개수의 삼각형을 가지는 표면으로 근사되며, 이 때, 예를 들어, 제목을 "견고한 부피를 보존하고 거리 간 허용 오차를 지키는 표면 간소화"로 하여 1996년 11월 1일에 A. 구에지엑(Gueziec)이 출원하여 공통으로 양도된 미국 특허 출원 제08/742,641호, 및 위에서 참조한 1995년 11월 매릴랜드, 볼티모어에서 발표된 안드레(Andre) P. 구에지엑(Gueziec)의 "가변 허용 오차를 사용한 표면 간소화", MRCASII, 132-139페이지에 설명된 기술을 사용할 수 있다. 거리 허용 오차는 오퍼레이터에 의해 특정된다. 일반적인 작업에서는, 전반적으로 0.2 mm의 단일 허용 오차가 채택되며, 따라서 능동적 윤곽선을 사용하여 수집된 점들로부터의 최대 편차가 0.2+0.3=0.5 mm로 제한된다.
상기 구획 방법이 미국 특허 제 5,951,475호에 기술된 방법에 대해 설명되기는 하였지만, 이러한 구획은 CT 스캔 데이터(예를 들어, 하운스필드(Hounsfield) 단위로 측정)의 방사선 밀도 값의 사용을 기반으로로 성취될 수 있는 것으로 간주된다.
절개 경로 및 절개 부위를 가지는 절개 파일의 생성
도 4에 도시된 것과 같이, 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 특정 실시예는 절개 경로를 포함하는 절개 파일의 생성을 기술하는 블록(415)을 포함할 수 있다. 상기 블록(415)은 하나 또는 그 이상의 절개 부위를 가지는 절개 경로를 포함하는 절개 파일(또는 수술 전 치료 계획)을 가지는 과정(400)을 제공하는 기능을 가질 수 있다.
본 발명의 절개 파일을 생성하는 방법은 일차(PTHR) 및 개정(RTHR) 고관절 치환 수술을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일차 고관절 치환 수술에 대한 절개 파일을 생성하는 적절한 접근 방식 중 하나가 공동 소유 미국 특허 제 5,776,136호에 기술되어 있다. 예를 들어 개정된 고관절 치환 수술을 위한 절개 파일을 생성하는 또 다른 적절한 접근 방식 공동 소유 미국 특허 제 5,769,092호에 기술되어 있다.
3차원 크리티컬 리전 모델의 구축
도 4에 도시된 것과 같이, 상기 과정(400)은 블록(415)에서 상기 크리티컬 리전 모델을 구축하는 과정 또는 루틴을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 상기 블록(430)은 수술 공간 내에서 크리티컬 리전을 식별하는 기능을 수행한다.
용어 “크리티컬 리전”는 본 명세서에서 위험성이 높아서 사용자의 주의(및 인식)를 요하는 부위를 의미한다. 일부 실시예에서, 크리티컬 리전은 로봇 시스템에 의해 절개되어서는 안 되는 부위를 의미한다. 일부 실시예에서, 크리티컬 리전은 로봇 시스템에 의해 절개되는 부위일 수 있다. 후자의 실시예에서, 예를 들어, 크리티컬 리전은 기기에 의해 절개되어서는 안 되는 부위에 가까운 완충 지역을 포함한다. 완충 지역의 거리는 절개되어서는 안 되는 지역으로부터의 적절한 거리로 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 크리티컬 리전은 절개되어서는 안 되거나 최소한 절개를 최소화하여야 하는 피질의 뼈를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 크리티컬 리전은 부드러운 조직을 포함한다.
크리티컬 리전은 동맥, 정맥, 신경 계통, 연골, 인대 및 힘줄이 위치하는 알려진 해부학적 영역 및 이러한 영역을 나타내기 위한 영상 기반의 처리를 기반으로 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 3차원 크리티컬 리전 모델을 수행하기 위해 3차원 분석이 수행된다. 상기 3차원 분석 크리티컬 리전을 중요하지 않은 부위로부터 구별하기에 적절한 방법에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 3차원 분석은 영상 데이터의 반자동 구획에 의해 수행된다. 예를 들면, 일부 실시예에서 (미국 특허 제 5,951,475호와 관련하여) 위에서 설명된 것과 같이3차원 뼈 모델을 생성하기 위해 사용된 반자동 구획 방법이 채택될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 3차원 분석은 해부학적 영역 또는 사용자가 중요하다고 생각하는 영역을 선택하여 수동으로 수행된다.
3차원 크리티컬 리전 모델을 생성하기 위해 사용된 영상 데이터는 하나 또는 그 이상의 영상 소스들로부터 획득할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 크리티컬 리전 영상 데이터는 CT 스캔 및/또는 MRI 영상으로부터 도출된다. 일부 실시예에서, 상기 크리티컬 리전 영상 데이터는 CT 스캔으로부터만 도출된다. 일부 실시예에서, 상기 영상 데이터의 소스는 뼈 영상을 구축하기 위해 사용된 것(대부분 CT이나, MRI일 수도 있다)과 동일하다. 일부 실시예에서, CT 영상의 조합이 상기 뼈 영상을 생성하기 위해 사용될 수 있으며 MRI 데이터가 (인대 또는 힘줄과 같은) 연한 조직을 발견하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 두 개의 영상 유형은 단일 모델로 통합될 수 있다.
상기 크리티컬 리전은 피층의 뼈를 나타내는 영역과 같이 높은 밀도 값을 가지는 CT 스캔 데이터 영역을 기반으로 정의될 수 있다. 또한, 연한 조직의 부착물이 영상 데이터(대부분 MRI)를 사용하여 크리티컬 리전으로서 정의될 수 있다. 또한, 연한 조직이 인대/힘줄 삽입 위치로 알려진 일반적인 해부학적 모델을 기반으로 정의될 수 있다.
크리티컬 리전은 적절한 픽셀의 개수에 의해 정의될 수도 있다. 다른 방법으로서, 크리티컬 리전은 3차원 부피 또는 공간 내 단일 점으로 정의될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 식별된 크리티컬 리전은 저장되거나 보유된 3차원 부피일 수 있다.
도 4에서 블록(440)에서의 상관 관계 결정 이전의 블록(블록(430, 435))으로 정의되었지만, 상기 3차원 분석은 과정(400) 내의 다양한 시점에 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 3차원 분석은 수술(절개 경로의 처리) 이전 및/또는 수술 중에 수행될 수 있다. 3차원 분석이 수술 중에 또는 수술이 시작된 이후에 수행되는 실시예에서, 상기 크리티컬 리전은 절개 경로에 대한 처리가 시작된 이후에 전 과정에 걸쳐 식별될 수 있다.
일부 실시예에서, 수술 전에(즉, 수술이 시작되기 전에) 3차원 분석을 실시하여 크리티컬 리전을 식별하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 실시예가 유리한 예 중 하나는 영상에서 내피의 뼈를 식별하는 경우이다.
일부 실시예에서는, 절개 경로의 처리가 시작된 이후에 3차원 분석을 실시하여 크리티컬 리전을 식별하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 실시예가 유리한 예 중 하나는 연한 조직을 식별하는 경우이다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 상처를 개방한 이후에 삽입 점을 디지털화하는 것이 쉬울 수 있다. 이러한 실시예에서, 분석의 대부분은 절개를 시작하기 전에 수행될 수 있으나, 일부 절개가 행해진 이후에 수행될 수도 있으며, 특히 일부 절개가 행해진 이후에 노출이 더 발생하는 경우에 특히 해당된다. 일부 실시예에서, 일차 3차원 분석이 수술이 시작되기 전에 수행되고 이차 3차원 분석이 수술 중에 또는 수술이 시작된 이후에 수행된다.
저장된 크리티컬 리전 데이터는 컴퓨터로 제어되는 수술 도구가 취하는 기존 경로와 병행하여 사용된다. 예를 들면, 컴퓨터로 제어되는 절개 도중에, 상기 크리티컬 리전 모델(또는 3차원 영역 정보)은 절개 경로와 동기화되어 처리된다. 예를 들어, 절개 경로가 기기의 작동 중인 엔드 이펙터에서 크리티컬 리전에 진입하려 할 때, 상기 시스템은 경보를 생성한다. 이하에서 보다 상세히 설명되겠지만, 상기 경보는 외과 의사에게 엔드 이펙터를 작동하는 장비가 크리티컬 리전 내의 해부학적 구조에 인접해 있다는 사실을 경고하기 위해 경보 음과 함께 또는 이러한 음을 출력하지 않고 모니터 상에 표시될 수 있다. 일부 실시예에서, 장치가 크리티컬 리전으로 진입하는 경우, 상기 장비는 절개를 중단할 수 있다.
절개 부위와 크리티컬 리전 간의 상관 관계 결정: 경보 생성
도 4에 도시된 것과 같이, 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 특정한 발명적 실시예는 절개 부위와 크리티컬 리전 사이의 상관 관계를 결정하는 것을 기술하는 결정 블록(440)을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서 상기 블록(440)은 로봇이 크리티컬 리전의 인접 부위에 정의된 부위 내에 있는 지를 결정하는 기능을 한다.
절개 부위와 인식된 크리티컬 리전 간의 상관 관계 결정은 적절한 어떠한 과정을 사용하여서도 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 절개 부위가 크리티컬 리전의 인접 부위에 정의된 부위 내에 있는 경우에 상관 관계가 있는 것으로 결정된다. 상기 정의된 인접 지역은, 예를 들어, 선택된 거리(또는 픽셀들)일 수 있으며 중복 지역의 일부 또는 전체를 포함할 수 있다.
예를 들면, 일부 실시예에서, 평가되고 있는 해당 시점의 절개 부위가 식별된 크리티컬 리전와 최소한 부분적으로 겹치는 경우에 상관 관계가 있는 것으로 결정된다. 일부 실시예에서, 이후의 (또는 다음의) 절개 부위가 식별된 크리티컬 리전와 최소한 부분적으로 겹치는 경우에 이러한 상관 관계가 있는 것으로 결정된다. 일부 실시예에서, 절개 경로에 있는 절개 부위가 식별된 크리티컬 리전와 최소한 부분적으로 겹치는 경우에 이러한 상관 관계가 있는 것으로 결정된다.
또 다른 예에서는, 현재 평가되고 있는 절개 부위가 식별된 크리티컬 리전으로부터 정의된 거리 내에 있는 경우에 이러한 상관 관계가 있는 것으로 결정된다. 영역들 사이의 거리는 처리 시간 및/또는 처리 속도(즉, 공급 속도)의 함수로 표현됨을 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 상관 관계는 다른 경우에는 시간을 기반으로 할 수 있다.
위에서 설명된 것과 같이, 어떠한 상관 관계도 없는 것으로 결정되는 경우, 상기 과정은 절개 부위에 대한 로봇 이동 명령 출력이 생성되는 블록(445)으로 이동한다. 상기 방법은 블록(420)으로 돌아와 절개 경로 내의 다음 절개 부위를 처리한다. 이러한 반복적 과정은 정지 명령이, 예를 들어 블록(465) 또는 블록(475)에서 수신되거나 비상 정지 명령이 생성될 때까지 계속될 수 있다.
경보의 생성
위에서 설명된 것과 같이, 상기 과정(400)이 선택된 상관 관계가 있음을 결정하면, 경보 명령이 도 4의 블록(450)에서 생성될 수 있다. 일부 실시예에서 블록(450)은 사용자의 주의를 끄는 기능을 한다.
이에 따라, 본 명세서에서 기술된 방법은 수술 도구가 중요한 조직이 있거나, 맥관, 또는 신경 손상이 발생할 수 있는 환자 신체의 크리티컬 리전에 진입할 때 컴퓨터 제어 수술 과정을 시행하는 사용자(예를 들어, 외과 의사)에게 경보를 제공하도록 기능할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 방법에 의해 생성된 경보는 컴퓨터로 제어되는 수술 과정을 통해 사용자가, 예를 들면, 주의의 분산이나 피로로 인해 주의를 잃지 않도록 하는 추가적인 기능을 수행할 수 있다.
외과 의사에게 경보가 전달되면, 외과 의사는 바람직하게는 이러한 경보를 인식하고 따라서 기기가 절개를 계속하도록 하는 허락을 내리는 것이 요구된다. 이러한 인식은 외과 의사가 소지하고 있는 펜던트 상의 주의 제어 버튼으로서 또는 외과 의사가 작동시킬 수 있는 발로 작동시키는 페달에 의해 수신된다. 상기 인식이 수신되지 않으면, 장치는 절개를 계속하지 않음으로써, 환자에게 해를 줄 수 있는 바람직하지 않은 절개의 위험성을 최소화시킨다. 하지만, 크리티컬 리전에 진입하기 전에 경고가 인식되는 경우, 예를 들어, 중요하지 않은 부위에서 크리티컬 리전으로의 이전 또는 크리티컬 리전에서 크리티컬 리전으로의 이전 중에 절개가 중단하지 않는다.
로봇 이동 명령 출력
도 4에 도시된 것과 같이, 크리티컬 리전을 가지는 수술 과정을 모니터링하기 위한 발명의 특정한 실시예는 로봇 이동 명령 출력을 기술하는 블록(445)을 포함할 수 있다.
로봇 이동 명령 출력을 생성하고 구현하는 접근 방식 중 하나가 공동 소유 미국 특허 제 5,806,518호에 기술되어 있다. 로봇 이동 명령 출력을 구현하기 위한 추가적인 접근 방식이 공동 소유 미국 특허 및 개시된 참조 문헌에 기술되어 있으며 참조로써 본 명세서에 통합되었다. 예를 들어, 상기 출력 로봇 이동 명령은 로봇 암(28) 및/또는 상기 효과기(32)를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
오퍼레이터 컨트롤러
본 명세서에서는 또한 일부가 컴퓨터로 제어되는 수술 과정에서 사용자의 피로를 최소화시키기 위한 방법을 기술한다. 일반적으로, 상기 방법은 위에서 상세히 설명한 것과 같이 컴퓨터가 생성한 경보에 대한 반응으로 사용자가 인식 신호를 생성하도록 요구하는 것을 포함한다. 상기 사용자의 인식은 사용자 경험에 대한 침해를 최소화하는 사용자의 컨트롤러에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 침해를 최소화하는 상기 컨트롤러는 사용자로부터 최소한의 양의 물리적 반응을 요구하며, 이를 통해 사용자 경험에 대한 침해를 최소화할 수 있다. 사용자 컨트롤러는 임의 개수의 바람직한 특징에 대해 선택될 수 있다. 적절한 사용자 컨트롤러의 한 예를 아래에서 상세히 설명한다.
기존의 사용자 컨트롤러는 사용자가 과정 중에 계속하여 컨트롤러에 물리적으로 접촉하는 것을 요구한다(예를 들면 버튼을 누름으로써). 이는 결과적으로 사용자에게 피로와 주의의 분산을 가져올 수 있다. 외과 의사의 피로를 덜어 줄 수 있는 보다 인간 공학적인 사용자 컨트롤러가 도 6에 도시된다.
일부 실시예에서, 상기 사용자 컨트롤러는 사용자가 절개 작동 중에 수술 보조 기구를 직접 제어할 수 있게 해 준다. 예를 들어, 상기 사용자 컨트롤러는 (1) 장치가 절개 과정을 계속할 수 있게 해 주는 오퍼레이터 존재 제어(operator presence control: OPC), 및 (2) 위험의 심각성을 나타내기 위해 색상을 바꾸는 모니터 디스플레이의 두 부분을 포함할 수 있다. 두 부분이 통합됨으로써, 사용자의 간접적인 제어를 통해 사용자가 감독 제어에 보다 집중할 수 있게 해 준다.
일부 실시예에서, 수술 도구의 준비와 설정으로 인해 환자에 대한 위험이 증가하지는 않으므로, 상기 사용자 컨트롤러는 절개 과정 중에서만 적용할 수 있다. 절개 중에, 수술 도구는 해부학적으로 중요한 지점(위에서 논의됨)에 대한 절개 칼날의 거리를 자동적으로 식별할 수 있다. 상기 거리가 감소함에 따라 상기 모니터는 차가운 색상에서 따뜻한 색상으로 바뀌는 배경 화면을 디스플레이한다. 또한, 상기 모니터는 색맹의 어려움을 극복할 수 있도록 인접된 거리를 표시할 수도 있다. 일부 실시예에서, OPC 버튼이 계속 눌려지지 않는 경우 상기 절개 공급 속도는 반으로 감소한다. 공급 속도가 영에 도달하면 절개 모터가 정지한다. 정지된 절개는 외과 의사가 OPC 버튼을 누르면 다시 재개될 수 있다.
OPC와 컬러 가변 디스플레이를 결합한 상기 오퍼레이터 컨트롤러는 외과 의사가 관리하며 수술 도구에 의한 환자의 부상 위험을 완화시키는 역할을 한다.
도 6에 도시된 컨트롤러에서, 안전 공학적 측면과 안전이 개선된 제어 펜던트가 제공된다. 예를 들어, 부드럽고 둥근 형태를 가지며 이를 통해 기기를 편안하게 오랫 동안 소지할 수 있으며 한 손으로 편리하게 작동할 수 있다. 버튼들을 기존의 펜던트 상에 선형으로 "쌓아 놓는" 형태를 4가지 방식의 운항 스위치와 촉발기로 대체하였다. 상기 운항 스위치는 엄지로 동작되며, 왼 쪽, 오른 쪽, 위 쪽 및 아래 쪽 운항과 아울러 중앙에 누를 수 있는 "메뉴" 기능을 가진다. 상기 "선택" 기능은 상기 촉발기에 부착되며, 사용자의 손의 크기에 따라 첫 번째, 두 번째 및/또는 세 번째 손가락(들)을 사용하여 조작된다. 상기 비상 정지 기능은 비상 정지를 위해 사용하도록 설계된 전용의, 규격품 스위치로 구현될 수 있다. 여기에는 스냅을 통해 교체할 수 있는 블록 및 "밀어서 정지, 비틀어서 리셋" 동작과 같은 표준적 특징들이 포함된다. 상기 펜던트 몸체는 의도적으로 이러한 표준적 비상 정지 스위치 주위에 위치하도록 설계되어, 상기 비상 정지 버튼을 조립체의 전면 단부에 다른 버튼과 떨어지게 위치시킴으로써 쉽게 접근할 수 있게 하되 다른 작업에 방해가 되지 않도록 만들어 진다.
기존의 일반적인 비디오 게임 컨트롤러와의 차이점 중 분명한 것에는 모든 연결을 위해 실제 케이블을 사용한 것이며(무선 연결은 위험 분석에는 위험한 것으로 간주된다), 전용 래치 형 비상 정지 버튼을 사용하여 전원을 로봇 이동 컨트롤러와 분리시킨 것이다.
상기 예시된 펜던트는 상용제품(commercial-off-the-shelf: COTS)의 스위치 요소를 사용자 친화적인 포장에 통합하여 포함할 수 있다. 예를 들면, 중앙 부위를 누를 수 있는 COTS 4 위치 운전 스위치 가 필요에 따라 성형된 운전 버튼과 결합되어, 다음과 같은 기능을 제공한다: 위(Up), 아래(Down), 왼 쪽(Left), 오른 쪽(Right), 및 메뉴(Menu). 첨부되는 소프트웨어의 설계에서, 이러한 기능들은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 검색 및/또는 직접적인 로봇 이동 제어(로봇 기초의 상승/하강, 또는 기타 다른 이동 축의 위치에 대한 미세 조정)를 위해 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, COTS 스냅 동작 롤러 레버 스위치가 필요에 따라 성형된 촉발기(trigger), 비틀림 스프링, 및 피봇 핀과 결합되어 다음과 같은 기능을 제공할 수 있다: 선택, 오퍼레이터 존재에 대한 인식.
상기 촉발기는 로봇의 사용을 통하여 메뉴 항목을 선택하거나 인지하고 시스템 메시지(대화 상자) 또는 시스템이 생성한 경보에 반응하기 위하여 작동하도록 의도된 것이다. 상기 촉발기는 또한 뼈를 등록하는 동안 타당한 디지타이저 포인트를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 절단 도중에, 상기 촉발기는 로봇 GUI 디스플레이에 표시되는 피드백 및 위에서 논의된 환자의 상태를 기반으로 외과 의사가 절단 과정의 각 단계를 승인하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 펜던트의 몸체는 세 개의 분리되어 성형된 쉘로 설계되며, 이들은 자체 결착 나사를 통해 손으로 쉽게 조립된다. 상단과 하단의 쉘은 펜던트의 기본적인 곡선 모양을 형성하며; 세 번째 쉘은 패널에 장착된 비상 정지 버튼을 제 위치에 유지하며 장치의 전면 단부에서 상단과 하단 쉘 사이에 삽입된다. 상기 비상 정지 버튼의 스위치 메카니즘은 정밀한 간격으로 두 개의 장착 보스 사이에 확고하게 고정되어 회전이 방지된다.
COTS 스위치가 전압을 제공하는 개별 스위치 요소, 조작 저항, 및 펜던트 케이블 내 개별 배선들을 연결하는 인쇄 회로 기판에 부착될 수 있다. 상기 인쇄 회로 기판은 COTS 스위치를 상단 및 하단 쉘과 성형된 운항 버튼 및 방아쇠에 대하여 정확하게 위치시키며, 이들은 사용자가 외부에서 접근할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 케이블은 펜던트의 뒤에서 나오며 사용자가 소지하게 되면 후면의 아래 쪽을 향하게 된다. 이를 통해 기존 제품의 "상단 케이블" 설계와 비교하여 편리함을 증대시킬 수 있다. 상기 케이블은 장력이 해소되고 상단과 하단의 펜던트 쉘 사이에 고정되며, 성형된 케이블 고정 장치 설계를 포함한다. 상기 케이블은 펜던트 몸체 내에서 (몰렉스 피코블레이드(Molex Picoblade) 또는 하윈 데이터메이트(Harwin Datamate)와 같은) 커넥터들을 수용하는 작은 걸쇠 크림프(crimp)에 의해 종단되며, 제조 시에 납땜 케이블이나 펜던트를 사용할 필요를 제거해 준다.
상기 기술된 컨트롤러의 버튼을 사용하여 사용자 인식 명령(예를 들어, 계속, 일시 정지, 정지)들이 생성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
추가적인 특징
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 5,806,518호에 기술된 시스템 컨트롤러를 포함한다. 상기 시스템 컨트롤러는 조작 가능한 암을 움직여서 이펙터를 위치시킨다.
일부 실시예에서, 상기 엔드 이펙터(32)는 공동 소유 미국 특허 제 5,776,136호에 기술된 디스크 형 절단기 또는 볼 형 절단기와 같은 회전형 절단기이다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 6, 332,567호에 기술된 6개의 자유도를 가지는 위치 센서를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 5,806,518호에 기술된 6개의 자유도를 가지는 뼈 고정기를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 6, 332,567 및 6,033,415호에 기술된 뼈 디지타이저 암을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 6,033,415호에 기술된 디지털화된 뼈 데이터 셋을 생성하기 위한 다수의 위치 센서를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 특허 제 6,033,415호에 기술된 디지털화된 뼈 데이터 셋을 생성하기 위한 비접촉식 디지털 변환 장치를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 공동 소유 미국 공개 특허 제 2011/0152871호에 기술된 것과 같이 상기 암에 부착되는 각도 지시기를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 상기 각도 지시기에 공동 소유의 미국 공개 특허 제 2011/0152871호에 기술된 최소한 하나의 유연한 안내 도구로써 물리적으로 연결되는 임팩터(impactor)를 포함한다.
본 명세서에 포함된 예들과 예시들은, 본 발명을 제한하기 보다는 예시하는 것이며, 대상 발명이 수행될 수 있는 특정한 실시들 보여 주는 것이다. 구조적, 논리적 대체 또는 변경이 본 발명의 개시 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예를 활용하거나 이로부터 유도할 수 있다. 발명 대상에 대한 이러한 실시예는 본 명세서에서 개별적으로 또는 집합적으로 “발명” 이라 불리며 이는 단지 편의를 위한 것으로서 사실상 하나 이상의 발명이 개시된 경우에 본 출원의 범위를 단일한 발명 또는 발명적 개념으로 스스로 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 본 명세서에 특정 실시예들이 예시되고 설명되었다고 하더라도, 동일한 목적을 이루기 위해 계산된 배치가 도시된 특정한 실시예를 대체할 수도 있을 것이다. 본 발명의 개시는 다양한 실시예의 적응과 변경을 모두 포함하도록 의도된 것이다. 상시 실시예들의 결합 및 본 명세서에서 특정하게 설명되지 않은 다른 실시예들은 본 발명의 분야에 숙련된 기술을 가진 자에게는 상기 설명을 검토해 봄으로써 자명하게 될 것이다.

Claims (25)

  1. 절개 부위를 가지는 정의된 절개 경로를 컴퓨터로 제어되는 수술 기구의 컴퓨터에서 처리하는 단계;
    하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전에 인접한 정의된 부위 내에 이동 가능한 엔드 이펙터(effector)가 있음을 나타내는 경보를 생성하기 위해 상기 절개 부위 및 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전 간의 상관 관계를 결정하는 단계;
    절개 부위 내 대상 조직에 컴퓨터로 제어되는 수술 기구를 작동시키고 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전을 제외시키는 단계; 및
    상기 절개 경로를 계속하여 처리하기 위해 사용자가 경보를 인식했음을 알려 줄 것을 요청하는 단계를 포함하는 컴퓨터로 제어되는 수술 기구를 사용하여 수술 과정 중에 수술 부위를 모니터링하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 크리티컬 리전은 (a) 동맥, 정맥, 신경 뭉치, 연골, 특정한 밀도 또는 유형의 뼈, 및 힘줄이 존재하는 해부학적으로 알려진 영역 및 (b) 동맥, 정맥, 신경 뭉치, 연골, 특정한 밀도 또는 유형의 뼈, 및 힘줄을 나타내는 영상 기반의 처리 중 적어도 하나를 기반으로 하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 사용자 인식은 (a) 계속(continue), (b) 영역 생략(skip region), 및 (c) 일시 정지(pause) 중 최소한 하나를 포함하는 명령인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용자 인식은 계속(continue) 명령이며, 컴퓨터로 제어되는 수술 기구의 이펙터(effector)가 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전에 진입하기 전에 상기 계속 명령을 수신하면 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전으로의 절개 경로 처리를 중단 없이 계속하도록 허용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절개 경로의 처리는 사용자 인식이 수신되지 않으면 중단되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절개 경로를 포함하는 절개 파일을 생성하는 단계; 및
    상기 절개 파일을 물리적 매체에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    수술 대상 구조의 3차원 모델을 생성하는 단계; 및
    크리티컬 리전을 가지는 3차원 크리티컬 리전 모델을 생성하는 단계 중 최소한 한 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 수술 대상 구조의 3차원 모델 및 3차원 크리티컬 리전 모델은 동일한 소스의 영상 데이터로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 크리티컬 리전은 상기 정의된 절개 경로를 처리하기 전에 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 절개 경로는 상기 크리티컬 리전을 결정하는 단계와 병렬로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 7항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전은 절개 경로의 처리가 시작된 이후에 식별되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 3차원 크리티컬 리전 모델을 생성하는 단계는 크리티컬 리전을 중요하지 않은 부위와 구별하기 위해 컴퓨터로 제어되는 장치를 사용하여 3차원 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 3차원 분석은 영상 데이터의 반자동적 구획으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 3차원 분석은 인공 지능을 사용하지 않고 수동적 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전은 물리적 매체 내에 3차원 부피 또는 공간 내 점들로 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전은 사용자에 의해 수동으로 수술 중에 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경보는 최소한 하나의 시각적 또는 청각적 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인식은 펜던트 또는 발로 작동하는 페달과 같은 외과 의사의 입력 장치 상의 경고 제어 버튼으로서 수신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 대상 조직에 기구를 작용시키는 단계는 절개, 절단, 밀링, 굴착, 천공, 또는 통과 중 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절개 부위는 사용자의 시각으로부터 흐려지는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상관 관계 및 경보는 암의 이동 속도, 공급 속도 및 시간을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 사용자 인식은 사용자 컨트롤러를 사용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 사용자 컨트롤러는 상기 하나 또는 그 이상의 크리티컬 리전 내에서만 사용자에 의한 물리적 반응을 요청하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법을 사용하는 일부 컴퓨터로 제어되는 수술 과정 동안 사용자의 피로를 최소화하기 위한 사용자 컨트롤러 장치로서, 상기 장치는 사용자 명령을 생성하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 입력을 포함하며, 상기 사용자 명령의 생성은 사용자로부터 최소량의 물리적 반응을 요구하는 트리거(trigger)로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법을 포함하는 컴퓨터로 제어되는 수술 과정.
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