KR20220038815A - 조명을 갖춘 캐뉼러 - Google Patents

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KR20220038815A
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cannula
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prism
proximal end
axis
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로스 츠카시마
도널드 조셉 풀러
잭 에이치. 슈밋트
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리바운드 세라퓨틱스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 종양 치료를 위한 최소침습 수술용 캐뉼러에 관한 것으로, 근위부에 카메라와 광원이 설치된다. 광원의 빔축은 카뮬러 말단부의 작업공간을 향해 말단부를 향한다. 광원에 포커싱 렌즈를 설치해, 광원의 빔 각도를 줄여 캐뉼러튜브 내부의 눈부심을 줄인다.

Description

조명을 갖춘 캐뉼러
본 발명은 종양 치료를 위한 최소침습 수술 분야에 관한 것이다.
사망과 무력화 신경계 장애의 흔한 원인이 뇌졸중이다. 미국에서 매년 약 700,000명의 환자가 뇌졸중을 겪는다. 출혈성 뇌졸중은 연간 뇌졸중 환자의 20%를 차지한다. 출혈성 뇌졸중은 뇌혈관이 파열되어 뇌조직으로 출혈을 일으켜 뇌에 혈종(혈액 덩어리)을 유발한다. 장기적인 뇌손상을 제한하거나 예방하려면 혈종을 바로 제거해야 한다.
혈종과 그 주변 수술부위의 명확한 가시화와 영상화는 혈종 제거를 용이하게 한다. 미국 특허 10,172,525는 캐뉼러루멘과 그 내부와 아래의 조직을 볼 수 있도록 캐뉼러의 근단부에 카메라를 설치한 캐뉼러를 소개한다. 이 시스템에서, 캐뉼러의 말단부에 장착된 LED나, 캐뉼러의 근단부에서 말단부까지 이어진 광섬유를 통해 조명을 제공한다.
요약
아래에 설명된 장치와 방법은 캐뉼러의 근단부에 장착된 광원으로 조명을 제공하고, 근위부에 카메라를 장착한 캐뉼러를 포함한 캐뉼러 시스템을 사용하여 신체내의 발병조직의 개선된 시각화를 제공한다. 캐뉼러 시스템은 캐뉼라 튜브의 근단부에 카메라 어셈블리를 장착한 캐뉼러튜브를 포함하고, 캐뉼러튜브의 말단부 근처의 수술 작업공간의 뷰를 얻기 위해 시야축이 캐뉼러의 말단부를 향한다. 눈부심을 최소화하면서 적절한 조명을 위해 이 캐뉼라 시스템에는 LED의 출력을 좁은 빔 각도로 집중시키는 추가 렌즈와 결합된 넓은 빔 각도를 가진 강력한 패키지 LED가 포함된다. LED, 기판/칩 및 1차 렌즈를 포함한 시중의 패키지 LED에는 전체 어셈블리의 빔 각도를 줄이기 위해 좁은 포커싱 렌즈를 포함하는 2차 광학계가 장착되어 있다. 2차 광학계는 LED의 빛을 집속해 캐뉼러를 통해 캐뉼러 말단부의 작업공간으로 보내기 위한 GRIN 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내경 9mm, 길이 13cm의 캐뉼러의 경우, 렌즈는 약 3.5°의 출력 빔 각도를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1은 외과적 개입을 필요로 하는 환자의 뇌의 혈종에 캐뉼러 말단부가 근접해있는 것을 보여주는 도면;
도 2~4는 캐뉼러튜브 안으로 투과된 빛의 빔각도를 좁히도록 구성된 LED와 포커싱 렌즈를 갖춘 캐뉼러 시스템의 단면도들;
도 5는 도 1~3에 도시된 조명 어셈블리의 상세도;
도 6~8은 광축이 캐뉼러튜브의 길이와 정렬되어 있는 프리즘이 없는 조명 어셈블리의 도면.
도 1~3은 최소침습 수술에 편하게 사용되는 캐뉼러 시스템을 도시한다. 도 1은 외과적 개입을 필요로 하는 뇌(3)내 발병조직(2)를 갖는 환자(1)와 발병조직에 삽입된 캐뉼러(4)와 발병조직에 근접한 캐뉼러의 말단부를 보여준다. 발병조직은 뇌의 신경교종이나 교모세포종, 척추의 뇌실막종, 또는 기타 발병조직일 수 있다.
카메라 어셈블리(5)는 캐뉼러의 근위 림에 장착되고, 카메라의 일부는 캐뉼러의 림에 걸쳐서 캐뉼러의 루멘 위에 배치되어, 뇌와 뇌의 발병조직처럼 캐뉼러 말단부의 표적 조직을 포함해 루멘 말단부의 비디오나 정지 이미지를 구한다. 도 1~3에서 보듯이, 캐뉼러는 환자의 신체에 삽입되는 말단부(6d)를 갖춘 캐뉼러튜브(6)를 포함한다. 카메라 어셈블리(5)는 캐뉼러의 근단부(6p)에 고정되고, 캐뉼라 튜브의 루멘(9)에 걸쳐 있는 이미징 센서(7), 프리즘, 반사기 또는 기타 거울구조나 광학 요소(8)를 포함한다. 뇌에서 사용하기 위해, 프리즘, 반사기, 거울과 같은 카메라 어셈블리의 일부는 캐뉼러튜브의 루멘으로 형성되고 캐뉼러의 근단부 너머로 뻗는 원통형 공간 안으로 연장되고, 캐뉼러의 근단부에서 떨어져 원통형 공간 안으로 약간만 뻗는다. 프리즘 없이 사용되는, 프리즘(8)의 말단면이든 캐뉼러의 말단부를 향하는 뷰잉 축을 가진 대물렌즈든, 카메라 어셈블리의 최말단 광학면은 캐뉼러튜브의 근단부에, 바람직하게는 근단부의 근위부에 배치된다.
도 2~3에 도시된 바와 같이, 캐뉼러는 빔축(11)을 갖는 하나 이상의 조명 어셈블리(10)도 포함한다. 조명 어셈블리는 광원(12)과 관련 광학계를 포함하고, 이런 광학계로는 (조명 어셈블리의 빔축(11)과 일치하는) 출력축(14)을 갖는 프리즘(13), 및 광원에서 루멘 안으로 캐뉼러튜브 말단부의 작업공간과 표적조직을 향해 빛을 안내하는 렌즈(15,16)가 있다. 도 1의 제어시스템(17)은 광원을 작동하고, 카메라로 캡처한 비디오 이미지 데이터를 구하고 생성/번역해 디스플레이 스크린(18)에 디스플레이하도록 한다. 카메라 어셈블리와 조명 어셈블리는 장착구조(19)의 캐뉼러튜브의 근단부에 지지고정되는데, 장착구조는 캐뉼러튜브의 근단부 위에 고정되고 캐뉼러튜브보다 큰 직경의 링을 포함한다.
도 2~5의 조명 어셈블리(10)는 광원(12), 프리즘(13), 및 광원과 프리즘 사이의 렌즈(16)를 포함한다. 광원은 빔축(12B)과 광각(α)을 갖고, 광각은 무렌즈 LED나, LED로부터의 광각 안으로 빛을 집중시키는 렌즈를 갖춘 패키지 LED로 인한다. 패키지 LED는 일반적으로 기판, 발광다이오드 및 발광다이오드를 덮는 렌즈를 갖는 형태로 제공된다. 백색광 LED의 경우, 패키지 LED가 (다이오드의 일부 청색광을 적색과 녹색광으로 변환하여 백색광을 내는 패키지를 생성하도록) 형광체를 포함할 수도 있다. 패키지 LED의 일반적인 빔 각도는 30°~180°이다. 도 1~4의 캐뉼라 시스템에 사용했을 때, 이런 광각은 카메라 어셈블리로 얻은 이미지를 흐리게 하는 과도한 눈부심을 일으킨다. 이런 눈부심을 줄이기 위해, 패키지 LED의 빛을 좁은 각도로 모으는 기능을 하는 볼록렌즈, 구배 인덱스렌즈(GRIN 렌즈) 또는 콜리메이터 렌즈의 형태로 제공되는 포커싱 렌즈를 렌즈(16)로 사용한다. 패키지 LED와 렌즈의 적절한 조합은 (1) CREE® XQEAWT LED 및 (2) Edmunds Optics에서 판매하는 Edmunds #64-520 GRIN 렌즈이다. 캐뉼라 튜브 근단부의 조명 어셈블리 배치를 용이하게 하는 주어진 포커싱 파워에 대한 (광축에 수직인) 좁은 단면으로 인해 GRIN 렌즈가 선호된다. 프리즘으로는 직각 프리즘이 좋지만, GRIN 렌즈의 광축(여기서는 장축)(16L), 캐뉼러튜브의 출력 빔축(11)과 중심축(6L) 사이의 각도가 다른 다른 형태의 프리즘도 사용할 수 있다. 전체 조명 어셈블리의 출력 빔축(11)은 프리즘의 뷰잉 축에 해당하고 포커싱 렌즈의 광축(16L)에 비스듬하다(도 2~4 참조). 직각 프리즘 의 경우, 포커싱 렌즈의 광축이 프리즘의 뷰잉 축에 수직일 수 있다. (도 6~7과 같이, 포커싱 렌즈의 광축이 캐뉼러의 말단부를 향하는 경우 프리즘 없이 사용되는) 프리즘(13)의 말단면이든 포커싱 렌즈의 말단면이든 조명 어셈블리의 최말단 광학면은 캐뉼러튜브의 근단부에, 바람직하게는 캐뉼러튜브의 근단부의 근위부에 위치한다.
조명 어셈블리는 패키지 LED와 렌즈 사이의 에어갭(20) 및 렌즈와 프리즘 사이의 에어갭(21)을 갖는다. 이런 조합으로 CREE® XQEAWT led와 Edmunds #64-520 GRIN 렌즈를 사용해, 조명 어셈블리 빔축(10B)에 맞춰진 빔 각도(β)는 약 3.5°이다.
도 6~7의 프리즘 없는 조명 어셈블리는 (포커싱 렌즈의) 광축(16L)이 캐뉼러튜브(6)의 길이로 정렬되어 있다. 다른 특징들은 캐뉼러(4), 캐뉼러튜브(6), 카메라 어셈블리(5) 및 프리즘(8)을 갖춘 도 2~4와 비슷하다. LED의 빔축(12B)은 캐뉼러루멘 안에서 캐뉼러튜브의 말단부를 향하도록 배치되고, 렌즈(16)는 광축(16L)이 LED 빔축과 정렬되어 캐뉼러루멘과 캐뉼러튜브의 말단부를 향하도록 배치된다. 여기서는 프리즘이 불필요하다. 이 실시예의 전체 조명 어셈블리의 출력 빔축은 포커싱 렌즈의 광축에 대응하고 캐뉼러튜브의 말단부를 향한다.
도 7의 평면도에 카메라 어셈블리(5) 및 카메라 프리즘(8)과 함께 광원, 대응 렌즈(16) 및 LED 광원(12)의 위치들이 보이고, 광원과 카메라 프리즘은 캐뉼라 튜브(6)의 루멘(9) 안으로 일정 정도 돌출하여 캐뉼러튜브를 통해 작업공간 안으로 도구를 넣으면서 캐뉼러튜브 말단부의 작업공간을 조명해 볼 수 있도록 한다. 도 8은 광원(12)이 있는 조명 어셈블리(10)와 GRIN 렌즈(16)에 빛을 보내는 빔 각도(α) 사이의 관계를 보여주며, 이때 조명 어셈블리 빔축(11)을 따라 좁은 빔 각도(β)로 빛이 GRIN 렌즈를 나간다.
출력 빔 각도는 캐뉼러의 치수에 따라 약간 더 크거나 작을 수 있다. 예를 들어, 빔 각도가 약 10~15°, 보다 바람직하게는 약 13°로 좁고 내경 16mm, 길이 7cm의 비교적 짧고 넓은 캐뉼러는 눈부심이 적은 우수한 조명을 제공한다. 내경 9mm, 길이 14cm, 빔각도 약 3~5°, 보다 바람직하게는 약 3.1°로 좁은 캐뉼러는 눈부심이 줄어든 우수한 조명을 제공한다. 보다 일반적으로, 출력 빔각도가 약 20°미만인 광원과 포커싱 렌즈의 구성은 눈부심이 최소인 우수한 조명을 제공한다.
도면들에서는 GRIN 렌즈의 광축과 GRIN 렌즈의 빔축(렌즈를 떠나는 빛의 중심)이 일치하고, 이런 빔축은 LED의 중심을 GRIN 렌즈의 세로중심(일반적으로 광축)에서 벗어나게 하여 바꿀 수 있다. 이 경우, 도 6~7의 GRIN 렌즈의 출력 빔축이 광축에 나란하지 않게 된다. 따라서, LED의 빔축이 GRIN 렌즈의 광축에서 벗어나도록 LED를 배치하면 GRIN 렌즈의 출력 빔축이 광축에 교차한다. 따라서 출력 빔축이 캐뉼러튜브의 중심 축(또는 다른 특징부)과 교차하도록 캐뉼러의 말단 개구의 중심을 겨냥하는 반면 조명 어셈블리 출력은 캐뉼러튜브의 원주 근처에 유지된다.
조명 어셈블리와 캐뉼러는, 조명 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러루멘 안으로나, 루멘 위의 공간으로 최소침습해, 외과의가 수술도구를 캐뉼라에 통과시키는 동안 조명 어셈블리가 캐뉼라튜브의 근단부에 위치해 캐뉼러 말단부의 수술부위를 조명하고 카메라의 최말단 광학면은 캐뉼러루멘 안이나 위의 공간으로의 최소침습하도록 구성되어, 카메라가 캐뉼러 근단부 위에 있는 동안 외과의가 캐뉼러에 수술도구를 통과시킬 수 있다. 출력 빔이 좁은 조명 어셈블리의 이점은 카메라와 하나 이상의 조명 어셈블리가 캐뉼러 단부에 있으면서도 외과용 튜브를 캐뉼라에 통과시켜, 근단부에 배치된 카메라가 없는 하나 이상의 조명 어셈블리로 캐뉼러 시스템을 구성하여, 다른 곳에 제공된 카메라나 현미경과 함께 사용되면서 캐뉼러내의 눈부심을 최소로 한 조명을 할 수 있는데 있다.

Claims (19)

  1. 수술부위에 접근하기 위한 캐뉼러 시스템에 있어서:
    근단부, 말단부, 및 근단부에서 말단부까지 뻗는 루멘(9)을 갖는 캐뉼러튜브(6)를 포함하는 캐뉼러; 및
    캐뉼러튜브의 근단부에 고정되고, 광원(12)과 포커싱 렌즈(16)를 포함하며, 상기 광원은 제1 빔축과 제1 빔 각도(α)를 갖고, 상기 제1 빔축은 포커싱 렌즈(16)의 광축(11)과 정렬되는 조명 어셈블리(10);를 포함하고,
    상기 조명 어셈블리(10)가 출력 빔 각도(β)와 출력 빔축을 가지며, 상기 출력 빔축은 캐뉼러튜브의 말단부를 향하고, 상기 출력 빔 각도(β)가 제1 빔 각도(α)보다 작은 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 캐뉼라 튜브의 근단부에 카메라 어셈블리(5)가 고정되고, 카메라 어셈블리의 일부가 루멘에 걸쳐있으면서 캐뉼러튜브의 루멘이나 캐뉼라튜브의 루멘으로 형성된 원통형 공간 안으로 뻗는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조명 어셈블리가 광원 반대쪽의 포커싱 렌즈 측면에 배치된 프리즘(14)을 더 포함하고, 포커싱 렌즈의 광축이 프리즘과 정렬되며, 상기 출력 빔축이 프리즘의 뷰잉 축에 대응하고 포커싱 렌즈의 광축에 기울어진 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 조명 어셈블리가 광원 반대쪽의 포커싱 렌즈 측면에 배치된 프리즘(14)을 더 포함하고, 포커싱 렌즈의 광축이 프리즘과 정렬되며, 상기 출력 빔축이 프리즘의 뷰잉 축에 대응하고 포커싱 렌즈의 광축에 기울어진 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  5. 제1항에 있어서,상기 출력 빔 각도가 20°이하, 바람직하게는 5°이하인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 출력 빔 각도가 20°이하, 바람직하게는 5°이하인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 출력 빔 각도가 20°이하, 바람직하게는 5°이하인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 출력 빔 각도가 20°이하, 바람직하게는 5°이하인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 조명 어셈블리의 출력 빔축이 포커싱 렌즈의 광축에 대응하고 캐뉼러튜브의 말단부를 향하는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  10. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 카메라 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  11. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 조명 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  12. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 카메라 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부에 배치되고; 상기 조명 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  13. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 카메라 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부의 근위부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  14. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 조명 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부의 근위부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  15. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 카메라 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부의 근위부에 배치되고; 상기 조명 어셈블리의 최말단 광학면이 캐뉼러튜브의 근단부의 근위부에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  16. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 포커싱 렌즈가 GRIN 렌즈인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  17. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 포커싱 렌즈가 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  18. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 조명 어셈블리가 프리즘을 더 포함하고, 포커싱 렌즈의 광축이 프리즘과 교차하도록 배치되며, 프리즘이 포커싱 렌즈의 빛을 캐뉼러튜브의 루멘 안쪽으로 반사하는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
  19. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 조명 어셈블리가 프리즘을 더 포함하고, 포커싱 렌즈의 광축이 캐뉼러튜브의 장축에 직각이며, 프리즘이 포커싱 렌즈의 빛을 루멘 안쪽으로 반사하는 것을 특징으로 하는 캐뉼러 시스템.
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