KR20220070226A - 로봇 매니퓰레이터들을 안내하기 위한 수술 시스템 및 방법 - Google Patents

로봇 매니퓰레이터들을 안내하기 위한 수술 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20220070226A
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KR
South Korea
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tool
mode
manipulator
freedom
controller
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KR1020227011215A
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리샤브 쿠라나
데이비드 진 볼링
매튜 톰슨
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마코 서지컬 코포레이션
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Abstract

수술 시스템은 표적 부위와 체결하기 위한 툴, 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터, 및 툴, 매니퓰레이터, 표적 부위 또는 그 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하도록 구성된 감지 시스템을 포함한다. 컨트롤러는 매니퓰레이터와 감지 시스템에 결합되고, 제1 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다. 컨트롤러는 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드에서 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경한다.

Description

로봇 매니퓰레이터들을 안내하기 위한 수술 시스템 및 방법
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원에서는 2019년 10월 1일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/908,915호의 우선권 및 모든 이점들을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
로봇 매니퓰레이터들은 의료 전문가들이 다양한 종래의 수술 과정들을 수행하는 것을 돕는 데 자주 사용된다. 이를 위해, 외과의사는 수술 중에 다양한 툴, 컴포넌트, 보철 등을 안내, 위치, 이동, 작동 또는 아니면 조작하기 위해 수술 로봇 또는 다른 유형의 매니퓰레이터를 사용할 수 있다.
수술 로봇들은 여러 다른 유형의 수술 절차들을 수행하는 것을 돕는 데 사용될 수 있으며, 환자의 이동성을 향상시키고 통증을 감소시키는 것을 돕기 위해 퇴화된 관절의 교정, 절제 또는 교체를 포함하는 절차들에 일반적으로 사용된다. 예시적인 예로서, 고관절 교체 절차에서, 외과의사는 환자의 고관절 부분을 인공 보철 컴포넌트들로 교체한다. 이를 위해, 전체 고관절 관절성형술에서, 외과의는 전형적으로 머리를 포함하는 인공 대퇴부 컴포넌트를 수용하기 위해 환자의 대퇴골의 부분들을 제거하고, 인공 대퇴부 컴포넌트의 머리를 수용하기 위해 형상화된 인공 컵을 설치하는 것을 용이하게 하기 위해 리머(reamer)로 골반의 관골구(acetabulum)를 다시 표면화한다.
수행되는 특정 절차에 따라, 수술 로봇은 외과의가 수술 부위에 접근하도록 돕고, 조인트들 및/또는 뼈의 부분들을 제거하고, 인공 컴포넌트 등을 설치하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 인공 컵을 골반의 관골구 내로 설치하기 위해, 외과의는 컵을 임팩터에 연결하여 (예를 들어, 말렛(mallet)으로) 임팩터를 두드려 힘을 가함으로써 컵을 준비된 관골부 내로 이식한다. 컵 설치를 용이하게 하기 위해, 수술 로봇은 임팩터가 관골구에 대해 정렬된 상태를 유지하는 것을 돕고, 의사는 컵의 적절한 정렬을 보장하기 위해 충돌 동안 컵의 궤적 및 깊이를 면밀히 모니터링한다. 여기서, 관골구를 리밍하거나 절제하는 것은 일반적으로 컵의 의도된 위치를 정의하며, 이는 다시 충돌 궤적을 정의하며, 이는 네비게이션 시스템을 통해 추적되는 골반에 고정된 트랙커(tracker)를 통해 모니터링될 수 있다.
인공 컴포넌트, 충돌 툴, 및 수술 로봇의 구성에 따라, 설정된 궤적을 유지하는 것은 특정 접근법 및 수술 기술에서는 어려울 수 있고, 이에 의해 컵 또는 다른 인공 컴포넌트들의 오정렬은 종종 부적절한 정렬 및/또는 충격력의 인가로부터 발생한다. 또한, 컵을 리밍된 관골구 내로 이식함에 따라, 환자의 신체는 임팩터 및 수술 로봇에 하나 이상의 자유도로 효과적으로 물리적으로 부착된다. 여기서, 수술 로봇은 전형적으로 골반에 고정된 트랙커를 기초로 하여 궤적에 대한 임팩터의 이동을 제한하기 때문에, 컵과 궤적 사이의 충돌 동안 발생할 수 있는 오정렬은 때때로 임팩터 툴을 궤적과 다시 정렬시키려고 시도하는 수술 로봇에 의해 임팩터와 골반이 동시에 이동되는 "폭주(runaway)" 상태로 이어질 수 있다. 수술 로봇과 골반 사이의 물리적 연결 때문에, 이러한 유형의 "폭주" 상태는 환자의 바람직하지 않은 움직임 및/또는 이식된 또는 부분적으로 이식된 컵의 탈좌를 초래할 수 있다.
유사한 "폭주" 상태는 수술 로봇에 의해 안내되는 상이한 유형의 툴을 사용하는 다른 수술 절차 동안 발생할 수 있다. 비제한적인 예로서, 동력식 수술 장치를 포함하는 툴이 수술 부위에서 조직을 제거하도록 구성된 에너지 어플리케이터를 구동하는데 사용될 수 있다. 여기서, 특정 조건 하에서, 에너지 어플리케이터는 조직에 대한 에너지 어플리케이터 사이에 록업(lockup) 조건을 효과적으로 생성하는 방식으로 조직과 체결될 수 있다. 예를 들어, 드릴 비트(drill bit)를 구동하는 회전식 기구 또는 버(bur)는 척추의 척추골(vertebra)의 척추경(pedicle)에 파일럿 홀을 형성하는 동안 오정렬되고 뼈에 박힐 수 있다. 여기서도, "폭주" 상태는 뼈와 같은 조직에 대해 에너지 어플리케이터 및/또는 환자의 바람직하지 않은 움직임을 초래할 수 있다.
따라서, 이러한 결점들 중 하나 이상을 해결할 필요가 본 기술분야에 남아 있다.
이 개요는 하기의 상세한 설명에서 하기에 추가로 설명되는 단순화된 형태의 개념들의 선택을 소개한다. 이 개요는 청구된 주제의 범위를 제한하려는 것이 아니며, 청구된 주제의 각각의 모든 핵심 특징 또는 필수적인 특징을 반드시 식별하지 않는다.
제1 양태에 따르면, 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 툴, 매니퓰레이터, 표적 부위 또는 그 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하도록 구성된 감지 시스템; 및 매니퓰레이터와 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는, 제1 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공되며, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드로부터 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 더 구성된다.
제2 양태에 따르면, 제1 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제3 양태에 따르면, 궤적을 따라 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서; 및 매니퓰레이터와 적어도 하나의 센서에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공되며, 상기 컨트롤러는 힘이 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드로부터 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경시키도록 더 구성된다.
제4 양태에 따르면, 제3 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제5 양태에 따르면, 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 표적 부위에 대한 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커; 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및 매니퓰레이터와 네비게이션 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는, 제1 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공되며, 상기 컨트롤러는 네비게이션 시스템으로부터 수신된 추적된 상태들에 기초하여 툴의 추적된 이동을 환자 트랙커의 이동과 비교하도록 더 구성되며; 상기 컨트롤러는 툴의 추적된 이동이 환자 트랙커의 이동에 대응된다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드로부터 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 더 구성된다.
제6 양태에 따르면, 제5 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제7 양태에 따르면, 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 갖는 임팩터 어셈블리, 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드, 궤적에 따라 표적 부위에 대한 가이드를 지지하도록 구성된 매니퓰레이터, 적어도 하나의 센서, 및 매니퓰레이터와 적어도 하나의 센서에 결합되고, 제1 제약 기준에 따라 궤적에 대한 가이드의 정렬을 유지하도록 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키는 단계; 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 궤적에 대한 가이드의 정렬을 유지하도록 제2 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키는 단계; 적어도 하나의 센서로부터의 측정치들에 기초하여 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 검출하는 단계; 및 힘이 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하고 이에 응답하여 제1 모드로부터 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경하는 단계를 수행하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제7 양태에 따르면, 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 툴, 매니퓰레이터, 표적 부위 또는 그 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하도록 구성된 감지 시스템; 및 매니퓰레이터와 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는 제1 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키고; 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하는 것에 응답하여, 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공된다.
제8 양태에 따르면, 제7 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제9 양태에 따르면, 궤적을 따라 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서; 및 매니퓰레이터와 적어도 하나의 센서에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키고; 힘을 나타내는 획득된 측정치들을 평가하고; 평가에 응답하여, 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공된다.
제10 양태에 따르면, 제9 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제11 양태에 따르면, 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 표적 부위에 대해 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커; 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및 매니퓰레이터와 네비게이션 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는, 제1 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키고; 네비게이션 시스템으로부터 수신된 환자 트랙커의 추적된 상태들에 기초하여 환자 트랙커의 이동에 대한 툴의 추적된 이동을 평가하고; 평가에 응답하여, 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하도록 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공된다.
제12 양태에 따르면, 제11 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
제13 양태에 따르면, 표적 부위와 체결하기 위한 툴; 표적 부위에 대한 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터; 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커; 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및 매니퓰레이터와 네비게이션 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는, 제1 제약 기준에 따라 표적 기준과 연관된 가상 경계에 대한 툴의 이동을 제한하도록 매니퓰레이터를 동작시키고; 네비게이션 시스템으로부터 수신된 환자 트랙커의 추적된 상태들에 기초하여 환자 트랙커의 이동에 대한 툴의 추적된 이동을 평가하고; 비교에 응답하여, 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 가상 경계에 대한 툴의 이동을 제한하도록 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된, 상기 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공된다.
제14 양태에 따르면, 제13 양태의 수술 시스템의 동작 방법이 제공된다.
상기 양태들 중 어느 하나는 부분적으로 또는 전체적으로 조합될 수 있다. 또한, 상기 양태들 중 어느 하나는 다음의 구현들 중 어느 하나로 구현될 수 있다:
일 구현에서, 제1 제약 기준은 툴의 이동이 표적 부위에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 툴의 이동이 표적 부위에 대해 제한되는 제2 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도와 다르다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서; 및 제2 개수의 자유도에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제2 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제1 모드에서보다 제2 모드에서 적어도 하나의 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 제2 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 적어도 하나의 공통 자유도를 포함한다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 제2 제약 기준은 제1 탄성 파라미터와 상이한 제2 탄성 파라미터를 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서; 및 제2 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제1 모드에서보다 제2 모드에서 표적 부위에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다. 일 구현에서, 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터는 공통 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 탄성적 이동과 각각 연관된다.
일 구현에서, 툴은 툴 중심점을 정의한다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 툴 중심점을 표적 부위로부터 멀리 이동시키는 것을 제한하기 위해 상기 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제2 제약 기준에 따라 툴 중심점을 표적 부위로부터 멀리 이동시키는 것을 허용하기 위해 제2 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 모드 표시기는 컨트롤러에 결합된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 제1 모드에서 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작 변화를 사용자에게 전달하기 위한 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 모드 표시기를 활성화시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 이동을 허용하기 위해 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제2 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 이동을 허용하기 위해 제2 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준 둘 다와 다른 제3 제약 기준에 따라 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다. 일 구현에서, 미리 결정된 조건은 제1 미리 결정된 조건으로 더 정의된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 제1 미리 결정된 조건과 다른 제2 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터의 동작을 제2 모드에서 제3 모드로 변경하도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 툴의 이동이 표적 부위에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 툴의 이동이 표적 부위에 대해 제한되는 제2 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제3 제약 기준은 툴의 이동이 표적 부위에 대해 제한되는 제3 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제3 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도 및 제2 개수의 자유도 중 하나 이상과 다르며; 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드에서; 제2 개수의 자유도에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드에서; 및 제3 개수의 자유도에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 더 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 더 포함한다. 일 구현에서, 제3 제약 기준은 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 더 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하고 또한 제1 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드에서; 제2 개수의 자유도에 기초하고 또한 제2 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드에서; 및 제3 개수의 자유도에 기초하고 또한 제3 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제3 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제1 모드에서보다 제2 모드에서 적어도 하나의 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다. 일 구현에서, 제3 개수의 자유도는 제2 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제2 모드에서보다 제3 모드에서 적어도 하나의 자유도로 표적 부위에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준, 제2 제약 기준 및 제3 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제1 모드에서보다 제2 모드에서 표적 부위에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제3 모드에서보다 제2 모드에서 표적 부위에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 포함하고, 제3 제약 기준은 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 포함하며; 컨트롤러는, 제1 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드에서; 제2 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드에서; 제3 탄성 파라미터에 기초하여 표적 부위에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 감지 시스템은 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하며; 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 컨트롤러가 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 힘이 제1 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드에서 제2 모드로, 및 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 힘이 제2 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제2 모드에서 제3 모드로, 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성된다. 일 구현에서, 제1 미리 결정된 조건은 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 제1 힘에 의해 정의되고, 제2 미리 결정된 조건은 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 제2 힘에 의해 정의되며, 제2 힘은 제1 힘보다 크다.
일 구현에서, 환자 트랙커는 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된다. 일 구현에서, 감지 시스템은 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템을 포함한다. 일 구현에서, 환자 트랙커의 추적된 상태들은 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 컨트롤러가 환자 트랙커의 추적된 상태들이 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드에서 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 네비게이션 시스템으로부터 수신된 추적된 상태들에 기초하여 툴의 추적된 이동을 환자 트랙커의 이동과 비교하도록 더 구성된다. 일 구현에서, 툴의 추적된 이동은 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의한다. 일 구현에서, 미리 결정된 조건은 환자 트랙커의 추적된 상태들에 대응하는 툴의 추적된 이동에 기초하여 정의된다.
일 구현에서, 감지 시스템은 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함한다. 일 구현에서, 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 컨트롤러가 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 힘이 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 제1 모드에서 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 미리 결정된 조건을 향해 증가함에 따라 증가하는 탄력성과 함께 표적 부위에 대한 툴의 이동에 저항하도록 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다. 일 구현에서, 툴은 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드를 포함하고 가이드에 대한 임팩터 어셈블리의 제한된 이동을 허용하며, 임팩터 어셈블리는 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 갖는다. 일 구현에서, 매니퓰레이터는 임팩터 어셈블리가 가이드의 채널 내에 수용되는 동안 그리고 보철이 임팩터 어셈블리에 고정되는 동안 표적 부위에 대한 궤적을 따라 가이드를 지지하도록 구성된다. 일 구현에서, 표적 부위는 관골구 컵으로 더 정의된다. 일 구현에서, 적어도 하나의 센서는 관골구 컵 내에 보철을 설치하도록 임팩터 어셈블리 상에 가해진 힘의 결과로서 발생하는 힘을 검출하도록 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 검출된 힘에 기초하여 관골구 컵에 가해지는 토크를 추론하도록 더 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 관골구 컵에 가해진 추론된 토크가 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터의 동작을 제1 모드로부터 제2 모드로 변경하도록 더 구성된다.
일 구현에서, 적어도 하나의 센서는 힘 토크 트랜스듀서; 조인트 액추에이터 전류 센서; 조인트 힘 센서; 조인트 토크 센서; 및 조인트 인코더 중 하나 이상으로 더 정의된다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 툴의 이동이 궤적에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 툴의 이동이 궤적에 대해 제한되는 제2 개수의 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도와 다르다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서; 및 제2 개수의 자유도에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제2 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제1 모드에서보다 제2 모드에서 적어도 하나의 자유도로 궤적에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 제2 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 적어도 하나의 공통 자유도를 포함한다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 제2 제약 기준은 제1 탄성 파라미터와 상이한 제2 탄성 파라미터를 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서; 및 제2 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제1 모드에서보다 제2 모드에서 궤적에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다. 일 구현에서, 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터는 공통 자유도로 궤적에 대한 툴의 탄성적 이동과 각각 연관된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 적어도 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 미리 결정된 조건을 향해 증가함에 따라 증가하는 탄력성과 함께 궤적에 대한 툴의 이동에 저항하도록 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 툴은 툴 중심점을 정의하고, 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 툴 중심점을 궤적으로부터 멀리 이동시키는 것을 제한하기 위해 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제2 제약 기준에 따라 툴 중심점을 궤적으로부터 멀리 이동시키는 것을 허용하기 위해 제2 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 모드 표시기는 컨트롤러에 결합되고, 컨트롤러는 적어도 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 제1 모드에서 제2 모드로 매니퓰레이터의 동작 변화를 사용자에게 전달하기 위한 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 모드 표시기를 활성화시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제1 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 궤적에 대한 툴의 이동을 허용하기 위해 제1 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제2 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 궤적에 대한 툴의 이동을 허용하기 위해 제2 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준 둘 다와 다른 제3 제약 기준에 따라 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다. 일 구현에서, 미리 결정된 조건은 제1 미리 결정된 조건으로 더 정의된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 제1 미리 결정된 조건과 다른 제2 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터의 동작을 제2 모드에서 제3 모드로 변경하도록 더 구성된다. 일 구현에서, 제1 미리 결정된 조건은 적어도 하나의 센서로부터 획득된 측정치들에 의해 검출된 제1 힘에 의해 정의되고, 제2 미리 결정된 조건은 적어도 하나의 센서로부터 획득된 측정치들에 의해 검출된 제2 힘에 의해 정의되며, 제2 힘은 제1 힘보다 크다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 툴의 이동이 궤적에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함하고, 제2 제약 기준은 툴의 이동이 궤적에 대해 제한되는 제2 개수의 자유도를 포함하고, 제3 제약 기준은 툴의 이동이 궤적에 대해 제한되는 제3 개수의 자유도를 포함하며, 제3 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도 및 제2 개수의 자유도 중 하나 이상과 다르며; 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드에서; 제2 개수의 자유도에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드에서; 및 제3 개수의 자유도에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 포함하고, 제3 제약 기준은 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 포함하며; 컨트롤러는, 제1 개수의 자유도에 기초하고 또한 제1 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드에서; 제2 개수의 자유도에 기초하고 또한 제2 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드에서; 및 제3 개수의 자유도에 기초하고 또한 제3 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 제3 개수의 자유도는 제1 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제1 모드에서보다 제3 모드에서 적어도 하나의 자유도로 궤적에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다. 일 구현에서, 제3 개수의 자유도는 제2 개수의 자유도보다 작아서 컨트롤러가 제2 모드에서보다 제3 모드에서 적어도 하나의 자유도로 궤적에 대한 툴의 이동을 허용하도록 한다.
일 구현에서, 제1 제약 기준 및 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준, 제2 제약 기준 및 제3 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제1 제약 기준은 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 제2 제약 기준은 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제1 모드에서보다 제2 모드에서 궤적에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다. 일 구현에서, 컨트롤러는 제3 모드에서보다 제2 모드에서 궤적에 대한 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용한다.
일 구현에서, 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 포함하고, 제3 제약 기준은 제1 탄성 파라미터 및 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 포함한다. 일 구현에서, 컨트롤러는, 제1 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서; 제2 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서; 및 제3 탄성 파라미터에 기초하여 궤적에 대한 툴의 정렬을 유지하기 위한 제3 모드에서, 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성된다.
일 구현에서, 환자 트랙커는 표적 부위 및 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템에 대한 부착을 위해 적응되며; 컨트롤러는 내비게이션 시스템에 결합되고 내비게이션 시스템으로부터 수신된 환자 트랙커의 추적된 상태들에 기초하여 궤적을 정의하도록 더 구성된다.
일 구현에서, 툴은 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드를 포함하고 가이드에 대한 임팩터 어셈블리의 제한된 이동을 허용하며, 임팩터 어셈블리는 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 갖는다. 일 구현에서, 매니퓰레이터는 표적 부위에 대해 가이드를 지지하도록 구성된다.
일 구현에서, 매니퓰레이터는 임팩터 어셈블리가 가이드의 채널 내에 수용되는 동안 그리고 보철이 임팩터 어셈블리에 고정되는 동안 표적 부위에 대해 가이드를 지지하도록 구성되며, 표적 부위는 관골구 컵으로 더 정의된다. 일 구현에서, 적어도 하나의 센서는 관골구 컵 내에 보철을 설치하도록 임팩터 어셈블리 상에 가해진 힘의 결과로서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 검출된 힘에 기초하여 관골구 컵에 가해지는 토크를 추론하도록 더 구성된다. 일 구현에서, 컨트롤러는 관골구 컵에 가해진 추론된 토크가 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터의 동작을 제1 모드로부터 제2 모드로 변경하도록 더 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 감지 시스템으로부터 검출된 시스템 조건에 기초하여 제2 제약 기준의 파라미터들을 검출하도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 힘을 나타내는 획득된 측정치들에 기초하여 제2 제약 기준의 파라미터들을 결정하도록 구성된다.
일 구현에서, 컨트롤러는 평가된 추적된 이동에 기초하여 제2 제약 기준의 파라미터들을 결정하도록 구성된다.
상기 구현들 중 어느 하나가 상기 설명된 양태들 중 어느 하나에 대해 이용될 수 있다. 상기 구현들 중 어느 하나가 상기 설명된 임의의 하나 이상의 양태들에 대해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다.
본 개시의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 취해진 후속 설명을 판독한 후에, 동일한 것이 더 잘 이해되기 때문에 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 매니퓰레이터, 네비게이션 시스템, 및 표적 부위와 체결하기 위한 툴들을 포함하는 수술 시스템의 사시도로서, 도시된 툴들 중 하나는 에너지 어플리케이터를 구동하기 위한 동력식 수술 장치를 갖고, 도시된 툴들 중 다른 하나는 보철에 결합되고 매니퓰레이터에 부착된 가이드에 의해 궤적을 따라 지지되는 임팩터 어셈블리를 갖는다.
도 2는 도 1의 수술 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어 시스템의 소프트웨어 프로그램의 기능 블록도이다.
도 4는 도 3의 소프트웨어 프로그램의 경계 발생기의 출력을 나타내는 관골구로 구현된 표적 부위의 예시도이다.
도 5는 도 3의 소프트웨어 프로그램의 경로 생성기의 출력을 도시한 도 4의 표적 부위의 예시도이다.
도 6은 수술 시스템의 가상 제약들을 도시하는, 도 1의 표적 부위와 툴들 중 하나의 예시도이다.
도 7은 도 2의 제어 시스템에 의해 동작 가능한 모듈들의 블록도이다.
도 8은 도 2의 제어 시스템의 샘플 제약 방정식을 도시한다.
도 9는 도 2의 제어 시스템으로 가상 시뮬레이션을 수행하기 위한 샘플 정동 역학 알고리즘을 도시한다.
도 10은 도 9의 정동 역학 알고리즘을 구현하기 위한 예시적인 단계 세트를 도시한다.
도 11은 제약들을 해결하고, 정동 역학을 수행하고, 명령된 포즈를 결정하도록 도 2의 제어 시스템에 의해 수행되는 예시적인 단계 세트를 도시한다.
도 12는 표적 부위의 궤적과 정렬된 축을 따라 에너지 어플리케이터를 지지하는 것으로 도시되고, 에너지 어플리케이터가 표적 부위로부터 이격된 것으로 도시된, 도 1의 툴의 예시적인 개략도이다.
도 13a는 에너지 어플리케이터가 궤적을 따라 표적 부위와 체결하는 것으로 도시된, 도 12의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 13b는 에너지 어플리케이터가 궤적을 따라 전진하고 표적 부위 내로 더 깊이 체결하는 것으로 도시된, 도 13a의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 14a는 에너지 어플리케이터가 표적 부위와 체결하는 동안 축을 중심으로의 회전에 대한 저항에 직면하는 것으로 도시된, 도 13b의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 14b는 에너지 어플리케이터가 도 14a에 예시된 회전에 대한 저항에 응답하여 궤적에 대해 오정렬된 표적 부위와 체결하고, 툴 및 에너지 어플리케이터가 폭주 조건을 예시하기 위해 궤적에 대해 과장된 오정렬로 배열된 것으로 도시된, 도 14a의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 14c는, 도 1의 매니퓰레이터가 툴을 표적 부위에 의해 정의된 궤적과 정렬시키려고 시도할 때, 폭주 조건을 예시하기 위해, 툴이 에너지 어플리케이터 및 표적 부위와 함께 지지 표면으로부터 멀리 이동하는 것으로 도시된, 도 14b의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 14d는, 도 1의 매니퓰레이터가 툴을 표적 부위에 의해 정의된 궤적과 정렬시키려고 계속 시도할 때, 폭주 조건을 예시하기 위해 툴이 에너지 어플리케이터 및 표적 부위와 함께 지지 표면으로부터 더 멀리 이동되는 것으로 도시된, 도 14c의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 15는 트랙커를 통해 내비게이션 시스템에 의해 모니터링되는 표적 부위에 의해 정의되는 궤적으로부터 이격된 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리 및 가이드를 포함하는 툴을 도시하는, 도 1의 수술 시스템의 부분들의 부분 사시도이다.
도 16a는 인터페이스와 플랜지에서 연장되는 샤프트가 플랜지와 헤드 사이에서 연장되는 핸들에 인접하여 배열된, 보철로부터 이격된 인터페이스를 갖는 것으로 도시된 도 15의 임팩터 어셈블리의 사시도이다.
도 16b는 도 16a의 임팩터 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 17a는 도 15의 가이드의 사시도이다.
도 17b는 채널을 정의하는 본체를 포함하는 것으로 도시된, 도 17a의 가이드의 부분 분해 사시도이다.
도 18은 가이드가 표적 부위의 궤적과 정렬된 가이드 축을 정의하는 것으로 도시되고, 임팩터 어셈블리가 보철에 부착되고 표적 부위 및 가이드 둘 다로부터 이격된 것으로 도시된, 도 15 내지 17b의 보철 및 툴의 예시적인 개략도이다.
도 19a는 보철 및 임팩터 어셈블리가 표적 부위에 인접하게 위치되고, 임팩터 어셈블리의 플랜지가 가이드의 채널에 지지되며, 인가된 힘이 가이드에 작용하는 것으로 도시된, 도 18의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 19b는 도 19a에 예시된 인가된 힘에 응답하여 툴 및 보철이 궤적 및 표적 부위에 대해 이동된 것으로 도시된, 도 19a의 틀, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 20a는, 보철 및 임팩터 어셈블리가 표적 부위에 인접하여 위치되고, 임팩터 어셈블리의 플랜지가 가이드의 채널에 지지되며, 인가된 힘이 실질적으로 궤적을 따라 임팩터 어셈블리의 헤드에 작용하는 것으로 도시된, 도 18의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 20b는 도 20a에 예시된 인가된 힘에 응답하여 보철이 궤적을 따라 표적 부위에 이식된 것으로 도시된, 도 20a의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 21a는, 보철 및 임팩터 어셈블리가 표적 부위에 인접하여 위치되고, 임팩터 어셈블리의 플랜지가 가이드의 채널에 지지되며, 인가된 힘이 궤적을 가로지르는 임팩터 어셈블리의 헤드에 작용하는 것으로 도시된, 도 18의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 21b는 도 20a에 예시된 인가된 힘에 응답하여 보철이 궤적에 대해 오정렬된 표적 부위에 이식되고, 툴 및 보철이 폭주 조건을 예시하기 위해 궤적에 대한 과장된 오정렬로 배열된 것으로 도시된, 도 21a의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 21c는, 도 1의 매니퓰레이터가 툴을 표적 부위에 의해 정의된 궤적과 정렬시키려고 시도할 때, 폭주 조건을 예시하기 위해, 툴이 이식된 보철 및 표적 부위와 함께 지지 표면으로부터 멀리 이동하는 것으로 도시된, 도 21b의 툴, 보철 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 21d는, 도 1의 매니퓰레이터가 툴을 표적 부위에 의해 정의된 궤적과 정렬시키려고 계속 시도할 때, 폭주 조건을 예시하기 위해 툴이 이식된 보철 및 표적 부위와 함께 지지 표면으로부터 더 멀리 이동되는 것으로 도시된, 도 21c의 툴, 에너지 어플리케이터 및 표적 부위의 또 다른 예시적인 개략도이다.
도 22a는, 보철이 표적 부위에 배열되고 매니퓰레이터에 결합된 가이드로부터 이격된 것으로 도시된, 도 15 내지 17b의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 22b는 매니퓰레이터에 결합된 가이드가 가이드의 채널 내에 배열된 임팩터 어셈블리의 샤프트와 궤적을 향해 이동되는 것으로 도시된, 도 22a의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 22c는 매니퓰레이터에 결합된 가이드가 가이드의 채널과 체결되는 임팩터 어셈블리의 플랜지를 궤적을 따라 이동되는 것으로 도시된, 도 22b의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리, 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 23은, 매니퓰레이터에 결합된 가이드가 팬텀으로 도시된 이전의 배열로부터 하나의 회전 자유도로 궤적을 중심으로 이동하는 것으로 도시된, 도 22c의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리, 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 24a는 매니퓰레이터에 결합된 가이드가 가이드의 채널과 체결하여 배열되고, 인가된 힘이 궤적을 가로질러 임팩터 어셈블리의 헤드에 작용하는 것으로 도시된, 도 22b의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리, 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 24b는 도 24a에 예시된 인가된 힘에 응답하여 보철이 표적 부위에 부분적으로 이식되고 궤적에 대해 오정렬되고, 툴 및 보철이 궤적에 대해 그리고 팬텀으로 도시된 이전 배열에 대해 과장된 오정렬로 배열된 것으로 도시된, 도 24a의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리, 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 24c는 도 24a에 예시된 인가된 힘에 응답하여 보철이 표적 부위에 부분적으로 이식되고 궤적에 대해 오정렬되고, 툴 및 보철이 궤적에 대한 더 과장된 오정렬로 배열된 것으로 도시된, 도 24b의 가이드, 보철을 지지하는 임팩터 어셈블리, 및 표적 부위의 또 다른 부분 사시도이다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 도 1의 감지 시스템, 컨트롤러 및 매니퓰레이터 간의 상호 작용을 도시하는 블록도이다.
도 26은 가상 경계와 표적 부위 뼈 사이에 버(bur)가 갇힌 결과 발생하는 폭주 조건을 예시한다.
도면들 전반에 걸쳐 도시된 실시예들 중 임의의 하나 이상은 특정 컴포넌트들, 구조적 특징들, 및/또는 어셈블리들이 제거되고, 개략적으로 도시되고, 및/또는 예시 목적들을 위해 팬텀으로 도시될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 툴(104)을 지지하는 로봇 매니퓰레이터(102)를 포함하는 수술 시스템(100)이 도시된다. 수술 시스템(100)은 뼈 또는 연조직과 같은 환자(P)의 신체(B)의 해부학적 부피 또는 표적 부위(TS)를 치료하는데 유용하다. 이를 위해, 매니퓰레이터(102)는 일반적으로 베이스(106), 로봇 암(108), 및 커플링(110)을 포함한다. 로봇 암(108)은 베이스(106)에 의해 지지되고, 사용 중에 베이스(106)에 대한 커플링(110)의 위치 및/또는 방향을 이동, 유지 또는 아니면 제어하도록 구성된다. 커플링(110)은 다양한 유형의 수술 절차들과 관련하여 사용되는 기구(112)를 일반적으로 지지하거나 아니면 포함하는 하나 이상의 유형의 툴(104)을 해제 가능하게 고정하도록 적응된다. 일부 실시예들에서, 기구(112)는 에너지 어플리케이터를 지지, 구동, 회전, 발진, 진동시키고/시키거나 아니면 표적 부위(TS)에서 또는 그에 인접하여 치료를 실시하는 데 사용되는 에너지 어플리케이터(114)(예를 들어, 드릴 비트(drill bits), 탭(taps), 버(burs), 블레이드(blades), 톱(saws), 리머(reamers) 등)로 에너지를 보내도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기구(112)는 예컨대 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)을 따라, 표적 부위(TS)에서 또는 그에 대해 이식가능한 컴포넌트들(116)(예를 들어, 컵, 줄기, 나사, 핀, 로드(rod), 와이어, 앵커(anchor), 보철 등)을 지지, 위치, 정렬 및/또는 안내하도록 구성될 수 있다.
도 1에서, 환자 (P)는 표적 부위(TS)가 환자의 고관절 및 대퇴골의 일부들을 포함하거나 아니면 이에 의해 정의되는 예시적인 수술 절차를 겪고 있다. 그러나, 제한 없이, 일부 또는 전체 무릎 또는 고관절 교체 수술, 어깨 교체 수술, 척추 수술, 발목 수술 등을 포함하는 수술 절차들을 포함하는 다양한 유형의 수술 절차들이 본 개시에 의해 고려된다. 수술 절차는 조직 제거 또는 다른 형태의 치료(예를 들어, 절단, 드릴링, 리밍(reaming), 응고(coagulating), 병변화(lesioning), 다른 인-시츄(in-situ) 조직 치료 등)를 수반할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수술 시스템(100)은 단구획(unicompartmental), 양구획(bicompartmental), 다중구획(multicompartmental), 또는 전체 슬관절 임플란트를 포함하는, 고관절 및 슬관절 임플란트와 같은, 이식가능한 컴포넌트들(116)("임플란트"라고도 함)에 의해 교체될 재료를 절단하는 것을 용이하게 하도록 설계될 수 있다. 일부 유형의 이식가능한 컴포넌트들(116)은 "Prosthetic Implant and Method of Implantation"이라는 명칭의 미국 특허 제9,381,085호에 나타나 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 그러나, 이하의 후속 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 다른 구성들이 고려되고, 수술 시스템(100)은 다수의 상이한 수술 절차들과 관련하여 이용될 수 있으며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 매니퓰레이터(102), 툴(104), 기구(112), 에너지 어플리케이터(114) 및/또는 이식가능한 컴포넌트(116)의 다양한 유형들, 스타일들 및 구성들을 사용할 수 있다. 게다가, 본원에 개시된 수술 시스템(100) 및 기술들은 다른 절차들, 수술 또는 비수술(non-surgical)을 수행하는 데 사용될 수 있거나, 또는 로봇 시스템들이 사용되는 산업 애플리케이션들 또는 다른 애플리케이션들에서 사용될 수 있다.
매니퓰레이터(102)("수술 로봇"이라고도 함)는 다른 것들 중에서도 툴(104), 기구(112), 에너지 어플리케이터(114), 및/또는 이식가능한 컴포넌트(116)의 이동 및 포지셔닝에 대한 정확한 제어와 함께 다양한 유형의 수술 절차들을 수행하는 의료 전문가들을 돕기 위해 로봇 암(108)을 통해 표적 부위(TS)에 대해 그리고 베이스(106)에 대해 툴(104)을 이동시킨다. 상기에 언급된 바와 같이, 매니퓰레이터(102)는 일반적으로 베이스(106), 로봇 암(108), 및 커플링(110)을 포함한다. 베이스(106)는 매니퓰레이터 카트(118)에 고정되고 로봇 암(108)을 지지하며, 이는 사용 중에 베이스(106)에 대한 커플링(110)의 위치 및/또는 방향을 이동, 유지 또는 아니면 제어하도록 구성된다. 이를 위해, 도 1에 예시된 로봇 암(108)은 직렬 암 구성으로 배열된 복수의 링크들(links)(120) 및 조인트들(joints)(J)을 포함한다. 그러나, 매니퓰레이터(102)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구성을 사용할 수 있다. 비제한적인 예로서, 매니퓰레이터(102)는 평행 암 구성, 또는 임의의 다른 적절한 구성을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 매니퓰레이터(102)는 다수의 암 구성에 활용될 수 있다. 로봇 암(108)의 한 예시적인 배열은 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 기술되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 로봇 암(108) 및 매니퓰레이터(102)의 다른 부분들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 상이한 구성들로 배열될 수 있다.
도 1에 도시된 예에서, 매니퓰레이터(102)는 조인트들(J)의 위치 데이터를 결정하기 위해 조인트들(J)에 위치된 복수의 조인트 인코더들(122)을 포함한다. 간단하게 하기 위해, 단지 하나의 조인트 인코더(122)가 도 1에 라벨링되어 있지만, 다른 조인트 인코더들(122)이 마찬가지로 예시될 수 있다. 본원에 예시된 대표적인 실시예에서, 로봇 암(108)은 매니퓰레이터(102)에 대해 적어도 6개의 자유도(DOF)를 구현하는 6개의 조인트들(J1, J2, J3, J4, J5, J6)을 갖는다. 그러나, 매니퓰레이터(102)는 임의 적절한 개수의 자유도를 가질 수 있고, 임의의 적절한 개수의 조인트들(J)을 가질 수 있으며, 리던던트(redundant) 조인트들(J)을 가질 수 있다. 매니퓰레이터(102)는 조인트 인코더들(122)을 필요로 하지 않지만 대안으로 또는 추가로 각 조인트(J)에서 모터들 상에 존재하는 모터 인코더들을 이용할 수 있다. 게다가, 매니퓰레이터(102)는 회전식 조인트들을 필요로 하지 않을 수 있지만, 대안으로 또는 추가로, 하나 이상의 각자의 프리즘 조인트들을 이용할 수 있다. 조인트 유형들의 임의의 적합한 조합이 고려된다.
수술 시스템(100)은 다양한 유형의 트랙커들(예를 들어, 다수의 자유도 광학, 관성 및/또는 초음파 감지 장치), 내비게이션 시스템(예를 들어, 기계 비전 시스템, 충전 결합 장치 카메라, 트랙커 센서, 표면 스캐너 및/또는 범위 탐지기), 해부학적 컴퓨터 모델(예를 들어, 환자(P)의 해부학적 구조의 자기 공명 이미징 스캔)과 이전 수술 절차들 및/또는 이전 수행된 수술 기술로부터의 데이터(예를 들어, 수술 절차의 이전 단계 동안 기록된 데이터) 등을 이용함으로써 공통 좌표계 내에서, 매니퓰레이터(102), 로봇 암(108), 툴(104), 기구(112), 에너지 어플리케이터(114) 및/또는 이식가능 컴포넌트(116) 중 하나 이상의 부위들 뿐만 아니라 환자의 신체(B)의 결정하도록 동작한다. 이를 위해, 그리고 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 수술 시스템(100)은 로봇 제어 시스템(126), 네비게이션 시스템(128), 및 매니퓰레이터(102)를 통해 수술 시스템(100)의 다른 부분들과 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)을 포지셔닝, 이동 및/또는 구동시키는 것을 용이하게 하도록 협력하는 툴 제어 시스템(130) 중 하나 이상을 포함하거나 아니면 이들과 통신할 수 있는 제어 시스템(124)("컨트롤러"(124)라고도 함)을 사용한다. 예시적인 제어 방법론들은 "Robotic System and Method for Backdriving the Same"이라는 명칭의 미국 특허 제10,327,849호에 설명되어 있으며, 그의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
베이스(106) 또는 매니퓰레이터(102)의 다른 부분은 일반적으로 매니퓰레이터(102)의 다른 컴포넌트들 및/또는 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트들에 대한 고정된 기준 좌표계를 제공한다. 일반적으로, 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)의 원점은 베이스(106)의 고정 기준에서 정의된다. 베이스(106)는 링크들(120) 중 하나 이상과 같은 매니퓰레이터(102)의 임의의 적절한 부분에 대해 정의될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 베이스(106)는 매니퓰레이터(102)가 카트(118)에 물리적으로 부착되는 곳과 같이 매니퓰레이터 카트(118)에 대해 정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 베이스(106)는 조인트(J1)의 축과 조인트(J2)의 축의 교차점에서 정의된다. 따라서, 조인트들(J1과 J2)이 실제로 움직이는 컴포넌트들이지만, 조인트(J1)와 조인트(J2)의 축들의 교차점은 그럼에도 불구하고 고정된 위치와 방향 기준 둘 다를 제공하고 매니퓰레이터(102) 및/또는 매니퓰레이터 카트(118)에 대해 상대적으로 이동하지 않는 가상 고정 기준 포즈이다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터(102)는 베이스(106)가 베이스 부분에 대해 이동가능한 툴 팁(예를 들어, 엔드 이펙터)과 함께 툴의 베이스 부분(예를 들어, 사용자가 자유롭게 핸드 헬드된 부분)에 의해 정의되도록 핸드-헬드될 수 있다. 이 실시예에서, 베이스 부분은 추적되는 기준 좌표계를 갖고, 툴 팁은 (예를 들어, 모터 및/또는 조인트 인코더 및 전방 운동학적 계산(kinematic calculations)을 통해) 기준 좌표계에 대해 계산되는 툴 팁 좌표계를 갖는다. 경로에 대한 포즈가 결정될 수 있으므로 툴 팁의 움직임은 경로를 따르도록 제어될 수 있다. 이러한 유형의 핸드-헬드 매니퓰레이터(102)의 한 예가 "Surgical Instrument Including Housing, A Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,707,043호에 도시되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 전술한 것은 비제한적인 예시적인 예이며, 다른 구성들이 본 개시에 의해 고려된다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 로봇 제어 시스템(126)은 매니퓰레이터 컨트롤러(132)를 포함하고, 네비게이션 시스템(128)은 네비게이션 컨트롤러(134)를 포함하며, 툴 제어 시스템(130)은 툴 컨트롤러(136)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134) 및 툴 컨트롤러(136)는 일반적으로 서로(예를 들어, 직접적으로 또는 간접적으로) 통신하여 및/또는 예컨대 물리적 전기 연결들(예를 들어, 테더링된 와이어 하네스)을 통해 및/또는 하나 이상의 유형의 무선 통신을 통해(예를 들어, WiFiTM 네트워크, 블루투스®, 무선 네트워크 등을 통해) 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트들과 통신하여 배치된다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 및/또는 툴 컨트롤러(136)는 컴퓨터, 프로세서, 제어 유닛 등의 다양한 배열로서 또는 이와 함께 실현될 수 있고, 개별 컴포넌트들을 포함할 수 있거나 (예를 들어, 공유 하드웨어, 소프트웨어, 입력, 출력 등) 통합될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 및/또는 툴 컨트롤러(136)는 각각 프로세서(138)(예를 들어, 중앙 처리 유닛) 및/또는 다른 프로세서들, 메모리(140), 및/또는 스토리지(도시되지 않음)를 갖는 컴퓨터로서 실현될 수 있고, 일반적으로 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 소프트웨어로 로딩된다. 프로세서들(138)은 매니퓰레이터(102), 네비게이션 시스템(128), 또는 툴(104)의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 프로세서들(138)은 임의의 유형의 마이크로프로세서, 멀티-프로세서, 및/또는 멀티-코어 처리 시스템일 수 있다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 및/또는 툴 컨트롤러(136)는 추가로 또는 대안으로 하나 이상의 마이크로컨트롤러들, 필드 프로그램가능 게이트 어레이들, 칩 상의 시스템들, 이산 회로부, 및/또는 본원에 설명된 기능들을 수행할 수 있는 다른 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. "프로세서"라는 용어는 어떤 실시예도 단일 프로세서로 제한하려는 것이 아니다. 로봇 제어 시스템(126), 내비게이션 시스템(128), 및/또는 툴 제어 시스템(130)은 또한 하나 이상의 출력 장치들(144)(예를 들어, 스크린들, 디스플레이들, 상태 표시기들 등) 및/또는 입력 장치들(146)(예를 들어, 푸시 버튼, 키보드, 마우스, 마이크로폰, 음성 활성화 장치들, 제스처 제어 장치들, 터치 스크린들, 풋 페달들, 펜던트들 등)를 갖는 사용자 인터페이스(142)를 포함하거나, 정의하거나, 또는 아니면 사용할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
위에서 언급된 바와 같이, 하나 이상의 툴들(104)(때때로 "엔드 이펙터들"이라고 함)은 매니퓰레이터(102)의 커플링(110)에 해제 가능하게 부착되고, 특정 모드들에서 환자(P)(예를 들어, 표적 부위(TS))의 해부학적 구조와 상호작용하기 위해 베이스(106)에 대해 이동가능하다. 툴(104)은 사용자(예를 들어, 외과의)에 의해 파지될 수 있다. 툴(104)은 일반적으로 매니퓰레이터(102)의 커플링(110)에 해제 가능하게 부착되도록 구성된 마운트(mount)(148)를 포함한다. 마운트(148)는, 일부 실시예들에서, (예를 들어, 척, 커플링 등을 통해) 그에 부착된 에너지 어플리케이터(114)를 구동하는데 사용되는 발전 어셈블리(152)(예를 들어, 모터, 액추에이터, 기어 트레인 등)를 사용하는 동력식 수술 장치(150)로서 구성될 수 있는 기구(112)에 의해 지지되거나 아니면 정의될 수 있다. 이러한 유형의 매니퓰레이터(102), 툴(104) 및 기구(112)의 하나의 예시적인 배열은 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명되어 있다. 매니퓰레이터(102), 툴(104), 및/또는 기구(112)는 대안적인 구성으로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공구(104) 및/또는 기구(112)는 "End Effector of a Surgical Robotic Manipulator"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,566,121호에 도시된 것과 같을 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 일부 실시예들에서, 툴(104) 및/또는 기구(112)는 "End Effectors And Methods For Driving Tools Guided By Surgical Robotic Systems"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2019/0231447 A1호에 도시된 것과 같을 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 다른 구성들이 고려된다. 일부 실시예들에서, 그리고 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 기구(112)는 동력식 수술 장치(150)로서 구성되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 에너지 어플리케이터(114)는 표적 부위(TS)에서 환자(P)의 조직과 접촉하고 제거하도록 설계된다. 이를 위해, 에너지 어플리케이터(114)는 일부 실시예들에서 버(bur)(154)를 포함할 수 있다. 버(154)는 실질적으로 구형일 수 있으며 구형 중심, 반경 및 직경을 포함한다. 대안으로, 에너지 어플리케이터(114)는 드릴 비트, 톱날, 초음파 진동 팁 등일 수 있다. 툴(104), 기구(112) 및/또는 에너지 어플리케이터(114)는 제한하는 것은 아니나 주변, 둘레, 반경, 직경, 폭, 길이, 체적 및 면적, 표면/평면, (임의의 하나 이상의 축들을 따르는) 모션 엔벨로프(motion envelope)의 범위 등을 포함하는, 임의의 기하학적 특징을 포함할 수 있다. 원하는 치료를 수행하기 위해 표적 부위(TS)에서 조직에 대해 툴(104)을 위치시키는 방법을 결정하기 위해 기하학적 특징이 고려될 수 있다. 본원에 설명된 실시예들 중 일부에서, 툴 중심점(TCP)을 갖거나 아니면 정의하는 구형 버(154)가 설명의 편의와 용이함을 위해 설명되어 있지만, 툴(104), 기구(112) 및/또는 에너지 어플리케이터(114)를 임의의 특정 형태로 제한하려는 것은 아니다. 본원에 설명된 실시예들 중 일부에서, 툴 중심점(TCP)은 에너지 어플리케이터(114)보다는 기구(112) 또는 툴(104)의 일부에 의해 정의된다. 다른 구성들이 고려된다.
기구(112)가 동력식 수술 장치(150)로서 구현되는 경우와 같은 일부 실시예들에서, 툴(104)은 툴(104)의 동작을 용이하게 하기 위해, 예를 들어 발전 어셈블리(152)(예를 들어, 회전식 모터)에 대한 전력을 제어하고, 툴(104)의 이동을 제어하고, 툴(104)의 관개(irrigation)/흡인(aspiration)을 제어하는 등의 툴 컨트롤러(136)를 사용할 수 있다. 툴 컨트롤러(136)는 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트들과 통신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 툴 컨트롤러(136)는 매니퓰레이터(102) 및/또는 매니퓰레이터 카트(118)에 수용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 툴 컨트롤러(136)의 부분들은 툴(104)에 수용될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다. 툴 제어 시스템(130)은 또한 하나 이상의 출력 장치들(144) 및/또는 입력 장치들(146)을 갖는 사용자 인터페이스(142)를 포함할 수 있으며, 이는 툴(104)의 일부로서 형성될 수 있고/있거나 수술 시스템(100) 및/또는 제어 시스템(124)(예를 들어, 로봇 제어 시스템(126) 및/또는 네비게이션 시스템(128))의 다른 부분에 의해 실현될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
매니퓰레이터 컨트롤러(132)는 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)와 같은 좌표계에 대한 툴(104)(예를 들어, 툴 중심점(TCP))의 상태(위치 및/또는 방향)를 제어한다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132)는 (선형 또는 각) 속도, 가속도, 또는 툴(104)의 모션의 다른 파생물들을 제어할 수 있다. 툴 중심점(TCP)는, 일 예에서, 에너지 어플리케이터(114)에서 정의된 미리 결정된 기준점이다. 그러나, 상기에 언급된 바와 같이, 툴(104) 및/또는 기구(112)의 다른 컴포넌트들은 일부 실시예들에서 툴 중심점(TCP)을 정의할 수 있다. 임의의 경우에, 툴 중심점(TCP)은 다른 좌표계에 대해 알려진 포즈를 갖는다. 툴 중심점(TCP)의 포즈는 정적일 수 있거나 계산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 어플리케이터(114)의 기하학적 구조는 툴 중심점(TCP) 좌표계에 공지되거나 그에 대해 정의된다. 툴 중심점(TCP)은 단지 하나의 지점만이 추적되도록 툴(104)의 기구(112)에 의해 지지되거나 정의되는 에너지 어플리케이터(114)의 버(154)의 구형 중심에 위치될 수 있다. 툴 중심점(TCP)은 에너지 어플리케이터(114), 기구(112), 툴(104) 등의 구성에 따라 다양한 방식들로 정의될 수 있다.
매니퓰레이터(102)는 툴 중심점(TCP)의 포즈가 결정될 수 있게 하기 위해, 조인트 인코더들(122)(및/또는, 전술한 바와 같은 모터 인코더들), 또는 임의의 다른 비-인코더 위치 감지 방법을 이용할 수 있다. 매니퓰레이터(102)는 툴 중심점(TCP) 포즈를 결정하기 위해 조인트(J) 측정치들을 사용할 수 있고, 및/또는 툴 중심점(TCP) 포즈를 직접 측정하기 위해 다양한 기술들을 사용할 수 있다. 툴(104)의 제어는 중심점으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 툴(104)을 나타내기 위해 임의의 적절한 프리미티브, 메쉬 등이 사용될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
도 1을 계속 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 수술 시스템(100)은 또한, 다른 것들 중에서, 툴(104), 객체들(예를 들어, 해부학적 구조의 부분들, 트랙커들 등)을 등록하는 데 사용되는 포인터(156), 및 환자의 신체(B)의 부위들(예를 들어, 표적 부위(TS)에서 또는 그에 인접한 뼈들 또는 다른 해부학적 구조)과 같은 다양한 객체들의 움직임을 추적, 모니터링, 검출 또는 아니면 감지하도록 구성되는 네비게이션 시스템(128)을 포함한다. 이를 위해, 네비게이션 시스템(128)은 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 트랙커들(160)의 위치 및/또는 방향을 감지하도록 구성된 로컬라이저(158)를 사용한다. 네비게이션 컨트롤러(134)는 로컬라이저(158)와 통신하여 배치되고 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 로컬라이저(158)의 시야 내에서 감지된 각각의 트랙커(160)에 대한 위치 및/또는 방향 데이터를 수집한다.
로컬라이저(158)는 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 대응하는 복수의 객체들을 추적하기 위해 복수의 트랙커들(160)의 위치 및/또는 방향을 감지할 수 있다. 예로서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 트랙커들(160)은 포인터(156)에 결합된 포인터 트랙커(160P), 매니퓰레이터(102)의 베이스(106)에 결합된 매니퓰레이터 트랙커(160M), 툴(104)의 일부분들에 결합된 하나 이상의 툴 트랙커들(160G, 160I), 환자(P)의 해부학적 구조의 일부분에 결합된 제1 환자 트랙커(160A), 및 환자(P)의 해부학적 구조의 다른 부분에 결합된 제2 환자 트랙커(160B), 뿐만 아니라 추가 환자 트랙커들, 추가 의료 및/또는 수술 툴, 기구 등을 위한 트랙커들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 툴 트랙커들(160G, 160I)은 서로에 대해 및/또는 매니퓰레이터(102)의 베이스(106)에 견고하게 부착되는 매니퓰레이터 트랙커(160M)에 대해 이동하도록 구성될 수 있는 것과 같이, 툴(104)의 상이한 부분들에 각각 견고하게 부착될 수 있다. 비제한적인 예로서, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 툴 트랙커(160G)는 매니퓰레이터(102)를 통해 커플링(110)과 동시 이동을 위해 마운트(148)(또는 툴(104)의 다른 부분)에 결합될 수 있고, 제2 툴 트랙커(160I)는 마운트(148) 및/또는 커플링(110)에 대해 하나 이상의 자유도로 이동하는 툴(104)의 상이한 부분에 결합될 수 있다. 도 1에 도시된 제1 툴 트랙커(160G) 및 제2 툴 트랙커(160I)가 로컬라이저(158)를 통해 툴(104)의 상이한 부분들의 상대적인 위치들 및/또는 방향들을 용이하게 결정하기 위해 네비게이션 시스템(128)에 의해 사용될 수 있지만, 본 개시의 특정 실시예들은 다른 방식들로(예를 들어, 하나 이상의 센서들과 같은) 이러한 결정을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 여기서, 다른 구성들이 본 개시에 의해 고려되고, 특정 객체들을 추적하거나 아니면 이들 객체들을 추적된 객체에 연관시키기 위해 트랙커들(160), 센서들, 미리 결정된 기하학적 관계들 등의 다양한 조합들이 이용될 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 제1 환자 트랙커(160A)는 표적 부위(TS)에서 또는 그에 인접한(예를 들어, 관골구 근처의 골반) 환자의 신체(B)의 하나의 뼈에 견고하게 부착되고, 제2 환자 트랙커(160B)는 상이한 뼈(예를 들어, 대퇴골의 일부)에 견고하게 부착된다. 상세히 도시되지는 않았지만, 환자 트랙커들(160A, 160B)은 예컨대 나사식 결합, 클램핑, 또는 다른 기술들에 의한 것과 같은 다양한 방식들로 환자의 신체(B) 내의 다수의 상이한 뼈들에 결합될 수 있다. 유사하게, 제1 툴 트랙커(160G) 및/또는 제2 툴 트랙커(160I)는 예컨대 제조 동안 통합에 의해 또는 수술 절차 이전에 또는 수술 절차 동안 해제 가능한 부착에 의한 것과 같은 다양한 방식들로 툴(104)의 부분들에 고정될 수 있다. 다양한 트랙커들(160)은 다수의 상이한 방식들로 상이한 유형의 추적된 객체(예를 들어, 개별 뼈, 툴, 포인터 등)에 견고하게 부착될 수 있다. 예를 들어, 트랙커들(160)은, 그와 관련된 객체 또는 해부학적 구조에 대한 각각의 트랙커(160)의 관계(예를 들어, 측정)를 결정하는 적절한(예를 들어, 보조) 방법이 있는 한, 견고하게 고정되거나, 유연하게 연결되거나(광섬유), 또는 물리적으로 전혀 연결되지 않을(초음파) 수 있다.
트랙커들(160)이 부착되는 객체들 또는 해부학적 구조에 대한 위치 및/또는 방향은 공지된 등록 기술들을 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 이들이 부착되는 환자의 신체(B)의 부분들에 대한 환자 트랙커(160A, 160B)의 포즈를 결정하는 것은, 예를 들어 포인터(156)의 원위 팁이 특정 해부학적 랜드마크들에 대해 결합하는데(예를 들어, 뼈의 특정 부분들에 접촉함) 사용되거나, 로컬라이저(158)가 포인터 트랙커(160P)의 위치 및 방향을 모니터링함에 따라 표면 기반 등록을 위해 뼈의 여러 부분들과 체결되는 데 사용되는 것과 같이, 다양한 형태의 점 기반 등록으로 달성될 수 있다. 그런 다음, 종래의 등록 기술들은 환자 트랙커들(160A, 160B)의 포즈를 환자의 해부학적 구조(예를 들어, 대퇴골 및 관골구 각각에)에 상관시키기 위해 사용될 수 있다.
다른 유형의 등록도 가능하며, 예를 들어 뼈에 부착되고 클램프가 부착되는 뼈의 형상을 결정하기 위해 촉각 센서들(도시되지 않음)을 갖는 기계적 클램프들을 갖는 환자 트랙커들(160A, 160B)을 사용함으로써 가능하다. 그런 다음, 뼈의 형상은 등록을 위해 뼈의 3차원 모델에 매칭될 수 있다. 환자 트랙커(160A, 160B) 상의 촉각 센서들과 마커들(162) 사이의 알려진 관계는 (예를 들어, 메모리(140)에 저장된) 네비게이션 컨트롤러(134) 내로 입력되거나 그렇지 않으면 알려질 수 있다. 이러한 알려진 관계에 기초하여, 환자의 해부학적 구조에 대한 마커들(162)의 위치들이 결정될 수 있다. 위치 및/또는 방향 데이터는 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 또는 다른 적절한 좌표계 내의 각각의 트랙커(160)의 좌표들을 결정하기 위해 다수의 상이한 등록/네비게이션 기술들을 사용하여 네비게이션 컨트롤러(134)에 의해 수집, 결정 또는 아니면 처리될 수 있다. 이러한 좌표들은, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 매니퓰레이터(102)의 관절화를 용이하게 하고/하거나 외과의가 수술 절차를 수행하는 것을 돕기 위해 로봇 제어 시스템(126)과 같은 제어 시스템(124)의 다른 부분들에 전달된다.
본원에 예시된 대표적인 실시예에서, 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및 툴 컨트롤러(136)는 매니퓰레이터(102)의 베이스(106)에 동작 가능하게 부착되고, 네비게이션 컨트롤러(134) 및 로컬라이저(158)는 매니퓰레이터(102)의 베이스(106)에 대해 이동가능한 이동 카트(164) 상에 지지된다. 이동 카트(164)는 또한 외과의 또는 다른 사용자로부터 정보를 디스플레이함으로써 및/또는 그로부터 정보를 수신함으로써 수술 시스템(100)의 동작을 용이하게 하도록 사용자 인터페이스(142)를 지지할 수 있다. 도 1에 예시된 대표적인 실시예에서 네비게이션 시스템(128)의 일부로서 도시되어 있지만, 사용자 인터페이스(142)는 로봇 제어 시스템(126) 및/또는 툴 제어 시스템(130)과 같은 제어 시스템(124)의 다른 부분들의 일부를 형성하거나 그렇지 않으면 통신할 수 있다. 이를 위해, 사용자 인터페이스(142)는 네비게이션 컨트롤러(134), 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 툴 컨트롤러(136)와 통신하여 배치될 수 있고, 마찬가지로 외과의 또는 다른 사용자들(예를 들어, 이미지들, 비디오, 데이터, 그래픽들, 네비게이션 가능한 메뉴들 등)에게 정보를 제시하기 위한 하나 이상의 출력 장치들(144)(예를 들어, 모니터들, 표시기들, 디스플레이 스크린들 등), 및 하나 이상의 입력 장치들(146)(예를 들어, 물리적 또는 가상 입력 제어들, 버튼들, 터치 스크린들, 키보드들, 마우스들, 제스처 또는 음성 기반 입력 장치들 등)을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 네비게이션 시스템(128)에 이용되는 하나의 유형의 이동 카트(164) 및 사용자 인터페이스(142)는 "Surgery System"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제7,725,162호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
매니퓰레이터(102)의 이동 카트(164) 및 베이스(106)가 서로에 대해 그리고 또한 환자의 신체(B)에 대해 위치될 수 있기 때문에, 수술 시스템(100)의 하나 이상의 부분들은 일반적으로 로컬라이저(158)를 통해 감지된 각각의 트랙커(160)의 좌표들을 로컬라이저 좌표계(LCLZ)로부터 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)(또는 다른 좌표계)로 변환하도록, 또는 그 반태가 되도록 구성되어, 매니퓰레이터(102)의 관절화는 공통 좌표계(예를 들어, 매니퓰레이터 좌표계(MNPL), 로컬라이저 좌표계(LCLZ), 또는 다른 공통 좌표계) 내의 특정 트랙커들(160)의 상대 위치들 및/또는 방향들에 적어도 부분적으로 기초하여 수행될 수 있다. 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 좌표들은 다수의 상이한 변환 기술들을 사용하여 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)(또는 다른 좌표계들) 내의 좌표들로 변환될 수 있고, 그 반대도 가능하다. 좌표계 사이의 데이터의 번역 또는 변환의 한 예는 "Registration of Anatomical Data Sets"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제8,675,939호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
예시된 실시예에서, 로컬라이저(158)는 광학 로컬라이저이고 하나 이상의 광학 센서들(168) 및 일부 실시예들에서 비디오 카메라(170)를 갖는 카메라 유닛(166)을 포함한다. 로컬라이저(158)는 또한 네비게이션 컨트롤러(134)와 통신하거나 아니면 네비게이션 시스템(128)의 일부를 형성하는 로컬라이저 컨트롤러(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 네비게이션 시스템(128)은 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 트랙커들(160)의 위치 및/또는 방향을 감지하기 위해 카메라 유닛(166)의 광학 센서들(168)을 사용한다. 본원에 예시된 대표적인 실시예에서, 트랙커들(160)은 각각 카메라 유닛(166)의 광학 센서들(168)에 의해 감지될 수 있는 복수의 마커들(162)(도 2 참조)을 사용한다. 이러한 유형의 네비게이션 시스템(128)의 일 예는 "Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,008,757호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 일부 실시예들에서, 마커들(162)은 로컬라이저(158)에 의해 감지될 수 있는 광을 방출하는 활성 마커들(예를 들어, 발광 다이오드들("LED들"))이다. 일부 실시예들에서, 트랙커들(160)은 로컬라이저(158) 또는 다른 광원으로부터 방출된 광을 반사하는 수동 마커들(예를 들어, 반사체들)을 사용할 수 있다. 내비게이션 시스템(128)의 일 실시예가 도면 전체에 걸쳐 예시되어 있지만, 네비게이션 시스템(128)은, 이하의 후속 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 다양한 유형들 및 구성들일 수 있는 트랙커들(160)을 모니터링하기 위한 임의의 적합한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 네비게이션 시스템(128)은 동일하거나 상이한 유형의 다수의 로컬라이저들(158) 및/또는 트랙커들(160)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 네비게이션 시스템(128) 및/또는 로컬라이저(158)는 무선 주파수(RF) 기반이다. 예를 들어, 내비게이션 시스템(128)은 내비게이션 컨트롤러(134)에 결합된 및/또는 다른 컴퓨팅 장치, 컨트롤러 등에 결합된 RF 트랜시버를 포함할 수 있다. 여기서, 트랙커들(160)은 수동적일 수 있거나 능동적으로 통전될 수 있는 RF 이미터들 또는 트랜스폰더들을 포함할 수 있다. RF 트랜시버는 RF 추적 신호를 전송하고, RF 이미터들은 추적된 상태들이 네비게이션 컨트롤러(134)로 통신되도록(또는 그에 의해 해석되도록) RF 신호들로 응답한다. RF 신호들은 임의의 적절한 주파수일 수 있다. RF 트랜시버는 RF 신호들을 효과적으로 사용하여 객체들을 추적하기에 적합한 임의의 위치에 배치될 수 있다. 더욱이, RF 기반 네비게이션 시스템들의 실시예들은 본원에 예시된 활성 마커 기반 네비게이션 시스템(128)과 상이한 구조적 구성들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 네비게이션 시스템(128) 및/또는 로컬라이저(158)는 전자기(EM) 기반이다. 예를 들어, 내비게이션 시스템(128)은 내비게이션 컨트롤러(134)에 결합된 및/또는 다른 컴퓨팅 장치, 컨트롤러 등에 결합된 EM 트랜시버를 포함할 수 있다. 여기서, 트랙커들(160)은 수동적일 수 있거나 능동적으로 통전될 수 있는 그에 부착된 EM 컴포넌트들(예를 들어, 다양한 유형의 자기 트랙커들, 전자기 트랙커들, 유도성 트랙커들 등)을 포함할 수 있다. EM 트랜시버는 EM 필드를 생성하고, EM 컴포넌트들은 추적된 상태들이 네비게이션 컨트롤러(134)로 통신되도록(또는 그에 의해 해석되도록) EM 신호들로 응답한다. 내비게이션 컨트롤러(134)는 수신된 EM 신호들을 분석하여 상대적인 상태들을 그와 연관시킬 수 있다. 여기서도, EM 기반 네비게이션 시스템들의 실시예들은 본원에 예시된 활성 마커 기반 네비게이션 시스템(128)과 상이한 구조적 구성들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 네비게이션 시스템(128) 및/또는 로컬라이저(158)는 그와 연관된 위치 데이터를 결정하기 위해 반드시 트랙커들(160)이 객체들에 고정될 것을 요구하지 않는 하나 이상의 유형의 이미징 시스템들에 기초할 수 있다. 예를 들어, 초음파 기반 이미징 시스템은 추적된 상태들(예를 들어, 위치, 방향 등)이 초음파 이미지들에 기초하여 네비게이션 컨트롤러(134)에 통신되도록(또는 그에 의해 해석되도록) 초음파 이미지들(예를 들어, 추적된 객체들의 특정 알려진 구조적 특징들, 추적된 객체들에 고정된 마커들 또는 스티커들 등)의 획득을 용이하게 하도록 제공될 수 있다. 초음파 이미지들은 3차원, 2차원 또는 이들의 조합일 수 있다. 내비게이션 컨트롤러(134)는 추적된 상태들을 결정하기 위해 거의 실시간으로 초음파 이미지들을 처리할 수 있다. 초음파 이미징 장치는 임의의 적절한 구성을 가질 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같은 카메라 유닛(166)과 다를 수 있다. 또 다른 예로서, 형광 내시경 기반 이미징 시스템은 추적된 상태들이 X-선 이미지들에 기초하여 네비게이션 컨트롤러(134)에 통신되거나 (또는 그에 의해 해석되도록) 무선-불투명 마커들(예를 들어, 추적된 객체들에 부착되는 공지된 구조적 특징들을 갖는 스티커들, 태그들 등)의 X-선 이미지들의 획득을 용이하게 하도록 제공될 수 있다. 내비게이션 컨트롤러(134)는 X선 이미지들을 거의 실시간으로 처리하여 추적된 상태들을 결정할 수 있다. 마찬가지로, 추적된 상태들이 디지털 이미지들에 기초하여 내비게이션 컨트롤러(134)에 통신되거나(또는 그에 의해 해석되도록) (예를 들어, 추적된 객체의 가상 표면 또는 그 구조적 컴포넌트 또는 특징과의 비교에 기초하여) 특정 알려진 객체들의 디지털 이미지들, 비디오 등을 (예를 들어, 비디오 카메라(170)와 같은 전하-결합된 장치("CCD") 센서를 통해) 획득하는 것을 용이하게 하기 위해 다른 타입들의 광학-기반 이미징 시스템들이 제공될 수 있다. 내비게이션 컨트롤러(134)는 추적된 상태들을 결정하기 위해 거의 실시간으로 디지털 이미지들을 처리할 수 있다.
따라서, 동일한 또는 상이한 유형의 다수의 이미징 시스템들을 포함하는 다양한 유형의 이미징 시스템들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 내비게이션 시스템(128)의 일부를 형성할 수 있다. 내비게이션 시스템(128) 및/또는 로컬라이저(158)는 본원에 구체적으로 언급되지 않은 임의의 다른 적절한 컴포넌트들 또는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 네비게이션 시스템(128)은 오로지 관성 추적 또는 추적 기술들의 임의의 조합을 이용할 수 있으며, 추가로 또는 대안으로 광섬유 기반 추적, 머신-비전 추적 등을 포함할 수 있다. 또한, 도 1에 예시된 네비게이션 시스템(128)과 연관된 기술들, 방법들 및/또는 컴포넌트들 중 어느 하나가 다수의 상이한 방식들로 구현될 수 있고, 다른 구성들이 본 개시에 의해 고려된다.
일부 실시예들에서, 수술 시스템(100)은 하나 이상의 출력 장치들(144)(예를 들어, 디스플레이 스크린) 상에 제시된 환자의 신체(B), 툴(104), 기구(112), 에너지 어플리케이터(114) 등의 해부학적 구조에 대한 이미지 및/또는 그래픽 표현과 같이, 수술 시스템(100)의 외과의 또는 다른 사용자들에 대한 추적된 객체들의 상대 위치들 및 방향들의 가상 표현을 디스플레이할 수 있다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 네비게이션 컨트롤러(134)는 또한 사용자 인터페이스(142)를 이용하여 명령어들을 디스플레이하거나 정보를 요청할 수 있어서, 외과의 또는 다른 사용자들이 매니퓰레이터(102)의 관절화를 용이하게 하기 위해 (예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여) 로봇 제어 시스템(126)과 상호작용할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
상기에 언급된 바와 같이, 로컬라이저(158)는 트랙커들(160)을 추적하여 그에 각각 부착된 객체의 상태에 각각 대응하는 트랙커들(160) 각각의 상태를 결정한다. 로컬라이저(158)는 알려진 삼각측량 기법들을 수행하여 트랙커들(160) 및 관련 객체들의 상태들을 결정할 수 있다. 로컬라이저(158)는 트랙커들(160)의 상태를 내비게이션 컨트롤러(134)에 제공한다. 일부 실시예들에서, 네비게이션 컨트롤러(134)는 트랙커(160)의 상태를 결정하고 매니퓰레이터 컨트롤러(132)에 전달한다. 본원에 사용된 바와 같이, 객체 상태는, 이에 제한되는 것은 아니나, 추적된 객체의 위치 및/또는 방향을 정의하는 데이터, 또는 위치 및/또는 방향의 등가물들/파생물들을 포함한다. 예를 들어, 상태는 객체의 포즈일 수 있고, 선형 속도 데이터 및/또는 각속도 데이터 등을 포함할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
도 2를 참조하면, 수술 시스템(100)은 일반적으로, 다른 컴포넌트들 중에서, 위에서 언급한 바와 같이 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 툴 컨트롤러(136), 및/또는 로봇 제어 시스템(126), 네비게이션 시스템(128), 및/또는 툴 제어 시스템(130)의 다양한 컴포넌트들을 포함하거나 그렇지 않으면 매니퓰레이터 컨트롤러(132)로서 정의될 수 있는 제어 시스템(124)을 포함한다. 제어 시스템(124)은 또한 도 3에 도시된 하나 이상의 소프트웨어 모듈들을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈들은 수술 시스템(100)의 제어를 용이하게 하거나 그렇지 않으면 보조하기 위해 사용되는 데이터를 처리하기 위해 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 툴 컨트롤러(136) 또는 이들의 임의의 조합 상에서 동작하는 하나 이상의 프로그램들의 일부일 수 있다. 소프트웨어 프로그램들 및/또는 모듈들은 컨트롤러들(136, 132, 134) 중 하나 이상의 하나 이상의 프로세서들(138)에 의해 실행되기 위해 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 툴 컨트롤러(136) 또는 이들의 조합 상의 비일시적 메모리(140)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령어들을 포함한다.
메모리(140)는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 비휘발성 메모리 등과 같은 임의의 적합한 구성일 수 있으며, 로컬로 또는 원격지(예를 들어, 데이터베이스, 서버 등)로부터 구현될 수 있다. 추가로, 사용자에게 프롬프트 및/또는 통신하기 위한 소프트웨어 모듈들은 프로그램들 또는 모듈들의 일부를 형성할 수 있으며, 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 내비게이션 컨트롤러(134), 툴 컨트롤러(136) 또는 이들의 임의의 조합 상의 메모리(140)에 저장된 명령어들을 포함할 수 있다. 사용자는 소프트웨어 모듈들 및/또는 프로그램들과 통신하기 위해 사용자 인터페이스들(142) 중 임의의 것의 입력 장치들(146) 및/또는 출력 장치들(144)(예를 들어, 도 1에 도시된 네비게이션 시스템(128)의 사용자 인터페이스(142))과 상호작용할 수 있다. 제어 시스템(124)은 또한 사용자 인터페이스들(142)(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)) 또는 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 및/또는 툴 컨트롤러(136)(예를 들어, 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 장치)와 별개의 장치 상에서 실행될 수 있는 다른 소프트웨어 또는 모듈들을 포함할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
제어 시스템(124)은 본원에 설명된 기능들 및 방법들을 수행하기에 적합한 입력, 출력 및 처리 장치들의 임의의 적절한 배열 및/또는 구성을 포함할 수 있다. 수술 시스템(100)은 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 또는 툴 컨트롤러(136), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있거나, 이들 컨트롤러들 중 일부만, 또는 추가의 컨트롤러들을 포함할 수 있으며, 이들 중 어느 하나는 위에서 언급된 바와 같이 제어 시스템(124)의 일부를 형성할 수 있다. 컨트롤러들(132, 134, 136)은 도 2에 도시된 바와 같이 유선 버스 또는 통신 네트워크를 통해, 무선 통신을 통해, 또는 다른 방식으로 통신할 수 있다. 제어 시스템(124)은 또한 컨트롤러로서 지칭될 수 있고, 마찬가지로 하나 이상의 마이크로컨트롤러들, 필드 프로그램가능 게이트 어레이들, 칩 상의 시스템, 이산 회로부, 센서들, 디스플레이들, 사용자 인터페이스들, 표시기들, 및/또는 본원에 설명된 기능들을 수행할 수 있는 다른 적절한 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
도 3을 참조하면, 일부 실시예들에서, 제어 시스템(124)에 의해 사용되는 소프트웨어는 경계 생성기(172)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 경계 생성기(172)는 툴(104)의 움직임 및/또는 동작을 제한하기 위해 가상 경계(174)를 생성하는 소프트웨어 프로그램 또는 모듈이다. 가상 경계(174)는 1차원, 2차원, 또는 3차원일 수 있고, 복잡한 기하학적 형상들을 포함하는 점, 선, 축, 궤적, 평면, 또는 다른 형상들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가상 경계(174)는 삼각형 메쉬에 의해 정의되는 표면이다. 이러한 가상 경계들(174)은 또한 가상 객체들로 지칭될 수 있다. 가상 경계들(174)은 3차원 뼈 모델과 같은 해부학적 모델(AM)과 관련하여 정의될 수 있다. 해부학적 모델(Am)은 등록이나 다른 프로세스들을 통해 환자(P)의 해부학적 구조에 매핑되는 해부학적 모델(AM)에 의해 환자(P)의 실제 해부학적 구조과 연관된다. 도 4의 예에서, 가상 경계들(174)은 관골구에 대한 액세스를 제공하는 엔트리 부분(예를 들어, 개구)을 갖는 관골구를 실질적으로 둘러싸는 대체로 구형인 메쉬를 포함한다. 상기 엔트리 부분은 깔때기 또는 원뿔 형상을 갖는다. 이러한 대표적인 실시예에서, 가상 경계(174)는 골반의 관골구의 3차원 모델과 연관된다.
해부학적 모델(AM) 및 관련 가상 경계들(174)은 하나 이상의 환자 트랙커들(160A, 160B)에 등록된다. 따라서, 해부학적 모델(AM)(및 환자(P)의 연관된 실제 해부학적 구조) 및 해부학적 모델(AM)에 고정된 가상 경계들(174)은 환자 트랙커들(160A, 160B)에 의해 추적될 수 있다. 가상 경계들(174)은 임플란트별(예를 들어, 이식가능한 컴포넌트(116)의 크기, 형상, 부피 등에 기초하여 정의됨) 및/또는 환자별(예를 들어, 환자(P)의 해부학적 구조에 기초하여 정의됨)일 수 있다. 가상 경계들(174)은 수술 전(pre-operatively), 수술 중(intra-operatively), 또는 이들의 조합들로 생성되는 경계들일 수 있다. 즉, 가상 경계들(174)은 수술 절차가 시작되기 전에, 수술 절차 동안(조직 제거 동안을 포함), 또는 이들의 조합들에서 정의될 수 있다. 임의의 경우에, 제어 시스템(124)은 메모리(140) 내에/로부터 가상 경계들(174)을 저장/검색하고, 메모리(140)로부터 가상 경계들(174)을 획득하고, 수술 전에 가상 경계들(174)을 생성하고, 수술 중 가상 경계들(174)을 생성하는 등을 함으로써, 가상 경계들(174)을 획득한다.
매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 네비게이션 컨트롤러(134)는 가상 경계들(174)에 대한 툴(104)의 상태를 추적할 수 있다. 일부 실시예들에서, 툴 중심점(TCP)의 상태는 툴(104)이 가상 경계들(174)에 대해 원하는 위치 관계(예를 들어, 이들을 넘어 이동되지 않음)로 유지되도록 가상 시뮬레이션(VS)을 통해 가상 강체(virtual rigid body; VRB) 모델에 적용될 햅틱 힘들을 결정하기 위해 가상 경계들(174)에 대해 측정된다. 가상 시뮬레이션(VS)의 결과들은 매니퓰레이터(102)에 명령된다. 제어 시스템(124)(예를 들어, 로봇 제어 시스템(126)의 매니퓰레이터 컨트롤러(132))은 물리적 핸드피스가 물리적 경계들/장벽들의 존재 시 응답하는 방법을 에뮬레이트하는 방식으로 매니퓰레이터(102)를 제어/위치시킨다. 경계 생성기(172)는 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 상에 구현될 수 있다. 대안으로, 경계 생성기(172)는 내비게이션 컨트롤러(134)와 같은 다른 컴포넌트들 또는 제어 시스템(124)의 다른 일부들 상에서 구현될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 경로 생성기(176)는 제어 시스템(124)에 의해 실행될 수 있는 또 다른 소프트웨어 프로그램 또는 모듈이다. 일 실시예들에서, 경로 생성기(176)는 매니퓰레이터 컨트롤러(132)에 의해 실행된다. 경로 생성기(176)는 이식가능 컴포넌트(116)를 수신하기 위해 표적 부위(TS)에서 환자(P)의 해부학적 구조의 섹션들을 제거하는 것과 같이, 툴(104)이 이동하기 위한 툴 경로(TP)를 생성한다. 툴 경로(TP)는 복수의 경로 세그먼트들(PS)을 포함할 수 있거나, 단일 경로 세그먼트(PS)를 포함할 수 있다. 경로 세그먼트들(PS)은 직선 세그먼트들, 곡선 세그먼트들, 이들의 조합들 등일 수 있다. 툴 경로(TP)는 또한 해부학적 모델(AM)에 대해 정의될 수 있다. 툴 경로(TP)는 임플란트별(예를 들어, 이식가능한 컴포넌트(116)의 크기, 형상, 부피 등에 기초하여 정의됨) 및/또는 환자별(예를 들어, 환자(P)의 해부학적 구조에 기초하여 정의됨)일 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
본원에 설명된 일부 실시예들에서, 툴 경로(TP)는 표적 부위(TS)에 인접한 조직 제거 경로로서 정의된다. 그러나, 일부 실시예들에서, 툴 경로(TP)는 조직 제거 이외의 치료를 위해 사용될 수 있다. 본원에 설명된 조직 제거 경로의 일 예는 밀링 경로(milling path; MP)를 포함한다. "밀링 경로"라는 용어는 일반적으로 해부학적 구조를 밀링하기 위해 표적 부위(TS) 근처에 있는 툴(104)의 경로를 지칭하며, 툴(104)이 경로의 전체 기간에 걸쳐 해부학적 구조를 동작 가능하게 밀링할 것을 요구하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 밀링 경로(MP)는 툴(104)이 밀링을 실행하지 않고 한 위치에서 다른 위치로 전환하는 섹션들 또는 세그먼트들을 포함할 수 있다. 추가로, 밀링 경로(MP)를 따르는 다른 형태의 조직 제거, 예를 들어 조직 절제 등이 사용될 수 있다. 밀링 경로(MP)는 수술 전, 수술 중, 또는 이들의 조합들로 생성되는 미리 정의된 경로일 수 있다. 즉, 밀링 경로(MP)는 수술 절차가 시작되기 전에, 수술 절차 동안(조직 제거 동안을 포함), 또는 이들의 조합들에서 정의될 수 있다. 임의의 경우에, 제어 시스템(124)은 메모리(140) 내에/로부터 밀링 경로(MP)를 저장/검색하고, 메모리(140)로부터 밀링 경로(MP)를 획득하고, 수술 전에 밀링 경로(MP)를 생성하고, 수술 중 밀링 경로(MP)를 생성하는 등을 함으로써, 밀링 경로(MP)를 획득한다. 밀링 경로(MP)는 임의의 적합한 형상, 또는 원형, 나선형/코르크스크류, 선형, 곡선형, 이들의 조합 등과 같은 형상들의 조합들을 가질 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
가상 경계들(174) 및/또는 밀링 경로(MP)를 생성하기 위한 시스템 및 방법의 한 가지 예는 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명되어 있다. 추가의 예들은 "Haptic Guidance System and Method"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제8,010,180호; 및 "Guidance System and Method for Surgical Procedures with Improved Feedback"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제7,831,292호에 설명되어 있으며, 그 개시내용들은 각각 그들 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 일부 실시예들에서, 가상 경계들(174) 및/또는 밀링 경로들(MP)은 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 또는 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트 상에서 보다는 오프라인에서 생성될 수 있다. 이후, 가상 경계들(174) 및/또는 밀링 경로들(MP)은 매니퓰레이터 컨트롤러(132)에 의해 런타임에 이용될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 네비게이션 컨트롤러(134) 상에서 실행될 수 있는 다른 소프트웨어 프로그램 또는 모듈이 거동 제어(178)를 수행하기 위해 도시되어 있다. 거동 제어(178)는 툴(104)에 대한 다음 명령된 위치 및/또는 방향(예를 들어, 포즈)을 나타내는 데이터를 계산하는 프로세스이다. 일부 경우들에서, 툴 중심점(TCP)의 위치 또는 방향만이 거동 제어(178)로부터 출력되고, 다른 경우들에서, 툴 중심점(TCP)의 위치 및 방향은 거동 제어(178)로부터 출력된다. 일부 실시예들에서, 경계 생성기(172), 경로 생성기(176) 및 센서(180)(예를 들어, 6자유도(DOF) 힘/토크)로부터의 출력은 툴(104)에 대한 다음 명령된 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해 거동 제어(178)로 입력들로서 공급될 수 있다. 거동 제어(178)는 명령된 포즈(CP)를 결정하기 위해 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 하나 이상의 가상 제약들(VC)과 함께 이러한 입력들을 처리할 수 있다.
도 3을 계속 참조하면, 매니퓰레이터 컨트롤러(132) 및/또는 네비게이션 컨트롤러(134) 상에서 실행될 수 있는 다른 소프트웨어 프로그램 또는 모듈이 모션 제어(182)를 수행하기 위해 도시되어 있다. 모션 제어(182)의 일 양태는 매니퓰레이터(102)의 제어이다. 모션 제어(182)는 거동 제어(178)로부터 다음 명령된 포즈(CP)를 정의하는 데이터를 수신한다. 이러한 데이터에 기초하여, 모션 제어(182)는 매니퓰레이터(102)가 (예를 들어, 명령된 포즈(CP)에서) 거동 제어(178)에 의해 명령된 바와 같이 툴(104)을 위치시킬 수 있도록 (예를 들어, 역운동학 및 야코비안 계산기들을 통해) 매니퓰레이터(102)의 로봇 암(108)의 조인트(J)의 조인트 각도의 다음 위치를 결정한다. 즉, 모션 제어(182)는 데카르트 공간에 정의될 수 있는 명령된 포즈(CP)를 매니퓰레이터(102)의 조인트 각도들로 처리하여, 매니퓰레이터 컨트롤러(132)가 그에 따라 조인트 모터들을 명령하여 매니퓰레이터(102)의 조인트들(J)을 툴(104)의 명령된 포즈(CP)에 대응하는 명령된 조인트 각도들로 이동시킬 수 있도록 한다. 일부 실시예들에서, 모션 제어(182)는 로봇 암(108)의 각 코인트(J)의 조인트 각도를 조절하고, 조인트 모터가 관련된 조인트(J)를 명령된 조인트 각도로 구동시키는 것을 가능한 가깝게 보장하기 위해 각 조인트 모터가 출력하는 토크를 연속적으로 조정한다.
경계 생성기(172), 경로 생성기(176), 거동 제어(178), 및 모션 제어(182)는 소프트웨어 프로그램(184)의 서브-세트들(예를 들어, 모듈들)일 수 있다. 대안으로, 각각은 개별적으로 및/또는 독립적으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 동작하는 소프트웨어 프로그램일 수 있다. 본원에서 "소프트웨어 프로그램"이라는 용어는 설명된 기술 솔루션들의 다양한 성능들을 수행하도록 구성되는 컴퓨터 실행 가능 명령어들을 설명하는 데 사용된다. 간단하게 하기 위해, "소프트웨어 프로그램"이라는 용어는, 적어도, 경계 생성기(172), 경로 생성기(176), 거동 제어(178) 및/또는 모션 제어(182) 중 임의의 하나 이상을 포함하도록 의도된다. 소프트웨어 프로그램(184)은 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134), 또는 이들의 임의의 조합 상에서 구현될 수 있거나, 또는 제어 시스템(124)에 의해 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 수술 전 계획, 임플란트 배치, 등록, 뼈 준비 시각화, 임플란트 적합의 수술 후 평가 등을 포함하는, 사용자 상호작용을 용이하게 하고 수술 워크플로우를 조정하기 위해 임상용 애플리케이션(186)이 제공될 수 있다. 임상용 애플리케이션(186)은 출력 장치들(144)(예를 들어, 디스플레이들, 스크린들, 모니터들 등)로 데이터를 출력하거나, 입력 장치들(146)로부터 입력 데이터를 수신하거나, 그렇지 않으면 사용자 인터페이스들(142)과 상호작용하도록 구성될 수 있으며, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 일부를 포함하거나 형성할 수 있다. 임상용 애플리케이션(186)은 그 자신의 개별 프로세서 상에서 실행될 수 있거나, 네비게이션 컨트롤러(134), 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 및/또는 툴 컨트롤러(136), 또는 제어 시스템(124)의 임의의 다른 적절한 부분과 함께 실행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 임상용 애플리케이션(186)은 임플란트 배치가 사용자에 의해 설정된 후에 경계 생성기(172) 및/또는 경로 생성기(176)와 인터페이스하고, 그런 다음 실행을 위해 경계 생성기(172) 및/또는 경로 생성기(176)에 의해 반환된 가상 경계(174) 및/또는 툴 경로(TP)를 매니퓰레이터 컨트롤러(132)로 전송한다. 여기서, 매니퓰레이터 컨트롤러(132)는 본원에 설명된 바와 같이 툴 경로(TP)를 실행한다. 머니퓰레이터 컨트롤러(132)는 생성된 툴 경로(TP)로 원활하게 복귀하기 위해 기계 가공(machining)을 시작하거나 재개할 때 특정 세그먼트들(예를 들어, 리드-인(lead-in) 세그먼트들)을 추가로 생성할 수 있다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132)는 또한 가상 경계들(174)을 처리하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 대응하는 가상 제약들(VC)을 생성할 수 있다.
수술 시스템(100)은 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 기재된 바와 같은 수동 모드로 동작할 수 있다. 여기서, 사용자는 수동으로 지시하고, 매니퓰레이터(102)는 툴(104)의 이동을 실행하고, 수술 부위에서 툴(104) 및 그 에너지 어플리케이터(114)를 실행한다. 사용자(예를 들어, 외과의)는 수동 모드에서 툴(104)의 이동을 유발하기 위해 툴(104)과 물리적으로 접촉한다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터(102)는 툴(104)을 위치시키기 위해 사용자에 의해 툴(104)에 가해지는 힘들 및 토크들을 모니터링한다. 이를 위해, 수술 시스템(100)은 사용자가 툴(104)에 가하는 힘들 및 토크들을 검출 및 측정하고 제어 시스템(124)에 의해 사용되는 대응하는 입력(예를 들어, 하나 이상의 대응하는 입력/출력 신호들)을 생성하는 센서(180)(예를 들어, 다수의 자유도(DOF) 힘/토크 트랜스듀서)를 사용할 수 있다. 사용자에 의해 인가되는 힘들 및 토크들은 수동 모드(또는 다른 모드들)에서 툴(104)을 이동시키는 방법을 결정하는데 사용되는 외력(an external force)(Fext)을 적어도 부분적으로 정의한다. 외력(Fext)은 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명된 바와 같이, 사용자에 의해 인가되는 것 외에 다른 힘들 및 토크들, 예컨대 중력 보상력, 백구동력(backdrive forces) 등을 포함할 수 있다. 따라서, 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들은 적어도 부분적으로 외력(Fext)을 정의하고, 일부 경우들에서, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 수동 모드 및/또는 다른 모드들에서 툴(104)의 전체 이동에 영향을 미치는 외력(Fext)을 완전히 정의할 수 있다.
센서(180)는 매니퓰레이터(102)와 표적 부위(TS) 사이에서 발생하는 힘들 및/또는 토크들(예를 들어, 사용자에 의해 툴(104)에 가해지는 힘들)을 검출하도록 배열된 6 자유도(DOF) 힘/토크 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 예시적인 목적을 위해, 센서(180)는 (예를 들어, 로봇 암(108)의 조인트(J6)에 결합된) 매니퓰레이터(102)의 커플링(110)에 인접하거나 그렇지 않으면 그 일부분으로서 일반적으로 묘사된다. 그러나, 다른 구성들 및 배열들이 고려된다. 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 네비게이션 컨트롤러(134),툴 컨트롤러(136), 및/또는 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트들은 센서(180)로부터 (예를 들어, 입력들로서) 신호들을 수신할 수 있다. 사용자 인가 힘들 및 토크들에 응답하여, 매니퓰레이터(102)는 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들에 기초하여 발생했을 움직임을 에뮬레이트하는 방식으로 툴(104)을 이동시킨다. 수동 모드에서 툴(104)의 이동은 또한 경계 생성기(172)에 의해 생성된 가상 경계들(174)과 관련하여 제한될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(180)에 의해 취해진 측정들은 센서(180)의 센서 좌표계(SN)로부터 가상 질량 좌표계(VM)와 같은 다른 좌표계로 변환되며, 여기서 가상 시뮬레이션(VS)은 툴(104) 의 가상 강체(VRB) 모델 상에서 실행되어, 힘들 및 토크들이 가상 시뮬레이션(VS) 내의 가상 강체(VRB)에 가상으로 인가될 수 있으며, 궁극적으로 (다른 입력들 중) 이러한 힘들 및 토크들이 아래에 설명된 바와 같이 가상 강체(VRB)의 이동에 어떠한 영향을 미칠지 결정할 수 있다.
수술 시스템(100)은 또한, 사용자로부터 툴(104)에 힘/토크를 요구하지 않고 툴(104)을 이동시키기 위해 매니퓰레이터(102)의 활성 조인트(J)를 동작시킴으로써, 매니퓰레이터(102)가 밀링 경로(MP)를 따라 자동화된 방식으로 툴(104)을 이동시키는 반자율 모드로 동작할 수 있다. 반자율 모드에서의 동작의 예들은 또한 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명되어 있다. 일부 실시예들에서, 매니퓰레이터(102)가 반자율 모드에서 동작할 때, 매니퓰레이터(102)는 사용자 보조 없이 툴(104)을 이동시킬 수 있다. 여기서, "사용자 보조 없음"은 사용자가 툴(104)을 이동시키기 위해 툴(104) 또는 로봇 암(108)을 물리적으로 접촉하지 않는 것을 의미할 수 있다. 대신에, 사용자는 일부 형태의 원격 제어(예를 들어, 펜던트; 도시되지 않음)를 사용하여 이동의 시작 및 중지를 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 리모콘의 버튼을 길게 눌러 툴(104)의 이동을 시작하고 버튼을 해제하여 툴(104)의 이동을 중지할 수 있다. 사용자 펜던트에 구현된 이러한 유형의 원격 제어의 예들은 "Robotic Systems and Methods for Controlling a Tool Removing Material from Workpiece"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제10,117,713호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 다른 구성들이 고려된다.
수동 모드에서, 사용자가 툴(104)을 현재 상태(SC)에서 표적 상태(ST)로(예를 들어, 표적 위치(PT), 표적 방향(OT), 또는 표적 포즈로) 이동시키는 것이 어려울 수 있다. 툴(104)을 밀링 경로(MP)에 대해 원하는 근접도에 위치시키고, 이식가능한 컴포넌트(116)를 수용하기 위해 조직을 준비하기에 적합한 방향에 툴(104)을 위치시키고, 툴(104)을 특정 궤적/평면과 정렬시키는 것 등과 같은, 임의의 다수의 이유들로 툴(104)이 특정 표적 상태(ST)로 이동되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 사용자가 충분한 정밀도로 툴(104)을 배치하는 것은 어려울 수 있다. 이는 연조직, 유체 등에 의해 환자(P)의 해부학적 구조가 사용자의 시야로부터 부분적으로 방해될 때 특히 어려울 수 있다. 여기서, 수술 시스템(100)은 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명된 방식으로와 같이, 수동 모드에서 반자동 모드로 전환될 수 있다. 따라서, 툴(104)을 표적 상태(ST)에 배치하기 위해, 매니퓰레이터(102)는 툴(104)을 현재 상태(SC)에서 표적 상태(ST)로 자율적으로 이동시킬 수 있다.
사용자가 표적 상태(ST)를 향한 이동 동안 툴(104)의 제어를 실행하기 위해 툴(104)과의 수동 접촉을 유지하기를 원할 경우, 수술 시스템(100)은 또한 가이드-햅틱 모드로 동작할 수 있다. 가이드-햅틱 모드는 사용자가 표적 상태(ST)에 또는 그렇지 않으면 표적 상태(끌어당기는)에 툴(104)을 배치하도록 안내하거나 또는 사용자가 표적 상태로부터 멀어지도록(반발하는) 안내하는데 사용될 수 있다. 가이드-햅틱 모드에서, 수동 모드 및 반자율 모드 둘 다에서 사용되는 제어의 양태들이 이용된다. 예를 들어, 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들은 여전히 센서(180)에 의해 검출되어 가상 시뮬레이션(VS)로 공급되는 외력(Fext)을 결정하여 툴(104)의 전체 이동에 적어도 부분적으로 영향을 준다. 추가로, 가이드-햅틱 모드에서, 수술 시스템(100)은 외력(Fext)과 함께 가상 시뮬레이션(VS)으로 공급되는 가상 제약(VC) 힘(Fc)에 구현된 가상 인력(또는 반발력)을 생성한다. 가이드-햅틱 모드는 표적 상태(ST)(반발력 햅틱)로부터 툴(104)을 유지하고/하거나 툴(104)을 표적 상태(ST)(인력 햅틱) 측으로 끌어당기는 데 사용될 수 있다.
가상 인력(VF)은 가상 시뮬레이션(VS)에서 가상 강체(VRB)에 가상으로 가해질 수 있고 표적 상태(ST)를 향해 툴(104)을 끌어당기거나 그렇지 않으면 가압하도록 적응되는 힘들 및/또는 토크들을 포함한다. 가상 인력(VF)은, 툴(104)이 표적 상태(ST)에 도달하기 위해 어떻게 이동되어야 하는지를 사용자에게 표시하기 위해 햅틱 피드백을 사용자에게 제공하는 방식으로 툴(104)의 전체 이동에 영향을 미친다. 보다 구체적으로, 가상 시뮬레이션(VS)에서, 가상 인력(VF)과 연관된 힘들 및/또는 토크들은, 궁극적으로 툴(104)이 표적 상태(ST)에 도달하기 위해 툴(104)이 이동되어야 하는 방향/회전을 나타내는 햅틱 상호작용 효과들을 사용자에게 제공하는 방식으로 이동되도록 외력(Fext)(및/또는 다른 힘들 및/또는 토크들)의 힘들 및/또는 토크들의 효과들에 대응할 수 있다. 따라서, 가이드-햅틱 모드는 툴(104)을 이동시키기 위해 수동 조작에 의존하지만, 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들에 기초하여 발생했을 움직임을 단지 에뮬레이션하는 대신에, 이러한 움직임은 사용자를 표적 상태(ST) 측으로 안내하기 위해 능동적으로 제어된다. 따라서, 가이드-햅틱 모드는 툴(104)의 자율적(또는 반자율적) 이동과 연관된 혜택들을 제공하면서 사용자가 툴(104)과 직접 관여하는 것을 허용한다.
가이드-햅틱 모드에서, 툴(104)은 사용자에게 햅틱 상호작용 효과들을 제공하기 위해 표적 상태(ST)를 향해 효과적으로 끌어당겨진다. 이러한 효과들은 표적 상태(ST)를 향해 툴(104)을 끌어당기기 위해 하나 이상의 자유도(DOF)에서 생성될 수 있다. 따라서, 표적 상태(ST)는 툴(104)이 단지 하나의 자유도(DOF)로 끌어당기도록 정의될 수 있거나, 또는 툴(104)이 하나 이상의 자유도(DOF)로 끌어 당겨지도록 정의될 수 있다. 따라서, 표적 상태(ST)는 표적 좌표계(TF)에 정의된 표적 위치(PT), 표적 방향(OT), 또는 둘 모두(예를 들어, 표적 포즈(TP))를 포함할 수 있다. 표적 위치(PT)는 표적 좌표계(TF)의 x, y, 및/또는 z 축들에 대한 하나 이상의 위치 성분들(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP) 및/또는 z 위치(ZP))을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 표적 위치(PT)는 표적 좌표계(TF)의 원점으로서 표현될 수 있다. 유사하게, 표적 방향(OT)은 표적 좌표계(TF)의 x, y, 및/또는 z 축들에 대한 하나 이상의 방향 성분들(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 방향(ZO))을 포함할 수 있다. x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), y 방향(YO), 및 z 방향(ZO)은 각각 (예를 들어, 좌표계의) 각각의 자유도(DOF)를 나타낸다. 일부 경우에, 표적 방향(OT)은 표적 좌표계(TF)의 x, y, z 축의 방향으로서 표현될 수 있다. "표적 포즈"(TP)라는 용어는 하나 이상의 위치 성분들(XP, YP, ZP) 및 하나 이상의 방향 성분들(XO, YO, ZO)의 조합을 의미한다. 일부 경우에, 표적 포즈(TP)는 표적 좌표계(TF)의 모든 6 자유도(DOF)에서 표적 위치(PT) 및 표적 방향(OT)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 표적 위치(PT) 및/또는 표적 방향(OT)은 또한 시작 위치 및/또는 시작 방향으로 지칭될 수 있다.
표적 좌표계(TF)는 표적 상태(ST)가 정의된 임의의 좌표계일 수 있고, 표적 상태(ST)는 툴(104)의 표적 상태(ST)에 대해 툴(104)의 현재 상태(SC)를 모니터링하기 위해 요구되는 임의의 다른 좌표계로 변환될 수 있다. 표적 상태(ST)는 트랙커 좌표계, 로컬라이저 좌표계(LCLZ), 매니퓰레이터 좌표계(MNPL), 가상 질량 좌표계(VM), 툴 중심점(TCP) 좌표계 등에서 추적될 수 있다. 표적 상태(ST)는 환자(P)에 대한 해부학적 모델(AM)에 대해 정의될 수 있으며, 해부학적 모델 좌표계, 해부학적 트랙커 좌표계(예를 들어, 하나 이상의 환자 트랙커들(160A, 160B)에 의해 추적되는) 등에서 환자(P)의 해부학적 구조에 대해 고정될 수 있다. 툴(104)의 현재 상태(SC)는 유도 좌표계(guided coordinate system; GF)에 대해 정의될 수 있다. 유도 좌표계(GF)는 다른 좌표계에 연결될 수 있거나, 또는 현재 상태(SC)는 표적 상태(ST)에 대한 현재 상태(SC)의 추적이 가능하도록 임의의 유도 좌표계(GF)로 변환될 수 있다. 예를 들어, 현재 상태(SC)는 트랙커 좌표계, 로컬라이저 좌표계(LCLZ), 매니퓰레이터 좌표계(MNPL), 가상 질량 좌표계(VM), 툴 중심점(TCP) 좌표계 등에서 추적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 툴(104)의 현재 상태(SC)는 초기에 툴 중심점(TCP) 좌표계(예를 들어, TCP 좌표계 및 유도 좌표계(GF)가 예시적인 목적들을 위해 동일한 것으로 도시되어 있음)에 의해 정의될 수 있고, 표적 상태(ST)는 해부학적 모델 좌표계에 대해 초기에 정의될 수 있지만, 유도 좌표계(GF) 및 표적 좌표계(TF) 둘 다 추적 목적들을 위해 공통 좌표계로 변환될 수 있다. 표적 상태(ST)는 수술 전, 수술 중 또는 둘 다로 정의될 수 있다. 수술 중 계획, 해부학적 모델 등의 다양한 양태들은 "Surgical Systems and Methods for Facilitating Ad-hoc Intraoperative Planning of Surgical Procedures"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2018/0333207 A1호에 설명된 것과 유사할 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 다른 구성들이 고려된다.
제어 시스템(124)은 툴(104)을 표적 상태(ST)로 끌어 당기는 가상 시뮬레이션(VS)에 이용되는 가상 인력(VF)(예를 들어, 힘들 및/또는 토크들)을 산출하도록 정의된 가상 제약들(VC)을 이용한다. 이러한 가상 제약들(VC)은 본원에서 가이드 제약들(GC)로 지칭된다. 가이드 제약들(GC)은 궁극적으로 표적 상태(ST)를 향한 툴(104)의 이동에 영향을 주도록 정의되어, 사용자는 위에서 설명된 햅틱 상호작용 효과들 중 하나 이상을 제공받는다. 일반적으로, 가상 제약들(VC)은 다른 모션 관련 정보와 함께, 매니퓰레이터(102)가 툴(104)을 이동시키도록 명령하는 방법을 결정하기 위해 제어 시스템(124)에 의해 고려되는 강체들의 모션에 대한 제한들이다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 가이드 제약들(GC)은 가이드 제약들(GC)이 무한히 강하지 않도록 구성 가능한 스프링 파라미터들(PS) 및 감쇠 파라미터들(PD)을 갖는다. 보다 구체적으로, 일부 버전들에서, 가이드 제약들(GC)은, 표적 상태(ST)에 대한 반대 방향들에서 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들로부터 기인하는 모션과 같은, 이들을 위반하는 모션을 방지하지 않도록 "소프트 제약들"로서 정의된다. 따라서, 가이드-햅틱 모드 또는 다른 모드들에서, 사용자는 여전히 가이드 제약들(GC)에 위반하여 표적 상태(ST)에 대한 방향으로 툴(104)의 모션에 영향을 미칠 수 있지만, 가이드 제약들(GC)은 여전히 사용자가 느끼는 사용자(예를 들어, 햅틱 상호작용 효과들)에 대한 인력들 및 토크들을 발생시키도록 작용하여, 사용자는 툴(104)이 표적 상태(ST)에 도달하기 위해 이동되어야 하는 방향을 알게 된다. 예를 들어, 사용자는 표적 상태(ST)로부터 멀어지는 것에 비해 툴(104)이 표적 상태(ST)를 향해 이동될 수 있는 용이성에 의해 이러한 햅틱 상호작용 효과들을 느낄 수 있다(예를 들어, 사용자는 표적 상태(ST)를 향해 이동하는 것에 비해 표적 상태(ST)로부터 멀리 툴(104)을 이동시키기 위해 더 많은 작업이 필요한 것처럼 느낄 수 있음). 즉, 물리적 스프링이 표적 좌표계(TF)와 툴(104)의 유도 좌표계(GF)를 연결하는 것처럼 사용자에게 느낄 수 있다(도 6의 스프링 및 댐퍼의 도면 참조).
하나 이상의 가이드 제약들(GC)은, 표적 위치(PT)와 연관된 최대 3개의 가이드 제약들(GC) 및 표적 방향(OT)과 연관된 최대 3개의 가이드 제약들(GC)을 포함하여, 사용자를 가이드하기 위해 제어 시스템(124)에 의해 사용될 수 있다. 아래에 더 자세하게 설명된 바와 같이, 제어 시스템(124)은 가이드 제약들(GC)(및 사용된다면, 다른 가상 제약들(VC))을 충족시키는 제약력(Fc)을 계산하도록 동작한다. 구속력(Fc)은 툴(104)을 표적 상태(ST)로 끌어당기기 위해 그 안에 가상 인력(VF)(예를 들어, 힘들 및/또는 토크들)을 포함한다. 가이드 제약들(GC) 각각은 1차원 가상 제약들(VC)로 간주된다. 일부 실시예들에서, 가이드 제약들(GC)은 속도 임펄스 제약들이다. 일부 실시예들에서, 제약들은 앞서 참조된 "Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,119,655호에 설명된 임펄스 모델링에 사용되는 것과 유사하다. 일부 실시예들에서, 이러한 가상 제약들(VC)은 수동 모드 또는 반자율 모드가 아닌, 가이드 햅틱 모드에서 배타적으로 정의된다. 일부 실시예들에서, 가상 제약들(VC)은 모든 모드들에서 사용된다. 다른 구성들이 고려된다.
도 6에서, 표적 위치(PT)와 연관된 3개의 가이드 제약들(GC)은 표적 좌표계(TF)에 정의된 것으로 예시적으로 표현된다. 이들 3개의 가이드 제약들(GC)의 결과로서 궁극적으로 계산되는 구속력(Fc)은, 툴(104)의 툴 중심점(TCP)을 표적 위치(PT)로(예를 들어, 표적 좌표계(TF)의 원점으로) 안내하는 스프링 파라미터들(PS) 및 감쇠 파라미터들(PD)을 포함하는 인력을 포함하는 것으로 예시된다. 이는 단지 하나의 예일 뿐이다. 구속력(Fc)은 또한 툴(104)를 표적 방향과 정렬시키기 위해 힘과 토크의 성분을 포함할 수 있다.
가이드 제약들(GC)(및 사용되는 경우, 다른 가상 제약들(VC))은 주로 3개의 런타임 파라미터들, 즉 제약 야코비안(Jp), 원하는 속도(Vdes)(또는 Vp2), 및 제약 거리(Δd)에 의해 정의된다. 야코비안(Jp)은 각각의 1차원 가이드 제약(GC)을 가상 시뮬레이션(VS)(예를 들어, 가상 질량 좌표계(VM))에 이용되는 좌표계에 맵핑한다. 원하는 속도(Vdes)(또는 Vp2)는 표적 좌표계(TF)에서의 가이드 제약(GC)의 스칼라 속도이다. 여기서, 원하는 속도(Vdes)는 환자(P)가 움직이지 않고 환자(P)에 대해 정의된 관련 표적 상태(ST)가 이동하지 않을 때 0일 수 있고, 표적 상태(ST)가 환자(P)에 묶여 있을 수 있기 때문에 환자(P)가 이동할 때 0이 아닐 수 있다. 제약 거리(Δd)는 유도 좌표계(GF)가 제약에 얼마나 근접한지를 지칭하고, 제약이 위반되는지 여부를 지시한다. 일부 경우들에서, Δd는 표적 상태(ST)로부터의 현재 상태(SC)의 거리/각도를 지칭하고, 가이드 제약(GC)은 현재 상태(SC)가 관련 자유도에 대해 표적 상태(ST)와 일치하지 않을 때마다 위반된다.
가이드 제약들(GC)은 완벽하게 강성이 아니지만, 대신에 가이드 제약들(GC) 각각은 (예를 들어, 스프링 파라미터들(PS) 및/또는 감쇠 파라미터들(PD)을 통합함으로써) 가상 제약들(VC)의 강성을 조정하기 위한 튜닝 파라미터들(TPA)을 갖는다. 이러한 튜닝 파라미터들(TPA)은 구속력 혼합 파라미터(C) 및 에러 감소 파라미터()를 포함할 수 있다. 스프링 파라미터들(PS) 및 감쇠 파라미터들(PD)은 가이드 햅틱 모드에서 동작 동안, 또는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 다른 모드들 동안 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 튜닝 파라미터들(TPA)에 대한 값들은 현재 상태(SC)와 표적 상태(ST) 간의 관계에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 튜닝 파라미터들(TPA)은 툴(104)이 표적 상태(ST)에 가까워질수록 강성을 증가시키도록 구성될 수 있거나, 튜닝 파라미터들(TPA)은 툴(104)이 표적 상태(ST)에 접근함에 따라 강성을 감소시킬 수 있다. 튜닝 파라미터들(TPA)은 상이한 가이드 제약들(GC)에 대해 상이할 수 있다. 예를 들어, 가이드 제약들(GC)은 튜닝 파라미터(TP1)에 대한 제1 값을 갖는 제1 가상 제약(VC) 및 튜닝 파라미터(TPA)에 대한 제2 값을 갖는 제2 가상 제약(VC)을 포함할 수 있고, 제1 값은 제2 값보다 커서, 구속력(Fc)에 구현된 결과적인 가상 인력(VF)(예를 들어, 힘들 및/또는 토크들)이 제2 가상 제약(VC)에 비해 제1 가상 제약(VC)의 결과로서 툴(104)을 더 강하게 끌어당기도록 적응된다. 튜닝 파라미터들(TPA)의 값들은 위치 제약들이 방향 제약들에서 보다 더 클 수 있고(예를 들어, 더 견고할 수 있음), 또는 그 반대일 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
튜닝 파라미터들(TPA)은 또한 현재 상태(SC)로부터 표적 상태(ST)까지의 거리/각도에 관계없이 일정하게 유지되고; 현재 상태(SC)와 표적 상태(ST) 사이의 거리에 따라 지수적으로 상승/하강하고; 현재 상태(SC)와 표적 상태(ST) 사이의 거리에 따라 선형적으로 달라지고; 제약 방향에 따라 달라지고; 중력 효과를 고려하는 식으로 설정될 수 있다. 하나의 자유도(DOF)와 연관된 하나의 가상 제약(VC)에 대한 튜닝 파라미터(TPA)는 다른 자유도(DOF)와 연관된 관계에 기초하여 설정될 수 있다(예를 들어, x-축 제약의 강성은 현재 상태(SC)와 표적 상태(ST) 사이의 y-축을 따른 거리에 기초하여 변할 수 있음). 튜닝 파라미터들(TPA)은 또한 표적 상태(ST)에 도달하기 위해 툴(104)이 이동할 필요가 있는 방향(예를 들어, x-축을 따른 반대 방향에 비해 x-축을 따라 일 방향으로 이동할 때 더 강함)에 따라 변할 수 있다. 튜닝 파라미터들(TPA)은 또한 가이드 제약들(GC)에 기초하여 궁극적으로 계산되는 제약력(Fc), 예컨대 제약력(Fc)의 크기에 따라 강성을 증가/감소시킴으로써, 또는 그 임의의 성분들에 따라 스케일링될 수 있다. 하나 이상의 가상 인력(VF)에 대한 고정된 값들은 또한 몇몇 경우들에서 가상 시뮬레이션(VS)에 추가될 수 있다.
가이드 제약들(GC)에 대한 튜닝 파라미터들(TPA)은 사용자가 툴(104)이 표적 위치(PT) 및/또는 표적 방향(OT)으로부터 쉽게 멀어지게 할 수 있도록 설정될 수 있다. 다시 말하면, 튜닝 파라미터들(TPA)은 가상 시뮬레이션(VS)에서, 사용자에 의해 가해진 힘들 및 토크들의 영향이 가상 인력(VF)의 영향(예를 들어, 힘들 및 토크들)을 능가하도록 설정될 수 있다. 따라서, 제어 시스템(124)은 가이드 제약들(GC)이 인에이블될 때에도 사용자가 표적 위치(PT) 및/또는 표적 방향(OT)으로부터 떨어져 툴(104)을 재배치 및/또는 재배향하도록 구성될 수 있다. 가이드 제약들(GC)에 대한 튜닝 파라미터들(TPA)은 수술 전 또는 수술 중 설정될 수 있거나, 수술 중에 업데이터 될 수 있거나, 이들의 조합들일 수 있다. 튜닝 파라미터들(TPA) 및 그들의 값들, 특정 관계에 대한 그들의 상관, 및 이들이 스케일링될 수 있는 방식은, 추후 검색을 위해 제어 시스템(124)의 임의의 적합한 메모리(140) 내의 하나 이상의 룩업 테이블들에 저장될 수 있다.
각 가이드 제약(GC)은 또한 구성 파라미터들(CPA)을 갖는다. 구성 파라미터(CPA)는, 구속력 혼합 파라미터(C) 및 에러 감소 파라미터()와 같은 튜닝 파라미터들(TPA)에 관한 정보; 상한력 제한(FLU) 및/또는 하한력 제한(FLL); 및/또는 상한 제한 거리 오프셋들(DOU) 및/또는 하한 제한 거리 오프셋들(DOL)을 포함할 수 있다. 상한력 및 하한력 제한들(FLU, FLO)은, 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 구속력(Fc)을 생성하기 위해 제약 솔버(constraint solver)(192)에 의해 궁극적으로 해결되는 각 가이드 제약(GC)에 대해 계산된 힘들에 대한 제한들을 지칭한다. 가이드 제약들(GC)은 양면 제약들(예를 들어, 제약들을 충족시키기 위해 계산된 힘들이 양 또는 음일 수 있음)이고, 힘 제한들(FLU, FLO)은 양 및 음의 방향들(예를 들어, -100,000/+100,000 뉴톤들)에서 높게 설정되거나 또는 임의의 원하는 제한에서 설정될 수 있다. 상한 및 하한 제한 거리 오프셋들(DOU, DOL)은 제약이 활성 상태일 때를 나타낸다. 가이드 제약들(GC)에 대해, 상한 및 하한 제한 거리 오프셋들(DOU, DOL)은 현재 상태(SC)가 표적 상태(ST)와 다를 때마다 제약이 활성화되도록 설정될 수 있다.
도 7은 일부 실시예들에서 가이드-햅틱 모드를 실행하기 위해 수행되는 프로세스들을 예시한다. 여기서, 거동 제어(178)는 경로 핸들러(188), 가이드 핸들러(190), 제약 솔버(192), 및 가상 시뮬레이터(194)를 포함한다. 거동 제어(178)는 경계 생성기(172)에 의해 생성된 하나 이상의 가상 경계들(174)에 기초하여 가상 경계 제약들(BC)을 생성하기 위한 경계 핸들러(196)를 더 포함한다. 경로 핸들러(188), 가이드 핸들러(190), 제약 솔버(192), 가상 시뮬레이터(194), 및 경계 핸들러(196)는 각각 전술한 컨트롤러들(132, 136) 중 어느 하나 이상의 비일시적 메모리(140)에 저장되고 제어 시스템(124)에 의해 구현되는 실행 가능한 소프트웨어를 포함한다. 위에서 소개된 거동 제어(178)의 부분들 각각은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
가이드 핸들러(190)는 툴(104)에 대한 표적 상태(ST)를 획득하고 툴(104)의 표적 상태(ST) 및 현재 상태(SC)에 기초하여 하나 이상의 가이드 제약들(GC)을 생성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 가이드 핸들러(190)로의 2개의 입력들은 현재 상태(SC) 및 표적 상태(ST)를 포함한다. 현재 상태(SC)는 마지막 명령 포즈(CP)가 툴(104)의 현재 포즈와 상관되기 때문에, 마지막 명령 포즈(CP)에 대해 정의될 수 있다. 표적 상태(ST)는 해부학적 좌표계, 해부학적 트랙커 좌표계 등에서 정의되고 현재 상태(SC)와 함께 공통 좌표계로 변환될 수 있다. 가이드 핸들러(190)로의 다른 입력들은 구성 파라미터들(CPA) 및 가이드 제약들(GC)에 대한 튜닝 파라미터들을 포함한다. 가이드 핸들러(190)는 현재 상태(SC)와 표적 상태(ST) 사이의 관계, 및 구성 파라미터들(CPA)과 튜닝 파라미터들(TPA) 사이의 관계에 기초하여 하나 이상의 가이드 제약들(GC)을 정의한다. 가이드 제약들(GC)은 가이드 핸들러(190)로부터 제약 솔버(192)로 출력된다.
가이드 제약들(GC), 경로 제약들(PC), 경계 제약들(BC), 및 다른 제약들을 포함하는 다양한 가상 제약들(VC)이 제약 솔버(192) 내로 공급될 수 있다. 이러한 가상 제약들(VC)은 제어 시스템(124)에 의해 턴 온/턴 오프될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 경로 제약들(PC)이 없을 수 있고, 경계 제약들(BC)이 없을 수 있으며, 그리고 다른 제약들이 생성되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 일부 경우들에서 그리고 특정 동작 모드들에서 생성되는 가이드 제약들(GC)이 없을 수 있다. 거동 제어(178)에서 이용되는 모든 가상 제약들(VC)은 툴(104)의 이동에 영향을 미칠 수 있다. 설명을 위해, 가이드 제약들(GC)만이 상세히 설명될 것이다.
제약 솔버(192)는 제약 솔버(192)에 공급되는 가상 제약들(VC)에 기초하여 가상 시뮬레이터(194)에서 툴(104)에 가상으로 인가될 구속력(Fc)을 계산한다. 가이드-햅틱 모드에서, 구속력(Fc)은 하나 이상의 가이드 제약들(GC)에 기초하여 현재 상태(SC)로부터 표적 상태(ST)를 향해 툴(104)을 끌어당기도록 적응된 힘 및/또는 토크의 성분들을 포함한다. 제약 솔버(192)에 가이드 제약들(GC)만이 입력되는 경우, 구속력(Fc)은 위에서 설명된 가상 인력(VF)으로 간주될 수 있다. 그러나, 다른 가상 제약들(VC)이 사용될 때, 제약 솔버(192)는 궁극적으로 모든 가상 제약들(VC)을 충족시키는 구속력(Fc)에 대한 솔루션을 제공하는 임무를 수행하게 되고, 따라서 다른 가상 제약들(VC)은 또한 구속력(Fc)의 크기/방향에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 경우에, 가상 인력(VF)(예를 들어, 힘들 및/또는 토크들)은 가이드 제약들(GC)의 결과로서 표적 상태(ST) 쪽으로 향하는 구속력(Fc)의 힘 및 토크 성분들로 간주된다.
도 8에 도시된 제약 방정식(CEQ)을 참조하면, 제약 솔버(192)는 Fp를 구하기 위해 각 가상 제약(VC)에 대한 제약 데이터를 행렬 형태의 제약 방정식(CEQ)의 대응하는 행에 배치한다. 여기서, Fp는 표적 좌표계(TF)에서의 힘 벡터로서, Fp의 각 성분은 대응하는 제약 방향으로 작용하는 스칼라 구속력이다. Fp에 대해 해결하기 위해, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 도 8에 도시된 방정식은 각 행이 단일의 1차원 가상 제약(VC)을 나타내는 행렬 방정식으로 변환된다. 제약 데이터는 외력(Fcgext), 감쇠력(Fdamping), 관성력(Finertial), 가상 질량 행렬(M), 가상 질량 속도(Vcg1), 및 시간 단계(Δt)(예를 들어, 125 마이크로초)와 같은 제약 솔버(192)에 의해 알려진 다른 정보와 함께 제약 방정식(CEQ)에 배치된다.
가상 질량 행렬(M)은 3 x 3 질량 행렬과 관성 행렬을 조합한다. 감쇠력 및 관성력(Fdamping 및 Finertial)은 가상 시뮬레이터(194)에 의해 계산되거나 아니면 공지되고, 이전 시간 단계에서 가상 시뮬레이터(194)에 의해 출력된 가상 질량 속도(Vcg1)(예를 들어, 가상 질량 좌표계(VM)의 속도)에 기초한다. 가상 질량 속도(Vcg1)는 선형 및 각속도 성분들을 포함하는 6자유도(DOF) 속도 벡터이다. 감쇠력(Fdamping)은 가상 질량 속도(Vcg1)와 감쇠 계수 행렬(선형 및 회전 계수들은 동일하지 않을 수 있음)의 함수로서 계산된 6자유도(DOF) 힘/토크 벡터이다. 가상 질량에 감쇠가 적용되어 그 안정성을 향상시킨다. 관성력(Finertial)은 또한 가상 질량 속도(Vcg1) 및 가상 질량 행렬(M)의 함수로서 계산된 6 자유도(DOF) 힘/토크 벡터이다. 감쇠력 및 관성력(Fdamping 및 Finertial)은 "Robotic System and Method for Transitioning Between Operating Modes"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제 9,566,122호에 설명된 방식으로 결정될 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
제약 솔버(192)는 방정식들의 체계를 가장 잘 충족하는(예를 들어, 다양한 가상 제약들(VC)을 가장 잘 충족하는) 해를 제공하기 위해 제약 방정식들(CEQ)의 체계를 풀기 위해 임의의 적절한 알고리즘 명령어들(예를 들어, 반복 제약 솔버, 투영된 가우스-자이델(Gauss-Seidel) 솔버 등)로 구성될 수 있다. 일부 경우에, 모든 가상 제약들(VC)은 동시에 충족되지 않을 수 있다. 예를 들어, 모션이 다양한 가상 제약들(VC)에 의해 과도하게 제약되는 경우, 제약 솔버(192)는 본질적으로 다양한 가상 제약들(VC)의 상대적인 강성/감쇠가 주어진 "최적 맞춤(best fit)" 솔루션을 찾을 것이다. 제약 솔버(192)는 방정식의 체계를 풀고, 궁극적으로 구속력(Fc)을 출력한다.
투영된 가우스 자이델 솔버가 사용되는 경우, 제약 솔버(192)는 가상 제약들(VC)에 기초하여 A 및 b 행렬들을 구성하고, 투영된 가우스-자이델을 사용하여 방정식의 체계를 풀어서 결과적인 힘 벡터(Fp)를 결정한다. 그런 다음, 제약 솔버(192)는 투영된 가우스-자이델의 출력을 취하고, 이를 표적 좌표계(TF)(예를 들어, 제약 좌표계)로부터 가상 질량 좌표계(VM)로 변환한다. 예를 들어, 식 Fc = Jp T Fp를 사용하여(여기서 Fc는 구속력임), 각각의 결과적인 힘 벡터(Fp)는 가상 질량 좌표계(VM)에 적용된 힘/토크 벡터로 변환된다.
투영된 가우스-자이델을 사용하여 여러 제약들에 대한 방정식의 체계를 푸는 방법은 예를 들어, http://www.mft-spirit.nl/files/MTamis_ConstraintBasedPhysicsSolver.pdf에서 찾을 수 있는, 2015년 6월 15일자(v1.02)의 Marijn Tamis와 Giuseppe Maggiore의 "Constraint based physics solver"; 또는 http://www.mft-spirit.nl/files/MTamis_PGS_SI_Comparison.pdf에서 찾을 수 있는, 2015년 7월 1일자 (v1.01)의, Marijn Tamis의 "Comparison between Projected Gauss-Seidel and Sequential Impulse Solvers for Real-Time Physics Simulations"에 나타나 있으며; 이 둘 모두는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
투영된 가우스-자이델 방법은 선형 상보성 문제들(LCP)을 다룬다. LCP와 연관된 부등식은 일부 제약 유형들(예를 들어, 경계 제약들(BC)과 같은 단방향(one-sided) 가상 제약들(VC))이 단지 한 방향으로 힘(예를 들어, 양의 구속력)을 푸쉬 또는 "인가"할 수 있기 때문에 발생한다. 이러한 가상 제약(VC)에 대한 계산된 힘이 유효하지 않은 제약 솔버(192)의 주어진 반복에 대해 음인 경우(또는, 더 넓게, 그 허용 범위를 벗어나는 경우), 주어진 가상 제약(VC)은 프루닝(pruning)(또는 그 상위 또는 하위 허용 값(FLU, FLO)에서 교대로 제한/캡핑됨)되어야 하고, 나머지 가상 제약들(VC)은 적절한 결과(예를 들어, 수렴)가 발견될 때까지 해결된다. 이러한 방식으로, 제약 솔버(192)는 주어진 시간 단계 동안 활성 가상 제약(VC) 세트를 결정하고, 그런 다음 그들의 값들에 대해 해결한다. 다른 가상 제약(VC) 유형들은 양의 방향 및 음의 방향(예를 들어, 양방향 가상 제약들(VC)) 둘 다에서 힘들을 가할 수 있다. 이러한 가상 제약들(VC)은 사용자가 표적 상태(ST)를 향해 툴(104)을 이동시키도록 안내하는데 사용되는 가이드 제약들(GC)을 포함한다. 이러한 양방향 가상 제약들(VC)은, 인에이블될 때, 일반적으로 활성이고 제약 솔버(192) 반복들 동안 프루닝/제한되지 않는다.
제약 솔버(192)에 의해 계산된 구속력(Fc)은 x, y, z축을 따른 3개의 힘 성분들과 x, y, z축에 대한 3개의 토크 성분들을 포함한다. 가상 시뮬레이터(194)는 그 가상 시뮬레이션(VS)에서, 외력(Fcgext), 감쇠력(Fdamping), 및 관성력(Finertial)(이들 모두는 힘/토크의 6개의 성분들을 포함할 수 있음)과 함께 구속력(Fc)를 이용한다. 일부 경우에, 힘/토크의 이러한 성분들은 먼저 공통 좌표계(예를 들어, 가상 질량 좌표계(VM))로 변환되고 그런 다음 합산되어 총력(FT)을 정의한다. 결과적인 6 자유도(DOF) 힘(예를 들어, 힘 및 토크)이 가상 강체(VRB)에 인가되고, 결과적인 모션이 가상 시뮬레이터(194)에 의해 계산된다. 따라서, 가상 시뮬레이터(194)는, 무엇보다도, 다양한 가상 제약들(VC)이 가상 강체(VRB)의 모션에 어떻게 영향을 미치는지 효과적으로 시뮬레이션하도록 작용한다. 가상 시뮬레이터(194)는 순방향 동역학을 수행하여 가상 강체(VRB)에 인가되는 주어진 총력(FT)에 기초하여 가상 강체(VRB)의 결과적인 6자유도(DOF) 포즈 및 속도를 계산한다. 일부 실시예들에서, 가상 시뮬레이터(194)는 전술한 컨트롤러들(132, 134, 136) 중 어느 하나 이상의 비일시적 메모리(140)에 저장되고 제어 시스템(124)에 의해 구현되는 실행 가능한 소프트웨어로 구현된 물리적 엔진을 포함한다.
가상 시뮬레이션(VS)에 대해, 가상 시뮬레이터(194)는 가상 질량 좌표계(VM)에서 가상 강체(VRB)로서 툴(104)을 모델링하며, 가상 질량 좌표계(VM)의 원점은 가상 강체(VRB)의 질량의 중심에 위치되고, 좌표 축들은 가상 강체(VRB)의 주축들과 정렬된다. 가상 강체(VRB)는 가상 시뮬레이션(VS)의 목적을 위해 툴(104)의 동적 객체 및 강체 표현이다. 가상 강체(VRB)는 가상 시뮬레이션(VS)에 따라 데카르트 공간(Cartesian space)에서 6자유도(DOF)에 따라 자유롭게 이동할 수 있다. 가상 시뮬레이션(VS)은 시각적 또는 그래픽 표현 없이 계산적으로 처리될 수 있다. 따라서, 가상 시뮬레이션(VS)이 가상 강체(VRB)의 동역학을 디스플레이할 필요가 없다. 즉, 가상 강체(VRB)는 처리 유닛 상에서 실행되는 그래픽 애플리케이션 내에서 모델링될 필요가 없다. 가상 강체(VRB)는 가상 시뮬레이션(VS)에 대해서만 존재할 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다.
가상 강체(VRB) 및 그 속성들(예를 들어, 질량, 관성 행렬, 질량 중심, 주축 등)은 (예를 들어, 사용자에 의해 인가되는 힘들 및 토크들과 가상 인력들(VF) 및/또는 토크들을 통합하는 총력(FT)으로부터) 인가된 힘들 및 토크들에 응답하여 툴(104)이 어떻게 이동할 것인지를 정의한다. 가상 강체(VRB)는 툴(104)이 무겁거나 가벼울 것인지 여부 및 인가된 힘들 및 토크들에 응답하여 이를 어떻게 이동(예를 들어, 병진이동 및/또는 회전 시 가속)할 것인지를 통제한다. 가상 강체(VRB)의 속성들을 조정함으로써, 제어 시스템(124)은 툴(104)이 사용자에게 어떻게 느끼는지를 조정할 수 있다. 가능한 한 현실적이지만 요구되지 않는 모션/느낌을 제공하는 것과 같이, 툴(104)의 실제 속성들에 합리적으로 근접하도록 모델링된 가상 강체(VRB)의 속성들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 제어 안정성 이유들로(예를 들어, 매니퓰레이터의 유한 가속도, 제어 레이턴시 등이 주어지면), 가상 질량 및 관성은 물리적 툴(104)의 것보다 다소 더 높게 모델링될 수 있다.
가상 강체(VRB)는 툴(104) 상에 또는 그 내에 있을 수 있는 컴포넌트들에 대응할 수 있다. 추가로, 또는 대안으로, 가상 강체(VRB)는 물리적 툴(104)을 넘어 부분적으로 연장될 수 있다. 가상 강체(VRB)는 에너지 어플리케이터(114)를 갖는 툴(104)을 고려할 수 있거나, 에너지 어플리케이터(114)를 갖지 않는 툴(104)을 고려할 수 있다. 게다가, 가상 강체(VRB)는 툴 중심점(TCP)에 기초할 수 있다. 일 예에서, 가상 강체(VRB)의 질량의 중심은 가상 힘이 가상 강체(VRB)의 다른 지점에 가해지고 가상 강체(VRB)가 달리 제한되지 않은(예를 들어, 매니퓰레이터(102)에 의해 제한되지 않는) 경우 가상 강체(VRB)가 회전하는 지점인 것으로 이해된다. 가상 강체(VRB)의 질량의 중심은 툴(104)의 실제 질량 중심에 근접할 수 있지만, 이와 동일할 필요는 없다. 가상 강체(VRB)의 질량 중심은 경험적으로 결정될 수 있다. 일단 툴(104)이 매니퓰레이터(102)에 부착되면, 질량 중심의 위치는 개별 사용자들의 선호도들을 받아들이도록 재설정될 수 있다.
가상 시뮬레이터(194)는 가상 시뮬레이션(VS)에서 가상 강체(VRB)에 힘들 및/또는 토크들을 가상으로 인가함으로써, 예를 들어 가상 질량 좌표계(VM)에서 가상 강체(VRB)의 질량 중심 상의 총력(FT)으로부터의 힘 및 토크의 성분들을 가상으로 인가함으로써 툴(104)의 강체 동학을 효과적으로 시뮬레이션한다. 따라서, 가상 강체(VRB)에 가상으로 인가된 힘들/토크들은 (예를 들어, 하나 이상의 센서들(180)로부터의 입력에 기초한) 외력(Fcgext), 감쇠력(Fdamping), 관성력(Finertial)과 연관된 힘들/토크들, 및 (구속력(Fc)으로 구현됨으로써) 다양한 가상 제약들(VC)과 연관된 구속력(Fc)으로부터의 힘들/토크들을 포함할 수 있다.
강체 야스비안은 동일한 가상 강체(VRB) 상에서 하나의 좌표계(또는 "참조 프레임")로부터 다른 좌표계로 속도들 및 힘들을 변환하는데 사용될 수 있으며, 여기서 (예를 들어, 제약 방정식(CEQ)에서 사용되는 외력(Fcgext)을 산출하기 위해) 가상 질량 좌표계(VM)로의 외력(Fext)의 힘들 및 토크들을 변환하는 데 사용될 수 있다. 그런 다음, 가상 시뮬레이터(194)는 내부적으로 감쇠력(Fdamping) 및 관성력(Finertial)을 계산하여 전체 힘(FT)을 결정하고, 또한 다음 시간 단계에서의 방정식의 체계에서 제약 솔버(192)에 의해 사용하기 위한 감쇠력(Fdamping)과 관성력(Finertial)을 출력한다.
도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 가상 순방향 동역학 알고리즘(virtual forward dynamics algorithm; VFA)은, 전체 힘(FT)의 인가 시 이동할 때 가상 강체(VRB)의 모션을 시뮬레이션하기 위해 가상 시뮬레이션(VS)에 사용될 수 있다. 효과적으로, 가상 순방향 동역학 알고리즘(VFA)은 6자유도(DOF)에서 방정식 F=ma(또는 a=F/M)를 풀고, 가속도를 통합하여 속도를 산출하며, 이는 그런 다음 도 10에 도시된 바와 같이 새로운 포즈를 결정하는 데 사용된다. 제어 시스템(124)은 가상 시뮬레이터(194)에 가상 힘들 및/또는 토크들(예를 들어, 총력(FT))을 입력하고, 이러한 가상 힘들 및/또는 토크들은 가상 강체(VRB)가 초기 속도를 갖는 초기 포즈에 있을 때 가상 시뮬레이션(VS)에서 질량 중심(예를 들어, CG)에서 가상 강체(VRB)에 인가된다. 가상 강체(VRB)는 입력된 가상 힘들 및/또는 토크들을 충족하는 제어 시스템(124)에 응답하여 상이한 상태(예를 들어, 위치 및/또는 방향)를 갖고 데카르트 공간 내에서 최종 속도로 최종 포즈로 이동된다. 모션 제어(182)로 전송될 다음 명령된 포즈(CP)는 가상 시뮬레이터(194)에 의해 계산된 최종 포즈에 기초한다. 따라서, 가상 시뮬레이터(194)는 도 10에 도시된 바와 같이 가상 순방향 동역학을 사용하여 가상 강체(VRB)에 총력(FT)을 인가하는 효과들을 시뮬레이션함으로써 다음 명령된 포즈(CP)를 결정하도록 동작한다.
속도 제한들(VL)은 가상 시뮬레이션(VS)에서 가상 강체(VRB)에 부과될 수 있다. 일부 경우에, 속도 제한들(VL)은 일반적으로 가상 시뮬레이션(VS)에 영향을 미치지 않도록 높게 설정될 수 있거나, 또는 임의의 원하는 값으로 설정될 수 있다. 가상 강체(VRB)는 초기 포즈(예를 들어, 초기 상태)에 있고, 가상 시뮬레이션(VS)의 각각의 반복의 개시(예를 들어, 각각의 시간 스텝/간격 dt)에서의 초기 속도를 갖는다. 초기 포즈 및 초기 속도는 이전 시간 단계에서 가상 시뮬레이터(194)에 의해 출력되는 최종 포즈 및 최종 속도로 정의될 수 있다.
궁극적으로, 가상 시뮬레이터(194)는 가상 시뮬레이션(VS)에 기초하여 다음 명령된 포즈(CP)를 계산 및 출력한다. 제어 시스템(124)은 명령된 포즈(CP)에 기초하여 툴(104)을 이동시키도록 매니퓰레이터(102)에 명령하도록 구성되며, 이는 이상적으로는 사용자에게 툴(104)을 표적 상태(ST)에 배치시키는 것을 안내하는 햅틱 피드백을 제공함으로써 사용자가 툴(104)을 표적 상태(ST)에 배치시키는 것을 안내하는 방식으로 툴(104)의 이동을 유발한다. 따라서, 사용자는 수동으로 툴(104)을 조작할 수 있는 반면, 제어 시스템(124)은 가이드 제약들(GC)을 이용하여 툴 이동을 가이드한다. 사용자에 의해 툴(104)에 인가되는 힘들 및 토크들(예를 들어, 센서(180)에 의해 검출됨)은 여전히 툴(104)의 전체 이동에 영향을 미칠 수 있는데, 이는 외력(Fext)이 가상 시뮬레이션(VS)을 실행하기 전에 구속력(Fc)과 결합되어 명령된 포즈(CP)를 결정하기 때문이다. 일부 경우들(예를 들어, 시간 단계들)에서, 총력(FT)은 툴(104)이 표적 상태(ST)로부터 멀리 이동 가능하도록 구속력(Fc)의 힘들 및 토크들을 극복하기에 충분한 크기 및 방향을 갖는 외력(Fext)을 형성하는 힘 및 토크의 성분들을 포함한다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 가이드 제한들(GC)은 외력(Fext)이 소정 상황들에서 영향을 덜 미치도록 튜닝될 수 있는(예를 들어, 스프링 파라미터들(PS) 및 감쇠 파라미터들(PD)에 기초하여) 구성 가능한 강성 및 감쇠를 갖는다.
도 11은 거동 제어(178)에 의해 수행되는 다양한 단계들을 요약한다. 이들은 전술한 바와 같이 제약 솔버(192) 및 가상 시뮬레이터(194)에 의해 수행되는 단계들을 포함한다. 단계(1100)에서, 외력(Fext)은 센서(180)로부터 취해진 판독치들에 기초하여 계산된다. 단계(1102)에서, 다양한 가상 제약들(VC)과 연관된 제약 데이터는 경로 핸들러(188)로부터, 가이드 핸들러(190)로부터, 경계 핸들러(196)로부터, 및/또는 다른 제약들 소스들로부터 제약 솔버(192)로 공급된다.
단계들(1104 내지 1108)에서, 강체 계산들은 가상 시뮬레이터(194)에 의해 수행되어 가상 강체(VRB)의 역질량 행렬(M-1), 관성력(Finertial), 및 감쇠력(Fdamping)을 결정한다. 단계들(1110 내지 1114)에서, 제약 솔버(192)는 단계(1104 내지 1108)에서 수행된 강체 계산들로부터의 출력 및 단계(1102)에서 제공된 제약 데이터를 이용하여 최종적으로 구속력(Fc)을 산출하기 위해 이전에 설명된 구속력 계산들을 수행한다. 단계(1116)에서, 구속력(Fc)은 가상 질량 좌표계(VM)(Fcgext)로 변환된 외력(Fext), 감쇠력(Fdamping), 및 관성력(Finertial)과 합산되어 총력(FT)을 산출한다. 단계(1118)에서, 총력(FT)은 단계(1120)에서 가상 강체(VRB)의 새로운 포즈 및 속도를 결정하고, 궁극적으로 단계(1122)에서 툴 중심점(TCP)으로 새로운 포즈 및 속도를 변환하기 위해 가상 시뮬레이터(194)에 의해 수행되는 가상 시뮬레이션(VS)에서 가상 강체(VRB)에 인가된다. 새로운 명령된 포즈(CP)(TTCP) 및 속도(VTCP)는 단계(1124)에서 가상 시뮬레이터(194)에 의해 출력된다.
이제 도 12를 참조하면, 도 1의 툴들(104) 중 하나를 포함하는 수술 시스템(100)의 부분들, 및 일반적으로 묘사된 표적 부위(TS)가 개략적으로 도시되며, 표적 부위(TS)는 수술 테이블(상세히 도시되지 않음)과 같은 작업면(WS) 상에 지지되는 것으로 도시된다. 여기서, 표적 부위(TS)는 수술 절차에서 치료되어야 하는, 환자(P)의 해부학적 구조, 예컨대 뼈 또는 다른 유형의 조직의 일부를 나타낸다. 이를 위해, 툴(104)은, 위에서 언급된 바와 같이, 표적 부위(TS)에 고정된 제1 환자 트랙커(160A)의 추적된 상태들로부터 네비게이션 시스템(128)에 의해 모니터링되거나 또는 아니면 알려진 궤적(T)을 따라 표적 부위(TS)로부터 이격되어 도시되어 있다. 예시적인 목적을 위해, 제1 툴 트랙커(160G)는 툴(104)에 견고하게 고정된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 네비게이션 시스템(128)은 위에서 언급된 바와 같이 공통 좌표계 내의 다수의 트랙커들(160)의 상태들을 추적할 수 있는 반면, 추적된 객체(예를 들어, 툴(104))의 포즈는 다른 방식으로(예를 들어, 공지된 기하학적 관계들에 기초하여) 결정될 수 있고, 좌표계들 사이에서(예를 들어, 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)와 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 사이에서) 변환될 수 있다. 다르게 말하면, 수술 시스템(100)은, 다른 것들 중에서, 툴(104) 및 에너지 어플리케이터(114)의 기하학적 구조가 알려져 있기 때문에, 예시된 제1 툴 트랙커(160G)를 반드시 이용하지 않고 제1 환자 트랙커(160A)에 대한 툴(104)의 포즈의 변화를 결정할 수 있다.
이 대표적인 예에서, 툴(104)은 유사하게 매니퓰레이터(102)의 커플링(110)에 해제 가능한 부착을 용이하게 하기 위한 마운트(148)(팬텀으로 표시됨)를 포함하고, 기구(112)는 툴 컨트롤러(136) 또는 제어 시스템(124)의 다른 부분에 의해 구동되는 발전 어셈블리(152)(팬텀으로 표시됨)를 갖는 동력식 수술 장치(150)로서 실현된다. 여기서, 발전 어셈블리(152)는 하나 이상의 유형의 에너지 어플리케이터들(114)을 구동하기 위해 구동 축(AD)을 중심으로 회전 토크를 선택적으로 생성하도록 구성된 전기 모터로서 실현된다. 이를 위해, 동력식 수술 장치(150)는 이 예시적인 실시예에서, 버(154)(상세히 도시되지 않은 부착물)에 의해 실현되는 에너지 어플리케이터(114)의 해제 가능한 부착을 용이하게 하기 위해 발전 어셈블리(152)와 회전 연통되도록 배치된 척(chuck) 어셈블리(198)(도 12 참조; 팬텀으로 도시됨)를 포함한다. 그러나, 툴(104), 기구(112), 및/또는 에너지 어플리케이터(114)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 상이한 구성들일 수 있다. 여기서, 툴(104)은 (예를 들어, 에너지 어플리케이터(114)의 회전을 시작 및 정지시키기 위해) 입력 장치(146)의 역할을 할 수 있는 트리거와 함께 사용자에 의해 파지되도록 배열된 핸들링 영역(200)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 툴(104) 및/또는 동력식 수술 장치(150)는 앞서 참조된 "End Effector of a Surgical Robotic Manipulator"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,566,121호에 도시된 것과 같을 수 있다. 일부 실시예들에서, 툴(104) 및/또는 동력식 수술 장치(150)는 "Systems and Tools for Use With Surgical Robotic Manipulator"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2018/0110572 A1호에 도시된 것과 같을 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 다른 구성들이 고려된다.
도 12를 계속 참조하면, 동력식 수술 장치(150)의 발전 어셈블리(152)는 예컨대 하나 이상의 파스너들(도시되지 않음)에 의해서와 같은, 프레임(202)(일반적으로 팬텀으로 도시됨)에 의해 마운트(148)에 동작 가능하게 부착된다. 예시된 실시예에서 프레임(202)이 마운트(148)와 별도로 형성되어 있지만, 다른 구성들이 고려되며, 마운트(148)는 매니퓰레이터(102)와의 결합을 용이하게 하기에 충분한 임의의 적절한 수의 컴포넌트들로부터 형성되거나 그렇지 않으면 실현될 수 있다. 유사하게, 프레임(202)은 마찬가지로 발전 어셈블리(152) 및 툴(104)의 다른 부분들을 지지하도록 협력하는 다수의 상이한 컴포넌트들에 의해 정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 커버들(204)은 외부 환경으로부터 특정 컴포넌트들(예를 들어, 마운트(148))을 은폐, 보호 또는 아니면 차폐하기 위해 툴(104)에 의해 사용될 수 있다. 커버들(204)은 또한 전기 컴포넌트들(예를 들어, 와이어, 전기 커넥터, 인쇄 회로 기판 등)은 은폐될 수 있고, 툴(104)을 매니퓰레이터(102)에 제거가능하게 부착하는 것을 용이하게 하기 위해 매니퓰레이터(102)의 마운트(148)와 커플링(110) 사이에 배열된 멸균 인터페이스 시스템(도시되지 않았지만, 일반적으로 종래 기술에서 공지됨)에 대한 액세스를 허용하도록 형상화되고 배열될 수 있다. 여기서, 마운트(148)에 대한 커플링(110)의 해제 가능한 부착은 매니퓰레이터(102)에 툴(104)을 고정하기에 충분한 다수의 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
도 12에서, 표적 부위(TS)의 일부는, 예시 목적으로, 이 대표적인 예에서 밀링 경로(MP)의 역할을 하는 궤적(T)을 따라 버(154)에 의해 제거될 조직(예를 들어, 뼈)의 의도된 부피를 묘사하기 위해 팬텀으로 도시된다. 여기서 또한, 표적 부위(TS)에서의 조직 제거의 의도된 "깊이"는 툴 중심점(TCP)과 같이 좌표계로서 정의될 수 있는 표적 기준점(TRP)에 의해 표현된다. 여기서, 툴 중심점(TCP)과 표적 기준점(TRP)은 모두 궤적(T)을 따라 배치된 것으로 도시되어 있다.
도 12로부터 도 13a를 계속하면, 툴(104)은, 예를 들어, 본원에 설명된 다양한 모드들 중 하나 이상에서 매니퓰레이터(102)를 동작시킴으로써 표적 부위(TS)와 체결되도록 궤적(T)을 따라 전진되고, 에너지 어플리케이터(114)의 버(154)는 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)을 따라 배치된다. 보다 구체적으로, 버(154)에 의해 정의된 에너지 어플리케이터(114)의 툴 중심점(TCP)은 궤적(T)을 따라 배치되고, 에너지 어플리케이터(114)는 마찬가지로 궤적(T)과 정렬되는 구동 축(AD)을 중심으로 회전한다. 여기서, 툴 중심점(TCP)은 툴(104)이 궤적(T)을 따라 전진함에 따라 버(154)에 의해 제거될 조직(예를 들어, 뼈)의 나머지 부피를 예시하기 위해 표적 기준점(TRP)으로부터 이격된다. 이는 표적 기준점(TRP)에 더 가깝게 배열된 툴 중심점(TCP)을 도시하는 도 13b에 도시되어 있다(도 13b와 도 13a를 비교).
도 14a 내지 14d는, 표적 부위(TS) 및 툴(104)이 순간적으로 또는 연장된 지속기간 동안 하나 이상의 자유도(DOF)로 함께 이동하도록 에너지 어플리케이터(114) 또는 툴(104)의 다른 부분이 매니퓰레이터(102)에 효과적으로 "부착"되는 특정한 사용 사례 하에서 발생할 수 있는 수술 시스템(100)의 가상의 "폭주" 조건을 순차적으로 예시한다. 여기서, 예시적인 예로서, 에너지 어플리케이터(114)는 조직 유형 또는 속성, 요철, 또는 마찰 및/또는 열에 의해 야기된 다른 유형의 증가된 저항, 감소된 절단 성능, 조직 단편의 축적(예를 들어, "스와프") 등의 변화를 잠재적으로 만날 수 있으며, 이는 조직 제거를 방해하기에 충분히 상당할 수 있고 에너지 어플리케이터(114)가 일시적으로 또는 연장된 기간 동안 표적 부위(TS)에서 조직에 대해 "잠금"되게 할 수 있다. 일부 경우에, 위에서 설명된 저항은 에너지 어플리케이터(114)가 궤적(T)의 표적 부위(TS)에서 조직에 "잠금"되게 할 수 있다.
위에서 설명된 가상 시나리오는 도 14a 내지 도 14b를 비교함으로써 예시될 수 있다. 여기서, 도 14a에서, 에너지 어플리케이터(114)는 표적 부위(TS)와 체결되고, 구동 축(AD)을 중심으로 한 회전에 대한 상당한 저항과 만나며, 이는 툴 중심점(TCP)을 매니퓰레이터(102)에 의해 유지된 궤적(T)으로부터 벗어나게 하고, 도 14b에 예시된 궤적(T)과 구동 축(AD) 사이의 과장된 오정렬에 의해 도시되는 바와 같이, 에너지 어플리케이터(114)가 표적 부위(TS)에 대해 "잠금"되게 한다. 툴(104)의 표적 상태(ST)가 다수의 상이한 방식들로 정의될 수 있지만, 이 대표적인 예에서 예시를 위해, 표적 상태(ST)는 구동 축(AD)과 궤적(T) 사이의 동시 정렬을 포함한다. 그러나, 도 14b에 도시된 툴(104)의 현재 상태(SC)는 표적 부위(TS)에 에너지 어플리케이터(114)가 "잠금"된 상태로 구동 축(AD)과 궤적(T) 사이의 오정렬을 포함하기 때문에, 매니퓰레이터(102)가 현재 상태(SC)로부터 표적 상태(ST)로 이동하려고 시도함에 따라 "폭주" 조건이 발생할 수 있다. "폭주" 조건은 또한 환자 트랙커(160)가 표적 부위(TS)로부터 느슨해져서 추적 정확도의 손실을 야기하는 결과로서 발생할 수 있다.
이 예시적인 예에서, 그리고 도면들 14b 내지 14d을 연속적으로 비교함으로써 도시된 바와 같이, 표적 상태(ST)를 향한 툴(104)의 이동은 또한, 위에서 언급된 바와 같이, 내비게이션 시스템(128)에 의해 모니터링되는 제1 환자 트랙커(160A)의 추적된 상태들에 기초하여 궤적(T)(및 따라서, 표적 상태(ST))을 정의하는 표적 부위(TS)의 대응하는 이동을 초래한다. 다르게 말하면, 매니퓰레이터(102)가 (예를 들어, 구동 축(AD)이 궤적(T)과 동시정렬되어 되돌아오도록) 현재 상태(SC)로부터 표적 상태(ST)로 툴(104)을 이동시키려고 시도할 때, 표적 부위(TS)는 툴(104)과 함께 이동하고 표적 상태(ST)에 도달하지 않는다(예를 들어, 동시 정렬이 발생하지 않음). 도 14c 내지 14d에 도시된 바와 같이, 이는 궁극적으로 표적 부위(TS)가 작업면(WS)의 "들어올려지는(lifted off)" 결과를 초래할 수 있다.
이들이 발생함에 따라 "폭주" 조건들을 검출 및/또는 응답하기 위한 다양한 기술들이 본원에 개시된다. 이를 위해, 그리고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 수술 시스템(100)은 표적 부위(TS)와 체결하기 위해 툴(104)을 사용하는데, 매니퓰레이터(102)는 표적 부위(TS)에 대해(예를 들어, 툴 중심점(TCP)이 궤적(T)을 따라 위치되는 표적 상태(ST)에서) 툴(104)을 지지하도록 구성된다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 감지 시스템(206)(도 1 내지 2를 참조)은 툴(104), 매니퓰레이터(102), 표적 부위(TS), 또는 이들의 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들(SYC)을 검출하도록 구성된다. 매니퓰레이터(102)와 감지 시스템(206)에 결합된 컨트롤러(124)(예를 들어, 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 툴 컨트롤러(136), 또는 수술 시스템(100)의 다른 적절한 컨트롤러; 도 25를 참조)는, 제1 제약 기준(C1)에 따라 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드(M1); 및 제1 제약 기준(C1)과 다른 제2 제약 기준(C2)에 따라 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드(M2) 사이의 매니퓰레이터(102)를 동작하도록 구성된다. 컨트롤러(124)는 하나 이상의 시스템 조건들(SYC) 중 적어도 하나가 미리 결정된 조건(PR)을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터(102)의 동작을 제1 모드(M1)로부터 제2 모드(M2)로 변경하도록 더 구성된다. 감지 시스템(206), 시스템 조건들(SYC), 제1 및 제2 모드들(M1, M2), 제1 및 제2 제약 기준(C1, C2), 및 미리 결정된 조건(PR)이 각각 아래에서 더 상세하게 설명되지만, 본원에 설명된 기술들은 에너지 어플리케이터들(114)을 통해 표적 부위(TS)와 체결되는 툴들(104)과 관련하여, 뿐만 아니라 도 15에 도시된 바와 같이 이식가능한 컴포넌트들(116)을 통해 표적 부위(TS)와 체결되는 툴들(104)과 관련하여 둘 다 이용될 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 고려되며, 추가적인 기술들이 아래에서 더 상세히 설명된다.
일부 구현들에서, 제1 모드(M1) 및 제2 모드(M2)는 작동되고 비활성화될 수 있는 매니퓰레이터(102)의 별개의 및 개별 동작 모드들이며, 예를 들어, 사용자는 모드 변경을 직접 통지 받을 수 있거나 모드 변경들 사이에 일시정지(pause)가 있다. 그러나, 대안으로, 다른 구현에서, 제1 및 제2 모드들(M1 및 M2)은 피드백 제어 방식에 따라 매니퓰레이터(102)를 제어하는 상이한 방식들로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제약 기준(C1, C2)은 임의의 특정 모드를 활성화 또는 비활성화하지 않고, 사용자에게 직접 통지하지 않고, 또는 모드 변경들 사이에서 일시정지하지 않고 실시간 또는 거의 실시간으로 변경될 수 있다. 다시 말하면, 제약 기준(C1, C2)은 사용자가 모드들(M1, M2) 중 어느 하나를 인식하거나 개시하는 것과 무관하게 끊김없는 전환으로 변경될 수 있다. 이러한 구현들의 임의의 조합이 고려되면, "제1 모드" 및 "제2 모드"라는 용어들은 제한 없이 이러한 구현들 중 어느 하나를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
일 구현에서, 제1 및 제2 제약 기준(C1, C2), 및 이와 관련된 임의의 파라미터들의 값들은 임상 데이터, 실험 데이터, 외과의 선호도, 또는 시스템 디폴트 설정들과 같은 정보에 기초하여 수술 전 결정되거나 미리 결정된다. 또 다른 구현에서, 제1 및 제2 제약 기준(C1, C2), 및 이와 연관된 임의의 파라미터들의 값들은, 표적 부위와 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 시스템 조건들(SYC) 또는 힘을 검출하는 감지 시스템, 센서, 네비게이션 시스템 등으로부터의 측정치들에 기초하여 컨트롤러에 의해 동적으로 및/또는 수술 중 결정 및/또는 조정될 수 있다. 다른 구현들에서, 제1 및 제2 제약 기준(C1, C2) 중 하나는 수술 전 결정 도는 미리 결정되며, 제1 및 제2 제약 기준(C1, C2) 중 다른 하나는 수술 중 결정된다.
이제 도 15를 참조하면, 도 1의 툴들(104) 중 하나를 포함하는 수술 시스템(100)의 부분들이 일반적으로 묘사된 표적 부위(TS)에 인접하여 도시되어 있다. 이 실시예에서, 툴(104)은 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)을 따라 표적 부위(TS)(예를 들어, 리밍된 관골구)에서 이식가능한 컴포넌트(116)(예를 들어, 인공 관골구 컵)에 충격을 용이하게 하도록 구성된다. 이를 위해, 툴(104)의 기구(112)는 특히 로봇 암(108)의 커플링(110)에 부착되도록 구성되고 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 자유도에서의 상대 이동을 위해 임팩터 어셈블리(210)를 지지하는 가이드(208)로 실현된다. 임팩터 어셈블리(210)는, 다른 것들 중에서도, 이식가능한 컴포넌트(116)를 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스(212), 및 충격력(FI)을 수용하도록(예를 들어, 말렛으로 헤드(214)를 타격함으로써) 배열된 헤드(214)를 포함한다.
본원에 예시된 대표적인 실시예들에서, 이식가능 컴포넌트(116)는 환자(P)의 관골구 내로의 충격을 위해 적응된 인공 고관절의 일부를 형성하는 일반적으로 반구형 형상의 컵이다. 임팩트 전에, 환자(P)의 관골구는 표적 부위(TS)를 정의하기 위해 리밍되거나 또는 아니면 준비된다. 리밍, 준비, 및 임팩트 과정들은 "Depth of Impaction"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제8979,859호 및 "Tool, Kit-of-Parts for Multi-Functional Tool, and Robotic System for Same"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제8,753,346호에 설명되어 있으며, 그 개시내용들은 각각 그들 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 본 개시는 고관절을 포함하는 다양한 정형외과 절차들을 설명하고 있지만, 본원에 설명된 주제는 예를 들어 어깨, 팔꿈치, 손목, 척추, 무릎, 발목 등과 같은 환자(P)의 신체(B)의 다른 조인트들에 적용될 수 있다. 또한, 본 개시의 수술 시스템(100)은 다수의 상이한 유형의 정형외과 절차들과 관련하여 이용될 수 있고, 이식가능 컴포넌트(116)는 다수의 상이한 유형, 스타일, 구성 등(예를 들어, 컵, 줄기, 나사, 핀, 로드, 와이어, 앵커, 보철 등)일 수 있다. 따라서, 다양한 툴들(104)이 고려되고, 가이드(208), 임팩터 어셈블리(210) 및/또는 이식가능한 컴포넌트(116)의 다양한 스타일, 유형 및/또는 구성이 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 이용될 수 있다.
이제 도면 15 내지 17b를 참조하면, 가이드(208)의 대표적인 실시예는 임팩터 어셈블리(210) 및 이식가능한 컴포넌트(116)의 이동이 가이드(208)(및 따라서 매니퓰레이터(102))로부터의 지지에 의해 제한되기 전에 임팩터 어셈블리(210)와 함께 이식가능한 컴포넌트(116)의 유리한 포지셔닝을 용이하게 하도록 구성된다. 달리 말해서, 사용자(예를 들어, 외과의)는 임팩터 어셈블리(210)를 가이드(208)로 초기에 지지할 필요 없이 수동으로 이식 가능한 컴포넌트(116)를 갖는 표적 부위(TS)에 접근할 수 있다. 접근이 수동으로 완료되고 이식가능한 컴포넌트(116)가 표적 부위(TS)에 배치된 후에, 외과의는 이후 이식가능한 컴포넌트(116) 및 임팩터 어셈블리(210)를 가이드(208)와 체결되도록 신속하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 방식으로 관절화되어 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)과 이식가능한 컴포넌트(116)를 정렬시키는 것을 용이하게 한다. 적절한 정렬이 유지됨에 따라, 외과의는 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 충격력(FI)을 인가하여 이식가능한 컴포넌트(116)를 표적 부위(TS)에 설치할 수 있다. 이를 위해, 그리고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 가이드(208)는 수술 시스템(100)의 특정 동작 조건 하에서 가이드(208)에 대해 하나 이상의 자유도로 임팩터 어셈블리(210)의 이동을 허용하도록 구성된다.
이제 도 16a 내지 16b를 참조하면, 임팩터 어셈블리(210)는 일반적으로 이식가능한 컴포넌트(116)를 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스(212), 및 위에서 언급된 바와 같이 충격력(FI)을 수용하도록 배열된 헤드(214)를 포함한다. 임팩터 어셈블리(210)는 또한, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 사용 중에 임팩터 어셈블리(210)의 이동을 제한하기 위해 가이드(208)와 접하는 제1 체결 표면(218)을 정의하는 플랜지(216)를 포함한다. 임팩터 어셈블리(210)는 일반적으로 인터페이스(212)에 인접한 원위 단부(220)와 헤드(214)에 인접한 근위 단부(222) 사이에서 제1 축(A1)을 따라 연장된다. 플랜지(216)는 인터페이스(212)와 헤드(214) 사이에 배열되고, 제1 체결 표면(218)을 정의하는 구형 프로파일을 가지며, 플랜지(216)의 중심에(예를 들어, 제1 체결 표면(218)을 정의하는 구형 프로파일의 기하학적 중심에) 배열된 제1 축(A1)을 따라 플랜지 기준점(FRP)을 정의한다. 마찬가지로, 이식가능한 컴포넌트(116)는 보철이 해제 가능하게 부착되는 임팩터 어셈블리(210)의 제1 축(A1)을 따라 임플란트 기준점(IRP)을 정의하고(도 15 참조), 표적 부위(TS)는 궤적(T)을 따라 표적 기준점(TRP)을 정의한다(도 15 참조). 샤프트(224)는 원위 단부(220)로부터 플랜지(216)까지 제1 축(A1)을 따라 연장되고, 그립(228)을 갖는 핸들(226)은 플랜지(216)와 헤드(214) 사이에서 연장된다. 위에서 소개된 임팩터 어셈블리(210)의 컴포넌트들 각각은 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
본원에 예시된 대표적인 실시예에서, 헤드(214), 플랜지(216), 및 샤프트(224)는 임팩터 본체(일반적으로 230으로 표시됨)에 의해 정의되고, 인터페이스(212)는 임팩터 본체(230) 내에 수용되는 캐리어 샤프트(232)에 의해 정의된다. 보다 구체적으로, 임팩터 본체(230)는 원위 단부(220)로부터 샤프트(224) 및 핸들(226)을 통해 헤드(214)를 향해 제1 축(A1)을 따라 연장되는 중공 영역(234)을 정의한다. 캐리어 샤프트(232)는 일반적으로 원위 샤프트 단부(236)와 근위 샤프트 단부(238) 사이에서 제1 축(A1)을 따라 연장되며, 회전 및 힘 분배를 용이하게 하기 위해 그 사이에 하나 이상의 베어링 영역들(240)이 제공된다. 인터페이스(212)는 원위 샤프트 단부(236)에 배열되고, 임팩터 어셈블리(210) 및 이식가능한 컴포넌트(116)가 부착될 때 함께 이동하도록 이식가능 컴포넌트(116)와 해제 가능하게 체결한다. 이를 위해, 인터페이스(212) 및 이식가능한 컴포넌트(116)에는 각각 일반적으로 242로 표시된 각각의 나사식 결합(threaded engagement)(예를 들어, 내부 및 외부 스레드; 도 16a 참조)이 제공되며, 이는 이식가능한 컴포넌트(116)가 임팩터 어셈블리(210)에 해제 가능하게 부착될 수 있게 한다.
캐리어 샤프트(232)의 나사식 결합(242)에 인접하여, 임팩터 본체(230)에는 샤프트(224)의 원위 단부(220)에 형성된 키 부분(244)이 제공된다. 키 부분(244)은 이식가능한 컴포넌트(116)에 형성된 대응 형상의 노치 부분(246)과 체결되도록 형상화된 일반적으로 직사각형 프로파일을 갖는다(도 15a 참조; 팬텀으로 표시됨). 이러한 구성은 이식가능한 컴포넌트(116)가 샤프트(224)(및, 따라서 핸들(226))에 대해 인덱싱될 수 있게 하며, 이는 이식가능한 컴포넌트(116)가 표적 부위(TS)에 대해 정렬되어야 하는 특정 특징들을 갖는 애플리케이션들에 유리할 수 있다. 게다가, 이러한 구성은 또한 샤프트(224)에 대한 캐리어 샤프트(232)의 회전 및 병진이동이 또한 샤프트(224)를 제1 축(A1)을 중심으로 회전시키지 않고 나사식 결합(242)을 분리하는데 사용될 수 있다는 점에서 이식가능한 컴포넌트(116)와 임팩터 어셈블리(210) 사이의 해제 가능한 부착을 용이하게 돕는다. 이를 위해, 핸들(226)에는 또한, 캐리어 샤프트(232)의 근위 샤프트 단부(238)에 동작 가능하게 부착되는 노브(knob)(250)에 대한 액세스를 수용하고 용이하게 하도록 형성화된 헤드(214)와 그립(228) 사이에 배치된 케이지(248)가 제공된다. 예시된 실시예에서, 노브(250)는 제1 축(A1)을 따라 형성된 축방향 노브 개구(252), 및 제1 축(A1)을 가로질러 형성되고 축방향 노브 개구(252)와 연통하도록 배치된 횡방향 노브 개구(254)를 포함한다. 축방향 노브 개구(252)는 캐리어 샤프트(232)의 근위 샤프트 단부(238)를 수용하도록 형상화되고, 횡방향 노브 개구(254)는 캐리어 샤프트(232)에 형성된 횡방향 샤프트 개구(258) 내에 또한 수용되는 횡방향 핀(256)을 수용하도록 형상화된다(도 16b 참조). 캐리어 샤프트(232)의 보유를 보장하는 것 외에도, 이러한 구성은 또한 노브(250) 및 캐리어 샤프트(232)가 제1 축(A1)을 중심으로 동시에 회전 및 병진이동하는 것을 허용한다. 여기서, 핸들(226)의 케이지(248)는 일반적으로 U자 형상의 프로파일을 가지며, 또한 외과의에게 노브(250)에 대한 액세스를 제공하면서 제1 축(A1)을 따라 노브(250)의 제한된 병진이동을 허용하도록 구성된다.
도 15 및 도 17a 내지 17b를 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 툴(104)의 예시된 실시예는 매니퓰레이터(102)의 로봇 암(108)을 통해 궤적(T)과 제1 축(A1)의 정렬을 유지하는 것을 용이하게 하기 위해 임팩터 어셈블리(210)를 해제 가능하게 고정하도록 가이드(208)를 포함한다. 이를 위해, 가이드(208)는 일반적으로 매니퓰레이터(102)에 부착하도록 적응된 마운트(148)(도 15 참조; 팬텀으로 일반적으로 도시됨), 및 마운트(148)에 동작 가능하게 부착되고 제2 축(A2)을 따라 연장되는 채널(262)을 갖는 본체(260)를 포함한다. 본원에 예시된 대표적인 실시예에서, 가이드(208)의 본체(260)에는 예컨대 파스너들(도시되지 않음)을 통해 마운트(148)(도 15 참조; 일반적으로 도시됨)에 고정되도록 형상화되고 배열되는 하나 이상의 나사식 홀들(264) 및 리세스 영역들(266)(도 17a 내지 17b 참조)이 제공된다. 도 15에 도시된 마운트(148)가 예시된 실시예에서 본체(260)와 별도로 형성되어 있지만, 다른 구성들이 고려되며, 가이드(208)는 매니퓰레이터(102)와의 커플링을 용이하게 하기에 충분한 임의의 적절한 수의 컴포넌트들로부터 형성되거나 그렇지 않으면 실현될 수 있다. 여기에서도, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 커버들(204)은 외부 환경으로부터 특정 컴포넌트들(예를 들어, 마운트(148))을 은폐, 보호 또는 아니면 차폐하기 위해 툴(104)의 가이드(208)에 의해 사용될 수 있다. 커버들(204)은 또한 전기 컴포넌트들(예를 들어, 와이어, 전기 커넥터, 인쇄 회로 기판 등)은 은폐될 수 있고, 툴(104)을 매니퓰레이터(102)에 제거 가능하게 부착하는 것을 용이하게 하기 위해 로봇 암(108)의 마운트(148)와 커플링(110) 사이에 배열된 멸균 인터페이스 시스템(도시되지 않았지만, 일반적으로 종래 기술에서 공지됨)에 대한 액세스를 허용하도록 형상화되고 배열될 수 있다. 여기서도, 마운트(148)에 대한 커플링(110)의 해제 가능한 부착은 매니퓰레이터(102)에 툴(104)을 고정하기에 충분한 다수의 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
도 17a 내지 도 17b에 도시된 바와 같이, 가이드(208)의 본체(260)에 형성된 채널(262)은 임팩터 어셈블리(210)의 샤프트(224)의 일부를 수용하도록 배열된 개구(268)를 정의한다. 가이드(208)는 또한 일반적으로 270으로 표시된 제2 체결 표면(또한 도 15 참조) 및 리미터(272)를 포함한다. 제2 결합 표면(270)은 제1 체결 표면(218)과 맞닿도록 형상화되고, 리미터(272)는 체결 표면들(218, 270) 사이에 맞닿음을 유지하고 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)과 축들(A1, A2)의 동축 정렬을 용이하게 하도록 구성된다. 가이드(208)의 개구(268)는 제1 축(A1)을 제2 축(A2)과 정렬시키는 것을 용이하게 하기 위해 가이드(208)가 임팩터 어셈블리(210)의 인터페이스(212)와 플랜지(216) 사이에 배치될 때 임팩터 어셈블리(210)의 샤프트(224)가 통과하게 하도록 배열된다. 도 16a에서 팬텀 선들로 도시된 바와 같이, 임팩터 어셈블리(210)의 샤프트(224)는 제1 둘레(274)를 갖고, 임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)는 제1 둘레(274)보다 큰 제2 둘레(276)를 갖는다. 달리 말해서, 플랜지(216)는 샤프트(224)보다 크고 가이드(208)의 개구(268)를 통과할 수 없지만, 샤프트(224)는 개구(268)를 통과할 수 있도록 사이징된다.
도 17a 내지 도 17b를 계속 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 가이드(208)의 리미터(272)는 충돌 동안 제1 체결 표면(218)과 제2 체결 표면(270) 사이에 접합을 유지하도록 구성되며, 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 궤적(T)과 축들(A1, A2)의 동축 정렬을 달성하는 것을 용이하게 돕는다. 이를 위해, 예시된 실시예의 리미터(272)는 채널(262)에 인접하게 배치된, 일반적으로 278로 표시된 한 쌍의 손가락들을 포함한다. 손가락들(278)은 그들 사이에 개구(268)를 정의하도록 가이드(208)의 본체(260)로부터 서로 이격된 각각의 손가락 단부(280)로 연장된다(도 15 참조). 손가락들(278)은 또한 각각 일반적으로 282로 표시된 각각의 원호형(arc-shaped) 표면을 정의한다. 원호형 표면들(282)은 제2 체결 표면(270)이 제1 체결 표면(218)에 접할 때 임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)와 접촉하도록 배치되며, 이는 제1 체결 표면(218)과 제2 체결 표면(270)의 접합을 유지하고 아래에 설명되는 바와 같이 가이드(208)에 대한 임팩터 어셈블리(210)의 이동을 제한한다. 리미터(272)의 원호형 표면들(282)은 가이드(208)의 제2 체결 표면(270)과 실질적으로 연속적이며, 제2 체결 표면(270) 및 원호형 표면(282) 둘 다 채널(262)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 보다 구체적으로, 그리고 도 17a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 리미터(272)의 원호형 표면들(282) 및 가이드(208)의 제2 체결 표면(270)은 채널(262)이 실질적으로 연속적이고 일반적으로 원통형의, C형 프로파일을 갖고, 제2 체결 표면(270) 및 원호형 표면들(282) 둘 다를 정의하도록 공통 반경(284)에서 제2 축(A2)으로부터 각각 이격된다.
임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 충격력(FI)이 가해질 때, 이식가능한 컴포넌트(116) 및 임팩터 어셈블리(210)는 궤적(T)을 따라 반드시 병진이동한다. 따라서, 가이드(208) 및 임팩터 어셈블리(210)는 플랜지(216)가 채널(262) 내에서 이동할 때(예를 들어, 외과의가 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)를 말렛으로 연속적으로 타격할 때) 제1 체결 표면(218)과 제2 체결 표면(270) 사이의 접합이 유지되는 것을 보장하도록 구성된다. 이를 위해, 가이드(208)의 채널(262)은 플랜지(216)(상세히 도시되지 않음)의 두께보다 큰 깊이로 제2 축(A2)을 따라 서로 이격된 제1 및 제2 축 채널 단부들(262A, 262B) 사이에서 연장된다. 여기서, 가이드(208)는 채널(262)의 중심에서 제2 축(A2)을 따라 배열되는(예를 들어, 제1 및 제2 축방향 채널 단부들(262A, 262B) 사이에 등간격으로 이격된) 본 실시예에서 툴 중심점(TCP)을 정의한다. 그러나, 툴 중심점(TCP)은 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 방식들로 정의될 수 있다.
플랜지(216)가 위에서 언급된 바와 같이 일반적으로 구형인 프로파일을 갖기 때문에, 제2 체결 표면(270)이 제1 체결 표면(218)에 인접할 때 제1 체결 표면(218)을 정의하는 플랜지(216)의 일부만이 실질적으로 원통형 채널(262)과 체결된다. 따라서, 채널(262)은 충돌 동안 플랜지(216)가 채널(262) 내에 용이하게 위치되고 그와의 맞닿음을 유지할 수 있도록 충분히 깊도록 유리하게 구성된다. 그러나, 제2 체결 표면(270)과 제1 체결 표면(218) 사이의 접합을 유지하는 것은 다른 방식들로, 예컨대 (예를 들어, 플랜지 기준점(FRP)에 툴 중심점(TCP)을 위치시키기 위해) 충돌 동안 궤적(T)을 따라 매니퓰레이터(102)와의 표적 부위(TS)를 향해 가이드(208)를 전진시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
도 17b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 가이드(208)의 본체(260)는 또한 센서 서브어셈블리(288), 팔로워 서브어셈블리(290), 및 입력 모듈(292)을 수용하는 포켓(286)을 포함하며, 이들 각각은 아래에서 더 상세히 설명된다. 포켓(286)은 채널(262)에 인접한 포켓(286)에 안착되는 팔로워 서브어셈블리(290)의 부착을 용이하게 하기 위해 채널(262)과 연통하도록 연장된다. 여기서, 팔로워 서브어셈블리(290)의 일부는 또한 제2 체결 표면(270)의 일부를 정의한다(도 17a 참조).
센서 서브어셈블리(288)는 일반적으로 파스너들(상세히 도시되지 않음)을 통해 가이드(208)의 본체(260)에 고정되고 제1 트리거 센서(296), 제2 트리거 센서(298), 및 입력 센서(300)를 지지하는 센서 하우징(294)을 포함하며, 이들 각각은 컨트롤러(124)(예를 들어, 매니퓰레이터 컨트롤러(132), 툴 컨트롤러(136), 또는 다른 적합한) 또는 수술 시스템(100)의 다른 컴포넌트들과 통신(예를 들어, 유선 또는 무선 전기 통신)하여 배치될 수 있다. 입력 센서(300)는 입력 모듈(292)에 의해 체결되거나 또는 아니면 이와 통신하여 배치되도록 배열되고, 제1 및 제2 트리거 센서들(296, 298)은 팔로워 서브어셈블리(290)에 의해 체결되거나 또는 아니면 이와 통신하여 배치되도록 배열된다. 이하의 후속 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 센서 서브어셈블리(288)의 센서들 각각은 다수의 상이한 유형, 스타일, 구성 등일 수 있고, 본원에 구체적으로 예시된 것 이외의 다른 구성들이 본 개시에 의해 고려된다.
입력 모듈(292)은 외과의에 의한 선택적 작동을 위해 구성되고, 일반적으로 입력 프레임(302) 및 입력 버튼(304)을 포함한다. 입력 프레임(302)은 하나 이상의 파스너들(상세히 도시되지 않음)을 통해 가이드(208)의 본체(260)에 고정되며, 그에 대한 이동을 위해 입력 버튼(304)을 지지한다. 입력 버튼(304)은 (예를 들어, 입력 버튼(304)을 누르는 것에 의해) 외과의에 의한 작동에 응답하여 입력 센서(300)와 체결하도록 배열된 돌출부(306)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 입력 버튼(304)은 스프링(도시되지 않음)에 의해서와 같이 입력 프레임으로부터 멀어지게 탄성적으로 바이어스될 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다. 입력 모듈(292)은 수술 절차 동안 상이한 방식들로 매니퓰레이터(102)를 동작하는 것을 용이하게 하도록 구성될 수 있으며, 입력 장치(146)의 역할을 할 수 있다.
센서 서브어셈블리(288)와 같은 팔로워 서브어셈블리(290)는 가이드(208)의 본체(260)에 형성된 포켓(286) 내에 수용되며 파스너들(상세히 도시되지 않음)로 본체(260)에 고정된다. 팔로워 서브어셈블리(290)는 일반적으로 예시된 실시예에서 임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)에 대해 체결되도록 형상화되고 배열되는 제1 및 제2 트리거들(310, 312)를 지지하는 팔로워 하우징(308)을 포함한다. 이를 위해, 제1 및 제2 트리거들(310, 312)은 채널(262) 내로 연장되고, 플랜지(216)와의 체결에 응답하여 센서 서브어셈블리(288)를 향해 편향되도록 팔로워 하우징(308)에 의해 지지되며, 제1 및 제2 트리거 센서들(296, 298)과 각각 체결되는 팔로워 하우징(308) 내에 지지된 각각의 푸시로드(pushrod)(도시되지 않음)를 독립적으로 작동시킨다. 여기서, 팔로워 서브어셈블리(290) 및 센서 서브어셈블리(288)는 채널(262)을 따른 플랜지(216)의 축방향 위치의 변화에 대응하는 것에 기초하여 표적 부위(TS)에서의 충돌 동안 궤적(T)을 따른 이식가능한 컴포넌트(116)의 이동을 "추적"하는 것을 용이하게 하기 위해 채널(262) 내의 플랜지(216)의 존재 및/또는 제1 및 제2 축방향 채널 단부들(262A, 262B) 사이의 플랜지(216)의 상대 위치 중 하나 이상을 결정하는 능력을 용이하게 한다.
위에서 언급된 바와 같이, 매니퓰레이터(102)는 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)을 위치시키고 이식가능한 컴포넌트(116)에 충격을 가하는 실시예들 내에서 일반적으로 선형이고 축들(A1, A2)과 정렬되는 궤적(T)을 유지하도록 구성된다. 여기서, 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 가해지는 외부 충격력(FI)은 임팩터 어셈블리(210)를 통해 이식가능한 컴포넌트(116)로 병진이동하며, 이는 결국 이식가능한 컴포넌트(116)가 표적 부위(TS)를 향해 궤적(T)을 따라 전진하게 한다. 이식가능헌 컴포넌트(116)에 충격을 가하는 과정이 아래에서 더 상세히 설명되어 있지만, 궤적(T)을 유지하는 것은 매니퓰레이터(102)가 모든 또는 특정 조건들에서 표적 부위(TS)에 대한 특정 유형의 가이드(208)의 이동을 제한하는 것을 수반할 수 있으며, 및/또는 일부 실시예들에서 표적 부위(TS)에 대한 궤적(T)을 따른 병진이동으로 가이드(208)의 이동을 제한하거나 지시하는 것을 수반할 수 있다. 매니퓰레이터(102)는, 위에서 언급한 바와 같이, 외과의가, 특히, 임팩터 어셈블리(210)의 샤프트(224)를 가이드(208)의 개구(268)를 통해 통과시키는 것을 용이하게 하도록 궤적(T)을 따라 가이드(208)를 병진이동시키도록 허용할 수 있다. 수술 절차들의 특정 단계들은 상이한 방식들로 매니퓰레이터(102)를 제어하는 것을 수반할 수 있다. 또한, 툴(104)의 다양한 구성들은 본 개시에 의해 고려되며, 일부 실시예들에서, 수술 시스템(100), 툴(104), 기구(112) 및/또는 이식가능 컴포넌트(116)의 하나 이상의 부분들은 "End Effectors, Systems, And Methods For Impacting Prosthetics Guided By Surgical Robots"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2019/0231446 A1호에 설명된 바와 유사할 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 다른 구성들이 고려된다.
이제 도 18 내지 21d를 참조하면, 수술 시스템(100) 및 일반적으로 도시된 표적 부위(TS)의 부분들이 개략적으로 도시되며, 표적 부위(TS)는 작업면(WS)(예를 들어, 수술 테이블; 상세히 도시되지 않음)에 지지되는 것으로 도시된다. 여기서, 표적 부위(TS)는 관골구 컵에 충격을 받을 때 이식가능한 컴포넌트(116)의 의도된 위치(도 18에서 팬텀으로 도시된 의도된 위치)를 나타낸다. 여기서, 관골구는 궤적(T)을 정의하기 위해 리밍되거나 또는 아니면 준비되었고, 제1 환자 트랙커(160A)가 단단히 고정된다. 위에서 언급된 바와 같이, 내비게이션 시스템(128)에 의해 모니터링되는 제1 환자 트랙커(160A)의 추적된 상태들(예를 들어, 위치 및/또는 방향 데이터, 또는 그에 기초한 데이터)은, 예컨대, 가이드(208)에 의해 정의된 제2 축(A2)을 표적 부위(TS)에 의해 정의된 궤적(T)과 일치하여 정렬하도록 매니퓰레이터(102)의 로봇 암(108)을 제어함으로써, 매니퓰레이터(102)와 표적 부위(TS)와의 정렬을 보장하기 위해 표적 상태(SA)를 유지하는 것을 용이하게 하는데 사용된다.
도 18에서, 마운트(148)(예시적 목적을 위해 커버들(204)로 나타남; 또한 도 15 참조) 및 툴(104)의 가이드(208)는 매니퓰레이터(102)에 의해 지지된 표적 부위(TS)에 인접하여 위치되며(부분적으로 도시되고 팬텀으로 도시됨), 제2 축(A2)은 궤적(T)에 정렬된다(그리고 이에 따라, 툴 중심점(TCP)은 궤적(T)을 따라 배열됨). 임팩터 어셈블리(210)는 표적 부위(TS) 및 가이드(208) 둘 다로부터 이격되어 도시되며, 이식가능한 컴포넌트(116)는 인터페이스(212)에 고정되고 제1 축(A1)을 따라 배열된다. 예시적인 목적들을 위해, 제1 툴 트랙커(160G)는 가이드(208)에 견고하게 고정된 것으로 도시되며, 제2 툴 트랙커(160I)는 임팩터 어셈블리(210)에 견고하게 고정된 것으로 도시된다. 그러나, 네비게이션 시스템(128)은 위에서 언급된 바와 같이 공통 좌표계 내의 다수의 트랙커들(160)의 상태들을 추적할 수 있는 반면, 추적된 객체(예를 들어, 툴(104))의 포즈는 다른 방식으로(예를 들어, 공지된 기하학적 관계들에 기초하여) 결정될 수 있고, 좌표계들 사이에서(예를 들어, 매니퓰레이터 좌표계(MNPL)와 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 사이에서) 변환될 수 있다. 다르게 말하면, 수술 시스템(100)은 예시된 제1 툴 트랙커(160G) 및/또는 제2 툴 트랙커(160I)를 반드시 이용하지 않고 제1 환자 트랙커(160A)에 대한 툴(104)의 포즈의 변화를 결정할 수 있는데, 그 이유는 특히, 가이드(208), 임팩터 어셈블리(210) 및 이식가능한 컴포넌트(116)의 기하학적 구조가 알려져 있고, 툴 중심점(TCP)에 대한 플랜지 기준점(FRP)의 배치는 플랜지(216)가 채널(262) 내에 (예를 들어, 센서 서브어셈블리(288)를 통해) 배치될 때 결정될 수 있기 때문이다.
이제 도 19a를 참조하면, 임팩터 어셈블리(210)는 임팩터 어셈블리(210)에 의해 정의된 제1 축(A1)이 가이드(208)에 의해 정의된 제2 축(A2) 및 표적 부위(TS)에 의해 정의된 궤적(T) 둘 다와 동축 정렬되어 표적 부위(TS)(여기서, 리밍된 관골구)에 인접한 초기 위치로 이식가능한 컴포넌트(116)와 함께 이동되었다. 여기서, 임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)는 가이드(208)의 채널(262) 내에 배치되고, 플랜지 기준점(FRP)은 툴 중심점(TCP)과 정렬되어 배치된다. 이식가능한 컴포넌트(116)에 의해 정의된 임플란트 기준점(IRP)은 표적 부위(TS)에 의해 정의된 표적 기준점(TRP)으로부터 이격된다.
위에서 언급된 바와 같이, 가이드-햅틱 모드 또는 다른 모드들에서 동작할 때, 수술 시스템(100)은 센서(180)에 의해 검출된 힘을 해석하도록 구성될 수 있으며, 매니퓰레이터(102)의 로봇 암(108)을 구동하는데 사용되는 입력은, 특히, 외과의가 로봇 암(108) 및/또는 툴(104)의 상이한 부분들을 터치하거나 아니면 체결하여 이들을 특정 동작 조건들 동안 특정 방향으로 이동하게 할 수 있다. 이 개념을 설명하기 위해, 도 19a는 외과의가 가이드(208) 또는 임팩터 어셈블리(210)를 그들 손으로 밀고/밀거나 당기는 것과 같이, 가이드(208)에 작용하는 인가된 힘(FA)을 도시한다(상세히 도시되지 않음). 예시 목적들을 위해, 매니퓰레이터(102)가 본원에 도시된 바와 같이 궤적(T)과의 정렬을 유지하도록 구성되지 않았다면(예를 들어, 표적 상태(ST)가 제2 축(A2)과 궤적(T) 사이에 동시 정렬을 초래하도록 정의된 경우), 도 19a에 도시된 인가된 힘(FA)은 도 19b에 도시된 배열로 (로봇 암(108)을 통해) 툴(104)의 이동을 초래하여, 축(A1, A2)을 (예를 들어, 도 19a에 도시된 바와 같이) 궤적(T)과의 동시 정렬에서 벗어나게 할 수 있다. 이 가정의, 예시적인 예에서, 외과의는 로봇 암(108)을 수동 모드 또는 다른 모드(예를 들어, 입력 버튼(304)을 통해 활성화됨)로 동작시켜, 충돌 전에, 이후 축들(A1, A2)을 표적 부위(TS)에 의해 정의된 궤적(T)과 동시 정렬하고, 도 20a에 예시된 바와 같이 매니퓰레이터(102)와 동시 정렬을 유지하기 전에 표적 부위(TS)와 체결되어 이식가능한 컴포넌트(116)의 접근 및 초기 포지셔닝을 미세화 또는 완료한다.
도 20a에 도시된 예시적인 예에서, 매니퓰레이터(102)는 (임팩터 어셈블리(210)에 의해 정의된) 제1 축(A1)과 또한 정렬되는 (예를 들어, 궤적(T)과의 일치에 의해) 표적 부위(TS)와의 (가이드(208)에 의해 정의된) 제2 축(A2)의 정렬을 유지하도록 동작되고 있다. 여기서, 표적 상태(ST)는 궤적(T)을 따라 배치되는 툴 중심점(TCP)에 의해 정의될 수 있다. 여기서 예시된 바와 같이 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 정렬과 함께, 외과의는 예컨대 이식가능한 컴포넌트(116)를 표적 부위(TS)에 설치하기 위해 말렛(도시되지 않음)으로 헤드(214)를 연속적으로 타격함으로써, 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 충격력(FI)을 인가할 수 있다. 도 20b에 의해 예시된 바와 같이, 헤드(214)에 적절한 충격력(IE)의 인가에 응답하여, 임팩터 어셈블리(210) 및 이식 가능한 컴포넌트(116)는 궤적(T)을 따라 함께 이동하여 임플란트 기준점(IRP)(이식 가능한 컴포넌트(116)에 의해 정의됨)이 표적 기준점(TRP)(표적 부위(TS)에 의해 정의됨)과 정렬되도록 한다.
여기서, 매니퓰레이터(102)는, 위에서 언급된 바와 같이, 팔로워 서브어셈블리(290) 및/또는 센서 서브어셈블리(288)를 통해, 및 또는 제2 툴 트랙커(160I)와 제1 툴 트랙커(160G)의 추적된 상태들에 기초한 네비게이션 시스템(128)을 통해 결정될 수 있는, 툴 중심점(TCP)(가이드(208)의 채널(262)에 의해 정의됨)을 플랜지 기준점(FRP)(임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)에 의해 정의됨)과 다시 정렬시키기 위해 충돌 동안 말렛 타격들 사이에 표적 부위(TS)를 향해 궤적(T)을 따라 가이드(208)를 전진시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 매니퓰레이터(102)는 축방향 채널 단부들(262A, 262B)이 충돌 동안 플랜지(216)가 채널(262)과 체결된 상태로 유지될 수 있을 정도로 충분히 큰 거리만큼 서로 이격되는 경우 궤적(T)을 따라 가이드(208)를 반드시 전진시키지 않을 수 있으며, 이는 예컨대 수술 시스템(100)이 툴(104)에 결합된 선형 가변 차동 변압기(LVDT) 코일 배열을 사용하여, 높은 정밀도로 채널(262)을 따라 플랜지(216)의 상대 위치를 결정할 수 있는 실시예들에서 유리할 수 있다. 이러한 유형의 LVDT 코일 배열의 실시예들은 앞서 참조된 "End Effectors, Systems, And Methods For Impacting Prosthetics Guided By Surgical Robots"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2019/0231446 A1호에 설명되어 있다. 다른 구성들이 고려된다.
위에서 언급된 바와 같이, 툴(104)의 예시된 실시예들은 일반적으로 이식가능한 컴포넌트(116)를 표적 부위(TS)와 체결하는 것을 용이하게 하기 위해 가이드(208)에 대한 임팩터 어셈블리(210)의 병진이동을 허용하도록 구성된다. 또한, 툴(104)의 실시예들은 또한 일반적으로 하나 이상의 자유도에서 가이드(208)에 대한 임팩터 어셈블리(210)의 회전을 허용하도록 구성되며, 및/또는 그 반대도 허용하도록 구성된다. 이러한 상대 회전은 제1 체결 표면(218)과 제2 체결 표면(270) 사이에서 발생하는 베어링형(by bearing-type) 접촉(예를 들어, 슬라이딩 접촉)에 의해 달성된다. 여기서, 임팩터 어셈블리(210)가 가이드(208)에 대해 회전 및 병진이동하는 능력은, 예를 들어, 충격력(FI)의 인가 동안과 같이, 상당한 양의 힘 및/또는 토크가 임팩터 어셈블리(210)로부터 가이드(208)로(및 이에 따라, 매니퓰레이터(102)로) 병진이동하는 것을 방지하는 것을 돕는다. 그러나, 특정 양의 힘 및/또는 토크가 반드시, 가이드(208)와 임팩터 어셈블리(210) 사이에서 발생하는 물리적 접촉으로 인해 하나 이상의 자유도(DOF)로 매니퓰레이터(102)로 병진이동된다.
도 21a에서, 임팩터 어셈블리(210), 가이드(208), 이식가능한 컴포넌트(116) 및 매니퓰레이터(102)는 일반적으로 도 20a에 도시된 것과 동일한 방식으로 배열되고, 제2 축(A2)(가이드(208)에 의해 정의됨)은 (예를 들어, 궤도(T)와의 일치를 통해) 제1 축(A1)(임팩터 어셈블리(210)에 의해 정의됨)과 정렬되고, 이식가능한 컴포넌트(116)는 충돌 전에 표적 부위(TS)와 체결되어 배열된다. 그러나, 도 21a에서, 충격력(FI)은 (예를 들어, 궤적(T)에 대해 횡방향으로) 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 부적절하게 가해지는 것으로 도시된다. 여기서, 충격력(FI)의 부적절한 인가(예를 들어, 비교적 높은 크기 및/또는 궤적(T)과 오정렬됨)는 이식가능한 컴포넌트(116)가 궤적(T)과 오정렬된 방식으로(예를 들어, 제1 축(A1) 및 제2 축(A2)이 궤적(T)과 일치하지 않는 경우) 표적 부위(TS) 내로 착석(예를 들어, 부분적으로 착석)되게 할 수 있다. 이러한 가상 시나리오는 예시 목적으로 축들(A1, A2)과 궤적(T) 사이의 과장된 오정렬을 보여주는 도 21b에 도시된다.
도 21b에서, 도 14a 내지 14d와 관련하여 위에서 설명된 시나리오와 같이, 수술 시스템(100)의 가정의 "폭주" 조건은 궤적(T)과의 오정렬의 결과로서 발생할 수 있다. 여기서, 충격력(FI)의 부적절한 인가는 궤적(T)과 제1 및 제2 축들(A1, A2)의 오정렬을 야기하는 방식으로 이식가능한 컴포넌트(116)를 표적 부위(TS)에 안착시켰다. 툴(104)의 표적 상태(ST)가 다수의 상이한 방식들로 정의될 수 있지만, 이 대표적인 예에서 예시를 위해, 표적 상태(ST)는 제2 축(A2)과 궤적(T) 사이의(예를 들어, 궤적(T)을 따라 배치된 툴 중심점(TCP)과의) 동시 정렬을 포함한다(또는 아니면 동시 정렬을 초래한다). 그러나, 도 21b에 도시된 툴(104)의 현재 상태(SC)는 표적 부위(TS)에 이식가능한 넘포넌트(116)가 "잠금"된 상태로 제2 축(A2)과 궤적(T) 사이의 오정렬을 포함하기 때문에, 매니퓰레이터(102)가 현재 상태로부터 표적 상태(ST)로 이동하려고 시도함에 따라 "폭주" 조건이 마찬가지로 발생할 수 있다. "폭주" 조건은 또한 환자 트랙커(160)가 표적 부위(TS)로부터 느슨해져서 추적 정확도의 손실을 야기하는 결과로서 발생할 수 있다.
이 예시적인 예에서, 그리고 도면들 21b 내지 21d을 연속적으로 비교함으로써 도시된 바와 같이, (예를 들어, 툴 중심점(TCP)을 궤적(T)으로 다시 가져오기 위해) 표적 상태(ST)를 향한 툴(104)의 이동은 또한, 위에서 언급된 바와 같이, 내비게이션 시스템(128)에 의해 모니터링되는 제1 환자 트랙커(160A)의 추적된 상태들에 기초하여 궤적(T)(및 따라서, 표적 상태(ST))을 정의하는 표적 부위(TS)의 대응하는 이동을 초래한다. 다르게 말하면, 매니퓰레이터(102)가 (예를 들어, 제1 및 제2 축들(A1, A2)이 궤적(T)과 동시 정렬되어 되돌아오도록) 현재 상태(SC)로부터 표적 상태(ST)로 툴(104)(예를 들어, 가이드(208))을 이동시키려고 시도할 때, 표적 부위(TS)는 툴(104)과 함께 이동하고 표적 상태(ST)에 도달하지 않는다(예를 들어, 동시 정렬이 발생하지 않음). 여기에서도, 도 21c 내지 21d에 도시된 바와 같이, 이는 궁극적으로 표적 부위(TS)가 작업면(WS)의 "들어올려지는" 결과를 초래할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, (예를 들어, 도 18 내지 21d와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이) 표적 부위(TS)와 이식가능한 컴포넌트(116)의 체결을 용이하도록 하는 임팩터 어셈블리(210)를 지지하기 위한 가이드(208)와 같은 기구(112)와 함께 툴들(104)을 이용하는 수술 시스템(100), 뿐만 아니라 (예를 들어, 도 12 내지 14d와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이) 에너지 어플리케이터(114)와 표적 부위(TS)와의 체결을 용이하도록 하는 동력식 수술 장치(150)와 같은 기구(112)와 함께 툴들(104)을 이용하는 수술 시스템(100)을 포함하는, "폭주" 조건들을 검출 및/또는 반응하기 위한 다양한 기술들이 본 개시에 의해 고려된다. 이를 위해, 컨트롤러(124)는 위에서 언급되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 미리 결정된 조건들(PR)(예를 들어, 제1 미리 결정된 조건(PR1), 제2 미리 결정된 조건(PR2) 등)에 대해 하나 이상의 시스템 조건들(SYC)(예를 들어, 감지 시스템(206)을 통해 검출됨)을 모니터링함으로써 "폭주" 조건을 검출할 수 있다.
감지 시스템(206)은 위에서 언급된 바와 같이, 툴(104), 매니퓰레이터(102), 표적 부위(TS), 또는 이들의 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들(SYC)을 검출하도록 구성된다(도 25 참조). 다르게 말하면, 감지 시스템(206)은 툴(104)과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들(SYC), 매니퓰레이터(102)와 연관된 하나 이상의 시스템 조건들(SYC), 및/또는 표적 부위(TS)와 연관된 하나 이상의 시스템 조건들(SYC)을 검출할 수 있다. 이를 위해, 일부 실시예들에서, 감지 시스템(206)은 표적 부위(TS)와 매니퓰레이터(102) 사이에서 발생하는 힘(FD)을 검출하기 위해 센서(180)를 포함할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 힘 및/또는 토크)은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 제1 및 제2 모드들(M1, M2) 사이에서 매니퓰레이터(102)의 동작의 변화를 용이하게 하기 위해 컨트롤러(1224)에 의해 사용되는 시스템 조건들(SYC)을 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 시스템(206)은 네비게이션 시스템(128)의 하나 이상의 컴포넌트들(예를 들어, 로컬라이저(158)) 및/또는 하나 이상의 트랙커들(160)을 포함할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 로컬라이저(158)에 의해 모니터링되는 트랙커들(160)의 추적된 상태들은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 및 제2 모드들(M1, M2) 사이에서 매니퓰레이터(102)의 동작을 변경하는 것을 용이하게 하기 위해 컨트롤러(124)에 의해 사용되는 시스템 조건들(SYC)을 정의할 수 있다. 여기서도, 위에서 언급된 바와 같이, 수술 시스템(100)의 하나 이상의 컴포넌트들은 하나 이상의 좌표계들(예를 들어, 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내의 툴 중심점(TCP)의 포즈) 내에서 툴(104)의 배열을 (직접적으로 또는 간접적으로) 결정할 수 있다. 여기서, 툴(104)의 배열뿐만 아니라 툴(104)의 배열의 변화들(예를 들어, 하나 이상의 트랙커들(160)에 대한 이동)은, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 및 제2 모드들(M1, M2) 사이에서 매니퓰레이터(102)의 동작을 변경하는 것을 용이하게 하기 위해 컨트롤러에 의해 사용되는 시스템 조건들(SYC)을 정의할 수 있다. 일부 구현들에서, 감지 시스템(206) 또는 센서들(180)은 추가로 또는 대안으로, 조인트(J)의 액추에이터들 중 임의의 하나 이상으로부터 전류를 검출하도록 구성된 센서들(180), 조인트(J) 또는 조인트 액추에이터들 중 임의의 하나 이상에 인가된 토크 또는 토크들을 검출하기 위한 센서들, 또는 조인트들(J) 중 임의의 하나 이상에 인가된 임의의 다른 외부(예를 들어, 백드라이브) 힘 또는 토크들을 검출하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 조인트들에 대한 백드라이브 힘들을 계산하기 위한 방법의 일 예는 본원에 참조로서 통합되는 "Robotic System and Method for Backdriving The Same"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제10,327,849호에 설명된 바와 같을 수 있다. 조인트(J)의 액추에이터들 중 임의의 하나 이상에서 센서들(180)에 의해 획득된 전류 측정치들은 힘 또는 토크 측정치들로 변환될 수 있으며, 이는 툴(104)이 상호작용하는 표적 부위(TS)에 투영될 수 있다. 일부 예들에서, 조인트들로부터 획득된 이들 힘 토크 측정치들은 매니퓰레이터(102)와 표적 부위(TS) 사이에서 발생하는 힘들 및/또는 토크를 검출하도록 배열된 6자유도(DOF) 힘/토크 트랜스듀서로부터의 측정치들과 비교되거나, 네비게이션 시스템에 의해 획득된 환자 또는 툴에 관한 상태 데이터와 비교될 수 있다. 감지 시스템(206)은 비제한적인 예로서, 하나 이상의 기구들(112), 조인트 인코더들(122), 컨트롤러들(124, 132, 134, 136), 입력 장치들(146), 출력 장치들(144), 사용자 인터페이스들(142), 발전 어셈블리들(152), 포인터들(156), 로컬라이저들(158), 트랙커들(160), 비디오 카메라들(170) 등을 포함하는 수술 시스템(100)의 다양한 컴포넌트들을 포함(또는 이와 통신)할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
시스템 조건들(SYC)은 수술 시스템(100) 및/또는 표적 부위(TS)의 상이한 컴포넌트들 사이의 관계들에 기초하여 포함하는 다수의 상이한 방식들로 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 환자 트랙커(160A)의 포즈(예를 들어, 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내에서 추적됨) 및 툴(104)의 툴 중심점(TCP)의 포즈(예를 들어, 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 내에서 변환되거나 추적됨)는 각각 각각의 시스템 조건들(SYC)을 정의할 수 있고, 툴 중심점(TCP)의 포즈와 함께 제1 환자 트랙커(160A)의 포즈의 동시 이동은 상이한 시스템 조건(SYC)을 정의할 수 있다. 따라서, 툴(104), 매니퓰레이터(102) 및/또는 표적 부위(TS) 중 하나 이상에서 및/또는 이들 사이에서 발생하는 변화들에 기초하여 다양한 방식들로 정의될 수 있는, 다수의 상이한 시스템 조건들(SYC)이 본 개시에 의해 고려된다.
이제 도 22a를 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 컨트롤러(124)는 제1 제약 기준(C1)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키고, 제1 제약 기준(C1)과 상이한 제2 제약 기준(C2)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성된다. 이를 위해, 일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1)과 제2 제약 기준(C2) 사이의 차이는 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동이 제한(또는 허용)되는 자유도, 뿐만 아니라 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 이동이 수행될 수 있는 방법에 기초할 수 있다(도 25 참조). 이 개념이 도면들 24a 내지 24c와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되어 있지만, 예시를 위해, 도 22a는 작업면(WS) 상에 지지되는 표적 부위(TS)와의 초기 체결되어 배치된 이식가능한 컴포넌트(116)에 고정된 임팩터 어셈블리(210)로부터 이격된 툴(104)의 기구(112)(여기서, 가이드(208))를 지지하는 매니퓰레이터(102)를 도시하며, 툴(104)의 툴 중심점(TCP) 및 표적 부위(TS)의 표적 기준점(TRP)은 각각 데카르트 포맷으로 표현되는 6개의 각각의 자유도(DOF)를 포함하는 것으로 도시된다.
보다 구체적으로, 툴 중심점(TCP) 및 표적 기준점(TRP)은 각각 공통 좌표계(예를 들어, 로컬라이저 좌표계(LCLZ) 또는 다른 적절한 좌표계) 내에서 각각의 x 위치(XP) 자유도(DOF), y 위치(YP) 자유도(DOF), z 위치(ZP) 자유도(DOF), x 방향(ZO) 자유도(DOF), y 방향(YO) 자유도(DOF), 및 z 방향(ZO) 자유도(DOF)를 정의한다. 여기서, 툴 중심점(TCP)은 툴(104)에 대해 "고정"되며, (예를 들어, 툴(104)과 매니퓰레이터(102)의 커플링(110) 사이의 기하학적 관계에 기초하여) 컨트롤러(124)에 의해 공지된다. 마찬가지로, 표적 기준점(TRP)은 표적 부위(TS)에 대해 "고정"되고, (예를 들어, 표적 부위(TS)에 결합되고 관골구를 리밍함으로써 정의되는 제1 환자 트랙커(160A)의 추적된 상태들에 기초하여) 컨트롤러(124)에 의해 공지된다. 예시를 위해, 툴 중심점(TCP) 및 표적 기준점(TRP)은 도면들 22a 내지 24c에서 좌표계들로서 도시되며, x, y, 및 z 축들은 각각 2 자유도(DOF), 즉 축을 따르는 방향으로의 좌표계의 변환 및 축을 중심으로 한 방향으로의 좌표계의 회전을 나타낸다. 도 22a에서, 예시를 위해, 툴 중심점(TCP)은 궤적(T)에 평행한 그의 z축과 궤적(T)에 횡방향인 그의 x축으로 배열되고, 표적 기준점(TRP)은 궤적(T)에 일치하는 그의 z축으로 배열된다.
일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1)은 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)의 이동이 제한되는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)를 포함할 수 있고, 제2 제약 기준(C2)은 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)의 이동이 제한되는 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)를 포함할 수 있으며, 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)와 상이하다. 따라서, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키고, (다른) 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다.
여기서, 제1 개수(N1)는 제1 모드(M1)에서 표적 상태(ST)를 정의하는 "활성" 자유도(DOF)의 수를 나타낼 수 있고, 제2 개수(N2)는 제 2 모드(M2)에서 표적 상태(ST)를 정의하는 "활성" 자유도(DOF)의 수를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 감지 시스템(206)은 시스템 조건(SYC)을 정의하기 위해 표적 부위(TS)와 매니퓰레이터(102) 사이에서 발생하는 힘(FD)을 검출하기 위한 센서(180)를 포함하는 경우, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 모드(M1)에서 매뉴플레이터(102)를 동작시키기 위해 총 6 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), y 방향(YO) 및 z 방향(ZO))에 기초하여 표적 상태(ST)를 정의할 수 있으며, 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)이 미리 결정된 조건(PR)을 충족하자 마자, 3자유도(DOF)(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO) 및 z 방향(ZO))에 기초하여 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키기 위해 표적 상태(ST)가 정의되는 방법을 자동으로 변경할 수 있다. 여기서, 미리 결정된 조건(PR)은, 예를 들어, 이식가능한 컴포넌트(116)가 표적 부위(TS)에서 환자(P)의 해부학적 구조에 "고정"되는 것과 같이 정의된 잠재적인 "폭주" 조건을 나타내는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 힘 및/또는 토크)으로서 정의될 수 있고, 이에 의해 컨트롤러(124)는 표적 부위(TS)에 대한 툴 중심점(TCP)의 위치(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), 및 z 위치(ZP))를 더 이상 유지하지 않도록 제2 모드(M2)에서 표적 상태(ST)를 효과적으로 변경한다.
따라서, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 (예를 들어, 표적 방향(OT) 및 표적 위치(PT)에 기초하여 표적 상태(ST)를 정의하는) 제1 제약 기준(C1)에 따라 그리고 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)에 기초하여 툴 중심점(TCP)을 표적 부위(TS)(또는 궤적(T))로부터 멀리 이동시키는 것을 제한하도록 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키고, (예를 들어, 표적 위치(PT)가 아닌 표적 방향(OT)에 기초하여 표적 상태(ST)를 정의하는) 제2 제약 기준(C1)에 따라 그리고 (상이한) 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)에 기초하여 툴 중심점(TCP)을 표적 부위(TS)로부터 멀리 이동시키는 것을 허용하도록 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 이 예시적인 예가 도면들 24a 내지 24c와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되어 있지만, 다른 구성들이 고려되며, 미리 결정된 조건(PR)을 충족시키는 것에 기초한 모드들 간의 변화는 감지 시스템(206)을 통해 결정된 다양한 시스템 조건들(SYC)에 기초하여 다수의 상이한 방식들로 발생할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)보다 작아서, 컨트롤러(124)는 제1 모드(M1)에서보다 제2 모드(M2)에서 적어도 하나 이상의 자유도(DOF)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동을 허용한다. 여기서, 일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2)은 각각 적어도 하나 이상의 방향 자유도(DOF)(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 배향(ZO))를 포함할 수 있고, 제1 제약 기준(C1)은 제2 제약 기준(C2)보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), 및/또는 z 위치(ZP))를 포함할 수 있으며, 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2) 둘 다 적어도 하나의 공통 자유도(DOF)(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 방향(ZO))를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1)은 적어도 하나의 위치 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), 및/또는 z 위치(ZP)) 및 적어도 하나의 방향 자유도(DOF)(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 방향(ZO))를 포함할 수 있다. 그러나, 아래의 후속 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 다른 구성들이 고려되며, 제1 기준(C1) 및/또는 제2 제약 기준(C2)은, 예를 들어, 표적 부위(TS)에서 수행되는 수술 절차의 유형, 툴(104)(및/또는 에너지 어플리케이터(114) 또는 이식가능한 컴포넌트(116))의 특정 배열 및 구성, 툴(104)이 표적 부위(TS)에 대해 매니퓰레이터(102)에 의해 어떻게 배열되는지의 등에 따라 다수의 상이한 방식들로 정의될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1)은 제1 탄성 파라미터(R1)를 포함할 수 있고, 제2 제약 기준(C2)은 제1 탄성 파라미터(R1)와 상이한 제2 탄성 파라미터(R2)를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 탄성 파라미터(R1)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키고, (다른) 제2 탄성 파라미터(R2)에 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 탄성 파라미터(R1)는 제1 모드(M1)를 정의하는 하나 이상의 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA)(예를 들어, 스프링 파라미터들(PS) 및/또는 감쇠 파라미터들(PD))을 나타내거나 또는 이에 대응할 수 있고, 제2 탄성 파라미터(R2)는 제2 모드(M2)를 정의하는 하나 이상의 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA)(예를 들어, 스프링 파라미터들(PS) 및/또는 감쇠 파라미터들(PD))을 나타내거나 이에 대응할 수 있다. 하기의 후속 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제1 제약 기준(C1) 및/또는 제2 제약 기준(C2)은, 비제한적인 예로서, 탄성 파라미터들이 제1 모드(M1) 또는 제2 모드(M2) 중 어느 하나에서 동작하는 동안 각 "활성" 자유도(DOF)에 대해 정의되는 것을 포함하는 다수의 상이한 방식으로 구성되거나 정의될 수 있다. 다르게 말하면, 제1 제약 기준(C1)은 서로 동일하거나 상이할 수 있는 각각의 제1 탄력 파라미터를 각각 갖는 3개의 "활성" 자유도(DOF)를 포함할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 모드(M1)에서보다 제2 모드(M2)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 더 많은 탄성 이동을 허용하도록 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 제2 탄성 파라미터(R2)는 제1 탄성 파라미터(R1)보다 덜 "강성"일 수 있어서, 표적 상태(ST)로부터의 편차가 제2 모드(M2)에서보다 제1 모드(M1)에서 더 어렵다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다. 일부 실시예들에서, 제1 탄성 파라미터(R1) 및 제2 탄성 파라미터(R2)는 각각 적어도 하나의 공통 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), y 방향(YO), 또는 z 방향(ZO))에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 탄성 이동과 관련된다. 비제한적인 예로서, z 방향(ZO) 자유도(DOF)는 "활성"일 수 있고, 제1 및 제2 탄성 파라미터들(R1, R2)이 각각 z 방향(ZO) 자유도(DOF)와 연관되는, 제1 제약 기준 C1 및 제2 제약 기준(C2) 둘 모두의 일부를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1), 제2 제약 기준(C2), 및/또는 미리 결정된 조건(PR)은 사용자 인터페이스(142)를 통해서와 같이, 사용자에 의해 조정 가능 및/또는 구성 가능할 수 있다. 이를 위해, 임계 제어(314)(도 2 참조; 또한 도 25 참조)는 미리 결정된 조건(PR)이 어떻게 정의되는지의 조정을 용이하게 하기 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 임계 제어(314)는, 컨트롤러(124)가 제1 모드(M1)로부터 제2 모드(M2)로 변경하기 전에 검출되어야 할 더 많거나 더 적은 힘(FD)(예를 들어, 특정 방향으로의 힘 및/또는 토크)을 요구하는 것과 같이, 미리 결정된 조건(PR)을 충족시키기 위해 요구되는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)의 양(예를 들어, 시스템 조건(SYC))을 변경하는 입력 장치(146)로서 구성될 수 있다. 또한 예를 들어, 임계 제어(314)는, 컨트롤러(124)가 제1 모드(M1)에서 제2 모드(M2)로 변경하기 전에 더 많거나 더 적은 시간 동안 동시 이동을 요구하는 것과 같은, 미리 결정된 조건(PR)을 충족시키기 위해 (예를 들어, 네비게이션 시스템(128)을 통해 결정된 바와 같이) 툴(104)과 표적 부위(TS)가 함께 이동하는 시간의 양을 변경하는 입력 장치(146)로서 구성될 수 있다. 위에서 제공된 예들은 예시적이고 제한적이지 않으며, 다른 구성들이 고려된다.
일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1)(또는, 일부 실시예들에서는, 제2 제약 기준(C2))이 어떻게 정의되는지의 조정을 용이하게 하도록 강성 제어(316)(도 2 참조; 또한 도 25를 참조)가 제공될 수 있다. 예로서, 강성 제어(316)는, 예컨대 매니퓰레이터(102)가 표적 상태(ST)로부터의 이동을 제한하는 방법에 대한 대응하는 변화를 초래하도록 제1 탄성 파라미터(R1)를 증가 또는 감소시킴으로써(예를 들어, 더 적거나 많은 "강성"으로) 제1 모드(M1)를 정의하는 데(예를 들어, 표적 상태(ST)의 유지를 용이하게 하는 데) 사용되는 하나 이상의 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA) 및/또는 구성 파라미터들(CPA)을 변경하는 입력 장치(146)로서 구성될 수 있다. 여기서 또한, 전술한 예는 예시적이고 비제한적이며, 다른 구성들이 고려된다.
다른 구현들에서, 제1 제약 기준(C1) 또는 제2 제약 기준(C2)은 감지 시스템 또는 센서(180)로부터의 측정치들에 기초하여 동적으로 결정 또는 조정될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어, 메모리에 저장된 룩업 테이블을 사용하여 감지된 측정치들의 크기들 또는 값들을 강성 값들과 상관시킬 수 있다. 이 기술은 위에서 설명된 바와 같이 또는 임의의 임계치와 무관하게 임계치로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 수술 시스템(100)은 또한 제1 모드(M1)로부터 제2 모드(M2)로(또는 다른 모드들 사이에서) 매니퓰레이터(102)의 동작의 변화를 통신하기 위해 컨트롤러(124)에 결합된 모드 표시기(318)(도 2 참조; 도 25도 참조)를 포함한다. 여기서, 모드 표시기(318) 는 사용자 인터페이스(142) 의 일부(예를 들어, 알람, 스피커, 표시등, 디스플레이 스크린의 일부, 및/또는 다른 타입의 출력 장치(144))를 형성할 수도 있으며, 컨트롤러(124)는 하나 이상의 시스템 조건들(SYC) 중 적어도 하나가 미리 결정된 조건(PR)을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 모드 표시기(318)를 활성화하도록 구성될 수도 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 22a는 작업면(WS) 상에 지지되는 표적 부위(TS)와 초기 체결하여 배치된 이식가능한 컴포넌트(116)에 고정된 임팩터 어셈블리(210)로부터 이격된 툴(104)의 기구(112)(여기서, 가이드(208))를 지지하는 매니퓰레이터(102)를 도시하며, 툴(104)의 툴 중심점(TCP) 및 표적 부위(TS)의 표적 기준점(TRP)은 서로 이격된다. 도 22a와 도 22b를 비교하면, (예를 들어, 툴 중심점(TCP)의 x 축을 따르는 방향으로의) x 위치(XP) 자유도(DOF)로의 툴(104)의 이동을 예시하고, 이에 의해 임팩터 어셈블리(210)의 샤프트(224)는 가이드(208)의 개구(268)를 통해 채널(262) 내로 통과하여 툴 중심점(TCP)을 궤적(T) 상으로(그리고 또한 표적 기준점(TRP)의 z 축 상으로) 가져온다.
도 22b와 도 22c를 비교하면, (예를 들어, 툴 중심점(TCP)의 z축을 따르는 방향으로의) z 위치(ZP) 자유도(DOF)로의 툴(104)의 이동이 예시되하고, 이에 의해 임팩터 어셈블리(210)의 플랜지(216)는 가이드(208)의 채널(262) 내에 배치되고, 제1 체결 표면(218)은 제2 체결 표면(270)에 인접하며, 툴 중심점(TCP)은 플랜지 기준점(FRP)에 일치하여 배치되고 궤적(T)을 따라 여전히 배치된다.
일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제2 제약 기준(C2)에 따라 적어도 하나의 자유도(DOF)로 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동을 허용하도록 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 제약 기준(C1)에 따라 적어도 하나의 자유도(DOF)로 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동을 허용하도록 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 예를 들어, 도 22c와 도 23을 비교하는 것은 z 방향(ZO) 자유도(DOF)로의(예를 들어, 툴 중심점(TCP)의 z축을 중심으로 한 방향으로의) 툴(104)의 이동을 예시하며, 이에 의해 가이드(208)는 도 22c에 도시된(도 23에서 팬텀 윤곽으로 도시된) 배열로부터의 임팩터 어셈블리(210) 및 표적 부위(TS)에 대해 이동하였지만, 툴(104)의 툴 중심점(TCP)은 플랜지 기준점(FRP)에 일치하여 배열된 채로 유지되며 마찬가지로 궤적(T)을 따라 배치된다.
다르게 말하면, 도면들 22c 내지 23을 비교함으로써 예시된 툴(104)의 이동은 제1 제약 기준(C1)이 5개의 활성 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), 및 y 방향(YO))을 포함하며, 제1 모드(M1)에서 동작하는 동안 표적 상태(ST)를 정의하기 위해 하나의 자유도(DOF)(예를 들어, Z 방향(ZO))에서의 이동을 허용하는 시나리오를 나타낼 수 있다. 이러한 구성은, 예를 들어, 사용자가 (예를 들어, 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 대한 말렛 타격들 사이의) 궤적(T)에 대한 가이드(208)를 (예를 들어, 가이드(208)가 사용자에 의해 포지셔닝되는 곳에 기초하여 표적 상태(ST)를 재정의함으로써) 매니퓰레이터(102)에 의해 유지되는 상이한 배열로 "회전"시키도록 하기 위해 구현될 수 있다.
그러나, 제1 제약 기준(C1)은 제1 모드(M1)에서 동작하는 동안 표적 상태(ST)를 정의하기 위해 다수의 상이한 방식들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 궤적(T)에 대해 가이드(208)를 "회전"시키는 것에 기초하여 매니퓰레이터(102)가 표적 상태(ST)를 재정의하는 방식으로 사용자가 제1 모드(M1)에서 궤적(T)에 대해 가이드(208)의 방향을 조정하는 것을 허용하기보다는, 제1 제약 기준(C1)은 그 대신에 다른 것보다 하나 이상의 자유도(DOF)에서 더 많은 탄성 이동(예를 들어, 덜 "강성" 이동)을 허용하면서 모든 6자유도(DOF)에서 표적 상태(ST)를 정의하도록 구성될 수 있다. 예시적인 예로서, 도 22c에 도시된 배열은 제1 모드(M1)에서 표적 상태(ST)를 대신 나타낼 수 있으며, 제1 제약 기준(C1)은 z 방향(ZO) 자유도(DOF)와 연관된 제1 탄성 파라미터(R1)가 사용자가 도 23에 도시된 바와 같이 궤적(T)에 대해 가이드(208)를 "회전"시키는 것을 허용하지만 그럼에도 불구하고 툴(104)을 표적 상태(ST) 쪽으로 가압하는 비교적 "약한" 값을 갖도록 구성된다. 여기서 이 예에서, 도 23에 도시된 툴(104)의 배열은 현재 상태(SC)를 나타낼 것이며, 표적 상태(ST)는 팬텀 윤곽으로 도시된다(또한 도 22c 참조).
도 24a 내지 도 24c를 참조하면, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(124)는 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2) 모두와 상이한 제3 제약 기준(C3)에 따라 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 정렬을 유지하기 위해 매니퓰레이터(102)를 제3 모드(M3)로 동작시키도록 더 구성될 수 있다. 여기서, 이 실시예에서, 컨트롤러(124)는 하나 이상의 시스템 조건들(SYS) 중 적어도 하나가 제1 미리 결정된 조건(PR1)을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터(102)의 동작을 제1 모드(M1)로부터 제2 모드(M2)로 변경하고, 하나 이상의 시스템 조건들(SYS) 중 적어도 하나가 제1 미리 결정된 조건(PR1)과 상이한 제2 미리 결정된 조건(PR2)을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 매니퓰레이터(102)의 동작을 제2 모드(M2)로부터 제3 모드(M3)로 변경하도록 구성된다. 여기서 이 예시적인 실시예에서, 제1 제약 기준(C1)은 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)의 이동이 제한되는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)를 포함하고, 제2 제약 기준(C2)은 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)의 이동이 제한되는 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)를 포함하며, 제3 제약 기준(C3)은 표적 부위(TS)에 대해 툴(104)의 이동이 제한되는 제3 개수(N3)의 자유도(DOF)를 포함한다. 또한, 이 예시적인 실시예에서, 제1 제약 조건(C1)은 또한 제1 탄성 파라미터(R1)를 포함하고, 제2 제약 조건(C2)은 또한 제2 탄성 파라미터(R2)를 포함하며, 제3 제약 기준(C3)은 또한 제3 탄성 파라미터(R3)를 포함한다.
따라서, 도 24a 내지 24c와 관련하여 예시된 예시적인 실시예에서, 컨트롤러(124)는 매니퓰레이터(102)를, 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)에 기초하고 제1 탄성 파라미터(R1)에도 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 배열을 유지하도록 제1 모드(M1)에서 동작시키고; 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)에 기초하고 제2 탄성 파라미터(R2)에도 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 배열을 유지하도록 제2 모드(M2)에서 동작시키고; 제3 개수(N3)의 자유도(DOF)에 기초하고 제3 탄성 파라미터(R3)에도 기초하여 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 배열을 유지하도록 제3 모드(M3)에서 동작시키도록 구성된다. 여기서, 제3 개수(N3)의 자유도(DOF)는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF) 및 제2 개수(N2)의 자유도(DOF) 중 하나 이상과는 다르다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서, 제3 개수(N3)의 자유도(DOF)는 제1 개수(N1)의 자유도(DOF)보다 작아서, 컨트롤러(124)는 제1 모드(M1)에서보다 제3 모드(M3)에서 적어도 하나 이상의 자유도(DOF)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동을 허용한다. 마찬가지로, 이 실시예에서, 제3 개수의 자유도(DOF)는 제2 개수(N2)의 자유도(DOF)보다 작아서, 컨트롤러(124)는 제2 모드(M2)에서보다 제3 모드(M3)에서 적어도 하나 이상의 자유도(DOF)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동을 허용한다.
보다 구체적으로, 이 예시적인 실시예에서, 제1 개수(N1)의 자유도는 제2 개수(N2)의 자유도와 동일하고, 이들 모두는 제3 개수(N3)의 자유도와 상이하다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다. 여기서, 이 실시예에서, 제1 제약 기준(C1)과 제2 제약 기준(C2) 사이의 차이는, 제1 및 제2 모드(M1, M2)에서 "활성"인 제1 및 제2 개수(N1, N2)의 자유도(DOF)보다는, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 제1 및 제2 탄성 파라미터들(R1, R2)에 기초한다.
도 24a 내지 24c와 관련하여 예시된 실시예와 같은 일부 실시예들에서, 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2) 각각은 적어도 하나의 위치 자유도(DOF)(예를 들어, x 위치(XP), y 위치(YP), 및/또는 z 위치(ZP)) 및 적어도 하나의 방향 자유도(DOF)(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 방향(ZO))를 포함하고; 제1 제약 기준(C1), 제2 제약 기준(C2), 및 제3 제약 기준(C3) 각각은 적어도 하나의 방향 자유도(예를 들어, x 방향(XO), y 방향(YO), 및/또는 z 방향(ZO))를 포함한다. 여기서 또한, 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2) 각각은 제3 제약 기준(C3)보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도(DOF)를 포함한다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 24a 내지 도 24c에 예시된 예시적인 실시예에서, 제1 제약 기준(C1)과 제2 제약 기준(C2) 사이의 차이는 제1 및 제2 모드들(M1, M2)에서 "활성"인 제1 및 제2 개수(N1, N2)의 자유도(DOF)가 아닌 제1 및 제2 탄성 파라미터들(R1, R2)에 기초한다. 여기서, 제3 탄성 파라미터(R3)는 이 실시예에서 또한 서로 상이한 제1 탄성 파라미터(R1) 및 제2 탄성 파라미터(R2) 중 하나 이상과는 상이하다. 보다 구체적으로, 그리고 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 컨트롤러(124)는 제1 모드(M1)에서보다 제2 모드(M2)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 보다 탄성적인 이동(예를 들어, 덜 "강성"인 이동)을 허용하고, 제3 모드(M3)에서보다 제2 모드(M2)에서 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 보다 탄성적인 이동(예를 들어, 덜 "강성"인 이동)을 허용한다. 여기서 또한, 이는 비제한적인 예이고, 수술 시스템(100)의 다른 구성들이 고려된다.
도 24a에서, 컨트롤러(124)는 제1 제약 기준(C1)에 따라 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키고, 이 예시적인 실시예에서, 예시된 바와 같이 표적 상태(ST)를 정의하며, 툴(104)은 위에서 언급된 바와 같이 궤적(T)과 축들(A1, A2)의 동시 정렬이 존재하도록 배열된다. 이를 위해, 제1 제약 기준(C1)은 제1 개수(N1)의 자유도(DOF) 및 제1 탄성 파라미터(R1) 둘 다를 포함한다. 이 예시적인 예를 위해, 제1 개수(N1)는 6개의 "활성" 자유도(DOF), 즉 x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), y 방향(YO) 및 z 방향(ZO)을 포함한다. 또한, 이 예시적인 예에서, 제1 탄성 파라미터(R1)는, 예를 들어 스프링 파라미터들(PS)이 6개의 활성 자유도(DOF) 각각에서의 이동에 저항하도록 상대적으로 높게 설정되는 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA)에 의해 정의되는, 툴(104)이 상대적으로 "강성 햅틱"을 갖는 표적 상태(ST)에서 유지되도록 설정된다.
도 24a를 계속 참조하면, 충격력(FI)은 (예를 들어, 궤적(T)에 대해 횡방향으로) 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 부적절하게 가해지는 것으로 도시된다. 여기서, 충격력(FI)의 부적절한 인가(예를 들어, 비교적 크기가 크고 및/또는 궤적(T)과 오정렬됨)는, 예를 들어, 예시를 위해 축들(A1, A2)과 궤적(T) 사이의 과장된 오정렬을 갖는 도 24b에 도시된 바와 같이, 궤적(T)과 오정렬되는 방식으로 이식가능한 컴포넌트(116)가 표적 부위(TS) 내로 부분적으로 안착되게 할 수 있다. 여기서 도 24b에서, 센서(180)는 표적 상태(ST)로부터 예시된 현재 상태(SC)의 편차로 인한 표적 부위(TS)와 매니퓰레이터(102) 사이의 힘(FD)을 검출하며(여기서 팬텀 윤곽으로 도시됨), 센서(180)는 시스템 조건(SYC)(예를 들어, 힘(FD))을 검출하기 위해 감지 시스템(206)의 일부의 역할을 한다. 이 시나리오에서, (예를 들어, 툴 중심점(TCP)을 궤적(T) 상으로 다시 이동시킴으로써) 툴(104)를 표적 상태(ST)로 가져오기 위해 매니퓰레이터(102)를 계속 이동시키는 대신에, 컨트롤러(124)는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)이, 이 실시예에서, 센서(180)에 의해 검출된 제1 힘(F1)(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 힘 및/또는 토크)으로 정의되는 제1 미리 결정된 조건(PR1)을 충족하는 것에 응답하여 제1 모드(M1)로부터 제2 모드(M2)로 변경한다. 따라서, 도 24b는 제2 제약 기준(C2)에 따른 제2 모드(M2)에서의 매니퓰레이터(102)의 동작을 도시한다.
도 24b에서, 컨트롤러(124)는 제2 제약 기준(C2)에 따라 매니퓰레이터(102)를 제2 모드(M2)로 동작시키고, 표적 상태(ST)는 여전히 도 24a에 도시된 배열(도 24b에서 팬텀 윤곽으로 도시됨)에 의해 정의된다. 여기서, 제2 제약 기준(C2)은 제2 개수(N2)의 자유도(DOF) 및 제2 탄성 파라미터(R2)를 포함한다. 이 예시적인 예를 위해, 제2 개수(N2)는 6개의 "활성" 자유도(DOF), 즉 x 위치(XP), y 위치(YP), z 위치(ZP), x 방향(XO), y 방향(YO) 및 z 방향(ZO)을 포함한다. 그러나, 이 예시적인 예에서, 제2 탄성 파라미터(R2)는, 예를 들어, 스프링 파라미터들(PS)이 6개의 활성 자유도(DOF) 각각에서 특정 양의 탄성 이동을 허용하도록 상대적으로 낮게 설정되는 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA)에 의해 정의되는, 툴(104)이 상대적으로 "느슨한 햅틱(loose haptic)"으로 표적 상태(ST) 쪽으로 가압되도록 설정된다(예를 들어, 제2 탄성 파라미터(R2)는 제1 탄성 파라미터(R1)보다 작음). 이 구성에서, 매니퓰레이터(102)는 (예를 들어, 툴 중심점(TCP)을 궤적(T)로 다시 가져옴으로써) 여전히 표적 상태(ST)로 돌아가려고 시도하지만, 제2 제약 기준(C2)에 의해 제공되는 "느슨한 햅틱"은 표적 상태(ST)로부터 일정 양의 편차가 발생하도록 허용하며, 이에 의해 이식가능한 컴포넌트(116)가 오정렬되면서 표적 부위(TS) 내로 부분적으로 안착될 때 "폭주" 조건을 방지하고, 표적 부위(TS)가 작업면(WS) 상에 지지된 상태를 유지한다.
도 24b를 계속 참조하면, 충격력(FI)은 (예를 들어, 궤적(T)에 대해 횡방향으로) 임팩터 어셈블리(210)의 헤드(214)에 부적절하게 가해지는 것으로 도시된다. 여기서, 충격력(FI)의 부적절한 인가(예를 들어, 비교적 크기가 크고 및/또는 궤적(T)과 오정렬됨)는, 예를 들어, 예시를 위해 축들(A1, A2)과 궤적(T) 사이의 과장된 오정렬을 갖는 도 24c에 도시된 바와 같이, 추가로 궤적(T)과 오정렬되는 방식으로 이식가능한 컴포넌트(116)가 여전히 표적 부위(TS) 내로 추가로 안착되게 할 수 있다. 여기서 도 24c에서, 센서(180)는 마찬가지로 표적 상태(ST)로부터 예시된 현재 상태(SC)의 추가 편차로 인한 표적 부위(TS)와 매니퓰레이터(102) 사이의 힘(FD)을 검출한다(여기서 궤적(T)의 엔드포인트로 도시됨). 여기서 또한 이 시나리오에서, (예를 들어, 툴 중심점(TCP)을 궤적(T) 상으로 다시 이동시킴으로써) 툴(104)를 표적 상태(ST)로 가져오기 위해 매니퓰레이터(102)를 계속 이동시키는 대신에, 컨트롤러(124)는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)이, 이 실시예에서, 제2 힘(F2)이 제1 힘(F1)보다 더 큰 센서(180)에 의해 검출된 제2 힘(F2)(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 힘 및/또는 토크)으로 정의되는 제2 미리 결정된 조건(PR2)을 충족하는 것에 응답하여 제2 모드(M2)로부터 제3 모드(M3)로 변경한다. 일부 실시예들에서, 그렇지 않으면 제2 힘(F2)이 부분적으로 또는 완전히 안착된 이식가능한 컴포넌트(116)를 "안착 해제"할 수 있는 이식가능한 컴포넌트(116)와의 체결을 통해 하나 이상의 방향들로 표적 부위(TS)에 작용하는 힘 및/또는 토크의 양보다 작을 수 있다.
도 24c에서, 컨트롤러(124)는 제3 제약 기준(C3)에 따라 매니퓰레이터(102)를 제3 모드(M3)로 동작시키고, 표적 상태(ST)는 여전히 도 24a에 도시된 배열(도 24c에서 궤적(T)의 엔드포인트로 도시됨)에 의해 정의된다. 여기서, 제3 제약 기준(C3)은 제3 개수(N3)의 자유도(DOF) 및 제3 탄성 파라미터(R3)를 포함한다. 이 예시적인 예를 위해, 제3 개수(N3)는 3개의 "활성" 자유도(DOF), 즉 x 방향(XO), y 방향(YO), z 방향(ZO)을 포함한다. 다르게 말하면, 위치 자유도(DOF)는 제3 제약 기준(C3)에 따라 활성화되지 않는다. 여기서 이 예시적인 예에서, 제3 탄성 파라미터(R3)는, 예를 들어 스프링 파라미터들(PS)이 3개의 활성 자유도(DOF) 각각에서의 이동에 저항하도록 상대적으로 높게 설정되는 가이드 제약들(GC)의 튜닝 파라미터들(TPA)에 의해 정의되는, 툴(104)이 상대적으로 "강성 햅틱"을 갖는 표적 상태(ST) 쪽으로 가압되도록 설정된다. 여기서, 툴(104)은 위치가 아닌 방향에 기초하여 표적 상태(ST) 쪽으로 가압된다. 이 구성에 의해, 매니퓰레이터(102)는 여전히 (예를 들어, 툴 중심점(TCP)을 표적 부위(TS)를 향해 배향시킴으로써) 표적 상태(ST)로 복귀하려고 시도하고 있지만, 활성 위치 자유도(DOF)의 부족은 이식가능한 컴포넌트(116)가 오정렬된 상태 동안 표적 부위(TS) 내로 추가로 안착될 때 "폭주" 조건이 발생하는 것을 방지하고, 표적 부위(TS)는 마찬가지로 작업면(WS) 상에 지지된 채로 유지된다. 여기서, 외과의 또는 다른 사용자에게, 위에서 언급된 바와 같이, 사용자 인터페이스들(142) 중 하나 이상의 일부를 형성할 수 있는 모드 표시기(318)를 통해 제3 모드(M3)로의 변경에 대해 경고할 수 있다. 비제한적인 예에 의해, 컨트롤러(124)가 제1 모드(M1)에서 제2 모드(M2)로 전환할 때, 사용자에게 경고하도록 "로우 레벨" 경고(예를 들어, 스피커에서 재생되는 사운드, 화면에 제시되는 점멸등 또는 그래픽에 의해 디스플레이되는 경고 등)가 생성될 수 있고, 컨트롤러(124)가 제2 모드(M2)에서 제3 모드(M2)로(또는 제1 모드(M1)에서 제3 모드(M3)로) 전환할 때, 사용자에게 경고하도록 다른 또는 "하이 레벨" 경고가 생성될 수 있다. 경고들은 서로 구별하기에 충분한 다수의 상이한 방식들로 정의될 수 있고(예를 들어, 하나는 시각적이고 다른 하나는 청각적임, 또는 이들의 조합들), 위에 언급된 바와 같이, 모드 표시기(318)는 다수의 상이한 스타일들, 유형들, 및/또는 구성들일 수 있다.
도 24a 내지 24c와 관련하여 위에 설명된 대표적인 실시예가 3개의 제약 기준(C1, C2, C3), 3개의 모드들(M1, M2, M3) 및 2개의 미리 결정된 조건들(PR1, PR2)을 사용하지만, 일부 실시예들에서 유사한 기능이 2개의 모드들 및 1개의 미리 결정된 조건(PR)으로 제공될 수 있다. 비제한적인 예로서, 미리 결정된 조건(PR)이 검출된 힘(FD)(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)에서의 힘 및/또는 토크)으로서 정의되는 시스템 조건들(SYC)을 모니터링하기 위해 센서(180)를 이용할 때, 컨트롤러(124)는 (예를 들어, 제1 제약 기준(C1)에 따른 6 자유도(DOF)를 유지하기 위한) 제1 모드(M1)로부터 (예를 들어, 제2 제약 기준(C2)에 따른 방향 자유도(DOF)만을 유지하기 위한) 제2 모드(M2)로 전환하도록 구성되고, 컨트롤러(124)는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)이 미리 결정된 조건(PR)을 향해 증가함에 따라 증가하는 탄력성과 함께 표적 부위(TS)에 대한 툴(104)의 이동에 저항하도록 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 도 24b가 도 24a에 도시된 것과 상이한 모드에서의 동작을 묘사하기보다는, 그림 24b는 대신에 동일한 모드(예를 들어, 제1 모드(M1))의 일부를 나타낼 수 있으며, 여기서 제1 제약 기준(C1)은 예를 들어 검출된 힘(FD)이 미리 결정된 조건(PR)을 충족시킬 때까지(예를 들어, 힘(FD)이 도 24c와 관련하여 위에서 설명된 제2 힘(F2)을 초과하는 경우) 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)의 함수로서 정의되는 탄성 파라미터를 포함한다. 그러나, 전술한 예는 예시적이고 비제한적이며, 다른 구성들이 고려된다.
모드들(예를 들어, 제1 모드(M1) 및 제2 모드(M2)) 사이의 변경을 용이하게 하기 위해 감지 시스템(206)의 일부로서 센서(180)를 이용하는 실시예들에서, 센서(180)는 매니퓰레이터(102)와 표적 부위(TS) 사이에서 발생하는 힘(FD)(예를 들어, 힘 및/또는 토크)을 하나 이상의 자유도(DOF)로 검출하도록 구성되는 힘-토크 센서(180)로서 추가로 정의될 수 있다. 이를 위해, 그리고 일반적으로 도면들 1 및 15에 도시된 바와 같이, 센서(180)는 (예를 들어, 커플링(110)의 일부로서) 로봇 암(108)에 결합될 수 있다. 그러나, 센서(180)는 매니퓰레이터(102)와 표적 부위(TS) 사이에서 발생하는 힘(FD)을 검출하기에 충분한 임의의 적절한 방식으로 배열될 수 있고, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 상이한 유형들, 스타일들 또는 구성들일 수 있다. 비제한적인 예로서, 센서(180)는 커플링(110)의 일부로서, 로봇 암(108)의 일부로서(예를 들어, 조인트들 중 하나에 배열됨), 및/또는 툴(104)의 일부로서(예를 들어, 기구(112) 및/또는 이식가능한 컴포넌트(116)에 배열됨) 실현될 수 있다. 유사하게, 센서(180)는 가이드(208)의 마운트(148) 및/또는 본체(260)에 배열될 수 있다. 또한, 본원에 예시된 대표적인 실시예는 매니퓰레이터(102)에 결합되는 단일의, 다중 자유도(DOF) 힘-토크 트랜스듀스를 향하지만, 센서(180)는 또한 표적 부위(TS)와 로봇 암(108) 사이에서 발생하는 힘(FD)을 검출하는 것을 용이하게 하는 것을 돕는 동일한 위치 또는 상이한 위치(예를 들어, 가이드(208)에 하나 및 커플링(110)에 하나)에 배열된 다수의 컴포넌트들에 의해 실현될 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
일부 실시예들에서, 미리 결정된 조건(PR)(예를 들어, 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 또는 다른 값들)을 충족하는 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)의 양은 이식가능한 컴포넌트(116)에서 인가되는 토크(또는 힘)의 양을 나타내거나 또는 이에 기초한다. 여기서, 툴(104) 및 이식가능한 컴포넌트(116)의 알려진 속성들은 센서(180)에서의 힘/토크를 이식가능 컴포넌트(116)에서 인가되는 힘/토크와 관련시키는 데 사용될 수 있다. 센서(180)로부터 이식가능한 컴포넌트(116)로의 강체 야코비안(rigid body Jacobian)을 계산하는 것은 FIMPLANT = JSENSOR_TO_IMPLANT -T * FSENSOR에 따라 수행될 수 있다. 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)은 다수의 상이한 방식들로 미리 결정된 조건(PR)을 정의할 수 있고, 애플리케이션별 및/또는 절차별일 수 있다. 일부 실시예들에서, 이식가능한 컴포넌트(116)의 유형, 스타일, 크기 또는 다른 파라미터들은 적어도 부분적으로 하나 이상의 미리 결정된 조건들(PR)을 정의할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 상대적으로 "큰" 이식가능한 컴포넌트(116)는 상대적으로 "작은" 이식가능한 컴포넌트(116)와 비교하여 표적 부위(TS)에서 안착 해제되기 전에 그에 인가된 다른 양의 토크(또는 힘)를 요구할 수 있다. 센서(180)에 기초한 미리 결정된 조건(PR)의 특정 파라미터들(예를 들어, 하나 이상의 자유도(DOF)로의 힘 및/또는 토크의 크기)은 실험을 수행하는 것을 사용하는 것을 포함하여, 다른 방식들로 결정될 수 있다. 예를 들어, 충돌 어셈블리(210)에 대한 병진이동 제한을 해제하기 시작하는 기준력을 결정함에 있어서, 레버-아웃(lever-out) 토크는 관골구 컵에 대해 분석되었다. 잘 고정된 컵(116)이 이동 또는 탈좌할 가능성이 있는 대략적인 토크를 알면, 컵 배치 정확도는 지정된 한계 또는 범위에서 제약을 해제함으로써 컵 레버-아웃을 회피하면서 최적화될 수 있다. 컵(116)의 레버-아웃 강도의 대략 5 내지 25 Nm의 범위에 있어서, 충돌 어셈블리(210)에서의 가능한 힘 제한은 상이한 컵 고정 시나리오들을 해결하기 위해 20N 내지 100N의 범위(엔드 이펙터 부착으로부터 컵 중심까지의 0.25m 레버 암을 가정)일 수 있다. 일 구현에서, 랩 평가당 미리 결정된 조건(PR)을 충족시키는 힘(FD)의 양은 대략 64N(대략 16 Nm 레버 아웃 토크)이다. 그러나, 컵 유형, 프레스-핏, 테스트 방법 및 재료에 따라 다른 값들 또는 값들의 범위들이 고려되거나 가능하다. 다른 예들에서, 미리 결정된 조건(PR)을 충족시키는 힘(FD)의 양은 58 내지 66N, 50 내지 70N, 또는 40 내지 80N 사이 이거나 또는 이들 범위 사이의 임의의 값들이다.
일부 실시예들에서, 임계 제어(314)(및/또는 강성 제어(316))는 주관적 고려사항들, 관측들 등에 기초하여 수술 중 사용자에 의해 수동으로 조정될 수 있다(예를 들어, 특정 미리 결정된 조건(PR)은 사용자 선호도에 기초하여 더 높거나 더 낮게 조정됨). 일부 실시예들에서, 미리 결정된 조건(PR)은 사용자 인터페이스(142)의 입력 장치(146)를 사용하여 입력될 수 있는 환자별 데이터(예를 들어, 키, 체중, 나이, 골밀도, 체질량지수(body-mass-index; BMI) 등)에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 미리 결정된 조건(PR)은, 예를 들어, 그 개시내용이 그 전체가 본원에 참조로서 통합되는 "System and Method of Controlling a Robotic System for Manipulating Anatomy of a Patient During a Surgical Procedure"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제US 2015/0094736 A1호에 기술된 바와 유사한 "위글 테스트(wiggle test)"에 의해 적어도 부분적으로 수술 중 결정될 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 고려된다.
다른 구현들에서, 제1 제약 기준(C1) 또는 제2 제약 기준(C2)은 감지 시스템 또는 센서(180)로부터의 측정치들에 기초하여 동적으로 결정 또는 조정될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어, 메모리에 저장된 룩업 테이블을 사용하여 감지된 측정치들의 크기들 또는 값들을 강성 값들과 상관시킬 수 있다. 이 기술은 위에서 설명된 바와 같이 또는 임의의 임계치와 무관하게 임계치로 구현될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 모드들(M1, M2)(및/또는 다른 모드들) 사이에서 전환할 때 수술 시스템(100)에 의해 제공되는 기능은 센서(180) 외에(및/또는 이에 추가하여) 감지 시스템(206)의 다른 컴포넌트들을 사용하여 수행될 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 24a 내지 24c를 다시 참조하면, 로컬라이저(158) 및 하나 이상의 트랙커들(160)(예를 들어, 제1 환자 트랙커(160A) 및 제2 툴 트랙커(160I))는 미리 결정된 조건(PR)을 충족하는 방식으로 임팩터 어셈블리(210)와 표적 부위(TS)의 동시 이동과 같은 시스템 조건들(SYC)을 모니터링하는데 이용될 수 있다. 여기서, 하나 이상의 미리 결정된 조건들(PR)을 충족시키는 이동은, 임팩터 어셈블리(210)가 제1 축(A1)과 궤적(T) 사이의 오정렬로 표적 부위(TS)에 고정됨을 암시하는 이동, 표적 부위(TS)가 작업면(WS)으로부터 들어올려지거나 그렇지 않으면 의도되지 않은 방향으로 이동하는 등을 시사하는 이동 등과 같은, 지속시간 및 방향의 다양한 조합들에 기초할 수 있다. 여기서, 감지 시스템(206)의 컴포넌트들의 조합들은, 모드들(M1, M2) 사이에서 변화하기 위해 미리 결정된 조건들(PR)을 충족시키는 것이 동일한 또는 상이한 타입들의 시스템 조건들(SYC)에 기초하여 충족될 다수의 미리 결정된 조건들(PR)을 요구하도록 함께 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 센서(180)는 사용자가 충격력(FI)을 적용하고 있을 때를 검출하는데 사용될 수 있고, 표적 부위(TS)가 충격력(FI)의 인가에 초기에 반응함에 따라 "폭주" 조건의 거짓 검출을 방지하기 위해 충격 동안 다른 방식으로 제1 환자 트랙커(160A)를 통한 표적 부위(TS)의 이동을 간략하게 해석하는 것과 같이, 충돌 이벤트를 포함하는 시간 기간 동안 미리 결정된 조건들(PR)이 어떻게 정의되는지를 변경할 수 있다. 다른 구성들이 고려된다.
수술 시스템(100)은 충격력들(FI)(또는 축외 힘들)을 검출하고, 폭주 조건 제어 알고리즘에 대해 이러한 충격력(FI)을 무시하거나 무시할 수 있다. 그렇게 함으로써, 수술 시스템(100)은 이벤트가 예상된 충격력(FI)이고 원하지 않는 "폭주" 조건이 아님을 식별할 수 있다. 결국, 수술 시스템(100)은 제2 모드(M2)에 따라 매니퓰레이터를 제어할 필요가 없다고 결정할 수 있다. 폭주 조건과 충격력(FI)을 구별하기 위한 일 예에서, 시스템(100)은 힘 토크 센서(180)로부터의 X 및 Y 성분 힘 신호들을 분석한다. Z-축 힘이 기계적 설계에서 제한되지 않기 때문에 Z-성분 힘은 무시되었다. 폭주 조건을 검출하기 위해, 일 구현에서, 시스템(100)은 결합된 X 및 Y 축 힘들의 특정 시간 기간(일 예로서 125 ms)에 걸쳐 크기 힘을 평균내고, 이 평균 크기 힘이 힘 임계치보다 큰지를 결정할 수 있다. 동일한 기간에 대한 표준 편차는 동일한 것이 임계치 미만인지를 결정하기 위해 계산될 수 있다. 임계치가 충족되면, 시스템(100)은 폭주 조건이 존재한다고 결정할 수 있다. 한 실험에서, 폭주 조건에서 X 및 Y 방향의 예시적인 힘 편차는 +/- 10 내지 60N의 범위였다. 폭주 조건이 존재한다고 결정하는 다른 방법들이 있을 수 있다. 예를 들어, 측정된 X 및 Y 힘들은 시간에 따른 임계 한계와 개별적으로 비교될 수 있다. 폭주 조건들을 검출하기 위한 임계치들을 결정할 때 다른 요인들이 고려될 수 있다.
한편, (폭주 조건과 비교하여) 충격력(FI)을 검출하기 위해, 센서(180)에 의해 얻어지는 힘의 X, Y 및 Z 성분들은 충격이 발생하는 시간 기간(예를 들어, 30 내지 60초)에 걸쳐 감지 시스템(100)에 의해 분석될 수 있다. 일 예에서, 충돌 이벤트 동안의 힘의 대부분은 어셈블리의 기계적 특성으로 인해 Z-방향으로 발생한다. 그러나, X와 Y 힘들은 사용자가 임팩터를 치는 방식이나 정확도에 따라 발생한다. 이 시간 기간 동안, X, Y 및 Z 성분들 각각은 각 충격을 나타내는 개별 신호 스파이크들을 생성한다. 감지 시스템(100)은 각 충격을 나타내는 신호 스파이크들 각각을 격리시킬 수 있다. 일 예에서, 각 신호 스파이크는 100 내지 150 ms 범위 내의 기간 동안 지속되도록 실험적으로 결정되었다. 그런 다음, 감지 시스템(100)은 각 충돌 이벤트의 기간을 계산하고 그 계산된 기간 동안 표준 편차를 계산할 수 있다. 여기서, 충돌 이벤트를 정의하기 위한 임계치가 설정된다. 임계치가 충족되면, 시스템(100)은 충격 이벤트가 발생하였다고 결정할 수 있다. 한 실험에서, 충돌 이벤트에 응답하여 X 및 Y 방향에서의 예시적인 힘 편차는 +/- 10 내지 30N의 범위였고, 충돌 이벤트에 응답하여 Z 방향에서의 예시적인 힘 편차는 +/- 20 내지 40N의 범위였다. 충돌 이벤트가 발생한다고 결정하는 다른 방식들이 있을 수 있다. 예를 들어, 측정된 힘들은 시간에 따른 임계치들과 개별적으로 비교될 수 있다. 또한, 컵 타입, 컵 크기, 환자 데이터, 임팩터 파라미터들, 예상 충격력 등의 요인들에 따라 폭주 조건들을 검출하기 위한 임계치들이 달라질 수 있다. 폭주 이벤트와 충격 이벤트 사이에서 필터링할 수 있게 됨으로써, 시스템(100)은 폭주 조건에 대항할 필요가 있을 때에만 제약 기준을 지능적으로 수정할 수 있다.
또한, 모드들(M1, M2) 사이에서 변화하기 전에 충족될 상이한 타입들의 미리 결정된 조건들(PR)을 조합하는 것은 또한 도 12 내지 14d와 관련하여 위에서 설명된 동력식 수술 장치(150)와 같은 다른 타입들의 툴들(104)과 함께 구현될 수 있다. 예를 들어, 발전 어셈블리(152)의 동작에 의해 정의된 시스템 조건들(SYC)과 연관된 미리 결정된 조건들(PR)(예를 들어, 모터 속도, 부하 등)은, 툴(104)과 표적 부위(TS)의 동시 이동이 있더라도 에너지 어플리케이터(114)가 여전히 회전하고 있는 경우 또는 그렇지 않으면 컨트롤러(124)가 모드들(M1, M2) 사이에서 변경하도록 하는 경우 모드들(M1, M2) 사이에서 변화하는 것을 피하기 위해, 내비게이션 시스템(128) 및 센서(180) 등에 의해 정의된 시스템 조건들(SYS)과 연관된 미리 결정된 조건들(PR)과 비교될 수 있다. 여기서 또한, 위에서 제공된 예는 예시적이고, 제한적이지 않으며, 다른 구성들이 고려된다.
일 예에서, 그리고 도 26을 참조하면, 에너지 어플리케이터(114)로서 버(154)를 갖는 툴과 같은 툴(104)이 표적 부위(TS)와 연관된 가상 경계(174)에 의해 제한되면서 표적 부위(TS) 뼈와 체결되는 상황에서, "폭주" 조건이 존재할 수 있다. 보다 구체적으로, 폭주 조건은 버(154)가 가상 경계(174)와 표적 부위(TS) 뼈 사이에 갇히거나, 배치되거나, 고정(wedged)되는 경우에 존재할 수 있다. 이러한 상황의 결과로서, 버(154)는 가상 경계(174)의 부분적으로 바깥쪽으로 푸시될 수 있다. 가상 경계(174)는 툴(104) 모션을 제한하도록 구성되기 때문에, 시스템은 버(154)에 반응성 힘(RF)을 인가하도록 매니퓰레이터를 제어한다. 이 반응력(RF)은 버(154)가 표적 부위(TS) 뼈에 대해 푸시하도록 하여 표적 부위(TS) 뼈가 이동하게 한다. 표적 부위(TS)는 트랙커(160A)를 통해 내비게이션 시스템에 의해 추적된다. 따라서, 표적 부위(TS)의 푸싱은 연관된 가상 경계(174)의 대응하는 이동을 야기하고, 결국 반응력(RF)이 폭주 조건으로 지속되게 할 것이다. 위에서 설명된 시스템들, 방법들 및 기술들의 구현들은 이러한 시나리오를 방지하기 위해 완전히 적용될 수 있다. 이 예에서, 제1 제약 기준(C1) 및 제2 제약 기준(C2)은 폭주 조건을 방지하기 위해 전술한 것들 중 임의의 것과 같을 수 있다. 추가로 또는 대안로, 제약 기준(C1, C2)은 반응력(RD)의 크기 또는 방향, 반응력(RF)과 연관된 강성 또는 감쇠 파라미터, 가상 경계(174)의 형상, 가상 경계(174)의 유연성, 툴(104) 및/또는 에너지 어플레이터(114)의 방향과 연관된 강성 또는 감쇠 파라미터, 또는 툴(104) 및/또는 에너지 어플리케이터(114)에 대한 위치 또는 방향 자유도를 가능하게 하는 것에 관련될 수 있다.
일 구현에서, 본 개시는 또한 삽입가능한 컴포넌트(116)를 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스(212)를 갖는 임팩터 어셈블리를(210), 임팩터 어셈블리(210)를 수용하도록 형성된 채널(262)을 갖는 가이드(208), 궤적(T)을 따라 표적 부위(TS)에 대해 가이드(208)를 지지하도록 구성된 매니퓰레이터(102), 센서(180) 및 매니퓰레이터(102)와 센서(180)에 결합된 컨트롤러(124)를 포함하고 상이한 단계들을 수행하도록 구성되는, 수술 시스템(100)을 동작시키는 방법에 관한 것이다. 단계들은, 제1 제약 기준(C1)에 따라 궤적(T)에 대한 가이드(208)의 정렬을 유지하기 위해 제1 모드(M1)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키는 단계; 제1 제약 기준(C1)과 다른 제2 제약 기준(C2)에 따라 궤적(T)에 대한 가이드(208)의 정렬을 유지하기 위해 제2 모드(M2)에서 매니퓰레이터(102)를 동작시키는 단계; 센서(180)로 표적 부위(TS)와 매니퓰레이터(102) 사이에서 발생하는 힘(FD)을 검출하는 단계; 및 센서(180)에 의해 검출된 힘(FD)이 미리 결정된 조건(PC)을 충족시킨다고 결정하고 이에 응답하여 제1 모드(M1)에서 제2 모드(M2)로 매니퓰레이터(102)의 동작을 변경시키는 단계를 포함한다.
이러한 방식으로, 본 개시의 수술 시스템(100)의 기술들, 방법들 및 실시예들은 표적 부위(TS)에 대해 상이한 타입들의 툴들(104)을 지원하기 위해 매니퓰레이터들(102)을 사용하여 수행되는 다양한 타입들의 수술 절차들과 관련하여 상당한 이점들을 제공한다. 컨트롤러(124), 감지 시스템(206) 및 매니퓰레이터(102)에 의해 제공되는 기능은 외과의들 및 다른 사용자들이 안전하고 신뢰성있고 예측 가능한 방식으로 수술 절차들을 수행할 수 있도록 보장하도록 돕는다. 구체적으로, 미리 결정된 조건들(PR)을 충족하는 상이한 타입들의 시스템 조건들(SYC)을 검출하는 것에 응답하여 모드들(M1, M2) 사이에서 변경하는 능력은, 매니퓰레이터(102)를 통해 환자(P)를 달리 "상승" 또는 "턴"시킬 수 있는 "폭주" 조건들(및 다른 타입들의 툴들(104)의 원하지 않는 이동)을 방지하는 것을 돕는다.
당업자들은 본원에 설명되고 예시된 실시예들의 양태들이 교환되거나 그렇지 않으면 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, "포함하다(include)", "포함하다(includes)" 및 "포함하는(including)"이라는 용어들은 "포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)"이라는 용어들과 동일한 의미를 가진다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 명확성 및 일관성의 비제한적이고 예시적인 목적을 위해 특정 구조적 특징들 및 컴포넌트들을 구별하기 위해 "제1, 제2, 제3" 등과 같은 용어들이 본원에서 사용된다는 것이 이해될 것이다.
몇 가지 구성들이 앞의 설명에서 논의되었다. 그러나, 본원에 논의된 구성들은 임의의 특정 형태로 본 발명을 포괄하거나 제한하려는 것은 아니다. 사용된 용어는 제한적이기보다는 설명의 단어 특성에 속하도록 의도된다. 상기 교시에 비추어 많은 수정들 및 변형들이 가능하며, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다.

Claims (77)

  1. 수술 시스템에 있어서,
    표적 부위를 체결하기 위한 툴;
    상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 툴, 상기 매니퓰레이터, 상기 표적 부위 또는 그 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하도록 구성된 감지 시스템; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및
    상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 표적 부위에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함하고, 제2 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 표적 부위에 대해 제한되는 제2 개수의 자유도를 포함하며, 상기 제2 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도와 다르며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서; 및
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러는 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 적어도 하나 이상의 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  4. 제2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 제2 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 적어도 하나의 공통 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터와 상이한 제2 탄성 파라미터를 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서; 및
    상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 보다 탄성적 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  10. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터는 공통 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 탄성적 이동과 각각 연관되는, 수술 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 툴은 툴 중심점을 정의하고;
    상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준에 따라 상기 툴 중심점을 상기 표적 부위로부터 멀리 이동시키는 것을 제한하기 위해 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 제약 기준에 따라 상기 툴 중심점을 상기 표적 부위로부터 멀리 이동시키는 것을 허용하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러에 결합된 모드 표시기를 더 포함하며;
    상기 컨트롤러는 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작 변화를 사용자에게 전달하기 위한 상기 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 모드 표시기를 활성화시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동을 허용하기 위해 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동을 허용하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준 둘 다와 다른 제3 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되고;
    상기 미리 결정된 조건은 제1 미리 결정된 조건으로 더 정의되고;
    상기 컨트롤러는 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나가 상기 제1 미리 결정된 조건과 다른 제2 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제2 모드에서 상기 제3 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 표적 부위에 대해 제한된 제1 개수의 자유도를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 표적 부위에 대해 제한된 제2 개수의 자유도를 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 표적 부위에 대해 제한된 제3 개수의 자유도를 포함하며, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도 및 상기 제2 개수의 자유도 중 하나 이상과 다르며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 개수의 자유도에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 더 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 더 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 더 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제3 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러가 상기 제1 모드에서보다 상기 제3 모드에서 적어도 하나의 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제2 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러가 상기 제2 모드에서보다 상기 제3 모드에서 적어도 하나 이상의 자유도로 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준, 상기 제2 제약 기준 및 상기 제3 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 제3 제약 기준보다 적어도 하나의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제2 제약 기준은 상기 제3 제약 기준보다 적어도 하나의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제3 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  27. 제16항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 탄성 파라미터에 기초하여 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  28. 제16항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 시스템은 상기 표적 부위와 상기 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 상기 힘을 나타내는 상기 측정치들이 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 상기 컨트롤러가,
    상기 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 상기 힘이 상기 제1 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로, 및
    상기 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 상기 힘이 상기 제2 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 제2 모드에서 상기 제3 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성되는, 수술 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 조건은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 제1 힘에 의해 정의되고, 상기 제2 미리 결정된 조건은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 제2 힘에 의해 정의되며, 상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 큰, 수술 시스템.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커를 더 포함하며;
    상기 감지 시스템은 상기 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템을 포함하며;
    상기 환자 트랙커의 추적된 상태들은 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 상기 컨트롤러가 상기 환자 트랙커의 추적된 상태들이 상기 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성되는, 수술 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 네비게이션 시스템으로부터 수신된 추적된 상태들에 기초하여 상기 툴의 추적된 이동을 상기 환자 트랙커의 이동과 비교하도록 더 구성되며;
    상기 툴의 추적된 이동은 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하고;
    상기 미리 결정된 조건은 상기 환자 트랙커의 추적된 상태들에 대응하는 상기 툴의 추적된 이동에 기초하여 정의되는, 수술 시스템.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 시스템은 상기 표적 부위와 상기 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 상기 힘을 나타내는 상기 측정치들이 상기 하나 이상의 시스템 조건들 중 적어도 하나를 정의하여 상기 컨트롤러가 상기 적어도 하나의 센서에 의해 검출된 상기 힘이 상기 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작을 변경하도록 구성되는, 수술 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 상기 힘을 나타내는 상기 측정치들이 상기 미리 결정된 조건을 향해 증가함에 따라 증가하는 탄력성과 함께 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 이동에 저항하도록 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  34. 제32항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 툴은 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드를 포함하고 상기 가이드에 대한 상기 임팩터 어셈블리의 제한된 이동을 허용하며, 상기 임팩터 어셈블리는 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 가지며;
    상기 매니퓰레이터는 상기 임팩터 어셈블리가 상기 가이드의 상기 채널 내에 수용되는 동안 그리고 상기 보철이 상기 임팩터 어셈블리에 고정되는 동안 상기 표적 부위에 대한 궤적을 따라 상기 가이드를 지지하도록 구성되며;
    상기 표적 부위는 관골구 컵으로 더 정의되며;
    상기 적어도 하나의 센서는 상기 관골구 컵 내에 상기 보철을 설치하도록 상기 임팩터 어셈블리 상에 가해진 힘의 결과로서 발생하는 상기 힘을 검출하도록 구성되며;
    상기 컨트롤러는 상기 검출된 힘에 기초하여 상기 관골구 컵에 가해지는 토크를 추론하도록 더 구성되며;
    상기 컨트롤러는 상기 관골구 컵에 가해진 상기 추론된 토크가 상기 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  35. 제28항, 제29항 및 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 힘 토크 트랜스듀서; 조인트 액추에이터 전류 센서; 조인트 힘 센서; 조인트 토크 센서; 및 조인트 인코더 중 하나 이상으로 더 정의되는, 수술 시스템.
  36. 수술 시스템에 있어서,
    궤적을 따라 표적 부위와 체결하기 위한 툴;
    상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 표적 부위와 상기 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서; 및
    상기 매니퓰레이터 및 적어도 하나의 센서에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및
    상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 힘이 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 궤적에 대해 제한되는 제1 개수의 자유도를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 궤적에 대해 제2 개수의 자유도를 포함하며, 상기 제2 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도와 다르며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서; 및
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제2 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러가 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 적어도 하나 이상의 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  39. 제37항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  40. 제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  41. 제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 제2 제약 기준보다 적어도 하나의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  42. 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 적어도 하나의 공통 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  43. 제36항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터와 상이한 제2 탄성 파라미터를 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서; 및
    상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 궤적에 대한 상기 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  45. 제43항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터는 공통 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 탄성적 이동과 각각 연관되는, 수술 시스템.
  46. 제36항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 상기 힘을 나타내는 상기 측정치들이 상기 미리 결정된 조건을 향해 증가함에 따라 증가하는 탄력성과 함께 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동에 저항하도록 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  47. 제36항에 있어서, 상기 툴은 툴 중심점을 정의하고;
    상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준에 따라 상기 툴 중심점을 상기 궤적으로부터 멀리 이동시키는 것을 제한하기 위해 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 제약 기준에 따라 상기 툴 중심점을 상기 궤적으로부터 멀리 이동시키는 것을 허용하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  49. 제36항에 있어서, 상기 컨트롤러에 결합된 모드 표시기를 더 포함하며;
    상기 컨트롤러는 상기 적어도 센서에 의해 획득된 상기 힘을 나타내는 상기 측정치들이 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작 변화를 사용자에게 전달하기 위한 상기 미리 결정된 조건을 충족한다고 결정하는 것에 응답하여 상기 모드 표시기를 활성화시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  50. 제36항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동을 허용하기 위해 상기 제1 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  51. 제50항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 제약 기준에 따라 적어도 하나의 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동을 허용하기 위해 상기 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 수술 시스템.
  52. 제36항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준 둘 다와 다른 제3 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되고;
    상기 미리 결정된 조건은 제1 미리 결정된 조건으로 더 구성되고;
    상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 센서에 의해 획득된 힘을 나타내는 측정치들이 상기 제1 미리 결정된 조건과 다른 제2 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제2 모드에서 상기 제3 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 조건은 상기 적어도 하나의 센서로부터 획득된 측정치들에 의해 검출된 제1 힘에 의해 정의되고, 상기 제2 미리 결정된 조건은 상기 적어도 하나의 센서로부터 획득된 측정치들에 의해 검출된 제2 힘에 의해 정의되며, 상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 큰, 수술 시스템.
  54. 제52항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 궤적에 대해 제한된 제1 개수의 자유도를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 궤적에 대해 제한된 제2 개수의 자유도를 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 툴의 이동이 상기 궤적에 대해 제한된 제3 개수의 자유도를 포함하며, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도 및 상기 제2 개수의 자유도 중 하나 이상과 다르며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 개수의 자유도에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 더 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 더 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 더 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 개수의 자유도에 기초하고 또한 상기 제3 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  56. 제55항에 있어서, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제1 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러가 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 적어도 하나 이상의 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제3 개수의 자유도는 상기 제2 개수의 자유도보다 작아서 상기 컨트롤러가 상기 제2 모드에서보다 상기 제3 모드에서 적어도 하나 이상의 자유도로 상기 궤적에 대한 상기 툴의 이동을 허용하도록 하는, 수술 시스템.
  58. 제55항에 있어서, 상기 제1 제약 기준 및 상기 제2 제약 기준은 각각 적어도 하나의 위치 자유도 및 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  59. 제55항에 있어서, 상기 제1 제약 기준, 상기 제2 제약 기준 및 상기 제3 제약 기준은 각각 적어도 하나의 방향 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  60. 제55항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 상기 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  61. 제60항에 있어서, 상기 제2 제약 기준은 상기 제3 제약 기준보다 적어도 하나 이상의 위치 자유도를 포함하는, 수술 시스템.
  62. 제55항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 궤적에 대한 상기 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제3 모드에서보다 상기 제2 모드에서 상기 궤적에 대한 상기 툴의 보다 탄성적인 이동을 허용하는, 수술 시스템.
  64. 제52항에 있어서, 상기 제1 제약 기준은 제1 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제2 제약 기준은 제2 탄성 파라미터를 포함하고, 상기 제3 제약 기준은 상기 제1 탄성 파라미터 및 상기 제2 탄성 파라미터 중 하나 이상과 다른 제3 탄성 파라미터를 포함하며;
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제1 모드에서;
    상기 제2 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제2 모드에서; 및
    상기 제3 탄성 파라미터에 기초하여 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위해 상기 제3 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  65. 제36항에 있어서,
    상기 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커;
    상기 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템을 더 포함하며;
    상기 컨트롤러는 상기 내비게이션 시스템에 결합되고 상기 내비게이션 시스템으로부터 수신된 상기 환자 트랙커의 상기 추적된 상태들에 기초하여 상기 궤적을 정의하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  66. 제36항에 있어서, 상기 툴은 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드를 포함하고 상기 가이드에 대한 상기 임팩터 어셈블리의 제한된 이동을 허용하며, 상기 임팩터 어셈블리는 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 가지며;
    상기 매니퓰레이터는 상기 표적 부위에 대해 상기 가이드를 지지하도록 구성되는, 수술 시스템.
  67. 제66항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 상기 임팩터 어셈블리가 상기 가이드의 상기 채널 내에 수용되는 동안 그리고 상기 보철이 상기 임팩터 어셈블리에 고정되는 동안 상기 표적 부위에 대한 상기 가이드를 지지하도록 구성되며;
    상기 표적 부위는 관골구 컵으로 더 정의되며;
    상기 적어도 하나의 센서는 상기 관골구 컵 내에 상기 보철을 설치하도록 상기 임팩터 어셈블리 상에 가해진 힘의 결과로서 발생하는 상기 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성되며;
    상기 컨트롤러는 상기 검출된 힘에 기초하여 상기 관골구 컵에 가해지는 토크를 추론하도록 더 구성되며;
    상기 컨트롤러는 상기 관골구 컵에 가해진 상기 추론된 토크가 상기 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  68. 제36항, 제46항, 제49항, 제52항, 제53항 및 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 센서는 힘 토크 트랜스듀서; 조인트 액추에이터 전류 센서; 조인트 힘 센서; 조인트 토크 센서; 및 조인트 인코더 중 하나 이상으로 더 정의되는, 수술 시스템.
  69. 수술 시스템에 있어서,
    표적 부위를 체결하기 위한 툴;
    상기 표적 부위에 대해 상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커;
    상기 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드, 및
    상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드 사이에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 네비게이션 시스템으로부터 수신된 추적된 상태들에 기초하여 상기 툴의 추적된 이동을 상기 환자 트랙커의 이동과 비교하도록 더 구성되며;
    상기 컨트롤러는 상기 툴의 추적된 이동이 상기 환자 트랙커의 이동에 대응된다는 것에 응답하여 상기 매니퓰레이터의 동작을 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 변경하도록 더 구성되는, 수술 시스템.
  70. 보철을 해제 가능하게 고정하기 위한 인터페이스를 갖는 임팩터 어셈블리, 상기 임팩터 어셈블리를 수용하도록 형성된 채널을 갖는 가이드, 궤적을 따라 표적 부위에 대한 상기 가이드를 지지하도록 구성된 매니퓰레이터, 적어도 하나의 센서 및 상기 매니퓰레이터와 상기 적어도 하나의 센서에 결합되고,
    제1 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 가이드의 정렬을 유지하기 위한 제1 모드에서 상기 매니퓰레이트를 동작시키는 단계;
    상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 가이드의 정렬을 유지하기 위한 제2 모드에서 상기 매니퓰레이터를 동작시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 센서로부터의 측정치들에 기초하여 상기 표적 부위와 상기 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 검출하는 단계; 및
    상기 힘은 미리 결정된 조건을 충족시킨다고 결정하고 이에 응답하여 상기 제1 모드로부터 상기 제2 모드로 상기 매니퓰레이터의 동작을 변경하는 단계를 수행하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템의 동작 방법.
  71. 수술 시스템에 있어서,
    표적 부위를 체결하기 위한 툴;
    상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 툴, 상기 매니퓰레이터, 상기 표적 부위 또는 그 조합들 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하도록 구성된 감지 시스템; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키고;
    상기 하나 이상의 시스템 조건들을 검출하는 것에 응답하여, 상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는, 수술 시스템.
  72. 제71항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 감지 시스템으로부터 상기 검출된 시스템 조건에 기초하여 상기 제2 제약 기준의 파라미터들을 검출하도록 구성되는, 수술 시스템.
  73. 수술 시스템에 있어서,
    궤적을 따라 표적 부위와 체결하기 위한 툴;
    상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 표적 부위와 상기 매니퓰레이터 사이에서 발생하는 힘을 나타내는 측정치들을 획득하도록 구성된 적어도 하나의 센서; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 적어도 하나의 센서에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키고;
    상기 힘을 나타내는 상기 획득된 측정치들을 평가하고;
    상기 평가에 응답하여, 상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 궤적에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는, 수술 시스템.
  74. 제73항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 힘을 나타내는 상기 획득된 측정치들에 기초하여 상기 제2 제약 기준의 파라미터들을 결정하도록 구성되는, 수술 시스템.
  75. 수술 시스템에 있어서,
    표적 부위를 체결하기 위한 툴;
    상기 표적 부위에 대해 상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커;
    상기 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키고;
    상기 내비게이션 시스템으로부터 수신된 상기 환자 트랙커의 추적된 상태들에 기초하여 상기 환자 트랙커의 이동에 대한 상기 툴의 추적된 이동을 평가하고;
    상기 평가에 응답하여, 상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 표적 부위에 대한 상기 툴의 정렬을 유지하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성되는, 상기 컨트롤러를 포함하는, 수술 시스템.
  76. 제75항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 평가된 추적된 이동에 기초하여 상기 제2 제약 기준의 파라미터들을 결정하도록 구성되는, 수술 시스템.
  77. 수술 시스템에 있어서,
    표적 부위를 체결하기 위한 툴;
    상기 표적 부위에 대해 상기 툴을 지지하도록 구성된 매니퓰레이터;
    상기 표적 부위에 대한 부착을 위해 적응된 환자 트랙커;
    상기 환자 트랙커의 상태들을 추적하도록 구성된 네비게이션 시스템; 및
    상기 매니퓰레이터 및 상기 감지 시스템에 결합된 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는,
    제1 제약 기준에 따라 상기 표적 부위와 관련된 가상 경계에 대한 상기 툴의 이동을 제한하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키고;
    상기 내비게이션 시스템으로부터 수신된 상기 환자 트랙커의 추적된 상태들에 기초하여 상기 환자 트랙커의 이동에 대한 상기 툴의 추적된 이동을 평가하고;
    상기 비교에 응답하여, 상기 제1 제약 기준과 다른 제2 제약 기준에 따라 상기 가상 경계에 대한 상기 툴의 이동을 제한하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키도록 구성된, 상기 컨트롤러를 포함하는, 수술 시스템.
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