KR20220113730A

KR20220113730A - 의료 절차를 수행하기 위해 축에 도구를 정렬하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220113730A
Application number: KR1020227022327A
Authority: KR
Inventors: 카일 쿠즈닉; 마이카 포스타인; 다니엘 보니
Original assignee: 씽크 써지컬, 인크.
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-08-16
Also published as: EP4065024A1; US20230000558A1; AU2020397911A1; EP4065024A4; WO2021113227A1; JP2023505164A

Abstract

의료 절차를 수행하기 위해 조직에서 표적 축과 도구를 정렬하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 의료 계획은 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 조직의 위치에 등록되며, 의료 계획에는 절차 전 데이터를 기반으로 하는 표적 축에 대한 계획된 위치가 포함된다. 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 도구가 표적 축의 계획된 위치와 정렬된다. 컴퓨터-보조 의료 시스템은 핸들 및 도구를 배향하기 위해 핸들에 대해 조정 가능한 작동 부분을 갖는 핸드헬드 장치를 포함한다. 의료 계획을 조직의 위치에 등록하고, 조직에 대한 핸드헬드 장치의 위치 및 의료 계획을 추적하고, 핸들에 대한 핸드헬드 장치의 작동 위치를 조정하기 위한 추적 시스템 및 제어 시스템을 포함하는 컴퓨팅 시스템이 또한 제공된다.

Description

의료 절차를 수행하기 위해 축에 도구를 정렬하기 위한 시스템 및 방법

계류중인 이전 특허 출원에 대한 참조

본 특허 출원은 THINK Surgical, Inc. 및 Kyle Kuznik에 의해 2019년 12월 2일에 출원한 미국 가특허출원 제62/942,341호 "SYSTEM AND METHOD FOR CREATING BONE TUNNELLS FOR USE IN LIGAMENT AND/OR TENDON RECONSTRUCTION SURGERY(Attorney's Docket No. CUREXO-9 PROV)"에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이 특허 출원은 참조로서 본 명세서에 통합된다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 컴퓨터-보조 및/또는 로봇 의료 절차 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 의료 절차를 수행하기 위해 컴퓨터-보조 의료 장치의 도움으로 조직(tissue)의 표적 축과 도구를 정확하게 정렬하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

다수의 의료 절차들은 의료 절차 수행에 있어서 축과 도구의 정렬을 필요로 한다. 예를 들어, 인대 재건은 뼈에 터널을 형성하고 그 안에 인대를 수용하기 위해 축과 드릴의 정렬을 필요로 하고; 생검은 생검할 조직의 표적 위치에 도달하기 위해 축과 바늘의 정렬을 필요로 하고; 척추 재건은 척추의 척추경에 축이 삽입된 척추경 나사의 사용을 필요로 하고; 방사선 치료는 암 치료를 위한 표적 조직 위치에 도달하기 위해 축과 광자 빔들의 정렬을 필요로 한다. 이러한 타입의 의료 절차들은 모두 성공적인 결과를 보장하기 위해 정밀하고 정확한 도구 정렬에 의존한다.

축과 도구의 정렬을 필요로 하는 일 특정 의료 응용은 전방 십자 인대(anterior cruciate ligament; ACL) 재건 절차를 위해 뼈에 터널을 드릴링하는 것이다. ACL 재건은 무릎 관절을 복구하기 위해 수행되는 일반적인 정형 외과적 절차이다. ACL 파열은 무릎 관절에 대한 가장 흔한 부상 중 하나이다. ACL 재건에 의한 무릎 관절의 조기 안정화는 또한 다른 중요한 구조들의 부상 위험을 감소시킨다.

전방 십자 인대(ACL) 재건 절차(및 팔꿈치를 포함하는 다른 관절들을 복구하는데 사용되는 다른 유사한 인대 및 힘줄 복구)의 목표는 파열된 인대 또는 힘줄을 무릎(또는 다른) 관절의 운동 범위를 유지하면서 자연 해부학의 기계적 안정성과 유사한 기계적 안정성을 제공하는 이식편으로 교체하는 것이다. 그러나, 무릎의 기본 십자형 결찰(native cruciate ligature)은 매우 복잡하고 성공적인 재건 절차를 위한 몇 가지 문제를 제시한다.

ACL 재건 절차 동안 이식편은 파열 전에 본래의 ACL이 차지했던 대략 동일한 위치에 배치된다. 이식편을 사용하여 이러한 "코로케이션(colocation)"을 달성하기 위해, 본래의 ACL의 "풋 프린트(footprint)"를 근사화하도록 대퇴골과 경골에서 축을 따라 구멍들(즉, 뼈 터널들)이 드릴링된다. 이 터널들에 이식편이 배치되고, 일부 수단(예를 들면, 앵커, 크로스-핀 등)에 의해서 양쪽 끝의 뼈에 고정된다. 이식편은 운동 범위를 유지하면서, 부상당한 무릎의 안정성을 복원하기 위한 것이다.

그러나, ACL 재건에 있어서 가장 중요한 도전과제는 일반적으로 드릴링된 뼈 터널들(즉, 이식편을 수용하기 위해 대퇴골 및 경골에 드릴링된 구들멍)의 정확하고 올바른 배치를 달성하는 것이다. 구멍들이 잘못 배치될 경우(즉, 정확하고 올바른 위치에서 뼈가 드릴링되지 않은 경우), 수술 결과는 크게 영향을 받게된다. 비제한적인 예로서, 불량한 뼈 터널 배치는 결과적으로 제한된 운동 범위, 무릎 관절 불안정성, 무릎 활막 반응 및/또는 무릎 관절 통증을 발생시킬 수 있다. 또한, 이식편의 충돌(예를 들면, 관절 움직임 중 대퇴골 패임) 및/또는 부적절한 이식편 장력은 결과적으로 병변 발생과 함께 잠재적 이식편 실패를 발생시킬 수 있다. "Tunnel position and graft orientation in failed anterior cruciate ligament reconstruction: a clinical and imaging analysis" (Ali Hosseini et al., International Orthopaedics 2012 April; 36(4): 845-852)라는 제목의 논문에서는 이식편 터널들의 위치 지정에서의 기술적 오류들이 ACL 재건 시에 발생하는 가장 흔한 문제임을 확인했다. 이 논문에서는 ACL 재건술을 받은 환자에 있어서의 일차 ACL 재건의 대퇴골 및 경골 터널 위치들과 관절 내 이식편 배향을 정량적으로 평가했으며, 해부학적으로 올바르지 않은(즉, 잘못된 위치에 있는) 터널 및 이식편 배향이 이식편 실패의 주된 원인임을 확인하였다. 실패한 ACL 재건 이식편의 시상 앙각(69.6°±13.4°)은 ACL의 본래 전내측(AM) 및 후외측(PL) 번들(AM 56.2°±6.1°, PL 55.5°±8.1°)보다 훨씬 컸다(p<0.05)는 사실이 추가로 판정되었다. 횡단면에 있어서, 실패한 이식편의 편향 각(37.3°±21.0°)은 본래 ACL 번들보다 훨씬 컸다.

정밀하게 배치되는 뼈 터널들은 현재의 수술 방법으로는 달성하기 어렵다. ACL 재건을 위한 통상적인 기술은, 미국 특허 제4,257,411호; 제4,739,751호; 및 제7,972,341호에서 설명된 도구들과 같은, 원하는 터널 배치에 핸드헬드 드릴을 정렬하기 위해 핸드헬드 기기(예를 들면, 드릴 가이드)의 사용을 포함한다. ACL 재건 수술은 주로 관절경 검사로 수행되며 따라서 대퇴골 및 경골 모두에 대한 접근(및 시각화)은 일반적으로 주변 해부학적 구조에 의해 제한되기 때문에 핸드헬드 기구들과 드릴의 정렬은 특히 어렵다. 관절경 검사는 해부학적 구조들에 대한 제한된 뷰를 제공하며 이에 따라 외과의는 중요한 해부학적 구조들에 대한 완전한 3D 뷰를 얻을 수가 없다. 뼈 터널 드릴링 중에, 골밀도의 변화 및/또는 골 표면들의 고르지 않고/않거나 미끄러운 표면은 핸드헬드 드릴링을 어렵게 만든다. 또한, ACL 재건들은 일반적으로 높은 학습 곡선을 나타내는 외과적 기술을 필요로 하며, 일반적으로 많은 양의 수술과 광범위한 경험을 통해서만 숙달될 수 있다. 따라서 ACL 재건은 경험이 많은 정형외과 의사가 흔히 수행한다. ACL 이식편들의 최대 20%는 충돌, 부적절한 이식편 장력 또는 잘못된 터널 배치로 인해 실패하는 것으로 추정된다.

ACL 재건 이외에도, 하나 이상의 축들과 도구의 정렬을 필요로 하는 몇 가지 다른 의료 절차들이 있다. 주목할 만한 예들은 다음 단계를 포함한다: a) 뼈 생검, 뇌 생검, 폐 생검 등을 위한 표적 조직 위치에 도달하기 위해 생검 바늘을 축과 정렬하는 단계; b) 뇌, 척추, 폐 등의 표적 조직 위치에 약물, 마커 또는 기타 주사제를 전달하기 위한 표적 조직 위치에 도달하기 위해 주사기 바늘을 축과 정렬하는 단계; b) 척추 응용, 골절 판, 뼈 재건 등을 위한 축에 맞춰, 핀, 못 또는 나사와 같은 고정 장치를 삽입하는 단계; c) 하나 이상의 축들에 따른 조직들의 레이저, 이산화탄소, 방사선, 절제 또는 고주파 치료 또는 축들에 따른 하나 이상의 표적 조직 위치들에 도달; 및 d) 의료 절차를 수행하기 위해 도구를 하나 이상의 축들과 정렬해야 하는 다른 절차. 임의의 이러한 절차들의 경우, 정확성 및 정밀성이 성공적인 결과를 위해 가장 중요하며, 여기서 컴퓨터-보조 의료 시스템들이 이러한 성공을 보장하는데 핵심적인 역할을 할 수 있다.

따라서, 의료 절차를 수행하기 위해 축과 도구의 정확한 정렬을 용이하게 하는 새롭고 개선된 시스템 및 방법이 필요하다. 임상 결과를 개선하는 인대 및/또는 힘줄 재건 수술을 위해 축을 따라 뼈에 터널을 드릴링하기 위한 축과 도구를 정렬하는 것이 특히 더 필요하다.

본 발명은 조직에 대한 의료 절차를 수행하기 위해 축과 도구를 정렬하기 위한 시스템 및 방법의 제공 및 사용을 포함한다.

본 발명의 하나의 바람직한 형태에서, 조직에 의료 절차를 수행하기 위해 표적 축과 도구를 정렬하는 방법이 제공되며, 이 방법은,

컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 조직의 위치에 의료 계획(medical plan)을 등록하는 단계 - 이 의료 계획은 절차 전 데이터(pre-procedure data)를 기반으로 하는 표적 축에 대한 계획된 위치를 포함함 -; 및

컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여, 조직에 등록된 표적 축의 계획된 위치에 도구를 정렬하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 형태에서, 의료 절차를 수행하기 위해 조직의 표적 축과 도구를 정렬하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은,

컴퓨터 상에서 실행되는 계획 소프트웨어(planning software)로 생성되는 의료 계획 - 이 의료 계획은 절차 전 데이터를 기반으로 하는 표적 축에 대한 계획 위치를 포함함 -;

표적 축에 대한 계획된 위치에 대해 도구를 정렬하기 위한 핸드헬드 장치 - 이 핸드헬드 장치는 핸들 및 도구를 배향하도록 핸들에 대해 조정 가능한 작동 부분을 포함함 -; 및

추적 시스템 및 제어 시스템을 포함하는 컴퓨팅 시스템 - 상기 컴퓨팅 시스템은 (i) 조직의 위치에 의료 계획을 등록하고; (ii) 조직에 대한 핸드헨드 장치의 위치 및 의료 계획을 추적하고; (iii) 도구가 의료 계획에 정의된 표적 축에 대한 계획된 위치와 정렬되도록 핸들에 대한 핸드헬드 장치의 작동 부분의 위치를 조정함 - 을 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 형태에서, 의료 절차를 수행하기 위해 절차 전 데이터를 사용하여 생성된 조직에 대한 의료 계획에 포함된 표적 축에 대하여, 장치에 커플링된 도구를 정렬하기 위한 핸드헬드 장치가 제공되며, 이 핸드헬드 장치는,

핸들;

핸들에 연결되며 도구에 제거 가능하게 연결하기 위한 커플러를 포함하는 작동 부분 - 이 작동 부분의 위치는 핸들에 대해 도구를 이동시키도록 핸들의 위치에 대해 조정 가능함 -;

의료 계획을 조직에 등록하고, 조직에 대한 장치의 위치 및 의료 계획을 추적할 수 있는 신호들을 컴퓨팅 시스템으로부터 수신하기 위한 수신기; 및

도구가 표적 축과 정렬되도록 수신된 신호들에 기초하여 핸들에 대해 작동 부분을 이동시키기 위한 액추에이터를 포함한다.

본 발명이 본 발명의 특정 양태들을 나타내도록 의도된 다음 도면들과 관련하여 더 상세하게 설명되어 있지만, 이것이 본 발명의 실시에 대한 제한인 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 2-자유도 관절식 핸드헬드 장치를 포함하는 컴퓨터-보조 의료 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 나와있는 컴퓨터-보조 의료 시스템의 2-자유도 관절식 핸드헬드 장치를 나타내는 개략도들이며, 여기서 도 2a는 제 1 위치 및 배향에 있는 핸드헬드 장치를 도시한 것이고, 도 2b는 제 2 위치 및 배향에 있는 핸드헬드 장치를 도시한 것이다.
도 3a는 표적 축에 대해 계획된 위치 및 표적 축에 대해 정의된 2개의 교차 평면들을 갖는 조직 구조의 가상 표현을 나타내는 개략도이다.
도 3b는 2개의 표적 축들에 대한 계획된 위치 및 표적 축들에 대해 정의된 3개의 교차 평면들을 갖는 조직 구조의 가상 표현을 나타내는 개략도이다.
도 4는 한 쌍의 기준 마커들을 제 1 평면과 일치하는 조직 구조에 배치하는데 사용되는 핸드헬드 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 표적 축과 정렬되는 핸드헬드 장치를 나타내는 개략도이며, 여기서는 한 쌍의 기준 마커들 및 제 2 평면을 사용하여 정렬이 달성된다.
도 6a 및 도 6b는 가상 뼈 모델 및 뼈 터널에 대한 계획된 위치를 나타내는 개략도이며, 여기서 도 6a는 가상 뼈 모델의 개략적인 사시도이고, 도 6b는 가상 뼈 모델의 개략적인 시상도이다.
도 7은 제 1 뼈 핀 및 제 2 뼈 핀을 뼈에 삽입하는데 사용되는 핸드헬드 장치를 나타내는 개략도이다.
도 8은 제 1 뼈 핀 및 제 2 뼈 핀에 장착되는 가이드 클램프를 나타내는 개략도이다.
도 9는 제 1 뼈 핀 및 제 2 뼈 핀에 장착되는 가이드 클램프의 추가 상세를 나타내는 개략도이다.
도 10은 도 8 내지 도 9의 가이드 클램프 내의 슬롯을 통해 뼈에 제 3 뼈 핀을 삽입하는데 사용되는 핸드헬드 장치를 나타내는 개략도이다.
도 11은 뼈 핀을 가이드로서 사용하여 뼈 터널을 생성하는데 사용될 수 있는 수술용 딜(surgical dill)을 나타내는 개략도이다.

본 발명은 의료 절차를 수행하기 위해 도구를 축과 정확하게 정렬하기 위한 새롭고 개선된 시스템 및 방법의 제공 및 사용을 포함한다. 예를 들어, 도구를 축과 정렬하는 것은 인대 및/또는 힘줄 재건 수술에 사용하기 위해 뼈에 터널들을 생성하는데 특히 유용할 수 있다. 본 발명은 임상 결과들을 개선하도록 인대 및/또는 힘줄 재건 수술에 사용하기 위해 뼈에 터널들을 정확하게 드릴링하는데 사용될 수 있다. 이제 다음의 실시예들을 참조하여 본 발명에 대해 설명할 것이다. 다음의 설명에 의해 명백하고 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 비제한적인 예로서, 본 발명의 일 실시예와 관련하여 예시된 특징들은 본 발명의 다른 실시예들에 통합될 수 있으며, 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 예시된 특징이 본 발명의 해당 실시예(또는 다른 실시예)에서 생략될 수도 있다. 또한, 여기에 제안된 본 발명의 실시예들에 대한 수많은 변형 및 추가는 본 개시 내용에 비추어 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 다음의 설명은 본 발명의 일부 예시적인 바람직한 실시예들을 예시하기 위한 것이며, 모든 순열들, 조합들 및 변형들을 완전하게 명시한 것이 아니다.

또한, 여기에 설명된 시스템들 및 방법들이 전방 십자 인대(anterior cruciate ligament; ACL) 재건 절차들에 대한 예들을 제공하지만, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 경조직 및 연조직 모두의 신체 내 다른 조직들을 포함하는 다른 컴퓨터-보조 의료 절차들에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 비제한적인 예로서, 본 발명의 시스템 및 방법은 다음에 대해 수행되는 의료 절차들에 적용될 수 있다: a) 엉덩이, 발목, 어깨, 척추, 턱, 두개골, 팔꿈치, 손목, 손, 손가락, 발, 발가락 등에 있는 뼈들을 포함하는 경조직(예를 들면, 뼈, 치아), 및 초기 복구(initial repair)의 교정술 또는 임의의 관절들 또는 뼈들의 대체; 및 b) 뇌, 인대, 힘줄, 폐, 심장, 피부 등을 포함하는 연조직(예를 들면, 장기, 근육, 결합 조직). 여기에 설명된 시스템 및 방법으로 수행될 수 있는 다른 의료 절차들의 예들은 예시적으로 전체 및 부분 관절 대체; 반관절 치환술; 뼈 골절 복구; 절골술; 척추 재건 및 척추경 나사 배치; 생검; 방사선, 레이저, 이산화탄소, 고주파, 또는 절제 치료 등을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는, "절차 전 데이터(pre-procedure data)"라는 용어는 조직을 수정하기 전에 의료 절차를 계획하기 위해 사용되는 데이터를 지칭한다. 절차 전 데이터에는 다음 중 하나 이상이 포함될 수 있다: 조직의 이미지 데이터 세트(예를 들면, 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기공명영상(MRI), 초음파, 엑스레이, 레이저 스캔 등을 통해 획득한 이미지 데이터 세트), 조직의 가상 일반 모델, 조직의 물리적 모델, 조직의 이미지 데이터 세트로부터 생성되는 조직의 가상 환자 특정 모델, 수술 중 조직에서 직접 수집되는 데이터 세트(일반적으로 이미지 없는 컴퓨터-보조 장치와 함께 사용) 등.

본 명세서에서 사용되는, "디지타이저(digitizer)"라는 용어는 3차원 공간에서 물리적 지점들 또는 조직 구조들의 위치를 측정, 수집 또는 지정할 수 있는 장치를 지칭한다. 비제한적인 예로서, "디지타이저"는 다음과 같을 수 있다: 미국 특허 제6,033,415호(이 미국 특허는 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 설명된 고해상도 전기-기계 센서 암과 같은 수동 링크들 및 관절들을 갖는 "기계적 디지타이저"; 예를 들어 미국 특허 제7,043,961호(이 미국 특허는 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 설명된 비기계적 추적형 디지타이저 프로브(예를 들어, 광학 추적형, 전자기적 추적형, 음향 추적형 등); 로봇 장치의 엔드-이펙터; 또는 레이저 스캐너.

본 명세서에서 사용되는, "디지타이징(digitizing)"이라는 용어는 디지타이저를 사용하여 공간에서 물리적 지점들 또는 조직 구조들의 위치를 수집, 측정 및/또는 기록하는 것을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는, "등록(registration)"이라는 용어는 2개 이상의 객체들 사이의 공간적 관계의 결정 및/또는 이러한 객체들과 연관된 2개 이상의 좌표계들 사이의 좌표 변환의 결정을 지칭한다. 수술실(operating room; OR)에서 일상적으로 등록되는 객체들의 예들은 다음을 포함한다: 컴퓨터-보조 의료 시스템들/장치들; 조직 구조들(예를 들면, 뼈); 절차 전 데이터(예를 들면, 3D 가상 조직 모델들); 의료 계획 데이터(예를 들면, 조직에 대한 표적 축의 위치; 표적 축에 대한 가상 평면들의 위치; 다른 축들, 평면들 또는 경계들; 임플란트 또는 터널 모델; 절단 파라미터들, 절단 경로들, 속도들, 피드 레이트들 등과 같은 절단 파라미터들을 포함하는 컴퓨터 소프트웨어 "절단 파일(cut-file)"; 또는 절차 전 데이터와 연관되거나 이와 관련하여 정의된 임의의 다른 계획된 형상들 또는 객체들); 및 조직과 연관된 임의의 외부 랜드마크들(예를 들면, 조직에 부착되는 추적 어레이, 해부학적 랜드마크, 뼈의 지정된 지점/특징 등)(이러한 랜드마크들이 있는 경우). 다양한 등록 방법이 본 기술분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들어 미국 특허 제6,033,415호, 제8,010,177호 및 제8,287,522호에 기술되어 있고, 이들 특허들은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 명세서에서 사용되는, "실시간(real-time)"이라는 용어는 계산된 값들이 계산 개시의 2초 이내에 이용될 수 있도록 하는, 밀리초 내의 입력 데이터 처리를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는, "광 통신(optical communication)"이라는 용어는 본 출원의 양수인에게 양도되고 본 명세서에 참조로서 포함되는 미국 특허출원 공개 제2017/0245945호에서 설명된 바와 같은 변조된 적외선 또는 가시광선을 통해 전송되는 무선 데이터를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는, "컴퓨터-보조 의료 시스템" 또는 "컴퓨터-보조 의료 장치"라는 용어는 의료 절차를 보조하기 위해 컴퓨터를 필요로 하는 임의의 시스템 또는 장치를 지칭한다. 컴퓨터-보조 의료 시스템 또는 장치의 예들은 본 명세서에 참조로서 포함되는, 미국 특허 제5,086,401호; 제7,206,626호; 제8,876,830호; 및 제8,961,536호; 및 미국 특허출원 공개 제2013/0060278호에 설명된 바와 같은, 추적 시스템, 추적형 수동 기기, 능동 또는 반능동 관절식 핸드헬드 장치 및 관련 시스템, 자동 또는 반자동 직렬 체인 조작기 시스템, 햅틱 직렬 체인 조작기 시스템, 병렬 로봇 시스템 또는 마스터-슬레이브 로봇 시스템을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 방법의 실시예들을 실행하도록 장착되는 특정 컴퓨터-보조 의료 시스템은, 본 출원의 양수인에게 양도되고 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되는 미국 출원 제15/778,811호(미국 특허출원 공개 제2018/0344409호로서 공개됨)에 설명된 바와 같은, 2-자유도 관절식 핸드헬드 장치(본 명세서에서는 2-DoF 장치라고 함)를 포함한다. 2-DoF 장치는 작동 부분(working portion) 및 핸드헬드 부분(hand held portion)을 포함할 수 있으며, 여기서 작동 부분은 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 핸드헬드 부분에 대해 2-자유도로 작동된다. 2-자유도보다 큰 자유도를 갖는 다른 관절식 핸드헬드 장치는, 특히 하나 이상의 추가 자유도가 로킹되어 핸드헬드 장치가 2-자유도에서 작동하는 경우 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

본 명세서에서 사용되는, "기준 마커(reference marker)"라는 용어는 도구를 축과 정렬하는 것을 지원하는 사용자, 가이드, 또는 컴퓨터-보조 의료 장치에 대한 기준점 역할을 하는 도구를 지칭한다. 기준 마커는 해부학적 영역에 고정, 어태치, 접착, 연결 또는 부착될 수 있다. 해부학적 영역은 경조직 또는 연조직을 포함할 수 있지만, 2개 이상의 기준 마커들이 해부학적 영역에 어셈블될 때 기준 마커들이 위치 및 상대적 관계를 유지할 수 있도록 충분히 단단해야 한다. 기준 마커의 예들은 핀, 택(tack), 나사, 못, 접착 마커, 또는 도구를 축과 정렬하는데 도움이 되는 기준점 역할을 하는 임의의 다른 구조체를 포함한다.

본 명세서에서 사용되는, "도구(tool)"라는 용어는 조직에 에너지, 약물 또는 다른 컴포넌트들에 영향을 미치거나, 접촉하거나, 작동하거나, 적용하는 기구를 지칭한다. 도구의 예들로는 핀, 나사, 드릴 비트, 기준 마커, 리머(reamer), 밀(mill), 커터(cutter), 톱(saw), 프로브(probe), 조직 제거기, 포셉(forcep), 바늘, 레이저(예를 들면, 집속 전자기 방사선, 이산화탄소 레이저), 무선 주파수 방출기, 절제 기구, 워터-젯(water-jet), 캐뉼러(cannula) 등을 포함한다.

이제 도면들, 특히 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 시스템 및 방법의 실시예들은 도구를 축과 정렬하는 것을 보조하는 2-DoF 장치(102)를 포함하는 컴퓨터-보조 의료 시스템을 포함한다. 도 1은 2-DoF 장치(102), 컴퓨팅 시스템(104), 및 추적 시스템(106)을 포함하는 컴퓨터-보조 의료 시스템(100)을 나타내는 개략도이다.

도 2a 및 도 2b는 2-DoF 장치(102)를 보다 상세하게 나타내는 개략도들이다. 보다 구체적으로, 도 2a는 제 1 작동 위치 및 배향(position and orientation, POSE)에 있는 2-DOF 장치(102)를 나타내고, 도 2b는 제 2 작동 POSE에 있는 2-DOF 장치(102)를 도시한 것이다. 2-DoF 장치(102)는 핸드헬드 부분(202)(또는 핸들) 및 작동 부분(204)을 포함한다. 핸드헬드 부분(202)은 사용자(예를 들면, 외과의사)가 잡아서 사용할 수 있는 인체공학적 디자인의 외부 케이싱(203)을 포함한다. 작동 부분(204)은 도구 축(207)을 갖는 도구(206)를 작동 부분(204)에 제거 가능하게 연결하기 위한 커플러(coupler)(209)를 포함한다. 도구(206)는 작동 부분(204)에 제거 가능하게 커플링될 수 있고 모터(205)에 의해 구동될 수 있다. 핸드헬드 부분(202) 및 작동 부분(204)은, 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 피치 운동 및 병진 운동을 제어하기 위해, 예를 들어, 핸드헬드 부분(202)의 컴포넌트들에 의해 작동되는 전방 선형 레일(208a) 및 후방 선형 레일(208b)에 의해 서로 연결된다. 특정 실시예에서, 작동 부분(204)은 상이한 타입들의 작동 부분들이 핸드헬드 부분(202)에 어셈블될 수 있도록 핸드헬드 부분(202)에 제거 가능하게 연결된다. 예를 들어, 작동 부분(204)은 조직을 치료하기 위해 레이저를 작동시키기 위한 컴포넌트들을 갖는 레이저 시스템일 수 있다.

본 기술분야에 잘 알려진 종류의 3개 이상의 기준 마커들을 갖는 추적 어레이(212)가 바람직하게는 추적 시스템(106)(도 1)이 작동 부분(204)의 POSE를 추적할 수 있도록 하기 위해 작동 부분(204)에 견고하게 어태치된다. 3개 이상의 기준 마커들은 대안적으로는 작동 부분(204)과 직접 통합될 수 있다. 기준 마커들은 발광 다이오드(LED)와 같은 능동 마커, 또는 역반사 구체와 같은 수동 마커일 수 있다. 2-DoF 장치(102)는 트리거들(예를 들면, 트리거(214)) 또는 버튼(들)과 같은 하나 이상의 사용자 입력 메커니즘들을 더 포함할 수 있다. 사용자 입력 메커니즘들은 사용자가 다음을 예시적으로 포함하는 다양한 기능을 수행 가능하게 할 수 있다: 모터(205)를 활성화 또는 비활성화; 작동 부분(204)의 작동을 활성화 또는 비활성화; 하나의 가상 평면을 표적으로 하는 것으로부터 후속 가상 평면으로 변경하도록 컴퓨팅 시스템(104)에 통지; 및 의료 절차 일시 중지.

계속해서 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 핸드헬드 부분(202)의 외부 케이싱 내에는 전방 볼 나사(216a)에 전원을 공급하는 전방 액추에이터(210a) 및 후방 볼 나사(216b)에 전원을 공급하는 후방 액추에이터(210b)가 존재한다. 액추에이터들(전방 액추에이터(210a), 후방 액추에이터(210b))은 바람직하게는 볼 나사들(216a, 216b)을 양방향으로 회전시키는 서보-모터들이다. 선형 레일들(전방 선형 레일(208a), 후방 선형 레일(208b))의 제 1 단부는 힌지들(220a, 220b)을 통해 작동 부분(204)에 어태치되며, 이 힌지들(220a, 220b)은 작동 부분(204)이 선형 레일들(208a, 208b)에 대해 피봇할 수 있도록 한다. 볼 너트들(218a, 218b)은 선형 레일들(208a, 208b)의 제 2 단부에 어태치된다. 볼 너트들(218a, 218b)은 볼 나사들(216a, 216b)과 기계적으로 연결되어 있다. 액추에이터들(210a, 210b)은 볼 나사들(216a, 216b)에 전원을 공급하며 이에 따라 궁극적으로 볼 너트들(218a, 218b)이 볼 나사들(216a, 216b)의 축을 따라 병진 운동하게 된다. 볼 나사들(216a, 216b)을 따르는 볼 너트들(218a, 218b)의 병진 운동은 각각 전방 선형 레일(208a) 및 후방 선형 레일(208b)의 병진 운동을 야기하며, 이에 의해 (a) 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 선택적인 선형 이동, 및 (b) 2-DoF 장치(102)의 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 선택적인 피봇을 허용한다. 따라서, 작동 부분(204)의 병진 운동 "d" 및 피치 운동 "α"(도 2b)는 대응하는 볼 나사(216a, 216b) 상에서의 각 볼 너트(218a, 218b)의 위치에 따라 조정될 수 있다. 선형 가이드(222)(도 2a)는 병진 운동 방향 "d"에서 선형 레일들(208a, 208b)의 움직임을 더 제한하고 안내할 수 있다.

2-DoF 장치(102)는 입/출력 포트를 통해(예를 들면, 외부 전원으로부터) 및/또는 온-보드 배터리들(도시되지 않음)로부터 전력을 수신할 수 있다.

2-DoF 장치(102)의 액추에이터들(210a, 210b) 및/또는 모터(205)는 다양한 방법을 사용하여 제어될 수 있다. 비제한적인 예로서, 본 발명의 일 방법에 따르면, 제어 신호들은 입/출력 포트에 대한 전기적 연결을 통해 제공될 수 있다. 비제한적인 추가 예로서, 본 발명의 다른 방법에 따르면, 제어 신호들은 무선 연결을 통해 2-DoF 장치(102)에 통신되며, 이에 따라 전기 배선의 필요성을 제거한다. 원하는 경우, 광 통신을 통해 무선 연결이 이루어질 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 2-DoF 장치(102)는 컴퓨팅 시스템(104)(도 1)으로부터 제어 신호들을 수신하기 위한 수신기를 포함한다. 수신기는 예를 들어 유선 연결을 위한 입력 포트(예를 들면, 이더넷 포트, 직렬 포트), 송신기, 모뎀, 무선 수신기(예를 들면, Wi-Fi 수신기, Bluetooth® 수신기, 무선 주파수 수신기, 광학 수신기(예를 들면, 포토센서, 포토다이오드, 카메라)), 또는 이들의 조합일 수 있다. 수신기는 컴퓨팅 시스템(104)으로부터 2-DoF 장치(102)의 액추에이터들(210a, 210b) 및/또는 모터(205)로 직접 제어 신호들을 송신할 수 있으며, 또는 수신기는 액추에이터들(210a, 210b) 및/또는 모터(205)에 송신하기 이전에 제어 신호들을 사전 처리하기 위해 프로세서(예를 들면, 아래에서 더 설명되는 온-보드 장치 컴퓨터(108))와 통신할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(104)은 일반적으로 의료 절차를 실행하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 비제한적인 예로서, 본 발명의 바람직한 일 형태에서, 컴퓨팅 시스템(104)은 2-DoF 장치(102)의 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 작동을 제어하여 의료 계획에 정의된 가상 평면과 일치하는 도구 축(207)(도 2b)을 유지하도록 구성된다. 컴퓨팅 시스템(104)은 다음에 기초하여 의료 계획에 정의된 가상 평면과 일치하는 도구 축(207)을 정확하게 유지한다: a) 조직의 위치에 대한 의료 계획의 등록된 위치; b) 조직의 추적된 위치; 및 c) 2-DoF 장치(102)의 추적된 POSE.

컴퓨터-보조 의료 시스템(100)의 컴퓨팅 시스템(104)은 다음을 포함할 수 있다: 프로세서를 포함하는 장치 컴퓨터(108)(또는 마이크로컨트롤러); 프로세서를 포함하는 계획 컴퓨터(110)(또는 마이크로컨트롤러); 프로세서를 포함하는 추적 컴퓨터(111)(또는 마이크로컨트롤러), 및 주변 장치들. 프로세서들은 컴퓨팅 시스템(104)에서 작동하여 계산들을 수행하고 본 발명의 시스템 및 방법과 연관된 소프트웨어를 실행한다. 장치 컴퓨터(108), 계획 컴퓨터(110) 및 추적 컴퓨터(111)는 도 1에 도시된 바와 같이 별도의 엔티티들일 수 있거나, 또는 컴퓨터-보조 의료 시스템(100)의 구성에 따라 하나(또는 두 개)의 컴퓨터들 또는 프로세서들 상에서 동작들이 실행될 수도 있는 것이 고려된다. 예를 들어, 추적 컴퓨터(111)는 장치 컴퓨터(108)에 대한 필요성 없이 2-DoF 장치(102)를 제어하기 위한 운용 데이터(operational data)를 가질 수 있다. 대안적으로, 원하는 경우, 장치 컴퓨터(108)는 계획 컴퓨터(110)에 대한 필요성 없이 의료 절차를 계획하기 위한 운용 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 원하는 경우, 장치 컴퓨터(108), 계획 컴퓨터(110), 및/또는 추적 컴퓨터(111)의 임의의 조합이 유선 또는 무선 연결을 통해 함께 연결될 수도 있다. 또한, 추적 컴퓨터(111) 및 장치 컴퓨터(108)에 의해 수집되는 데이터 및/또는 이들에 의해 수행되는 연산들이 2-DoF 장치(102)를 제어하기 위해 함께 작동할 수 있으며, 따라서, 2-DoF 장치(102)를 제어하기 위해 추적 컴퓨터(111) 및 장치 컴퓨터(108)에 의해 수집되는 데이터 및/또는 이들에 의해 수행되는 연산들은 본 명세서에서 "제어 시스템(control system)"으로 지칭될 수 있다.

주변 장치들은 사용자가 컴퓨팅 시스템(104)과 인터페이스할 수 있게 하고, 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있으며 이에 제한되지 않는다: 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 표시하기 위한 디스플레이 또는 모니터(112a, 112b)와 같은 하나 이상의 사용자 인터페이스; 및 키보드(114), 마우스(122), 펜던트(124), 조이스틱(126) 및 풋 페달(128)과 같은 사용자 입력 메커니즘들. 원하는 경우, 모니터(들)(112a, 112b)는 터치스크린 능력을 가질 수 있으며/있거나 2-DoF 장치(102)는 하나 이상의 입력 메커니즘들(예를 들면, 버튼, 스위치 등)을 포함할 수 있다. 다른 주변 장치는 등록 프로세스를 지원하기 위해 추적형 디지타이저 프로브(tracked digitizer probe)(130)를 포함할 수 있다. 추적 어레이(120a)는 추적 시스템(106)이 공간에서 디지타이저 프로브(130)의 POSE를 추적할 수 있도록 디지타이저 프로브(130)에 어셈블된다. 디지타이저 프로브(130)는 컴퓨팅 시스템(104)에 입력을 제공하기 위한 하나 이상의 사용자 입력 메커니즘들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 디지타이저 프로브(130) 상의 버튼은 사용자가 공간 내 지점을 수집하거나 기록하기 위해 컴퓨팅 시스템(104)에 신호를 보낼 수 있게 하며 이에 따라 의료 계획에 조직 구조를 등록하는 것을 지원한다.

장치 컴퓨터(108)는 2-DoF 장치(102)의 동작과 관련된 기능들을 수행하기 위한 하나 이상의 프로세서들, 컨트롤러들, 소프트웨어, 데이터, 유틸리티들, 및/또는 RAM, ROM 또는 다른 비휘발성 또는 휘발성 메모리와 같은 저장 매체(들)를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 장치 컴퓨터(108)는 예를 들어 작동 부분(204)의 POSE를 제어하고, 추적 데이터를 수신 및 처리하고, 모터(205)의 속도를 제어하고, 등록 알고리즘을 실행하고, 캘리브레이션 루틴을 실행하고, 의료 절차 전반에 걸친 작업 흐름 지침들을 사용자에게 제공하는 등과 같이 2-DoF 장치(102)를 제어하기 위한 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티들을 포함할 뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들에 따라 절차를 성공적으로 수행하는데 필요한 임의의 다른 적절한 소프트웨어, 데이터 또는 유틸리티들을 포함할 수 있다. 장치 컴퓨터(108)는 도 1에서 도시된 바와 같이 2-DoF 장치(102)와 별개로 위치될 수 있거나, 또는 장치 컴퓨터(108)는 온-보드 제어를 제공하기 위해 2-DoF 장치(102)의 핸드헬드 부분(202)에 하우징될 수도 있다. 장치 컴퓨터(108)가 핸드헬드 부분(202)(이하 온-보드 장치 컴퓨터라고 함)에 하우징되는 경우, 온-보드 장치 컴퓨터는 유선 또는 무선 연결을 통해 외부 데이터(예를 들면, 추적 데이터, 정보 데이터, 작업 흐름 데이터 등)를 수신할 수 있다. 유사하게, 온-보드 장치 컴퓨터는 유선 또는 무선 연결을 통해 내부 데이터(예를 들면, 운용 데이터, 액추에이터/볼 나사 위치 데이터, 배터리 수명 등)를 송신할 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 외부 데이터가 수신될 수 있으며/있거나 내부 데이터가 광 통신을 사용하여 무선으로 전송될 수도 있다. 2-DoF 장치(102)와 추적 시스템(106) 사이의 양방향 광 통신에 대한 세부 사항은 아래에서 더 설명된다.

계획 컴퓨터(110)는 바람직하게는 절차를 계획하는데 전용된다. 비제한적인 예로서, 계획 컴퓨터(110)는 다음을 수행할 수 있는 하드웨어(예를 들면, 프로세서, 컨트롤러, 메모리 등), 계획 소프트웨어(planning software), 데이터, 및/또는 유틸리티를 포함할 수 있다: 의료 영상 데이터 수신, 판독 및/또는 조작; 이미징 데이터를 분할; 3차원(3D) 가상 모델들 구성 및 조작; 뼈 핀 CAD 파일과 같은 컴퓨터-보조 설계(CAD) 파일 저장 및 제공; 축(예를 들면, 표적 축, 레이저 치료용 축, 암 조직 위치에 도달하는 축), 평면, 나사, 핀, 임플란트, 정렬 가이드, 뼈 터널 및/또는 절차 전 데이터와 관련된 3D 가상 인대 또는 힘줄 이식편에 대한 POSE 계획; 시스템(100)과 함께 사용하기 위한 의료 계획 데이터 생성 및 사용자가 의료 절차를 계획하는데 도움이 되는 다른 다양한 기능 제공. 계획 컴퓨터는 또한 아래에서 더 설명되는 바와 같은 본 발명의 실시예들과 관련하여 가상 평면들을 정의하는데 전용인 소프트웨어를 포함한다. 최종 의료 계획 데이터는 조직의 이미지 데이터 세트 또는 가상 모델, 조직 등록 데이터, 피험자 식별 정보, 조직에 대한 하나 이상의 핀, 나사, 임플란트 또는 뼈 터널의 POSE, 및/또는 조직에 대해 정의된 하나 이상의 축 및 가상 평면의 POSE를 포함할 수 있다. 장치 컴퓨터(108)와 계획 컴퓨터(110)는 수술실에서 직접 연결될 수도 있고, 수술실 외부의 별도 엔티티들로서 존재할 수도 있다. 최종 의료 계획은 수술실에서 유선(예를 들면, 전기 연결) 또는 무선 연결(예를 들면, 광 통신)을 통해 장치 컴퓨터(108) 및/또는 추적 컴퓨터(111)로 쉽게 전송되거나; 또는 계획 컴퓨터(110)가 수술실 외부에 있는 경우(또는 달리 원하는 경우), 비일시적 데이터 저장 매체(예를 들면, 컴팩트 디스크(CD) 또는 휴대용 범용 직렬 버스(USB 드라이브))를 통해 전송된다. 전술한 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(104)은 장치 컴퓨터(108), 추적 컴퓨터(111), 계획 컴퓨터(110), 또는 이들의 임의의 조합의 기능들을 수행할 수 있는 다중 프로세서들을 갖는 하나 이상의 컴퓨터들 또는 마이크로컨트롤러들을 포함할 수 있다.

본 발명의 추적 시스템(106)(도 1)은 일반적으로 검출 장치의 위치에 대한 객체의 POSE를 결정하기 위한 검출 장치를 포함한다. 본 발명의 특정 실시예들에서, 추적 시스템(106)은, 미국 특허 제6,061,644호(이 특허는 본 명세서에 참조로서 포함됨)에서 설명된 광학 추적 시스템과 같은 광학 추적 시스템이며, 강체 상에 배열되거나 추적되는 객체 상에 직접 통합되는 기준 마커들(121)(도 4)의 위치를 검출하기 위한 2개 이상의 광학 검출기들(예를 들면, 카메라들)을 갖는다. 비제한적인 예로서, 기준 마커들(121)은 다음을 포함할 수 있다: LED 또는 전자기 복사 방출기와 같은 능동 송신기; 역반사 필름이 있는 플라스틱 구체와 같은 수동 반사기; 또는 형상, 라인 또는 다른 캐릭터에 대한 고유의 패턴 또는 시퀀스. 강체에 배열되거나 장치에 통합되는 일 세트의 기준 마커(121)는 경우에 따라 본 명세서에서 추적 어레이로 지칭되며, 여기서 각 추적 어레이는 기준 마커들(121)의 고유한 기하학적 구조/배열, 또는 고유한 전송 파장/주파수(마커들이 능동 LED들인 경우)를 포함하여, 추적 시스템(106)이 각각의 추적되는 객체들 간을 구별할 수 있도록 한다.

원하는 경우, 추적 시스템(106)은 붐, 스탠드에 위치되거나 수술실의 벽 또는 천장 안에 내장되어 있는 수술실 조명(118)(도 1)에 통합될 수도 있다. 추적 시스템 컴퓨터(111)는 로컬 또는 글로벌 좌표 프레임에서 객체들(예를 들어, 조직 구조들, 2-DoF 장치(102))의 POSE를 결정하기 위한 추적 하드웨어, 소프트웨어, 데이터, 및/또는 유틸리티들을 포함한다. 추적 시스템(106)의 출력(즉, 3D 공간에서 객체들의 POSE)은 본 명세서에서 추적 데이터라고 하며, 여기서 이 추적 데이터는 유선 또는 무선 연결을 통해 장치 컴퓨터(108)에 쉽게 통신될 수 있다. 특정 실시예에서, 추적 컴퓨터(106)는 추적 데이터를 처리하고, 처리된 추적 데이터에 기초하여 2-DoF 장치(102) 및/또는 장치 컴퓨터(108)에 제어 신호를 직접 제공함으로써, 핸드헬드 부분(202)에 대한 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)의 위치를 제어한다.

추적 데이터는 바람직하게는 광학 검출기들로부터 검출되는 기준 마커들의 위치 및 이미지 처리, 이미지 필터링, 삼각 측량 알고리즘들, 기하학적 관계 처리, 등록 알고리즘들, 캘리브레이션 알고리즘들 및 좌표 변환 처리와 같은 연산들/프로세스들을 사용하여 결정된다.

양방향 광 통신(예를 들면, Li-Fi(light fidelity))이 변조 광원(예를 들면, 발광 다이오드(LED)) 및 광센서(예를 들면, 포토다이오드, 카메라)를 통해 2-DoF 장치(102)와 추적 시스템(106) 사이에서 이루어질 수 있다. 2-DoF 장치(102)는 작동 부분(204) 또는 핸드헬드 부분(202)에 배치되는 LED 및 광센서(즉, 수신기)를 포함할 수 있으며, 여기서 LED 및 광센서는 모뎀이나 온-보드 장치 컴퓨터와 같은 프로세서와 통신한다. 2-DoF 장치(102)에 의해 내부적으로 생성되는 데이터는 LED를 변조하는 것에 의해 추적 시스템(106)으로 송신될 수 있으며, 여기서 LED 변조에 의해 생성되는 광 신호들(예를 들면, 적외선, 가시광선)은 추적 시스템 광학 검출기(예를 들면, 카메라) 또는 전용 광센서에 의해 검출되고 추적 시스템 컴퓨터(111)에 의해서 처리된다. 추적 시스템(106)은 마찬가지로 추적 시스템(106)과 연관된 변조 LED를 사용하여 2-DoF 장치(102)에 데이터를 송신할 수 있다. 추적 시스템(106)에 의해 생성되는 데이터는 추적 시스템(106) 상의 LED를 변조하는 것에 의해 2-DoF 장치(102)로 송신될 수 있으며, 여기서 이 광 신호들은 2-DoF 장치(102)의 광센서에 의해 검출되고 2-DoF 장치(102)의 프로세서에 의해서 처리된다. 추적 시스템(106)으로부터 2-DoF 장치(102)로 송신되는 데이터의 예들은 운용 데이터, 의료 계획 데이터, 정보 데이터, 제어 데이터, 위치 또는 추적 데이터, 절차 전 데이터, 또는 지시 데이터를 포함한다. 2-DoF 장치(102)로부터 추적 시스템(106)으로 송신되는 데이터의 예들은 모터 위치 데이터, 배터리 수명, 동작 상태, 로그된 데이터, 동작 파라미터들, 경고들 또는 오류들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에서는, 다른 추적 시스템들이 의료 시스템(100)과 통합된다는 것이 이해되어야 한다. 비제한적인 예로서, 의료 시스템(100)은 전자기장 추적 시스템, 초음파 추적 시스템, 가속도계 및 자이로스코, 및/또는 기계적 추적 시스템을 포함할 수 있다. 비-기계적 추적 시스템을 다른 추적 시스템으로 대체하는 것은 본 개시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 일 형태에서, 기계적 추적 시스템의 사용은, 본 출원의 양수인에게 양도되고 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제5,000,000호에 설명된 컴퓨터-보조 수술 시스템과 같이 사용되는 의료 시스템의 타입에 따라 유리할 수 있다.

2-DoF 장치를 사용하여 도구를 축과 정렬

의료 절차를 수행하기 위해 도구를 축과 정렬하기 위한 의료 절차는 의료 절차 계획으로 시작될 수 있다. 비제한적인 예로서, 의료 계획은 계획 소프트웨어를 사용하여 생성될 수 있다. 절차 전 데이터는 일반적으로 CT(computed tomography), MRI(magnetic resonance imaging), 초음파, 엑스레이 또는 형광투시로부터 도출되는 의료 이미지 데이터에서 획득 및/또는 생성된다. 가상 조직 모델들이 본 기술분야에 공지된 기술들(예를 들면, 분할(segmentation), 마칭 큐브(marching cube)들)을 사용하여 계획 소프트웨어의 의료 이미지 데이터로부터 생성될 수 있다. 도 3a는 조직 표현(tissue representation) 'TR'을 나타내는 개략도이며, 여기서 이 표현은 이미지 데이터 세트 또는 조직의 3-D 모델의 형태일 수 있다. 계획 소프트웨어는 사용자가 조직 표현 'TR'에 대하여 표적 축(307)에 대한 원하는 위치를 지정할 수 있도록 하는 다양한 도구들 또는 위젯들을 포함할 수 있다. 사용자는 표적 축(307)을 따라 하나 이상의 특정 표적 위치들 'X'를 추가로 지정할 수 있다. 비제한적인 예로서, 이러한 도구들 또는 위젯들은 다음을 포함할 수 있다: 축척, 치수 또는 기하학적 형상으로 조작할 수 있는 가상 터널 모델들, 가상 도구 모델들 또는 가상 임플란트들; 가상 축들 또는 지점들; 스플라인(spline)들 또는 라인들; 표적 축, 가상 평면들, 지점들, 라인들, 임플란트들, 핀들, 나사들, 바늘들, 뼈 터널들 또는 임플란트들의 치수 및 위치를 정의하기 위한 그리기 도구 상자; 본래의 인대 또는 힘줄을 나타내는 역학적 특성들을 갖는 가상 인대들 또는 힘줄들; 또는 이들의 조합들. 사용자가 특정 표적 위치 'X'만 지정하면, 계획 소프트웨어가 표적 축(307)을 자동으로 정의하여, 2-DoF 장치(102)가 표적 축(307)을 따라 특정 표적 위치 'X'에 도달 가능하게 할 수 있다. 대안적으로는 사용자가 특정 표적 위치 'X'에 도달하기 위한 표적 축(307)을 정의할 수도 있다. 계획 소프트웨어는 의료 절차를 시뮬레이션하고/하거나 조직 기능들을 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이션 기능들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 가상 뼈 모델들 사이의 모션 범위가 시뮬레이션될 수 있다.

표적 축(307)의 위치가 조직 표현 'TR'에 대해 정의된 이후에, 계획 소프트웨어를 사용하여 표적 축(307)에 대한 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)을 수동으로 또는 자동으로 정의한다. 가상 평면들(304, 306)은 절차 동안 2-DoF 장치(102)에 대한 정렬 표적들이며, 여기서 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)의 위치가 핸드헬드 부분(202)에 대해 조정됨으로써 작동 부분(204)에 커플링되는 도구가 한 번에 하나의 가상 평면과 일치하도록 유지한다. 비제한적인 예로서, 도 3a는 표적 축(307)에 대해 정의되는 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)을 갖는 조직 표현 'TR'의 사시도를 도시하는 개략도이다. 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)은 여러 방법을 사용하여 정의될 수 있다. 비제한적인 예로서, 제 1 가상 평면(304)은 다음 중 적어도 하나를 사용하여 정의될 수 있다: 표적 축(307) 및 하나의 추가 지점; 또는 표적 축(307)을 따르는 지점 및 2개의 추가 지점들. 하나 또는 두 개의 추가 지점들이 사용자에 의해 정의되거나 또는 하나 또는 두 개의 추가 지점들이 계획 소프트웨어에 의해 자동으로 할당될 수 있다. 사용자는 절차 동안에 예상되는 조직 노출에 기초하여 조직 표현 'TR'에 대해 하나 또는 두 개의 추가 지점들을 정의할 수 있다. 하나 또는 두 개의 추가 지점들은 사용자에 의해 정의되거나 또는 계획 소프트웨어에 의해 정의되는 해부학적 랜드마크들일 수 있다. 계획 소프트웨어는 동일한 타입의 이전 의료 절차들로부터의 과거 환자 사례 데이터를 사용하여 제 1 가상 평면(304) 및/또는 추가 지점들을 더 정의할 수 있다. 도 3a는 조직 표현 'TR'에 대해 정의되고 제 1 가상 평면(304)과 교차하는 제 2 가상 평면(306)을 추가로 도시한 것이며, 여기서 제 1 가상 평면(304)과 제 2 가상 평면(306)의 교차 축은 표적 축(307)과 일치한다. 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)은 평행하지 않으며 표적 축(307)을 중심으로 각도 'θ'만큼 각도적으로 오프셋되어 있다. 제 1 가상 평면(304)과 제 2 가상 평면(306) 사이의 각도 'θ'는 10도 내지 170도 사이일 수 있고, 다른 실시예들에서, 이 각도는 45도 내지 135도 사이일 수 있으며, 추가 실시예에서, 제 1 가상 평면(304)은 도 3에 도시된 바와 같이 제 2 가상 평면(306)에 수직(즉, 90도)이다. 바람직한 실시예에서, 제 1 가상 평면(304)에서 제 2 가상 평면(306)으로 전환할 경우, 제 1 가상 평면(304)과 제 2 가상 평면(306) 사이의 각도 'θ'는, 2-DoF 장치(102) 상의 추적 어레이(212)가 추적 시스템(106)의 시야 내에 있을 가능성을 개선하기 위해 20도 내지 70도 또는 110 내지 160도 사이이다. 2개의 가상 평면들(304, 306) 및 표적 축(307)이 조직 표현 'TR'에 대해 정의된 이후에, 이 의료 계획이 수술실의 컴퓨터-보조 의료 시스템에 저장 및/또는 전송 및/또는 업로드될 수 있다.

특정 실시예에서, 도 3b를 참조하면, 다중 조직 영역들에 대한 의료 절차를 수행하기 위해 둘 이상의 표적 축들(307a, 307b)이 정의될 수 있다. 예를 들어, 2개의 표적 축들(307a, 307b)이 계획 소프트웨어에서 정의될 수 있으며, 여기서 도구가 제 1 축과 정렬된 다음 제 2 축과 정렬될 수 있으며, 여기서 제 1 축 및 제 2 축은 서로 교차하거나 교차하지 않을 수도 있다. 제 1 축은 2개의 교차 평면들을 사용하여 표적화될 수 있으며, 여기서 이러한 평면들 중 하나와 제 3 평면이 제 2 축을 표적화하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3b는 2개의 표적 축들(307a 및 307b)을 보여주고 있으며, 여기서는 3개의 평면들(304, 305 및 306)이 정의되어 2-DoF 장치(102)가 각 표적 축(307a 또는 307b)과 도구를 독립적으로 정렬할 수 있게 한다. 제 1 표적 축(307a)은 평면들(304, 306)을 사용하여 표적화될 수 있고, 제 2 표적 축(307b)은 평면들(305, 306)을 사용하여 표적화될 수 있다. 이것은 도구를 'n-1' 표적 축들과 정렬하기 위해 'n' 평면들을 갖는 것으로 외삽될 수 있다. 3개의 평면들이 모두 삼각형 형태로 교차하는 경우, 3개의 축들이 표적화될 수 있다. 또한, 2개 이상의 표적 축에 대해 한 쌍의 교차 평면들이 정의될 수 있으며, 여기서 교차 평면들의 교차하지 않는 쌍들이 각 표적 축에 대해 정의된다. 대안적으로는, 두 쌍의 교차 평면들이 교차하여 4개의 축을 표적화할 수 있다.

이제 도 4 및 도 5를 참조하면, 2-DoF 장치(102)가 조직 'T'에 대한 의료 계획을 실행하는 것이 도시되어 있으며, 여기서 조직 'T'는 도 3a에 도시된 조직 표현 'TR'에서의 동일한 조직에 대응한다. 추적 어레이(120b)가 조직 'T'에 고정되며, 본 기술분야에 알려진 등록 기술들을 사용하여 조직 'T'에 의료 계획이 등록된다.

의료 계획이 조직 'T'에 등록된 이후에, 이제 도 4를 참조하면, 제 1 기준 마커(308)가 제 1 가상 평면(304)과 일치하는 위치에서 조직 'T'에 부착되기 위하여 핸드헬드 2-DoF 장치(102)에 커플링된다. 제 1 기준 마커(308)를 조직 'T'에 부착하기 위해, 2-DoF 장치(102)는 사용자에 의해서 환자를 향하여 그리고 환자 주위로 이동되고, 제어 시스템은 기준 마커(308)를 제 1 가상 평면(304)과 정렬하기 위해 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시킨다(예를 들면, 사용자는 기준 마커(308)가 작동 부분(204)에 커플링된 상태로 조직 'T'에 인접하게 2-DoF 장치(102)를 유지하며, 제어 시스템은 제 1 가상 평면(304)과 일치하게 기준 마커(308)를 정렬하기 위해 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 위치를 조정하도록 하는 제어 신호들을 액추에이터들(210a, 210b)에게 제공한다). 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)은 (예를 들어, 2-DoF 장치(102)가 추적 시스템(106)의 시야 내에 있을 때마다) 자동으로 작동될 수 있으며, 또는 사용자가 트리거, 버튼 또는 풋 페달과 같은 입력 메커니즘을 통해 작동을 활성화/비활성화할 수 있다. 제 1 기준 마커(308)가 정렬되고 나면, 사용자가 제 1 기준 마커(308)를 조직 'T'에 부착하기 위해 작동을 수행하여(예를 들어, 모터(205)를 활성화) 조직 'T'를 향해 2-DoF 장치(102)를 전진시킨다. 제 2 기준 마커(310)는 제 1 기준 마커(308)와 동일한 방식으로 제 1 가상 평면(304)과 일치하는 조직 'T'에 부착되지만, 제 2 기준 마커(310)는 제 1 기준 마커(308)로부터 평면(304)을 따라 측방향으로 오프셋된다.

절차 전반에 걸쳐, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 수술실의 모니터(112b) 상에 디스플레이된다. GUI는 절차를 지원하기 위해 다음 중 어느 것을 디스플레이할 수 있다: 조직 'T'의 조직 표현 'TR'; 조직 'T'의 실시간 뷰; 가상 평면들(304, 306); 표적 축(307); 2-DoF 장치(102)의 표현 및 2-DoF 장치(102)의 추적된 POSE를 이용한 2-DoF 장치(102)의 실시간 POSE; 조직 'T'에 등록된 조직 표현 'TR'과 조직 'T'의 추적된 POSE를 이용한 조직 'T'의 실시간 POSE; 조직 'T'에 대한 도구(206)의 실시간 위치; 2-DoF 장치(102) 또는 도구(206), 가상 평면들(304, 306) 또는 표적 축(307)의 실시간 위치, 및 다음을 사용하는 조직 'T': a) 조직 'T'에 등록된 조직 표현 'TR'; b) 가상 평면들(304, 306), 및 조직 'T'에 등록된 표적 축(307); c) 조직 'T'의 추적된 POSE; 및 d) 2-DoF 장치(102)의 추적된 POSE(여기서 2-DoF 장치(102)의 표현 또는 비디오는 GUI에 디스플레이하는데 사용됨).

기준 마커들(308 및 310)이 조직 'T'에 부착되고 나면, 정렬 가이드(312)(도 8 내지 도 10 참조)가 제 1 기준 마커(308) 및 제 2 기준 마커(310)에 어셈블되어 제 1 기준 마커(308)와 제 2 기준 마커(310) 사이에 슬롯(318)을 형성한다. 마커들(308, 310)에 어셈블되는 정렬 가이드는, 2-DoF 장치(102)가 후술하는 바와 같이 제 2 가상 평면(306)과 일치하게 도구(206)를 정렬하는 동안 제 1 가상 평면(304)의 배향에 대한 가이드 또는 기준을 제공한다.

기준 마커들(308, 310)이 조직 'T'에 부착된 이후에, 사용자는 2-DoF 장치(102)가 표적으로 하는 평면을 제 1 가상 평면(304)에서 제 2 가상 평면(306)으로 변경하도록 컴퓨팅 시스템(102)에 신호를 보낼 수 있다. 사용자는 이 신호를 트리거, 버튼 또는 풋 페달과 같은 입력 메커니즘으로 컴퓨팅 시스템(102)에 제공할 수 있다. 이제 도 5를 참조하면, 도구(206)는 다음의 방식으로 표적 축(307)과 정렬될 수 있다. 사용자는 2-DoF 장치(102)를 이동시켜 도구(206)를 제 1 기준 마커(308) 및 제 2 기준 마커(310)(정렬 가이드의 도움이 있거나 없이)와 인-라인으로 정렬하고, 제어 시스템은 제 2 가상 평면(306)과 일치하게 도구(206)를 정렬하도록 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시킨다. 정렬 가이드(312)가 사용되는 경우, 사용자는 도구(206)가 정렬 가이드(312)에 의해 형성된 슬롯(318)과 정렬되도록 2-DoF 장치(102)를 이동시킬 수 있으며, 제어 시스템은 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시켜서 제 2 가상 평면(306)과 일치하게 도구(206)를 정렬한다. 그 후에 도구(206)가 제 2 가상 평면(306)(2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)의 작동을 통해) 및 제 1 가상 평면(304)(제 1 및 제 2 기준 마커들(308, 310)을 참조하고 및/또는 정렬 가이드(312)에 의해 형성된 슬롯(318)을 사용하여)과 일치할 때 도구(206)는 표적 축(307)과 정렬된다. 도구(206)가 표적 축(307)과 정렬되면, 도구(206)를 사용하여 표적화된 조직 축(207)을 따라 의료 절차를 수행할 수 있다. 특정 실시예들에서, 도구(206)는 표적 축(307)과 일치하게 조직 'T'에 정렬 및 부착되어 아래의 터널 형성 예에서 설명되는 의료 절차를 지원하는 제 3 기준 마커이다. 대안적으로, 도구(206)는 제 3 기준 마커에 대한 필요성 없이 직접 의료 절차를 수행하도록 구성된다.

전술한 시스템 및 방법은 의료 절차를 수행하기 위해 축과 도구를 정확하게 정렬하는데 유리하다. 사용자는 의료 절차를 수행하는데 있어서 정확성과 시간 효율성 모두를 제공받게 된다. 본 시스템들 및 방법들은 핸드헬드 장치, 보다 구체적으로 2-DoF 핸드헬드 장치에 특히 유리하다. 핸드헬드 장치는 조작이 쉽고 축과 빠르게 정렬될 수 있다. 또한, 하나의 병진 운동 자유도와 하나의 회전 운동 자유도를 갖는 2-자유도에서 작동하는 핸드헬드 장치는 평면과 일치하게 도구를 정렬하는데 특히 적합할 수 있으며, 본 시스템 및 방법은 교차 평면들의 사용을 활용하여 공구를 축과 더욱더 정렬한다. 이를 통해 사용자는 도구를 평면과만 정렬시키는 것을 넘어 다양한 의료 절차를 수행할 수 있다. 평면들을 사용하면 사용자가 표적으로 하는 평면과 일치하는 모든 조직에 기준 마커들을 배치할 수 있는 유연성이 추가로 제공된다. 따라서, 사용자는 기준 마커가 평면과 일치하기만 한다면, 특정 위치를 선택하여 조직에 기준 마커를 삽입할 수 있다. 본 발명의 시스템 및 방법의 특정 예들이 아래에 제공된다.

예 1: 2-DoF 장치를 사용한 뼈 터널 생성

다음은 뼈에 터널을 생성하기 위한 본 발명의 시스템 및 방법의 예이며, 이것은 인대 또는 힘줄 재건 수술에 특히 유용할 수 있다. 이 예에서, 전술한 조직은 뼈이며, 조직 표현은 뼈의 3-D 가상 모델이고, 기준 마커는 뼈 핀이고, 가이드 클램프가 정렬 가이드로서 사용되고, 뼈 핀 형태의 제 3 기준 마커가 뼈 터널의 형성을 지원하는데 사용되며, 표적 축은 뼈에 형성될 터널의 중심 종축이다.

인대 또는 힘줄 재건 수술은 수술 전 수술 계획(즉, 의료 절차 계획)으로 시작할 수 있다. 비제한적인 예로서, 수술 전 수술 계획(즉, 의료 계획)은 계획 소프트웨어를 사용하여 생성될 수 있다. 수술 전 뼈 데이터(즉, 절차 전 데이터)는 예를 들어, 컴퓨터 단층촬영(computed tomography; CT), 자기공명영상(magnetic resonance imaging; MRI), 초음파, 엑스레이 또는 형광투시로부터 도출되는 의료 이미지 데이터로부터 일반적으로 획득 및/또는 생성된다. 가상 뼈 모델 형태의 조직 표현은 본 기술분야에 알려진 기술(예를 들면, 분할, 마칭 큐브들)을 사용하여 계획 소프트웨어의 의료 이미지 데이터로부터 생성될 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 환자 뼈들의 CT 스캔으로부터 생성되는 예시적인 경골 뼈 모델(300)을 도시한 개략도이다. 계획 소프트웨어는 사용자가 경골 모델(300)에 대해 하나 이상의 터널(302)에 대한 원하는 위치를 지정할 수 있도록 하는 다양한 도구들 또는 위젯들을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 이러한 도구들 또는 위젯들에는 다음이 포함될 수 있다: 축척, 치수 또는 기하학적 형상으로 조작할 수 있는 가상 터널 모델(들); 가상 축 또는 지점들; 스플라인들 또는 라인들; 뼈 터널들의 형상과 위치를 정의하기 위한 그리기 도구 상자; 본래의 인대들 또는 힘줄들을 나타내는 역학적 특성을 갖는 가상 인대들 또는 힘줄들; 또는 이들의 조합들. 터널(302)의 중심 종축(307)(즉, 표적 축)은 또한 터널(302)에 대한 원하는 위치를 지정하는 것을 지원하기 위해 디스플레이될 수 있다. 계획 소프트웨어는 텐셔닝 인대 또는 힘줄의 시뮬레이션이 있거나 없이 2개 이상의 가상 뼈 모델들(예를 들면, 경골 뼈 모델(300)과 대퇴골 모델 사이의 움직임) 간의 움직임 범위를 시뮬레이션하는 시뮬레이션 기능들을 더 포함할 수 있다.

사용자가 뼈 모델에 대해 하나 이상의 터널(302)에 대한 원하는 위치를 지정한 이후에, 계획 소프트웨어는 하나 이상의 터널 위치들에 대한 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)을 자동으로 정의할 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 6a는 터널(302)에 대해 정의된 제 1 가상 평면(304)을 갖는 경골 뼈 모델의 사시도를 도시하는 개략도이다. 제 1 가상 평면(304)은 전술한 방법들 중 임의의 것을 사용하여 정의될 수 있다. 도 6b는 터널(302)에 대해 정의된 제 2 가상 평면(306)을 갖는 경골 뼈 모델(300)의 시상도를 도시하는 개략도이다. 제 1 가상 평면(304) 및 제 2 가상 평면(306)은 교차하며, 교차 축을 중심으로 각도적으로 오프셋되어 있다. 제 1 가상 평면(304)과 제 2 가상 평면(306)의 교차점은 터널의 중심 종축(307)과 정렬된다. 다시 말해서, 제 1 가상 평면(304)과 제 2 가상 평면(306)의 교차 축은 터널(302)의 중심 종축(307)과 일치하게 된다. 2개의 가상 평면들(304, 306) 및 터널(302)의 위치가 하나 이상의 가상 뼈 모델들에 대해 정의된 이후에, 수술실(OR)에 있는 컴퓨터-보조 의료 기기로 수술 계획이 저장 및/또는 전송될 수 있다. 특정 실시예에서, 이 계획은 수술실(OR)에서 이루어질 수 있으며 계획 데이터를 전송하거나 업로드할 필요 없이 컴퓨터-보조 의료 장치에서 쉽게 사용될 수 있다.

이제 도 7 내지 도 11을 참조하면, 2-DoF 장치(102)는 경골 뼈 'TB'에 대한 수술 계획을 실행하는 것으로 나타나 있다. 경골 뼈 'TB'에는 추적 어레이(120b)가 장착되고, OR에서의 환자의 실제 위치 및 본 기술분야에 알려진 등록 기술들을 사용하여 수술 계획이 경골 뼈 'TB'에 등록된다.

수술 계획이 경골 뼈 'TB'에 등록된 이후에, 이제 도 7을 참조하면, 제 1 제거 가능한 뼈 핀(308)(즉, 제 1 기준 마커)이 제 1 가상 평면(304)과 일치하는 위치에서 경골 뼈 'TB'에 삽입되도록 핸드헬드 2-DoF 장치(102)에 커플링된다. 제 1 뼈 핀(308)을 경골에 부착하기 위해, 핸드헬드 2-DoF 장치(102)는 사용자에 의해서 환자를 향해 그리고 환자 주위로 이동되고, 제어 시스템은 제 1 가상 평면(304)과 일치하게 제 1 뼈 핀(308)을 정렬하도록 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시킨다(예를 들면, 사용자는 뼈 핀(308)이 경골 뼈 'TB'에 인접하게 되도록 2-DoF 장치(102)를 유지하며, 제어 시스템은 핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 위치를 조정하여 제 1 가상 평면(304)과 일치하게 제 1 뼈 핀(308)을 정렬하도록 하는 제어 신호들을 액추에이터들(210a, 210b)에게 제공한다). 제 1 뼈 핀(308)이 정렬되고 나면, 사용자는 모터(205)를 활성화하여, 2-DoF 장치(102)를 경골 뼈 'TB'를 향해 전진시킴으로써 제 1 뼈 핀(308)을 경골 뼈 'TB'에 삽입한다. 그 후에, 제 2 제거 가능한 뼈 핀(310)(즉, 제 2 기준 마커)이, 제 1 제거 가능한 뼈 핀(308)과 동일한 방식으로 제 1 가상 평면(304)과 일치하게 경골 뼈 'TB'에 삽입되지만, 제 2 뼈 핀(310)은 제 1 뼈 핀(308)으로부터 측방향으로 오프셋되어 있다.

다음으로 도 8을 참조하면, 가이드 클램프(312)(즉, 정렬 가이드)가 제 1 뼈 핀(308) 및 제 2 뼈 핀(310)에 장착된다. 본 발명의 하나의 바람직한 형태에서, 가이드 클램프(312)는 뼈 핀들(308, 310)에 고정되는 2개의 평행한 플레이트들(314, 316)(또는 조(jaw))을 포함하며, 도 9에서 더 상세히 나타낸 바와 같이 2개의 플레이트들(314, 316) 사이에(및 제 1 뼈 핀(308)과 제 2 뼈 핀(310) 사이에) 위치되는 슬롯(318)을 형성한다.

다음으로 도 10을 참조하면, 제 3 뼈 핀(320)(즉, 제 3 기준 마커)이 터널의 중앙 종축(307)에 대한 계획된 위치와 일치하게 경골 뼈 'TB'에 삽입된다. 사용자는 제 3 뼈 핀(320)을 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)에 커플링하고, 핸드헬드 2-DoF 장치(102)를 환자 쪽으로 이동시켜, 가이드 클램프(312)에 의해 형성된 슬롯(318)에 제 3 뼈 핀(320)을 삽입하며, 제어 시스템은 제 2 가상 평면(306)과 일치하게 제 3 뼈 핀(320)을 정렬하도록 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시킨다. 제 2 가상 평면(306)과 일치하게(따라서 터널(302)의 중심 종축(307)에 대한 계획된 위치와 일치하게) 적절히 슬롯(318)에서 정렬되고 나면, 2-DoF 장치(102)를 사용하여 제 3 뼈 핀(320)이 경골 뼈 'TB'에 삽입된다. 원하는 경우, 제 3 뼈 핀(320)은, 제 3 뼈 핀(320)이 가이드 클램프(312)에 의해 형성된 슬롯(318)에 끼워지도록 충분한 간극을 제공하기 위해 제 1 뼈 핀(308) 및 제 2 뼈 핀(310)보다 작은 직경을 가질 수 있다. 위에서 논의된 절차의 결과로서, 제 3 뼈 핀(320)의 종축은 이제 계획된 바와 같이 뼈 터널(307)의 중심 종축(즉, 표적 축)과 정렬된다.

2-DoF 장치(102)를 이용하여 제 3 뼈 핀(320)이 경골 뼈(T)에 삽입된 이후에, 제 3 뼈 핀(320)을 가이드로서 사용하여 뼈에 터널을 형성할 수 있다. 가이드 클램프(312), 제 1 뼈 핀(308), 및 제 2 뼈 핀(310)이 경골 뼈(T)로부터 제거될 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 경골 뼈(T)에 제 3 뼈 핀(320)만이 남게 된다. 대안적으로, 가이드 클램프(312), 제 1 뼈 핀(308), 및 제 2 뼈 핀(310)은 터널의 형성 동안 뼈에 남아 있을 수도 있다. 터널을 형성하기 위해, 중공 드릴 비트(324)를 작동하는 외과용 드릴(322)은 터널을 드릴하기 위한 가이드로서 제 3 뼈 핀(320)을 사용한다. 중공 드릴 비트(324)가 제 3 뼈 핀(320) 상으로 또는 그 위에서 슬라이딩되며 사용자는 뼈 내에 터널을 드릴링한다. 중공 드릴 비트(324)를 후퇴시키면, 제 3 뼈 핀(320)(및 임의의 다른 컴포넌트들)이 이 프로세스에서 제거될 수 있다.

구체적인 실시예에서, 터널은 제 3 뼈 핀(320)을 사용함 없이 형성될 수도 있다. 가이드 클램프(312)가 제 1 뼈 핀(308) 및 제 2 뼈 핀(310)에 어셈블된 이후에, 2-DoF 장치(102)에 커플링된 도구(206)가 뼈 내에 터널을 직접 드릴링하는데 사용될 수도 있다. 드릴 비트 또는 다른 뼈 제거 기구와 같은 도구(206)가, 2-DoF 장치(102)에 커플링될 수 있으며, 도구(206)가 (가이드 슬롯(318)을 사용하여) 제 1 가상 평면(304) 및 (2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)의 작동에 의해) 제 2 가상 평면(306)과 일치하게 되면, 이에 의해 도구(206)를 터널의 중심 종축(307)과 정렬함으로써, 사용자는 도구(206)를 사용하여 뼈에 터널을 직접 드릴링할 수가 있다.

상기한 절차는 제 2 뼈(예를 들어, 대퇴골)에 대해 반복될 수 있다. ACL 절차들에서는, 경골 뼈 'TB'에 제 1 터널이 생성되고, 대퇴골에 제 2 터널이 생성된다. 2개의 터널이 생성된 이후에, 사용자는 2개의 터널들(즉, 경골 뼈 'TB'에 형성된 제 1 뼈 터널 및 대퇴골에 형성된 제 2 뼈 터널)에 대체(즉, 이식) 인대를 삽입할 수 있으며, 그 후에 이식편 인대가 본 기술분야에 잘 알려진 방식으로(예를 들면, 앵커, 크로스-핀 등에 의해) 뼈에 고정되어 ACL 재건 절차가 완료된다.

예 2: 2-DoF 장치를 사용한 뇌 생검

다음은 생검을 위해 조직을 회수하기 위한 본 발명의 시스템 및 방법의 일 예이며, 이것은 뇌 생검, 뼈 생검 등에 특히 유용할 수 있다. 이 예에서는, 전술한 조직이 뇌 조직이고, 조직 표현은 두개골 및 뇌의 가상 모델이고, 기준 마커는 택(tack)들이며, 정렬 가이드가 이 택들에 어셈블되고, 생검 바늘이 도구로서 사용되고, 표적 축은 뇌가 노출되는 두개골을 통해 생검할 조직(즉, 특정 표적 위치)으로부터 확장되는 축이다.

의료 계획은 앞서 설명한 바와 같이 생성될 수 있다. 계획 소프트웨어는 뇌의 가상 모델을 기준으로 표적 축을 정의하는데 사용된다. 또한 생검할 조직의 위치도 축을 따라 정의된다. 그 다음 제 1 가상 평면 및 제 2 가상 평면이 정의되며, 여기서 이 평면들은 표적 축에서 교차한다. 의료 계획이 저장되고 수술실의 컴퓨터-보조 의료 시스템에 전송/업로드된다.

추적 어레이가 두개골에 고정되고, 본 기술분야에 알려진 등록 기술을 이용하여 수술실에서 환자의 두개골의 실제 위치에 의료 계획이 등록된다.

의료 계획이 두개골에 등록된 이후에, 2-DoF 장치(102)는 앞서 설명한 바와 같이 제 1 가상 평면과 일치하게 두개골에 제 1 택 및 제 2 택을 어셈블한다. 그 다음, 정렬 가이드(예를 들면, 가이드 클램프(312))가 제 1 택 및 제 2 택 상에 클램핑되어, 제 1 택과 제 2 택 사이에 슬롯을 형성한다.

2-DoF 장치(102)에 의해 작동되는 생검 바늘이 다음과 같은 방식으로 표적 축과 정렬된다. 먼저 사용자는 트리거, 버튼 또는 풋 페달과 같은 입력 메커니즘을 사용하여 2-DoF 장치가 표적으로 하는 평면을 변경(즉, 제 1 가상 평면에서 제 2 가상 평면으로 변경)하도록 컴퓨팅 시스템(104)에 신호를 보낼 수 있다. 그런 다음 사용자가 2-DoF 장치(102)를 이동시켜서 정렬 가이드에 의해 형성된 슬롯에서 생검 바늘을 정렬하며, 제어 시스템은 제 2 가상 평면과 일치하게 생검 바늘을 정렬하도록 핸드헬드 부분(202)에 대해 2-DoF 장치(102)의 작동 부분(204)을 작동시킨다. 그러면, 생검 바늘이 제 2 가상 평면(핸드헬드 부분(202)에 대한 작동 부분(204)의 작동에 의해) 및 제 1 가상 평면(정렬 가이드에 의해 형성된 슬롯을 통해)과 일치하게 될 때 생검 바늘이 표적 축과 정렬된다. 생검 바늘이 표적 축과 정렬되면, 생검 바늘이 뇌 쪽으로 전진하게 된다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 사용되어 실시간으로 뇌의 바늘 위치를 디스플레이할 수 있다. 또한 GUI는 생검 바늘과 관련된 생검될 특정 조직 위치를 디스플레이할 수도 있다. 생검 바늘이 그 위치에 도달하고 나면, 바늘을 통해 조직이 회수된다.

생검용으로 조직을 회수하기 위한 상기한 절차는 마찬가지로 약물이나 다른 주사제를 뇌의 조직 및 척추, 눈, 심장 등과 같은 신체의 다른 부위에 투여하는데 사용될 수도 있음을 이해해야 한다.

뇌에서 2개의 조직 위치들이 생검될 필요가 있는 경우, 3개의 평면들이 정의되어 2-DoF 장치(102)가 각 위치를 표적화하도록 할 수 있다. 예를 들어, 다시 도 3b를 참조하면, 사용자는 제 1 표적 축(307a)을 따라 제 1 조직 위치에 도달하도록 제 1 표적 축(307a)을 정의할 수 있고, 제 2 표적 축(307b)을 따라 제 2 조직 위치에 도달하도록 제 2 표적 축(307b)을 정의할 수 있다. 2-DoF 장치(102)가 평면들(304 및 306)의 도움으로 제 1 조직 위치를 표적화할 수 있고 평면(305 및 306)의 도움으로 제 2 조직 위치를 표적화할 수 있도록, 3개의 평면들(304, 305 및 306)이 제 1 표적 축(307a) 및 제 2 표적 축(307b)에 대해 정의될 수 있다.

다른 실시예들

적어도 하나의 예시적인 실시예가 전술한 상세한 설명에서 제시되었지만, 수많은 변형이 존재한다는 것이 이해되어야 한다. 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 단지 예들일 뿐이며 설명된 실시예들의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 어떤 식으로든 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들을 구현하기 위한 편리한 로드맵을 당업자에게 제공할 것이다. 첨부된 청구범위 및 그 법적 균등물에 기재된 범위를 벗어나지 않으면서 요소들의 기능 및 배치에 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

의료 절차를 수행하기 위해 조직(tissue)에서 표적 축(targeted axis)과 도구(tool)를 정렬하는 방법으로서,
컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 상기 조직의 위치에 의료 계획(medical plan)을 등록하는 단계 - 상기 의료 계획은 절차 전 데이터(pre-procedure data)를 기반으로 하는 상기 표적 축에 대한 계획된 위치를 포함함 -; 및
상기 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여, 상기 조직에 등록된 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 상기 도구를 정렬하는 단계
를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표적 축을 따라서 상기 도구로 의료 절차를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 정렬하는 단계는 상기 조직에 등록된 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 상기 도구의 축을 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
컴퓨터 상에서 실행되는 계획 소프트웨어(planning software)로 상기 의료 계획을 생성하는 단계; 및
상기 의료 절차 전에 상기 의료 계획을 상기 컴퓨터-보조 의료 시스템으로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 의료 계획은 제 2 가상 평면과 교차하여 교차 축을 형성하는 제 1 가상 평면을 포함하며, 상기 제 1 가상 평면 및 상기 제 2 가상 평면은, 상기 교차 축이 상기 표적 축과 일치하게 되도록 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치에 대하여 정의되는, 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여, 상기 조직에 등록된 상기 제 1 가상 평면과 일치하게 제 1 기준 마커(reference marker)를 정렬하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 가상 평면과 일치하게 상기 제 1 기준 마커를 상기 조직에 부착하는 단계;
상기 제 1 가상 평면과 일치하게 상기 제 2 기준 마커를 상기 조직에 정렬하여 부착하는 단계 - 상기 제 2 기준 마커는 상기 제 1 기준 마커로부터 오프셋되어 있음 - 를 더 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,
정렬 가이드(alignment guide)를 상기 제 1 기준 마커 및 상기 제 2 기준 마커에 장착함으로써 상기 제 1 기준 마커와 상기 제 2 기준 마커 사이에 슬롯을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 상기 제 2 가상 평면과 일치하게 상기 도구를 정렬하고 상기 정렬 가이드에 의해 형성된 상기 슬롯과 상기 도구를 정렬하는 것에 의하여, 상기 도구가 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 정렬되는, 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조직은 엉덩이, 발목, 어깨, 두개골, 턱, 척추, 팔꿈치, 손목, 손, 손가락, 발 또는 발가락에서 발견되는 적어도 하나의 뼈를 포함하는 뼈인, 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조직은 장기, 결합 조직, 또는 근육 중 적어도 하나를 포함하는 연조직인, 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도구는 핀, 나사, 기준 마커(reference marker), 드릴 비트(drill bit), 리머(reamer), 밀(mill), 커터, 톱, 프로브, 조직 제거기, 포셉(forcep), 바늘, 레이저, 무선 주파수 방출기, 절제 기구, 워터-젯(water-jet) 또는 캐뉼러(cannula) 중 적어도 하나인, 방법.
제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 마커는 핀, 택(tack), 나사, 못, 또는 접착 마커(adhesive marker) 중 적어도 하나인, 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 방법은 의료 절차를 수행하기 전에 정렬 가이드, 제 1 기준 마커, 및 제 2 기준 마커를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 조직은 뼈이고, 상기 의료 절차는 뼈에 터널(tunnel)을 형성하는 것이며, 상기 표적 축은 상기 터널의 중심 종축이고, 상기 의료 계획은 수술 전 뼈 데이터(pre-operative bone data)에 대해 정의된 상기 터널에 대한 계획된 위치를 포함하는, 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 도구는 제 3 기준 마커이며, 상기 방법은 상기 컴퓨터-보조 의료 시스템을 사용하여 상기 제 2 가상 평면과 일치하게 상기 제 3 기준 마커를 정렬하고 상기 정렬 가이드에 의해 형성된 상기 슬롯을 통해 상기 뼈에 상기 제 3 기준 마커를 삽입하는 것에 의해 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 상기 제 3 기준 마커를 정렬하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 뼈 터널은 드릴 또는 상기 컴퓨터-보조 의료 시스템에 의해 작동되는 중공 도구를 사용하여 형성되며, 상기 중공 도구의 중공 부분은 상기 뼈 터널의 형성을 안내하기 위해 상기 제 3 기준 마커 상으로 슬라이딩하는, 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 터널을 통해 인대 또는 힘줄을 삽입하고, 상기 인대 또는 힘줄의 적어도 하나의 단부를 상기 뼈에 고정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컴퓨터-보조 의료 시스템은 추적 시스템 및 핸드헬드 장치를 포함하며, 상기 핸드헬드 장치는 핸들, 및 작동 부분(working portion)에 커플링된 상기 도구를 배향(orienting)하도록 상기 핸들에 대해 조정 가능한 상기 작동 부분을 포함하는, 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 작동 부분은 상기 핸들에 대해 2 자유도 이하로 조절 가능하거나, 또는 상기 작동 부분은 상기 핸들에 대해 2 자유도만으로 조절하도록 로킹되는(locked), 방법.
의료 절차를 수행하기 위해 조직에서 표적 축과 도구를 정렬하기 위한 시스템으로서,
컴퓨터 상에서 실행되는 계획 소프트웨어로 생성되는 의료 계획 - 상기 의료 계획은 절차 전 데이터를 기반으로 하는 상기 표적 축에 대한 계획된 위치를 포함함 -;
상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치에 대해 상기 도구를 정렬하기 위한 핸드헬드 장치 - 상기 핸드헬드 장치는 핸들 및 상기 도구를 배향하도록 상기 핸들에 대해 조정 가능한 작동 부분을 포함함 -; 및
추적 시스템 및 제어 시스템을 포함하는 컴퓨팅 시스템 - 상기 컴퓨팅 시스템은 (i) 상기 조직의 위치에 상기 의료 계획을 등록하고; (ii) 상기 조직에 대한 상기 핸드헨드 장치의 위치 및 상기 의료 계획을 추적하고; (iii) 상기 도구가 상기 의료 계획에 정의된 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 정렬되도록 상기 핸들에 대한 상기 핸드헬드 장치의 상기 작동 부분의 위치를 조정함 -
을 포함하는, 시스템.
제 21 항에 있어서,
상기 도구는 축을 포함하며, 상기 핸드헬드 장치는 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치에 대해 상기 도구의 축을 정렬하는, 시스템.
제 21 항에 있어서,
상기 의료 계획은 제 2 가상 평면과 교차하여 교차 축을 형성하는 제 1 가상 평면을 포함하며, 상기 제 1 가상 평면 및 상기 제 2 가상 평면은, 상기 교차 축이 상기 표적 축과 일치하게 되도록 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치에 대하여 정의되는, 시스템.
제 23 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 제 1 가상 평면에 일치하게 제 1 기준 마커 및 제 2 기준 마커를 상기 조직에 삽입하게 상기 핸드헬드 장치를 작동시키도록 구성되며, 상기 제 1 기준 마커 및 상기 제 2 기준 마커는 서로 측방향으로 오프셋되는, 시스템.
제 24 항에 있어서,
상기 제 1 기준 마커 및 상기 제 2 기준 마커에 장착함으로써 상기 제 1 기준 마커와 상기 제 2 기준 마커 사이에 슬롯을 형성하기 위한 정렬 가이드를 더 포함하는, 시스템.
제 25 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 제 2 가상 평면과 일치하게 상기 도구를 정렬하고 상기 정렬 가이드에 의해 형성된 상기 슬롯과 상기 도구를 정렬하는 것에 의하여, 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 상기 도구의 축을 정렬하도록 구성되는, 시스템.
제 25 항에 있어서,
상기 조직은 뼈이고, 상기 의료 절차는 뼈에 터널을 형성하는 것이며, 상기 표적 축은 상기 터널의 중심 종축이고, 상기 의료 계획은 수술 전 뼈 데이터에 관련된 상기 터널에 대한 계획된 위치를 포함하는, 시스템.
제 27 항에 있어서,
상기 도구는 제 3 기준 마커이며, 상기 제어 시스템은 상기 제 2 가상 평면과 일치하게 상기 제 3 기준 마커를 정렬하고 상기 정렬 가이드에 의해 형성된 상기 슬롯을 통해 상기 뼈에 상기 제 3 기준 마커를 삽입하는 것에 의해 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 상기 제 3 기준 마커를 정렬하도록 구성되는, 시스템.
제 28 항에 있어서,
제 2 드릴에 커플링되는 중공 드릴 비트를 더 포함하며, 상기 중공 드릴 비트는 뼈에서 상기 터널의 형성을 안내하기 위해 제 3 기준 마커 상으로 슬라이딩하는, 시스템.
제 21 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핸드헬드 장치의 상기 작동 부분은 상기 핸들에 대해 종방향으로 및 피봇식으로 조정 가능하며, 상기 제어 시스템은 상기 도구가 상기 의료 계획에서 정의된 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치와 일치하게 정렬되도록 상기 작동 부분을 종방향으로 또는 피봇식으로 조정하는, 시스템.
의료 절차를 수행하기 위해 절차 전 데이터를 사용하여 생성된 조직에 대한 의료 계획에 포함된 표적 축에 대하여, 핸드헬드 장치에 커플링된 도구를 정렬하기 위한 상기 핸드헬드 장치로서,
핸들;
상기 핸들에 연결되며 상기 도구에 제거 가능하게 연결하기 위한 커플러를 포함하는 작동 부분 - 상기 작동 부분의 위치는 상기 핸들에 대해 상기 도구를 이동시키도록 상기 핸들의 위치에 대해 조정 가능함 -;
상기 의료 계획을 상기 조직에 등록하고, 상기 조직에 대한 상기 장치의 위치 및 상기 의료 계획을 추적할 수 있는 신호들을 컴퓨팅 시스템으로부터 수신하기 위한 수신기; 및
상기 도구가 상기 표적 축과 정렬되도록 상기 수신된 신호들에 기초하여 상기 핸들에 대해 상기 작동 부분을 이동시키기 위한 액추에이터
를 포함하는, 핸드헬드 장치.
제 31 항에 있어서,
상기 도구는 축을 포함하고, 제어기가 상기 도구의 축을 상기 표적 축과 정렬하기 위해 상기 핸들에 대해 상기 작동 부분을 이동시키는, 핸드헬드 장치.
제 31 항에 있어서,
상기 의료 계획은 제 2 가상 평면과 교차하여 교차 축을 형성하는 제 1 가상 평면을 포함하며, 상기 제 1 가상 평면 및 상기 제 2 가상 평면은, 상기 교차 축이 상기 표적 축과 일치하게 되도록 상기 표적 축에 대한 상기 계획된 위치에 대하여 정의되는, 핸드헬드 장치.
제 31 항에 있어서,
상기 작동 부분은 상기 핸들에 제거 가능하게 연결되는, 핸드헬드 장치.
제 31 항에 있어서,
상기 수신기는 유선 또는 무선 연결에 의해 신호들을 수신하도록 구성되는, 핸드헬드 장치.
제 31 항에 있어서,
상기 수신기는 최적의 통신을 통해 신호들을 수신하도록 구성되는, 핸드헬드 장치.
제 31 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핸드헬드 장치의 상기 작동 부분은 상기 핸들에 대해 종방향으로 및 피봇식으로 조정 가능하고, 상기 액추에이터는 상기 컴퓨팅 시스템으로부터 수신된 상기 신호들에 기초하여 상기 도구가 상기 표적 축과 정렬되도록 상기 작동 부분을 종방향으로 또는 피봇식으로 조정하는, 핸드헬드 장치.