KR20230003031A - 로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 인식 수술 시스템 - Google Patents

로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 인식 수술 시스템 Download PDF

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KR20230003031A
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circuit
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electrocautery
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KR1020227041187A
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조셉 아마트 기르바우
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롭 서지컬 시스템스, 에스엘
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Abstract

본 발명은 로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 지각 시스템을 제안한다. 본 발명은 수술 도구에 결합되는 전기수술 겸자, 전기 소작 RF 신호 생성기, 및 임피던스 측정 회로를 포함한다. 임피던스 측정 회로는 겸자와 환자의 조직 사이의 접촉 임피던스 값에 해당하는 크기를 나타내는 신호를 측정하기 위한 측정 센서; 발진기; 측정 센서 및 발진기를 보호하기 위한 전압 제한기 및 저항기를 갖는 제1 전기 회로; 및 스위치를 가진 제2 전자 회로를 포함한다. 센서와 발진기는 수술 도구의 전원 케이블을 통해 겸자에 연결된다. 측정 회로에 연결된 프로세서는 상기 측정된 신호를 수신하고, 이를 힘 벡터로 변환하며, 그 모듈러스는 측정되는 접촉 임피던스의 함수이고 아규먼트는 추적되는 궤적의 함수이다.

Description

로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 인식 수술 시스템
본 발명은 일반적으로 로봇 보조 수술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기 임피던스 측정을 통해 환자 조직의 특성, 특히 조직에 가해지는 접촉력을 감지할 수 있는 로봇 보조 복강경 수술용 감각 지각 수술 시스템에 관한 것이다.
현재의 로봇 보조 복강경 수술 기술은 고정밀 개입을 수행할 수 있게 하여, 예를 들어, 수술 부위에 접근하기 어려운 수술과 같이, 특히, 특정 복잡한 수술에서, 관련 이점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 현재의 로봇 보조 복강경 수술 기술은 환자의 해부학적 요소에 가해지는 힘을 인식하지 못하는 외과의의 단점을 제시한다.
로봇 암은 개입을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 특정 도구를 작동시키도록, 그리고, 수술 영역을 볼 수 있는 카메라를 도입 및 안내하도록, 로봇 보조 복강경 수술에 사용된다. 이 로봇 암은 외과의가 장면을 모니터링할 수 있도록 스크린을 가진 제어 패널을 통해 외과의에 의해 원격으로 제어된다. 마찬가지로, 수술 정밀도를 향상시키는 것 외에도, 로봇 암 제어와 관련된 컴퓨터를 사용하면 환자에게 더 큰 안전을 제공하는 제어를 도입할 수 있다.
최근 몇 년 동안, 개입이 수동 개입일 때 촉각 감각의 손실을 보상하는 감각적 복귀를 외과의에게 제공할 수 있도록 연구 분야에서 상당한 노력이 이루어졌다.
특허 출원 US 2011046659-A1은 수술 도구와의 상호 작용에 응답하여 신호를 생성하는 센서를 포함하는 최소 침습 수술 도구를 설명한다. 이 도구는 신호에 응답하여 촉각 효과를 얻기 위해 진동을 생성하는 촉각 피드백 시스템을 더 포함한다.
한편, 특허 US 8613230-B2는 수술 도구의 캐뉼라 외부에 설치된 센서로부터 힘을 측정하면서 기계적 전달 시스(mechanical transmission sheath)를 통해 관통 축(Z)의 힘을 받는 시스템을 개시하고 있다. 이 특허에 설명된 시스템은 측면 접촉에서 파생된 힘이 아니라 관통 축 Z에 가해지는 상기 힘을 인식할 뿐이다.
특허 EP 2595587-B1의 경우와 같이 투과축(Z) 방향으로만이 아닌 작용하는 힘의 인지를 가능하게 하기 위해, 광학 센서를 사용하여 간섭계로 3차원 변형을 측정할 수 있는 탄성 요소가 사용되고 있다. 이 경우, 탄성 지지대에 위치한 반사경에 변조된 빛을 투사할 수 있는 3개 또는 4개의 광섬유가 사용되며, 겸자(forceps)에 가해지는 힘 벡터는 캐뉼라 외부로부터 간섭계를 통해 얻는다.
특허 CA 2870343은 캐뉼라에 통합된 탄성 요소의 사용에 대한 대안을 제시한다. 이를 위해 6 자유도의 센서가 사용되며, 이 센서는 도구의 외부 원위 단부와, 이를 지원하는 로봇 암으로 도구가 고정되는 단부 사이에서 생성된 힘과 토크를 공급할 수 있다. 이 시스템에는 행렬 미적분학을 통해 도구-투관침 조립체의 운동학 및 센서에서 제공하는 6개의 데이터 조각을 기반으로, 원위 단부에 가해지는 힘을 계산할 수 있는 컴퓨터 시스템이 포함되어 있다.
WO 2016153561은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 기다란 본체 및 한 쌍의 전극 또는 전극 부분(예를 들어, 스플릿-팁 전극 조립체)을 포함하는 의료 기기를 개시한다. 시스템은 서로 다른 주파수의 에너지가 한 쌍의 전극 또는 전극 부분에 적용되는 동안 획득된 전기적 측정치에 기초하여 접촉 감지 및/또는 절제 확인(ablation confirmation)을 수행하도록 구성된다. 접촉 감지 시스템 및 방법은 네트워크 매개변수 측정 회로의 하드웨어 유닛을 보상하기 위해, 또는 사용된 케이블, 기기 또는 하드웨어의 차이를 설명하기 위해, 네트워크 매개변수 측정을 교정할 수 있다.
US 10595745-B2는 카테터의 접촉력을 측정하기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 카테터는 근위부, 원위부 및 근위부로부터 원위부로 연장되는 탄성부를 포함한다. 원위부는 원위부의 원주 주위에 배치된 적어도 3개의 방사형 전극을 포함하는 복수의 팁 전극을 포함한다. 방사형 전극은 접촉력의 접촉 벡터를 나타내는 전기 신호를 출력하도록 구성된다. 탄성부는 접촉력의 축방향 성분의 크기를 나타내는 전기 신호를 출력하도록 구성된 힘 감지 장치를 포함하고, 여기서 접촉력은 접촉 벡터에 의해 접촉력의 축방향 성분의 크기를 스케일링함으로써 결정된다. 이 문헌에서, 접촉력의 측정은 본 발명에서와 같이 전기적으로가 아니라 기계적으로 행해진다.
US 2003100892-A1은 작동 단부 및 샤프트 축을 갖는 기다란 샤프트, 및 각각 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 한 쌍의 연결 아암을 포함하는 로봇 수술 도구를 개시한다. 근위 단부는 샤프트의 작동 단부에 피봇식으로 장착되어, 제1 피치 축 주위를 회전하여 제1 피치의 회전을 생성한다. 손목 부재는 연결 아암의 원위 단부에 피봇식으로 연결되어 제2 피치 축 주위로 회전하여 제2 피치 축 주위로 회전하여 제2 피치의 회전을 생성하는 근위부를 갖는다. 엔드 이펙터(end effector)는 손목 부재의 손목 축 주위를 회전하도록 손목 부재의 원위부에 피봇식으로 장착되어 원위 롤에서 회전을 생성한다. 손목 축은 손목 부재의 근위부와 원위부 사이에서 연장된다. 기다란 샤프트는 근위 롤에서 회전을 생성하기 위해 샤프트 축을 중심으로 회전 가능한다. 약 90° 피치에서, 손목 축은 일반적으로 샤프트 축에 수직이다. 샤프트 축 주변의 근위 롤과 손목 축 주변의 원위 롤은 겹치지 않는다. 연결 암을 사용하면 엔드 이펙터를 90° 피치 이상으로 뒤로 구부릴 수 있다. 약 90° 피치에서 엔드 이펙터를 작동하고 엔드 이펙터를 뒤로 구부릴 수 있는 기능은 특히 척추, 신경 또는 직장 수술 부위와 관련된, 작은 진입점을 사용하여 도달하기 어려운 위치에 접근하는 데 손목 메커니즘을 보다 다재다능하고 적응할 수 있게 한다.
VBFS(Vison-Based Force Sensing)로 알려진 또 다른 작업 라인에서는, 복강경 카메라로 캡처한 실제 이미지를 사용하여 겸자와의 접촉으로 인한 조직 변형을 볼 수 있다.
어떤 경우든, 기술 제한, 다양한 개발 시스템의 부정확성 또는 수반되는 어려움, 특히, 도구의 캐뉼라의 감각화가 차지하는 공간으로 인해, 감각 복귀가 로봇 보조 복강경 수술에 실제로 사용되지 않고 있다.
따라서, 원격으로 수행되는 수술 개입 동안 조직(들)의 특성을 감지할 수 있는, 그리고 조직(들)에 가해지는 접촉력의 감각적 복귀를 정량화할 수 있는, 로봇 보조 복강경 수술을 위한 새로운 수술 시스템이 필요하다.
이를 위해, 본 발명의 실시예는 로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 지각 수술 시스템을 제공하는데, 이는 수술 도구에 결합된 전기수술 겸자; 임피던스 측정 회로; 및 임피던스 측정 회로(301)에 전기적으로 결합되고, 에너지를 단극성으로 그리고 쌍극성 에너지로 전기수술 겸자에 공급하도록 작동 가능한, 전기 소작 RF 신호 생성기를 포함한다. 임피던스 측정 회로(301)는 상기 전기수술 겸자와 환자의 조직 사이의 접촉 임피던스의 값에 대응하는 크기를 나타내는 신호를 측정하도록 구성된 측정 센서; 상기 측정 센서에 전력 신호를 제공하기 위한 발진기; 제1 전기 회로; 및 제2 전자 회로를 포함한다. 상기 제1 전기 회로는 상기 수술 도구(102)의 전원 케이블에 의해 상기 전기수술 겸자에 연결되는 상기 측정 센서 및 발진기를 보호하기 위해 하나 이상의 저항기 및 하나의 전압 제한기를 포함한다. 상기 제2 전자 회로는 상기 수술 도구의 케이블에 대한 전기소작 RF 신호 생성기의 전원 케이블링(314)의 연결과 분리 사이를 전환하기 위한 제1 스위치 회로와, 상기 전기소작 RF 신호 생성기와 측정 센서의 연결 및 분리 사이를 전환하기 위한 제2 스위치 회로를 포함한다.
마찬가지로, 제안된 시스템은 측정 센서에 의해 측정된 상기 신호를 수신하기 위한, 그리고 이를 힘 벡터로 변환하기 위한, 임피던스 측정 회로에 그리고 전기소작 RF 신호 생성기에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 특히, 힘 벡터의 모듈러스(modulus)는 측정된 접촉 임피던스의 함수이며 아규먼트(argument)는 접촉 순간에 수술 도구가 따르는 궤적에 의해 정의된다.
따라서, 언급된 프로세서는 가해지고 있는 힘에 따라 달라지는 접촉 임피던스의 측정된 크기에 기초하여, 그리고 이어지는 궤적의 모니터링에 기초하여, 크기와 방향 모두에서 작업자의 제어에 대한 벡터 작용력을 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 제안된 시스템은 또한 에너지를 공급하는 동안 제1 및 제2 스위치 회로를 자동으로 정류시키기 위해 언급된 전력 케이블에 배열된 적어도 하나의 용량성 또는 유도성 센서를 갖는 RF 검출기를 포함한다.
일 실시예에서, 전기 소작 RF 신호 생성기에 의해 공급되는 에너지는 단극성이다. 이 경우, 제1 스위치 회로는 하나의 릴레이로 형성되고, 제2 스위치 회로는 다른 릴레이에 의해 형성된다. 대안적으로, 공급되는 에너지가 쌍극성인 경우, 제1 스위치 회로는 적어도 2개의 릴레이로 형성되고, 제2 스위치 회로도 적어도 2개의 릴레이로 형성된다.
시스템은 제어를 위해 임피던스 측정 회로에 및/또는 전기소작 RF 신호 생성기에 작동 가능하게 연결된 제어 요소를 포함하는 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 요소는 페달 및/또는 액추에이터/푸시 버튼을 포함할 수 있다.
프로세서는 제어 유닛 또는 원격 계산 장치에 포함될 수 있고, 케이블 또는 무선 연결을 통해 제어 유닛, 전기 소작 RF 신호 생성기 및/또는 임피던스 측정 회로에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 전기수술 겸자는 겸자의 이동성뿐만 아니라 개방 또는 폐쇄를 허용하는 케이블 및 풀리 세트를 사용하여 수술 도구에 결합된다. 풀리들 중 적어도 하나는 관절 샤프트에 배치된다. 마찬가지로, 풀리 세트는 수술 도구 및 전기수술용 겸자의 본체에 대해 다이아메트릭 위치에(in a diametrical position) 배열된 3개의 평행 샤프트에 배열된다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 다른 실시예는 또한 언급된 프로세서에 의해 수행되는 단계 및 동작을 수행하기 위한 컴퓨터 구현 방법 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함한다. 특히, 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 시스템의 적어도 하나의 프로세서에서 실행될 때, 프로세서로 하여금 본 발명의 실시예로서 여기에 표시된 동작을 수행하게 하도록, 코딩된 코드 명령어를 포함하는 컴퓨터 시스템-판독 가능 매체를 갖는 실시예이다.
일 실시예에서, 조직(들) 주변의 해부 구조는 프로세서에 의해 추정된 힘 벡터에 기초하여 모델링된다. 이를 위해, 표면은 예를 들어 수술/개입 중에 얻은 인접한 접점들을 결합하여 형성되는 삼각형과 같은 다각형 표면을 정의함으로써 점진적으로 모델링된다.
따라서, 본 발명은 겸자와 환자 조직 사이의 접촉 임피던스의 크기의 측정치 및 취해지는 궤적에 기초하여 힘 벡터를 결정할 수 있게 하고, 수술 환경의 3차원 모델을 구성할 수 있게 한다.
본 발명에 의해 제공되는 한 가지 이점은 전기수술용 겸자에 임의의 추가 센서를 도입하지 않는다는 것이며, 이는 예를 들어, 전기 소작 또는 전기 응고를 수행하는 데 사용되는 것과 동일한 전도체를 사용할 수 있게 한다.
상기 및 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적이고 비제한적인 몇몇 실시예의 다음의 상세한 설명에 기초하여 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 조직 특성 검출을 위한 로봇 복강경 수술용 수술 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a-2c는 단극성 모드(도 2a) 또는 쌍극성 모드(도 2b 및 2c)에서 작동하기 위한 전기 소작 RF 신호 생성기(electrocautery radiofrequency signal generator)의 상이한 연결 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 접촉 임피던스 및 관련 힘 벡터를 얻기 위해 제안된 시스템의 아키텍처를 보다 상세히 도시한다.
도 4는 접촉 임피던스 및 관련 힘 벡터를 얻기 위해 제안된 시스템 아키텍처의 다른 실시예를 보여준다.
도 5a 및 5b는 수술 도구에 결합된 전기수술용 겸자의 상이한 도면을 도시한다. 도 5a는 관절의 회전(G1 및 G2) 및 수술 도구 조립체의 축방향 회전(G3)을 나타내는 수술 도구의 원위 단부의 사시도를 도시한다. 도 5b는 회전(G1)을 통해 전기수술용 겸자의 개폐를 허용하는 액추에이터 케이블의 배열 및 움직임(G1 및 G2)의 전달을 위한 풀리를 도시한다.
도 6a 내지 6d는 조직과의 접촉을 검출하기 위해 전기수술용 겸자에 에너지를 전달하는 케이블의 경로를 도시하는 상이한 도면을 도시하며, 여기서 상기 경로는 회전 G1, G2, G3을 수행하면서도 상이한 풀리들 사이에서 이용 가능한 제한된 공간과 양립할 수 있어야 한다.
도 7a-7c는 본 발명의 실시예에 따라 환경의 해부학적 구조를 모델링하기 위한 삼각형의 구성 및 계산된 힘 벡터를 그래픽으로 도시한다.
본 발명은 조직(들)과의 접촉 임피던스를 검출함으로써 가해지는 힘 벡터의 추정치와, 취해지는 궤적에 기초하여, 원격으로 수행되는 외과적 개입 중에 환자의 조직(들)에 외과의에 의해 가해지는 힘의 감각적 복귀를 획득할 수 있는 로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 지각 수술 시스템 및 방법을 제공한다.
도 1을 참조하면, 상기 도면은 제안된 시스템(1)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 시스템(1)은 로봇 지원 시스템(100); 제어 유닛(110); 그리고 전기 소작 RF 신호 생성기(300) 및 임피던스 측정 회로(301)를 하우징하는 복강경 타워(120)를 포함한다.
로봇 지원 시스템(100)에는 수술 도구(102)를 운동시킬 수 있는 로봇 암(101)과, 복강경 카메라(103)가 포함된다. 제어 유닛(110)은 외과의가 로봇 지원 시스템(100), 전기소작 RF 신호 생성기(300) 및 임피던스 측정 회로(301)를 조작/제어할 수 있는 액추에이터/푸시 버튼(111) 및 페달(113)을 포함한다. 제어 유닛(110)은 또한 디스플레이 스크린(112)을 갖는다.
임의의 표준 전기소작 신호 생성기일 수 있는 전기소작 RF 신호 생성기(300)는 전력 케이블(314)에 의해 임피던스 측정 회로(301)에 전기적으로 연결되고, 수술 도구(102)에 결합된 전기수술 겸자(104)에 에너지를 공급하도록 작동가능하다(가령, 도 2a-2c 참조). 임피던스 측정 회로(301)는 또 다른 전원 케이블(304)에 의해 전기수술 겸자(104)에 전기적으로 연결된다. 전원 케이블(304)은 2개의 전도체 케이블(304a, 304b)로 형성되고(도 6d 참조), 그 경로는 전기수술용 겸자(102)의 운동학과 호환 가능하여, 조직(들)과의 접촉을 감지할 수 있도록 3개의 회전/축으로 운동(방향 및 상승 이동, 개방 및/또는 폐쇄 이동)을 가능하게 한다.
전기 소작 RF 신호 생성기(300)는 복귀 회로가 환자 자신 또는 사용된 식염수 매체일 때 전기적으로 단극성일 수 있고(도 2a), 또는, 전류가 전기수술 겸자(104)의 단자 요소(250) 사이에서 흐를 경우(도 5a-5b 참조) 전기적으로 쌍극성일 수 있다(도 2b, 2c).
도 2a는 단극성 구성을 보여준다. 임피던스 측정 회로(301)는 하나의 케이블, 즉, 인출 전원 케이블만을 수용한다. 화살표로 표시된 인입 케이블은 임피던스 측정 회로(301) 외부를 통과한다. 도 2b는 제1 쌍극성 구성을 도시한다. 화살표로 표시된 2개의 극성을 갖는 이중 인입 및 인출 케이블은 전기소작 RF 신호 생성기(300)를 빠져나와 임피던스 측정 회로(301)를 통과하며, 여기에서 리턴은 전도성 캐뉼러를 통해 다시 취해진다. 도 2c는 제2 쌍극성 구성을 보여준다. 전기소작 RF 신호 생성기(300)를 빠져나가는 2개의 전도체 와이어를 갖는 케이블은 임피던스 측정 회로(301)를 통과하고, 전기수술 겸자(104)의 각 부분에 하나씩 그 내부를 따라 이동한다.
이제 도 3을 참조하면, 상기 도면은 제안된 시스템(1)의 다른 실시예를 도시하며, 이 경우에는 로봇 보조 시스템(100)의 수술 도구(102)에 결합된 전기수술 겸자(104); 조직(들)의 환경(303)과의 접촉 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로(301); 전기소작 RF 신호 생성기(300); 및 임피던스의 측정에 기초하여 인가된 힘을 추정하기 위한 적어도 하나의 프로세서에 의해 형성된 컴퓨터 시스템 또는 장치(311)를 포함한다.
전기소작 RF 신호 생성기(300)를 사용하여 접촉 임피던스도 측정할 수 있게할 때 수반되는 어려움은 약 1000볼트와 3000볼트 사이의 매우 높은 전압을 갖는 RF 펄스가 전기응고 및 전기소작을 수행하는 데 사용된다는 사실에 있다. 이러한 이유로, 제안된 시스템(1)에서 임피던스 측정 회로(301)의 사용 또는 포함은 높은 전압에서의 높은 전기응고 및 전기소작 에너지와 호환되는 낮은 전압 및 전류에서의 임피던스 측정을 만든다.
전술한 호환성을 달성하기 위해, 임피던스 측정 회로(301)는 접촉 임피던스의 값에 대응하는 크기를 측정하기 위한 측정 센서(310), 특히 저전압 측정 센서와; 각각 전원 케이블(304)에 대한 전원 케이블링(314)의 연결/분리를 위한, 그리고, 전기소작 RF 신호 생성기(300) 및 측정 센서(310)의 연결/분리를 위한, 2개의 스위치 회로(305, 306)를 각각 포함하는 전자 모듈을 포함한다.
마찬가지로, 임피던스 측정 회로(301)는 환자에 대해, 어떠한 전류 인가없이, 아무리 약하더라도, 연속적인 성분으로, 임피던스를 측정할 수 있도록 하는 발진기(209)를 포함한다. 발진기(209)는 통상적으로 닫힌 상태로 유지되는 접점을 갖는 제2 스위치 회로(306)를 통해 수술 도구(102)에 단극성 또는 쌍극성 방식으로 인가되는 저전압, 예를 들어 6V 및 중간 주파수, 예를 들어 20KHz를 갖는 신호를 제공한다. 제1 스위치 회로(305)의 접점이 일반적으로 개방되어 있기 때문에 상기 저전압은 일반적으로 전기소작 RF 신호 생성기(300)에 인가되지 않는다.
도 3의 실시예에서, 각각의 스위치 회로(305, 306)는 2개의 릴레이(A1, A2, B1, B2)를 포함한다. 이러한 구성은 전기소작 RF 신호 생성기(300)에 의해 공급되는 에너지가 쌍극성일 때 특히 유용하다. 이 경우에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 특히 전기소작 RF 신호 생성기(300)에 의해 공급되는 에너지가 단극성일 때, 각각의 스위치 회로(305, 306)는 하나의 릴레이(A1, B1)만을 포함한다.
수술 중, 의사가 전기 응고 또는 전기 소작을 수행하기 위해 에너지를 가할 때, 제1 스위치 회로(305)의 릴레이 A1 또는 릴레이 A1, A2의 접점이 닫혀야 하며, 이와 동시에, 제2 스위치 회로(306)의 릴레이 B1 또는 릴레이 B1, B2의 접점이 열려야 한다. 이를 위해, 시스템(1)은 또한 에너지가 인가되는 동안 제1 및 제2 스위치 회로(305, 306)를 자동으로 정류시키는 것을 허용하도록, 전력 케이블(314) 상에 용량성 또는 유도성 센서(312)를 갖는 RF 검출기(313)를 특히 포함한다. 또는 전기소작 RF 신호 생성기(300)에 연결된 페달(113)의 작동 신호를 도입하여 이 기능을 수행할 수도 있다.
도 3의 예에서, 그리고, 예를 들어 릴레이 정류에서의 서지의 결과로서, 전기 소작 RF 신호 생성기(300) 및/또는 임피던스 측정 회로(301)의 손상을 방지하기 위해, 시스템(1)은 특히 저항기(307)와 전압 제한기(308)로 보호된다.
측정 센서(310)에 의해 획득된 임피던스 값에 대응하는 신호/크기는 힘 벡터로의 변환을 위해 프로세서(311)에 의해 처리되며, 여기서 힘 크기는 측정되는 임피던스 값에 의해 주어지고, 벡터의 아규먼트는 접촉 순간에 수술 도구(102)가 따르는 궤적의 공간 방향에 의해 정의되며, 통신 채널(321)을 통해 프로세서(311)에 연결된 제어 유닛(110)에 의해 제어된다.
도 4는 제안된 시스템(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 경우, 시스템(1)은 수술 도구(102)에 결합된 전기수술 겸자(104); 조직(들)의 환경(303)과의 접촉 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로(301); 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템 또는 장치(311)에 의해 형성된다. 임피던스 측정 회로(301)는 측정 센서(310), 발진기(309), 그리고 저항(307) 및 전압 제한기(308)에 의해 형성된 전자 회로를 포함한다. 따라서 전기 소작 RF 신호 생성기(300)를 사용하는 경우와 같이 높은 외부 전압과의 호환성이 허용된다.
각각의 수술 도구(102)(도 5a 및 5b 참조)는 드럼(207)에 의해 작동되는 샤프트(204) 주위에서 캐뉼러(201)의 단부에 대해 회전(G1)을 수행할 수 있는 제1 관절형 요소 또는 본체(202)를 지지하는 캐뉼러(201)로 구성된다. 본체(202)는 드럼(208, 209)에 의해 작동되는 샤프트(206)를 중심으로 본체(202)에 대해 회전(G2)을 수행함으로써 방향을 변경할 수 있는 전기수술 겸자(104)의 단자 요소(250)를 지지한다.
마찬가지로, 케이블(C1a, C1b, C2, C3, C4, C5) 및 풀리 세트(210, 211, 212, 213, 220, 221, 222, 223, 230, 231)는 각각의 수술 도구(102)가 연결되는 구동 수단으로부터의 움직임을 전달할 수 있고, 샤프트(204)에 대한 회전(G1)을 수행할 수 있도록 구성되어, 전기 케이블(304a, 304b)의 도입을 방해하는 기계적 복잡성을 수반한다. 이러한 기계적 복잡성은 임피던스 측정을 위한 전기 전도체가 회전 운동 G1을 드럼(207)에 전달하는 2개의 케이블 C1a 및 C1b와, 드럼(208 및 209)(도 5B)에 의해 전기수술 겸자(104)의 배향 및 개폐를 전달하는 4개의 케이블 C2, C3, C4 및 C5과 가용한 보다 작은 공간을 공유해야 하기 때문에 매우 관련이 있다.
회전(G1)을 허용하기 위해 언급된 풀리 세트(210, 211, 212, 213, 220, 221, 222, 223, 230, 231)가 사용되며, 여기서 상기 풀리들 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두가 그 관절 샤프트에 배열된다(도 6a). 특히, 도 6b에 도시된 바와 같이, 캐뉼러(201) 및 본체(202)에 대해(도 5b) 다이아메트릭 위치에(in a diametrical position) 3개의 평행 샤프트(203, 204, 205) 상에 장착되는 전기수술 겸자(104)를 움직이는 4개의 케이블(C2, C3, C4, C5)에 대해 한 세트의 풀리가 배열된다. 중심 샤프트(204)는 캐뉼러(201) 및 본체(202)와 결합하여, 회전(G1)을 수행하게 하고, 겸자의 움직임을 전달하는 2쌍의 길항근 케이블과 결합하는 4개의 풀리(220, 221, 222, 223)를 지지하는 반면, 2개의 샤프트(203, 205)는 동반 풀리를 지지한다.
관절(G1)을 통과해야 하는 각 케이블에 대한 3개의 연속 샤프트에 대한 풀리의 이러한 배열은, 통로(214)를 생성(도 5c 참조)하는 풀리(210 및 220)의 경우와 같이, 연속 풀리 사이에 유도된 케이블 통로의 생성을 허용하여, 각 케이블의 운동에 대한 견고한 안내를 구성하는 것 외에도, 2개의 자유 공간을 풀리(230, 231) 상에 생성하여 필요한 전기 케이블(304a, 304b)을 통과시켜서 임피던스 측정을 가능하게 한다는 점에서, 다른 실시예에 비해 분명한 이점을 제공한다.
모든 풀리가 캐뉼라(201)와 본체(202)의 중앙 평면에 배열된다는 사실로 인해, 풀리가 캐뉼러(201)의 최대 게이지를 초과하지 않으면서 가능한 가장 큰 직경을 가질 수 있다. 마찬가지로, 가능한 가장 큰 직경을 갖는 움직임의 전달에 필요한 4+4+2 풀리를 이용하여, 본 발명은 풀리 상의 상이한 케이블의 곡률 반경을 감소시켜서, 수술 도구(102)의 내구성 및 신뢰성을 향상시킨다. 풀리(230) 상의 자유 공간을 통해 진행하는 전기 케이블(304a, 304b)은 케이블(C2 및 C3)과 통합되어, 축(G2) 상에서 전기수술용 겸자(104)의 편향이 발생할 때(도 6d) 어떠한 기계적 힘도 지원하지 않도록 보장한다.
본 발명의 실시예는 또한, 획득한 임피던스의 값/크기에 기초하여, 푸시 버튼/액추에이터(111) 및/또는 페달(113)을 통해 제어 유닛(110)의 조작자 또는 의사가 인지해야 하는 반응력 벡터를 추정 또는 계산하는 감각 지각 방법을 제공한다.
도 7a-7c는 전술한 예를 그래픽으로 도시한다. 접촉 힘(410)(도 7a)의 직접적인 측정을 허용하는 수술 도구(102) 상의 힘 센서가 없다고 가정하면, 그것은 힘 벡터로서 프로세서(311)에 의해 간접적으로 추정된다. 힘 벡터(411)는 접촉력(410)의 모듈러스와 동일한 모듈러스를 갖는 접촉력(410)의 반사 벡터로 추정되는 반면, 그 아규먼트는 동일한 평면(416)에 있는 것으로 정의되고, 이는. 인지된 접촉 지점 앞의 두 통과 지점(414 및 415), 접촉 표면(413)의 법선(412), 및 입사각(417)과 동일한 반사각(418)에 의해 규정된다.
반사된 벡터의 공간에서 포지셔닝 계산을 수행할 수 있는 접촉 표면(413)은 알려져 있지 않다. 따라서 제안하는 방법은 3차원 공간에서 모델링(400)을 수행하여 환경의 해부학적 요소의 표면 구성의 근사치를 얻는다. 이를 위해, 이 방법은 결합을 통해, 작업 전반에 걸쳐 인지되는 접촉점(404)으로부터 삼각법(402)을 생성하는 것(즉, 일련의 삼각형(403)을 생성하는 것)을 포함한다. 각각의 새로운 인식된 접촉점(404)(도 9c)은 삼각형(403)을 새로운 삼각형(405 및 406)으로 분해시킨다. 이러한 방식으로, 제어 유닛(110)의 제어에 대한 반응력으로 가해지는, 그리고 의사/조작자에게 감각 리턴을 생성시키는, 힘 벡터(411)의 아규먼트를 얻을 수 있는 환경 모델링 분해능이, 점진적으로 증가한다.
제안된 발명은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우 기능은 컴퓨터 판독 가능 매체의 하나 이상의 명령 또는 코드로 저장되거나 코딩될 수 있다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에서 정의된다.

Claims (9)

  1. 다음을 포함하는, 로봇 보조 복강경 수술을 위한 감각 지각 수술 시스템:
    수술 도구(102)에 결합된 전기수술 겸자(104);
    임피던스 측정 회로(301)에 전기적으로 결합되고, 전기수술 겸자(104)에 에너지를 공급하도록 작동 가능한, 전기 소작 RF 신호 생성기(300);
    다음을 포함하는 임피던스 측정 회로(301):
    상기 전기수술 겸자(104)와 환자의 조직 사이의 접촉 임피던스의 값에 대응하는 크기를 나타내는 신호를 측정하도록 구성된 측정 센서(310);
    상기 측정 센서(310)에 전력 신호를 제공하도록 구성된 발진기(309);
    상기 측정 센서(310) 및 발진기(309)를 보호하기 위해 하나 이상의 저항기(307) 및 하나의 전압 제한기(308)를 포함하는 제1 전기 회로 - 상기 측정 센서(310) 및 발진기(309)는 상기 수술 도구(102)의 전원 케이블(304)에 의해 상기 전기수술 겸자(104)에 연결됨;
    상기 수술 도구의 전원 케이블(304)에 대한 전기소작 RF 신호 생성기(300)의 전원 케이블링(314)의 연결과 분리 사이를 전환하기 위한 제1 스위치 회로(305)와, 상기 전기소작 RF 신호 생성기(300)와 측정 센서(310)의 연결 및 분리 사이를 전환하기 위한 제2 스위치 회로(306); 그리고
    에너지를 공급하는 동안 상기 제1 및 제2 스위치 회로(305, 306)를 자동으로 정류시키기 위해 상기 전원 케이블링(314)에 배열된 적어도 하나의 용량성 또는 유도성 센서(312)를 포함하는 RF 검출기(313); 그리고
    상기 측정 센서(310)에 의해 측정된 상기 신호를 수신하고 힘 벡터로 변환하도록 동작가능하게 연결된 프로세서(311) - 상기 힘 벡터는 수신된 신호의 반사 벡터로서 추정되고, 상기 벡터의 모듈러스(modulus)는 접촉 순간의 수술 도구(102)가 따르는 궤적에 의해 형성되는 벡터의 아규먼트와 접촉 임피던스의 함수임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기소작 RF 신호 생성기(300)는 상기 에너지를 단극성 및 쌍극성 에너지 모두로서 공급하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 공급되는 에너지는 단극성이고, 상기 제1 스위치 회로(305) 및 제2 스위치 회로(306)는 각각 릴레이(A1, B1)를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 공급되는 에너지는 쌍극성이고, 상기 제1 스위치 회로(305) 및 제2 스위치 회로(306)는 각각 적어도 2개의 릴레이(A1, A2, B1, B2)를 포함하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 측정 회로(301) 및 이를 제어하기 위한 상기 전기소작 RF 신호 생성기(300)에 작동 가능하게 연결된 제어 요소(111, 113)를 포함하는 제어 유닛(110)을 더 포함하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어 요소는 페달(113) 및/또는 액추에이터/푸시 버튼(111)을 포함하는, 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 프로세서(311)가 상기 제어 유닛(110)에 포함되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기수술 겸자(104)는 풀리 세트(210, 211, 212, 213, 220, 221, 222, 223, 230, 231) 및 케이블(C1a, C1b, C2, C3, C4 및 C5)을 사용하여 상기 수술 도구(102)에 결합되어, 전기수술용 겸자(104)의 개폐 및 운동을 구현하며, 상기 풀리(210, 211, 212, 213, 220, 221, 222, 223, 230, 231)들 중 적어도 하나는 관절 샤프트에 배치되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 풀리 세트(210, 211, 212, 213, 220, 221, 222, 223, 230, 231)는 상기 전기수술 겸자(104)의 본체(202) 및 상기 수술 도구(102)에 대해 다이아메트릭 위치에(in a diametrical position) 배열되는 3개의 평행 샤프트(203, 204, 205) 상에 배열되는, 시스템.

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