KR20230016030A - 해부체를 조작하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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제리 에이. 컬프
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Abstract

도구로 해부체를 조작하기 위한 수술 시스템 및 방법은 해부체와 관련된 제 1 가상 경계 및 해부체와 관련된 제 2 가상 경계를 정의하는 단계를 포함한다. 상기 제 1 가상 경계는 제 1 모드에서 활성화된다. 상기 도구의 이동은 제 1 모드에서 제 1 가상 경계와 관련하여 제한된다. 상기 제 1 가상 경계는 제 2 모드에서 비활성화된다. 상기 도구의 이동은 제 2 모드에서 제 2 가상 경계와 관련하여 제한된다.

Description

해부체를 조작하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANIPULATING AN ANATOMY}
본 출원은, 개시내용 전체가 참조로 여기에 병합된, 2015년 5월 19일에 출원한 미국특허 가출원 제62/163,672호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로, 수술 시스템의 도구(tool)로 해부체를 조작하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 가상 경계를 사용하여 상기 도구를 제한하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에, 작업자는 수술 절차의 수행을 돕기 위해 로봇 장치를 사용하는 것이 유용하다는 것을 발견했다. 로봇 장치는 일반적으로 높은 정확도로 배치될 수 있는, 자유로운 말단부를 갖는 이동 가능한 암을 포함한다. 수술 부위에 적용되는 도구가 상기 암의 자유 단부에 부착된다. 작업자는 암을 움직일 수 있으므로 도구를 수술 부위에 정확히 위치시켜 절차를 수행할 수 있다.
로봇 수술에서, 도구가 제한되는 영역으로부터 상기 도구가 움직일 수 있는 영역을 묘사하기 위해 컴퓨터 보조 설계 소프트웨어를 사용하여 가상 경계가 수술 전에 생성된다. 예를 들어, 정형외과 수술에서 가상의 절단 경계는 수술 중에 도구에 의해 제거될 뼈 부분을, 수술 후 남아있는 뼈 부분으로부터 묘사하기 위해 만들어질 수 있다.
내비게이션 시스템은 가상 경계에 대한 도구의 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해 도구의 움직임을 추적한다. 로봇 시스템은 내비게이션 시스템과 협력하여 도구의 움직임을 안내하여 도구가 가상 경계를 넘어 움직이지 않도록 한다. 가상 경계는 종종 환자의 뼈 모델에서 생성되고 뼈에 대하여 고정되어, 상기 모델이 내비게이션 시스템에 로드될 때 상기 내비게이션 시스템은 뼈의 움직임을 추적하여 가상 경계의 움직임을 추적할 수 있다.
작업자는 종종 외과 수술 중에 상이한 절단 모드에서 도구의 동적 제어를 원한다. 예를 들어, 경우에 따라, 작업자는 해부체를 벌크 절단(bulk cutting)하기 위해 수동으로 도구를 제어하도록 수동 모드를 원할 수 있다. 다른 예에서, 작업자는 해부체의 자동화된 고정밀 절단을 위해 자율 모드에서 도구를 제어하기를 원한다. 종래의 시스템에서, 해부체의 타깃 표면과 관련된 가상 경계는 제어 모드에 관계없이 활성 상태로 남아있다. 즉, 예를 들어, 도구가 자율 모드 또는 수동 모드로 제어되는지에 여부에 가상 경계는 동일하다. 일반적으로 조작자는 어느 모드에서든 도구를 경계 너머로 전진시키지 않는다. 그러나 경우에 따라, 조작자는 의도하지 않게 경계를 넘어서 도구를 움직일 수 있다. 예를 들어, 수동 모드에서, 작업자는 경계를 넘는 도구의 움직임을 방지하기 위해 조작자의 능력을 초과하는 많은 양의 힘을 도구에 가할 수 있다. 이 경우, 해부체의 절단은 가상 경계를 넘어서 발생할 수 있어 원하는 타깃 표면에서 벗어날 수 있다.
적어도 상기 언급된 문제점을 해결하기 위한 시스템 및 방법이 당업계에 필요하다.
해부체를 조작하기 위한 시스템의 일 실시형태가 제공된다. 상기 시스템은 베이스와 연결 장치를 갖는 조작기를 포함한다. 도구는 조작기에 결합되고 해부체와 상호 작용하도록 베이스에 대해 이동 가능하다. 제어기는 해부체와 관련된 제 1 가상 경계 및 상기 해부체와 관련된 제 2 가상 경계를 생성하도록 구성된다. 제어기는 제 1 모드 및 제 2 모드에서 도구의 이동을 제어하도록 구성된다. 상기 제어기는 상기 제 1 모드에서 상기 제 1 가상 경계를 활성화하여 상기 제 1 가상 경계에 대하여 상기 도구를 제한한다. 상기 제어기는 상기 제 2 모드에서 상기 제 1 가상 경계를 비활성화하여 상기 제 2 가상 경계에 대하여 상기 도구를 제한한다.
도구로 해부체를 조작하기 위한 수술 시스템을 작동시키는 방법의 일 실시형태가 제공된다. 상기 방법은 해부체와 관련된 제 1 가상 경계 및 해부체와 관련된 제 2 가상 경계를 정의하는 단계를 포함한다. 제 1 가상 경계는 제 1 모드에서 활성화된다. 도구의 이동은 제 1 모드에서 제 1 가상 경계와 관련하여 제한된다. 제 1 가상 경계는 제 2 모드에서 비활성화된다. 도구의 이동은 제 2 모드에서 제 2 가상 경계와 관련하여 제한된다.
상기 시스템 및 방법은 유리하게도 제 1 모드와 제 2 모드 사이의 중간 가상 경계의 활성화를 선택적으로 제어하는 기회를 제공한다. 그렇게 함으로써, 상기 시스템 및 방법은 제 1 모드 및 제 2 모드 각각에 대해 상이한 가상 경계 구성을 제공함으로써 수술 시스템의 다기능성(versatility) 및 성능(performance)을 향상시킨다.

본 발명의 이점은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때에 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있는 것으로 용이하게 인정될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 도구로 환자의 해부체를 조작하기 위한 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수술 시스템을 제어하기 위한 제어기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 타깃 표면을 형성하기 위해 도구 경로를 따라 해부체와 상호 작용하는 도구를 도시한다.
도 4는 타깃 가상 경계에 대하여 이격된 중간 가상 경계에 관련하여 도구가 제한되는 제 1 모드에서 시스템의 동작을 도시한다.
도 5는 해부체의 타깃 표면으로부터 오프셋된 타깃 가상 경계와 관련하여 도구가 제한되는 제 2 모드에서의 시스템의 작동을 도시한다.
도 6은 도구가 중간 가상 경계에 관련하여 제한되고 제 1 가상 경계가 활성화된 채로 유지되는 제 1 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 7은 해부체의 타깃 표면과 함께 정렬되는 타깃 가상 경계와 관련하여 도구가 제한되는 제 2 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 8은 도구가 중간 가상 경계에 관련하여 제한되고 제 1 가상 경계가 비활성화되는 제 1 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 9는 타깃 가상 경계와 상이한 프로파일을 갖는 중간 가상 경계와 관련하여 도구가 제한되는 제 1 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 10은 타깃 표면과 상이한 프로파일을 갖는 타깃 가상 경계와 관련하여 도구가 제한되는 제 2 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 11은 도구가 중간 가상 경계와 타깃 가상 경계 사이에 제한되는 제 1 모드에서의 시스템의 동작을 도시한다.
도 12는 도구가 중간 가상 경계와 타깃 표면 사이에 제한되는 제 1 모드에서의 시스템의 작동을 도시한다.
도 13a 내지 13c는 일 실시예에 따른, 제 1 모드에서의 벌크 절단 이후에 결과하는 해부체의 특징을 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 일 실시예에 따른, 제 2 모드에서의 미세 절단 이후에 결과하는 해부체의 특징을 도시한다.
도 15는 개별 모드에서 각각 활성화되는 3개의 가상 경계를 사용하는 시스템의 동작을 도시한다.
도 16은 하나 이상의 도구 및 동시에 활성화되는 3개의 가상 경계를 사용하는 시스템의 동작을 도시한다.
I. 개요
도면을 참조하면, 동일한 도면 부호는 여러 도면에 걸쳐 유사하거나 대응하는 부분을 나타내며, 환자(12)의 해부체를 조작하기 위한 시스템(10) 및 방법이 전체적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 뼈 또는 연조직과 같은 환자(12)의 해부체로부터 물질을 절단하기 위한 로봇식 수술 절단 시스템이다. 도 1에서, 환자(12)는 수술 절차를 경험하고 있다. 도 1의 해부체는 환자(12)의 대퇴골(femur, F) 및 경골(T)을 포함한다. 수술 절차는 조직 제거를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 수술 절차는 부분적 또는 전체적인 무릎 또는 엉덩이 대체 수술을 포함한다. 시스템(10)은 유니 컴파트먼트(unicommentmental), 바이 콤파트먼트(bicompartmental) 또는 전체 무릎 임플란트를 포함하는 엉덩이 및 무릎 임플란트와 같은 외과용 임플란트에 의해 대체될 물질을 절단하도록 설계된다. 이러한 유형의 임플란트 중 일부는 "보철 임플란트 및 이식 방법"이라는 명칭의 미국특허출원 제13/530,927호에 개시되어 있으며, 그 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다. 당업자는 여기에 개시된 시스템 및 방법이 수술적 또는 비수술적 다른 절차를 수행하는데 사용될 수 있거나, 로봇 시스템이 이용되는 산업적 응용 또는 다른 응용에 사용될 수 있음을 인식한다.
시스템(10)은 조작기(manipulator)(14)를 포함한다. 조작기(14)는 베이스(16) 및 연결 장치(18)를 갖는다. 연결 장치(18)는 직렬 암 또는 병렬 암 구성을 형성하는 연결 수단(link)을 포함할 수 있다. 도구(20)는 조작기(14)에 결합되고 해부체와 상호 작용하도록 베이스(16)에 대해 이동 가능하다. 도구(20)는 조작기(14)에 부착된 엔드-이펙터(22)의 일부를 형성한다. 도구(20)는 작업자에 의해 파지된다. 조작기(14) 및 도구(20)의 하나의 예시적인 배치는 "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다. 조작기(14) 및 도구(20)는 대안적인 구성으로 배열될 수 있다. 도구(20)는 2014년 3월 15일에 출원한 미국특허출원 공보 제2014/0276949호에 개시된 명칭 "수술용 로봇 조작기의 엔드-이펙터"에 도시된 것과 동일할 수 있다. 도구(20)는 수술 부위에서 환자(12)의 조직과 접촉하도록 설계된 에너지 애플리케이터(24)를 포함한다. 에너지 애플리케이터(24)는 드릴, 톱날, 버, 초음파 진동 팁 등일 수 있다. 또한, 조작기(14)는 조작기 컴퓨터(26) 또는 다른 유형의 제어 유닛을 수용한다.
도 2를 참조하면, 시스템(10)은 제어기(30)를 포함한다. 제어기(30)는 조작기(14)를 제어하기 위한 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 포함한다. 제어기(30)는 조작기(14)의 동작을 지시하고 좌표계에 대한 도구(20)의 방향(orientation)을 제어한다. 일 실시형태에서, 좌표계는 조작기 좌표계(MNPL)(도 1 참조)이다. 상기 조작기 좌표계(MNPL)는 기점을 갖으며, 상기 기점은 조작기(14) 상의 일 지점에 위치한다. 조작기 좌표계(MNPL)의 일 예는, "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다.
시스템(10)은 내비게이션 시스템(32)을 더 포함한다. 내비게이션 시스템(32)의 일 예는 2013년 9월 24일 출원한 "광학 및 비-광학 센서를 포함하는 내비게이션 시스템"이라는 명칭의 미국특허 제9,008,757호에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참고로 인용된다. 내비게이션 시스템(32)은 다양한 물체의 움직임을 추적하도록 세팅된다. 그러한 물체는 예를 들어, 도구(20)와, 대퇴골(F) 및 경골(T)과 같은 해부체를 포함한다. 내비게이션 시스템(32)은 이들 물체를 추적하여 각 물체의 위치 정보를 로컬라이저 좌표계(LCLZ)로 수집한다. 로컬라이저 좌표계(LCLZ)의 좌표들은 종래의 변환 기술을 사용하여 조작기 좌표계(MNPL)로 변환될 수 있다. 내비게이션 시스템(32)은 또한, 작업자에게 그들의 상대 위치 및 방향의 가상 표현을 표시할 수 있다.
내비게이션 시스템(32)은 내비게이션 컴퓨터(36)를 수용하는 컴퓨터 카트 어셈블리(34), 및/또는 다른 유형의 제어 유닛을 포함한다. 내비게이션 인터페이스는 네비게이션 컴퓨터(36)와 작동 통신한다. 내비게이션 인터페이스는 하나 이상의 디스플레이(38)를 포함한다. 키보드 및 마우스와 같은 제 1 및 제 2 입력 장치(40, 42)는 내비게이션 컴퓨터(36)에 정보를 입력하도록 또는 그렇지 않으면, 상기 내비게이션 컴퓨터(36)의 특정 측면들을 선택/제어하는데 사용될 수 있다. 터치 스크린(미도시) 또는 음성 활성화를 포함하는 다른 입력 장치(40, 42)가 고려된다. 제어기(30)는 제한되지는 않지만, 조작기 컴퓨터(26), 내비게이션 컴퓨터(36) 및 그의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적절한 장치 또는 시스템(10)의 장치상에 구현될 수 있다.
내비게이션 시스템(32)은 내비게이션 컴퓨터(36)와 통신하는 로컬라이저(44)도 포함한다. 일 실시형태에서, 로컬라이저(44)는 광학 로컬라이저이며, 카메라 유닛(46)을 포함한다. 카메라 유닛(46)은 하나 이상의 광학 위치 센서(50)를 수용하는 외부 케이싱(48)을 갖는다. 시스템(10)은 하나 이상의 트래커(tracker)를 포함한다. 트래커는 포인터 트래커(PT), 도구 트래커(52), 제 1 환자 트래커(54) 및 제 2 환자 트래커(56)를 포함할 수 있다. 상기 트래커는 활성 마커(58)를 포함한다. 활성 마커(58)는 발광 다이오드 또는 LED일 수 있다. 다른 실시형태에서, 트래커(52, 54, 56)는 카메라 유닛(46)으로부터 방출된 광을 반사하는 반사기와 같은 수동 마커를 가질 수 있다. 당업자는 여기에 구체적으로 기술되지 않은 다른 적절한 추적 시스템 및 방법이 이용될 수 있음을 알 것이다.
도 1의 도시된 실시형태에서, 제 1 환자 트래커(54)는 환자(12)의 대퇴골(F)에 단단히 부착되고 제 2 환자 트래커(56)는 환자(12)의 경골(T)에 단단히 부착된다. 환자 트래커(54, 56)는 뼈의 부분들에 단단히 부착된다. 도구 트래커(52)는 도구(20)에 단단히 부착된다. 트래커(52, 54, 56)는 임의의 적절한 방식으로 각각의 구성 요소에 고정될 수 있음을 알아야 한다.
트래커(52,54,56)는 카메라 유닛(46)과 통신하여 위치 데이터를 카메라 유닛(46)에 제공한다. 카메라 유닛(46)은 트래커(52,54,56)의 위치 데이터를 내비게이션 컴퓨터(36)에 제공한다. 일 실시형태에서, 내비게이션 컴퓨터(36)는 대퇴골(F) 및 경골(T)의 위치 데이터 및 도구(20)의 위치 데이터를 결정하고 조작기 컴퓨터(26)에 전달한다. 대퇴골(F), 경골(T) 및 도구(20)의 위치 데이터는 종래의 등록/내비게이션 기술을 사용하여 트래커 위치 데이터에 의해 결정된다. 위치 데이터는 대퇴골(F), 경골(T), 도구(20) 및 추적되는 임의의 다른 물체의 위치 및/또는 방향에 대응하는 위치 정보를 포함한다. 여기서 설명하는 위치 데이터는 위치 데이터, 방향 데이터, 또는 위치 데이터와 방향 데이터의 조합일 수 있다.
조작기 컴퓨터(26)는 도구(20)에 대한 내비게이션 기반 데이터 및 도구(20)에 대한 인코더 기반 위치 데이터를 사용하여 변환 행렬을 결정함으로써 위치 데이터를 로컬라이저 좌표계(LCLZ)로부터 조작기 좌표계(MNPL)로 변환한다. 조작기(14)의 조인트들에 위치한 인코더(미도시)는 인코더 기반 위치 데이터를 결정하는데 사용된다. 조작기 컴퓨터(26)는 인코더를 사용하여 조작기 좌표계(MNPL)에서 도구(20)의 인코더-기반 위치 및 배향을 계산한다. 도구(20)의 위치 및 방향이 또한 로컬라이저 좌표계(LCLZ)에서 알려지기 때문에, 변환 행렬이 생성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(30)는 소프트웨어 모듈을 더 포함한다. 소프트웨어 모듈은 시스템(10)의 제어를 돕도록 데이터를 처리하기 위해 조작기 컴퓨터(26), 내비게이션 컴퓨터(36) 또는 그의 조합상에서 작동하는 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램의 부분일 수 있다. 소프트웨어 모듈은 또한, 컴퓨터(26, 36)의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는, 조작기 컴퓨터(26), 내비게이션 컴퓨터(36) 또는 그의 조합상의 메모리에 저장된 세트의 명령을 포함할 수 있다. 추가로, 작업자와 통신하고 촉발하기 위한 소프트웨어 모듈은 조작기 컴퓨터(26), 내비게이션 컴퓨터(36) 또는 그의 조합상의 메모리에 저장된 명령을 포함한다. 작업자는 제 1 및 제 2 입력 장치들(40, 42) 및 하나 이상의 디스플레이들(38)과 상호 작용하여 소프트웨어 모듈들과 통신한다.
일 실시형태에서, 제어기(30)는 데이터를 처리하기 위한 조작기 제어기(60)를 포함하여 조작기(14)의 움직임을 지시한다. 조작기 제어기(60)는 단일 소스 또는 다중 소스로부터 데이터를 수신하고 처리할 수 있다.
제어기(30)는 대퇴골(F), 경골(T) 및 도구(20)에 관한 위치 데이터를 조작자 제어기(60)에 전달하기 위한 내비게이션 제어기(62)를 더 포함한다. 조작자 제어기(60)는 내비게이션 제어기(62)에 의해 제공된 위치 데이터를 수신하고 처리하여 조작기(14)의 이동을 지시한다. 일 실시형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 내비게이션 제어기(62)는 내비게이션 컴퓨터(36) 상에 구현된다.
또한, 조작기 제어기(60) 또는 내비게이션 제어기(62)는 대퇴골(F) 및/또는 경골(T)과 도구(20)의 이미지를 디스플레이(38) 상에 디스플레이함으로써 조작자에게 환자(12) 및 도구(20)의 위치를 전달할 수 있다. 조작자 컴퓨터(26) 또는 내비게이션 컴퓨터(36)는 조작기(14)를 지시하기 위해 작업자가 조작기 컴퓨터(26)와 상호 작용할 수 있도록 디스플레이(38) 상에 명령 또는 요청 정보를 디스플레이할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(30)는 경계 생성기(66)를 포함한다. 경계 생성기(66)는 도 2에 도시된 바와 같이, 조작기 제어기(60) 상에 구현될 수 있는 소프트웨어 모듈이다. 대안적으로, 경계 생성기(66)는 내비게이션 제어기(62)와 같은 다른 컴포넌트 상에 구현될 수 있다. 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 경계 생성기(66)는 도구(20)를 제한하기 위한 가상 경계를 생성한다.
도구 경로 생성기(68)는 제어기(30), 더 구체적으로는 조작기 제어기(60)에 의해 운영되는 다른 소프트웨어 모듈이다. 도구 경로 생성기(68)는, 뼈를 나타내며, 일부분이 임플란트를 받기 위해 제거되어야만 하는, 도 3에 도시된 바와 같은 도구 경로(70)를 생성한다. 도 3에서, 도구 경로(70)는 앞뒤 선(back and forth line)으로 표시된다. 마감된 표면의 매끄러움과 품질은 앞뒤 선의 상대적인 위치에 따라 일부 따른다. 더 구체적으로, 선의 앞뒤 통과(back and forth pass)가 가까울수록 마감 면은 더 정밀하고 매끄럽다. 파선(84)은 조작기(14)를 사용하여 제거될 뼈의 둘레를 나타낸다. 도구 경로(70)를 생성하기 위한 하나의 예시적인 시스템 및 방법은 "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다.
II. 시스템 및 방법 개요
도구(20)로 해부체를 조작하기 위한 시스템(10) 및 방법은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은, 제어기(30)를 이용하여, 해부체와 관련된 제 1 또는 중간 가상 경계(90) 및 제 2 또는 타깃 가상 경계(80)를 정의하는 단계를 포함한다. 중간 가상 경계(90)는 타깃 가상 경계(80)로부터 이격되어 있다. 중간 가상 경계(90)는 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 모드에서 활성화된다. 도구(20)의 이동은 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90)에 관련하여 제한된다. 중간 가상 경계(90)는 도 5에 도시된 바와 같이 제 2 모드에서 비활성화된다. 도구(20)의 이동은 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 제한된다.
가상 경계들(80, 90)을 생성하기 위한 하나의 예시적인 시스템 및 방법은 "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다. 경계 생성기(66)는 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)를 정의하는 맵(map)을 생성한다. 이들 경계(80, 90)는 도구(20)가 제거해야 하는 조직과 도구(20)가 제거하지 않아야 하는 조직 사이를 묘사한다. 대안적으로, 이러한 경계(80, 90)는 에너지 애플리케이터(24)가 적용되어야만 하는 조직과 에너지 애플리케이터(24)가 적용되지 않아야 하는 조직을 묘사한다. 이와 같이, 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)는 도구(20)의 움직임을 제한하는 절단 경계 또는 조작 경계이다. 종종, 항상 있지는 않지만, 가상 경계(80, 90)는 환자(12) 내에 한정된다.
전체적으로 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)는 제 1 모드 및 제 2 모드 사이에서 도구(20)의 움직임을 독립적으로 제한한다. 즉, 도구(20)는 제 1 모드의 중간 가상 경계(90) 또는 제 2 모드의 타깃 가상 경계(80)에 의해 제한된다. 도구(20)의 운동을 제한하기 위한 방법은 "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다.
수술 시스템(10)은 제 1 모드 및 제 2 모드 사이에서 전환을 허용하여 도구(20)에 대한 상이한 제한 조건을 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 모드가 제 2 모드로 전환될 때에, 중간 가상 경계(90)는 비활성화되어, 타깃 가상 경계(80)를 떠난다. 따라서, 제 2 모드에서, 중간 가상 경계(90)가 도구(20)를 제한하고 있지 않기 때문에, 도구(20)는 타깃 가상 경계(80)에 도달하도록 허용된다. 도구(20)는 중간 가상 경계(90)가 비활성화될 때에 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 제한된다.
제 2 모드가 제 1 모드로 전환될 때, 도 4에서 도시된 바와 같이, 중간 가상 경계(90)는 활성화되거나 또는 재-활성화된다. 도구(20)는 중간 가상 경계(90)가 활성화될 때에 중간 가상 경계(90)와 관련하여 제한된다. 따라서, 제 1 모드에서, 중간 가상 경계(90)는 도구(20)가 타깃 가상 경계(80)에 도달하는 것을 방지한다.
조작기(14)는 제어기(30)로부터 명령을 수신하고 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90) 및/또는 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 도구(20)를 이동시키도록 구성된다. 내비게이션 시스템(32)은 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90) 및/또는 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 도구(20)의 움직임을 추적한다. 도구(20)가 이동함에 따라, 조작기(14)와 내비게이션 시스템(32)은 도구(20)가 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90) 및/또는 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80) 내에 있는지를 결정하기 위해 협력한다. 조작기(14)는 도구(20)가 움직이는 정도를 선택적으로 제한한다. 구체적으로, 제어기(30)는 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90) 및/또는 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80)의 외부로 도구(20)의 적용을 결과할 수 있는 움직임으로부터 조작기(14)를 제한한다. 작업자가 제 1 모드에서 중간 가상 경계(90) 및/또는 제 2 모드에서 타깃 가상 경계(80)를 넘어 도구(20)의 전진을 초래할 수 있는 힘 및 토크를 가하는 경우, 조작기(14)는 도구(20)의 이러한 고의된 위치 지정을 따라하지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 해부체, 보다 구체적으로는 해부체의 타깃 표면(92)과 관련된다. 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)과 관련하여 정의된다. 타깃 표면(92)은 제거 절차 후에 잔존하는 뼈의 윤곽이며, 임플란트가 장착될 표면이다. 바꿔 말하면, 타깃 표면(92)은 절단이 완료된 후에 남아있는 조직의 인접한, 정의된 표면 영역이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 절차 동안, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)으로부터 약간 오프셋되거나 또는 이격될 수 있다. 일 실시형태에서, 이것은 도구(20)의 크기 및 조작 특성을 설명하기 위해 행해진다. 도구(20)의 조작 특징은 도구(20)가 타깃 가상 경계(80)를 위반하게 한다. 이러한 과도(overreaching)를 설명하기 위해, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)과 타깃 가상 경계(80) 사이에 정의된 소정의 거리만큼 타깃 표면(82)으로부터 옮겨질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 거리는 도구(20)의 두께의 반과 같다. 다른 실시형태에서, 타깃 가상 경계(80)는 도구(20) 및 에너지 애플리케이터(24)가 어떻게 추적되는지에 따라 타깃 표면(92)으로부터 약간 오프셋되거나 또는 이격될 수 있다. 예를 들어, 에너지 애플리케이터(24)는 에너지 애플리케이터(24)의 외부 절단면에 기초한 점보다는 에너지 애플리케이터(24)의 중심에 기초한 점에 기초하여 추적될 수 있다. 이러한 경우에, 타깃 표면(92)으로부터 타깃 가상 경계(80)를 오프셋하는 것은 중심 트래킹을 제공하여 타깃 표면(92)의 지나침(overshooting)을 방지한다. 예를 들어, 도구(20)의 에너지 애플리케이터가 구형 버(bur) 인 경우, 상기 버의 도구 중심점(TCP)이 추적될 때에 상기 타깃 가상 경계는 상기 버의 지름의 반 만큼 오프셋된다. 결과적으로, TCP가 타깃 가상 경계(80) 상에 있을 때, 버의 외부 표면은 타깃 표면(92)에 있다.
중간 가상 경계(90)는 타깃 가상 경계(80)로부터 이격되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 중간 가상 경계(90)는 타깃 가상 경계(80)가 타깃 표면(92)으로부터 이격되는 것보다 타깃 표면(92)으로부터 더 멀리 이격된다. 본질적으로, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)과 중간 가상 경계(90) 사이에 위치한다. 중간 가상 경계(90)는 타깃 표면(92)으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에, 타깃 가상 경계(80)와 비교하여 중간 가상 경계(90)에 대해 일반적으로 도구(20)의 움직임이 더욱 제한된다. 다르게 말하면, 도구(20)의 이동은 제 2 모드와 비교하여 제 1 모드에서 더욱 제한된다.
영역(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계와 중간 가상 경계(80, 90) 사이에 정의된다. 경계(80, 90)는 임의의 적절한 거리에 따라 이격될 수 있다. 일 예에서, 타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)은 영역(100)이 1/2 밀리미터의 두께를 갖도록 약 1/2 밀리미터만큼 이격된다. 하나의 의미에서, 중간 가상 경계(90)는 타깃 가상 경계(80)에 대한 오프셋 경계로 간주될 수 있다. 일반적으로, 제어기(30)는 도구(20)가 제 1 모드에서 영역(100)을 관통하는 것을 방지한다. 도구(20)가 제 1 모드에서 영역(100)을 관통하는 것을 방지하는 것은 타깃 가상 경계(80)가 활성인지 아닌지에 관계없이 발생할 수 있다. 제어기(30)는 도구(20)가 제 2 모드에서 영역(100)을 관통하게 한다. 영역(100)은 타깃 및/또는 중간 가상 경계들(80, 90)이 활성 또는 비활성인지의 여부와 무관하게 정의될 수 있다.
타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)는 도 4에 도시된 것과 동일한 프로파일을 가질 수 있다. 구체적으로, 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)는 타깃 표면(92)과 유사한 프로파일을 갖는다. 유사한 프로파일을 갖는 것은 타깃 표면(92)의 점진적 형성을 촉진하는데 유용할 수 있다.
디스플레이(38)는 처리되는 해부체와 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80,90)의 표현을 도시한다. 추가로, 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80,90)에 관련한 정보는 도구(20)가 간섭하지 않도록 이들 가상 경계들(80, 90)에 대한 도구(20)의 대응하는 이동 및 조작기(14)를 안내하기 위해 조작기 제어기(60)에 보내질 수 있다.
조작자 제어기(60)는 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80,90)의 움직임을 연속적으로 추적할 수 있다. 일부 예에서, 해부체는 절차 중에 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동할 수 있다. 그러한 경우에, 조작기 제어기(60)는 해부체의 제 2 위치와 일치하는 가상 경계(80, 90)의 위치를 갱신한다.
일 실시형태에서, 제 1 모드 및/또는 제 2 모드는 자율 모드 또는 수동 모드이다. 자율 모드 및 수동 모드의 예는 "다수의 모드에서 수술 기구를 제어할 수 있는 수술용 조작기"라는 명칭의 미국특허 제9,119,655호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참조로 병합된다.
일 실시형태에서, 제 1 모드에서, 시스템(10)은 수동 모드에서 작동한다. 작업자는 수동으로 지시하고, 조작기(14)는 도구(20)의 이동을 제어하고, 차례로 수술 부위에서 에너지 애플리케이터(24)를 제어한다. 작업자는 도구(20)에 물리적으로 접촉하여 도구(20)를 이동시킨다. 조작기(14)는 도구(20)를 위치시키기 위해 작업자에 의해 도구(20) 상에 놓인 힘 및 토크를 감시한다. 이러한 힘 및 토크는 조작기(14)의 일부인 센서에 의해 측정된다. 인가된 힘 및 토크에 응하여, 조작기(14)는 작업자에 의해 가해진 힘 및 토크에 기초하여 발생할 것 같은 운동을 모방하는 방식으로 도구(20)를 기계적으로 이동시킨다. 제 1 모드에서 도구(20)의 이동은 중간 가상 경계(90)에 관련하여 제한된다. 이 경우, 중간 가상 경계(90)는 햅틱 경계로서 작용하고, 조작기(14)는 햅틱 피드백을 작업자에게 제공하여 중간 가상 경계(90)의 위치를 작업자에게 나타낸다. 예를 들어, 조작기(14)가 중간 가상 경계(90)를 넘어 도구(20)의 움직임을 방지하거나 저항함으로써, 작업자는 중간 가상 경계(90)에 도달할 때에 가상 벽을 촉각적으로 감지한다.
제 1 모드에서의 수동 조작 동안 어느 때에든, 또는 제 1 모드에서의 조작이 완료된 후에, 시스템(10)은 제 1 모드에서 제 2 모드로의 전환을 허용한다. 일 실시형태에서, 제 1 모드 및 제 2 모드 사이의 전환은 수동 입력에 응하여 발생한다. 예를 들어, 작업자는 제 1 모드 및 제 2 모드 중 어떤 모드가 활성이어야 하는지를 원격으로 관리하기 위해 일부 형태의 제어를 사용할 수 있다. 대안으로, 전환은 특정 이벤트 또는 조건에 응하여 자율적으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 필요한 양의 조직이 제 1 모드에서 제거되었고 그에 응하여 제 2 모드로 전환하는 것을 결정할 수 있다. 당업자는 제 1 모드 및 제 2 모드 사이에서의 전환이 여기에 명시적으로 기술되지 않은 다른 방법들에 따라 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
제 2 모드에서, 일 실시형태에서, 조작기(14)는 도구(20)의 자율 이동을 지시하고, 차례로 수술 부위에서 에너지 애플리케이터(24)를 지향시킨다. 조작기(14)는 작업자 보조 없이 도구(20)를 움직일 수 있다. 작업자 보조가 없다는 것은 작업자가 도구(20)를 움직이도록 힘을 가하기 위해 도구(20)에 물리적으로 접촉하지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 대신, 작업자는 이동의 시작 및 정지를 원격으로 관리하도록 일부 형태의 제어를 사용할 수 있다. 예를 들어, 작업자는 도구(20)의 이동을 시작하기 위해 원격 제어의 버튼을 누르고, 도구(20)의 이동을 정지시키기 위해 버튼을 해제할 수 있다. 대안적으로, 작업자는 버튼을 눌러 도구(20)의 이동을 시작하고 버튼을 눌러 도구(20)의 이동을 정지할 수 있다. 제 2 모드에서 도구(20)의 이동은 타깃 가상 경계(80)와 관련하여 제한된다.
상기 시스템(10) 및 방법은 바람직하게는 제 1 모드 및 제 2 모드 사이의 중간 가상 경계(90)의 활성화를 선택적으로 제어하는 기회를 제공한다. 그렇게 함으로써, 시스템(10) 및 방법은 제 1 모드 및 제 2 모드 각각에 대해 상이한 가상 경계 구성을 제공한다. 이것은 수술 시스템의 다기능성(versatility)과 작업자의 수행 능력을 향상시킨다. 일부 실시형태에서, 이는 유리하게 작업자가 제 1 모드에서 벌크 조작 방식으로 조작기(14)를 사용할 기회를 제공한다. 작업자는 대량의 조직을 제거하기 위해 초기에 도구(20)를 수동으로 작동시킬 수 있다. 절차의 이러한 부분은 때때로 감량(debulking)이라고도 한다. 중간 가상 경계(90)가 타깃 표면(92)으로부터 멀어지는 방향으로 도구(20)를 제한한다는 것을 알고 있는 작업자는 자율적 조작 중에 가능한 것보다 훨씬 빠른 벌크 조작을 수행하기 위한 조치를 취할 수 있다. 일단 조직의 대부분이 수동으로 제거되면, 시스템(10)은 제 2 모드로 전환되어 고도로 정확하고 제어된 방식으로 조직의 나머지 부분의 자율적 조작을 제공할 수 있다. 달리 말하자면, 제 2 모드에서, 작업자는 나머지 조직의 표면을 정의하기 위해 기구의 정밀한 위치 지정을 요구할 수 있다. 상기 절차의 이러한 부분은 때때로 마감 절단(finishing cut)으로 알려지며, 중간 가상 경계(90)가 비활성이고 타깃 가상 경계(80)가 활성이기 때문에 가능하다.
III. 다른 실시형태들
타깃 및 가상 경계들(80, 90)은 조작기(14)에 대한 다양한 입력들, 보다 구체적으로는 경계 생성기(66)로부터 도출될 수 있다. 경계 생성기(66)로의 한 입력은 절차가 수행될 부위의 수술 전 이미지를 포함한다. 환자(12)가 임플란트와 맞춰지도록 조작기(14)가 조직을 선택적으로 제거하는 경우, 경계 생성기(66)로의 제 2 입력은 상기 임플란트의 형상의 맵이다. 이 맵의 초기 버전은 임플란트 데이터베이스에서 비롯된 것일 수 있다. 임플란트의 형상은 임플란트를 받기 위해 제거해야 하는 조직의 경계를 정의한다. 이러한 관계는 특히 임플란트가 환자(12)의 뼈에 고정되도록 의도된 정형외과 임플란트인 경우에 특히 그러하다.
경계 생성기(66)로의 또 다른 입력은 작업자 세팅이다. 이러한 세팅은 에너지 애플리케이터(24)가 적용되어야 하는 조직을 나타낼 수 있다. 에너지 애플리케이터(24)가 조직을 제거하는 경우, 세팅은 제거될 조직과 에너지 애플리케이터(24)의 적용 후에 남아 있는 조직 사이의 경계를 식별할 수 있다. 조작기(14)가 정형외과 임플란트의 고정을 돕는 경우, 조직 위에 임플란트가 위치해야만 하는 곳을 정의할 것이다. 이러한 세팅은 데이터 처리 유닛을 사용하여 수술 전 입력될 수 있다. 대안적으로, 이러한 세팅은 내비게이션 인터페이스(40, 42)와 같은 시스템(10)의 컴포넌트들 중 하나와 연관된 입력/출력 유닛을 통해 입력될 수 있다.
상기 입력 데이터 및 명령들에 기초하여, 경계 생성기(66)는 타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)을 생성할 수 있다. 경계들(80, 90)은 2 차원 또는 3 차원일 수 있다. 예를 들어, 타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)은 도면들에 도시된 바와 같이 가상 맵 또는 다른 3 차원 모델로서 생성될 수 있다. 생성된 맵 또는 모델은 도구(20)의 이동을 안내한다. 모델은 디스플레이(38) 상에 디스플레이되어 물체의 위치를 나타낼 수 있다. 또한, 모델들에 관한 정보는 조작기(14)와 타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)에 관련한 도구(20)의 대응하는 이동을 안내하기 위해 조작자 제어기(60)에 전송될 수 있다.
실제로, 절차의 시작 전에, 수술 부위에서 작업자는 가상 타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)의 초기 버전을 세팅할 수 있다. 절차의 시작에서, 환자(12)에 사실상 고정되는 임플란트를 보다 정확하게 정의하는 데이터는 경계 생성기(66)에 로딩될 수 있다. 그러한 데이터는 메모리 스틱 또는 RFID 태그와 같은 임플란트와 관련된 저장 장치로부터 나올 수 있다. 이러한 데이터는 경계 생성기(66)에 공급되는 임플란트 데이터베이스 데이터의 구성 요소일 수 있다. 이러한 데이터는 특정 임플란트의 제조 후 측정치에 기초한다. 이 데이터는 제조 변동으로 인해 이전에 이용 가능한 재고 임플란트 형상의 정의와 약간 다를 수 있는 특정 임플란트 형상의 정의를 제공한다. 이러한 임플란트 특정 데이터에 기초하여, 경계 생성기(66)는 제거 될 조직과 적소에 유지되어야 하는 조직 간의 경계를 반영하도록 타깃 가상 경계 및 중간 가상 경계(80, 90)를 갱신할 수 있다. 환자(12)에게 이식될 수 있는 임플란트는 2012년 6월 22일 출원한 "보철 임플란트 및 이식 방법"이라는 명칭의 미국특허출원 제13/530,927호에 개시되어 있다. 본원에 개시된 임플란트는 뼈와 같은 적절한 양의 재료가 제거된 후에 환자(12)에게 이식될 수 있다. 다른 임플란트도 고려된다.
일 실시형태에서, 타깃 가상 경계(80)는 해부체와 관련된 좌표계의 점들로부터 도출된다. 타깃 가상 경계(80)는 각각의 캡처 된 점들을 다 함께 연결함으로써 보간될 수 있다. 이는 타깃 가상 경계(80)를 정의하는 웹 또는 메시를 생성한다. 단지 2개의 점이 캡처 되는 경우, 타깃 가상 경계(80)는 점들 사이의 선일 수 있다. 세 점이 캡처 되면, 타깃 가상 경계(80)는 인접한 점들을 연결하는 선들로 형성될 수 있다. 디스플레이(38)는 생성된 타깃 가상 경계(80)의 형상의 시각적 피드백을 제공할 수 있다. 입력 장치들(40, 42)은 경계를 이동시키거나, 경계를 확대 또는 축소하거나, 타깃 가상 경계(80)의 형상을 변경하는 것과 같이 타깃 가상 경계(80)를 제어 및 수정하는데 이용될 수 있다. 타깃 가상 경계(80)는 여기에 구체적으로 기술되지 않은 다른 방법들에 따라 생성될 수 있다는 것을 당업자는 이해한다.
타깃 가상 경계(80)의 대안적인 배치 및 구성이 도 7 및 도 10에 도시된다. 일부 예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)를 해부체의 타깃 표면(92)과 직접적으로 정렬하는 것이, 상기 둘 사이에 오프셋을 가지도록 정렬하는 것보다 적절할 수 있다. 예를 들어, 도구(20)의 조작 특성은 타깃 가상 경계(80)를 넘어 연장될 수 없다. 추가로 또는 대안적으로, 도구(20)는 에너지 애플리케이터(24)의 중심에 있는 점보다는 에너지 애플리케이터(24)의 외부 표면상에 있는 점들에 기초하여 추적될 수 있다. 그러한 경우, 타깃 가상 경계(80)를 타깃 표면(92)과 정렬시키는 것은 타깃 표면(92)을 생성하기 위한 정확한 조작을 제공한다. 또 다른 실시형태에서, 도구(20)는 도구(20)의 외부 표면의 이동 범위를 나타내는 엔벨로프(envelope)에 기초하여 추적될 수 있다. 예를 들어, 도구(20)가 톱날일 때, 엔벨로프는 톱날의 진동 동안 톱날의 외부 표면의 움직임이 엔벨로프 내에서 포착되도록 톱날의 외부 표면의 이동 범위를 포함한다. 타깃 가상 경계(80)의 위치 지정은 엔벨로프를 고려할 수 있다.
다른 예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)과 일반적으로 정렬되지 않는다. 대신에, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)으로부터 이격되어 타깃 표면(92) 위에 있다. 당업자는 타깃 가상 경계(80)가 여기에 구체적으로 언급되지 않은 다른 구성을 갖는다는 것을 인정할 것이다.
상기 중간 가상 경계(90)는 상기 타깃 가상 경계(80)와 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 대안으로, 제어기(30)는 타깃 가상 경계(80)로부터 중간 가상 경계(90)를 도출할 수 있다. 예를 들어, 제어기(30)는 타깃 가상 경계(80)를 복사하여 중간 가상 경계(90)를 형성한다. 타깃 가상 경계(80)의 복사본은 중간 가상 경계(90)를 형성하기 위해 임의의 적절한 방법에 따라 수정되거나 변형될 수 있다. 예를 들어, 타깃 가상 경계(80)의 복사본은 옮겨져, 이동되고, 기울어져, 크기 조정되고, 회전되어, 반사 등이 될 수 있다. 당업자는 중간 가상 경계(90)가 여기에 구체적으로 기술되지 않은 다른 방법에 따라 타깃 가상 경계(80)로부터 도출될 수 있음을 이해한다.
타깃 가상 경계(80) 및 중간 가상 경계(90)는 임의의 적합한 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 타깃 표면(92)의 프로파일과 유사한 프로파일을 갖는다. 도 10에서, 타깃 가상 경계(80)는 평면 또는 편평한 프로파일을 갖는다. 도 4에서, 중간 가상 경계(90)는 타깃 표면(92)의 프로파일과 유사한 프로파일을 갖는다. 도 9에서, 중간 가상 경계(90)는 평면 또는 편평한 프로파일을 갖는다. 당업자는 타깃 가상 경계(80) 및 중간 가상 경계(90)가 본 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 다른 프로파일을 가질 수 있음을 이해할 것이다.
타깃 및 중간 가상 경계들(80, 90)은 도 4에 도시된 바와 같이 동일한 프로파일을 가질 필요는 없다. 대신에, 경계들(80, 90)은 도 9에 도시된 바와 같이 서로에 대해 상이한 프로파일들을 가질 수 있다. 도 9에서, 타깃 가상 경계(80)의 프로파일은 타깃 표면(92)의 프로파일과 유사하지만, 중간 가상 경계(90)의 프로파일은 평면이다. 물론, 당업자는 경계들(80, 90)의 각 프로파일이 도 9에 도시된 것과 다를 수 있다는 것을 이해할 것이다. 경계들(80, 90)의 각각의 프로파일은 임의의 적절한 기술에 따라 수동으로 또는 자동으로 생성될 수 있다. 상이한 프로파일을 갖는다는 것은 사용되는 도구(20) 및/또는 모드를 포함하나 이에 제한되지 않는 여러 요인에 따라 유용할 수 있다.
제 1 모드를 고려하여 타깃 가상 경계(80)에 대해 여러 가지 다른 실시형태가 가능하다. 기술한 바와 같이, 제 1 모드에서, 중간 가상 경계(90)는 활성이고 도구(20)는 중간 가상 경계(90)에 관련하여 제한된다. 그러나, 타깃 가상 경계(80)의 활성화 및 비활성화는 제 1 모드에서 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 4, 도 6 및 도 9에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 중간 경계(90)가 활성인 동안 동시에 제 1 모드에서 활성화될 수 있다. 일 예시에서, 이는 중복 목적을 위해 수행될 수 있다. 기술한 바와 같이, 중간 경계(90)는 절단 경계로서 작동하기 때문에 시스템(10)의 중요한 특징이다. 중간 경계(90)의 구현에서의 임의의 에러가, 차례로, 타깃 표면(92)을 에러에 노출된 상태로 있게 한다. 타깃 가상 경계(80)를 동시에 활성화함으로써, 시스템(10)은 중간 가상 경계(90)에 대한 백업으로서 타깃 가상 경계(80)를 가짐으로써 신뢰도를 증가시킨다. 이는, 조작기(14)가 보다 고속으로 작동하여 타깃 가상 경계(80)가 중복으로 제공되는 것을 안다. 대안적으로는, 도 8에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 제 1 모드에서 비활성화될 수 있다. 이는 컴퓨팅 자원을 보존하고 구현의 복잡성 등을 줄이기 위해 수행될 수 있다.
제 1 모드에서 타깃 가상 경계(80)의 제어는 자동 또는 수동일 수 있다. 예를 들어, 작업자는 제 1 모드에서 타깃 가상 경계(80)를 수동으로 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 대안적으로, 시스템(10)은 특정 이벤트 또는 조건에 따라 타깃 가상 경계(80)를 활성화하는 것이 적절한지를 자동으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)의 불안정성의 검출은 제 1 모드에서 타깃 가상 경계(80)의 자동 활성화를 트리거(trigger)할 수 있다.
제 1 모드 및 제 2 모드는 애플리케이션 및 다양한 다른 요인에 따라 상이한 유형(즉, 수동/자율) 또는 동일한 유형일 수 있다. 하나의 그러한 요인은 도구(20)의 이송 속도(feed rate)에 의해 크게 영향을 받는 작동 절차의 지속 시간(duration)이다. 이송 속도는 에너지 애플리케이터(24)의 말단부가 경로 세그먼트를 따라 전진하는 속도이다. 일반적으로, 자율 모드에서, 조작기(14)는 더 정확할 수 있지만 수동 모드에서 더욱 느린 이송 속도를 제공한다. 수동 모드에서, 조작기(14)는 덜 정확할 수 있지만 자율 모드에서보다는 빠른 이송 속도를 제공할 수 있다. 정확도와 이송 속도 간의 절충은 제 1 모드 및 제 2 모드 동안에 어떤 유형의 제어가 구현되는지를 좌우하는 한 가지 요소이다.
절단 경로(70)를 따른 도구(20)의 전후(back-and-forth) 진동의 주파수는 제 1 모드 및 제 2 모드 간에 상이할 수 있다. 일반적으로, 진동의 주파수가 클수록, 절단 경로(70)의 진동은 서로 가까워지고 도구(20)에 의해 제공되는 절단은 "미세해진다(finer)". 반면에, 진동의 주파수가 작을수록, 절단 경로(70)의 진동은 더욱 간격을 두고 도구(20)에 의해 제공되는 절단은 "더 커진다(bulkier)".
일반적으로, 도구(20)가 절단 경로(70)를 가로지르면, 도구(20)는 도 13 및도 14에 도시된 바와 같이, 해부체(원위 대퇴골)에 리브(110)를 형성한다. 이러한 리브의 예는 "본 패드(Bone Pads)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/195,113호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본원에 참고로 병합된다. 리브(110)의 특정 3차원적 기하학적 구조는, 예를 들어 버(burr)와 같은 회전 절삭 도구의 결과로서, 복수의 채널형 표본(channeled preparations)(112)을 만든다. 도시된 실시형태에서, 복수의 채널형 표본(112)은 상기 절단 경로(70)를 따르는 도구(20)의 전후 움직임으로부터 결과하는 실질적으로 선형의 경로를 따른다. 상기 리브(110)는 높이(114), 폭(116) 및 복수의 돌출부(118)를 갖는다. 제 1 모드 및 제 2 모드가 상이한 절단 경로(70) 발진 주파수를 나타낼 때, 제 1 모드 및 제 2 모드는 상이한 구성을 갖는 리브(110)를 생성한다.
일 예에서, 진동은 제 1 모드보다 제 2 모드에서 더 빈번하다. 예를 들어, 도 13a 내지 도 13c는 제 1 모드에서 벌크 절단으로 결과하는 리브(110)를 도시하고, 도 14a 내지 도 14c는 제 2 모드에서의 미세 절단으로 결과하는 리브(110)를 도시한다. 결과적으로, 리브(110)는 제 1 모드 및 제 2 모드 사이에서 상이하게 형성된다. 구체적으로, 제 1 모드(도 13b)에서 형성된 리브(110)는, 다 함께 더 근접한, 제 2 모드(도 14b)에서 형성되는 리브(110)에 비해 인접한 리브들(110) 사이의 최고점 간의 거리(peak-to-peak distance)가 더 크다. 리브(110)의 높이 및/또는 폭은 또한 제 1 모드 및 제 2 모드 사이에서 다를 수 있다. 예를 들어, 벌크-절단(bulk-cutting) 모드(도 13c)에서 리브(110)의 폭(116)은 미세-절단(fine-cutting) 모드(도 14c)에서 리브(110)의 폭(116)보다 크다. 반대로, 벌크-절단 모드(도 13c)에서 리브(110)의 높이(114)는 미세-절단 모드(도 14c)에서 리브(110)의 높이(114)보다 작다. 추가로, 제 1 모드에서 형성된 돌출부(118)의 기하학적 구조는 제 2 모드에서 형성된 돌출부와 다를 수 있다. 제 1 모드 및 제 2 모드는 유리하게도 특정 용도에 적합한 상이한 표면 마감을 제공한다. 당업자는 제 1 모드 및 제 2 모드가 리브와 관련하여 여기에 설명된 것과 다른 해부체 특성의 차이를 야기할 수 있음을 인식할 것이다.
일 실시형태에서, 제 1 모드는 자율 모드이고, 제 2 모드는 수동 모드이다. 도구(20)의 이동은 제 1 모드에서 자율적으로 발생하고 중간 가상 경계(90)와 관련하여 제한된다. 제 1 모드에서의 자율적 조작은 제 2 모드에서 수동 조작으로 전환된다. 도구(20)의 이동은 제 2 모드에서 수동으로 발생하고 타깃 가상 경계(80)와 관련하여 제한된다. 구체적으로, 작업자는 수술 시스템(10)에 의존하여 제 1 모드에서 자율적으로 조직의 다수의 조작을 수행할 수 있다. 필요에 따라, 작업자는 제 2 모드에서 수동 조작으로 전환하여 타깃 표면(92)에 더 근접한 타깃 가상 경계(80)와 직접적으로 인터페이스할 수 있다. 이렇게 함으로써, 작업자는 불규칙한 표면 마감을 생성하는 등의 다양한 절차를 타깃 표면(92) 상에 수행할 수 있다. 상기 시스템(10) 및 방법은 작업자가 자율적 조작으로 계획될 수 있는 것보다 임플란트를 더 잘 보호하는 타깃 표면(92)에서의 최종 절단을 할 수 있게 한다. 또한, 작업자는 시스템(10)이 타깃 표면(92)까지 전체적으로 조직을 자율적으로 절단하게끔 허용하지 않을 수 있다. 제 1 모드에서 활성화된 중간 가상 경계(90)를 갖는 것은 중간 가상 경계(90)가 타깃 가상 경계(80)로부터 이격되어 있기 때문에 자율적 조작 중에 작업자에게 추가된 편의를 제공한다.
다른 실시형태에서, 제 1 모드 및 제 2 모드는 모두 수동 모드이다. 도구(20)의 이동은 제 1 모드에서 수동으로 발생하고 중간 가상 경계(90)에 관련하여 제한된다. 제 1 모드에서의 수동 조작은 제 2 모드에서의 수동 조작으로 전환된다. 수동 조작은 제 2 모드에서 유지되지만, 중간 가상 경계(90)가 비활성화되기 때문에 경계 구성이 변경된다. 제 2 모드에서, 도구(20)의 이동은 수동으로 발생하고 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 제한된다. 이 실시형태는 유리하게는 작업자가 제 1 및 제 2 모드 양쪽에서 벌크 조작 방식으로 조작기(14)를 사용할 기회를 제공한다. 중간 가상 경계(90)가 도구(20)를 타깃 표면(92)으로부터 멀어지는 방향으로 제한한다는 것을 아는 작업자는 자율적 조작 동안에 가능한 한 것보다 훨씬 더 빠르고 더 적극적인 벌크 조작을 수행하기 위한 조치를 취할 수 있다. 일단 조직의 대부분이 제 1 모드에서 수동으로 제거되면, 시스템(10)은 조직의 나머지 부분의 수동 조작을 허용하기 위해 제 2 모드로 전환될 수 있다. 제 2 모드에서, 작업자는 타깃 가상 경계(80)와 관련하여 타깃 표면(92) 상에 불규칙한 또는 미세한 표면 마감을 수동으로 생성할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 제 1 모드 및 제 2 모드는 모두 자율 모드이다. 도구(20)의 이동은 제 1 모드에서 자율적으로 발생하고 중간 가상 경계(90)에 관련하여 제한된다. 제 1 모드에서의 자율적 조작은 제 2 모드에서의 자율적 조작으로 전환된다. 제 2 모드로의 전환은 자율적 조작을 유지하지만, 중간 가상 경계(90)를 비활성화시킴으로써 경계 구성은 변경된다. 제 2 모드에서, 도구(20)의 이동은 자율적으로 발생하고 타깃 가상 경계(80)에 관련하여 제한된다. 이러한 실시형태는 이롭게도, 제 1 모드 및 제 2 모드 전반에 걸쳐 고도로 정확하고 제어된 방식으로 조직을 자율적으로 조작할 기회를 제공한다. 또한, 작업자는 제 1 모드에서의 자율적 조작 후 조직을 검사할 수 있다. 즉, 수술 장치(10)가 타깃 표면(92)까지 전체적으로 조직을 자율적으로 조작하는 것보다, 제 1 모드가 제 1 단계로서 사용되어, 작업자가 제2 모드에서 중간 가상 경계(90)를 비활성화하기 전에 자율 절단의 진행 및 정확도를 검사한다.
일 실시형태에서, 상기 시스템 및 방법은 "n" 개의 모드를 구현한다. 예를 들어, 상기 시스템 및 방법은 3개 이상의 모드를 구현할 수 있다. 제 1 모드는 수동 모드 일 수 있다. 제 2 모드는, 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 자율적 벌크 절단(autonomous bulk-cutting)을 나타내는 자율 모드(autonomous mode)일 수 있다. 제 3 모드는, 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이 자율적 미세 절단을 나타내는 자율 모드일 수 있다. 당업자는 임의의 "n" 모드가 본 명세서에 설명된 자율 모드 또는 수동 모드 이외의 모드일 수 있음을 알 것이다.
상기 시스템 및 방법은 "n" 개의 가상 경계를 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템 및 방법은 3개 이상의 가상 경계를 구현할 수 있다. "n" 개의 가상 경계는 "n" 개의 모드에 대해 구현될 수 있다. 세 개의 가상 경계 구현의 일례가 도 15에 도시되어 있다. 도 15에서, 제 1 가상 경계(90), 제 2 가상 경계(80) 및 제 3 가상 경계(120)는 해부체와 관련된다. 여기서, 제 1 가상 경계(90)는 연골 및 뼈의 표면층의 제거를 촉진하기 위해 제공되고, 제 2 가상 경계(80)는 임플란트의 배치를 위한 더 깊은 층의 뼈 제거를 촉진하도록 제공되고, 제 3 가상 경계(120)는 임플란트를 고정하기 위한 페그/테일(peg/tail)의 삽입에 대비하여 구멍의 형성을 촉진하기 위해 제공된다. 제 1 가상 경계(90)는 제 1 모드에서 활성화된다. 도구의 이동은 제 1 모드에서의 제 1 가상 경계(90)와 관련하여 제한된다. 제 1 가상 경계(90)는 제 2 모드에서 비활성화된다. 제 3 가상 경계(120)는 제 2 모드에서 활성 상태를 유지할 수 있다. 도구의 이동은 제 2 모드에서 제 2 가상 경계(80)와 관련하여 제한된다. 제 2 가상 경계(80)는 제 3 모드에서 비활성화된다. 도구의 이동은 제 3 모드에서 제 3 가상 경계(120)와 관련하여 제한된다.
일부 실시형태에서, "n" 개의 가상 경계는 조직 특정적이다. 즉, 가상 경계는 상이한 유형의 조직에 대해 도구(20)를 제한하도록 구성된다. 예를 들어, "n" 개의 가상 경계는 연조직, 연골, 뼈, 인대 등과 관련하여 도구(20)를 제한할 수 있다. 이는 도구(20)에 의한 조작으로부터 특정 조직을 보호하기 위해 수행될 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, "n" 개의 가상 경계는 영역/위치 특정적이다. 즉, 가상 경계는 도구(20)를 다른 영역 또는 위치와 관련하여 제한하도록 구성된다. 예를 들어, "n" 개의 가상 경계는 도구(20)를 견인기, 다른 도구, 트래커 등과 같은 수술 부위에서의 다른 물체와 관련하여 제한할 수 있다. 또한, "n" 개의 가상 경계들 중 임의의 하나는 해부체가 세정되는(irrigation) 습윤 위치에 도구(20)가 접근하는 것을 방지하는 세정 경계(irrigation boundary)로서 작용할 수 있다. 당업자는 "n" 개의 가상 경계 및 "n" 개의 모드가 여기에 구체적으로 언급되지 않은 다양한 다른 기술에 따라 구현될 수 있음을 인식한다.
다른 실시형태에서, "n" 개의 가상 경계는 하나 이상의 수술 도구(20)와 관련하여 사용될 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 제 1 수술 도구(20a) 및 제 2 수술 도구(20b)가 제공된다. 도구(20a, 20b)는 협조된(coordinated) 및/또는 동기화된 방식으로 이동한다. 제 1 가상 경계(90)는 해부체의 상면과 관련하여 정의되고, 제 2 및 제 3 가상 경계들(80, 120)은 해부체의 우측면 및 좌측면 각각을 따라 정의된다. 여기서, 가상 경계들(80, 90, 120)은 동시에 활성화될 수 있다. 또한, 가상 경계들(80, 90, 120)은 서로 교차하거나 서로 접촉할 수 있다. 다른 예에서, 하나의 도구(20)가 조작을 위해 사용되고, 다른 도구는 조직 수축을 위해 사용된다. 그러한 경우에, 하나의 가상 경계는 조작 제한 경계로서 기능 할 수 있고, 또 다른 가상 경계는 수축 도구가 의도된 수축 영역을 벗어나는 것을 방지하기 위해 조직 수축 경계로서 기능 한다.
해부체 위치의 변화에 따라 가상 경계가 움직이도록 해부체에 대하여 "n" 개의 가상 경계들 중 어떤 것도 정의될 수 있다. 이것은 여기에 설명된 내비게이션 및 제어 기술을 사용하여 수행할 수 있다.
"n" 개의 가상 경계들은 예를 들어 도면들 전체에 걸쳐 도시된 바와 같은, 동일한 해부체에 대하여 정의될 수 있다. 그러한 경우, 해부체 움직임에 따라 "n" 개의 가상 경계들의 각각이 상기 해부체를 따른다. 대안으로, "n" 개의 가상 경계는 상이한 해부체에 대해 정의될 수 있다. 예를 들어, 일부 "n" 개의 가상 경계는 대퇴골에 대해 정의될 수 있는 반면 다른 "n" 개의 가상 경계는 경골에 대해 정의 될 수 있다. 이것은 부주의한 조작으로부터 경골을 보호하기 위해 수행될 수 있다. 그러한 경우, 가상 경계들 사이의 간격은 대퇴골과 경골 사이의 각각의 움직임에 따라 변할 수 있다.
제어기(30)는 제 1 모드가 제 2 모드로 전환될 때 또는 그 반대의 경우를 검출한다. 제어기(30)는 도구(20)의 제한이 타깃 가상 경계(80) 또는 중간 가상 경계(90)와 관련하여 발생하는지를 작업자에게 알리기 위해 작업자에게 경보를 발생시킬 수 있다. 경보는 시각적, 촉각적, 청각적 등일 수 있다. 당업자는 경보가 여기에 구체적으로 기술되지 않은 다양한 다른 방법들에 따라 구현될 수 있다는 것을 인식한다.
몇몇 경우들에서, 도구(20)는 시스템(10)이 제 1 모드로 전환되는 순간에 제 2 모드에서 영역(100) 내에 있을 수 있다. 그러한 예들에서, 도구(20)는 중간 가상 경계(90)와 타깃 가상 경계(80) 또는 타깃 표면(92) 사이에 트랩핑(trapped)될 수 있다. 일 예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 타깃 가상 경계(80)는 도구(20)가 중간 가상 경계(90)와 타깃 가상 경계(80) 사이에 트랩핑되도록 제 1 모드에서 활성 상태로 유지된다. 다른 예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 도구(20)가 중간 가상 경계(90)와 타깃 표면(92) 사이에 트랩핑되도록 제 1 모드에서 타깃 가상 경계(80)가 비활성화된다.
이러한 방식으로 도구(20)를 트랩핑하는 것은 고의적이거나 비의도적일 수 있다. 의도하지 않은 경우, 상기 제어기(30)는 제 2 모드가 제 1 모드로 전환될 때 도구(20)의 위치를 구하여 도구(20)의 트랩핑(trapping)을 방지할 수 있다. 예를 들어, 도구(20)가 제 1 모드로 전환시에 영역(100)에 존자하는 경우, 제어기(30)는 도구(20)가 중간 가상 경계(90)를 넘어서 당겨지도록 상기 도구(20)를 영역(100)으로부터 인출하게 조작기(14)에게 지시할 수 있다. 이는 중간 가상 경계(90)를 일시적으로 비활성화하는 것을 수반하여 도구(20)의 퇴장을 허용한다. 다른 경우에, 도구(20)를 제 1 모드에서 영역(100) 내에 트랩핑(trap) 하도록 의도될 수 있다. 도구(20)를 트래핑하는 것은 상부 제한 또는 절단 경계로서 중간 가상 경계(90)를 사용하도록 수행될 수 있다. 예시를 위해, 제 2 모드에서, 도구(20)는 좁은 절개로 영역(100) 내의 조직을 관통할 수 있다. 그 후, 제 1 모드는 도구(20)가 중간 가상 경계(90)와 함께 영역(100) 내에 트랩핑되도록 재활성화될 수 있다. 그런 다음, 작업자는 영역(100) 내의 조직을 수동으로 또는 자율적으로 제거할 수 있으며, 도구 (20)가 상부에서 제한된다는 것을 알 수 있다. 이 구성은 조직에 구멍을 내는 데 유용할 수 있다.
전술한 설명에서 몇몇 실시형태들이 논의되었다. 그러나, 여기에서 논의된 실시형태들은 본 발명을 포괄적으로 나타내거나 임의의 특정 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 사용된 용어는 제한보다는 설명을 의도로 한다. 전술한 설명에 비추어 다수의 수정 및 변형이 가능하며, 본 발명은 구체적으로 기술된 것과 다르게 실시될 수 있다.
본 발명의 많은 특징 및 장점은 상세한 설명으로부터 명백하며, 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 본 발명의 모든 특징 및 이점을 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 당업자에게는 다양한 수정 및 변형이 용이하게 발생할 수 있으므로, 본 발명을 도시되고 설명된 정확한 구성 및 동작으로 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적절한 수정 및 등가물이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 시스템으로서,
    암(arm)을 포함하는 로봇 조작기;
    동작의 수동 모드 및 자율 모드에서 타깃 부위와 상호작용하기 위해 상기 암에 의해 이동가능하고, 상기 암에 결합되는 엔드 이펙터;
    상기 엔드 이펙터 및 상기 타깃 부위의 위치를 추적하도록 구성되는 내비게이션 시스템; 및
    하나 이상의 제어기; 를 포함하고,
    상기 하나 이상의 제어기는:
    상기 타깃 부위에 대하여 제1 가상 경계를 정의하고,
    상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 제1 가상 경계를 관통하는 것을 방지하며,
    상기 자율 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 제1 가상 경계를 관통하게 허용하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는 또한,
    상기 타깃 부위에 대하여, 제2 가상 경계를 정의하되, 상기 제1 가상 경계는 상기 제2 가상 경계보다 상기 타깃 부위로부터 더 멀리 이격되어 있고,
    상기 제1 가상 경계와 상기 제2 가상 경계 사이의 영역(zone)을 정의하고,
    상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하는 것을 방지하며;
    상기 자율 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하게 허용하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는 또한, 상기 영역에 대하여 상기 엔드 이펙터의 추적된 위치를 평가하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는 또한, 상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 내에 있다는 결정에 응답하여 상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터의 움직임을 방지하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는 또한, 상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 밖에 있다는 결정에 응답하여 상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터의 움직임을 허용하도록 구성되는, 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는 또한,
    상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 밖에 있다는 결정에 응답하여 제1 속도에 따라 상기 로봇 조작기를 제어하고;
    상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 내에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 속도와는 상이한 제2 속도에 따라 상기 로봇 조작기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는, 상기 제1 가상 경계를 넘어서는 상기 엔드 이펙터의 시도된 움직임을 방지하거나 저항하게끔 상기 로봇 조작기를 제어하도록 추가로 구성됨으로써, 상기 엔드 이펙터가 상기 수동 모드에서 상기 영역을 관통하는 것을 방지하는 것인, 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는, 상기 제1 가상 경계를 비활성화하도록 추가로 구성됨으로써, 상기 엔드 이펙터가 상기 자율 모드에서 상기 영역을 관통하는 것을 허용하는 것인, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기는, 상기 엔드 이펙터의 이송 속도(feed rate)가 상기 수동 모드보다 상기 자율 모드에서 더 느리도록 상기 엔드 이펙터의 이송 속도를 제어하게끔 구성되는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터에 가해지는 힘과 토크를 모니터링하기 위해, 상기 엔드 이펙터에 결합되는 센서를 더 포함하는, 시스템.
  11. 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    상기 시스템은: 암을 포함하는 로봇 조작기; 동작의 수동 모드 및 자율 모드에서 타깃 부위와 상호작용하기 위해 상기 암에 의해 이동가능하고, 상기 암에 결합되는 엔드 이펙터; 상기 엔드 이펙터 및 상기 타깃 부위의 위치를 추적하도록 구성되는 내비게이션 시스템; 및 하나 이상의 제어기를 포함하고,
    상기 하나 이상의 제어기는:
    상기 타깃 부위에 대하여 제1 가상 경계를 정의하는 단계;
    상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 제1 가상 경계를 관통하는 것을 방지하는 단계; 및
    상기 자율 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 제1 가상 경계를 관통하게 허용하는 단계를 수행하기 위한 것인, 시스템을 작동시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가:
    상기 타깃 부위에 대하여, 제2 가상 경계를 정의하는 단계 - 상기 제1 가상 경계는 상기 제2 가상 경계보다 상기 타깃 부위로부터 더 멀리 이격됨 - ;
    상기 제1 가상 경계와 상기 제2 가상 경계 사이의 영역을 정의하는 단계;
    상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하는 것을 방지하는 단계; 및
    상기 자율 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하게 허용하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가, 상기 영역에 대하여 상기 엔드 이펙터의 추적된 위치를 평가하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가, 상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 내에 있다는 결정에 응답하여 상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터의 움직임을 방지하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가, 상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 밖에 있다는 결정에 응답하여 상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터의 움직임을 허용하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가:
    상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 밖에 있다는 결정에 응답하여 제1 속도에 따라 상기 로봇 조작기를 제어하는 단계; 및
    상기 엔드 이펙터의 위치가 상기 영역 내에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 속도와는 상이한 제2 속도에 따라 상기 로봇 조작기를 제어하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 수동 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하는 것을 방지하는 단계는: 상기 하나 이상의 제어기가, 상기 제1 가상 경계를 넘어서는 상기 엔드 이펙터의 시도된 움직임을 방지하거나 저항하게끔 상기 로봇 조작기를 제어하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 자율 모드에서 상기 엔드 이펙터가 상기 영역을 관통하게 허용하는 단계는: 상기 하나 이상의 제어기가, 상기 제1 가상 경계를 비활성화하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가, 상기 엔드 이펙터의 이송 속도가 상기 수동 모드보다 상기 자율 모드에서 더 느리도록 상기 엔드 이펙터의 이송 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어기가, 상기 엔드 이펙터에 가해지는 힘과 토크를 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 시스템을 작동시키는 방법.

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