KR20230156749A - 기구 안내부를 고정하기 위한 협동 의료용 로봇 - Google Patents

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KR20230156749A
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모하메드 푸에드 아우아크리아
뤼시앙 블롱델
베르탱 나훔
페르낭 바다노
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퀀텀 서지컬
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Abstract

본 발명은 환자(20)의 해부학적 관련 부위에서의 의료 개입 중에 의사를 보조하기 위한 의료용 로봇(10)에 관한 것이다. 의료용 로봇(10)은, 의료 기구(15)를 안내하도록 의도된 툴 안내부(14)를 일 단부에서 구비하는 로봇 아암(13)을 포함한다. 또한, 의료용 로봇(10)은 로봇 아암(13)의 움직임을 제어하도록 구성된 제어 유닛(12)을 포함한다. 툴 안내부(14)는 힘 센서에 커플링된다. 의료용 로봇(10)이 "협동 수동 제어" 모드에서 사용될 때, 제어 유닛(12)은, 힘 센서를 이용하여, 의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘을 결정하고, 결정된 힘에 적용되는 이득 인자(gain factor)에 기초하여 툴 안내부의 움직임 속도를 계산하도록 구성된다. 유리하게는, 이득 인자의 값은 가변적이고, 결정된 힘에 기초하여 계산된다.

Description

기구 안내부를 고정하기 위한 협동 의료용 로봇
본 발명은 의료 시술 또는 외과 시술 중에 의사를 보조하기 위한 로봇 장치 분야에 속한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 최소 침습적 또는 경피적 의료 시술 중에 의료 기구를 안내 및 해제하기 위한 툴 안내부를 구비한 로봇 아암(robotised arm)을 포함하는 의료용 로봇에 관한 것이다.
최소 침습적 또는 경피적 수단에 의해서 수행되는 의료 시술은 의사가 단일 또는 복수의 의료기구(예를 들어, 바늘, 프로브, 카테터 등)를 목표 해부학적 부위(예를 들어, 간, 폐, 신장 또는 뼈의 종양)에 도달하도록 지정된 깊이까지 아래로 환자의 신체 내로 삽입하는 것이 필요할 수 있다.
의료 기구를 삽입하는 동작이 전적으로 의사에 의해서 수행될 때, 의사의 숙련도에 따라 시술 결과는 크게 달라진다. 동작의 정확도는 원격 제어 의료용 로봇의 도움으로 개선될 수 있다. 이 경우에도, 시술의 성공 여부는 여전히 의사의 숙련도에 따라 부분적으로 달라지며, 환자의 의료 이미지를 계속하여 획득할 필요가 있을 수 있고, 이는 환자에게 고선량의 방사선을 조사하는 것을 포함한다.
삽입 동작의 정확도를 더 개선하고 환자에 조사되는 방사선의 선량을 제한하기 위해서, 자동으로 제어되는 로봇 아암을 사용할 수 있다. 로봇 아암은 의료 기구를 안내하기 위한 툴 안내부를 구비할 수 있다. 예를 들어 의사가, 환자의 해부학적 조직의 관련 부위의 목표 위치에 도달하기 위해서 의료 기구가 따라야 하는 궤적을 개입-전 의료 이미지에 표시하면, 로봇 아암은, 툴 안내부가 계획된 궤적에 따라 의료 기구를 안내할 수 있도록 하는 위치로 자동으로 변위한다.
툴 안내부를 환자의 해부학적 조직의 관련 부위로 가져가거나 또는 의료 기구를 (선택적으로 부분적으로) 삽입한 후에 툴 안내부를 해제하기 위해서, 의사가 로봇 아암을 수동으로 변위하는 것이 유리하다. 로봇 아암이 의사에 의해서 수동으로 변위되고, 툴 안내부가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있는 경우, 로봇 아암의 움직임은 유동적이고(fluid) 반응적이어야 한다. 다른 한편으로, 툴 안내부가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 비교적 가까이 있는 경우, 의료 기구의 삽입 위치에 정확히 도달하도록 하고, 의료 기구 또는 툴 안내부에 의해서 환자가 다칠 위험이 없도록 하기 위해서, 로봇 아암의 움직임은 정확하고 저속으로 제어되어야 한다. 또한, 의사의 떨림으로 인한 로봇 아암의 갑작스러운 움직임을 방지할 필요가 있다.
이를 위해서, 가속도계로 의사가 가하는 힘에 대한 주파수 연구(frequency study)를 수행하여 떨림이 있는지 여부를 판단하는 것을 상정할 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 해결책은 구현하기가 비교적 복잡하고, 부가적인 센서(가속도계)를 의료용 로봇에 탑재시킬 필요가 있다.
또한, 예를 들어, 의료 기구를 환자의 신체 내로 삽입하는 동안 로봇 아암이 의료 기구를 안내할 때 환자가 예상치 못한 움직임을 보이는 경우, 시술 중에 의료 기구에 의해서 환자가 다치지 않도록 보장하기 위한 조치를 취할 필요가 있다. 의료 기구는 일반적으로 환자가 무호흡일 때 삽입된다. 따라서, 의료 기구가 툴 안내부로부터 해제되기 전에 호흡에 따른 움직임이 재개되는 경우, 의료 기구에 의해 환자가 다치지 않도록 보장할 필요 또한 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점, 특히 앞서 요약된 단점의 일부 또는 전부를 해결하는 것이다.
이를 위해서, 제1 양태에 따라, 본 발명은 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에서의 의료 시술 중에 의사를 보조하기 위한 의료용 로봇을 제안한다. 의료용 로봇은, 의료 기구를 안내하도록 설계된 툴 안내부를 원위 단부에서 포함하는 로봇 아암을 포함한다. 또한, 의료용 로봇은, 로봇 아암의 변위를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 툴 안내부는 힘 센서에 커플링된다. 의료용 로봇이 "협동 수동 제어" 모드에서 사용되는 경우, 제어 유닛은, 힘 센서에 의해서, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘을 결정하고, 그렇게 결정된 힘에 적용되는 이득 인자(gain factor)에 따라 툴 안내부의 변위 속도를 계산하도록 구성된다. 유리하게는, 상기 이득 인자의 값은 가변적이고, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따라 계산된다. 제어 유닛은 그렇게 계산된 속도에 따라 로봇 아암의 변위를 제어하도록 구성된다.
따라서, 의사는 자기 손으로 로봇 아암의 단부에 고정된 툴 안내부에 힘을 가함으로써 로봇 아암을 변위시킨다. 힘 센서는 제어 유닛이 의사에 의해서 가해진 힘에 따라 로봇 아암의 변위 속도를 제어할 수 있다. 사실상, 툴 안내부의 변위 속도는 이득 인자를 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 적용시킴으로써 계산된다. 의사가 툴 안내부에 가하는 힘은 예를 들어, 필터링, 노이즈 감소, 툴 안내부의 중량에 대한 보상, 툴 안내부의 기준 점에 대한 이동 등을 포함할 수 있는 일련의 동작에 의해서 힘 센서에 의해 측정된 힘 및 모멘트를 기초로 제어 유닛에 의해 결정된다. 의사가 툴 안내부에 가하는 힘이 클수록, 제어 유닛에 의해서 계산되는 툴 안내부의 변위 속도는 더 커진다. 따라서, 툴 안내부가 환자로부터 비교적 멀고 의사가 툴 안내부에 상당한 힘을 가하는 경우, 로봇 아암은 신속하고, 유연하게, 그리고 반응적으로 변위된다. 다른 한편으로, 툴 안내부가 환자의 신체에 근접해 있기 때문에 의사가 툴 안내부에 약간의 힘을 가하는 경우, 로봇 아암은 저속으로 변위되어 정확도 및 안전을 보장한다.
또한, 이하에서 설명되는 바와 같이, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따라 이득 인자가 변화된다는 사실은, 의사의 떨림에 의해서 생성되는 로봇 아암의 급격한 변위를 방지할 수 있게 한다(떨림은 큰 주파수로 변화되는 작은 진폭의 힘에 해당한다).
예를 들어, 이득 인자는, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘이 최소값(Fmin)과 최대값(Fmax) 사이에서 변화될 때, 이러한 힘에 따라 선형적으로 변화된다.
특정 실시형태에서, 본 발명은 또한, 단독적이거나 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 취해지는, 이하의 특성 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 이득 인자는 제어 유닛에 의해서 구현되는 비례 적분 미분 교정기(Proportional Integral Derivative corrector)의 비례 매개변수에 해당한다.
제어 루프에 의해서, 제어 유닛은, 의사가 가하는 힘을 상쇄시키도록 의도된 툴 안내부의 변위 속도를 계산한다. 이를 위해서, PID 교정기가 사용될 수 있다. PID는 비례 적분 미분과 동의어이다. 이는, 산업계에서 일반적으로 사용되는 폐쇄-루프 제어 시스템이다. 사실상, 본 발명은, 의사가 가하는 작은 진폭의 힘에 의해서 생성되는 움직임이 떨림을 포함할 것이라는 가정에 기초한다. 그에 따라 제안된 해결책은 떨림을 검출하기 위해 빈번한 분석을 할 필요가 없다. 이러한 가설의 적용은 문제를 단순화할 수 있게 하고 PID 교정기를 사용할 수 있게 한다.
특정 실시형태에서, 제어 유닛은 또한 적어도 하나의 방향에 따른 툴 안내부의 변위를 방지하도록 구성된다.
용어 "방향"은, 툴 안내부가 포함되는 3차원의 기준 시스템(x, y, z)에서의 툴 안내부의 자유도에 상응한다. 이러한 방향은 특히 각각의 축(x, y 또는 z)에 따른 병진운동 또는 이러한 각각의 축을 중심으로 하는 회전일 수 있다.
이러한 유형의 배치는 로봇 아암의 변위를 제어하여, 예를 들어 환자의 신체 내로의 의료 기구의 부분적인 또는 전체적인 삽입 후 그리고 툴 안내부로부터의 의료 기구의 해제 후에 로봇 아암이 해제되는 경우, 툴 안내부가 의료 기구와 충돌하는 것을 방지할 수 있게 한다.
특정 실시형태에서, 제어 유닛은 또한 예를 들어 툴 안내부의 주 축에 상응하는 하나의 방향에 따른 툴 안내부의 변위를 제한하도록 구성될 수 있다.
이러한 유형의 배치는 로봇 아암의 변위를 제어하여, 로봇 아암을 의료 기구가 삽입된 위치에 상응하는 위치로 가져갈 수 있게 한다.
특정 실시형태에서, 이득 인자의 값은 그에 따라 이하와 같이 정의되고:
[수학식 1]
여기에서, G(f)는 이득 인자이고; K는 상수이고; |f|는 힘 센서를 이용하여 제어 유닛에 의해서 결정되는, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘이고; Fmin 및 Fmax는 의사가 가하는 힘에 대한 최소값 및 최대값에 각각 해당한다. |f|, Fmin 및 Fmax는 힘의 표준(뉴튼으로 측정되는 힘의 세기)에 해당한다. 이하의 설명에서, 달리 표시되지 않는 한, 의사 또는 의료 기구에 의해서 가해지는 힘을 지칭할 때, 이는 다소 부정확하게는 "힘의 세기"를 의미한다. 예를 들어, Fmin는 2 N이고, Fmax는 60 N이다.
특정 실시형태에서, 제어 유닛은 툴 안내부의 현재 위치와 툴 안내부가 도달하여야 하는 목표 위치 사이의 거리에 또한 상응하는 툴 안내부의 변위 속도를 계산하도록 구성된다.
특히, 이러한 유형의 배치는, 의료 기구가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 근접할 때 정확도 및 안전성을 높이기 위해서, 툴 안내부가 목표 위치로 접근함에 따라 툴 안내부의 접근 속도를 더 제한할 수 있게 한다.
특정 실시형태에서, 로봇 아암은 적어도 6의 자유도를 갖는 관절형 아암이다.
로봇 아암에서 적어도 6의 자유도를 이용하는 것은 툴 안내부가 공간 내의 임의의 위치에 도달할 수 있도록 보장할 수 있게 한다. 또한, 의료 기구가 축방향 대칭을 갖는 경우(예를 들어, 의료 기구가 바늘인 경우), 5의 자유도로 충분한데, 이는 의료 기구의 대칭 축을 중심으로 하는 회전을 실행할 필요가 없기 때문이다. 이러한 부가적인 자유도는 중복성 상황(situation of redundancy)에 있을 수 있게 하고, 지정된 위치에 대한 로봇 아암의 무한한 가능한 구성을 가질 수 있게 한다. 이러한 것은, 의사가 예를 들어 시술실 내의 고유의 제약(의료진이 사용할 수 있는 공간, 장애물의 존재, 임의의 내비게이션 시스템에 의한 툴 안내부의 가시성 등)에 따라 로봇 아암의 최적의 구성을 선택할 수 있기 때문에, 특정 양의 유연성을 제공한다.
특정 실시형태에서, 의료용 로봇이 "의료 기구 삽입" 모드에서 사용될 때, 제어 유닛은 툴 안내부의 임의의 변위를 방지하고, 힘 센서에 의해서 의료 기구에 가해지는 힘을 결정하도록 구성된다. 툴 안내부는 제어 유닛의 명령으로 의료 기구를 자동적으로 해제하기 위한 수단을 포함한다. 제어 유닛은, 의료 기구에 가해지는 힘이 미리 결정된 문턱값보다 크거나, 지정된 기간에 걸쳐 의료 기구에 가해지는 힘의 변동이 미리 결정된 문턱값보다 큰 경우에 의료 기구를 해제하도록 툴 안내부에 명령하도록 구성된다.
이러한 유형의 배치는, 의료 기구의 삽입 단계 중에(즉, 환자의 신체 내로의 의료 기구의 삽입을 안내하기 위해서 의료 기구가 툴 안내부 내에서 고정되어 있는 경우), 예를 들어 환자가 무호흡이어야 하지만, 호흡에 따른 움직임의 결과로서 환자가 예상치 못한 힘을 의료 기구에 가하는 경우, 의료 기구를 즉각적으로 해제할 수 있게 한다.
특정 실시형태에서, 툴 안내부는 내비게이션 시스템에 의해서 검출될 수 있는 적어도 하나의 마커를 포함하고, 제어 유닛은,
내비게이션 시스템을 기준으로 하는 툴 안내부의 위치와 관련된 제1 정보 단편을 상기 내비게이션 시스템으로부터 수신하고;
툴 안내부가 도달하여야 하는, 내비게이션 시스템을 기준으로 하는, 목표 위치와 관련된 제2 정보 단편을 상기 내비게이션 시스템으로부터 수신하고;
제2 정보 단편으로, 의료용 로봇을 기준으로, 목표 위치를 결정하고;
툴 안내부가 목표 위치에 도달하게 하기 위해서, 의사의 개입 없이, "자동 제어" 모드에서, 로봇 아암을 변위시키도록 구성된다.
이러한 유형의 배치는 로봇 아암을 자동적으로 그리고 정확하게 변위시켜, 툴 안내부를 목표 위치로 가져갈 수 있게 하고, 이러한 목표 위치에서 의료 기구는 환자의 신체 내로 삽입되어 수술적 시술을 수행할 수 있다.
특히, 툴 안내부의 목표 위치는, 개입-전 의료 이미지에서 계획된, 의료 기구가 따라야 하는 궤적에 따라 결정될 수 있다. 이를 위해서, 특정 실시형태에서, 제2 정보 단편은, 해부학적 조직의 관련 부위에 인접하여 환자 상에 배치되도록 의도된 환자 기준의, 내비게이션 시스템을 기준으로 하는, 위치에 해당한다. 환자 기준은 내비게이션 시스템에 의해서 검출될 수 있는 적어도 하나의 마커, 및 적어도 하나의 방사선-불투과성 마커를 포함한다. 궤적은, 환자의 해부학적 조직의 관련 부위 및 환자 기준의 방사선-불투과성 마커를 확인할 수 있는 개입-전 의료 이미지에 의해서 환자 기준의 위치에 대해서 정의된다. 제어 유닛은 환자 기준의 위치로부터의 그리고 계획된 궤적으로부터의 툴 안내부의 목표 위치를 결정하도록 구성된다.
특정 실시형태에서, 제어 유닛은,
환자 기준의 위치에 대한 툴 안내부의 제1 순간에서의 위치를 기준 위치로서 저장하고;
툴 안내부의 제2 순간에서의 위치와 기준 위치 사이의 차이가 미리 결정된 문턱값보다 작은지의 여부를 결정하도록 구성된다.
이러한 유형의 배치는, 예를 들어 의료 기구가 적절히 삽입되었는지의 여부를 검증하기 위한 의료 이미지를 획득할 수 있도록 로봇 아암이 의료 기구의 부분적인 삽입 후에 해제되어야 하고, 이어서 예를 들어 의료 기구의 삽입을 완료하기 위해서, 로봇 아암을 의료 기구가 삽입되었던 초기 위치로 가져가야 하는 상황에서 특히 유리하다.
특정 실시형태에서, 툴 안내부는 제어 유닛의 명령으로 의료 기구를 자동적으로 해제하기 위한 수단을 포함한다. 제어 유닛은, 제어 유닛이 환자 기준의 예상치 못한 변위를 나타내는 정보를 내비게이션 시스템으로부터 수신하는 경우, 툴 안내부에 명령하여 의료 기구를 해제하도록 구성된다.
따라서, 의료 기구를 환자의 신체 내로 삽입하는 동안 환자가 예상치 못한 움직임을 보일 때 환자가 의료 기구에 의해서 다치는 것을 방지할 수 있다.
이하에 나타내는 도 1 내지 도 9를 참조하여 비제한적인 예로서 제공되는 이하의 설명을 통해 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에서의 의료 시술 중에 의사를 보조하기 위한, 본 발명에 따른 의료용 로봇의 개략도이다.
도 2는 의료용 로봇의 로봇 아암의 개략도이다.
도 3은 로봇 아암의 단부에 고정되도록 설계된 툴 안내부의 개략도이다.
도 4는 의료 기구를 툴 안내부의 단부 상에서 고정하기 위한 장치를 도시하는, 툴 안내부의 도면이다.
도 5는 툴 안내부 상의 의료 기구 및 내비게이션 시스템에 의해서 검출될 수 있는 마커의 배치를 도시하는 툴 안내부의 도면이다.
도 6은 해부학적 조직의 관련 부위에 근접하여 환자 상에 배치되도록 설계된 환자 기준의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 의료용 로봇과 내비게이션 장치 사이의 협력에 관한 도면이다.
도 8은 인가되는 힘에 적용된 일정한 이득 인자에 따라 속도가 정의되는, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따른 툴 안내부의 속도 및 가속도를 특히 나타내는 그래프로 구성된다.
도 9는 인가되는 힘에 따라 이득 인자가 변화되는 것으로서, 인가되는 힘에 적용되는 가변 이득 인자에 따라 속도가 정의되는, 도 8에 도시된 그래프와 유사한 그래프로 구성된다.
이 도면들에서, 하나의 도면과 다른 도면에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 명료함을 위해서, 도시된 요소들은, 달리 기술되지 않는 한, 반드시 동일한 축척일 필요는 없다.
도 1은 본 발명에 따른 의료용 로봇(10)을 개략적으로 도시한다. 의료용 로봇(10)은 시술 테이블(21) 상에 배치된 환자(20)의 해부학적 조직의 관련 부위 상에서의 의료 시술 중에 의사를 보조하기 위해서 사용된다.
비제한적인 예로서, 이는 최소 침습적 또는 경피적 수단에 의해서 수행되는 의료 시술에서 사용되는 경우이다. 이러한 유형의 시술은 일반적으로 의사가 하나 이상의 의료 기구(예를 들어, 바늘, 프로브, 카테터 등)를 해부학적 조직의 관련 부위 내의 목표 해부학적 영역(예를 들어, 간, 폐, 신장의 종양 등)에 도달하도록 지정된 깊이까지 아래로 환자의 신체 내로 삽입할 필요가 있다.
의료용 로봇(10)은 기부(11)를 포함한다. 고려되는 예에서, 의료용 로봇(10)의 기부(11)는 모터식 바퀴를 구비하고, 이러한 바퀴는 의료용 로봇(10)이 병진운동 및/또는 회전 이동에 의해서 상이한 방향들로 변위될 수 있게 한다.
의료용 로봇(10)은 또한, 일 단부가 기부(11)에 연결된 관절형의 로봇 아암(13)을 포함한다. 로봇 아암(13)의 타 단부에는, 예를 들어 바늘, 프로브, 카테터, 전극 등과 같은 의료 기구(15)를 안내하도록 설계된 안내 툴(14)이 고정된다. 따라서, 의료 로봇(10)은 의사를 도와서 의료 시술 중에 의료 기구(15)를 배치, 고정, 또는 안내하기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 의료 로봇(10)은 의사를 위한 제3의 팔의 부분으로서의 역할을 한다.
고려되는 그리고 도 2에 도시된 예에서, 로봇 아암(13)은 6개의 선회 관절부(131 내지 136)를 포함하고, 그에 따라 6의 자유도를 제공하여 의료 기구(15)를 3차원 공간의 임의의 위치로 배치 및/또는 변위시킬 수 있게 한다. 유리하게는, 로봇 아암(13)의 관절부(131 내지 135)는 정렬되지 않고, 서로에 대해서 오프셋되며, 이는 로봇 아암(13)이 여러 가능한 구성을 가질 수 있게 한다. 각각의 관절부는, 그 각 위치를 실시간으로 결정할 수 있게 하는 적어도 하나의 인코더를 포함한다. 따라서, 로봇 아암(13)의 구성은 관절부(131 내지 136)에 의해서 취해지는 일련의 매개변수의 값(예를 들어, 각각의 관절부의 회전 각도의 값)에 상응한다. 선회 관절부(136)는 툴 안내부(14)의 주 축을 중심으로 하는 회전에 상응한다. 그러나, 의료 기구의 대칭 축을 중심으로 하는 회전을 실행할 필요가 없다는 것에 유의하여야 한다(사실상 의료 기구를 안내 및 해제하는데 있어서 5의 자유도도 충분하다). 이러한 부가적인 자유도는 중복성 상황에 있을 수 있게 하고, 툴 안내부(14)의 지정된 위치에 대한 로봇 아암(13)의 무한한 가능한 구성을 가질 수 있게 한다. 이러한 중복성의 상황은 환자의 위치 또는 시술실의 구성과 연관된 제약에 맞춰 구성하는데 있어서 특히 유리하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14)는 플랜지(17)에 의해서 로봇 아암(13)에 고정된다. 툴 안내부는 도 3에서 파선으로 표시된 주 축(145)을 포함한다. 툴 안내부(14)는 힘 센서(16)에 커플링되어, 제어 유닛(12)이 툴 안내부(14)에 가해지는 힘을 결정할 수 있게 한다. 이러한 힘은 특히 로봇 아암(13)을 수동으로 변위시킬 때 의사에 의해서 인가될 수 있다. 이러한 힘은 또한 (예를 들어, 의료 기구의 삽입 중의 환자의 우발적인 움직임의 결과로서) 환자의 신체에 의해서 의료 기구(15)를 통해서 툴 안내부(14)에 가해지는 힘에 상응할 수 있다.
힘 센서는 (의사뿐만 아니라, 툴 안내부(14)의 중량, 의료 기구(15)의 중량 등에 의해서 가하는 힘을 포함하는) 힘 센서(16)가 받는 힘 및 모멘트의 결과에 상응하는 전체 힘을 측정할 수 있게 한다는 것에 유의하여야 한다. 제어 유닛은 힘 센서(16)가 받는 힘 및 모멘트의 결과에 따라 의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘을 결정하도록 구성된다. 이를 위해서, 예를 들어, 전체 힘으로부터, 툴 안내부(14)의 중량에 상응하는 힘, (기구가 툴 안내부(14)에 의해서 유지되는 경우) 의료 기구(15)의 중량에 상응하는 힘, 측정 지점과 툴 안내부의 질량 중심 사이의 차이에 의해서 유발되는 토크, 및/또는 측정 노이즈와 관련된 임의의 보상을 차감할 필요가 있다. 또한, 힘 센서(16)에 의해서 만들어진 측정에 대해서 필터링을 실행하는 것을 예상할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14)는 나사(143)뿐만 아니라, 서로에 대해서 이동될 수 있는 2개의 부품을 포함하는 고정 시스템(146)에 의해서 플랜지(17) 상에 고정되도록 설계된 기부(142)를 갖는 본체(141)를 포함한다. 고정 시스템(146)은 기부(142)에 대향되는 툴 안내부(14)의 본체(141)의 단부에서 의료 기구(15)를 고정하도록 설계된다. 고정 시스템(146)의 2개의 이동 가능 부품은, 의료 기구(15)를 차단 또는 해제하기 위해서, 기어, 캠, 반전된 나사산을 갖는 나사, 및/또는 선형 작동기와 같은 구동 시스템에 의해서 구동될 수 있다. 선형 작동기는 가역적(툴 안내부(14)의 고정 시스템(146)은 수동으로 또는 제어 유닛(12)으로부터의 명령으로 자동적으로 개방될 수 있다), 또는 비-가역적(툴 안내부(14)의 고정 시스템(146)은 제어 유닛으로부터의 명령으로만 자동적으로 개방될 수 있다)일 수 있다. 툴 안내부(14)는 예를 들어 상이한 직경들을 갖는 의료 기구들을 안내할 수 있게 한다. 예를 들어, 이러한 유형의 안내부는, 직경이 11 내지 21 게이지인, 의료 기구를 안내할 수 있게 한다. 게이지는 바늘, 프로브, 또는 카테터와 같은 의료 기구의 외경을 정의하기 위해서 일반적으로 사용되는 측정 단위이다(11 게이지는 2.946 mm의 외경에 해당하고; 21 게이지는 0.812 mm의 외경에 해당한다).
도 1에 도시된 바와 같이, 의료용 로봇(10)은, 로봇 아암(13)의 변위를 제어하도록 구성된 제어 유닛(12)을 포함한다. 제어 유닛(12)은 예를 들어 하나 이상의 프로세서(122) 및 메모리(121)(자기적 하드 디스크, 전자 메모리, 광학 디스크 등)를 포함하고, 이러한 메모리에는 컴퓨터 프로그램 제품이 로봇 아암(13)을 배치하기 위한 방법의 상이한 단계들을 구현하기 위해서 실행되는 프로그램 코드 명령어의 세트 형태로 저장된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 내비게이션 시스템(30)을 이용하여 툴 안내부(14)의 현재 위치에 관한 그리고 툴 안내부가 도달하여야 하는 목표 위치에 대한 정보를 의료용 로봇(10)의 제어 유닛(12)에 제공할 수 있다. 제공된 현재 위치 및 목표 위치는 예를 들어 초기에 내비게이션 시스템(30)을 기준으로 정의되고, 이어서 제어 유닛(12)에 의해서 의료용 로봇(10)을 기준으로 하는 위치로 변환된다. 이어서, 제어 유닛은 목표 위치에 도달하게 (의사의 개입이 없는, 소위 "자동 제어" 모드에서) 로봇 아암(13)을 자동적으로 변위시키도록 구성될 수 있다. 의료용 로봇(10)의 내비게이션 시스템(30) 및 제어 유닛(12)은 (유선 또는 무선) 통신 수단을 통해서 데이터를 교환할 수 있다.
본원에서, 용어 "위치"는, 일반적으로 3차원의 좌표계인 지정된 기준 내의 물체의 위치 및 배향의 조합에 해당한다. 용어 "자세(pose)"는 앵글로 색슨 문헌에서 이러한 공간 내의 물체의 위치 및 배향의 조합을 표현하는 데 사용된다.
고려되는 예에서, 내비게이션 시스템(30)은 광학 내비게이션 시스템이다. 내비게이션 시스템(30)은 예를 들어 적외선 필드 또는 가시광선 필드에서 동작하는 입체 카메라의 2개의 센서에 상응하는 적어도 2개의 광학 센서(31)를 포함한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14)는 광학 마커(147)를 수용하도록 설계된 스터드(144)를 포함한다. 유리하게는, 툴 안내부(14)는, 툴 안내부(14)의 위치가 내비게이션 시스템(30)의 기준 시스템의 3개의 공간적 차원에서 결정될 수 있도록 적어도 3개의 광학 마커(147)를 포함한다. 툴 안내부의 광학 마커들(147)의 서로에 대한 각각의 위치는 내비게이션 장치(30) 및/또는 제어 유닛(12)에 의해서 사전에 알려져 있다. 유리하게는, 각각의 광학 마커(147)의 기하학적 형태도 사전에 알려져 있다. 도 5에 도시된 예에서, 광학 마커(147)는 구형 형태를 갖는다.
적어도 3개의 광학 마커(147)를 사용하면 평면을 정의할 수 있고, 따라서 평면에 수직인 축(z), 그리고 평면 상의 축(x) 및 축(y)을 갖는 직접적으로 직교하는 3차원적인 기준을 정의하여 기준이 직접적이 되도록 할 수 있다. 따라서, 이는 툴 안내부(14)를 나타내는 광학 마커(147)로부터 형성된 기준의 위치 및 배향을 결정할 수 있게 한다. 3개의 축(x, y 및 z)은 6의 자유도, 즉 각각의 축(x, y 및 z)에 따른 병진운동, 및 이러한 각각의 축을 중심으로 하는 회전을 정의할 수 있게 한다.
광학 마커(147)는 피동형 또는 능동형일 수 있다. 피동형 광학 마커는 예를 들어 내비게이션 시스템(30)과 같은 다른 요소에 의해서 방출되는 광학 방사선을 반사시킨다. 피동형 광학 마커는 예를 들어, (예를 들어, Northern Digital Inc. 회사가 생산하는 Polaris® 내비게이션 시스템에서 사용되는) 적외선 입체 카메라에 의해서 검출될 수 있는 반사 구체, 또는 (예를 들어, ClaroNav 회사의 MicronTracker® 내비게이션 시스템에서 사용되는) 입체 카메라에 의해서 확인될 수 있는 흑색 및 백색 패턴에 상응할 수 있다. 능동형 광학 마커는 내비게이션 시스템(30)에 의해서 검출될 수 있는 광학 방사선, 예를 들어 적외선을 자체적으로 방출한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14) 상에 존재하는 마커(147)의 조립체는 로봇 기준(18)에 상응한다.
그러나, 3차원의 특징적인 기하학적 형태를 갖는 하나의 광학 마커가 구형 광학 마커(147)의 조립체 대신 사용될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
환자 기준(22)이 해부학적 조직의 관련 부위에 근접하여 환자(20) 상에 배치된다. 도 6은 환자 기준(22)을 개략적으로 도시한다. 환자 기준(22)은 적어도 3개의 광학 마커(23)를 포함하고, 그에 따라 환자 기준(22)의 위치는 내비게이션 시스템(30)의 기준 시스템의 3개의 공간적 차원에서 결정될 수 있다. 환자 기준(22)의 광학 마커들(23)의 서로에 대한 각각의 위치는 내비게이션 시스템(30) 및/또는 제어 유닛(12)에 의해서 사전에 알려져 있다. 유리하게는, 각각의 광학 마커(23)의 기하학적 형태도 사전에 알려져 있다. 도 6에 도시된 예에서, 환자 기준(22)은 구형 형태를 갖는 3개의 광학 마커(23)를 포함한다. 구형 형태는 광학 방사선의 반사를 최적화할 수 있게 한다. 툴 안내부(14)의 능동형 또는 피동형의 광학 마커(147)에 대해서 전술한 설명이 환자 기준(22)의 광학 마커(23)에도 적용된다. 이 경우에 또한, 3개의 구형 광학 마커(23) 대신 3차원의 특징적인 기하학 형태를 갖는 하나의 광학 마커를 사용하는 것을 생각할 수 있다.
이하의 설명에서, 비제한적인 예로서, 내비게이션 시스템(30)의 광학 센서(31) 및 상이한 광학 마커들(147, 23)이 적외선 유형의 광학 방사선으로 동작되도록 설계되는 것이 고려된다. 또한, 광학 마커(147, 23)가 피동형 마커인 것이 고려될 수 있다. 광학 센서(31)는 적외선을 방출하도록 구성된다. 이러한 적외선은 상이한 광학 마커들(147, 23)에 의해서 광학 센서(31)를 향해서 반사된다. 광학 센서(31)는 이러한 반사된 적외선을 수용하도록 구성된다. 이어서, 내비게이션 시스템(30)은, 적외선 광선이 상기 광학 센서(31)와 상기 광학 마커(147, 23) 사이의 외측 및 복귀 거리를 완료하는데 소요되는 시간을 측정함으로써, 광학 마커(147, 23)와 광학 센서(31) 사이의 거리를 결정할 수 있다. 각각의 광학 마커(147, 23)와 각각의 광학 센서(31) 사이의 거리를 알고, 툴 안내부(14) 상의 그리고 환자 기준(22) 상의 광학 마커들(147, 23)의 서로에 대한 배치를 사전에 아는 것에 의해서, 내비게이션 시스템(30)의 기준 시스템 내의 툴 안내부(14)의 그리고 환자 기준(22)의 위치를 결정할 수 있다.
툴 안내부(14)가 도달하여야 하는 목표 위치는 특히 환자 기준(22) 위치로부터 정의될 수 있다. 이를 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 환자 기준(22)은 또한, 의료 이미지 장치에 의해서(예를 들어, 단층 감광도 측정(tomodensitometry), 자기 공명, 초음파, 단층 촬영, 위치 방출(emission of positions) 등에 의해서) 획득된 의료 이미지 상에서 확인될 수 있는 방사선-불투과성 마커(24)를 포함한다. 방사선-불투과성 마커들(24)의 서로에 대한 각각의 위치는 내비게이션 장치(30) 및/또는 제어 유닛(12)에 의해서 사전에 알려져 있다. 유리하게는, 방사선-불투과성 마커(24)의 기하학적 형태도 사전에 알려져 있을 수 있다. 바람직하게는, 환자 기준(22)은 적어도 3개의 방사선-불투과성 마커(24)를 포함한다. 방사선-불투과성 마커(24)는 예를 들어 세라믹 볼일 수 있다. 그러나, 3차원의 특징적인 기하학적 형태를 갖는 하나의 방사선-불투과성 마커가 3개의 구형 방사선-불투과성 마커(24) 대신 사용될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
따라서, 환자 기준(22)을 구비하는 환자의 개입-전 의료 이미지(40)로부터 의료 시술을 계획할 수 있다. 이러한 개입-전 의료 이미지(40)는 제어 유닛(12)의 메모리(121) 내에 저장된다. 따라서, 개입-전 의료 이미지(40)로부터, 의료 시술의 수행을 위해, 의료 기구(15)를 안내하기 위해서 툴 안내부(14)가 채택하여야 하는 목표 위치를 정의할 수 있다. 계획하는 것은, 개입-전 이미지(40)에서, 환자(20)의 피부에 위치되는 진입 지점과 환자(20)의 해부학적 조직의 관련 부위 내의 목표 지점(예를 들어, 종양) 사이에서, 의료 기구(15)(예를 들어, 바늘)가 따라야 하는 궤적(41)을 결정하는 것을 포함한다. 도 7의 기준(42)은 환자 기준(22)의 방사선-불투과성 마커들(24)의 조립체를 나타내고, 이러한 마커는 개입-전 이미지(40)에서 확인될 수 있다(그에 따라, 이는 개입-전 이미지(40) 상에서 환자 기준(22)의 이미지를 나타낸다). 따라서, 궤적(41)에 따를 수 있게 하는 툴 안내부(14)의 목표 위치가 환자 기준(22)의 위치에 대해서 정의될 수 있다.
궤적의 결정이 또한 시술 몇 일 전에 획득된 수술-전 이미지(이러한 이미지는 환자가 환자 기준을 갖지 않은 상태에서 획득된다)에 대해서 수행될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 이어서, 수술-전 이미지는 환자 기준을 확인할 수 있는 개입-전 이미지(40)로 리셋될 수 있고, 그에 따라 궤적과 관련된 환자 기준(22)의 상대적인 위치를 획득할 수 있다.
관련된 예에서, 내비게이션 시스템(30)은 내비게이션 시스템(30)의 기준 내의 툴 안내부(14)의 현재 위치를 의료용 로봇(10)의 제어 유닛(12)에 제공하도록 구성된다. 그러나, 의료용 로봇(10)의 제어 유닛(12)은 (관절부(131 내지 136)의 인코더를 통해서) 의료용 로봇(10)의 기준 시스템 내의 툴 안내부(14)의 현재 위치를 알고 있다. 따라서, 제어 유닛(10)은 내비게이션 장치(30)의 기준 시스템 내의 위치로부터 의료용 로봇(10)의 기준 시스템 내의 위치를 정의하기 위해서 적용될 변환을 결정할 수 있다. 내비게이션 시스템(30)은 또한 내비게이션 시스템(30)의 기준 내의 환자 기준(22) 위치를 의료용 로봇의 제어 유닛(12)에 제공하도록 구성된다. 따라서, 제어 유닛(12)은 의료용 로봇(10)의 기준 시스템 내의 환자 기준(22)의 위치를 정의할 수 있다. 그러나, 개입-전 이미지(40)에 의해서, 의료용 로봇(10)의 제어 유닛(12)은 툴 안내부(14)가 환자 기준(22) 위치에 대해서 도달하여야 하는 목표 위치의 위치를 알고 있다. 따라서, 제어 유닛(12)은 내비게이션 시스템(30)에 의해서 제공되는 정보로부터 툴 안내부(14)가 도달하여야 하는 목표 위치를 결정할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(12)은 목표 위치에 도달하게 (의사의 개입이 없는, 소위 "자동 제어" 모드에서) 로봇 아암(13)을 자동적으로 변위시키도록 구성될 수 있다.
로봇 아암(13)의 변위는 예를 들어 의료용 로봇(10)의 사용자 인터페이스 상에서의 제어 모드의 선택 및 제어 페달(19)에 의해서 선택된 모드의 활성화에 따라서 달라진다.
소위 "협동적 수동 제어" 모드는, 의사가 스스로 로봇 아암(13)을 수동으로 변위시킬 수 있으나, (로봇 아암(13)의 변위의 속도 및 가능한 방향을 제한하기 위해서) 로봇 아암(13)의 변위는 제어 유닛(12)에 의해서 제어되는, 모드에 해당한다.
소위 "자동 제어" 모드는, 로봇 아암(13)이 제어 유닛(12)에 의해서 완전히 제어되는 모드에 해당한다. 따라서, 로봇 아암(13)은, 의사의 개입 없이, 자동적으로 변위된다.
복수의 "협동적 수동 제어" 모드가 존재한다.
소위 "접근 협동적 수동 제어" 모드는, 예를 들어, 안내 툴(14)을 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 비교적 가까운 접근 위치(101)로 가져가고 로봇 아암(13)을 내비게이션 시스템(30)의 시계에 진입시키기 위해서, 의사가 로봇 아암(13)을 변위시키는 모드에 해당한다. 이러한 모드에서, 의사가 로봇 아암(13)에 가하는 힘에 따라 로봇 아암(13)의 변위의 속도를 제어하는 것이 유리하다. 이러한 모드에서, 로봇 아암(13)의 변위는 일반적으로 모든 방향으로 허용된다.
이어서, 로봇 아암은 접근 위치(101)로부터 삽입 위치(102)로 ("자동 제어" 모드에서) 자동적으로 변위될 수 있다. 삽입 위치(102)는, 의료 기구(15)가 계획된 궤적에 따를 수 있게 하기 위해서 툴 안내부(14)가 배치되어야 하는 목표 위치에 해당한다.
소위 "해제 협동적 수동 제어" 모드는, 예를 들어, 환자(20)의 신체 내로의 의료 기구(15)의 부분적인 삽입 후에, 의료 기구(15)가 툴 안내부(14)의 고정 장치(146)로부터 해제될 수 있고 로봇 아암(13)이 의사에 의해서 수동적으로 삽입 위치(102)로부터 해제 위치(103)를 향해서 해제될 수 있는 모드에 해당한다. 이러한 유형의 배치는, (예를 들어, 의료 기구가 따르는 궤적이 계획된 궤적에 상응하는 지를 체크하기 위해서) 의료 기구(15)의 부분적인 삽입 후에 제어 의료 이미지를 생성하기 위해서 환자(20)를 움직이도록 할 수 있게 한다. 이러한 모드에서, 로봇 아암(13)을 제어하여, 적어도 하나의 방향에 따른 툴 안내부(14)의 변위를 방지하거나, 또는 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 상응하는 하나의 방향에 따른 툴 안내부(14)의 변위를 제한하도록 구성하는 것이 유리할 수 있다(해제 방향은 고정 장치(146)로부터 기부(142)로 진행하는 방향으로 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 따른다). 특정 실시형태에 따라, "해제 협동적 수동 제어" 모드가 활성화되는 경우, 제어 유닛(12)은 환자 기준(22) 위치에 대한 툴 안내부(14)의 현재 위치를 기준 위치로서 저장하도록 구성된다. 따라서, 기준 위치는, "해제 협동적 수동 제어" 모드가 활성화되는 제1 순간(t1)에서의 툴 안내부(14)의 위치이다.
소위 "복귀 협동적 수동 제어" 모드는, 제어 이미지가 생성된 후에, "해제 협동적 수동 제어" 모드가 선택되었을 때 기록된 기준 위치를 툴 안내부(14)가 다시 획득하도록 하기 위해서, 로봇 아암(13)이 의사에 의해서 수동으로 변위되는 모드에 해당한다. 이러한 기준 위치는 삽입 위치(102)(툴 안내부(14)가 도달하여야 하는 목표 위치)에 해당한다. "복귀 협동적 수동 제어" 모드는 그에 따라, 의료 기구(15)의 삽입을 완료하고, 툴 안내부(14)를 해제 위치(103)로부터 삽입 위치(102)로 가져가기 위해서 사용된다. 그 변위에서, 툴 안내부(14)는 삽입 위치(103)를 넘어서 진행하지 않는 것이 중요하다(다시 말해서, 툴 안내부(14)가 삽입의 완료를 위한 정확한 위치에 있지 않을 수 있고, 부분적으로 삽입된 의료 기구와 툴 안내부(14) 사이의 충돌이 또한 있을 수 있다). 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 따른 방향으로 툴 안내부(14)의 변위를 제한하도록 로봇 아암(13)을 제어하는 것이 유리할 수 있다(복귀 방향은 기부(142)로부터 고정 장치(146)를 향해서 진행하는 방향으로 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 따른다). 또한, 툴 안내부(14)의 현재 위치와 (기록된 기준 위치에 상응하는) 툴 안내부(14)가 도달하여야 하는 목표 위치 사이의 거리에 따라 툴 안내부(14)의 변위 속도를 제어하도록 제어 유닛(12)을 구성하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 제2 순간(t2)에 대해서, 제어 유닛(12)은 제2 순간(t2)에서의 툴 안내부의 위치와 기준 위치(제1 순간(t1)에서의 툴 안내부(14)의 위치) 사이의 차이를 계산하도록 구성된다. 목표 위치에 도달할 때 0의 속도가 될 때까지, 계산된 거리가 짧을수록(즉, 툴 안내부(14)가 그 목표 위치에 더 근접할수록), 변위 속도가 느려지도록, 툴 안내부(14)의 변위 속도가 제어된다. 제어 유닛(12)은, 툴 안내부(14)가 도달한 위치와 기준 위치 사이의 차이가 미리 결정된 문턱값보다 작은지 여부를 결정하도록 구성된다. 이 경우에, 목표 위치에 도달한 것으로 간주된다. 툴 안내부(14)의 위치가 환자 기준(22) 위치의 위치에 대해서 정의된다는 것에 유의하여야 한다. 목표 위치에 도달하였을 때, 의사는 의료 기구(15)의 삽입을 완료할 수 있다. 미리 결정된 문턱값은 예를 들어 1 mm, 또는 밀리미터의 1/10(0.1 mm), 또는 심지어 밀리미터의 3/100(0.03 mm)이다.
"협동적 수동 제어" 모드가 활성화되는 경우, 의사는 자기 손으로 툴 안내부(14)에 힘을 가함으로써 로봇 아암(13)을 변위시킨다. 그러나, 로봇 아암(13)의 변위는, 힘 제어(툴 안내부(14)의 변위 속도의 제어) 및 위치 제어(툴 안내부(14)의 변위 방향의 제어)를 실행하는 제어 유닛(12)에 의해서 제어된다.
힘 제어는 어드미턴스(admittance)에 의해서 제어 법칙에 의해 통제된다. 툴 안내부(14)의 변위 속도는 제어 유닛(12)에 의해서 제어된다. 툴 안내부(14)의 변위 속도는 의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘에 따라 계산되고, 상기 힘은 힘 센서(16)를 이용하여 제어 유닛에 의해 결정된다.
더 구체적으로, 그렇게 결정된 힘은 제어 루프의 입력 데이터에 해당한다. 이러한 제어 루프의 출력 데이터는 툴 안내부(14)의 데카르트 변위 속도이다. 제어 루프는 예를 들어 125 Hz의 주파수에서 동작한다(이 경우, 툴 안내부(14)의 변위 속도의 값은 8 ms마다 업데이트된다).
제어 유닛(12)은 툴 안내부(14)의 변위 속도를 계산하고, 이는 의사가 툴 안내부에 가하는 힘을 무효화할 수 있게 한다. 다시 말해서, (제어 루프의 각각의 반복에서) 현재 순간에 결정된 이러한 힘의 값과 필요한 힘의 값(0의 힘) 사이의 (오류로도 알려져 있는) 차이는 결정된 힘과 동일하다. 제어 루프의 알고리즘은, 오류가 0을 향하게 하는 변위 속도를 정의하도록 설계된다. 이러한 오류를 교정하기 위해서, PID 교정기를 이용할 수 있다(PID는 "비례, 적분, 미분"의 두문자어이다. 이는, 산업계에서 일반적으로 사용되는 폐쇄-루프 제어 시스템이다). 오류(즉, 결정된 힘과 필요한 힘 사이의 차이)는 PID 교정기의 입력 데이터이고, PID 교정기는 0을 향하는 경향이 있는 오류를 획득할 수 있게 하는 속도를 출력으로서 제공한다.
이하에서, 단순함을 위해서, PID 교정기의 "비례" 부분만을 고려한다. 다시 말해서, 이는 "적분" 및 "미분" 부분이 0인 것과 같다.
툴 안내부(14)의 변위 속도는 이득 인자를 결정된 힘에 적용시킴으로써 계산되고:
[수학식 2]
여기에서 G는 이득 인자이고, |f|는 제어 유닛에 의해서 결정된 힘(의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘)이고, |v|는 툴 안내부(14)의 변위 속도이다. 이득 인자(G)는 PID 교정기의 "비례" 부분의 이득 인자(G)에 상응한다.
다시 말해서, 의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘이 클수록, 제어 유닛(12)에 의해서 계산되는 툴 안내부(14)의 변위 속도가 커진다. 따라서, 툴 안내부(14)가 환자로부터 비교적 멀고 의사가 툴 안내부(14)에 상당한 힘을 가할 때, 로봇 아암(13)은 신속하고, 유연하게, 그리고 반응적으로 변위된다. 다른 한편으로, 툴 안내부(14)가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 근접해 있기 때문에 의사가 툴 안내부(14)에 작은 진폭의 힘을 가할 때, 로봇 아암(13)은 저속으로 변위되어 정확도 및 안전성을 보장한다.
그러나, 툴 안내부(14)가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 비교적 근접할 때, 의료 기구의 삽입 위치(102)에 정확히 도달하도록 하기 위해서, 툴 안내부(14)의 움직임은 정확하고 저속으로 제어되어야 한다. 따라서, 의사의 떨림으로 인한 로봇 아암(13)의 갑작스러운 움직임을 방지할 필요가 있다. 이를 위해서, 이득 인자의 값은, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따라 가변적이 되도록 정의된다. 예를 들어, 이득 인자는, 이러한 힘이 최소값(Fmin)과 최대값(Fmax) 사이에서 변화될 때, 이러한 힘과 함께 선형적으로 변화된다. 이득 인자G(f)의 값은 다음과 같이 정의될 수 있다:
[수학식 1]
여기에서, K는 상수이고; |f|는 제어 유닛에 의해서 결정된 힘(의사가 툴 안내부(14)에 가하는 힘)이고; Fmin 및 Fmax는 의사가 가할 수 있는 힘에 대한 최소값 및 최대값에 각각 해당한다. |f|가 Fmax 보다 큰 경우에 이득은 정의되지 않고; |f|가 Fmax 보다 클 때, 속도는 최대 속도(Vmax)으로 설정된 상한선을 갖는다. |f|가 Fmin 보다 작을 때 이득은 0이고; 힘(|f|)이 Fmin 보다 작은 경우, 속도는 0이다.
의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따라 이득 인자가 변화된다는 사실은, 의사의 떨림에 의해서 생성되는 로봇 아암(13)의 급격한 변위를 방지할 수 있게 한다(떨림은 큰 주파수로 변화되는 작은 진폭의 힘에 해당한다). 의사가 툴 안내부에 가하는 힘에 따른 이득 인자의 변동성은, 툴 안내부(14)가 환자의 해부학적 조직의 관련 부위에 근접할 때 툴 안내부(14)의 변위의 정확도 및 안전성을 보장할 수 있게 한다. 또한, 이러한 유형의 이득 인자의 정의은, 의사가 툴 안내부에 가하는 힘이 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 툴 안내부(14)의 변위 속도의 연속성을 허용한다.
수학식 2를 참조하여 설명된 것에 대한 대안으로서, 툴 안내부(14)의 변위 속도는 또한 이하의 형태로 계산될 수 있다:
[수학식 3]
이러한 것이 도 8 및 도 9에서 더 구체적으로 설명된다. 도 8은, 제어 유닛(12)에 의해서 결정된 의사가 툴 안내부에 가하는 힘이 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 이득 인자(G)가 일정한 경우에 해당한다. 도 9는 이득 인자가 결정된 힘에 따라 변화되는 경우에 해당한다(G는 수학식 1에서와 같이 정의된다). 도 8 및 도 9의 각각은 4개의 그래프를 포함한다. 도 8 및 도 9의 그래프 부분 a)는 결정된 힘(|f|)에 따른 툴 안내부(14)의 변위 속도(|v|)을 나타낸다. 도 8 및 도 9의 그래프 부분 b)는 결정된 힘(|f|)에 따른 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)를 나타낸다. 도 8 및 도 9의 그래프 부분 c)는, 의사가 고주파수로 변화되는 작은 진폭의 힘(떨림을 갖는 느린 움직임)으로 툴 안내부(14)를 변위시킬 때의 시간(t)에 기초하여 결정된 힘(|f|)을 나타낸다. 도 8 및 도 9의 그래프 부분 d)는, 힘이 그래프 부분 c)에 도시된 바와 같이 변화될 때(떨림을 갖는 느린 움직임)의 시간(t)에 기초하는 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)를 나타낸다.
도 8에 해당하는 시나리오에서, 이득 인자(G)는, 결정된 힘이 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 일정하다. 이득 인자(G)는, 결정된 힘이 Fmin 보다 작을 때 0이다. 툴 안내부(14)의 변위 속도는, 결정된 힘이 Fmax 보다 클 때 최대 속도(Vmax)에서 설정된 상한선을 갖는다. 도 8의 부분 a)에 도시된 바와 같이, |v|는, |f|가 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 0과 Vmax 사이에서 선형적으로 변화된다. |f|가 Fmin 보다 작을 때, |v|는 0이다. 도 8의 부분 a)에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는 이어서, |f|가 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 일정한 값(A)을 채택한다. 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는, |f|가 Fmin 보다 작거나 Fmax 보다 클 때 0이다. 따라서, 도 8의 부분 d)에서, |f|가 도 8의 Fmin(부분 c)에 도시된 바와 같이, 의사가 떨림을 가지고 가하는 작은 진폭의 힘) 주위에서 진동할 때, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는 결정된 힘(|f|)이 Fmin를 초과할 때마다 값(0)으로부터 값(A)으로 급격히 변화된다는 것이 도시되어 있다. 반대로, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는 결정된 힘(|f|)이 Fmin 미만이 될 때마다 값(A)으로부터 값(0)으로 급격히 변화된다. 이러한 유형의 상황은 툴 안내부(14)의 급격한 움직임으로 이어진다.
도 9에 해당하는 시나리오에서, 이득 인자(G)는, |f|가 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때, 결정된 힘(|f|)과 함께 선형적으로 변화된다. 이득 인자(G)는, 결정된 힘이 Fmin 보다 작을 때 0이다. 툴 안내부(14)의 변위 속도는, 결정된 힘이 Fmax 보다 클 때 최대 속도(Vmax)에서 설정된 상한선을 갖는다. 도 9의 부분 a)에 도시된 바와 같이, |v|는, |f|가 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 0과 Vmax 사이에서 지수 함수적으로 변화된다. |f|가 Fmin 보다 작을 때, |v|는 0이다. 도 9의 부분 a)에 도시된 바와 같이, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는, |f|가 Fmin과 Fmax 사이에서 변화될 때 최소값(Amin)과 최대값(Amax) 사이에서 선형적으로 변화된다. 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는, |f|가 Fmin 보다 작거나 Fmax 보다 클 때 0이다. 따라서, 도 9의 부분 d)에서, |f|가 Fmin(도 9의 부분 c)에 도시된 바와 같이, 의사가 떨림을 가지고 가하는 작은 진폭의 힘) 주위에서 진동할 때, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)는 결정된 힘(|f|)이 Fmin를 초과할 때마다 값(0)으로부터 값(Amin)으로 변화되고, |a|는, |f|가 Fmin 보다 클 때 |f|와 함께 연속적이고 선형적으로 변화되고, |a|는, 결정된 힘(|f|)이 Fmin 미만이 될 때마다 값(Amin)으로부터 값(0)으로 변화된다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 값(Amin)은 값(A)보다 상당히 더 작다. 도 9의 부분 d)에 표시된, 툴 안내부(14)의 가속도(|a|)의 변동은 도 8의 부분 d)에 표시된 변동보다 뚜렷하게 더 작다. 따라서, 결정된 힘에 따른 이득 인자(G)의 값의 변화는, 의사의 떨림에 의해서 생성되는 로봇 아암(13)의 급격한 변위를 방지할 수 있게 한다.
수학식 1에 의해서 제시된 이득 인자(G)의 정의가 단지 비제한적인 예라는 것에 유의하여야 한다. 이득 인자(G)가 결정된 힘에 따라 변화되게 하면서, 이득 인자(G)를 달리 정의하는 것이 예상될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이득 인자(G)의 특정 정의의 선택은 단순히 본 발명의 변형예이다.
위치 제어를 위해서, PID 교정기의 출력부에서 계산된 속도에 선택 매트릭스를 곱한다. 이러한 선택 매트릭스는, 금지된 방향에는 0의 곱셈 계수를 적용하고 허용된 방향에는 1의 곱셈 계수를 적용시킴으로써 제어되어야 하는 위치 방향을 선택할 수 있게 한다. 선택 매트릭스의 적용 후에 얻어지는 속도는 툴 안내부(14)의 변위 속도에 해당한다.
이미 전술한 바와 같이, "협동적 수동 제어" 모드에서, 특히 툴 안내부(14)를 해제 위치(103)에서 해제하거나("해제 협동적 수동 제어" 모드) 또는 툴 안내부(14)를 해제 위치(103)로부터 삽입 위치(102)로 가져가기 위해서("복귀 협동적 수동 제어" 모드), 로봇 아암(13)을 제어하여 적어도 하나의 방향에 따른 툴 안내부(14)의 변위를 방지하거나 또는 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 상응하는 하나의 방향에 따른 툴 안내부(14)의 변위를 제한하도록 구성하는 것이 유리할 수 있다.
또한, "복귀 협동적 수동 제어" 모드에 대해서도 전술한 바와 같이, 툴 안내부(14)의 현재 위치와 툴 안내부(14)가 도달하여야 하는 목표 위치 사이의 거리에 따라 툴 안내부(14)의 변위 속도를 제어하도록 제어 유닛(12)을 구성하는 것이 유리할 수 있다. 목표 위치에 도달할 때 0의 속도가 될 때까지, 이러한 거리가 짧을수록(즉, 툴 안내부(14)가 그 목표 위치에 더 근접할수록), 변위 속도가 느려지도록 툴 안내부(14)의 변위 속도가 특히 제어될 수 있다.
"접근 협동적 수동 제어" 모드에서, 위치 제어는 없다: 툴 안내부(14)의 변위는 어떠한 방향으로도 구속되지 않는다. 이러한 모드에서 힘 제어만이 적용된다.
의료용 로봇(10)의 제어 유닛(12)은 또한, 예를 들어 의료 기구(15)가 툴 안내부로부터 아직 해제되지 않은 상태에서 환자(20)가 예상치 못한 움직임을 보이는 경우, 의료 기구(15)에 의한 부상 위험의 상황을 검출하도록 구성될 수 있다. 사실상, 이러한 유형의 상황은 의료 기구에 의한 환자의 부상(예를 들어, 의료 기구에 의한, 해부학적 조직의 관련 부위의 건강한 조직 또는 환자의 신체의 다른 부분의 손상)으로 이어질 수 있다. 따라서, 이러한 유형의 상황이 검출될 때, 환자의 부상을 방지하기 위한 수단이 취해질 수 있다.
특정 실시형태에서, 의료용 로봇(10)의 툴 안내부(14)는, 의료 기구(15)를 순간적으로 해제할 수 있게 하는 작동기를 포함한다. 작동기는 의료용 로봇의 제어 유닛(12)에 의해서 제어되어, 고정 장치(146)의 2개의 이동 가능 부분들을 멀리 이동킬 수 있고 그에 따라 의료 기구(15)를 해제할 수 있다. 제어 유닛(12)은, 특정 부상 위험 상황이 검출되는 경우, 툴 안내부(14)에 명령하여 의료 기구(15)를 해제하도록 구성된다.
제1 예에 따라, 환자 기준(22)의 예상치 못한 변위(환자(20)의 예상치 못한 움직임을 나타내는 환자 기준(22)의 위치 변화)를 나타내는, 내비게이션 시스템(30)으로부터 획득된 정보를 제어 유닛(12)이 수신하는 경우, 특정 부상 위험 상황이 검출된다.
제2 예에 따라, "의료 기구 삽입" 모드가 사용자 인터페이스를 통해서 선택될 수 있고, 제어 페달(19)을 통해서 활성화될 수 있다. 이러한 모드에서, 제어 유닛(12)은 툴 안내부(14)의 어떠한 변위도 방지하도록 구성되고, 제어 유닛(12)은 의료 기구(15)에 가해지는 힘을 힘 센서로 결정하도록 구성된다. 특정 부상 위험 상황은, 예를 들어, 의료 기구에 가해지는 힘이 미리 결정된 문턱값보다 클 때 검출된다(환자(20)에 의한 예상치 못한 움직임은 의료 기구(15)를 통해서 힘이 힘 센서(16)에 작용하는 결과를 갖는다). 다른 예에 따라, 특정 부상 위험 상황은, 지정된 기간에 걸쳐 의료 기구에 가해지는 힘의 변동이 미리 결정된 문턱값보다 클 때 검출된다.
의료 기구(15)의 자동적인 해제에는 해제 방향(의료용 로봇의 기부(11)를 향한 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 따른 방향)의 로봇 아암(13)의 자동적인 해제가 수반될 수 있다.
전술한 설명은, 그 다양한 특성 및 그 장점을 통해, 본 발명이 기재된 목적을 달성할 수 있음을 명확하게 보여준다.
특히, 의사가 가하는 힘에 따라 달라지는 이득 인자에 기초하여 툴 안내부(14)의 변위 속도를 정의함으로써, 의사가 작은 진폭의 힘을 가하여 툴 안내부(14)를 수동적으로 변위시키는 경우, 로봇 아암(13)이 제어되어 정확하고 부드럽게 변위가 이루어질 수 있다. 의사가 툴 안내부(14)에 큰 진폭의 힘을 가하는 경우, 로봇 아암(13)의 변위는 계속적으로 유연하고 반응적이다.
로봇 아암(13)의 힘 제어 및 위치 제어는 의료 기구(15)의 (선택적으로 부분적인) 삽입 후에 안전한 방식으로 툴 안내부(14)를 해제할 수 있게 한다. 필요한 경우, 본 발명은 또한 툴 안내부(14)를 삽입 위치로 안전하고 정확하게 가져갈 수 있게 한다.
마지막으로, 의료 기구(15)의 자동적인 비상 해제는, 환자가 의료 시술 중에 예상치 못한 움직임을 보일 때 환자의 부상을 방지할 수 있게 한다.
본 발명은 광학 내비게이션 시스템을 사용하여 설명되었다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 변형예에 따라, 광학 내비게이션 시스템 대신 전자기 내비게이션 시스템을 이용할 수도 있다. 이 경우, 내비게이션 시스템에 의해서 검출될 수 있는 다른 "마커"(환자 기준(22) 상의 마커, 툴 안내부(14) 상의 마커)는 전자기 센서에 해당할 것이고, 그 위치는 생성된 전자기 장 내에서 내비게이션 시스템에 의해서 결정될 수 있다.

Claims (12)

  1. 환자(20)의 해부학적 조직의 관련 부위에 대한 의료 시술 중에 의사를 보조하기 위한 의료용 로봇(10)으로서,
    상기 의료용 로봇(10)은 로봇 아암(13)을 포함하고, 상기 로봇 아암(13)은, 원위 단부에, 의료 기구(15)를 안내하도록 설계된 툴 안내부(14)뿐만 아니라, 로봇 아암(13)의 변위를 제어하도록 구성된 제어 유닛(12)을 포함하고, 상기 툴 안내부(14)는 힘 센서(16)에 커플링되고, 상기 의료용 로봇(10)이 "협동적 수동 제어" 모드에서 사용될 때, 상기 제어 유닛(12)은,
    - 상기 힘 센서(16)로, 의사가 상기 툴 안내부(14)에 가하는 힘을 결정하고;
    - 그렇게 결정된 상기 힘에 적용되는 이득 인자에 따라 상기 툴 안내부(14)의 변위 속도를 계산하고;
    - 그렇게 계산된 상기 속도에 따라 상기 로봇 아암(13)의 변위를 제어하도록
    구성되고,
    상기 이득 인자의 값은 가변적이고, 상기 의사가 상기 툴 안내부에 가하는 힘에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 의료용 로봇(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 인자는 상기 제어 유닛(12)에 의해서 구현되는 "비례 적분 미분" 교정기의 비례 매개변수에 해당하는, 의료용 로봇(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛(12)은 또한 적어도 하나의 방향에 따른 상기 툴 안내부(14)의 변위를 방지하도록 구성되는, 의료용 로봇(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(12)은 또한 상기 툴 안내부(14)의 주 축(145)에 상응하는 하나의 방향에 따른 상기 툴 안내부(14)의 변위를 제한하도록 구성되는, 의료용 로봇(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 인자의 값은 그에 따라 이하와 같이 정의되고:

    여기에서, G(f)는 이득 인자이고; K는 상수이고; |f|는 힘 센서(16)를 이용하여 제어 유닛(12)에 의해서 결정되는, 의사가 상기 툴 안내부(14)에 가하는 힘이고; Fmin 및 Fmax는 의사가 가하는 힘에 대한 최소값 및 최대값에 각각 해당하는, 의료용 로봇(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(12)은 상기 툴 안내부(14)의 현재 위치와 상기 툴 안내부가 도달하여야 하는 목표 위치 사이의 거리에 또한 상응하는 상기 툴 안내부(14)의 변위 속도를 계산하도록 구성되는, 의료용 로봇(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇 아암(13)은 적어도 6의 자유도를 갖는 관절형 아암인, 의료용 로봇(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 의료용 로봇(10)이 "의료 기구 삽입" 모드에 사용될 때, 상기 제어 유닛(12)은 상기 툴 안내부(14)의 어떠한 변위도 방지하도록 구성되고, 상기 힘 센서(16)에 의해서, 상기 제어 유닛(12)은 상기 의료 기구(15)에 가해지는 힘을 결정하도록 구성되며, 상기 툴 안내부(14)는 상기 제어 유닛(12)으로부터의 명령으로 상기 의료 기구(15)를 자동적으로 해제하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제어 유닛(12)은, 상기 의료 기구(15)에 가해지는 힘이 미리 결정된 문턱값보다 클 때, 또는 지정된 기간에 걸쳐 상기 의료 기구(15)에 가해지는 힘의 변동이 미리 결정된 문턱값보다 클 때, 상기 의료 기구(15)를 해제하기 위해서 상기 툴 안내부(14)에 명령하도록 구성되는, 의료용 로봇(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 툴 안내부(14)는 내비게이션 시스템(30)에 의해서 검출될 수 있는 적어도 하나의 마커(147)를 포함하고, 상기 제어 유닛(12)은,
    - 상기 내비게이션 시스템(30)을 기준으로 하는 상기 툴 안내부(14)의 위치와 관련된 제1 정보 단편을 상기 내비게이션 시스템(30)으로부터 수신하고;
    - 상기 툴 안내부(14)가 도달하여야 하는, 상기 내비게이션 시스템(30)을 기준으로 하는, 목표 위치와 관련된 제2 정보 단편을 상기 내비게이션 시스템(30)으로부터 수신하고;
    - 상기 제2 정보 단편으로, 상기 의료용 로봇(10)을 기준으로, 상기 목표 위치를 결정하고;
    - 상기 툴 안내부(14)가 상기 목표 위치에 도달하게 하기 위해서, 의사의 개입 없이, "자동 제어" 모드에서, 상기 로봇 아암(13)을 변위시키도록
    구성되는, 의료용 로봇(10).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 정보 단편은, 상기 해부학적 조직의 관련 부위에 근접하여 환자(20) 상에 배치되도록 설계된 환자 기준(22)의, 상기 내비게이션 시스템(30)을 기준으로 하는, 위치에 해당하고, 상기 환자 기준(22)은, 상기 내비게이션 시스템(30)에 의해서 검출될 수 있는 적어도 하나의 마커(23), 및 적어도 하나의 방사선-불투과성 마커(24)를 포함하고, 상기 제어 유닛(12)은 상기 환자 기준(22)의 위치로부터 그리고 의료 개입을 수행하기 위해서 상기 의료 기구(15)가 따라야 하는 궤적으로부터 상기 툴 안내부(14)의 목표 위치를 결정하도록 구성되고, 상기 궤적은, 상기 환자의 해부학적 조직의 관련 부위 및 상기 환자 기준(22)의 적어도 하나의 방사선-불투과성 마커(24)를 확인할 수 있는 개입-전 의료 이미지(40)에 의해서 상기 환자 기준(22)의 위치에 대해서 정의되는, 의료용 로봇(10).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 유닛(12)은,
    - 상기 환자 기준(22)의 위치에 대한 상기 툴 안내부(14)의 제1 순간에서의 위치를 기준 위치로서 저장하고;
    - 상기 툴 안내부(14)의 제2 순간에서의 위치와 상기 기준 위치 사이의 차이가 미리 결정된 문턱값보다 작은지의 여부를 결정하도록
    구성되는, 의료용 로봇(10).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 툴 안내부(14)는 상기 제어 유닛(12)의 명령으로 자동적으로 상기 의료 기구(15)를 해제하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제어 유닛(12)은, 상기 제어 유닛(12)이 상기 환자 기준(22)의 예상치 못한 변위를 나타내는 정보를 상기 내비게이션 시스템(30)으로부터 수신할 때, 상기 툴 안내부(14)에 명령하여 상기 의료 기구(15)를 해제하도록 구성되는, 의료용 로봇(10).
KR1020237034643A 2021-03-17 2022-03-14 기구 안내부를 고정하기 위한 협동 의료용 로봇 KR20230156749A (ko)

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