KR20240016979A - 생물학적 조직을 안전하게 절편화하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외과수술 동안 생물학적 조직을 절편화하기 위한 장치 및 상기 장치의 사용에 관한 것이다. 특히, 절편화는 레이저를 사용하여 그의 작동 속도를 저하시키지 않고 안전하게 수행된다. 이 장치는 안전 조치를 적용하기 위하여 레이저에 대한 정보, 조직에 대한 정보, 사용자에 대한 정보를 결합한다.
Description
본 발명은 외과 수술 동안 생물학적 조직을 절편화하기 위한 장치 및 상기 장치의 사용에 관한 것이다. 특히, 절편화는 레이저를 사용하여 작동 속도를 저하시키지 않고 안전하게 수행된다. 이 장치는 안전 조치를 적용하기 위하여 레이저에 대한 정보, 조직에 대한 정보, 사용자에 대한 정보를 결합한다.
수술 응용 분야에서 레이저 기반 장치는 수술용 칼날, 톱, 드릴, 또는 압전 도구와 같은 기존의 기계적 도구에 비해 상당한 이점을 제공한다. 상기 장점 중에서 정밀도, 임의의 형상의 절편, 진동의 부재, 더 나은 조직 회복, 및 접촉 부재가 눈에 띈다. 그러나, 접촉이 없으면 촉각 피드백이 손실되어, 깊이 측면에서 절편 범위에 대한 제어력을 상실한다는 단점이 있다.
수술에 일반적으로 사용되는 기계 기구를 사용하면 외과의사가 이러한 햅틱 피드백을 수신하여 수행할 절편 깊이를 항상 제어할 수 있다. 따라서 기계적 도구의 작동은 항상 공간적으로 제한되며, 그 결과 상기 도구는 물리적으로 접촉하는 부분만 수정한다. 대조적으로, 레이저 기반 장치에서, 레이저는 직선 방식으로 전파되며 절편을 제한하는 접촉 및 제어 없이 조직에 작용할 수 있다; 즉, 레이저는 작동 지점이 없고 오히려 작동 방향이 있다. 따라서, 수술적 적용을 위한 레이저 절편의 안전성을 확보하는 데에는 명백한 문제가 있다.
최신 기술에서 제안된 이 문제에 대한 일부 해결책은 절편화될 조직 표면의 측정을 기반으로 레이저가 침투할 수 있는 위치까지 추정하는 것이다. 이러한 유형의 해결책에서 상기 공정은 반복적인 검증 공정에서 조직의 절편화와 조직 표면의 측정을 삽입함으로써 수행된다. 이는 절편화 절차의 총 지속 시간 측면에서 상당한 단점이 있어, 실제 수술에서는 이러한 해결책을 실행할 수 없게 된다.
또한, 이러한 해결책 중 일부에서는, 조직 절편화가 단일 지점에서 수행되고, 절편화는 끝에 도달할 때까지 해당 위치에서 진행되며, 다음 절편화 위치로의 이동은 이전 절편화 위치가 완료된 경우에만 수행된다. 이는 깊고 좁은 개별 구멍 또는 표면에 불규칙하거나 각진 모양이 있는 경우 조직 표면의 측정이 극도로 어려워질 수 있다는 단점이 있다.
더욱이, 이러한 해결책은 하나 이상의 조직에서 잘 절편화될 초기 영역을 정의하지 않거나, 절편화될 조직의 끝을 정의하지 않기 때문에 조직 절편화에서의 안전성을 보장하지 않는다는 또다른 일련의 단점을 제시하며, 또는 정밀도가 거의 없거나 특정 특성들을 가지는 조직(예를들어 경조직)에 대해서만 수행하므로, 이 경우 추가적 이미지 처리 기술이 필요하거나 매우 특정한 수술에 대한 해결책의 적용이 제한된다.
본 발명은 청구항 1에 따른 생물학적 조직 절편화 장치 및 청구항 31에 따른 장치의 사용을 통해 이전 문제에 대한 해결책을 제안한다. 종속항은 본 발명의 바람직한 실시양태를 정의한다.
본 발명의 제1 측면은 다음을 포함하는 생물학적 조직 절편화 장치를 제공한다:
- 특정 영역에서 생물학적 조직을 절편화하는 데 적합한 레이저 이미터;
- 레이저 이미터와 통신하며 레이저 이미터를 활성화 및 비활성화하도록 구성된 컨트롤러;
- 작동 모드에서 해당 영역의 조직 표면을 결정하도록 구성된 광학 모듈;
- 컨트롤러 및 광학 모듈과 통신하는 중앙 처리 장치로 다음 용도에 적합하다:
레이저 이미터의 미리 설정된 절편화 깊이를 정의하는 것;
적어도 하나의 기준 표면을 정의하는 것;
적어도 다음을 포함하는 지역의 수치 모델을 생성하는 것:
- 해당 부위의 조직 표면의 형상,
- 절편화가 금지된 적어도 하나의 기준 표면의 형상,
- 레이저 이미터가 향하는 레이저 빔의 방향;
레이저 이미터를 활성화하는 것, 만일 수치 모델에서 레이저 빔을 나타내는 직선 지점에 해당하는 위치는 조직 표면과 동일한 직선의 교차점에서 절편화 깊이와 동일한 거리만큼 떨어져 있는 경우, 금지된 영역의 외부에 위치하며, 상기 금지된 영역은 절편화가 금지된 영역의 조직 부분들 중 하나이다.
본 발명의 제1 측면은 절차의 속도를 포함하지 않고 절편화 동안 안전성을 보장할 수 있는 생물학적 조직 절편화 장치를 정의한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 50초 내지 400초 사이의 범위에서 10x10x10 입방 밀리미터(cubic millimeters) 크기의 생물학적 뼈 조직 부피를 절편화한다.
이 절편화 장치는 이를 활성화하거나 비활성화하는 컨트롤러와 통신하는 레이저 이미터, 즉 레이저 빔 또는 단순히 레이저를 포함한다. 바람직하게는, 이 레이저 이미터는 2940 나노미터의 일반적인 방출 파장을 갖는 Er:YAG 유형이다. 절편화 동안 안전을 보장하기 위해서는, 절편화될 조직의 표면을 알아야 하며, 절편화 장치는 광학 모듈을 추가로 포함한다. 상기 광 모듈은 예를 들어 광 간섭 단층 촬영 시스템, 또는 구조화된 광, 또는 스테레오 쌍을 포함하는 광 위상 기술; 또는 예를 들어, 광음향 단층 촬영 시스템을 포함하는 하이브리드 기술을 기반으로 한다. 추가적으로, 광학 모듈은 광학 또는 광음향 시스템에 의해 취해진 측정에 기반하여 조직 표면의 형상을 식별할 수 있는 컴퓨터를 사용한 수단을 포함한다.
더욱이, 절편화 장치는 컨트롤러 및 광학 모듈과 통신하는 중앙 처리 장치를 포함한다. 문서 전반에 걸쳐, 중앙 처리 장치는 데이터를 수신하고 전송할 수 있을 뿐만 아니라 상기 데이터를 처리할 수 있는 장치를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 바람직한 실시예에서, 중앙 처리 장치는 프로세서 또는 마이크로프로세서이다.
한편으로, 이 중앙 처리 장치는 레이저 이미터의 미리 설정된 절편화 깊이를 정의하며, 절편화 깊이는 레이저가 절편화를 수행할 수 있는 깊이를 의미하는 것으로 이해되며, 이는 직선을 정의하는 직선의 생물학적 조직을 이용한 레이저를 정의하는 직선의 교차점 위치로부터 측정된다. 바람직하게는, 바람직하게는, 레이저 이미터의 절편화 깊이는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터 범위이다.
한편, 중앙 처리 장치는 절편화가 허용되지 않는 기준 표면을 하나 이상 정의한다. 상기 기준 표면 또는 표면들은 조직 끝의 경계, 조직 시작의 경계, 사전 설정된 최대 깊이, 또는 사전 설정된 최대 편평 수준과 같은, 다양한 기준을 고려하여 정의된다. 더욱이, 상기 기준 표면은 동적이며, 즉 수술 과정 전반에 걸쳐 새로운 기준 표면이 추가될 수 있고, 기존 기준 표면이 수정 및/또는 제거될 수 있다.
이러한 기준 표면의 모양과 광학 모듈에 의해 결정된 조직 표면의 모양은 중앙 처리 장치에서 생성된 수치 모델로 가져온다. 조직 표면과 같이 측정 장치에 의해 획득된 물리적 실체에 대응하는 표면, 또는 예를 들어 사용자에 의해 정의될 수 있는 기준 표면과 같은 가상 표면이 상기 수치 모델로 표현될 수 있다. 추가적으로, 상기 수치 모델은 레이저가 배향되는 레이저 빔의 방향을 포함한다. 수치 모델은 어떤 결정을 내릴 수 있는지에 따라 교차점 및/또는 조건을 결정할 수 있게 한다. 바람직한 실시예에서, 수치 모델은 적어도 도메인 및 레이저의 표면 및 작동 라인과 관련된 기하학적 개체를 정의하는 것을 허용하는 데이터 구조에 의해 컴퓨터를 사용하여 묘사된다.
이 수치 모델은 정의된 기준 표면 또는 표면을 기반으로 한 안전 기준이 충족되는지 여부에 따라 레이저를 활성화해야 하는지 여부를 결정할 수 있게 한다. 수치 모델의 결과로서, 레이저 빔을 나타내는 직선 지점의 위치는 조직 표면과 동일한 직선의 교차점으로부터 절편화 깊이와 동일한 거리만큼 떨어져 있는지가 결정된다. 그런 다음 중앙 처리 장치는 상기 위치가 금지된 영역에 위치하는지 여부를 평가하며, 금지된 영역은 절편화가 금지된 영역의 조직 부분 중 하나를 의미하는 것으로 이해된다. 특히, 금지된 영역은 기준 표면 중 하나 아래에 존재하는 조직 영역이다.
이로써 레이저는 수술 대상이 아닌 부위의 조직 또는 조직 일부를 절편화하는 것을 방지한다. 이러한 안전 조치는 특히 신경, 경막 또는 혈관과 같은 비표적 조직이 특히 중요한 경우 필수적이다.
기준 표면이 하나 이상인 경우, 이러한 표면을 함께 고려해야 한다; 즉, 레이저의 활성화 및 비활성화는 이러한 모든 표면에 동시에 의존한다는 점에 유의해야 한다. 따라서 기준 표면 중 하나가 레이저 활성화 기준을 충족하지 못하는 경우, 중앙 처리 장치는 기준 표면의 나머지 부분이 상기 활성화 기준을 충족하더라도 레이저를 활성화하지 않을 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 측면에 따른 장치에 의해, 중앙 처리 장치는 금지된 영역을 생략하고 나머지 영역에서 절차가 지연없이 계속되도록 레이저의 활성화를 제어한다. 이를 통해 레이저가 항상 준비되어 있지만 치료가 적용되어야만 하는 영역에만 작용할 수 있게 한다.
광학 모듈에 의한 절편화 및 측정은 중앙 처리 장치에 의해 조화되고 독립적인 방식으로 지속적으로 수행된다. 상기 유닛은 절편화 절차 동안 조직의 표면을 동적으로 다시 결정하기 위해 광학 모듈로부터 수신된 정보를 업데이트한다.
따라서, 본 발명은 레이저와 광학 모듈이 동시에 작동하도록 제안하는데, 이러한 특징은 최신 기술의 교시에 반대된다. 레이저는 조직에 영향을 미쳐 광학 모듈에 의한 측정을 악화시키므로, 지금까지의 추세는 레이저의 동시 사용을 방지하는 것이었다. 예를 들어, 레이저로 절편화하면 연기, 뼈 먼지, 진동 또는 스파크가 발생하여 광학 모듈의 측정값이 변경된다. 또한 수술 부위의 냉각 및 클리닝을 보장하기 위한 미스트, 세척(irrigation), 블로잉, 석션, 또는 이러한 작업의 임의의 조합을 지속적으로 또는 주기적으로 적용하면, 광학 모듈에서 수행한 측정에 방해가 될 수도 있다. 그러나, 본 발명의 장치는 조직의 표면을 결정하는 것만을 필요로 하며, 이러한 결정은 작동 절편화 레이저와 세척 및 냉각 유체가 존재하는 경우에도 견고하며; 따라서 광학 모듈의 측정에 대한 레이저 작용으로 인한 변경의 영향은 조직 표면의 모양을 강력하게 식별하는 데 방해가 되지 않으며 유리하게는 절차 시간이 상당히 단축된다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 수치 모델에서 레이저 빔을 나타내는 직선 점의 위치 중 적어도 하나가 상기 직선과 조직 표면의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이와 동일한 거리를 더한 거리 사이에 위치하는 경우, 금지된 영역의 적어도 하나의 지점의 위치와 일치하며, 레이저 이미터를 비활성화하도록 추가로 구성된다.
이 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 수치 모델에 따라, 레이저 빔을 나타내는 직선 점의 세그먼트 위치를 추정하고, 해당 세그먼트의 점 중 적어도 하나가 금지 범위 내에 있는지 확인하며, 이 경우 레이저가 비활성화된다. 그렇지 않으면 중앙 처리 장치가 레이저를 활성화한다.
이 세그먼트는 레이저 빔을 나타내는 직선과 조직 표면의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이와 동일한 거리를 더한 지점 사이에 위치한 점으로 구성된다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 수치 모델에서 레이저 빔을 나타내는 직선 점의 위치 중 어느 것도 조직 표면의 점 위치와 일치하지 않는 경우, 레이저 이미터를 비활성화하도록 추가로 구성된다.
안전을 목적으로, 중앙 처리 장치는 레이저가 상기 위치에서 표적 조직의 표면과 교차하지 않을 경우 특정 위치에서 레이저를 비활성화한다. 예를 들어, 레이저가 수술 영역 외부에 실수로 위치된 경우, 활성화되었을 때 표적 조직에 타격을 가하지 않고 오히려 치료해서는 안되는 환자의 다른 조직을 손상시키거나 의료진에게 해를 끼칠 수도 있다.
예를 들어, 장치가 시간 전에 켜져 있고 환자가 아직 수술대에 위치하지 않았거나, 예를 들어 단순히 광학 모듈에 고장이 발생하여 광학 모듈이 어떤 조직도 감지하지 못하는 옵션은 이 실시양태에서 또한 고려된다. 이러한 상황에서는 사고가 발생하는 것을 방지하기 위하여 레이저 절편화를 중지해야 한다.
하나의 실시양태에서, 적어도 하나의 기준 표면은 다음과 같다:
- 상기 영역의 조직의 끝을 구분하는 경계 표면; 또는
- 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 영역의 조직에 대해 다른 조직의 시작을 표시하는 경계 표면, 상기 다른 조직은 해당 영역의 조직보다 더 큰 깊이에 위치함; 또는
- 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 영역의 조직에 대해 다른 조직의 끝을 표시하는 경계 표면, 상기 다른 조직은 해당 영역의 조직보다 더 큰 깊이에 위치함; 또는
- 전술한 사항의 조합
언급한 바와 같이, 기준 표면 또는 표면은 다양한 기준을 고려하여 정의된다. 이 실시양태에서, 기준 표면은 조직이 우세 조직이라고 불리는 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 조직인지 또는 그에 인접한 조직인지 여부에 따라 조직의 끝 또는 시작을 표시하는 경계 표면이다.
예를 들어, 척추 수술에서, 레이저가 절편화를 수행할 영역은 적어도 하나의 척추뼈, 연조직, 혈관 및 척수와 척수신경을 둘러싸고 있는 경막낭과 같은 기타 인접 또는 하부 구조로 구성된 혼합 조직으로 구성될 것이다. 이 경우, 수술 시작 시 주요 조직은 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 척추뼈일 수 있다. 가능한 기준 표면은 상기 척추뼈의 끝부분이다. 대안적으로 또는 동시에, 기준 표면 또는 다른 기준 표면은 임의의 연조직 또는 척추뼈에 인접한 신경의 시작 또는 끝을 표시하는 표면일 수 있다. 수술의 또 다른 고급 단계에서, 우세 조직은 황색 인대가 될 수 있으며, 가능한 기준 표면은 황색 인대의 끝 또는 경막낭의 시작이다.
중앙 처리 장치는 수술 현장에 있는 해부학적 구조에 대해 수신된 정보를 기반으로 이러한 경계 표면을 정의한다. 상기 정보는 수술 전 이미지, 및/또는 수술 중 이미지, 및/또는 광학 모듈에 의해 수행된 측정으로부터 나올 수 있다.
하나의 실시양태에서, 적어도 하나의 기준 표면은 수술 전 이미지에 의해, 바람직하게는 자기 공명 이미지, 컴퓨터 축 단층 촬영 이미지, 또는 형광투시 이미지에 의해 결정된다.
수술이 필요한 환자의 해부학적 구조는 일반적으로 수술 전 및/또는 수술 중에 수행되는 자기 공명, 컴퓨터 축 단층 촬영 또는 형광투시와 같은 하나 이상의 의료 이미징 기술의 결과로 알려져 있다. 이 계획은 부피의 특정 요소가 예를 들어, 경막낭, 신경 또는 혈관과 같은 중요한 구조에 속할 수 있으므로, 치료할 필요가 없음을 나타낼 수 있다.
이 이미지는 관심있는 우세 조직의 부피만 정의하기 위해 처리되고 분할된다. 결과적으로, 우세 조직과 인접 조직의 경계가 적절히 구별되고 이 정보는 중앙 처리 장치에 의해 적어도 하나의 기준 표면으로 변환된다.
대안적으로 또는 이전 정보를 보완하기 위해, 광학 모듈은 중앙 처리 장치가 기준 표면을 정의할 수 있도록 조직을 서로 구별하는 표면 또는 표면들을 결정할 수도 있다.
상기 기준 표면 또는 표면들을 사용하여, 레이저로 절편화될 수 있는 조직 또는 조직들은 절편화할 수 없는 조직과 구별되며 절편화의 안전성을 보장한다.
일 실시양태에서, 수술 전 이미지를 통해 결정된 적어도 하나의 기준 표면은 해당 영역의 뼈 조직 끝을 구분하는 경계 표면이다.
앞서 언급한 척추 수술과 같은 특정 유형의 수술에서는, 표적 조직이 뼈이다. 특히, 추궁절제술 및 추궁절제술들을 위한 절골술 또는 뼈 제거는 감압 및 안정화 절차의 일반적인 단계이다. 수술 전 이미지를 통해 황색 인대, 경막낭, 및 신경과 같은 연조직과 같은 인접 조직에 대한 이러한 유형의 조직 경계를 시각화할 수 있다.
따라서, 이러한 유형의 절차에서는 척추뼈에 대해서만 절편화가 수행되어야 한다는 점을 고려하면, 해당 척추뼈의 끝을 구별하는 경계 표면으로서 기준 표면을 정의하는 것은 인접한 조직이 절편화에 의해 영향을 받지 않도록 하는 매우 신뢰할 수 있는 안전 기준이다.
척추의 하나 이상의 부분을 절골한 후, 앞서 언급한 척추 수술의 또 다른 일반적인 단계는, 신경을 감압하고 척추관 협착증을 제거하여, 통증을 유발하는 압력원으로부터 풀어줄 목적으로 뼈와 경막낭 사이에 위치한 연조직(일반적으로 황색 인대 또는 황색 인대(ligamentum flavum))을 제거하는 것이다. 이 절차에서는 황색 인대의 끝, 경막낭 표면, 또는 관심있는 해부학적 영역에 존재하는 조직의 초기 또는 최종 표면의 다른 조합을 기준 표면으로 사용할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 적어도 하나의 기준 표면은 레이저 이미터의 초점 평면 및/또는 광학 모듈의 초점 평면에 본질적으로 평행한 평평한 표면이다.
이 실시양태에서, 기준 표면 또는 기준 표면 중 적어도 하나는 허용된 최대 절편화 수준을 정의하는 평평한 표면이다. 이 표면은 실질적으로 평평하고 레이저의 초점 평면이든 광학 모듈의 초점 평면이든 초점 평면에 평행하다. 바람직하게는 두 초점 평면이 서로 일치한다. 문서 전체에서 초점 평면은 레이저 이미터 및/또는 광학 모듈이 최적의 공간 해상도 또는 초점에 도달하는 광축에 수직인 평면을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
바람직하게는, 이 최대 레벨은 외과 의사에 의해 선택되고 정보를 기준 표면으로 변환하는 중앙 처리 장치에 의해 수신된다. 또한, 이 최대 레벨은 동적일 수 있고. 즉, 그 깊이는 수술 개입이 진행됨에 따라 점진적으로 업데이트될 수 있다. 문서 전체에서 외과 의사라는 용어가 언급되면, 수술에 개입하도록 승인된 사용자 또는 의료 인력을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
바람직하게는, 절편화 레이저는 표면이 성공적으로 평탄화되었다고 간주되는 허용 한계를 고려하여, 표면이 평탄화될 때까지 생물학적 조직을 점차적으로 가로질러 스윕한다. 안전상의 이유로, 조직 절편화의 이러한 진행과 평탄화는 정의된 평평한 표면을 침범하지 않고 항상 수행된다. 이 작동 모드에 따르면, 레이저 빔은 더 높은 높이를 갖는 표면 지점에 더 자주 작용한다.
또한, 이러한 유형의 기준 표면은 절편화 레이저와 광학 모듈 모두 측정이 최적인 초점 평면을 가지고 있다는 사실로부터 파생된 몇가지 관련 기술적 이점을 제공한다.
한편, 해당 영역의 조직이 평탄화되면, 상기 광학 모듈은 측정 결과를 저하시키거나 음영 영역을 생성할 수 있는 높이 불규칙성 없이 최적으로 초점을 맞출 수 있기 때문에, 가장 유리한 조건에서 샘플 표면의 측정을 수행할 수 있기 때문에광학 모듈의 측정이 유리한 조건에서 얻어진다. 더욱이, 조직의 평탄화는 레이저가 조직에 더 최적으로 초점을 맞추고 장애물이 없는 표면에 도달할 수 있게 하므로, 이는 보다 효율적인 절편화로 변환된다. 마지막으로, 평탄화한 절편화 영역을 제공하면 수술의 일부는 아니지만 다른 작업을 용이하게 할 수 있으며, 수술 부위를 깨끗하게 유지하고 열 손상을 방지하기 위하여 수술 동안 세척을 수행하는 작업과 같이, 수술의 성공을 위해, 반드시 필요하다.
하나의 실시양태에서, 적어도 하나의 기준 표면은 조직의 표면으로부터 결정된 최대 깊이를 갖는 표면이다.
본 실시양태에서, 기준 표면 또는 기준 표면 중 하나는 광학 모듈에 의해 결정된 조직의 표면에 대해, 점별로 허용되는 최대 절편화 깊이를 나타내는 깊이를 갖는 표면이다.
깊이를 갖는 이 표면은 광학 모듈에 의해 초기에 결정된 영역의 조직 표면에 대해 또는 조직 표면의 업데이트가 발생한 수술의 임의의 다른 시간에 대해 정의될 수 있다.
유리하게도, 이러한 유형의 기준 표면은 조직이 중앙 처리 장치에 의해 정의된 것보다 더 큰 깊이에서 절단되는 것을 방지하는 장치의 안전 수단을 구성하여, 표적 조직 이외의 조직의 절편화를 방지한다.
하나의 실시양태에서, 적어도 하나의 기준 표면은 다음과 같다.
- 해당 영역의 조직 끝을 구별하는 경계 표면; 및/또는
- 상기 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 영역의 조직에 대해 다른 조직의 시작을 구별하는 경계 표면, 상기 다른 조직은 상기 영역의 조직보다 더 깊은 곳에 위치하며; 및/또는
- 광학 모듈에 의해 표면이 결정된 영역의 조직에 대해 다른 조직의 끝을 구별하는 경계 표면, 상기 다른 조직은 해당 영역의 조직보다 더 큰 깊이에 위치하며; 및/또는
- 레이저 이미터의 초점 평면 및/또는 광학 모듈의 초점 평면에 본질적으로 평행한 평평한 표면; 및/또는
- 조직 표면으로부터 결정된 최대 깊이를 가진 표면.
기준 표면은 이전 실시양태에서 정의된 임의의 표면에 따른 개별 표면이거나, 또는 동시에 고려되어야 하는 일련의 기준 표면일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 각각의 특정 수술에 맞춰질 수 있는 매우 다양한 안전 옵션을 고려한다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 안전 여유를 두고 적어도 하나의 기준 표면을 정의한다.
레이저를 이용한 절편화가 기존의 수술 기구를 이용한 절편화보다 훨씬 더 정확하다는 사실에도 불구하고, 본 발명의 장치는 모든 기준 표면이 방법의 안전성을 더욱 높이기 위한 안전 여유를 가지며, 항상 비-표적 조직의 절편화를 방지하는 것을 고려한다.
더욱이, 안전 여유는 동적일 수 있으며. 즉, 수술 개입 전반에 걸쳐 점진적으로 변경될 수 있다.
안전 마진(Safety margin)은 레이저 빔이 기준 표면을 초과하지 않아야 하는 경우, 사전 설정된 거리를 의미하는 것으로 이해되며, 기준 표면 초과 여부를 판단하는 지점은 상기 기준 표면에 도달하는 것을 막도록 미리 설정된 거리만큼 이격된 지점이다. 이 경우, 안전 마진은 기준 표면이 미리 설정된 거리만큼 방출원에 더 가깝게 이동했다는 것을 고려하는 것과 동일하다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 적어도 하나의 기준 표면의 안전 마진의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함한다.
마진(margin)은 수술을 담당하는 외과의사 또는 의료 인력에 의해 선택될 수 있으며, 이들은 이러한 마진의 값을 입력 수단을 통해 중앙 처리 장치로 전송한다. 이어서, 중앙 처리 장치는 수치 모델에서 상기 마진을 고려하여 기준 표면 또는 표면(들)을 정의하거나 업데이트한다.
하나의 실시양태에서, 광학 모듈은 광간섭 단층촬영 OCT 시스템을 포함한다.
본 문서 전체에서, OCT 시스템은 부분적으로 간섭성 광원, 일반적으로 초발광 다이오드 또는 스캐닝 광원으로 해당 영역을 조명하여 절편화될 생물학적 조직 영역의 부피를 결정할 수 있는 광학 시스템을 의미하는 것으로 이해된다. OCT 시스템에서 얻은 이 정보를 기반으로, 광학 모듈은 표적 조직 또는 우세한 조직의 표면을 식별한다.
하나의 실시양태에서, 광간섭 단층촬영 시스템은 편광 민감형 광간섭 단층촬영 PS-OCT 시스템이다.
보다 특별하게는, 편광 민감성 광간섭 단층 촬영 PS-OCT 시스템인 광학 모듈의 OCT 시스템이 이 실시양태에서 고려된다. 이러한 유형의 시스템은 조직이 반사하는 빛의 편광 상태를 수정할 수 있다는 점을 그들의 측정에서 고려한다는 특징이 있다.
유리하게도, 이러한 유형의 시스템은 조직에서 반사된 빛의 후처리를 수행하므로 매우 견고한 측정을 제공하며, 반사율 또는 강도 신호가 상기 조직에 의해 야기된 편광 변화에 둔감해지도록 하여 조직에서 생성된 편광 효과에 관계없이 최적의 대비를 제공한다. 이를 통해 조직의 표면을 견고한 방식으로 결정할 수 있다. 또한, OCT로는 구별할 수 없는 조직을 PS-OCT로 분극에 대한 그들의 다양한 반응을 고려하여 정밀하게 구별할 수 있어, 다른 방법으로는 식별되지 않은 금지 영역을 식별할 수 있다.
언급한 바와 같이, 바람직하게는 상기 절편화 레이저는 표면이 수평을 이룰 때까지 생물학적 조직을 점차적으로 가로질러 쓴다(sweeps). 이러한 상황에서, 광학 모듈의 시스템, 예를 들어 PS-OCT 시스템은 표면의 레벨링이 조직이 상기 시스템의 초점 평면에 위치도록 허용하기 때문에 최적의 조건에서 측정을 수행한다. 마찬가지로, 레이저 이미터는 조직의 평평한 표면이 그 초점 평면에 위치할 때 최적의 조건에서 작동한다.
하나의 실시양태에서, 광학 모듈은 다음의 시스템을 포함한다:
- 구조화된 광 유형;
- 스테레오 쌍 유형; 또는
- 광음향 단층촬영 유형.
OCT 및 PS-OCT 시스템 대신에, 광학 모듈은 위에서 언급한 것과 같은 다른 유형의 광학 시스템(구조화된 광 또는 스테레오 쌍) 또는 광음향 시스템(광음향 단층 촬영)을 포함할 수 있다.
특히, 구조화된 광 시스템은 체크무늬와 같은 공간 패턴을 만드는 프로젝터를 사용하여 일반적인 적외선을 사용하여 조직을 조명한다. 광 패턴은 표면의 모양에 따라 변형되기 때문에, 평평한 표면의 패턴을 알면, 변형된 패턴을 포착하여 표면의 모양을 유추할 수 있다.
스테레오 쌍 시스템은 일반적으로 적외선 광원을 사용하여 조직을 조명하고 입체적 기술을 통해 조직의 부피를 재구성한다.
그러면 광음향 단층촬영 시스템은 레이저로 조직을 조명하고 초음파 변환기로 측정을 한다.
하나의 실시양태에서, 레이저 이미터는 빔이 영역의 다른 지점에 조준하도록 빔의 방향을 변경하는 것을 허용하는 스캐너를 포함한다.
이 스캐너는 레이저가 이전에 정의된 스캐닝 영역 또는 패턴을 가로질러 스윕할 수 있도록 혀용한다. 바람직하게는, 상기 패턴은 균일하다. 하나의 실시예에서, 수술을 집도하는 의사의 관점에서 보면, 패턴은 의사의 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 만들어진다.
한 위치에서 절편화가 완성될때까지 레이저가 다음 위치로 진행하지 않도록 절편화가 각 위치에서 구체적으로 설정되는 솔루션이, 최신 기술에 알려져 있다. 그러나, 본 발명의 맥락에서, 이러한 유형의 솔루션은 깊고 좁은 개별 구멍 또는 조직 표면에 복잡한 각도나 모양이 있는 경우 그 측정이 극도로 어려워질 수 있고 심지어 불가능할 수도 있으므로 광학 모듈의 작동에 최적이 아니다. 따라서, 단일 지점에서가 아닌 전체 영역에서 점진적으로 진행하면 광학 모듈의 측정이 용이해지고, 따라서 전체 수술에 걸쳐 조직 표면의 정의가 용이해진다. 또한, 외과의사에 의한 수술 영역의 시각화가 용이해지고, 중요한 조직에 가장 가까운 수술 단계가 점진적으로 도달하여, 일제히 접근하여 안전성이 향상된다.
반복적이고 연속적인 방식으로 수행되는 공정 동안, 레이저는 치료할 필요가 없는 영역과 상호 작용할 수 있으며; 즉, 위에서 언급한 금지 구역이다. 바람직하게는, 그러한 상황에서, 스캐너는 레이저가 금지된 영역을 생략하고 표적 조직이 있는 영역을 향해 재지향되도록 허용한다. 결과적으로, 레이저는 냉각되지 않고 지연 없이 최적의 조건에서 절편화 절차를 계속하므로, 절편화 수행에 필요한 시간이 최소화시킨다.
대안으로, 스캐너는 레이저가 금지된 영역을 가로질러 스윕하여 사전 정의된 패턴을 계속하도록 허용하지만 중앙 처리 장치는 레이저가 활성화되는 것을 방지하여, 레이저가 비표적 조직을 절편화하는 것을 방지한다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 적어도 하나의 기준 표면에 도달할 때까지 영역에 걸쳐 레이저 이미터에 의해 방출된 레이저 빔의 연속 스캐닝을 수행하도록 구성된다.
이 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 기준 표면 또는 기준 표면 중 하나에 도달할 때까지 레이저의 스캐닝을 허용한다.
예를 들어, 기준 표면이 최대 절편화 레벨을 정의하는 평평한 표면인 경우, 중앙 처리 장치는 상기 최대 레벨에 도달할 때까지 레이저 스캐닝을 허용한다. 이 시점에서, 레벨의 깊이를 증가시키려면, 중앙 처리 장치가 레이저 스캐닝을 재개하도록 진행할 것이다.
또 다른 실시예로, 기준면이 뼈의 끝부분을 구별하는 경계 표면인 경우, 중앙 처리 장치는 뼈의 끝 표면에 도달할 때까지 레이저 스캐닝을 허용한다. 안전 여유가 추가로 부과되는 보다 특정한 실시예에서, 중앙 처리 장치는 상기 안전 여유와 동일한 나머지 두께가 전체 뼈에 남을 때까지 레이저의 스캐닝을 허용한다.
일 실시양태에서, 광학 모듈은 광원과 광원의 방향을 영역의 서로 다른 지점에 조준하도록 광원의 방향을 변경할 수 있는 스캐너를 포함한다.
이 실시양태에서, 광학 모듈은 OCT 시스템, PS-OCT 시스템, 또는 광음향 단층촬영 시스템을 포함하고, 이는 결국 광원을 포함한다. 관심 영역을 스캔하기 위해, 광학 모듈은 해당 영역의 서로 다른 지점에 상기 광원의 초점을 맞출 수 있는 스캐너를 더 포함한다.
유리하게는, 수술 중에 절편화가 진행됨에 따라, 중앙 처리 장치가 수치 모델에서 상기 표면을 정밀하게 재정의할 수 있도록, 광학 모듈의 소스가 새로운 표면이 위치하는 조직의 지점에 초점이 맞춰진다.
일 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 해당 영역에 걸쳐 광학 모듈의 광원의 연속 스캐닝을 수행하도록 구성된다.
보다 특정한 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 전술한 광원의 스캐닝을 제어한다.
일 실시양태에서, 레이저 이미터에 의해 확립된 스캐닝의 제어와 광학 모듈에 의해 확립된 스캐닝의 제어는 독립적이다.
레이저 이미터 스캔과 광학 모듈 스캔은 중앙 처리 장치에 의해 제어되지만, 두 스캔은 서로 독립적이다. 속도와 같이, 상기 스캔 각각을 정의하는 매개변수는 따라서 서로 완전히 독립적이며, 상기 스캔은 다른 스캔에 영향을 주지 않고 중지되거나 수정될 수 있다.
광학 모듈에 의한 스캐닝은 예를 들어, 조직에 관한 정보가 적절하게 업데이트되도록 더 작은 스캐닝 주파수를 요구할 수 있다.
일 실시양태에서, 영역에 걸쳐 광학 모듈의 광원을 스캐닝하는 것은 다음으로부터 선택된 진부화 기준이 충족될 때 수행된다:
- 사전 설정된 주기가 경과한 후,
- 중앙 처리 장치에 의한 레이저 이미터의 활성화 또는 비활성화 이전.
위에서 설명한 바와 같이, 광학 모듈의 절편화 경로와 측정은 독립적으로 수행되므로, 그들은 서로 일치할 필요가 없다.
광학 모듈은 지속적으로 측정을 수행하지만, 모듈이 관심있는 영역을 스캔할 때 오류가 발생하거나 지나치게 오랜 시간 동안 측정을 수행될 수 있다. 따라서, 일정한 순간에 수치 모델의 기반이 되는 정보는 오래되었을 수 있으며, 이로 인해 조직이 잘못 절편화되어 수술이 위험에 이르게 할 수 있다.
이러한 상황을 방지하기 위해, 장치는 중요한 상황, 특히 사전에 미리 정의된 기간이 경과한 경우 광학 모듈이 수행한 측정값의 업데이트를 제공하여, 측정을 새로 고칠 때 문제를 방지하고, 중앙 처리 장치가 레이저 이미터를 활성화 또는 비활성화하기 전에, 수치 모델에서 그 정보가 업되이트된 조직이 절단되고 있는지 또는 절단되지 않고 있는지가 보장된다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치에 의해 생성된 수치 모델에서, 적어도 하나의 평평한 표면은 레이저 이미터의 초점 평면 및/또는 광학 모듈의 초점 평면에 대해 복수의 깊이 레벨에서 점진적으로 설정되며, 레이저 이미터의 레이저 작용의 결과로서 조직의 표면이 상기 평평한 표면의 깊이까지 하강할 때 적어도 하나의 평평한 표면이 더 큰 깊이로 변경되도록 한다.
기준 표면 중 적어도 하나가 초점 평면, 즉 레이저 이미터의 초점 평면 및/또는 광학 모듈의 초점 평면에 평행한 평평한 표면인 경우, 상기 표면은 특정 깊이에서 정의된다. 이 깊이는 레이저가 주어진 시간에 정의된 평평한 표면에 도달함에 따라 점진적으로 진행되어, 평평한 표면이 이전 표면보다 더 큰 깊이로 업데이트된다.
따라서, 안전이 보장되는 세그먼트별로 절편화가 점진적으로 수행되도록 하는 서로 다른 깊이에서 복수의 레벨이 정의된다.
복수의 레벨은 고정될 수 있으며, 즉 수술을 시작하기 전에 미리 정의되거나, 동적일 수 있으며, 즉, 평평한 표면은 수술이 진행됨에 따라 점진적으로 업데이트된다. 특정 실시예에서 연속적인 레벨 사이의 깊이 차이는 일정하다. 또 다른 실시예에서는, 연속적인 레벨 간의 깊이 차이가 가변적이다. 또 다른 실시예에서, 외과의사는 수술 중에 편평한 표면의 새로운 깊이를 결정하고 중앙 처리 장치의 입력 수단을 통해 그 값을 입력하며, 중앙 처리 장치는 상기 정보를 새롭게 업데이트된 편평한 표면으로 변환하고 이를 수치 모델에 할당한다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 수치 모델에 할당된 적어도 하나의 기준 표면의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함한다.
외과의사 또는 의료진이 외과 수술 전과 수술 동안에 기준 표면과 관련하여 다른 결정을 내릴 수 있다는 것이 문서 전반에 걸쳐 언급되어 있다. 이러한 결정은 수신된 정보를 분석하고 이를 사용하여 기준 표면을 정의하고 해당 기준 표면을 수치 모델에 할당하는 중앙 처리 장치에 의해 고려되어야 한다.
바람직하게는, 입력 수단은 중앙 처리 장치와 외과의사, 의료진 또는 사용자 사이의 상호 작용을 가능하게 하는 인터페이스로 구성된다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 회피될 영역의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함하며 그 형상은 수치 모델에 할당되며; 그리고 중앙 처리 장치는 수치 모델에서, 레이저 빔을 나타내는 직선의 점의 위치 중 적어도 하나가 상기 직선과 조직 표면의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이와 동일한 거리를 더한 값 사이에 위치하며, 피해야 할 영역의 적어도 한 지점의 위치와 일치하는 경우에 레이저 이미터를 비할성화하도록 추가로 구성된다.
금지된 영역 외에도 안전상의 이유로 사용자, 외과 의사, 또는 의료진은 수술 전이나 수술 중에 예를 들어, 수술 중에 금지 영역 내에 있지 않은 중요한 구조의 존재가 확인되는 경우에, 레이저로 절편화할 수 없는 다른 유형의 특정 영역을 결정할 수 있다.
이러한 상황의 경우, 중앙 처리 장치는 사용자가 피해야 할 영역을 정의할 수 있는 추가 입력 수단을 포함하며, 회피할 영역은 레이저로 절편화할 수 없는 특정 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 이러한 입력 수단은 인터페이스이다.
바람직한 실시예에서, 피해야 할 영역은 수술 부위의 평면도에서 정의되며, 임의의 깊이에서 절편화되므로 "x" 및 "y" 좌표가 정의된 영역에 속하는 모든 지점에서 금지된다. "x" 및 "y" 좌표는 표면이 매개변수화된 방식에 관계없이, 표면의 특정 지점을 식별하는 좌표로 일반적으로 해석되어야 한다. 직교 좌표 시스템이 사용되는 특정 실시예에서 "x" 및 "y" 좌표는 x 및 y 축에 해당한다.
이 정보는 피해야 할 영역의 모양을 수치 모델에 할당하는 처리를 담당하는 중앙 처리 장치에 의해 수신된다. 추가적으로, 중앙 처리 장치는 레이저 이미터의 빔이 설정된 절편화 깊이에 따라, 회피할 영역을 관통하는 경우 레이저 이미터를 비활성화하도록 구성된다.
하나의 실시양태에서, 장치는 수술 부위 디스플레이 수단, 바람직하게는 RGB 비디오 이미지를 보여주는 스크린을 포함한다.
수술 과정 중 항상 사용자에게 시각적 정보를 제공하기 위해 장치는 이러한 디스플레이 수단을 포함합니다. 바람직한 실시예에서, 디스플레이 수단은 평면도에서 수술 부위의 비디오 이미지, 특히 RGB 이미지를 외과의사에게 보여주는 스크린 또는 모니터이다. RGB 이미지는 표준 RGB 색상 모델을 통해 색상이 정의될 수 있는 이미지를 의미하는 것으로 이해되어야 합니다.
더욱이, 디스플레이 수단은 필요하다고 판단되는 경우, 사용자 또는 외과의사가 피해야 할 영역을 선택하는 데 유리하게 도움을 준다. 피해야 할 영역은 디스플레이 수단에 표시된 이미지, 바람직하게는 평면도에서 수술 부위를 보여주는 RGB 비디오의 맥락에서 사용자에 의해 그려진다. 이러한 경우, 디스플레이 수단에 표시된 이미지로부터 정의된 영역에 속하는 'x' 및 'y' 좌표가 있는 모든 지점에서 임의의 깊이의 절편화가 금지된다.
하나의 실시양태에서, 수술 부위 디스플레이 수단은 조직 표면의 각 지점에서 적어도 하나의 기준 표면까지의 거리에 대한 정보를 추가로 표시한다.
수술의 목표를 향한 접근에 대한 시각적 정보를 제공하는 추가 소스를 갖기 위하여, 이 실시양태에서 외과의사는 조직 표면의 각 지점에서 기준 표면까지의 거리를 알린다. 기준 표면이 두 개 이상인 경우, 각 지점에 가장 가까운 기준 표면까지 거리가 계산된다. 이 추가 정보는 수술 부위 디스플레이 수단에 표시된 이미지에 부과된다.
중앙 처리 장치는 수치 모델에 따라 거리를 계산하고 수술 부위 디스플레이 수단을 통해 해당 거리를 표시한다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 추가로 구성되어, 절편화 과정 동안 레이저 이미터가 영역의 한 세트의 지점을 스캔하는 동안, 일련의 지점이 레이저 이미터의 방출이 방해되는 지점에 도달할 때마다, 레이저 이미터는 레이저 빔의 방출을 중단하지 않고 방출이 허용되는 다음 지점에 배치된다.
절차의 지연을 방지하기 위해, 장치의 레이저가 절편화가 수행되어서는 안 되는 지점에 부딪힐 때, 중앙 처리 장치는 표적 조직을 구성하는 다른 영역, 즉, 절편화가 수행되어야 하는 다른 영역을 향해 레이저의 방향을 바꾼다. 바람직하게는, 레이저는 광학 모듈에 포함된 스캐너에 의해 방향이 바뀐다.
이 실시양태에 따르면, 유리하게는, 레이저가 비활성화되는 시간을 피할 수 있을 뿐만 아니라, 계속 작업할 수 있는 다른 지점으로 건너뛰어, 레이저가 냉각되지 않고 최적의 작동 조건을 유지하게 될 것이다.
대신에, 중앙 처리 장치는 레이저 이미터에 영역의 모든 지점을 뒤흔들도록(sweep across) 명령하지만 절편화가 허용되는 지점에서만 그의 활성화를 허용한다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 특정 패턴을 갖는 영역의 지점 세트에서 온도 레벨을 나타내는 스칼라를 나타내는 함수를 정의하도록 추가로 구성된다:
- 함수는 처음에 사전 설정된 기준 값을 설정한다;
- 레이저 이미터가 패턴의 한 지점에 부딪힐 때마다, 함수는 해당 지점에서 첫번째 사전 설정된 증가 값만큼 증가한다;
- 모든 포인트의 값은 두번째 사전 설정된 증가 값만큼 사전 설정된 기간마다 감소된다;
- 패턴의 각 지점에 대해, 사전 설정된 임계 값을 초과하는 경우, 해당 지점은 수치 모델에서 상기 임계값 이상으로 유지되는 한 절편화가 허용되지 않는 지점으로서 할당된다.
절편화 영역의 크기가 매우 작은 경우, 레이저가 이들 영역에 대체로 연속적 방식으로 작용하여 이들 영역을 열적으로 손상시키는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 공정은 넓은 작동 영역으로 시작될 수 있지만, 점점 더 큰 금지 영역과 선택적으로 피해야 하는 영역이 절편화 동안에 발생할 수 있다. 따라서 절편화가 수행될 영역은 점점 더 작아지고 레이저는 해당 영역을 점점 더 자주 통과하여, 공정에서 표면 단위당 출력이 증가한다. 이 출력이 특정 임계값을 초과하면, 조직이 화상을 입기 시작한다.
현재 기술에서는, 레이저 절편화가 조직 가열로 인해 어떠한 열 손상을 일으키는 것을 방지하기 위해, 세척(irrigation) 또는 미스트를 사용하여 절편화 영역을 냉각할 필요가 있다. 결과적으로, 현재까지의 추세는 레이저 이미터와 광학 모듈을 동시에 사용하는 것이 아니라, 조직의 절편화와 광학 모듈의 측정을 교대로 수행하는 것이다. 그러나, 문서 전반에 걸쳐 언급된 바와 같이, 본 발명은 실시양태로서 레이저와 광학 모듈의 동시 사용을 고려한다.
본 실시양태에 따른 장치는 사전 정의된 임계값을 초과하지 않도록 레이저의 표면 단위당 출력을 조절하는 것을 고려한다. 이 임계값은 동적 임계값일 수도 있고 외과 수술 전반에 걸쳐 점진적으로 변경될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 사용자, 외과 의사 또는 의료진은 주어진 작업 시간에 임계값을 선택하고 바람직하게는 인터페이스인 중앙 처리 장치의 입력 수단을 통해 임계값을 입력한다.
이 열 보호는 단위 시간당 허용되는 레이저 펄스 수를 갖는 지점별 조직 가열 및 냉각을 고려하는 단순화된 조직 온도 모델을 기반으로 한다.
이 모델에서는 조직의 한 지점 온도를 반영하는 스칼라가 정의된다. 레이저가 발사될 때마다, 이 스칼라는 고정된 증분량만큼 증가하므로, 미리 결정된 임계값을 초과하면, 수치 모델은 관련 온도 스칼라가 임계값 이상으로 유지되는 한 절편화가 허용되지 않는 지점인 해당 지점을 고려한다.
언급한 바와 같이, 상기 모델은 또한 조직 냉각을 고려하므로, 조직의 각 지점에서 스칼라는 미리 결정된 기간이 경과할 때 고정된 감소량(고정 증분량과 같거나 다름)만큼 감소한다. 이 기간은 수술 중 고정된 또는 동적 기간일 수 있다. 더욱이, 이는 수술의 주어진 시간에 외과의사 또는 의료진에 의해 선택될 수 있으며, 이들은 입력 수단, 바람직하게는 인터페이스를 통해 중앙 처리 장치에 값을 입력할 것이다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는, 절편화 공정 동안 레이저 이미터가 상기 영역의 한 세트의 지점을 스캔하는 동안, 절편화 깊이가 다른 지점보다 작은 지점에 절편화 깊이를 보상하기 위하여 스캐닝 순서에서 우선순위가 부여되도록 추가로 구성된다.
위에서 설명된 바와 같이, 표적 영역을 레이저로 절편화하는 한 가지 방법은 항상 평평한 바닥을 갖는 절편화를 달성하기 위해 레이저의 활성화를 조절하는 제어 모드를 통해 수행될 수 있다. 따라서, 절편화 공정 동안, 다른 영역보다 더 깊은 영역이 있게 된다.
절편의 바닥을 수평으로 만드는 목적을 달성하기 위해, 이 실시양태에서 중앙 처리 장치는 더 깊은 지점이나 영역에서 레이저를 비활성화하고 더 표면적인 지점이나 영역에서 활성화하도록, 더 얕은 지점에 우선순위를 부여하도록 구성되는 것이 고려된다. 다른 실시양태에 따르면, 한 지점에서 다른 지점으로 건너뛰는 것은 레이저를 비활성화하지 않고 수행되지만, 더 높은 높이로 해당 지점을 더 많이 타격한다. 이러한 방식으로, 표면적인 영역은 점점 더 깊어지는 반면, 모든 포인트가 동일한 레벨을 가질 때까지 깊은 영역은 변경되지 않고 유지된다.
하나의 실시양태에서, 중앙 처리 장치는 작동 중일 때 레이저 이미터의 방출을 중지하도록 구성된 레이저 이미터의 방출을 중지하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 장치는 위에서 정의된 다른 안전 기준이 충족되지 않더라도, 어떤 상황에서도 레이저의 작동을 중지하기 위한 옵션 또한 고려한다.
이를 위해, 중앙 처리 장치는 외부로부터, 바람직하게는 사용자나 외과 의사에 의해 내려졌을 중지 명령을 수신한다. 어떤 이유로든, 의료진이 절편화가 중단되어야 한다고 생각할 때 절편화 안전이 보장된다는 이점이 있다.
하나의 실시양태에서, 장치는 작동 모드에서 레이저 이미터가 작용하는 생물학적 조직의 영역을 함유하는 영역에서, 가스 흐름, 도는 액체 흐름, 또는 가스에 액체 입자가 포함된 미스트의 흐름을 제공하도록 구성된 유체 관리 유닛을 추가로 포함한다.
장치로 절편화된 조직은 지속적으로 출혈되는 경향이 있으며 절편화 작업 자체도 또한 입자 및 레이저 작동 영역으로부터 제거되어야 하는 입자와 고체 잔류물을 지속적으로 생성한다.
이 실시양태에서는, 레이저 절편화 외에도, 장치는 클리닝 능력이 있다. 이를 위해, 이는 레이저 이미터에 의해 절편화될 조직 영역을 포함하는 영역에 존재하는 원치 않는 요소를 동반할 수 있는 가스, 액체 또는 미스트의 흐름을 제공하는 유체 관리 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 가스 또는 액체 또는 미스트의 흐름은 유체 관리 유닛을 수술 영역과 연결하는 도관을 통해 제공된다.
유리하게는, 한편으로는, 레이저는 절편화 정밀도에 영향을 미칠 수 있는 혈액 및/또는 원치 않는 입자가 없는 조직 영역에 작용할 수 있고, 다른 한편으로는 광학 모듈의 측정 정확도에 영향을 미치지 않으며, 표적 조직의 실제 표면은 이러한 원치 않는 요소가 없는지 확인할 수 있다.
제2 발명 측면은 최소 침습 로봇 보조 수술 절차에서 제1 발명 측면의 장치의 사용을 제공한다.
본 발명의 이들 및 기타 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적이고 비제한적인 실시예로서 제공된 바람직한 실시양태의 다음의 상세한 설명에 기초하여 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 장치의 일반적인 다이어그램을 도시한다.
도 2는 세 가지 다른 기준 표면과 함께 광학 모듈에 의해 결정된 조직 표면 절편화의 다이어그램을 보여준다.
도 3은 중앙 처리 장치가 조직 표면을 수평으로 유지하기 위해 다른 지점보다 절편화할 지점에 어떻게 우선 순위를 지정하는지의 실시예를 보여준다.
도 4는 중앙 처리 장치가 피해야 할 영역과 상호 작용하기 위해 레이저를 비활성화하는 상황을 보여준다.
도 5는 본 발명의 장치에 의해 수행되는 조직의 온도 제어의 예를 보여준다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 장치의 일반적인 다이어그램을 도시한다.
도 2는 세 가지 다른 기준 표면과 함께 광학 모듈에 의해 결정된 조직 표면 절편화의 다이어그램을 보여준다.
도 3은 중앙 처리 장치가 조직 표면을 수평으로 유지하기 위해 다른 지점보다 절편화할 지점에 어떻게 우선 순위를 지정하는지의 실시예를 보여준다.
도 4는 중앙 처리 장치가 피해야 할 영역과 상호 작용하기 위해 레이저를 비활성화하는 상황을 보여준다.
도 5는 본 발명의 장치에 의해 수행되는 조직의 온도 제어의 예를 보여준다.
도 1은 평행선에 의해 이 도면에 도시된 생물학적 조직을 절편화하기 위한 생물학적 조직 절편화 장치의 일반적인 다이어그램을 보여준다. 장치는 영역(R)에서 상기 조직을 절편화하도록 구성된 레이저 이미터(1)를 포함하며, 이 영역의 활성화 및 비활성화는 컨트롤러(2)에 의해 명령된다.
하나의 실시양태에서, 레이저 이미터(1)는 영역(R)의 서로 다른 지점을 목표로하도록 빔의 방향을 변경하는 것을 허용하는 스캐너를 포함한다.
장치는 영역(R)의 조직 표면(S)을 감지할 수 있는 광학 모듈(3)을 추가로 포함한다. 바람직하게는, 광학 모듈(3)은 조직의 표면(S)을 결정하기 위해 계산 수단에 의해 후속 처리되는 일련의 측정을 수행하는 광학 또는 광음향 시스템을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 광학 모듈(3)은 광 간섭 단층 촬영 시스템(OCT)를 포함히며, 이는 편광 감응형 광 간섭 단층 촬영 시스템(PS-OCT)일 수 있다. 광학 모듈(3)의 광학 시스템의 다른 실시예는 구조광 또는 스테레오 쌍 유형이다. 광학 모듈(3)의 광음향 시스템의 또 다른 실시예는 광음향 단층 촬영 시스템이다.
하나의 실시양태에서, 광학 모듈(3)은 광원 및 영역(R)의 서로 다른 지점을 목표로하도록 광원의 방향을 변경하는 것을 허용하는 스캐너를 더 포함한다.
상기 장치는 컨트롤러(2) 및 광학 모듈(3)과 통신하는 중앙 처리 장치(5)를 더 포함한다. 한편으로는, 레이저 활성화 및 비활성화 명령을 컨트롤러(2)에 보내고, 다른 한편으로는, 광학 모듈(3)로부터 정보를 받아 처리한다. 중앙 처리 장치(5)는 적어도 광학 모듈(3)에 의해 결정된 영역(R)의 표면(S)의 형상, 레이저 이미터(1)가 지향되는 레이저 빔의 방향, 및 하나 이상의 기준 표면(RS)의 형상을 포함하는 영역(R)의 수치 모델(NM)을 생성한다.
기준 표면(RS) 또는 표면은 처리 장치(5) 자체에 의해 정의된다. 이러한 표면(RS)은 여러 가지 이유로 절편화가 금지되는 조직의 금지 영역(예로서, 해당 영역이 신경 또는 혈관과 같은 중요한 조직을 포함하기 때문에)의 표면을 구분한다.
또한, 중앙 처리 장치(5)는 전체 수술 과정에서 고정되거나 변경될 수 있는 레이저 이미터(1)의 절편화 깊이(d)를 정의한다. 바람직하게는, 절편화 깊이(d)를 선택할 수 있다.
생성된 수치 모델(NM)을 기반으로, 중앙 처리 장치(5)는 레이저 빔을 나타내는 직선이 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점으로부터 절편화 깊이(d)와 동일한 거리만큼 이격된 지점의 위치를 추정한다. 추정된 위치가 해당 지점이 금지 영역 밖에 있는 것으로 나타나면, 중앙 처리 장치(5)는 컨트롤러(2)를 통해 레이저 이미터(1)를 활성화시키고, 반대로 상기 지점이 금지 영역 내에 있으면 중앙 처리 장치는 레이저 이미터를 비활성화시킨다.
대안적으로 또는 추가적으로, 생성된 수치 모델(NM)을 기반으로, 중앙 처리 장치(5)는 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점으로부터 상기 교차점에 상기 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 거리에 위치한, 레이저 빔을 나타내는 직선 점의 위치를 추정한다. 상기 지점의 추정된 위치가 금지영역의 지점과 일치하지 않으면 중앙 처리 장치(5)는 컨트롤러(2)를 거쳐 레이저 이미터(1)를 활성화시키고, 반대로, 지점 중 적어도 하나의 위치가 금지 영역의 적어도 하나의 지점과 일치하는 경우 중앙 처리장치는 레이저 이미터를 비활성화시킨다.
중앙 처리 장치(5)는 여러 기준에 근거하여 기준 표면 또는 표면(RS)을 정의합니다.
기준 1: 조직의 시작 또는 끝을 구분하는 경계 표면. 이 조직은 광학 모듈(3)에 의해 표면(S)이 결정된 조직, 즉 우세한 조직이거나 이에 인접한 조직일 수 있다.
기준 2: 최대 절편화 수준을 설정하는 레이저 이미터(1)의 초점 평면 및/또는 광학 모듈(3)의 초점 평면에 본질적으로 평행한 평평한 표면.
기준 3: 광학 모듈(3)에 의해 결정된 조직의 표면(S)으로부터 점별로 추정된 최대 깊이를 갖는 표면.
이러한 기준 표면(RS)은 동적 표면일 수 있으며, 즉, 수술 과정 전반에 걸쳐 변경될 수 있다. 예를 들어, 수술 시작시 최대 절편화 수준을 설정하는 평평한 표면은 절편화가 진행됨에 따라 더 큰 깊이로 업데이트될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 조직의 표면(S)은 수술 전반에 걸쳐 점차적으로 변화하므로, 최대 깊이를 갖는 다양한 표면이 점진적으로 정의될 수 있다.
중앙 처리 장치(5)는 수술 전 정보, 광학 모듈(3) 자체의 측정, 및/또는 의료진이 내린 결정을 기반으로 이러한 기준 표면(RS)을 정의한다. 해당 기준 표면을 정의한 후에는, 그들을 생성된 수치 모델(NM)에 할당한다.
더욱이, 절편화 동안 안전성을 높이기 위해, 상기 장치는 고정될 수 있거나 외과 수술 전반에 걸쳐 변할 수 있는 안전 마진의 상기 기준 표면(RS)을 포함하는 것을 고려한다. 바람직하게는, 중앙 처리 장치(5)는 안전 마진의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함하고, 의료진은 인터페이스를 통해 상기 마진을 입력할 책임이 있다.
도 2는 광학 모듈(3)에 의해 결정된 영역(R)의 조직의 예시적인 표면(S)과 세 가지 다른 기준에 따라 정의된 세개의 기준 표면(RS1-RS3)을 보여준다.
기준 표면 RS1은 우세한 조직의 끝 부분, 예를 들어 척추 수술의 척추 끝 부분을 표시하는 표면이다. 도 2의 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 이 표면 RS1을 정의하고 자기 공명, 컴퓨터 축 단층 촬영, 또는 투시를 통해 얻은 이미지와 같은, 수술 전 이미지를 기반으로 이를 수치 모델(NM)에 할당한다. 대안적인 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 이 표면 RS1을 정의하고 이를 광학 모듈(3)의 광학 또는 광음향 시스템에 의해 수행된 측정을 기반으로 수치 모델(NM)에 할당한다.
기준 표면 RS2 는 최대 레벨의 평평한 표면이다. 도 2의 실시예에서, 이 기준 표면 RS2의 깊이는 수술 시작 시 외과 의사에 의해 정의되었다. 외과 의사가 결정한 깊이 값은 인터페이스를 통해 중앙 처리 장치(5)에 의해 수신되고, 이 장치(5)는 정보를 처리하여 기준 표면 RS2를 정의하고 이를 수치 모델(NM)에 할당한다.
기준 표면 RS3은 광학모듈(3)에 의한 수술 과정의 시작시 결정된 조직의 표면(S)을 기준으로 점별로 정의된 최대 깊이를 갖는 표면이다. 중앙 처리 장치(5)는 광학모듈(3)로부터 조직의 표면(S)을 전달받아, 정보를 처리하고, 표면을 최대 깊이 RS3으로 정의하며, 이를 수치모델(NM)에 할당한다.
또한 기준 표면 RS2 및 RS3은 수술 과정 전반에 걸쳐 점진적으로 변경된다. 한편으로, 외과의사는 인터페이스를 통해 새로운 평평한 표면 RS2에 대한 새로운 깊이 값을 입력할 수 있으며, 그리고나서 이는 중앙 처리 장치(5)에 의해 처리되어 해당 표면을 수치 모델(NM)에 정의하고 할당할 것이다. 또한, 절편화 절차가 진행됨에 따라 조직의 표면(S)이 진화한다는 점을 고려하여, 중앙 처리 장치(5)는 광학 모듈(3)로부터 조직의 표면(S)에 관한 업데이트를 점차적으로 수신함에 따라 최대 깊이 RS3으로 새로운 표면을 정의할 수 있으며, 이어서 최대 깊이 RS3을 갖는 상기 새로운 표면을 수치 모델(NM)에 할당한다.
또한 도 2는 레이저 빔이 부딪히는 조직(P1-P4)의 일련의 지점을 보여주며, 각 경우에 레이저가 활성화되어야 하는지 여부를 결정하는 역할을 하는 중앙 처리 장치(5)가 있다. 이를 위해, 앞서 언급한 바와 같이, 중앙 처리 장치(5)는 상기 직선과 조직 표면(S)의 교차점으로부터 절편화 깊이(d)와 동일한 거리만큼 이격되어 있는 레이저 빔을 나타내는 직선 지점의 위치를 추정한다. 해당 지점은 도면에서 십자가로 표시되어 있다. 상기 지점은 레이저 빔 소스의 반대 방향의 교차점으로부터, 즉 조직에 위치한 지점으로부터 이격되어 있는 것으로 이해된다. 추정된 위치가 해당 지점이 금지 영역 외부, 즉 기준 표면(RS1-RS3) 중 하나 의 아래 영역에 위치하는 것으로 나타나면, 중앙 처리 장치(5)는 컨트롤러(2)를 통해 레이저 이미터(1)를 활성화하며, 대조적으로, 중앙 처리 장치는 해당 지점이 금지 영역 내에 있는 경우 레이저 이미터를 비활성화한다.
대신에, 중앙 처리 장치(5)는 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 값 사이로 구성되는, 레이저빔을 나타내는 직선상의 지점들의 위치를 추정한다. 추정된 위치가 전체 세그먼트가 금지 영역 외부, 즉 기준 표면(RS1-RS3) 중 하나의 아래 영역에 위치함을 나타내면, 중앙 처리 장치(5)는 컨트롤러(2)를 통하여 레이저 이미터(1)를 활성화하며, 이와 대조적으로, 중앙 처리 장치는 상기 세그먼트가 적어도 부분적으로 금지 영역 내에 있는 경우 레이저 이미터를 비활성화한다.
도 2의 전술한 각 지점에서의 레이저(1)의 상태는 다음과 같다.
- P1 지점: 해당 지점이 모든 금지 구역을 벗어났기 때문에 레이저가 활성화된다.
- P2 지점: 해당 지점이 표면 RS2에 의해 정의된 금지 영역 내에 있기 때문에 레이저가 비활성화된다.
- P3 지점: 해당 지점이 모든 금지 영역을 벗어났기 때문에 레이저가 활성화된다.
- P4 지점: 해당 지점이 표면 RS1에 의해 정의된 금지 영역 내에 있기 때문에 레이저가 비활성화된다.
하나의 실시예에서, 도 1 또는 도 2 중 어느 하나에 설명된 장치의 중앙 처리 장치(5)는 영역(R)에 걸쳐 광학 모듈(3)의 광원의 연속 스캐닝을 수행하도록 추가로 구성된다.
중앙 처리 장치(5)는 광학 모듈(3)의 소스가 연속 스캐닝을 수행하는 영역(R)을 가로질러 스윕할 수 있도록 스캐너를 제어한다. 결과적으로, 측정값 및, 그들과 함께, 조직의 표면(S)이 수치 모델(NM)에서 점진적으로 업데이트된다.
보다 특정한 실시예에서, 광원에 의한 이러한 스캐닝은 다음으로부터 선택된 측정값의 진부화 기준이 충족될 때 수행된다:
- 사전-설정된 기간이 경과한 후
- 중앙 처리 장치(5)에 의해 레이저 이미터(1)가 활성화 또는 비활성화되기 전.
이러한 진부화 기준을 부과함으로써, 장치는 광학 모듈(3)의 측정값이 적어도 사전-설정된 기간마다 및/또는 레이저가 비활성 상태에서 활성 상태(또는 그 반대)로 변경될 때마다 업데이트되도록 보장한다.
하나의 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 또한 적어도 하나의 기준 표면(RS)에 도달할 때까지 영역(R)에 걸쳐 레이저 이미터(1)에 의해 방출된 레이저 빔의 연속 스캐닝을 수행하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 레이저 이미터(1)에 의해 설정된 스캐닝의 제어와 광학 모듈(3)에 의해 설정된 스캐닝 제어는 독립적이다.
이 스캐닝은 사전에 정의된 스캐닝 패턴에 따라 수행된다. 바람직하게는, 상기 패턴은 균일하다. 하나의 실시예로, 수술을 집도하는 의사의 입장에서 보면, 의사의 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 패턴이 만들어진다.
반복적이고 연속적인 방식으로 수행되는 과정 동안, 레이저(1)는 치료할 필요가 없는 영역; 즉, 위에서 언급한 금지 영역으로 언급된 영역과 상호 작용할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 절편화 공정 중에 레이저 이미터(1)가 영역(R)의 한 세트의 지점을 스캔하는 동안, 일련의 지점이 레이저 이미터(1)의 방출이 방해되는 지점에 도달할 때마다, 레이저 이미터는 레이저 빔의 방출을 중단하지 않고 방출이 허용되는 다음 지점에 위치하게 된다.
즉, 중앙 처리 장치(5)는 레이저가 금지 영역을 생략하도록 제어하여, 지연없이 절차가 완료된다. 레이저는 광학 모듈(3)의 스캐너를 통해 금지되지 않은 영역으로 방향이 바뀔 수 있다.
이 방법으로 얻을 수 있는 확실한 속도 외에도, 레이저가 비활성화되지 않아서, 냉각되지 않기 때문에 항상 최적의 조건에서 작동한다는 장점이 있다.
대안적으로, 중앙 처리 장치(5)는 금지 영역을 뒤흔들지만 레이저(1)가 해당 영역 위에서 활성화되는 것을 방지함으로써 레이저가 미리 정의된 패턴을 계속 스캐닝하도록 명령할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 절편화 레이저는 표면(S)이 수평을 이룰 때까지 생물학적 조직을 점차적으로 스캔하며, 이를 넘어서는 표면이 성공적으로 수평을 이루었다고 간주되는 그 이상의 허용 오차를 고려한다.
절편화의 바닥을 수평화하려는 목적을 달성하기 위해, 하나의 실시예에서 중앙 처리 장치(5)는 단면 깊이를 보상하기 위하여 절편화 깊이가 다른 지점보다 작은 지점에 스캐닝 순서에서 우선 순위가 부여되도록 추가로 구성된다.
따라서 중앙 처리 장치(5)는 더 얕은 지점에 우선 순위를 부여하여, 더 깊은 지점이나 영역에서는 레이저를 비활성화하고, 더 표피상의 지점이나 영역에서는 레이저를 활성화한다. 이러한 방식으로, 표면 영역은 점점 더 깊어지는 반면, 모든 포인트가 동일한 수준을 가질 때까지 깊은 영역은 변경되지 않고 유지된다.
다른 실시양태에 따르면, 레이저의 작동 조건을 유지하고 비활성화로 인해 레이저가 냉각되는 것을 방지하기 위해, 레이저는 활성 상태를 유지하지만 더 높은 높이를 가진 지점 사이를 건너뛰어, 더 작은 높이를 가진 지점을 통과하는 것을 피한다.
이 실시양태는 도 3에 예시되어 있으며, 이는 레이저(1)가 부딪히는 조직 표면(S)의 일련의 지점 위치를 보여준다. 이 특정 실시예에서, 도달할 최대 절편화 수준을 정의하는 평평한 기준 표면(RS)이 정의되었다.
지점 1에서 조직의 표면(S)이 최대 절편화 수준에 도달한 반면, 지점 P2~P4에서는 표면(S)이 더 얕다는 것을 알 수 있다. 절편화를 수평화하는 목적을 달성하기 위해, 이 살사예에서 중앙 처리 장치(5)는 지점 P4와 그 다음의 지점 P3 및 P2에서의 절편화에 우선순위를 부여한다. 안전의 이유로, 조직 절편화에서 이러한 진행과 수평화는 정의된 평평한 기준 표면(RS)을 침범하지 않고 항상 수행된다.
이러한 평평한 기준 표면(RS)은 레이저 이미터기(1)의 초점 평면 및/또는 광학 모듈(3)의 초점 평면에 대해 복수의 깊이 수준으로 점진적으로 설정될 수 있으며, 레이저 이미터(1)의 레이저 작용의 결과로서 조직의 전체 표면(S)이 상기 평평한 표면의 깊이까지 하강할 때 적어도 하나의 평평한 표면이 더 큰 깊이로 변경되도록 한다.
하나의 실시예에서, 임의의 기준 표면(RS)은 적어도 하나의 기준 표면(RS)의 정의를 입력하기 위해 중앙 처리 장치(5)에 포함된 입력 수단에 의해 정의될 수 있으며, 상기 정의된 기준 표면(RS)은 이후에 수치 모델(NM)에 할당된다.
또한, 다른 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에 형상이 할당되는 회피될 영역(RA)의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함한다. 중앙 처리 장치(5)는, 만일 수치 모델(NM)에서, 레이저 빔을 나타내는 직선의 지점의 위치 중 적어도 하나가, 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점 및 상기 교차점에 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 값 사이에 위치하고, 회피될 영역(RA)의 적어도 하나의 지점의 위치와 일치하는 경우 레이저 이미터(1)를 비활성화하도록 추가로 구성된다.
특정 실시예에서, 외과의사는 수술 부위를 평면도로 표시하기 위한 수술 부위 표시 수단을 통해 보여지는 이미지(바람직하게는 RGB 비디오 이미지)로부터 회피할 영역(RA)을 선택한다. 보다 특별한 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 조직 표면(S)의 각 지점과 각 지점에 가장 가까운 기준 표면(RS) 사이의 거리를 계산하고, RGB 이미지에 정보를 겹쳐 표시하는 수술 부위 표시 수단을 통해 사용자에게 상기 거리를 보여준다. 깊이에 대한 정보를 표시하는 구체적인 방법은 색상 팔레트를 사용하거나 다양한 깊이의 영역을 구별하는 수준을 사용하여 묘사하는 것이다.
두 가지 유형의 입력 수단 모두 사용자와 중앙 처리 장치(5) 사이의 중개자 역할을 하는 인터페이스에 배치될 수 있다.
도 4는 중앙 처리 장치(5)의 입력 수단, 특히 인터페이스를 통해 의사가 정의한 기준 표면(RS)과 회피 영역(RA)의 예를 보여준다. 그런 다음 중앙 처리 장치(5)는 회피할 영역(RA)의 표면과 형상을 수치 모델(NM)에 할당한다.
또한, 이 도 4는 중앙 처리 장치(5)가 비활성화를 명령한 경우, 레이저 빔(1)이 부딪히는 표면(S)의 지점 P를 보여준다. 보다시피, 수치 모델(NM)에 따르면, 레이저 빔을 나타내는 직선과 조직의 표면(S)의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 값 사이에 정의된 세그먼트의 지점의 세트는 회피 영역(RA) 내에 있다. 따라서, 회피 영역(RA)에서는 절편화가 금지되어 있으므로 레이저는 해당 지점 P 에서 비활성화되어야 한다.
하나의 실시예에서, 중앙 처리 장치(5)는 위험한 상황에서 레이저가 활성화되는 것을 방지하기 위한 다른 안전 메커니즘을 포함한다.
한편, 중앙 처리 장치(5)는 작동 중일 때 레이저 이미터(1)의 방출을 중지하도록 구성된 레이저 이미터(1)의 방출을 중지하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 중단 수단은 의료진이 적절하다고 판단하는 경우 수술 중 언제든지 사용될 수 있다.
더욱이, 동시에 또는 대안적으로, 중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에서 레이저 빔을 나타내는 직선 점의 위치가 하나도 없는 경우, 레이저 이미터(1)를 비활성화하도록 추가로 구성되며, 조직 표면(S)의 한 지점의 위치와 일치한다. 이 조치는 레이저가 수술 부위(R) 위에 제대로 위치하지 않거나 조직의 실제 표면(S)에 대한 정보를 사용할 수 없는 경우 레이저가 활성화되는 것을 방지하기 위한 것이며, 예를들면 광학 모듈(3)의 고장 등으로 인해 중요한 조직과 비표적 조직의 절편화를 방지하기 위해서이다. 이는 또한 환자가 아직 수술대에 위치하지 않은 경우의 안전 조치를 구성한다.
마지막으로, 도 5는 본 발명 장치의 또 다른 안전 조치, 즉 조직이 열적으로 손상되는 것을 방지하기 위한 표면 단위당 레이저 출력 제어를 보여준다.
이를 위해, 중앙 처리 장치(5)는 특정 패턴으로 영역(R)의 지점 세트에서 온도 수준을 나타내는 스칼라(X)를 나타내는 함수를 정의하도록 추가로 구성되며, 여기서:
- 이 함수는 초기에 사전 설정된 기준 값을 사용하고, 예로서 0 이며
- 레이저 이미터(1)가 패턴의 한 지점에 부딪힐 때마다, 함수는 해당 지점에서 첫번째 사전 설정된 증분 값(deltaX)만큼 증가한다;
- 모든 지점들의 값은 두번째 사전 설정된 증분 값만큼 사전 설정된 기간마다 감소된다;
- 패턴의 각 지점에 대해, 사전 설정된 임계값(Xth)을 초과하는 경우, 해당 지점은 수치 모델(NM)에서 해당 임계값(Xth) 위에 유지되는 한 절편화가 허용되지 않는 지점으로 할당된다.
그래서 장치는 사전정의된 임계값(Xth)을 초과하지 않도록 표면 단위당 레이저 출력을 조절한다. 이 임계값(Xth)은 동적 임계값일 수도 있고 외과수술 전반에 걸쳐 점진적으로 변경될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 사용자, 외과 의사 또는 의료진은 주어진 수술 시간에 임계값(Xth)을 선택하고 바람직하게는 인터페이스인 중앙 처리 장치(5)의 입력 수단을 통해 이를 입력한다. 사전 설정된 시간은 수술 중 고정된 또는 동적인 기간일 수 있다. 또한, 입력 수단을 통해 중앙 처리 장치(5)에 값을 입력할 사용자나 의료인이 수술의 주어진 시점에 이를 선택할 수도 있다. 이 실시예에서, 외과의사는 수술 시작 시 고정된 기간을 선택한다.
하나의 실시예에서, 도면 중 어느 하나에 설명된 장치는 수술 영역(R)을 세척하기 위한 능력을 장치에 제공하기 위하여 상기 도면 중 어느 하나에는 도시되지 않은 유체 관리 유닛을 추가로 포함한다. 이 장치는 작동 모드에서 레이저 이미터(1)가 작용하는 생물학적 조직의 영역(R)을 포함하는 영역에 가스, 액체 또는 가스에 액체 입자가 포함된 미스트의 흐름을 제공하도록 구성된다.
Claims (31)
- 하기를 포함하는 생물학적 조직 절편화 장치:
- 영역(R)에서 생물학적 조직을 절편화하도록 구성된 레이저 이미터(1);
- 레이저 이미터(1)와 통신하고, 레이저 이미터(1)를 활성화 및 비활성화하도록 구성된 컨트롤러(2);
- 작동 모드에서 영역(R)의 조직 표면(S)을 결정하도록 구성된 광학 모듈(3);
- 컨트롤러(2) 및 광학 모듈(3)과 통신하는 중앙 처리 장치(5)로, 다음으로 구성됨:
레이저 이미터(1)의 사전 설정된 절편화 깊이(d)를 정의하는 것;
적어도 하나의 기준 표면(RS)을 정의하는 것;
적어도 다음을 포함하는 영역(R)의 수치 모델(NM)을 생성하는 것;
- 영역(R)의 조직의 표면(S)의 형상,
- 절편화가 금지된 적어도 하나의 기준 표면(RS)의 형상
- 레이저 이미터(1)가 향하는 레이저 빔의 방향;
수치모델(NM)에서 레이저 빔을 나타내는 직선의 한 지점에 해당하고 조직의 표면(S)과 동일한 직선의 교차점으로부터 절편화 깊이(d)와 동일한 거리만큼 이격되어 있는 위치가, 금지된 영역의 밖에 위치하며, 상기 금지된 영역은 절편화가 금지된 영역의 조직 부분들 중 하나인 경우, 레이저 이미터를 활성화하는 것, - 제1항에 있어서, 상기 중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에서 레이저 빔을 나타내는 직선의 지점들의 위치들 중 적어도 하나가 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 위치 사이에 위치하며, 금지 영역의 적어도 하나의 지점의 위치와 일치하는 경우, 레이저 이미터(1)를 비활성화하도록 추가로 구성되는 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중앙 처리 장치(5)는, 수치 모델(NM)에서 레이저 빔을 나타내는 직선의 지점들의 위치들의 어느 것도 조직의 표면(S)의 지점의 위치와 일치하지 않는 경우 레이저 이미터(1)를 비활성화하도록 추가로 구성되는 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 다음과 같은 장치:
- 영역(R)의 조직 끝을 구분하는 경계 표면; 또는
- 광학 모듈(3)에 의해 표면이 결정된 영역(R)의 조직에 대해 다른 조직의 시작을 구분하는 경계 표면으로서, 상기 다른 조직은 영역(R)의 조직보다 더 큰 깊이에 위치하며; 또는
- 광학 모듈(3)에 의해 표면이 결정된 영역(R)의 조직에 대해 다른 조직의 끝을 구분하는 경계 표면으로서, 상기 다른 조직은 영역(R)의 조직보다 더 깊은 깊이에 위치하며; 또는
- 전술한 사항 중 어느 것의 조합. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 레이저 이미터(1)의 초점 평면 및/또는 광학 모듈(3)의 초점 평면에 본질적으로 평행한 평평한 표면인 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 조직의 표면(S)으로부터 결정되는 최대 깊이를 갖는 표면인 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 다음과 같은 장치:
- 제4항에 따른 적어도 하나의 경계 표면; 및/또는
- 레이저 이미터(1)의 초점 평면 및/또는 광학 모듈(3)의 초점 평면에 본질적으로 평행인 평평한 표면; 및/또는
- 조직의 표면(S)으로부터 결정된 최대 깊이를 갖는 표면. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 안전 마진을 가지는 적어도 하나의 기준 표면(RS)을 정의하는 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 모듈(3)은 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography) OCT 시스템을 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제9항에 있어서, 광간섭 단층촬영 시스템은 편광-민감형 광간섭 단층촬영 PS-OCT 시스템인 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 모듈(3)은 다음의 시스템을 포함하는 장치:
- 구조화된 광 유형; 또는
- 스테레오 쌍 유형; 또는
- 광음향 단층촬영 유형. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 이미터(1)는 영역(R)의 서로 다른 지점을 조준하기 위해 빔의 방향을 변경하게 하는 스캐너를 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 모듈(3)은 광원, 및 영역(R)의 서로 다른 지점을 조준하기 위해 광원의 방향을 변경하게 하는 스캐너를 포함하는 장치.
- 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 적어도 하나의 기준 표면(RS)에 도달할 때까지 영역(R)에 걸쳐 레이저 이미터(1)에 의해 방출된 레이저 빔의 연속 스캐닝을 수행하도록 구성되는 장치.
- 제13항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 영역(R)에 걸쳐 광학 모듈(3)의 광원의 연속 스캐닝을 수행하도록 구성되는 장치.
- 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 이미터(1)에 의해 설정된 스캐닝의 제어와 광학 모듈(3)에 의해 설정된 스캐닝의 제어는 독립적인 장치.
- 제15항 및 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 영역(R)에 걸쳐 광학 모듈(3)의 광원의 스캐닝이 다음으로부터 선택된 진부화 기준이 충족될 경우 수행되는 장치:
- 사전-설정된 기간이 경과한 후,
- 중앙 처리 장치(5)에 의한 레이저 이미터(1)의 활성화 또는 비활성화 이전에 - 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항, 및 제5항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)에 의해 생성된 수치 모델(NM)에서, 적어도 하나의 평평한 표면은 레이저 이미터(1)의 초점 평면 및/또는 광학 모듈(3)의 초점 평면에 대해 복수의 깊이 레벨로 점진적으로 설정되고, 레이저 이미터(1)의 레이저 작용의 결과로서 조직의 표면(S)이 상기 평평한 표면의 깊이까지 하강했을때 적어도 하나의 평평한 표면이 더 큰 깊이로 변경되도록 하는 장치.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에 할당된 적어도 하나의 기준 표면(RS)의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함하는 장치.
- 제19항에 있어서, 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 수술 전 영상, 바람직하게는 자기 공명 영상, 컴퓨터화된 축 단층 촬영 영상, 또는 형광투시 영상에 의해 결정되는 장치.
- 제20항에 있어서, 수술 전 영상에 의해 결정된 적어도 하나의 기준 표면(RS)은 영역(R)의 뼈 조직의 끝을 구분하는 경계 표면인 장치.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 여기서:
중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에 그 형상이 할당되는 회피 영역(RA)의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함하고; 그리고
중앙 처리 장치(5)는 수치 모델(NM)에서, 레이저 빔을 나타내는 직선의 지점들의 위치들 중 적어도 하나가 상기 직선과 조직의 표면(S)의 교차점과 상기 교차점에 절편화 깊이(d)와 동일한 거리를 더한 값 사이에 위치하며, 회피 영역의 적어도 하나의 지점의 위치와 일치하는 경우, 레이저 이미터(1)를 비활성화하도록 추가로 구성되는 장치. - 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 수술 현장 디스플레이 수단, 바람직하게는 RGB 비디오 영상을 보여주는 스크린을 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 현장 디스플레이 수단은 상기 조직 표면(S)의 각 지점으로부터 상기 적어도 하나의 기준 표면(RS)까지의 거리에 대한 정보를 추가로 표시하는 장치.
- 제12항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중앙 처리 장치(5)는, 절편화 공정 중에 레이저 이미터(1)가 영역(R)의 지점들의 세트를 스캔하는 동안 일련의 지점이 레이저 이미터(1)의 방출이 저해되는 지점에 도달할 때마다, 레이저 이미터는 레이저빔의 방출을 중단하지 않고 방출이 허용되는 다음의 지점에 위치하게 되도록 추가로 구성되는 장치. - 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 특정 패턴을 갖는 영역(R)의 지점들의 세트에서 온도 수준을 나타내는 스칼라(X)를 나타내는 함수를 정의하도록 추가로 구성되는 장치, 여기서:
- 함수는 초기에 사전-설정된 기준 값을 사용하며;
- 레이저 이미터(1) 가 패턴의 한 지점에 부딪힐때마다, 함수는 해당지점에서 사전-설정된 증분 값(deltaX)만큼 증가하며;
- 모든 지점의 값은 사전-설정된 기간마다 두번째 사전-설정된 증분 값만틈 감소되며;
- 패턴의 각 지점에 대해, 사전-설정된 임계값(Xth)을 초과하는 경우, 해당 지점은 수치 모델(NM)에서 해당 임계값(Xth) 위에 유지되는 한 절편화가 허용되지 않는 지점으로 할당됨. - 제12항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 절편화 공정 중에 레이저 이미터(1)가 영역(R)의 지점들의 세트를 스캔하는 동안, 절편화 깊이가 다른 지점보다 작은 지점은 절편화 깊이를 보상하기 위해 스캐닝 순서에서 우선순위가 부여되도록 추가로 구성되는 장치.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항 및 제8항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 적어도 하나의 기준 표면(RS)의 안전 마진의 정의를 입력하기 위한 입력 수단을 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 처리 장치(5)는 작동 중일 때 레이저 이미터(1)의 방출을 중지하도록 구성된 레이저 이미터(1)의 방출을 중지하기 위한 수단을 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 모드에서, 레이저 이미터(1)가 작용하는 생물학적 조직의 영역(R)을 포함하는 영역에 가스, 액체, 또는 가스 내의 액체 입자를 갖는 미스트의 흐름을 제공하도록 구성된 유체 관리 유닛을 추가로 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 따른 장치의 최소 침습적 로봇 보조 수술 절차에서의 용도.
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