KR20240018496A - 무선 위치파악 통합을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
여자기 코일 및 센서 코일을 갖는 패드, 및 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 신호를 생성하도록 구성된 무선 태그를 포함하는 도구 또는 수술용 로봇을 포함하는 무선 위치파악 시스템이다. 신호는 센서 코일에 의해 검출되고, 프로세서는 도구의 위치를 결정하도록 구성된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 5월 17일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/189,394호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 개시내용은 무선으로 위치된 마커 태그들을 수술 및 의료 절차들에 통합하기 위한 시스템들, 디바이스들, 어셈블리들, 및 방법들에 관한 것이다. 이러한 시스템들, 디바이스들, 어셈블리들, 및 방법들은 수술용 로봇 어셈블리와의 통합을 포함하는 다양한 응용들에서 이용된다.
많은 의료 절차들에 대한 흔하고 심각한 과제는 치료 부위들의 정확한 위치파악이다. 예를 들어, 외과적 절제를 포함하여 치료를 받게 될 종양들과 같은 병변들의 위치는 의료 공동체에 과제를 지속적으로 제시한다. 기존의 시스템들은 고가이고, 복잡하고, 시간 소모적이며, 종종 환자에게 즐겁지 않다.
이러한 문제들은 폐 결절의 종래의 수술 치료에 의해 예시된다. 폐 결절을 종래의 개복 수술에서 또는 흉강경검사에서 찾기 어려울 수 있는 일부 경우들에서, 후크 와이어, 가시 염료의 주입, 또는 방사성핵종이 제거전 위치파악(localization)을 개선하려는 시도로 결절 내에 또는 그 주위에 배치된다. 이 절차는 보통 결절의 제거 전에 컴퓨터화된 단층촬영(CT)실에서 발생한다. 환자는 이어서 수술실로 이송되고, 외과의사는 결절을 위치파악 및 제거하기 위해 와이어를 잘라내거나, 방사성핵종 검출기를 이용하거나, 시각적 랜드마크들을 이용한다.
유사한 유형의 절차가 절제 전에 폐 결절의 위치파악을 위해 행해진다. 폐 결절을 종래의 개복 수술에서 또는 흉강경검사에서 찾기 어려울 수 있는 일부 경우들에서, 후크 와이어, 가시 염료의 주입, 또는 방사성핵종이 제거전 위치파악을 개선하려는 시도로 결절 내에 또는 그 주위에 배치된다. 이 절차는 보통 결절의 제거 전에 CT실에서 발생한다. 환자는 이어서 수술실로 이송되고, 외과의사는 결절을 위치파악 및 제거하기 위해 와이어를 잘라내거나, 방사성핵종 검출기를 이용하거나, 시각적 랜드마크들을 이용한다.
또한, 의료 절차 동안 이용되는 도구들을 찾아내는 것도 어렵다. 예를 들어, 외과의사에 의해 이용되는 핸드헬드 도구의 위치는, 외과의사에 의한 직관적 위치 이외에, 알려지지 않을 수 있다. 임의의 유선 위치 센서는 핸드헬드 도구로부터 연장되는 와이어들, 튜브들 등의 수에 추가되고, 이에 의해 도구의 조종성을 감소시킨다.
많은 다른 의료 디바이스들 및 절차들이 개선된 조직 및 도구 위치파악으로부터 혜택을 받을 수 있다. 이들은 심장 모션, 호흡기 모션, 근골격계에 의해 발생된 모션, 또는 위장/비뇨생식기 모션과 같은 임의의 신체 모션에 의해 저하되는 임의의 절차 또는 테스트를 포함한다. 이들의 예들은 외부 빔 방사선 치료, 방사선 치료 시드들의 배치, CT, MRI, 형광투시법, 초음파 및 핵의학을 포함하지만 이에 제한되지 않는 이미지화 테스트, 임의의 방식으로 수행되는 생검, 내시경 검사, 복강경 검사, 흉부 내시경 수술 및 개복 수술 절차들을 포함한다.
의료 절차 동안 환자를 둘러싸는 환경은 임의의 무선 위치파악 시스템에 고유한 과제들을 제시한다. 예를 들어, 수술실 또는 의사의 진료실은 다양한 활성 전자기 잡음 소스들(예를 들어, 머리 위 조명, 텔레비전 등) 및 무선 여자기 신호에 응답하는 반응성 전자기 잡음 소스들을 포함한다. 즉, 다른 장비는 무선 위치파악 시스템들과 간섭하는 잡음을 전송할 수 있다. 예들은 (a) 무선 위치파악 시스템에 의해 이용되는 동일한 주파수 범위에서 브로드캐스팅하고 있는 다른 전자 장비에 의해 야기되는 활성 외부 잡음; 및 (b) 외부 RFID 잡음을 포함한다. 외부 RFID 잡음은, 무선 위치파악 시스템이 무선 위치파악 시스템의 일부가 되도록 의도되거나 설계되지 않은 RFID 태그들을 활성화하여, 이용되는 동일한 주파수 범위의 신호들에 응답하도록 이러한 외부 태그들을 트리거링할 때 야기된다.
환경 재료들을 변경함에 있어서 다른 과제가 발생한다. 환경은 또한, 무선 위치파악 시스템에 의해 발생되고 이용되는 자기장을 왜곡할 수 있는 다양한 자기, 강자성, 또는 금속 객체를 포함할 수 있다. 와전류들은 입사 발진 자기장에 응답하여 전도체 내에서 발생되어, 반대 위상을 갖는 필드를 생성하고, 이는 2차 신호 소스를 효과적으로 생성한다. 2차 소스의 강도는 1차 방출기와 금속 환경 사이의 자기 벡터 결합에 의존하며, 이는 복잡하고 모델링하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 수술실들은 환자가 지지되는 침대를 포함할 수 있고, 상이한 침대들은 상이하게 자기장들에 영향을 줄 것이다. 다른 예에서, 수술용 로봇을 구비한 수술실은 전자기장들을 간섭하거나 수정할 수 있는 다양한 로봇 제어 부속물들 또는 팔들을 포함할 수 있다.
다양한 환경들에서 수행되는 의료 절차들을 위한 조직 및 도구 위치파악을 위한 개선된 시스템들 및 방법들이 필요하다.
본 개시내용은, 일 양태에서, 여자기 코일 및 센서 코일을 포함하는 패드; 및 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 신호를 생성하도록 구성된 무선 태그를 포함하는 도구를 포함하는 무선 위치파악 시스템을 제공한다. 신호는 센서 코일에 의해 검출된다. 시스템은 센서 코일에 의해 검출된 신호에 기반하여 도구의 위치를 결정하도록 구성된 프로세서를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 도구는 카메라, 초음파 프로브, 전기 임피던스 프로브, 광 프로브, 미세힘 프로브, 전기소작 도구, 주사바늘, 삼킬 수 있는 캡슐, 키패드, 스테이플러, 클램프, 및 스펀지 중 하나이다.
일부 실시예들에서, 무선 태그는 제1 무선 태그이고, 신호는 제1 신호이고, 시스템은 환자의 조직에 결합되고 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제2 신호를 생성하도록 구성된 제2 무선 태그를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 프로세서는 제2 무선 태그에 대한 도구의 위치를 결정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 제2 무선 태그가 결합되는 조직은 폐 조직, 뼈 조직, 연조직, 및 동맥 중 하나이다.
일부 실시예들에서, 프로세서는 도구의 배향을 결정하도록 추가로 구성된다.
본 개시내용은, 일 양태에서, 로봇 팔, 카메라, 및 로봇 팔에 결합된 도구를 포함하는 수술용 로봇 어셈블리를 포함하는 무선 위치파악 시스템을 제공한다. 시스템은 여자기 코일 및 센서 코일을 포함하는 패드를 더 포함한다. 시스템은 수술용 로봇 어셈블리의 일부에 결합된 제1 무선 태그를 더 포함한다. 제1 무선 태그는 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제1 신호를 생성하도록 구성되고, 제1 신호는 센서 코일에 의해 검출된다. 시스템은 환자의 조직에 결합된 제2 무선 태그를 더 포함하고, 제2 무선 태그는 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제2 신호를 생성하도록 구성된다. 제2 신호는 센서 코일에 의해 검출된다. 시스템은 센서 코일에 의해 검출된 제1 신호 및 제2 신호에 기반하여 제1 무선 태그 및 제2 무선 태그의 위치를 결정하도록 구성된 프로세서를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 무선 태그는 카메라에 결합된다.
일부 실시예들에서, 제1 무선 태그는 로봇 팔에 결합된다.
일부 실시예들에서, 센서 코일은 제1 센서 코일이고, 시스템은 로봇 팔에 결합된 제2 센서 코일을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 시스템은 제3 무선 태그를 포함하는 이동가능한 객체를 더 포함하고, 이동가능한 객체는 다양한 위치들로 이동되고 카메라에 의해 검출되어 카메라의 시야를 기록(register)한다.
일부 실시예들에서, 이동가능한 객체는 외측 쉘, 외측 쉘에 대해 이동가능한 내측 구를 포함한다. 제3 무선 태그는 내측 구 내에 위치된다.
일부 실시예들에서, 내측 구는 구를 중력에 대해 디폴트 배향으로 배향시키기 위한 가중된 부분을 포함한다.
일부 실시예들에서, 수술용 로봇 어셈블리는 제어 콘솔을 포함하고, 제1 무선 태그의 위치 및 제2 무선 태그의 위치는 제어 콘솔 상에 디스플레이된다.
본 개시내용은, 일 양태에서, 자기장을 생성하도록 구성된 여자기 코일, 센서 코일, 전기 전도성 층, 및 여자기 코일과 전도성 층 사이에 위치된 전자기 투과성 층을 포함하는 패드를 제공한다.
일부 실시예들에서, 전기 전도성 층은 금속성이고, 전자기 투과성 층은 철을 함유한다.
일부 실시예들에서, 전자기 투과성 층은 10 내지 5000의 범위 내의 투과도를 갖는다.
일부 실시예들에서, 여자기 코일은 제1 여자기 코일이고, 패드는 중심 주위에 원주 방향으로 위치된 제2 여자기 코일, 제3 여자기 코일 및 제4 여자기 코일을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 여자기 코일, 제2 여자기 코일, 제3 여자기 코일 및 제4 여자기 코일에 의해 생성된 자기장은 3개의 직교 자기장을 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서 코일은 제1 센서 코일이고, 패드는 제2 센서 코일, 제3 센서 코일 및 제4 센서 코일을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 센서 코일, 제2 센서 코일, 제3 센서 코일 및 제4 센서 코일은 제1 여자기 코일 주위에 원주 방향으로 위치된다.
일부 실시예들에서, 제1 센서 코일은 제1 센서 축을 포함하고, 제3 센서 코일은 제3 센서 축을 포함하고, 제1 센서 축은 제3 센서 축에 평행하다. 제2 센서 코일은 제2 센서 축을 포함하고, 제4 센서 코일은 제4 센서 축을 포함하고, 제2 센서 축은 제4 센서 축에 평행하다.
일부 실시예들에서, 제1 센서 축은 제2 센서 축에 수직이다.
일부 실시예들에서, 제1 여자기 코일은 제1 센서 축 및 제2 센서 축에 수직인 여자기 코일 축을 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서 코일은 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 무선 신호를 검출하고, 패드는 환자와 환자를 지지하는 침대 사이에 위치된다.
본 개시내용은, 일 양태에서, 앵커를 포함한 외측 하우징을 포함하는 무선 태그를 제공하며, 여기서, 앵커는 환자의 조직 내에 고정되도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 앵커는 독자적 전개형(self-deploying)이다.
일부 실시예들에서, 앵커는 나선형이다.
일부 실시예들에서, 앵커는 스텐트이다.
일부 실시예들에서, 앵커는 외측 하우징의 종축으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장된다.
본 개시내용의 다른 양태들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려함으로써 명백해질 것이다.
정의들
본 명세서에서 이용될 때, "프로세서" 및 "중앙 처리 유닛" 또는 "CPU"라는 용어들은 상호교환가능하게 이용되며, 컴퓨터 메모리(예컨대, ROM 또는 다른 컴퓨터 메모리)로부터 프로그램을 판독하고 프로그램에 따라 일련의 단계들을 수행할 수 있는 디바이스를 지칭한다. 본 명세서에서 이용될 때, 용어 "프로세서"(예컨대, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 처리 유닛 또는 다른 적절한 프로그래밍가능한 디바이스)는 특히 제어 유닛, 산술 논리 유닛("ALC") 및 복수의 레지스터를 포함할 수 있으며, 공지된 컴퓨터 아키텍처(예컨대, 수정된 하버드 아키텍처, 폰 노이만 아키텍처 등)를 이용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서는 독립형 및/또는 분산 환경에서 통신하도록 구성될 수 있는 마이크로프로세서이고, 유선 또는 무선 통신을 통해 다른 프로세서들과 통신하도록 구성될 수 있으며, 이러한 하나 이상의 프로세서는 유사하거나 상이한 디바이스들일 수 있는 하나 이상의 프로세서 제어 디바이스 상에서 동작하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 이용될 때, "메모리"라는 용어는 임의의 메모리 저장소이고 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체이다. 메모리는, 예를 들어, 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역을 포함할 수 있다. 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역은 ROM, RAM(예컨대, DRAM, SDRAM 등), EEPROM, 플래시 메모리, 하드 디스크, SD 카드, 또는 다른 적절한 자기, 광학, 물리, 또는 전자 메모리 디바이스들과 같은, 상이한 유형들의 메모리의 조합들을 포함할 수 있다. 프로세서는 메모리에 접속될 수 있고, (예를 들어, 실행 동안) 메모리의 RAM, (예를 들어, 일반적으로 영구적인 베이스들 상의) 메모리의 ROM, 또는 다른 메모리 또는 디스크와 같은 다른 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있는 소프트웨어 명령어들을 실행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리는 프로세서 제어 디바이스 내부에, 프로세서 제어 디바이스 외부에 있을 수 있고, 유선 또는 무선 네트워크를 통해 액세스될 수 있는 하나 이상의 프로세서 판독가능한 및 액세스가능한 메모리 요소 및/또는 구성요소를 포함한다. 본 명세서에 개시된 방법들의 구현에 포함된 소프트웨어는 메모리에 저장될 수 있다. 소프트웨어는, 예를 들어, 펌웨어, 하나 이상의 애플리케이션, 프로그램 데이터, 필터들, 규칙들, 하나 이상의 프로그램 모듈, 및 다른 실행가능한 명령어들을 포함한다. 예를 들어, 프로세서는, 다른 것들 중에서도, 본 명세서에 설명된 프로세스들 및 방법들에 관련된 명령어들을 메모리로부터 검색하고 실행하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "컴퓨터 판독가능한 매체"는 정보(예컨대, 데이터 및 명령어들)를 저장하고 이를 컴퓨터 프로세서에 제공하기 위한 임의의 디바이스 또는 시스템을 지칭한다. 컴퓨터 판독가능한 매체의 예들은, 로컬이든 원격이든(예컨대, 클라우드 기반이든), DVD, CD, 하드 디스크 드라이브, 자기 테이프 및 네트워크를 통해 미디어를 스트리밍하는 서버를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
"약" 및 "대략"은 주어진 값이 원하는 결과에 영향을 주지 않고 종점의 "약간 위" 또는 "약간 아래"일 수 있음을 제공함으로써 수치 범위 종점에 유연성을 제공하는데 이용된다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "결합된"이라는 용어는 "접속된"으로서 정의되지만, 반드시 직접적일 필요는 없고, 반드시 기계적일 필요도 없다. "결합된"이라는 용어는 물리적으로, 자기적으로, 화학적으로, 유동적으로, 전기적으로, 또는 다른 방식으로 결합되거나, 접속되거나 또는 연결되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 특정 반대 언어가 없는 경우 결합된 요소들 사이의 중간 요소들의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "전자 통신"이란, 직접 또는 간접 시그널링을 통해 서로 통신하도록 구성되는 전기 디바이스(예를 들어, 컴퓨터, 프로세서 등)를 지칭한다. 마찬가지로, 다른 컴퓨터 또는 디바이스에 정보를 (예를 들어, 케이블, 와이어, 적외선 신호, 전화선, 공중파 등을 통해) 전송하도록 구성된 컴퓨터는 다른 컴퓨터 또는 디바이스와 전자 통신한다.
본 명세서에서 이용될 때, "전송하는"이라는 용어는 임의의 적절한 수단을 이용하여 한 위치로부터 다른 위치로(예컨대, 한 디바이스로부터 다른 디바이스로) 정보(예컨대, 데이터)를 이동시키는 것을 지칭한다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "네트워크"는 일반적으로 와이파이, 블루투스, 지그비 등과 같은 임의의 다양한 통신 프로토콜을 이용하는 광역 네트워크("WAN")(예컨대, TCP/IP 기반 네트워크), 근거리 네트워크("LAN"), 이웃 영역 네트워크("NAN"), 홈 영역 네트워크("HAN") 또는 개인 영역 네트워크("PAN")를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 전자 네트워크를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 네트워크는, 예를 들어, GSM(Global System for Mobile Communications) 네트워크, GPRS(General Packet Radio Service) 네트워크, EV-DO(Evolution-Data Optimized) 네트워크, EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) 네트워크, 3GSM 네트워크, 4GSM 네트워크, 5G 뉴 라디오, DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 네트워크, 디지털 AMPS("IS-136/TDMA") 네트워크, 또는 iDEN(Integrated Digital Enhanced Network) 네트워크 등과 같은 셀룰러 네트워크이다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "대상체" 또는 "환자"는 인간, 비-인간 영장류, 반려 동물, 가축, 말, 설치류 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 임의의 동물(예를 들어, 포유류)을 지칭하며, 이는 특정한 치료의 수용자이다. 전형적으로, 용어들 "대상체" 및 "환자"는 본 명세서에서 인간 대상체와 관련하여 상호교환가능하게 이용된다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "암을 갖는 것으로 의심되는 대상체/환자"는 암을 나타내는 하나 이상의 증상(예를 들어, 눈에 띄는 덩어리 또는 질량체)을 나타내거나 또는 (예를 들어, 일상적인 건강 진단 동안) 암에 대해 스크리닝되는 대상체를 지칭한다. 암을 갖는 것으로 의심되는 대상체는 또한 하나 이상의 위험 요인을 가질 수 있다. 암을 갖는 것으로 의심되는 대상체는 일반적으로 암에 대해 테스트되지 않았다. 그러나, "암을 갖는 것으로 의심되는 대상체"는 초기 진단(예를 들어, 덩어리를 보여주는 CT 스캔)을 받았지만 암의 병기가 알려져 있지 않은 개인을 포함한다. 이 용어는 한때 암에 걸렸던 사람들(예를 들어, 차도가 있는 개인)을 추가로 포함한다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "생검 조직"은 샘플이 암 조직을 포함하는지를 결정하기 위해 대상체로부터 제거된 조직(예컨대, 유방 조직)의 샘플을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 대상체가 암을 갖는 것으로 의심되기 때문에 생검 조직이 획득된다. 이어서, 생검 조직을 암의 존재 또는 부재에 대해 (예를 들어, 현미경 검사에 의해; 분자 시험에 의해) 검사한다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "샘플"은 그의 가장 넓은 의미로 이용된다. 하나의 의미에서, 이는 임의의 소스로부터 획득된 시료 또는 배양물뿐만 아니라 생물학적 및 환경적 샘플을 포함하는 것을 의미한다. 생물학적 샘플은 동물(인간 포함)로부터 획득될 수 있고, 유체, 고체, 조직 및 기체를 포괄한다. 생물학적 샘플들은 조직, 혈장과 같은 혈액 생성물들, 혈청 등을 포함한다. 그러나, 이러한 예들은 본 발명에 적용가능한 샘플 유형들을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 이용될 때, 용어 "태그", "마커 태그", "무선 태그" 또는 "SmartClip®"이란, 여자기의 시변 자기장에 의해 여기될 때, "센서 코일(들)" 또는 "감시 코일(들)"에 의해 수신되고 그 위치를 결정하는데 이용되는 주파수(들)의 "호밍 비컨" 스펙트럼을 방출할 작은 이식가능한 마커를 지칭한다. 이것은 고유한 스펙트럼을 생성하도록 프로그래밍될 수 있고, 따라서 다수의 태그들이 동시에 이식되고 위치되는 것을 허용한다.
도 1은 의료 절차를 위한 수술실 내의 무선 추적된 도구를 포함하는 무선 위치파악 시스템의 개략적인 상면도이다.
도 2는 무선 태그 및 환자 피부에 결합된 무선 태그를 갖는 패치를 포함하는 주사바늘의 개략도이다.
도 3a는 무선 태그들을 갖는 키패드 및 스타일러스의 개략도이다.
도 3b는 시각적 마킹들을 갖는 위치파악된 프로브 및 위치파악된 주사바늘의 예시이다.
도 4는 의료 절차를 위한 수술실 내의 무선 추적된 수술용 로봇 시스템을 포함하는 무선 위치파악 시스템의 개략적인 상면도이다.
도 5는 무선 태그들 및 센서 코일을 갖는 로봇 팔의 개략적인 측면도이다.
도 6a는 카메라 뷰를 기록하기 위한 이동가능한 객체의 개략도이다.
도 6b는 카메라를 무선 위치파악 시스템에 기록하기 위한 방법이다.
도 7은 복수의 갈래(tine)를 포함하는 무선 위치파악 태그의 측면도이다.
도 8은 복수의 독자적 전개형 갈래를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 9는 앵커를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 10은 앵커를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 11은 3개의 직교 자기장을 생성하는 4개의 여자기 코일을 포함하는 패드의 개략도이다.
도 12는 전자기 투과성 층 및 전기 전도성 층을 포함하는 패드의 단면의 사시도이다.
도 13은 4개의 여자기 코일 및 12개의 센서 코일을 포함하는 패드의 상면도이다.
임의의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 그 응용에 있어서 이하의 설명에 제시되거나 이하의 도면들에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 상세들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다.
도 2는 무선 태그 및 환자 피부에 결합된 무선 태그를 갖는 패치를 포함하는 주사바늘의 개략도이다.
도 3a는 무선 태그들을 갖는 키패드 및 스타일러스의 개략도이다.
도 3b는 시각적 마킹들을 갖는 위치파악된 프로브 및 위치파악된 주사바늘의 예시이다.
도 4는 의료 절차를 위한 수술실 내의 무선 추적된 수술용 로봇 시스템을 포함하는 무선 위치파악 시스템의 개략적인 상면도이다.
도 5는 무선 태그들 및 센서 코일을 갖는 로봇 팔의 개략적인 측면도이다.
도 6a는 카메라 뷰를 기록하기 위한 이동가능한 객체의 개략도이다.
도 6b는 카메라를 무선 위치파악 시스템에 기록하기 위한 방법이다.
도 7은 복수의 갈래(tine)를 포함하는 무선 위치파악 태그의 측면도이다.
도 8은 복수의 독자적 전개형 갈래를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 9는 앵커를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 10은 앵커를 포함하는 무선 태그의 사시도이다.
도 11은 3개의 직교 자기장을 생성하는 4개의 여자기 코일을 포함하는 패드의 개략도이다.
도 12는 전자기 투과성 층 및 전기 전도성 층을 포함하는 패드의 단면의 사시도이다.
도 13은 4개의 여자기 코일 및 12개의 센서 코일을 포함하는 패드의 상면도이다.
임의의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 그 응용에 있어서 이하의 설명에 제시되거나 이하의 도면들에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 상세들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 이용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 상충의 경우, 정의들을 포함하는 본 문서가 우선할 것이다. 바람직한 방법들 및 재료들이 하기에 설명되지만, 본 명세서에 설명된 것들과 유사하거나 등가인 방법들 및 재료들이 본 개시내용의 실시 또는 테스트에서 이용될 수 있다. 본 명세서에 언급된 모든 간행물들, 특허 출원들, 특허들 및 다른 참조문헌들은 그 전체가 참조로 포함된다. 본 명세서에 개시된 재료들, 방법들, 및 예들은 단지 예시적인 것이고 제한하려는 것이 아니다.
용어들 "포함하다(comprise(s)), "포함하다(include(s)), "갖는(having)", "갖다(has)", "할 수 있다(can)", "함유하다(contain(s))" 및 이들의 변형들은, 본 명세서에서 이용될 때, 추가의 동작들 또는 구조들의 가능성을 배제하지 않는 개방형 연결구들, 용어들, 또는 단어들인 것으로 의도된다. 단수 형태들은 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 참조들을 포함한다. 본 개시내용은 또한, 명시적으로 기재되든 아니든 간에, 본 명세서에서 제시된 실시예들 또는 요소들을 "포함하는", "구성하는" 및 "본질적으로 구성하는" 다른 실시예들을 고려한다.
본 명세서에서의 수치 범위들의 인용을 위해, 동일한 정밀도를 갖는 그들 사이의 각각의 중간 수가 명시적으로 고려된다. 예를 들어, 6-9의 범위에 대해, 수 7 및 8이 6 및 9에 더하여 고려되고, 6.0-7.0의 범위에 대해, 수 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 및 7.0이 명시적으로 고려된다.
바람직한 실시예들의 전술한 설명에서, 명확성을 위해 특정 용어가 취해졌다. 그러나, 본 발명은 그렇게 선택된 특정 용어들로 제한되는 것을 의도하지 않으며, 각각의 특정 용어는 유사한 기술적 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 동작하는 모든 기술적 균등물들을 포함한다는 것을 이해해야 한다. "최상부" 및 "최하부", "전방" 및 "후방", "내측" 및 "외측", "위에", "아래에", "상부", "하부", "수직", "수평", "직립" 등과 같은 용어들은 기준점들을 제공하기 위한 편의의 단어들로서 이용된다.
원격 위치된 태그를 의료 절차들에 통합하기 위한 시스템들, 디바이스들, 어셈블리들, 및 방법들이 본 명세서에 제공된다. 본 명세서가 인체 조직에서의 의료 용도에 중점을 두고 있지만, 이러한 시스템 및 방법이 비-인간 용도(예컨대, 가축, 반려 동물, 야생 동물, 또는 임의의 수의학 환경과 같은 비-인간 동물에서의 용도)를 비롯한 보다 광범위한 용도를 추구한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 시스템들은 환경 설정들, 농업 설정들, 산업 설정들 등에서 이용될 수 있다.
A. 무선 도구 추적 응용들
인체 조직 내에 위치하는 것에 더하여, 태그들은 다양한 의료 절차들에서 이용되는 도구들의 위치 및 배향을 무선 추적하기 위해 도구들에 통합될 수 있다. 도 1을 참조하면, 무선 위치파악 시스템(100)이 일반적인 의료 절차를 위한 수술실(즉, 의사의 진료실, 수술실 등)에 개략적으로 도시되어 있다. 무선 위치파악 시스템(100)은 환자 아래에 배치된 패드(104)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 패드(104)는 적어도 하나의 여자기 코일(예를 들어, 여자기) 및 적어도 하나의 센서 코일(예를 들어, 감시 스테이션)을 포함한다. 무선 태그(108)가 환자의 조직에 결합되고, 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 무선 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 무선 태그(108)는 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 복수의 무선 신호(예를 들어, 제1 무선 신호 및 제2 무선 신호)를 생성하도록 구성된다. 본 명세서에서 추가로 논의되는 바와 같이, 무선 태그(108)는 의료 절차에 따라 조직(예컨대, 폐 조직, 뼈 조직, 연조직, 동맥 등)에 결합된다. 이러한 무선 태그(108)의 예들은 미국 특허 출원 제15/113,703호에 설명되어 있으며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 1을 계속 참조하면, 도구(112)는 패드(104)의 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 무선 신호를 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 무선 태그(116)를 포함한다. 도구(112) 내의 무선 태그들(116) 및 환자 내의/환자 상의 무선 태그(108)로부터의 무선 신호는 센서 코일에 의해, 예를 들어 패드(104)에서 검출된다. 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이, 도구(112)는, 일부 실시예들에서, 무선 태그들(116)이 내장된 수술 도구이다.
프로세서(120)(도 1에서 무선 위치파악 콘솔(124)의 일부로서 도시됨)는 무선 태그들(108, 116)로부터의 그리고 센서 코일에 의해 측정된 신호들에 기반하여 도구(112)의 위치 및 환자 내의 표적 부위의 위치를 결정하도록 구성되어 있다. 본 명세서에서 추가로 논의되는 바와 같이, 환자 조직 내의 태그(108)와 도구(112)의 상대 위치는 의료 절차의 결과를 개선하는데 이용된다. 예를 들어, 태그(108)와 도구(112) 사이의 상대 거리는 시각적으로(예를 들어, 디스플레이(105) 상에) 또는 오디오 또는 햅틱 피드백을 사용자에게 제공함으로써 디스플레이될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(100)은 복수의 무선 태그들의 위치를 추적하고 있다.
예시된 실시예에서, 도구(112)는 도구(112)의 위치에 더하여 도구(112)의 배향을 결정하기 위해 도구(112)의 종축(113)을 따라 배치된 2개의 무선 태그(116)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 태그들(116)은 도구(112)의 외측 하우징 내에 배치된다. 다른 실시예들에서, 태그들(116)은 도구(112)의 외측 표면 상에 배치된다.
도 1을 계속 참조하면, 무선 위치파악 시스템(100)이 위치하는 환경은 전자기 잡음의 다양한 활성 및 반응성 소스들을 포함한다. 예를 들어, 도 1의 환경은 머리 위 조명(106A), 마취 기계(106B), 디스플레이(105), 수술 침대(106C), 및 전기소작 발생기(106D)를 포함한다. 이들 각각은 무선 위치파악 시스템(100) 주위에 존재하는 전자기장에 영향을 줄 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 무선 위치파악 시스템(100)은 전자기 잡음의 다양한 활성 및 반응성 소스들에 근접한 복수의 무선 태그들을 효과적으로 추적(예를 들어, 위치파악)한다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 카메라이다. 예를 들어, 일부 의료 절차들은 치료 부위를 시각화하기 위해 카메라를 이용하지만, 환자 내에 이식된 무선 태그들은 통상적으로 카메라 뷰에서 보이지 않는다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 카메라의 위치를 추적하기 위한 통합된 무선 태그를 갖는 카메라 및 이식 추적기 좌표로부터 카메라 시야 좌표로의 좌표 변환을 결정하기 위한 프로세서이다. 이와 같이, 이식된 태그(예를 들어, 태그(108))의 위치는 사용자(예를 들어, 디스플레이(105))에게 제시되는 카메라 뷰 상에 중첩될 수 있고, 이에 의해 카메라의 시야로부터의 태그의 사용자의 식별을 개선한다.
좌표 변환을 결정하기 위해, 알려진 기하구조의 객체가 카메라로 동시에 이미지화되고 무선 위치파악 시스템으로 위치파악된다. 카메라를 추적하기 위해, 무선 태그(예를 들어, 태그(116))가 카메라에 고정되고, 또한 무선 위치파악 시스템으로 추적된다. 카메라의 롤을 추적하기 위해, 또는 무선 태그가 카메라와 동축일 수 없다면, 2개의 무선 태그들이 이용된다. 카메라의 기록은 2가지 방식으로 일어날 수 있으며, 즉 카메라가 정지된 채로 있고 움직이는 객체가 추적되거나(도 6a 참조), 정지된 객체가 움직이는 카메라에 기록된다. 일부 실시예들에서, 카메라는 사용자에 의해 수동으로 이동된다. 다른 실시예들에서, 카메라는 액추에이터에 의해 이동된다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 초음파 프로브이다. 초음파가 조직을 조사하고 표적 조직의 위치를 결정하는데 이용될 수 있지만, 이미지화는 2차원이고, 별개의 프로브가 이용되어야 한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 이식된 태그(예컨대, 태그(108))의 위치와 동시에, 초음파 프로브의 위치 및 배향을 추적하는 것이다. 많은 위치들 및 배향들에서의 초음파 이미지들이 획득될 수 있다. 이어서, 또한 추적되는 수술적 절제를 수행하는데 이용된 도구로 초음파 프로브를 교체한다. 다음으로, 초음파 이미지들은 전기수술 도구의 위치에 따라 재생되고, 이식 위치에서의 임의의 상대 시프트들에 의해 정정된다. 또한, 초음파 이미지는 조직 유형에 의해 세그먼트화될 수 있고, 3D 모델이 구축되어 이식 위치에 기록될 수 있다. 충분한 이미지들이 구축된 후에, 3D 모델은 이식 위치에 대해 유지되고 라이브 내비게이션에서 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 전기 임피던스 프로브이다. 임의의 외부 표면들 및 내부 장기들을 포함하는 환자 신체의 3D 윤곽들을 측정하는 것(즉, 절제된 조직의 기하구조를 측정하는 것)이 도움이 될 수 있다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 전기 임피던스 프로브가 환자 조직과 접촉하고 있을 때를 검출하기 위해 전기 임피던스 프로브를 이용한다. 프로브 팁의 위치가 추적되면, 환자의 임의의 부분의 기하구조가 피부 주위로 프로브 팁을 이동시킴으로써 획득될 수 있다.
일부 실시예들에서, 추적된 프로브는 피부 표면 상에 위치된(예컨대, 환자의 피부에 접착된 접착제 재료 내에 내장된) 태그들에 대한 표적의 위치를 결정하는데 이용되는 환자 조직의 초음파를 제공한다. 일단 초음파가 세그먼트화되면, 사용자에게의 직접 피드백이 주사바늘 배치, 삽입 배향, 및 삽입 깊이에 대해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전동식 주사바늘 가이드가 추적되고 적절한 주사바늘 삽입을 보장하도록 조정된다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 광 프로브이다. 분광법은, 예를 들어, 광대역 광으로 조직을 조명하고 반사된 광을 수집함으로써 수행될 수 있지만, 데이터 수집의 위치를 추적하는 것은 수동으로 수행되어야 한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 위치 및 스펙트럼 데이터를 동시에 수집하여, 관심 있는 이상들 또는 특징들의 위치가 자동으로 수집되어 사용자에게 제시될 수 있게 한다.
폐 외과의사들은 비디오 지원 흉부 수술(VATS) 및 로봇 지원 흉부 수술(RATS) 절차들 동안 종양의 위치가 명확히 보일 것을 필요로 한다. 외과의사는 2D 또는 3D 카메라를 위치시켜 시점을 정의하려고 시도하고, 종래의 비디오 처리는 사용자에 의해 제공되는 비디오 피드 상에 그래픽 및 텍스트를 오버레이할 수 있다. 그러나, 비디오 처리는 통상적으로 케이블, 소프트웨어, 및 사이트-특정 구성에 의해, 시스템들 사이의 상호접속을 요구한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 카메라 시야 내의 조직 상에 그래픽 및 텍스트를 오버레이하는 투영 광이다. 대안적으로, 카메라 뷰 내의 추적된 프로브는 하나 이상의 제어된 광원(들)을 구비할 수 있다.
일부 실시예들에서, VATS 및 RATS 절차와 호환되는 투영 광 구현은 카메라 근방에 탑재되어 있는 로봇 제어 레이저 포인터를 포함하고, 여기서 2개의 모터 제어 축방향 자유도는 시스템이 항상 무선 태그에 레이저를 가리킬 수 있게 하고, 이에 의해 카메라와 무선 태그 사이에서 직접 조직 표면 상의 위치를 조명한다. 일부 실시예들에서, 조직 표면으로부터 무선 태그까지의 거리는 조명 지점에서 무선 추적된 프로브를 조직에 터치함으로써, 또는 카메라 비디오 피드를 이용하여 조명 지점의 위치를 결정함으로써 결정된다. 이러한 실시예에서, 무선 태그 및 광 프로젝터와 동일한 기준 프레임 내에서 카메라가 교정되고 추적된다. 일부 실시예들에서, 투영 광 및 기계 비전 처리는 조직 기하구조를 더 정확하게 결정하기 위해 구조화된 광 투영을 위해 구성된다. 일부 실시예들에서, 래스터화는 다른 그래픽 및 텍스트를 투영하는데 이용된다. 일부 실시예들에서, 광 투영 기술은 움직이는 부분들을 갖지 않는다. 일부 실시예들에서, 조직 상에 내구성있는 마크를 생성하기 위해 조직을 태우는데 고전력 광이 이용된다.
일부 실시예들에서, VATS 및 RATS 절차들과 호환되는 제어된 광원을 갖는 추적된 프로브는 추적된 프로브에 부착된 단일 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 일부 실시예들에서, LED 밝기는 무선 태그에 대한 프로브의 상대 위치 및/또는 정렬에 기반하여 시스템에 의해 제어된다. 예를 들어, 사용자는 사용자가 카메라 뷰에서 조명을 볼 때까지 추적된 프로브를 조작할 수 있고, 밝기가 최대화될 때, 추적된 프로브는 무선 태그에서 직접 포인팅된다. 다른 실시예들에서, VATS 및 RATS 절차들과 호환되는 제어된 광원을 갖는 추적된 프로브는 패턴으로 배열된 다수의 LED를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 LED 밝기는 무선 태그에 대한 프로브의 상대 위치 및/또는 정렬에 기반하여 시스템에 의해 제어된다. 예를 들어, 사용자는 이들을 무선 태그로 안내하도록 구성되는 패턴을 관찰할 수 있다. 일부 실시예들에서, 평면에 배열된 LED들의 세트는 가장 높은 강도의 위치가 무선 태그의 위치에 대응하도록 조명된다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 미세힘 프로브이다. 로봇의 클램핑력은 제어하기 용이할 수 있지만, 클램핑력을 무선으로 모니터링하는 것에 대한 이점들이 또한 있다. 일부 경우들에서, 로봇 턱은 객체를 잡도록 구성되지만, 로봇 턱들이 얼마나 많은 저항을 경험하고 있는지에 대한 피드백은 없다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 힘, 온도, 압력 등과 같은 실시간 데이터를 측정 및 전송하기 위해 무선 통신 모듈 및 하나 이상의 센서 및 기계적 인터페이스를 갖는 소형 모듈에 내장된 무선 태그이다. 일부 실시예들에서, 도구(112)는 2개의 무선 태그들 사이의 각도를 통해 측정가능한 방식으로 편향하는 특수 추적된 도구이고, 편향은 턱들 내에서 캡처된 것에 가해지는 힘의 양과 관련된다. 유리하게는, 통신이 유도를 통해 여자기에 의해 전력을 공급받을 수 있기 때문에 배터리가 필요하지 않다. 다시 말해, 위치파악에 이용되는 동일한 여자기가 또한 마이크로센서에 전력을 제공할 수 있다. 이와 같이, 크기가 최소화될 수 있다. 예를 들어, 통신 칩들은 안테나 없이 대략 2.5mm × 대략 2.5mm 정도로 작을 수 있다. 예를 들어, 사용자에게 햅틱 피드백을 생성하기 위해 프로브 데이터가 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 전기소작 다중 도구이다. 종래의 전기소작 도구들은 사용자에 의해 조립되어야 하는 다양한 코드들 또는 튜브들을 포함한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 연기 캡처, 조명, 전기소작, 및 팁 위치파악을 갖는 단일 디바이스이다. 이 솔루션은 다수의 코드를 하나로 통합하고 사용자 어셈블리 단계들을 제거한다. 간섭이 완화되도록 위치파악 및 전기소작 시스템이 조정되는 것이 유리하다. 이롭게도, 파형들을 더 정밀하게 제어함으로써 그리고 팁이 조직과 접촉하고 있을 때를 검출하기 위해 저에너지를 이용함으로써 더 양호한 절개 에너지가 전달될 수 있다. 또한, 조직과 접촉하는 팁의 저에너지 검출은 환자의 3D 모델을 구축하는데 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 전기소작 도구 액세서리(예를 들어, 칼라, 팁 등)이다. 종래의 전기소작 도구들은 펜으로부터 제거가능한 팁을 포함한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 전기소작 도구(예를 들어, 보비 펜)용 어댑터이다. 일부 실시예들에서, 어댑터는 칼라와 같이 전기소작 도구에 부착되는 소형 무선 디바이스이다. 다른 실시예들에서, 위치파악가능한 팁(즉, 샤프트에 내장된 무선 태그를 갖는 팁)이 제공되어, 팁은 무선 위치파악 시스템에 의해 무선으로 추적될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 스테이플러이다. 폐 응용들에서, 절개는 폐 평면에 수직으로 최적으로 수행된다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 폐가 절개될 평면과 스테이플러의 단부를 정의하도록 구성된 적어도 하나의 무선 태그를 포함하는 스테이플러이다. 일부 실시예들에서, 무선 태그는 관심 있는 평면에 수직으로 배향되고, 이것은 무선 태그의 알려지지 않은 롤 좌표를 평면 상의 어딘가에 있도록 정렬한다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 폐를 가로질러 전체 절개에 걸치도록 구성된 추적된 클램프이다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 의료 절차에서 이용되는 주사바늘이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 추적될 수 있는 상부 샤프트에 무선 태그(202)(예를 들어, SmartClip®)를 갖는 주사바늘(200)을 포함한다. 도 2를 참조하면, 주사바늘(200)은 주사바늘(200)의 위치파악을 위해 주사바늘(200)에 결합된 무선 태그(202)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 무선 태그(205)를 포함하는 패치(204)는 피부 표면을 위치파악하기 위해(예컨대, 피부 표면의 위치를 추적하기 위해) 환자(201)의 피부 상에 배치된다. 무선 태그(202)와 주사바늘(200)의 팁(206) 사이의 알려진 거리(203)는 유리한 정보를 제공하는데 이용된다. 이와 같이, 주사바늘의 삽입 깊이는 의도된 천자 부위 근처의 환자 피부에 결합되는 패치(204)에 의해 추적된다. 또한, 패치(204)의 위치 및 배향은 환자(201)에 대한 주사바늘(200)의 각도가 계산되게 할 것이다. 대안적으로, 사용자가 주사바늘(200)의 팁(206)이 피부 표면(201)에 있을 때를 표시하게 함으로써 패치(204)가 제거되고 삽입 깊이가 추적된다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 환자에 의해 삼켜지는 캡슐 또는 알약이다. 예를 들어, 통상적인 캡슐은 GI 문제를 진단하기 위해 환자에 의해 삼켜진다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 디바이스들의 유용성을 증가시키기 위해 캡슐의 무선 추적을 제공하는 통합된 무선 태그들을 갖는 캡슐이다. 통합된 무선 태그를 갖는 캡슐은 무선 통신을 통해 주어진 명령에 기반하여 약물을 전달하도록 인에이블될 수 있다. 약물 전달은 여자기로부터 큰 에너지 펄스를 요구함으로써 보호될 수 있다. 큰 펄스는 약물 전달 금지 구성과 약물 전달 허용 구성 사이에서 캡슐을 물리적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 통합된 태그를 갖는 캡슐은 관심 있는 조직을 마킹하기 위해 요구에 따라 무선 태그를 이식할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도구(112)는 키패드 및 스타일러스(즉, 살균 수술 인터페이스)이다. 수술에서, 살균 사용자들은 비-살균 사용자 입력 디바이스들을 터치할 수 없다. 입력 디바이스들의 역할을 하는 추가적인 유선 디바이스들을 가져오는 것은 추가적인 살균 필드 관리를 요구한다. 종래의 무선 입력 디바이스는 통상적으로 고가이고 배터리를 필요로 한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 위치파악될 수 있는 내장된 무선 태그와 전자 또는 디지털 통신을 하지 않는 키패드(즉, 저가 키패드)를 제공한다. 위치파악된 스타일러스 또는 전기소작 도구가 위치파악된 키패드를 터치할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 키패드(250)는 2개의 무선 태그들(251)을 포함하고 무선 위치파악 시스템(예를 들면, 시스템(100))에 의해 위치파악된다. 시스템은 그 후 키패드(250)에 대하여 추적된 도구 팁 또는 스타일러스(252)의 위치를 추적함으로써 키패드 상의 어느 키가 터치되는지를 결정한다. 즉, 키패드(250) 내의 무선 태그(251)에 대하여, 추적된 도구 팁(252) 위치가 알려지고 버튼의 위치가 알려진다. 따라서, 위치파악 시스템은 추적된 도구 팁(252)의 위치를 검출할 수 있고, 키패드(250)에 대한 상대 위치의 도구 팁(252)에 의한 버튼 누름을 기록할 것이다. 일부 실시예들에서, 키패드는 추적된 도구(예를 들어, 추적된 스타일러스, 추적된 전기소작 도구 등)의 특징적인 움직임에 기반하여 위치파악 시스템에 의해 "클릭"으로서 인식될 수 있는 기계적 응답을 각각의 버튼 상에 제공한다. 일부 실시예들에서, 키패드는 키패드에 또는 키패드 상에 단일 무선 위치파악 태그를 갖는 스타일러스를 배치시킴으로써 위치된다.
도 3b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도구(112)는 로봇 팔 또는 도구(326)에 의해 잡을 수 있는 위치파악된 프로브(310)이다. 위치파악된 프로브(310)는 하우징(322) 내에 위치한 원추형 팁(314) 및 무선 태그(318)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 하우징(322)은 로봇 팔 또는 도구(326)에 의해 잡을 수 있다. 프로브(310)는 카메라에 의해 검출되고 추적될 수 있는 표시(334)(예를 들어, 시각적 마킹)를 갖는 스템(330)을 추가로 포함한다. 즉, 위치파악된 프로브(310)는 환자 신체 내에서 로봇 또는 다른 기구에 의해 잡을 수 있는 작은 무선 추적된 프로브이며, 이러한 프로브는 시각적 기준으로서 작용하는 스템을 갖는다. 일부 실시예들에서, 프로브(310)의 배향은 프로브의 배향을 정의하도록 제약된다. 즉, 로봇 팔(326)은, 스템(330)이 위쪽을 가리키는 상태에서, 프로브(310)를 수직으로 배향된 채로 항상 유지하도록 제약될 수 있다.
도 3b를 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, 도구(112)는 로봇 팔 또는 도구(352)에 의해 잡을 수 있는 위치파악된 주사바늘(350)이다. 위치파악된 주사바늘(350)은 무선 태그(358)를 갖는 하우징(354) 및 카메라에 의해 검출되고 추적될 수 있는 표시(366)(예를 들어, 시각적 마킹)를 갖는 주사바늘 부분(362)을 포함한다. 즉, 위치파악된 주사바늘(350)은 카메라에 의해 판독가능한 삽입 깊이 치수들을 포함한다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 위치파악된 프로브는 그 팁이 이식된 무선 태그와 공동위치될 때까지 환자 장기 내로 삽입되어 그것이 카메라에 의해 시각화된 물리적 랜드마크로서 기능하도록 한다. 일부 실시예들에서, 이것은 촉각으로 감지될 수 있다.
B. 로봇 통합 응용들
본 명세서에 개시된 바와 같이, 무선 태그들은 다양한 의료 절차들에서 이용되는 로봇들 및 로봇 장치들에 통합된다. 이러한 로봇 시스템의 예는 직관적 다 빈치 시스템(Intuitive da Vinci System)이다. 컴퓨터 지원 원격 조작 수술 시스템 및 방법들의 예가 미국 특허 제11,207,143호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 무선 위치된 태그를 로봇 환경에 통합하려고 시도할 때 고유한 과제들이 발생한다.
예를 들어, 환자 해부 및 수술전 이미지화는 많은 수술 개입에 불충분하다. 유선 전용 내비게이션 시스템들은 검출된 위치들을 환자 해부학적 구조에 기록하기 위한 수술전 이미지화 및 다른 방법들에 의존한다. 언급된 바와 같이, 일부 의료 절차들은 카메라를 이용하지만, 환자에게 이식된 무선 태그들은 전형적으로 카메라 뷰에서 보이지 않는다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 로봇 응용에서 무선 태그 위치파악을 제공한다. 도구들의 위치파악과 함께, 외과의사의 시각적 기준 프레임에 공동 기록된 이식된 태그의 정확한 위치파악은 절개, 절제, 약물 전달 등과 같은 성공적인 개입들에 필수적인 직관적인 치수 피드백을 제공할 수 있다.
도 4를 참조하면, 무선 위치파악 시스템(400)이 일반적인 의료 절차를 위한 수술실(즉, 의사의 진료실, 수술실 등)에 개략적으로 도시되어 있다. 무선 위치파악 시스템(400)이 위치되는 환경은 전자기 잡음의 다양한 활성 및 반응성 소스들을 포함한다. 예를 들어, 도 4의 환경은 머리 위 조명(406A), 마취 기계(406B) 및 수술 침대(406C)를 포함한다. 이들 각각은 무선 위치파악 시스템(400) 주위에 존재하는 전자기장에 영향을 줄 수 있다. 무선 위치파악 시스템(400)은 환자 아래에 배치된 패드(404)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 패드(404)는 적어도 하나의 여자기 코일 및 적어도 하나의 센서 코일(예를 들어, 감시 스테이션)을 포함한다. 무선 위치파악 시스템(400)은 수술용 로봇 어셈블리(408)(예를 들어, Intuitive에 의해 개발된 다빈치 시스템)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 수술용 로봇 어셈블리(408)는 로봇 팔(412), 카메라(416), 및 로봇 팔(412)의 원단부에 결합된 도구를 포함한다. 일부 실시예들에서, 수술용 로봇 어셈블리(408)는 단일 로봇 팔을 포함한다. 다른 실시예들에서, 수술용 로봇 어셈블리(408)는 적어도 하나의 로봇 팔을 포함한다. 예시된 실시예에서, 수술용 로봇 어셈블리(408)는 3개의 로봇 팔(412)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 수술용 로봇 어셈블리(408)는 복수의 카메라들을 포함한다. 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 무선 위치파악 시스템(400)은 수술용 로봇 어셈블리(408)를 통합하여 환자 내의 표적 부위에 대한 수술용 로봇 어셈블리(408)의 부분들의 개선된 위치파악을 제공한다. 예를 들어, 환자 내에 내장된 무선 태그(422)의 가시화가 시각화되고 카메라(416)로부터의 로봇 비전 상에 오버레이될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수술용 로봇 어셈블리는 외과의사(431)가 로봇을 제어하는 제어 콘솔(430)을 포함하고, 무선 태그들의 위치(들)가 제어 콘솔 상에 디스플레이된다. 일부 실시예들에서, 제어 콘솔(430)은 수술용 로봇과 동일한 위치(예컨대, 방)에 있고, 다른 실시예들에서, 제어 콘솔(420)은 상이한 위치(예컨대, 원격 위치, 현장에서 벗어난 위치)에 있다.
도 4를 계속 참조하면, 제1 무선 태그(418)는 수술용 로봇 어셈블리(408)의 일부분(예컨대, 로봇 팔)에 결합되고, 제2 무선 태그(422)는 환자의 표적 조직에 결합된다. 제1 무선 태그(418) 및 제2 무선 태그(422)는 패드(404) 내의 적어도 하나의 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 무선 신호들을 생성하도록 구성된다. 태그들(418 및 422)로부터의 무선 신호들은 패드(404) 내의 적어도 하나의 센서 코일에 의해 검출된다. 그 다음, 프로세서(426)는 적어도 하나의 센서 코일에 의해 측정된 신호들에 기반하여 제1 무선 태그(418) 및 제2 무선 태그(422)의 위치를 결정한다.
도 5를 참조하면, 일부 실시예들에서, 로봇 팔들(500) 각각은 그 팔의 원단부 상에 탑재된 수술 도구와 정렬된 종축(506)을 따라 탑재된 2개의 무선 태그(504)를 포함한다. 일부 실시예들에서, (환자 패드(510) 내의 센서 코일들과 유사한 그리고/또는 그에 더하여) 센서 코일(508)은 환자 패드(510)로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있는 무선 태그 신호들의 감지를 개선하기 위해 로봇 팔(500)에 결합된다. 예시된 실시예에서, 센서 코일(508)은 종축(506)을 따라 2개의 무선 태그(504) 사이에 축방향으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 센서 코일(508)은 무선 태그들(504) 내의 코일들에 직교하도록 배향된다.
무선 태그들을 로봇 응용들에 통합하는 것에 대한 하나의 과제는 카메라들을 효과적으로 이용하여 해부학적 랜드마크들을 측정하는 것이다. 랜드마크를 측정하기 위해 카메라를 이용하는 것은 조명의 문제, 명확한 기준 마크의 부족, 이미지화된 것과 비교한 조직 변화, 유체의 존재 등과 같은 단점을 갖는다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 카메라 상에 탑재된 무선 태그들에 대한 카메라 위치를 기록하는 것에 의해 그리고 카메라의 시야 내의 특정 지점들로 가는 객체를 추적하는 것에 의해 공동 기록이 달성될 수 있게 한다. 카메라에 탑재된 무선 태그는 렌즈 상에 직접 탑재되지 않으므로, 카메라의 렌즈와 무선 태그의 상대 위치는 위치파악을 개선하기 위해 기록된다. 일부 실시예들에서, 시야 기록은 카메라의 위치가 알려질 때 추적된 객체를 시야의 우상, 우하, 좌상 및 좌하 코너들로 이동시킴으로써 달성된다. 일부 실시예들에서, 카메라는 카메라 위치를 얻기 위해 카메라로부터 알려진 가까운 거리에(예를 들어, 대략 50mm 내에) 제1 무선 태그를 배치함으로써 교정되고, 그 후 카메라의 배향은 제2 무선 태그가 카메라로부터 멀리 떨어져 있는 동안 카메라로 제2 무선 태그를 이미지화함으로써 결정된다. 무선 위치파악 시스템은 자기 중심 및 무선 태그의 종축의 방향을 찾을 수 있지만, 반드시 태그의 어느 단부가 어느 것인지는 아니다. 카메라 뷰를 시스템 좌표계에 일관되게 공동 기록하기 위해, 추가적인 자유도가 제약되는 것이 필요하다.
도 6a를 참조하면, 카메라 기록을 위한 추적된 객체(600)가 도시되어 있다. 추적된 객체(600)는 투명한 외측 쉘(605) 및 외측 쉘(605)에 대해 자유롭게 이동가능한 내측 구(606)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 외측 쉘(605)은 로봇 도구에 의해 파지되거나 잡히도록 구성된다. 무선 태그(604)는 내측 구(606) 내에 위치된다. 예시된 실시예에서, 가중된 부분(602)(예를 들어, 가중된 바닥)은 중력을 이용하여, 내측 구(606) 내의 무선 태그(604)가 항상 주어진 방향(즉, 환자 패드로부터의 위쪽 및 멀어지는 방향)을 "가리키고", 이에 의해 마지막 자유도를 제약하기에 충분한 정보를 제공하는 것을 보장한다. 즉, 내측 구(606)는 내측 구(606) 및 태그(604)를 중력에 대해 디폴트 배향으로 배향시키기 위한 가중된 부분(602)을 포함한다. 내측 구(606)는 카메라에 의해 검출가능한 흑백의 다양한 컬러들 또는 음영들의 복수의 섹션(608)을 추가로 포함한다. 예시된 실시예에서, 복수의 섹션(608)은 4개의 상이한 컬러 섹션을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 섹션(608)은 8개의 상이한 컬러 섹션을 포함한다. 이와 같이, 이동가능한 추적된 객체(600)는 무선 태그(604)를 포함하고 다양한 위치들로 이동되며 카메라에 의해 검출되어 카메라의 시야를 기록한다.
일부 실시예들에서, 무선 태그들은 원통형이고, 종축에 대한 롤 및 태그가 가리키고 있는 방향은 결정하기가 어렵다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 비대칭적으로 가중된 마운트 내에 무선 태그를 배치하는 것이다. 마운트 내의 무선 태그는 마운트의 질량 중심과 마운트의 회전축 사이에 연장하는 선으로부터 대략 20-70도의 각도를 생성한다. 비대칭 가중치는 롤 배향과 가리키는 방향 양쪽 모두의 결정을 허용하기에 충분한 태그 배향에 대한 제약을 제공한다. 일부 실시예들에서, 마운트는 알려진 패턴을 갖는 객체(예를 들어, 복수의 섹션들(608))로 둘러싸인다. 알려진 패턴은 카메라로 이미지화되어, 객체가 카메라 및 무선 위치파악 시스템에 의해 동시에 위치파악되게 한다. 동시에 위치파악되면, 무선 위치파악 시스템과 카메라 사이의 일반적인 변환이 결정된다.
카메라의 위치가 알려지지 않은 경우, 카메라 위치를 결정하기 위해 카메라로부터 2개의 상이한 거리에서 시야의 4개의 코너가 측정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라는 미리 결정된 모션 세트(예를 들어, 스핀, 전방 이동 등)를 수행한다. 다른 실시예들에서, 카메라는 상이한 시점들로부터 동일한 지점을 본다. 일부 실시예들에서, 카메라 기록의 구성들은 미리 설정된 구성으로서 저장되고 로딩될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 무선 위치파악 시스템에 카메라를 기록하는 방법(650)이 개시된다. 방법(650)은 카메라 유닛에 탑재된 무선 태그를 카메라 유닛에 제공하는 단계(654)를 포함한다. 방법(650)은 또한 카메라 유닛과 접촉하기 위해 위치파악된 프로브를 이동시키는 단계(658)를 포함한다. 다시 말해, 단계(658)에서는 위치파악된 프로브를 카메라 유닛에 인접하게 하는 것을 포함한다. 방법(650)은 또한 카메라 시야에 위치파악된 프로브를 위치시키는 단계(662)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 시야 내의 위치파악된 프로브 위치는 단계(658)로부터의 동일한 프로브이다. 다른 실시예들에서, 시야 내에 위치된 위치파악된 프로브는 단계(658)에서 이용되는 위치파악된 프로브와 상이하다. 방법(650)은 카메라 시야 내에 위치되는 알려진 크기의 객체를 이용하여 카메라 줌을 교정하는 단계(666)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 교정 윤곽이 사용자에게 디스플레이되고, 알려진 크기의 객체가 교정 윤곽 내에 포함될 때까지 카메라 줌이 조정된다. 일 실시예에서, 10cm 직경을 갖는 알려진 객체는 카메라 시야 내에 위치되고, 카메라 상의 줌은 객체가 디스플레이 상의 교정 윤곽 내에 맞을 때까지 조정된다. 방법(650)은 치수적으로 정확한 증강 현실을 디스플레이하는 단계(670)를 더 포함한다. 즉, 단계(670)에서, 카메라 시야는 3D 인터페이스로 오버레이될 수 있다. 일부 실시예들에서, 위치파악 인터페이스가 3D 카메라 인터페이스의 상부에 오버레이되도록, 각각의 눈에 하나씩 개별 비디오 피드 상에 2개의 3D 인터페이스가 제공된다. 따라서, 방법(650)은 다양한 무선 태그들의 위치를 시각화하는 무선 위치파악 시스템에 카메라 뷰를 기록하기 위한 교정 프로세스를 제공한다. 일부 실시예들에서, 다양한 카메라 렌즈 유형들(예를 들어, 넓은 조리개 렌즈 조정들)을 고려하기 위해 추가적인 정정들이 적용된다.
무선 태그들을 수술용 로봇 응용에 통합하는 것에 대한 다른 과제는 검출기들 또는 센서 코일들이 전자기장에서 왜곡들을 생성하기 때문에 금속 객체가 이들로부터 떨어져 유지되어야 한다는 것이다. 즉, 수술용 로봇들은 종종 무선 위치파악 시스템에 의해 의존되는 전자기장을 왜곡시킬 수 있는 금속 구성요소들(예컨대, 금속 팔)을 포함한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 다양한 잡음 감소 및 신호 처리 기술들을 이용하는 것이다. 일부 실시예들에서, 시스템은 위상 민감 신호 처리를 이용한다.
무선 태그들을 수술용 로봇 응용에 통합하는 것에 대한 다른 과제는 무선 태그들을 금속 구성요소들(예를 들어, 로봇 팔)에 직접 부착하는 것이 금속 내의 유도된 와전류들에 의해 무선 태그에 의해 전송된 신호가 저하되게 할 수 있다는 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 무선 태그의 안테나 권선과 금속 사이에 위치된 고투과도 재료(예컨대, 철, 망간, 아연, 실리콘, 알루미늄, 니켈, 전기 강판, 코발트-철 등)의 얇은 층을 포함하는 것이다. 일부 실시예들에서, 고투과도 재료의 층은 무선 태그에 의해 전송되는 신호의 주파수 범위에 기반하여 선택된다.
무선 태그들을 수술용 로봇 응용에 통합하는 것에 대한 다른 과제는 범위가 측정하는 능력에 의해 제한되고, 환자 상의 관심 있는 특징이 종종 패드로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있다는 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 무선 태그 신호들을 감지하기 위해 방출기들에 직교하는 고이득 검출기(예를 들어, 도 5의 508)를 내장하는 것이다. 고이득 검출기는 로봇 구성요소(예를 들어, 로봇 팔) 상에 탑재될 수 있고, 센서는 무선 태그에 가깝게 이동될 수 있다.
수술용 로봇 응용에 태그들을 통합하는 것에 대한 다른 과제는 작은 무선 태그들이 여기된 필드의 한 방향에만 응답한다는 것이고, 일부 실시예들에서 로봇 응용들은 추적되고 있는 복수의 무선 위치파악 태그들(즉, 클립들, SmartClips®)을 가질 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 여자기 필드의 3개의 직교 방향을 생성하는 패드를 이용한다. 도 11을 참조하면, 서로 직교하는 패드(1102) 바로 위에 3개의 전자기장(예를 들어, X, Y 및 Z 방향 전자기장)을 생성하는 여자기 패드(1102)가 도시된다. 여자기 필드의 3개의 직교 방향에 의해, 무선 태그 배향에 관계없이 무선 태그들에 대한 충분한 전력 전송이 있다. 임의의 무선 태그에 대한 바람직한 필드 방향은 감지 시스템에 의해 수신된 총 전력을 측정하고 가장 큰 총 전력을 갖는 필드 방향을 선택함으로써 결정될 수 있다. 다수의 태그들이 위치파악될 필요가 있는 경우, 동일한 필드 방향에 의해 여기된 것들만이 동시에 위치파악될 수 있다. 모든 무선 태그들이 위치파악가능하게 하는 최소 수의 필드 방향들을 통해 순차적으로 스테핑함으로써, 모든 태그들이 위치파악된다. 필드 방향을 변경하는데 걸리는 시간의 양이 중요하다. 그 시간을 최소화하기 위해, 솔리드-스테이트 트랜지스터들이 (전기기계식 릴레이들 대신에, 또는 전기기계식 릴레이들에 추가하여) 필드 극성을 변경하는데 이용된다. 일부 실시예들에서, 전기기계식 릴레이들은 솔리드-스테이트 트랜지스터들보다 스위칭하는데 더 오래 걸릴 수 있고, 전기기계식 릴레이들은 스위칭 시에 좁은 대역폭 신호 조정으로부터 감쇠되도록 허용되어야 하는 잡음을 생성한다. 여자기 코일 및 센서 코일을 갖는 예시적인 패드가 미국 특허 제10,278,779호에 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
일부 실시예들에서, 수술용 로봇들은 자동화된 개입(예를 들어, 로봇 움직임에 대한 상세한 수술 계획에 기반한 단계들의 세트)을 수행한다. 태그들을 로봇 응용들에 통합하는 것에 대한 다른 과제는 자동화된 개입들이 로봇 움직임들에 대한 상세한 수술 계획에 기반할 수 있다는 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은, 실제 움직임들을 계획된 움직임들과 비교하고, 계획이 허용된 공차들을 넘어서 벗어날 때 신호를 생성하는 독립적인 처리 시스템에 의해 로봇 움직임들을 모니터링함으로써 향상되는 자동화 안전이다. 로봇 움직임들이 추적되고 있지 않을 때 2차 신호가 생성된다. 즉, 일부 실시예들에서, 로봇 구성요소가 계획에 따라 움직이고 있는 것을 추적하고 이중 체크하기 위해 무선 태그가 이용된다. 이와 같이, 무선 태그들은 로봇 구성요소들의 움직임을 무선으로 추적할 수 있고 추가적인 안전 또는 안전 잠금을 제공하는데 이용될 수 있다.
C. 일반적인 수술 응용들
본 명세서에서 제공되는 솔루션들은 또한 환자들 내에 아이템들이 남는 것을 방지하는 것, 뼈 모델링 및 연조직 모델링을 포함하지만 이에 제한되지 않는 일반적인 수술 응용들도 갖는다.
수술의 일반적인 문제는 수술이 완료된 후에 환자 내에 아이템들(예컨대, 수술 기구, 스펀지 등)이 남을 때 발생한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 무선 태그들이 무선으로 추적될 수 있도록 무선 태그들을 이러한 아이템들에 내장한다. 종래의 현장(fielded) 무선 객체 추적 시스템은 무선 태그 위치파악 시스템과 호환되지 않는다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 현장 무선 객체 추적은 필요한 장비의 양을 감소시키고/시키거나 무선 간섭의 양을 감소시키기 위해 태그 위치파악 시스템에 통합된다. 태그로 태깅된 아이템들은 EnVisio® 시스템에 의해 높은 보장으로 검출가능하다. 위치파악 요건들이 완화되면 다수의 태그들이 지원될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 진행 중인 카운트를 유지하고, 일반적인 현장 영역에 도입된 아이템들의 수를 추적하며, 태깅된 아이템들이 일반적인 현장 영역을 떠날 때 그 수를 감소시킨다(즉, 그 환경에서 실행 중인 아이템들의 총계를 유지한다).
다른 과제는 종래의 로봇 유도 정형외과 시스템들이 뼈들의 광학 추적에 의존하며, 이는 광학 추적기들이 뼈에 수술적으로 이식될 것을 요구하고, 시스템이 광학 추적기들의 직시선을 유지하는 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 2개 이상의 무선 태그(즉, SmartClips®)를 뼈에 내장하고, 2개 이상의 무선 태그에 의해 정의된 좌표계 내에서 뼈 기하구조를 확립하기 위해 수술전 이미지화 및 이미지 세그먼트화를 이용한다. 일부 실시예들에서, 수술 시에, 뼈는 소프트웨어(예컨대, 로봇 팔)에 의해 제어되는 모터 구동 액추에이터들에 탑재되고, 뼈 인터페이스는 무선 태그 여기 및 감지 서브시스템들을 포함한다.
다른 과제는 수술을 위해 수술실에서 제시되는 것과 상이한 위치들, 배향들, 및 형상의 연조직으로 수술전 이미지화가 수집된다는 것이다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 연조직 내에 그리고/또는 환자의 피부 상에 2개 이상의 무선 태그들을 이식하는 것이다. 태그가 제자리에 있는 상태에서 수술전 이미지화가 수행될 수 있고, 태그의 새로운 위치 및 배향을 관찰하기 위해 이미지화를 불러올 수 있다. 3D 이미지는 이미지화된 태그들을 라이브 관찰된 태그들에 정렬시키는 볼륨 유지 알고리즘에 따라 변형된다. 일부 실시예들에서, 볼륨 유지 알고리즘은 조직 밀도, 탄성, 변형 등을 포함할 수 있는 물리학 및 생리학 기반이다.
D. 무선 태그 배치
태그는 종래의 플런저 메커니즘으로 주사바늘, 카테터 등을 통해 연조직으로 전달될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무선 태그를 주변 조직에 고정시키기 위해 추가적인 기계적 특징부가 추가된다. 무선 태그를 고정시키는 것은 조직의 조작을 수반하는 조직 절제 동안 특히 중요하다. 도 7을 참조하면, 무선 위치파악 태그(702)는 하우징(704)의 축방향 단부(708)에 형성된 적어도 하나의 갈래(706)를 갖는 하우징(704) 내에 위치된다. 예시된 실시예에서, 갈래들(706)은 태그(702)의 종축(712)을 따라 연장된다. 갈래들(706)은 무선 태그(702)를 주변 조직에 붙잡거나, 고정하거나, 다른 방식으로 앵커링하도록 구성된다.
도 8을 참조하면, 무선 태그(802)는 주변 조직에 관여하고 움직임을 방지하는 독자적 전개형 갈래들(806)을 갖는 하우징(804)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 갈래들(806)은 태그(802)(하우징(804))의 종축(810)에 대해 방사상으로 편향된다. 일부 실시예들에서, 갈래들(806)은 (예를 들어, 전개 또는 전달 동안) 갈래들(806)이 종축(810)을 향해 방사상 안쪽으로 편향되는 제1 위치로 이동가능하고, 갈래(806)는 갈래들(806)이 종축(810)으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장되는(예를 들어, 전개되고 제자리에 있는) 제2 위치로 이동가능하다. 즉, 갈래들(806)은 제자리에 있을 때 방사상 바깥쪽으로 전개된다. 일부 실시예들에서, 갈래들(806)은 무선 태그(802)를 환자의 폐들에 고정하는데 이용된다.
도 9를 참조하면, 무선 태그(902)는 갈래(908)를 갖는 하우징(904)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 갈래(908)는 태그(902)의 종축(912)에 수직인 평면(910)에서 연장되는 나선형이다. 일부 실시예들에서, 갈래(908)는 니티놀로 만들어진다. 갈래(908)는 나선형 갈래(908)가 종축(912)을 향해 방사상 안쪽으로 편향되는 제1 위치(예를 들어, 원주 방향으로 압축된 전개 위치)와 나선형 갈래(908)가 방사상 바깥쪽으로 연장되는 제2 위치(예를 들어, 전개된 위치) 사이에서 이동가능하다. 예시된 실시예에서, 나선형 갈래(908)는 갈래(908)가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동함에 따라 평면(910)에 남아 있다.
도 10을 참조하면, 무선 태그(1002)는 갈래(1006)를 갖는 하우징(1004)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 갈래(1006)는 전개가능한 스텐트이다.
E. 표적화된 방사선 전달
고에너지 방사선을 환자의 연조직에 전달할 때, 표적 조직을 의도된 위치에 위치시키는 것이 중요하다. 방사할 위치를 결정하는 종래의 기술들은 외부 랜드마크들(예컨대, 해부구조, 문신들) 또는 x선 기반 이미지화의 이용을 포함한다. 배치 후에 환자 움직임을 검출하는 종래의 기술들은 외부 태그를 모니터링하는 것, 공기 흐름을 통해 환자 호흡을 모니터링하는 것을 포함한다.
본 명세서에서 제시된 솔루션은 방사선에 표적화된 부위에 또는 그 근방에 이식된 태그를 이용한 직접 위치파악을 제공한다. 무선 태그가 방사선이 전달되도록 의도되는 부위에 이식되는 경우, 환자는 태그가 표적화된 방사선 시스템들의 초점에 또는 그 근방에 있도록 반드시 위치될 것이다. 따라서, 무선 태그가 배치되는 볼륨은 다른 절차들에 비해 비교적 작다(예를 들어, 10cm × 10cm × 10cm). 태그 여기 및 감지 요소들은 빔 편향을 방지하고 또한 전자기기에 대한 손상을 방지하기 위해 방사선과 중첩되어서는 안 된다. 일부 실시예들에서, 여기 필드가 훨씬 더 낮고 전자 필터들이 여기 신호를 거부하기에 충분하도록, 별도의 모듈들에서 여기 및 감지 요소들을 가지는 것이 유리하다. 일부 실시예들에서, 무선 태그가 2개의 위치 사이에 있는 2개의 위치에 여자기들을 갖는 헬름홀츠 코일 구성이 또한 유리할 수 있다. 다른 실시예들에서, 여자기 및 센서들 둘 다를 갖는 단일 패드가 환자 아래가 아니라 방사선 치료 동안 환자 옆에 배치된다.
F. 수술 전후 이미지화
무선 태그 신호 여기 및 감지에 이용되는 방사선 불투과성 재료들은 이미지화 장비 소스와 검출기들 사이에 존재할 때 환자 특징들을 불명료하게 할 수 있다. 일부 절차들에서, 와이어, 카테터 또는 유사한 디바이스가 이식에 대한 관 내의 특정 위치에 있을 때 신호가 제공된다.
본 명세서에서 제시된 솔루션은, 예를 들어, 스텐트를 회수하길 원할 때 스텐트(예를 들어, 관상 동맥) 내에 배치된 무선 태그이다. 솔루션은 또한 카테터 또는 유사한 디바이스의 외벽에 결합되는 유선 방출기를 포함한다. 유선 방출기는 무선 태그에 전력을 공급하기에 충분한 자기장 강도를 제공한다. 신체 외부에 위치한 센서 또는 센서들의 세트는 무선 태그 응답(유선 방출기가 무선 태그에 접근하고 있음을 나타냄)을 청취한다. 일부 실시예들에서, 센서 신호에 대한 신호 조정은 방출기에 의해 운반되는 여자기 신호를 차단하는 노치 또는 저역 통과 필터를 포함한다. 무선 태그가 유선 방출기의 범위 내에 있는 경우, 무선 태그의 주파수 스펙트럼 특성이 감지될 수 있다.
대안적으로, 이식은 자석을 포함하고, 카테터는 고감도 자력계를 포함한다. 이 접근법은 지구 및 근방의 금속 성분들로 인한 국소 자기장의 변동의 영향을 감소시키기 위해 "제로화" 절차를 포함한다.
대안적으로, 태그는 수동 고 공진 LC 회로를 포함하고, 방출기 상의 반사 신호가 모니터링된다. 유선 방출기와 이식 사이의 결합에서의 변화는 반사 신호를 변경하고, 반사 신호가 가장 영향을 받는 위치는 최대 결합의 위치에 대응할 것이고, 방출기 및 태그의 기하구조는 최대 결합의 위치가 관 내의 카테터의 신호 상대 위치에 대응하도록 맞춤화된다.
G. 동맥 액세스
동맥 액세스를 얻는 것은 심장 또는 다리 개입 중 어느 하나에서의 대퇴골 액세스에 대해 특히 어려울 수 있다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 초음파 또는 이미지화 안내 하에서 의도된 액세스의 위치에서 동맥을 따라 배치된 무선 태그이다. 일부 실시예들에서, 초기 액세스에 이용되는 주사바늘은 무선 또는 유선 비컨으로 추적되고, 그 후 이상적인 배치 및 방향을 위해 시스템에 의해 안내된다. 고정밀도는 출혈을 감소시키고 액세스를 얻기 위해 요구되는 시간을 감소시킨다.
H. 상이한 환경
패드 근처의 복소 자기 투과도의 변화들은 비컨들을 위치파악하는데 이용되는 신호들에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 금속성(높은 전도도) 재료들은 동일한 주파수에서 신호 소스로서 작용하는 유도 전류들에 의해 자기장을 제로로 강제한다. 철을 함유한(고투과도) 재료들은 훨씬 덜 흔하지만 필드들을 또한 수정한다. 환자 아래에 배치된 패드들은 큰 금속성 성분들을 갖는 침대들에 가능한 한 가깝게 배치된다. 필드들에 대한 침대의 영향을 학습하고, 위치파악에 대한 영향을 제거하기 위해 매핑 프로세스가 이용된다. 그러나, 상이한 환경들은 금속을 포함하지 않는 것으로부터 금속 상에 직접 패드를 탑재하는 것까지의 범위에 있다. 본 명세서에서 제시된 솔루션들은 패드가 이러한 다양한 환경들에서 이용되는 것을 허용한다.
제1 과제는 여자기 필드를 효과적으로 상쇄하는 반대 자기장을 생성할 수 있는, 침대에 내장된 큰 금속 루프들로부터 발생한다. 본 명세서에서 제시된 솔루션은 패드(1202)의 하부에 전기 전도성 층(1206)(예를 들어, 전도성 플레이트)을 배치하는 것이다. 전도성 플레이트(1206)는 패드(1202) 아래의 환경 투과도에서의 변화들에 대한 실드로서 작용한다. 도 12를 참조하면, 전도성 플레이트(1206)는 패드(1202) 내에 전자기 플럭스를 포함하도록 자기장을 성형한다(화살표(1210) 참조). 일부 실시예들에서, 전도성 플레이트는 금속성이다. 일부 실시예들에서, 전도성 층은 알루미늄이다. 일부 실시예들에서, 전도성 층은 뮤-메탈, 구리 또는 스테인리스강이다. 일부 실시예들에서, 전기 전도성 층은 적어도 20×106 S/m(Siemens per meter)의 전도도를 포함한다.
제2 과제는 금속에 유도된 전류들 및 결과적인 반대 자기장으로 인해 여자기 필드에 영향을 미치는 전도성 층으로부터 발생한다. 도 12를 참조하면, 본 명세서에서 제시된 솔루션은 높은 전자기 투과도 재료의 제1 층(1204) 및 전기 전도성 재료의 제2 층(1206)(예를 들어, 전도성 플레이트)을 갖는 패드(1202)이다. 일부 실시예들에서, 제1 층(1204)은 대략 10 내지 대략 5000의 범위 내의 전자기 투과도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 층(1204)은 페라이트 코어(예를 들어, 철, 망간 및 아연으로 제조된 산화물들 - 망간 아연 페라이트들)이다. 일부 실시예들에서, 제1 층(1204)은 철, 실리콘, 알루미늄, 및/또는 니켈을 포함하는 복합체(예를 들어, 분말 코어)이다.
예시된 실시예에서, 제1 층(1204)은 복수의 여자기 코일(1212)과 제2 층(1206) 사이에 위치된다. 제2 층(1206)에서의 전자기장은 더 낮고, 대응하는 전류들은 더 낮게 유도된다. 예시된 실시예에서, 투과성 층(1202)은 여자기 코일(1212)과 전도성 층(1206) 사이에 위치된다. 이와 같이, 패드(1202)는 패드(1202)의 하부 상에 자속을 재지향시키고 포함하는 재료들의 조합을 포함하고, 패드(1202)는 다양한 수술 침대들(예를 들어, "침대 불가지론") 상에서 효율적으로 동작하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 여자기 코일들(1212)은 높은 열 전도도 캡슐화 재료(1214)(예를 들어, 에폭시)로 캡슐화된다. 일부 실시예들에서, 캡슐화 재료는 1000W/켈빈보다 큰 열 전도도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 캡슐화 재료는 kg℃당 1000줄보다 큰 열 용량을 갖는다. 일부 실시예들에서, 캡슐화 재료(1214)는 적어도 400V/mil의 유전 강도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 페라이트 재료는 자기장을 성형하는 것을 돕는다.
제3 과제는 고투과도 재료의 존재가 자기장 방향들을 왜곡시키기 때문에 발생한다. 자기장 방향들의 왜곡은 상이한 필드 방향들을 생성하는 여자기의 상태들 각각에 대해 센서가 여자기 필드에 직교하는 위치 및 배향으로 센서들을 위치시키는 것이 바람직하기 때문에 과제들을 발생시킨다. 왜곡은 유도 자기장의 주 방향성을 변화시키기 위해 전류의 위상들이 달라지는 다중-여자기 시스템들에서 두드러진다. 이 효과는, 여자기가 상이한 필드 방향을 생성하도록 구성되기 때문에(예를 들어, 도 11), 여자기의 평면에서, 필드 방향에서의 큰 변화들을 초래한다.
도 13을 참조하면, 본 명세서에서 제시된 솔루션은 그리드 구성으로 배열된 여자기 코일들(1300A, 1300B, 1300C, 1300D) 및 센서 코일들(1304A-1304L)을 갖는 패드(1301)이다. 센서 코일들(1304A-1304L)은 여자기의 평면에서 필드 방향의 최소 변화가 발생하는 위치들에 배치된다. 예시된 실시예에서, 센서 코일들(1304A-1304L)은 각각 센서 코일 축(1306A-1306L)을 정의하고, 여자기 코일들(1300A-1300D)은 각각 여자기 코일 축(1302A-1302D)을 정의한다. 이 그리드 구성에서, 모든 센서 코일들(1304A-1304L)은 인접한 여자기 코일(1300A-1300D)의 접선에 평행하게 배향된다. 예를 들어, 센서 코일들(1304A, 1304D, 1304F, 1304C)의 센서 코일 축들(1306A, 1306D, 1306F 및 1306C)은 여자기 코일(1300A)의 접선에 평행하게 배향된다. 즉, 센서 코일 축들(1306A, 1306D, 1306F 및 1306C)은 여자기 코일 축(1302A)과 교차하지 않는다.
도 13을 계속 참조하면, 4개의 여자기 코일(1300A-1300D)은 패드의 중심(1312) 주위에 원주 방향으로 배치된다. 예시된 실시예에서, 센서 축들(1306A, 1306B, 1306F, 1306G, 1306K 및 1306L)은 제1 방향(예컨대, X 방향)으로 정렬되고, 센서 축들(1306C, 1306D, 1306E, 1306H, 1306I 및 1306J)은 제2 방향(예컨대, Y 방향)으로 정렬된다. 예시된 실시예에서, 제1 방향과 제2 방향은 수직이다. 예시된 실시예에서, 여자기 축들(1302A-1302D)은 도 13의 뷰 평면에 수직인 제3 방향(예를 들어, Z 방향)으로 정렬된다. 예시된 실시예에서, 센서 코일들(1304A-1304L)은 (적어도 하나의 여자기 축(1302A-1302D)과 일직선으로) 적어도 하나의 여자기 코일을 중심으로 위치된다. 예를 들어, 센서 코일들(1304A, 1304D, 1304F 및 1304C)은 여자기 코일(1300A) 주위에 원주 방향으로 위치된다. 예시된 실시예에서, 각각의 여자기 코일(1300A-1300D)의 각각의 측면의 중간 지점에 위치한 센서 코일(1304A-1304L)이 있다.
일부 실시예들에서, 여자기 코일은 원형이다. 다른 실시예들에서, 여자기 코일은 직사각형 또는 다른 적절한 형상이다. 일부 실시예들에서, 패드의 모니터링 및 제어에 이용되는 전자기기는 전도성 실드 아래에 위치된다(예를 들어, 전도성 실드는 전자기기와 여자기 코일 사이에 위치된다).
예시된 실시예에서, 고투과도 재료는 포화되지 않고 높은 필드들을 용인한다. 일부 실시예들에서, 고투과도 재료가 지지할 수 있는 내부 유도 필드는 외부 인가 필드보다 더 높다.
다양한 특징들 및 이점들이 다음의 청구항들에서 제시된다.
Claims (30)
- 무선 위치파악 시스템(wireless localization system)으로서,
여자기 코일 및 센서 코일을 포함하는 패드;
상기 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 신호를 생성하도록 구성된 무선 태그를 포함하는 도구 - 상기 신호는 상기 센서 코일에 의해 검출됨 -; 및
상기 센서 코일에 의해 검출된 상기 신호에 기반하여 상기 도구의 위치를 결정하도록 구성된 프로세서
를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도구는 카메라, 초음파 프로브, 전기 임피던스 프로브, 광 프로브, 미세힘 프로브, 전기소작 도구, 주사바늘, 삼킬 수 있는 캡슐, 키패드, 스테이플러, 클램프, 및 스펀지 중 하나인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 무선 태그는 제1 무선 태그이고, 상기 신호는 제1 신호이고, 상기 시스템은 환자의 조직에 결합되고 상기 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제2 신호를 생성하도록 구성된 제2 무선 태그를 더 포함하는, 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제2 무선 태그에 대한 상기 도구의 위치를 결정하도록 구성되는, 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제2 무선 태그가 결합되는 조직은 폐 조직, 뼈 조직, 연조직, 및 동맥 중 하나인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 도구의 배향을 결정하도록 추가로 구성되는, 시스템. - 무선 위치파악 시스템으로서,
로봇 팔, 카메라, 및 상기 로봇 팔에 결합된 도구를 포함하는 수술용 로봇 어셈블리;
여자기 코일 및 센서 코일을 포함하는 패드;
상기 수술용 로봇 어셈블리의 일부에 결합된 제1 무선 태그 - 상기 제1 무선 태그는 상기 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제1 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 신호는 상기 센서 코일에 의해 검출됨 -;
환자의 조직에 결합된 제2 무선 태그 - 상기 제2 무선 태그는 상기 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 제2 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 신호는 상기 센서 코일에 의해 검출됨 -;
상기 센서 코일에 의해 검출된 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호에 기반하여 상기 제1 무선 태그 및 상기 제2 무선 태그의 위치를 결정하도록 구성된 프로세서
를 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제1 무선 태그는 상기 카메라에 결합되는, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제1 무선 태그는 상기 로봇 팔에 결합되는, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 센서 코일은 제1 센서 코일이고, 상기 시스템은 상기 로봇 팔에 결합된 제2 센서 코일을 더 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서,
제3 무선 태그를 포함하는 이동가능한 객체를 더 포함하고, 상기 이동가능한 객체는 다양한 위치들로 이동되고 상기 카메라에 의해 검출되어 상기 카메라의 시야를 기록(register)하는, 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 이동가능한 객체는 외측 쉘, 상기 외측 쉘에 대해 이동가능한 내측 구를 포함하고, 상기 제3 무선 태그는 상기 내측 구 내에 위치되는, 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 내측 구는 상기 구를 중력에 대해 디폴트 배향으로 배향시키기 위한 가중된 부분을 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 수술용 로봇 어셈블리는 제어 콘솔을 포함하고, 상기 제1 무선 태그의 위치 및 상기 제2 무선 태그의 위치는 상기 제어 콘솔 상에 디스플레이되는, 시스템. - 패드로서,
자기장을 생성하도록 구성된 여자기 코일;
센서 코일;
전기 전도성 층;
상기 여자기 코일과 상기 전도성 층 사이에 배치된 전자기 투과성 층
을 포함하는, 패드. - 제15항에 있어서,
상기 전기 전도성 층은 금속성이고, 상기 전자기 투과성 층은 철을 함유한, 패드. - 제15항에 있어서,
상기 전자기 투과성 층은 10 내지 5000의 범위 내의 투과도를 갖는, 패드. - 제15항에 있어서,
상기 여자기 코일은 제1 여자기 코일이고, 상기 패드는 중심 주위에 원주 방향으로 위치된 제2 여자기 코일, 제3 여자기 코일 및 제4 여자기 코일을 더 포함하는, 패드. - 제18항에 있어서,
상기 제1 여자기 코일, 상기 제2 여자기 코일, 상기 제3 여자기 코일 및 상기 제4 여자기 코일에 의해 생성된 자기장은 3개의 직교 자기장을 포함하는, 패드. - 제18항에 있어서,
상기 센서 코일은 제1 센서 코일이고, 상기 패드는 제2 센서 코일, 제3 센서 코일 및 제4 센서 코일을 더 포함하는, 패드. - 제20항에 있어서,
상기 제1 센서 코일, 상기 제2 센서 코일, 상기 제3 센서 코일 및 상기 제4 센서 코일은 상기 제1 여자기 코일 주위에 원주 방향으로 위치되는, 패드. - 제21항에 있어서,
상기 제1 센서 코일은 제1 센서 축을 포함하고, 상기 제3 센서 코일은 제3 센서 축을 포함하고, 상기 제1 센서 축은 상기 제3 센서 축에 평행하며,
상기 제2 센서 코일은 제2 센서 축을 포함하고, 상기 제4 센서 코일은 제4 센서 축을 포함하고, 상기 제2 센서 축은 상기 제4 센서 축에 평행한, 패드. - 제22항에 있어서,
상기 제1 센서 축은 상기 제2 센서 축에 수직인, 패드. - 제23항에 있어서,
상기 제1 여자기 코일은 상기 제1 센서 축 및 상기 제2 센서 축에 수직인 여자기 코일 축을 포함하는, 패드. - 제15항에 있어서,
상기 센서 코일은 상기 여자기 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 무선 신호를 검출하고, 상기 패드는 환자와 상기 환자를 지지하는 침대 사이에 위치되는, 패드. - 앵커를 포함한 외측 하우징을 포함하는 무선 태그로서,
상기 앵커는 환자의 조직 내에 고정되도록 구성되는, 무선 태그. - 제26항에 있어서, 상기 앵커는 독자적 전개형(self-deploying)인, 무선 태그.
- 제26항에 있어서,
상기 앵커는 나선형인, 무선 태그. - 제26항에 있어서,
상기 앵커는 스텐트인, 무선 태그. - 제26항에 있어서,
상기 앵커는 상기 외측 하우징의 종축으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장되는, 무선 태그.
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