WO2024049189A1 - 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치 - Google Patents

캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치 Download PDF

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WO2024049189A1
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surgical
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    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Definitions

  • the present invention relates to a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit, and more specifically, to a surgical device equipped with a calibration mounting unit that can be installed and used interchangeably with various medical tools and that can be accurately calibrated by simply installing a calibration tool. This is about a robotic surgical device.
  • surgical treatment for joint diseases includes arthroscopic surgery, cartilage cell transplantation, etc., and for severe diseases, artificial joint surgery is performed.
  • Artificial joint surgery includes manual artificial joint surgery performed by medical personnel and robot-assisted surgery. Artificial joint surgery is commonly used.
  • Artificial joint surgery using a robot is a procedure in which the kneecap is cut by rotating the cutter of a cutting device mounted on the distal end of the robot's position-variable arm according to information input into a computer, and an artificial knee joint (implant) is installed.
  • a cutting device including a cutting tool hereinafter referred to as a 'cutter' is used.
  • FIG. 1A is a perspective view showing an assembled state to illustrate a cutting device for a conventional surgical robot
  • FIG. 1B is an exploded perspective view to illustrate a cutting device for a conventional surgical robot.
  • the cutting device (A) for a conventional surgical robot includes a sleeve 200 that supports the cutter 100 that performs the cutting action, a chuck device portion 300 that holds the cutter, and a chuck device portion.
  • a holder part 400 is installed and mounted on the distal end of the robot's position-variable arm (not shown), an operating nut 500 that applies a manipulation force to fix or release the cutter from the chuck device 300, and provides a rotational force to the cutter.
  • a motor (not shown) is installed on the motor connection member 600 connected to the rear of the holder unit 400.
  • the cutter consists of a head 110 with cutting edges formed thereon, and a shaft 120 that extends from the head 110 and has a round bar shape.
  • This cutter 100 performs a cutting action while the rear end of the shaft 120 is connected to a motor and rotates, and the outer peripheral surface of the shaft 120 is rotatably supported by the sleeve 200 so that the shaft 120 rotates. It is designed to prevent vibration or bending when cutting, and a head 110 protrudes from the outside of the sleeve 200 to perform a bone cutting action by rotating the head 110.
  • the sleeve 200 is provided with a pipe portion 210 having a small diameter and a fastening cap 220 formed on one end of the pipe portion to be fastened to the chuck device portion 300. Inside this sleeve, the shaft of the cutter is installed. A rotatably supporting bearing 230, a spacer 240, etc. are inserted.
  • the chuck device 300 is a chuck 320, commonly referred to as a collet, provided in the front of the chuck body 310, and is a part that fixes the shaft of a cutter, etc., and usually has 3 to 4 jaws that move radially. It is a configuration that performs a clamping operation (clamping operation) or a release operation (unclamping) by pressing the shaft of the cutter as the cutter gathers or spreads.
  • clamping operation clamping operation
  • unclamping unclamping
  • the above-described conventional cutting device for a surgical robot performs a cutting operation while supporting the cutter 100, but has limitations that result in the following problems.
  • the conventional cutting device for surgical robots is difficult to prepare and use because if the length or diameter of the cutter 100 changes depending on the artificial joint surgery method or type of surgery, the sleeve 200 must be individually manufactured to fit the cutter. There is a problem that increases in manufacturing costs lead to an increase in medical costs.
  • TKA total knee arthroplasty
  • UKA Uni-knee Arthroplasty
  • GHR Guard Hole Resection
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-1624512 “Cutting device for joint cutting system using robot”
  • Patent Document 2 Korean Patent No. 10-0873014 “Joint cutting system using robot”
  • the present invention was proposed in light of the above contents, and its purpose is to provide a surgical device for a surgical robot that can be installed and used interchangeably with various medical tools and has a calibration mounting unit that allows accurate calibration by easily installing a calibration tool. There is.
  • a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit includes a cutting device for a surgical robot, a sleeve supporting a medical tool having a shaft; a chuck device to which the sleeve including the shaft is fastened; A holder portion on which the chuck device is installed and mounted on the distal end of the robot arm; and a calibration mounting portion that is detachably configured to be attached to the sleeve and on which a calibration tool is installed.
  • the calibration mounting unit includes a fixing cap member fastened to the sleeve; and a calibration mounting member fixed to the sleeve by the fixing cap member.
  • the calibration mounting member may include a rod-shaped calibration shaft on which a marker is installed and a positioning member formed on the calibration shaft and seated on the fixing cap member.
  • the sleeve may be composed of a hollow sleeve body through which a binding thread is formed on one outer peripheral surface and a shaft insertion hole is penetrated along the longitudinal direction.
  • the fixed cap member includes a cap-shaped cap body connected to the hollow sleeve body, a rod insertion hole formed in the cap body to insert the calibration shaft, and a cap formed on the inner peripheral surface of the cap body to be fastened to the binding male screw portion. It may be configured to include a female thread.
  • the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting member may further include a mounting member rotation blocking portion configured to block movement of the calibration mounting member.
  • the mounting member rotation blocking portion includes a pin insertion groove formed in the sleeve; and a rotation blocking pin formed on the positioning member to be inserted into the pin insertion groove.
  • the pin insertion groove may be formed to have a foreign material discharge portion on one side to facilitate the discharge of foreign materials.
  • the calibration mounting member includes a cap separation prevention means configured to prevent the fixing cap member from being separated from the calibration shaft
  • the positioning member includes a disk inserted into the fixing cap member
  • the rotation blocker A plurality of pins protrude from the disk
  • the fixing cap member may have an inspection opening formed in the cam body through which the alignment state of the sleeve and the calibration mounting member can be checked.
  • the sleeve includes a sleeve cap coupled to the shaft insertion hole corresponding to the outer free end portion of the hollow sleeve body, a plurality of first support bearings installed in the shaft insertion hole in contact with the sleeve cap to support the shaft, A spacer installed in contact with the first support bearing and formed in a cylindrical shape, a plurality of second support bearings installed in contact with the spacer to support the shaft, and an airtight member inserted through a binding female thread formed inside the shaft insertion hole. may include.
  • the shaft insertion hole is recessed at an inner end of the engaging female screw portion so that the sleeve cap, the first and second support bearings, a fitting groove into which the spacer is inserted, a locking protrusion into which the second support bearing is engaged, and the airtight member are inserted.
  • An airtight member insertion groove may be provided.
  • the sleeve is not composed of a thin and long pipe as in the past, but is composed of a hollow sleeve body with a relatively large outer diameter, so the sleeve does not need to be replaced every time the type of cutter is changed. Since it can be used interchangeably, it has the effect of being able to easily replace and use various cutters.
  • the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting portion it is possible to perform simple and accurate calibration by assembling the calibration mounting portion on the sleeve by fastening.
  • the rotation blocking pin formed on the positioning member is inserted into the pin insertion groove of the sleeve during the assembly process of the calibration mounting part, the movement of the calibration mounting member on which the calibration tool is installed can be fundamentally blocked, which has the advantage of enabling accurate calibration.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining a conventional surgical device for an orthopedic surgical robot.
  • FIG. 1A is a perspective view and
  • FIG. 1B is an separated perspective view.
  • Figure 2 is a perspective view showing a calibration tool installed in a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an exploded perspective view illustrating a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention
  • Figures 4A to 4C are diagrams for explaining the sleeve portion of a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4A is a perspective view
  • Figure 4B is an overall cross-sectional view
  • Figure 4C is a view of the hollow sleeve body. This is a cross-sectional view.
  • Figures 5A to 5C are diagrams for explaining the calibration mounting portion of a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting portion according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5A is a perspective view
  • Figure 5B is an exploded perspective view
  • Figure 5C is a cross-sectional view. .
  • Figures 6a to 6c are front views showing a cutter applied as a surgical tool to a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 7a to 7c are perspective views showing a cutter as a surgical tool installed in a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 7C a preferred embodiment of the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings, FIGS. 2 to 7C, and the same components in FIGS. 2 to 7C will be assigned the same reference numerals.
  • Figure 2 is a perspective view showing a calibration tool installed in a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a perspective view showing a state in which a calibration tool is installed for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention.
  • An exploded perspective view for explaining the surgical device Figures 4A to 4C are diagrams for explaining the sleeve portion of the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4A is a perspective view
  • Figure 4B is the overall view.
  • Figure 4c is a cross-sectional view of the hollow sleeve body.
  • Figures 5A to 5C are diagrams for explaining the calibration mounting portion of a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting portion according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5A is a perspective view
  • Figure 5B is an exploded perspective view
  • Figure 5C is a cross-sectional view. .
  • the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit can be used by installing various medical tools interchangeably and can be calibrated quickly and accurately by simply mounting a calibration tool. It is configured so as to be equipped with a sleeve (1), a chuck device part (2), a holder part (3), and a calibration mounting part (4).
  • the sleeve 1 is a component that supports the shaft 71,421 of the medical tool 7, such as the cutter 7a or the calibration tool 7b, which will be described later, and is a long, thin pipe that lacks compatibility and has weak bending rigidity as in the past. It is characterized by the fact that it is implemented to support various medical tools in a compatible manner.
  • the sleeve 1 is formed in a roughly round bar shape and is composed of a hollow sleeve body 11 in which the part bound to the chuck device 2 is formed as a large diameter portion with a relatively large outer diameter, and has a binding number on one outer peripheral surface.
  • a threaded portion 13 is formed and a shaft insertion hole 12 is penetrated along the longitudinal direction.
  • the sleeve 1 is in contact with the sleeve cap 14, which is coupled to the shaft insertion hole 12 corresponding to the outer free end of the hollow sleeve body 11 through a joining method such as laser welding.
  • a plurality of first support bearings 15 installed in the shaft insertion hole 12 to support the shaft, a spacer 16 installed in contact with the first support bearing 15 and formed in a cylindrical shape, and installed in contact with the spacer 16. It is provided with a plurality of second support bearings 17 for supporting the shaft, and an airtight member 18 inserted through the engaging female screw portion 19 to be located inside the shaft insertion hole 12.
  • the shaft insertion hole 12 has a fitting groove 121 into which the sleeve cap 14, the first and second support bearings 15 and 17, and the spacer 16 are inserted, and the second support bearing 17 is engaged.
  • An airtight member insertion groove 123 is formed that is recessed at the inner end of the fastening female screw portion 19 to allow the locking protrusion 122 and the airtight member 18 to be inserted.
  • the first and second support bearings 15 and 17 are components inserted before and after the fitting groove 121 with the spacer 16 in between to support the outer and inner portions of the shaft 71, and are composed of ball bearings. there is. At this time, two ball bearings are arranged in succession to ensure sufficient durability even during high-speed rotation of the shaft.
  • a ball bearing consists of an inner ring disposed at the inner center, an outer ring disposed in a concentric structure outside the inner ring, a plurality of balls interposed between the inner ring and the outer ring, and a bearing cover coupled to seal the balls. It is done.
  • the ball bearing is formed so that the inner diameter of the inner ring fits the outer diameter of the large diameter mounting portion of the cutter, which will be described later.
  • the chuck device unit 2 is a component to which the sleeve 1 including the shaft is fastened.
  • the chuck 22 provided in the front of the chuck body 21 is gathered or spread to press the shaft 71 of the medical tool. to perform a clamping operation (clamping) or a releasing operation (unclamping).
  • the spinal device unit 2 can be used as a medical spinal adjustment device used in orthopedics, dentistry, etc. among well-known spinal devices, a detailed description of the detailed configuration will be omitted.
  • the chuck device unit 2 is built into the chuck body 21 to fix the chuck body 21 to which the sleeve 1 is bound and the surgical tool, and selectively fixes the shaft 71 of the cutter 7a.
  • the chuck 22 is provided with a manipulation force application unit (not shown) that applies manipulation force for the engaging and disengaging operations of the chuck 22.
  • the chuck body 21 includes a chuck moving member 24, which moves the chuck 22 by an internal spring force when the operating force application part (not shown) rotates forward and reverse, inside the round bar-shaped body having a substantially hollow portion. there is. More specifically, when the manipulation force application part (not shown) rotates in the forward direction, the chucks 22 move backward and are brought together to press and fix the shaft, and when the manipulation force application part rotates in the reverse direction, the chucks move forward and hold each other. As it unfolds, it performs the action of releasing the fixed state of the shaft.
  • the holder portion 3 is a component on which the chuck device 2 is installed and mounted on the distal end of the robot arm (not shown), and includes a holder rod 31 having a substantially bar shape and one end of the holder rod 31.
  • the holder head 32 formed below, the connection plate 33 formed on the other end of the holder rod 31, and the arm connection member 34 connected to the connection plate 33 for connection to the distal end of the robot arm. ) is provided.
  • the holder head 32 is formed as a ring body with a binding hole into which the motor connection member 37 for binding the motor 9 is inserted, and a sleeve support portion ( 35) and an operating handle 36 disposed inside the sleeve support portion 35.
  • the operating handle 36 functions to rotate the operating force application unit (not shown) that applies the operating force for the engaging and disengaging operations of the chuck 22 through forward and reverse rotation.
  • the calibration mounting part 4 is detachably configured to be attached to the sleeve 1 so that a calibration tool (7b, calibration tool) such as a marker for calibrating the end of a cutter (drill) in robot-assisted artificial joint surgery can be installed. .
  • the calibration mounting unit 4 includes a fixing cap member 41 fastened to the sleeve 1, and a calibration mounting member 42 fixed to the sleeve 1 by the fixing cap member 41. do.
  • the calibration mounting member 42 is composed of a calibration shaft 421 on which a marker is installed, and a positioning member 422 formed on the calibration shaft 421 and seated on the fixing cap member 41.
  • the calibration shaft 421 is formed in a rod-shaped structure such as a round rod having a predetermined length.
  • a cutter with a head diameter of 5.0 mm used in UKA (Uni-knee Arthroplasty) surgery and a cutter using the GHR (Guide Hole Resection) technique surgery are used.
  • the overall length (115.85mm) of the cutter with a head diameter of 3.2mm used is formed to the same dimension, calibration can be easily performed using one calibration shaft (421) and can be used for total knee arthroplasty (TKA).
  • the length of the cutter with a head diameter of 6.2 mm is 135.65 mm, so the same calibration shaft is used during calibration, but the corrected value for the length difference is input into the robot system in advance to correct the calibration data of the 6.2 mm cutter. You can calibrate with .
  • the positioning member 422 is formed on the outer peripheral surface of the calibration shaft 421 and is formed in a disk shape to be inserted and seated inside the fixing cap member 41.
  • the fixed cap member 41 is connected to the hollow sleeve body 44 and has a cap-shaped cap body 411 with a recessed anti-slip groove 416, and a rod insertion hole drilled in the cap body to insert the calibration shaft 421. It is composed of a cap female thread portion 413 formed on the inner peripheral surface of the cap body to be fastened to the binding male thread portion 13 of the sleeve 1 (412).
  • the fixing cap member 41 has an inspection opening 415 formed in the cam body 411 to check the inflow of foreign substances by checking the matching state of the sleeve 1 and the calibration mounting member 42. desirable.
  • the inspection opening 415 is formed by cutting about 1/4 of the cam body 411, and the interior can be seen through the cut portion, so that the alignment state of the calibration mounting member 42 can be checked. That is, when foreign matter flows between the inner surface of the positioning member 422 and the end of the sleeve 1 through the inspection opening 415, a gap is created, and this can be confirmed with the naked eye. If possible, accurate calibration can be performed by separating the fixing cap member 41 from the sleeve, performing a cleaning operation, and then reassembling it.
  • the calibration mounting member 42 is configured with a cap separation prevention means 43 that prevents the fixing cap member 41 from being separated from the calibration shaft 421.
  • the cap separation prevention means 43 can be configured in various ways without particular limitations as long as it can prevent separation of the fixed cap member 41.
  • the separation prevention groove 431 is recessed into the calibration shaft 421. It is composed of a separation prevention piece 432, such as a C-ring, which is press-fitted into the separation prevention groove.
  • the calibration mounting unit 4 includes a mounting member rotation blocking unit 44 configured to block the movement of the calibration mounting member 42 for accurate and stable calibration.
  • the mounting member rotation blocking portion 44 includes a pin insertion groove 441 formed in the sleeve 1, and a rotation blocking pin 442 formed on the positioning member to be inserted into the pin insertion groove 441.
  • the rotation blocking pin 442 has two bar-shaped pins installed so as to protrude from the positioning member 422 at an angle of 180°.
  • the pin insertion groove 441 is formed in the sleeve 1 at a position corresponding to the rotation blocking pin 442, and is structured to have a foreign material discharge portion on one side to facilitate the discharge of foreign materials.
  • the foreign matter discharge portion refers to a portion exposed to the outside by cutting the outer portion of the pin insertion groove 441.
  • Figures 6a to 6c are front views showing a cutter applied as a surgical tool to a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6a shows a cutter with a head diameter of 3.2 mm
  • Figure 6b shows a head.
  • a cutter with a diameter of 5.0 mm is shown
  • Figure 6c shows a cutter with a head diameter of 6.2 mm.
  • Figures 7a to 7c are perspective views showing a state in which a cutter is installed as a surgical tool in a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7a shows a state in which a cutter with a head diameter of 3.2 mm is installed
  • Figure 7b shows the installed state of a cutter with a head diameter of 5.0 mm
  • Figure 7c shows the installed state of a cutter with a head diameter of 6.2 mm.
  • the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit does not configure the sleeve 1 in the form of a thin and long pipe, but rather has a hollow sleeve body ( 11), various types of cutters can be installed and used.
  • the cutter 7a may use a cutter 7a with a head diameter of 3.2 mm, a cutter 7a' with a head diameter of 5.0 mm, and a cutter 7a" with a head diameter of 6.2 mm, as shown in FIGS. 6A to 6C.
  • the above cutters (7a) have differences in the outer diameter and shape of the cutter head (78) and the overall length of the shaft (71) is the same or different, but in common, the shaft has a relatively small diameter so that it can be inserted into the chuck device (2).
  • a small diameter portion 75 formed in the shape of a round bar is provided.
  • the above-described 3.2mm head diameter cutter (7a), 5.0mm head diameter cutter (7a'), and 6.2mm head diameter cutter (7a") are formed in contact with the small diameter portion and are inserted into the sleeve 1, and are relatively cut compared to the small diameter portion. It is provided with a large mounting diameter portion 76 having a large outer diameter, a middle diameter portion 77 extending in contact with the large mounting diameter portion and forming a cutter head 78 at the end, and having an outer diameter larger than the small diameter portion and smaller than the large mounting diameter portion. .
  • the above-mentioned cutters are marked with two installation confirmation bands 79 on the installation large diameter portion 76 so that installation can be confirmed without using a separate cutter gauge.
  • the normal installation of the cutters (7a, 7a', 7a") is indicated by the point where the outer one of the two installation confirmation bands 79 is exposed and confirmed. Accordingly, the installation confirmation band 79 is used. If both are not visible or both are visible, it is an abnormal installation, so the cutter assembly must be adjusted so that one installation confirmation band is confirmed before use.
  • the cutters are provided with a large mounting diameter portion 76 so that they can be installed in the shaft insertion hole 12 of the sleeve 1, so that they can be conveniently mounted on a single surgical device as shown in FIGS. 7A to 7C. So it can be used interchangeably.
  • the calibration tool (7b) is an optical marker that is detachably attached to the sleeve (1) and applied to an optical tracking system (OTS), and is equipped with a calibration shaft (421) on the marker body (75).
  • a shaft fixing hole (not shown) into which is inserted is formed, and a tightening means 76 such as a fixing bolt for fixing the calibration shaft 421 inserted into the shaft fixing hole is provided.
  • the marker body 75 is provided with a plurality of position transmitting units 77 having a roughly ball shape to reflect or transmit a position signal to the optical position tracking system (OTS).
  • the optical position tracking system is equipment that can track the position and posture in three-dimensional space in real time by tracking the marker using a plurality of infrared cameras and converting the distance using triangulation. Since the tracking principle of this optical tracking system is widely known, detailed description will be omitted for simplicity of explanation.
  • the arm connection member (34) of the surgical device for the surgical robot equipped with the above-mentioned calibration mounting portion is assembled to the clamping member (not shown) provided on the robot arm (not shown) of the orthopedic surgical robot, and is connected to the sleeve (1).
  • a medical tool (7) such as a cutter (7a) is inserted and installed, and the robot arm of the surgical robot, which operates according to information input into the computer, is positioned at the surgical site and performs the surgery according to a set order.
  • the cutter head 78 formed at the end of the cutter 78 cuts the set treatment area of the kneecap.
  • the procedure can be performed by installing an artificial knee joint (implant) according to a set sequence.
  • the sleeve (1) according to the present invention is not composed of a thin and long pipe as in the prior art, but is relatively Since it is composed of a hollow sleeve body (11) with a large outer diameter, the sleeve is not replaced every time the cutter type is changed, and as shown in Figures 7a to 7c, a cutter with a head diameter of 3.2mm, a cutter with a head diameter of 5.0mm, a cutter with a head diameter of 6.2mm, etc. It can be easily replaced and used.
  • the surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit includes a calibration tool (7b, calibration tool) such as a marker for calibrating the end of the cutter in the artificial joint surgery process using a robot, and a calibration mounting unit (4). It can be installed easily.
  • the pin insertion groove 441 formed in the sleeve 1 has a foreign matter discharge portion, which is a part exposed to the outside by cutting the outer part, so even if foreign matter generated by the operation of the cutter during surgery is introduced, it is easily discharged to the outside. There is an advantage to this.
  • an inspection opening 415 is formed in the fixing cap member 41, a gap is created when foreign matter flows between the inner surface of the positioning member 422 and the end of the sleeve 1, so the gap can be confirmed with the naked eye. If possible, calibration can be performed accurately by separating the fixing cap member 41 from the sleeve 1, performing a cleaning operation, and then reassembling it.
  • the present invention is a surgical device for a surgical robot equipped with a calibration mounting unit that can be applied to artificial joint surgery using a robot.
  • the present invention can be applied to various surgical robots in the medical field, allowing for compatible installation and use of medical tools and calibration.
  • the tool can be easily installed and used for accurate calibration.

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Abstract

본 발명은 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다양한 의료용도구를 호환성 있게 설치하여 사용할 수 있고 캘리브레이션툴을 간편하게 설치하여 정확하게 캘리브레이션 할 수 있는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 수술로봇용 절삭장치에 있어서, 샤프트를 갖는 의료용도구를 지지하는 슬리브; 상기 샤프트를 포함하는 상기 슬리브가 결속되는 척장치부; 상기 척장치부가 설치되고 로봇 암의 말단부에 장착되는 홀더부; 및 상기 슬리브에 탈착 가능하게 구성되고 캘리브레이션툴이 설치되는 캘리브레이션장착부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치
본 발명은 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다양한 의료용도구를 호환성 있게 설치하여 사용할 수 있고 캘리브레이션툴을 간편하게 설치하여 정확하게 캘리브레이션 할 수 있는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 관한 것이다.
일반적으로, 관절질환의 수술적 치료는 관절 내시경 수술, 연골 세포 이식술 등이 있고, 중증의 질환일 경우 인공관절 수술을 받게 되는데, 인공관절 수술은 의료인의 수작업에 의한 수작업 인공관절 수술과, 로봇을 이용한 인공관절 수술이 대표적으로 이용되고 있다.
로봇을 이용한 인공관절 수술은 컴퓨터에 입력된 정보에 따라 로봇의 위치 가변형 팔의 말단부에 장착된 절삭장치의 커터를 회전시켜 무릎뼈를 깎아내고 인공무릎관절(임플란트)를 장착하는 시술법으로 커터와 같은 절삭도구(이하 '커터'이라 칭함)를 포함하는 절삭장치를 이용하고 있다.
첨부도면 도1a는 종래 수술로봇용 절삭장치를 설명하기 위한 조립된 상태를 나타낸 사시도, 도1b는 종래 수술로봇용 절삭장치를 설명하기 위한 분리사시도이다.
도1a 및 도1b를 참조하면, 종래 수술로봇용 절삭장치(A)는 절삭작용을 수행하는 커터(100)을 지지하는 슬리브(200), 커터를 잡아주는 척장치부(300), 척장치부가 설치되고 로봇의 위치가변형 팔(미도시)의 말단부에 장착되는 홀더부(400), 커터를 척장치부(300)에 고정하거나 해제하는 조작력을 인가하는 조작너트(500), 커터에 회전력을 제공하도록 홀더부(400)의 후방에 접속되는 모터접속부재(600)에 장착되는 모터(미도시)를 구비한다.
전술한 구성요소를 보다 구체적으로 설명하면 커터는 절삭날이 형성된 헤드(110)와, 헤드(110)에 연장하여 형성되며 환봉 형상의 샤프트(120)로 구성되어 있다. 이 커터(100)는 샤프트(120)의 후단측이 모터와 연결되어 회전되면서 절삭작용을 수행하고, 샤프트(120)의 외주면은 슬리브(200)에 의해 회전 가능하도록 지지되어 샤프트(120)가 회전할 때에 떨림이나 휨이 발생하지 않도록 되어 있으며, 슬리브(200)의 외측으로는 헤드(110)가 돌출되어 이 헤드(110)의 회전에 의해 뼈의 절삭작용을 수행하도록 되어 있다.
슬리브(200)는 직경이 작은 파이프부(210)와, 척장치부(300)에 체결되도록 파이프부의 일측 단부에 형성되는 체결캡(220)를 구비한 것으로, 이 슬리브의 내부에는 커터의 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 베어링(230), 스페이서(240) 등이 삽입된다.
척장치부(300)는 척몸체(310)의 앞쪽에 구비된 척(320, 통상 콜렛(collet)으로 호칭되기도 하는 것으로 커터 등의 샤프트를 고정하는 부분이고 통상 3~4개의 턱이 방사형으로 이동됨)이 모아지거나 벌어지면서 커터의 샤프트를 가압하여 물림동작(클램핑동작)을 수행하거나 물림해제동작(언클램핑)을 수행하는 구성이다.
전술한 종래 수술로봇용 절삭장치는 커터(100)를 지지하면서 절삭작용을 수행하도록 하는 작용을 수행하지만 이하와 같은 문제점이 초래되는 한계점이 있다.
먼저 종래 수술로봇용 절삭장치는 인공관절의 수술방법이나 수술의 종류에 따라 커터(100)의 길이나 직경이 변경될 경우 해당 커터에 맞게 슬리브(200)을 개별적으로 제작하여야 하므로 준비와 사용이 힘들고 제조원가의 상승으로 의료비의 상승을 초래하는 문제점이 있다.
예컨대, 인공 무릎관절 수술 중에서 대퇴골과 경골의 양쪽 면 전체를 절삭하는 관절치환술(TKA:Total Knee Arthroplasty)은 통상 비교적 샤프트의 길이가 길고 헤드직경이 6.2mm 커터를 사용하고, 대퇴골과 경골의 한쪽 면만을 절삭하는 UKA(Uni-knee Arthroplasty)의 경우 비교적 샤프트의 길이가 짧은 5.0mm 커터를 사용하며, GHR(Guide Hole Resection) 기법의 경우 수술시에 커팅 블록을 뼈에 고정해서 컷팅(sawing)을 진행하는데 해당 커팅 블록을 고정하기 위한 고정핀의 삽입홀을 3.2mm 커터를 사용하여 천공하여야 하므로 수술 준비 등이 어려워 호환성을 갖는 슬리브가 절실히 요구되고 있다.
특히, 종래 수술로봇용 절삭장치는 슬리브(200)의 길이 및 직경이 매번 변경될 경우 로봇을 이용한 인공관절 수술에서 커터의 끝을 캘리브레이션 하기 위한 마커와 같은 캘리브레이션툴(calibration tool)의 설치가 어렵고 위치 설정을 정확하게 수행할 수 없는 한계점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-1624512호 "로봇을 이용한 관절 절삭 시스템의 절삭장치"
(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-0873014호 "로봇을 이용한 관절 절삭시스템"
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 다양한 의료용도구를 호환성 있게 설치하여 사용할 수 있고 캘리브레이션툴을 간편하게 설치하여 정확하게 캘리브레이션 할 수 있도록 한 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 수술로봇용 절삭장치에 있어서, 샤프트를 갖는 의료용도구를 지지하는 슬리브; 상기 샤프트를 포함하는 상기 슬리브가 결속되는 척장치부; 상기 척장치부가 설치되고 로봇 암의 말단부에 장착되는 홀더부; 및 상기 슬리브에 탈착 가능하게 구성되고 캘리브레이션툴이 설치되는 캘리브레이션장착부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캘리브레이션장착부는, 상기 슬리브에 체결되는 고정캡부재; 및 상기 고정캡부재에 의해 상기 슬리브에 고정되는 캘리브레이션장착부재;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 캘리브레이션장착부재는 마커가 설치되는 봉상의 캘리브레이션 샤프트 및 상기 캘리브레이션 샤프트에 형성되어 상기 고정캡부재에 안착되는 위치설정부재를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 슬리브는 일측 외주면에 결속수나사부가 형성되고 길이방향을 따라 샤프트삽입공이 관통된 중공슬리브몸체로 구성될 수 있다.
상기 고정캡부재는 상기 중공슬리브몸체에 접속되는 캡 형상의 캡몸체, 상기 캘리브레이션 샤프트가 삽입되도록 상기 캡몸체에 형성되는 로드삽입공 및 상기 결속수나사부에 체결되도록 상기 캡몸체의 내주면에 형성되는 캡암나사부를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 상기 캘리브레이션장착부재의 움직임을 차단하도록 구성되는 장착부재회전차단부를 더 포함할 수 있다.
상기 장착부재회전차단부는, 상기 슬리브에 형성되는 핀삽입홈; 및 상기 핀삽입홈에 삽입되도록 상기 위치설정부재에 형성된 회전차단핀;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 핀삽입홈은 이물질의 배출이 용이하도록 일측에 이물질배출부를 갖는 구조로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 캘리브레이션장착부재는 상기 고정캡부재가 상기 캘리브레이션 샤프트로부터 이탈되지 않도록 구성되는 캡이탈방지수단을 포함하고, 상기 위치설정부재는 상기 고정캡부재에 삽입되는 원판으로 구성되며, 상기 회전차단핀은 상기 원판에 복수 개가 돌출되며, 상기 고정캡부재는 상기 캠몸체에 상기 슬리브와 상기 캘리브레이션장착부재의 정합상태를 확인할 수 있는 점검개구가 형성될 수 있다.
상기 슬리브는, 상기 중공슬리브몸체의 외측 자유단 부위에 해당되는 상기 샤프트삽입공에 결합되는 슬리브캡, 상기 슬리브캡과 접한 상기 샤프트삽입공에 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 복수의 제1 지지베어링, 상기 제1 지지베어링과 접하여 설치되고 원기둥 형상으로 형성된 스페이서, 상기 스페이서에 접하여 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 복수의 제2 지지베어링, 상기 샤프트삽입공의 내측에 형성되는 결속암나사부를 통해 삽입되는 기밀부재를 포함할 수 있다.
상기 샤프트삽입공은 상기 슬리브캡, 상기 제1 및 제2 지지베어링, 상기 스페이서가 끼워지는 끼움홈부, 제2 지지베어링이 걸림되는 걸림돌부 및 상기 기밀부재가 삽입되도록 상기 결속암나사부의 내측 단부에 요입되는 기밀부재삽입홈이 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 의하면, 슬리브가 종래와 같이 가늘고 긴 파이프로 구성된 것이 아니라 상대적으로 외경이 큰 중공슬리브몸체로 구성됨에 따라 커터 종류의 변경시마다 슬리브를 교체하지 않고 호환성 있게 사용할 수 있어서 다양한 커터 등을 간편하게 교체하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 의하면, 슬리브에 체결방식으로 캘리브레이션장착부를 조립하여 간편하고 정확하게 캘리브레이션 할 수 있는 효과가 있다. 그리고 캘리브레이션장착부의 조립과정에서 위치설정부재에 형성된 회전차단핀을 슬리브의 핀삽입홈에 삽입하게 되면 캘리브레이션툴이 설치되는 캘리브레이션장착부재의 움직임을 근본적으로 차단할 수 있으므로 정확한 캘리브레이션이 가능한 장점이 있다.
도1a 및 도1b는 종래 정형외과 수술로봇용 수술장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도1a는 사시도이고, 도1b는 분리사시도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 캘리브레이션툴이 설치된 상태를 나타낸 사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치를 설명하기 위한 분리사시도,
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 슬리브 부분을 설명하기 위한 도면으로서 도4a는 사시도 도4b는 전체 단면도, 도4c는 중공슬리브몸체의 단면도이다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 캘리브레이션장착부 부분을 설명하기 위한 도면으로서 도5a는 사시도, 도5b는 분리사시도, 도5c는 단면도이다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 수술도구로서 적용되는 커터를 나타낸 정면도,
도7a 내지 도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 수술도구로서 커터가 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도2 내지 도7c에 의거하여 상세히 설명하되, 도2 내지 도7c에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여하여 설명하도록 한다.
한편, 각각의 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 상세한 설명은 간략히 하거나 생략한다. 또한, 본 발명이 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 특징을 갖는 것이므로 이와 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하고 나머지 부분에 대한 설명은 간략화하거나 생략하도록 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 캘리브레이션툴이 설치된 상태를 나타낸 사시도, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치를 설명하기 위한 분리사시도, 도4a 내지 도4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 슬리브 부분을 설명하기 위한 도면으로서 도4a는 사시도 도4b는 전체 단면도, 도4c는 중공슬리브몸체의 단면도이다. 도5a 내지 도5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 캘리브레이션장착부 부분을 설명하기 위한 도면으로서 도5a는 사시도, 도5b는 분리사시도, 도5c는 단면도이다.
도2 내지 도5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 다양한 의료용도구를 호환성 있게 설치하여 사용할 수 있고 캘리브레이션툴을 간편하게 장착하여 신속, 정확하게 캘리브레이션 할 수 있도록 구성한 것으로서 슬리브(1), 척장치부(2), 홀더부(3) 및 캘리브레이션장착부(4)를 구비한다.
슬리브(1)는 커터(7a)나 후술되는 캘리브레이션툴(7b)과 같은 의료용도구(7)의 샤프트(71,421)를 지지하는 구성요소로서, 종래와 같이 호환성이 결여되고 휨 강성이 취약한 가늘고 긴 파이프로 구성되는 것이 아니라 다양한 의료용도구를 호환성 있게 지지하도록 구현한 점에 특징이 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 슬리브(1)는 대략 환봉 형상으로 형성되되 척장치부(2)에 결속되는 부분이 상대적으로 외경이 큰 대경부로 형성된 중공슬리브몸체(11)로 구성된 것으로 일측 외주면에 결속수나사부(13)가 형성되고 길이방향을 따라 샤프트삽입공(12)이 관통되어 있다.
그리고 슬리브(1)는 중공슬리브몸체(11)의 외측 자유단 부위에 해당되는 샤프트삽입공(12)에 레이저 용접과 같은 접합방식을 통해 결합되는 슬리브캡(14), 슬리브캡(14)과 접한 샤프트삽입공(12)에 설치되어 샤프트를 지지하는 복수의 제1 지지베어링(15), 제1 지지베어링(15)과 접하여 설치되고 원기둥 형상으로 형성된 스페이서(16), 스페이서(16)에 접하여 설치되어 샤프트를 지지하는 복수의 제2 지지베어링(17), 샤프트삽입공(12)의 내측에 위치하도록 결속암나사부(19)을 통해 삽입되는 기밀부재(18)를 구비한다.
그리고 샤프트삽입공(12)은 슬리브캡(14), 제1 및 제2 지지베어링(15,17), 스페이서(16)가 끼워지는 끼움홈부(121), 제2 지지베어링(17)이 걸림되는 걸림돌부(122) 및 기밀부재(18)가 삽입되도록 결속암나사부(19)의 내측 단부에 요입되는 기밀부재삽입홈(123)이 형성되어 있다.
제1 및 제2 지지베어링(15,17)은 스페이서(16)를 사이에 두고 끼움홈부(121)의 전후에 삽입되어 샤프트(71)의 외측 및 내측 부분을 지지하는 구성요소로서 볼베어링으로 구성되어 있다. 이때, 볼베어링은 샤프트의 고속회전에도 충분한 내구성을 확보할 수 있도록 2개의 볼베어링이 연이어 배치되어 있다. 그리고, 볼베어링은 공지된 바와 같이 내부 중심에 배치되는 내륜과, 내륜의 외부로 동심원 구조로 배치되는 외륜, 내륜과 외륜 사이에 개재되는 다수의 볼, 및 볼을 밀폐하기 위해 결합되는 베어링커버로 구성되어 있다. 또한 볼베어링은 내륜의 내경이 후술되는 커터의 장착대경부의 외경이 끼워지도록 형성되어 있다.
척장치부(2)는 샤프트를 포함하는 슬리브(1)가 결속되는 구성요소로서, 척몸체(21)의 앞쪽에 구비된 척(22)이 모아지거나 벌어지면서 의료용도구의 샤프트(71)를 가압하여 물림동작(클램핑)을 수행하거나 물림해제동작(언클램핑)을 수행한다.
그리고 척장치부(2)는 주지된 척장치 중에서 정형외과, 치과 등에 적용되는 의료용 척조절장치를 적용할 수 있으므로 세부 구성에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
예컨대, 척장치부(2)는 슬리브(1)가 결속되는 척몸체(21), 수술용도구를 고정하도록 척몸체(21)에 내장되어 커터(7a)의 샤프트(71)를 선택적으로 고정하는 척(22), 척(22)의 물림동작 및 물림해제동작의 조작력을 인가하는 조작력인가부(미도시)를 구비한다.
그리고 척몸체(21)에는 대략 중공부를 갖는 환봉형상 몸체의 내부에 조작력인가부(미도시)의 정역 회전시 내부 스프링 힘에 의해 척(22)이 출몰되는 척이동부재(24) 등이 내장되어 있다. 보다 구체적으로 설명하면 조작력인가부(미도시)의 정방향 회전시에 척(22)이 뒤쪽으로 이동하면서 샤프트를 가압, 고정하도록 서로 모아지고, 조작력인가부의 역방향 회전시에 척이 앞쪽으로 이동하여 서로 벌어지면서 샤프트의 고정상태가 해제되도록 하는 작용을 수행한다.
한편, 홀더부(3)는 척장치부(2)가 설치되고 로봇 암(미도시)의 말단부에 장착되는 구성요소로서, 대략 막대 형상을 갖는 홀더로드(31), 홀더로드(31)의 일단인 하방에 형성된 홀더헤드(32), 홀더로드(31)의 타단인 상부에 형성되는 연결판(33), 및 로봇 암 말단부와의 결속을 위해 연결판(33)에 결속되는 암접속부재(34)를 구비한다.
홀더헤드(32)는 모터(9)의 결속을 위한 모터접속부재(37)가 삽입되는 결속홀을 갖는 링몸체로 형성된 것으로 슬리브(1)를 지지하는 기능을 수행하도록 전방으로 돌출되는 슬리브지지부(35)와, 이 슬리브지지부(35) 내부에 배치되는 조작핸들(36)을 구비한다. 이 조작핸들(36)은 정역 회전동작을 통해 척(22)의 물림동작 및 물림해제동작의 조작력을 인가하는 조작력인가부(미도시)를 회전시키는 기능을 수행한다.
한편, 캘리브레이션장착부(4)는 로봇을 이용한 인공관절 수술에서 커터(드릴)의 끝을 캘리브레이션 하기 위한 마커와 같은 캘리브레이션툴(7b,calibration tool)이 설치되도록 슬리브(1)에 탈착 가능하게 구성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면 캘리브레이션장착부(4)는 슬리브(1)에 체결되는 고정캡부재(41)와, 이 고정캡부재(41)에 의해 슬리브(1)에 고정되는 캘리브레이션장착부재(42)를 구비한다.
캘리브레이션장착부재(42)는 마커가 설치되는 캘리브레이션 샤프트(421)와, 이 캘리브레이션 샤프트(421)에 형성되어 고정캡부재(41)에 안착되는 위치설정부재(422)로 구성되어 있다.
캘리브레이션 샤프트(421)는 소정 길이를 갖는 환봉과 같은 봉상 구조로 형성된 것으로서, 본 실시예에서는 UKA(Uni-knee Arthroplasty) 수술에 이용되는 헤드직경 5.0mm 커터와, GHR(Guide Hole Resection) 기법 수술에 이용되는 헤드직경 3.2mm 커터의 전체 길이(115.85mm)가 동일한 치수로 형성됨에 따라 하나의 캘리브레이션 샤프트(421)를 이용하여 간편하게 캘리브레이션을 수행할 수 있고, 관절치환술(TKA:Total Knee Arthroplasty)에 이용되는 헤드직경 6.2mm 커터의 길이는 135.65mm로서 더 길게 형성되어 있으므로 캘리브레이션 시에 동일 캘리브레이션 샤프트를 이용하되 길이 차이에 대한 보정된 값이 미리 로봇 시스템에 입력되어 6.2mm 커터의 캘리브레이션 데이터를 보정하는 방식으로 캘리브레이션 할 수 있다.
위치설정부재(422)는 캘리브레이션 샤프트(421)의 외주면에 형성되는 것으로 고정캡부재(41)의 내부에 삽입되어 안착되도록 원판 형상으로 형성되어 있다.
고정캡부재(41)는 중공슬리브몸체(44)에 접속되고 미끄럼방지홈(416)이 요입된 캡 형상의 캡몸체(411), 캘리브레이션 샤프트(421)가 삽입되도록 캡몸체에 천공되는 로드삽입공(412) 및 슬리브(1)의 결속수나사부(13)에 체결되도록 캡몸체의 내주면에 형성되는 캡암나사부(413)로 구성되어 있다.
그리고 상기 고정캡부재(41)는 캠몸체(411)에 슬리브(1)와 캘리브레이션장착부재(42)의 정합상태를 확인함으로써 이물질 유입 여부 등을 점검할 수 있는 점검개구(415)가 형성되는 것이 바람직하다.
예컨대, 점검개구(415)는 캠몸체(411)의 1/4 정도이 절개되어 형성된 것으로서 따낸 부분으로 내부의 투시가 가능하여 캘리브레이션장착부재(42)의 정합상태를 확인할 수 있다. 즉 상기한 점검개구(415)를 통해 위치설정부재(422)의 내면과 슬리브(1)의 단부와의 사이에 이물질이 유입될 경우 틈새가 발생하므로 육안으로 이를 확인할 수 있는데, 틈새가 육안으로 확인될 경우 고정캡부재(41)를 슬리브로부터 분리하여 세정작업을 수행한 후 재조립하여 사용함으로써 정확하게 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
또한 캘리브레이션장착부재(42)는 고정캡부재(41)가 캘리브레이션 샤프트(421)로부터 이탈되지 않도록 하는 캡이탈방지수단(43)이 구성되어 있다.
캡이탈방지수단(43)은 고정캡부재(41)의 이탈을 방지할 수 있다면 특별한 제한 없이 다양하게 구성할 수 있는 것으로서, 본 실시예에서는 캘리브레이션 샤프트(421)에 요입되는 이탈방지홈(431)과, 이탈방지홈에 압입되는 C-링(Ring)과 같은 이탈방지편(432)으로 구성되어 있다.
한편, 캘리브레이션장착부(4)는 정확하고 안정적인 캘리브레이션을 위해 캘리브레이션장착부재(42)의 움직임을 차단하도록 구성되는 장착부재회전차단부(44)가 구성되어 있다.
상기 장착부재회전차단부(44)는 슬리브(1)에 형성되는 핀삽입홈(441)과, 핀삽입홈(441)에 삽입되도록 위치설정부재에 형성되는 회전차단핀(442)을 구비한다.
여기서, 회전차단핀(442)은 막대 형상을 갖는 2개의 핀이 180°각도로 위치설정부재(422)에 돌출되게 설치되어 있다.
그리고, 핀삽입홈(441)은 회전차단핀(442)과 대응하는 위치에 해당되는 슬리브(1)에 형성되되 이물질의 배출이 용이하도록 일측에 이물질배출부를 갖는 구조로 형성되어 있다. 여기서 이물질배출부는 핀삽입홈(441)의 일부인 외측 부분이 절삭되어 외부로 노출된 부분을 의미한다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 수술도구로서 적용되는 커터를 나타낸 정면도로서, 도6a는 헤드직경 3.2mm 커터를, 도6b는 헤드직경 5.0mm 커터를, 도6c는 헤드직경 6.2mm 커터를 나타낸 것이다. 도7a 내지 도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치에 수술도구로서 커터가 설치된 상태를 나타낸 사시도로서, 도7a는 헤드직경 3.2mm 커터의 설치된 상태를, 도7b는 헤드직경 5.0mm 커터의 설치된 상태를, 도7c는 헤드직경 6.2mm 커터의 설치된 상태를 나타낸 것이다.
도6a 내지 도7c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 슬리브(1)를 가늘고 긴 파이프 형태로 구성한 것이 아니라 상대적으로 외경이 큰 중공슬리브몸체(11)로 구성됨에 다양한 형태의 커터를 설치하여 사용할 수 있다.
예컨대, 커터(7a)는 도6a 내지 도6c에 도시된 바와 같이 헤드직경 3.2mm 커터(7a), 헤드직경 5.0mm 커터(7a'), 헤드직경 6.2mm 커터(7a")를 사용할 수 있다.
상기한 커터(7a)들은 커터헤드(78)의 외경과 형태에 차이가 있고 샤프트(71)의 전체 길이도 같거나 차이가 있지만 공통적으로 샤프트가 척장치부(2)에 삽입되도록 비교적 직경이 작게 형성된 환봉 형상의 소경부(75)가 구비되어 있다.
상기한 헤드직경 3.2mm 커터(7a), 헤드직경 5.0mm 커터(7a') 및 헤드직경 6.2mm 커터(7a")는 소경부에 접하여 형성되어 슬리브(1)에 삽입되고 소경부에 비해 상대적으로 외경이 크게 형성된 장착대경부(76)와 이 장착대경부에 접하여 연장되고 단부에 커터헤드(78)가 형성되며 외경이 소경부보다는 크고 장착대경부보다는 작게 형성된 중경부(77)를 구비하고 있다.
그리고, 상기한 커터들은 별도의 커터 게이지(cutter gauge)를 사용하지 않고 그 장착 여부를 확인할 수 있도록 장착대경부(76)에 2개의 장착확인용 밴드(79,band)가 표기되어 있다. 이때 커터(7a,7a',7a")의 정상적인 장착은 2개의 장착확인용 밴드(79) 중 외측 1개가 노출되어 확인되는 경우의 지점으로 표기하여 사용한다. 이에 따라 장착확인용 밴드(79) 2개가 모두 보이지 않거나 2개 모두 보일 경우는 비정상적인 장착이므로 1개의 장착확인용 밴드가 확인되도록 커터의 조립상태를 조정한 후 사용하여야 한다.
전술한 바와 같이 상기한 커터들은 슬리브(1)의 샤프트삽입공(12)에 설치할 수 있도록 장착대경부(76)를 구비함으로써 도7a 내지 도7c에 도시된 바와 같이 단일의 수술장치에 편리하게 장착하여 호환성 있게 사용할 수 있다.
한편, 캘리브레이션툴(7b,calibration tool)은 슬리브(1)에 탈착 가능하게 구성되고 광학식위치추적시스템(Optical Tracking System, OTS)에 적용되는 광학식 마커로서, 마커바디(75)에 캘리브레이션 샤프트(421)가 삽입되는 축고정홀(미도시)이 형성되어 있고, 축고정홀에 삽입된 캘리브레이션 샤프트(421)를 고정하는 고정볼트와 같은 조임수단(76)이 구비되어 있다. 그리고, 마커바디(75)에는 대략 볼 형상을 갖는 복수의 위치송신부(77)가 구비되어 광학식위치추적시스템(OTS)에 위치 신호를 반사 또는 송신하는 작용을 수행한다. 참고로, 광학식위치추적시스템은 마커를 복수의 적외선 카메라에 의하여 추적하고, 삼각측량법으로 그 거리를 환산함으로써 3차원 공간상에서의 위치 및 자세를 실시간으로 추적할 수 있는 장비이다. 이러한 광학식 추적 시스템의 추적 원리는 널리 알려져 있으므로 설명의 간략화를 위하여 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 작용을 간략하게 설명한다.
전술한 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 암접속부재(34) 부분을 정형외과 수술로봇의 로봇 암(미도시)에 구비된 클램핑부재(미도시)에 조립하고, 슬리브(1)로 커터(7a)와 같은 의료용툴(7)을 삽입하여 설치하고 컴퓨터에 입력된 정보에 따라 작동되는 수술로봇의 로봇 암이 수술 부위로 정위치한 후 정해진 순서에 따라 수술을 시행한다.
부연 설명하면 컴퓨터에 입력된 정보에 따라 모터(9)가 작동되고 척장치부(2)에 고정된 커터(7a)가 회전되면 그 단부에 형성된 커터헤드(78)가 무릎뼈의 설정 시술 부위를 절삭하게 되고 이러한 절삭과정이 수행되면 정해진 순서에 따라 인공무릎관절(임플란트)를 장착하는 방식으로 시술을 수행할 수 있다.
그리고 전술한 커터(7a)는 수술과정에서 샤프트(71)가 슬리브(1)에 의해 지지되어 안정적으로 회전되는데, 본 발명에 따른 슬리브(1)는 종래와 같이 가늘고 긴 파이프로 구성된 것이 아니라 상대적으로 외경이 큰 중공슬리브몸체(11)로 구성된 것이므로 커터 종류의 변경시마다 슬리브를 교체하지 않고 도7a 내지 도7c에 도시된 바와 같이 헤드직경 3.2mm 커터, 헤드직경 5.0mm 커터, 헤드직경 6.2mm 커터 등을 간편하게 교체하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치는 로봇을 이용한 인공관절 수술과정에서 커터의 끝을 캘리브레이션 하기 위한 마커와 같은 캘리브레이션툴(7b,calibration tool)을 캘리브레이션장착부(4)를 이용하여 간편하게 설치할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 먼저 척장치부(2)로부터 커터(7a)를 분리하고, 고정캡부재(41)에 캘리브레이션장착부재(42)를 삽입하고 고정캡부재(41)를 슬리브(1)의 결속수나사부(13)에 체결하는 방식으로 캘리브레이션장착부(4)를 조립한다. 이러한 조립과정에서 위치설정부재(422)에 형성되는 회전차단핀(442)을 슬리브(1)에 형성된 핀삽입홈(441)에 삽입하게 되면 캘리브레이션툴(7b)이 설치되는 캘리브레이션장착부재(42)의 회전동작과 같은 움직임을 근본적으로 차단할 수 있으므로 정확한 캘리브레이션이 가능한 장점이 있다.
그리고, 슬리브(1)에 형성되는 핀삽입홈(441)은 외측 부분이 절삭되어 외부로 노출된 부분인 이물질배출부가 형성되어 있으므로 수술 중 커터의 작동 등으로 발생된 이물질이 유입되더라도 쉽게 외부로 배출되는 장점이 있다.
또한, 고정캡부재(41)에 점검개구(415)가 형성되어 있으므로 위치설정부재(422)의 내면과 슬리브(1)의 단부와의 사이에 이물질이 유입되면 틈새가 발생하므로 육안으로 틈새가 확인될 경우 고정캡부재(41)을 슬리브(1)로부터 분리하여 세정작업을 수행한 후 재조립하여 사용함으로써 캘리브레이션을 정확하게 수행할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치의 구성 및 동작에 대해서 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예의 일부를 치환 및 변형하는 것이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 로봇을 이용한 인공관절 수술에 적용할 수 있는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치로서 인공관절 수술로봇 외에도 의료분야의 다양한 수술로봇에 적용하여 의료용도구를 호환성 있게 설치하여 사용할 수 있고 캘리브레이션툴을 간편하게 설치하여 정확하게 캘리브레이션 하는 용도로 사용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 수술로봇용 절삭장치에 있어서,
    샤프트를 갖는 의료용도구를 지지하는 슬리브;
    상기 샤프트를 포함하는 상기 슬리브가 결속되는 척장치부;
    상기 척장치부가 설치되고 로봇 암의 말단부에 장착되는 홀더부; 및
    상기 슬리브에 탈착 가능하게 구성되고 캘리브레이션툴이 설치되는 캘리브레이션장착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캘리브레이션장착부는,
    상기 슬리브에 체결되는 고정캡부재; 및
    상기 고정캡부재에 의해 상기 슬리브에 고정되는 캘리브레이션장착부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캘리브레이션장착부재는 마커가 설치되는 봉상의 캘리브레이션 샤프트 및 상기 캘리브레이션 샤프트에 형성되어 상기 고정캡부재에 안착되는 위치설정부재를 포함하고,
    상기 슬리브는 일측 외주면에 결속수나사부가 형성되고 길이방향을 따라 샤프트삽입공이 관통된 중공슬리브몸체로 구성되고,
    상기 고정캡부재는 상기 중공슬리브몸체에 접속되는 캡 형상의 캡몸체, 상기 캘리브레이션 샤프트가 삽입되도록 상기 캡몸체에 형성되는 로드삽입공 및 상기 결속수나사부에 체결되도록 상기 캡몸체의 내주면에 형성되는 캡암나사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캘리브레이션장착부재의 움직임을 차단하도록 구성되는 장착부재회전차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장착부재회전차단부는,
    상기 슬리브에 형성되는 핀삽입홈; 및
    상기 핀삽입홈에 삽입되도록 상기 위치설정부재에 형성된 회전차단핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀삽입홈은 이물질의 배출이 용이하도록 일측에 이물질배출부를 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 캘리브레이션장착부재는 상기 고정캡부재가 상기 캘리브레이션 샤프트로부터 이탈되지 않도록 구성되는 캡이탈방지수단을 포함하고,
    상기 위치설정부재는 상기 고정캡부재에 삽입되는 원판으로 구성되며,
    상기 회전차단핀은 상기 원판에 복수 개가 돌출되며,
    상기 고정캡부재는 상기 캠몸체에 상기 슬리브와 상기 캘리브레이션장착부재의 정합상태를 확인할 수 있는 점검개구가 형성된 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 슬리브는, 상기 중공슬리브몸체의 외측 자유단 부위에 해당되는 상기 샤프트삽입공에 결합되는 슬리브캡, 상기 슬리브캡과 접한 상기 샤프트삽입공에 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 복수의 제1 지지베어링, 상기 제1 지지베어링과 접하여 설치되고 원기둥 형상으로 형성된 스페이서, 상기 스페이서에 접하여 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 복수의 제2 지지베어링, 상기 샤프트삽입공의 내측에 형성되는 결속암나사부를 통해 삽입되는 기밀부재를 포함하고,
    상기 샤프트삽입공은 상기 슬리브캡, 상기 제1 및 제2 지지베어링, 상기 스페이서가 끼워지는 끼움홈부, 제2 지지베어링이 걸림되는 걸림돌부 및 상기 기밀부재가 삽입되도록 상기 결속암나사부의 내측 단부에 요입되는 기밀부재삽입홈이 구비된 것을 특징으로 하는 캘리브레이션장착부를 구비한 수술로봇용 수술장치.
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