KR101525372B1 - 슬립 모드 또는 활성 모드로 동작할 수 있는 동력이 있는 수술 도구용 제어 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터와 같은 동력 발생 유닛을 포함하는 하우징을 구비한 동력이 있는 수술 도구에 관한 것이다. 제어 모듈은 상기 하우징에 장착된 셸에 배치된다. 상기 제어 모듈은 상기 동력 발생 유닛의 가동을 조절하기 위한 제어 회로를 포함한다. 상기 동력 발생 유닛은 상기 셸을 형성하는 구조 재료를 통해 전달되는 상기 유닛의 작동 상태를 나타내는 신호를 방출한다. 또한 제어 모듈 셸 내부에는 상기 동력 발생 유닛에 의해 방출된 신호를 모니터링하는 센서가 존재한다. 상기 센서에 의한 이러한 신호 출력은 상기 제어 회로에 적용된다. 상기 제어 회로는, 상기 센서 신호에 기초하여, 상기 동력 발생 유닛의 가동을 조절한다. 여기서, 상기 동력 발생 유닛은 모터이며, 방출된 신호는 로터 위치와 함께 변하는 자장이다. 상기 센서는 이러한 자장의 강도를 모니터링한다.

Description

슬립 모드 또는 활성 모드로 동작할 수 있는 동력이 있는 수술 도구용 제어 어셈블리{CONTROL ASSEMBLY FOR A MOTORIZED SURGICAL TOOL ABLE TO OPERATE IN A SLEEP MODE OR AN ACTIVE MODE}

본 발명은 일반적으로 전기적 동력이 있는 수술 도구에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 상기 도구의 활성화를 조절하는 회로를 포함하는, 시일된(sealed) 모듈을 구비한 무선의 동력이 있는 수술 도구에 관한 것이다.

현대의 수술에서, 의료 관계자들이 이용가능한 가장 중요한 기구는 동력이 있는 수술 도구이다. 종종 이러한 도구는 모터가 하우징된 드릴 유닛의 형태이다. 상기 드릴 유닛의 안전을 위한 것으로 특정의 의료 절차를 수행하기 위해서 수술 부위에 적용하기 위해 설계된 커팅 부착물이 있다. 예를 들어, 일부 동력이 있는 수술 도구는 드릴, 절삭기 또는 리머(reamer)와 함께 제공되어, 보어(bore)를 조직 내로 커팅하거나, 또는 뼈와 같은 조직을 선택적으로 제거한다. 기타 동력이 있는 수술 도구는 톱 헤드(saw head)와 함께 제공된다. 이러한 도구들은 경조직 및 연조직의 큰 구획을 분리한다. 와이어 드라이버는 동력 도구로서, 그 이름으로 알 수 있는 바와 같이, 외이어를 환자, 더 구체적으로는 뼈 내로 유도한다. 동력 도구는 또한 수술실에서 다른 기능을 수행하기 위해서 사용된다. 예를 들어, 수술용 시멘트의 매스를 형성하는 성분을 혼합하기 위해서 동력 도구를 사용하는 것이 알려져 있다.

환자에게 동력이 있는 수술 도구를 사용하는 능력은 환자에게 의료 절차를 수행할 때 외과의(surgeon)의 물리적 스트레인을 감소시킨다. 게다가 대부분의 수술 절차는 그들 이전의 수동 도구보다 동력이 있는 수술 도구로 더욱 신속하고 더욱 정확하게 수행될 수 있다.

일부 의사들에게 특히 평판이 좋은 동력이 있는 수술 도구의 한 타입은 무선의, 배터리로 작동되는(battery-operated) 동력이 있는 수술 도구이다. 그 이름에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 도구는 상기 모터의 동력 소스로서 작용하는 배터리를 구비한다. 이는 도구에 외부-동력 소스에 연결된 동력 코드를 제공할 필요성을 없앤다. 동력 코드의 제거는 코드가 있는, 동력이 있는 수술 도구에 비해 장점을 제공한다. 이러한 타입의 도구를 사용하는 수술 관계자는 코드가 무균 수술 현장으로 도입되도록 코드를 살균하거나, 수술 중에 살균되지 않은 구획의 코드가 무심결에 수술 현장에 도입되지 않도록 확보하는 것을 염려할 필요가 없다. 코드의 제거는 또한 수술 절차 중 코드의 존재로 인한 물리적인 혼란스러움 및 시야 방해의 제거 등을 가져온다.

유선 및 무선 동력 수술 도구 모두에 의해 공유되는 한 특징은 도구 상의 제어 스위치 또는 부재(member)의 존재이다. 이러한 부재는 종종 편향 스위치(바이어스된 switch), 트리거 또는 버튼의 형태이다. 많은 유선 및 무선 수술 도구는 피스톨 손잡이와 유사한 핸들을 갖는다. 이러한 형상의 도구는 종종 상기 제어 부재가 상기 핸들에 슬라이드가능하게 탑재된 트리거가 되도록 설계된다.

많은 다른 동력 도구와는 달리, 동력이 있는 수술 도구는 상대적으로 많은 양의 동력을 전달하는 것 이상을 행할 수 있어야 한다. 동력이 있는 수술 도구는 수증기 및매우 뜨거운 것 양자로 가득한 환경에 대한 반복적인 노출에 견뎌낼 수 있어야 한다. 그 이유는, 사용 전에, 동력이 있는 수술 도구가 오토클레이브 살균되기 때문이다. 이러한 프로세스에서, 상기 도구는 그 분위기가 수증기(스팀)로 가득찬 챔버 내에 놓여지고, 그 온도는 대략 270 ⁰F이며, 기압은 대략 30 psi(Gage)이다. 제어 회로의 전도성 요소를 포함하여, 상기 도구의 내부 요소는, 보호되지 않은 채로 방치된 경우, 이러한 환경에 대해 지속적으로 노출되어 부식된다.

1998년 5월 5일자로 등록되었으며, 인용에 의해 본 명세서에 일체화된, 본 출원인의 미국특허 제5,747,953호인 무선의, 배터리로 작동되는 수술 도구(CORDLESS, BATTERY OPERATED SURGICAL TOOL)에는 오토클레이브 살균의 영향으로부터 수술 도구의 내부 요소를 보호하기 위한 한 수단을 기재하고 있다. 이 발명의 도구는 도구의 가동을 조절하는 회로를 하우징하고 있는 시일된 모듈을 구비한다. 또한 이 모듈의 내부에는 외부에 탑재된 트리거의 상태를 모니터하는 비접촉 센서가 있다. 각각의 트리거에 부착되고 도구 하우징 내에 배치된 것은 자석이다. 상기 모듈의 내부에는 자장 센서가 있다. 각각의 센서는 관련된 트리거 자석 중 하나와 관련된 근접치의 함수로서 가변 신호를 생성한다. 트리거의 수동 변위(displacement)는 상기 자석의, 도구 내의 변위 등을 가져온다. 트리거 및 자석이 그렇게 변위되는 경우, 상보적인 센서는 이동이 발생했음을 나타내는 신호를 생성한다. 이 신호를 받은 즉시, 상기 제어 회로는 하전 전류(energization current)가 상기 모터에 적용되도록 하는데 요구되는 신호를 생성한다.

상기 도구의 온/오프 제어 어셈블리의 전기 전도성 요소는 상기 오토클레이브 환경의 과포화된 가열 공기로부터 보호된다. 이러한 도구가 살균되는 경우, 이러한 요소들은 불리하게 영향받는 것은 아니다.

그러나, 공지의 무선 동력 도구들은 노출된 채로 남아있는 다른 민감한 요소를 갖는다. 이러한 요소들은 전형적으로 동력-발생 유닛의 작동을 모니터하는 센서를 포함한다. 많은 동력화된 무선 동력 수술 도구들은, 예를 들어, 이들의 동력-발생 유닛으로서 브러쉬 없는 DC-모터들을 채택한다. 이러한 타입의 모터의 내부에 모터의 로터의 위치를 모니터하는 센서가 있다. 상기 센서에 의해 생성된 신호는 상기 제어 회로에 제공된다. 이러한 신호들은 온/오프 신호와 함께, 피드백 신호로서 작용하고, 상기 모터의 교환(commutation)을 조절한다.

이러한 센서들은 오토클레이브의 부식 촉진 환경에 노출된다. 현재, 이러한 센서들은 포팅 화합물(potting compound)에 넣어져서 이들을 살균 프로세스의 유해한 영향으로부터 보호하도록 한다. 그럼에도 불구하고, 시간이 지남에 따라, 가압된 수증기가 이러한 센서들에 도달할 수 있다. 이런 일이 발생하면, 수증기는 고장을 일으킬 정도로 상기 센서를 부식시키는 경향이 있다.

이러한 센서들이 포화된 수증기로부터 보호되는 경우라도, 그들의 사용과 관련된 몇 가지 단점이 있다. 종종 이러한 센서들은 저온 환경에서 가장 잘 작동한다. 예를 들어, 홀 효과(Hall effect) 센서들에 의해 생성된 신호는 150℃ 이상의 온도에서 변하기 시작한다. 동력이 있는 수술 도구와 일체화된 모터는 온도를 이러한 레벨 이상으로 상승시키기에 충분한 열을 생성할 수 있다. 이런 일이 발생하면, 홀(Hall) 센서에 의해 출력된 신호의 변화는 제어회로로 하여금 도구의 고장을 촉진하는 제어 신호를 생성하도록 유발할 수 있다.

게다가, 이러한 센서들에 의해 생성된 모터 로터 위치 신호의 정확도는 자연히 상기 로터에 상대적인 센서 위치에 크게 의존한다. 수술 관계자의 최선의 노력에도 불구하고, 수술 도구를 바닥에 떨어뜨리는 것이 전례가 없는 것은 아니다. 도구가 이러한 타입의 기계적 충격에 노출되었을 경우, 상기 모터 로터 센서들의 위치가 이동될 수 있다. 상기와 같은 이동 또한 센서들이 모터 로터 위치를 정확하게 나타내지 않는 신호를 생성하는 또다른 이유가 된다.

이론상, 상기 로터 위치의 명령을 얻기 위해서 모터 와인딩에 의해 생성된 백 EMF 신호(back EMF signal)를 사용하여 이런 문제점을 제거하는 것이 가능하다. 이는 유선의 동력이 있는 수술 도구에서 로터 위치 센서의 사용을 어떻게 제거하는지에 관한 것이다. 실제로, 무선의 동력이 있는 도구에서 이러한 해결책을 실행하는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 이는, 제로 속도, 실속 속도(stall speed)에서, 로터 위치가 측정될 수 있는 백 EMF 신호가 없기 때문이다. 대신, 상기 모터의 시동을 켜기 위해서, 모터 와인딩에 하전하기 위한 기타 수단을 채택한다. 이러한 기타 수단들은 통상적으로 상기 와인딩에 상당한 전류를 적용하는 것과 관련된다. 수술 절차 중, 무선 동력 도구는 반복적으로 단속적으로(on 및 off) 사이클될 수 있다. 그러므로, 무선의 동력이 있는 수술 도구가 백 EMF 신호의 상태에 기초하여 구동되는 경우, 상기 모터를 지속적으로 재시동하기 위해 요구되는 동력은 배터리 충전의 상대적으로 급속한 소모를 가져올 수 있다. 이는 수술 절차 도중 배터리를 충전시키는 것을 필요로 할 수 있다. 명백하게, 이는 수술 관계자들이 회피하고 싶은 임무이다.

또한, 많은 동력이 있는 수술 도구, 유선 및 무선 종류 모두는, 상이한 커팅 부대물(accessory)을 조종한다. 예를 들어, 많은 드릴 유닛은 전기면도기 및 절삭기 양자를 조종하는 것으로 설계된다. 종종, 바람직한 속도가 상이하게 작동되는 상이한 부대물들은 상이한 최대 작동 속도를 갖는다. 많은 수의 상이한 어셈블리들이 상업적으로 이용가능하고, 유선 동력 도구에 하전하는 제어 콘솔에 피드백을 제공하여 부착된 커팅 부대물의 타입을 나타낸다. 이러한 정보에 기초하여, 상기 제어 콘솔은 상기 도구의 가동을 조절하고, 그에 따라 부착된 부대물에 적절한 속도로 작동한다. 그러나, 무선 동력 도구는 제어 콘솔을 구비하지 않는다. 따라서, 부착된 부대물에 기초하여 상기 도구의 작동을 알맞게 조절하는데 사용될 수 있는 메커니즘을 제공하기 어려운 것으로 입증되었다.

*또한, 일부 유선의 동력이 있는 수술 도구는 외과의의 선호에 기초하여 작동 세팅 또는 알맞은 속도를 제공할 수 있는 제어 콘솔을 구비한다. 또한, 무선 도구는 이러한 타입의 콘솔에 연결되지 않기 때문에, 외과의에게 이러한 타입의 도구로 이러한 타입의 제어를 제공하기에 어려운 것으로 입증되었다.

본 발명은 신규의 유용한 동력이 있는 수술 도구에 관한 것이다. 본 발명의 수술 도구는 유닛의 작동 상태를 측정하기 위해서 도구 동력 생성 유닛과 일체로 된 센서에 의존하지 않는다. 본 발명의 수술 도구는 또한 부착된 커팅 부대물의 타입 및/또는 외과의의 선호에 기초하여 알맞게 형성된다.

본 발명의 동력이 있는 수술 도구는 동력-생성 요소를 포함하는 핸드피스를 포함한다. 종종 이러한 요소는 DC 모터이다. 또한 상기 핸드피스의 내부에는 상기 모터에 대한 동력의 적용을 조절하는 제어 회로를 포함하는 모듈이 존재한다. 이러한 제어 회로는 시일된 모듈 내에 포함된다. 또한 이러한 하우징 내부에는 상기 핸드피스에 부착된 가동 부재의 상태를 모니터하는 센서 및 상기 모터 로터의 위치를 모니터하는 센서가 존재한다.

본 발명의 핸드피스는 상기 모터와 일체로 된 센서를 구비하지 않기 때문에, 이러한 센서들을 제공하는 것과 관련된 문제점들이 제거된다.

본 발명의 핸드피스는 또한 상기 제어 부재의 가동에 의해 생성된 신호의 상태를 모니터하는 프로세서를 구비한다. 상기 프로세서는 도구가 절차에서 사용되기 위해 셋업되는 각각의 시간에 로드된 작동 명령의 특정 세트를 실행한다. 이러한 명령들에 기초하여, 상기 프로세서는 제어 부재 가동을 표시하는 수신 신호를 실행하게 되며, 상기 프로세스는 특정 세트의 제어 명령을 생성한다.

프로세서 실행에 대해 선택된 명령들은 상기 도구에서 멀리 떨어진 요소로부터 로드된다. 특수한 도구가 무선 도구인 경우, 상기 명령은 무선 통신 링크에 의해 전송된다. 따라서, 본 발명의 동력이 있는 수술 도구는 부착된 커팅 부대물의 타입 및 외과의의 선호와 같은 가변적인 것에 기초하여 작동되기에 알맞게 구성된다.

한 구현예에서, 본 발명의 동력이 있는 수술 도구는 무선 도구이다. 본 발명의 다른 구현예에서, 상기 도구는 유선이다.

본 발명은 특허청구범위에서 상세히 설명한다. 본 발명의 상기 및 추가의 특징은 하기와 같은 첨부한 도면과 함께 하기 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 특징을 도입한 동력이 있는 도구의 측면도이다.
도 1(a)는 본 발명의 동력이 있는 도구의 단면도이다.
도 2(a)는 본 발명의 도구의 트리거 어셈블리의 분해도이다.
도 2(b)는 트리거 어셈블리의 단면도이다.
도 3(a)는 제어 모듈의 단면도이다.
도 3(b)는 제어 모듈을 형성하는 패널 부재의 분해도이다.
도 3(c)는 제어 모듈의 내부의 평면도이다.
도 3(d)는 모듈 내 또는 모듈에 탑재된 일부 요소를 도시하는 제어 모듈 내부의 분해도이다.
도 4(a)는 트리거 스위치의 위치를 모니터하는 제어 모듈 내부의 센서에 대한 트리거 스위치 자석의 배치를 도시하는 측면도이다.
도 4(b)는 모터 로터 위치를 모니터하는 센서가 제어 모듈 내부의 프린트된 회로 기판에 탑재되는 방법을 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 파워 FET가 제어 모듈에 탑재되는 방법을 도시하는 측면도이다.
도 6은 도 6(a), 도 6(b), 도 6(c), 도 6(d), 및 도 6(e)가 조립되어 본 발명의 제어 회로의 개략 및 블록 다이어그램을 형성하는 방법을 도시하는 어셈블리 다이어그램이다.
도 7은 모터 제어 회로를 형성하는 메인 서브-회로의 블록 다이어그램이다.
도 8은 도구의 가동시 도구의 내부에 있는 요소에 의해 실행되는 프로세스 단계의 순서도이다.
도 9는 도구의 모터 로터의 위치를 모니터하는 제어 모듈 센서에 의해 생성된 신호를 플롯한 것이다.
도 10은 모터 로터의 위치를 모니터하는 제 1 센서에 의해 생성된 신호의 출력의 파형을 플롯한 것이다.
도 11(a) 내지 도 11(d)는 로터가 회전함에 따라 모터 로터 위치를 표시하는 디지털 신호를 생성하기 위해서 도구 제어 모듈과 일체로 된 프로세서에 의해 실행되는 프로세스 단계의 순서도를 공동으로 형성한 것이다.
도 12는 제어 모듈 프로세서와 일체로 된 영구 메모리에 저장된 데이터의 일부를 나타낸다.
도 13은 제어 모듈 프로세서와 일체로 된 랜덤 액세스 메모리에 저장된 데이터의 일부를 나타낸다.
도 14는 모터 로터의 위치를 모니터하는 제 1 센서에 의해 생성된 출력 신호의 출력의 대안의 파형을 플롯한 것이다.
도 15는 모터 센서 출력 신호와 비교되는 신호 전이 레벨을 업데이트하기 위해 실행되는 프로세스 단계의 순서도이다.
도 16은 도구의 원격 제어 및 가변적인 구성을 용이하게 하는, 본 발명의 도구의 내부에 있는 요소의 블록 다이어그램이다.
도 17은 외부적으로 구성하고 도구를 제어하는데 사용되는, 도구의 외부에 있는 요소를 도시하는 시스템 다이어그램이다.
도 18은 본 발명의 도구가 유선 동력 팩을 통해서 데이터 및 명령들을 핸드피스 제어 콘솔과 교환하는 방법의 개략도이다.
도 19는 도구가 외과의의 선호에 따라 구성된 본 발명의 일체화된 도구 시스템에 의해 수행되는 단계들의 순서도이다.
도 20(a) 및 도 20(b)는 상기 도구가 부착된 부대물의 특성에 기초하여 구성되고 이러한 특성에 기초하여 작동되는 경우에 도구 시스템에 의해 수행된 단계의 순서도를 공동으로 형성한 것이다.
도 21은 도구 요소가 예외적인 작동 상태로 진입할 경우 도구의 작동을 유지하고 경고하기 위해서, 본 발명의 일체로 된 도구 시스템에 의해 수행되는 프로세스 단계들의 순서도이다.
도 22는 절차가 수행되는 수술 부위에서 적용 이상의 도구 부착물의 적용을 억제하기 위해서, 일체로 된 도구에 의해 수행되는 프로세스 단계들의 순서도이다.
도 23은 도시된 지그와 같은 동적 기계(kinematic machine)의 위치선정(positioning)을 용이하게 하기 위해서, 본 발명의 일체로 된 시스템을 사용하는 방법을 나타낸다.
도 24(a) 및 도 24(b)는 수술 임플란트 또는 다른 수술 장치의 위치선정을 위해서 시스템에 의해 실행되는 프로세스 단계들의 순서도를 공동으로 형성한 것이다.
도 25는 본 발명의 수술 도구를 사용하여 소정의 시간 동안 정형외과 시멘트를 혼합하고 시멘트의 점도를 모니터하는 방법을 나타낸 사시도이다.
도 26(a), 도 26(b) 및 도 26(c)는 시멘트가 적당한 시간 동안 혼합되는지를 보증하고, 시멘트의 점도를 모니터하기 위해서, 본 발명의 수술 도구 시스템에 의해 실행된 프로세스 단계들의 순서도를 공동으로 형성한 것이다.
도 27은 혼합될 시멘트를 형성하는 요소의 특성에 관한 데이터를 시스템에 제공하는 방법의 사시도이다.
도 28은 수술용 시멘트를 포함하는 패킷과 일체로 된 데이터 저장 장치에 저장된 데이터 타입의 일부를 나타낸다.
도 29는 수술용 시멘트를 경화하는데 사용되는 모노머를 저장하는 용기와 일체로 된 데이터 저장 장치에 저장된 데이터 타입의 일부를 나타낸다.
도 30은 수술용 임플란트와 일체로 된 데이터 저장 장치에 저장된 데이터 타입의 일부를 나타낸다.
도 31은 본 발명의 시스템을 채택하여 수술용 시멘트를 혼합하는 경우 시간에 따라 도출한 전류의 변화를 플롯한 것이다.
도 32는 본 발명의 수술 도구의 대안의 도구 하우징의 측면도이다.
도 33은 도 32의 선 33-33에서 관찰했을 때 하우징 헤드 근단(proximal end)의 바닥면의 평면도이다.
도 34는 신호가 도구 제어 프로세서 및 보조 유닛 사이에서 교환되는 방법 및 도구에 연결된 배터리로부터의 동력이 보조 유닛에 선택적으로 공급되는 방법을 나타내는, 대안의 도구 내부의 전기적 요소의 부분 개략도이다.
도 35는 플럭스 파이프가 도구 동력 발생 유닛에 의해 방출된 에너지를 멀리 떨어져 위치하는 제어 모듈에 있는 센서에 전도하기 위한 도관으로 기능하는 방법의 개략적인 도시이다.
도 36은 도구 제어 프로세서가 도구 가동 부재의 변위의 함수로서 비-선형적으로 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 변동하도록 프로그래밍될 수 있는 방법을 그래프로 나타낸 것이다.
도 37은 단일 센서로 시동을 켤 때 로터 위치를 측정하기 위해서 본 발명의 도구의 기본 추정 알고리즘(base assumption algorithm)의 일부로서 실행된 단계의 순서도이다.
도 38은 두 개의 폴 로터의 상태를 모니터링하는 센서에 의해 생성된 신호의 파형으로서, 여기서 플롯 포인트는 기본 추정 알고리즘의 실행 오프 도중 취해진 측정치를 도시하기 위해 사용된다.

I. 수술 동력 도구

A. 개요

도 1 및 도 1(a)는 본 발명에 따라서 제조된 동력 도구(30), 수술 도구를 도시한다. 도구(30)는 하우징(32)을 구비하며, 그 안에 전기적으로 가동되는 동력-발생 유닛이 위치한다. 특정 도구(30)에서, 이러한 동력-발생 유닛은 비 브러쉬형(brushless), 비홀형(Halless), DC 모터(34)이다. 도구 하우징(32)은 일반적으로 모터(34)가 딱 맞는 실린더형 헤드(36) 형상을 갖는다. 헤드(36)로부터 아래로 연장되어, 도구 하우징(32)은 핸들(38) 형상을 갖는다.

또한 상기 헤드(36)는 하우징(32)의 전면에 이동가능하게 탑재된 링으로 표시된 결합 어셈블리(39)를 포함한다. 결합 어셈블리(39)는 상기 모터(34)에 대해 수술 부착물(41)(도 16)에 해제 가능하게 부착된 기계적 연동장치로 구성되어, 상기 모터가 상기 부착물을 가동할 수 있도록 한다. 본 발명의 일부 도구 시스템에서, 부착물(41)은 커팅 부대물로 언급된다. 상기 결합 어셈블리(39)의 정확한 구조는 본 발명의 구조와 관련된 것은 아니다. 만일, 도 1 및 도 1(a)의 도구에 있는 것으로서, 상기 동력 발생 유닛이 모터(34)인 경우, 결합 어셈블리(39)는 상기 모터 샤프트(27)에 대해 상기 부대물을 해제 가능하게 보유하는 잠금(잠금) 배치로 구성되어, 상기 모터 샤프트의 회전으로 부대물이 회전되도록 한다. 본 발명의 일부 예에서, 속도 감소 기어 어셈블리(28)는 모터(34) 및 결합 어셈블리( 39) 사이에 위치한다. 상기 핸들 내부의 빈 공간(29) 내부에 배치된 것은 도 1에서 팬텀(phantom)으로 나타낸 밀봉된 제어 모듈(40)이다. 하기에서 설명하는 바와 같이, 제어 모듈(40)은 상기 모터(34)에 대해 하전 전류(energization current)의 적용을 조절하는 요소를 포함한다.

상기 모터(34)를 하전하기 위한 동력은 배터리(42)로부터 나오고, 도 6(e)에 개략적으로 나타냈다. 실제로, 상기 배터리(42)는 상기 핸들(38)의 밑동(butt end)에 제거 가능하게 부착된다. 본 발명의 이러한 일례에 채택될 수 있는 하나의 배터리(42)는 1999년 11월 2일자로 등록된, 발명의 명칭 RECHARGEABLE BATTERY PACK 및 METHOD FOR MANUFACTURING SAME인 출원인의 양수인의 미국특허 제5,977,746호이며, 이는 인용에 의해 본 명세서에 일체화된다.

직렬로 배열된 두 개의 트리거 스위치(46 및 47)는 상기 핸들(38)의 앞면으로부터 앞으로 연장된다. 각각의 트리거 스위치(46 및 47)는 상기 도구 하우징(32)에 슬라이드 가능하게 탑재된다. 각각의 트리거 스위치(46 및 47)는 일반적으로 실린더형 배럴(50)을 포함한다. 상기 배럴(50)은 상기 트리거 스위치(46 및 47)의 일부이고, 상기 하우징 핸들(38)의 앞으로 연장된다. 핑거홀드(fingerhold) 형상의 헤드(52)는 상기 배럴(50)의 디스탈 프리 엔드(distal free end) 위에 배치된다. ("디스탈(Distal)"은, 상기 도구(30)가 향하고 있는 수술 부위를 향한 수단으로 이해될 수 있다. "프록시멀(Proximal)"은 수술 부위로부터 멀어지는 것을 의미한다). 트리거 스위치(46 및 47)는 도구 하우징(32)에 탑재되어, 상기 배럴(50)이 상기 제어 모듈(40)의 앞에 위치하고, 정렬될 수 있도록 한다.

B. 기계적인 특징

도 2(a) 및 도 2(b)는 트리거 스위치(46 및 47)가 트리거 스위치 하우징(33)에 탑재되는 방법을 공동으로 도시한다. 트리거 스위치 하우징(33)은 플라스틱으로 형성된다. 상기 하우징(33)은 두 개의 배럴 케이지를 정의하는 형상이며, 이들 각각은 그 근단에서 폐쇄되어 있다. 각각의 배럴 케이지(35)는 연관된 트리거 스위치 배럴(50) 중 하나의 슬라이딩 가능한 슬립 피팅(slip fitting)을 용이하게 하는 치수로 형성된다. 마운팅 플레이트(37)는 배럴 케이지(35)와 일체로 형성되고, 배럴 케이지(35)의 열린 원단(distal end) 근처로 연장된다. 마운팅 플레이트(37)는 상기 핸들(38)의 앞면에 의해 정의된 오목한 공간 내에 꼭 맞는 치수로 형성된다(오목한 공간은 도시되지 않음). 피팅 보스(fitting boss)(43)는 상기 배럴 케이지(35) 사이에서 마운팅 플레이트(37)로부터 프록시멀하게 후방으로 연장된다. 피팅 보스(43)는 보어(61)을 통해 축방향으로 연장된다. 도시하지 않았지만, 고정 부재가 보스(43)를 통해 연장되어, 도구 하우징(32)에 트리거 스위치 하우징(33)을 고정한다. 트리거 스위치 하우징(33)은 배럴 케이지(35)의 근단을 가로질러 연장된 정지 벽(45)과 함께 형성된다. 정지 벽(45)은 상기 트리거 스위치(46 및 47)를 완전히 내리눌렀을 때 배럴(50)의 근단이 인접하는 트리거 하우징 구조 부재이다.

나선형 스프링(48)은 보통 완전히 연장된 위치에서 트리거 스위치(46 및 47)를 보유한다. 각각의 스프링(48)은 연관된 트리거 스위치 배럴(50)의 근단으로부터 멀리 연장된 세로의 폐쇄-단(closed-end) 보어(49)에 고정된다. 스프링(48)의 근단은 하우징 정지 벽(45)에 지탱한다. 상기 스프링(48)은 하우징 정지 벽(45)의 내부 벽으로부터 전방으로 멀리 연장된 포스트(51) 근처에 고정된다. 포스트(51)는 배럴 보어(49) 내로 부분적으로 연장된다. 각각의 트리거 스위치(46 및 47)의 전방으로의 먼 이동은 분리 핀(53)에 의해 제한된다. 각각의 핀(53)은 연관된 하우징 배럴 케이지(35)에서 형성된 개구에 고정되고(개구는 확인되지 않음) 상기 배럴 케이지 내의 공간 내로 가로로 연장된다. 상기 핀(53)은 트리거 배럴(50)의 외부면을 따라서 세로로 연장된 홈(55)에 고정된다(도 2(a)에서는 트리거 스위치(47)의 홈(55)만 도시됨). 각각의 홈(55)은 양단에서 폐쇄되어 상기 홈을 정의하는 말단 벽(end wall)에 대한 핀(53)의 인접이 트리거 스위치(46 또는 47)의 전방 및 후방 이동 모두를 제한하게 된다.

O-링(57) 및 테프론 링(59)은 트리거 스위치 배럴 주변을 둘러싸면서 연장된 홈(60)에 고정된다. 홈(60)은 스위치 헤드(52) 및 세로 홈(55) 사이에 위치된다. O-링(57)은 상기 홈(60)의 베이스에 고정된다. 테프론 링(59)은 O-링(57) 위의 홈(60)에 고정된 분할 링이다. 테프론 링(59)의 외부 표면은 배럴 케이지(35)의 내부 벽을 가압한다. 따라서 테프론 링(59)은 트리거 스위치 배럴(50) 및 인접한 배럴 케이지(35)의 내부 표면 사이에 저 마찰의 부드러운 계면을 제공한다.

도 2(a) 및 도 2(b)에서, 직사각형 트리거 어셈블리 도구(27)도 나타내었다. 트리거 스위치(46 및 47)가 이들의 배럴 케이지(45) 내에 피트된 후, 도구(27)는 피팅 보스(43) 및 배럴 케이지 내로 슬라이드된다. 도구(27)의 반대쪽 상단 및 하단은 트리거 스위치 배럴(50)에 형성된 홈(29)에 고정된다. 트리거 어셈블리 도구(27)는 핀(53)이 배럴 케이지 및 스위치 배럴 홈(55)에 고정될 때까지 위치 내에 트리거 스위치(46 및 47)를 보유한다.

자석(56 및 58)은 각각의 트리거 스위치(46 및 47)에 각각 부착된다. 각각의 자석(56 및 58)은 트리거 스위치 배럴(50)의 근단에 탑재된다. 각각의 트리거 스위치 배럴(50)은 상기 배럴의 근단으로부터 후방으로 가깝게 연장된 보스(63)를 구비한다. 연관된 자석(56 또는 58)은 보스(63)에 형성된 폐쇄단 보어에 고정된다(보어는 도시되지 않음).

근단 개구(65)를 구비하도록 각각의 하우징 배럴 케이지 정지 벽(45)이 형성된다. 상기 트리거 스위치 배럴(50)은 배럴 케이지(35)에 고정되어서, 연관된 스위치가 완전히 내리눌린 경우 케이지 정지 벽(45)을 넘어, 연관된 개구(65)를 통해서, 보스(60) 및 자석(56 또는 58)이 후방으로 가까이 연장되도록 한다.

따라서 각각의 트리거 스위치(46 또는 47)를 내리누르는 것은 연관된 자석(56 또는 58)을, 각각 상기 제어 모듈(40)에 더 가까이 이동시키게 된다. 배럴 케이지(35)를 넘어서 자석(56 또는 58)이 가깝게 연장하기 때문에, 상기 트리거 스위치 배럴(50)의 보디에 상대적인 자석이 상기 제어 모듈(40)에 가깝게 이동한다. 하기의 명백한 이유 때문에, 본 발명의 도구(30)가 조립되어 트리거 스위치(46 또는 47)나 상보적인 자석(56 또는 58)이 상기 제어 모듈(40)과 접촉되지 않게 된다.

도 3(a)에서 보는 바와 같이, 상기 제어 모듈(40)의 내부에는 프린트된 회로 기판(64)이 존재한다. 상기 프린트된 회로 기판(64)에는 세 쌍의 센서들인, 센서 쌍(66 및 68), 센서 쌍(70 및 72) 및 센서 쌍(74 및 76)이 탑재된다(도 6(a)). 센서 쌍(66 및 68)은 자석(56)의 상대적인 위치의 함수로서 신호를 생성한다. 센서 쌍(70 및 72)은 자석(58)의 상대적인 위치의 함수로서 신호를 생성한다. 센서 쌍(74 및 76)은 동력-생성 유닛의 작동의 함수로서 신호를 생성한다. 본 발명의 예에서는, 센서 쌍(74 및 76)이 도 6(d)에 기호로 나타낸 모터 로터(78)의 회전 방위에 기초한 신호를 생성한다.

제어 모듈(40) 내부에는 또한 동력 FET들(82a-82c 및 84a-84c)이 존재한다 (도 6(d)). 각각의 FET(82a, 82b 및 82c)는 모터 와인딩(86a, 86b 및 86c)(도 6(d)) 중 하나를 배터리(42)의 양극 단자에 각각 선택적으로 결합한다. 각각의 FET(84a, 84b 및 84c)는 모터 와인딩(86a, 86b 및 86c)(도 6(d)) 중 하나를 바닥에 선택적으로 결합한다.

프린트된 회로 기판(64)에는 하기에 상세히 설명한 다른 요소들이 탑재된다. 센서 쌍(66-68, 70-72 및 74-76)에 의해 생성된 신호에 기초한, 이러한 요소들은 선택적으로 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 게이트 제어한다. FET들(82a-82c 및 84a-84c)의 게이트는 와인딩(86a-86c)를 통해 전류 흐름을 유발하여 모터(34)를 하전한다.

도 3(a) 및 도 3(b)에서 보는 바와 같이, 제어 모듈(40)은 6개의 플레이트로 형성된다. 상기 제어 모듈(40)이 하우징(32)에 고정될 경우, 프론트 플레이트(92)는 플레이트 중 가장 디스탈하고 핸들(38) 내에서 세로로 연장한다. 최상부 및 최저 플레이트(94 및 96)는 상기 프론트 플레이트(92)의 반대쪽 최상부 및 최저 면으로부터 상기 핸들(38)을 통해 각각 수직 후방으로 연장된다. 백 플레이트(98)는 플레이트 중 가장 프록시멀하다. 상기 백 플레이트(98)는 각각, 최상부 및 최저 플레이트(94 및 98)의 근단 사이에서 연장된다. 프론트, 최상부, 최저 및 백 플레이트(92, 94, 96 및 98)는, 각각 함께 용접되어 직사각형 셸을 형성한다(확인되지 않음). 이러한 셸은 프린트된 회로 기판(64)이 장착되는 모듈(40) 내에 공간을 정의한다.

리드(102 및 104)는 모듈(40)을 형성하는 남아있는 두 플레이트이다. 리드(102 및 104)는 직사각형 형상이며 프린트된 회로 기판(64)의 반대쪽 면 위에 시일된다.

일반적으로, 프론트 플레이트(92), 최저 플레이트(96), 백 플레이트(98) 및 리드(102 및 104)는 비-부식성인 자성 재료로 형성된다. 이러한 요소로 적당한 재료는 니켈, 예를 들어 Nickel 200으로 형성될 수 있다. 이러한 플레이트는 자성일 필요가 있는데, 그 이유는 본 발명의 설명된 일례에서, 센서(66-76)가 자성 민감성이기 때문이다. 자성 재료로부터 플레이트를 형성하는 것은 센서를 주위의 자장으로부터 보호한다. 본 발명의 한 일례에서, 플레이트(92-98)는 대략 0.050 인치의 두께를 가지며; 리드(102 및 104)는 대략 0.015 인치의 두께를 가진다. 리드(102 및 104)의 두께를 감소시키는 것은 상기 플레이트(92-98)에 대한 리드의 용접을 용이하게 한다.

프론트 플레이트(92)는 일반적으로 자성 재료로 구성되는 반면, 센서 쌍(66 및 68) 및 센서 쌍(70 및 72) 위로 연장되는 플레이트의 구획은 비-부식성 비-자성 링(106)의 형태이며, 도 4(a)에 나타낸다. 본 발명의 한 일례에서, 링(106)은 구리 또는 구리-니켈 합금으로 형성된다. 상기 합금 중 하나는 Inco Alloys(Huntington, West Virginia, United States)에 의해 상표명 Monel로 시판된다. 이 합금은 구리 30-35 중량%, 니켈 60-65 중량%, 나머지는 황 및 탄소인 조성을 갖는다. 각각의 링(106)은 상기 프론트 플레이트(92)에 형성된 개별적인 원형 개구(107)에 탑재된다.

각각의 링(106)의 중앙에는 비-부식성인 자성 재료로 형성된 솔리드 디스크(108)가 있다. 디스크(108)를 형성하는 것이 가능한 재료로는 니켈 및 니켈 철 합금을 포함한다. 디스크(108)를 형성하는 것이 가능한 상기 합금 중 하나는 Carpenter Steel Company(Reading, Pennsylvania, United States)에 의해 상표명 CARPENTER HIGH PERMEABILITY "49"로 시판된다. 이 합금은 니켈 48 중량%, 탄소 0.02 중량%, 실리콘 0.35 중량%, 망간 0.50 중량%, 밸런스 철의 조성을 갖는다.

프론트 플레이트(92)가 상이한 재료로 형성되는 이유는 도 4(a)를 참조하여 설명한다. 각각의 링(106) 및 디스크(108) 쌍은 트리거 스위치 자석(56 또는 58) 중 하나의 이동하는 축 선을 따라서 중심에 있으며, 자석 56을 나타내었다. 이 선은 또한 연관된 센서들의 쌍(66 및 68, 또는 70 및 72)이 자장 내에서 가장 민감하게 변하는 축이다. 프론트 플레이트(92), 링(106) 및 디스크(108) 간의 자성-비자성-자성 관계 때문에, 이러한 요소들은 이 선을 따라서 자석에 의해 방출된 자장의 플럭스에 초점을 둔다. 도 4(a)에서, 자성 플럭스는 점선(110)에 의해 도시하였다. 결과적으로, 자석(56 또는 58)이 부착된 트리거 스위치(46 또는 47)의 이동에 의해 유발된 플럭스 밀도의 작은 변화는 센서 쌍(66 및 68, 또는 70 및 72)에 의해 쉽게 감지된다.

센서(74 및 76)를 커버하는 최상부 플레이트(94), 또는 적어도 이들의 일부는 비-부식성 비-자성 재료로 형성된다. 구리 또는 모넬(Monel) 합금은 이러한 플레이트 또는 플레이트 구획을 형성하는 적절한 재료가 될 수 있다. 센서 쌍(74 및 76)을 커버하는 최상부 플레이트(94), 또는 적어도 일부 구획은 비-자성 재료로 형성되는데, 그 이유는 센서(74 및 76)가 상기 로터(78)에 의해 방출된 자장의 변화를 모니터함으로서 로터 방위의 변화를 모니터하기 때문이다.

본 발명의 일부 예에서, 도시되지 않았지만, 반대의 자성 플레이트는 상기 리드(102 및 104)의 각각으로부터 위로 연장된다. 이러한 플레이트들은 센서(74 및 76)가 탑재된 제어 모듈(40) 내부의 위치의 반대쪽 면에 위치된다. 이러한 플레이트들은 주위의 자장으로부터 센서(74 및 76)를 보호한다.

도 3(a), 도 3(b), 도 3(c), 및 도 3(d)로 돌아가서, 백 플레이트(98)가 직사각형 개구(108)로 형성된 것을 볼 수 있다. 개구(108)는 단자 판(도시되지 않음)이 장착된 개구로서 기능한다. 단자 판과 일체로 된 노출된 접점이 멀리 떨어진 장치로부터의 전도체(도시되지 않음)가 연결되는 단자 지점이다. 상기 멀리 떨어진 장치는 상기 수술 도구(30)를 작동시키기 위한 명령이 상기 제어 모듈(40)에 제공되거나, 또는 상기 도구의 작동 상태에 관한 데이터가 상기 모듈로부터 출력되는 헤드로서의 역할을 한다. 이러한 멀리 떨어진 장치는 도구 하우징(32)의 개구 위에서 즉시 제거 가능한 플레이트 바로 뒤에 위치된 제2 단자 판일 수도 있다(단자 판, 하우징 및 플레이트는 도시되지 않음). 택일적으로, 이러한 멀리 떨어진 장치는 도 16가 관련하여 상세히 설명되는 데이터 트랜스시버 헤드(530)이다.

모듈 최저 플레이트(96)는 5개의 원형 개구(111)로 형성된다. 각각의 개구(111)는 단일의 드라이버/신호 핀 어셈블리(112)를 하우징하며, 도 5에서 잘 나타내었다. 각각의 드라이버/신호 핀 어셈블리(112)는 모듈 플레이트(96)를 통해 연장된 구리 코어 핀(113)을 포함한다. 핀(113)은 원형의, 개구(111)의 둘레 주변에 장착된 부싱(114)의 중심 개구를 통해 연장한다. 부싱(114)은 냉간 압연강으로 형성된다. 원형의 글래스 실(115)은 부싱(114)의 중심 개구에서 핀(113)을 고정한다.

긴 클립 커넥터(116)는 각각의 핀(113)의 노출된 끝 위로 피트된다. 긴 클립 커넥터(116)는 배터리와 배선되고 와인딩(86a-86c)이 연결되는 모듈 요소이다. 본 발명의 일부 예에서, 하나 이상의 긴 클립 커넥터(116)가 제거된다.

5개의 드라이버/신호 핀 어셈블리(112)는 제어 모듈(40)에 탑재된다. 2개의 핀 어셈블리(112)는 전도성 통로로 기능하며 여기서 배터리(42)에 대한 양극 및 음극 연결이 이루어진다. 나머지 3개의 핀 어셈블리(112)는 모터 와인딩(86a, 86b 및 86c)에 대한 분리된 연결이 이루어지는 전도성 통로로 작용한다.

도 3(b) 및 도 3(c)에서 잘 나타낸, 직사각형 마운팅 플레이트(119)는 제어 모듈(40)의 최저점에서 프론트 플레이트(92)에 대해서 및 이를 통해 백 플레이트(98)로부터 앞으로 가로로 연장한다. 마운팅 플레이트(119)는 우수한 열 전도 특성을 갖는 재료로 형성되며, 이유는 하기와 같다. 그러한 재료 중 하나는 Nickel 200이다. 마운팅 플레이트(119)의 근단은 개구(108) 아래의 최저 플레이트(98)에 형성된 직사각형 슬롯(120)에 고정되어 있다. 마운팅 플레이트(119)의 원단은 프론트 플레이트(92)에 형성된 유사한 직사각형 슬롯을 통해 및 이 앞으로 연장된다(슬롯은 확인되지 않음). 마운팅 플레이트(119)는 프론트 플레이트(92)의 앞에 멀리 위치된 원단 구획(121)을 갖는 치수로 형성된다.

본 발명의 제어 모듈(40)에서, FET들(82a-82c 및 84a-84c)은 마운팅 플레이트(119)의 대향면 위에 배치된다. 회로 기판(64)의 최저단(bottom end)은 상기 플레이트(119) 최상부의 인접한 면 표면 위에 배치되고 고정된다. 제어 모듈(40)이 핸들(38)에 딱 맞는 경우, 상기 플레이트 원단 구획(121)은 상기 모듈이 장착되는 공간을 정의하는 상기 도구 하우징(32)의 인접한 내벽에 인접한다. 플레이트(119)는 모두 FET들(82a-82c 및 84a-84c)에 대한 마운팅 표면으로서의 역할을 하고, 도구 하우징(32)과 물리적으로 접촉을 하기 때문에 상기 플레이트는 FET에 대한 히트 싱크(heat sink) 및 결합된 탑재된 표면으로서의 역할을 한다. 마운팅 플레이트(119)의 원단 구획(121)은 또한 제어 모듈(40)의 전단(front end)이 도구 하우징(32)의 내벽에 의해 가압되는 것을 방지하는 기능을 한다.

마운팅 플레이트(119)는 또한 회로 기판(64)에 대한 지지 부재로서의 역할을 한다. 제어 모듈(40)의 어셈블리 중, 낮은 측 FET들(84a-84c)에 대한 리드는 통상적으로 상기 프린트된 회로 기판(64)에 (초음파로) 부착된 와이어이다. 이러한 작동 중, 상기 마운팅 플레이트(119)는 상기 프린트된 회로 기판(64)이 진동하는 것을 방지하는 안감 부재(backing member)로서 기능한다.

일반적으로 실린더형 인서트(122)는 프론트 플레이트(92)의 최상부로부터 내부로 가로로 연장된다. 인서트(122)는 상기 프론트 플레이트(92)에 형성된 보어에 고정된다(보어는 확인되지 않음). 상기 인서트(122)는 인서트의 노출된 면으로부터 내부로 연장된 폐쇄 단 스레디드(closed end threaded) 보어(123)(팬텀으로 나타냄)로 형성된다. 제어 모듈(40)이 도구 하우징(32)에 장착된 경우, 보어(123)에 딱맞는 패스너(fastener)(도시되지 않음)가 제 위치에서 상기 모듈을 고정한다.

도 3(c)에 의해 나타낸 바와 같이, 마운팅 플레이트(119)의 상기 원단 구획(121)과 같이, 인서트(122)는 프론트 플레이트(92)의 앞에 멀리 있는 근거리를 투영한다. 따라서, 마운팅 플레이트(119)와 같이, 인서트(122)는 모듈 프론트 플레이트(92)가 상기 도구 하우징(32)의 인접한 내부 벽에 근접하는 것을 방지하는 스페이서로서 기능한다.

인서트(122)는 또한 평면의 표면(124)을 구비하도록 형성된다. 표면(124)은 상기 제어 모듈(40)의 세로 축과 동일 편면에 있다. 상기 인서트(122)와 일체로 된 포스트(125)는 표면(124)으로부터 떨어진 곳으로 투영된다. 상기 제어 모듈(40)이 어셈블된 경우, 프린트된 회로 기판(64)은 인서트 표면(124) 위로 배치된다. 따라서 인서트(122)는 상기 제어 모듈(40) 내에서 상기 프린트된 회로 기판(64)을 보유하기 위한 마운팅 브라켓(mounting bracket)으로서의 역할을 한다. 포스트(125)는 상기 회로 기판(64)에서 개구를 통해 연장한다(개구는 확인되지 않음). 회로 기판(64)에 대해 가압하는 상기 포스트(125) 위에 배치된 잠금 핀 리테이너(도시되지 않음)는 상기 회로 기판을 상기 포스트에 유지한다. 본 발명의 일부 예에서, 상기 리테이너의 기능은 땜납 연결에 의해 수행된다.

제어 모듈(40)은 회로 기판(64)을 지지하는 2개의 추가적인 탭(126 및 127)을 구비한다. 탭(126)은 두 개구(107) 사이에서 프론트 플레이트(92)의 내부에 탑재된다. 탭(127)은 최상부 플레이트(94) 및 백 플레이트(98)의 접합점에 의해 형성된 코너에 위치한다. 양 탭(126 및 127)에는 회로 기판(64) 및 회로 기판-안전 패스너가 부착된 포스트(130)가 제공된다. 택일적으로, 상기 회로 기판은 탭(126 및 127)에 납땜질된다.

푸시 패드(131)는 최상부 플레이트(96)에 인접한 백 플레이트(98)의 외부 면에 탑재된다. 수술 도구(30)가 어셈블될 때, 한 세트의 스크루(도시되지 않음)가 상기 푸시 패드(131)에 대해 상기 도구 하우징(32)으로부터 연장되어 상기 제어 모듈(40)의 위치 선정을 용이하게 한다. 푸시 패드(131)는 상기 세트 스크루에 의해 부과된 힘을 분배하는 보강 부재로서 기능한다.

탭(99)은 백 플레이트(98)로부터 외부로 수직으로 연장한다. 상기 탭(99)은 인접한 최저 플레이트(96)에 인접한다. 상기 탭(99)은 도시되지 않은 개구로 형성된다. 상기 탭(99)은 상기 핸들(38)에서 콘솔을 유지하기 위해 사용되는 패스너(도시되지 않음)를 수용하기 위한 브라켓으로서의 역할을 한다.

도 4(b)는 센서(74 및 76)들, 모터(34)의 작동을 모니터하는 센서들이 상기 프린트된 회로 기판(64)에 탑재되는 방법을 나타낸다. 센서(74)는 1차 센서로서, 상기 회로 기판(64)의 최상부에 형성된 노치(132)에 탑재된다. 센서(74)는 노치(132)에 단단히 고정된다. 이러한 배치는, 만일 도구(30)가 예를 들어, 떨어지는 것과 같은 극한의 기계적 충격을 받았을 경우, 기계적 모멘트가 센서(74)로 하여금 상기 모터(34)에 상대적으로 이동하는 것을 유발할 가능성을 최소화한다. 적소에 상기 센서(74)를 잠금으로서 상기 센서에 의해 생성된 신호가 모터 로터 위치를 정확하게 나타내는 것을 보장한다.

본 발명의 일부 예에서, 개별적인 포켓, 인덴션(indention)이 개별적인 센서(74 및 76)를 수용하기 위한 최상부 플레이트(94)에 형성된다. 이러한 포켓들은 최상부 플레이트를 형성하는 제조중인 재료로부터 천공하는 절반의 전단력으로 형성될 수 있다. 상기 제어 모듈의 어셈블리 도중에, 각각의 센서(74 및 76)는 적절한 포켓에 장착된다. 상기 포켓들은 개별적인 센서들이 장착되는 네스트로서 기능한다. 상기 포켓들의 빈 공간은 또한 상기 센서들이 상기 최상부 플레이트(94)의 내부의 평면의 표면에 대해 단지 배치되는 경우보다 상기 모터 로터에 더 가깝게 센서를 위치시킨다.

센서(76)는 프린트된 회로 기판(64)에 탑재되어 센서(74)와 가로로 정렬되어 센서(74)로부터 수직으로 공간이 형성되도록 한다. 본 발명의 일부 예에서, 센서(76)와 일체로 된 센서 리드(133)(하나의 리드를 나타냄)는 상기 센서(76)를 상기 회로 기판(64) 위로 유지하여 상기 두 센서(74 및 76)가 상기 회로 기판(64)의 면 및 세로 축 모두에 대해 수직으로 한 라인에 정렬되도록 마운팅 포스트로서의 제 2 기능을 수행한다. 하기와 같이 명백한 이유에서, 센서(76)의 마이너 위치 이동은 상기 수술 도구(30)의 작동에 불리하게 영향을 미치지 않을 것이다.

FET들(82a-82c 및 84a-84c)이 마운팅 플레이트(119)에 고정되는 방법의 상세한 설명은 이제부터 도 5를 참조하여 제공한다. 전술한 바와 같이, 마운팅 플레이트(119)는 FET들(82a-82c 및 84a-84c)에 대한 지지 구조, 및 이와 같은 및 일부 다른 요소에 의해 생성된 열 에너지에 대한 히트 싱크 모두로서 기능한다. 구리/몰리브덴 라미네이트 구조(138a 및 138b)가, 각각 플레이트(119)의 반대편 최상부 및 최저 면에 결합된다. 절연층(140a 및 140b)은 각각 구리/몰리브덴 층 위에 배치된다. 실제로, 구리/몰리브덴 층(139a 및 139b)은 구리 몰리브덴 층(139a 및 139b)에 결합되는, 층(140a 및 140b)의 면에 각각 결합된다. 이는 구리-몰리브덴 라미네이트(139a 또는 139b)가 납땜질되거나 또는 상기 마운팅 플레이트(119)의 각각의 구리/몰리브덴 라미네이트 층(138a 또는 138b)에 다른 방법으로 결합되었음을 의미한다. 이는 절연층(140a 및 140b) 및 마운팅 플레이트(119)의 접점 요소가 동일한 열 팽창 계수를 가지는 것을 보증한다.

구리/몰리브덴 라미네이트 트레이스 층은 절연층(140a)의 노출된 면에 적용된다. 높은 측 FET들(82a, 82b 및 82c)은 절연층(140a)의 노출된 면에 부착된다. 와이어(143) 및 FET 리드(83)는 FET들(82a, 82b 및 82c) 및 개별적 트레이스 간의 전기적 연결을 형성한다. L-형상 브라켓(144)(하나만 나타냄)은 상기 절연 층(140a)의 상단(upper end)에서 층(142)의 트레이스 위에 탑재되고, 상기 상단은 모듈 최상부 플레이트(94)를 향한다. 브라켓(144)은 층(142)의 트레이스에 대해 회로 기판(64) 상의 트레이스를 전기적으로 연결하는 와이어가 연결되는 구조적 요소이다(와이어 연결은 도시되지 않음). L-형상 브라켓(145)(하나만 나타냄)은 상기 절연 층(140a)의 최저단(bottom end)에서 층(142)의 트레이스 위에 탑재되고, 상기 최저단은 모듈 최저 플레이트(96)에 인접한다. 브라켓(145)은 드라이버/신호 핀 어셈블리(113)로 신호가 교환되는 전도성 요소이다.

한 세트의 필터 커패시터(150)(하나만 나타냄) 또한 층(142)의 트레이스 위에 배치된다. 필터 커패시터(150)는 배터리(42)로부터의 출력 신호로부터 AC 요소를 제거한다. 상기 필터 커패시터(150)는 또한 세라믹 재료로 형성된 통상의 절연 층(148) 위에 배치된다. 구리-몰리브덴 트레이스 층(147 및 149)은 각각 절연 층(148)의 하부 및 상부 표면상에 배치된다. 상기 하부 층(147)의 트레이스들은 물리적으로 인접한 층(142)의 트레이스들과 전기적 연결을 형성한다. 상부 층(149)의 트레이스들은 커패시터(150)와 전기적 연결을 제공한다. 층(147 및 149)의 트레이스를 연결하는 절연 층(148)을 통한 관통들(vias)은 도시하지 않았다.

절연 층(140b)의 노출된 면, 도 5(a)에서 리드(104)를 향한 면은, 구리 몰리브덴 트레이스 층(152)이 제공된다. 낮은 측 FET들(84a, 84b 및 84c)은 층(152)의 트레이스 및 절연 층(140b)의 노출된 면 위에 배치된다. 전도체(153)는 FET들(84a-84c) 및 층(152)의 트레이스 사이의 연결을 형성한다. 본 발명의 일부 예에서, 복수의 전도체(153)는 각각의 FET(84a-84c)의 노출된 면으로부터 연장하며, 이는 층(152)의 인접한 트레이스에 대한 FET 소스이다. 복수의 전도체(153)는 FET들(84a-84c)에 대한 통상의 기준 평면(ground plane)을 형성한다.

또한 절연 층(140b)의 노출된 면 및 층(152)의 전도성 트레이스 위에 탑재된 것은 전류 감지 FET들(336a, 336b 및 336c(하나만 나타냄)이다. 와이어(154)는 층(152)의 트레이스에 대해 전류 감지 FET들(336a-336c)의 리드를 접속한다. L-형상 브라켓(154)(하나만 나타냄)은 절연 층(140b)의 최저단에서 층(152)의 트레이스 위에 배치된다. 브라켓(154)은 신호가 드라이버/신호 핀 어셈블리 핀(113)을 통해 교환되는 전도성 성분이다.

구리 몰리브덴 층(138b 및 139b), 절연 층(140b), 트레이스 및 트레이스 층(152)은 마운팅 플레이트(119)의 최상부단(top end)까지 연장되지 않는다. 대신, 플레이트(119)의 밑면의 최상부단, 리드(104)를 향한 표면이 노출된다. 제어 모듈(40)의 어셈블리 도중, 회로 기판(64)의 최저단은 이러한 플레이트(119)의 노출된 표면 위에 놓여진다. 플레이트(119)의 이러한 끝에 두 개의 마운팅 핀(156)(하나만 나타냄)이 제공된다. 프린트된 회로 기판(64)이 플레이트(119)에 위치되는 경우, 핀(156)은 상기 회로 기판에 형성된 개구에 장착된다(개구는 확인되지 않음). 회로 기판(64) 및 핀(156) 주변에 딱 맞는 잠금 핀 리테이너(157)(하나만 나타냄)는 제 위치에서 회로 기판을 보유한다. 본 발명의 일부 예에서, 땜납이 채택되어 회로 기판(64)을 핀(156)에 고정한다. 이는 상기 리테이너를 제공할 필요성을 제거한다.

U-형상 커넥터 브라켓(160)은 각각의 드라이버/신호 핀 어셈블리 핀(113) 위에 탑재된다. 도 5에서 단면으로 나타낸 것은 핀(113)이 가압되어 딱 맞게 되거나 또는 전도성으로 고정되는 브라켓(160)의 중심 웹에 형성된 개구이다(개구는 확인되지 않음). 브라켓(160)은 반대의, 평형한, 상향으로 연장하는 레그(161)를 갖도록 형성된다. 상기 레그(161)의 첫번째 하나는 트레이스 층(142) 위로 연장하고 필터 커패시터(150) 중 하나에 가깝게 끝난다. 각각의 브라켓의 반대측 레그(161)는 트레이스 층(152) 위로 연장한다.

브라켓(160) 및 핀(113)의 두 공간이 있는 열은 각각의 브라켓(160)이 상향 열 또는 하향 열 중 어느 것에 전도성 연결 핀(113)을 형성하는데 사용될 수 있도록 한 형상이다. 따라서, 도 5에서 단면으로 나타낸 브라켓(160)은 상기 도면에서 두 핀의 상향 위에 위치되고, 180°회전될 수 있고, 이어서 그 레그(161)가 대략적으로 위치될 것이다.

각 레그(161)의 자유단(free end)은 중심 개구(162)로 형성된다(도 3(d)). 제어 모듈(40)이 어셈블될 때, 트레이스 층(142) 위에 배치된 각각의 레그 개구(162)는 인접한 브라켓(145)의 하나 위에 장착된다. 트레이스 층(152) 위에 배치된 각각의 레그 개구(162)는 인접한 브라켓(145)의 하나 위에 장착된다.

C. 전기적 특성

도 6(a)-도 6(e)는 모터(34)의 가동을 조절하는 제어 모듈(40) 내부의 회로를 도시한다. 일반적으로, 센서(66-76)에 의해 생성된 신호는 프로세서, 도 6(a)에서 디지털 신호 프로세서(DSP)(170)에 적용된다. 센서(66 및 70)에 의해 생성된 신호에 기초하여, DSP(170)는, 선택적으로 회로가 동력을 절약하는 "슬립(sleep)" 모드에서, 회로가 모터(34)에 전압을 인가하는 "활성(active)" 모드로 이행하는 것을 초래한다. 센서(68 및 72)에 의해 생성된 신호에 기초하여, DSP(170)는 모터가 가동되어야 하는 속도 및 방향 모두를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 센서(74 및 76)는 모터 로터(78)의 위치를 나타내는 기초적인 신호를 생성한다. 이러한 신호들에 기초하여, DSP(170)는 로터 위치를 나타내는 추가의 신호들을 생성한다.

DSP(170)에 의해 생성된 속도 및 방향 지시 신호 및 모터 로터 위치 신호는 모터 제어 칩(MCC)(172)에 적용된다. MCC(172)는 DSP-생성 신호에 기초하여, 선택적으로 동력 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 게이트한다. MCC(172)는 또한 모터(34)에 의해 도출된 전류를 모니터한다. MCC(172)에 의한 모터(34)의 가동은 또한 작동하는 속도 및 도출하는 전류에 기초한다.

더욱 상세하게는, 제어 모듈(40) 내부에는 또한 2개의 전압 조절기(174 및 176)가 있다. 전압 조절기 중 첫번째 조절기(174)는, 디지털 Vdd 신호 및 아날로그 Vdda 신호를 출력하고 이들은 모듈(40) 내부의 다른 요소에 제공된다. 본 발명의 일례에서, Vdd 및 Vdda 신호의 보통 레벨은 3.3볼트이다. 전압 조절기(174)는 핸드피스(30)의 슬립/활성 상태와는 무관하게 Vdd 및 Vdda 신호를 지속적으로 출력한다. 전압 조절기(176)는 모듈(40) 내부의 다른 요소에 적용되는 Vcc 신호를 출력한다. 본 발명의 일례에서 Vcc 신호는 12볼트이다. 전압 조절기(176)는 통상적으로 비활성(비활성) 상태에 있다. 전압 조절기(176)가 이러한 비활성 상태에 있는 경우, 전체 제어 회로는 슬립 모드에 있다. 트리거 스위치(46 또는 48) 중 하나가 핸드피스(30)를 가동하기 위해 눌러질 때에만, 전압 조절기(176)가 활성 상태로 이행한다. 이러한 이행이 전체 제어 회로가 슬립 모드에서 활성 모드로 이행하는 것을 초래한다.

배터리(42)의 양극 단자는 전압 조절기(174 및 176) 모두에 연결된다. 본 발명의 상세히 설명된 일례에서, 배터리 양극 단자는 앞으로 편향된 다이오드(177)에 연결된다. 다이오드(177)의 캐소드는 두 개의 평행하게 연결된 레지스터(178 및 180)에 연결된다. 레지스터(178 및 180)의 반대쪽 접합점에 존재하는 신호는 Vin 신호로서 전압 조절기(174 및 176) 모두에 적용된다. 본 발명의 일부 예에서, 단일의 레지스터는 레지스터(178 및 180)의 기능을 수행한다. 본 발명에서, 배터리(42)의 양극 단자에 존재하는 전압은 BATT+ 신호이다.

본 발명의 일례에서, Linear Technology Corporation(Milpitas, California)으로부터 이용 가능한 LT1765EFE-3.3 3 Amp 1.25MHz Step-Down Switching Regulator가 전압 조절기(174)로서 채택된다. 커패시터(182)는 그라운드 및 이러한 전압 조절기(174)의 Vin 입력 사이에 결합된다. 커패시터(184) 및 일련의 접속된 레지스터(186)는 그라운드 및 전압 조절기(174)의 Vc 핀 사이에 결합된다. 커패시터(188)은 커패시터(184) 및 레지스터(186)를 가로질러 결합된다. 그라운드에 대한 전압 조절기(174)의 핀들의 다른 그라운드 연결은 상세히 설명하지 않는다.

전압 조절기(174)로부터의 출력 전압은 Vsw 핀으로부터 얻어진다. 상기 출력 신호는 유도자(inductor)(190)에 적용된다. 전압 조절기(174)에서 멀리 있는 유도자(190)의 끝에 존재하는 전압은 Vdd 전압이다. 유도자(190)의 원단에 존재하는 전압은 앞으로 편향된 다이오드(192)를 통해 전압 조질기의 부스트 핀에 적용된다. 커패시터(194)는 다이오드(192)의 캐소드 및 전압 조질기(174)의 Vsw 핀 사이에 결합된다. 정류용 다이오드(196)는 전압 조절기(174)의 Vsw 핀 및 그라운드 사이에서 접속된 전방 바이어스이다. 유도자(198)는 유도자(190)의 원단에 연결된다. 전압 조절기(174)에 멀리 있는 유도자(198)의 끝에 존재하는 전압은 Vdda 전압이다. 커패시터(202)는 그라운드 및 유도자(190 및 198)의 접합점 사이에 연결된다. 유도자(190 및 198)의 접합점에 존재하는 전압은, Vdd 전압이며, 피드백 전압으로서 전압 조절기(174)로 되돌려 적용된다.

본 발명의 일례에서, 또한 Linear Technologies로부터 입수한 LT3436 3 Amp, 800 kHz, Step-Up Switching Regulator가 전압 조절기(176)으로서 채택된다. 커패시터(206)는 전압 조절기(176)의 Vin 핀과 그라운드 사이에 결합된다. 전압 억제 다이오드(suppression diode)(208)는 또한 그라운드 및 전압 조절기(176)의 Vin 핀 사이에 결합된다. 다이오드(208)는 전압 조절기(174 및 176) 모두의 Vin 핀에 일시적인 전압이 적용되는 것을 방지한다. 커패시터(209) 및 일련의 연결된 레지스터(210)는 그라운드 및 전압 조절기(176)의 Vcc 핀 사이에 연결된다. 커패시터(212)는 레지스터(210) 및 커패시터(208)를 가로질러 연결된다. 전압 조절기(176)의 핀에 대한 다른 그라운드 연결은 설명을 생략한다.

전압 조절기(176)의 출력 전압은 Vsw 핀에서의 신호에 기초한다. 이 신호는 커패시터(214) 및 일련의 연결된, 전방으로 편향된 다이오드(216)에 대해 적용된다. 다이오드(216)의 캐소드에 존재하는 신호는 Vcc 신호이다. 커패시터(217)는 Vcc 신호로부터의 그라운드 필터 AC 요소 및 다이오드(216)의 캐소드 사이에 연결된다. 전압 조절기(176)의 Vin 핀에 적용된 신호는 유도자(218)를 통해 전압 조절기의 Vsw 핀에 적용된다. 다이오드(216) 및 커패시터(214)의 접합점에 존재하는 신호는 유도자를 통해 그라운드와 결합된다. 다이오드(216)의 캐소드에 존재하는 신호는 일련의 연결된 레지스터(222 및 224)로 구성된 분압기를 통해 그라운드로 적용된다. 레지스터(222 및 224)의 접합점에 존재하는 전압은 전압 조절기(176)의 피드백 핀으로 되돌아가 적용된다.

대안의 전압 조절기(176)는 National Semiconductor로부터 입수 가능한LM3478MM이다. 이 전압 조절기는 그라운드에 유도자(220)를 선택적으로 결합하기 위해 별도의 외부 FET(도시되지 않음)를 필요로 한다.

어웨이크(AWAKE) 신호인 DSP(170)로부터의 디지털 신호는 전압 조절기(176)에 선택적으로 적용된다. 어웨이크 신호는 높게 어써트되며(asserted), 상기 전압 조절기 상

핀에 적용된다. 어웨이크 신호의 어써션(assertion)은 전압 조절기(176)를 가동한다. 어웨이크 신호의 니게이션(negation)은 전압 조절기(176)가 Vcc 신호를 출력하는 것을 중지하게 한다.

센서(66 및 70)는 각각 연관된 자석(56 및 58)의 근접의 함수로서 2-상태(bi-state) 디지털 신호를 각각 출력한다. 본 발명의 바람직한 일례에서, Allegro Microsystems of Worchester(Massachusetts)로부터 입수가능한 A3213LUA 홀(Hall) 효과 스위치는 센서(66 및 70)로서 기능한다. Vdd 신호가 각각의 센서(66 및 70)의 공급 핀에 적용된다. 각각의 센서(66 및 70)의 그라운드 핀은 그라운드에 결합된다. 센서(66 및 70)의 출력 핀은 통상의 DSP(170) 입력 핀에 결합된다. 본 발명의 일부 예에서, 이러한 출력 핀들은 별개의 DSP(170) 입력 핀에 결합된다.

센서(68 및 72)는 각각 연관된 자석(56 및 58)의 근접의 함수로서 아날로그 신호를 각각 출력한다. 본 발명의 일례에서, Honeywell Sensing and Control of Freeport(Illinois)로부터 입수가능한 SS495A Ratiometric Linear (Hall) 센서가 센서(68 및 72)로서 채택된다. 5 볼트 신호가 각각의 센서(68 및 72)의 Vs 공급 핀에 적용된다. 각각의 센서(68 및 72)의 V- 핀은 그라운드에 결합된다. 센서(68 및 72)로부터의 출력 신호는 DSP(170)의 개별적인 아날로그 신호 입력 핀에 적용된다. 센서(68 또는 72)로부터의 각각의 출력 신호는 별개의 레지스터(230)를 통해 DSP(170)에 적용된다. 커패시터(232)는 그라운드 및 DSP(170)에 인접한 각각의 레지스터(230)의 끝 사이에 결합된다.

제너 다이오드(233)는 또한 그라운드 및 각각의 센서(68 및 72)의 출력 핀 사이에 결합되고, 캐소드는 DSP(170)를 향한다. 제너 다이오드(233)는 센서(68 및 72)에 의해 방출된 고전압 신호로부터 DSP(170)를 보호한다. 이러한 고전압 신호는 상기 센서가 반대 극성의 자장에 노출되는 경우 생성될 수 있다.

센서(74)는 센서(68 및 72)와 동일하다. 센서(74)의 Vs 핀은 5 볼트전압 소스에 결합되고; V- 핀은 그라운드에 결합된다. 센서(74)의 출력 신호는 레지스터(234)를 통해 증폭기(236)의 반전 입력에 적용된다. 커패시터(238)는 그라운드 및 증폭기(236)의 반전 입력 사이에 결합된다. 증폭기(236)에 대한 피드백은 반전 입력 및 증폭기의 출력 사이에 결합된 레지스터(240)에 의해 제공된다. 참조 신호가 증폭기(236)의 비반전 입력에 적용된다. 본 발명의 상세히 설명된 일례에서, 상기 참조 신호는 일련의 연결된 레지스터(242 및 244)로 구성된 분압기의 중심으로부터 제공된 신호이다. 레지스터(242)의 자유단(free end)은 5 볼트 소스에 연결된다. 레지스터(244)의 자유단은 그라운드에 연결된다. 레지스터(242 및 244)는 참조 전압이 통상적으로 1.5 및 3.0 볼트 사이에 있도록 선택된다. 증폭기(236)에 의해 생성된 출력 신호는 DSP(170)의 아날로그 입력에 적용된다.

본 발명의 상세히 설명된 일례에서, 센서(76)는 센서(74)와 동일하다. 센서(76)로부터의 출력 신호는 레지스터(246)를 통해 증폭기(248)의 반전 입력에 적용된다. 커패시터(250)는 그라운드 및 증폭기(248)의 반전 입력 사이에 결합된다. 증폭기(248)의 출력 및 반전 입력 사이에서 결합된 레지스터(252)는 피드백을 공급한다. 증폭기(236)의 비반전 입력에 적용되는 참조 신호는 증폭기(248)의 비반전 입력에 공급된다. 증폭기(248)에 의해 생성된 출력 신호는 DSP(170)의 별개의 아날로그 입력에 적용된다.

본 발명의 일례에서, 증폭기(236 및 248)는 모두 Maxim Company of Sunnyvale(California)로부터 입수 가능한 MAX4247 Ultra-Small, Rail-to-Rail I/O With Disable Single/Dual-Supply, Low-Power Operation Amplifier로 형성된다. 각각의 증폭기(236 및 248)에 대해 Vdd 신호가 적용되는 곳은 도시되지 않았다. 또한, (도시되지 않았디만) 커패시터는 그라운드 및 증폭기(236)의 Vdd 핀 사이에 결합된다. National Semiconductor로부터 입수 가능한 LMV982 증폭기 또한 증폭기 (236 및 248)로서 사용될 수 있다.

증폭기(236 및 248) 각각은 활성화 신호가 선택적으로 적용되는

핀을 구비한다. DSP(170)로부터의 어웨이크 신호는

핀에 선택적으로 적용되어 증폭기(236 및 248)의 온/오프 상태를 조절한다.

본 발명의 일례에서, Freescale Semiconductor of Chandler(Arizona)의 MC56F8322 16-Bit Hybrid Controller가 DSP(170)로서 채택된다. DSP(170)는 Vdd 및 Vdda 신호에 의해 가동된다. Vdd 및 Vdda 신호를 여과하는 커패시터가 DSP(170)에 적용되는 것은 도시되지 않았다. DSP(170)는 입력으로서 센서(66-76)로부터의 전술한 5개의 신호를 수신한다. DSP(170)는 또한 배터리(42)로부터의 여과된 전압을 모니터한다. 구체적으로, BATT+ 신호가 일련의 연결된 레지스터(258 및 260)로 구성된 분압기를 통해 DSP(170)의 아날로그 입력 핀에 적용된다. 상기 BATT+ 신호는 레지스터(258)의 자유단에 적용된다. 레지스터(260)의 자유단은 그라운드에 결합된다. 커패시터(262)는 레지스터(260)를 가로질러 결합된다. 레지스터(258 및 260)의 접합점에 존재하는 전압은 DSP(170)의 아날로그 입력 핀에 적용된다. 따라서 커패시터(260)는 모니터링을 위해 DSP(170)에 적용되기 전에 아래로 분할된(divided down) BATT+ 신호를 여과한다.

모터(34)가 과량의 전류를 인출하는 경우 DSP(170)는 또한 입력으로서 MCC(172)로부터의 지시를 수신한다. 구체적으로, 모터(34)에 의해 도출된 전류가 정해진 양을 초과하는 경우 MCC(172)는 DSP(170)에 대해 최대 전류(I_LMT) 신호를 생성한다.

DSP(170)는 5개의 신호를 출력한다. 제1 신호 출력은 어웨이크 신호이다. 각각 센서와 연관된 자석(56 또는 58)이 가장 멀리 있는 위치로부터 가까이 옮겨지는 센서(66) 또는 센서(70)로부터의 신호를 DSP(170)가 수신하는 경우, 어웨이크 신호가 어써트된다. 이런 신호는 핸드피스(30)을 가동하기 위하여 연관된 트리거 스위치(46 또는 47)를 누르는 것을 나타낸다.

DSP(170)에 의해 출력된 제2 및 제3 신호는 각각 FORWARD (FWD) 및 REVERSE (REV) 신호이다. 이러한 신호는 센서(68 및 72)에 의해 생성된 출력 신호의 함수로서 출력된다. 일반적으로 트리거 스위치(46 또는 47) 중 별개의 하나의 가동은 FORWARD 또는 REVERSE 신호 중 별개의 하나의 출력을 가져온다. FORWARD 및 REVERSE 신호는 MCC(172)에 적용된다.

아래에 설명하는 바와 같이, 어떠한 트리거 스위치(46 또는 47)가 눌려져서 FORWARD 또는 REVERSE 신호의 특정의 하나가 출력되도록 하는 것 간에는 정해진 관계가 없다. 핸드피스(30)가 선택적으로 구성되는 방법에 의존하여, 트리거 스위치(46 또는 47) 중 어느 하나를 눌러서 FORWARD 신호가 출력되도록 할 수 있다. 유사하게, REVERSE 신호가 어써트되도록 하기 위하여, 핸드피스(30)의 일시적인 구성에 기초하여, 트리거 스위치(46 또는 47)를 누른다. 핸드피스 구성에 의존하여, 트리거 스위치(46 및 47) 모두를 동시에 누르는 것은 FORWARD 및 REVERSE 신호의 동시 어써션을 초래할 수 있다. 핸드피스(30)는 또한, 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나를 누름으로서 FORWARD 및 REVERSE 신호가 동시에 어써트되는 것을 초래하도록 구성될 수 있다.

DSP(170)에 의해 출력되는 제4 신호는 모터 로터(78)의 각을 이룬 위치를 나타내는 신호를 표시하는, 도면 중 HALLx 신호, 및 Hall 신호의 세트이다. HALLx 신호는 모터(34)에 탑재된 종래의 디지털 Hall 센서가 로터 위치를 표시하는 신호를 생성하는 경우 생성된 신호와 동등하다. DSP(170)는 통상적으로 센서(74)로부터 수신된 신호의 함수로서 HALLx 신호를 출력한다. 시작시에, 출력 HALLx 신호는 또한 센서(76)에 의해 출력된 신호의 함수이다. HALLx 신호는 MCC(172)에 적용된다.

DSP(170)에 의해 출력된 제 5신호는 사용자_속도(USER_SPEED) (U_S) 신호이다. 사용자_속도(USER_SPEED) 신호는 각각, 최대로 완전히 눌려진 트리거 스위치(46 또는 47)와 연관된 센서(68 또는 72)로부터 수신된 신호의 함수로서 생성된다. 본 발명의 상세히 설명된 일례에서, 사용자_속도(USER_SPEED) 신호는 아날로그 신호이다. 센서(68 또는 72)로부터의 신호에 기초하여, 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 생성하기 위한 프로세스 단계 DSP(170) 실행은 하기에 상세히 설명한다.

모터 제어 회로(172)는 특정 집적 회로의 적용이다. 일반적으로, FORWARD, REVERSE, 사용자_속도(USER_SPEED), 및 HALLx 신호의 상태에 기초하여, MCC(172)는 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 게이트하기에 충분한 신호를 생성하여, 모터(34)의 적절한 가동을 가능하게 한다. MCC(172) 내부의 모터 제어 서브-회로(sub-circuit)의 상세한 설명은 2000년 2월 15일자로 등록되었으며, 인용에 의해 본 명세서에 일체화된, 본 출원인의 미국특허 제6,025,683호인 MOTOR CONTROL CIRCUIT FOR REGULATING A DC MOTOR로부터 입수할 수 있다.

MCC(172) 내부의 많은 서브-회로의 상세한 설명이 미국특허 제6,025,683호에 의해 제공되지만, MCC(172)에 대한 하기 설명이 도 6(b) 및 도 7을 참조하여 제공된다.

MCC(172) 내부의 한 서브-회로는 방향 제어기(270)이다. 방향 제어기(270)는 DSP(170)로부터 FORWARD 및 REVERSE 신호를 수신하는 MCC(172) 서브-회로이다. FORWARD 및 REVERSE 신호의 함수로서, 방향 제어기(270)는

신호를 선택적으로 어써트한다. DSP(170)로부터의 FORWARD 및 REVERSE 신호가 동시에 어써트되는 경우, 방향 제어기(270)는

신호를 주기적으로 어써트하고, 부정한다. 이는, 이어서 하전(energization) 신호가 모터(34)에 적용되는 것을 초래하여 로터(78)가 앞뒤로 진동하게 한다.

방향 제어기(270)는 FET(272)를 포함한다. FET(272)의 드레인은 레지스터(344)에 결합되며(도 6(d)), 이는 오프-칩 전류 측정 회로의 일부이다. 하기에 설명하는 바와 같이, 전류 측정 회로는 모터(34)에 의해 도출된 전류의 함수로서 가변 신호를 생성한다. FET(272)의 소스는 그라운드에 결합된다. 통상적으로, 방향 제어기(270)는 온 상태(on state)로 FET(272)를 유지한다. 모터가 오실레이터 패턴으로 구동되는 경우, 방향 제어기(270)는 또한 주기적으로 FET(272)를 오프로 게이트한다. 하기에 설명하는 바와 같이, 이는 모터(34)에 의해 도출된 전류를 나타내는 신호의 크기(magnitude)를 변하게 한다.

타코미터(274)는 또한 MCC(172) 내부에 있다. 타코미터(274)는 입력 신호로서 DSP(170)로부터의 HALLx 신호를 수신한다. HALLx 신호에 기초하여, 타코미터(274)는 타코미터 신호(TACH)로서, 일정한 정시 펄스를 생성한다. 펄스가 생성하는 진동수는 모터(34)의 회전 속도를 표시한다.

MCC(172)는 또한 속도 제어기(276)를 포함한다. 속도 제어기(276)는 입력값으로 사용자_속도(USER_SPEED) 신호 및 TACH 신호를 수신한다. 이러한 신호에 기초하여, 속도 제어기(276)는 SPEED_CONTROL (S_C) 신호로 조절된 펄스 폭을 생성한다. 구체적으로, 사용자_속도(USER_SPEED) 신호는 레지스터(278)를 통해 DSP(170)로부터, 도 6(b)에서 보는 바와 같이, 속도 제어기(276)에 적용된다. 커패시터(280)는 지면 및 사용자_속도(USER_SPEED) 신호가 입력되는 MCC(172) 핀 사이에 결합된다.

속도 제어기(276) 내부에는, 도시하지 않았지만, 조작할 수 있는 증폭기가 존재한다. 사용자_속도(USER_SPEED) 신호는 이 증폭기의 비반전 입력에 적용된다. TACH 신호는 증폭기의 반전 입력에 적용된다. 이 신호는 오프-칩 레지스터(282)를 통해 증폭기에 적용된다. 이 증폭기의 출력 신호는 또한 피드백 신호로서 증폭기 반전 입력에 적용된다. 이 신호는 레지스터(284)를 통한 피드백이다. 커패시터(286)는 레지스터(284)를 가로질러 결합된다. DC 전압 또한 속도 제어 조작 가능한 증폭기의 반전 입력에 적용된다. 이 전압은 일련의 연결된 레지스터(288 및 290)로 구성된 분압기로부터 나온다. 레지스터(288)의 자유단은 5볼트 서플라이에 연결된다. 레지스터(290)의 자유단은 그라운드에 연결된다. 레지스터(288 및 290)의 접합점에 존재하는 전압은 레지스터(292)를 통해 속도 제어기 증폭기의 반전 입력에 적용된다. 속도 제어기(276)의 다른 요소 및 이 증폭기는 동시작용하여 SPEED_CONTROL (S_C) 신호를 생성한다. SPEED_CONTROL 신호는 펄스 폭 조절된 신호이다. SPEED_CONTROL 신호의 온 듀티 사이클(on duty cycle)은 사용자-선택 신호 및 모터(34)의 측정된 속도 사이의 차이점에 비례한다.

속도 제어기(276)는 또한 디지털 BRAKE_ENABLE (B_E)신호를 선택적으로 어써트한다. 조작 가능한 증폭기로부터의 출력 신호가 모터 로터(78)가 사용자-요구 속도보다 훨씬 더 빠른 석도로 회전하고 있음을 나타내는 경우에는 항상 BRAKE_ENABLE 신호가 어써트된다.

도 7에서, BRAKE_ENABLE 신호는 모터 구동 회로(298)에 직접적으로 적용된 것으로 도시된다. 이는 단순화를 위한 것이다. 실제로, BRAKE_ENABLE 신호는 방향 제어기(270)에 적용될 수 있다. 방향 제어기(270)는 BRAKE_ENABLE 신호를 모터 구동 회로(298)에 어써트하는 실제의 서브-회로로서의 역할을 한다. 이러한 구성은, 모터(34)가 오실레이터 모드로 구동될 경우, 방향 제어기(270)가 BRAKE_ENABLE 신호를 주기적으로 어써트하는 것을 가능하게 한다. 이는 모터(34)가 진동하는 경우 도구의 떨림을 감소시킨다.

MCC(172)의 또한 부분인, 전류 모니터(296)는 모터(34)에 의해 도출한 전류를 모니터링한다. 전류 모니터(296)는 필수적으로 콤퍼레이터이다. 전류 제한이 한 세트의 제한을 초과할 경우, 전류 모니터(296)는 전류 제한(I_LMT) 신호를 어써트한다. 이러한 I_LMT 신호는 DSP(170)에 대해 어써트된 신호이다.

또한 MCC(172)와 일체로 된 모터 구동 회로(298)는 FET들(82a-82c 및 84a-84c)를 게이트하는 기본적인 트리거 신호를 어써트한다. 모터 구동 회로(298)는 입력 신호로서, S_C 신호, F/R 신호, BRAKE_ENABLE 신호, HALLx 신호 및 I_LMT 신호를 수신한다. 이러한 신호들에 기초하여 모터 구동 회로(298)는 세 개(3)의 고 구동 H_D 신호 및 세 개(3)의 저 구동 L_D 신호를 어써트한다. H_D 신호는 어써트되어 FET들(82a~82c)을 개별적으로 게이트하고, 상기 FET들은 와인딩들(86a-86c)을 각각 BATT+ 전압에 결합한다. L_D 신호는 어써트되어 FET들(84a-84c)을 개별적으로 게이트하고, 상기 FET들은 와인딩들(86a-86c)을 각각 BATT- 그라운드에 결합한다

모터 제어 회로(172)는 또한 높은 측 드라이버(302) 및 낮은 측 드라이버(304)를 포함한다. 각각의 H_D 신호는 특정의 높은 측 드라이버(302) 중 하나에 적용되고, 이를 공동으로 단일 블록으로 나타내었다. 연관된 H_D 신호의 수신에 반응하여, 각각의 높은 측 드라이버(302)는 높은 측 제어(Hx) 신호를 연관된 FET들(82a, 82b 또는 82c) 중 하나의 게이트에 어써트한다. 각각의 Hx 높은 측 제어 신호는 별개의 전도체(308)를 통해 연관된 FET(82a, 82b 또는 82c)에 적용된다.

각각의 FET(82a, 82b 또는 82c)에 적용된 실제의 Hl, H2 또는 H3 신호는, 각각 레지스터(315)를 통해 FET의 게이트에 적용된다. 각각의 FET(82a-82c)의 드레인은 배터리(42)의 BATT+ 단자에 결합된다. 각각의 FET(82a, 82b 및 82c)의 소스는 와인딩(86a, 86b 및 86c) 중 개별적인 하나에 결합된다.

플라이백 회로로부터의 부스트 신호는 FET(82a, 82b 및 82c)의 게이트에 적용되어 상보적인 소스에 관하여 순 바이어스되는 것을 확보한다. 각각의 플라이백 회로는 Vcc 신호가 적용되는 다이오드(310)로 구성된다. 이 신호는 커패시터(312)에 적용된다. 커패시터의 반대쪽 끝은 연관된 FET(82x)가 부착되는 와인딩에 결합된다. 도 6(b), 도 6(c), 및 도 6(d)에서, Ml, M2, M3 전도체는, 각각 와인딩(86a, 86b 및 86c)까지 연장한 것으로 도시된다. 제너 다이오드(314)는 각각의 Hx 라인 및 연관된 Mx 라인 사이에 역 바이어스 연결된다.

부스트 회로, 높은 측 구동 회로(302)에 포함되고, 플라이백 회로의 일부는, 부스트된 게이트 신호의 출력을 트리거한다. 구체적으로, 각각의 와인딩(86a, 86b, 또는 86c)이 그라운드에 결합되는 경우, 전하는 연관된 커피새터(312)를 가로질러 만들어진다. 커패시터(312)는, 추가로 관찰하자면, CFLYx 연결을 통해 높은 측 회로(302)에 연결된다. 높은 측 구동 회로 내부의 부스트 회로는 커패시터로부터의 전류 흐름을 조절하기 위해서, 도시하지 않았지만, FET를 포함한다. Mx 라인상의 신호는 부스트 회로에 대한 참조 신호로서의 역할을 한다. 와인딩이 BATT+ 단자에 결합되는 것일 경우, 커패시터(312)를 가로지른 전하는 CFLYx 연결을 통해 적용되고, 부스트 회로 FET를 작동시킨다. 이어서 이러한 부스트된 신호는 Hx 라인을 넘어 적절한 FET(82a, 82b 또는 82c)의 게이트로 출력된다. 다이오드(314)는 소스 전압에 대한 게이트가 특정 레벨을 초과하는 경우 연관된 FET(82a, 82b 또는 82c)가 타는 것을 방지한다. 본 발명의 한 버젼에서, 이는 15 볼트이다. 이는 로터가 움직이지 않게 함으로서 있을 수 있는 FET 연소를 방지한다. 이런 상황에서, 와인딩 상에는 어떠한 백 EMF 신호도 존재하지 않을 것이다. 이런 상황에서, FET(82x)의 소스에 존재하는 전압은 0 근처로 떨어질 수 있다.

각각의 L_D 신호는 낮은 측 드라이버(304) 중 특정의 하나에 적용되고, 이를 공동으로 단일 블록으로 나타내었다. L_D 신호가 낮은 측 드라이버(304)에 적용되는 경우, 드라이버(304)는 낮은 측 제어 신호(Lx)를 연관된 FET(84a, 84b 또는 84c)의 게이트에 어써트한다. 각각의 낮은 측 드라이버(304)는, 도시되지는 않았지만, 한 쌍의 일련의 연결된 오프-칩 FET를 포함한다. FET들 중 하나의 제 1의 드레인은 Vdd 전압 소스에 결합된다. 제2 FET의 소스는 오프 칩 켈빈(Kelvin) 그라운드(318)에 결합된다(전도체는 KGND로 나타냄). 각각의 Hx 높은 측 제어 신호는 별개의 전도체(308)를 통해 연관된 FET(82a, 82b 또는 82c)에 적용된다. 제2 FET의 드레인에 대한 제1 FET의 소스의 접합점에 존재하는 신호는 Lx 낮은 측 제어 신호이다. 와인딩(86a-86c)을 그라운드에 결합하는 FET들(84a-84c)의 소스는 또한 전도체(320)에 의해 켈빈 그라운드에 연결된다.

각각의 낮은 측 드라이버(304)에 의해 어써트된 Lx 신호는 레지스터(321)를 통해 FET들(84a, 84b 또는 84c) 중 개별적인 하나의 게이트에 적용된다. 각각의 FET(84a, 84b 및 84c)의 드레인은 각각 개별적인 와인딩(86a, 86b 및 86c)에 결합된다. FET들(84a-84c)의 소스는 BATT- 핀, 배터리(42)의 음극 단자가 접속되는 단자에 결합된다.

또한 MCC(172) 내부에는 밴드갭 회로(322)가 존재한다. 밴드갭 회로(322)는 MCC(172) 내부의 요소에 대한 온도에 무관한 일정한 전압 소스 및 일정한 전류 소스로서의 기능을 한다.

도시되지 않았지만, MCC는 5볼트의 조절된 전압 소스를 갖는다는 것이 이해되어야 한다. 이 전압 소스는, 연결이 도시되지는 않았지만, 센서(68, 72, 74 및 76)를 포함하는 제어 모듈(40) 내부의 다른 요소에 대한 5볼트 동력 공급으로서의 기능을 한다. 이러한 전압 조절기로부터의 출력 신호는 도 6(b)에서와 같이, 일련의 연결된 레지스터(324, 326 및 328)를 통해 그라운드에 적용된다. 레지스터(324 및 326)의 접합점에 존재하는 전압은 BRAKE_ENABLE 신호의 어써션이 기초로 하고 있는 브레이크 참조(BRK_REF) 신호로서 속도 제어기(276)에 적용된다. 레지스터(326 및 328)의 접합점에 존재하는 전압은 I_LMT 신호의 어써션이 기초로 하고 있는 참조(I_REF) 신호로서 전류 모니터(296)에 적용된다.

커패시터(329)는 병렬 교차 레지스터(324, 326 및 328) 및 그라운드에 있다. 레지스터(324) 및 커패시터(329)의 접합점에 존재하는 전압은 여과된, 전압 조절된 5 볼트 참조 신호이다.

상기 회로의 더욱 상세한 설명은 전술한, 인용에 의해 일체화된 미국특허 제6,025,683호에 있다. 이 문헌에 상세히 설명된 회로에는, 밴드갭 조절기가 또한 5 볼트 조절된 동력 공급으로서의 기능을 한다.

MCC(172)는 전압 조절기(176)에 의해 생성된 Vcc 신호에 의해 동력이 제공된다. Vcc 신호는 MCC(172)상 DRVcc 핀 및 개별적인 Vcc에 적용된다. 커패시터(330)는 그라운드 및 Vcc 핀 사이에 결합된다. MCC(172) 상의 상보적인 아날로그 그라운드 핀은 커패시터(330)의 그라운드에 결합된다. 커패시터(332)는 그라운드 및 DRVcc 핀 사이에 결합된다. MCC(172) 상의 상보적인 디지털 그라운드 핀은 커패시터(332)의 그라운드에 결합된다. Vcc 신호는 또한 레지스터(333)를 통해 MCC(172) 상의 Vmm 핀에 적용된다.

전술한 바와 같이, 제어 모듈(40)은 또한 모터(34)에 의해 도출된 전류를 모니터링하기 위한 회로를 포함한다. 이 회로는 세 개의 FET들(336a, 336b 및 336c)를 포함한다. 각 FET(336a, 336b 및 336c)의 드레인은 모터 와인딩(86a, 86b 및 86c) 중 개별적인 하나에 각각 결합된다. 각 FET(84a, 84b 또는 84c)의 게이트에 각각 적용된 Ll, L2 또는 L3 낮은 측 제어 신호는, 각각 상보적인 FET(336a, 336b 또는 336c)의 게이트에 적용된다. 따라서, FET(84a, 84b 또는 84c)가 켜지는 각 시간에, 상보적인 FET(336a, 336b 또는 336c)는 각각 마찬가지로 켜진다.

FET들(336a-336c)의 소스는 통상의 레지스터(338)에 연결된다. 레지스터(338)의 자유단은 레지스터(340)를 통해 그라운드에 연결된다. 레지스터(338 및 340)의 접합점에 존재하는 전압은 모터(34)에 의해 도출된 전류를 표시하는 MTR_I 신호로서 MCC 전류 모니터(296)에 적용된다. 레지스터(340)를 가로질러 연결된 커패시터(342)는 이 신호를 여과한다.

레지스터(344)는 또한 레지스터(338 및 340)의 접합점의 한쪽 끝에 연결된다. 레지스터(344)의 두 번째 끝은 FET(272)의 드레인에 연결된다. 통상적으로, FET(272)가 게이트 온 되는 경우, 레지스터(338)를 가로지른 신호는 레지스터(340 및 344)의 병렬 경로를 통해 그라운드로 흐른다. 따라서, 통상적으로, MTR_I 신호는 상대적으로 낮은 볼트/전류 비를 기초로 한다.

모터(34)가 오실레이터 모드로 구동되는 경우, 방향 제어기(270)는

가 움직인 후 최초의 시간 동안 FET(272)를 게이트 오프한다. 이는 전류 측정 회로로부터 레지스터(344)를 효율적으로 끊는다. MTR_I 신호는 이어서 상대적으로 높은 볼트/전류 비를 기초로 한다. 이는, 이어서, 다르게 어써트되는 것보다 전류 모니터(296)가 I_LMT 신호를 더욱 신속히 어써트하도록 한다. 이어서, I_LMT 신호의 신속한 어써션은 모터(34)에 대한 하전 신호의 덜 빈번한 적용을 초래한다. 이는 최초 모터 가속을 감소시킨다. 모터 가속의 감소는 이어서, 핸드피스(30)가 최초로 생성하는 카운터 토크를 감소시킨다. 이 "카운터 토크(counter torque)"는 핸드피스가 제1 방향으로의 모터 회전의 결과로서 생성하는 토크와 반대되는 토크이다. 카운터 토크의 최소화는 모터가 제1 방향으로부터 제2 방향으로 회전을 이동함에 따라 사용자의 손에서 생성되는 핸드피스의 반동(kick)을 감소시킨다.

D. 도구 작동

본 발명의 수술 도구(30)의 작동은 도 8(a) - 도 8(d)의 순서도를 참조하여 설명한다. 핸드피스(30)의 가동 전에, 단계 360에서 DSP(170)에는 각 트리거 스위치(46 및 47)가 생성할 통상의 신호를 확인하는 명령이 제공된다. 예를 들어, 외과의의 선호에 기초하여, 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나가, 눌러져서 핸드피스 모터가 정방향으로 구동하도록 하는 스위치가 되도록 세트된다. 나머지 트리거 스위치(46 또는 47)는 눌려져서 반대 방향으로 구동하도록 하는 스위치가 되도록 세트된다.

택일적인 트리거 스위치의 세팅이 가능하다. 예를 들어, 한 트리거 스위치(46 또는 47)는 그것을 눌러서 모터가 정방향으로 구동하도록 세트되고; 제2 트리거 스위치(46 또는 47)는 그것을 눌러서 모터가 오실레이터 패턴으로 구동하도록 세트될 수 있다. 또다른 구성에서, 핸드피스(30)는 트리거 스위치(46 또는 47) 중 어느 것을 눌러서 모터가 정방향으로 구동하도록 세트될 수 있다. 하기에 설명한 바와 같이, 핸드피스는 스위치(46)를 완전히 눌러서 모터(34)가 제1 속도로 구동하도록 하고; 스위치(47)를 완전히 눌러서 모터(34)가 제2 속도로 구동하도록 세트될 수 있다. 다른 대안의 구성에서, 핸드피스(30)는 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나를 눌러서 모터가 정방향 또는 역방향으로 구동하도록 세트될 수 있다. 이러한 구성에서, 제2 트리거(46 또는 47) 스위치는 비활성 상태로 세트되고; 이 스위치를 누르는 것이 핸드피스 모터(34)의 어떠한 가동도 가져오지 않게 한다.

따라서 단계 360은 특정의 트리거 스위치(46 또는 47)가 눌려지는 것을 검출할 때 DSP가 생성하는, 둘 사이의 진동, 또는 FORWARD, REVERSE 중 어떠한 신호를 나타내는, DSP(170) 명령으로의 로딩이다.

핸드피스(30)의 작동 전에, 단계 362에서, DSP(170)에는 또한 특정의 트리거 스위치(46 또는 47)가 눌려지는 정도의 함수로서 생성되는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호의 범위를 나타내는 명령이 로드된다. 이러한 범위는 외과의의 선호, 핸드피스에 부착된 커팅 부대물의 타입, 및 수행되는 수술 절차의 타입과 같은 변수의 함수이다. 예를 들어, 한 외과의의 선호에 기초하여, 트리거 스위치는 트리거 스위치(46)를 눌러서 모터가 역방향으로 구동하도록 하고, 상기 스위치를 완전히 눌렀을 경우 모터가 최대 25,000 RPM으로 구동하게 하도록 세트될 수 있다. 동일한 외과의는 DSP(170)를 세트하여, 트리거 스위치(47)를 완전히 눌러서 모터(34)가 역방향으로 구동하도록 하고, 그렇게 가동되었을 때 모터가 구동하는 최대 속도는 15,000 RPM이 되도록 할 수 있다.

제2 외과의는 DSP(170)를 세트하여 트리거 스위치(46 또는 47) 중 어느 것을 눌러서 모터가 정방향으로 구동하게 할 수 있다. 더 구체적으로 이 외과의는 핸드피스(30)를 세트하여 트리거 스위치(46)를 완전히 눌렀을 경우, 모터가 최대 30,000 RPM으로 구동하게 할 수 있고, 트리거 스위치(47)를 완전히 눌렀을 경우, 모터가 최대 7,500 RPM으로 구동하게 할 수 있다.

또한, 단계 362의 일부로서, 또한 모터(34)가 구동되는 최저 속도가 가동될 수 있다. 따라서, 외과의는 핸드피스를 세트하여, 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나가 가동되었을 때, 모터가 정방향으로 5,000 내지 25,000 RPM의 속도로 가동되도록 할 수 있다. 제2 트리거 스위치(47 또는 46)를 누를 경우, 모터(34)는 정방향으로 10,000 내지 13,000 RPM의 속도로 구동될 수 있다.

단계 360 및 362는, 특별한 외과의가 DSP(170)에 미리 저장된 디폴트 세팅에 의해 정의된 모드와 상이한 모드에서 핸드피스를 가동하기를 원하는 경우에만 수행된다는 것이 인식되어야 한다. 전형적으로, 이러한 디폴트 세팅은 제조 프로세스 중 DSP(170) 내로 로드된다.

핸드피스의 실제 사용에 앞서, DSP(170)는 제어 모듈(40) 내부의 요소를 슬립 모드로 유지한다. 어웨이크 신호는 어써트되지 않는다. 따라서, 전압 조절기(176)는 Vcc 신호를 출력하지 않는다. Vcc 신호가 출력되지 않기 때문에, MCC (172)는 비활성 상태로 있다. MCC(172)가 비활성되어 있기 때문에, MCC 전압 조절기는 다른 방법으로 적용되는 상기 요소에 대해 5 볼트 신호를 출력하지 않는다. 따라서, 센서(68, 72, 74 및 76)는 비활성이다. 또한 DSP(170) 내부의 아날로그 대 디지털 변환기도 비활성이다(변환기는 도시되지 않음).

수술 도구(30)가 슬립 모드인 경우라도, 전압 조절기(174)는 Vdd 및 Vdda 신호를 출력한다. 따라서 센서(66 및 70) 및 DSP(170)는 전술한 도구 요소가 슬립 모드에 있는 경우라도 활성이다.

단계 364에서, 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나를 누르는 것은, 핸드피스(30)의 가동을 가져온다. 도시의 목적으로, 설명은 트리거 스위치가 누르는 스위치인 것부터 시작한다. 처음에, 실제로 자석(58)인, 트리거 스위치(47)의 이동은 단계 366에서, 센서(66)에 의해 검출된다. 그 결과, 단계 366에서, 센서(66)에 의해 생성된 출력 신호는 상태 변화를 겪는다. DSP(170)는 센서(66)로부터의 출력 신호의 상태에서의 변화를 검출하고, 단계 368에서 어웨이크 신호를 어써트한다.

단계 370에서, 어웨이크 신호(368)가 어써션되면, 핸드피스(30)의 나머지는 능동 모드(active mode)를 입력한다. 구체적으로, 어웨이크 신호의 어써션은 전압 조절기(176)가 Vcc 신호의 출력을 개시하도록 한다. Vcc 신호의 수신은 MCC(172)를 하전한다. 이러한 하전의 결과로, MCC 전압 조절기는 센서(68, 72, 74 및 76)를 포함하는 모듈(40)의 다른 요소에 5 볼트 신호를 출력한다. 슬립에서 활성으로(sleep-to-active) 이행의 다른 보조 프로세스는 DSP(170) 내부의 아날로그 대 디지털 변환기 블록의 활성화이다.

단계 370의 일부로서, 어웨이크 신호는 또한 증폭기(236 및 246)의

핀에 적용된다. 그에 따라 증폭기(236 및 246)는 각각 센서(74 및 76)에 의해 생성된 출력 신호의 증폭된 일례를 생성하는 것이 가능하다. 실제로 제어 모듈(40) 내부의 요소는 슬립 모드에서 활성 모드로 이행하기 위해 대략 200 msec 이하가 소요된다. 본 발명의 더욱 바람직한 버젼에서, 상기 이행을 겪는 것은 100 msec 이하가 소요된다. 이것은 사용자가 도구를 개시함에 있어서의 지연을 감지할 수 있는 정도를 최소화한다.

일단 제어 모듈 요소가 활성 모드에 있으면, 단계 372에서 센서(72)는 자석(58)의 검출된 이동에 기초한 가변적인 출력 신호를 어써트한다. 센서(72)로부터의 신호의 수신에 기초하여, DSP(170)는 단계 374 및 376에서 동시에 인게이지한다. 단계 374에서, 단계 360에서 로드된 명령 데이터에 기초하여, DSP(170)는 적절한 상태의 FORWARD 또는 REVERSE 신호, 또는 이들 신호의 조합을 어써트한다. 만일 핸드피스(30)가, 트리거 스위치(47)가 전방 제어 스위치가 되도록 세트된 경우에, 단계 374에서, DSP는 FORWARD 신호를 어써트한다. 만일 트리거 스위치(47)가 역 제어 스위치가 되도록 세트된 경우에, DSP는 REVERSE 신호를 어써트한다. 택일적으로, 만일 트리거 스위치(47)가 진동 제어 스위치로 세트된 경우에, DSP(170)는 FORWARD 및 REVERSES 신호 모두를 동시에 어써트한다.

단계 376에서, DSP(170)는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 생성한다. 이 신호는 그 이동 경로를 따라서 자석(58)이 변위된 정도를 나타내는 센서(72)로부터의 신호 및 단계 362에서 수신된 명령을 기초로 한다. 트리거 스위치(47)가 가동되는 정도로 사용자_속도(USER_SPEED)가 선형으로 변하도록 DSP(170)가 프로그래밍된 경우, 신호는 하기 식에 따라 결정된다.

사용자_속도(USER_SPEED) = SPD_MIN + SS (SPD_MAX - SPD_MIN) (1)

여기서 SPD_MIN 및 SPD_MAX는 각각 트리거 스위치(47)를 눌렀을 때 모터(34)가 가동되는 최소 및 최대 속도이다. 이는 단계 362에서 제공되는 계수이다. 변수 SS 는 센서(72)로부터의 센서 신호로서, 0.00 내지 1.00으로 표준화되며, 트리거 스위치(47)가 연장된 위치로부터 다시 리트랙트된(retracted) 위치로 변위된 정도를 나타낸다.

후술하는 바와 같이, 트리거 스위치(47)의 변위에 기초한 선형 관계 이외로 사용자_속도(USER_SPEED)가 변하도록 DSP(170)가 프로그래밍될 수 있다.

단계 374 및 376과 동시에 근처에서 일어나는 단계 378에서, DSP(170)는 또한 모터 로터(78)의 위치를 표시하는 HALLx 신호를 생성한다. 시작시, 로터 속도는 0 RPM이며, 이 데이터는 센서(74) 및 센서(76) 모두로부터의 신호에 기초한다. 이러한 측정의 근거는 도 9의 그래프에서의 플롯을 참조하여 이제 설명한다. 이 그래프는 로터가 2 폴 로터인 경우 센서(74 및 76)로부터 생성된 신호를 도시한다. 이는 단순화를 위한 것이다. 따라서, 센서(74)로부터의 출력 신호, 플롯(382)은 로터의 360° 회전에 대한 단일의 사인 파이다.

MCC(172)가 모터의 시동시 적절한 순서로 Hx 및 Lx 제어 신호를 생성하도록 하기 위해서, DSP(170)로부터 제공된 HALLx는 로터(78)가 섹스턴트, 60° 아크 내에 위치하는 것을 나타내야 한다. 만일 센서(74)로부터의 신호가 0.866 내지 1.00 사이에 있는 경우 로터는 60 내지 120°의 아치형의 범위 내에 있음이 명확하다. 유사하게, 만일 센서(74)로부터의 신호가 -0.866 내지 -1.0 사이에 있는 경우 로터는 240 내지 300°의 아치형의 범위 내에 있음이 명확하다.

그러나, 이러한 범위 밖에서는, 시작시 센서(74)로부터의 단일 신호가 로터 위치를 정확하게 나타내지 않는다. 그 이유는 이러한 두 범위 밖에서는, 단일 신호가 사인파 커브 상에서 로터가 어디에 위치하는지를 나타내지 않기 때문이다. 예를 들어, 센서(74)로부터 생성된 신호가 0.5인 경우, 로터가 30°위치에 있는지 또는 150°위치에 있는지가 명확하지 않다. 플롯(382)에서, 이러한 2개의 위치는 각각 포인트 384 및 386으로 표시된다. 유사하게, 센서(74)로부터의 신호가 -0.71인 경우 로터가 225°위치에 있는지 315°위치에 있는지가 명확하지 않다. 플롯(382)에서, 이러한 2개의 위치는 각각 포인트 388 및 390으로 표시된다.

따라서, 시작시, 단계 378에서, DSP(170)는 로터 위치의 정확한 측정을 생성하기 위해서 센서(74 및 76) 모두로부터의 신호를 채택한다. 본 발명의 상세히 설명된 일례에서, 센서(76)는 아날로그 신호를 출력하기 때문에. 이러한 센서는 제어 모듈(40)에 위치되어 센서(74)에 의해 생성된 신호 뒤의 상으로부터 최대 60°인 신호를 출력한다. 도 9에서, 센서에 의해 출력된 표준화된 신호는 플롯 391로 나타내었다.

단계 378에서, 이러한 신호 단독으로 로터 위치를 측정하는데 사용될 수 있는 범위 밖의 센서(74)로부터의 신호인 경우, 2개의 평가 중 하나만 수행될 수 있다. 만일 센서(74)로부터의 표준화된 출력 신호가 로터(78)가 0 내지 60°섹스턴트 또는 120 내지 180°섹스턴트에 있는 것을 나타내는 경우, 테스트는 :

센서(74) 신호 > 센서(76) 신호인지의 여부를 측정하기 위해 행해진다. 만일 이러한 측정 테스트가 맞는 경우, 센서 신호는 공동으로 로터가 0 내지 60°사이의 각 위치(angular position)에 있는 것을 나타낸다. 만일 이러한 측정 테스트가 맞지 않을 경우, 신호는 공동으로 로터가 120 내지 180°사이의 위치에 있는 것을 나타낸다. 만일 센서(74)로부터의 표준화된 출력 신호가 로터(78)가 180 내지 240°섹스턴트 또는 300 내지 360°에 있는 것을 나타내는 경우, 테스트는 :

센서(74) 신호 < 센서(76) 신호인지의 여부를 측정하기 위해 행해진다. 만일 이러한 측정 테스트가 맞는 경우, 센서 신호는 로터가 180 내지 240°사이의 각 위치에 있는 것을 나타낸다. 만일 이러한 측정 테스트가 맞지 않을 경우, 로터는 300 내지 360°사이의 위치에 있는 것을 나타낸다.

따라서, 시작시, 센서(74 및 76)에 의해 생성된 신호의 비교 및 센서(740)로부터의 신호에 기초하여, DSP(170)는 모터 로터 위치를 표시하는 HALLx 신호를 생성한다.

그 결과, 시작 후 즉시, DSP(170)는 MCC(172)에 하기 신호를 표시한다 : FORWARD 및/또는 REVERSE 신호; 사용자_속도(USER_SPEED) 신호; 및 HALLx 신호. 이러한 신호들에 기초하여, MCC(172)는 HIGH_ 및 LOW_SIDE_CONTROL 신호를 어써트한다. 적절한 사용자-선택 속도 및 적절한 사용자-선택 방향으로 로터(78)가 회전되도록 하는데 필요한 적절한 패턴으로 하전 전류가 와인딩에 적용되는 것을 초래하기 위해 필요한 순서로 이러한 신호들이 어써트된다.

상기 신호들에 기초하여, 단계 393에서, MCC는 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 적절하게 게이트하여, 로터(78)가 적절한 방향으로 회전할 수 있도록 하전 신호가 와인딩(86a-86c)에 적용되도록 한다.

하전 신호가 와인딩에 적용됨에 따라서, 로터(78)가 회전한다. 일단 로터(78)의 최초 위치가 측정되면, 로터(78)의 나중의 위치는 오로지 센서(74)에 의해 생성된 신호에 기초하여 측정된다. DSP(170)는 이러한 신호를 HALLx 신호의 후속 세트로 변환한다. HALLx 신호의 상태에 기초하여, MCC(172)는 사용자 요구 속도에서 사용자 요구 방향으로 로터가 회전하도록 하는데 요구되는 HIGH_ 및 LOW_SIDE_CONTROL 신호를 계속해서 어써트한다.

HALLx 신호를 후속적으로 측정하는 수단은 도 10의 파형(402) 및 도 11(a) - 도 11(d)의 순서도를 참조하여 상세히 설명한다. 파형(402)은 로터(78)의 완전한 360° 회전에 의한 센서(74)로부터의 출력 신호를 나타낸다. 로터(78)는 6 폴 로터이기 때문에, 완전한 회전의 과정이 지나서, 센서(74)는 3개의 사인파를 생성한다. 도 10에서, 3개의 피크 값은 포인트(406a, 406b 및 406c)에서의 값들이다. 3개의 밸리 값(valley value)은 포인트(408a, 408b 및 408c)에서의 값들이다. 도 10에서, 개별적인 사인파들은 동일한 피크 및 밸리 신호 레벨을 갖는 것으로 보여진다. 실제로, 심지어 매우 춥거나 또는 매우 뜨거운 곳에서 시작할 때, 이러한 신호 레벨에는 다소 차이가 있음이 이해되어야 한다. 이러한 차이점은 그러나 통상적으로 5% 미만이다.

제조 교정 중, 도 12로 나타낸, DSP(170)와 일체로 된 비-휘발성 메모리(404)에 센서(74)로부터의 출력 신호의 피크 값 및 밸리 포인트 값을 나타내는 데이터가 로드된다. 단일의 시작 피크 값은 장(410)에 저장된다. 단일의 시작 밸리 값은 장(412)에 저장된다. 본 발명의 일부 예에서, 단일의 시작 피크 값은 포인트(406a, 406b 또는 406c)에서 3개의 피크 값 중 최대이다. 단일의 시작 밸리 값은 3개의 밸리 값(408a, 408b 또는 408d) 중 최소이다. 본 발명의 대안의 일례에서, 저장된 시작 피크 값은 세 개의 피크 값(406a, 406b 또는 406c)의 평균 또는 정중(median)이다. 본 발명의 이러일례에서, 장(412)의 저장된 밸리 값은 세 개의 밸리 값(408a, 408b 또는 408c)의 평균 또는 정중이다.

한 피크로부터 다음 밸리로의(또는 한 밸리로부터 다음 피크로의) 이행을 나타내는 출력 신호를 생성하는 센서(74) 전에 DSP(170)는 신호 프로세싱을 수행하여, HALLx 신호의 상태가 언제 변화될 것인지를 측정한다. 구체적으로, 단계 416에서, 피크(406a)로부터 밸리(408a)로의 신호에 대해서, DSP(170)는 피크 및 밸리 사이의 차이 값, Δ을 측정한다. 이 값은 하기 식에 의해 측정된다 :

Δ = SIGNAL VALUE^PEAK - SIGNAL VALUE^VALLEY (2)

단계 418에서, 피크(406a) 및 밸리(408a) 간의 중간값, MP는 하기 식에 따라 측정된다 :

MP = Δ/2 + OFFSET (3)

여기서, 오프셋은 밸리(406a)에서 센서 신호, SIGNAL VALUE^VALLEY 신호의 레벨이다. 도 10에서, 이 중간값 참조 신호 레벨은 포인트(420a)에 의해 나타난다. 적어도, 시작 후 즉시, SIGNAL VALUE^PEAK 및 SIGNAL VALUE^VALLEY 값은 메모리(404)로부터 검색된 신호 레벨임이 이해되어야 한다.

단계 422 및 424에서 DSP(170)는 각각 센서(74)로부터의 신호에 대한 상향 및 하향 이행을 측정한다. 단계 422에서, 상향 이행은 하기 식에 따라 측정된다 :

UPPER TRANS = MP + 0.433 Δ (4)

단계 424에서, 하향 이행은 하기 식에 따라 측정된다 :

LOWER TRANS = MP - 0.433 Δ (5)

식 (4) 및 식 (5)에서, 상수 0.433은 본 발명의 이러한 일례에서, HALLx 신호 전이가 파형(402)의 각각 60°상 변화에서 발생할 것이라는 사실에 기초로 한다. 제1 상 변화/HALLx 신호 전이는 359°에서 0°위치까지의 파형 변화로서 발생한다. 그러므로, 다음의 HALLx 신호 전이-유도 상은 센서(74) 신호가 60°위치보다 높이 전이하는 경우 발생하고 ; 60°의 사인은 0.866이다. 유사하게, 센서(74)가 179°위치로부터 180°위치까지 전이하는 경우, HALLx 신호 전이-유도 상 변화가 있다. 따라서, 다음의 HALLx 신호 전이-유도 상 변화는 센서(74) 신호가 240°아래로 떨어지는 경우 발생한다. 240°의 사인은 -0.866이다.

센서(74)에 의해 생성된 신호는 모두 0.0 볼트보다 높은 값을 출력하므로, MP > 0.0이다. 따라서, 신호가 359°에서 0°로 및 179°에서 180°로 전이하는 경우 중간값은 센서(74) 신호 레벨을 표시한다. 식 (3) 및 식 (4)의 이행 신호 값은 중간값으로부터의 오프셋이다.

도 10에서 묘사한, 파형(402) 상의 포인트(426a)는 센서(74)로부터의 신호가 피크 값(406a)에서 밸리 값(408a)으로 떨어짐에 따른 상향 이행 참조 신호레벨을 나타낸다. 포인트(428a)는 신호가 이러한 이행을 겪음에 따라 더 낮은 이행 참조 신호 레벨을 나타낸다.

따라서 상기 이행 참조 신호 레벨은 피크값(406a)보다 높은 레벨에서 밸리 값(408a)까지 이행함에 따라 센서(74)로부터의 출력 신호의 레벨을 측정하는데 사용된다. 이러한 신호 레벨은 로터가 회전함에 따라 로터(78)의 각 위치를 나타낸다. 이러한 신호 레벨의 측정은 DSP(170)를 사용하여, HALLx 신호의 상태가 언제 변하게 될 것인지를 측정한다.

도 11(a)-11(d)의 나머지 단계들에서, 단계 378에서 시작, 0 RPM, 모터 로터(78)의 위치가 피크 값(406a, 406b 또는 406c) 중 어느 하나에 의해 표시되는 30°의 피크 위치 내에 있는 것으로 측정되는 것으로 가정한다. 시작시, 메모리(404)에 저장된 피크 및 밸리 값은 동일하다. 따라서, 중간 및 상향 및 하향 이행 신호가 측정되는 데이터는 로터(78)의 단일 360° 회전에 대한 센서(74) 신호의 각각의 세 사이클에 대한 것이다. 따라서, 시작 후 즉시 로터 위치를 측정하기 위해 사용되는 나머지 단계들을 위해서, 세 개의 360°출력 신호 사이클 센서(74) 중 어느 것이 현재 사이클링하고 있는지를 나타내는 데이터에 DSP(170)가 제공될 필요가 없다. 따라서, 예시의 목적으로, 센서(74)로부터의 출력 신호가 피크 레벨(406a)의 위치 근처에 있는 것을 나타내는 것으로 임의로 가정된다.

센서(74)로부터의 출력 신호의 사이클링 중, DSP(170)는 출력 신호를 모니터하여 피크(406a)의 센서로부터의 실제 피크 값 신호 레벨을 캡쳐한다. DSP(170)와 연관하여, 도 13에서, 이 값은 RAM 메모리(432)에 저장된다. 실제로, 캡쳐된 피크 값은 포인트(406a)에 대한 피크 값의 테이블(434a)에 저장된다. 이러한 두 프로세스들은, 공동으로, 단계 436에 의해 표시된다. 이 신호 레벨의 보관의 목적은 하기에서 설명한다. 시작시, 단계 436을 실행하는 것이 불가능할 수 있음이 또한 고려되어야 한다.

이어서, 단계 438에서, DSP(170)는 테스트를 계속하여 센서(74) 출력 신호가 상향 이행 참조 신호 레벨, 포인트(426a)의 레벨 아래에 해당하는지 여부를 측정한다. 일단 출력 신호가 이러한 레벨 아래에 해당하면, 단계440에서, DSP는 HALLx 신호를 리셋하여 로터(78)의 새로운 위치를 반영한다. 이어서, 단계 442에서, DSP(170)는 센서(74) 출력 신호를 계속적으로 테스트하여 중간점 참조 신호 레벨, 포인트(420a)의 레벨 아래에 해당하는지 여부를 측정한다. 일단 이런 경우가 발생하면, 단계 444에서, HALLx 신호는 다시 리셋된다.

단계 446에서, DSP(170)는 센서(74) 출력 신호를 테스트하여 신호 레벨이 하향 이행 참조 신호 레벨, 포인트(428a)의 레벨 아래에 해당하는지 여부를 측정한다. 일단 이런 경우가 발생하면, 단계 448에서, DSP(170)는 HALLx 신호를 다시 리셋한다.

단계 448 후, DSP(170)는 단계 416, 418, 422 및 424를 재실행한다. 도 10에서, 단계 416, 418, 422 및 424의 재실행은 단계 450으로 나타낸다. 단계 416, 418, 422 및 424의 이러한 실행에서, 센서(74)로부터의 신호 출력이 밸리 값(408a)에서 피크 값(406b)으로 이행함에 따라 언제 HALLx 신호의 상태가 리셋되는지를 측정하기 위해서, DSP(170)가 중간 및 상향 및 하향 이행 참조 신호 레벨을 측정한다. 도 10에서, 신규의 하향 이행 참조 신호 레벨은 포인트(428b)에 의해 표시되고, 신규의 중간 참조 신호 레벨은 포인트(420b)에 의해 표시되고, 신규의 상향 이행 참조 신호 레벨은 포인트(426c)에 의해 표시된다. 또한, 적어도 처음에 이러한 신호 중간 및 상향 및 하향 이행 레벨이 메모리(404)에 저장된 피크 값 신호 레벨에 기초하여 계산되는 것이 이해되어야 한다.

또한, 단계 452에서, DSP(170)는 센서(74) 출력 신호를 모티터하여, 밸리(408a)의 실제 신호 레벨을 측정한다. 이 값은 RAM(432)의 테이블(454a)에 저장된다.

이어서, 센서(74)로부터의 출력 신호가 밸리(408a)에서 피크(406b)로 상승함에 따라, 상기 신호는 신규의 중간 및 이행 참조 신호 레벨에 대해 테스트된다. 구체적으로 단계 458이 실행되어, 언제 센서(74) 출력 신호가 하향 이행 참조 신호 레벨, 포인트(428b) 위로 상승하는지를 측정한다. 일단 이런 경우가 발생하면, 단계 460에서, HALLx 신호는 대략적으로 리셋된다. 이어서, 단계 462가 실행되어, 언제 센서(74) 출력 신호가 중간 참조 신호 레벨, 포인트(420b) 위로 상승하는지를 테스트한다. 이런 경우가 발생한 후, 단계 464에서, DSP(170)는 HALLx 신호를 적절하게 리셋한다.

단계 466에서, 이어서 DSP(170)가 테스트하여 언제 센서(74) 출력 신호가 상향 이행 참조 신호 레벨, 포인트(426b)의 레벨 위로 상승하는지를 측정한다. 일단 이런 경우가 발생하면, 단계 468에서, DSP(170)는 HALLx 신호를 다시 리셋한다.

로터(78)가 완전한 360°회전을 완료함에 따라 전술한 프로세스들이 재실행된다. 따라서, 단계 416, 418, 422, 424 및 438-448 각 시간에 센서(74) 출력 신호는 밸리 값(406x)으로부터 다음 피크 값(408x)까지 이행한다. 각 시간에 센서(74) 출력 신호는 밸리 값(408x)으로부터 다음 피크 값(406x)까지 이행하고, 단계 450 및 458- 468이 실행된다.

상기로부터, 매번 센서(74)로부터의 출력 신호가 단일의 사인파 사이클을 통해 인접한 밸리를 통해 한 피크로부터 다음 피크까지 이행하면, HALLx 신호가 6 번의 상태 이행을 겪는 것으로 이해될 수 있다. 센서(74) 출력 신호가 다음 사인파 사이클을 통해 이행하는 경우, HALLx 신호는 동일한 6번의 상태 이행을 겪는다. FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 적절히 게이트하기 위해서, MCC(172)는 사인파 사이클의 어떤 섹스턴트에 로터(78)가 위치되는지를 나타내는 데이터만을 필요로 한다. MCC(172)는 로터(78)의 360°회전 중 생성된 3개의 사인파 중 어느 것에 로터가 이행하는지를 알 필요는 없다. 이는 MCC(172)에 로터 위치를 나타내는 3-비트 이진법 HALL 신호를 제공하는데 단지 3개의 개별적인 HALLx 전도체만이 요구되기 때문이다.

상기는 또한, 시작시, 로터(78)가 사인파 사이클의 어떤 섹스턴트에 위치하는지를 나타내기 위한 충분한 센서 데이터를 DSP(170)에 제공하는 것만이 가능하기 때문이다. 이러한 데이터에만 기초하여, DSP(170)는 나중에 수신되고 센서(74)로부터의 변화하는 출력 신호가 비교되는 참조 레벨을 즉시 계산할 수 있다.

또한 로터(78)의 회전 중에, DSP는 지속적으로 단계 436을 실행하여 각각의 사인파 피크(406a, 406b 및 406c)의 값들을 캡쳐하고 저장한다. 이 값들은 RAM(432)의 테이블(432a, 432b 및 432c)에 각각 저장된다. 단계 452는 또한 각각의 사인파 밸리(408a, 408b 및 408c)의 값들을 캡쳐하고 저장하기 위해 핸드피스(30)가 가동되고 있는 한 계속적으로 실행된다. 이 값들은 또한 RAM(432)의 테이블(454a, 454b 및 454c)에 각각 저장된다.

사인파 피크 및 밸리를 나타내는 센서(74) 출력 신호 값이 저장되는 이유를 이제 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다. 도 14는 핸드피스가 소정의 시간동안 가동된 후에 로터(78)의 완전한 360°회전 후 센서(74)의 출력 신호의 플롯(402')이다. 여기서 개별적인 사인파 사이에 피크 및 밸리 신호 레벨에서의 차이점이 있음을 볼 수 있다. 이러한 차이가 발생하는 이유 중 하나는, 모터의 가열 및 로터 자석의 본래의 물리적 차이점에 기인하여, 개별적인 로터에 의해 방출된 자장이 변하기 시작하기 때문이다.

택일적으로, 제조 후, 센서(74)의 위치가 이동할 수 있다. 그러한 이동은 핸드피스(30)가 떨어질 경우 기계적인 충격에 노출됨에 기인한다. 센서(74)가 그렇게 위치 이동되면, 인식된 자장의 진폭이 변하도록 위치될 수 있다. 두 번째 이유는 제조 후, 센서(74)로부터의 출력 신호가 도 11의 상대적인 일정한 형상으로부터 도 14의 고르지 않은 형상으로 이동하기 때문이다. 도 14에서 포인트(406a', 406b' 및 406c')는 신규의 피크 값을 나타내고, 포인트(408a', 408b' 및 408c')는 신규의 밸리 값을 나타낸다.

도구 오토클레이브의 결과로서 열에 대한 센서(74)의 노출은 또한 센서(74)의 출력 신호를 변하게 한다.

센서(74) 출력 신호의 이동을 보충하기 위해서, DSP(170)는 도 15의 추가의 프로세싱을 수행한다. 구체적으로, 단계 470에서, DSP(170)는 메모리(432)의 테이블(434a, 434b 또는 434c) 중 하나에 저장된 피크 값 데이터를 검색한다. 데이터는 단계 472에서 이어서 프로세스되어, 연관된 사인파 피크에 대한 가상 신호 레벨을 생성하기 위해 새로운 추정값을 생성한다. 본 발명의 일례에서, 각각의 테이블(434x)은 최종 포획된 피크 신호 값을 포함한다. 이 값은 이어서 다음 세트의 계산에서 피크 신호로서 채택되어 HALLx 신호 전이 참조 신호 레벨을 결정한다.

본 발명의 다른 일례에서, 각각의 테이블 필드(434x) 및 복수의 캡쳐된 피크 신호를 평가한다. 단계 472에서 이러한 값들의 단순 평균 또는 가중 평균이 사용되어 피크(406x)에 대한 가상 신호 레벨을 생성한다. 피크(406a, 406b 및 406c)에 대한 이러한 가상 값들은 필드(476a, 476b, 및 47c)에 각각 저장된다. 이러한 프로세스 단계 470-474는 각각의 3개의 사인파에 대해 수행된다(루프 백은 보이지 않음).

유사하게, 단계 480에서, DSP(170)는 메모리(432)의 테이블(454a, 454b 또는 454c) 중 하나에 저장된 밸리 값 데이터를 검색한다. 데이터는 단계 482에서 이어서 프로세스되어, 연관된 사인파 피크에 대한 가상 신호 레벨을 생성하기 위해 새로운 추정값을 생성한다. 통상적으로 각 피크에 대해 가상 신호 레벨을 생성하는데 사용되는 동일한 알고리즘이 사용되어 각 밸리(408a, 408b 또는 408c)에 대한 가상 신호 레벨을 생성한다. 단계 484에서 계산된 가상 사인파 밸리 레벨은 메모리(432)의 필드(486a, 486b 또는 486c)에 저장된다. 프로세스 단계(480-484)는 각각의 3개의 사인파에 대해 수행된다(루프 백은 보이지 않음).

단계 470-474 및 480-484가 수행되면, 단계 490이 실행된다. 단계 490에서, DSP(170)는 중간 및 상향 및 하향 이행 신호 레벨을 측정하는데 사용된 이전의 레벨에 대한 이러한 계산된 가상 피크 및 밸리 신호 레벨을 대체한다. 그에 따라, 단계 416, 418, 422, 424 및 450의 추가 실행에서, 이러한 가상 신호 레벨은 상기 식 2 및 식 3에 대한 입력 변수로서 사용된다. 그에 따라, 단계 490이 실행되면, 나중에 생성된 중간 및 상향 및 하향 이행 참조 신호 레벨은, 센서(74)에 의해 생성된 실제의 피크 및 밸리 신호 레벨과 가까이 근접된 피크 및 밸리 신호 레벨에 기초한다. 이는 센서(74)로부터의 출력 신호가 제조로부터 변화하거나 또는 단일의 절차 중 변화하더라도 DSP(170)가 로터 위치를 정확하게 표시하는 HALLx 신호를 지속적으로 어써트하는 것을 확보한다.

도 8(c)로 돌아가서, 트리거 스위치(46 및/또는 47)가 눌려진 채로 있는 한, DSP(170)는 ACTUATE 신호, FORWARD 및/또는 REVERSE 신호, 사용자_속도(USER_SPEED) 신호 및 HALLx 신호를 어써트한다(단계 494)는 것이 이해되어야 한다. MCC(172)는, 이어서 단계 496에서, 사용자 선택 속도로 적절한 방향으로 로터가 회전하도록 하기에 적절하게 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 지속적으로 게이트한다.

트리거 스위치(46 및/또는 47)가 눌려진 채로 있는 한, 단계 494 및 496은 지속적으로 실행된다. 단계 497에 의해 나타낸 바와 같이, 결국, 외과의는 핸드피스를 비활성으로 하기 위해서 트리거 스위치(46 및/또는 47)에 대한 압력을 해제한다. 처음에는, 이런 경우가 발생하면, 자석(56 및/또는 58)은 센서(68 또는 72)가 감지할 수 있을 정도의 자장의 존재를 검출할 수 없는 위치로 이동한다. 그에 따라 센서(68 또는 70)는 DSP(170)로 하여금 제로 속도 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 어써트하도록 하는 출력 신호를 생성한다(단계 498).

MCC 속도 제어기(276)가 이러한 제로 속도 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 받을 때, 모터 로터(780)는 회전한다. 따라서, 속도 제어기(276)는 MCC로 하여금, 로터 회전을 일으키는 와인딩(86a-86c)에 전류를 적용시키는 FET들(82a-82c 및 84a-84c)에 대한 신호의 어써션을 부정하게 한다(단계 502). 대신, 속도 제어기는 BRAKE_ENABLE 신호를 어써트한다. 이는 MCC(172)가 FET들(82a-82c 및 84a-84c)을 게이트하게 하여, 상기 와인딩이 로터(78)의 회전을 느리게 하는 브레이킹 모드를 입력하도록 한다(단계 504).

자석(56 또는 58)이 제어 모듈(40)로부터 더욱 멀리 이동함에 따라, 생성된 필드는 센서(66 또는 70)에 의해 더 이상 인식되지 않는다. 그 결과, 단계 506에서, 센서(66 또는 70)로부터의 출력 신호는 오프 상태가 된다. 센서(66 또는 70)로부터의 신호를 오프 상태로 돌리는 것은 DSP(170)가 AWAKE 신호를 어써트하는 것을 멈추게 한다(단계 508). 이는 전압 조절기(176) 및 증폭기의 비활성화를 가져온다. 전압 조절기(176)의 비활성화는 MCC(172)의 유사한 비활성화를 가져온다. 이러한 요소들의 비활성화는, 공동으로 단계 510으로 표시되며, 핸드피스가 에너지 절약 슬립 모드로 되돌아가게 한다.

본 발명의 일례에서, 센서(66 또는 70)로부터의 출력이 오프 상태 신호로 되돌아가자마자, DSP(170)는 즉시 AWAKE 신호를 부정한다. 본 발명의 다른 일례에서, 센서(66 또는 70)가 오프-상태 신호를 어써트하는 시간 및 DSP가 AWAKE 신호를 부정하는 시간 사이에는 5초 이하의 지연이 있다. 이러한 지연 기간 동안, MCC(172)는 모터 로터(172)의 브레이킹을 촉진하는 신호를 지속적으로 어써트한다. 이러한 브레이킹을 지속하는 장점은 핸드피스(30)의 개별적인 보유로 인해 노출되는 기계적 충격을 감소하는 것에 있다.

단계 364의 재실행에서, 트리거 스위치(46 또는 47)가 다시 눌려질 때까지 핸드피스(30)는 슬립 상태로 남는다.

II. 통합된 시스템(INTEGRATED SYSTEM)

상기 기술된 바와 같이, 도구(30)는 각각의 사용을 위한 맞춤 구성이 가능하다. 단계 360에서, 트리거 스위치(trigger switch) 기능들(정방향, 역방향, 진동 또는 오프(OFF))이 DSP(170) 내로 로딩된다. 단계 362에서, DSP(170)가 사용자_속도(USER_SPEED) 신호 범위로 로딩되면 트리거 스위치(46 또는 47)의 눌림(depression)의 함수로서 발생한다. 이들 및 다른 명령이 상기 도구(3) 내로 로딩되는 기구는 이제 도 16 및 17에 대한 처음의 인용에 의해 설명된다. 모듈 내부의 제어 모듈(40) 구성요소에 더하여, 상기 도구(30) 또한 하나 이상의 데이터 송수신기 헤드(data transceiver heads)(530)(하나가 보임)를 포함한다. 각각의 송수신기 헤드(530)는 상기 도구(30)에서 물리적으로 분리된 유닛과 신호를 교환한다. 도 16의 도구의 블록 다이어그램 버전으로 도시된 바와 같이, 상기 송수신기 헤드(530)는 상기 제어 모듈(40)로부터 외부에 위치할 것이다. 본 발명의 몇몇 일례에서는, 상기 송수신기 헤드(530)를 상기 제어 모듈(40)의 내부에 위치시키는 것이 가능할 수 있다. 본 발명의 일례에서는, 상기 DSP(170)(도구 제어 프로세서)가 직렬(serial) 데이터 통신 라인(531)을 통해 송수신기 헤드와 신호를 교환한다.

분리된 유닛과 송수신기 헤드(530)가 신호를 교환하는 실질적인 수단은, 본 발명에서는, 특정 기술에 한정되지 않는다. 본 발명의 몇몇 일례에서는, 신호 교환을 용이하게 하기 위해서 상기 도구가 도킹스테이션(532)에 설치된다. 도킹스테이션(532)은 그 자체의 송수신기 헤드(534)를 가진다. 상기 도구(30a)가 상기 도킹스테이션(532) 내에 설치되면, 상기 두 개의 송수신기 헤드(530 및 534)는 서로 충분히 가까이 위치되어 그 사이에서 신호 교환이 가능하다.

본 발명의 몇몇의 일례에서, 송수신기 헤드(530 및 534)는 상기 도구(도 17에서의 도구(30a))가 도킹될 때 짝지어지는 전기적 접촉에 노출된다. 대안적으로, 상기 송수신기 헤드(530 및 534)는 유도 신호 전달을 가능하게 하는 보조적인 코일이다. 송수신기 헤드(530 및 534)는 광 방출 및 광 검출 성분의 보조적인 쌍일 수 있다. 본 발명의 이러한 일례는 적외선 스펙트럼에서의 빛을 가능한 한 포함하는 특정 주파수(frequency)에서 빛을 방출 및/또는 검출한다. 대안적으로, 송수신기 헤드(530 및 534)는 보조적인 RF 안테나이다. 본 발명의 이러한 일례에서, 각각의 송수신기 헤드(530 및 534)는 전기적 및 RF 상태 사이에서 교환된 신호를 변환하는 서브-회로를 변조(modulating) 및 복조(demodulating)하는 적절한 신호를 또한 포함한다. 송수신기 헤드(530 및 534)는 심지어 일련의 도선에 보조적으로 노출될 수 있다. 이 배열은 상기 도킹스테이션으로의 수술 도구(30a)의 물리적인 연결을 요구한다. 이 배열의 장점은 상기 도구(30a)와 시스템의 다른 구성요소 사이의 매우 높은 변조 속도(baud rate)를 가능하게 한다는 점이다.

도 17의 도구(30b) 및 무선 송수신기 헤드(536)에서 보이는 바와 같이, 상기 송수신기 헤드(530)가 상기 분리된 유닛과 신호를 교환하기 위해서 도구가 고정 도크(static dock)에 있을 필요는 없다. 본 발명의 이들 일례에서, 도구 송수신기 헤드(530) 및 무선 송수신기 헤드(536)는, 심지어 도구(30b)가 헤드(536)에서 1 미터 이상 거리에 있고 움직이고 있는 경우에도, 무선으로 신호를 교환한다. 이 신호는 적외선 펄스, WiFi, 블루투스(Bluetooth) 또는 G3과 같은 기술을 포함하는 라디오파, 또는 전자기 펄스를 포함하는, 빛의 교환에 의해 교환된다.

본 발명의 구체예의 몇몇 일례에서, 도구 송수신기 헤드(530) 및 무선 송수신기 헤드(536)는 수술 안내 시스템(surgical navigation system)의 일부이다. 간단히 말해서, 수술 안내 시스템은 그 위치가 추적되는 장치에 부착된 고정 유닛 및 이동 유닛을 포함한다. 상기 유닛 중 하나는 일련의 둘 이상의 신호, 일반적으로는 빛, 전자기 또는 RF를 전송한다. 제2 유닛은 상기 전송 신호를 수신하는 2 이상의 센서를 갖는다. 수신된 신호의 신호 강도의 차이를 기초로, 수술 안내 콘솔(데이터 프로세서)(540)은 고정된 유닛에 비한 이동 유닛의 위치 및 방위를 가리키는 데이터를 발생시킨다. 많은 수술 안내 시스템은 상기 이동 유닛이 빛을 방출하도록 설계된다. 트래커(539)라고 불리는 이동 유닛은 이동 장치, 도 16의 수술 도구(30b)에 부착된다. 로컬라이저(538)라고 불리는 고정 유닛은 방출된 빛을 모니터링하는 센서를 구비한다. 트래커(539)는 센서를 구비한다. 도구(30b)의 위치 및 방위를 추적함으로써, 수술 안내 콘솔(540)은, 환자의 수술 부위에 대한 수술 도구(30b) 및/또는 보조 부착물의 위치를 가리키는 데이터를 발생시킨다.

본 발명의 몇몇 일례에서, 도구 송수신기 헤드(530)는 상기 트래커(539) 내로 조립되고; 무선 송수신기 헤드(536)는 로컬라이저(538) 내로 조립된다.

도구(30a 또는 30b)는 하나 이상의 유닛과 신호를 교환한다. 이들 유닛 중 하나는, 예컨대, 수술 안내 콘솔(540)이다. 도구(30a 또는 30b)와 신호를 교환할 수 있는 유닛의 두 번째 타입은 핸드피스 제어 콘솔(542)이다. 콘솔(542)은 보통 유선 수술 도구에 하전 신호(energization signals)를 가하기 위해 채용된다. 이러한 두 개의 콘솔(542)은 2001년 1월 25일에 등록된 출원인의 미국특허번호 제6,017,354호, "INTEGRATED SYSTEM FOR POWERED SURGICAL TOOLS" 및 2004년 9월 30일에 출원된 미국특허출원번호 제10/955,381호, "INTEGRATED SYSTEM FOR CONTROLLING PLURAL SURGICAL TOOLS"로서, 미국특허공개번호 제2006/0074405 Al호이고, 현재 미국특허번호 제----호에 개시되어 있으며, 둘 다 여기에 인용에 의해 삽입된다.

개인용 컴퓨터(544)는 도구(30a 또는 30b)가 통신하는 유닛의 역할도 할 수 있다. 컴퓨터(544), 또는 임의의 다른 유닛은, 도구(30a 및 30b) 및 심지어 절차가 수행되고 있는 작업실/수술실에도 위치하지 않는 유닛 사이에서 데이터가 교환되는 통로 역할을 할 수 있다는 점을 인식해야 한다. 그러한 유닛은, 예컨대, 도구(30a 및 30b)의 사용 또는 수술 절차에 관한 데이터의 경과기록(logs)이 유지되는, 메모리 저장 장치일 수 있다. 개인용 컴퓨터(544) 또는 다른 작업실 유닛은 이더넷(Ethernet) 또는 POTS와 같은 기존의 네트워크를 통해 이 원격 유닛에 연결될 수 있다.

음성/무선 헤드(546) 또한 도구(30a 및 30b)가 신호를 교환하는 유닛의 역할을 할 수 있다. 이러한 헤드(546)는 상표명 SIDNE으로 출원인에 의해 시판되고 있다. 헤드셋을 갖춘 마이크를 사용하는 수술 요원(도시되지 않음)이 명령을 한다. 음성/무선 헤드(546)는 청취 가능한 지시를 디지털 신호 패킷으로 변환하는 언어인식회로(speech recognition circuits)를 구비한다. 헤드(546)는, 유선 또는 무선 장치, 도시된 무선 펜던트(548)로부터의 신호가 이를 통해 수집되는 헤드의 역할도 한다. 따라서, 외과의는 펜던트(548)에 있는 터치 스크린 버튼을 누름으로써 명령을 입력한다. 이들 명령은 헤드(546)로 방송된다. 헤드(546)는 이번에는 이들 명령을 디지털 신호 패킷으로 변환한다.

수술 안내 콘솔(540), 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)와 같은 도구와 통신하기 위한 다른 원격 유닛은, 버튼이 있어서 명령을 도구에 입력하도록 명령하게 하는 터치 스크린 디스플레이를 구비할 수 있다는 점도 마찬가지로 이해되어야 한다. 대안적으로, 수술 안내 콘솔(540) 또는 개인용 컴퓨터(544)와 같은 유닛은 명령을 입력하는 키보드 및/또는 마우스를 구비할 수 있다.

도 17에서, 도킹 스테이션(530), 무선 송수신기 헤드(536), 안내 콘솔(540), 핸드피스 제어 콘솔(542), 개인용 컴퓨터(544) 및 음성 무선 헤드(546)는 공통 버스(552)에 묶인다. 상기 버스는 IEEE-1394 Firewire 버스 또는 랜과 같은 임의의 버스일 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구조에서, 각각의 외부 유닛 안내 콘솔(540), 핸드피스 제어 콘솔(542), 개인용 컴퓨터(544) 및 음성 무선 헤드(546)는 도구들(30a 또는 30b) 중 하나와 신호를 교환할 수 있다. 또한, 하기에 논의되는 바와 같이, 상기 시스템의 이러한 구조는 추가로 도구(30a)가 도구(3b)와 통신하도록 한다.

대안적으로, 덜 복잡한 시스템에서, 단일 외부 유닛은 단순하게 도킹 스테이션(530) 또는 무선 송수신기 헤드(536)에 연결된 유일한 구성요소이다.

본 발명의 도구(30c)와 신호를 교환할 수 있는 또 다른 수단이 도 18에 따라 도시된다. 상기 논의된 바와 같이, 어떤 외과의는, 어떤 환경에서는, 유선 도구로 작업하는 데 반대하지 않는다. 이들 도구가 제공하는 한 가지 장점은, 병원 공급 네트워크로부터 동력을 항상 이용 가능하므로, 배터리 방전 때문에 도구가 느려지거나 작업이 중단될 가능성이 제거된다는 점이다. 따라서, 이들 외과의에게 유선 동력 팩(558)(corded power pack)을 제공하는 것은 알려져 있다. 동력 팩(558)은 상기 무선 배터리 팩이 일반적으로 설치되는 위치에서 상기 도구 하우징(32)에 결합된다. 코드(560)는 상기 팩(558)으로부터 연장된다. 코드(560)의 가장 가까운 말단은, 유선 도구를 위한 동력 코드가 부착된 핸드피스 제어 콘솔(542)의 소켓(식별되지 않음) 부분 내로 다른 방법으로 접속된다. 콘솔(542)은 코드(560)를 통해 팩(558)으로 하전(energization) 신호를 공급한다. 팩(558) 내부는 도시되지 않는 구성요소이며, 핸드피스 제어 콘솔(542)에 의해 공급되는 하전 신호를 하나의 형태로 변환하고 배터리(42)에 의해 다른 방법으로 공급되는 상기 형태를 에뮬레이트하는, 본 발명에 관련되지 않는다.

또한 팩(558) 및 코드(560)의 내부에는 단선(562)으로 나타나는 데이터 도선(conductors)이 있다. 상기 데이터 도선은 도구(30c) 내의 데이터 송수신기 헤드(530) 및 핸드피스 제어 콘솔(542) 내의 프로세서 사이의 전도성(conductive) 경로이다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 있어서, 도구(30c) 및 핸드피스 제어 콘솔(542)은 도킹 스테이션이나 무선 송수신기 헤드를 사용하지 않고 신호를 교환한다.

도 18에는 케이블(543)에 의해 핸드피스 제어 콘솔(542)에 연결된 풋스위치(footswitch) 유닛(563)이 보인다. 풋스위치 페달(페달은 식별되지 않음)을 선택적으로 누름으로써 명령이 본 발명의 시스템 내로 입력될 수 있다. 본 발명의 시스템의 몇몇 일례에서 풋 스위치 유닛(563)은 다른 시스템 구성요소와 무선으로 연결된다.

일단 수술 도구(30) 및 원격 유닛 사이에 통신 링크가 개설되면, 상기 도구(도 16의 DSP(170)) 내부의 제어 프로세서는 다수의 상이한 타입의 데이터를 원격 유닛으로 전송한다. 상기 데이터 송수신기 헤드(530)가 트래커(539) 내로 조립되는 수술 안내 시스템의 부분인 경우, 이들 데이터는 상기 수술 안내 시스템이 도구의 위치 및 방위를 판단하도록 하는 정보를 포함한다. 이들 데이터는 다른 유연한 통신 링크가 개설되었을 때 전송된다는 점을 인식해야 한다. 이들 통신 링크는 다른 무선 링크 또는 케이블(543)과 같은 유연한 케이블에 의해 개설된 링크일 수 있다.

DSP(170) 또한 도구 모터(34)의 작동 속도를 가리키는 데이터가 있는 원격 유닛을 제공할 수 있다. 본 발명의 몇몇 일례에서, MCC(172)에 의해 발생되는 모터 속도의 PWM 측정은 DSP(170)에 공급된다. 이 신호를 기초로 한 DSP(170)는, 상기 모터 속도의 측정을 기초로 하여 모터 속도를 나타내는 멀티-비트 디지털 신호를 생성한다. 본 발명의 대안적인 일례에서, DSP(170)는, 센서(74)로부터의 출력 신호 중 하나의 주파수(periodicity) 또는 HALLx 신호를 기초로 하여, 그 자체의 모터 속도 측정을 계산한다. 이는 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 공급되는 모터 속도 신호이다.

모터를 제외한 도구가 동력 발생 유닛인, 본 발명의 다른 수술 도구에서, 제어 프로세서는 상기 발생 유닛에 의해 원격 유닛으로 방출된 동력의 측정을 여전히 전송한다. 예를 들어, 상기 도구가 RF 절제 탐침(ablation probe)인 경우, 수술 부착물의 말단은 온도 민감성 변환기, 대개는 온도계를 갖는다. 상기 제어 프로세서는 온도계에 의해 측정된 온도의 디지털 표시를 발생하며 이들 데이터를 원격 유닛으로 공급한다.

상기 수술 부착물(41)이 제거 가능하고 교체 가능한, 본 발명의 일례에서, 도구(30)는 또한 상기 도구의 식별(identity)에 관한 데이터를 제공한다. 본 발명의 이러한 일례에서, 상기 수술 부착물은 상기 부착물의 특성에 대한 데이터가 저장되는 식별(identification) 구성요소(568)를 갖는다. 구성요소(568)는 일반적으로 전기적 또는 광학적 프로세스를 통해 읽혀진다. 구성요소(568)는 주로 RFID 또는 NOVRAM의 형태이다. 도구(30)는 식별 구성요소(568)에 저장된 것을 읽을 수 있는 리더(570)를 구비한다. 예를 들면, 미국특허공개번호 제2003/0093103호이고, 현재 미국특허번호 제---호이며, 여기에 인용으로 삽입되는, 2002년 8월 8일에 출원된 출원인의 미국특허출원 제10/214,937호, "SURGICAL TOOL SYSTEMS WITH COMPONENTS THAT PERFORM INDUCTIVE DATA TRANSFER"는, 데이터가, 때로는 절단 부속물(cutting accessory)이라고 불리는 수술 부착물 내의 RFID 칩으로부터, 유선 및 무선 수술도구 모두에 의해 읽혀지는 방법을 개시한다.

일단 이들 데이터가 읽혀지면, 상기 제어 프로세서는 상기 데이터를 전달 헤드(530)에 의해 원격 유닛으로 전송한다.

상기 확인된, 인용에 의해 삽입된 출원번호 제10/214,937호는 또한 상기 도구 하우징 및 실제로 수술 부위에 적용된 부착물 사이의 중간 도구로부터 데이터를 읽는 방법도 개시한다. 이 문헌은 또한 상기 도구에 의해 환부에 고정된 임플란트를 기술하는 데이터가 상기 도구로 다시 읽혀지는 방법도 개시한다. 따라서, 이들 데이터는 상기 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 동일하게 전송된다는 점을 마찬가지로 이해해야 한다.

상기 도구 제어 프로세서(DSP(170))는 또한 상기 도구 구성요소의 작동 상태를 기술하는 데이타가 있는 원격 유닛을 제공한다. 예를 들면, 상기 기술한 바와 같이, 이들 데이터는, 예컨대, 배터리의 충전 레벨을 가리키는 데이터를 포함한다. 도 6B로 돌아가서, 배터리에서 나오는 전압의 신호 표시는 저항기(258 및 260)의 접점으로부터 DSP(170)로 공급된다는 점이 인식된다. DSP(170)는, 이 신호의 레벨에 기초하여, 송수신기 헤드(530)를 통해서 배터리의 전체의 충전 레벨을 가리키는 데이터를 출력한다.

파라미터 출력을 작동시키는 제 2 도구는 도구 온도이다. 도 16에서, 도구(30)는 온도 변환기(572)를 가지는 것으로 나타난다. 변환기(572)는 상기 도구의 열 발생 구성요소, 일반적으로 동력 발생 구성요소(모터(34))에 가깝도록 주로 위치된다. 대안적으로, 변환기(572)는 외과의에 의해 보통 쥐어지는 도구, 예컨대, 핸들(38)의 표면에 인접하여 위치된다. 변환기(572)에 의해 생성된 출력 신호는 제어 프로세서(DSP(170))로 공급된다. 상기 제어 프로세서는 이 온도의 디지털화된 표시를 발생하고 송수신기 헤드(530)에 의해 원격 유닛으로 이들 데이터를 출력한다.

도구(30)는 가속도계(574) 및 소음 검출기(576)를 구비한다. 가속도계(574)는 도구 진동의 함수로서 출력 신호를 발생한다. 소음 검출기(576)는 도구(30) 및 관련된 수술 부착물(41)에 의해 방출된 소음의 함수로서 가변적인 신호를 발생한다. 상기 가속도계(574) 및 소음 검출기(576)로부터의 출력 신호는 제어 프로세서(DSP(170))로 공급된다. 이들 도구 진동 및 방출된 소음 모두의 디지털 표시는 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 전송된다.

상기 언급한 바와 같이, 상기 동력 발생 유닛(모터(34))가 과전류를 흘리려는 것을 동력 조절기(MCC(172))에서 평가한 경우, 이 사건이 발생했음을 가리키는 펄스 비트(pulse bit)가 제어 프로세서(DSP(170))로 전송된다. 상기 제어 프로세서는, 즉시, 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 이 정보를 전송한다.

도구(30)의 무선 버전에 전압을 주기 위해 사용되는 몇몇 배터리들(42)은 내부 온도 센서(보이지 않음)를 가진다. 이 변환기로부터의 신호는 또한 제어 프로세서(DSP(170))로 공급된다. 상기 제어 프로세서는 감지된 배터리 온도의 디지털 신호 표시를 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 유사하게 공급한다.

도구 결합 어셈블리(39)는 또한 상기 어셈블리의 상태를 모니터링할 수 있는 센서(도시되지 않음)를 갖는다. 일반적으로, 이 타입의 센서는 상기 결합 어셈블리(39)가 잠겨진 상태일 때를 가리키는 제 1 신호를 어써트하며; 여기서 상기 어셈블리는 수술 부착물(41)을 환부에 고정한다. 상기 결합 어셈블리(39)가 로딩 상태일 때 상기 센서는 제 2 신호를 어써트하며; 부착물(41)은 상기 결합 어셈블리로부터 제거되고 여기로 다시 되돌아올 수 있다. 이 센서에 의해 어써트되는 출력 신호는 제어 프로세서(DSP(170))로 전송된다. 이 센서로부터의 신호가 움직일 때마다, 상기 DSP(170)는 상기 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 원격 유닛으로 데이터 패킷을 전송한다.

III. 맞춤 도구 구성(CUSTOM TOOL CONFIGURATION)

원격 유닛이 도구(30)로 공급하는 데이터의 타입은 먼저 도 19를 참조하여 기술된다. 이 도면은 도구를 구성하기 위한 외과의의 선택(preferences)을 로딩하는 프로세스 단계를 나타낸다. 먼저, 상기 원격 유닛, 예컨대 핸드피스 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)는, 상기 유닛이 외과의에게 선택된 맞춤 구성 데이터를 허용하는 작동 상태(나타나지 않은 단계)에 위치한다. 단계 580에서, 원격 유닛은 수술 요원이 핸드피스 트리거(46)에 대한 함수(정방향; 역방향; 진동; 또는 오프)를 지정할 것을 요구하는 터치 스크린 디스플레이를 발생시킨다. 단계 582에서, 상기 요원은 적절한 터치 스크린 버튼을 누름으로써 선택된 함수를 입력한다.

단계 584에서, 상기 원격 유닛은, 상기 동력 발생 유닛이 부분적으로 들어간 상태부터 완전히 들어간 상태까지의 트리거 움직임 범위에 기초하여, 작동해야 하는 범위를 수술 요원에게 지정하도록 요구하는 하나 이상의 디스플레이를 나타낸다. 단계 584에서, 상기 동력 발생 유닛이 모터(34)를 이루는 경우, 상기 원격 유닛은, 트리거(46 또는 47)가 들어가지는 한도에 기초하여 상기 모터가 동작해야 하는 선택된 최소 및 최대 속도를 입력하도록 수술 요원에게 요구하는 디스플레이를 나타낸다. 하기에 논의된 바와 같이, 단계 584에서, 원격 유닛은 또한 수술 요원에게 동력 발생 유닛의 변화율, 예컨대, 단계적 속도 증가 또는 선형 증가를 지정하도록 요구한다. 단계 586에서, 원격 유닛 디스플레이에 나타난 적절한 버튼을 누름으로써, 수술 요원은 외과의가 요구하는 수술 범위 프로파일을 입력한다.

단계 580-586은 그 후에 제 2 트리거 스위치(47)에 대하여 재실행된다(루프 백은 보이지 않음). 일단 외과의에게 선택된 작동 구성 단계 360 및 362가 실행된다. 단계 360 및 362는, 외과의에게 선택된 작동 구성 데이터를, 구성될 도구(30a, 30b 또는 30c)에 의존하여, 도킹 스테이션 송수신기 헤드(534), 무선 송수신기 헤드(536) 또는 오버 케이블(562)로 전송하는 원격 유닛에 의해 실행된다. 이들 데이터는 그 후에 제어 모듈(40)의 RAM 메모리(432) 내의 적절한 위치로 로딩된다(메모리 위치는 보이지 않음). 그 후에, 어떤 트리거(46 또는 47)가 가동되는지 여부 및 트리거가 가동되는 한도에 의존하여, 동력 발생 유닛(모터(34))이 외과의의 선택에 따라 가동된다.

도구 구성은 도구에 결합된 특정한 수술 부착물(41)의 함수의 세트가 될 수 있다. 도 20에서, 이 프로세스의 최초 단계 590은 새로운 수술 부착물이 도구(30)에 결합된 시스템에 의한 검출이다. 상기 부착물의 특정한 정체를 평가하는 방법은 다양하다. 부착물(41)이 부착물 식별 구성요소(568)를 구비하고 도구(30)가 보조적인 리더(570)를 구비하는 본 발명의 일례에서는, 상기 리더가 이 기능을 수행한다.

본 발명의 대안적인 구성에서는, 다른 구성요소가 상기 부착물 식별 구성요소에 저장된 데이터를 읽는 기능을 수행한다. 예를 들어, 2004년 12월 9일자로 출원된 출원인의 미국특허출원 제60/634,588호는, 제목이 "Wireless System For Providing Instrument And Implant Data To A Surgical Navigation Unit"이고, 미국특허공개 제 ---호이고, 현재 미국특허 제---호이며, 여기에 인용에 의해 삽입되었는데, 수술 부위에 맞추기 위하여 도구가 사용된 수술 부위 또는 임플란트에 적용된 실제의 부착물로부터, 중간 부착물이 데이터를 읽어내는 방법을 개시하고 있다. 이들 데이터는 그 후에 안내 로컬라이저(538)와 같은 고정 헤드로 전송된다.

본 발명의 또 다른 일례에서는, 부착물 데이터가 수동으로 입력된다. 본 발명의 이들 일례에서, 결합 어셈블리(41)와 통합된 센서로부터 어써트된 신호가 로딩 상태에서 동작 상태로 전송될 때, 제어 프로세서(DSP(170))는 신호를 원격 유닛으로 전송한다. 원격 유닛, 예컨대, 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)는, 이 정보를 새로운 수술 부착물(41)이 도구(30)에 부착되었다는 표시로 해석한다. 일단 상기 원격 유닛에서 이러한 사건이 발생했다고 판단하면, 상기 원격 유닛은 수술 요원에게 새롭게 부착된 수술 부대물(41)을 확인할 것을 요청하는 디스플레이를 발생시킨다(단계는 보이지 않음).

단계 590이 일단 실행되면, 새롭게 부착된 부착물을 위한 핸드피스 작동 파라미터가 식별되는 단계 592가 수행된다. 단계 592는 부착물 식별 구성요소(568)에 저장된 추가적인 데이터를 읽어냄으로써 수행된다. 대안적으로, 단계 592는, 각 타입의 수술 부착물(41)에 대하여, 일정한 작동 특성을 식별하는 원격 검색 내의 데이터를 검색함으로써 수행된다. 이 검색표는 도구(30)를 구성하기 위해 채용된 작업실 원격 유닛 내에 또는 작업실로부터 떨어진 파일 서버 내에 있을 수 있다. 이 작동 파라미터 데이터는 도구 및 부착물 타입의 함수이다. 예를 들어, 모터(34)가 동력 발생 유닛을 이루고 수술 부착물이 절삭기(bur)인 경우, 이들 데이터는 상기 절삭기의 최초 및 최고 속도일 것이다. 상기 도구가 RF 절제 장치이고, 상기 수술 부착물이 절제 전극인 경우, 이들 데이터는, 상기 전극이 작동해야 하는 바람직한 온도와 최대 온도 및 상기 전극이 흘러야 하는 최대 전류이다.

단계 592는 원격 유닛을 통한 데이터의 수동 입력에 의해 수행될 수 있다는 점을 인식해야 한다.

단계 594에서, 이러한 작동 특성은, 핸드피스(30)를 구성하기 위해 채용된 원격 유닛에 의해 디스플레이된다. 이 디스플레이의 부분으로서, 단계 596으로 나타난 바와 같이, 상기 수술 요원은, 검색된 작동 특성을 기초로 한 도구의 작동 특성을 허용 또는 리셋하도록 요구받는다. 단계 598은, 검색된 특성으로부터 거리가 있는, 수술 요원에 의한 도구 작동 특성의 리셋을 나타낸다. 따라서, 단계 598은, 버튼이 눌려져서 검색된 특성에서 위 또는 아래로 상기 도구의 작동 특성을 리셋하는 단계 586의 실행이다.

일단, 단계 596에서, 바람직한 작동 특성이 허용되거나, 단계 598에서, 특성이 리셋되면, 단계 600이 실행된다. 단계 362와 유사한, 단계 598이 수행되는데, 여기서 부착물 특정 파라미터가 제어 프로세서(DSP(170))로 로딩된다.

상기 설명으로부터, 부착물(41)에 대해 특정된 작동 특성 데이터에 의해 특정된 것보다 큰 상태에서 작동하기 위해 상기 도구(30)를 구성하는 선택권을 외과의가 가진다는 점은 명백하다. 본 발명의 시스템은 도구(41)가 그렇게 작동될 경우에 따른 추가적인 피드백을 제공한다. 특히, 단계 602에 나타난 바와 같이, 검색된 작동 특성으로부터 개설된, 정의된 상태를 상기 도구의 작동 상태가 초과하는 경우, 이의 모니터링이 존재한다. 예를 들어, 단계 602에서 모터(34)의 작동은, 상기 모터의 작동 속도가 바람직한 최대 속도에 기초한 레벨을 초과하는지 여부를 평가하도록 모니터링된다. 이 속도는, 예컨대, 바람직한 최대 작동 속도의 1.0 내지 2.0배 사이이다.

단계 602의 모니터링은 도구 제어 프로세서(DSP(170)) 또는 원격 유닛, (핸드피스 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544))에 의해 수행될 수 있다. 상기 모니터링이 원격 유닛에 의해 수행될 경우, 별도의 단계에서(도시되지 않음) 상기 도구 제어 프로세서는 작동 상태가 초과되고 있다고 가리키는 원격 유닛으로 메시지를 전송한다.

일단 작동 상태가 초과되고 있다고 평가되면, 상기 시스템은 단계 606 및 608을 실행한다. 단계 606에서, 상기 원격 유닛은 정의된 작동 상태에서 벗어난 작동으로부터 일시적으로 상기 도구(30)를 보호한다. 예컨대, 상기 도구가 모터(34)를 수반하는 경우, 동력 조절기가 상기 모터를 정의된 속도 레벨 위에서 운전하도록 하는 신호를 상기 제어 프로세서(DSP(170))에서 어써트하지 않는다. 상기 도구가 절제 도구인 경우, 상기 제어 프로세서에서는, 상기 제어 전극에 가해질 정의된 레벨보다 높은 전류를 동력 조절기에서 가하도록 하는 신호를 어써트하지 않는다.

단계 608에서, 상기 원격 유닛은, 상기 도구가 정의된 레벨 위에서 운전될 것으로 보인다는 점을 외과의에게 통지하는 디스플레이를 발생시킨다. 그러면 수술 요원은 단계 610에서 상기 도구를 그렇게 작동하려는 의도라는 것을 회신해야 한다. 수술 요원이 이 회신을 입력하면, 상기 원격 유닛은 단계 612에서 도구 작동에 대한 잠금을 해제한다. 단계 612에서, 상기 원격 유닛은, 송수신기 헤드(536 및 530)(또는 도선(562))를 통해 도구 제어 프로세서에 적절한 명령을 보냄으로써 이 기능을 수행한다. 그러면 상기 도구 제어 프로세서는, 단계 614에서, 상기 도구에 대한 작동 잠금을 해제한다.

본 발명의 몇몇 일례에서, 일단 단계 612의 회신이 입력되면, 상기 시스템은 상기 도구 및 수술 절차를 위한 사건 경과기록에 상기 도구(30) 및 부착물이 바람직한 최대 작동 정도보다 높은 정도에서 작동되었다고 기록을 남긴다.

도 21의 프로세스 단계에 의해 나타나는 바와 같이, 상기 원격 유닛 또한, 모니터링된 상기 도구의 내부 구성요소의 작동 특성에 기초하여, 도구(30)의 작동을 조절한다. 상기 논의된 바와 같이, 상기 도구 제어 프로세서(DSP(170))는, 상기 도구의 내부 구성요소의 작동 조건에 따른 정보를 가지고 있는 원격 유닛으로 데이터 패킷을 전송한다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 이들 패킷은 작동 상태 또는 조건을 정량하는 데이터를 포함한다. 이 타입의 데이터 패킷은, 예컨대, 변환기(572)로 측정된 도구 모터(34) 온도의 정확한 표시를 수반한다. 대안적으로, 상기 도구 제어 프로세서(DSP(170))로 수행된 온도 모니터링에 기초하여, 변환기(572)로부터의 출력 신호가 정의된 레벨보다 높이 상승할 때마다 상기 제어 프로세서는 데이터 패킷을 전송한다.

배터리(42)에 걸친 전하, 배터리 내부의 가속도계(574), 소음 검출기(576) 또는 온도 변환기에서 받은 신호를 모니터링하여 수신된 작동 특성 데이터에 기초하여 유사한 모니터링 및 데이터 패킷 발생이 수행된다. 상기 모터에 과량이 전류가 흐른다는 표시를 제어 프로세서에서 받는 경우에, 데이터 패킷은 상기 제어 프로세서에 의해 전송될 수도 있다.

도 21에서, 단계 620은, 상기 도구(30)가 더 이상 보통 상태가 아니고 예외적인 작동 상태로 들어섰다는 검출을 표시한다. 예외적인 작동 상태의 예는 다음을 포함한다: 배터리가 곧 방전될 것이라는 평가; 온도의 증가에 의해 지시되는 것 같이, 배터리가 방전 상태에 도달하고 있다는 평가; 도구(30)가 만지기 어려운 온도이거나 그 온도에 도달하고 있다는 평가; 도구가 과하게 진동하고 있거나 과한 소음을 내고 있다는 평가; 또는 모터가 과열되었다는 평가. 또 다른 예외적인 작동 상태는, 동력 발생 유닛(모터(34))이 사전에 정의된 레벨 위의 진동수에서 지정 한계 레벨 위의 전류를 반복적으로 흘리는 경우에 발생한다.

언급된 바와 같이, 단계 620의 평가는 도구 제어 프로세서(DSP(170))에 의해 수행된 모니터링에 의해 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 원격 유닛, 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)는 상기 도구 제어 프로세서에 의해 전송된 데이터에 기초하여 단계 620의 모니터링을 수행할 수 있다.

단계 620에서, 상기 도구가 예외적인 작동 상태에 있다고 평가되는 경우, 단계 622에서 상기 원격 유닛은 상기 도구의 작동에 관한 경고를 표시한다. 이 경고는 예외적인 특징을 가리킨다. 예를 들어, 단계 620에서 배터리(42)가 거의 완전히 방전되었다고 판단되는 경우, 이 정보가 표시된다. 단계 620에서, 모터 고장 또는 손상을 일으킬 수 있는 레벨까지 모터 온도가 상승하고 있다고 판단되는 경우, 이 정보가 표시된다.

단계 622와 동시 또는 직후에, 상기 원격 유닛은 외과의에게 신중 작동 모드 옵션, 단계 624를 표시한다. 이 단계에서, 도구의 작동을 감속 또는 중지로부터 방지하기 위해 외과의에게는 감소된 작동 레벨에서 도구를 작동시키는 옵션이 주어진다. 일반적으로 이 신중 작동 모드(conservative operaton mode)는 상기 동력 발생 유닛이 작동하는 정도를 제한한다. 예를 들어, 상기 동력발생 유닛이 모터(34)이고 단계 620에서 상기 배터리가 완전 방전에 가깝거나 모터 온도가 불허 레벨에 도달하고 있다고 판단되는 경우, 상기 신중 작동은 모터가 작동될 수 있는 최대 속도의 감소이다. 상기 신중 작동 모드의 다른 예는 RF 절제 탐침을 수술 부위에 적용할 수 있는 동력의 감소이다.

단계 626에서, 외과의는 상기 신중 모드에서 작동하기 위한 요구를 허용하거나 거절한다. 도구의 사용이 단지 짧은 시간 동안 필요한 것으로 알려진 경우에 외과의는 신중 모드에서의 도구 작동을 거절하도록 선택할 수 있다. 외과의가 도구의 신중 작동을 허용하기를 거절하는 경우, 단계 627에서 작동은 전과 같이 계속된다. 이 단계의 부분으로서, 상기 도구는 특정한 예외적인 상태를 입력했고 수술 요원은 도구를 신중 작동 모드에 위치시키라는 요구를 거절했다는 데이터를 상기 원격 유닛에서 외부 도구 경과기록에 기재한다는 것이 인식되어야 한다.

대안적으로, 연장된 시간 동안 외과의가 도구를 필요로 할 수 있고 상기 절차가 도구 작동의 중단을 원치 않는 지점에 있는 경우, 단계 626에서 신중 작동 모드를 허용할 수 있다.

신중 작동 모드가 허용되면, 단계 628에서 상기 원격 유닛은 상기 도구 내로 신중 작동 모드 파라미터를 로딩한다. 따라서, 새로운 작동 파라이터들이 도구 제어 프로세서(DSP(170))로 로딩된다는 점에서 단계 628은 단계 362의 재실행과 유사하다. 일단 단계 628이 실행되면, 신중 실행 모드 특성에 의해 지정된 레벨에서 상기 도구는 계속 작동한다.

본 발명의 이러한 양상은, 예외적인 사건의 발생이 다른 방법으로 도구의 작동을 계속하기 어렵게 만드는 경우에 상기 수술 도구(30)를 계속 작동시키는 수단을 제공한다.

본 발명의 수술 도구(30)는, 수술 안내 시스템과 함께, 부착물이 적용되면 안 되는 신체 부위에 부착물이 있거나 접근하고 있을 때 외과의에게 통지를 제공하도록 더욱 구성된다. 도 22의 단계 632에 나타난 바와 같이, 수술 절차 도중에, 수술 안내 콘솔(540)이 수술 부대물(41)의 위치를 모니터링한다. 이 모니터링은, 도구(30), 부대물 또는 실제로 환부에 적용되는 도구와 부대물 사이의 중간 부대물에 부착된 트래커(539)에 기초하여 수행된다.

상기 절차의 시작에 앞서, 수술 안내 프로세서(540)에는,부착물이 적용되면 안 되거나 극도의 주의를 기울여서만 적용되어야 하는 수술 부위에 인접한 신체 위치를 가리키는 지도 데이터가 제공된다. 공통적으로, 이들 영역은 "무절단 영역(no cut zones)"으로 지칭된다(단계는 나타나지 않음).

단계 634에서, 단계 632에 필요한 부대물 위치 데이터에 기초하여, 수술 안내 프로세서(540)는 부착물(41)이 무절단 영역의 경계에 있거나 이를 넘어갔는지 평가한다.

수술 부착물(41)이 이렇게 위치된 경우, 단계 636에서, 수술 안내 콘솔(540)은 도구의 제어 프로세서(DSP(170)) 내로 낮은 속도 또는 영속도(zero speed) 명령을 로딩한다. 단계 636은 따라서 단계 362의 재실행이다. 단계 636에서, 도구 제어 프로세서(DSP(170))는, 상기 도구가 멈추게 되거나, 최소한 매우 낮은 작동 정도로 동작해야 한다고 지시하는 데이터와 함께 로딩된다. 예를 들어, 동력 발생 유닛이 모터(34)인 경우, 상기 제어 프로세서는, 상기 모터가 낮은 속도로 구동되거나,(모터의 최대 속도는 뚜렷하게 낮아졌다) 또는 완전히 멈추어야 한다고 지시하는 명령과 함께 로딩된다. 상기 동력 발생 도구가 RF 절제 탐침인 경우, 단계 636에서의 명령은 일반적으로 상기 도구는 멈추어야 한다는 명령이다. 이들 명령에 기초하여, 상기 제어 프로세서는 적절한 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 동력 조절기(MCC(172))에 발생시킨다. 상기 동력 조절기는, 즉시, 도구 동력 발생 유닛의 작동을 적절하게 리셋한다. (단계는 보이지 않음).

수술 안내 유닛(540)에 의한 단계 636의 실행 및 도구(30) 작동의 순차적인 감소는, 방해되지 않는다면, 부착물(41)이 무절단 영역에서 움직일 수 있는 정도를 즉시 최소화하도록 수행된다.

단계 636의 실행과 실질적으로 동시에, 단계 638에서, 경고가 표시된다. 일반적으로 이 경고는 수술 안내 프로세서(540)와 함께 디스플레이로 표시된다. 단계 638에서, 이 경고는, 부착물(41)이 무절단 영역에 있거나 들어갔기 때문에 도구의 사용이 감소되거나 완전히 봉쇄되었다는 표시를 포함한다.

상기 경고와 함께, 단계 638에서 또한, 외과의에게 오버라이드(override) 옵션도 표시된다. 상기 오버라이드 옵션은, 부착물(41)이 무절단 영역의 근처에 있거나 넘어갔더라도 외과의가 도구를 계속 작동시키도록 한다. 단계 640은 외과의가 오버라이드 옵션을 선택적으로 허용하는 프로세스를 묘사한다. 이 옵션이 선택되지 않는 경우에, 도구의 작동은 단계 636에서 입력된 명령에 기초하여 계속된다.

대안적으로, 단계 640에서, 외과의는 오버라이드 명령을 입력한다. 이 사건이 발생하면, 단계 642에서, 원격 유닛, 수술 안내 제어기 프로세서(540), 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)는, 상기 도구 제어 프로세서(DSP(170))에 오버라이드 작동 특성을 로딩한다. 이들 특성은, 미리 정의되어 있는데, 이 수술 부착물의 사용을 무절단 영역에서 또는 그 근처에서 제한한다. 예를 들어, 단계 636에서, 도구의 사용이 완전히 폐쇄된 경우, 단계 640에서, 상기 오버라이드 특성은 도구의 작동을 아무리 낮은 작동 정도에서도 계속되도록 할 수 있다.

대안적으로, 단계 636에서 로딩된 명령은, 도구 동력 발생 유닛이 작동하는 정도를 상기 제어 프로세서가 감소시키도록 유도만 할 수 있다. 이 경우에 단계 642에서 로딩된 명령은, 동력 발생 유닛이 단계 636의 명령에서 지정된 것 보다 높은 정도에서 작동되게 하도록 상기 제어 프로세서에 지시한다. 단계 642에서, 새로운 명령은, 단계 636이 실행되기 전에 정의된 정도에서 동력 발생 유닛이 계속 작동되게 하도록 제어 프로세서에 지시한다.

IV. 동적 기계 위치제어(KINEMATIC MACHINE POSITIONING)

본 발명의 통합 시스템은 환자에게 설비하는 동적 기계를 정밀하게 위치시키기 위해 사용된다. 일반적으로 동적 기계는, 환자의 신체상의 정점에 대하여 선택적으로 위치한, 하나 이상의 및 주로 둘 이상의 가동 링크(moveable links)를 갖는다. 상기 링크를 정밀하게 위치시킴으로써, 상기 기계를 이용한 치료 임무가 완수된다. 도 23은 그러한 동적 기계의 하나인, 지그 어셈블리(648)를 도시한다. 지그 어셈블리(648)는 마운팅 블록에 대하여 가동적인 고정 마커 블록(656) 및 지그 헤드(650)를 포함한다. 지그 헤드(650)에는 가이드홈(652)이 형성되어 있다. 뼈(654)에 임플란트를 부착하는 프로세스 도중에, 지그 헤드(650)는 정밀하게 위치된다. 일단 지그 헤드(650) 및 가이드홈(652)이 이렇게 위치되면, 임플란트가 설비되는 공간을 만들기 위해 뼈의 단면을 제거하기 위해 가이드홈(652)에 톱날이 삽입된다.

*마커 블록(656)은 뼈(654)에 고정된다. 지그 헤드(650)는 위치제어 블록(658)에 가동적으로 부착되며 상기 위치제어 블록(658) 자체도 마킹 블록(656)에 가동적으로 부착된다. 본 발명의 통합 시스템은, 조직가 적절한 위치에서 절단되는 것을 확실히 하기 위해 지그 헤드(650)를 정밀하게 위치시키도록 사용된다.

도 24A의 단계 672에 나타난 바와 같이, 본 발명의 통합 프로세스는 마커 블록(656)을 고정된 장소에 고정시키는 것으로 시작된다. 일반적으로, 이 장소는 신체상의 위치, 예컨대, 뼈(654)의 섹션이다. 보통, 수술 안내 시스템은, 여기서는 지그 헤드(650)인 수술 구성요소가 놓여진 곳에 가까운 장소에서 마커 블록의 위치제어를 용이하게 하기 위해 채용된다. 본 발명의 일례에서, 마커 블록(656)과 함께 핀(674)이 상기 마커 블록을 뼈(654)에 고정시키기 위해 사용된다.

단계 676에서, 지그 헤드(650) 또는 다른 수술 장치 또는 수술 임플란트는 마커 블록(656)에 설비된다. 본 발명의 일례에서 상기 지그 헤드(650) 및 마커 블록에 보조적인 하단부(feet) 및 홈(grooves)이 제공된다(도시되지 않음). 지그 헤드(650) 또는 마커 블록(656) 중 하나의 하단부는 마커 블록(656) 또는 지그 헤드(650) 중 다른 하나에 형성된 하나 이상의 홈에 정밀 미끄러짐 설치(close sliding fit)를 위해 재단된다. 이들 두 개의 구성요소의 정밀 미끄러짐 설치를 용이하게 하도록 다른 수단이 제공될 수 있다.

본 발명의 도시된 일례에서, 지그 헤드(650)는 위치제어 블록(658)에 가동적으로 부착되고 상기 위치제어 블록(658)은 마커 블록(656)에 가동적으로 부착된다.

마커 블록(656)에 대하여 지그 헤드(650)를 움직이도록 하는 결합 어셈블리에 추가하여, 이들 두 개의 구성요소가 보조 운전 어셈블리(complementary drive assembly)로 공통적으로 제공될 수 있다. 이 운전 어셈블리는 마커 블록(656)에 대하여 지그 헤드(650)를 움직이게 한다. 본 발명의 개시된 일례에는, 두 개의 운전 어셈블리가 있다. 첫 번째 운전 어셈블리는 마커 블록(656)에 대하여 위치제어 블록(658)을 수직으로 움직인다. 도 23에서, 이 운전 어셈블리는, 마커 블록(656)에 회전적으로(rotatingly) 고정된 환형 기어(680) 및 위치제어 블록(658)에 대해 회전하는 웜 기어(682)에 의해 나타내진다. 두 번째 운전 어셈블리는 위치제어 블록(658)에 대해 지그 헤드(650)를 수평으로 움직인다. 이 운전 어셈블리는 위치제어 블록(658)에 회전적으로 고정된 환형 기어(684) 및 지그 헤드(650)에 회전적으로 설비된 웜 기어(686)에 의해 나타내진다.

일단 상기 지그 어셈블리(648)가 환자에게 설비되면, 단계 690에서 수술 안내 유닛은 지그 헤드의 원래의 장소를 평가한다. 도 23에서 지그 헤드(650)는 세 개의 LED(692)를 갖는 것으로 나타난다. 상기 LED(692)는 지그 헤드(650) 내로 조립된 트래커를 나타낸다. 위치제어 블록(658) 또한 세 개의 LED(693)을 갖는 것으로 나타난다. LED(693)은 수술 안내 유닛과 함께 위치제어 블록(693)의 위치의 판단을 용이하게 한다.

단계 694에서 지그 헤드(650)에 대한 최초의 이동 속도(displacement rate)가 발생된다. 이 이동 속도는 수술 안내 콘솔(540), 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)와 같은 원격 유닛 중 하나에 의해 발생될 수 있다. 상기 이동 속도는 지그 헤드(650)가 위치되어야 하는 환자 상에 사전에 지정된 위치에 기초하며 지그 헤드(650)의 현재의 위치는 단계 690에서 얻어진다. 일반적으로, 상기 최초의 이동 속도는 사전에 판단된 최후 장소에 대한 지그 헤드(또는 임플란트)의 원래의 거리에 반비례한다. 또한, 단계 694에서, 최초의 지그 헤드 이동 속도에 기초하여, 핸드피스 모터에 대한 최초의 속도가 판단된다. 단계 695에서, 최초의 핸드피스 모터 속도는 핸드피스 제어 프로세서(DSP(170))로 로딩된다. 이들 임무가 수행되었음을 가리키는 메시지 또한 디스플레이된다.

단계 696에서, 상기 수술 도구(30)가 운전 어셈블리에 부착된다. 도 23에서, 이것은 지그 헤드(650)의 웜기어(686)로 수술 도구(30)를 결합하는 것에 의해 표시된다. 이 결합은, 보조 결합 양상과 함께 수술 도구의 이동 요소 및 운전 어셈블리를 제공하는 것에 의해 완수된다. 예를 들어, 웜기어(682 및 686)의 가장 가까운 말단부는 끝이 막혀 있는 사각형 모양의 구멍(bores)으로 제공된다. 수술 도구(30)의 운전 샤프트(shaft)는, 상기 샤프트를 웜기어(682)의 가장 가까운 말단부 구멍으로 정밀하게 미끄러져서 설치되도록 하는, 말단부 사각형 모양을 구비한다.

일단 단계 696이 실행되면, 단계 698에서, 외과의는 지그 헤드(650)를 위치시키도록 상기 수술 도구(30)를 가동한다. 단계 694에서 지그 헤드 이동 속도/모터 속도가 계산되고 로딩되는 본 발명의 일례에서, 도구를 가동하기 위해 트리거 스위치(46 또는 47)를 누르면, 제어 프로세서(DSP(170))는 사용자 속도를 자동으로 지정하여 모터(34)가 지정된 속도로 동작한다. 수술 도구에 의한 기계적 에너지 출력은 지그 헤드(650)를 적절한 나중 위치로 이동시키기 위한 운전 어셈블리에 의해 채용된다(단계는 보이지 않음).

지그 헤드(650)가 이동되는 시간 동안, 단계 702에서 수술 안내 시스템은 지그 헤드의 위치를 모니터링한다. 단계 704에서, 수술 안내 콘솔(540) 또는 핸드피스 제어 콘솔(542)은, 지그 헤드 및 목표 위치 사이의 거리 변화에 기초하여, 지그 헤드 교환 정도/모터 속도를 갱신한다. 단계 704의 부분으로서, 새로운 사용자 속도를 지정하는 명령 데이터가 핸드피스 제어 프로세서(DSP(170))로 계속 전송된다. 이 데이터를 기초로 하여, 상기 제어 프로세서는 계속 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 리셋한다. 따라서, 지그 헤드(650)가 목표 위치에 도달함에 따라, 움직이는 속도는 감소한다.

결국, 수술 안내 프로세서(540)는, 단계 706에서 지그 헤드가 목표 위치에 도달하는지를 판단한다. 도 24B에서, 이것은 단계 702, 704 및 706의 루프백된(loop backed) 반복 실행에 의해 나타난다. 일단 상기 사건이 발생하면, 단계 708에서 수술 안내 프로세서(540) 또는 핸드피스 제어 콘솔(542)은 수술 도구로 멈춤 명령을 전송한다. 이 명령을 수령하면, 제어 프로세서(DSP(170))는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 0으로 셋팅한다. 이는 동력 조절기(MCC(172))를 멈추게 하고 모터 로터(78)에 브레이크를 걸게 한다.

그 후에 단계 710은 지그 헤드(650)를 소망하는 위치에 죄는 것을 실행한다. 도 23에서, 세트 스크류(712)(set screw)가 마커 블록(656)을 통해 연장되는 것으로 나타난다. 세트 스크류(712)는 위치제어 블록(658)을 지탱하도록 위치한다. 따라서 상기 세트 스크류(712)는 정확한 위치에 위치제어 블록(658)을 고정하는 죔 요소(clamping member)로서의 기능을 한다. 도시되지는 않았지만, 유사한 세트 스크류는 적당한 위치에 지그 헤드(650)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 통합된 시스템의 이 구성은, 수술 구성요소 또는 임플란트를 정밀하게 위치시키기 위하여 동력화된(motorized) 수술 도구(30)를 사용한다. 일단 상기 동적 기계가 이렇게 위치되면, 상기 도구(30)는 멈춘다.

본 발명의 다른 동적 기계, 시스템 및 방법은 몸체 정착기 유닛을 위치시키기 위하여 사용될 수 있다. 어셈블리의 이러한 타입은 쇄골(collar bone)에 비해 고정적인 두개골을 고정하기 위하여 사용되는 할로(halo) 타입 유닛이다. 다른 동적 기계들은 서로에 대해 고정된 위치에 있는 척추 디스크(spinal disks)를 고정하기 위해 사용된다. 또 다른 동적 기계는 골절된 뼈 조각을 서로 고정한다. 도 24A 및 24B의 방법은 동적 기계의 위치제어에 한정되지 않는다는 것을 동일하게 인식해야 한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 신체 조직 마커(marker)에 대하여 임플란트 내에서 정밀하게 위치되기 위하여 사용될 수도 있다.

V. 통합 시멘트 혼합(INTEGRATED CEMENT MIXING)

본 발명의 수술 도구(30)를 구비한 시스템은 도 25를 참조하여 볼수 있는 바와 같이 수술 시멘트를 혼합하기 위해서 사용될 수도 있다. 여기서, 시멘트 파우더(740)는 카트리지(742)를 포함한다. 모노머(도시되지 않음)도 카트리지(742)에 있다. 카트리지 내의 날(744)은 시멘트 파우더 및 모노머를 서로 혼합하여 경화되지 않은 시멘트 덩어리를 형성한다. 상기 날(744)에 부착된 샤프트(746)는 카트리지 상에 배치된 캡(748) 밖으로 연장된다. 샤프트(746)는 수술 도구(30)의 출력 샤프트(750)에 연결된다. 수술 도구(30)는, 혼합 프로세스의 마지막에 시멘트 덩어리가 소망하는 정도에서 경화되고, 굳으며, 경화되었을 때 외과의에게 선택된 소망되는 다공성 및 불투명성을 갖도록 선택된 속도에서 선택된 만큼의 시간 동안 가동된다.

도 26A, 26B 및 26C는 시멘트의 적당한 혼합을 용이하게 하기 위한 본 발명의 시스템에 의해 실행되는 프로세스 단계의 플로우챠트를 공통적으로 형성한다. 상기 프로세스는, 단계 750 및 752에서, 각각, 혼합될 시멘트의 타입 및 양의 입력으로 시작된다. 단계 750 및 752가 수행되는 방법은 여러 가지가 있다. 본 발명의 일례에서, 시멘트 타입 및 양의 정보는, 핸드피스 제어 콘솔(542), 개인용 컴퓨터(544) 또는 펜던트(548)와 같은 시스템의 구성요소 중 하나에 있는 특정한 터치 스크린 버튼을 누름으로써 입력된다.

대안적으로, 도 27에 나타난 바와 같이, 이들 데이터는 혼합 전에 시멘트가 담겨진 패킷(754)으로부터 올 수 있다. 여기서, 상기 패킷(754)에 부착된 것은, Philips Semiconductor사로부터 구할 수 있는 것과 같은 라디오 주파수 확인 칩(RFID)(756)이다. RFID(756)는 패킷(754) 상에 배치된다. 종이나 플라스틱 같은 소량의 RF 투과 방지 재료(758)가 RFID를 제자리에 고정하기 위하여 RFID(756)에 배치된다.

RFID(756)의 내부는, 시멘트의 특성을 설명하는 데이터가 저장된 도 28의 표 760에 의해 표시되는 메모리이다. 이들 데이터는 필드 764로 표시되는, 시멘트 타입의 지시를 포함한다. 시멘트의 양을 나타내는 데이터는 필드 764에 저장된다. 상기 시멘트가 마지막에 사용될 수 있는 만료일은 필드 766에 저장된다. 시멘트와 혼합되어야 하거나, 적어도 시멘트와의 혼합물로서 바람직한 모노머를 지시하는 데이터는 필드 768에 저장된다. 필드 768은 또한 주어진 시멘트의 패킷과 함께 혼합되어야 하는 모노머의 양에 관한 데이터도 포함한다. 시멘트를 경화시키기 위해 사용되지 않아야 하는 모노머에 관한 데이터는 필드 770에 저장된다. 필드 722는 시멘트와 결합될 수 있는 허용 가능한 첨가제를 설명하는 데이터를 저장한다. 필드 774는 시멘트와 결합될 수 없는 첨가제의 목록을 포함한다.

RFID(756)는 탐침(780)에 있는 리더(도시되지 않음)에 의해 스캔된다. 탐침(780) 및 리더는 핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 컴퓨터(544)와 같은 시스템의 다른 구성요소와 연결된다.

대안적으로, 본 발명의 몇몇 일례에서, 카트리지(742)는 미리 측정된 시멘트 파우더(740)의 양을 포함한다. 본 발명의 이들 일례에서, RFID(782)는 카트리지와 함께 통합적으로 결합된다. RFID(782)는 카트리지 캡(748)에 수납될 수 있다. 본 발명의 이들 일례에서, 데이터는 수술 도구(30) 내의 RFID 리더 또는 탐침(780) 내의 리더에 의해 읽혀질 수 있다. 본 발명의 이 일례의 몇몇 변화에서, RFID(782)는 카트리지(742)가 저장된 패키지에 부착된다. 여기서, 단계 750 및 752는 탐침(780)으로 수행된다.

일단 단계 750 및 752가 수행되면, 단계 786에서, 시멘트(720)가 절차 수행에 적합한지 여부를 시스템이 판단한다. 단계 786에서 다수의 개별 평가가 수행된다. 하나의 평가는 RFID 만료 필드 766의 데이터에 기초하여 시멘트의 사용을 위한 만료일이 지났는지 여부를 판단한다.

또한, 다른 데이터에 기초하여, 단계 786에서 상기 절차에 시멘트 타입 및 양이 적절한지에 관하여 판단이 내려진다. 이 판단이 내려지는 인용 데이터는 절차 전에 수술 요원에 의해 입력된 데이터에서 온다. 대안적으로, 이들 데이터는 상기 절차를 수행하기 위해 사용되는 설비 또는 다른 구성요소로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급되고 인용에 의해 삽입된, 2002년 8월 8일에 출원된, 출원인의 미국특허출원 제10/214,937호, "SURGICAL TOOL SYSTEMS WITH COMPONENTS THAT PERFORM INDUCTIVE DATA TRANSFER"로서 미국특허공개 제2003/0093103호에서, 수술 임플란트가 RFID로 제공되는 방법을 기술한다.

도 29는 이들 RFID 중 하나의 메모리(790)에 저장된 몇몇 데이터의 부분적인 리스트이다. 필드 792에 나타난 바와 같이, 이들 데이터는 임플란트를 부착하기 위해 사용될 수 있는 시멘트 타입의 지시를 포함한다. 사용되지 않아야 하는 시메트를 가리키는 데이터는 필드 794에 저장된다. 필드 796은 일반적으로 요구되는 시멘트의 양을 가리키는 데이터를 저장하다. 절차에 맞는 임플란트가 메모리(790) 데이터를 갖는 타입이라면, 단계 750 전에, 상기 시스템, 예컨대 개인용 컴퓨터(544)는 바람직한 시멘트 타입 및 양의 데이터를 디스플레이한다.

상기 시멘트가 허용되지 않는다고 판단되면, 상기 시스템은 단계 797에 의해 표시되는 경고를 디스플레이한다. 단계 797에서, 경고는, 경고의 원인, 예컨대, 잘못된 시멘트, 기간이 만료된 시멘트 또는 리콜된 로트(lot)를 가리킨다. 경고가 표시된 후에 수술 요원에 의해 수행된 단계는 나타나지 않는다. 수술 요원은 새로운 배치(batch)의 시멘트를 혼합하는 것, 프로세스를 재시작하는 것을 결정할 수 있다. 대안적으로, 수술 요원은 경고가 혼합 프로세스의 재시작을 보증하지 않는다고 결정할 수 있는데, 예컨대, 시멘트의 만료일이 단지 최근에 경과한 경우이다. 이러한 환경에서, 수술 요원은 경고 디스플레이에 있는 회신 버튼을 누른다. 회신의 입력은 그 후에 수술 절차를 위한 경과기록에 기록된다. 도 26A에서, 단계들은 경고의 발생 후에 실행되고, 단계 797은 보이지 않는다. 단계 798은 혼합 유닛, 예컨대 카트리지(742) 내로 시멘트를 가하는 것이다.

일단 상기 시멘트가 만족스럽다고 판단되면, 상기 시스템은, 단계 799에서, 시멘트와의 혼합이 허용될 수 있는 모노머의 지시 및 시멘트와 모노머가 혼합 유닛(카트리지(722))에 로딩되는 순서를 디스플레이한다. 이러한 데이터는 시스템으로 사전에 프로그램될 수 있다. 대안적으로, 메모리(760)의 필드 768 및 771에 의해 나타난 바와 같이 이러한 데이터는 시멘트와 함께 RFID(756)에 저장되거나 이로부터 검색될 수 있다.

상기 순서에서 모노머를 투입할 시간인 경우, 모노머의 특성에 대한 데이터가, 단계 803에서, 시스템으로 입력된다. 이 단계는 수동으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 모노머가 저장된 컨테이너(805)에 부착된 RFID(804)가 읽혀진다. 이 RFID(804)는 시멘트 패킷 RFID(756)을 읽어내기 위해 사용된 동일한 구성요소에 의해 읽혀진다. RFID(804)는 도 30의 표 808에 의해 표시되는 메모리를 포함한다. 모노머 RFID 메모리(808) 내부에, 모노머 타입을 가리키는 데이터 필드(810); 모노머의 양을 가리키는 데이터 필드(812); 및 만료일을 가리키는 데이터 필드(814)가 있다. 도시되지는 않았지만 시멘트 RFID(756)의 메모리(760) 뿐만 아니라 RFID 메모리(806)에 있다고 이해되는 것은, 제조자에 관한 정보 및 제조 로트번호가 저장된 데이터 필드이다.

일단 단계 803이 실행되면, 상기 시스템은 모노머가 허용 가능한지 판단하기 위한 단계 818을 수행한다. 이 단계는 사전에 얻어진 인용 데이터에 기초하여 수행된다. 이러한 인용 데이터는 시스템에 하드로 저장될 수 있고, 시멘트 RFID(756)으로부터 얻어진 데이터 또는 절차에 앞서서 저장될 수 있다. 단계 818에서 첨가를 위해 선택된 모노머가 허용 불가능하다고 판단되면, 시스템은, 단계 820에서, 경고를 디스플레이한다. 단계 820은, 수술 요원이 경고에 대한 이유의 통지를 받는다는 점에서 단계 797과 유사하다. 수술 요원은 그 후에 상기 모노머를 사용할지 새로운 모노머의 컨테이너를 선택할지 결정할 수 있다. 수술 요원이 잠재적으로 의문이 드는 모노머를 사용하기로 결정한 경우, 회신이 입력된다. 상기 단계들은 보이지 않는 단계 820의 실행 후에 실행된다.

단계 818에서 모노머가 허용 가능하다고 판단되면, 단계 821에서 혼합 유닛(카트리지(742))으로 가해진다.

상기 단계들이 보여지지 않는다 해도, 본 발명의 시스템 및 방법은 또한 시멘트 혼합물에 가해진 모노머의 부피를 모니터링한다. 부피 판단은 모든 모노머가, 양(quantity) 필드 812에 지시된 바와 같이 혼합물로 가해졌다고 가정함으로써 이루어진다. 이 부피가 시멘트의 양에 대하여 필드 768에서 정의된 것보다 너무 많거나 큰 경우, 적절한 경고 메시지가 디스플레이된다. 이러한 평가에서 너무 많은 모노머가 시스템에 가해졌다고 지시된다면, 이 시스템은 이에 따라 통지를 제공하여 상기 혼합물이 버려져야 하는지 아닌지에 관련된 결정이 내려질 수 있다. 상기 평가에서 너무 적은 모노머가 가해졌다고 가리킨다면, 상기 통지는 추가적인 모노머를 가할 기회를 제공한다.

시멘트와 모노머가 혼합 유닛에 놓인 후에, 단계 822에 의해 나타나는 바와 같이 첨가제도 상기 유닛에 놓일 수 있다. 시멘트 혼합물에 간혹 포함되는 첨가제는 치료물질(therapeutic), 예컨대 항생물질(antibiotic)이다. 포함될 수 있는 다른 타입의 첨가제는 시멘트의 이미지를 캡쳐하기 위한 의료용 이미지 유닛(medical imaging unit)의 능력을 향상시키도록 디자인된 재료를 포함한다. 이 목적을 위해 바륨 설페이트가 시멘트에 간혹 첨가된다.

도 26A에서, 첨가제의 첨가가 단일 단계 822로 보여진다. 시스템 및 이 시스템의 방법에서, 첨가제를 포함할 필요성을 지시하기 위해 이미지가 나타날 수 있다는 점 또는 첨가제가 가해져야 하는 지점에 프로세스가 있지 않다는 점을 인식해야 한다. 가해질 첨가제의 특성에 대한 데이터는, 시멘트 파우더 및 모노머에 대한 데이터가 입력되는 방법과 유사하게 수동 또는 전자적 방식을 사용하여 입력된다. 첨가제가 저장된 컨테이너와 함께 RFID가 읽혀진다. 일단 상기 시스템이 첨가제-설명(additive-describing) 데이터로 제공되면, 상기 첨가제 및/또는 상기 첨가제(들)의 양이 허용 가능한지 여부를 판단하기 위해 단계 818과 유사한 단계가 수행된다.

이 판단이 내려지게 하는 인용 데이터는 시멘트 RFID 메모리(760)의 필드 772 또는 774로부터 나올 수 있다. 대안적으로, 이들 인용 데이터는 임플란트 RFID 메모리(808)의 필드 823 및 824로부터 읽혀진다. 여기서, 필드 823은, 임플란트와 함께 사용되기에 허용 가능하거나 또는 사용되기에 소망되는/요구되는 첨가제를 가리키는 데이터를 포함한다. 필드 824는 임플란트와 함께 사용되기에 부적절한 첨가제를 기술하는 데이터를 포함한다. 필드 772 및 823은 또한 효과적인 양이 있음을 확인하기 위해 가해져야 하는 첨가제의 부피 또는 질량을 가리키는 데이터를 포함한다는 점을 인식해야 한다. 허용 가능한, 소망되는, 요구되는 및 허용 불가능한 데이터를 기술하는 유사한 데이터도 모노머 컨테이너와 결합된 몇몇의 RFID(804)에 저장된다.

단계 822는 상기 첨가제가 시멘트 형성 혼합물 내로 산입을 위해 적절하다는 점 및 충분한 양의 첨가제가 포함되었다는 점을 증명하는 하위 단계를 포함한다는 것을 이해해야 한다.

상기 프로세스 단계는 다른 순서로 반복 및/또는 재실행될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 상기 단계들이 재실행되는 정확한 횟수 및 이들의 실행 순서는 혼합될 시멘트의 양과 시멘트, 모노머 및 첨가제가 혼합 유닛(카트리지(722))으로 첨가되는 순서의 함수이다. 몇몇 시멘트 및 모노머는 교차되는 순서로 혼합된다. 다른 시멘트는 먼저 모든 파우더를 가하고 그 후에 모든 모노머를 가함으로써 만들어진다. 이러한 순서 데이터(시멘트 RFID(756)으로부터 얻어짐) 및 양 데이터(임플란트 RFID 메모리(790)로부터 얻어짐)는 최초로 구성요소 첨가 단계가 수행되는 순서를 최초로 판단하기 위하여 시스템에 의해 사용된다. 이들 단계를 수행하기 위한 순서를 가리키는 명령 데이터는 디스플레이 중 하나 상의 시스템에 의해 나타난다.

일단 상기 시멘트 혼합물을 형성하기 위해 혼합되는 재료가 혼합 유닛에 첨가되면, 외과의에게 선택된 응고 시간(set time)이 단계 828에 의해 표현된 것처럼 시스템 내로 입력된다. "응고 시간"은, 경화되지 않은 시멘트가 피크 발열 반응(peak exothermic reaction)을 갖기 전의, 사전-혼합(post-mixing), 시간의 양이다. 이 사건의 발생은, 시멘트가 더 이상 쉽게 성형될 수 없는 지점까지 경화되었음을 의미한다. "작업 시간(working time)", 시멘트가 쉽게 형상으로 성형될 수 있는 시간은, 응고 시간에 정비례하며 이보다 작다.

단계 829에서, 데이터는 경화된 시멘트의 소망하는 다공성을 지시하는 시스템 내로 입력된다. 이들 데이터는 임플란트 RFID 메모리(790)의 필드 832 내의 데이터에 기초하거나 입력될 수 있다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 단계 829는 임플란트 메모리 필드 831로부터 검색된 다공성 레벨의 디스플레이로 시작한다. 그 후에 외과의는 제시된 레벨을 허용하거나 현재의 수술 절차의 특수성에 기초하여 레벨을 조정한다. 임플란트가 다공성 레벨을 제공하지 않는 본 발명의 일례에서, 상기 시스템은, 단계 829에서, 외과의에게 선택된 다공성 레벨을 입력하라고 지시한다.

상기 시스템은, 단계 831에서, 혼합을 수행하기 위해 채용된 도구의 특성을 평가하기도 한다. 이들 데이터는 터치 스크린 디스플레에 상에 있는 버튼을 누름으로써 입력된다. 대안적으로, 이들 데이터는 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 도구 제어 프로세서(DSP(170))에 의해 제공된 특성 데이터를 확인하는 도구에 기초한 시스템에 의해 알려진다.

단계 832에서, 주위 온도 및 상대 습도가 시스템 내로 입력된다. 이러한 데이터는 수동으로 입력된다. 대안적으로, 환경 모니터(833)는 작업실에 있으며 다른 유닛(핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544)) 중 하나에 연결된다. 환경 모니터(833)는 온도와 습도에 민감한 변환기를 포함한다. 이들 변환기에 의해 발생된 출력 신호는 시멘트 혼합 프로세스를 제어하고 모니터링하는 시스템 유닛으로 전송된다. 본 시스템의 이 구조에서, 단계 832는 인간의 개입 없이 수행된다.

단계 834에서 혼합 시스템의 특수성이 시스템으로 입력된다. 이들 특수성은, 혼합 유닛의 타입(볼(bowl) 또는 카트리지); 날 타입; 날 진동 유닛의 존재; 히터의 존재를 포함한다.

상기 데이터에 기초하여, 상기 시스템은, 단계 836에서, 혼합 프로세스 변수를 발생한다. 이들 변수는, 모터(34)가 가동되어야 하는 속도; 혼합 지속시간, 모터가 가동되어야 하는 총 시간; 및 날의 방향(단방향 또는 순환식 정방향/역방향/정방향/역방향)을 포함한다. 혼합 시스템이 날을 길이 방향으로 진동시킬 수 있으면 진동 속도가 평가된다. 혼합 유닛에 히터가 있는 경우, 상기 혼합 유닛이 가열되어야 하는 온도가 평가된다.

단계 836에서, 상기 혼합 변수들은 개인용 컴퓨터(544)와 같은 구성요소에 포함된 검색표에 저장된 데이터에 기초하여 평가된다. 대안적으로, 또는 상기 검색표 데이터와 조합하여, 상기 혼합 변수들은 저장된 알고리즘의 실행에 기초하여 평가된다. 단계 750, 752, 803, 822, 828, 829, 831, 832 및 834에서 입력된 데이터 및/또는 검색표로부터의 데이터는 알고리즘을 위한 입력 변수들로서 기능한다.

상기 검색표 및 알고리즘 상수, 계수 및 지수는 일반적으로 경험분석(empirical analyses)에 의해 평가된다. 표 1은 상기 기술된 변수들 및 상기 모터(34)가 작동되어야 하는 속도 및/또는 혼합 지속시간 사이의 일반적인 관계를 나열한다.

모터 속도 및 혼합 지속시간은 또한 도구 타입의 함수이다. 예를 들어, 부착된 도구가 저속 리머(reamer)인 경우 혼합 지속시간은, 도구가 일반적으로 고속으로 작동하는 드릴인 경우보다 길 것이다. 날 타입 및 혼합 유닛 타입과 같은 혼합 시스템 구성요소와 같은 변수에는 혼합 속도 및/또는 혼합 지속시간이 변화하는 효과가 있다.

일반적으로, 시멘트에 대해 비교적 짧은 응고 시간이 소망된다면, 시스템은, 혼합 유닛 히터가 화합물의 혼합 온도를 낮추도록 판단한다. 날의 회전 방향 및 길이 방향으로 진동해야하는지 여부는 일반적으로 시멘트 타입, 첨가제(들)의 타입(들), 및 날 타입의 함수이다.

단계 836에서도, 혼합 프로세스의 마지막에 혼합된 시멘트의 점도가 평가된다. 또다시, 이것은 일반적으로 경험적인 프로세스에 의해 판단된다. 경험적인 프로세스에 기초한 검색 데이터는 시스템, 예컨대 개인용 컴퓨터(544) 또는 병원의 중앙 데이터베이스에 저장된다. 이들 데이터에 기초하여, 도구 모터(34)에 의해 흘려져야 하는 전류의 평가 또한 단계 836에서 발생된다. 본 발명의 몇몇 일례에서는, 단지 이들 후자의 데이터만 발생된다. 본 발명의 바람직한 일례에서, 상기 시스템은, 실재의 혼합 프로세스 동안의 시간에 걸쳐 모터가 흘려야 하는 전류를 대표하는 데이터를 발생한다. 도 31의 곡선 840은 하나의 이러한 데이터 셋트를 나타낸다.

단계 842에서, 상기 시스템은 그 후에 혼합 셋팅(mix settings)을 도구 제어 프로세서(DSP(170))로 전송한다. 최소한도로, 단계 842에서, 상기 시스템은 도구 제어 프로세서에, 단계 836에서 평가된 바와 같은, 모터가 운전되어야 하는 속도를 가리키는 데이터를 제공한다. 날이 정방향/역방향/정방향/역방향 순환식인 경우, 최소한의 데이터는 상기 제어 프로세서 내로 모터가 각각의 방향으로 회전하는 거리의 지시를 사전에 로딩하는 것(preloading)을 또한 포함한다. 단계 842에서, 상기 시스템은 평가된 혼합 지속시간을 가리키는 데이터를 도구 제어 프로세서에 추가로 제공할 수 있다. 또한 단계 842의 부분으로서, 시멘트를 혼합하기 위해 도구가 셋팅되는 시스템에 의한 디스플레이도 있다.

다음 단계인, 단계 844는 혼합을 수행하기 위한 도구의 가동이다. 혼합 전에, 소망되는 날의 회전에 영향을 미치기 위하여 날 샤프트(746)는 도구 샤프트(750)에 연결된다는 점이 인식되어야 한다(보이지 않는 단계). 도구 속도가 이미 셋팅되었기 때문에, 수술 요원은 모터가 올바른 속도 및/또는 지속시간으로 회전하는지 확실히 하기 위하여 제어기 스위치(46 또는 47)를 정밀하게 누르는 정신적 또는 육체적 수고를 하지 않는다. 미리 로딩된(preloaded) 명령에 기초하여, 제어 프로세서(DSP(170))는 적절한 사용자_속도(USER_SPEED) 및 정방향(FORWARD) 및 역방향(REVERSE) 신호를 동력 조절기(MCC 172)에 어써트한다. 따라서, 상기 미리 로딩된 명령은 모터(34)가 올바른 속도에서 올바른 방향(또는 방향들)으로 회전하도록 한다.

일단 수술 도구가 가동되면, 상기 시스템은, 단계 846에서 나타나는 바와 같이, 상기 도구가 가동되는 시간 및 핸드피스 모터에 의해 흐르는 전류 모두를 모니터링한다. 본 발명의 시스템의 몇몇 일례에서, 이들 데이터는 원격 유닛(핸드피스 제어 콘솔(542) 또는 개인용 컴퓨터(544))으로 전송된다.

단계 848 및 850은, 혼합 프로세스를 통해, 일반적으로 원격 유닛인 상기 시스템이 핸드피스 모터(34)에 의해 흘려지는 전류를 모니터링하는 것을 나타낸다. 상세하게는, 단계 848에서, 상기 시스템은, 혼합 프로세스 동안 주어진 시간에서 예상된 전류 흐름보다 상기 전류 흐름이 현저하게 낮은지 여부에 관하여 판단을 내리는 것을 모니터링한다. 도 31에서, 허용 가능한 최소 전류 흐름은 점선(852)으로 나타난다. 따라서 시각 t_N에서, 허용 가능한 최소 전류 흐름은 I_MIN이다. 상기 전류 흐름이 상기 허용 가능한 최소 전류 흐름보다 낮을 경우, 상기 시멘트는, 혼합 프로세스 내의 상기 시각에서 나타나야 하는 것보다 더 점성이 낮을 가능성이 상당하다. 상기 시멘트가 이러한 상태일 경우, 상기 시스템은 혼합 지속시간 및/또는 모터 RPM을 증가시키라는 명령을 발생시키는 실행 단계 856에 의해 응답한다.(이들 명령을 도구(30)에 전송하는 단계 및 도구에 의한 실행 단계는 나타내지 않음.)

단계 860에서, 상기 시스템은 흐르는 전류가 혼합 프로세스의 시간 지점에 대해 최대 레벨을 넘는지를 평가한다. 도 31에서 임의의 시각에서의 상기 최대 전류 흐름은 점선(858)으로 나타난다. 시각 t_N에서 허용 가능한 최대 전류 흐름은 I_MAX이다. 상기 전류 흐름이 허용 가능한 최대 레벨 위인 경우, 시멘트 혼합물은, 혼합 프로세스 내의 시간 지점에서 나타내야 하는 것보다 더 점성이 높을 가능성이 상당하다. 상기 시멘트가 이러한 상태인 경우, 상기 시스템은, 단계 861에서, 혼합 지속시간 및/또는 모터 RPM을 감소시키라는 명령을 발생한다.(이들 명령을 도구(30)에 전송하는 단계 및 도구에 의한 실행 단계는 나타내지 않음.)

상기 시스템은 또한, 단계 862에서, 혼합 지속시간과 동일한 시간 동안 혼합을 수행하는 수술 도구가 실행되었는지 모니터링한다. 단계 862에서 상기 시멘트가 선택 지속시간 동안 혼합되었다고 평가되면, 단계 864에서 수술 도구(30)가 멈춘다. 이 멈춤은, 저장된 명령에 기초한 혼합 시간의 마지막에 속도 0의 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 자동으로 발생하는 도구 제어 프로세서(DSP(170))에 기초하여 발생할 수도 있다. 대안적으로, 상기 원격 유닛은, 제어 프로세서가 속도 0의 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 어써트하도록 명령하는, 상기 수술 도구(30)로 특정한 신호를 발생한다.

도구(30)의 멈춤 바로 전에 도구 모터(34)에 의해 흘려진 전류는 또한 단계 866에서 다시 테스트된다. 단계 866에서, 이 전류 흐름은 혼합 프로세스의 마지막에 예상된 허용 가능한 레벨 위에 있는지 평가하기 위하여 테스트된다. 혼합 시멘트가 예상보다 높은 점도를 가짐을 가리킬 때 상기 시스템은 적극적인(positive) 판단으로 해석한다. 이는 상기 혼합 시멘트가 작업하기 더 어려워질 것이고 짧은 응고 시간을 가질 것임을 의미한다. 따라서, 단계 866의 판단이 적극적이면, 상기 시스템은, 단계 868에서, 시멘트의 예외 상태에 관한 경고를 표시한다. 수술 요원이 상기 시멘트를 사용하겠다고 결정하면, 상기 시스템에 회신을 입력한다(보이지 않는 단계).

단계 866의 평가가 소극적(negative)으로 테스트되면, 상기 시멘트는 허용 가능한 점도를 갖는다. 상기 시스템은, 단계 870에 나타난 바와 같이, 상기 시멘트 혼합물이 만족스럽다고 가리키는 메시지를 발생한다.

일단 시멘트 혼합이 완료되면, 상기 시스템은, 단계 872에서, 예상된 응고 시간을 평가한다. 이 평가를 내리기 위해 만들어진 하나의 입력 변수는 모터(34)에 의해 흘려진 전류의 최종 측정치이다. 상기 논의된 바와 같이, 이들 데이터는 시멘트의 최종 점도에 비례한다. 이 평가를 내리기 위해 사용되는 다른 입력 데이터는 이전에 입력된 데이터로서, 시멘트 타입; 주위 온도; 주위 상대습도; 첨가제 및 그의 양; 및 (있다면) 혼합 유닛 히터 온도이다.

단계 872에서 응고 시간의 평가는 혼합 지속시간을 평가하기 위해 단계 836에서 채용된 것과 유사한 방법을 사용하여 수행되었다. 응고 시간을 평가하기 위해 단계 872에서 사용된 검색표, 상수, 계수 및/또는 지수를 발생하기 위해서 경험적으로 유도된 인용 데이터가 사용되었다. 표 2는 미경화 시멘트 사전-혼합(post-mix) 및 응고 시간 사이의 일반적인 관계를 열거한다.

일단 상기 응고 시간이 결정되면, 단계 872는 이 시간의 디스플레이로서 완결된다. 단계 872는 868의 전류 흐름 테스트를 대체함으로써 또는 전류 흐름 테스트 후에 수행될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 본 발명의 이들 일례에서, 응고 시간이 너무 짧다고 평가되면, 예컨대 외과의에게 선택된 응고 시간의 단지 80% 또는 90%라면, 경고 디스플레이 단계 870이 그 후에 수행된다.

동일하게, 외과의의 선택에 근거하여, 단계 872에서 상기 시스템은 시멘트 작업 시간을 계산하고 디스플레이한다는 점을 이해해야 한다.

단계 874에서 상기 시스템은, (개인용 컴퓨터(544)) 상기 응고 시간을 가리키는 디스플레이를 멈춘다. 상기 시스템은 또한, 단계 876에서, 예상된 응고 시간에 상기 시간이 접근할 때를 모니터링한다. 상기 응고 시간이 다가오면, 단계 878에서 경고가 제공된다. 이 경고는, 시각적이면서, 청취 가능할 수 있다. 시멘트가 혼합되면, 모터(34)에 의해 흘려진 전류는 허용 가능한 최소 레벨 아래로 계속 유지된다는 점을 이해해야 한다. 이 사건이 발생하면, 혼합 프로세스는 응고 시간 경계를 넘어서 증가할 것이다. 단계 882에서, (도 26E) 상기 시스템은 초과 여부를 확인하기 위해 혼합 지속시간을 모니터링한다. 이 평가가 적극적(positive)인 것으로 테스트되면, 경고가 표시된다. 이는 시멘트를 혼합하기 위해 사용되는 구성요소에서 비정상적인 어떤 일이 있을 수 있다는 통지를 수술 요원에게 제공한다.

본 발명의 시스템의 상기 구조는 수술 시멘트의 혼합을 자동화한다. 수술 요원은, 시멘트 타입 및 양, 모노머 타입 및 양, 소망하는/요구되는 첨가제와 같은, 시멘트를 형성하는 데 사용되어야 하는 혼합 구성요소를, 시멘트가 사용되어야 하는 구성요소, 임플란트의 함수로서 자동으로 통지받는다. 이는 잠재적으로 부적합한 구성요소 또는 구성요소의 양이 시멘트 혼합물로 도입될 가능성을 감소시킨다. 유사하게, 시멘트를 형성하기 위해 사용되는 구성요소에 근거하여, 구성요소가 서로 혼합되는 시간 및 프로세스, 외과의의 선택 및 혼합 시스템 구성요소가 자동으로 계산된다. 이는 이러한 계산을 하기 위해 필요한 시간 및 부정확한 계산을 야기할 수 있는 사람의 실수 가능성을 감소시킨다.

실제의 혼합 프로세스 도중에, 본 발명의 시스템은 혼합을 수행하기 위해 채용된 도구(30)의 작동을 조절한다. 수술 요원은 상기 도구가 시멘트를 형성하는 구성요소들을 서로 정확하게 혼합했음을 확인하는 상당한 정신적 또는 육체적 수고를 기울일 필요가 없다. 또다시, 상기 도구(30)의 자동화된 제어로 인해, 사람의 실수가 과하거나 불충분한 혼합을 야기할 가능성이 실질적으로 감소된다.

일단 혼합 프로세스가 완료되면, 상기 시멘트가 너무 점성일 수 있거나 사용하기에 너무 빠르게 응고될 수 있는지 여부에 대하여 상기 시스템이 즉각적인 표시를 제공한다. 상기 시스템은 또한 상기 시멘트가 언제 응고될지를 가리키는 데이터도 제공한다. 따라서, 시멘트가 10분의 응고 시간을 갖기를 원한다고 외과의가 표시한 경우, 상기 시스템은 상기 응고 시간이, 예컨대 9분 30초와 같이 더 짧은지 여부를 표시한다. 이 정보로 인해 외과의는 특정 부분의 수술 절차를 비교적 빠른 속도로 수행하는 것이 필요할 수 있다는 점을 알게 된다. 대안적으로, 응고 시간은, 예컨대 10분 대신 11분과 같이, 약간 긴 시간에서 도달할 것이라는 점을 시스템에 의해 발생된 데이터가 가리킨다면, 외과의는 마찬가지로 이 사실을 알게 되어서 이 사실을 인지하고 적절하게 절차의 수행을 조절할 수 있다.

VI. 보조 유닛 통신 및 동력 분배(AUXILIARY UNIT COMMUNICATION AND POWER SHARING)

상기와 같이, 송수신기 헤드(530)나 트래커(539)(모두 도 17에)와 같은 보조 유닛은 본 발명의 동력이 있는 수술 도구(30)에 설비될 수 있다. 이렇게 연결될 수 있는 다른 타입의 보조 유닛은 레이저 포인터 및 광원이다. 또 다른 부류의 보조 유닛은 감지 기능을 수행한다. 이러한 보조 유닛 중 하나는 적외선 변환기를 포함한다. 이 타입의 보조 유닛은 수술 부위에서 조직의 온도를 모니터링하기 위해 사용된다.

도 32 및 33은 본 발명의 수술 도구(30d)에 데이터 신호가 보조 유닛과 교환되도록 하는 접점(contacts)(920)이 제공되는 방법을 도시한다. 접점(920)은 또한 도구 배터리(42)(도 6E)로부터의 동력이 선택적으로 보조 유닛에 공급되도록 하는 전도성 부재의 역할도 한다.

도구(30d)는 헤드(36d)와 이로부터 연장된 핸들(38d)을 포함하는 하우징(32d)을 구비한다. 하우징(32d)은 핸들(38d)로부터 가까운 쪽으로 뻗어 있고 평면인, 헤드(36d)의 헤드 바닥면(head bottom surface)(910)을 구비하도록 형성된다. 캡(912)은 하우징 헤드(36d)의 열려 있는 가까운 쪽 말단부를 마감한다. 캡(912)의 기저(base)는 헤드 바닥면(870)과 동일 평면이다. 두 개의 이격된 사각형의 만입구조(indentations)(914)가 캡(872)의 바닥 평편면에 형성되어 있다. 도구(30d)는 단일 스위치(46)를 구비한 것으로 나타난다.

헤드 바닥면(910)에는 캡(912)이 하우징(32d)에 접하는 모서리가 있는 곳으로 열려 있는 사각형 컷아웃(cut-out)(916)이 형성된다. 터미널(918)은 컷아웃(876)에 설치된다. 핸들(38d)을 향하여 아래쪽으로 뻗어 있는 접점(920)은 터미널(918)의 부분이다. 도시된 본 발명의 일례에서, 4 개의 접점(820)이 제공된다.

도 34는 접점(920)이 연결된 도구(30d) 내부의 구성요소를 도시한다. 두 개의 접점(920)은 통신 접점이다. 본 발명의 일례에서, 도구(30d)와 보조 유닛 사이의 통신은 Philips Semiconductor사에서 입수 가능한 I²C 프로토콜에 따른다. 따라서, 첫 번째 접점(920)은 클럭 신호(clock signal), SCL 신호가 전송되는 접점이다. 두 번째 접점(920)은 직렬 데이터 신호, SDL 신호가 전송되는 접점이다. 도 34에서 통신 접점으로써 기능하는 각각의 접점(920)은 DSP(170a)에 연결된다. 더 구체적으로, 각각의 접점은 저항기(886)를 통해 DSP(170a)에 연결된다. 다이오드(888)는 각각의 저항기(886)의 맞은편으로 직렬로 연결된다. 다이오드(888)는, DSP(170a)로부터 방출된 SCL 및 SDA 신호들을 위하여, 저항기(886)를 우회하여 보조 유닛으로 가는 저저항(low resistance) 우회로를 제공한다.

역바이어스 제너 다이오드(890)는 DSP(170a) 상의 각각의 I²C 핀 및 접지 사이에 연결된다. 따라서 다이오드(890)는 DSP(170a)를 전압 스파이크(voltage spike)로부터 보호한다.

세 번째 접점(920)은 도구 배터리(42) 내의 전하가 보조 유닛으로 공급되는 전도성 부재로서의 기능을 한다. 배터리(42)는 보통 열려 있는 p-채널 FET(896)에 의해 접점(920)에 선택적으로 접속된다. BATT+ 신호는 FET(896)의 드레인(drain)으로 공급된다. 접점(920)은 FET 소스에 접속된다. BATT+는 저항기(898)를 통해서 일반적으로 FET를 열려 있게 유지하는 FET(896)의 게이트로 공급된다.

n-채널 FET(902)는 선택적으로 스위치 FET(896)가 닫히도록 소스 전압 미만의 전압을 FET(896)의 게이트에서 내보낸다. FET(902)의 소스는 저항기(904)에 의해 FET(896)로 연결된다. FET(902)의 드레인은 접지에 접속된다. FET(902)는 DSP(170a)로부터 나타난 하나에 의해 게이트로 제어된다. 제너 다이오드(906)는 BATT+ 핀과 저항기 898 및 904의 접점 사이에 연결된 역바이어스이다. 다이오드(908)는 FET(896)의 소스와 접지 사이에 연결된 역바이어스이다.

일반적으로, 저항기(898)을 통해 FET(898)의 게이트로 연결된 BATT+ 신호는 FET(898)를 오프 상태로 유지한다.

보조 유닛(도시되지 않음)은 상기 유닛이 하우징 헤드(36d)의 가까운 쪽 말단부에 설비되도록 하는 개방면(open faced) 셸을 구비할 수 있다. 상기 셸이 이렇게 위치할 경우, 셸과 통합된 가동 핑거(moveable fingers)가 하우징 만입구조(874)에 설치될 수 있다. 래치 메커니즘(latch mechanism)은, 보조 유닛의 부분으로서, 상기 핑거를 만입구조에 고정하여 상기 핑거가 보조 유닛을 도구(30d)에 고정하게 한다.

I²C 통신 링크를 통해 수신된 보조 유닛으로부터의 데이터는 상기 보조 유닛이 상기 배터리(42)에 저장된 동력을 흘리도록 허용되었다는 점을 DSP(170a)에 통지할 수 있다. 상기 보조 유닛이 이렇게 인정될 경우, DSP(170a)는 게이트 FET(902)에 신호를 어써트한다. 따라서 FET(902)는 저항기(904)를 접지에 접속하도록 닫힌다. 이는 FET(896)를 켜도록 FET(896)의 게이트에 존재하는 전압이 소스 전압 아래로 떨어지는 결과를 야기한다.

도 34에서 보이는 바와 같이, 네 번째 접점(920)은 도구(30d)의 회로의 접지 및 보조 유닛 내부의 회로 사이에 연결을 개설시킨다.

본 발명의 수술 도구(30)의 밀폐된(sealed) 모듈(40)은 도구 동력 발생 유닛(모터(34))의 가동을 조절하고 사용자에 의해 가동되는 제어 부재(트리거 스위치(46 및 47))를 모니터링하는 회로 구성요소를 단순히 보호하는 것 이상의 역할을 한다. 모듈(40)은 또한 동력 발생 유닛의 작동 상태를 대표하는 출력 신호를 발생하는 센서(홀 센서(74 및 76))를 보호한다. 센서(74 및 76)는 압력용기 소독(autoclave sterilization)의 초고습(harsh moist) 환경에 노출되지 않는다. 이렇게 상기 센서를 보호함으로써, 이들의 손상 가능성이 감소된다.

모터(34)를 포함하는 본 발명의 일례의 또 다른 양상은, 모터 로터(78)의 위치를 대표하는 신호를 제공하기 위해 오직 두 개의 센서, 즉 홀 센서(74) 및 76만 필요하다는 점이다. 이는 브러시리스 DC 모터의 위치를 모니터링하기 위해 필요한 피드백을 제공하기 위해 일반적으로 채용되는 센서의 수를 하나 줄인 것이다. 이는 기존의 모니터링 어셈블리에 대비한 비용 절감을 나타낸다.

또한, 모터가 시작, 즉 0 RPM 상태에 있을 때 두 개의 홀 센서(74 및 76)가 로터 위치를 평가하는 정확한 수단을 제공하는 수단 및 두 개의 홀 센서(74 및 76)의 사용은, 모터의 시동 및 최초의 로터 위치 평가를 위해 현저한 양의 동력이 소비될 수 있는 다른 수단을 채용할 필요성을 제거한다. 이는, 상기 모터에 전압을 주기 위한 동력이 배터리(42)로부터 나오는 본 발명의 일례에서 특히 유용하다. 본 발명의 시작시에 감소된 동력 흐름을 최소화하는 것은 임의의 배터리 하나가 방전되기 전에 모터(34)에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있는 총 시간을 증가시키는 데 기여한다.

동력 제어 모듈(40)의 구조는 다른 장점을 가진다. 특히, 고정판(mounting plate)(119)은, FET들(82a-82c, 84a-84c 및 336a-336c)이 고정되는 바로 그 부재보다 더 많은 기능을 공급한다. 고정판(119)은 FET에서 도구 하우징(32)으로 열을 흘려보내는 히트 싱크(heat sink)의 기능을 한다. 고정판 말단부 섹션(121)은 모듈 앞판(92)이 트리거 스위치(46 및 47)의 말단부에 접하는 것을 막아주는 스페이서(spacer)의 역할을 한다. 이러한 접촉은, 발생하도록 허용된다면, 자석(56 및 57)에서 방출된 자장의 패턴에 역으로 영향을 줄 수 있다.

제어 모듈(40)의 조립 중에, 고정판은 회로 보드(64)를 위한 안감(backing)으로서 기능을 한다. 이는 FET들(84a-84c 및 336a-33c)과 회로 보드의 인접면 사이에 와이어 결합을 수행하기 위하여 조립 프로세스에 별개의 배킹판(backing plate)을 도입할 필요성을 제거한다. 일단 제어 모듈(40)이 제조되면, 고정판(64)은 회로 보드(64)를 위한 지지 브래킷(support bracket)의 역할을 한다.

본 발명의 수술 도구(30)의 또 다른 양상은, 상기 도구가 가동되고 있거나 막 가동된 경우가 아니면, 상기 제어 회로 구성요소는 수면 모드라는 점이다. 상기 제어 회로 구성요소가 이 모드일 때, 능동 모드 상태인 경우보다 더 적은 동력이 소비된다. 이 배열은 배터리(42) 상의 흐름(draw)을 최소화한다. 트리거 스위치(46 또는 47) 중 하나가 최초에 휴식 위치(at-rest position)에서 이동되면, 센서(66 또는 70)는 실질적으로 즉시 상태 변화를 경험한다. 이는 제어 회로의 휴식이 실질적으로 동시에 어웨이크 모드(awake mode)로 전이되는 결과를 야기한다. 따라서, 본 발명의 이러한 양상이 배터리(42) 상의 전류 흐름을 감소시키는 데 기여하면서도, 도구의 작동에 현저하게 영향을 미치지는 않는다.

본 발명의 수술 도구(30)는, 가동 부재(트리거 스위치(46 및 47))를 누르는 것의 함수로서 발생된 도구 제어 신호를 변하게 하기 위해 상기 도구(DSP(170)) 내부의 제어 프로세서가 선택적으로 프로그램되도록 더욱 구성될 수 있다. 상기 기술된 프로세스에 의해 표시된 바와 같이, 본 발명의 이러한 양상은 상기 부재의 작동에 기반한 도구 동력 발생 유닛(모터(34))의 작동이 외과의의 선택, 부착된 수술 부착물(41) 타입, 수행되는 절차 또는 절차 내의 지점에 기초한 맞춤 셋팅인 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 무선 수술 도구(30)는, 이전에, 유선 도구만이 이렇게 구성되고 작동될 수 있었던 것과 실질적으로 동일한 방법으로 맞춤 구성 및 맞춤 작동될 수 있다.

VII. 대안적인 구체예

상기 설명은 본 발명의 특정 구체예를 가리킨다. 본 발명의 다른 일례는 상기 기술된 것과는 다른 양상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 모터가 회전 샤프트를 가지는 반면, 본 발명의 모터가 장착된 다른 수술 도구는 진동하거나 왕복운동을 하는 운전 부재를 갖는다.

유사하게, 본 발명은 모터가 있는 수술 도구에 한정되지 않음이 명백하다. 본 발명의 다른 수술 도구는 RF 에너지, 열, 빛 에너지 또는 초음파 에너지를 방출하기 위해 디자인된 유닛과 같은 다른 동력 발생 유닛을 가질 수 있다.

동력 발생 유닛의 작동을 모니터링하는 제어 모듈 내부의 감지 변환기(sensing transducer)의 타입은 동력 발생 유닛 타입의 함수이다. 예를 들어, 동력 발생 유닛이 RF 에너지를 방출하는 경우, 유닛의 내부에는 유닛에 의해 방출된 동력의 함수로서 자장을 발생하는 인덕터(inductor)가 있을 수 있다. 모듈의 내부는 자장의 세기를 모니터링하는, 상기 설명된 홀(Hall) 효과 센서와 유사한 센서가 있다. 대안적으로, 상기 동력 발생 유닛은 상기 유닛의 작동 상태의 함수로서 자외선, 가시광선 또는 적외선 스펙트럼으로 빛을 방출할 수 있다. 예를 들어, 빛을 발생시키는(light-generating) 동력 발생 유닛에 의해 방출된 빛의 일부는 상기 제어 모듈로 전환될 수 있다. 대안적으로, RF 동력 발생 유닛은 결합된 수술 부착물이 부착된 수술 부위가 가열되는 한도의 함수로서 적외선 빛 신호를 방출하는 부재를 포함할 수 있다. 본 발명의 이러한 일례에서, 상기 모듈의 구조 구성요소는 동력 발생 유닛 또는 수술 부위에 의해 방출되는 빛의 타입에 투과성인 윈도우를 포함한다. 상기 제어 모듈의 내부에, 윈도우 뒤로, 방출된 스펙트럼에 민감한 변환기가 있다.

대안적으로, 상기 제어 모듈 내부의 변환기 어셈블리는 상기 동력 발생 유닛에 의해 방출된 기계적 에너지에 민감하다. 예를 들어, 상기 동력 발생 유닛이 진동 변환기(vibrating transducer)를 포함하는 경우, 상기 수술 도구는 발생된 진동의 일부가 이를 통해 상기 제어 모듈로 전송되는 전선관(conduit)을 구비할 수 있다. 본 발명의 이 일례에서, 상기 제어 모듈의 구조 벽(structural wall)은 이들 진동을 상당하게 약화시키지 않는 재료로 형성된다. 상기 제어 모듈 내부의 동작-민감성 변환기는 출력 진동에 반응하여 신호를 발생한다.

상기 동력 발생 유닛이 몇몇 타입의 모터 어셈블리인 본 발명의 일례에서 조차도, 동력 발생 유닛의 작동을 원격으로 모니터링하는 제어 모듈 내부의 센서 어셈블리가 자력 센서를 항상 필요로 하는 것은 아니라는 점을 인식하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 제어 모듈 센서는 모터에 의해 방출 또는 반사된 빛에 응답하는 감광성(photo-sensitive) 유닛이다. 본 발명의 이러한 일례에서, 모터(34)는 이동면(moving surface)을 구비하도록 제공되는데, 상기 이동면을 따라 상이한 반사성(reflectivity)의 재료가 적용된다. 빛은 상기 이동면을 향해 방출된다. 상기 제어 모듈 내부에는 고정된 영역(area)으로부터 반사되는 빛을 모니터링하는 감광성 변환기가 있다. 이동면이 고정된 영역을 통과할 때, 센서에 의해 검출된 반사광의 양은 적용된 재료의 반사성에 따라 다르다. 따라서, 본 발명의 일례에서, 상기 제어 모듈에 배치된 센서는 자장을 모니터링하지 않고 기계적 동력 발생 유닛의 작동 상태에 관해 피드백을 제공한다. 자기적으로 바이어스될 수 있거나 그렇지 않은 인덕터도 센서로서 기능할 수 있다.

유사하게, 본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 제어 모듈 내부의 센서는 기계적 움직임, 모터에 의해 방출되고 제어 모듈을 통해 전송되는 진동에 민감하다.

본 발명의 몇몇 일례에 추가하여, 플럭스 파이프(flux pipe)는 도구 동력 발생 유닛에 의해 방출된 에너지를 제어 모듈로 전송하기 위한 전선관의 역할을 할 수 있다. 도식적으로, 이와 같은 어셈블리가 도 35에 의해 도시된다. 여기서, 방출된 에너지를 위한 좋은 도선(conductor)의 역할을 하고 상기 에너지에 투과성인 플럭스 파이프(924)는 동력 발생 유닛(34)에서 연장된다. 예를 들어, 상기 동력 발생 유닛에 의해 자기 에너지가 방출되는 경우, 플럭스 파이프(924)는 높은 자기 투과성이 있는 재료로 형성된다. (이 상황에서, 상기 플럭스 파이프는 높은 자기 투과성 재료의 중심 코어, 상대적으로 비투과성인 재료의 내부 슬리브(sleeve) 및 높은 투과성 재료의 외부 슬리브를 실제로 포함할 수 있다.) 상기 방출된 에너지가 빛 에너지인 경우, 플럭스 파이프(920)는 동력 발생 유닛에 의해 방출된 에너지에 상대적으로 투과성인 재료로 형성된다. 상기 플럭스 파이프의 자유로운 말단부는 상기 모듈 센서를 에워싸는 제어 모듈 구조 부재에 인접하여 마감된다. 본 발명의 이러한 구조의 장점은, 다른 방법으로 모듈을 위치시키는 것이 가능한 경우보다, 상기 제어 모듈을 동력 발생 유닛으로부터 더 먼 거리에 위치시키는 것을 가능하게 한다는 점이다.

유사하게, 본 발명의 모든 일례에서, 제어 모듈(40)이 밀폐될 필요가 전혀 없다는 점을 인식해야 한다. 제조 경제성 또는 다른 요소들 측면에서 상기 제어 모듈을 그렇게 조립하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 가혹한 소독으로부터 모듈 내부의 구성성분을 보호할 필요가 여전히 존재하는 본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 모듈은 포팅 화합물(potting compound)로 충진될 수 있다.

유사하게, 본 발명의 모든 일례가 상기 기술된 구성요소 각각을 구비할 필요는 없다. 따라서, 본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 제어 모듈은 수동으로 가동되는 제어 부재의 가동을 모니터링하기 위한 센서를 포함하지 않을 수 있다. 유사하게, 본 발명의 도구(30)가 항상 무선일 필요는 없다. 유사하게, 본 발명의 많은 일례에서도, 모터 로터의 위치를 대표하는 신호를 발생하는 홀 센서(74 및 76)는 제어 모듈에 고정되는데, 항상 그럴 필요는 없다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 예를 들어 센서가 가혹한 환경으로부터 보호받을 필요가 없는 본 발명의 도구, 제조 경제성 또는 다른 요소는 상기 센서들(74 및 76) 중 하나 또는 모두가 제어 모듈의 외부에 위치되도록 요구할 수 있다. 예를 들어, 이들 센서는 모터 로터(78)에 상대적으로 가까운 도구에 위치될 수 있다.

또한, 본 발명의 고정판 배열상의 동력 FET와 함께 제어 어셈블리를 제공하는 것이 소망되는 몇몇 도구가 있을 수 있다. 그러나, 다른 이유로, 상기 작동 부재 센서 및 상기 동력 발생 유닛 센서는 모두 모듈에 배치되지 않는다. 본 발명의 이러한 일례에서 상기 제어 어셈블리는 심지어 밀봉된 모듈이 아닐 수도 있다.

유사하게, 이 도구의 진보된 양상은 수술 도구 외의 도구를 채용할 수 있다는 점을 인식해야 한다.

홀 센서(74)가 모터 로터(78)의 위치를 대표하는 신호를 생성하기 위해 채용되는 본 발명에 따라 구성된, 모터를 구비한 도구에서, HALLx 신호가 상태 전이를 경험하는 시기를 평가하기 위한 신호인용레벨(signal reference levels)을 지속적으로 갱신하는 것으로 기술된 프로세스를 수행할 어떤 필요도 없을 수 있다. 경험 분석을 통해 홀 센서(74)로부터의 출력 신호가 도구 작동의 시간에 걸쳐 및 온도 변화에 따라 비교적 안정하게 유지된다고 판단되는 경우 이 갱신은 생략될 수 있다. 이들 단계의 생략은 제어 프로세서(DSP(170))에 의해 수행될 필요가 있는 프로세스 단계를 감소시킨다.

또한, 본 발명의 상기 시스템 및 방법에 의해 실행된 프로세스 단계는 기술되었던 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 단계 494에서, 상기 제어 프로세서(DSP(170))는 트리거 이동에 기반하여, 방정식 1, 선형 방정식을 사용하여, 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 발생한다. 방정식 1은 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 발생하기 위해 사용될 수 있는 하나의 방정식의 예일 뿐이다. 대안적으로 상기 제어 프로세서는 트리거 이동의 함수로서 비선형적으로 변하는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 발생하도록 셋팅될 수 있다.

예를 들어, 도 36의 곡선(930)은, 방정식 1이 수정되는 경우, 제어 프로세서(DSP(170))가 트리거 스위치의 이동에 따라 지수적으로 증가하는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 출력하는 방법을 도시한다. 곡선(930)은, 일반적으로 지수적이면서도 불연속성(932)도 갖는다. 불연속성(932)은 일정한 속도를 건너뛰는 사용자_속도(USER_SPEED) 신호를 발생하기 위해 상기 제어 프로세서(170)가 어떻게 더욱 프로그램될 수 있는지를 나타낸다. 이 불연속성이 소망될 수 있는 하나의 이유는, 절삭기(bur)의 자연적인 공명 진동수(resonant frequency)와 동일한 속도에서 절삭기와 같은 수술 부대물(41)이 회전하는 것을 방지하는 것이다. 상기 진동수에서의 절삭기의 운전을 피함으로써, 절삭기가 가동 중에 진동하는 한도를 최소화한다.

유사하게, 본 발명의 도구를 작동하기 위하여 채용된 프로세스는 다른 구성요소의 사용에 의해 변할 수 있다. 예를 들어, 시작, 0 RPM에서의 로터 위치를 평가하기 위한 단계 378의 테스트는 센서(76)이 전기적으로 센서(74)의 60° 내에 있다는 가정에 기초한 것이다. 본 발명의 대안적인 구성에서, 센서(76)은 전기적으로 센서(74)의 60 내지 120° 사이에 있다. 본 발명의 이들 일례에서, 센서(76)은 심지어 디지털 신호를 로터 위치의 함수로서 출력할 수 있다. 도 9에서, 이 신호는 곡선 908에 의해 표시된다.

여기서, 시작시에, 단계 378에서, 상기 로터가 위치한 특정한 (전기적) 섹스턴트(sextant)의 평가는 하기 프로세스에 따라 이루어진다. 상기 로터(78)가 0 내지 60° 섹스턴트 또는 120 내지 180° 섹스턴트 중 하나에 존재한다고 센서(74)로부터의 정상화된(normalized) 출력 신호가 가리키는 경우, 센서(76) 신호 > 0 인지 평가하기 위하여 테스트가 이루어진다.

이 평가가 틀린 것으로 테스트 되면, 공통적으로 상기 센서 신호는 상기 로터가 0과 60° 사이의 각 위치(angular position)에 존재하는 것으로 가리킨다. 이 평가가 맞는 것으로 테스트 되면, 공통적으로 상기 신호는 상기 로터가 120과 180° 사이의 위치에 존재하는 것으로 가리킨다. 상기 로터가 180 내지 240° 섹스턴트 또는 300 내지 360° 섹스턴트 중 하나에 존재하는 것으로 센서(74)로부터의 정상화된 출력 신호에서 가리키는 경우, 센서(76)로부터 출력 신호의 상기 테스트가 실행된다. 여기서, 이 평가가 맞는 것으로 테스트되면, 상기 센서 신호는 상기 로터가 180과 240° 사이의 각위치에 존재하는 것으로 가리킨다. 이 평가가 틀린 것으로 테스트 되면, 상기 로터는 300과 360° 사이의 위치에 존재한다.

본 발명의 상기 일례의 장점은 센서(74) 및 76을 위한 출력 신호의 진폭(amplitude)을 서로에 대하여 정밀하게 셋팅할 필요성이 제거된다는 점이다. 앞서 기술된 본 발명의 일례에서는, 상기 설명된 비교가 수행될 수 있는 신호를 발생하기 위해 이러한 조절이 요청된다. (신호 조절의 정도는 센서(74) 및 76의 서로로부터의 전기적 상(phase) 격차에 반비례한다.) 본 발명의 이 일례에서는, 센서(76)에서의 신호가 인용값(reference value)과 비교되기 때문에, 이러한 조정은 전혀 필요 없다. 또한, 본 발명의 본 일례에서, 상기 센서(76)은 아날로그 또는 디지털 신호의 출력 중 하나일 수 있다.

추가의 센서인 센서(76)으로부터의 신호 없이, 신호 사이클의 일부(portions)가 있는, 시작점에서의 모터 로터의 위치를 평가하는 것도 가능할 수 있다. 도 37은 이 프로세스를 수행하기 위해 기본 가정 알고리즘(base assumption algorithm)을 사용하여 실행된 프로세스 단계를 도시한다. 이 프로세스에서, 단계 940에서, 센서(74)로부터의 신호에 기초하여, 상기 DSP가 최초 신호, SNS_INIT의 출력을 평가한다. 이는 도 38의 지점 942를 포함하는 제 1 섹스턴트 또는 지점 962를 포함하는 제 3 섹스턴트 중 하나 내에 로터 위치가 있다는 것을 의미한다. 단순화를 위해서, 도 38은 2극(two-pole) 로터에 대한 센서에서 방출된 신호의 곡선이다. 따라서 모터 로터 센서(74)에 의한 하나의 0 내지 360° 신호 출력은 모터 로터(78)의 하나의 회전에 상응한다. 단계 946에서, 상기 로터(78)는 제 1 섹스턴트에 있음을 센서(74)로부터의 SNS_INIT 신호가 가리킨다는 가정을 기초로 하여, DSP는 모터에 시작 신호를 어써트한다. 단계 948에 의해 나타난 바와 같이, 상기 DSP(170)는 센서(74)로부터의 신호를 계속 모니터링한다.

단계 946의 실행에서 기초로 한 가정이 맞을 경우, 상기 로터는 선택된 방향으로 회전할 것이다. 이는 SNS_INIT 레벨로부터 현저한 변화를 경험하는 센서(74)에 의한 SNS 신호 출력을 야기한다. 바꾸어 말하면, △SNS/△time 기울기는 현저하다. 도 37에서, 이는 SNS_T1 ^{ASMPTN _ CRCT} 신호의 레벨에 의해 표현되고, 지점 949에 의해 나타나며, SNS_INIT 신호의 레벨과 현저히 다르다. 따라서, 단계 950에서는, 다음번에 측정된 신호인, 센서(74)로부터의 SNS_INIT 신호에 기초하여, 상기 DSP는 △SNS/△time 기울기의 크기를 평가한다. 단계 952에서 상기 △SNS/△time 기울기의 크기는 목표 기울기와 비교된다. 상기 계산된 기울기의 크기가 최소한 목표 기울기 만큼 클 경우, DSP(170)는 이 결과를, 상기 최초의 가정이 맞았고; 상기 로터는 회전의 제1 섹스턴트에 있다고 가리키는 것으로 해석한다. 상기 DSP(170)는 따라서 로터 회전 위치와 관련된, 현재 맞는 것으로 증명된, 최초의 가정에 기초하여, 단계 954에서 제어 신호를 계속 어써트한다.

그러나, 상기 SNS_INIT 신호는 실제로, 시작점에서의 로터가, 지점 962에서의 신호와 관계된 섹스턴트인, 제3 섹스턴트에 있었음을 가리키고 있을 수 있다. 이 상태에서, 단계 946의 로터 위치의 부정확한 가정을 기초로 하여 상기 모터 코일에 적용된 하전(energization) 신호는 상기 로터를 현저하게 움직이도록 유도하지 않을 것이다. 대신, 적어도 짧은 시간 동안, 상기 모터 코일에 적용된 신호는, 상기 로터가 잠김 위치를 입력할 때까지 단지 상기 로터의 작은 움직임만을 유도할 것이다. 상기 모터 로터의 이러한 비교적 작은 각이동(angular displacement)이 주어질 경우, 센서(74)로부터의 SNS_T1 ^{AMSPTN _ INCRCT} 신호 출력의 레벨은 마찬가지로 SNS_INIT 신호 레벨과 단지 소폭으로 다를 것이다. 도 37에서, 이는 지점 962 및 965에서의 신호 레벨 사이의 비교적 작은 차이로 표시된다.

따라서, 이 상태에서, 단계 950에서, △SNS/△time 기울기가 계산되면, 상기 기울기는 비교적 작을 것이다. 단계 952의 테스트에서 상기 계산된 기울기는 목표 기울기보다 작을 것이다. 상기 DSP(170)는 이 결과를 사실 상기 로터가 회전의 제 1 섹스턴트에 있지 않고 실제로 제 3 섹스턴트에 있다고 해석한다. 따라서, 이어지는 프로세스 단계인 단계 966에서, 상기 DSP는 수정되고 증명된 로터 위치의 정확한 해석에 기초하여 상기 MCC(172)에 제어 신호를 계속 어써트한다.

*상기 프로세스 단계에서, 단계 952의 시험은 절대(absolute) 기울기에 기초한 것이라는 점을 이해해야 한다. 이는 로터 움직임의 방향의 함수이기 때문에 상기 기울기의 양 또는 음 경사도는 무의미하다.

시작점에서 로터 위치를 평가하기 위해 두 개의 센서를 제공할 필요성을 회피하기 위하여 대안적인 수단이 채용될 수 있다. 다른 대안적인 설계에서, 상기 제어 회로는, 시작점에서, 먼저 코일에 전류를 적용하여 모터 로터를 알려진 위치로 회전하도록 할 수 있는데, 이는 단일 센서(74)로부터의 피크 또는 골(valley) 신호로부터 평가될 수 있다. 일단 로터가 이 상태에 있다고 센서(74)에서 표시하면, 알려진 상태로부터 상기 로터를 회전하기 위해 추가적인 시작 신호가 적용된다.

마찬가지로, I²C 외의 통신 프로토콜이 상기 도구 제어 프로세서(DSP(170))와 함께 신호를 교환하기 위해 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 하나의 대안적인 프로토콜은 Dallas Semiconductor사에서 개발된 단선(one-wire) 프로토콜일 수 있다.

본 발명의 대안적인 일례에서, DSP(170)는 모터 제어 회로(172)에 의해 수행된 몇몇의 제어 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 도구(30)가 진동 모드로 운전되어야할 때 상기 DSP(170)는 상기 도구의 작동을 조절할 수 있다. 본 발명의 이 일례에서, 상기 DSP는, 상기 모터 로터(78)가 진동 사이클의 각각의 방향으로 회전하는 회전 정도를 모니터링한다. 임의의 주어진 순간에, 상기 DSP는 단지 정방향(FORWARD) 또는 역방향(REVERSE) 신호 중 단 하나만을 MCC에 어써트한다. 일단 상기 로터가 한 방향, 예컨대 "역" 방향으로 정해진 횟수만큼 회전했다고 상기 DSP에서 판단하면, 역방향(REVERSE) 신호의 어써션으로부터 정방향(FORWARD) 신호로 전환한다. 이러한 명령 신호의 전환은 상기 MCC가 상기 로터를 역방향으로 회전하게 하는 신호를 어써트하는 것을 멈추고 상기 로터를 정방향으로 회전하게 하는 신호를 어써트하는 것을 시작하게 만든다.

상기 배열의 장점은 상기 DSP가 모터 로터를 동일하지 않은 회전 순서로 진동하게 하도록 외과의가 DSP(170)를 프로그램할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 진동을 조절하기 위해 DSP를 사용하여, 상기 로터, 더 구체적으로는 속도 감소 후에, 상기 순서를 반복하기 전에 상기 부착물이 먼저 제 1 방향으로 720° 회전한 후 제 2 방향으로 360° 회전하도록 도구(30)가 구성될 수 있다. 다른 순서도 또한 가능한데, 예를 들어 반복 전에 제 1 방향으로 720°, 제 2 방향으로 360°, 제 1 방향으로 360° 및 제 2 방향으로 360° 또한 가능하다.

게다가, 상기 DSP가 진동을 조절하도록 함으로써, 각각의 방향성 사이클(directional cycle)에서의 회전의 시작 및 종료 시기 각각에서, 상기 DSP가 상기 로터 속도를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 상기 로터의 가속 및 감속(정지)의 이러한 완충 장치(dampening)는 도구 진동을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템의 제어 기능은 설명되는 것에서 추가로 바뀔 수 있다. 물론, 외과의는 절차의 중간에 각 트리거 스위치(46 및 47)의 제어 기능을 재구성할 수 있다. 또한, 복수의 도구들(30)이 사용될 경우, 하나는 다른 하나의 오버라이드로서 사용될 수 있다. 따라서, 교육 상태에서는 하나의 트리거 스위치가 눌려진 경우, 제어 프로세서에서 제 2 도구(30b)에 의한 실행을 위한 정지 명령을 발생하도록 교육자의 도구(30a)가 구성될 수 있다. 이 정지 명령은 도구 데이터 송수신기 헤드(530)를 통해 무선 송수신기 헤드(536)로 전송된다. 무선 송수신기 헤드(536)에 의한 수신 후에, 헤드(536) 또는 다른 구성요소는 피교육자의 핸드피스(30b)로 전송될 정지 명령을 유도한다. 본 시스템의 이러한 구성에서 교육자의 핸드피스(30a)의 제 2 트리거 스위치는 그 핸드피스 내부의 동력 소비 유닛을 가동시켜서 교육자가 상기 절차를 완료하게 한다.

또한, 상기 수술 도구(30)의 작동을 조절하기 위해 사용되는, 수동으로 셋팅된 액츄에이터(들)는 개시된 트리거 스위치에 따라 변할 수 있다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 도구는 단지 하나의 트리거 스위치만을 구비할 수 있다. 본 발명의 이러한 일례에서, 상기 도구는 바이-스테이트(bi-state) 레버 암(lever arm)을 구비할 수 있다. 외과의는 자신이 상기 도구를 작동하기를 원하는 작동 모드에 기초하여 선택적으로 상기 레버 암을 셋팅할 수 있다. 따라서, 상기 도구 내부의 동력 발생 유닛이 모터(34)인 경우, 상기 레버의 셋팅으로써 조절될 수 있는 바이스테이트 셋팅은 정방향/역방향; 정방향/진동; 및 저속/고속이다. 본 발명의 이러한 일례으로, 단계 360 및 262에서, 상기 도구에 대한 바이스테이트 작동 범위는 제어 프로세서(DSP(170)) 내로 로딩된다.

마찬가지로, 모터(34)가 동력 발생 유닛으로서 기능하는 본 발명의 일례에서, 기술된 바와 같이 로터 위치를 평가하기 위해 시작(start-up) 중에 두 개의 센서가 사용될 수 있다. 그리고 나서, 시작 후에, 회전하는 모터 로터의 그 다음 위치를 평가하기 위하여 둘 이상의 센서가 사용된다.

유사하게, 본 발명의 다른 일례에서, 상기 수동 액츄에이터는 트리거 스위치가 아닐 수 있다. 본 발명의 이러한 일례에서, 상기 도구 하우징(32)에 고정된 하나 이상의 푸쉬 버튼은 상기 동력 발생 유닛의 작동을 조절한다. 각각의 푸쉬 버튼은, 짧은 기간의 시간 동안, 관련된 제어 모듈 센서로 충분히 근접하여 자력을 부여하여 상기 센서로부터의 출력 신호가 상태 전이를 경험한다. 이러한 타입의 제어 부재는 단계 레벨 제어(step level control)에 일치되는 동력 발생 유닛의 가동을 조절하는 데 적절하다. RF 절제 도구는 이러한 타입의 도구 중 하나이다.

본 발명의 몇몇 일례에서, 상기 센서 또는 센서들은 스위치가 가동되었는지를 평가하기 위해 사용되며, 상기 기술된 구체예에서의 센서(66 및 70)는, 디지털 센서가 아닐 수 있다. 본 발명의 대안적인 일례에서, 상기 센서는 아날로그 센서일 수 있다. 이들 센서는 심지어 마이크로스위치(microswitches) 또는 리드스위치(reed switches)일 수 있다. 본 발명의 이러한 일례에서, 상기 스위치와 함께 와이퍼(wiper)는 관계된 스위치의 이동에 기초하여 연결을 생성하거나 끊을 수 있다.

대안적으로, 본 발명의 몇몇 일례에서 센서 66 및 70을 생략할 수 있다. 스위치 가동을 모니터링하기 위해 사용되는 센서로부터의 신호는 어웨이크(AWAKE) 신호의 가동 및 정지를 제어하기 위한 제 1 회로에 의해 채용된다. 상기 신호는 그 후에 상기 핸드피스 내부의 동력 발생 유닛에 대한 사용자가 소망하는 작동 속도를 대표하는 출력 신호를 생성하기 위해 제 2 회로에 의해 사용된다.

본 발명의 다수의 일례에서, 결합 어셈블리(39)가 상기 수술 부착물(41)을 상기 도구(30)에 제거 가능하게 부착되도록 하지만, 이는 항상 그렇지는 않다는 점을 마찬가지로 인정해야 한다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 결합 어셈블리(39)는 상기 수술 부착물을 하우징(32) 및 동력 발생 유닛에 영구적으로 고정하는 결착 장치(fastening device) 또는 결착 어셈블리이다. 이러한 어셈블리는 본 발명의 자유로운 일례에서 일반적인 것이다.

따라서 본 발명의 도구를 형성하는 기타 개별적인 구성요소는 기술되었던 것과는 다를 수 있다. 기존의 마이크로프로세서는 도구 제어 프로세서로서의 기능을 할 수 있다. 복수의 구성요소는 상기 모터 제어 회로(172)를 형성하는 ASIC를 대체할 수 있다. 본 발명의 몇몇 일례에서, 자석 56 또는 58 각각이 먼저 나타나는 경우 센서 66 또는 70에 의해 어써트되는 신호는 어웨이크(AWAKE) 신호로서의 기능을 할 수 있다. 이는 DSP(170)에 의해 요구되는 프로세스 아니면 이 신호를 어써트하기 위해 요구되는 프로세스를 생략한다.

*핸드피스 하우징(32) 내부에는 제어 프로세서(DSP(170))에 의해 데이터가 작성된 비휘발성 메모리가 있을 수 있다. 이 메모리는 상기 도구 작동에 관한 데이터가 있는 도구 경과기록의 기능을 하며, 언제 및 어떤 예외적인 사건이 일어났는지에 관한 상세한 사항을 포함한다.

유사하게, 본 발명의 프로세스는 기술되었던 것보다 단계 또는 단계의 대안적인 배열을 덜 사용하여 실행될 수 있다.

따라서, 첨부된 청구범위의 목적은 모든 이러한 변경 및 수정을 본 발명의 진정한 개념 및 범위 내에 있는 것으로서 보호하는 것이다.

Claims (17)

1. 의료/수술 임무를 수행하기 위해 부착물을 가동시키는 로터 및 와인딩을 구비한 모터를 갖는, 동력이 있는 수술 도구용 제어 어셈블리로서,
   상기 제어 어셈블리는:
   자석이 부착된 트리거 스위치에 의해 방출된 자장을 모니터링하기 위해 자장에 대해 반응하는 배치된 트리거 센서(66, 68, 70, 72)로서, 감지된 상기 자장은 상기 트리거 스위치의 가동의 함수로서 변하고, 상기 트리거 센서(66, 68, 70, 72)는 감지된 상기 자장의 함수로서 변하는 트리거 신호를 생성하도록 추가로 구성된 트리거 센서(66, 68, 70, 72);
   상기 로터에 의해 방출된 자장을 모니터링하는 것에 의해 모터 로터의 회전 위치를 검출하고, 상기 모터 로터의 회전 위치를 기초로 한 로터 위치 신호를 출력하도록 구성된 로터 위치 센서(74, 76);
   상기 모터의 상기 와인딩에 연결된 제어 회로(170, 172)로서, 상기 제어 회로는,
   상기 트리거 신호, 상기 로터 위치 신호, 및 전력 신호(power signal)를 수신하고;
   상기 전력 신호를 사용하여 상기 제어 회로에 전력을 공급하고;
   상기 트리거 신호가 상기 트리거 스위치가 눌러지지 않았음을 지시할 때, 상기 제어 회로는 모터 와인딩에 전력 신호를 인가하지 않고, 상기 제어 회로는 전력을 소모하는 슬립 모드로 동작하고;
   상기 트리거 신호가 상기 트리거 스위치가 눌러졌음을 지시할 때, 활성 모드로 이행하고, 활성 모드에서 상기 제어 회로가 소비하는 전력은 상기 제어 회로가 슬립 모드에서 소비하는 전력보다 크고;
   활성 모드에 있을 때, 상기 트리거 신호 및 로터 위치 신호에 기초하여, 상기 전력 신호를 선택적으로 상기 모터 와인딩에 인가하도록 구성되는 제어 회로; 및
   상기 트리거 센서, 상기 로터 위치 센서, 및 상기 제어 회로를 감싸는 셸(92, 94, 96, 98)을 포함하며, 상기 셸은, 상기 트리거 센서, 상기 로터 위치 센서, 및 상기 제어 회로를 주위의 환경으로부터 보호하고; 트리거 자석에 의해 생성된 자장이 상기 트리거 센서로 가로질러 통과할 수 있도록 하고; 상기 모터 로터에 의해 생성된 자장이 상기 로터 위치 센서로 가로질러 통과할 수 있도록 하는 구성 요소로 형성되는, 제어 어셈블리.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 로터 위치 센서를 활성화하기 위해 상기 로터 위치 센서(74, 76)에 전압이 인가되고,
   상기 제어 회로(170, 172)는 상기 로터 위치 센서를 활성화하기 위해 상기 로터 위치 센서에 선택적으로 전압을 인가하고, 슬립 모드에 있을 때 상기 로터 위치 센서를 활성화하기 위해 상기 로터 위치 센서에 전압을 인가하지 않고, 활성 모드에 있을 때 상기 로터 위치 센서를 활성화하기 위해 상기 로터 위치 센서에 전압을 인가하도록 추가로 구성되는, 제어 어셈블리.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어 회로는 전력 신호를 상기 로터 위치 센서(74, 76)에 인가되는 전압으로 변환하는 선택적으로 활성화할 수 있는 전압 소스를 포함하고,
   슬립 모드에 있을 때 상기 전압 소스를 비활성화하고, 슬립 모드에서 활성 모드로 이행할 때 상기 전압 소스를 활성화하여 상기 로터 위치 센서가 활성화되도록 하는 것에 의해, 상기 제어 회로는 상기 로터 위치 센서에 선택적으로 전압을 인가하도록 구성되는, 제어 어셈블리.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 로터 위치 센서(74, 76)는 상기 모터 로터의 회전 방위를 나타내는 아날로그 신호를 출력하도록 구성되고,
   상기 제어 회로는 상기 로터 위치 센서에 의해 출력된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는, 제어 어셈블리.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 전력 신호를 공급하기 위해 상기 제어 회로에 연결된 재충전 가능한 배터리(42)를 더 포함하는, 제어 어셈블리.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 재충전 가능한 배터리는 상기 셸에 제거가능하게 부착되는, 제어 어셈블리.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 로터 위치 센서는 복수의 감지 유닛을 포함하고, 각 감지 유닛은 상기 감지 유닛과 관련하여 상기 모터 로터의 회전 방위를 나타내는 로터 위치 신호를 출력하는, 제어 어셈블리.
8. 청구항 7에 있어서,
   로터 위치 센서 어셈블리는
   상기 모터 로터의 위치에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 최대 두 개의 감지 유닛을 포함하는, 제어 어셈블리.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 제어 회로는
   동력이 있는 수술용 도구 모터의 동작 중 적어도 몇몇 단계 동안에, 상기 모터 로터의 회전 위치를 결정하기 위해서 로터 위치 센서 어셈블리의 복수의 감지 유닛 중 오직 하나로부터의 신호를 채용하도록 구성되는, 제어 어셈블리.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 로터 위치 센서는 단일 감지 유닛을 포함하는, 제어 어셈블리.
11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 셸은 복수의 플레이트(92, 95, 96, 98)로부터 형성되는, 제어 어셈블리.
12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트리거 센서, 상기 로터 위치 센서, 및 상기 제어 회로는 상기 셸 안에 밀봉되는, 제어 어셈블리.
13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 셸의 내부에는 포팅 화합물(potting compound)이 있는, 제어 어셈블리.
14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 셸의 내부에는 노치(132)가 있고;
    상기 로터 위치 센서는 상기 노치 내에 탑재되는, 제어 어셈블리.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 셸의 내부에는 상기 제어 회로가 배치되는 회로 기판(64)이 있고,
    상기 로터 위치 센서가 탑재된 노치(132)는 상기 회로 기판의 최상부에 형성되는, 제어 어셈블리.
16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트리거 센서는 복수의 감지 유닛을 포함하고, 각 감지 유닛은 트리거와 관련하여 감지된 상기 자장의 함수에 응답하여 트리거 센서 신호를 출력하는, 제어 어셈블리.
17. 청구항 16에 있어서,
    트리거 센서 감지 유닛 중 첫번째는 트리거와 관련하여 감지된 자장과 트리거 자석의 변위를 나타내는 디지털 트리거 신호를 출력하고;
    트리거 감지 유닛 중 두번째는 트리거와 관련하여 감지된 자장을 나타내는 아날로그 트리거 신호를 출력하고;
    상기 제어 회로는,
    슬립 모드와 활성 모드 사이에서 상기 제어 회로를 선택적으로 이행하기 위해 상기 디지털 트리거 신호의 변화를 모니터하고;
    상기 아날로그 트리거 신호에 기초하여, 상기 모터 와인딩에 전력 신호를 선택적으로 인가하도록 추가로 구성되는, 제어 어셈블리.
    
    

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