KR20200139199A - 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구 - Google Patents
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Abstract
가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구가 개시된다. 의료 기구는 전이 구역에 의해 분리되는, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 복수의 굽힘 강성 구역을 포함하는 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있다. 굽힘 강성 프로파일은 그의 길이를 따라 의료 기구의 다양한 모달리티를 변조함으로써 달성될 수 있다. 복합 의료 기구가 시스 내에서 삽통식으로 이동하는 스코프를 포함할 수 있다. 복합 의료 기구의 가변 굽힘 강성 프로파일이 스코프와 시스의 상대 위치를 조절함으로써 변조될 수 있다.
Description
우선권 출원
본 출원은 본 명세서에 참고로 포함되는, 2018년 3월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/649,460호에 대해 우선권을 주장한다.
기술분야
본 출원은 의료 기구(medical instrument)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 출원은 가변 굽힘 강성 프로파일(variable bending stiffness profile)을 갖는 의료 기구에 관한 것이다.
내시경술(예컨대, 기관지경술)과 같은 의료 절차는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 내강(lumen)(들)(예컨대, 기도)의 내측에 접근하여 시각화하는 것을 수반할 수 있다.
기관지경술은 의사가 기관지 및 세기관지와 같은, 환자의 폐 내의 기도를 검사하도록 허용하는 의료 절차이다. 절차 동안, 기관지경으로 알려진 얇은 가요성 튜브형 도구 또는 기구가 환자의 입 내로 삽입되어 환자의 인후를 따라 그 또는 그녀의 폐 기도 내로, 후속 진단 및/또는 처치를 위해 식별되는 조직 부위를 향해 통과된다.
소정 절차에서, 로봇식(robotically-enabled) 의료 시스템이 기구의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 절차 동안 기구의 위치설정을 제어하는 데 사용되는 조작기 조립체(manipulator assembly)를 갖는 로봇 아암(robotic arm) 또는 다른 기구 위치설정 장치를 포함할 수 있다.
제1 태양에서, 의료 기구가 기술된다. 의료 기구는 원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 세장형 샤프트(elongated shaft)를 포함한다. 세장형 샤프트는 세장형 샤프트의 길이를 따라 배열되는 적어도 3개의 굽힘 강성 구역(bending stiffness zone)들을 포함하고, 각각의 굽힘 강성 구역은 굽힘 강성 구역의 길이에 걸쳐 연장되는 굽힘 강성을 포함하고, 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성은 인접한 굽힘 강성 구역의 굽힘 강성보다 크거나 작고, 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성은 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일하다. 세장형 샤프트는 또한 적어도 2개의 전이 구역(transition zone)들을 포함하고, 각각의 전이 구역은 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들의 각각의 쌍 사이에서 길이에 걸쳐 연장되는 가변 굽힘 강성을 포함하고, 각각의 전이 구역에 대한 가변 굽힘 강성은 전이 구역의 제1 측부 상의 제1 굽힘 강성으로부터 전이 구역의 제2 측부 상의 제2 굽힘 강성으로 변한다.
의료 기구는 또한 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 각각의 전이 구역에 대해, 가변 굽힘 강성은 실질적으로 선형 기울기(linear slope)로, 전이 구역의 제1 측부 상의 제1 굽힘 강성으로부터 전이 구역의 제2 측부 상의 제2 굽힘 강성으로 변함; (b) 원위 단부에 가장 가까운 굽힘 강성 구역은 3개의 다른 굽힘 강성 구역들 각각보다 작은 굽힘 강성을 가짐; (c) 근위 단부에 가장 가까운 굽힘 강성 구역은 3개의 다른 굽힘 강성 구역들 각각보다 큰 굽힘 강성을 가짐; (d) 근위 단부로부터 원위 단부로, 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성이 증가함; (e) 굽힘 강성 구역들 각각은 적어도 50 mm의 최소 길이를 가짐; (f) 전이 구역들 각각은 적어도 10 mm의 최소 길이를 가짐; (g) 세장형 샤프트는 내부 층 및 외부 층을 포함함; (h) 외부 층은 브레이딩된 재킷(braided jacket)을 포함하고, 내부 층은 내골격(endoskeleton)을 포함함; (i) 브레이딩된 재킷은 브레이딩된 재킷을 통해 연장되는 하나 이상의 풀 와이어(pull wire)들을 포함함; (j) 브레이딩된 재킷의 굽힘 강성은 재킷 재료 듀로미터(durometer), 브레이드 기하학적 구조(braid geometry), 및 브레이드 픽 카운트(braid pic count) 중 적어도 하나에 의해 변조될(modulated) 수 있음; (k) 내골격은 니티놀로 형성된 제1 부분 및 스테인리스 강으로 형성된 제2 부분을 포함함; (l) 형성된 제2 부분은 적어도 제1 피치(pitch)를 갖는 코일들을 가진 제1 섹션 및 적어도 제2 피치를 갖는 코일들을 가진 제2 섹션을 포함함; (m) 스테인리스 강에 의해 형성된 제2 부분은 강직성 하이포튜브(rigid hypotube)로서 형성된 제3 섹션을 추가로 포함함; (n) 의료 기구는 내시경을 포함함; (o) 세장형 샤프트는 전방향성(omnidirectional)인 굽힘 강성 프로파일을 가짐; (p) 세장형 샤프트는 계단형(stepped)인 굽힘 강성 프로파일을 가짐; 및/또는 (q) 전이 구역들 각각은 점진적 기울기(gradual slope)의 형태로 굽힘 강성을 가짐.
다른 태양에서, 의료 시스템이 기술된다. 의료 시스템은 원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 길이를 갖는 세장형 부재를 포함하고, 세장형 부재는 상이한 굽힘 강성들의 n개의 굽힘 강성 구역들을 추가로 포함하고, n개의 굽힘 강성 구역들 각각은 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는다. 시스템은 또한 시스 원위 단부와 시스 근위 단부 사이에서 연장되는 시스 길이를 갖는 시스(sheath)를 포함하고, 시스는 내부 채널을 포함한다. 세장형 부재는 세장형 부재와 시스가 적어도 n+1개의 굽힘 강성 구역들을 갖는 복합 구조를 형성하도록 시스의 내부 채널 내에서 이동가능하고, n+1개의 굽힘 강성 구역들 각각은 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는다.
일부 실시예에서, 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 복합 구조는 스코프(scope) 원위 단부가 시스 원위 단부의 원위에 위치되도록 스코프가 시스를 통해 전진될 때 적어도 n+1개의 굽힘 강성 구역들을 포함함; (b) 시스는 상이한 굽힘 강성들의 적어도 n개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, n개의 굽힘 강성 구역들 각각은 굽힘 강성 구역의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖고, 스코프는 복합 구조가 적어도 2n개의 굽힘 강성 구역들을 포함하도록 시스에 대해 위치될 수 있음; (c) 스코프는 4개의 굽힘 강성 구역들을 갖고, 복합 구조는 4개 초과의 굽힘 강성 구역들을 가짐; (d) 스코프와 시스는 상이한 길이들을 가짐; (e) 시스는 굽힘 강성의 복수의 구역들을 포함함; (f) 시스는 굽힘 강성의 적어도 4개의 구역들을 포함함; 및/또는 (g) 제1 로봇 아암으로서, 스코프가 제1 로봇 아암에 부착되고, 제2 로봇 아암으로서, 시스가 제2 로봇 아암에 부착되고, 제1 로봇 아암은 시스에 대해 스코프를 전진 또는 후퇴시키도록 구성되고, 제2 로봇 아암은 스코프에 대해 시스를 전진 또는 후퇴시키도록 구성됨.
다른 태양에서, 환자 내에서 의료 기구를 내비게이션하기(navigating) 위한 방법이 기술된다. 방법은 의료 기구를 환자 내강 내로 삽입하는 단계로서, 의료 기구는 스코프로서, 스코프는 스코프의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 굽힘 강성 구역들 각각은 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 스코프, 및 시스로서, 시스는 시스의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 시스는 내부 채널을 추가로 포함하고, 스코프가 시스의 내부 채널 내에 위치되는, 시스를 포함하는, 의료 기구를 환자 내강 내로 삽입하는 단계; 및 스코프 및 시스 중 적어도 하나의 위치를 스코프 및 시스 중 다른 하나에 대해 조절함으로써 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계를 포함한다.
방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 스코프가 시스로부터 원위로 연장되도록 스코프를 전진시키는 단계 또는 시스를 후퇴시키는 단계를 포함함; (b) 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 스코프의 원위 단부가 시스의 내부 채널 내에 위치되도록 시스를 전진시키는 단계 또는 스코프를 후퇴시키는 단계를 포함함; (c) 시스의 원위 단부가 스코프의 원위 단부를 넘어 원위에 위치됨; (d) 스코프의 원위 단부는 시스의 원위 단부와 정렬됨; (e) 스코프는 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 각각의 굽힘 강성 구역은 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 가짐; (f) 스코프는 적어도 3개의 구역들을 포함하고, 각각의 구역은 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치됨; (g) 스코프는 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 각각의 굽힘 강성 구역은 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 가짐; (h) 스코프는 적어도 2개의 구역들을 포함하고, 각각의 구역은 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치됨; (i) 환자 내강은 기관지 기도들을 포함함; (j) 제1 굽힘 강성 구역이 다른 굽힘 강성 구역들에 비해 작은 굽힘 강성을 가짐; (k) 굽힘 강성의 제3 구역이 삽입기(introducer)를 통해 연장됨; 및/또는 (l) 굽힘 강성의 제4 구역이 환자 내강을 통해 연장되지 않고, 삽입기를 통해서도 연장되지 않음.
다른 태양에서, 의료 기구가 기술된다. 의료 기구는 원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 세장형 샤프트를 포함한다. 세장형 샤프트는 세장형 샤프트의 굽힘 강성을 변조하기 위한 제1 모달리티(modality)로서, 제1 모달리티의 모달리티가 원위 단부와 근위 단부 사이의 제1 지점에서 변경되는, 제1 모달리티, 및 세장형 샤프트의 굽힘 강성을 변조하기 위한 제2 모달리티로서, 제2 모달리티의 모달리티가 원위 단부와 근위 단부 사이의 제2 지점에서 변경되고, 제2 지점은 제1 지점과 상이한, 제2 모달리티를 포함한다. 제1 지점 및 제2 지점은 세장형 샤프트의 굽힘 강성 프로파일이 제1 굽힘 강성을 갖는 제1 굽힘 강성 구역, 제2 굽힘 강성을 갖는 제2 굽힘 강성 구역, 및 제1 굽힘 강성 구역과 제2 굽힘 강성 구역 사이에 위치되는 전이 구역을 포함하도록 위치되고, 전이 구역은 전이 구역의 굽힘 강성이 제1 굽힘 강성으로부터 제2 굽힘 강성으로 전이되는 길이를 포함한다.
의료 기구는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 제1 모달리티는 제1 층 내에 배치되고, 제2 모달리티는 제2 층 내에 배치됨; (b) 제1 모달리티 및 제2 모달리티는 동일한 층 내에 배치됨; (c) 제1 모달리티는 재료 특성을 포함함; (d) 재료 특성은 경도(hardness)를 포함함; (e) 제2 모달리티는 기계적 특성을 포함함; (f) 기계적 특성은 브레이드 기하학적 구조 및 브레이드 픽 카운트 중 적어도 하나를 포함함; 및/또는 (g) 굽힘 강성을 변조하기 위한 제3 모달리티.
다른 태양에서, 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체가 기술된다. 명령어들은 장치의 프로세서로 하여금 적어도, 의료 기구를 환자 내강 내로 삽입하게 하도록 구성된다. 의료 기구는 스코프로서, 스코프는 스코프의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 굽힘 강성 구역들 각각은 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 스코프, 및 시스로서, 시스는 시스의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 시스는 내부 채널을 추가로 포함하고, 스코프가 시스의 내부 채널 내에 위치되는, 시스를 포함한다. 명령어들은 또한 장치의 프로세서로 하여금 적어도, 스코프 및 시스 중 적어도 하나의 위치를 스코프 및 시스 중 다른 하나에 대해 조절함으로써 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하게 하도록 구성된다.
개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기에서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 내시경으로서 구성되고 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구의 일 실시예의 측면도.
도 16b는 도 16a의 의료 기구의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 16c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티(multi-modality) 구성을 도시한, 도 16a의 의료 기구의 단면도를 예시한 도면.
도 16d는 다중-모달리티 구성의 개별 모달리티가 도 16a의 의료 기구에 대한 도 16b의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한 도면.
도 17은 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구를 위한 내골격의 일 실시예의 측면도를 예시한 도면.
도 18a는 시스로서 구성되고 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구의 일 실시예의 측면도.
도 18b는 도 18a의 의료 기구의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 18c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티 구성을 도시한, 도 18a의 의료 기구의 단면도를 예시한 도면.
도 18d는 다중-모달(multi-modal) 구성의 개별 모달리티가 도 18a의 의료 기구에 대한 도 18b의 대표적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한 도면.
도 19a는 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부와 정렬된, 스코프와 시스를 포함하는, 복합 구조의 일 실시예의 평면도를 예시한 도면.
도 19b는 도 19a의 스코프, 시스, 및 복합 구조에 대한 예시적인 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 19c는 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부를 넘어 연장된, 도 19a의 복합 구조의 일 실시예의 평면도를 예시한 도면.
도 19d는 도 19c의 스코프, 시스, 및 복합 구조에 대한 예시적인 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 20a 내지 도 20c는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 스코프와 시스를 포함하는 복합 구조의 제1 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한 도면.
도 21a 및 도 21b는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 스코프와 시스를 포함하는 복합 구조의 제2 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한 도면.
도 22는 일 실시예에 따른, 환자의 폐의 기도 내에서 내비게이션하는 의료 기구의 예를 예시한 도면. 의료 기구는 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있음.
도 23은 환자 내강 내에서 의료 기구를 내비게이션하기 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 내시경으로서 구성되고 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구의 일 실시예의 측면도.
도 16b는 도 16a의 의료 기구의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 16c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티(multi-modality) 구성을 도시한, 도 16a의 의료 기구의 단면도를 예시한 도면.
도 16d는 다중-모달리티 구성의 개별 모달리티가 도 16a의 의료 기구에 대한 도 16b의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한 도면.
도 17은 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구를 위한 내골격의 일 실시예의 측면도를 예시한 도면.
도 18a는 시스로서 구성되고 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구의 일 실시예의 측면도.
도 18b는 도 18a의 의료 기구의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 18c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티 구성을 도시한, 도 18a의 의료 기구의 단면도를 예시한 도면.
도 18d는 다중-모달(multi-modal) 구성의 개별 모달리티가 도 18a의 의료 기구에 대한 도 18b의 대표적인 가변 굽힘 강성 프로파일을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한 도면.
도 19a는 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부와 정렬된, 스코프와 시스를 포함하는, 복합 구조의 일 실시예의 평면도를 예시한 도면.
도 19b는 도 19a의 스코프, 시스, 및 복합 구조에 대한 예시적인 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 19c는 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부를 넘어 연장된, 도 19a의 복합 구조의 일 실시예의 평면도를 예시한 도면.
도 19d는 도 19c의 스코프, 시스, 및 복합 구조에 대한 예시적인 굽힘 강성 프로파일을 예시한 도면.
도 20a 내지 도 20c는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 스코프와 시스를 포함하는 복합 구조의 제1 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한 도면.
도 21a 및 도 21b는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 스코프와 시스를 포함하는 복합 구조의 제2 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한 도면.
도 22는 일 실시예에 따른, 환자의 폐의 기도 내에서 내비게이션하는 의료 기구의 예를 예시한 도면. 의료 기구는 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있음.
도 23은 환자 내강 내에서 의료 기구를 내비게이션하기 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름도.
1. 개요.
본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식 의료 시스템 내에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.
광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 운동 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트.
로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차를 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬시키는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될(pivoted) 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.
내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.
예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가의 도구가 추가의 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 필요가 있을 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.
시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지지 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.
전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 이루어지든 또는 카트(11)에서 이루어지든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트(joint) 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.
타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광-전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광-전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔(console)에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(slot)(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지시키기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.
일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀(spring spool)들의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상하로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지시킨다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(end effector)(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암이 이용가능한 독립적인 자유도(degree of freedom)를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 따라서 7 자유도를 제공한다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여분의(redundant)" 자유도를 허용한다. 여분의 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.
카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지시키기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.
칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터(mapping data), 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구, 센서로부터 제공되는 광학 정보 및 센서로부터의 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 작동시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 가로지르도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.
B. 로봇 시스템 - 테이블.
로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(platform)(38)("테이블" 또는 "베드(bed)"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지시키면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬시키도록 허용한다.
아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.
칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.
테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강직성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트(pendant)와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 콘솔을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(35)(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.
복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구(하나 이상의 절개부의 크기를 수용하기 위해 형상이 세장형임)가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 환자의 복강의 팽창 후에, 흔히 복강경으로 지칭되는 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 또는 의료 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 복강경(59)이 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.
복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지시키게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다수의 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다.
예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 또는 의료 절차를 수행할 복강을 비운다.
C. 기구 드라이버 및 인터페이스.
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.
도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)으로 구성된다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환시키기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되기 때문에, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(도 12에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력을 제공할 수 있다. 작동 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.
멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지시키면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부로 구성될 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.
D. 의료 기구.
도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리(pulley) 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭(latched), 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(66)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강직성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강직성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강직성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 회전 축을 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist), 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구 또는 의료 기구를 포함하는 엔드 이펙터에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.
기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71) 내의 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 풀 와이어와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71) 내의 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에서 고정된다. 복강경술에서, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 복강경술에서, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오(jaw)에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.
내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 풀 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 풀 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 또한 한계 굽힘을 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 풀 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구(또는 의료 기구), 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널로 구성될 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.
기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤(roll) 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지시키면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전 부분(84) 내에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.
이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 13의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.
기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.
E. 내비게이션 및 제어.
전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 모달리티의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 모달리티가 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 모달리티만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 CT 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 모델 데이터(91)로 지칭되는(수술전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때 "수술전 모델 데이터"로 또한 지칭됨), 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT-이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.
일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반 위치 추적을 가능하게 하도록 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적(feature tracking)을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 운동을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징은 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵(topological map)의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다.다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일로 구성되는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 "정합될" 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수 있다.
로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요(yaw)는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.
도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰가능하지 않을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.
2. 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구.
본 섹션은 가변 굽힘 강성 프로파일(본 출원에서 "가변 굽힘 강성 의료 기구" 또는 일부 경우에 간단히 "의료 기구"로 또한 지칭됨)을 갖는 의료 기구에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구는 도 1 내지 도 15를 참조하여 전술된 로봇식 의료 시스템과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전술된 임의의 의료 기구들(예컨대, 내시경(13), 요관경(32), 의료 기구(34), 기관지경(40), 요관경(56), 의료 기구(70), 및 다른 것) 중 임의의 것이 본 명세서에 기술되는 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있다. 로봇 구현예에 더하여, 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구는 또한 수동 사용(즉, 비-로봇 사용)을 위해 구성될 수 있다.
가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구는 환자의 해부학적 구조 내의 사행형 경로를 통해 내비게이션하는 데 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구는 환자의 폐 기도를 통해 내비게이션하는 데 특히 유용할 수 있다. 폐 기도는 사행형 경로일 수 있다. 일부 의료 절차 동안, 의료 기구는 종양과 같은 비정상적 성장을 검출, 진단, 및/또는 처치하기 위해 폐 기도를 통해 내비게이션될 수 있다. 폐 기도 내로 보내지는 스코프는 흔히 부정확한 경로를 따라 이동해야 하고, 정확한 경로로 들어가기가 어려울 수 있다. 본 명세서에 기술된 의료 기구는 유리하게는 그들의 가변 굽힘 강성 프로파일로 인해 정확한 경로를 통해 내비게이션하는 것이 가능할 수 있다.
도 22는 환자의 폐 내에서 내비게이션하는 의료 기구(100)의 예를 예시한다. 기구는 예를 들어 스코프, 시스, 또는 시스의 내부 채널 내에 위치되는 스코프를 포함하는 복합 기구일 수 있다. 예시된 예에서, 기구(100)는 폐의 상엽(upper lobe)(178) 내의 표적 부위(182)를 향해 폐 내의 기도를 통해 내비게이션된다. 도시된 바와 같이, 기도는 사행형 경로를 포함한다. 기구(100)가 폐 내로 삽입됨에 따라, 기구의 원위 단부가 기구를 특정 경로로 안내하도록 관절운동될 수 있다. 그러나, 그러한 내비게이션은 폐의 사행성으로 인해 어려울 수 있다.
본 출원은 폐 기도를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 환자의 사행형 경로를 통해 연장될 수 있는, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구를 기술한다. 일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구는 세장형 샤프트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구는 카테터 또는 시스의 내부 채널 내에 위치되는 세장형 샤프트일 수 있다. 세장형 샤프트는 리더 또는 스코프를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성 의료 기구는 상이한 굽힘 강성 특성을 갖는 복수의 섹션을 포함하는, 의료 절차 동안 환자 내로 삽입되도록 구성된 세장형 샤프트를 포함할 수 있다. 초기 예로서, 가변 굽힘 강성 의료 기구는 근위 섹션의 굽힘 강성보다 낮은 굽힘 강성을 갖는(예컨대, 더 쉽게 휘어지거나 구부러지고 그리고/또는 휘어지거나 구부러지는 데 더 적은 힘을 요구하는) 원위 섹션을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 원위 섹션은 의료 기구의 조향 또는 내비게이션을 용이하게 하도록 더 쉽게 구부러질 수 있는 한편, 근위 섹션은 환자 내강을 통해 의료 기구를 가압하는 것을 용이하게 하도록 강성이다.
이러한 예를 계속 참조하면, 원위 섹션은 그의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 근위 섹션은 또한 그의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 원위 섹션의 실질적으로 일정한 굽힘 강성은 근위 섹션의 굽힘 강성보다 낮을 수 있다(그러나, 일부 실시예에서, 반대의 경우가 또한 가능할 수 있음).
이러한 초기 예의 가변 굽힘 강성 의료 기구는 또한 원위 섹션의 굽힘 강성 구역과 근위 섹션의 굽힘 강성 구역 사이의 전이 구역을 포함할 수 있다. 전이 구역은, 굽힘 강성이 그에 걸쳐, 예를 들어 원위 섹션의 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성으로부터 근위 섹션의 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성으로 점진적으로 변하는 길이를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 섹션의 굽힘 강성은 대체로 선형 기울기, 비율, 또는 구배로 변하지만, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 일부 실시예에서, 전이 구역의 기울기는 실질적으로 일정하다.
따라서, 초기 예에 의해 도시된 바와 같이, 가변 굽힘 강성 기구는 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 각각 갖는 복수의 굽힘 강성 구역, 및 굽힘 강성이 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에서 점진적으로 전이되는, 굽힘 강성 구역들의 인접한 쌍 사이에 각각 위치되는 하나 이상의 전이 구역을 포함할 수 있다.
가변 굽힘 강성 의료 기구의 세장형 샤프트의 길이를 따라 굽힘 강성을 플로팅하는 것이 굽힘 강성 프로파일을 생성한다. 그래프로, (그의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는) 각각의 굽힘 강성 구역이 굽힘 강성 프로파일 내에서 평탄역(plateau)으로서 도시되어 있으며, 각각의 전이 구역이 인접한 평탄역들 사이의 (대체로 증가하거나 대체로 감소하는) 기울기 또는 램프(ramp)로서 도시되어 있다. 예를 들어, 상세히 후술되는 도 16b를 참조한다.
의료 기구의 세장형 샤프트의 구성 재료 및 방법(흔히 본 명세서에서 모달리티 또는 특성으로 지칭됨)은 그의 길이를 따른 각각의 지점에서 굽힘 강성을 결정한다. 예를 들어, 더 강성인 재료로부터 세장형 샤프트를 제조하는 것은 더 높은 굽힘 강성을 생성할 것이다.
일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구를 생성하기 위해, 구성 재료 및/또는 방법은 세장형 샤프트의 길이를 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 전술된 실시예에서, 더 강성인 재료가 근위 섹션에 사용될 수 있고, 더 가요성인 재료가 원위 섹션에 사용될 수 있다. 그러나, 단지 길이를 따라 단일 모달리티(예컨대, 구성 재료 또는 방법)를 변화시키는 것은 전술된 바와 같이 굽힘 강성 구역 및 전이 구역을 갖는 굽힘 프로파일을 생성하지 못할 수 있다. 예를 들어, 세장형 샤프트의 유일한 변화가 전술된 재료 변경(강성 근위 섹션 및 더 가요성인 원위 섹션)인 경우, 굽힘 강성 프로파일은 수직 급등(jump)에 의해 연결된 2개의 평탄역만을 포함할 것이다. 그것은 굽힘 강성이 그에 걸쳐 점진적으로 전이되는 길이를 갖는 전이 구역을 포함하지 못할 수 있다. 이는 불리하게도 재료들 사이의 전이부에서 응력 집중부(stress riser) 또는 파괴 지점을 생성할 수 있다.
따라서, 더 완전히 후술되는 바와 같이, 가변 굽힘 강성 의료 기구는, 엇갈린 방식으로, 각각의 전이 구역 내에서 세장형 샤프트의 하나 초과의 모달리티로 변하는 구성을 포함할 수 있다. 이는 세장형 샤프트의 길이를 따라 모달리티 변경과 연관되는 응력을 분포시키고, 전술된 바와 같이 더 점진적인(예컨대, 경사형 또는 램프형) 전이 구역을 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구는 내시경과 같은 스코프(리더로 또한 지칭됨)로서 구성될 수 있다. 스코프는, 예를 들어 도 19a 및 도 19c에 도시된 바와 같이, 시스의 작업 또는 내부 채널을 통해 삽입되도록 구성될 수 있다. 즉, 스코프는 시스의 내부 채널 내에서 삽통식으로 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스는 또한 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구로서 구성될 수 있다. 함께, 스코프와 시스는 복합 구조를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 복합 구조는 스코프 또는 시스 단독의 굽힘 강성 프로파일과는 상이한 굽힘 강성 프로파일을 갖는다. 스코프가 시스의 내부 채널 내에 위치됨으로써, 복합 구조는 스코프 및 시스의 개별 굽힘 프로파일들의 조합인 굽힘 프로파일을 포함할 수 있다. 당업자는 용어 "복합 구조"가, 시스로부터 원위로 연장될 수 있는 스코프의 부분, 또는 스코프로부터 원위로 연장될 수 있는 시스의 부분을 포함하여, 스코프가 시스의 내부 채널 내에 위치되는 어떠한 경우에도 스코프 및 시스의 모든 부분을 포함한다는 것을 인식할 것이다.
또한, 더 완전히 후술될 바와 같이, 시스에 대해 스코프를 또는 그 반대로 이동시킴으로써 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는(즉, 변경하거나 변화시키는) 것이 가능하다. 예를 들어, 스코프 및 시스 둘 모두는 전이 구역에 의해 분리되는 복수의 상이한 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스코프의 원위 팁이 시스의 원위 팁과 정렬될 때, 복수의 상이한 굽힘 강성 구역 및 전이 구역은 복합 구조에 대한 제1 조합 굽힘 강성 프로파일을 생성하도록 제1 방식으로 배열된다. 예를 들어, 스코프의 원위 팁이 시스의 원위 팁을 넘어 연장되도록 스코프가 시스를 통해 추가로 삽입될 때, 복수의 상이한 굽힘 강성 구역 및 전이 구역은 제1 조합 굽힘 강성 프로파일과는 상이할 수 있는 제2 조합 굽힘 강성 프로파일을 생성하도록 제2 방식으로 배열된다.
일부 실시예에서, 제1 조합 굽힘 강성 프로파일은 제1 수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있고, 제2 조합 굽힘 강성 프로파일은 제2 수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 따라서, 시스에 대해 스코프를 또는 그 반대로 이동시킴으로써 복합 구조의 굽힘 강성 구역의 수를 변화시키는 것이 가능하다. 이러한 예에서 복합 구조에 대해 2개의 굽힘 강성 프로파일이 언급되지만, (예컨대 스코프의 원위 단부와 시스의 원위 단부 사이의 상대 거리를 변화시킴으로써) 스코프가 시스에 대해 위치될 수 있는 많은 방식이 있고, 이들 각각은 복합 구조에 대한 고유 굽힘 강성 프로파일을 생성할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
일부 실시예에서, 복합 구조는 복합 구조의 굽힘 강성이 스코프에 대한 시스의 위치에 따라 변화하는 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있다. 굽힘 강성이 변화함에 따라, 굽힘 강성은 스코프의 길이를 따른 커버리지 범위 또는 영역을 나타낼 수 있다. 굽힘 강성의 상이한 영역이 예를 들어 도 16d에서와 같이, 아래에 도시된다.
시스의 내부 채널 내에 위치된 스코프를 갖는 복합 구조를 포함하는 일부 실시예에서, 스코프와 시스는 상이한 길이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스코프와 시스는 길이가 동일 공간에 걸쳐 있지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 시스는 스코프보다 짧다.
복합 구조(예컨대, 조합된 스코프와 시스)의 굽힘 강성 프로파일을 변조하거나 변경하는 능력은 다양한 이유로 유리할 수 있다. 예를 들어, 절차 동안, 의사(또는 일부 경우에, 로봇식 의료 시스템)는 환자의 해부학적 구조의 특정 부분의 내비게이션을 용이하게 하기 위해 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일을 조절할 수 있다. 이는 예를 들어 시스에 대해 스코프를 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
더 특정한 예로서, 기관지경술 동안, 의사는 기관지 및 세기관지와 같은, 환자의 폐 내의 기도를 검사할 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 절차 동안, 의료 기구(100)(예컨대, 스코프 및 시스)가 환자의 입 내로 삽입되어 환자의 기관을 따라 그 또는 그녀의 폐 기도 내로, 후속 진단 및/또는 처치를 위해 식별되는 조직 부위(예컨대, 표적(182))를 향해 통과될 수 있다. 폐 기도는 내비게이션하기에 특히 어려울 수 있는 사행형 경로이다. 폐의 이차 기관지, 삼차 기관지, 세기관지, 및 상엽(178)을 내비게이션하는 것은 특히 어려울 수 있다. 흔히, 폐의 이들 부분에서 내비게이션하는 것은 의료 기구가 급선회(tight turn)할 것을 필요로 한다. 의사는 기구의 특정 굽힘 강성 프로파일이 특정 선회 또는 조작에 아주 적합하지는 않다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 특정 굽힘 강성 프로파일에 의해, 의료 기구는 부정확한 경로를 따라 이동하도록 기울어질 수 있고/있거나 정확한 경로로 들어가기가 어려울 수 있다. 그러한 상황에서, 의사는 굽힘 강성 프로파일을 변조하기 위해 시스에 대해 스코프를 이동시킴(예컨대, 스코프가 시스로부터 연장되도록 시스를 통해 추가로 스코프를 삽입함, 스코프와 시스의 원위 단부가 정렬되도록 스코프와 시스를 위치시킴, 또는 스코프가 시스를 넘어 연장되도록 시스 내에서 스코프를 후퇴시킴)으로써 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하거나 변경할 수 있다. 의사는 의료 기구가 원하는 조작에 더욱 적합한 굽힘 강성 프로파일을 갖도록 스코프와 시스를 위치시키고 이어서 조작을 수행할 수 있다.
이제, 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구의 이들 및 다른 특징 및 이점이 도면에 예시된 몇몇 실시예를 참조하여 더 상세히 기술될 것이다. 예시된 실시예는 예로서 제공되며, 제한하고자 하는 것은 아니다.
A. 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 예시적인 의료 기구.
도 16a 내지 도 16d는 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 갖는 의료 기구(100)의 일 실시예에 관한 것이다. 예시된 실시예에서, 의료 기구(100)는 스코프(예컨대, 내시경 또는 기관지경)와 같은 카테터로서 구성된다. 그러나, 이러한 예시된 예를 참조하여 기술되는 원리 및 특징은 또한 다른 유형의 의료 기구, 예를 들어 다른 유형의 스코프(예컨대, 요관경, 기관지경 등), 시스 등에 적용가능할 수 있다. 도 16a는 의료 기구(100)의 측면도이다. 도 16b는 의료 기구(100)의 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 예시한다. 도 16c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티 구성을 도시한, 의료 기구(100)의 단면도를 예시한다. 도 16d는 다중-모달리티 구성의 개별 모달리티가 의료 기구(100)의 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한다.
도 16a에 예시된 바와 같이, 의료 기구(100)는 기구 기부(104) 및 세장형 샤프트(106)를 포함한다. 손잡이로 또한 지칭될 수 있는 기구 기부(104)는 예를 들어 (기구 구동 메커니즘(75)에 부착되도록 구성된 예시적인 기구 기부(72)를 도시하는) 도 13에 도시된 바와 같이, 기구 구동 메커니즘에 부착되도록 구성될 수 있다. 기구 구동 메커니즘은 의료 기구(100)가 로봇식으로 제어될 수 있도록 기구 기부(104)에 전자적으로 그리고/또는 기계적으로 결합될 수 있다. 예시된 실시예가 로봇 제어를 위해 구성되지만, 일부 실시예에서, 기구 기부(104)는 의료 기구(100)의 수동 작동 및 제어를 가능하게 하도록 구성되는 기구 손잡이로 대체될 수 있다.
세장형 샤프트(106)는 의료 절차 동안 환자 내로 삽입되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 세장형 샤프트(106)는, 예를 들어 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예를 들어 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계될 수 있다. 기관지경술의 경우에, 세장형 샤프트(106)는 삽입기를 통해 환자의 입 내로, 기관을 따라, 그리고 폐 내로 삽입될 수 있다. 환자의 신체 내에서 내비게이션하기 위해, 세장형 샤프트(106)의 적어도 일부분은 가요성일 수 있다. 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는 (예를 들어, 도 16c에 도시된 바와 같이) 하나 이상의 풀 와이어(108)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 풀 와이어(108)는 세장형 샤프트의 형상 또는 자세를 제어하기 위해 세장형 샤프트(106)의 하나 이상의 부분을 구부리도록 작동가능할 수 있다. 예를 들어, 절차 동안, 하나 이상의 풀 와이어(108)는 환자의 해부학적 구조를 통해 표적 부위로 세장형 샤프트(106)를 안내하도록 작동될 수 있다. 기관지경술의 경우에, 이는 세장형 샤프트를 분지하는 기도의 복잡한 네트워크를 통해 안내하는 것을 수반할 수 있다. 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는 환자 내에서의 세장형 샤프트(106)의 위치결정 및/또는 내비게이션을 보조하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다(예를 들어, 도 15를 참조하여 전술된 바와 같음). 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는 세장형 샤프트(106)의 형상을 결정하기 위한 하나 이상의 광섬유를 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(106)는 근위 단부(110)와 원위 단부(112) 사이에서 연장될 수 있다. 근위 단부(110)는 기구 기부(104)로부터 연장되고 그에 부착될 수 있다. 원위 단부(112)는 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)의 선단부일 수 있다. 예를 들어, 원위 단부(112)는 환자 내로 도입되는 제1 지점일 수 있고, 의료 절차 동안, 의료 기구(100)는 원위 단부(112)가 환자 내에서 표적 부위를 향해 전진되도록 안내되거나 구동될 수 있다. 일부 실시예에서, 원위 단부(112)는 표적 부위를 가시화하고/하거나 처치하기 위한 다양한 특징부를 포함한다. 예를 들어, 원위 단부(112)는 카메라, 광원, 엔드 이펙터(예컨대, 파지기, 절단기, 바스케팅 장치(basketing device) 등), 및/또는 추가의 의료 도구 또는 기구가 그를 통해 전진될 수 있는 작업 채널로의 개구를 포함할 수 있다. 작업 채널을 통해 전달될 수 있는 의료 도구 또는 기구는 가이드와이어, 진단 및 생검 도구(예컨대, 초음파 장치, 와이어, 브러시 및 다른 디더링(dithering) 및 비-디더링 도구), 및 치료 효과를 전달하기 위한 도구(예컨대, 근접치료를 위한 도구)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 카메라는 다른 도구 또는 기구와는 상이한 채널을 따라 전달될 수 있지만, 다른 실시예에서, 카메라는 다른 의료 도구 또는 기구와 동일한 작업 채널을 통해 전달될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 카메라는 비정상적 성장을 검출 및/또는 처치하기 위해 (디더링 또는 비-디더링 도구와 같은) 진단 및/또는 처치 도구를 위한 공간을 형성하도록 스코프 내의 작업 채널을 통해 전달되고 후속하여 제거될 수 있다. 더 상세히 후술되는 소정 특징부가 도 16c에 예시되어 있다.
세장형 샤프트(106)는 근위 단부(110)와 원위 단부(112) 사이에서 측정되는 길이(L)를 포함한다. 길이(L)는 의료 기구(100)가 사용될 의료 절차 또는 다양한 의료 절차를 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 길이(L)를 선택하기 위한 관련 인자는 표적 부위로의 경로 길이, 환자 해부학적 구조, 환자 크기, 구동성(drivability) 및 제어, 수술 환경 조건(예컨대, 수술실 내에서의 로봇 아암의 배치) 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 길이(L)는 약 700 내지 1200 mm, 약 800 내지 1100 mm, 또는 약 900 내지 1000 mm일 수 있다. 일례에서, 길이(L)는 약 930 mm이다.
예시된 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는 4개의 상이한 섹션을 포함한다: 굽힘 섹션(능동형(active) 굽힘 섹션으로 또한 지칭됨)(114), 수동형(passive) 굽힘 섹션(116), 내부 샤프트 섹션(118)(추적 섹션으로 또한 지칭됨), 및 외부 샤프트 섹션(120). 섹션은 원위 단부(112)와 근위 단부(110) 사이에서 세장형 샤프트(106)의 길이(L)를 따라 연속적으로 배열될 수 있다. 4개의 섹션이 예시되어 있지만, 일부 실시예에서, 의료 기구는 더 많거나 더 적은 섹션을 포함할 수 있다. 예를 들어, 의료 기구는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 또는 그보다 많은 섹션을 포함할 수 있다.
각각의 섹션은 의료 절차를 용이하게 하고/하거나 의료 기구(100)의 구동성 및 제어를 개선하기 위해 상이한 가요성 또는 굽힘 강성을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 더 원위에 위치된 섹션(예컨대, 능동형 굽힘 섹션(114) 및 수동형 굽힘 섹션(116))이 세장형 샤프트(106)의 조작성을 용이하게 하도록 더 가요성이고, 더 근위에 위치된 섹션(예컨대, 내부 샤프트 섹션(118) 및 외부 샤프트 섹션(120))이 좌굴의 가능성을 방지하거나 감소시키면서 세장형 샤프트(106)에 대한 가압성을 제공하도록 더 강성이다. 또한, 일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(114)은 수동형 굽힘 섹션(116)보다 더 가요성일 수 있고, 외부 샤프트 섹션(120)은 내부 샤프트 섹션(118)보다 더 강성일 수 있다. 다른 배열이 또한 가능하다.
일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(114)은 의료 기구(100)의 원위 단부에 조향성을 제공한다. 일부 실시예에서, 수동형 굽힘 섹션(116)은 유리하게는, 예를 들어 기관지경술의 경우에, 폐의 주변 또는 상엽 내로 추적하기에 충분한 가요성을 제공한다. 일부 실시예에서, 내부 샤프트 섹션(118)은 삽입기 및 튜브 굴곡부를 통해 삽입되기에 충분히 가요성이지만, 세장형 샤프트(106)에 대한 지지를 제공하기에 충분히 가압성/강직성이다. 일부 실시예에서, 외부 샤프트 섹션(120)은, 절차 동안 환자에 대해 외부에 유지되고(예컨대, 삽입기로 들어가지 않음) 세장형 샤프트(106)의 원위 단부(112)에 대한 지지를 제공하고 좌굴을 방지하기에 충분히 강성인 세장형 샤프트(106)의 부분이다.
일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(114)은 약 50 내지 80 mm, 또는 대략 65 mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(114)은 스코프의 관절운동 반경을 한정한다. 일부 실시예에서, 수동형 굽힘 섹션(116)은 약 150 mm 내지 190 mm, 또는 대략 170 mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 샤프트 섹션(118)은 약 540 mm 내지 600 mm, 또는 대략 572 mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 샤프트 섹션(120)은 약 90 mm 내지 150 mm, 또는 대략 123 mm일 수 있다. 유리하게는, 4개의 상이한 구역의 상이한 길이는 바람직하게는 세장형 샤프트(106)를 위에 놓이는 시스의 부분들과 정렬시켜, 그에 의해 후술되는 바와 같이 상이한 길이를 따라 원하는 가변 강성을 갖는 복합 구조를 생성하도록 설계된다. 일부 실시예에서, 이러한 섹션들 중 하나, 그보다 많은 것, 또는 전부에 대해 다른 길이가 또한 가능하다.
일부 실시예에서, 이들 상이한 기능을 달성하기 위해, 각각의 섹션은 상이한 굽힘 강성 특징 또는 특성을 포함한다. 전술한 단락은 가요성 및 강성에 관하여 섹션을 기술하였다. 이러한 특성들 각각은 굽힘 강성과 관련된다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 굽힘 강성은 일반적으로 가요성과 반비례 관계이다: 굽힘 강성이 증가함에 따라, 가요성이 감소함. 굽힘 강성은 또한 일반적으로 강성과 비례 관계이다: 굽힘 강성이 증가함에 따라, 강성이 증가함.
도 16b는 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)의 대표적인 굽힘 강성 프로파일(102)을 예시한다. 굽힘 강성 프로파일(102)은 원위 단부(112)와 근위 단부(110) 사이에서 그의 길이(L)의 함수로서의 또는 길이를 따른 세장형 샤프트(106)의 굽힘 강성을 예시한다. 예시된 예에서, x-축은 원위 단부(112)와 근위 단부(110) 사이의 세장형 샤프트(106)의 길이(L)를 나타내고, y-축은 뉴턴(N) 단위로 측정된 세장형 샤프트(106)의 최대-힘(max-force) 굽힘 강성의 측정치이다. 일부 예에서, 최대-힘 굽힘 강성을 계산하기 위해, 외팔보 굽힘 시험이 수행된다. 외팔보 굽힘 시험에서, 힘 시험기(예컨대, 앤빌(anvil))가 세장형 샤프트(106)를 고정 거리로 하방으로 가압하는(구부리는) 데 사용된다. 세장형 샤프트(106)를 고정 거리로 구부리는 데 필요한 힘은 최대-힘 굽힘 강성으로서 측정되지만, 기술적으로는, 측정되는 힘은 세장형 샤프트(106)로부터의 반력이다. 일반적으로, 최대-힘 굽힘 강성이 낮을수록, 스코프가 더 가요성이다.
도 16b의 예시적인 굽힘 강성 프로파일(102)에 의해 도시된 바와 같이, 세장형 샤프트(106)의 굽힘 강성은 그의 길이를 따라 변화하거나 변경된다. 따라서, 의료 기구(100)는 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 포함한다.
예시된 실시예에서 그리고 예시적인 굽힘 강성 프로파일(102)에서 보여지는 바와 같이, 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)는 굽힘 강성이 실질적으로 일정한(굽힘 강성 프로파일(102) 내의 평탄역으로서 표현됨) 복수의 굽힘 강성 구역 및 복수의 전이 구역(굽힘 강성 프로파일(102) 내의 램프로서 표현됨)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 의료 기구(100)는 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 4개의 굽힘 강성 구역 및 3개의 전이 구역을 포함하며, 이때 각각의 전이 구역은 인접한 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치된다. 예시된 예에서, 의료 기구(100)는 (원위에서 근위로 배열되는) 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제1 굽힘 강성 구역(122), 제1 전이 구역(124), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제2 굽힘 강성 구역(126), 제2 전이 구역(128), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제3 굽힘 강성 구역(130), 제3 전이 구역(132), 및 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제4 굽힘 강성 구역(134)을 포함한다.
일부 실시예에서, 각각의 섹션은 굽힘 강성의 하나의 구역으로서 보여질 수 있으며, 따라서 세장형 샤프트(106)가 굽힘 강성의 4개의 구역을 포함하고, 이때 각각의 구역은 가장 원위의 굽힘 섹션(114)으로부터 가장 근위의 섹션(120)으로 강성이 증가한다. 일부 실시예에서, 제1 굽힘 강성 구역(122)은 약 1 N 내지 5 N의 굽힘 강성을 갖고; 제2 굽힘 강성 구역(126)은 약 5 N 내지 10 N의 굽힘 강성을 갖고; 제3 굽힘 강성 구역(130)은 약 15 N 내지 25 N의 굽힘 강성을 갖고; 제4 굽힘 강성 구역(134)은 30 N 초과의 굽힘 강성을 갖는다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성 구역들 중 하나, 그보다 많은 것, 또는 전부는 열거된 값과 다른 굽힘 강성(예컨대, 더 높거나 더 낮음)을 포함할 수 있다.
4개의 굽힘 강성 구역 및 3개의 전이 구역이 도시되고 기술되지만, 다른 실시예는 다른 수의 굽힘 강성 구역 및 전이 구역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 의료 기구는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 그보다 많은 전이 구역에 의해 분리되는, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그보다 많은 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는 굽힘 강성 구역"(때때로 단지 "굽힘 강성 구역"으로 지칭됨)은 굽힘 강성이 그에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지되는 세장형 샤프트(106)의 길이를 지칭한다. 일부 예에서, 길이는 대략 10 mm 내지 200 mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 길이는 대략 10 mm, 25 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm이거나, 그보다 길다. 일부 예에서, "실질적으로 일정한"은, 길이에 걸쳐, 굽힘 강성이 길이에 걸친 세장형 샤프트(106)의 평균 굽힘 강성 값의 약 2.5%, 5%, 또는 10% 미만만큼 변화하는 것을 의미한다. 일부 예에서, "실질적으로 일정한"은, 길이에 걸쳐, 굽힘 강성이 0.1 N, 0.25 N, 0.5 N, 1 N, 5 N, 또는 10 N과 같은, 임계 힘 값 미만만큼 변화하는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전이 구역"은 굽힘 강성이 그에 걸쳐 하나의 값으로부터 다른 값으로 변화하거나 전이되는 세장형 샤프트(106)의 길이를 지칭한다. 일부 예에서, 길이는 대략 10 mm 내지 200 mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 길이는 10 mm 내지 200 mm, 또는 대략 10 mm, 25 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm이거나, 그보다 길다. 일부 실시예에서, 전이 구역은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치되고, 전이 구역은 굽힘 강성이 그에 걸쳐, 전이 구역의 일 측부 상의 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성으로부터 전이 구역의 다른 측부 상의 굽힘 강성 구역의 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성으로 전이되는 길이를 포함한다.
일부 실시예에서, 전이 구역 내에서, 굽힘 강성은 전이 구역의 기울기가 실질적으로 일정하도록 대체로 또는 실질적으로 일정한 또는 선형 비율로 변화할 수 있다. 이와 관련하여, 일부 예에서, "실질적으로 일정한"은, 전이 구역의 길이에 걸쳐, 기울기가 전이 구역의 길이에 걸친 세장형 샤프트(106)의 평균 기울기 값의 약 2.5%, 5%, 또는 10% 미만만큼 변화하는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성이 대체로 또는 실질적으로 일정한 또는 선형 비율로 변화하는 전이 구역을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 전이 구역은 모든 실시예에서 선형일 필요는 없다. 일부 실시예에서, 전이 구역은 만곡된 램프 형상을 갖는다.
예시된 실시예에서, 제1 굽힘 강성 구역(122)은 가장 낮은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖고, 제2 굽힘 강성 구역(126)은 제1 굽힘 강성 구역(122)의 굽힘 강성보다 높은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖고, 제3 굽힘 강성 구역(130)은 제2 굽힘 강성 구역(126)의 굽힘 강성보다 높은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖고, 제4 굽힘 강성 구역(134)은 제3 굽힘 강성 구역(130)의 굽힘 강성보다 높은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는다. 따라서, 의료 기구(100)의 굽힘 강성은 원위 단부(112)로부터 근위 단부(110)로 대체로 증가할 수 있다. 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 예를 들어, 굽힘 강성은 증가하고, 감소하고, 이어서 다시 증가하거나, 대체로 감소할 수 있다.
또한, 예시된 실시예에서, 전이 구역(124, 128, 132)은 대체로 또는 실질적으로 일정한 기울기를 포함한다. 각각의 전이 구역의 기울기가 변화할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 제1 전이 구역(124)의 기울기는 제2 전이 구역(128)의 기울기보다 작을 수 있고, 제2 전이 구역(128)의 기울기는 제3 전이 구역(132)의 기울기보다 작을 수 있다. 역시, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다.
참고로, 도 16b는 또한, 일례에서, 굽힘 강성 프로파일(102)이 능동형 굽힘 섹션(114), 수동형 굽힘 섹션(116), 내부 샤프트 섹션(118), 및 외부 샤프트 섹션(120)과 정렬되는 방법을 예시한다. 예시된 실시예에서, 각각의 섹션은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 하나의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 예를 들어, 제1 굽힘 강성 구역(122)은 능동형 굽힘 섹션(114) 내에 위치되고, 제2 굽힘 강성 구역(126)은 수동형 굽힘 섹션(116) 내에 위치되고, 제3 굽힘 강성 구역(130)은 내부 샤프트 섹션(118) 내에 위치되고, 제4 굽힘 강성 구역(134)은 외부 샤프트 섹션(120) 내에 위치된다. 세장형 샤프트(106)는 섹션 내에 위치된 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성이, 섹션이 그의 특정된 기능을 수행하는 것을 용이하게 하거나 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
전이 구역(124, 128, 132)은 세장형 샤프트(106)의 굽힘 강성이 그에 걸쳐 더 낮은 값으로부터 더 높은 값으로(또는 그 반대로) 점진적으로 변화할 수 있는 길이를 제공한다. 굽힘 강성이 (급격하게 변화하는 것과는 대조적으로) 점진적으로 변하는 영역을 갖는 것은 세장형 샤프트(106) 내에서 응력 집중부 및 파괴 지점을 회피하는 데 도움을 줄 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 섹션은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 적어도 하나의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 섹션은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 정확히 하나의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 섹션은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 하나 초과의 굽힘 강성 구역을 포함한다.
예시된 실시예에서, 전이 구역(124, 128, 132)은 인접한 섹션과 중첩되도록 위치된다. 예를 들어, 제1 전이 구역(124)은 능동형 굽힘 섹션(114)과 수동형 굽힘 섹션(116) 사이에 위치되고 그들과 부분적으로 중첩된다. 제2 전이 구역(128)은 수동형 굽힘 섹션(116)과 내부 샤프트 섹션(118) 사이에 위치되고 그들과 부분적으로 중첩된다. 또한, 제3 전이 구역(132)은 내부 샤프트 섹션(118)과 외부 샤프트 섹션(120) 사이에 위치되고 그들과 부분적으로 중첩된다. 전이 구역에 대한 다른 배열 및 위치가 또한 가능하다. 예를 들어, 전이 구역이 전체적으로 하나의 섹션 내에, 예를 들어 섹션의 원위 단부에, 섹션의 근위 단부에, 또는 근위 단부와 원위 단부 사이의 섹션의 길이를 따라 위치될 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)의 구성 재료 및 방법(본 명세서에서 모달리티 또는 특성으로 지칭됨)은 굽힘 강성을 결정하며, 가변 굽힘 강성을 갖는(예컨대, 도 16에 예시된 바와 같은 굽힘 강성 프로파일을 갖는) 의료 기구(100)를 생성하기 위해, 구성 재료 및/또는 방법은 세장형 샤프트(106)의 길이를 따라 변화될 수 있다. 또한, 전술된 점진적인 전이 구역을 달성하기 위해, 세장형 샤프트(106)는 엇갈린 방식으로 변화되는 복수의 모달리티로 제조될 수 있다. 이제, 가변 굽힘 강성 프로파일을 생성하기 위한 예시적인 모달리티 및 모달리티의 배열이 도 16c 및 도 16d를 참조하여 기술될 것이다.
도 16c는, 예를 들어 도 16c에 도시된 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 제공하도록 구성되는 다중-모달리티 구성을 포함하는 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)의 단면도이다. 의료 기구(100)의 다중-모달리티 구성은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 바와 같이, 의료 기구(100)는 내부 층(144) 및 외부 층(146)을 포함한다. 내부 및 외부 층(144, 146)은 의료 기구(100)의 기능 중 일부를 가능하게 하는 다양한 다른 특징부를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 도 16a 내지 도 16d에 예시된 바와 같이, 의료 기구(100)는 스코프(예컨대, 내시경, 기관지경, 요관경, 혈관 스코프 등)로서 구성된다. 스코프는 예를 들어 도시된 바와 같이 카메라(136), 하나 이상의 광원(138), 위치 센서(140)(예컨대, EM 코일), 및 작업 채널(142)을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(106)의 다중-모달리티 구성은 복수의 모달리티 또는 특성을 포함할 수 있다. 이와 관련하여 사용되는 바와 같이, 모달리티 또는 특성은 가변 굽힘 강성 프로파일을 생성하기 위해 세장형 샤프트(106)의 길이를 따라 상이한 영역에서 변화될 수 있는 제조 재료 또는 방법을 지칭한다. 이제, 도 16c의 세장형 샤프트(106)의 내부 및 외부 층(144, 146)을 참조하여 예가 기술될 것이지만, 당업자는 다른 모달리티 및 특성이 또한 가변 굽힘 강성을 갖는 의료 기구의 구성에 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
예를 들어, 세장형 샤프트(106)의 각각의 섹션의 기계적 특성은 도 16c의 2-층 구성을 사용하여 변조될 수 있다. 이러한 실시예에서, 내부 층(144)은 내골격(150)을 포함한다. 후술되고 도 17에 도시된 바와 같이, 내골격(150)은 니티놀 또는 스테인리스 강과 같은 금속으로 제조된 레이저 절단 하이포튜브(laser cut hypotube)를 포함할 수 있다. 재료는 세장형 샤프트(106) 내에서 그것이 위치되는 곳에 따라 변화할 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 층(146)은 브레이딩된 재킷일 수 있다. 브레이딩된 재킷은 풀 와이어 루멘 및 풀 와이어(108)를 포함하는 브레이드(152), 및 복합 구조 내로 용융될 수 있는 열가소성 재료(154)를 포함할 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 브레이딩된 재킷의 다양한 특성이 상이한 굽힘 강성을 생성하도록 세장형 샤프트의 상이한 영역에서 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 및 외부 층(144, 146)은 역전될 수 있다(예컨대, 내골격(150)은 외부 층 내에 위치될 수 있음).
도 16c에 도시된 바와 같이, 내부 층(144)과 외부 층(146)은 라이너(liner)(148)에 의해 분리될 수 있다. 라이너(148)는 제조 중의 리플로우(reflow) 작업 동안 열가소성 재료(154)가 브레이딩된 재킷으로부터 내골격(150) 내로 유동하는 것을 방지하도록 구성될 수 있고, 내골격(150)이 사용 중일 때 브레이딩된 재킷 아래에서 자유롭게 이동하도록 허용할 수 있다.
내골격(150)은 가변 굽힘 강성 프로파일을 나타내도록 변화될 수 있는 하나의 모달리티일 수 있다. 예를 들어, 내골격(150)의 특징부는 세장형 샤프트(106)의 상이한 영역에서 상이한 굽힘 강성을 생성하도록 그의 길이를 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 내골격(150)은 세장형 샤프트(106)를 위한 후프 강도(hoop strength) 및 킹크 저항(kink resistance)을 제공한다.
내골격(150)은, 일부 실시예에서, 니티놀 또는 스테인리스 강 중 어느 하나로 형성될 수 있지만, 다른 재료가 또한 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 내골격(150)은 일부에서 니티놀로 그리고 다른 부분에서 스테인리스 강으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)의 능동형 굽힘 섹션(114)은 니티놀 휨 설계(flexure design)를 사용하며, 이는 그것이 급격한 굴곡부를 통과하도록 허용한다. 능동형 굽힘 섹션(114) 내에 니티놀 휨 설계(156)를 포함하는 예시적인 내골격(150)이 도 17에 도시되어 있다. 니티놀 휨 설계(156)는 풀 와이어 하중인가 동안 수축에 저항하기 위한 높은 축방향 강성 및 세장형 샤프트(106)를 관절운동시키는 데 필요한 힘을 감소시키기 위한 낮은 굽힘 강성을 제공하도록 설계된 다양한 절단 패턴을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 니티놀 재료의 사용은, 이러한 섹션이 사용 동안 겪게 되는 높은 변형률 및 급격한 굴곡부로 인해, 이러한 섹션에서 유리할 수 있다. 니티놀의 초탄성 특성은 그것이 고도로 관절운동될 때에도 직선형 구성으로 복원되고 다수회의 관절운동 후에도 피로에 저항하도록 허용한다.
일부 실시예에서, 내골격(150)의 나머지 부분(예컨대, 수동형 굽힘 섹션(116), 내부 샤프트 섹션(118), 및 외부 샤프트 섹션(120))은 예를 들어 스테인리스 강으로 형성될 수 있다. 일부 섹션(예컨대, 수동형 굽힘 섹션(116), 내부 샤프트 섹션(118))에서, 스테인리스 강은 상이한 피치로 레이저 절단될 수 있으며, 여기에서 피치가 낮을수록 굽힘 강성이 낮아진다(그리고 가요성이 커짐). 이것의 예가, 예를 들어 도 17의 내골격(150)의 섹션(158, 160)에 의해 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 레이저 절단 섹션은 낮은 축방향 강성을 나타낼 수 있고, 이러한 섹션 내의 더 강성인 브레이딩된 재킷은 굽힘 강성을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 외부 샤프트 섹션(120)에서, 내골격(150)은, 일부 실시예에서, 도 17에서 섹션(162)에 의해 예시된 바와 같이, 강직성 하이포튜브로 전이될 수 있다. 이는 이러한 영역에서 의료 기구(100)에 최대 축방향 및 굽힘 강성을 제공하여 세장형 샤프트(106)가 좌굴되는 것을 방지할 수 있는데, 그 이유는 스코프의 이러한 부분이 흔히 시스의 외측에서 지지되지 않을 것이기 때문이다.
일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는, 유리하게는 전방향성 또는 원주방향으로 균일한 굽힘 강성을 제공하는 내골격(150)을 포함할 수 있다. 용어 전방향성은 세장형 샤프트(106)가 다수의 방향에서 동일한 굽힘 강성을 가질 수 있음을 나타낸다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성은 임의의 굽힘 방향에 대해 2 내지 10 퍼센트 내에서 변화한다. 전방향성 또는 균일한 굽힘 강성의 이점은 세장형 샤프트(106)의 성능이 세장형 샤프트의 배향에 무관하다는 것이다. 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(106)는 2-방향 및 1-방향 조향 둘 모두를 가질 수 있다.
내골격(150)은 상이한 섹션에서 상이한 굽힘 강성을 생성하기 위해 세장형 샤프트의 길이를 따라 변화되거나 변조될 수 있는 다양한 모달리티를 제공할 수 있다. 이들 모달리티는 예를 들어 재료, 휨 설계, 레이저 절단, 피치 등을 포함할 수 있다. 이들 모달리티는 상이한 영역 또는 섹션에서 상이한 굽힘 강성을 제공하도록 내골격(150)의 길이를 따라 변화될 수 있다.
외부 층(146)은 또한 상이한 섹션에서 상이한 굽힘 강성을 생성하기 위해 세장형 샤프트(106)의 길이를 따라 변화되거나 변조될 수 있는 다양한 모달리티를 포함할 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 외부 층(146)은 브레이딩된 재킷을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 브레이딩된 재킷은 굽힘 섹션의 관절운동을 위해 사용되는 풀 와이어(108)를 수용하고, 의료 기구에 기계적 구조 및 안정성을 제공하고, 외부 환경으로부터 스코프의 내부구조물을 밀봉하도록 설계될 수 있다.
브레이딩된 재킷은 재킷 재료(154) 및 브레이드(152)를 포함할 수 있으며, 이때 풀 와이어(108)가 그를 통해 연장된다. 일부 실시예에서, 브레이딩된 재킷은 의료 기구(100)에 기계적 구조 및 안정성을 제공할 수 있다. 브레이딩된 재킷은 세장형 샤프트(106)의 특성에 영향을 미치도록 변조될 수 있는 다수의 파라미터를 가질 수 있다. 예를 들어, 브레이딩된 재킷의 재킷 재료(154)는 특정 듀로미터 또는 경도를 가질 수 있다. 상이한 듀로미터의 상이한 재료가 상이한 굽힘 강성을 생성하기 위해 상이한 섹션에 사용될 수 있다. 또한, 브레이딩된 재킷의 브레이드(152)는 특정 기하학적 구조 또는 브레이드 각도로 제조될 수 있다. 기하학적 구조상 및 브레이드 각도는 상이한 굽힘 강성을 생성하기 위해 세장형 샤프트(106)의 길이를 따라 변화될 수 있다.
예시된 실시예에서, 브레이딩된 재킷의 기계적 특성은 하기 모달리티들 중 하나 이상을 조절함으로써 변조될 수 있다: 재킷 재료(154)의 듀로미터, 브레이드(152) 기하학적 구조, 및 브레이드 픽 카운트(즉, 브레이드 각도). 일반적으로, 더 낮은 듀로미터 재료는 더 낮은 굽힘 강성을 제공하고, 더 높은 듀로미터 재료는 더 높은 굽힘 강성을 제공한다. 브레이딩된 재킷에 사용될 수 있는 예시적인 재료는 25 내지 72D의 듀로미터 범위로 입수가능한 폴리에테르 블록 아미드(예컨대, 페박스(Pebax)), 및 페박스보다 강성일 수 있는 나일론(Nylon) 12를 포함한다. 플라스틱과 같은 다른 재료가 또한 사용될 수 있다. 브레이드 기하학적 구조에 관하여, 브레이드 층에 사용되는 브레이드의 형상 및 수를 조절하는 것이 가능하다. 당업자는 많은 상이한 브레이드 구성이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 마지막으로, 브레이드 픽 카운트(브레이드 각도)가 또한 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 브레이딩된 재킷은, 역시 조절될 수 있는 추가 모달리티를 포함할 수 있다.
전술된 모달리티는 단지 예로서 제공된다. 다른 모달리티가 또한, 기술된 모달리티 대신에 또는 그에 더하여, 의료 기구(100)의 가변 굽힘 강성 프로파일을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 16d는 도 16b에 도시된 굽힘 강성 프로파일(102)을 생성하기 위해 의료 기구(100)의 다층 구성에서, 일 실시예에 따라, 다양한 모달리티가 변조될 수 있는 방법을 개략적으로 예시한다. 참고로, 의료 기구(100)의 측면도가 도 16d에 도시되어 있으며, 능동형 굽힘 섹션(114), 수동형 굽힘 섹션(116), 내부 샤프트 섹션(118), 및 외부 샤프트 섹션(120)뿐만 아니라, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제1 굽힘 강성 구역(122), 제1 전이 구역(124), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제2 굽힘 강성 구역(126), 제2 전이 구역(128), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제3 굽힘 강성 구역(130), 제3 전이 구역(132), 및 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제4 굽힘 강성 구역(134)이 예시되어 있다.
예시된 실시예에서, 의료 기구(100)의 제1 및 제2 층이 개략적으로 표현되어 있다. 제1 층은 예를 들어 전술된 내부 층(144)일 수 있고, 제2 층은 예를 들어 외부 층(146)일 수 있다. 상이한 크로스-해칭에 의해 나타낸 바와 같이, 제1 층의 모달리티는 원위 단부(112)와 근위 단부(110) 사이에서 세장형 샤프트(106)의 길이를 따라 변경된다. 예시된 예에서, 제1 층의 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함한다. 이러한 섹션들 각각은 의료 기구(100)의 전체 굽힘 강성에 상이하게 기여하는 상이한 특성을 가질 수 있다. 일례로서, 제1 층은 내골격(150)을 포함할 수 있고, 제1 층의 4개의 별개의 섹션은 도 17에 도시된 4개의 섹션(156, 158, 160, 162)을 나타낼 수 있다. 도 16d에 도시된 바와 같이, 제1 층의 4개의 섹션들 사이의 전이는 일반적으로 전이 구역(124, 128, 132) 내에서 발생한다.
예시된 실시예에서, 제2 층은 3개의 상이한 모달리티를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 층은 브레이딩된 재킷일 수 있고, 3개의 모달리티는 위에서 논의된 바와 같이 재킷 재료, 브레이드 기하학적 구조, 및 브레이드 픽 카운트를 나타낼 수 있다. 예시된 예에서, 제1 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함한다. 각각의 섹션은 예를 들어 상이한 듀로미터 또는 경도의 재료를 나타낼 수 있다. 예시된 예에서, 제2 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함한다. 각각의 섹션은 예를 들어 상이한 브레이드 기하학적 구조를 갖는 섹션을 나타낼 수 있다. 예시된 예에서, 제3 모달리티는 6개의 별개의 섹션을 포함한다. 각각의 섹션은 예를 들어 상이한 픽 카운트의 섹션을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 섹션들 사이의 전이는 전이 구역(124, 128, 132) 내에서 발생하지만, 도시된 바와 같이, 예를 들어 제2 및 제3 모달리티에서, 이는 항상 그러할 필요는 없다.
함께, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션의 배열이 의료 기구(100)의 세장형 샤프트(106)의 굽힘 강성을 한정한다. 일부 실시예에서, 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는 굽힘 강성 구역(예컨대, 굽힘 강성 구역(122, 126, 130, 134))을 달성하기 위해, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 전이는 일반적으로 굽힘 강성 구역(122, 126, 130, 134) 내에서 발생하지 않거나 그들 내에서 제한된다. 세장형 샤프트(106)의 구성이 일반적으로 이들 굽힘 강성 구역에서 일정하게 유지되기 때문에, 이들 구역의 길이에 걸친 굽힘은 실질적으로 일정할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 전이는 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 굽힘 강성 구역 내에서 발생하지 않는다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 최대 1개, 2개, 또는 3개의 전이가 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 굽힘 강성 구역 내에서 발생한다.
일부 실시예에서, 구역의 굽힘 강성이 그에 걸쳐 제1 굽힘 강성으로부터 제2 굽힘 강성으로 점진적으로 전이되는 길이를 갖는 전이 구역(예컨대, 전이 구역(124, 128, 132))을 달성하기 위해, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 전이는 일반적으로 전이 구역 내에서 발생한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 적어도 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그보다 많은 전이가 일반적으로 전이 구역 내에서 발생한다. 추가적으로, 전이 구역 내에서 점진적인(예컨대, 경사형 또는 램프형) 전이를 생성하기 위해, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 전이는 일반적으로 엇갈릴 수 있다. 즉, 전이 구역 내에서, 일반적으로 구역 내에서 발생하는 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 전이는 일반적으로 세장형 샤프트(106)의 길이를 따른 동일한 지점에서 발생하지 않는다. 이는 전이 구역(124, 128, 132) 내의 의료 기구(100)의 전체 굽힘 강성 프로파일(102)에 대해 평활화 효과를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 층의 다양한 모달리티의 상이한 섹션들 사이의 적어도 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그보다 많은 전이가 각각의 전이 구역 내에서 엇갈린다.
도 16d는 일부 실시예에서, 의료 기구(100)가 다층 구성을 포함할 수 있는 것을 예시한다. 일부 층은 단일 모달리티를 포함할 수 있고(예컨대, 제1 층), 일부 층은 복수의 모달리티를 포함할 수 있다(예컨대, 제2 층). 일부 실시예에서, 의료 기구는 단일 층만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 의료 기구는 2개 초과의 층을 포함할 수 있다. 또한, 도 16d에 예시된 섹션들 사이의 전이 및 예시된 모달리티는 단지 예로서 제공된다. 당업자는 원하는 대로 다양한 굽힘 강성 프로파일을 생성하기 위한 다른 배열이 가능하다는 것을 용이하게 인식할 것이다.
도 18a 내지 도 18d는 예시적인 가변 굽힘 강성 프로파일(202)을 갖는 다른 의료 기구(200)의 일 실시예에 관한 것이다. 예시된 실시예에서, 의료 기구(200)는 시스로서 구성된다. 후술될 바와 같이, 일부 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)는 복합 구조를 형성하기 위해 의료 기구(100)(스코프)와 함께 사용될 수 있고, 의료 기구(200)(시스)와 의료 기구(100)(스코프)의 상대 이동이 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일을 변조하기 위해 사용될 수 있다. 도 18a는 의료 기구(200)의 측면도이다. 도 18b는 의료 기구(200)의 가변 굽힘 강성 프로파일(202)을 예시한다. 도 18c는 의료 기구의 예시적인 다중-모달리티 구성을 도시한, 의료 기구(200)의 단면도를 예시한다. 도 18d는 다중-모달 구성의 개별 모달리티가 의료 기구(200)의 가변 굽힘 강성 프로파일(202)을 달성하기 위해 변화될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한다.
많은 점에서, 의료 기구(200)는 의료 기구(100)와 유사하다. 도 18a에 예시된 바와 같이, 의료 기구(200)는 기구 기부(204) 및 세장형 샤프트(206)를 포함한다. 세장형 샤프트(206)는 근위 단부(210)와 원위 단부(212) 사이에서 연장될 수 있다. 근위 단부(210)는 기구 기부(204)로부터 연장되고 그에 부착될 수 있다. 원위 단부(212)는 의료 기구(200)의 세장형 샤프트(206)의 선단부일 수 있다. 세장형 샤프트(206)는 근위 단부(210)와 원위 단부(212) 사이에서 측정되는 길이(L)를 포함한다. 일부 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)의 길이(L)는 의료 기구(100)(스코프)의 길이(L)보다 작은 한편, 다른 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)의 길이(L)는 의료 기구(100)(스코프)와 동일하거나 그보다 크다. 일부 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)의 길이(L)는 의료 기구(100)(스코프)의 길이(L)보다 약 50 내지 300 mm 작다. 일부 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)의 길이(L)는 의료 기구(100)(스코프)의 길이(L)보다 약 100 mm, 약 150 mm, 약 200 mm, 약 250 mm, 또는 약 300 mm 작다. 일부 실시예에서, 의료 기구(200)(시스)의 길이(L)는 의료 기구(100)(스코프)의 길이(L)의 약 60%, 약 70%, 약 80%, 또는 약 90%이다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 의료 기구(200)의 길이(L)는 약 600 내지 약 750 mm일 수 있다. 일례에서, 길이(L)는 약 680 mm이다.
예시된 실시예에서, 세장형 샤프트(206)는 3개의 상이한 섹션을 포함한다: 굽힘 섹션(214)(능동형 굽힘 섹션으로 또한 지칭됨), 수동형 굽힘 섹션(216), 및 내부 샤프트 섹션(218)(추적 섹션으로 또한 지칭됨). 섹션은 원위 단부(212)와 근위 단부(210) 사이에서 세장형 샤프트(206)의 길이(L)를 따라 연속적으로 배열될 수 있다. 3개의 섹션이 예시되어 있지만, 일부 실시예에서, 의료 기구는 더 많거나 더 적은 섹션을 포함할 수 있다. 예를 들어, 의료 기구는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 또는 그보다 많은 섹션을 포함할 수 있다.
의료 기구(100)와 유사하게, 의료 기구(200)의 각각의 섹션은 의료 절차를 용이하게 하고/하거나 의료 기구(200)의 구동성 및 제어를 개선하기 위해 상이한 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 더 원위에 위치된 섹션이 세장형 샤프트(206)의 조작성을 용이하게 하도록 더 가요성이고, 더 근위에 위치된 섹션이 좌굴의 가능성을 방지하거나 감소시키면서 세장형 샤프트(206)의 가압성을 제공하도록 더 강성이다. 일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(214)은 의료 기구(200)의 원위 단부에 조향성을 제공한다. 일부 실시예에서, 수동형 굽힘 섹션(216)은, 예를 들어 기관지경술의 경우에, 폐의 상엽 내로 추적하기에 충분한 가요성을 제공한다. 일부 실시예에서, 내부 샤프트 섹션(218)은 삽입기 및 튜브 굴곡부를 통해 삽입되기에 충분히 가요성이지만, 세장형 샤프트(206)에 대한 지지를 제공하기에 충분히 가압성/강직성이다. 일부 실시예에서, 이들 상이한 기능을 달성하기 위해, 각각의 섹션은 상이한 굽힘 강성 특징 또는 특성을 포함한다.
일부 실시예에서, 능동형 굽힘 섹션(214)은 약 50 mm 내지 80 mm, 또는 대략 65 mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 수동형 굽힘 섹션(216)은 약 45 mm 내지 75 mm, 또는 대략 60 mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 내부 샤프트 섹션(218)은 내부 구역에 대해 약 410 내지 500 mm, 또는 대략 450의 길이를 가질 수 있다. 유리하게는, 3개의 상이한 구역의 상이한 길이는 바람직하게는 세장형 샤프트(206)를 아래에 놓이는 스코프의 부분들과 정렬시켜, 그에 의해 상이한 길이를 따라 원하는 가변 강성을 갖는 복합 구조를 생성하도록 설계된다. 일부 실시예에서, 이러한 섹션들 중 하나, 그보다 많은 것, 또는 전부의 길이는 열거된 값과 상이할 수 있다.
도 18b는 의료 기구(200)의 세장형 샤프트(206)의 대표적인 굽힘 강성 프로파일(202)을 예시한다. 예시된 실시예에서 그리고 예시적인 굽힘 강성 프로파일(202)에서 보여지는 바와 같이, 의료 기구(200)의 세장형 샤프트(206)는 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 3개의 굽힘 강성 구역 및 2개의 전이 구역을 포함하며, 이때 각각의 전이 구역은 인접한 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치된다. 예시된 예에서, 의료 기구(200)는 (원위에서 근위로 배열되는) 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제1 굽힘 강성 구역(222), 제1 전이 구역(224), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제2 굽힘 강성 구역(226), 제2 전이 구역(228), 및 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제3 굽힘 강성 구역(230)을 포함한다.
3개의 굽힘 강성 구역 및 2개의 전이 구역이 도시되고 기술되지만, 다른 실시예는 다른 수의 굽힘 강성 구역 및 전이 구역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 의료 기구는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 그보다 많은 전이 구역에 의해 분리되는, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그보다 많은 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서, 제1 굽힘 강성 구역(222)은 가장 낮은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖고, 제2 굽힘 강성 구역(226)은 제1 굽힘 강성 구역(222)의 굽힘 강성보다 높은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖고, 제3 굽힘 강성 구역(230)은 제2 굽힘 강성 구역(226)의 굽힘 강성보다 높은 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는다. 따라서, 의료 기구(200)의 굽힘 강성은 원위 단부(212)로부터 근위 단부(210)로 대체로 증가한다. 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 예를 들어, 굽힘 강성은 증가하고, 감소하고, 이어서 다시 증가하거나 대체로 감소할 수 있다.
또한, 예시된 실시예에서, 전이 구역(224, 228)은 대체로 또는 실질적으로 일정한 기울기를 포함한다. 각각의 전이 구역의 기울기가 변화할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 제1 전이 구역(224)의 기울기는 제2 전이 구역(228)의 기울기보다 작을 수 있다. 역시, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다.
참고로, 도 18b는 또한, 일례에서, 굽힘 강성 프로파일(202)이 굽힘 섹션(214), 수동형 굽힘 섹션(216), 및 내부 샤프트 섹션(218)과 정렬되는 방법을 예시한다. 예시된 실시예에서, 각각의 섹션은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 하나의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 예를 들어, 제1 굽힘 강성 구역(222)은 굽힘 섹션(214) 내에 위치되고, 제2 굽힘 강성 구역(226)은 수동형 굽힘 섹션(216) 내에 위치되고, 제3 굽힘 강성 구역(230)은 내부 샤프트 섹션(218) 내에 위치된다. 세장형 샤프트(206)는 섹션 내에 위치된 굽힘 강성 구역의 실질적으로 일정한 굽힘 강성이, 섹션이 그의 특정된 기능을 수행하는 것을 용이하게 하거나 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 전이 구역(224, 228)은 세장형 샤프트의 굽힘 강성이 그에 걸쳐 더 낮은 값으로부터 더 높은 값으로(또는 그 반대로) 점진적으로 변화할 수 있는 길이를 제공한다. 이전과 같이, 굽힘 강성이 (급격하게 변화하는 것과는 대조적으로) 점진적으로 변하는 영역을 갖는 것은 세장형 샤프트(206) 내에서 응력 집중부 및 파괴 지점을 회피하는 데 도움을 줄 수 있다.
예시된 실시예에서, 전이 구역(224, 228)은 인접한 섹션과 중첩되도록 위치된다. 예를 들어, 제1 전이 구역(224)은 굽힘 섹션(214)과 수동형 굽힘 섹션(216) 사이에 위치되고 그들과 부분적으로 중첩된다. 제2 전이 구역(228)은 수동형 굽힘 섹션(216)과 내부 샤프트 섹션(218) 사이에 위치되고 그들과 부분적으로 중첩된다. 전이 구역에 대한 다른 배열 및 위치가 또한 가능하다. 예를 들어, 전이 구역이 전체적으로 하나의 섹션 내에, 예를 들어 섹션의 원위 단부에, 섹션의 근위 단부에, 또는 근위 단부와 원위 단부 사이의 섹션의 길이를 따라 위치될 수 있다.
도 18c는, 예를 들어 도 18c에 도시된 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일(202)을 제공하도록 구성되는 다중-모달 구성을 포함하는 의료 기구(200)의 세장형 샤프트(206)의 단면도이다. 의료 기구(200)의 다중-모달 구성은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 바와 같이, 의료 기구(200)는 내부 층(244) 및 외부 층(246)을 포함한다. 내부 및 외부 층(244, 246)은 도시된 바와 같이 작업 또는 내부 채널(242)을 둘러쌀 수 있다. 내부 채널(242)은 스코프(예컨대, 의료 기구(100))를 그 내부에 수용하는 크기 및 형상으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스코프는 내부 채널(242)을 통해 삽통식으로 이동할 수 있다. 라이너(248)가 내부 채널(242) 주위에 제공될 수 있다. 라이너(248)는 사용 동안 제1 의료 기구(100)가 내부 채널(242)을 통해 자유롭게 이동하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
예시된 실시예에서, 내부 층(244) 및 외부 층(246) 둘 모두는 브레이딩된 재킷을 포함할 수 있다. 브레이딩된 재킷은 열가소성 재료로부터 제조된 브레이드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 층(244) 및 외부 층(246) 중 하나는 풀 와이어(208)를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 브레이딩된 재킷의 다양한 특성이 상이한 굽힘 강성을 생성하도록 세장형 샤프트의 상이한 영역에서 변조될 수 있다. 예를 들어, 각각의 층(244, 246)에서, 브레이드 재료(듀로미터), 브레이드 기하학적 구조, 및 브레이드 픽 카운트가 상이한 굽힘 강성을 생성하도록 변조될 수 있다. 다른 모달리티가 또한, 기술된 모달리티 대신에 또는 그에 더하여, 의료 기구(200)의 가변 굽힘 강성 프로파일을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 18d는 도 18b에 도시된 굽힘 강성 프로파일(202)을 생성하기 위해 의료 기구(200)의 다층 구성에서, 일 실시예에 따라, 다양한 모달리티가 변조될 수 있는 방법을 개략적으로 예시한다. 참고로, 의료 기구(200)의 측면도가 도 18d에 도시되어 있으며, 능동형 굽힘 섹션(214), 수동형 굽힘 섹션(216), 및 내부 샤프트 섹션(218)뿐만 아니라, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제1 굽힘 강성 구역(222), 제1 전이 구역(224), 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제2 굽힘 강성 구역(226), 제2 전이 구역(228), 및 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 제3 굽힘 강성 구역(230)이 예시되어 있다.
예시된 실시예에서, 의료 기구(200)의 제1 및 제2 층이 개략적으로 표현되어 있다. 제1 층은 내부 층(244)을 나타낼 수 있고 제2 층은 외부 층(246)을 나타낼 수 있으며, 이들은 전술된 바와 같이 둘 모두 브레이딩된 재킷일 수 있다. 도 18d에 예시된 바와 같이, 제1 층 및 제2 층 둘 모두는 적어도 2개의 상이한 모달리티를 포함할 수 있다. 예시된 예에서, 제1 층의 제1 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함하고, 제1 층의 제2 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함한다. 예시된 예에서, 제2 층의 제1 모달리티는 4개의 별개의 섹션을 포함하고, 제2 층의 제2 모달리티는 6개의 별개의 섹션을 포함한다. 의료 기구(100)에서와 같이, 일반적으로, 섹션들 사이의 전이는 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 굽힘 구역(222, 226, 230) 내에서 발생하지 않거나 그들 내에서 제한되고, 섹션들 사이의 전이는 전이 구역(224, 228) 내에서 발생하지만, 이는 항상 그러할 필요는 없다. 상이한 수의 모달리티 및 상이한 수의 섹션을 갖는 다른 수의 층이 사용될 수 있다.
B. 굽힘 강성 프로파일의 변조.
위에 간략히 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 복합 구조(때때로 의료 기구로 지칭됨)는 시스(예컨대, 의료 기구(200))의 내부 채널 내에 위치된 스코프(예컨대, 의료 기구(100))를 포함할 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 용어 "복합 구조"는, 시스로부터 원위로 연장될 수 있는 스코프의 부분, 또는 스코프로부터 원위로 연장될 수 있는 시스의 부분을 포함하여, 스코프가 시스의 내부 채널 내에 위치되는 어떠한 경우에도 스코프 및 시스의 모든 부분을 지칭하고 포함할 수 있다. 스코프 및 시스 중 하나 또는 둘 모두는 전술된 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있다(예컨대, 도 16b 및 도 18b 참조). 복합 구조는 스코프 및 시스의 개별 가변 굽힘 강성 프로파일의 조합인 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함할 수 있다. 또한, 복합 구조의 가변 굽힘 강성 프로파일은 스코프와 시스의 상대 위치를 조절함으로써 변조되거나, 변경되거나, 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 복합 구조의 가변 굽힘 강성 프로파일의 변조는 의료 절차를 용이하게 하도록, 수동으로 또는 로봇식으로 의료 절차 동안(예컨대, 수술중에) 발생할 수 있다.
도 19a는 의료 기구 또는 복합 구조(300)를 예시한다. 복합 구조(300)는 시스(200), 예를 들어 도 18a 내지 도 18d의 의료 기구(200)의 내부 채널 내에 위치된 스코프(100), 예를 들어 도 16a 내지 도 16d의 의료 기구(100)를 포함한다. 구체적으로, 스코프(100)의 세장형 샤프트(106)는 시스(200)의 세장형 샤프트(206)의 내부 채널(242)을 통해 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 스코프(100)와 시스(200)는 동축이다. 도 19a의 예시된 실시예에서, 스코프(100)와 시스(200)는 스코프(100)의 원위 단부(112)가 시스(200)의 원위 단부(212)와 정렬되도록 서로에 대해 위치된다.
스코프(100)와 시스(200)가 동축일 수 있지만, 그들은 서로에 대해 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 스코프(100)는 제1 로봇 아암 상의 기구 구동 메커니즘에 부착될 수 있는 기구 기부(104)를 포함한다. 제1 로봇 아암은 스코프(100)를 방향(107)으로 삽입하거나 후퇴시키기 위해 기구 기부(104)를 이동시킬 수 있다. 유사하게, 시스(200)는 제2 로봇 아암 상의 기구 구동 메커니즘에 부착될 수 있는 기구 기부(204)를 포함한다. 제2 로봇 아암은 시스(200)를 방향(207)으로 삽입하거나 후퇴시키기 위해 기구 기부(204)를 이동시킬 수 있다. 방향(107)으로의 스코프의 이동은 방향(207)으로의 시스(200)의 이동과 독립적일 수 있다. 일부 실시예에서, 스코프(100)와 시스(200)는 길이가 동일 공간에 걸쳐 있지 않고, 따라서 하나(전형적으로, 시스(200))가 다른 하나(전형적으로, 스코프(100))보다 짧을 것이다.
도 19b는 각각 스코프(100), 시스(200), 및 복합 구조(300)의 예시적인 굽힘 강성 프로파일(102, 202, 302)을 예시한다. 스코프(100)는 전술된 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일(102)을 포함할 수 있다(예컨대, 도 16b 참조). 예시된 예에서, 스코프(100)의 굽힘 강성 프로파일(102)은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 4개의 굽힘 강성 구역 및 3개의 전이 구역을 포함한다. 시스(200)는 또한 전술된 바와 같은 가변 굽힘 강성 프로파일(202)을 포함할 수 있다(예컨대, 도 18b 참조). 예시된 예에서, 시스(200)의 굽힘 강성 프로파일(202)은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 3개의 굽힘 강성 구역 및 2개의 전이 구역을 포함한다.
도 19b에 도시된 바와 같이, 복합 구조(300)는 스코프(100) 및 시스(200)의 굽힘 강성 프로파일(102, 202)에 기초하는 굽힘 강성 프로파일(302)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 굽힘 강성 프로파일(302)은 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 5개의 굽힘 강성 구역 및 4개의 전이 구역을 포함한다. 따라서, 일부 실시예에서, 복합 구조(300)의 굽힘 강성 프로파일(302)은 스코프(100) 및 시스(200)의 굽힘 강성 프로파일들(102, 202) 중 하나 또는 둘 모두보다, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 더 많은 굽힘 강성 구역 및/또는 더 많은 전이 구역을 포함한다. 일부 실시예에서, 복합 구조(300)의 굽힘 강성 프로파일(302)은 스코프(100) 및 시스(200)의 굽힘 강성 프로파일들(102, 202) 중 하나 또는 둘 모두와, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 동일한 수의 굽힘 강성 구역 및/또는 그보다 더 많은 전이 구역을 포함한다.
예를 들어, 스코프(100)가 n개의 굽힘 강성 구역을 포함하는 경우, 복합 구조(300)는, 일부 실시예에서, n + 1개 내지 2n개(언급된 수를 포함함) 또는 그보다 많은 임의의 수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 시스(200)가 m개의 굽힘 강성 구역을 포함하는 경우, 복합 구조(300)는, 일부 실시예에서, m + 1개 내지 2m개(언급된 수를 포함함) 또는 그보다 많은 임의의 수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 스코프가 n개의 굽힘 강성 구역을 포함하고 시스(200)가 m개의 굽힘 강성 구역을 포함하는 경우, 복합 구조(300)는, 일부 실시예에서, n + m + 1개 내지 2(n + m)개(언급된 수를 포함함) 또는 그보다 많은 임의의 수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다.
또한, 복합 구조(300)의 굽힘 강성 프로파일(302)은 스코프(100)와 시스(200)의 상대 위치를 조절함으로써 변조되거나, 변경되거나, 변화될 수 있다. 도 19c는 스코프(100)의 위치가 시스(200)에 대해 조절된 예를 예시한다. 구체적으로, 예시된 예에서, 스코프(100)의 원위 단부(112)는 시스(200)의 원위 단부(212)를 넘어(더 원위에) 위치되었다. 이는 예를 들어 스코프(100)를 전진시키거나, 시스(200)를 후퇴시키거나, 이들의 조합을 수행함으로써 달성될 수 있다.
도 19d는 스코프(100) 및 시스(200)가 도 19c에 도시된 바와 같이 위치된 상태에서, 각각 스코프(100), 시스(200), 및 복합 구조(300)의 굽힘 강성 프로파일(102, 202, 302)을 예시한다. 예시된 예에서, 복합 구조(300)의 굽힘 강성 프로파일(302)은 전이 구역에 의해 분리된, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 6개의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 또한, 도 19d의 굽힘 강성 프로파일(302)이 도 19b의 굽힘 강성 프로파일(302)에 비해 변조되거나 변경되었음을 인식하여야 한다. 이는, 스코프(100) 및 시스(200)가 상이한 위치에 있음으로 인해, 굽힘 강성 프로파일(102, 202)이 상이한 방식으로 배열되어 상이한 굽힘 강성 프로파일(302)을 생성하기 때문이다.
따라서, 복합 구조(300)는 유리하게는, 스코프(100)의 원위 단부(112)가 시스(200)의 원위 단부(212)를 넘어 위치되는 상대 위치, 시스(200)의 원위 단부(212)가 스코프(100)의 원위 단부(112)를 넘어 위치되는 상대 위치, 및 스코프(100)의 원위 단부(112)가 시스(200)의 원위 단부(212)와 정렬되는 상대 위치를 포함하는, 스코프(100)와 시스(200)의 복수의 상대 위치에 기초하여 그의 굽힘 강성 프로파일(302)을 변조하거나 변경할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스(200)에 대해 스코프(100)를(또는 그 반대로) 이동시키는 것은 이동 전보다, 실질적으로 일정한 굽힘 강성의 더 많거나 더 적거나 그와 동일한 수의 굽힘 강성 구역을 갖는 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일(302)을 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스(200)에 의한 스코프(100)의 변조는, 도 19d에 도시된 바와 같이, 시스(200) 내에 위치된 스코프(100)의 일부분을 따라서만 발생할 수 있으며, 이때 스코프(100)의 나머지 부분(예컨대, 시스(200)의 원위로 연장되는 부분)은 그의 원래 굽힘 강성 프로파일을 갖는다.
의료 절차 동안, 의사 및/또는 로봇식 의료 시스템은 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일(302)을 변조하기 위해 스코프(100)와 시스(200)의 상대 위치를 조절할 수 있다. 이는 수행될 특정 조작에 더욱 적합한 굽힘 강성 프로파일(302)을 생성하기 위해 행해질 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 수동으로 수행된다. 일부 실시예에서, 이는 (예컨대, 프로세서 또는 내비게이션 시스템에 의해 제어되는 바와 같이) 자동으로 수행된다. 일부 실시예에서, 이는 수술중에 수행된다. 이는 유리하게는 의료 기구를 변경할 필요 없이 상이한 사례의 절차 동안 상이한 굽힘 강성 프로파일의 사용을 허용할 수 있다.
도 20a 내지 도 20c는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 복합 구조(스코프와 시스)의 제1 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한다. 이러한 예에서, 스코프와 시스 둘 모두는 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함한다. 도 20a는 스코프와 시스의 굽힘 강성 프로파일뿐만 아니라, 스코프와 시스의 원위 단부가 정렬될 때의 복합 구조의 조합 굽힘 강성 프로파일을 예시한다. 도 20b는 스코프와 시스의 굽힘 강성 프로파일뿐만 아니라, 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부를 60 mm 넘어 연장될 때의 복합 구조의 조합 굽힘 강성 프로파일을 예시한다. 도 20c는 스코프와 시스의 굽힘 강성 프로파일뿐만 아니라, 스코프의 원위 단부가 시스의 원위 단부를 150 mm 넘어 연장될 때의 복합 구조의 조합 굽힘 강성 프로파일을 예시한다. 도 20a 내지 도 20c에 도시된 복합 구조의 조합 굽힘 강성 프로파일들을 비교함으로써, 조합 굽힘 강성 프로파일이 스코프와 시스의 상대 위치를 조절함으로써 변조될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 본 명세서에 기술된 원리에 따라 구성된 복합 구조(스코프와 시스)의 제2 실시예와 관련된 실험 데이터를 제시한다. 이러한 예에서, 스코프와 시스 둘 모두는 가변 굽힘 강성 프로파일을 포함한다. 도 21a는 시스에 대한 스코프의 상이한 연장 시에 복합 구조에 대한 가변 강성 프로파일을 예시한다. 도시된 바와 같이, 복합 구조의 모든 5개의 가변 강성 프로파일은 상이하다. 도 21b는 시스에 대한 스코프의 연장의 함수로서 복합 구조의 가변 강성 프로파일을 예시한다. 역시, 시스에 대한 스코프의 위치를 조절하는 것이 복합 구조의 굽힘 강성 프로파일을 변조시키는 것으로 나타나 있다.
도 23은 환자 내강 내에서 의료 기구를 내비게이션하기 위한 예시적인 방법(400)을 예시한 흐름도이다. 일부 실시예에서, 의료 기구는 전술된 복합 구조(300)와 같은, 스코프와 시스를 포함할 수 있다. 방법(400)은 로봇 의료 시스템으로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(400)은 수동으로 구현될 수 있다.
방법(400)은 블록(402)에서 시작된다. 블록(402)에서, 의료 기구는 환자 내강 내로 삽입된다. 의료 기구는 스코프와 시스를 포함할 수 있다. 스코프는 스코프의 길이를 따라 배열된 복수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성 구역들 각각은 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는다. 시스는 시스 및 내부 채널의 길이를 따라 배열된 복수의 굽힘 강성 구역을 포함할 수 있다. 스코프는 시스의 내부 채널 내에 위치될 수 있다. 환자 내강은 기관지 기도를 포함할 수 있지만, 방법(400)은 또한 다른 환자 내강에 사용하도록 구현될 수 있다.
다음으로, 블록(404)에서, 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일은 스코프 및 시스 중 적어도 하나의 위치를 스코프 및 시스 중 다른 하나에 대해 조절함으로써 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 스코프가 시스로부터 원위로 연장되도록 스코프를 전진시키는 단계 및 시스를 후퇴시키는 단계 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 스코프의 원위 단부가 시스의 내부 채널 내에 위치되도록 시스를 전진시키는 단계 및 스코프를 후퇴시키는 단계 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 시스의 원위 단부가 스코프의 원위 단부를 넘어 원위에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 스코프의 원위 단부는 시스의 원위 단부와 정렬된다.
일부 실시예에서, 스코프는 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 각각 갖는 적어도 4개의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 일부 실시예에서, 스코프는 적어도 3개의 전이 구역을 포함하며, 적어도 3개의 전이 구역들 각각은 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치된다. 일부 실시예에서, 스코프는 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 각각 갖는 적어도 3개의 굽힘 강성 구역을 포함한다. 일부 실시예에서, 스코프는 적어도 2개의 전이 구역을 포함하며, 적어도 2개의 전이 구역들 각각은 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치된다. 일부 실시예에서, 제1 굽힘 강성 구역이 다른 굽힘 강성 구역의 굽힘 강성보다 작은 굽힘 강성을 갖는다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성의 제3 구역이 삽입기를 통해 연장된다. 일부 실시예에서, 굽힘 강성의 제4 구역이 환자 내강을 통해 연장되지 않고, 삽입기를 통해서도 연장되지 않는다.
3. 구현 시스템 및 용어.
본 명세서에 개시된 구현예는 가변 굽힘 강성 프로파일을 갖는 의료 기구를 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에 기술된 위치 추정 및 로봇 운동 작동 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.
어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "대략" 또는 "약"은 길이, 두께, 양, 기간, 또는 다른 측정가능 값의 측정 범위를 지칭한다. 그러한 측정 범위는 특정된 값의 그리고 특정된 값으로부터의 +/-10% 이하, 바람직하게는 +/-5% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-1% 이하, 더욱 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 변동을, 그러한 변동이 개시된 장치, 시스템, 및 기법에서 기능하기 위해 적절한 한에 있어서 포함한다.
개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.
Claims (48)
- 의료 기구(medical instrument)로서,
원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 세장형 샤프트(elongated shaft)를 포함하고, 상기 세장형 샤프트는,
상기 세장형 샤프트의 길이를 따라 배열되는 적어도 3개의 굽힘 강성 구역(bending stiffness zone)들로서, 각각의 굽힘 강성 구역은 상기 굽힘 강성 구역의 길이에 걸쳐 연장되는 굽힘 강성을 포함하고, 상기 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성은 인접한 굽힘 강성 구역의 굽힘 강성보다 크거나 작고, 상기 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성은 상기 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일한, 상기 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들; 및
적어도 2개의 전이 구역(transition zone)들로서, 각각의 전이 구역은 상기 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들의 각각의 쌍 사이에서 상기 전이 구역의 길이에 걸쳐 연장되는 가변 굽힘 강성(variable bending stiffness)을 포함하고, 각각의 전이 구역의 가변 굽힘 강성은 상기 전이 구역의 제1 측부 상의 제1 굽힘 강성으로부터 상기 전이 구역의 제2 측부 상의 제2 굽힘 강성으로 변하는, 상기 적어도 2개의 전이 구역들을 포함하는, 의료 기구. - 제1항에 있어서, 각각의 전이 구역에 대해, 가변 굽힘 강성은상기 전이 구역의 상기 제1 측부 상의 상기 제1 굽힘 강성으로부터 상기 전이 구역의 상기 제2 측부 상의 상기 제2 굽힘 강성으로 실질적으로 선형 기울기(linear slope)로 변하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 원위 단부에 가장 가까운 상기 굽힘 강성 구역은 상기 2개의 다른 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성보다 작은 굽힘 강성을 갖는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 근위 단부에 가장 가까운 상기 굽힘 강성 구역은 상기 2개의 다른 굽힘 강성 구역들 각각의 굽힘 강성보다 큰 굽힘 강성을 갖는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들 각각의 상기 굽힘 강성은 상기 근위 단부로부터 상기 원위 단부로 증가하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 굽힘 강성 구역들 각각은 적어도 50 mm의 길이를 갖는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 전이 구역들 각각은 적어도 10 mm의 길이를 갖는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 세장형 샤프트는 내부 층 및 외부 층을 포함하는, 의료 기구.
- 제8항에 있어서, 상기 외부 층은 브레이딩된 재킷(braided jacket)을 포함하고, 상기 내부 층은 내골격(endoskeleton)을 포함하는, 의료 기구.
- 제9항에 있어서, 상기 브레이딩된 재킷은 상기 브레이딩된 재킷을 통해 연장되는 하나 이상의 풀 와이어(pull wire)들을 포함하는, 의료 기구.
- 제9항에 있어서, 상기 브레이딩된 재킷의 굽힘 강성이 재킷 재료 듀로미터(durometer), 브레이드 기하학적 구조(braid geometry), 및 브레이드 픽 카운트(braid pic count) 중 적어도 하나에 의해 변조되도록(modulated) 구성되는, 의료 기구.
- 제9항에 있어서, 상기 내골격은 니티놀로 형성된 제1 부분 및 스테인리스 강으로 형성된 제2 부분을 포함하는, 의료 기구.
- 제12항에 있어서, 상기 내골격의 제2 부분은 적어도 제1 피치(pitch)를 갖는 코일들을 포함하는 제1 섹션 및 적어도 제2 피치를 갖는 코일들을 포함하는 제2 섹션을 포함하는, 의료 기구.
- 제13항에 있어서, 상기 내골격의 상기 제2 부분은 강직성 하이포튜브(rigid hypotube)로서 형성된 제3 섹션을 추가로 포함하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 의료 기구는 내시경을 포함하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 세장형 샤프트는 전방향성(omnidirectional)인 굽힘 강성 프로파일(bending stiffness profile)을 포함하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 세장형 샤프트는 계단형(stepped)인 굽힘 강성 프로파일을 포함하는, 의료 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 전이 구역들 각각은 점진적 기울기(gradual slope)의 형태를 하는 굽힘 강성을 갖는, 의료 기구.
- 의료 시스템으로서,
원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 길이를 갖는 세장형 부재로서, 상기 세장형 부재는 상이한 굽힘 강성의 n개의 굽힘 강성 구역들을 추가로 포함하고, 상기 n개의 굽힘 강성 구역들 각각은 상기 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 상기 세장형 부재; 및
시스 원위 단부와 시스 근위 단부 사이에서 연장되는 시스 길이를 갖는 시스(sheath)로서, 상기 시스는 내부 채널을 포함하는, 상기 시스를 포함하고;
상기 세장형 부재는 상기 세장형 부재와 상기 시스가 적어도 n+1개의 굽힘 강성 구역들을 갖는 복합 구조를 형성하도록 상기 시스의 상기 내부 채널 내에서 이동하게 구성되고, 상기 n+1개의 굽힘 강성 구역들 각각은 상기 굽힘 강성 구역의 길이를 따라 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 의료 시스템. - 제19항에 있어서, 상기 복합 구조는 상기 세장형 부재 원위 단부가 상기 시스 원위 단부의 원위에 위치되도록 상기 세장형 부재가 상기 시스를 통해 전진될 때 적어도 n+1개의 굽힘 강성 구역들을 포함하는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 시스는 상이한 굽힘 강성의 적어도 n개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 상기 n개의 굽힘 강성 구역들 각각은 상기 굽힘 강성 구역의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖고, 상기 세장형 부재는 상기 복합 구조가 적어도 2n개의 굽힘 강성 구역들을 포함하도록 상기 시스에 대해 위치되게 구성되는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 세장형 부재는 4개의 굽힘 강성 구역들을 갖고, 상기 복합 구조는 4개를 초과하는 굽힘 강성 구역들을 갖는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 세장형 부재와 상기 시스는 상이한 길이들을 갖는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 시스는 굽힘 강성의 복수의 구역들을 포함하는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 시스는 굽힘 강성의 적어도 4개의 구역들을 포함하는, 의료 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 의료 시스템은,
제1 로봇 아암(robotic arm)으로서, 상기 세장형 부재가 상기 제1 로봇 아암에 부착되는, 상기 제1 로봇 아암; 및
제2 로봇 아암으로서, 상기 시스가 상기 제2 로봇 아암에 부착되는, 상기 제2 로봇 아암을 추가로 포함하고;
상기 제1 로봇 아암은 상기 시스에 대해 상기 세장형 부재를 전진 또는 후퇴시키도록 구성되고, 상기 제2 로봇 아암은 상기 세장형 부재에 대해 상기 시스를 전진 또는 후퇴시키도록 구성되는, 의료 시스템. - 환자 내에서 의료 기구를 내비게이션하기(navigating) 위한 방법으로서,
상기 의료 기구를 환자 내강(lumen) 내로 삽입하는 단계로서, 상기 의료 기구는,
스코프(scope)로서, 상기 스코프는 상기 스코프의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 상기 굽힘 강성 구역들 각각은 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 상기 스코프, 및
시스로서, 상기 시스는 상기 시스의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 상기 시스는 내부 채널을 추가로 포함하고, 상기 스코프가 상기 시스의 상기 내부 채널 내에 위치되는, 상기 시스를 포함하는, 상기 의료 기구를 환자 내강 내로 삽입하는 단계; 및
상기 스코프 및 상기 시스 중 적어도 하나의 위치를 상기 스코프 및 상기 시스 중 다른 하나에 대해 조절함으로써 상기 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계를 포함하는, 방법. - 제27항에 있어서, 상기 의료 기구의 상기 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 상기 스코프가 상기 시스로부터 원위로 연장되도록 상기 스코프를 전진시키는 단계 또는 상기 시스를 후퇴시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 의료 기구의 상기 굽힘 강성 프로파일을 변조하는 단계는 상기 스코프의 원위 단부가 상기 시스의 상기 내부 채널 내에 위치되도록 상기 시스를 전진시키는 단계 또는 상기 스코프를 후퇴시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 시스의 원위 단부가 상기 스코프의 상기 원위 단부를 넘어 원위에 위치되는, 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 스코프의 상기 원위 단부는 상기 시스의 원위 단부와 정렬되는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 스코프는 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 각각의 굽힘 강성 구역은 상기 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 스코프는 적어도 3개의 구역들을 포함하고, 각각의 구역은 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치되는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 스코프는 적어도 3개의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 각각의 굽힘 강성 구역은 상기 구역의 길이를 따라 실질적으로 일정한 굽힘 강성을 갖는, 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 스코프는 적어도 2개의 구역들을 포함하고, 각각의 구역은 적어도 4개의 굽힘 강성 구역들의 쌍 사이에 위치되는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 환자 내강은 기관지 기도들을 포함하는, 방법.
- 제27항에 있어서, 제1 굽힘 강성 구역이 상기 다른 굽힘 강성 구역들에 비해 작은 굽힘 강성을 갖는, 방법.
- 제27항에 있어서, 굽힘 강성의 제3 구역이 삽입기(introducer)를 통해 연장되는, 방법.
- 제38항에 있어서, 굽힘 강성의 제4 구역이 상기 환자 내강을 통해 연장되지 않고, 상기 삽입기를 통해서도 연장되지 않는, 방법.
- 의료 기구로서,
원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장되는 세장형 샤프트를 포함하고, 상기 세장형 샤프트는,
상기 세장형 샤프트의 굽힘 강성을 변조하기 위한 제1 모달리티(modality)로서, 상기 제1 모달리티의 모달리티가 상기 원위 단부와 상기 근위 단부 사이의 제1 지점에서 변경되는, 상기 제1 모달리티;
상기 세장형 샤프트의 상기 굽힘 강성을 변조하기 위한 제2 모달리티로서, 상기 제2 모달리티의 모달리티가 상기 원위 단부와 상기 근위 단부 사이의 제2 지점에서 변경되고, 상기 제2 지점은 상기 제1 지점과 상이한, 상기 제2 모달리티를 포함하고;
상기 제1 지점 및 상기 제2 지점은 상기 세장형 샤프트의 굽힘 강성 프로파일이 제1 굽힘 강성을 갖는 제1 굽힘 강성 구역, 제2 굽힘 강성을 갖는 제2 굽힘 강성 구역, 및 상기 제1 굽힘 강성 구역과 상기 제2 굽힘 강성 구역 사이에 위치되는 전이 구역을 포함하도록 위치되고, 상기 전이 구역은 상기 전이 구역의 굽힘 강성이 상기 제1 굽힘 강성으로부터 상기 제2 굽힘 강성으로 전이되는 길이를 포함하는, 의료 기구. - 제40항에 있어서, 상기 제1 모달리티는 제1 층 내에 배치되고, 상기 제2 모달리티는 제2 층 내에 배치되는, 의료 기구.
- 제40항에 있어서, 상기 제1 모달리티 및 제2 모달리티는 동일한 층 내에 배치되는, 의료 기구.
- 제40항에 있어서, 상기 제1 모달리티는 재료 특성을 포함하는, 의료 기구.
- 제41항에 있어서, 재료 특성은 경도(hardness)를 포함하는, 의료 기구.
- 제40항에 있어서, 상기 제2 모달리티는 기계적 특성을 포함하는, 의료 기구.
- 제45항에 있어서, 상기 기계적 특성은 브레이드 기하학적 구조 및 브레이드 픽 카운트 중 적어도 하나를 포함하는, 의료 기구.
- 제40항에 있어서, 굽힘 강성을 변조하기 위한 제3 모달리티를 추가로 포함하는, 의료 기구.
- 명령어들을 저장한 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체로서, 상기 명령어들은 장치의 프로세서로 하여금 적어도,
의료 기구를 환자 내강 내로 삽입하고 - 상기 의료 기구는,
스코프로서, 상기 스코프는 상기 스코프의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 상기 굽힘 강성 구역들 각각은 실질적으로 균일한 굽힘 강성을 갖는, 상기 스코프, 및
시스로서, 상기 시스는 상기 시스의 길이를 따라 배열되는 복수의 굽힘 강성 구역들을 포함하고, 상기 시스는 내부 채널을 추가로 포함하고, 상기 스코프가 상기 시스의 상기 내부 채널 내에 위치되는, 상기 시스를 포함함 -;
상기 스코프 및 상기 시스 중 적어도 하나의 위치를 상기 스코프 및 상기 시스 중 다른 하나에 대해 조절함으로써 상기 의료 기구의 굽힘 강성 프로파일을 변조하게 하도록 구성되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
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