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KR20190123795A - 척추 적용을 위한 2 자유도 시스템 및 방법 - Google Patents

척추 적용을 위한 2 자유도 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20190123795A
KR20190123795A KR1020197031036A KR20197031036A KR20190123795A KR 20190123795 A KR20190123795 A KR 20190123795A KR 1020197031036 A KR1020197031036 A KR 1020197031036A KR 20197031036 A KR20197031036 A KR 20197031036A KR 20190123795 A KR20190123795 A KR 20190123795A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bone
end effector
implant
tunnel
axis
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020197031036A
Other languages
English (en)
Inventor
조엘 주하르
스탠 지 살라예브
Original Assignee
씽크 써지컬, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 씽크 써지컬, 인크. filed Critical 씽크 써지컬, 인크.
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Abstract

2 자유도(2-DOF) 수술 장치로 환자에게 공간 단일 라인을 따라 핀을 정렬하거나 터널을 드릴하는 방법 및 시스템이 제공된다. 평면은 뼈에서 임플란트나 터널의 바람직한 위치에 관련하여 정의되고, 이 때 임플란트 또는 터널은 축을 갖는다. 2-DOF 수술 장치의 엔드 이펙터는 이 평면과 일치하여 정렬되고, 엔드 이펙터가 뼈에서 임플란트 또는 터널의 바람직한 위치에 대한 진입 지점과 정렬될 때 제1 표시기가 신호 보낼 때 까지 2-DOF 수술 장치는 측면으로 이동한다. 엔드 이펙터의 팁은 진입 지점에서 뼈내로 앵커되고, 엔드 이펙터가 원하는 위치에서 임플란트나 터널의 축과 정렬할 때 제2 표시기가 신호 보낼 때까지 2-DOF 수술 장치는 앵커된 팁에 대해 회전한다.

Description

척추 적용을 위한 2 자유도 시스템 및 방법
[관련출원]
본 출원은 2017년 3월 21일자로 출원된 미국 예비 출원 번호 62/474,313의 우선권을 주장하며, 2018년 3월 14일자로 출원된 PCT 출원 번호 PCT/US/2018/022378의 CIP 출원이며, 그 내용은 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 컴퓨터 보조 수술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수술 전 계획된 최적의 궤도에 기초하여 최적으로 계획된 궤적을 나타내는 라인을 따라 2 자유도 장치를 정렬하고 척추경 나사를 척추경을 통해 원하는 위치 및 배향으로 정렬 및 삽입하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
2 자유도 (2-DOF) 수술 시스템은 평면 상에 핀을 정렬하거나 평면을 따라 절단하기에 매우 적합하다. 그러나, 2-DOF 수술 시스템은 공간에서 단일 라인을 따라 핀을 정렬 (또는 터널을 드릴링)할 수 있는 자유도가 부족하다. 2-DOF 수술 시스템을 한 라인으로 정렬하는 능력은 뼈 터널 드릴링 (예를 들어, ACL 재구성) 또는 뼈에 나사 삽입 (예를 들어, 척추경 나사)에 특히 유리하다. 현재 출원중인 2018년 3월 14일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2018/022378에서는, 척추경 나사를 척추경에 삽입 (본질적으로 2-DOF를 한 라인에 정렬) 하기 위한 2-DOF 시스템의 사용이 포함된다. 나머지 자유도는 해당 적용시 장치에 모니터로부터의 시각적 피드백과 깜박이는 발광 다이오드 (LED)를 사용하여 설명되었다.
등뼈로도 알려진 척추는 축 골격의 일부이다. 척추는 추간판으로 분리된 척추라고 불리는 분절된 일련의 뼈로 구성되어 있다. 척추에는 척수를 감싸고 보호하는 구멍인 척수 관이 있다. 사람의 척추에는 보통 33개의 척추 뼈가 있다. 상측 24개는 추간판에 의해 서로 연결되고 분리되어 있으며, 하측 9개는 성인에게서, 천골 5개와 미골 또는 꼬리뼈에 4개가 결합되어 있다. 관절식 척추뼈는 척추의 영역에 따라 명명된다. 7개의 경추, 12개의 흉추 및 5개의 요추가 있다. 척추경은 척추뼈의 뒤쪽에서 튀어나오는 조밀한 줄기 모양의 구조 형태의 좁은 뼈 조각이다. 척추뼈 당 두 개의 척추경이 있다. 일련의 척추경은 척추를 가로지르고 횡돌기를 척추체와 결합시킨다.
도 1a 및 도 1b는 각각 척추(10)의 일부도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이 척추(10)는 추간판(14)에 의해 서로 분리된 일련의 척추 뼈(12)를 갖는다. 척추경(16)은 척추 뼈(12)로부터 연장되어 횡돌기(18)을 척추 뼈(12)와 결합시킨다. 극상 돌기(20)는 라미나(22)로부터 연장되며, 이는 횡돌기(18)의 대향 측면에 연결되어 있다.
척추경 나사는 척추경내로의 이식을 위해 설계된 특정 유형의 뼈 나사이다. 척추경 나사는 기형을 교정하고/하거나 환자 척추에 가해지는 외상을 치료하는 데 사용된다. 척추경 나사는 막대와 플레이트를 척추에 부착하기 위해 기구 조작 수술 과정에서 사용될 수 있다. 나사는 또한 척추의 일부를 고정하는 데에 사용되어 신경 요소(척수, 신경근, 마미 신경이 포함된 신경 트랙)의 압축을 해제하고 뼈 구조를 함께 고정하여 결합하는 데에 도움을 준다. 도 2는 환자의 척추(10)에 삽입된 척추경 나사(24)의 X-선 이미지이다.
현재, 척추경 나사를 척추경을 통해 정렬하는 것을 돕는 시각적 피드백을 제공하는 몇몇 네비게이션 시스템이 이용 가능하다. 그러나, 이 좁은 뼈 조각을 통해 5-DOF에서 척추경을 정렬하려고 하는 것은 시각적 피드백에만 의존하게 되면 종종 어렵고 시간이 많이 걸린다. 척추의 상부 흉부 및 자궁 경부에서는 척추경이 점차 좁아지기 때문에 그 수술 절차가 더욱 어려워진다.
척추에 삽입된 척추경 나사의 위치 및 배향(POSE)은 안전하고 성공적인 결과가 매우 중요하다. 일반적으로, 외과 의사는 임플란트 계획을 계획하고 작성하여 임플란트 나사의 최종 배치가 환자 척추의 섹션에 필요한 지지 또는 고정을 제공한다. 임상적으로 허용 가능한 범위를 약간이라도 벗어난 임플란트 정렬 편차는 최적의 결과를 가져오지 못하고 후속의 수술 비율의 증가를 가져오게 한다.
수술 전 계획된 최적의 궤적에 기초하여 원하는 위치 및 방향으로 척추경 나사를 정렬 및 삽입하기 위한 시스템 및 방법의 개선이 행해지고 있지만, 공간에서 한 라인을 따라 핀을 정렬 (또는 터널을 드릴링)하기 위해 2-DOF 시스템을 이용하는 시스템 및 방법의 개선의 필요성은 계속 대두되고 있다.
축을 따라 2-DOF 핸드 헬드 수술 장치를 정렬하는 방법이 본 명세서에서 제공된다. 본 방법은 뼈에서 임플란트 또는 터널에 대해 바람직한 위치에 관련한 평면을 정의하는 단계를 포함하며, 이 때 임플란트 또는 터널은 축을 갖는다. 2-DOF 수술 장치의 엔드 이펙터는 평면과 일치하게 정렬되고, 제1 표시기가 엔드 이팩터가 뼈에서 임플란트 또는 터널에 대해 바람직한 위치에 대한 진입 지점과 정렬될 때를 신호 보낼 때까지 엔드 이펙터가 평면과의 일치를 유지하는 동안 2-DOF 수술 장치는 측면으로 이동한다. 이어서, 엔드 이펙터의 팁이 진입 지점에서 뼈에 앵커되고; 제2 표시기가 엔드 이펙터가 바람직한 위치에서 임플란트 또는 터널의 축과 정렬할 때를 신호 보낼 때까지 엔드 이펙터가 평면과 일치를 유지하는 동안 2-DOF 수술 장치는 앵커 팁에 대해 회전한다. 그런 다음 엔드 이펙터가 뼈에 삽입된다.
축을 따라 2-DOF 핸드 헬드 수술 장치를 정렬하는 방법을 구현하기 위한 시스템은 컴퓨팅 시스템, 관절식 2-DOF 수술 장치 및 추적 시스템을 포함한다.
본 발명은 다음의 도면과 관련하여 더 상세히 설명된다. 이들 도면은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니고 그 특정 속성을 예시하고자 하는 것이다;
도 1a 및 1b는 각각 척추의 일부 및 단면도를 도시한다.
도 2은 환자의 척추에 삽입된 척추경 나사의 종래의 X-선 이미지도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따라 환자 척추에 척추경 나사를 이식하기 위한 수술 절차를 수행하기 위한 수술 시스템을 도시한다.
도 4a 및 4b는 수술 시스템에 사용된 수술 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 환자의 척추에 척추경 나사의 이식을 도시 한 도면이다.
도 6a 및 6b는 관절식 핀/나사 구동기 장치의 단면도를 도시한 것으로, 도 6a는 수축된 상태에서 핀/나사를 갖는 장치를 도시하고, 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따라 연장된 상태에서 핀/나사를 갖는 장치를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 핀/나사 구동기 장치의 작업부의 구성 요소를 도시하는 분해도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따른 핀-구동기 장치에 부착된 뼈 안정성 부재 및 그 사용의 예시를 도시한다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예에 따라 작업부를 둘러싸는 부분 인클로저를 도시한 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따라 작업부를 둘러싸는 전체 인클로저를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 축을 갖는 뼈 터널의 계획된 위치 및 뼈 터널에 대해 정의된 가상 평면을 갖는 3차원 경골 뼈 모델을 도시한다.
도 11은 정의된 평면과 일치하여 정렬된 2 자유도 (2-DOF) 수술 장치의 엔드-이펙터를 도시하며, 이 때 2-DOF 수술 장치는 엔드 이펙터가 본 발명의 실시예에 따라 작업부의 작동에 의해 정의된 평면과 일치하여 유지되는 동안 측면으로 이동한다.도 12는 임플란트 또는 터널에 대해 정의된 위치의 진입 지점에서 경골에 앵커된 엔드 이펙터의 팁을 도시하고, 이 때 팁은 본 발명의 실시예에 따라 표시기가 엔드 이펙터가 진입 지점과 정렬될 때를 신호 보낸 후에 앵커된다.
도 13은 엔드 이펙터가 임플란트 또는 터널의 축의 정의된 위치와 정렬 될 때까지 앵커된 팁에 대해 회전되는 2-DOF 수술 장치를 도시하고, 제2 표시기는 엔드 이펙터가 본 발명의 실시예에 따라 축과 정렬될 때 사용자에게 신호 보낸다.
본 발명은 외과 의사가 환자 척추의 척추경을 통해 척추경 나사를 효율적이고 정확하게 위치 설정하는 것을 돕는 방법 및 시스템, 및 공간에서 단일 라인을 따라 2-DOF 수술 장치의 엔드-이펙터를 정렬하도록 2-DOF 시스템을 이용하는 개선된 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 실시예는 2 자유도(2-DOF) 장치를 이용하여 외과 의사가 척추경 나사를 타겟의 척추경을 통해 수술 전 계획된 최적의 궤도로 정렬하면서 원하는 위치 및 배향으로 정렬 및 삽입하는 것을 돕는다. 척추경 나사 배치를 위한 본 발명의 방법 및 시스템의 실시예는 시각적 피드백 또는 다른 메커니즘을 사용하여 나머지 관련 자유도의 정렬을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서 핸드 헬드 액츄에이터를 사용하게 되면 예를 들어 로봇이 드릴 가이드를 고정하기 위해 사용될 때와 같이 드릴이 핸드 헬드 액츄에이터를 통해 사용될 때, 드릴 가이드의 의도하지 않은 기계적 편향으로 인해 임계 방향의 부정확성의 가능성을 방지할 수가 있다.
상기 방법 및 시스템은 특히 척추의 변형을 교정하고/하거나 척추의 외상을 치료하는 데 유리하지만, 다른 의학적 적용은 고경골, 골 이식술, 척추 재건 수술 및 그 외 나사 이식을 위한 정확한 배치를 필요로 하는 수술과 같이, 본원에 개시된 주제를 이용할 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 다음의 설명은 본 발명을 이들 특정 실시예로 제한하려는 것이 아니라, 당업자가 본 발명의 예시적인 양태를 통해 본 발명을 제조하고 사용할 수 있도록하는 것이다.
본 발명의 방법의 실시예에서, 환자 척추의 이미지가 획득된다. 이러한 이미지는 컴퓨터 단층 촬영 스캐너, 자기 공명 영상 스캐너, 형광 투시법, 초음파 또는 기타 체내 심문 스캔 기술로 수술 전 또는 수술 중에 쉽게 수집할 수 있다. 이어서, 척추의 2차원 직교 평면 이미지 또는 생성된 3 차원 모델이 생성되어 이식될 척추경 나사 각각에 대해 척추의 척추경 상에 척추경 평면을 정의하는데 사용된다. 그 다음 척추경 평면을 따라 이식될 각각의 척추경 나사에 대한 궤적이 결정된다. 특정의 본 발명의 구체 예에서, 척추경 평면은 중심-측면 방향 및 내외측 회전으로 척추경의 중심을 통해 정의된다. 이를 통해 2-DOF 장치가 척추경의 가장 좁은 영역(중심-측면 거리)을 설명한다. 2-DOF 수술 도구의 일 실시예의 모니터 또는 온-보드 표시기는 사용자가 실시간으로 척추경 나사를 상하 병진 운동, 전후 병진 운동(깊이), 및 굴신 각도(시상면에서의 회전 각도)로 정렬할 수 있도록 동시 피드백을 제공할 수 있다. 환자의 해부학상으로 임의의 수술 전 이미지 및 기준 마커 (예를 들어, 방사선 불투과성 마커, 기준 마커, 기준 마커 어레이, 기계적으로 추적된 프로브 또는 이들의 조합)에 대한 환자 해부학적 구조에 대한 수술 중 기록이 2D/3D 플루오로, 구조적 광 또는 표면 포인트 등록을 포함하는 통상적인 수단에 의해 수행된다. 2-DOF 장치는 척추경 표면을 해부학적 구조에 대해 정확하게 위치 결정할 수 있고, 또한 호흡 또는 심장 출력과 같은 경미한 환자 움직임을 수용하기 위해 실시간으로 장치 위치를 조정할 수 있다.
계획의 관점에서, 사용자는 척추경 평면을 정의하기 위해 척추경 상에 3개의 중심-측면(M-L) 중심점을 배치할 수 있다. 사용자는 그에 따라 나머지 DOF를 계획하거나, 나머지 DOF에 대한 전통적인 내비게이션 시스템과 같은 실시간 시각적 점진적인 피드백을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용된 2-DOF 장치의 실시예는 척추경 나사를 위한 파일럿 홀을 천공하고, 이어서 척추경 나사를 척추경 내로 구동시키도록 구성될 수 있다. 예시적으로 발광 다이오드(LED)를 포함하는 2-DOF 장치 상의 온보드 표시기는 장치가 최적의 궤도로 정렬되고 순차적인 나사 전진과 위치 결정을 위한 깊이 인식이 이루어지면 사용자에게 직접적인 시각적 피드백을 제공할 수 있다. 다른 온-보드 메커니즘은 예시적으로 깜박이는 화살표 등을 포함할 수 있으며, 사용자가 나머지 자유도를 실시간으로 정렬하는 것을 도울 수 있다.
2-DOF 장치의 실시예 또는 사용자의 시선에 있는 하나 이상의 LED 표시기는 나사의 최적 위치를 정렬 및/또는 검증하는 것을 돕기 위해 척추경 나사 전진 동안 추가 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 제1 녹색광은 척추경 나사의 진입 포인트 및 궤도가 정확한 것을 나타내기 위해 사용되며; 제2 녹색 등은 척추경의 중간 부분이 안전 구역 내에 있고 궤도가 정확한 것으로 확인되었음을 나타낼 수 있고; 제3 녹색 표시등은 척추체 내로의 종단 포인트에 도달하고 척추경 나사의 궤적이 확인된 것을 나타낸다. 세 개의 LED 표시 등과 LED 화살표가 모두 켜지면 척추경 나사의 배치가 성공적으로 완료된 것이다. 특정 실시예에서, 좌측(L) 및 우측(R) 3차원 화살표는 궤적 가이드로서 사용될 수 있으며, 관성 측정 유닛(IMU), 가속도계 및 자이로스코프를 포함하는 예시적인 추가의 추적 메커니즘을 이용할 가능성이 있다.
본 발명의 실시예는 수술 시스템으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 수술 시스템의 예는 미국 특허 5,086,401, 7,206,626, 8,876,830 및 8,961,536, 미국 특허 공개 번호 2013/0060278에서 기재한 바와 같이, 예시적으로 1-6 자유도 핸드헬드 수술 시스템, 직렬 체인 조작 시스템, 병렬 로봇 시스템 또는 마스터-슬레이브 로봇 시스템을 포함한다. 특정 실시예에서, 수술 시스템은 미국 특허 제6,033,415호에 설명된 바와 같은 직렬 체인 조작 시스템으로 이 특허는 본 출원의 양수인에게 양도되었으며 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다. 조작 시스템은 자율적, 반자율적 또는 햅틱 제어 및 이들의 임의의 조합을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 조작기 시스템에 부착된 도구는 사용자에 의해 수동으로 조작될 수 있는 반면, 시스템은 도구에 전력, 활성 또는 햅틱 제어 중 적어도 하나를 제공한다.
도면을 참조하면, 도 3a 및 도 3b는 2 자유도(2-DOF) 수술 시스템(100)을 도시한다. 2-DOF 수술 시스템(100)은 일반적으로 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 공개 번호 2015/051713에 기재되어 있으며 본 명세서에서 그 전체가 참조되고 있다. 2-DOF 수술 시스템(100)은 컴퓨팅 시스템(102), 관절식 수술 장치(104) 및 추적 시스템(106)을 포함한다. 수술 시스템(100)은 척추경 나사를 도 3a에 나타낸 바와 같이 환자의 척추 상에서, 및 도 3b에서의 경골 또는 비골에서의 목표의 척추 뼈에 대해 정의된 가상 척추경 평면과 정확하게 일치하게 배치하도록 사용자를 안내하고 도울 수 있다. 가상 평면은 척추경 나사가 계획된 위치 및 방향으로 삽입되도록 수술 계획에서 정의된다.
관절식 수술 장치
도 4a 및 도 4b는 2-DOF 수술 시스템(100)의 관절식 수술 장치(104)를 보다 상세히 도시하고, 이 때 도 4a는 제1 작업 POSE에서의 수술 장치(104)를 도시하고, 도 4b는 제2 작업 POSE에서의 수술 장치(104)를 도시한다. 수술 장치(104)는 핸드 헬드 부분(202) 및 작업부(204)을 포함한다. 핸드 헬드 부분(202)은 사용자에 의해 유지되고 들고 조작될 인체 공학적 디자인의 외부 케이싱(203)을 포함한다. 작업부(204)은 축(207)을 갖는 엔드 이펙터/도구(206)를 포함한다. 도구(206)는 모터(205)에 용이하게 부착되고 이에 의해 구동된다. 핸드 헬드 부분(202) 및 작업부(204)는 핸드 헬드 부분(202)에 대한 작업부(204)의 피치 및 병진 운동을 제어하기 위해 핸드 헬드 부분(202)의 구성 요소에 의해 작동되는 전방 선형 레일(208a) 및 후방 선형 레일(208b)에 의해 연결된다. 추적 시스템(106)이 작업부(204)의 POSE를 추적할 수 있도록 3개 이상의 기준 마커를 갖는 추적 어레이(212)가 작업부(142)에 견고하게 부착된다. 다르게는, 세 개 이상의 기준 마커가 작업부(204)에 직접 일체화될 수 있다. 기준 마커는 발광 다이오드(LED)와 같은 능동 마커 또는 역 반사 영역과 같은 수동 마커이다. 장치(104)는 트리거(214) 또는 버튼과 같은 하나 이상의 사용자 입력 메커니즘을 더 포함할 수 있다.
핸드 헬드 부분(202)의 외부 케이싱 내에는 전방 볼 나사(216a)에 전력을 공급하는 전방 액츄에이터(210a) 및 후방 볼 나사(216b)에 전력을 공급하는 후방 액츄에이터(210b)가 있다. 액츄에이터(210a, 210b)는 볼 나사(216a, 216b)를 양방향으로 회전시키는 서보 모터일 수 있다. 선형 레일(208a, 208b)의 제1 단부는 힌지(220a, 220b)를 통해 작업부(204)에 부착되며, 힌지(220a, 220b)는 작업 부(204)가 선형 레일(208a, 208b)에 대해 선회하도록 한다. 볼 너트(218a, 218b)은 선형 레일(208a, 208b)의 제2 단부에 부착된다. 볼 너트(218a, 218b)는 볼 나사(216a, 216b)와 기계적으로 연통되어있다. 액츄에이터(210a, 210b)는 볼 나사(216a, 216b)에 동력을 공급하여 볼 너트(218a, 218b)가 볼 나사(216a, 216b)의 축을 따라 병진 운동하게 한다. 따라서, 작업부(204)의 병진 운동(d) 및 피치 운동(α)은 대응하는 볼 나사(216a, 216b) 상에서의 각각의 볼 너트(218a, 218b)의 위치에 따라 조정될 수 있다. 선형 가이드(222)는 병진 방향 'd'에서 선형 레일(208a, 208b)의 움직임을 더 제한하고 안내할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서의 관절 수술 장치(104)의 입력/출력 포트는 장치(104)에 전력 및/또는 제어 신호를 제공하거나; 장치는 배터리로부터 전력을 수신하고 무선 연결을 통해 신호를 제어하여 장치(104)에 연결되는 전기 배선의 필요성을 없앨 수 있다. 관절식 수술 장치(104)의 액추에이터(210) 및 모터(205)는 다양한 방법을 사용하여 제어될 수 있다. 일 방법에서, 제어 신호는 입력/출력 포트에 대한 전기 연결을 통해 제공될 수 있다. 다른 방법에서, 전기 배선의 필요성을 완화시키는 무선 연결을 통해 제어 신호가 장치(104)에 전달된다. 무선 연결은 광 통신을 통해 이루어질 수 있다. 제3 방법에서, 핸드 헬드 부분(202)은 수술 장치(104)에 온보드 제어를 제공하기 위해 장치 컴퓨터 (또는 마이크로 컨트롤러)를 수용할 수 있다. 온보드 장치 컴퓨터는 광 통신을 통해 외부 데이터 (예를 들어, 추적 데이터, 정보 데이터 등)를 수신할 수 있다. 마찬가지로, 온보드 장치 컴퓨터는 광 통신을 통해 내부 데이터 (예를 들어, 작동 데이터, 액츄에이터/볼 나사 위치 데이터, 배터리 수명 등)를 전송할 수 있다. 특정 실시예에서, 장치는 PCT 공개 WO2016/081931에 기술된 바와 같이 가시광 통신을 통해 무선 제어 신호를 수신할 수 있고, 그 내용은 본 명세서에 포함된다.
관절식 수술 장치(104)는 사용자에게 보이는 하나 이상의 표시기(224)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 표시기(224)는 엔드 이펙터(206)의 위치가 진입 지점 또는 임플란트나 터널의 바람직한 위치의 축과 정렬될 때 사용자에게 통지하는 신호 등의 신호를 사용자에게 제공하기 위한 발광 다이오드(LED) 또는 다른 시각적 표시기일 수 있다. 특정 실시 예에서, 핸드 헬드 수술 장치(104)를 제어하는 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서(들)가 하나 이상의 표시기(224)에 의해 엔드-이펙터(206)가 진입 지점 또는 임플란트나 터널의 바람직한 위치의 축과 정렬될 때를 사용자에게 신호보내도록 하는 소프트웨어를 포함한다. 하나 이상의 표시기(224)는 수술 장치에 관한 정보 (예를 들어, 배터리 수명, 작동 조건)를 추가로 제공할 수 있다.
컴퓨팅 시스템 및 추적 시스템
도 3a 및 도 3b는 또한 컴퓨팅 시스템(102)이 일반적으로 수술 절차를 실행하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 것을 상세히 설명한다. 특히 본 발명의 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(102)은 엔드 이펙터/도구(206)의 위치 및 배향(POSE)을 제어하기 위해 액츄에이터(210a, 210b)에 작동 명령을 제공한다. 컴퓨팅 시스템(102)은 엔드 이펙터(206)를 핸드 헬드 부분(202)의 POSE와 상관없이 정의된 평면과 일치하게 유지하도록 구성된다. 컴퓨팅 시스템(102)은 엔드 이펙터/도구(206)를 a) 뼈에 대해 정의되거나 등록된 평면의 추적된 POSE 및 b) 작업부(204)의 추적된 POSE에 기초한 평면과 정확하게 일치시킨다. 따라서 컴퓨팅 시스템(102)은 핸드 헬드 부분(202)의 POSE와 무관하게 수술 계획에서 정의된 가상 평면으로 도구 축(207)을 유지할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서 컴퓨팅 시스템(102)은 프로세서를 포함하는 장치 컴퓨터(또는 마이크로컨트롤러)(108); 프로세서를 포함하는 계획 컴퓨터(110); 프로세서를 포함하는 추적 컴퓨터(111); 및 주변 장치를 포함할 수 있다. 프로세서는 본 발명의 시스템 및 방법과 관련된 계산을 수행하기 위해 컴퓨팅 시스템(102)에서 동작한다. 프로세서 기능은 컴퓨터, 원격 서버, 클라우드 컴퓨팅 설비 또는 이들의 조합 사이에서 공유된다는 것이 이해될 것이다.
추적 컴퓨터(111) 및 장치 컴퓨터(108)에 의해 수집된 데이터 및/또는 이에 의해 실행된 동작은 함께 작업하여 핸드 헬드 수술 장치(104)를 제어하고, 이와 같이, 수술 장치(104)를 제어하기 위해 추적 컴퓨터(111) 및 장치 컴퓨터(108)에 의해 수집된 데이터 및/또는 이에 의해 실행된 동작을 본 명세서에서는 "제어 시스템"으로 지칭할 수 있다. 그러나, 장치 컴퓨터(108), 계획 컴퓨터(110) 및 추적 컴퓨터(111)는 도시된 바와 같이 별개의 개체일 수 있거나, 수술 시스템(100)의 구성에 따라 하나 또는 두 개의 컴퓨터에서 동작이 실행될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 추적 컴퓨터(111)는 장치 컴퓨터(108)의 필요 없이 수술 장치(104)를 제어하기 위한 작동 데이터를 가질 수 있다. 또는, 장치 컴퓨터(108)는 계획 컴퓨터(110)의 필요 없이 수술 절차를 계획하기 위한 작동 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 장치 컴퓨터(108), 계획 컴퓨터(110) 및/또는 추적 컴퓨터(111)의 임의의 조합은 유선 또는 무선 연결을 통해 연결될 수 있다.
특정한 본 발명의 실시예에서, 장치 컴퓨터(108)는 하나 이상의 프로세서, 제어기, 소프트웨어, 데이터 유틸리티, 및 수술 장치(104)의 동작과 관련된 기능을 수행하기 위한 RAM, ROM 또는 다른 비휘발성 또는 휘발성 메모리와 같은 임의의 추가 데이터 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치 컴퓨터(108)는 작업부(204)의 POSE와 같은 수술 장치(104)를 제어하고, 추적 데이터를 수신 및 처리하고, 모터(205)의 속도를 제어하고, 등록 알고리즘을 실행하고, 교정 루틴을 실행하고, 수술 절차 전반에 걸쳐 사용자에게 워크플로우 명령을 제공하는 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티 뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따라 수술을 성공적으로 수행하는데 필요한 임의의 다른 적절한 소프트웨어, 데이터 또는 유틸리티를 포함한다.
장치 컴퓨터(108), 계획 컴퓨터(110) 및 추적 컴퓨터(111)는 도시된 바와 같이 별개의 개체일 수 있거나, 또는 그 동작이 수술 시스템(100)의 구성에 따라 단지 하나 또는 두 개의 컴퓨터에서 실행될 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 추적 컴퓨터(111)는 장치 컴퓨터(108)의 필요 없이 장치(104)를 제어하기 위한 작동 데이터를 가질 수 있다. 또는, 장치 컴퓨터(108)는 계획 컴퓨터(110)의 필요성과 함께 수술 절차를 계획하기 위한 작동 데이터를 포함할 수 있다. 특정의 본 발명의 실시예에서, 장치 컴퓨터(108)는 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 수술 장치(104)와 분리되어 위치될 수 있거나, 장치 컴퓨터(108)는 추적 컴퓨터(111)로부터 수신된 정보 및/또는 추적 데이터에 기초하여 온보드 제어를 제공하기 위해 수술 장치(104)의 핸드 헬드 부분(202)에 수용될 수 있다.
주변 장치는 사용자가 수술 시스템(100)과 인터페이스할 수 있게 하고, 그래픽 유저 인터페이스(GUI)를 표시하기 위해 이용될 수 있는 디스플레이 또는 모니터(112)와 같은 하나 이상의 사용자 인터페이스를 포함하고; 예시적으로 키보드(114), 마우스(122), 펜던트(124), 조이스틱(126), 풋 페달(128), 또는 모니터(112)를 포함하는 다양한 사용자 입력 메커니즘은 터치 스크린 기능을 가질 수 있다. 또한 관절식 수술 장치(104)는 버튼 및 스위치 등을 포함하는 하나 이상의 입력 메커니즘을 구비할 수 있다.
계획 컴퓨터(110)는 수술 전 또는 수술 중 절차를 계획하는 전용인 것이 바람직하다. 예를 들어, 계획 컴퓨터(110)는 의료 이미징 데이터를 수신 및 판독할 수 있고, 이미징 데이터를 분할하고, 3차원 가상 모델을 구성 및 조작할 수 있고, 뼈 핀 CAD 파일, 뼈와 관련된 뼈 터널 및/또는 3D 가상 임플란트의 POSE 계획, 척추경 나사 CAD 파일과 같은 컴퓨터 보조 디자인(CAD) 파일을 저장 및 제공하고, 뼈에 대한 임플란트 및/또는 척추경 나사의 POSE를 계획하고, 인터페이스를 정의하고 나사 피치/뼈 구조 요소 통합을 최대화하기 위해 관심 영역(ROI) 척추경 뼈 밀도 분석 및 ROI 정보 이용을 제공할 수 있고, 시스템(100)으로 사용하기 위한 수술 계획 데이터를 생성하고, 사용자가 수술 절차를 계획하는데 도움을 주는 다른 다양한 기능을 제공할 수 있는 하드웨어 (예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, 및 메모리), 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티를 포함할 수 있다. 계획 컴퓨터는 또한 후술하는 바와 같이 본 발명의 실시예와 관련하여 가상 평면을 정의하는 전용 소프트웨어를 포함한다. 최종 수술 계획 데이터는 뼈의 이미지 데이터 세트, 뼈 등록 데이터, 대상 식별 정보, 뼈에 대한 하나 이상의 척추경 나사의 POSE, 뼈에 대해 정의된 하나 이상의 가상 평면의 POSE, 및 임의의 조직 변형 지침서를 포함할 수 있다. 장치 컴퓨터(108) 및 계획 컴퓨터(110)는 수술실에서 직접 연결될 수 있거나 별도의 개체로서 존재할 수 있다. 최종 수술 계획은 수술실(OR)에서 유선 또는 무선 연결을 통해 장치 컴퓨터(108) 및/또는 추적 컴퓨터(111)로 쉽게 전달되고; 또는 계획 컴퓨터(110)가 수술실 외부에 위치하는 경우 비일시적 데이터 저장 매체 (예를 들어, 컴팩트 디스크(CD)), 휴대용 범용 직렬 버스(USB 드라이브))를 통해 전송될 수 있다. 전술한 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(102)은 장치 컴퓨터(108), 추적 컴퓨터(111) 및 계획 컴퓨터(110), 또는 이들의 조합의 기능을 수행할 수 있는 다수의 프로세서를 갖는 단일 엔티티로서 작용할 수 있다. 정보 전송 및 제어를 위한 무선 연결에는 광 신호 또는 전파 사용이 포함될 수 있다.
컴퓨팅 시스템(102)은 도 3에 도시된 바와 같이 트래킹 시스템(106)으로부터의 POSE 데이터에 기초하여 3차원 공간에서 도구 축(207)을 정확하게 유지할 수 있다. 추적 시스템(106)은 일반적으로 검출 장치의 위치에 대한 물체의 POSE를 결정하기 위한 검출 장치를 포함한다. 특정의 본 발명의 실시예에서, 추적 시스템(106)은 미국 특허 번호 6,061,644에 기재된 바와 같이, 강성체에 배열된 기준 마커의 위치를 검출하기 위해 둘 이상의 광 수신기(116)를 갖는 광학 추적 시스템이다. 기준 마커의 예시적인 예는: LED 또는 전자기 방사선 이미터와 같은 능동 송신기; 역 반사 필름을 갖는 플라스틱 구체와 같은 수동 반사기; 또는 모양, 선 또는 기타 문자의 고유한 패턴 또는 순서를 포함한다. 강성체 상에 배열된 일련의 기준 마커는 본 명세서에서 기준 마커 어레이(120a, 120b, 120c, 212)로 지칭되며, 여기서 각각의 기준 마커 어레이(120a, 120b, 120c, 212)는 마커가 활성 LEDs인 경우 고유한 기하학적 구조/배열 또는 고유의 전송 파장/주파수를 가지므로, 추적 시스템(106)이 각각의 추적된 물체를 구별할 수 있다. 특정 실시예에서, 기준 마커 어레이(120a, 120b, 120c, 212)는 각각의 강체 상에 공지된 기하학적 구조로 고유하게 배열된 3개 이상의 능동 이미터 또는 수동 반사기를 포함한다. 다른 실시예에서, 환자(120a, 120b)에 부착된 기준 마커 어레이는 플루오로 또는 CT로 이미지 등록을 허용하고 이어서 뼈를 광학 추적 시스템으로 추적할 수 있도록 하기 위해 강성체 상에 공지된 구성으로 고유하게 배치된 기준 마커 및 방사선 불투과성 마커를 포함할 수 있다.
추적 시스템(106)은 붐, 스탠드 또는 수술실의 벽 또는 천장에 위치된 수술 용 조명(118)에 내장될 수 있다. 추적 시스템 컴퓨터(111)은 로컬 또는 글로벌 좌표 프레임에서 객체 (예를 들어, 척추(10)와 같은 뼈, 대퇴골 F와 경골 T, 수술 장치(104) 등)의 POSE를 결정하기 위한 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 및 유틸리티를 추적한다. 추적 시스템(106)으로부터의 출력 (즉, 3차원 공간에서의 객체의 POSE)은 본 명세서에서 POSE 데이터로 지칭되며, 이 POSE 데이터는 유선 또는 무선 연결을 통해 장치 컴퓨터(108)와 쉽게 통신된다. 대안적으로, 장치 컴퓨터(108)는 광 수신기(116)로부터 직접 검출된 기준 마커의 위치를 사용하여 POSE 데이터를 결정할 수 있다.
추적 또는 POSE 데이터는 광학 수신기/검출기(116)로부터 검출된 기준 마커의 위치 및 이미지 처리, 이미지 필터링, 삼각 측량 알고리즘, 기하 관계 처리, 등록 알고리즘, 캘리브레이션 알고리즘 및 좌표 변환 처리와 같은 동작/프로세스를 사용하여 결정된다.
추적 시스템(106)으로부터의 POSE 데이터는 다양한 기능을 수행하기 위해 컴퓨팅 시스템(102)에 의해 사용된다. 예를 들어, 프로브 기점 마커 어레이(120c)가 부착된 디지타이저 프로브(130)의 POSE는 프로브의 팁이 미국 특허 제7,043,961호에 설명된 바와 같이 지속적으로 알려지도록 교정될 수 있다. 도구(206)의 팁 또는 축의 POSE는 PCT 공개 WO 2016/141378에 기술된 바와 같은 캘리브레이션 방법을 사용하여 디바이스 기준 마커 어레이(212)에 대해 공지될 수 있다. POSE 데이터를 사용하여 등록 알고리즘이 쉽게 실행되어 뼈, 수술 계획 및 수술 시스템 사이의 POSE 및/또는 좌표 변환을 결정할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,033,415호 및 제8,287,522호에 기재된 바와 같은 등록 방법에서는, 추적된 디지타이저 프로브를 사용하여 환자의 뼈의 포인트들을 수집하여 수술 계획의 좌표, 뼈의 좌표 및 수술 장치의 좌표를 변환할 수 있다. 뼈는 또한 미국 특허 제5,951,475호에 설명된 바와 같이 이미지 등록을 사용하여 등록될 수 있다. 좌표 변환은 뼈 사후-등록의 POSE를 추적하는 추적 시스템과 수술 장치로부터의 POSE 데이터를 사용하여 지속적으로 업데이트될 수 있다.
특정의 본 발명의 실시예에서, 다른 추적 시스템, 예를 들어 전자기장 추적 시스템, 초음파 추적 시스템, 가속도계 및 자이로스코프, 또는 기계식 추적 시스템과 같은 수술 시스템(100)과 통합된다는 것이 이해되어야 한다. 비기계적 추적 시스템을 다른 추적 시스템으로 대체하는 것은 당업자에게 명백해야 한다. 특정 실시예에서, 기계식 추적 시스템의 사용은 본 출원의 양수인에게 양도되었으며 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 제6,322,567호에 기재된 것과 같이 사용되는 수술 시스템의 유형에 따라 유리할 수 있다.
수술 시스템(100)에서, 척추의 POSE 데이터를 수집하기 위해 광학 수신기(116)를 갖는 광학 추적 시스템(106)이 사용된다. 추적 어레이(120a 및 120b)는 척추(10)에 부착되고, 후속하여 하나 이상의 타겟의 척추체가 수술 계획에 등록된다. 특정 실시예에서, 추적 어레이(120a 및 120b)는 가시 돌기(20)에 나사 결합된다. 척추의 POSE는 추적 시스템(106)에 의해 실시간으로 추적되므로 수술 계획과 수술 장치 사이의 좌표 변환이 뼈와 수술 장치가 수술 공간에서 움직임에 따라 갱신된다. 따라서, 도구(206)의 POSE와 수술 계획에서 정의된 임의의 좌표의 POSE 사이의 관계는 컴퓨팅 시스템(102)에 의해 결정될 수 있다. 다음에, 컴퓨팅 시스템(102)은 액추에이터(210a, 210b)에 실시간으로 작동 명령을 공급하여, 공구 축(207)을 정의된 좌표로 정확하게 유지한다.
또한, 트리거(214) 또는 풋 페달(128)과 같은 사용자 입력 메커니즘은 사용자가 도구 축(207)이 수술 계획에 정의된 다른 좌표로 유지될 필요가 있음을 컴퓨팅 시스템(102)에 표시하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도구 축(207)은 제1 정의 평면에서 유지될 수 있고, 사용자는 공구 페달(207)이 제2 정의 평면에서 유지 될 필요가 있음을 컴퓨팅 시스템(102)에 중계하기 위해 풋 페달(128)을 밟을 수 있다.
척추 수술 적용을 위한 수술 계획 및 실행
수술 계획은 계획 소프트웨어를 사용하여 사용자에 의해 수술 전 또는 수술 중으로 생성된다. 계획 소프트웨어는 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), x-레이, 초음파 이미지 데이터 세트로부터, 또는 수줄 중 뼈에 대해 수집된 포인트 세트로부터 환자의 뼈 해부학의 3 차원(3-D) 모델을 생성하는 데 사용될 수 있다. 제조업체의 척추경 나사의 3D 컴퓨터 이용 설계 (CAD) 모델은 사용자가 가상 척추경 나사 평면을 정의하는 것을 더욱 돕기 위해 소프트웨어에 사전 로드되어 있으므로, 척추경에 척추경 나사의 최적의 맞춤, 위치 및/또는 방향을 지정할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하여, 환자의 척추(10)의 3 차원 모델이 도시되어 있다. 척추(10)의 뼈 모델에서 척추경 나사(24)의 최종 배치는, 척추경 나사(24)를 원하는 대로 수용하도록 뼈가 수술 중에 천공되는 척추경 평면(26)을 정의한다. 수술 장치(104')는 2-DOF 장치이며, 이는 핀/나사(24)가 척추경 평면(26)과 정렬될 때를 나타내는 온보드 표시기(28)를 포함할 수 있다.
수술 계획은 하나 이상의 가상 척추경 평면(26)의 위치와 결합된 환자의 수술 부위 뼈(척추)의 3-D 모델을 포함한다. 척추경 가상 평면(들)(26)의 위치는 계획 소프트웨어에서 사용자에 의해 정의될 수 있다. 특정 실시예에서, 사용자는 원하는 척추경 나사 평면(26)을 정의하기 위해 척추경 모델 상에 3개의 중심-측면 중심 포인트를 배치할 수 있다. 다른 실시예에서, 사용자는 척추경 나사의 모델을 척추경의 모델상의 원하는 POSE에 사실상 배치할 수 있다. 그 후, 척추경 나사 평면(26)은 척추경 나사의 종 방향 중심 축 및 척추경의 상하(SI) 방향으로 중심 축으로부터 병진 운동된 적어도 하나의 비선형 포인트에 의해 정의될 수 있다. 척추경 모델에서 척추경 나사 모델의 최종 POSE는 원하는 SI 위치, SI 각도 및 깊이와 같은 다른 관련 자유도를 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 또 다른 실시예에서, 계획 시스템은 척추경(16)상의 원하는 POSE의 평면을 윤곽을 그리는 도구를 포함할 수 있다. 궁극적으로, 가상 평면(26)의 위치는 척추경 나사(24)를 정확한 POSE에 위치하는 것을 돕기 위해 정의된다. 다른 실시예에서, 로봇 팔을 갖는 로봇 시스템이 수술을 실행하기 위해 사용되는 경우, 로봇 팔로 척추경 나사를 삽입하는 궤적은 계획 소프트웨어에서 뼈 모델에 관련하여 척추경 나사 모델의 종 방향 중심 축의 위치로서 정의될 수 있다. 뼈를 기준으로 궤적을 정의하려면 중심축 만이 필요한다.
특정 실시예에서, 사용자 또는 컴퓨팅 시스템(102)은 척추경 나사(24)를 위한 파일럿 홀을 드릴링하기 위해 척추경 평면(26)과 적절히 정렬될 때 2DOF 장치의 드릴 도구를 활성화시킬 수 있다. 척추경 나사(24)는 표준 드릴을 사용하여 파일럿 구멍으로 드릴링된다. 다른 실시예에서, 사용자는 2DOF 장치의 드릴 도구에 의한 파일럿 구멍의 필요 없이 척추경 나사(24)를 척추경 평면(26) 내로 직접 드릴링할 수 있다.
척추경 나사(24)를 정확하게 배치하기 위해 2-DOF 수술 시스템(100)을 사용하는 데에는 여러 가지 이점이 있다. 먼저, 수술 장치(104)는 실시간으로 작동하므로, 사용자는 척추경 평면(26)의 POSE에 능동적으로 안내된다. 또한, 척추경 나사(24)의 정확한 위치 및 방향은 외과의가 2-DOF 수술 시스템(100)의 핸드 헬드 부분(204)의 배치에 관계없이 정확하게 유지된다. 핸드 헬드 액츄에이터의 사용은 또한 로봇 암을 사용하여 드릴 가이드를 간단히 제자리에 고정할 때와 같이, 가이드를 통해 드릴을 가이드할 때 드릴 가이드의 의도하지 않은 기계적 편향으로 인해 중요한 방향으로 부정확할 가능성을 피할 수 있다. 또한, 전통적인 수동 로봇 팔과 시스템은 관성 지연 보상 메커니즘으로 호흡 또는 심장 출력을 보상할 수 없다.
특정의 본 발명의 실시예에서, 2-DOF 장치(104, 104')상의 하나 이상의 표시기(223, 1906) 또는 모니터(112)로부터의 피드백은 본 발명의 다른 방법에서는 라인 (예를 들어, 축, 척추경 나사를 위한 최적의 궤적, 뼈 터널) 상에서 2-DOF의 엔드 이펙터 (예를 들어, 척추경 나사, 뼈 핀, 드릴 비트)를 정렬하기 위해 사용될 수 있다. 축을 따라 2-DOF 핸드 헬드 수술 장치를 정렬하는 본 발명의 방법에서, 평면은 임플란트 또는 터널에 대해 바람직한 위치에 관련하여 정의되고, 이 때 임플란트 또는 터널은 축을 갖는다. 예를 들어, 도 10은 축(303)을 갖는 뼈 터널(302)의 계획된 위치 및 뼈 터널(302)에 대해 정의된 가상 평면(304)을 갖는 3-D 경골 뼈 모델(300)을 도시한다.
2-DOF 수술 장치의 엔드 이펙터는 평면과 일치하게 정렬되고, 제1 표시기가 엔드 이팩터가 뼈에서 임플란트 또는 터널에 대해 바람직한 위치에 대한 진입 지점과 정렬될 때를 신호 보낼 때까지 2-DOF 수술 장치는 엔드 이펙터가 평면과의 일치를 유지하는 동안 측면으로 이동한다. 도 11은 정의된 평면(304)과 일치하게 정렬된 2-DOF 수술 장치(104)의 엔드 이펙터(206)를 도시하며, 여기서 2-DOF 수술 장치(104)는 엔드 이펙터(206)가 작업부(204)의 작동에 의해 정의된 평면(304)과의 일치를 유지하는 동안 측면 (화살표 306으로 표시됨) 이동한다.
이어서, 엔드 이펙터의 팁이 진입 지점에서 뼈에 앵커되고; 제2 표시기가 엔드 이펙터가 원하는 위치에서 임플란트 또는 터널의 축과 정렬할 때를 신호 보낼 때까지 엔드 이펙터가 평면과 일치를 유지하는 동안 2-DOF 수술 장치는 앵커 팁에 대해 회전한다. 그런 다음 엔드 이펙터가 뼈에 삽입된다. 도 12는 임플란트 또는 터널에 대해 정의된 위치의 진입 지점에서 경골 T에 앵커된 엔드 이펙터(206)의 팁을 도시하며, 이 때 팁은 표시기(224)가 엔드 이펙터가 진입 지점과 정렬될 때를 신호 보낸 후에 앵커된다. 도 13은 엔드 이펙터(206)가 임플란트 또는 터널의 축(303)의 정의된 위치와 정렬될 때까지 앵커된 팁에 대해 (화살표 (308)으로 표시됨) 회전되는 2-DOF 수술 장치(104)를 도시한다. 그 후 제 2 표시기는 엔드 이펙터가 축(303)과 정렬 될 때 사용자에게 신호 보낸다.
엔드 이펙터가 축(303)과 정렬된 후, 엔드 이펙터가 뼈에 삽입된다. 제2 지시자가 전력 제어이면, 드릴 (예를 들어, 모터(205))은 엔드 이펙터(206)가 축(303)과 정렬될 때 자동으로 턴온되어 엔드 이펙터(206)를 뼈에 삽입하는 동안 온 상태가 유지된다. 어느 시점에서 엔드 이펙터(206)를 뼈에 삽입하는 동안 엔드 이펙터(206)가 축(303)으로부터 벗어나면 드릴 (예를 들어, 모터(205))이 자동으로 턴 오프된다.
특정의 본 발명의 실시예에서, 제1 표기기 및 제2 표시기는 동일한 표시기이거나 상이한 표시기일 수 있다. 바람직하게, 제1 표시기는 색의 변화 또는 깜박임 주파수에 의해 진입 지점에 신호를 보내는 2-DOF 장치의 LED이다. 대안적으로 또는 조합하여, 제1 표시기는 모니터 상에 표시되는 시각적 피드백일 수 있다. 예를 들어, 뼈의 가상 모델이 모니터 상에 디스플레이될 수 있고, 이 때 정의된 평면, 임플란트 또는 터널의 축, 및 엔드 이펙터의 실시간 축이 가상 뼈 모델에 중첩된다.
그 후, 사용자는 엔드-이펙터의 실시간 중첩 축을 임플란트 또는 터널의 중첩 축과 정렬시키려고 시도할 수 있다. 모니터에 대한 추가적인 시각적 피드백은 단순 적색 및 녹색 신호, 또는 진입 지점과 얼마나 가깝게 정렬되는지에 따라 주파수가 변경되는 깜박이는 표시등을 포함할 수 있다. 장치에 표시 LED를 유지하게 되면 뼈와 모니터 사이를 앞뒤로 계속 볼 필요가 없으므로 사용자가 조작하기 더 쉽다. 제2 표시기에 대하여, 제1 표시기와 동일한 메커니즘이 사용될 수 있다. 그러나 바람직하게는, 제2 표시기는 엔드-이펙터에 대한 전력 제어로서 작용한다. 예를 들어, 엔드 이펙터가 임플란트 또는 터널의 축과 정렬되면 드릴에 대한 전원이 자동으로 턴온되어 엔드 이펙터를 뼈에 삽입한다. 어떤 지점에서든 사용자가 축에서 벗어난 방향으로 이동하면 (또는 팁이 진입 지점에서 이동하면) 드릴 전원이 자동으로 턴 오프된다.
특정의 본 발명의 실시예에서, 엔드 이펙터는 드릴 비트, 척추경 나사, 뼈 나사, 뼈 핀, 중공 드릴 비트, 금속판, 뼈 네일, 리머(reamer), 브로치(broach) 또는 임플란트를 포함할 수 있다. 엔드-이펙터는 임플란트 (예를 들어, 척추경 나사, THA 대퇴 스템)에서 반드시 구동될 필요는 없다. 예를 들어, 엔드 이펙터는 먼저 척추경 나사를 위한 파일럿 홀을 드릴링하는 드릴 비트일 수 있거나, 엔드 이펙터는 THA에서 비구 컵 임플란트의 중심 축을 따라 리머를 정렬시켜 관골구를 제조할 수 있다.
특정의 본 발명의 실시예에서, 평면은 몇 가지 다른 방식으로 정의될 수 있다. 종래의 방법은 수술 전 뼈 데이터 (CT, MRI, 이미지, 3D 뼈 모델) 및 수술 전 계획 소프트웨어 프로그램을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 임플란트 또는 터널에 대해 바람직한 배치는 계획 소프트웨어 프로그램 (예를 들어, 터널의 가상 모델, 임플란트의 가상 모델, 지점의 세트, 라인, 스플라인 또는 수술 전 뼈 데이터에 대해 위치 가능한 평면, 그리기 도구 상자 등)에서의 다양한 툴 또는 위젯을 사용하여 정의될 수 있다. 임플란트 또는 터널의 위치가 정의되면 평면은 여러 가지 방법으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 평면은 임플란트 또는 터널의 축 및 하나의 추가 지점 중 하나; 또는 임플란트 또는 터널의 축을 따른 중심점(예를 들어, 진입 지점)과 두 개의 추가 지점을 이용하여 정의된다. 하나 또는 두 개의 추가 지점은 사용자에 의해 계획 소프트웨어의 수술 전 뼈에서 정의되거나 계획 소프트웨어에 의해 자동으로 할당될 수 있다. 사용자는 수술 중 뼈의 예상되는 노출에 기초하여 수술 전 뼈 데이터 (예를 들어, 뼈 모델)에 대해 하나 또는 두 개의 추가 지점을 정의할 수 있다. 하나 또는 두 개의 추가 지점은 사용자 또는 계획 소프트웨어에 의해 정의된 해부학적 랜드 마크일 수 있다. 계획 소프트웨어는 이전 수술의 과거 환자 사례 데이터를 사용하여 평면 및/또는 추가 지점을 더욱 정의할 수 있다. 수술 전 정의된 평면의 위치는 당 업계에 알려진 등록 기술을 사용하여 수술실에서 뼈에 등록될 수 있다.
대안적으로 또는 본 발명의 특정 실시예에서, 평면은 노출된 뼈에 정의될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 추적 디지타이저 또는 추적 2-DOF 수술 장치를 사용하여 뼈의 세 지점을 디지털화하여 평면을 정의하거나, 평면은 축과 하나의 추가 지점을 사용하여 정의될 수 있다. 축은 뼈에 장치의 디지타이저 또는 엔드 이펙터의 축을 정렬함으로써 정의될 수 있으며, 이 때 디지타이저 또는 엔드 이펙터의 축은 컴퓨팅 시스템에 의해 기록되어 뼈에 축을 정의한다. 그런 다음 디지타이저 또는 2-DOF 수술 장치로 뼈의 한 지점을 디지털화하여 하나의 추가 지점을 정의한다.
굴절식 나사 구동 장치
전술한 2-DOF 수술 시스템(100)의 관절 장치(204)는 하나 이상의 가상 평면과 일치하도록 공구/핀/나사를 정확하게 정렬할 수 있다. 그러나, 외과 의사는 여전히 나사를 삽입하거나 또는 나사를 위한 파일럿 홀을 생성하기 위해 장치(204)를 뼈를 향해 수동으로 전진시켜야 하는데, 이는 외과의에게는 불편할 수 있다. 다시 말해서, 2-DOF 장치는 단지 나사 평면(26)에서 도구/핀/나사를 정렬할 수 있는 반면, 사용자는 핀/나사의 깊이(전후 방향)를 수동으로 제어해야 한다. 그러나 능동 로봇 팔이 사용된다면, 로봇 팔은 깊이를 포함하여 척추경 나사를 삽입하기 위한 모든 자유도를 제어할 수 있다.
2-DOF 수술 장치(104)로 사용자에게 추가적인 제어 및 피드백을 제공하기 위해, 2-DOF 수술 장치(104)는 제3 핀/나사 구동 자유도를 포함하도록 수정될 수 있으며, 이는 이하에서 관절식 핀/나사 구동기 장치(104')로서 설명된다. 유사한 참조 번호는 전술한 도면과 관련하여 그 번호에 속하는 의미를 가지는 도 6a 내지 6c를 참조하면, 관절식 핀 구동기 장치(104')의 특정 실시예가 도시되어 있다. 2-DOF 수술 장치(104)의 구성 요소 이외에, 관절식 핀 구동기 장치(104')의 작업부(204')는 핀(206')을 뼈로 구동하도록 구성된 구성 요소를 더 포함한다. 구체적으로, 도 6c를 참조하면, 작업부(204')는 모터(205), 모터 커플러(1808), 핀 구동 볼 나사(1804), 핀 홀더(1806) 및 핀(206')을 포함한다. 특별히 개조된 캐리지(1810)는 작업부(204')를 지지 및 운반하도록 구성되며 핀을 작동시키기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 발명의 실시예에서, 캐리지(1810)는 선형 레일(208a, 208b)의 제1 단부와 연결된 힌지(220a, 220b)로서 작용하기 위해 로드, 다웰 또는 축을 수용하기 위해 구멍, 베어링 또는 축 지지대와 같은 연결 부재(1814) 및 핀 구동 볼 너트(1812)를 포함한다. 모터 커플러(1808)는 모터(205)를 핀 구동 볼 나사(1804)와 결합한다. 핀 구동 볼 나사(1804)는 핀 구동 볼 너트(1812)와 기계적으로 연통된다. 핀 홀더(1806)는 핀 구동 볼 나사(1804)를 핀(206')과 연결한다. 핀(206')은 핀 홀더(1806)와 제거 가능하게 탈착 가능하게 부착되어 핀(206')이 삽입될 때 뼈 내에 남아있게 된다. 모터(205)는 핀 구동 볼 나사(1804) 및 핀(206')을 양방향으로 구동시켜 핀(206')을 뼈 내로 전진시키고 구동시킬 수 있다. 구성 요소들은 모터 선형 레일(도시되지 않음)과 작동 가능하게 연결된 모터 캐리지(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 모터 캐리지가 모터(205)가 모터 선형 레일을 따라 이동하는 동안 모터(205)가 회전하지 않도록 모터(205)에 고정된다. 모터 선형 레일은 캐리지(1810)로부터 연장될 수 있다. 도 6a는 수축된 상태에서의 핀/나사(206')를 도시하고 도 6b는 연장된 상태의 핀/나사(206')를 도시하고, 이 때 핀(206')은 거리 "d2" 만큼 병진 운동할 수 있다. 작업부(204')의 작동 메커니즘으로부터 사용자를 보호하기 위해 외부 가드(1802)가 존재할 수 있다. 외부 가드(1802)가 존재하는 경우, 가드(1802)는 핀(206')이 수축된 상태에 있을 때 전체 핀(206')을 감추도록 크기가 설정될 수 있거나, 가드(1802)는 핀(206')의 일부를 숨겨서 사용자가 뼈 삽입 전에 핀(206')의 팁을 상상하게 할 수 있다.
특정 실시예에서, 작업부(204')는 핀(206')을 회전시키기 위한 제1 모터(205) 및 핀(206')을 병진 구동하기 위한 제2 모터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 제2 모터는 제1 모터(205)로 구성된 대향 볼 너트 또는 기어 랙과 연통하는 볼 나사 또는 웜 기어를 회전시킬 수 있다. 제2 모터가 볼 나사 또는 웜 기어를 양방향으로 구동함에 따라, 제1 모터(205)와 핀(206')은 병진 운동하게 된다.
관절식 핀 구동기 장치(104')의 장치 컴퓨터(108)는 핀 구동 동작을 제어하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 장치 컴퓨터(108)는 작업부(204, 204')의 POSE를 유지하기 위해 각각 전방 액추에이터(210a) 및 후방 액추에이터(210b)를 독립적으로 제어하기 위한 두 개의 모터 제어기를 포함한다. 제3 모터 제어기는 핀(206')을 뼈 내로 구동 및 회전시키기 위해 모터(205)를 독립적으로 제어할 수 있다. 제1 모터(205)가 핀(206')을 회전시키고 제2 모터(도시되지 않음)가 핀(206')을 이동시키는 특정 실시예에서, 장치 컴퓨터(108)는 제1 모터(205) 및 제2 모터를 독립적으로 제어하기 위해 두 개의 개별 모터 제어기를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 관절식 장치(104')는 핸드 헬드 부분(202)에 부착되거나 통합된 뼈 안정화 부재(1902)를 포함한다. 뼈 안정화 부재(1902)는 작업부(204')이 관절식 연결되어 있는 동안 핸드 헬드 부분(202)을 안정화시키기 위해 뼈 및/또는 피부 표면과 접촉하도록 구성된 하나 이상의 접촉 요소(1904a, 1904b)를 포함한다. 접촉 요소(1904a, 1904b)는 뼈 및/또는 연조직과 상호 작용하고 핸드 헬드 부분(202)을 안정화시키는 평평한 표면, 뾰족한 돌출부, 또는 톱니 모양의 가장자리를 갖는 표면일 수 있다. 하나 이상의 접촉 요소(1904a, 1904b)는 작업부(204') 너머로 돌출하므로, 핀/나사(206')가 뼈에 얼마나 깊이 삽입되는지 부정적인 영향을 미치지 않고 요소(1904a, 1904b)가 뼈와 접촉할 수 있다. 대안적으로, 접촉 요소(1904a, 1904b)는 접촉 요소(1904a, 1904b)가 환자의 피부 표면과 상호 작용하도록 핸드 헬드 부분으로부터 측면으로(즉, 핀 축에 수직으로) 돌출될 수 있다. 사용자가 핀/나사(206')를 구동하기 위해 근사화 영역에 있을 때, 사용자는 접촉 요소(1904a, 1904b)를 통해 핸드 헬드 부분(202)을 뼈 및/또는 연조직에 대해 안정화시킬 수 있다. 핸드 헬드 부분이 안정화된 상태에서, 핀/나사(206')가 가상 핀 평면과 정확히 일치할 때까지 작업부(204')는 더욱 관절식 연결된다. 특정 실시예에서, 핀/나사(206')가 가상 핀 평면(214)과 정렬되면, 시스템(100)은 액추에이터(210a, 210b)를 자동으로 잠그고 모터(205)를 활성화시켜 핀/나사(206')를 뼈 내로 구동시킨다. 다른 실시예에서, 사용자는 시스템(100)이 액츄에이터(210a, 210b)를 잠그거나 핀/나사(206')를 구동하기 전에, 또는 둘 다 이전에 트리거(214) 또는 버튼과 같은 사용자 입력 메커니즘을 활성화시킨다. 따라서, 사용자는 핀/나사(206')가 뼈내로 구동될 때를 예측하고 제어할 수 있다. 이 사용자 입력 메커니즘은 일반적으로 핀/나사(206')의 연장 또는 수축량을 제어하기 위해 사용자에 의해 유사하게 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 도 7a를 참조하면, LED 또는 디스플레이와 같은 하나 이상의 표시기(1906)가 장치(104')에 부착되거나 이와 통합된다. 표시기(1906)는 예를 들어 외부 가드(1802), 작업부(204') 또는 핸드 헬드 부분(202)에 부착될 수 있다. 표시기(들)(1906)는 장치(104')의 원하는 위치와 관련하여 장치(104')의 현재 위치에 대한 피드백을 사용자에게 제공한다. 예를 들어, 표시기(1906)는 장치(104')가 세 개의 볼 나사(216a, 216b, 1804)의 이동 범위 밖에 있다는 것을 나타내기 위해 적색 광을 방출할 수 있다. 다시 말해서, 핀/나사(206')를 삽입하기 위해 원하는 위치, 방향, 또는 원하는 깊이에 도달하도록 작업부(204') 및 핀/나사(206')가 더 이상 관절식 연결될 수 없을 때 적색 광이 방출된다. 표시기(1906)는 사용자가 이동 범위에 접근할 때 황색 광을, 핀/나사(206')가 가상 핀 평면과 정렬될 때 녹색 광을 방출할 수 있다. 표시기(1906)는 장치(104')가 이동 범위를 얼마나 근접하는지 또는 핀/나사(206')가 가상 핀 평면에 얼마나 근접하는지에 기초하여 깜박임 주파수가 변화하는 깜박임 광을 추가로 생성할 수 있다. 표시기(1906)는 또한 장치(104')가 핀을 뼈 내부에 자율적으로 배치할 준비가 되었을 때를 표시할 수 있다. 특정 실시예에서, 작동 부분(204')은 표시기(1906)가 활성 상태에 있을 때까지 작동하지 않으며, 이 때 장치(104')는 볼 나사의 이동 한계 내에 있을 때 활성 상태가 트리거된다. 표시기(1906)에 의해 전달되는 이 데이터는 a) 장치 운동학과 같이 장치(104')로부터 직접 수집된 로컬 데이터; b) 추적 시스템(106)으로부터 수집된 추적 데이터; c) 장치(104')의 POSE와 수술 계획의 비교; 또는 d) 이들의 조합에 기초하여 쉽게 이용 가능하다.
본 발명의 특정 실시예에서, 도 8a 및 도 8b를 참조하여, 관절식 장치(104')는 부분 인클로저(2002)를 포함한다. 도 8a는 부분 인클로저(2002)를 갖는 관절 장치(104')의 사시도이고 도 8b는 그 단면도이다. 부분 인클로저(2002)는 핸드 헬드 부분(202)에 부착되고 작업부(204')를 부분적으로 둘러싼다. 작업부(204')는 부분 인클로저(2002) 내에서 관절식으로 연장될 수 있다. 부분 인클로저(2002)는 작업부(204)의 이동 범위에 대응하는 "h"의 내부 치수(즉, 높이 또는 직경)를 갖는다. 이 치수 "h"는 작업부(204)의 이동 "d" 및 작업부(204)의 피치 "α"를 설명하기 위해 필요한 추가 높이를 고려한 것이다. 부분 인클로저(2002)의 장점은 사용자에게 작업부(204')의 작업 영역 또는 이동 범위에 관한 가이드를 제공한다는 것이다. 사용자는 간단히 뼈에 부분 엔클로저(2002)의 전방 단부를 배치하여 핸드 헬드 부분(202)을 안정화할 수 있으며, 이때 작업부(204')는 가상 핀 평면에 관절식으로 연결되고 핀/나사(206')를 뼈내로 구동시킬 수 있다. 사용자는 작은 핀/나사(206')를 핀/나사 평면에 바로 겨냥하는 것이 아니고, 보다 큰 가이드, 부분 인클로저(2002)를 사용하여 핀/나사(206')를 핀/나사 평면 부근으로 가져오게 하여 작업부(204')가 정렬을 수행하도록 한다. 또한, 사용자는 핀/나사(206')를 정렬하는 동안 작업부(204')의 이동 한계를 초과하는 것에 대해서 더 이상 걱정할 필요가 없다.
부분 인클로저(2002)의 전단은 핸드 헬드 부분(202)을 안정화시키기 위해 뼈 접촉 요소(1904a, 1904b)로서 작용하며 톱니 모양의 모서리 또는 하나 이상의 뾰족한 돌출부와 같은 특징부를 더 포함할 수 있다.
핀/나사(206')는 도 8b에 도시된 바와 같이 핀이 뼈내로 구동될 수 있도록 연장된 상태에서 부분 인클로저(2002)를 지나 연장된다. 핀/나사(206')가 후퇴 상태에 있을 때, 핀/나사(206')는 부분 인클로저(2002) 내에 포함된다.
부분 인클로저(2002)는 상술한 바와 같이 사용자가 장치(104')를 원하는 핀 평면에 위치시키는 것을 돕기 위해 표시기(1906)를 더 포함할 수 있다.
부분 인클로저(2002)는 추적 시스템(106)이 시스템의 POSE를 추적할 수 있도록 추적 어레이(212)가 작업부(204') 또는 작업부(204')의 외부 가드(1802')와 부착될 수 있도록 더욱 구성되어, 작업부(204')가 관절식 연장되면서 추적 시스템(106)이 작업부(204')의 POSE를 추적할 수 있도록 한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 도 9a 및 도 9b에서, 관절식 장치(104')는 전체 인클로저(2102)를 포함한다. 도 9a는 전체 엔클로저(2102)를 갖는 관절 장치(102)의 사시도이고 도 9b는 그 단면도이다. 전체 인클로저(2102)는 트래킹 어레이(212)가 전체 인클로저(2102)에 직접 부착된다는 점을 제외하고, 부분 인클로저(2002)와 동일한 원리로 구성되고 동일한 장점을 갖는다. 트랙킹 어레이(212)가 전체 인클로저(2102)에 부착되기 때문에, 작업부(204')를 제어하기 위한 제어 방식은 수정되어야 하며, 여기서 장치 운동학은 작업부(204')의 POSE를 결정하기 위해 사용된다. 특히, 추적 시스템(106)은 어레이(212)와 핸드 헬드 부분(202) 사이의 기하학적 관계에 기초하여 핸드 헬드 부분(202)를 추적하고, 볼 스크류(216a, 210b) 상에서의 볼 너트(218a, 218b)의 위치에 대응하는 액츄에이터(210a, 210b)의 회전 위치)는 핸드 헬드 부분(202)과 관련하여 작업부(204')의 POSE 를 결정하는 데에 사용된다. 따라서, 컴퓨팅 시스템(102)은 핀/나사(206')를 가상 핀 평면과 정렬하도록 제어하기 위해 새로운 액추에이터 위치를 결정한다.
부분 인클로저(2002) 및 전체 인클로저(2102)는 유사한 장점으로 2 자유도 이상을 갖는 핸드 헬드 시스템에 조립하기 위해 크기 설정되어 적응될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 인클로저(226, 228)의 내부 치수는 미국 특허 번호 2013/0060278에 기술된 시스템과 같은 하나 이상의 병진 방향, 피치 및 요(yaw)로 관절식 연결되는 관절 부분을 갖는 장치의 이동 한계를 수용할 수 있다고 고려된다. 그러나, 자유도가 증가함에 따라 인클로저(226, 228)의 크기도 커져서 작업 공간을 방해할 수 있다.
뼈 안정화 부재(1902), 표시기(1906), 부분 인클로저(2002), 및 전체 인클로저(2102)의 실시예는 모두 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 2-DOF 수술 장치(104)로 사용하는 데에 적합하다는 것이 또한 이해되어야 한다.
이중-피질 드릴링
뼈의 척추경 나사를 추가로 안정화시키기 위해, 이중-피질 드릴링으로 지칭되는 뼈의 두 피질 영역을 통해 핀을 드릴링하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 드릴 비트 또는 척추경 나사가 제2 피질 영역을 넘어 연조직으로 천공되면, 환자가 해를 입을 수 있다. 따라서, 드릴 비트/나사가 제2 피질 영역을 뚫는 경우, 제3 핀 구동 작동 축을 사용하여 드릴 비트/핀을 후퇴시킬 수도 있다고 제안된다.
본 발명의 특정 구체 예에서, 뼈에 대한 새 발견이 APIEMS 2008 제 9회 아시아 태평양 산업 공학 및 관리 시스템 컨퍼런스의 회의록, Taha, Zahari, A. Salah 및 J. Lee의 "정형 외과 로봇 보조 수술을 위한 뼈의 획기적인 탐지"에 기술된 방법과 같은 기존의 방법을 사용하여 이루어진다. 관절식 핀 구동기 장치(104')는 사용자가 핸드 헬드 부분(202)을 어떻게 움직이는 지에 관계없이 뼈에 대해 일정한 최적의 후퇴 속도로 드릴 비트/핀을 자동으로 후퇴시킨다. 이는 드릴 비트/핀이 두 번째 피질 영역을 돌파하게 되면 드릴 비트/핀이 환자에게 피해를 주지 않도록 후퇴하는 것을 확실하게 한다. 후퇴 속도는 핸드 헬드 부분(202)의 현재 속도와 결합된 최적의 후퇴 속도의 함수이다.
핸드 헬드 부분(202)과 뼈 사이의 상대적인 속도는 몇가지 다른 방법으로 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 뼈에 상대적인 핸드 헬드 부분(202)의 속도는 검출되지 않고 대신에 속도가 가정된다. 다른 실시예에서, 레이저 거리 측정 장치와 같은 간단한 선형 거리 측정이 사용된다. 특정 실시예에서, 추적 시스템(106)은 뼈와 핸드 헬드 부분(202) 각각에 대한 하나 이상의 기준 마커를 이용하여 뼈와 핸드 헬드 부분(202) 둘다를 추적하는 데에 사용된다.
다른 실시예
전술한 상세한 설명에서 적어도 하나의 예시적인 실시예가 제시되었지만, 많은 변형이 존재한다는 것을 이해해야 한다. 예시적인 실시예는 단지 예일 뿐이며, 설명된 실시예의 범위, 적용성 또는 구성을 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 당업자에게 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이다. 첨부된 청구 범위 및 이의 법적 등가에 기재된 범위를 벗어나지 않으면서 요소의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
본원에 인용된 특허, 특허 출원 공보 및 기타 문헌 참고 문헌은 당업자의 수준을 나타낸다. 각각의 특허, 특허 출원 공개 및 다른 문헌 참조는 각각 그 전체가 참고로 포함된다. 이들 참고 문헌은 각각의 참고 문헌이 개별적으로 참고로 포함된 것과 동일한 정도로 포함되도록 의도된다.
전술한 설명은 본 발명의 특정 실시예를 예시하지만, 그 실시를 제한하는 것은 아니다. 이의 모든 등가물을 포함하는 다음의 청구 범위는 본 발명의 범위를 정의하도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 축을 따라 2-DOF 핸드 헬드 수술 장치를 정렬하는 방법에 있어서,
    뼈에 임플란트 또는 터널에 바람직한 위치에 관련한 평면을 정의하는 단계 - 상기 임플란트 또는 터널은 축을 가짐 - ;
    상기 2-DOF 수술 장치의 엔드 이펙터를 상기 평면과 일치하게 정렬하는 단계; 및
    상기 엔드 이팩터가 상기 뼈에서 상기 임플란트 또는 터널에 대해 상기 바람직한 위치에 대한 진입 지점, 또는 상기 바람직한 위치에서의 상기 임플란트 또는 터널의 상기 축 중 적어도 하나와 정렬될 때 제1 표시기가 신호 보낼 때까지 상기 엔드 이펙터가 상기 평면과의 일치를 유지하는 동안 상기 2-DOF 수술 장치를 상기 뼈에 대해 이동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 엔드 이펙터가 상기 뼈에 상기 임플란트 또는 터널에 대해 상기 바람직한 위치에 대한 상기 진입 지점과 정렬할 때 상기 제1 표시기가 신호 보낼 때 까지 상기 엔드 이펙터가 상기 평면과의 일치를 유지하는 동안 상기 2-DOF 수술 장치를 측면으로 이동시키는 단계
    상기 진입 지점에서 상기 엔드 이펙터의 팁을 상기 뼈 내로 앵커하는 단계; 및
    상기 엔드 이펙터가 상기 바람직한 위치에서 상기 임플란트 또는 터널의 상기 축과 정렬할 때 제2 표시기가 신호 보낼 때 까지 상기 엔드 이펙터가 상기 평면과의 일치를 유지하는 동안 상기 2-DOF 수술 장치를 상기 앵커된 팁에 대해 회전시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 엔드 이펙터를 상기 뼈에 삽입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 표시기 및 상기 제2 표시기는 동일한 표시기인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 표시기는 적색 및 녹색 신호; 및 상기 엔드 이펙터가 상기 진입 지점 또는 상기 바람직한 위치에서의 상기 임플란트 또는 터널의 축과 얼마나 근접하여 정렬하는지에 기초하여 주파수를 변경하는 깜박이는 등 중 적어도 하나인 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제2 표시기는 적색 및 녹색 신호; 및 상기 엔드 이펙터가 상기 바람직한 위치에서의 상기 임플란트 또는 터널의 축과 얼마나 근접하여 정렬하는지에 기초하여 주파수를 변경하는 깜박이는 등 중 적어도 하나인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 표시기는 사용자에게 피드백을 제공하는 모니터, 또는 상기 2-DOF 수술 도구의 온보드 표시기를 이용하여 표시되는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 온보드 표시기는 상기 2-DOF 수술 도구가 상기 진입 지점 또는 상기 임플란트 또는 터널의 상기 축 중 적어도 하나와 정렬될 때 직접적인 시각적 피드백을 위한 하나 이상의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 모니터 상에 상기 뼈의 가상 모델을 표시하는 단계를 더 포함하고, 상기 정의된 평면, 상기 임플란트 또는 터널의 축, 및 상기 엔드 이펙터의 실시간 축은 상기 가상 뼈 모델 상에 중첩되는 방법.
  10. 제10항에 있어서, 상기 엔드 이펙터의 상기 중첩된 실시간 축을 상기 임플란트 또는 터널의 상기 중첩된 축과 정렬시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 온 모니터는 적색 및 녹색 신호; 및 상기 엔드 이펙터가 상기 진입 지점과 얼마나 근접하여 정렬하는지에 기초하여 주파수를 변경하는 깜박이는 등 중 적어도 하나로 시각적 피드백을 더 제공하는 방법.
  12. 제2항에 있어서, 상기 제2 표시기는 상기 엔드 이펙터에 대한 전력 제어이고, 상기 엔드 이펙터가 상기 임플란트 또는 터널의 상기 축과 정렬될 때, 상기 엔드 이펙터의 드릴을 위한 상기 전력은 자동으로 턴온되어 상기 엔드 이펙터를 상기 뼈에 삽입하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 드릴 비트, 척추경 나사, 뼈 핀, 중공 드릴 비트, 금속판, 뼈 네일, 리머(reamer), 브로치(broach), 또는 임플란트 중 하나를 포함하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 평면은 수술 전 뼈 데이터(CT, MRI, 이미지, 3D 뼈 모델) 및 수술 전 계획 소프트웨어 프로그램으로 정의되는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 임플란트 또는 터널에 대해 상기 바람직한 위치는 계획 소프트웨어 프로그램에서 도구나 위젯을 이용하여 정의되고, 상기 도구 및 위젯은 터널의 가상 모델, 임플란트의 가상 모델, 지점의 세트, 라인, 스플라인 또는 수술 전 뼈 데이터에 대해 위치 가능한 평면, 및 그리기 도구 상자 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  16. 제1항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    컴퓨팅 시스템;
    관절식 2-DOF 수술 장치; 및
    추적 시스템
    을 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 관절식 2-DOF 수술 장치는:
    관절식으로 연결하도록 구성된 작업부;
    전방 선형 레일 및 후방 선형 레일에 의해 상기 작업부에 피봇식으로 연결된 핸드 헬드 부분 - 상기 전방 선형 레일 및 상기 후방 선형 레일은 핸드 헬드 부분의 구성 요소 세트에 의해 작동되어 상기 핸드 헬드 부분에 대한 상기 작업부의 피치와 병진 운동을 조절하고, 상기 전방 선형 레일 및 상기 후방 선형 레일은 각각 제1 단부 및 제2 단부를 가짐 - ; 및
    추적 시스템이 상기 작업부의 위치 및 배향(POSE)을 추적할 수 있도록 상기 작업부에 견고하게 부착된 3개 이상의 기준 마커들의 세트를 갖는 추적 어레이를 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 전방 볼 나사에 동력을 공급하는 전방 액츄에이터 및 후방 볼 나사에 동력을 공급하는 후방 액츄에이터 - 상기 전방 선형 레일 및 상기 후방 선형 레일 모두의 제1 단부는 힌지 세트를 통해 상기 작업부에 각각 부착되어, 상기 작업부가 상기 전방 선형 레일 및 상기 후방 선형 레일에 대해 선회하도록 함 -; 및
    상기 전방 선형 레일과 상기 후방 선형 레일의 제2 단부에 일체로 부착된 볼 너트 세트, 상기 볼 너트 세트는 상기 전방 볼 나사 및 상기 후방 볼 나사 모두와 기계적으로 연통하고, 상기 볼 너트 세트는 상기 작업부의 상기 피치와 병진 운동을 조절하도록 상기 볼 나사의 상기 축을 따라 병진 이동함 -
    을 더 포함하는 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 관절식 2-DOF 수술 장치는 상기 작업부의 원하는 위치에 대한 상기 작업부의 실제 위치에 기초하여 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성된 온보드 표시기를 더 포함하는 시스템.
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