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KR101506486B1 - 척추용 수술로봇 시스템 - Google Patents

척추용 수술로봇 시스템 Download PDF

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KR101506486B1
KR101506486B1 KR1020140010361A KR20140010361A KR101506486B1 KR 101506486 B1 KR101506486 B1 KR 101506486B1 KR 1020140010361 A KR1020140010361 A KR 1020140010361A KR 20140010361 A KR20140010361 A KR 20140010361A KR 101506486 B1 KR101506486 B1 KR 101506486B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tool
surgical instrument
unit
tool holder
driving force
Prior art date
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Active
Application number
KR1020140010361A
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English (en)
Inventor
권영식
한승철
한정민
정재헌
Original Assignee
주식회사 고영테크놀러지
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
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Priority to PCT/KR2015/000928 priority patent/WO2015115809A1/ko
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Abstract

척추용 수술로봇 시스템은 수술기구, 구동부, 동력차단부 및 제어부를 포함한다. 수술기구는 환자의 체내에 삽입되어 척추를 드릴링하는 툴 및 툴과 결합되어 툴을 홀딩하고, 구동력에 의해 툴과 함께 회전되며 전방으로 전진하는 툴 홀더를 포함한다. 구동부는 툴 및 툴 홀더에 구동력을 제공한다. 동력차단부는 툴 및 툴 홀더 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 위치에 도달하는 경우 구동부의 구동력을 차단한다. 제어부는 수술기구 및 구동부 중 적어도 하나의 동작을 제어한다. 이에 따라, 시술 시 환자의 위험을 방지할 수 있다.

Description

척추용 수술로봇 시스템{SPINE SURGICAL ROBOT SYSTEM}
본 발명은 척추용 수술로봇 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자의 위험을 방지할 수 있는 척추용 수술로봇 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호:10040097, 과제명: 의료수술로봇영상기반 이비인후과 및 신경외과 수술용 최소침습 다자유도 수술로봇 시스템 기술 개발].
일반적으로, 척추수술은 환자의 손상된 척추 부위의 피부를 절개하고, 척추경 나사못을 척추뼈에 삽입하여 고정하고, 로드(rod)로 연결한 후 볼트를 척추경 나사못에 체결하여 로드를 고정하는 등의 방식으로 수행된다.
이러한 척추수술은 환자의 침습 부위가 크기 때문에 환자의 고통이 가중되고 회복이 지연되는 문제가 있으며, 이에 따라 최근에는 수술 부위 전체를 절개하지 않고 내시경이나 수술현미경 등의 도구를 이용하여 수술 부위를 확인하면서 수술을 진행하는 최소침습(minimally invasive) 방식이 개발되었다.
이러한 최소침습 방식을 채용하기 위해, 최근에는 척추용 수술기구가 개발되어 활용되고 있는데, 수술 부위로 캐뉼러(cannula)와 같은 관을 삽입한 후, 여기에 드릴이 설치된 툴을 삽입하여 척추뼈에 대한 드릴링 작업을 수행하는 방식이 활용된다.
그러나, 이러한 방식의 경우, 상기 캐뉼러와 같은 관이 상기 툴을 가이드하는 정도의 기능만을 포함하므로, 의사와 같은 시술자가 사용하기에 불편하고, 환자의 몸에 이상이 생기거나 위험 상태가 되는 경우 시술자가 상기 위험을 신속하고 용이하게 제거하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사용하기에 편리하고, 환자의 척추에 드릴링 작업을 수행하는 중에 환자의 몸에 이상이 생기거나 위험 상태가 되는 경우 상기 위험이 신속하고 용이하게 제거될 수 있는 척추용 수술로봇 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 척추용 수술로봇 시스템은 수술기구, 구동부, 동력차단부 및 제어부를 포함한다. 상기 수술기구는 환자의 체내에 삽입되어 척추를 드릴링(drilling)하는 툴(tool) 및 상기 툴과 결합되어 상기 툴을 홀딩(holding)하고, 구동력에 의해 상기 툴과 함께 회전되며 전방으로 전진하는 툴 홀더(holder)를 포함한다. 상기 구동부는 상기 툴 및 상기 툴 홀더에 상기 구동력을 제공한다. 상기 동력차단부는 상기 툴 및 툴 홀더 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 위치에 도달하는 경우 상기 구동부의 구동력을 차단한다. 상기 제어부는 상기 수술기구 및 상기 구동부 중 적어도 하나의 동작을 제어한다.
일 실시예로, 상기 툴은, 로드(rod) 형상을 갖는 툴 바디(body) 및 상기 툴 바디의 단부에 배치되어 상기 척추를 드릴링하는 드릴을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 수술기구는, 상기 툴 홀더의 적어도 일부를 수용하여 지지하며, 외부로부터 제공되는 고정기구에 장착되어 고정되는 지지부를 더 포함할 수 있다. 상기 지지부는, 지지부 몸체 및 상기 지지부 몸체 내에 배치되어 상기 툴 홀더가 관통되며, 상기 관통된 툴 홀더를 지지하는 지지유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 척추용 수술로봇 시스템은 상기 수술기구를 제1 위치로 이동시키는 로봇암 및 상기 로봇암에 설치되어 상기 수술기구를 고정하는 고정부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 척추용 수술로봇 시스템은 상기 로봇암에 설치되어 상기 고정부에 결합되며, 상기 수술기구를 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 이송부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 척추용 수술로봇 시스템은 위치정보를 이용하여 상기 수술기구의 위치를 추적하는 트래킹(tracking)부를 더 포함할 수 있고, 상기 수술기구는, 상기 툴 및 상기 툴 홀더 중 적어도 하나에 형성되며, 상기 트래킹부에 상기 위치정보를 제공하는 마커(marker)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 위치정보에 따라 상기 툴 및 상기 툴 홀더가 기 설정된 영역에 도달할 때 시술자에게 경고 메시지를 발생시키거나 상기 구동부를 정지시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 툴이 위험 위치에 도달할 때 상기 툴이 더 이상 전진하지 못하도록 드릴의 삽입 깊이를 한정하는 동력차단부가 제공됨으로써, 환자의 위험을 방지하고 안전을 확보할 수 있다.
또한, 마커에 의해 제공되는 위치정보에 따라 상기 툴이 기 설정된 영역에 도달할 때 시술자에게 경고 메시지를 발생시키거나 상기 구동부를 정지시키도록 함으로써, 상기 툴이 위험 영역에 도달할 때 시술자에게 이를 경고하거나 상기 툴이 더 이상 동작하지 못하도록 상기 구동력을 차단하고, 이에 따라 환자의 위험을 방지하고 환자의 안전을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 척추용 수술로봇 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 척추용 수술로봇 시스템의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 척추용 수술로봇 시스템의 수술기구를 도시한 측면도이다.
도 4는 도 3의 수술기구에 지지부가 결합된 일 실시예를 도시한 측면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 척추용 수술로봇 시스템을 도시한 개념도이고 도 2는 도 1의 척추용 수술로봇 시스템의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 척추용 수술로봇 시스템(100)은 수술기구(110), 구동부(120), 동력차단부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
도 3은 도 2의 척추용 수술로봇 시스템의 수술기구를 도시한 측면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 수술기구(110)는 툴(tool)(112) 및 툴 홀더(holder)(114)를 포함한다.
상기 툴(112)은 환자의 체내에 삽입되어 척추를 드릴링(drilling)한다.
일 실시예로, 상기 툴(112)은 툴 바디(body)(112a) 및 드릴(112b)을 포함할 수 있다.
상기 툴 바디(112a)는, 예를 들면, 로드(rod) 형상을 가질 수 있다. 상기 툴 바디(112a)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 후술되는 툴 홀더(114)의 내부 공간을 관통하여 배치될 수 있다.
상기 드릴(112b)은 상기 툴 바디(112a)의 단부에 배치되어 상기 척추를 드릴링하기 위하여 제공된다. 상기 드릴(112b)은 상기 툴 바디(112a)와 일체로 결합되어 제공될 수도 있고, 이와는 다르게 상기 드릴(112b)이 상기 툴 바디(112a)와 탈착 가능하도록 결합될 수도 있다.
이에 따라, 상기 드릴(112b)을 이용한 드릴링 작업이 끝난 후, 드릴된 위치에 척추경 나사못을 삽입하는 시술을 수행할 때, 척추경 나사못이 설치된 툴을 이용하여 상기 삽입 시술을 수행할 수 있고, 이와는 다르게 상기 드릴(112b) 대신 척추경 나사못으로 교체하고 상기 척추경 나사못을 상기 툴 바디(112a)에 결합하여 상기 삽입 시술을 수행할 수도 있다.
상기 툴 홀더(114)는 상기 툴(112)과 결합되어 상기 툴(112)을 홀딩(holding)하고, 구동력에 의해 상기 툴(112)과 함께 회전되며 전방으로 전진한다.
예를 들면, 상기 툴 홀더(114)는 실린더 형상을 가질 수 있다. 상기 툴 홀더(114)의 내부에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 툴 바디(112a)가 관통하여 배치될 수 있고, 상기 툴 홀더(114)는 후술되는 툴 지지부(116)의 내부 공간을 관통하여 배치될 수 있다.
도 4는 도 3의 수술기구에 지지부가 결합된 일 실시예를 도시한 측면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 수술기구(110)는 지지부(116)를 더 포함할 수 있다.
상기 지지부(116)는 상기 툴 홀더의 적어도 일부를 수용하여 지지하며, 외부로부터 제공되는 고정기구, 예를 들면 후술되는 고정부(160, 도 2 참조)에 장착되어 고정된다.
일 실시예로, 상기 지지부(116)는 지지부 몸체(116a) 및 지지유닛(116b)을 포함할 수 있다.
상기 지지부 몸체(116a)는, 예를 들면, 실린더 형상을 가질 수 있으며, 상기 툴 홀더 가이드(130)의 적어도 일부를 수용할 수 있다.
상기 지지유닛(116b)은 상기 지지부 몸체(142) 내에 배치되어 상기 툴 홀더(114)가 관통되며, 상기 관통된 툴 홀더(114)를 지지한다. 예를 들면, 상기 지지유닛(116b)은 상기 툴 홀더(114)의 회전이 가능하도록 지지할 수 있는 베어링을 포함할 수 있다.
상기 수술기구(110)는 마커(marker)(118)를 더 포함할 수 있다.
상기 마커(118)는 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114) 중 적어도 하나에 형성되며 외부, 예를 들면 후술되는 트래킹부(180, 도 2참조)에 위치정보를 제공한다. 도 3 및 도 4에서는 일 실시예로, 상기 마커(118)가 상기 툴(112)의 말단에 형성되어 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 구동부(120)는 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114)에 상기 구동력을 제공한다.
일 시예로, 상기 구동부(120)는 드릴 모터(drill motor)를 포함할 수 있다. 일 실시예로 도 2에서, 상기 드릴 모터는 상기 지지부 몸체(116a)를 감싸는 형태로 형성되어 상기 지지부 몸체(116a) 내부에 배치된 상기 툴 홀더(114)와 결합되며, 상기 툴 홀더(114)를 구동시킴으로써 상기 툴(112)의 회전 및 전진을 포함하는 드릴 모션(drill motion)을 수행할 수 있다.
구체적으로, 시술자의 조작에 의해 상기 드릴 모터를 구동하면, 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114)가 일체로 회전하며 전방(도 2에서 좌측 하방에 해당)으로 전진한다. 이에 따라, 환자의 척추에 드릴링 작업을 수행할 수 있다. 또한, 시술자는 조작에 의해 상기 드릴 모터를 정지시키거나 후방(도 2에서 우측 상방에 해당)으로 이동시킬 수 있다.
상기 동력차단부(130)는 상기 툴(112) 및 툴 홀더(114) 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 위치에 도달하는 경우 상기 구동부(120)의 구동력을 차단한다.
예를 들면, 상기 동력차단부(130)는 리미트 센서(limit sensor)를 포함할 수 있다. 상기 리미트 센서는, 상기 툴(112) 및 툴 홀더(114) 중 적어도 하나가 상기 기준 위치에 도달하는 경우에, 전기적 오프(off) 상태에서 전기적 온(on) 상태로 변화됨으로써 시술자의 조작에 상관없이 상기 구동력을 차단할 수 있다.
이에 따라, 상기 동력차단부(130)는 상기 툴(112)이 위험 위치에 도달할 때 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114)가 더 이상 전진하지 못하도록 할 수 있으며, 이로써 환자의 안전을 확보할 수 있다. 즉, 상기 동력차단부(130)가 상기 드릴 모션에 따른 상기 툴(112)의 전진에 대해서 상기 드릴(112b)의 삽입 깊이를 한정할 수 있으므로, 환자의 위험을 방지할 수 있다.
상기 제어부(140)는 상기 수술기구(110) 및 상기 구동부(120) 중 적어도 하나의 동작을 제어한다.
예를 들면, 상기 제어부(140)는 컴퓨터를 포함할 수 있고, 사용자의 입력에 의해 상기 구동부(120)로부터 제공되는 상기 구동력의 발생 및 차단 등을 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 척추용 수술로봇 시스템(100)은 로봇암(150) 및 고정부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 로봇암(150)은 상기 수술기구(110)를 제1 위치로 이동시킨다. 상기 로봇암(150)은, 예를 들면, 환자가 위치하는 시술대(10)에 설치될 수 있으며, 상기 수술기구(110)를 환자를 시술하기에 적절한 3차원 공간좌표계 상의 소정 위치인 상기 제1 위치로 이동시킬 수 있다.
상기 고정부(160)는 상기 로봇암(150)에 설치되어 상기 수술기구(110)를 고정한다. 예를 들면, 상기 수술기구(110)의 지지부(116, 도 4 참조)는 상기 고정부(160)에 장착되어 고정될 수 있다.
일 실시예로, 상기 척추용 수술로봇 시스템(100)은 이송부(170)를 더 포함할 수 있다.
상기 이송부(170)는 상기 로봇암(150)에 설치되어 상기 고정부(160)에 결합되며, 상기 수술기구(110)를 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시킨다. 구체적으로, 상기 수술기구(110)가 상기 로봇암(150)에 의해 상기 제1 위치로 이동된 후, 시술자는 상기 이송부(170)를 이용하여 상기 수술기구(110)를 보다 정밀하게 상기 제2 위치로 이동시킬 수 있다.
한편, 상기 로봇암(150) 및/또는 상기 이송부(170)는 상기 제어부(140)에 의해 제어될 수 있다.
일 실시예로, 상기 척추용 수술로봇 시스템(100)은 트래킹(tracking)부(180)를 더 포함할 수 있다.
상기 트래킹부(180)는 위치정보를 이용하여 상기 수술기구(110)의 위치를 추적하며, 상기 수술기구(110)의 마커(118)로부터 상기 위치정보를 제공받는다.
상기 제어부(140)는, 상기 위치정보에 따라 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114)가 기 설정된 영역에 도달할 때 시술자에게 경고 메시지를 발생시키거나 상기 구동부(120)를 정지시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 마커(118)는 상기 툴(112)에 장착되어 기 촬영된 CT 혹은 MRI와 같은 3차원 영상과 정합(registration)을 실시하여 환자의 체내에서 상기 툴(112)의 위치를 추적할 수 있으며, 이에 따라 상기 툴(112)이 기 설정된 위험 영역에 대하여 상대적으로 어느 위치에 있는지 파악할 수 있다.
이에 따라, 상기 툴(112)이 위험 영역에 도달할 때 시술자에게 이를 경고하거나 상기 툴(112) 및 상기 툴 홀더(114)가 더 이상 동작하지 못하도록 상기 구동력을 차단함으로써, 환자의 위험을 방지하고 환자의 안전을 확보할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 툴이 위험 위치에 도달할 때 상기 툴이 더 이상 전진하지 못하도록 드릴의 삽입 깊이를 한정하는 동력차단부가 제공됨으로써, 환자의 위험을 방지하고 안전을 확보할 수 있다.
또한, 마커에 의해 제공되는 위치정보에 따라 상기 툴이 기 설정된 영역에 도달할 때 시술자에게 경고 메시지를 발생시키거나 상기 구동부를 정지시키도록 함으로써, 상기 툴이 위험 영역에 도달할 때 시술자에게 이를 경고하거나 상기 툴이 더 이상 동작하지 못하도록 상기 구동력을 차단하고, 이에 따라 환자의 위험을 방지하고 환자의 안전을 확보할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.　 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 척추용 수술로봇 시스템 110 : 수술기구
120 : 구동부 130 : 동력차단부
140 : 제어부 150 : 로봇암
160 : 고정부 170 : 이송부
180 : 트래킹부

Claims (8)

  1. 환자의 체내에 삽입되어 척추를 드릴링(drilling)하는 툴(tool) 및 상기 툴과 결합되어 상기 툴을 홀딩(holding)하고, 구동력에 의해 상기 툴과 함께 회전되며 전방으로 전진하는 툴 홀더(holder)를 포함하는 수술기구;
    상기 툴 및 상기 툴 홀더에 상기 구동력을 제공하는 구동부;
    상기 툴 및 툴 홀더 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 위치에 도달하는 경우 상기 구동부의 구동력을 차단하는 동력차단부; 및
    상기 수술기구 및 상기 구동부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 척추용 수술로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 툴은,
    로드(rod) 형상을 갖는 툴 바디(body); 및
    상기 툴 바디의 단부에 배치되어 상기 척추를 드릴링하는 드릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수술기구는,
    상기 툴 홀더의 적어도 일부를 수용하여 지지하며, 외부로부터 제공되는 고정기구에 장착되어 고정되는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지지부는,
    지지부 몸체; 및
    상기 지지부 몸체 내에 배치되어 상기 툴 홀더가 관통되며, 상기 관통된 툴 홀더를 지지하는 지지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수술기구를 제1 위치로 이동시키는 로봇암; 및
    상기 로봇암에 설치되어 상기 수술기구를 고정하는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 로봇암에 설치되어 상기 고정부에 결합되며, 상기 수술기구를 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술로봇 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    위치정보를 이용하여 상기 수술기구의 위치를 추적하는 트래킹(tracking)부를 더 포함하고,
    상기 수술기구는, 상기 툴 및 상기 툴 홀더 중 적어도 하나에 형성되며, 상기 트래킹부에 상기 위치정보를 제공하는 마커(marker)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 위치정보에 따라 상기 툴 및 상기 툴 홀더가 기 설정된 영역에 도달할 때 시술자에게 경고 메시지를 발생시키거나 상기 구동부를 정지시키는 것을 특징으로 하는 척추용 수술로봇 시스템.
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