KR20150058250A - 로봇 장치 및 영상 안내 및 로봇 지원 수술을 위한 시스템 - Google Patents
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Abstract
영상 안내 로봇 지원 외과수술적 조처를 위한 예컨대 MRI 유도 로봇과 같은 로봇 시스템과, 환자에 대해서 그러한 외과적 조처를 실시하기 위해 로봇 시스템을 사용하기 위한 방법이 제공된다. 로봇 시스템은 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 글로벌 포지셔너와, 이에 기계적으로 링크되는 로봇 머니퓰레이터 또는 글로벌 포지셔너를 작동하는 수단 및 메모리, 프로세서 및 로봇 시스템과의 전자적 통신으로 적어도 하나의 네트워크 접속을 가지는 컴퓨터를 포함한다. 작동 수단은 대체가능 매체와, 리지드 피스톤을 포함하는 리지드 부품 또는 로봇 머니퓰레이터 또는 글로벌 포지셔너에 전달되는 작동이 개재되는 조합을 포함하는 적어도 하나의 트랜스미션 라인을 가진다. 컴퓨터는 메모리에 소프트웨어 모듈을 저장하고, 소프트웨어 모듈은 로봇 시스템과, 영상 시스템 및 작업자 사이의 인터페이스를 제공하여 그 수술을 제어하도록 프로세서 실행가능 명령을 포함한다.
Description
[관련출원에 대한 상호참조]
본 출원은 2012년8월24일자로 출원되어 현재 포기된 미합중국 특허 출원 제61/692,943호의 우선권을 주장하며, 이의 전체 기재내용은 여기서 참고로 포함된다.
[연방자금지원]
본 발명은 미국 연방 정부의 과학 진흥 기구인 국립 과학 재단(National Science Foundation; NSF)에 의해 계약된 허여 번호 CNS-0932272의 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정한 권리를 가진다.
[발명의 분야]
본 발명은 로봇 장치, 로봇 지원 수술 절차 및 이를 실행하는 소프트웨어에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 로봇 머니퓰레이터 및 액츄에이터 및 적용가능한 소프트웨어 및 하드웨어를 포함하고, 원위치에서, 실시간 영상 안내 진단, 수술 및 최소한의 외과적인 의학적 개입을 위한 MRI-호환형 의학 로봇 플랫폼을 포함하는 로봇 시스템을 제공한다.
단일 포트 억세스(Single Port access; SPa) 수술 및 피부를 통한 개입을 포함하는 최소한의 외과적 절차에서의 로봇 지원은 전통적인 개방형 수술 또는 프리 핸드 개입에 대한 더욱 친환자적이고, 실무향상적이고, 결국 비용적 측면의 대안으로서 대두되고 있다. 이러한 패러다임 시프트는 로봇 장치들과 햅틱 장치와 같은 제어 시스템들, 예를 들어, 외과 수술적, 방사선적, 심장학상 등의 개입을 일체형 복합 모드로 감지하는, 즉 조직 및 세포 레벨 영상을 감지하기 위하여 왕성하게 확장가능한 효율적인 방법론을 요구한다. 대부분의 노력이 획기적인 컴퓨터적 방법, 로봇 머니퓰레이터 및 햅틱 인터페이스를 발전시키는 개척자 그룹에 의해 주도되어 비약적인 발전을 이루고 있다. 영상 안내 및 로봇 지원 IGRa 절차의 미래를 볼 때, 몇 가지 인자들은 차세대 시스템에는 공헌할 수 있고, 효율적인 오퍼레이터 인터페이싱으로 조직 병리학 및 기능을 국지적으로 접근할 수 있는 실시간 영상 안내의 완벽한 통합을 포함할 수 있다.
실시간 영상 안내 RTIG는 절차의 영역 aoP(area of Procedure)를 평가하는 독특한 특징을 제공하는데, 숨쉬기 또는 심장 박동과 같은 절차 또는 자연적 운동은 부차적인 것으로 하고, 우선 실시간 조직 변형 및 운동을 평가하고, 두번째로 3d로 도구를 모니터링하고, 세번째로 타켓 조직의 병리생리학 정보를 업데이트한다. 이러한 특징이 부여되어, 실시간 영상 안내 RTIG는 "키홀(keyhole)"구상화, 즉 내시경 검사 또는 복강경 검사 및 수술 전 영상 안내의 최근의 접근으로부터 패러다임 시프트 및 방법론적 비약을 이용하여, aoP을 더욱 글로벌하고 풍부한 정보로 인식함으로서, 더 넓은 범위 및 레벨의 복잡한 수술을 수행할 수 있다. 이러한 맥락에서, 광범위하고 획기적인 작업이 프리 핸드 또는 로봇 지원 절차를 위한 다른 영상 모드들로 실행되었으며, 이것에는 초음파 US, 자기 공명 영상 MRI를 포함한다.
영상 안내 및 로봇 지원 절차는 까다롭고 매우 복잡하며, 광범위한 임상 패러다임 및 유용한 기술들이 있었으며, 현재도 많은 그룹에 의해 추구되고 있다. 몇몇 영상 안내 및 로봇 지원 장치는 개발되었거나 개발 중에 있다. MRI 안내 수술에 대변혁을 일으킬 수 있는 MR 호환형 Neuroarm은 복잡하고 고비용 기술임에도, 실시간 MR 안내에는 적합하지 않다. 미국 국립 건강 연구소(National Institutes of Health)에서 연구된 것으로, 등록상표인 Innomotion® 로봇에 기반을 두고 있는 기타 다른 시스템이 있지만, 더이상 상업적으로 제안되지 않고 있다.
그래서, 향상된 영상 안내 및 로봇 지원 절차, 특히 로봇 제어를 위한 실시간 다중 영상과 로봇의 자율 또는 수동 제어를 위한 HIMI에 대한 필요성이 인식되고 있다. 특히 종래 기술은 영상 스캐너의 공간적 제한 내에서 수술하도록 디자인된 로봇 장치, 시스템 및 방법과, 자기 공명 환경 및 조직을 실시간 트랙킹할 수 있는 매우 높은 자기 필드내에서 실행할 수 있는 로봇 작동 수단에 결점이 있다. 본 발명은 이러한 장기에 걸친 필요성과 소망을 충족할 수 있다.
본 발명은 로봇 지원 수술 절차를 위한 로봇 시스템에 관한 것이다. 로봇 시스템은 적어도 하나의 영상 안내 로봇 머니퓰레이터 장치, 이 머니퓰레이터 장치에 기계적으로 링크된 로봇 머니퓰레이터 장치를 작동하는 수단 및 메모리, 프로세서 및 로봇 머니퓰레이터와 전자 통신하는 적어도 하나의 네트워크 접속을 가지는 컴퓨터 및 이들을 작동하는 수단을 포함한다. 본 발명은 로봇 머니퓰레이터가 부착되는 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하며 기계적으로 링크가능한 베이스를 추가로 포함하는 로봇 시스템에 관한 것으로, 베이스는 환자에게 수술 절차가 행해지는 영역에 들어맞도록 이동가능하게 배향된다. 본 발명은 영상 모드를 안내하는데 효과적인 영상 시스템으로부터의 신호를 송수신하는 적어도 하나의 센서와, 선택적으로 영상 모드를 정확하게 기록하는데 효과적인 로봇 머니퓰레이터 또는 그 둘레에 설치된 복수의 대비 마커(contrast MArker)를 추가로 포함하는 로봇 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 환자에 대해 실시간 영상 안내로 로봇 지원 수술 절차를 실행하는 방법에 관한 것이다. 실행 방법은 환자에 근접하여 로봇 시스템을 위치시키고, 로봇 머니퓰레이터 장치가 부착되고 영상 모드를 통해 환자가 촬영되는 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하고, 기계적으로 링크가능한 베이스의 방위 및 위치를 조정한다. 로봇 시스템을 포함하는 로봇 머니퓰레이터는 촬영하는 동안 전자적으로 얻어진 정보를 통해 환자의 수술해야 할 부위가 실시간 안내된다. 수술 절차는 영상 안내 로봇 머니퓰레이터를 통해 환자에게 실행된다. 본 발명은 로봇 머니퓰레이터가 등록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로 부터의 정보를 얻는 과정을 추가로 포함하는 방법에 관한 것으로, 로봇 머니퓰레이터는 제1 글러벌 포지셔너 유닛, 제1 유닛과 수술해야 할 부위의 조직에 관한 추가 정보를 수신하는 센서로 이루어진 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함한다.
본 발명은 수술 절차를 실행하는 자기 공명 영상(MRI) 안내 로봇에 관한 것으로, 자기 공명 영상 시스템과 인터페이스되는 복수의 유닛들과 적어도 하나의 자유도로서 움직이도록 된 적어도 하나의 가동 스테이지를 가지는 글로벌 포지셔너와; 글러벌 포지셔너를 부착하고자 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하고 기계적으로 링크가능하되, 환자의 수술해야 할 부위에 들어맞도록 이동가능하게 배향되는 베이스와; 변위가능 매체를 포함하는 복수의 연속 설치된 구체를 가지는 플렉시블 부품, 복수의 연속 설치 피스톤을 가지는 리지드 부품 또는 그 변경 조합을 포함하며, 상기 변경 조합으로 글로벌 포지셔너와 작동 동력원에 기계적 또는 전자적으로 링크되고, 컴퓨터 또는 수동으로 제어되는 컨트롤러를 포함하는 로봇 제어 모듈에 전자적으로 접속되어, 글로벌 포지셔너의 하나의 자유도로 작동되는 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인; 및 자기 공명 영상 시스템과 로봇을 작동하기 위한 프로세서 실행가능 명령을 가지는 소프트웨어 모듈을 메모리에 명백히 저장하는 컴퓨터에 링크되는 적어도 하나의 유선 또는 무선 네트워크를 포함한다. 본 발명은 MRI 안내 로봇에 관한 것으로, 글로벌 포지셔너 또는 글로벌 포지셔너를 포함하는 글로벌 포지셔닝 제1 유닛 또는 작업 공간을 촬영하기에 효과적인 로봇에의 기타 위치에 근접하게 설치된 적어도 하나의 무선 주파수 코일을 추가로 포함하며, 무선 주파수 코일은 MR 영상 시스템으로 부터의 신호를 송수신하며, 선택적으로 영상 모드를 정확하게 기록하는데 효과적인 로봇 또는 그 둘레에 설치된 복수의 대비 마커를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명은 MRI 안내 로봇이 다른 실시예에 관한 것으로, 두 개 이상의 가동 스테이지가 평행하게 설치되면, 로봇은 그 사이에 적어도 하나의 기계적 링크를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 환자에게 로봇 지원 수술을 실행하는 실시간 자기 공명 영상 안내 방법에 관한 것으로, 글로벌 포지셔너의 작업 공간이 수술 영역을 포함하는 환자의 촬영 위치에 대응하도록 글로벌 포지셔너의 베이스를 회전하고, 변환하는 과정과, 조정된 위치 내의 로봇 머니퓰레이터를 포함하는 베이스를 부착하는 과정을 포함한다. MR 영상 시스템은 글로벌 포지셔너가 공동으로 기록되며, 하나 이상의 자유도내에서 실시간으로 안내되어 MR 영상 시스템을 포함하는 좌표 시스템을 통해 환자의 수술해야 할 부위와 정렬될 수 있다. 글로벌 포지셔너가 기록된 하나 이상의 수술 장치가 환자에게 배치됨에 따라, 실시간 자기 공명 영상 안내 수술을 실행할 수 있다. 본 발명은 제 1 글로벌 포지셔너 유닛과, 수술해야 할 영역의 조직에 관한 추가 정보를 수신하는 센서를 포함하는 제1 유닛과 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함하는 글로벌 포지셔너가 기록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로 부터의 정보를 얻는 과정을 추가로 포함하는 MRI 안내 방법에 관한 것이다.
본 발명의 기타 및 추가의 형태, 특징 및 이점들은 개시의 목적으로 주어진 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명으로 명확해질 것이다.
본 발명의 상술한 특징, 이점 및 목적뿐만 아니라 명확하게 되는 다른 것들이 달성되고 상세하게 이해될 수 있지만, 상기에 간략하게 요약된 본 발명의 더욱 특별한 설명 및 특정의 실시예들이 첨부된 도면에 예시될 것이다. 이들 도면은 본 명세서의 일부를 구성한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이지 그들 범위로 제한되는 것으로 고려되어서는 아니된다.
도 1a-1b는 시스템 구성 부품들과 그들 상호간의 연관성을 나타내는 블록 다이어그램으로, 도 1a는 하드웨어적인 구성 부품을 나타내고, 도 1b는 소프트웨어 구성 부품을 나타낸다.
도 2a-2b는 로봇 장치 및 그 구성 부품들을 나타내는 개략도이다.
도 3은 로봇 장치의 두 개의 작동점 ca 및 cb을 나타내는 개략도이다.
도 4a-4c는 환자의 신체에 대한 억세스 포트에 상대적으로 로봇 장치가 환자의 신체로 들어가는 3가지 케이스에 대한 로봇 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5a-5b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 5a는 로봇 장치가 스트레이트 연장을 조작해서, 포인트 제한 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고 있고, 도 5b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 6a-6b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 6a는 로봇 장치가 벤딩가능 연장을 조작해서 포인트 제한 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 6b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 7a-7b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 7a는 로봇 장치가 스트레이트 연장을 조작해서, 제한없는 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 7b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 8a-8b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 8a는 로봇 장치가 벤딩가능 연장을 조작해서 제한없는 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 8b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 9는 로봇 장치의 두 개의 작동점 ca 및 cb을 나타내는 개략도이다.
도 10a-10m은 채용된 베이스를 변경함에 의해 다른 해부학적 구조 및 환자 포지셔닝에 대한 접근에 적합한 동일한 로봇 장치 플랫폼의 유연성에 관련된 실시예들의 예시도이다.
도 11a-11h는 로봇 배열의 적합성 및 재구성 가능성을 나타내는 개략도이다.
도 12a-12d는 RF 코일의 로봇에의 결합을 나타내는 것으로, 도 12a는 코일을 로봇에 부착하는 상태이고, 도 12b는 수술이 실행되는 영역에서 국지적으로 SNR을 향상하고자 코일을 환자에게 부착하거나 하나 이상의 RF 코일을 양측면에 부착하는 상태이고, 도 12c는 두 개로 분리된 코일을 하나는 로봇에게 다른 하나는 환자에게 사용하며, 두 개의 세트가 두 개의 독립적인 코일 세트로서 제공되어, 각각의 세트가 MR 스캐너상의 전용 RF 채널이거나 단일 RF 코일로서 분리되도록 접속되는 상태이고, 도 12d는 본 개시의 적절한 소프트웨어를 이용해서 최근의 상업용 RF 코일을 이용하는 상태를 나타내고 있고, 상업용 코일과 이러한 특정 로봇의 개구부를 경유하여 이용가능한 억세스의 지도를 만들어서, 로봇이 더 넓은 범위의 적용가능성을 가진다.
도 13은 로봇 머니퓰레이터의 직교 데카르트 상태를 나타내는 예시도이다.
도 14a-14d는 타겟 영역에 도달할 수 있는 벤딩가능 제3 유닛의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 15는 종래의 수압 또는 유압 시스템과 유사한 리지드 액체 작용 트랜스미션 시스템을 나타낸다.
도 16a-16f는 터빙 및 트랜스미션 라인의 링 및 파라미터를 가지거나 가지지 않거나 구의 형태를 나타내는 것으로, 도 16a는 구의 직경 d1이 호스의 내경 h1 보다 작음을 나타내고, 도 16b는 링이 각 구의 사이에 위치되어 구를 반대방향으로 구동할 수 있는 마찰력을 제거함을 나타내고, 도 16c는 구의 직경이 호스 내경보다 작고, 링이 각 구의 사이에 위치되고, 중심과, 그와 떨어진 부분에서도 구를 유지하고, 반대방향으로 구를 구동할 수 있는 마찰력을 제거하며, 도 16d는 구를 통해 유연한 와이어 또는 라인이 푸시-풀 모션을 나타내고, 도 16e는 작동 트랜스미션 라인의 부품의 내경을 나타내고, 도 16f는 내부 슬리이브형 부품을 나타내는 튜빙의 횡단면도이다.
도 17a-17g는 컨테이너 튜빙의 길이를 따라 하나 이상의 개구부 또는 슬릿을 포함하는 작동 시스템을 나타내고, 이들 개구부 또는 슬릿은 부품 및 위치 인코더를 작동하도록 리지드 유체를 연동하는데 사용된다.
도 18a-18b는 리지드하거나, 플렉시블하거나, 또는 리지드 및 플렉시블을 조합한 호스를 나타내는 것으로, 도 18a는 시스템의 링크 또는 피스톤이 마찰 또는 제한을 제거하도록 슬라이딩하는 상태이고, 도 18b는 리지드 튜브의 장척부가 증가된 마찰을 제거하도록 작동 어플리케이터의 위치에 도달하는데 사용되거나 튜브의 내경을 변경하고, 말단부가 플렉시블하게 되어, 다수의 리지드 튜브가 작동을 로봇 머니퓰레이터의 위치로 이동할 수 있어, 플렉시블한 것을 로봇의 작동부와 접속하는데 사용한다.
도 19a-19e는 구체, 피스톤, 스트레이트 및 벤딩가능 튜빙과 조합된 리지드 액체 트랜스미션 라인의 실시예로서, 도 19a는 리지드 튜빙, 구체 및 피스톤 형태와 조합된 트랜스미션 라인이고, 도 19b는 스트레이트 리지드 튜빙과 구체 및 플렉시블 튜빙에 의해 분리된 피스톤과 구체로 이루어진 트랜스미션 라인이고, 도 19c 내지 도 19e는 로봇 베이스와 모터에 관련된 환자의 침상위에 배치된 트랜스미션 라인이다.
도 20a-20h는 "리지드 액체" 작동 라인들의 작동 부품에 링크하는 예시도이다.
도 21a-21c는 다수의 리지드 액체 라인을 작동하는 방법의 예시도이다.
도 22a-22b는 X 및 Z축을 따라 운동하는 로봇 장치 및 리지드 액체 작동 어셈블리의 개략 상태도로서, 도 22a는 상태 블록의 부품을 나타내고, 도 22b는 컨테이너 튜브내에 내장된 리지드 및 플렉시블 부품의 상태도이다.
도 23a-23l은 로봇 머니퓰레이터의 분해 및 조립 사시도로서, 도 23a 및 도 23b는 Z축을 따라 이동하는 상태도이고, 도 23c 및 도 23d는 X축 및 Z축을 따라 이동하는 상태도이고, 도 23e 및 도 23l은 로봇 머니퓰레이터의 작업도이다.
도 24a-24b는 로봇 머니퓰레이터를 작동하는 액츄에이터의 배치도이다.
도 25a-25b는 플렉시블 내지 리지드 튜빙의 결합 상태를 나타내는 것으로, 도 25a는 플렉시블 및 리지드 튜빙이 동일한 내경을 가지는 결합이고, 도 25b는 플렉시블 및 리지드 튜빙이 다른 내경을 가지는 결합이다.
도 26a-26b는 작업자에 의해 제공된 수동 파워를 통해 로봇 머니퓰레이터를 작동하는 개략도로서, 도 26a는 수동을 나타내고, 도 26b는 바이패스 수동에 따른 동력 작동을 나타내고 있다.
도 27a-27c는 수동 작동 유닛(MAU)의 다양한 실시예로서, 도 27a는 핸들에 대해 1대1 배급으로 로봇 작업을 반복하는 DOF를 구비하는 핸들로 이루어진 MAU의 실시예이고, 도 27b는 인간의 작업이 작업 라인에 전달되도록 작업자가 핸들의 두 개의 앵커부사이에 유지하는 MAU 핸들의 실시예이고, 도 27c는 인간의 작업이 작업 라인에 전달되도록 작업자가 핸들의 두 개의 앵커부를 위 또는 아래에 유지하는 MAU 핸들의 실시예이다.
도 28a-28d는 영상 스캐너의 형태를 나타내는 것으로, 도 28a는 매뉴얼 작동 유닛(MAU)으로부터 영상 스캐너를 직접 제어하는 시스템의 실시예이고, 도 28b는 과업을 실행하는 모든 필요로 하는 하드웨어 부품을 포함하는 단일 보드 전자 유닛의 실시예이고, 도 28c는 비디오 카드가 단일 보드 주입의 일부임을 나타내고, 도 28d는 비디오 카드가 적절한 버스를 경유하는 추가 애드 온 (add-on)이다.
도 29a-29b는 MAU 전자 유닛의 하드웨어 및 소프트웨어의 상세도로서, 도 29a는 단일 보드 구현과 별개로 위치 인코더 신호 디지털화 및 카운팅 부품 및 관련 소프트웨어의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛을 나타내고 있고, 도 29b는 단일 보드 구현으로서 위치 인코더 신호 디지털화 및 카운팅 부품 및 관련 소프트웨어의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛을 나타내고 있다.
도 30은 데이터 및 명령의 흐름, 및 그 상호 관련성 및 인터페이싱의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛의 소프트웨어 모듈이다.
도 31a-31b는 MR 스캐너 룸 내측에 모터를 구비하는 다양한 사이트 평면도이다.
도 32는 MR 스캐너 룸 외측에 모터를 구비하는 다양한 사이트 평면도로서, 이러한 접근의 단순성은 시스템의 상업적 및 실제적 가치를 더욱 예시화한다.
도 33은 MAU를 구비하는 사이트 기획안이다.
도 34a-34i는 로봇 장착 센서를 구비하여 센싱하는 방법을 나타내는 것으로, 도 34a는 로봇 장착 센서를 구비하는 센싱과 1차 안내 모드를 결합하는 개략도이고, 도 34b는 로봇 엔드-이펙터에 의해 지지되고, 조직 천공을 위해 로봇 장착 센서에 의해 안내되는 연장가능 니들을 나타내는 개략도이고, 도 34c는 조직대 조직 접촉을 위한 엔드-이펙터의 표면상의 센서를 나타내는 개략도이고, 도 34d는 콘-형태 또는 깔대기형 3d 영상을 생성하기 위한 프로브 작동을 나타내고 있고, 도 34e 내지 도 34i는 센서 또는 도구 배치의 다양한 메커니즘을 나타내고 있다.
도 35는 데이터 프로세싱 및 제어 소프트웨어 코어 구조를 나타내고 있다.
도 36a-36d는 실시간 로봇 제어와 데이터 수집의 예시하고 있다. 도 36a 및 도 36b는 실시간 수집된 MRI 및 초음파 데이터를 사용하는 로봇의 제어를 나타내고 있다. 도 36c-36d는 실시간 수집된 데이터로부터 동적 가상 고정체 온더플라이(on-the-fly)의 발생을 나타내고 있다.
도 37a-37g는 MRI 스캐너 좌표 시스템에 대한 로봇 등록을 나타내는 것으로, 도 37a는 MRI 영상으로 보이는 로봇의 단계에서의 공지된 위치에 대한 스트레이트 튜빙을 나타내고 있고, 도 37b는 낮은 플립 각도(1-2도) 영상으로 사용되는 유도 결합 RF 코일(예컨대, 이로서 제한되는 것은 아니지만, 구체(상부) 또는 직사각형(하부))에 의해 둘레에 감싸지는 튜빙의 바람직한 버전을 나타내고 있고, 도 37c 및 도 37d는 MR 스캐너의 a=es를 따라 3개 체적부의 3개 돌기의 수집에 의거한 등록을 나타내고 있고, 도 37e 내지 도 37g는 영상 평면의 수직에 의거한 등록을 나타내고 있다.
도 1a-1b는 시스템 구성 부품들과 그들 상호간의 연관성을 나타내는 블록 다이어그램으로, 도 1a는 하드웨어적인 구성 부품을 나타내고, 도 1b는 소프트웨어 구성 부품을 나타낸다.
도 2a-2b는 로봇 장치 및 그 구성 부품들을 나타내는 개략도이다.
도 3은 로봇 장치의 두 개의 작동점 ca 및 cb을 나타내는 개략도이다.
도 4a-4c는 환자의 신체에 대한 억세스 포트에 상대적으로 로봇 장치가 환자의 신체로 들어가는 3가지 케이스에 대한 로봇 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5a-5b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 5a는 로봇 장치가 스트레이트 연장을 조작해서, 포인트 제한 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고 있고, 도 5b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 6a-6b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 6a는 로봇 장치가 벤딩가능 연장을 조작해서 포인트 제한 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 6b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 7a-7b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 7a는 로봇 장치가 스트레이트 연장을 조작해서, 제한없는 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 7b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 8a-8b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 개략도로서, 도 8a는 로봇 장치가 벤딩가능 연장을 조작해서 제한없는 포트를 경유해서 환자의 신체로 들어가는 상태를 나타내고, 도 8b는 로봇 장치의 작동을 나타내는 플로우챠트이다.
도 9는 로봇 장치의 두 개의 작동점 ca 및 cb을 나타내는 개략도이다.
도 10a-10m은 채용된 베이스를 변경함에 의해 다른 해부학적 구조 및 환자 포지셔닝에 대한 접근에 적합한 동일한 로봇 장치 플랫폼의 유연성에 관련된 실시예들의 예시도이다.
도 11a-11h는 로봇 배열의 적합성 및 재구성 가능성을 나타내는 개략도이다.
도 12a-12d는 RF 코일의 로봇에의 결합을 나타내는 것으로, 도 12a는 코일을 로봇에 부착하는 상태이고, 도 12b는 수술이 실행되는 영역에서 국지적으로 SNR을 향상하고자 코일을 환자에게 부착하거나 하나 이상의 RF 코일을 양측면에 부착하는 상태이고, 도 12c는 두 개로 분리된 코일을 하나는 로봇에게 다른 하나는 환자에게 사용하며, 두 개의 세트가 두 개의 독립적인 코일 세트로서 제공되어, 각각의 세트가 MR 스캐너상의 전용 RF 채널이거나 단일 RF 코일로서 분리되도록 접속되는 상태이고, 도 12d는 본 개시의 적절한 소프트웨어를 이용해서 최근의 상업용 RF 코일을 이용하는 상태를 나타내고 있고, 상업용 코일과 이러한 특정 로봇의 개구부를 경유하여 이용가능한 억세스의 지도를 만들어서, 로봇이 더 넓은 범위의 적용가능성을 가진다.
도 13은 로봇 머니퓰레이터의 직교 데카르트 상태를 나타내는 예시도이다.
도 14a-14d는 타겟 영역에 도달할 수 있는 벤딩가능 제3 유닛의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 15는 종래의 수압 또는 유압 시스템과 유사한 리지드 액체 작용 트랜스미션 시스템을 나타낸다.
도 16a-16f는 터빙 및 트랜스미션 라인의 링 및 파라미터를 가지거나 가지지 않거나 구의 형태를 나타내는 것으로, 도 16a는 구의 직경 d1이 호스의 내경 h1 보다 작음을 나타내고, 도 16b는 링이 각 구의 사이에 위치되어 구를 반대방향으로 구동할 수 있는 마찰력을 제거함을 나타내고, 도 16c는 구의 직경이 호스 내경보다 작고, 링이 각 구의 사이에 위치되고, 중심과, 그와 떨어진 부분에서도 구를 유지하고, 반대방향으로 구를 구동할 수 있는 마찰력을 제거하며, 도 16d는 구를 통해 유연한 와이어 또는 라인이 푸시-풀 모션을 나타내고, 도 16e는 작동 트랜스미션 라인의 부품의 내경을 나타내고, 도 16f는 내부 슬리이브형 부품을 나타내는 튜빙의 횡단면도이다.
도 17a-17g는 컨테이너 튜빙의 길이를 따라 하나 이상의 개구부 또는 슬릿을 포함하는 작동 시스템을 나타내고, 이들 개구부 또는 슬릿은 부품 및 위치 인코더를 작동하도록 리지드 유체를 연동하는데 사용된다.
도 18a-18b는 리지드하거나, 플렉시블하거나, 또는 리지드 및 플렉시블을 조합한 호스를 나타내는 것으로, 도 18a는 시스템의 링크 또는 피스톤이 마찰 또는 제한을 제거하도록 슬라이딩하는 상태이고, 도 18b는 리지드 튜브의 장척부가 증가된 마찰을 제거하도록 작동 어플리케이터의 위치에 도달하는데 사용되거나 튜브의 내경을 변경하고, 말단부가 플렉시블하게 되어, 다수의 리지드 튜브가 작동을 로봇 머니퓰레이터의 위치로 이동할 수 있어, 플렉시블한 것을 로봇의 작동부와 접속하는데 사용한다.
도 19a-19e는 구체, 피스톤, 스트레이트 및 벤딩가능 튜빙과 조합된 리지드 액체 트랜스미션 라인의 실시예로서, 도 19a는 리지드 튜빙, 구체 및 피스톤 형태와 조합된 트랜스미션 라인이고, 도 19b는 스트레이트 리지드 튜빙과 구체 및 플렉시블 튜빙에 의해 분리된 피스톤과 구체로 이루어진 트랜스미션 라인이고, 도 19c 내지 도 19e는 로봇 베이스와 모터에 관련된 환자의 침상위에 배치된 트랜스미션 라인이다.
도 20a-20h는 "리지드 액체" 작동 라인들의 작동 부품에 링크하는 예시도이다.
도 21a-21c는 다수의 리지드 액체 라인을 작동하는 방법의 예시도이다.
도 22a-22b는 X 및 Z축을 따라 운동하는 로봇 장치 및 리지드 액체 작동 어셈블리의 개략 상태도로서, 도 22a는 상태 블록의 부품을 나타내고, 도 22b는 컨테이너 튜브내에 내장된 리지드 및 플렉시블 부품의 상태도이다.
도 23a-23l은 로봇 머니퓰레이터의 분해 및 조립 사시도로서, 도 23a 및 도 23b는 Z축을 따라 이동하는 상태도이고, 도 23c 및 도 23d는 X축 및 Z축을 따라 이동하는 상태도이고, 도 23e 및 도 23l은 로봇 머니퓰레이터의 작업도이다.
도 24a-24b는 로봇 머니퓰레이터를 작동하는 액츄에이터의 배치도이다.
도 25a-25b는 플렉시블 내지 리지드 튜빙의 결합 상태를 나타내는 것으로, 도 25a는 플렉시블 및 리지드 튜빙이 동일한 내경을 가지는 결합이고, 도 25b는 플렉시블 및 리지드 튜빙이 다른 내경을 가지는 결합이다.
도 26a-26b는 작업자에 의해 제공된 수동 파워를 통해 로봇 머니퓰레이터를 작동하는 개략도로서, 도 26a는 수동을 나타내고, 도 26b는 바이패스 수동에 따른 동력 작동을 나타내고 있다.
도 27a-27c는 수동 작동 유닛(MAU)의 다양한 실시예로서, 도 27a는 핸들에 대해 1대1 배급으로 로봇 작업을 반복하는 DOF를 구비하는 핸들로 이루어진 MAU의 실시예이고, 도 27b는 인간의 작업이 작업 라인에 전달되도록 작업자가 핸들의 두 개의 앵커부사이에 유지하는 MAU 핸들의 실시예이고, 도 27c는 인간의 작업이 작업 라인에 전달되도록 작업자가 핸들의 두 개의 앵커부를 위 또는 아래에 유지하는 MAU 핸들의 실시예이다.
도 28a-28d는 영상 스캐너의 형태를 나타내는 것으로, 도 28a는 매뉴얼 작동 유닛(MAU)으로부터 영상 스캐너를 직접 제어하는 시스템의 실시예이고, 도 28b는 과업을 실행하는 모든 필요로 하는 하드웨어 부품을 포함하는 단일 보드 전자 유닛의 실시예이고, 도 28c는 비디오 카드가 단일 보드 주입의 일부임을 나타내고, 도 28d는 비디오 카드가 적절한 버스를 경유하는 추가 애드 온 (add-on)이다.
도 29a-29b는 MAU 전자 유닛의 하드웨어 및 소프트웨어의 상세도로서, 도 29a는 단일 보드 구현과 별개로 위치 인코더 신호 디지털화 및 카운팅 부품 및 관련 소프트웨어의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛을 나타내고 있고, 도 29b는 단일 보드 구현으로서 위치 인코더 신호 디지털화 및 카운팅 부품 및 관련 소프트웨어의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛을 나타내고 있다.
도 30은 데이터 및 명령의 흐름, 및 그 상호 관련성 및 인터페이싱의 옵션을 구비하는 MAU 전자 유닛의 소프트웨어 모듈이다.
도 31a-31b는 MR 스캐너 룸 내측에 모터를 구비하는 다양한 사이트 평면도이다.
도 32는 MR 스캐너 룸 외측에 모터를 구비하는 다양한 사이트 평면도로서, 이러한 접근의 단순성은 시스템의 상업적 및 실제적 가치를 더욱 예시화한다.
도 33은 MAU를 구비하는 사이트 기획안이다.
도 34a-34i는 로봇 장착 센서를 구비하여 센싱하는 방법을 나타내는 것으로, 도 34a는 로봇 장착 센서를 구비하는 센싱과 1차 안내 모드를 결합하는 개략도이고, 도 34b는 로봇 엔드-이펙터에 의해 지지되고, 조직 천공을 위해 로봇 장착 센서에 의해 안내되는 연장가능 니들을 나타내는 개략도이고, 도 34c는 조직대 조직 접촉을 위한 엔드-이펙터의 표면상의 센서를 나타내는 개략도이고, 도 34d는 콘-형태 또는 깔대기형 3d 영상을 생성하기 위한 프로브 작동을 나타내고 있고, 도 34e 내지 도 34i는 센서 또는 도구 배치의 다양한 메커니즘을 나타내고 있다.
도 35는 데이터 프로세싱 및 제어 소프트웨어 코어 구조를 나타내고 있다.
도 36a-36d는 실시간 로봇 제어와 데이터 수집의 예시하고 있다. 도 36a 및 도 36b는 실시간 수집된 MRI 및 초음파 데이터를 사용하는 로봇의 제어를 나타내고 있다. 도 36c-36d는 실시간 수집된 데이터로부터 동적 가상 고정체 온더플라이(on-the-fly)의 발생을 나타내고 있다.
도 37a-37g는 MRI 스캐너 좌표 시스템에 대한 로봇 등록을 나타내는 것으로, 도 37a는 MRI 영상으로 보이는 로봇의 단계에서의 공지된 위치에 대한 스트레이트 튜빙을 나타내고 있고, 도 37b는 낮은 플립 각도(1-2도) 영상으로 사용되는 유도 결합 RF 코일(예컨대, 이로서 제한되는 것은 아니지만, 구체(상부) 또는 직사각형(하부))에 의해 둘레에 감싸지는 튜빙의 바람직한 버전을 나타내고 있고, 도 37c 및 도 37d는 MR 스캐너의 a=es를 따라 3개 체적부의 3개 돌기의 수집에 의거한 등록을 나타내고 있고, 도 37e 내지 도 37g는 영상 평면의 수직에 의거한 등록을 나타내고 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "하나" (a, an)는 특허청구범위 및/또는 명세서에서 용어 "포함하는(comprising)"과 연관하여 사용될 때, "하나"(one)를 가리킬 수 있지만, "하나 이상"(one or more) "적어도 하나"(at least one) 및 "하나 보다 많은 하나 이상"(one or more than one)의 의미와 또한 일치한다. 본 발명의 실시예에서는 하나 이상의 요소, 방법 단계, 및/또는 발명의 공정을 구성할 수 있다. 본 개시에서 설명된 어떠한 하나의 방법 또는 조성은 다른 방법 또는 조성에 대해서 수행될 수 있음이 고려된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 청구범위내의 용어 "또는(or)"은, 개시가 유일한 대안과 "및/또는(and/or)"을 가리키는 정의를 지지한다 하더라도, 유일한 대안 또는 대안들을 가리키도록 분명하게 표시되지 않으면, "및/또는(and/or)"을 가리킨다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "약(about)"의 용어는 분명하게 표시된 것인지 아닌지에 관계없이 전체 숫자, 분수, 및 백분율을 포함하는 수치 값을 가리킨다. 일반적으로 "약(about)"의 용어는 당업자가 인용된 값과 같은 것(즉 같은 함수 또는 결과)으로 고려하는 것으로, 수치 값의 범위(즉 인용된 값의 ± 5-10%)를 가리킨다. 몇몇 사례에서, "약(about)"의 용어는 가장 근접한 유효 숫자로 통합되는 수치 값을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은"컴퓨터(computer)"의 용어는 하나 이상의 장치를 가리키는 것으로, 메모리, 프로세서 및 적어도 하나의 유무선 네트워크 접속의 적어도 하나를 포함한다. 컴퓨터는 데스크탑 또는 랩탑 장치 또는 예들 들어 스마트폰 또는 태블릿과 같은 기타 전자 매체를 포함할 수 있고, 기술 분야에서 표준이 되고 현재 공지된 것이다. 소프트웨어, 모듈, 어플리케이션, 어드온, 플러그인, 프로그램 및/또는 데이터베이스 등의 제한없이, 로봇 머니퓰레이터, 로봇 센서 등을 포함하는 로봇 시스템의 수행을 위한 필요성은 하나 이상의 컴퓨터로 프로그램될 수 있고, 네트워크 접속에 검색될 수 있고, 네크워크 접속을 명백하게 저장하는 매체 저장 장치로부터 검색되거나, 컴퓨터 메모리 또는 기타 전자 메체 메모리내에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행가능하다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "로봇" 또는 "로봇 머니퓰레이터"의 용어는 상호호환가능하게 원격 작동 머니퓰레이터를 가리키는 것으로 예를 들어 머니퓰레이터는 한정되는 것은 아니지만, 명세서에서 설명하는 바와 같이 머니퓰레이터 지원 수술, 최소한의 외과적 수술과 인터벤션(interventional) 진단 또는 치료 또는 진단 및 치료 절차의 조합을 실행한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은"환자"의 용어는 명세서에서 설명하는 바와 같은 영상 안내 로봇 장치를 이용하여 수술 절차, 수술 또는 최소한의 외과적 절차를 받게 되는 포유류, 바람직하게는 인간을 가리킨다.
본 발명의 하나의 실시예에서는,적어도 하나의 영상 안내 로봇 머니퓰레이터 장치; 그것에 기계적으로 링크된 로봇 머니퓰레이터 장치를 작동하는 수단; 및 메모리, 프로세서 및 로봇 머니퓰레이터 및 작동 수단과 전자 통신하는 적어도 하나의 네트워크 접속을 가지는 컴퓨터를 포함하는 로봇 지원 수술 절차를 위한 로봇시스템이 제공된다. 본 실시예에 추가하여, 로봇 시스템은 적어도 하나의 이동가능하고 회전가능하고, 기계적으로 링크가능한 베이스를 포함할 수 있고, 베이스에는 로봇 머니퓰레이터가 부착되고, 베이스는 환자의 수술해야 할 부위에 적합하도록 이동가능하게 배향된다. 또 다른 실시예에 있어서, 로봇 시스템은 영상 모드를 안내하는데 효과적인 영상 시스템으로부터의 신호를 송수신하는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있고, 선택적으로 로봇 머니퓰레이터를 정확하게 기록하는데 효과적인 로봇 머니퓰레이터 또는 둘레에 설치된 복수의 대조 마커를 포함할 수 있다. 모든 실시예에 있어서, 로봇 시스템을 포함하는 부품은 재질이 영상 모드와 호환가능해야 하고, 수술적 절차에 사용되어야 한다.
모든 실시예에 있어서, 로봇 머니퓰레이터 장치는 하나 이상의 자유도로 이동하는 적어도 하나의 가동 스테이지를 포함한다. 특히, 두 개 이상의 가동 스테이지가 평행하게 설치되면, 로봇 시스템은 사이에 적어도 하나의 기계적 링크를 포함할 수 있다.
모든 실시예에 있어서, 로봇 머니퓰레이터 장치는 글로벌 포지셔닝을 위해 구성된 적어도 하나의 제1 유닛; 하나가 제1 유닛에 이동가능하게 링크되는 적어도 하나의 제2 유닛; 적어도 하나가 제2 유닛의 하나에 이동가능하게 링크되고, 제2 유닛을 통해 본체에 배치가능한 적어도 하나의 제3 유닛 및 제1 유닛, 제2 유닛 또는 제3 유닛 또는 그것과 컴퓨터와의 조합과의 전자 통신으로의 복수의 인터페이스를 포함하고, 유닛의 각각은 인터페이스와의 동시 기록을 위해 구성된다. 로봇 머니퓰레이터 장치는 환자의 신체에 대해 내적으로 또는 외적으로 배치된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서를 포함하며, 상기 센서들은 제 1, 제 2 또는 제3 유닛 또는 그의 조합으로 기록가능하다. 로봇 머니퓰레이터 장치의 제2 유닛, 제3 유닛 또는 양자는 하나 이상의 센서와 회전가능하게 링크된 회전 부재를 포함할 수 있다. 또한 로봇 머니퓰레이터 장치는 영상 시스템 좌표 시스템과의 기록을 통해 수술 동안 영상 안내될 수 있다. 영상 시스템의 대타겟인 비제한 예는 자기 공명 영상 또는 분광학 또는 그 조합, 초음파 영상, X-선 컴퓨터 단층촬영, X-선 유방조영술, 광학 영상 또는 비디오가 있다.
모든 실시예에 있어서, 로봇 머니퓰레이터 장치 작동 수단은 로봇 머니퓰레이터에 기계적 또는 전자적으로 링크된 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인; 및 작동 트랜트미션 라인에 기계적으로 접속되고, 컴퓨터를 포함하는 로봇 제어 모듈이거나 수동으로 제어되는 로봇 컨트롤러에 전자적으로 접속되는 작동 동력원을 포함할 수 있다. 또한 모든 실시예에 있어서, 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인은 로봇 머니퓰레이터 장치의 하나의 자유도로 작동될 수도 있다.
실시예들의 일 측면에 있어서, 작동 트랜스미션 라인은 변위가능 메체를 포함하는 복수의 구체; 복수의 구체를 포함하는 이동가능의 플렉시블 튜빙; 및 플렉시블 튜빙의 하나 또는 양자에 설치된 연속 변환가능 제 1 플러그형 부품을 포함할 수 있고, 제 1 플러그형 부품은 플렉시블 튜빙과 작동 동력원과 기계적으로 연통하여서, 그 작동이 복수의 구체를 통해 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 그것을 부착한 적어도 하나의 베이스로 전달된다.
본 실시예에 추가로, 플렉시블 튜빙은 그의 길이방향을 따라 설치된 하나 이상의 개구부; 및 두 개의 인접한 구체 사이에 위치하고 개구부를 통해 연장하는 제 2 플러그형 링크; 또는 개구부를 통해 하나 이상의 구체와 이동가능하게 결합된 플렉시블 튜빙 외부의 구조체를 포함할 수 있고, 여기서 제2 플러그형 부품 또는 외부 구조체는 작동 동력원과 직간접적으로 기계적 연통하고 있어서, 그곳을 통해 작동이 전달된다. 또한 플렉시블 튜빙은 그 내부에 설치된 복수의 링을 포함할 수 있고, 각각의 링은 인접 구체의 하나 이상의 쌍 사이에 설치되며, 복수의 링은 플렉시블 튜빙내의 하나 이상의 구체로 대신하고, 링은 구체를 센터링하고 튜빙 내의 마찰을 감소시키는 수단을 포함한다. 플렉시블 튜빙은 그의 내표면과 복수의 구체사이에 설치된 내부 윤활 슬리이브; 및 그의 길이를 따라 부분적으로 또는 완전하게 뻗어서 플렉시블 튜빙의 외부면 둘레에 설치된 외부 가로 강화 슬리이브를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 작동 트랜스미션 라인은 복수의 리지드 피스톤; 내부에 하나 이상의 피스톤이 연속 설치되고, 작동 동력원과 기계적으로 연통되어 그 작동이 복수의 피스톤을 통해 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 그것을 부착하는 적어도 하나의 베이스에 전달되는 리지드 튜빙; 및 리지드 튜빙내에 연속 설치된 피스톤의 연속 변위에 강성 및 마찰력을 유지하는 수단을 포함할 수 있다. 이 측면에 추가하여, 리지드 튜빙은 상술한 바와 같이, 내부에 연속 설치된 하나 이상의 구체 및 리지드 튜빙의 내부 표면과 하나 이상의 구체 사이에 설치된 내부 윤활 슬리이브를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 작동 트랜스미션 라인은 복수의 리지드 피스톤과 리지드 튜빙내에 양자가 연속 설치된 피스톤의 연속 변위에 강성 및 마찰력을 유지하는 수단을 다른 시퀀스로 포함하되, 피스톤들은 작동 동력원과 기계적으로 연통하여 로봇 머니퓰레이터 장치를 부착하는 베이스의 작동 부분 또는 실행 시의 부분에 있는 하나 이상의 리지드 튜빙 세그먼트; 및 인접하는 구체 사이에 각각 위치된 복수의 링과 변위가능 메체를 포함하는 복수의 구체를 연속 배치로 포함하는 하나 이상의 가동 플렉시블 튜빙 세그먼트를 포함할 수 있고, 플렉시블 튜빙은 리지드 튜빙에 부착되어, 리지드 튜빙의 작동은 리지드 피스톤을 통해 복수의 구체 및 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 베이스 또는 시술 도구로 전달된다.
양 실시예에 있어서, 컴퓨터는 프로세서 실행가능 명령을 가지는 메모리 소프트웨어 모듈에 확실하게 저장함으로서, 복수의 인터페이스를 적어도 로봇 머니퓰레이터 사이와 로봇 머니퓰레이터를 안내하여 작동하는 영상 모드와, 수술해야 할 부위에서 조직의 상황에 관한 데이터를 수집하는 복수의 영상 또는 비영상 센서와, 로봇 머니퓰레이터에 관한 데이터를 수집하고 하나 이상의 자유도의 운동을 측정하는 복수의 센서 및 시스템의 오퍼레이터에 설정하고; 영상 모드와 복수의 센서로부터 수집된 데이터를 수신하고 수술해야할 부위의 모델을 실시간으로 발생하고 필요에 따라 데이터를 처리하고; 데이터 수집의 형태와 시기를 발생하고 조정하고 그에 관한 명령을 데이터 수집 영상 또는 비영상 센서에 통신하고; 충돌을 피하거나 해소하여 조직에 정확하게 도달하는데 효과적인 로봇 머니퓰레이터를 위한 정적 또는 동적 통로 및 궤도를 발생하고, 로봇 머니퓰레이터가 제어 명령을 발생하여 로봇 제어 모듈에 통신하고; 그리고 힘과 시각 자료를 오퍼레이터에게 피드백하여 보내고, 어퍼레이터로부터 명령을 수신한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 환자에 대해 실시간으로 영상 안내하면서 로봇 지원 수술 절차를 실행하는 방법이 제공되며, 환자에 가장 가깝게 상술한 바와 같은 로봇 시스템을 위치시키는 단계; 로봇 머니퓰레이터 장치가 부착되는 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하고, 기계적으로 링크가능한 베이스의 방향과 위치를 조절하는 단계; 영상 모드를 통해 환자를 촬영하는 단계와; 촬영하는 동안 전자적으로 얻어진 정보를 통해 환자를 수술해야 할 부위로 로봇 시스템을 포함하는 로봇 머니퓰레이터를 실시간으로 안내하는 단계; 영상 안내 로봇 머니퓰레이터를 통해 환자에 대해 수술 절차를 실행하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 추가하여, 제 1 글로벌 포지셔너 유닛, 제1 유닛과 수술해야 할 부위의 조직에 관한 추가의 정보를 받는 센서를 포함하는 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함하는 로봇 머니퓰레이터가 기록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로 부터의 정보를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
양 실시예에서, 상기 제어 단계는 촬영을 위해 환자의 위치에 대응하는 로봇 머니퓰레이터의 베이스를 회전시키거나, 변환시키거나 또는 회전시키고 변환시켜, 로봇 머니퓰레이터의 작업공간이 수술 절차 영역을 포함하도록 하는 단계; 및 제어 위치에서, 로봇 머니퓰레이터를 포함하는 베이스를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일 측면에서, 영상 모드는 상기 로봇 시스템이 MRI 챔버 내에서 환자와 근접 위치하는 자기 공명일 수 있다. 구체적으로, 로봇 머니퓰레이터의 포지셔닝는 오퍼레이터에 의해 컴퓨터로 조절되거나 또는 수동 조절될 수 있다. 또한, 양 실시예 모두에서, 촬영 단계는 안내 단계 이전에 로봇 머니퓰레이터에 의해 영상 모드를 동시 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 안내 단계는 기계적으로 결합된 작동 트랜스미션 라인을 통해 영상 모드의 좌표계를 토대로 1 이상의 자유도 내에서 로봇 머니퓰레이터를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 실행 단계는 로봇 머니퓰레이터에 의해 기록되는 1 종 이상의 수술 기기를 환자에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 자유도로 이동하도록 구성된 적어도 하나의 가동 스테이지 및 자기 공명 영상 시스템과 접속된 복수의 유닛을 가지는 글로벌 포지셔너; 글로벌 포지셔너를 부착시키기 위한 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하고, 기계적으로 링크가능한 베이스 (상기 베이스는 환자의 수술 절차 영역에 맞도록 가동 배향됨); 글로벌 포지셔너의 1 자유도의 작동을 위해, 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인이 설정되도록, 글로벌 포지셔너 및 작동 동력원에 기계적으로 또는 전자적으로 결합되고, 컴퓨터를 포함하는 로봇 제어 모듈 또는 수동 제어 로봇 컨트롤러에 전자적으로 연결된 복수의 직렬 배치 피스톤 또는 그의 병렬 조합을 갖는 리지드 부품, 대체 가능 매체를 포함하는 복수의 직렬 배치 구체를 갖는 플렉시블 부품을 포함하는 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인; 및 자기 공명 영상 시스템 및 상기 로봇을 구동시키는 프로세서-실행 명령을 메모리 소프트웨어 모듈에 실체적으로 저장하는 컴퓨터로의 적어도 하나의 유선 또는 무선 네트워크 링크를 포함하는 수술 절차 실행을 위한 자기 공명 영상 (MRI) 안내 로봇이 제공된다. 상기 실시예에 더하여, MRI 안내 로봇은 작업 공간 촬영에 효과적인 로봇에서 글로벌 포지셔너를 포함하는 글로벌 포지셔닝 제1 유닛 또는 글로벌 포지셔너에 근접 배치되거나 또는 임의의 다른 위치에 배치된 적어도 하나의 무선 주파수 코일 (상기 무선 주파수 코일은 MR 영상 시스템으로부터 신호를 발신 및 수신하도록 설정됨); 및 임의로, 정확하게 동일한 것을 기록하는데 효과적인 로봇에 또는 그 주변에 배치된 복수의 대비 마커를 포함할 수 있다. 양 실시예 모두에서, 상기와 동일한 것을 포함하는 로봇 및 부품은 자기 공명 영상 모드와 호환가능한 재료를 포함한다.
양 실시예 모두에서, 2 개 이상의 가동 스테이지는 병렬식으로 배치될 수 있고, 여기서 상기 로봇은 그 사이에 적어도 하나의 기계적 링크를 추가로 포함한다. 또한, 상기 복수의 유닛은 글로벌 포지셔닝을 위해 구성된 적어도 하나의 제1 유닛; 적어도 하나의 제2 유닛, 이때 제2 유닛 중 하나는 제1 유닛에 가동 결합됨; 한 개 이상의 수술 기기 또는 모드를 포함하는 적어도 하나의 제3 유닛, 이때 상기 제3 유닛 중 하나는 제2 유닛 중 하나에 가동 결합되고, 제2 유닛을 통해 신체에 배치 결합됨; 및 컴퓨터와 제1, 제2 또는 제3 유닛 또는 그의 조합의 전자 통신 내의 복수의 인터페이스, 이때 각각의 유닛은 개별적으로 또는 조합하여 인터페이스에서 동시-기록으로 설정됨,를 포함할 수 있다. 또 다른 추가 실시예에서, MRI 안내 로봇은, 제1, 제2 또는 제3 유닛 또는 그의 조합으로 기록 가능한, 환자의 신체에 대해 내부 또는 외부적으로 배치된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서를 포함할 수 있다. 또한, 글로벌 포지셔너의 제2 유닛, 제3 유닛 또는 양자 모두는 하나 이상의 센서에 회전식으로 결합된 회전 요소를 포함할 수 있다.
양 실시예 모두에서, 상기 복수의 구체는 가동식 플렉시블 튜빙 내에 포함되고, 이것은 하나 이상의 인접 구체 쌍 사이에 배치된 복수의 링, 이때 상기 복수의 링은 상기 플렉시블 튜빙 내의 하나 이상의 구체를 대체하고, 상기 링은 상기 구체를 중심 배치시키고, 상기 튜빙 내의 마찰을 감소시키기 위한 수단을 포함함; 및 상기 플렉시블 튜빙의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝에 배치된 직렬 변환 제1 프러그-유사 부품, 이때 상기 플러그가 작동 동력원 및 플렉시블 튜빙에 의한 기계적 통신에 존재하여, 복수의 구체를 통해, 동일한 것을 부착시키는 적어도 하나의 베이스 또는 로봇 머니퓰레이터에 그의 작동이 트랜스미션되도록 함,을 추가로 포함한다. 또한, 상기 플렉시블 튜빙은 그 길이를 따라 배치된 하나 이상의 개구부; 및 두 개의 인접 구체 사이에 위치하고 상기 개구부를 통해 연장되는 제2 플러그-유사 링크; 또는 상기 개구부를 통해 하나 이상의 구체와 가동 접속된 플렉시블 튜빙 외부의 구조물을 포함할 수 있고, 제2 플러그-유사 부품 또는 상기 외부 구조물은 작동 동력원과 직접 또는 간접적으로 기계적으로 통신하여, 작동이 그를 통해 트랜스미션되도록 한다. 상기 실시예에 추가하여, 상기 플렉시블 튜빙은 내부 표면과 복수의 구체 사이에 배치되는 내부 윤활 슬리이브 및 외부 표면 주위에 배치되고 그 길이를 따라 부분적으로 또는 전체적으로 연장되는 가로 보강 외부 슬리이브를 포함할 수 있다.
양 실시예 모두에서, 작동 동력원과의 기계적 통신의 리지드 튜브 내에 복수의 리지드 피스톤이 포함되어, 상기 복수의 피스톤을 통해, 동일한 것을 부착하는 적어도 하나의 베이스 또는 로봇 머니퓰레이터에 그의 작동이 트랜스미션되도록 하고, 상기 리지드 튜빙은 그 내부에 직렬로 배치되는 베어링을 추가로 포함하여, 상기 피스톤의 직렬 대체 내의 강성 및 마찰력이 유지되도록 한다. 상기 실시예에 더하여, 상기 리지드 튜빙은 인접 리지드 피스톤 사이에 배치되는 하나 이상의 구체; 및 상기 리지드 튜빙의 내부 표면과 하나 이상의 구체 사이에 배치되는 내부 윤활 슬리이브를 포함할 수 있다. 상기 작동 트랜스미션 라인 내에 플렉시블 부품 및 리지드 부품이 조합된 이들 실시예와 관련하여, 상기 플렉시블 부품이 상기 리지드 부품에 부착되어, 상기 리지드 부품의 작동이 상기 플렉시블 부품으로 직렬 트랜스미션되고, 이에 따라 동일한 것이 부착된 적어도 하나의 베이스 또는 상기 로봇 포지셔너에 직렬 트랜스미션될 수 있다.
양 실시예 모두에서, 컴퓨터 메모리에 실체적으로 저장된 소프트웨어 모듈은 적어도 상기 글로벌 포지셔너 사이에 복수의 인터페이스를 수립하기 위한 프로세서-실행 명령, 상기 글로벌 포지셔너를 안내 및 작동시키기 위한 MRI 영상 시스템, 절차 영역의 조직 상태 데이타를 수집하기 위한 복수의 영상 또는 비영상 센서, 로봇 머니퓰레이터 데이터를 수집하고 적어도 하나의 자유도의 동작을 측정하기 위한 복수의 센서 및 시스템 오퍼레이터를 포함할 수 있으며; 상기 영상 모드 및 상기 복수의 센서로부터 수집된 데이터를 수신하고 절차 영역의 실시간 모델을 생성하며, 필요한 경우, 데이타를 처리하고; 데이타 수집 유형 및 시간을 조절하며, 데이타 수집 영상 또는 비영상 센서에 동일한 것에 대한 명령을 전달하고; 충돌을 회피하거나 또는 해소하고 정확하게 조직에 도달하는데 효과적인 로봇 머니퓰레이터를 위한 정적 또는 동적 경로 및 궤적을 생성하며; 로봇 머니퓰레이터 제어 명령을 생성하고, 로봇 제어 모듈에 동일한 명령을 전달하고; 상기 오퍼레이터에 힘 및 시각자료를 피드백하여 보내고; 상기 오퍼레이터로부터 명령을 수신한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 촬영을 위해 환자 위치에 대응하는 글로벌 포지셔너의 베이스를 회전시키거나, 변환시키거나 또는 회전 및 변환시켜서, 글로벌 포지셔너의 작업 공간이 절차 영역을 포함하도록 하는 단계; 조절 위치에서 로봇 머니퓰레이터를 포함하는 베이스를 확보하는 단계; 글로벌 포지셔너에 의해 MR 영상 시스템을 동시-기록하는 단계; 1 이상의 자유도 내에서, MR 영상 시스템을 포함하는 좌표계를 통해 환자의 수술 영역에 정렬되도록 글로벌 포지셔너를 실시간으로 안내하는 단계; 및 글로벌 포지셔너에 의해 기록된 하나 이상의 수술 기기를 환자에 배치하여, 이에 따라 자기 공명 영상 안내 수술을 실시간으로 실행하는 단계를 포함하는 것으로서, 환자에서 로봇-지원 수술을 실행하기 위한 실시간 자기 공명 영상 안내 방법이 제공된다. 상기 실시예에 추가하여, 상기 방법은, 제 1 글로벌 포지셔너 유닛, 제1 유닛과 수술해야 할 부위의 조직에 관한 추가의 정보를 받는 센서를 포함하는 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함하는 로봇 머니퓰레이터가 기록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로부터의 정보를 얻는 단계를 추가로 포함한다. 양 실시예 모두에서, 상기 글로벌 포지셔너는 오퍼레이터에 의해 컴퓨터로 제어되거나 수동으로 제어될 수 있다.
본 발명은 광범위한 수술 및 기타 개입 과정에 이용할 수 있는 로봇 장치 및 시스템 및 그 작동 방법을 제공한다. 일반적으로, 이론에 결부시키거나 또는 한정하고자 하는 것은 아니나, 상기 로봇 장치, 시스템 및 그의 용도는 MRI 또는 cT와 같은 과정의 안내에서 실시간 촬영과 결합하여, 임의의 개입 또는 수술 장치를 작동시키기 위해, 방사선 수술, 순환기 수술, 비뇨기과 수술, 신경외과 수술 및/또는 일반 수술에 적용할 수 있다. 상기 시스템은 복합 감지, 수술 절차 영역 모델링, 로봇 제어 및 인간-접속을 가능하게 한다. 상기 로봇 시스템은 증가된 적용 가능성, 제조에서의 다양성 및 저비용을 위해 적용 가능한 포괄 로봇 머니퓰레이터 (generic global positioner)를 포함한다.
일반적으로, 상기 로봇 시스템은 영상 스캐너의 제한된 공간 내에서 작동될 수 있는 MRI-호환 로봇 머니퓰레이터 및 매우 센 자기장의 MR 상태에서 작동될 수 있는 액추에이터 (actuator)를 포함한다. 상기 액추에이터는 공압 또는 유압 액추에이터, 특수 벨브 또는 메커니즘, 압축성, 누액 (leaking fluid), 피스톤 어셈블리 스트로크의 추가의 수용 공간 및 비용의 경우와 같은, 당업계에 알려진 시스템의 제약을 제거하기 위한 수단을 제공한다. 상기 로봇 시스템은 실시간 자기 공명 영상 MRI에 의한 수술 또는 절차 실행에 유용할 수 있다. 이 기술은 MRI 스캐너에서 환자의 수술 절차 실행을 용이하게 함으로써, 처치자 또는 외과 전문의에게 실시간으로 또는 수술 절차 중의 임의의 시점에 정보-풍부 MRI 데이타를 제공한다.
따라서, 로봇 머니퓰레이터 조종의 신속한 기록 및 모니터링을 위한 촬영 방법 및 소프트웨어가 또한 제공된다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에 개시되는 로봇 머니퓰레이터는 실시간 영상 안내 및 특히 자기 공명 영상 MRI 및 게다가 실시간 MRI에 의한 절차 실행을 위해 구성된다. 따라서, 이것은 MRI 스캐너 또는, 예를 들어 인체모형 또는 생체내 동물 모델 또는 생체외 조직 샘플에서와 같은 모의 절차가 실행되는 임의의 다른 객체 내에 환자가 있는 동안, MRI 스캐너의 보어 (bore) 안에서 작동하도록 설계되었다. 상기 맥락상, 로봇 조정 및 특정 절차 실행에서 오퍼레이터를 안내하기 위해, 수술중 실시간 MRI가 사용된다. 이로써, MRI 또는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 컴퓨터 단층촬영 cT 또는 양전자단층영상촬영 PET 또는 초음파 US와 같은 기타 영상 모드에 의해 수집된 수술전 영상은 우선적으로, 로봇 지원 개입 안내에 이용가능한 정보를 추가로 보강하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 수술 과정 동안, 상기 로봇 머니퓰레이터는 실시간 MRI를 보충하기 위해 단말 작동기 추가 센서 상에서 조직의 병리학, 형태학 및 조직 기능에 대한 국소 정보를 수집한다. 이러한 영상 또는 비영상 센서는 우선적으로, 높은 특이성 또는 신호 감지성으로 및/또는 암의 분자 특성 평가와 같은, 통상의 실시간 MRI에 의해 수득될 수 없는 조직의 병리학에 대한 정보를 제공한다. 수술 과정 상 감지의 이러한 예로는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 초음파 (US), 광학식 분광법, 광학식 영상 (예를 들어, 광 간섭성 단층촬영 기술), 마이크로 코일 MRI, 태크틸 또는 햅틱 감지 또는 비디오가 있다. 상기 로봇 머니퓰레이터는 모든 다른 모드 또는 센서의 동시 기록 수단으로서 기능한다. 이는, 상기 로봇에서, 특정 디자인 및 제조에 의해 감지 요소 및 이에 따라 정보가 수득된 조직의 위치를 알고, MR 스캐너 좌표계에서, 상기 로봇의 위치를 알며, 상기 로봇이 초기에 MR 스캐너에 기록되고, 또한 MR 스캐너 좌표계에서, 각각의 순차적 위치를 알기 때문에, 이러한 것이 가능하다.
본 명세서에서 제공되는 로봇 머니퓰레이터는 다양한 이점을 갖는다. 이것은 영상 스캐너의 보어 내에 적합하도록, 작은 특성, 즉 작은 크기를 갖는다. 상기 로봇 머니퓰레이터는, 예를 들어 긴팔 형태와 같은 외팔보 구조가 아니고, 따라서 강성을 획득하기 위해 크기가 큰 무거운 구조를 필요로하지 않는 베이스 상에 수립된다. 결과적으로, 전체 로봇은 중량이 작고 제조 비용이 낮은 작은 제조물이다.
상기 로봇은 크기와 디자인이 다른 교체 가능 베이스 또는 기계적 교환 베이스에 의해 상이한 배향으로 배치될 수 있다. 이로 인해, 또한 "하나의 로봇"에서 구조 또는 배향 또는 환자의 위치가 상이하여, 그 적용 가능성이 추가로 증대될 수 있다. 이것은 단일 임상 영역에서 다른 전문가에 의해 상이한 유형의 개입을 위해 사용될 있다. 이러한 유연성 및 적용성은 상업적 가치를 추가로 증대시킨다. 2 개의 병렬 스테이지 로봇 머니퓰레이터는 특정 응용에 더 잘 적용시키기 위해 치수, 형태, 작동 스트로크 등이 다르게 제조될 수 있기 때문에, 제조 비용이 추가로 감소된다.
또한, 상기 로봇의 원격 작동을 위해 "리지드 액체 (rigid liquid)"를 포함하는 액추에이터는 MRI-안내 개입을 위한 로봇의 상업적 가치를 추가로 증대시킨다. 상기 리지드 액체 액추에이터는 고비용의 공기적 또는 압축성 유압 액추에이터 또는 기능 불량 가능성이 있는, 고비용의 압전 액추에이터를 사용하거나 또는 복합 구조일 필요가 없다.
상기 로봇 머니퓰레이터는 제3 부분의 주문자 생산 방식 OEM의 개입 또는 수술 기구의 장착 및 제조에 용이하게 적용될 수 있는 포괄 글로벌 포지셔너이다. 이와 같이, 현존 기술로 완성되는 것을 의미하는 것이 아닌, 예를 들어 OEM에 의해 생산된 기구의 조작에 의해 동시 작동되는 기구로 볼 수 있다. 상기 로봇 머니퓰레이터는 현재 사용되는 임의의 장치 또는 미래에 제조될 수 있는 장치 또는 스트레이트의 또는 적용성이 크거나 또는 가동식의 임의의 장치를 가상으로 부착, 장착 및 제조하는데 적합한 교체 가능한 인터페이스를 갖는 단말 작동기를 포함한다. 상기 로봇 머니퓰레이터는, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, 치료제 또는 진단제의 국소 전달 및/또는 회전식 또는 직렬식 최적화 원형 컨베이어와 같은 다중-샘플 홀더와 조합하여, 코어, 진공 지원 또는 세침흡인검사 FNa, 다중-위치 FNa를 포함하는 것으로서, 레이저 또는 무선 주파수에 의한 조직 열적 삭마, 조직 초저온 냉동수술, 생검과 같은 처치 장비와 함께 사용될 수 있다.
또한, 상기 로봇 머니퓰레이터는 센서가 로봇 장착 초음파에서와 같이, 환자의 신체에 외부적으로 배치된 스캐닝용 장비에서 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 상기 로봇은 로봇 장착 센서의 캐리어 및 기계적 스캐너이다. 또한, 상기 로봇은 일차 안내 방식의 내재 좌표계에 상기 로봇 머니퓰레이터의 초기 및/또는 불규칙적인 기록에 의해, MRI와 같은 일차 안내 방식 및 US 또는 광학식과 같은 로봇 장착 모드를 동시 기록하기 위한 기계적 링크이다. 존재하는 경우 및/또는 광학식 트랙킹과 같은 공간적 동시 기록의 외부 수단의 경우에 당업계에 잘 알려져 있다. 상기 로봇 머니퓰레이터는 또한 로봇 장착 US, 광학식 영상, 광학식 분광법, 국소 MRI 등과 같이, 환자의 신체를 내부적으로 센서에 의해 스캐닝하기 위한 장비에서 사용될 수 있다.
또한, 상기 로봇 머니퓰레이터는 단일-포트 방식 수술 절차를 실행하기 위한 수술 기구 또는 기타 설비가 장착될 수 있다. 다중-포트 방식 수술 절차를 실행하기 위한 보충적 수술 또는 개입 기구가 개별적으로 장착된 다중 로봇 머니퓰레이터가 조합될 수 있다.
하기에서 개시되는 바와 같이, 본 발명은 다양한 이점 및 용도를 제공하나, 이러한 이점 및 용도는 이러한 개시에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예는 도면을 참조로 개시되나, 이러한 참조는 본 발명을 임의의 형태로 제한하는 의도는 아니다. 본 명세서에서 상세히 개시되는 실시예 및 변형은 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 해석되어져야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 도 1 및 도 2a, 2b에서 나타낸 바와 같이, 상기 로봇 시스템은, 데이타를 처리하고, 상이한 부품에 명령을 생성하고, 작동을 동시 개시시키고, 인간을 상기 시스템에 접속시키는 중앙 컴퓨터 코어 (150)를 가지고, 소프트웨어 (103)를 진행시키는 중앙 컴퓨터 (100)에 연결된 복수의 하드웨어 부품를 포함한다. 상기 시스템은 로봇 머니퓰레이터 (110)의 제어를 위해 중앙 컴퓨터 (100)로부터 명령을 수신하는 관련 내재 소프트웨어 (103)를 갖는 전자 유닛을 포함하는 로봇 머니퓰레이터의 제어를 위한 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 부품을 포함한다. 유닛 (102)은, 예를 들어 복수의 아날로그-디지털 변환기, 계수기, 디지털-아날로그 변환기 및 디지털 입력/출력 인터페이스를 추가로 포함하는 내장형 컴퓨터 유닛일 수 있다.
하나의 바람직한 실시예 및 특히 도 1a에서, 유닛 (102)은 적절하게 제어된 전자 신호 형태로 제어 명령을 수신하기 위해, 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 링크 (104)를 통해 중앙 컴퓨터 및 내장형 소프트웨어 모듈에 연결되어, 로봇을 제어하게 된다. 링크 (104)를 통해 수신된 전자 제어 신호는, 로봇 머니퓰레이터의 자율 작동, 오퍼레이터에 의해 유입된 명령에 의한 수동 작동; 또는 자율 및 수동 작동의 조합을 통해, 중앙 컴퓨터 코어 (150)에 의해 발생된다.
유닛 (102)은 원격 제어 작동을 위해 작동 트랜스미션 링크 (106)를 통해 로봇 머니퓰레이터 (110)와 연결된다. 유닛 (102)은, 작동 정도를 직렬 또는 회전 모드에 의해 측정하는 로봇 (110)의 DOF 또는 작동 자유도에 적절하게 배치된 것으로서, 하나 또는 복수의 위치 인코더 및 우선적으로 광학식 인코더로부터 신호를 수신하기 위해, 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 링크 (108)를 통해 로봇 머니퓰레이터 (110)과 연결된다. 유닛 (102)의 컴퓨터 부품, 즉 소프트웨어는, 명령 신호 (104)에 위치 인코더 신호 (108)를 대비함으로써 폐쇄된 루프 체계를 통해 로봇 (110)의 작동을 추가로 제어하고, 로봇 머니퓰레이터 (110)를 정확하게 조작하기 위해 작동 트랜스미션 링크 (106)를 통해 제공되는 작동 정도를 조절하는 적절한 명령을 내부적으로 생성한다.
또한, 상기 바람직한 실시예에서, 상기 시스템은, 로봇 머니퓰레이터 (110) 및/또는 상기 머니퓰레이터의 복수의 센서의 제어에 상기 오퍼레이터를 접속시키기 위해 힘-피드백 또는 햅틱 장비 (120) 및 중앙 컴퓨터 (110)를 연결하는 것으로서, 내장형 소프트웨어 (113)를 갖는, 전자 유닛 (112)을 수반하는 힘-피드백 유닛의 제어를 위해 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 엔티티를 포함한다. 예를 들어, 유닛 (112)은 복수의 아날로그-디지털 변환기, 계수기, 디지털-아날로그 변환기, 디지털 입력/출력 인터페이스 및 힘-피드백 유닛 (120)의 모터 컨트롤러로의 추가 링크를 추가로 포함하는 내장형 컴퓨터 유닛일 수 있다. 유닛 (112)의 컴퓨터 부품 소프트웨어는 "중앙 컴퓨터 코어"에 의해 생성되고, 상기 오퍼레이터로부터 로봇 머니퓰레이터 (110)의 인간-루프 수동 또는 반자율 작동을 위해 안내 명령을 수신함으로써, 절차에 대한 정보를 제공하기 위해 상기 오퍼레이터에 힘을 가하는 힘-피드백 유닛 (120)의 작동을 추가로 조절한다.
유닛 (112)은, 적절하게 조절된 전자 신호 형태의 명령을 수신 및 송신하기 위해, 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 양방향 링크 (114)를 통해 중앙 컴퓨터 및, 힘-피드백 유닛을 제어하는 내장형 소프트웨어 모듈에 연결된다. 유닛 (112)은 또한 모터의 작동을 위해 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 링크 (116)를 통해 힘-피드백 유닛 (120)의 모터 컨트롤러에 연결된다. 유닛 (112)은 모터에 의해 생성되고 오퍼레이터에 의해 안내되는 작동 안내 정도를 측정하기 위해 힘-피드백 유닛 (120)의 작동 DOF에 적절하게 배치된 것으로서, 하나 또는 복수의 위치 인코더로부터 신호를 수신하기 위해, 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 링크 (118)를 통해 힘-피드백 유닛 (120)에 추가로 연결된다.
그 외에 상기 실시예에서, 상기 시스템은 i) 중앙 컴퓨터 코어의 전용 모듈에 의한 스캐너의 실시간 제어 및 ii) 중앙 컴퓨터 코어의 전용 모듈에 의한 처리를 위해 스캐너로부터의 실시간 영상 데이터의 수신을 위한 것으로서, 바람직하게는 MRI 스캐너와 같은 일차 안내 방식의 영상 스캐너와의 통신을 위해 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 엔티티를 포함하고, 관련 내장형 소프트웨어 (123)를 갖는 전자 유닛 (122)을 수반할 수 있으며, 환자 또는 수술 객체 및 머니퓰레이터 (110)가 배치되는 스캐너 (131)에 추가로 연결되는 중앙 컴퓨터 (100) 및 스캐너의 컴퓨터 (130)를 연결시킨다. 유닛 (122)은, 예를 들어 양방향 통신 실행을 위한 스캐너의 국소 영역 네트워크 (LaN) 및/또는 실시간으로 실시간 영상 데이타 처리에 효율적인 컴퓨팅을 위해 우선적으로 사용되는 디지털 신호 처리 dSP 보드에의 연결을 위한 허브일 수 있다.
상기 시스템의 상기 부분은 일차 영상 스캐너 제어 전용의 중앙 컴퓨터 및 내장형 소프트웨어 모듈을 연결시키는 하나의 배선 또는 배선 다발과 같은 유닛 (122)을 통해 통과하거나 또는 그렇지 않을 수 있는 일방향 링크 (123, 124)를 포함하고, 온 더 플라이 제어를 위해 적절하게 조절된 전자 신호 형태의 명령을 스캐너로 송신하기 위해, 즉 절차 과정으로서의 스캐너는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 영상과 반대로, 영상 판의 수, 위치 및 배향을 포함하는 영상 획득 파라미터, 로봇 트랙킹 또는 구조 또는 조직 모션을 추가로 증대시키기 위해 조직의 자화를 조절하는 예비 단계를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 실시간 영상 데이타를 스캐너 컴퓨터 (130)로부터 중앙 컴퓨터 코어 (101)로 트랜스미션하기 위한 일방향 링크 (125, 126)를 포함한다. 상기 일방향 링크는 유닛 (122)의 존재 및 사용를 수반하지 않는 물리적 직접 연결 (125, 126)로서 설치될 수 있다. 따라서, 영상 데이터는 중앙 컴퓨터 코어에서 처리된다. 대안적으로, 일방향 링크는, (125)를 통해 영상 데이타를 수신하고 영상 데이타의 처리를 위해 소프트웨어를 진행시키는, dSP와 같은 유닛 (122)을 통해 설치될 수 있다. 그후, 처리 데이타는 (126)을 통해 중앙 컴퓨터 코어로 송신된다. 유닛 (122)의 이용은 영상 데이타 처리 속도를 추가로 높이기 위한 바람직한 방법이다.
또한 상기 실시예에서, 상기 시스템은, 일차 안내 방식(들)이 아닌 복수의 로봇-장착 센서 (140) 및 상기 시스템의 중앙 컴퓨터 코어와 센서(들)의 통신을 위한 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 엔티티를 추가로 포함한다. 이러한 센서에는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 영상-형 센서, 예를 들어 내시경 광학식 영상, 예를 들어 광 간섭성 단층촬영기술, 국소 초음파, 광음향 영상 및 마이크로코일의 국소 MRI 등을 위한 센서, 분광법-형, 예를 들어 내시경 광학식 분광법, 예를 들어 광-안내 형광법, 라만 분광법, RF 마이크로코일의 MR 분광법 등의 센서, 시각자료-형 센서, 예를 들어 카메라 힘/태크틸-형 센서 및 국소-형 센서, 예를 들어 MR-기반 국소화를 위한 RF 마이크로코일을 갖는 것이 있다. 복수의 로봇-장착 센서 (140)는 적격 수단 (142), 예를 들어 케이블 및 광섬유에 의해 관련 내장형 소프트웨어 (144)를 갖는 복수의 전자 유닛 (143)에 추가로 연결되고, 적격 케이블을 통해 중앙 컴퓨터 (100)에 추가로 연결된다. 예를 들어, 유닛 (143)은 센서에 이해 생성된 신호의 생성 및 처리를 위한 특수 보드, 양방향 통신 실행을 위한 센서 전자장치의 국소 영역 네트워크 (LaN)와의 연결을 위한 허브 또는, 실시간 센서 데이타의 실시간의 효율적인 컴퓨터 처리를 위해 우선적으로 사용되는 디지털 신호 처리 (dSP) 보드일 수 있다.
이들 실시예 모두에서, 제조, 상업화 또는 비용적 선호도에 기초하여, 복수의 전자 유닛 (102, 112, 122, 143)은 i) 전자 하드웨어 분야에서 공지된 바와 같이, 적절한 인터페이스와 연결된 개별 유닛일 수 있고; ii) 전체적으로 또는 그 일부가 기존 퍼스널 컴퓨터에서 "플러그 인"으로서 기능 및 단일 유닛에 통합될 수 있고, 그리고 iii) 러기드 (rugged), 콤팩트 및 확장 형에서 특수 보드의 추가를 가능하게 하는 것으로서, Pc104와 같은 확장형 인자에 조합될 수 있다. 설정 ii) 및 iii)은 상업적으로 더욱 바람직한 유닛의 생성 관점에서 제조시 바람직할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에, 특히 도 1b를 참조하면, 상기 로봇 시스템의 중앙 컴퓨터 코어 (150)는, 상기 시스템의 의도된 작동 및 기능성을 위해 그 사이에서 데이타를 교환하고, 동시 작동하는 것으로서, 본 명세서에서 모듈로서 언급된, 특정 업무 전용의 복수의 소프트웨어 코드 피스를 포함한다. 이 모듈은, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, 각각, 내장형 컴퓨터 유닛과 같은 전용 하드웨어로 진행되는 상기 모듈의 일부 또는 다중-코어 중앙 처리 유닛의 코어에서 진행하는 전용 스레드로서, 컴퓨터적으로 효율적인 작동을 위해 임의의 적격 방법으로 설치될 수 있다. 중앙 컴퓨터 코어는 3 개의 일차 모듈을 갖는다. 이러한 3 개의 모듈은 중앙 컴퓨터 코어 (150)의 다른 모듈에 의해 이용되는 명령 및 정보를 생성한다.
aoP 모델 모듈 (152)은 일차 안내 모드 및 복수의 로봇-장착 센서로부터의 처리 데이타를 수신하고, 절차 영역 (aoP)의 실체 모델을 실시간으로 생성시킨다. aoP 모델 모듈에 의해 수신 및 이용되는 데이타는 로봇 장착 센서 및 일차 안내 스캐너(들)로부터의 수술전 및 수술중 영상 데이타 처리 전용 소프트웨어 모듈에 의해 온 더 플라이 처리되어 왔다. 이들 데이타는 기록 로봇에서, 이들 데이타 모두를 동일한 좌표계, 우선적으로 일차 안내 영상 스캐너의 좌표계로 기록하는 동시-기록 모듈 (151)에 의해 추가로 처리된다.
데이타 관리자 모듈 (data MAnager Module, 155)은 aoP 모델 모듈 (150)에 의해 aoP의 실체 모델을 생성시키기 위해 로봇 장착 센서 및 일차 안내 방식에 의해, 수집되야 하는 데이타 수집의 형태를 온 더 플라이 선택하고, 그 시간을 조절한다. 상기 모듈은 실질적으로, 센서가 제어가능한 형태인 경우, 영상 스캐너 및 센서를 제어한다. 상기 모듈은, 이들이 존재하는 경우, 작업명령에 기초한 덴드라이트-형 체계, 수술전 데이타의 트레이닝에 사용되는 기계-학습 기반 코드 및 수술중 데이타의 스카우트 세트 또는 그의 조합일 수 있다.
모션 관리자 모듈 (Motion MAnager Module, 160)은 로봇을 위한 경로 및 궤적을 생성시키고, 충돌을 검색하고, 충돌을 해소하며, 데이타 관리 모듈 (155)용 명령을 생성시키는 통상적 방법을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 로봇 또는 로봇 머니퓰레이터는, 본 명세서에서 개시된 바와 같이, 개별적으로 또는 조합하여, 환자의 신체 내에서 상이한 개입을 실행하기 위한 상이한 선택을 제공하는 복수의 유닛을 포함한다. 일반적으로, 상기 로봇은 실질적으로 환자의 신체 외부에 존재하는 적어도 하나의 제1 유닛 (1050), 제1 유닛 (1050)에 의해 수반 및 조작되고, 환자의 신체 외부에 일부, 내부에 일부 존재하는 적어도 제2 유닛 (1051) 및, 제2 유닛 (1051)에 의해 배치되고 스트레이트 (1052) 또는 벤딩가능형 (1053)일 수 있는 적어도 하나의 제3 유닛 (1052)을 포함한다. 예를 들어, (1055)에서는, 환자의 신체 외부에 복수의 유닛이 배치 및 조작되고, (1056)에서는, 환자의 신체 내부 또는 내외부 모두에 복수의 유닛이 배치 및 조작된다. 정지 피스 상의 작동점 및 이동 피스 상의 작동점을 포함하는 작동점들의 임의의 위치는 본 명세서에서 글로벌 좌표계로서 언급되는 좌표계와 관련하여 알 수 있다. 유닛 (1050, 1051, 1052)은 또한 안내 라인 (1101)을 포함한다 (도 3 참조).
바람직한 일 실시예에서 및 특히 도 2a, 2b를 참조하면, 상기 로봇은 본 명세서에서, 실질적으로 전체 절차 동안 환자의 신체 외부에 존재하는 로봇 글로벌 포지셔너 유닛 (rGPU) 또는 글로벌 포지셔너로서 언급되는 제1 유닛 (1050)으로 이루어진다. rGPU는 지속적 또는 우선적으로 탈착성 기계적 수단에 의해 제2 유닛 (1051)을 수반하는 복수의 기계적 작동 하위부품을 포함한다. 또한, rGPU는 그 기계적 하위부품을 제어가능하게 작동시키기 위해 작동 (1055)의 일반적인 원격 위치 동력원으로의 물리적 또는 기계적 링크 (1054)를 포함한다. 링크 (1054)는 엑추에이터, 예를 들어 전자기적 또는 압전식 모터, 유압식, 공기적 또는 기타 수단에 의해 또는 오퍼레이터의 수동 방식에 의해 공급되는 에너지로 작동되는 원격 작동 동력원 (1055)으로부터 제1 유닛 (1050)으로 작동을 트랜스미션하기 위한 수단이다.
상기 실시예에서 및 도 2a, 2b를 계속 참조하면, 도 3은, 3 차원 (3d) 공간에서의 조작을 위해 조합 모션 및 동시 모션을 실행할 수 있고, 본 명세서에서 안내 라인으로 언급되는 라인 (1101)을 따라 제2 유닛 (1051)을 정렬시킬 수 있는 제1 유닛 (1050)의 작동 하위부품의 기계적 디자인 및 운동학적 구조를 도시한다. 상기 안내 라인은, 그 공간위상 좌표 ca(Xa(t), Ya(t), Za(t)) 및 cb(Xb(t), Yb(t), Zb(t))가 시간에 따라 변하고, 글로벌 좌표계에서 시간에 따라 알 수 있는 2 개의 작동점 ca 및 cb에 의해 정의된다. 작동점 ca 및 cb는 연속적인 동적 3d 모션에 배치되고, 따라서 안내 라인 (1101)은 동적이다. 대안적으로, 구체적인 경우에, 2 개의 정적 및 일시적 불변, 즉 정적 작동점 ca 및 cb 및 그의 정적 공간위상좌표 ca(Xa, Ya, Za) 및 cb(Xb, Yb, Zb)를 글로벌 좌표계와 관련하여 알 수 있다. 작동점 ca 및 cb는 공간 내에 고정되고, 따라서 안내 라인 (1101)은 정적이다.
또 다른 대안적 실시예에서, 제1 유닛 (1050) 및 제2 유닛 (1051)의 임의의 부분의 정확한 위치는 글로벌 좌표계에 대비되고, 이러한 정보는 상기 로봇을 제어하는 컴퓨터에 의해 수동으로 또는 우선적으로 실행되는 단계에 기초하여 우선적으로 추출된다: 1) 글로벌 좌표계의 상기 로봇의 초기 기록; 2) 연속 실시간으로 상기 로봇의 위치 인코더의 샘플링; 및 3) 상기 로봇을 기술하는 복수의 전방 운동학 방정식 (forward kineMAtic equation)으로 위치 인코더 데이타의 제공. 또 다른 대안적 실시예에서, 제2 유닛 (1051)은 환자의 신체 외부에 존재하고, 제3 유닛 (1052)은 방사선 또는 열적 또는 초저온 냉동수술, 생검 등과 같이 비절개 피부를 통한 경피성 과정용 바늘에서 사용되는 실질적으로 얇은 사이즈이다.
바람직하게는, 상기 로봇은 특히, 단일 포트 접근 수술 또는 복강경 수술 또는 기타 형태의 최소 외과 수술용으로, 당업계에 알려져 있고, 표준인 제3 부분 포트 (1100)를 사용하여, 환자 피부의 절개를 통해 환자의 신체 내부에 접근되고, 일반적으로, 이른바 특정 포트의 디자인에 따라 환자의 신체의 상이한 영역 접근을 위해 원뿔 형태의, 3d 용적으로 이른바 수술 또는 개입 기구의 자유 각도(free angulation) 또는 피버팅 (pivoting) 제공을 위한 기계적 수단을 갖는 것으로서, 이들 유형의 포트에서 당업자에 알려진 바와 같이, 이를 통해 수술 또는 개입 기구의 조작이 가능하다. 또한, 제3 부분 포트의 특수 디자인 및 제조에 따라, 상기 포트는, 본 명세서에서 "자유유동" 포트로서 언급되는 것으로서, 본 명세서에서 "작동점 제약" 포트 및 피버팅 및 부수적 모션으로 언급되는 특정 작동점 (E) 주위의 피버팅을 가능하게 한다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 4a-4c를 참조하면, 과정 상의 특정 필요 또는 제3 유닛 (1052, 1053)의 특정 디자인 또는 제2 유닛 (1051) 및 포트 (1100)의 특정 조합의 디자인 및 작동 방법 또는 유닛 (1051) 및 제3 유닛 (1052, 1053)의 특정 조합의 디자인 및 작동 방법 또는 상기 사항의 임의의 조합에 따라, 상기 로봇은, 이들로 제한하는 것은 아닐지라도, 적어도 3 가지의 대안적 방식으로 이러한 포트를 통해 환자의 신체 내부로 접근된다.
첫째로, 도 4a를 참조하여, 제2 유닛 (1051)은 실질적으로 상기 포트 외부에 존재하고, 제3 스트레이트 유닛 (1052)은 상기 포트를 통해 그 전체가 통과되고, 환자의 신체로 연장된다. 두번째로, 도 4b를 참조하면, 제2 유닛 (1051)의 원위 부분은 상기 포트로 유입되고, 제3 스트레이트 유닛 (1052)은 그 전체가 환자의 신체로 연장된다. 세번째로, 도 4c를 참조하면, 제2 유닛 (1051)의 원위 부분은 상기 포트로 유입되고, 포트 가장자리 너머로 추가 연장되어, 공간 내에 작동점 R을 정의하여, 수술 과정 분야에 따라, 우선적으로 벤딩가능/가동성 제3 유닛 (1053)이 환자의 신체로 그 전체가 연장되도록 조작되고, 생체 구조 또는 구조물과 같은 해부학적 개체 주위에서 충격을 주거나 또는 구멍을 내거나 또는 관통하거나 또는 그와 같지 않게 조작된다.
바람직하게는, 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t)를 영상 또는 기타 동일 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 알 수 있고, 이른바 포트 작동점 (E)의 제약 작동점의 좌표 XE(t), YE(t), ZE(t)를 트랙킹 방법에 의해 상기 로봇에서 알 수 있거나 또는 상기 로봇에서 정적인 경우, 영상 기반 트랙킹 방법 또는 그와 동일한 것에 의해 상기 로봇의 전방 운동학으로부터 제2 유닛 (1051)을 환자의 신체로 이른바 부분적으로 연장하는 이른바 원위 작동점의 좌표 XR(t), YR(t), ZR(t) 및 글로벌 좌표계를 차례로 알 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예 및 도 5a를 참조하면, 제2 유닛 (1051)은 (E) 작동점-제약 포트 (1100)를 통해, 제3 유닛 (1052)을 스트레이트 궤적 (1101)을 따라 정렬 및 진행시키기 위해 이른바 상기 로봇의 컴퓨터 또는 컨트롤러에 의해 온 더 플라이 및 실시간으로 수동 또는 우선적으로 실행되는 처리로 이루어진 것으로서, 도 5b의 플로우챠트에 기초하여 타겟 조직 (T)에 도달되도록, 스트레이트 제3 유닛 (1052)을 조작한다. 이것은 즉, 1) 촬영 또는 그와 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t); 및 2) 상기 로봇에 대하여 정적인 경우, 글로벌 좌표계를 차례로 알 수 있거나 또는 트랙킹 방법에 의해 상기 로봇에 대하여 실질적으로 계산되거나 또는 알 수 있는 포트 작동점 (E)의 이른바 제약 작동점의 좌표 XE(t), YE(t), ZE(t)를 이용하여, "라인 {E-T}(t)"로 언급되는 것으로서 작동점 (E) 및 (T)를 연결하는 정적 또는 동적 직선을 알 수 있도록, 정의를 위해 글로벌 좌표계에 대하여 연산 파라미터를 우선 계산함으로써 성취된다. 다음 단계는, 각각 1) 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 공간 내에서 이른바 2 개의 작동점 ca 및 cb의 조작에 기초하여 설비를 조작하는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제1 유닛 (1050)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인 및 2) 글로벌 좌표계의 상기 로봇의 초기 기록을 이용하여, 글로벌 좌표계에 대하여 작동점 ca 및 cb의 최신 좌표, 즉 Xa(t), Ya(t), Za(t) 및 Xb(t)를 계산하는 단계를 포함한다. 이어서, 최근 계산된 ca 및 cb 좌표는 제2 유닛 (1050)의 작동 부분의 추가 작동을 위한 명령으로 변환된다. 마지막으로, 이들 명령은 상기 로봇의 액추에이터를 추가로 제어하는 로봇 컨트롤러에 적용된다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 6a를 참조하면, 제2 유닛 (1051)은 (E) 작동점-제약 포트 (1100)를 통해, 제3 유닛 (1052)이 일반적인 커브 경로 (1112)를 따르도록, 상기 로봇의 컴퓨터 또는 컨트롤러에 의해 온 더 플라이 및 실시간으로 수동 또는 우선적으로 실행되는 처리로 이루어진 것으로서, 도 5b의 플로우챠트에 기초하여, 예를 들어 객체 (1112)를 회피하기 위해, 일반적인 커브 경로 (1112)를 따라 타겟 조직 (T)에 도달되도록, 벤딩가능/가동성 제3 유닛 (1052)을 조작한다. 이것은 촬영 또는 기타 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대비하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t), 상기 로봇에 대하여 정적인 경우, 글로벌 좌표계를 차례로 알 수 있거나 또는 트랙킹 방법에 의해 상기 로봇에 대하여 실질적으로 계산되거나 또는 알 수 있는 포트 작동점 (E)의 이른바 제약 작동점의 좌표 XE(t), YE(t), ZE(t), 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 벤딩가능/가동성 튜브-유사 연장 부분의 특성을 갖는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제2 유닛 (1050) 및 벤딩가능/가동성 제3 유닛 (1053)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인에 기초하여, 제2 유닛 (1051)의 원위 말단에서 작동점 (R)의 글로벌 좌표계 XR(t), YR(t), ZR(t)에 대비한 좌표를 실질적으로 계산하는 단계를 포함한다.
다음 단계는, 즉, 촬영 또는 기타 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t), 트랙킹 방법에 의해 상기 로봇에 대하여 실질적으로 계산되거나 또는 알 수 있는 포트 작동점 (E)의 이른바 제약 작동점의 좌표 XE(t), YE(t), ZE(t)를 이용하여 "라인 {E-T}(t)"로 언급되는 것으로서 작동점 (E) 및 (T)를 연결하는, 글로벌 좌표계에 대하여 정적 또는 동적 직선을 알 수 있도록 하는 정의를 위해 글로벌 좌표계에 대하여 연산 파라미터를 실질적으로 계산하는 단계를 포함한다. 상기 로봇에 대하여 정적이고, 글로벌 좌표계에서 차례로 알 수 있는 경우, 다음 단계는, 각각 글로벌 좌표계의 상기 로봇의 초기 기록 및 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 공간 내에서 이른바 2 개의 작동점 ca 및 cb의 조작에 기초하여 설비를 조작하는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제1 유닛 (1050)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인을 사용하여, 글로벌 좌표계에 대하여 작동점 ca 및 cb의 최신 좌표, 즉 Xa(t), Ya(t), Za(t) 및 Xb(t), Yb(t), Zb(t)를 계산하는 단계를 포함한다. 다음 두 단계는 최근 계산된 ca 및 cb 좌표를 제1 유닛 (1050)의 작동 부분의 추가 작동을 위한 명령으로 변환하는 단계 및 이들 명령을 상기 로봇의 액추에이터를 추가로 제어하는 로봇 컨트롤러에 적용하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 7a를 참조하면, 제2 유닛 (1051)은 비유동 (비제한) 포트 (1100)를 통해, 도 7b의 플로우챠트를 기초하여 타겟 조직 (T)에 도달하도록 스트레이트 제3 유닛 (1052)을 조작한다. 이들 과정은 직선 궤적 (1101)으로 제3 유닛 (1052)을 지시하기 위해, 상기 로봇의 컴퓨터 또는 컨트롤러에 의해, 온 더 플라이 및 실시간으로 수동 또는 우선적으로 실행된다. 첫번째 단계는 1) 촬영 또는 기타 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t); 2) 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 공간 내에서 이른바 2 개의 작동점 ca 및 cb의 조작에 기초하여 설비를 조작하는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제1 유닛 (1050)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인 및/또는 3) 상기 머니퓰레이터가 환자 또는 동물의 신체 또는 다른 구조의 내부로 접근되는 이른바 제2 유닛 (1051) 및/또는 제3 유닛 (1052)으로서, 포트 (1100)의 특정 디자인 및 크기, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 이른바 상기 포트 채널의 치수를 이용하여, "라인 {ca/cb -T}(t)"로 언급되는 것으로서 (T) 및 작동점 ca 및 cb를 통해 통과하는 정적 또는 동적 직선을 정의 (즉, 알 수 있도록)하기 위해 글로벌 좌표계와 대비하여 연산 파라미터를 계산하는 단계를 포함한다.
두번째 단계는 각각, 1) 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 공간 내에서 이른바 2 개의 작동점 ca 및 cb의 조작에 기초하여 설비를 조작하는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제1 유닛 (1050)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인 및 2) 글로벌 좌표계의 상기 로봇의 초기 기록을 이용하여, 글로벌 좌표계에 대비한 작동점 ca 및 cb의 최신 좌표, 즉 Xa(t), Ya(t), Za(t) 및 Xb(t), Yb(t), Zb(t)를 계산하는 단계를 포함한다. 다음 두 단계는 최근 계산된 ca 및 cb 좌표를 제1 유닛 (1050)의 작동 부분의 추가 작동을 위한 명령으로 변환하는 단계 및 이들 명령을 상기 로봇의 액추에이터를 추가로 제어하는 로봇 컨트롤러에 적용하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 8a를 참조하면, 제2 유닛 (1051)은, 제3 유닛 (1052)이 일반적인 커브 경로 (1112)를 따라, 상기 로봇의 컴퓨터 또는 컨트롤러에 의해 온 더 플라이 및 실시간으로 수동 또는 우선적으로 실행되는 처리로 이루어진 것으로서, 도 8b의 플로우챠트에 기초하여, 예를 들어 객체 (1112)를 회피하기 위해, 일반적인 커브 경로 (1112)를 따라 타겟 조직 (T)에 도달되도록, 벤딩가능/가동성 제3 유닛 (1052)을 비유동 (비제한) 포트 (1100)를 통해 조작한다. 첫번째 단계는 1) 촬영 또는 기타 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (T)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t); 2) 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 벤딩가능/가동성 튜브-유사 연장 부분의 특성을 갖는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제2 유닛 (1050) 및 벤딩가능/가동성 제3 유닛 (1053)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인; 및 3) 상기 머니퓰레이터가 환자 또는 동물의 신체 또는 다른 구조의 내부로 접근되는 이른바 제2 유닛 (1051) 및/또는 제3 유닛 (1053)으로서, 포트 (1100)의 특정 디자인 및 크기, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 이른바 상기 포트 채널의 치수에 기초하여, 제2 유닛 (1051)의 원위 말단에서 작동점 (R)의 글로벌 좌표계 XR(t), YR(t), ZR(t)에 대하여 좌표를 실질적으로 계산하는 단계를 포함한다.
두번째 단계는 1) 촬영 또는 기타 동일한 방법에 의해 글로벌 좌표계에 대하여 실질적으로 계산되는 타겟 작동점 (R)의 좌표 XT(t), YT(t), ZT(t); 2) 본 발명에서 하기에서 제공되는 디자인을 포함하여, 공간 내에서 이른바 2 개의 작동점 ca 및 cb의 조작에 기초하여 설비를 조작하는 임의의 다른 제3 부분 로봇 또는 상기 로봇의 디자인 및 구조에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 이들로 제한하는 것은 아니나, 제1 유닛 (1050)의 운동학적 구조 및 상기 로봇의 특정 운동학적 디자인; 및 3) 글로벌 좌표계의 상기 로봇의 초기 기록을 이용하여, "라인 {ca/cb -R}(t)"로 언급되는 것으로서 (T) 및 작동점 ca 및 cb를 통해 통과하는 정적 또는 동적 직선을 글로벌 좌표계에 대하여 정의, 즉 알 수 있도록 하기 위해 연산 파라미터를 실질적으로 계산하는 단계를 포함한다. 다음 두 단계는 최근 계산된 ca 및 cb 좌표를 제1 유닛 (1050)의 작동 부분의 추가 작동을 위한 명령으로 변환하는 단계 및 이들 명령을 상기 로봇의 액추에이터를 추가로 제어하는 로봇 컨트롤러에 적용하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 9를 참조하면, 작동 제1 유닛 (1050)은, 작동점 ca의 2 차원 변환을 위한 기계적 수단을 포함하는 제1 평행사변형 (1400) 및 작동점 cb의 2 차원 변환을 위한 기계적 수단을 포함하는 제2 평행사변형 (1410)을 포함하는 2 개의 병렬 평면 구조로서 제조된다. 바람직하게는, 상기 이중 단계 로봇은, 환자에 대해 상기 로봇의 상기 평면의 포지셔닝 및 배향을 제공하도록, 본 명세서에서 "로봇 베이스"로 언급되는 구조 또는 프레임에 고정된다. 상기 위치 및 배향은, 이들로 제한하는 것은 아니나, 1) 환자의 사이즈, 2) 로봇 조작 개입 기구 (어플리케이터)의 사이즈, 3) 타겟 생체의 위치, 4) 접근 통로 또는 접근 경로 또는 접근 궤적의 일반적 방향 및 5) 수술 및 개입 의학계의 숙련가에 알려진 기타 이유에 의해 결정되는 바와 같이, 절차의 특정 필요에 의해 추가로 결정된다. 또한, 고정 단계는 과정 실행에서 요구되는 바와 같은, 상기 로봇의 안정성 및 강도를 제공한다.
또한, 이들 바람직한 실시예에서, 상기 로봇 베이스는 1) 이들로 제한하는 것은 아니나, 나사 또는 파스너 수단과 같이, 상기 "로봇 베이스"에 로봇을 고정시키는 바람직한 기계적 방법을 제공하는 인터페이스, 2) 환자 침상 또는 영상 스캐너 또는 절차가 실행되는 작업 테이블에 상기 로봇 베이스를 고정시키기 위한 바람직한 기계적 방법, 3) 영상 스캐너 또는 작업 테이블의 임의의 부분을 사용하지 않고, 방 바닥에 놓인 또 다른 베이스 또는 프레임에 "로봇 베이스"를 고정시키기 위한 바람직한 대안적인 방법, 및 4) 영상 스캐너 또는 작업 테이블의 임의의 부분을 사용하지 않고, 방 천장으로부터 조종되는 또 다른 베이스 또는 프레임에 "로봇 베이스"를 고정시키기 위한 바람직한 대안적인 방법을 포함하는 프레임이다. 또한, 바람직하게는, 제작 과정 동안 이루어지는 바와 같이, 상기 로봇이 고정되는, 즉 위치에 세팅되거나 또는 상기 로봇의 접근 작업 공간을 조절하기 위해 오퍼레이터에 의해 환자에 대비하여 제 위치에 고정되는 로봇 베이스 인터페이스로서, 그 위치는 수술전 영상 또는 오퍼레이터의 경험에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 로봇은, 상기 로봇이 고정되고, 수동으로 수술전에 조정될 수 있거나 절차 과정 동안 수동으로 재조정될 수 있는 이동식 인터페이스를 갖는다. 이것은, 수술전에 전체 과정 또는 일부 과정 동안 오퍼레이터에 의해 버니어 (vernier) 또는 평면 슬라이딩 (plane sliding) 또는 각도 및 위치 확보에 의해 상기 로봇의 위치의 "글로벌" 조정을 제공한다. 이러한 조정은 각각, 이들로 제한하는 것은 아니나, 인터페이스의 평면 상의 로봇의 상대 위치를 조정하기 위해 인터페이스가 슬라이딩되는 직교 레일 및 인터페이스의 각도 및 이에 따른 로봇의 평면을 조정하기 위한 회전 축을 포함한다. 대안적으로, 상기 로봇 베이스는, 상기 로봇이 고정되고, 과정 동안 원격 엑추에이터의 작동에 의해, 수술전에 원격 작동되고, 수술 과정 동안 수동으로 재조정될 수 있는 이동식 인터페이스를 갖는다. 이것은 로봇의 위치의 글로벌 조정을 제공한다. 이러한 조정은 본 명세서에서 수동 조정에 관해 개시된 바와 같다.
또 다른 바람직한 실시예 및 도 10a-10d를 참조하면, 환자의 포지셔닝을 수용하기 위한 로봇 플랫폼의 유연성이 도시된다. 일반적으로, 환자 (1520)은 수술대 또는 영상 스캐너 카우치 (1511) 상에 복와위 또는 앙와위 포지션으로 배치될 수 있고/있거나 로봇 (1100)은 로봇의 작업공간 (1530)이 실질적으로 조직 (1531)의 타겟 부위에 접근을 제공하는 방식으로 환자의 신체에 걸쳐 로봇을 실질적으로 위치시키는 베이스 (1510) 상에 고정될 수 있다. 이 실시예의 하나의 측면에서, 도 10a-10b에 나타난 바와 같이 환자 (1520)은 수술대 또는 영상 스캐너 카우치 (1511) 상에 복와위 또는 앙와위 포지션으로 배치되고, 로봇 베이스 (1510)은 키, 잠금장치 및 환자 카우치의 특정 디자인을 기초로 한 스크류/볼드를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는, 적절한 기계적 수단을 이용하여 수술대 또는 영상 스캐너 카우치 (1511) 상에 고정된다. 다른 측면에서 환자 (1520)은 수술대 또는 영상 스캐너 카우치 (1511) 상에 복와위 또는 앙와위 포지션으로 배치되고, 로봇 베이스 (1510)은 도 10c에 나타낸 바와 같이 다리 형태를 가지며, 이는 환자 신체의 전체 너비를 가로지르고 두 다리 또는 환자의 각각의 측면 상에 하나와 그의 구조의 연장을 이용하여 안정화된다. 또 다른 측면에서 환자 (1520)은 수술대 또는 영상 스캐너 카우치 (1511) 상에 복와위 또는 앙와위 포지션으로 배치되며, 로봇 베이스 (1510)은 도 10d에 나타낸 바와 같이 환자 신체의 부분에 걸쳐 한-다리 돌출부의 형성을 가지고, 또한 로봇 베이스의 이러한 형태는 타겟된 조직 (1531)의 위치에 따라서 환자 측면의 좌측 또는 우측으로 고정될 수 있다.
이 실시예 및 도 10e-10m를 참조하면, 로봇 장치에 대한 환자의 추가적인 포지션이 도시된다. 하나의 측면에서, 도 10e에서 나타낸 바와 같이 환자 (1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521) 상에 앙와위 또는 복와위 포지션으로 배치되고, 로봇 장치 (1500)은 로봇 앵커 인터페이스가 이런 배향으로 로봇을 배치시키는 것과 같이 제조된 로봇 베이스 (1510)과 함께 환자 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 로봇의 작업공간 (1530)이 예를 들면, 전립선 또는 자궁경부에서 중재적시술을 위해 골반 부위로 접근하는 방식으로 직교하여 배치된다. 다른 측면에서, 도 10f에 나타낸 바와 같이, 환자 (1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 직교 배향으로 여성/남성 측면으로 놓이고, 로봇 장치 (1500)은 로봇 앵커 인터페이스가 이런 배향으로 로봇을 배치시키는 것과 같이 제조된 로봇 베이스 (1510)과 함께 환자 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 로봇의 작업공간 (1130)이 이런 포지션으로 환자를 접근시키는 방식으로 직교하여 배치된다. 또 다른 측면에서, 도 10g에 나타낸 바와 같이, 환자 (1520)은 웨지드되거나 다르게는 적절하게 형태화된 쿠션 지지대 (1533)에 지지된, 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 각도화된 앙와위 또는 복와위 포지션으로 눕고, 로봇 장치 (1500)은 작업공간 (1530)이 이러한 환자의 배향으로 접근하도록 더 잘 드러내거나 더 잘 접근가능하게 하는 환자의 특히 원하는 부위로 접근하도록 하는 방식으로 로봇 앵커 인터페이스의 앵귤레이션을 허용하는 기계적 어셈블리 (1530)으로 제조된 로봇 베이스 (1510)과 함께, 수술 또는 중재적시술 의학의 분야를 기반으로한 오퍼레이터에 의해 선택되는, 적절한 앵글로 배치된다.
또 다른 측면에서, 도 10h에 나타낸 바와 같이, 환자 (1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 앙와위 또는 복와위 포지션으로 놓이게 되고, 로봇 장치 (1500)은 로봇의 작업공간 (1530)이 신경외과적 절차를 위해 환자의 머리의 특히 원하는 부위에 접근하는 방식으로 로봇 앵커의 인터페이스의 각도화를 허용하는 기계적 어셈블리 (1513)으로 제조된 로봇 베이스 (1510)과 함께, 수술 또는 중재적시술 의학의 분야를 기반으로한 오퍼레이터에 의해 선택되는, 적절한 각도로 배치된다. 또 다른 측면에서, 도 10i에 나타낸 바와 같이, 환자 (1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 앙와위 또는 복와위로 놓이게 되고, 로봇 장치 (1500)은 외과수술적 절차를 위한 적절한 작업공간을 제공하기 위해 환자의 머리 주위에 글로벌하게 포지션된 로봇을 위해 아치형 레일을 제공하며 제조되는 로봇 베이스 (1515)의 인터페이스 상에 고정된다. 또 다른 측면에서, 도 10j에 나타난 바와 같이, 환자(1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 1521에 대해 앙와위 포지션으로 누워있게 되고, 로봇 장치 (1500)은 경비 수술, 예컨대 뇌하수체에 대한 절차를 위한 환자의 비강에 접근하는 방식으로, 로봇 앵커 인터페이스의 각도를 허용하는 기계적 어셈블리 (1513)으로 제조된 로봇 베이스 (1510)과 함께, 수술 또는 중재적시술 의학 분야에서 기반으로 하는 오퍼레이터에 의해 선택된, 적절한 각도로 배치된다.
또 다른 측면에서, 도 10k 및 도 10l에 나타낸 바와 같이, 환자 (1520)은 영상 스캐너 카우치 또는 수술대 (1521)에 대해 앙와위 또는 복와위 포지션으로 놓이게 되고, 로봇 장치 (1500)은 주변부 접근이 필요한 형태 및 해부학을 갖는 환자의 신체의 부분 주위에 글로벌 포지셔닝을 위한 로봇을 위한 아치형 레일을 제공하며, 제조되는 로봇 베이스 (1515)의 인터페이스 상에 고정되고, 신체의 이러한 부분은 영상 가이드를 이용한 관절경 검사적 절차와 같은 정형외과적 절차를 위한 림프 또는 어깨와 같은 다소 작은 크기의 것이다. 또 다른 측면에서, 도 10m에 나타낸 바와 같이, 로봇 장치 (1500)은 추가로 유방에 대한 절차에 사용될 수 있다(예를 들면, 생검, 유방 보존 요법, 등).
일반적으로, 이들 실시예 및 측면에서 로봇의 구조, 로봇 베이스 및 로봇 시스템의 임의의 다른 부품은 당업자의 지식을 기초로 하고, 사용된 모든 재료는 우선적으로 양립가능하고 특정 영상 양상과 함께 사용하기 위해 안전하다. 또한, 재료는 접촉된 서로에 대해 움직이는 두 개의 물체의 모든 표면 또는 지점 사이에 마찰을 최소화하기 위해 선택된다. 비-제한적인 예에서, 서로에 대해 움직이는 임의의 부분의 접촉 표면은 영구적이거나 다시 적용할 수 있는 저 마찰층이 있다.
또 다른 바람직한 실시예 및 도 11a-11h를 참조하면, 두 개 스테이지 로봇은 작동되는 부분의 세부사항에 관해서 재구성 가능하고 변동가능하다. 이들 구성은 고객이 환자의 크기, 절차 등에 따라 머니퓰레이터의 다른 크기를 획득하는 곳에서 제조되는 수준으로 구현될 수 있다. 또한, 이들 구성은 머니퓰레이터의 디자인으로 구현되고 오퍼레이터(고객)가 환자의 크기, 절차 등에 따라 필드에서 형상을 선택할 수 있는 방식으로 제조된다. 이들 상이한 구성은 운동방정식을 변화시킬 필요 없이 조정의 소프트웨어에서 상이한 정적이거나 변화화는 파라미터를 필요로한다. 상기 파라미터는 제조자에 의해 선험적으로 로딩되거나 필드에서의 선택에 따라 오퍼레이터에 의해 선택될 수 있다.
하나의 재구성 가능한 옵션은, 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이, 두 스테이지 간의 거리일 수 있다. 다른 재구성 가능한 옵션은 도 11c 및 도 11d에 나타낸 바와 같은 오프셋 각도의 넓은 범위를 허용하는 하나 또는 두 개의 축을 따라 조정될 수 있는 두 스테이지의 상대적 위치일 수 있다. 또 다른 재구성 가능한 옵션은 도 11e에 나타낸 바와 같이 중재적 도구가 양쪽 스페이지의 면을 가로질러 제공될 수 있거나 도 11f에 나타낸 바와 같이 두 스테이지 간에 제한될 수 있다. 더 더욱 재구성 가능한 옵션은, 도 11g 및 도 11h에 나타낸 바와 같이, 스테이지의 길이가 더 넓거나 더 좁은 작업공간을 수용하게 하고/하거나 머니퓰레이터의 크기를 감소시키도록 상이한 크기를 생산할 수 있다는 것이다. 필드에서 머니퓰레이터를 재형상화 하기 위한 이들 재구성 및 임의의 다른 상상가능한 구성 및/또는 크기 변경 작용이 추가로 수술전에 수동적으로 수행될 수 있고, 이 경우에, 특정한 옵션이 선택되거나, 또는 추가적인 동작선을 사용해 수술중에 수행될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 12a-12d를 참조하면, 그리고 영상 양상이 자기 공명 영상 (MRI)인 경우에 특별히 참조하면, 머니퓰레이터에 따른 무선 주파수 (RF) 코일을 위한 적절한 배열은 MR 영상의 질을 추가로 향상시키도록 만들어질 수 있다. 이러한 배열에는 사이즈, 위치, 또는 RF 코일 또는 임의의 다른 수단의 조합이 포함된다. 상기 RF 코일 배열은 신호 수신의 민감도 및 MR 영상의 SNR의 결과적인 개선하고, 예를 들어, FOV 감소에 대한 시그널 저해, 트랙킹 모션을 위한 밴드 또는 다른 이러한 적용과 같은 이들로 제한되지 않는 절차의 부위의 근위부에서 또는 부위의 조직의 자화의 선택적인 조작을 위해, RF 펄스의 펄스 서열 또는 펄스를 위한 곳에서 특히 절차의 부위에서 근위부 다음으로 RF 파워를 국소적으로 전달하는데 사용된다.
이 바람직한 실시예의 하나의 측면에서, 도 12a에 나타낸 바와 같이, RF 코일은 로봇의 베이스 상 및 환자의 신체에 대한 세팅 위치에 부착된다. 대안적으로, RF 코일은 로봇의 움직이는 부분 상 및 우선적으로 그의 제2 유닛에 부착되고 환자의 신체에 대해 움직이며 부착되어 있다. 다른 측면에서, 도 12b에 나타낸 바와 같이, RF 코일은 작동이 수행되는 영역에서 국소적으로 SNR을 개선시키기 위해 환자 상에 또는 양 측면 하나 이상의 RF 코일 상에 부착된다. 또 다른 측면에서, 도 12c에 나타난 바와 같이, 복수개의 RF 코일 세트가 있으며, 하나의 세트는 우선적으로 환자의 신체 상에 배치되고, 다른 세트는 우선적으로 머니퓰레이터 상에 배치된다. 이 측면에서, 두 개의 세트는 두 개의 독립적인 코일 세트로서 작동될 수 있는데, 즉 각각의 세트는 MR 스캐너 상에 분리된 지정 RF 채널에 연결된다. 또한, 두 개의 RF 코일 세트는 하나의 영상 또는 대안적인 방식에서의 각각의 세트로부터의 상보적인 영상를 수집하기 위해 사용된다. 이러한 경우에, 두 개의 영상는 서로 융합하기 위해 당해 기술분야에 알려진 방식에 의해 추가로 처리되거나 겹쳐질 수 있다. 대안적으로, 두 개의 세트는 단일 RF 코일 유닛으로서 작동될 수 있다. 또 다른 측면에서, 도 12d에 나타낸 바와 같이, 머니퓰레이터는 상업성 코일의 개구부를 통해 이용가능한 접근을 보여주는 본 발명의 적절한 소트프웨어를 사용하는 현재의 상업성 RF와 함께 그리고 이 특정한 로봇을 위해 추가로 사용될 수 있다. 따라서, 로봇은 더 넓은 범위의 적용가능성을 가질 것이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 로봇 머니퓰레이터의 소프트웨어는 추가로 베이스 (1510)의 유형을 선택하기 위한 전-작동 분석에 지정된 소트프웨어 모듈 및 환자의 신체에 대한 베이스의 위치를 결정하는 것을 포함함으로써 로봇 머니퓰레이터의 작업공간 (1530)은 실질적으로 타겟 부위 (1531)을 포함하도록 배치된다. 이는 중재적시술 부위의 해부학, 중재적시술 부위의 조직의 동적 모션 및 그의 특이적 운동적 특성 다음인 로봇의 작동 모션의 제한을 고려한다.
이들 바람직한 실시예에서 및 도 13를 참조하면, 자기 공명 영상와 양립가능한 로봇 머니퓰레이터가 도시되고, 로봇 머니퓰레이터가, 스케일에 나타난 바와 같이, 다중 자유도 (DOF)를 갖는 두 개의 평형 이중-축 직교 데카르트 스테이지로서 작동하는 것을 보여준다. 로봇 머니퓰레이터는 특정 절차에 더 잘 부합하기 위해 MR 스캐너의 코디네이트 시스템에 대해 임의의 배향으로 배치될 수 있다. 로봇 머니퓰레이터는 비-금속성 및 구성적 재료, 예컨대 티타늄 탄소 강화 복합재, 섬유유리 및 플라스틱으로부터 구성될 수 있다. 장치는 영상 안내 내시경 수술 및 단일 포트 액세스(Single Port access) 수술과 함께 이용되도록 설계된다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 14a-14d를 참조하여, 로봇 (1053)의 제3 유닛은 타겟 부위에 도달하도록 구부릴 수 있다. 플렉시온을 발생시키는 대안적인 수단에는 각진 슬라이더, 리지드 플렉시온 레귤레이터 또는 미리-벤딩된 부품을 갖는 튜브가 포함될 수 있다. 이 실시예의 하나의 측면에서, 도 14a에 나타낸 바와 같이, 제3 유닛 (1053)은 세가지 부분이 나란히 구성된다: 1) 로봇의 제2 유닛 (1501)의 원위 선단으로부터 연장되고 (1608)에 대해 측정된 길이 L1을 갖는 제1 직선 부분 (1602), 2) 제1 부분 (1602)의 긴 축 (1610)과 제3 부분 (1606)의 축의 인터섹션의 각으로서 정의된 각 F1에 의해 벤드되는 제2 벤딩가능 부분 (1604) 및 3) 길이 L2를 갖는 제3 직선 부분 (1606). 또한, 제3 유닛 (1053)은 1) 제1 직선 부분 (1602)의 길이 L1, 2) 벤딩 F1의 정도, 3) 제3 직선 부분 (1606)의 길이 L2, 및 4) 축 (1610) 주위의 전체 제3 유닛의 회전 F2를 조정하도록 독립적으로 작동되는 복수의 부품을 갖는다. 다른 측면에서, 도 14b에 나타난 바와 같이, 상기 네 개의 독립체는 제3 유닛의 팁 (1614)이 실린더 상의 임의의 지점에 도달하도록 허용하는 네 개의 자유도 DOF를 정의함으로써, 이에 따라 중재적시술 도구 또는 치료적 부품, 예컨대 보철 밸브 또는 어플리케이터를 조직의 타겟 부위에 전달하고 포지셔닝한다.
또 다른 측면에서 및 도 14c를 참조하면, 제3 유닛 (1053)은 실질적으로 그의 다른 부품보다 더 고형 부품 (1620)으로 구성되고, 축 (1610)을 따라 그의 축 동작은 벤딩이 제3 유닛의 장축을 따라 발생하는 부분에 실질적으로 상응하는 길이 L1을 정의한다. 그의 원위 선단에서, 부품 (1620)은 추가로 다른 부품 (1622)를 보유하고, 이는 다른 수단 축 (1610)에 대해 벤딩 또는 각을 유도하기 위해 제공된 성분 또는 기계적 수단을 갖는 "플렉시온" 성분으로서 지칭될 것이다. 플렉시온 성분은 추가로 직접적으로 또는 먼저 더 짧은 슬리브 (1626)을 벤딩시킴으로써 제3 유닛의 외부 시스 (1624)를 벤딩시킨다. 외부 슬리브는 추가로 그의 장축을 따라 이동하고 그의 연장은 길이 L2를 정의한다.
또 다른 측면에서 및 도 14d를 참조하면, 플렉시온성분은 벤딩의 정도 및 범위를 정의하도록 조절가능하게 연장되는 미리-벤딩된 성분으로 구성된다. 또 다른 측면에서 및 도 14e를 참조하면, 플렉시온 성분은 액츄에이터에 의해 잡아당기는 경우 벤딩의 조정가능한 정도 및 범위를 유도하는 단일-스트링 풀 배열로 구성된다. 또 다른 측면에서 및 도 14f를 참조하면, 플렉시온 성분은 각진 방식으로 커팅되는 두 개의 실린더로 구성되고, 이들은 벤딩의 조정가능한 정도 및 범위를 유도하기 위해 서로에 대해 하나를 회전시킨다.
또 다른 바람직한 실시예에서 로봇 머니퓰레이터를 위한 원격 액츄에이터 및 원격 작동을 위한 수단이 제공된다. 원격 작동은 로봇을 액츄베이트하기 위한 파워가 로봇으로부터 원격으로 만들어진 후 이 부위로부터 "액츄베이션 라인"을 통해 로봇으로 전달되는 배열을 설명한다. 이러한 파워는 전기적 파워와 같은 에너지원으로부터 입력을 필요로하는 컴퓨터- 또는 전기적-제어된 액츄에이터로부터 작동 라인으로 제공될 수 있고, 예로는 이들로 제한되지는 않지만, 전자기적 또는 압전기적 또는 유압식 또는 공기적 또는 임의의 다른 유형의 액츄에이터 또는 수동적으로, 오퍼레이터의 수동적 파워에 의한 것이 포함된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은, "리지드-액체"는 원격 액츄에이터이다. 리지드-액체는 본 발명의 중심 측면이고 유압식 또는 공기적 작동 및 액체 또는 가스가 리지드 성분, 예컨대 구체 및 피스톤 및 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 성분으로 치환되는 트랜스미션 시스템의 작동 원리를 기초로한다. 용어 "컨테이너 튜브/튜빙"은 "리지드-액체"가 이동하는 도관을 제공하는 튜브를 설명한다. 용어 "작동 라인(들)"은 작동을 전송하기 위한 파워 소스와 로봇 간의 링크를 설명한다. 바람직하게는, 로봇 머니퓰레이터는 로봇 머니퓰레이터로부터 원거리인 전자기적 모터 (EMM)에 제한되지 않는 것과 같은 액츄베이터를 이용하여 원격으로 작동되고, 작동은 복수개의 트랜스미션 라인 또는, 본 명세서에 작동 라인 또는 작동 트랜스미션 라인으로 지칭된 것과 같은 것을 이용하여 전송된다. 적어도 하나의 트랜스미션 라인이 로봇 머니퓰레이터 또는 로봇의 하나의 자유도의 작동을 위해 구성된다.
이 바람직한 실시예에서 및 도 15를 참조하면, 액츄에이터 라인 전체 또는 그의 부분은 통상적인 유압식 또는 공기적 시스템과 유사하며, 여기서 이는 일반적으로 내부 스페이스를 차지하는 매체, 튜빙 (2303), 즉 액츄에이터 (2301)과 어플리케이터 (2302)를 연결하는 호스를 디스플레이싱함으로써, 원격 위치한 액츄에이터 (2301)을 작동시킨다. 작동 라인은 전체 또는 부분적으로 플렉시블, 리지드 할 수 있거나 리지드 또는 플렉시블 부분의 조합일 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 및 도 16a를 참조하면, 대체가능한 매체는 튜빙 또는 컨테이너 튜빙 (2305)의 내부 스페이스를 채우는 일련의 구체 (2306)을 포함하고, 액츄에이터 (2301)의 근위 말단에서의 하나 (2307) 및 어플리케이터 (2302)의 원위 말단에서의 다른 하나 (2308)인, 두 개의 피스톤형 플러그를 사용하여 포함된다. 액츄에이터 2031은 피스톤형 플러그 (2307)을 변환시키고, 다음에 컨테이너 튜빙 2305 내에서 복수개의 구체 (2306)을 밀고 전진시킨 다음, 대체하고 추가로 피스톤 유사 플러그 (2307)를 선형으로 변환시키고, 다음에 어플리케이터 (2302)의 원위 단부에서 원격 선형작동을 제공한다. 또한, 컨테이너 튜빙 (2305)의 내측 또는 내부 직경 Id R튜브와 비교할 때 구체의 R구체 반경은 R튜브/2 <= R구 < R튜브이다. 대안적으로, 도 16b 및 도 16c에 나타낸 바와 같이 R구체 
(그러나 미만) R튜브이다.
본 발명의 이러한 바람직한 실시예에서 및 도 16b 및 16c를 참조하면, 링 또는 외경 (Od) R링을 갖는 워셔 (2310) 및 (2312)는 두 개의 인접 구체 또는 하나 이상의 쌍의 인접 구체 사이에 배치된다. 바람직하게는, 이것은 예를 들면, 이로 제한되지는 않지만, 구체를 중앙으로 유지할 필요성을 제거하기 위해 이행되고, 반대 방향으로 구체를 구동할 수 있는 인접 구체 사이의 마찰력을 제거할 수 있고, 도 16c에 나타낸 바와 같이 컨테이너 튜브 (2305)의 내벽과 구체 사이의 마찰력을 제거할 수 있다. 링 또는 워셔는 서로 문질러지는 것을 방지하는 갭 (2312)를 갖는 특정 거리로 구체를 유지하는 측면 내경 (Id)를 가질 수 있다.
하나의 측면에서, 도 16b에 나타낸 바와 같이, 링 또는 워셔 (2013)의 직경 R링은 컨테이너 튜브 R링 < R튜브의 Id 보다 더 작다. 다른 측면에서, 도 16c에 나타낸 바와 같이, 링 또는 워셔 (2311)의 외경 R링은 컨터이너 튜브의 Id 보다 약간 더 작은데, 즉 R링 >> (그러나 미만) R튜브이다. 액츄에이터에 대한 이들 바람직한 측면에서, 액츄에이터 라인은 당업계에 알려진 지식을 기반으로 구성된다. 특히, 사용되는 모든 재료는 특정 영상 양상의 사용을 위해 우선적으로 양립가능하고 안전하다. 또한, 재료는 접촉된 서로에 대해 움직이는 두 개의 물체의 모든 표면 또는 지점 사이에 마찰을 최소화하기 위해 선택된다. 비-제한적인 예에서, 컨테이너 튜빙의 내부 표면은 (i) 컨테이너 튜빙이 그의 전체로 구성되는 재료이고/이거나 (ii) 영구적이거나 재-적용할 수 있는 저 마찰층의 존재의 결과로서 구체 또는 링/워셔 또는 피스톤에 대해 낮은 마찰을 가질 수 있다.
바람직하게는, 구체 (2306)은 견고한, 비-압축성, 비-탄성, 재료 예를 들면, 이들로 제한되지는 않지만, 유리, 고강도 폴리머, 강화 폴리머, 복합재, 스테인레스 강 등으로 만들어진다. 구체 (2306), 링/워셔 (2310), (2311), 컨테이너 튜빙 (2305), 또는 층이 적용되는 경우 그의 내부 표면의 재료는 당해 기술분야에 알려진 재료 가운데 우선적으로 선택되어 그들의 상대적 마찰을 최소화한다.
다른 실시예에서 및 도 16d를 참조하면, 스트링 또는 플렉시블 와이어 2316은 구 내부에 만들어진 채널 및 푸쉬-풀 라인의 이행을 허용하는 그의 측경을 따라 통과할 수 있다. 이 실시예의 측면에서, 스트링 또는 와이어는 그의 원위 말단에 고정된다.
또한, 본 발명의 이들 바람직한 실시예에서 및 도 16E-16F를 참조하면, 튜빙 (2305), 구체 (2306), 및 링, 또는 트랜스미션 라인 (2300)의 제조를 위해 필요한워서 또는 부싱 (2310) 또는 (2311) 부품의 대타겟인 파라미터가 도시된다. 도 16E에서 튜빙, 구체, 부싱을 포함하는 트랜스미션 라인은 길이 L1을 갖는다. 각각의 대타겟인 구체는 직경 Spd를 갖고 튜빙은 내부 직경 Tubd 또는 도 16a에서 참조되는 바와 같은 Id 튜브를 갖는다. 대타겟인 부싱은 구체와 내부 직경 bhd 간의 길이 bhL를 갖는다. 또한 이들 파라미터는 마찰, 전달력, 작동의 대역폭, 및 직선성의 정도에 따라서 수행에 영향을 미친다. 클리어런스가 요구되어 Spd < Tud가 되고 구의 정렬을 유지할 수 있다. 마찰을 감소시키기 위해 구체의 수를 감소시키면, 부싱 길이 bhL은 증가할 수 있다. 더 긴 부싱은 추가적으로 마찰을 감소시키고 트랜스미션의 효율을 높인다.
바람직하게는, 튜빙은 플렉시블, 비-확장성, 즉 횡력 하에서 직경을 변화시키지 않고, 측상으로 비-신축성 재료로 만들어진다. 후자의 두가지 특성은 라인의 직선성 및 비-압축성을 유지하는데 중요하다. 도 16F에서 횡단면도를 참조하면, 튜빙 (2305)는 추가적으로 윤활을 제공하는 내부 슬리브형 부품 (2317) 및 비-확장성인, 횡 면을 따라 강성을 제공하는 외부 슬리브 (2319)를 포함할 수 있다. 외부 슬리브는 표준 또는 개조된 재료를 포함할 수 있고 공기압 또는 유압계와 유사하게 제조된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 17a-17G를 참조하면, 컨테이너 튜브는 개구부 및 키/링크를 포함할 수 있다. 도 17a에 나타낸 바와 같이, 컨테이너 튜브 (2305)은 하나 또는 복수개의 개구부 (2320)을 가지며, 이것은 (i) 구체 (2306) 및 링/워셔 (2310)이 개구부로부터 빠져나오는 것을 방지하고, 및 (ii) 정렬의 변위, 액체-리지드의 변위 동작과 같은 어떤한 식으로도 영향을 받지 않기 위해 충분히 "작은" 것으로서 적절하게 선택되는 아크를 갖는다. 대안적인 측면에서 도 17b에 나타낸 바와 같이 R구가 R링 보다 큰 경우, 및 도 17c에 나타낸 바와 같이 R구가 R링 보다 작은 경우 개구부 (2320)를 갖는 작동 라인을 통과할 수 있다. "리지드-액체" 방법은 특히 당해 기술분야에 알려진 적절한 기계적 제조 프랙티스에 의해 도입되는 전통적인 공기압 및/또는 수압계 액츄에이터와 비교할 때 독특한 이점을 제공는데, 작동을 전달하기 위한 컨테이너 튜브의 길이를 따르는 하나 또는 복수개의 개구부 2320이다. 이 특성은 이행 작동을 위해 독특한 설계 및 제조 능력을 제공한다.
본 명세서에서 키/링크로서 지칭되는 피스/부분 (2325)는 개구부 (2321) 외부로 연장되는 플러그형 형상을 갖고 추가적으로 도 17d에 나타낸 바와 같이 컨테이너 튜브 (2305) 내부를 움직이는 블럭 (2326)의 부분이거나, 또는 도 17E에 나타낸 바와 같이 하나 또는 복수개의 링/워셔 (2327)의 확장이며,이런식으로 "리지드 액체"는 컨테이너 튜브 (2305) 내측에 전진하기 때문에 블록 (2326) 및/또는 링/워셔 (2327)를 변환시키고, 그 결과 작동 라인을 따라 및 리지드 액체와 동시에 키/링크 (2325)를 변환시킨다. 바람직하게는, 키/링크 (2325)는 이행 (2328)에 연결되고, 이는 우선적으로 컨테이너 튜브/작동 라인 외부에 위치하고, 작동 라이에 병령 변화하고 컨테이너 튜브/액츄에이TUS 라이 내부의 리지드-액체 동작의 동작에 대해 동시성이다.
작동된 이행 (2328)은 리지드-액체의 동작과 관련되거나 관련되지 않는 레일 상에 슬라이드된다. 도 17F에 나타낸 봐와 같이, 작동된 이행 2328은 1) 로봇 머니퓰레이터의 어플리케이터 및 직선형 DOF를 따라 이 어플리케이터의 변환을 제공하는 것, 2) 로봇 머니퓰레이터의 어플리케이터의 DOF의 하나의 기계적 구조 및 이 축을 따라 변환을 제공하는 것, 3) 작동에 의해 야기된 정확한 변환을 측정하기 위해 포지션 인코더의 무빙 성분, 4) 임의의 형태의 포지션 측정 장치의 무빙 성분, 예를 들어 작동에 의해 야기된 정확한 변환을 측정하기 위한, 광 기반 측정 장치의 반사성 성분이지만 이로 제한되지 않는 것, 5) 영상 양상을 사용하여 스페이스 내에 특정 지점의 모션을 모니터링하는 것을 가능케하는 기준 마커, 및 6) 임의의 목적을 위해 "리지드-액체"에 공시성을 변환시키기 위해 필요한 임의의 다른 유형의 어플리케이터 또는 장치이거나, 또는 이에 연결된다. 작동된 이행(2328)은 작동 라인에 의해 제공된 변환 작동을 다른 유형의 동작 예를 들면, 이들로 제한되지 않지만, 회전적 또는 변환적 각으로 또는 작동 라인의 변환 축에 대하여 일정 각으로 변환하기 위한 기계적 어셈블리이다. 컨테이너 튜브 (2305) 내부를 움직이고 키/링크 (2325)를 보유하는 블럭 (2326)은 대안적으로 컨테이너 튜브 2305의 Id 보다 더 작도록 이행될 수 있고 도 17G에 나타낸 바와 같이 그의 트레블링 길이를 따라 연장되는 복수개의 레일(2330) 상에 슬라이드한다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 도 18a-18b 및 도 19a-19b를 참조하면, 컨테이너 튜빙은 리지드 또는 솔리드한, 즉 비-유연성인 하나 이상의 부분(들)을 가지고 구체로써 리지드-액체를 포함할 수 있고/있거나 피스톤을 포함할 수 있다. 예를 들면, 컨테이너 튜빙은 구를 갖는 플렉시블 컨테이터 튜빙, 구를 갖는 리지드 컨테이너 튜빙 또는 피스톤을 갖는 리지드 컨테이터 튜빙일 수 있다. 이 실시예에서, 도 18a에 나타난 바와 같이, 플렉시블 튜빙 (2355)와 함께 리지드 컨테이너 튜빙은 바람직하게는 작동 라인의 다양한 영역에서 사용된다. 비-제한적인 예에서 튜빙의 조합은 1) 작동 피스톤 어셈블리 (2307)이 위치하는 곳인 라인의 근위 말단 2350에서, 2) 전달 피스톤 또는 키/링크 어셈블리 (2325)가 위치하는 곳인 라인의 원위 말단 2360에서, 3) 플렉시블 (2351)일 필요가 없는 작동 라인의 임의의 부분, 및 우선적으로 긴 직선 존 또는 미리정의된 비-직선 존을 우선적으로 가로지르는 부분 또는 4) 임의의 이유를 위해 키/링크 (2315)의 적용에 대해 적절한 이전 실시예에서 논의된 바와 같은 라이의 작동을 모니터링하기 위해 또는 딜리버링 작동을 위해 사용되는 작동 라인의 임의의 부분에서 사용될 수 있다.
또한, 도 18b에 나타낸 바와 같이, 보어 (2359) 내부에 위치하는 로봇 머니퓰레이터 (2370)의 복수개의 DOF를 작동하는 복수개의 작동 라인의 이행은 여러가지 양상을 기초로 한다. 이행은 액츄에이터 (2371)의 사이트로부터 로봇 머니퓰레이터 (2370)의 근위로 연장되는 복수개의 직선 및 리지드 컨테이너 튜브를 기초로 하고, 이들 튜브는 영상 스캐너의 환자 카우치 (2358) 상에 우선적으로 컴팩트되고, 포장되고, 확보된다. 또한, 작동 라인의 복수개의 상기 언급된 직선 및 리지드 부분의 원위-말단, 즉 로봇 머니퓰레이터의 근위에서 말단은 그의 원위 말단이 추가로 로봇 머니퓰레이터 (2370)의 DOF의 무빙 부분 상에 고정되는 상응하는 복수개의 플렉시블 컨테이너 튜브 (2355)에 연결된다. 또한, 복수개의 플렉시블 컨테이터 튜브 (2355)의 원위 말단은 추가적으로 로봇 머니퓰레이터의 상응하는 DOF에 대한 작동 유닛을 포함하는 복수개의 리지드 컨테이너 튜브 (2361), (2362), (2363)에 연결된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 19a를 참조하면, 튜빙의 임의의 직선 부분에서 구체는 1) 그의 길이가 적어도 피스톤의 길이에 상응하는 DOF의 엑츄에이션을 위해 필요한 거리를 더한 것인 리지드 튜브 (2322), 2) 그의 바디의 임의의 플렉시온 또는 벤딩을 최소화하는데 적절한 재료로 구성된 피스톤, 3) 피스톤의 저-마찰 직선 모션을 위해 튜빙 상에 부착되고 길이를 따라 복수개의 베어링 (2323), 뿐만 아니라 추가적인 피스톤의 임의의 플렉시온을 제거하기 위한 피스톤 바디의 지지로 구성되는, 튜빙 (2305)의 축을 따라 직선적으로 라이드하는 피스톤 (2321)로 치환될 수 있다. 이러한 실행은 특히 마찰 감소에 특히 유리하다. 이 실시예에 따라, 도 18b의 복수의 스트레이트 작동 라인 (2350)은 구체 대신에 이러한 피스톤을 가질 수 있다.
이 실시예에 따르면 도 19b는 구체를 갖는 플렉시블 튜빙 (2305)와 피스톤 (2321)을 갖는 리지드 직선 튜빙 (2305)의 조합을 갖는 이러한 작동 라인의 예를 도시한다. 이 경우에, 작동은 근위 말단으로부터 시작하는, 1) 컴퓨터-제어 구동되거나 수동적으로 파워화된 작동 메커니즘, 2) 그의 하나의 말단에 작동 메커티즘 상에 고정되는 피스톤 어셈블리, 3) 절차가 수행되도록 위치되는 환자의 부위에서 영상 스캐너의 중심에 대한 작동 메커니즘으로부터의 거리를 횡단하는 긴 피스톤 어셈블리, 4) 리지드 컨테이너 튜빙 또는 그의 세그먼트 내로 집입하는 피스톤의 다른 말단, 5) 플렉시블 컨테이너 튜빙 또는 동일한 Id의 그의 세그먼트에 부착되는 리지드 컨테이너 튜빙, 6) 동일한 Id의 다른 리지드 튜빙에 부착되는 플렉시블 컨테이너 튜빙의 원위 말단, 및 7) 제1 리지드, 플렉시블 및 작동 구로 채워진 제2 리지드 컨테이너 튜빙을 포함한다. 또한, 이러한 다중 셋업은 이로 제한하는 것은 아니나, 다른 양상의 프로브의 이동과 같이, 작동을 요구하는 의학적 개입 또는 다른 과정을 수행하기 위해, 작동 머니퓰레이터의 다중 자유도를 작동시키기 위해 조합되고 축 방향으로 배치된다.
도 19c-19E는 로봇 장치의 이행 및 1) 파워 유닛 (2324)로부터 로봇 베이스 (1510) 상의 로봇의 작동된 부분의 부근으로 연장하는 피스톤 (2321)을 갖는 복수개의 리지드 튜브 (2322), 2) 리지드 튜브의 원위 말단으로부터 로봇까지의 트랜스미션 패스를 지속하는 구 및 부싱으로 채워진 복수개의 플렉시블 튜브로 구성되는 리지드 액체 트랜스미션 라인 (2300)을 갖는 그의 작동을 도시한다. 리지드 튜브/피스톤 조합은 움직이지 않는 작동 라인의 부분에 대해 사용되고 플렉시블 튜브는 작동되도록 작동을 전송하기 위해 이동 또는 플렉스 또는 벤드하는 것을 필요하고, 이에 따라 로봇의 부분을 움직이는 라인의 부분에 사용된다. 도 19c는 환자 카우치 (2358)의 말단에 배치된 모터를 도시하고, 도 19d는 MR 스캐너 룸 (2321)의 벽 뒤에 배치된 모터를 도시하며, 여기서 와이어는 웨이브가이드 (2332)와 같은 적절한 도관을 통해 스캐너 룸 벽을 통화하고 도 19E는 환자 카우치의 측면 모서리에 배치된 수동적으로 작동된 모터를 도시한다.
이들 실시예 및 도 20a-20H를 참조하면, "리지드-액체" 작동 라인을 액추에이트된 부품에 링크하는 예를 나타낸다. 키 링크 (2325)는 리지드 액체 작동 라인에서 하나 또는 복수개의 개구부 (2320)을 통해 작동된 이행 (2328)로 링크될 수 있다. 하나의 측면에서, 도 20a에 나타낸 바와 같이, 키 링크 및 작동된 부품은 리턴없이 직선 작동을 위해 링크된다. 다른 측면에서, 도 20b에 나타낸 바와 같이, 링크는 리지스팅 또는 로딩된 스프링 (2380)를 갖고 리턴하는 직선 작동을 가능케한다. 다른 측면에서, 도 20c에 나타낸 바와 같이, 링크는 회전성 작동에 대한 직선의 전환 및 랙-앤드-피니언 작동된 부품을 통한 그 반대의 경우를 가능케한다. 또 다른 측면에서 도 20d에 나타낸 바와 같이, 링크는 회전성 작동에 대한 직선의 전환 및 레버 작동된 부품을 통한 그 반대의 경우를 가능케 한다. 또 다른 측면에서 도 20E에 나타낸 바와 같이, 링크는 회전성 작동에 대한 직선의 전환 및 타이밍 벨트 작동된 부품을 통한 그 반대의 경우를 가능케 한다. 이들 측면에서, 화살표로 나타낸 바와 같이, 회전은 동일 방향으로 푸싱함으로써 또는 반대 방향으로부터 함께 푸싱함으로써 성취된다. 또 다른 측면에서, 도 20F 및 도 20G에 나타낸 바와 같이, 이행의 작동은 양 방향 직선 작동을 통한 것이다.
이 실시예에 따르면, 트랜스미션 라인의 패스는 도 20H에 나타낸 바와 같은 로봇의 구조 내로 포매될 수 있다. 이중-헤드 화살표는 트랜스미션 라인의 패스를 보여주고, 장치의 동일한 포지션에서 트랜스레이팅 및 진입 및 존재하는 구체 내로, 로봇 구조 내로 포매되는 구조 또는 부품에 의해 대표된다. 이는 디플로이먼트에서 압축성 및 기능성을 추가로 촉진하기 위해 로봇의 동일한 위치로부터의 진입 및 존재하도록 트랜스미션 라인을 지시하는 이점을 가진다. 또한 링크 또는 구조 또는 부품은 추가적으로 인터페이스의 적절한 형태를 갖는 구체 상으로 직접적으로 연관된다. 예를 들면, 링크 그 자체가 구체를 분리할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 21a-21c를 참조하면, 리지드 액체 라인의 다중 라인을 작동시키는 방법이 도시된다. 두 라인의 직선 작동을 위한 일반적 셋업이 도 21a에 도시된다. 모터 스크류 (2411)을 갖는 직선 모터 (2410)은 작동 피스톤 (2304a,b)에 직선적으로 커플링된다. 작동 피스톤은 리지드-액체 작동 구체 (2306)을 포함하는 컨테이너 튜브 (2305) 내에 이동적으로 배치된다. 직선 모터 및 컨테이너 튜브는 베이스 (2420)에 의해 지지된다 최소 튜브 길이는 피스톤의 스트로크와 동일하다. 컨테이너 튜브는 리지드 또는 플렉시블 튜빙의 임의의 조합일 수 있다. 피스톤은 리지드-액체 어셈블리에 대해, 블럭 화살표로 나타낸 바와 같이, 상호적 모션으로 튜브를 따라 직선으로 이동한다.
도 21b는 두 개의 피스톤 (2304a,b,c,d)가 커플러 (2412a,b)를 통해 직선 모터 (2410)을 포함하는, 모터 스크류 (2411)에 직선적으로 커플링되는 것을 제외한 도 21a의 셋업을 도시한다. 피스톤의 각각의 쌍은 작동 동안, 블럭 화살표에서 나타낸 바와 같이, 각각의 튜브를 따라 상호적 모션으로 균일하고 직선적으로 움직인다.
도 21c는 커플링된 다중-자유도 작동을 도시한다. 베이스 (2420)은 도 21a에 나타낸 바와 같이 제1 직선 모터 (2410), 모터 스크류 (2411), 피스톤 (2304a), 및 튜브 (2305a) 구조를 지지한다. 베이스 (2420)은 또한 그의 원위 말단에서 제2 튜브 (2305e)을 지지한다. 제2 베이스 (2440)은 제2 튜브 (2305e) 내에 배치, 제2 직선 모터 (2430), 모터 스크류 (2431) 및 피스톤 (2304e)를 지지한다. 제2 베이스 (2440)은 제2 직선 모터 (2430)이 피스톤 (2305e)를 움직이는 동안 제1 직선 모터 (2410)에 의해 움직인다. 따라서, 제1 직선 모터는 제1 피스톤 (2305a)를 작동시키는데, 그 이유는 이것이 제2 베이스 (2440)을 움직이고, 제2 피스톤 (2305e) 또한 움직이고, 이에따라 커플링된 작동이 제공되지 때문이다.
또 다른 바람직한 실시예에서 전동 작동이 수행될 수 있으며, 이는 복수개의 전자 모터 비변형 또는 변형(1-2)로 제한되는 것은 아니다. 안내 양상이 MRI인 경우, 비변형 모터 및 그의 와이어는 전자기적 방해를 제거하기 위해 적절한 전자기적 쉴드 내로 둘러싸이는 것이 필요할 수 있다. 또한, 모터는 강자성 또는 상자성 물질로 제조된 경우, 재료는 MRI 스캐너의 자기장으로 인해 원하지 않는 이동을 방지하도록 고정되어야만 한다. 변형 전자 모터는 MRI 스캐너의 자기장을 사용하는 것보다는 비강자성 또는 상자성 재료로 및, 추가적으로, 영구자석 없이 특이적으로 제조할 수 있다. 이러한 경우에, 정확한 수행, 예를 들면 모터(들)의 토크 및 화전 속도는 모터(EMFd의 특정 포지션에서 MR 스캐너의 자기장 bO의 강도에 의존할 것이다.
특별히 만들어진 모터의 경우에, 이들은 1) 모터의 정확한 포지션에서 자기장을 측정하기 위한 Hall 프로브, 및 2) 회전 속도 센서, 예를 들면 옵토커플러와 함께 장착된다. 시그널이 샘플링되고, 프로세스되고 로봇의 제어 유닛으로 전송되고, 여기에서 예를 들면 포매된 프로세서 및 닫힌-루프 제어 루틴을 통해, 토크 및 회전 속도를 조절하기 위한 모터의 와인딩에 대해 전압이 적용되도록 조정하기 위해 사용된다. 선형관계는 인가된 전압과 달성된 회전속도 사이에 예상되며 또한 특별한 범위의 전압치에 대한 토크를 제공하였다. 유닛은 특수한 MR 스캐너의 조작을 계측하고 및/또는 로못의 실행을 진단하기 위해 로봇의 고정 위치에서 모터를 구동하는 계측 루틴을 추가로 도입할 수 있다. 계측은, 이들로 제한되지 않지만, 전압을 단계적으로 변화시키고, 공급된 토크 및 회전속도를 측정하고, 모터에 적절한 전압을 세팅하는 오퍼레이터에 의한 입력과 함께 또는 자동적으로 반응 곡선을 발생시킴을 포함한다. 또한 모터는 트랜스미션 라인를 파워하는 회전속도의 적절한 감소비를 전달하는데 적절한 기어를 도입할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서는, 리지드 액체 조작을 위한 로봇 장치를 스테이징하는 예들이 제공된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 리지드 액체 작동 어셈블리는 도 22a에 나타낸 바와 같이 X- 및 Y-축을 따라 동작을 위한 로봇 머니퓰레이터를 작동한다. 스테이지 (3001)은 로봇 머니퓰레이터용 개구부(3002)를 포함한다. 스테이지는 MRI z-축 (3015)을 따라 레일 (3010a,b) 상에 스테이지 블록(3004a,b) 사이에 이동한다. 레일 (3010c,d)은 단부 블록 (3005a,b) 사이에 MRI x-축 (3020)을 따라 작동을 가능하게 한다. 레일들은 리지드 액체 작동 어셈블리용 컨테이너 튜브를 포함한다. 또한 이 실시예에서, 도 22b에 나타낸 바와 같이 스테이지의 상부 조합도는 레일 (3010a,b,c,d)을 포함하는 컨테이너 튜브(2305a,b,c,d)가 동일 튜브 내에 리지드 및 플렉시블, 벤드 가능한 부품들을 포함하는 것으로 나타낸다.
또한 관련된 실시예에서는 도 23a-23b에 나타낸 바와 같이 MRI z-축 (3015)를 따라 조립 및 확대된 도이다. 스테이지 (3001)은 x-축을 따라 지정된 방향 (3015)으로 레일 (3010a,b)를 따라 스테이지 블록 (3004a,b) 내에 이동한다. 스테이지 블록은 말단 블록(3005a,b)으로 적절하게 유지된다. 이와 관련된 추가 실시예에서 도 23c-23d는 레일 (3005c,d)을 갖는 말단 블록 (3005c,d)을 도시하며, 이를 따라 말단 블록 (3005a,b)는 MRI x-축 (3020)을 따라 이동한다. 스테이지 및 말단 블록은 스테이지 블록을 포함한다. 스테이지 및 말단 블록은 스테이지 블록 (3030)을 포함한다(도 24a 참조). 부품들은 예를 들면 나사 및 너트와 함께 고정될 수 있다. 세이딩 영역은 레일 내에 포함된 스테이즈의 부분들을 나타낸다.
이 실시예에 따르면, 도 23e-23l는 4 DOF를 작동하기 위해 리지드 액체 트랜스미션을 사용하는 4 DOF 원형의 디자인을 나타낸다. 이것은 상술한 실시예에 기초하여 이러한 로봇이 실행되고 구성될 수 있는 하나의 대타겟인 방법이다. 도 23E 는 다음을 포함하는 로봇의 측면도이다: 1) 3개의 스테이지: 스테이지 (3008)의 DOF 축에 직교하는 하나의 DOF를 가지는 (3009, 3008)의 축에 평행하며 또한 스테이지 (3008)의 DOF에 직교하는 하나의 DOF를 가지는 (3007). 2) 장치(3012c)를 가지는 두 개의 유니버설 패시브 조인트(3012a) 및 (3012b), 3) 다수개의 고체액체 ㅌ트랜스미션 라인, 이 경우에 DOF의 양방향 작동을 도 20g과 관련하여 실시예의 특별한 이행을 제공하기 위해 짝을 이루는 것들 (3010a-h)중의 8개, 4) 스테이지 (3007) 내지 (3009) 상의 채널에 트랜스미션 (3010a-h)를 물리적으로 링크하는 연결부 (3011a,b,c). 이 장치의 DOF는 장치의 평면에 의해 정의되는 축 및 그에 직교하는 축에 대하여 개재성 장치 (3012c)의 3d 스테이지에서 위치 및 배향을 세팅하기 위해 여기에서 논의된 바와 같은 두 개의 평행한 2d 스테이지와 동등한 조장성을 제공하기 위해 적절히 배향된다.
이 실시예에서, 도 23F는 화살표로 표시된 상기 장치의 4 개의 DOF 및 2 개의 유니버설 조인트 (3012a,b)를 수반하는 2 개의 캐리지 3023a,b를 추가로 묘사하는 3 개의 스테이지 (3007), (3008) 및 (3009)를 도시한다. 도 23G은, 이러한 경우, 2 개의 스테이지 (3007) 및 (3008)인 작동 부분과 고형 액체 트랜스미션 사이의 기계적 링크 (3016a) 및 (3016b)를 추가로 묘사하는 중간 스테이지 (3008)를 나타낸다. 상기 스테이지는 3 개의 층 (3013a,b) 및 (3014)으로 제조된다. 이러한 샌드위치형 방법을 채널 및 다른 부분의 용이하고 저비용인 CNC 생성을 위해 사용하였다. 층 (2013a) 및 (2013b)은, 평행하고, 층 (3014)의 중심을 통과하는 평면에 대해 서로 각각 거울상이다. 유사하게, 층 (3014)의 2 개의 표면은, 평행하고, 층 (3014)의 중심을 통과하는 평면에 대해 서로 각각 거울상이다. 이러한 대칭성은, 스테이지 (3008)의 각각의 DOF가, 각 측면에서 스테이지 (3008)에 접속되는 스테이지 (3007) 및 (3009)에서 하나를 작동시키기 때문이다 (참조 도 20e). 또한 이러한 실시예의 일 측면에서, 스테이지 (3008)의 2 개의 DOF는 다른 2 개의 스테이지를 각각 연속 이동시킨다. 또 다른 측면에서, 한 개의 DOF를 갖는 스테이지 (3007) 및 (3009)는 스테이지 (3008)에서 2 개의 DOF의 축에 수직 방향을 따라 캐리지 (3023a,b)를 이동시킨다.
또한, 도 23H 및 삽도 23I는 층 (3013a)이 제거된 스테이지 (3008)의 상세도를 나타낸다. 작동 라인 (3010c) 및 (3010d)는 전체 스테이지 (3009)의 모션을 작동시키고, 라인 (3010e) 및 (3010f)은 전체 스테이지 (3007)의 모션을 작동시킨다. 특히, 일 측면 및 도 20G의 2 방향 트랜스미션과 관련하여, 상기 고형 유체 (구체)는 튜브 (3010c)에 의해 공급되는 로봇의 바디로 유입되고, 채널 (3017) 컷아웃에서 로봇의 바디로 이동한다. 또한, 상기 채널은 상기 고형 유체를 180 도 회전시켜, 다른 튜브 (3010d)로 되돌아 가도록 한다. 또 다른 측면 및 도 20h를 참조하여, 상기 고형 액체 트랜스미션의 구체는, 치아 모양의 인터페이스를 갖는 기계적 링크 (3016a)를 직접 맞물리게 한다. 공기적인 것 또는 공기적인 것들에 대한 무누설 고형 액체 트랜스미션 작동의 한 가지 주요 이점은, 개구부가 상기 트랜스미션을 상기 작동 부분과 결합시키기 위해 컷아웃이 존재하지 않고, 샌드위치형 구조가 실행되고, 피스톤 이동의 공급이 요구되지 않는다는 것이다. 이것은 저비용으로 간편한 제조 및 유지를 가능하게 한다. 도 23j는, 캐리지 3023a인 작동 부분의 2 방향 모션의 2 개의 튜브 (3010a) 및 (3010b)를 추가로 묘사하는 중간 스테이지 (3008)를 나타낸다. 상기 스테이지는 2 개의 층 (3021) 및 (3022)으로 제조된다.
도 23K 및 삽도 23L은, 도 23H를 참조로 추가로 도시되는 본 발명의 실시예에 적절한 유사 측면을 도시하는 것으로서, 층 (3021)이 제거된, 스테이지 (2007)에 대해 거울상인 스테이지 (2009)의 상세도를 나타낸다. 채널 (3024)은 스테이지 (3009)의 2 개의 층 (3021) 및 (3022)의 바디로 절개되어, 고형 액체 트랜스미션의 구체의 경로를 생성한다. 작동 부분 캐리지 (3023a)는, 상기 트랜스미션의 구체가 직접 맞물리는 치아 모양의 인터페이스를 갖는다.
이러한 실행의 예로서, 작업 구성은 0.65 ± 0.5 mm 간격을 이용하여, 기성품인 나일론 튜빙 (7mm Id) 및 유리 또는 HdPE 6.35 mm 구체로 달성하였다. 부싱 (6 mm Od, 4.5 mm Id, 3 mm)은 상기 구체와 교차 배치하여, 얼라인먼트를 유지시켰다. 프레임-내재 채널 (참조 도 20H) 내에서, 부싱 없는 성공적인 작동은, 반경이 12 mm인 곡선형의 경로 밴드 및 간격이 ~0.3 mm의 간격으로 달성되었다. 7 m 길이 및 표준 NEMA 23 노광기 모터에 의해, 밴드 직경이 ~33 cm인 스트레이트 또는 스풀 트랜스미션 라인이 1.3 ± 0.6 mm의 정확도, 거의 검출불가능한 백래시, 및 14 Hz의 대역폭, ± 32 mm로 획득되었다. MR 스캐너실 외부의 모터는 SNR 감성 (degradation)을 초래하지 않았다. 컴퓨터 수적 컨트롤 (CNC)에 의해, 월등한 강도 및 작은 마찰 계수를 갖는 폴리에테르 에테르 케톤 PEEK® 및 수지 Ultem®로 프로토타입을 제조하였다.
이 실시예에 추가하여, 도 24a-24b는, z-축 및 x-축을 따른 작동에 대해, 로봇 머니퓰레이터의 스테이지 블럭과의 관계에서 엑추에이터의 배열을 도시한다. 도 24a에 제시된 바와 같은 상부 횡단면도는 스테이지 블럭의 부품들을 함께 유지시키는 스테이지 블럭 (3030) 및 상기 나사/너트 (3031a,b)를 도시한다. z-축 (3015) 및 x-축 (3020)을 따른 이동 방향이 도시된다. 작동 구체 (2306)를 포함하고, 구체를 포함하는 컨테이너 튜브 (2305)를 포함하는 레일 (3010a)는 스테이지 (3001) 또는 스테이지 블럭 (3030)을 그의 길이를 따라 이동시킨다. 상기 컨테이너 튜브는, 상기 스테이지 (3001)에 연결되는 키 링크 (2325)가 통과하는 개구부 (2320) 또는 2 개의 슬릿 (참조 도 24b)을 갖는다. 도 24b에서, 개구부 (2320)를 통해 작동 구체 (2306)를 스테이지 블럭 (3030)에 연결시키는 키 링크 (2325)가 제시된다.
또한, 도 25a-25b에 나타낸 바와 같이, 플렉시블, 리지드 튜빙의 크기는 커플링된 것과 동일할 필요는 없다. 도 25a에 나타낸 바와 같이, 표준 커플러 (3040)는, 내부 직경 Id이 동일한 리지드 컨테이너 튜빙 (2305r)의 세그먼트에 플렉시블 컨테이너 튜빙 (2305f)의 세그먼트를 결합시키는데 매우 적합하다. 플렉시블 튜빙 (2305f)가 리지드 플렉시블 튜빙 (2305r)의 리지드 튜빙의 내부 직경 Id2을 초과하는 경우, 그후, 이들이 결합된 작용점에서, 리지드 세그먼트의 Id2와 동일하게 될 때까지, Id1을 점차적으로 감소시키기 위해 퍼넬형 커플러 (3050)가 사용된다.
이들 바람직한 실시예에서, 로봇 머니퓰레이터는, 상이한 자유도 (DOF)의 로봇 장치를 작동시키기 위해, 오퍼레이터에 의해 수동으로, 인간 동력에 의해 작동된다. 수동 작동에서, 이들로 제한하는 것은 아니나, 전자기, dc 또는 노광기 또는 다른 유형의 모터와 같은 슬레이브 머니퓰레이터의 DOF의 작동을 위해, 무동력 지원 수단이 사용된다. 본 발명의 이러한 목적을 위해, 이들 수동 작동 수단은 본 명세서에서 수동 작동 유닛 또는 MAU로 언급된다. 특히, 저비용 시스템의 실행 및 스캐너 판, 및 특히 MRI 스캐너의 오퍼레이터의 경우, 수동 작동이 바람직하다. 수동 작용은 전자장치 및 소프트웨어가 없는 수동 작동, 영상 스캐너의 제어를 위한 전자장치 및 소프트웨어에 의한 수동 작동, i) 영상 스캐너에 추가하여 또는 ii) 영상 스캐너의 하드웨어/소프트웨어를 이용한 수단에 의한, 오퍼레이터 영상 정보로의 접속을 위한 전자장치 및 소프트웨어에 의한 수동 작동, 동력 지원으로의 바이패스로서 수동 작동, 및 오퍼레이터에 의해 제공되는 동력의 증폭을 위한 유압식 조립 수단에 의한 소극 지원 수동 작동을 포함할 수 있다.
또한, 상기 수동 작동 조립은, 이들로 제한하는 것은 아니나, 동력 지원 셋업과 관련된 유해 적용 또는 동력 상실 또는 기능 불량 메커니즘으로서 또는 과정 상 요구되는 것으로서 직접적 인간 개입 수단의 제공 및 전체 수동 작동 및 제어의 재개를 위해, 오퍼레이터가 동력 지원 셋업을 우회할 수 있도록, 예를 들어 기계적 바이패스 수단에 의한 전자기 모터에 의해 동력 지원 셋업에 평행한 리지드-유체 작동 라인에 연결될 수 있다. 또한, MAU는 오퍼레이터에 의해 제공되는 힘을 증폭시키기 위한 유압식 동력 증폭기에 추가로 연속 연결될 수 있다. 또한, 정확하게 최대 정지 마찰력 사이의 지원 힘을 설정함으로써, 작동 라인이 오퍼레이터의 저항을 감소시키도록 하게 하기 위해, 다른 유형의 지원 방법 또는 중량이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예 및 도 26a-26b를 참조하면, 머니퓰레이터 (4001)의 작동은 수동, 즉 MAU 수단에 의한 오퍼레이터에 의해 제공되는 동력, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 하나 이상의 손-작동 핸들 4002 또는 하나 이상의 발-작동 페달의 운동 수동 작동 조립 (MAA), 또는 상기의 것 중 2 가지의 임의의 조합 또는 임의의 다른 수단의 수동 작동에 의한다. 이러한 바람직한 실시예의 일 측면에서, 도 26a에 나타낸 바와 같이, MAU의 수동 작동은, 작동 로봇 머니퓰레이터의 정확한 운동학에 의해 그 수가 결정되는 것으로서, 복수의 작동 라인 (4003)을 통하여 로봇 (4001)에 전송된다. 또한, 작동 라인 (4003)은 전체적으로 또는 부분적으로 리지드-유체 방법에 기반하고, 리지드 또는 플렉시블 컨테이너 라인의 임의의 조합이다. 또한, MAU는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 로봇 머니퓰레이터의 운동학적 구조와 유사할 수 있다; 이러한 선택은, 구성, 오퍼레이터 학습곡선 및 작동에 있어서 직관성 및 용이성/직접성을 제공하는데 특히 바람직할 수 있다.
이러한 실시예의 바람직한 측면에서, 도 26b에 나타낸 바와 같이, 수동 작동 조립은, 슬레이브 머니퓰레이터 (4001)의 DOF의 원격 작동에 사용되는 리지드 유체 작동 라인의 적절한 조립에 추가로 연결된다. 슬레이브 머니퓰레이터 (4001)는, MAA (4002)를 조종하는 오퍼레이터에 이해 제공되는 수동 동력에 의해 수동으로 작동된다. MAA의 모션은, 예를 들어, 슬레이브 머니퓰레이터의 이러한 작동을 순차적으로 전송하는 리지드-액체 라인 (4003)의 작동을 야기한다. 또 다른 측면에서, 수동 작동 조립은, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 과정 자체에 의해 또는 cT 또는 형광투시법 x-선 안내에 의해 특정 영상 모드에서 요구되는 바와 같이, 보호벽 또는 장애물 너머 또는 스캐너실 외부에서, 마스터 머니퓰레이터로부터 이격된다. 또 다른 측면에서, 환자와 오퍼레이터를 근접시키고/거나 마찰을 감소시키기 위해, 수동 작동 조립은 환자의 테이블과 매우 근접하고, 슬레이브 머니퓰레이터어와 환자와의 거리는 최적화되고, 우선적으로는 최소이다. 이것은 영상 모드, 예를 들어 초음파 및 MRI에 특히 적합하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 27a-27c를 참조하면, MAU의 구조가 도시된다. 이러한 바람직한 실시예, 도 27a에 나타낸 바와 같이, MAU는, 로봇 머니퓰레이터가 엔드 이펙터 상의 이른바 개입 기기를 진행시키는 경로에 평행한 벡터 R 4010의 방향을 정의하기 위해 3d 공간에서 상기 핸들이 이동할 수 있도록, 2 개의 기계적 링크 (4006) 수단에 의해 근접 연결되는 바디 상의 2 개의 작용점을 갖는 핸들 (4005)이다. 2 개의 기계적 링크 (4006)는 또한 오퍼레이터의 이동 손으로부터 원격 로봇 (4001)으로 수동 작동을 전달하기 위해, 적당한 기계적 설비 (4007), 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나 피스톤-유사 엔티티를 통해 복수의 작동 라인에 기계적으로 연결된다. 2 개의 기계적 링크 (4006)는, 작동 라인을 통해 원격 로봇 (4001)의 해당 모션 및 핸들의 앵귤레이션을 가능하게 하는 유니버설 조인트 또는 3d 조인트이다.
이 실시예에서, 적어도 한 개의의 기계적 링크 (4006)은, 핸들의 앵귤레이션이 기계적 링크 (4006) 사이의 가변 거리를 요구한다는 사실로부터, 핸들이 자유롭고 소극적인 슬라이딩을 가능하게 하거나 또는 그럴 수 있도록 한다. 또한, MAU는 하나 이상의 DOF를 선택적으로 분리하기 위해 하나 이상의 발-페달을 포함한다. 또한 오퍼레이터 그립 (4005)는 도 27b에 나타낸 바와 같이, 2 개의 기계적 링크 (4006) 사이 또는 도 27c에 나타낸 바와 같이, 기계적 링크 (4006) 사이의 공간 외부에 존재한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 28a-28d를 참조하면, 수동-작동 로봇의 바람직한 배열 또는 구조가 제시된다. 이러한 배열에서, 오퍼레이터는, 환자가 위치하는 스캐너 판의 측면에 의해 높이가 조절가능한 의자에 서있거나 또는 앉아 있는다. MAU는, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, MAU가 오퍼레이터의 요구에 더욱 부응할 수 있도록, 측면 및 수직 조정으로 환자 판 및/또는 캐스터 및 브레이크, 선반으로 이동상에 우선적으로 고정된다.
또한, MAU는 로봇을 원격 작동시키기 위해, 영상 모드의 특정 수득 파라미터를 제어한다. MAU는, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 엔드 이펙터에 부착되는 이른바 개입 기기의 조종 경로를 따라, 로봇, 타겟 생체 및 생체 구조의 엔드 이펙터의 모션을 적용 및 포착하도록, 그 배향을 우선적으로 온 더 플라이 조정하는 평면과 같이, 처치 영역을 더 잘 포착할 수 있게 하기 위해, MR 스캐너의 좌표계에 대하여, 영상 판의 개수 및 배향을 포함하는 MRI 스캐너의 수득 파라미터를 제어한다.
이 실시예에서, MAU는, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 엔드 이펙터에 부착되는 이른바 개입 기기의 조종 경로를 따라 로봇, 타겟 생체 및 생체 구조의 엔드 이펙터의 모션을 적용 및 포착하도록, 그 배향을 우선적으로 온 더 플라이 조정하는 평면과 같이, 처치 영역을 더 잘 포착할 수 있게 하기 위해, 환자에 대비한 영상 판 또는 판들의 배향을 포함하는 기계적 초음파 프로브에 의해, 예를 들어 초음파 스캐너의 수득 파라미터를 제어한다. 또한, MAU는, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 엔드 이펙터에 부착되는 이른바 개입 기기의 조종 경로를 따라 로봇, 타겟 생체 및 생체 구조의 엔드 이펙터의 모션을 적용 및 포착하도록, 그 배향을 우선적으로 온 더 플라이 조정하는 평면과 같이, 처치 영역을 더 잘 포착할 수 있게 하기 위해, 환자에 대비한 영상 판 또는 판들의 배향을 포함하는 기계적 광학식 프로브에 의해, 예를 들어 광학식 스캐너의 수득 파라미터를 제어한다.
이 실시예에서, 도 28a에 제시된 바와 같이, 수동-작동 유닛 (4002)은 또한, 오퍼레이터가 핸들을 이동시킴으로써 유입되는 정확한 이동의 측정을 위해, DOF 상의 복수의 위치 인코더 (4021)로 장착된다. 또한, 위치 인코더의 신호는, 슬레이브 머니퓰레이터의 특정 DOF 또는 리지드-유체의 작용점의 전환을 측정하기 위해, 원위 말단 또는 임의의 다른 위치에서 리지드-유체 라인의 작동 라인 중 하나에 각각 배치된다. 위치 인코더 (4021)의 신호는, 적당한 종류의 인터페이스 (4023)에 의해, 전자장치 유닛 (4020)에 접속되는 배선 (4022)을 통해 전달된다. 이들로 제한하는 것은 아니나, 이른바 전용 이터넷 TcP/IP 연결 (4025)에 의한, 영상 스캐너, 이들로 제한하는 것은 아니나, 이른바 MR 스캐너 (4027)의 적절한 제어 유닛 (4024)으로의 물리적 연결.
또한 이 실시예에서, 도 28b에 나타낸 바와 같이, 유닛 (4020)은 적어도, 이들로 제한하는 것은 아니나, 내부연결 전자장치 부품을 포함한다. 유닛 (4020)은 메모리 (4031) 및 제거가능한 저장의 관련 종류를 갖는, 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 유닛 (4030)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유닛은 복수의 위치 인코더의 신호를 샘플링하고, 전자장치 유닛의 소프트웨어에 의해 사용되기에 적절한 형태로 디지털화하기 위해, 복수의 입력을 갖는 하나 이상의 전자장치 부품 4032을 포함할 수 있다. 이들 부품은 MAU로 오퍼레이터에 의한 모션을 정량화하기 위한 계수기 또는 기타 적절한 컨버터일 수 있다. 임의적으로, 그러나 바람직하게는, 상기 유닛은 또한, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, 디지털 I/O, 아날로그-디지털 컨버터와 같은 복수의 추가의 입력/출력 채널 (4033)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유닛은 하나 이상의 인터페이스, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 복수의 Universal Serious bus - USB (4034) 및 적어도 하나, 그러나 일반적으로는 복수의 이터넷 인터페이스 (4035)를 포함할 수 있다. 임의적으로, 그러나 바람직하게는, 상기 유닛은 또한, 추가 작업을 위한 추가 카드에 의한 확장을 위해 적절한 버스 4036를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 유닛은, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, USB 포트 또는 이터넷에 의해 연결되는 외부 PC를 통해 또는 키보드, 마우스, 터치 스크린, 적절한 인터페이스 (4037)에 의해 연결되는 LCD 디스플레이와 같은 것을 선택하거나 또는 파라미터를 유입시키기 위해 오퍼레이터용 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유닛은 임의적으로, 그러나 바람직하게는 백업 배터리 유닛 (4040)을 통해, 설비 (4039)의 동력 공급으로부터 직접적 입력을 위한 동력 인렛 (4038)을 포함할 수 있다.
또한 이 실시예에서, 도 28c에 나타낸 바와 같이, MAU 전자장치 유닛은 또한 MAU 전자장치 유닛의 단일 보드 실행의 부분일 수 있는 비디오 카드 4062를 포함한다. 대안적으로, 도 28d에 제시된 바와 같이, 비디오 카드 (4062)는 보드 상에 적합한 버스 (4036)를 사용하여, MAU 전자장치 유닛에 애드 온 (add-on)를 포함할 수 있다.
이들 바람직한 실시예에서, 중앙 프로세싱 유닛 또는 마이크로프로세서 및 관련 정자장치 부품은, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, PC104 표준 보드와 같이, 연결성 및 확장성을 갖는 다중 보드 또는 동일 보드 (참조 도 29b)의 부분일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 통합 회로로서, 필드-프로그램 게이트 어레이 (FPGA)에 기반하여, 단일 유닛 상에 구현될 수 있다. 또한 전자장치 유닛 (4020)의 작동은, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, 이것이 사용되는 경우, FPGA의 메모리에서 또는 외부 하드 드라이브 또는 Sd 카드와 같은 제거가능한 외부 메모리 유닛 또는 CPU의 RAM에, 전체적으로 또는 부분적으로 존재하는 재형상 및 확장성 소프트웨어 (4041)를 기반으로 한다.
또 다른 바람직한 실시예 및 도 29a-29b를 참조하면, 전자장치 유닛 (4020)에서 진행하는 소프트웨어 (4041)는, 원자료 및/또는 처리 데이타의 교환, 처리 실행 및 작업을 위해, 파이프라인을 통해 내부적으로 연결되는 소프트웨어 모듈을 포함한다. 이러한 바람직한 실시예에서, 도 29a에 나타낸 바와 같이, 소프트웨어는 오퍼레이터의 선택을 유입시키기 위한 모듈을 포함할 수 있고, 이러한 모듈은, 이들로 제한하는 것은 아니나, 터치 스크린 (4050)과 같은 인간-기계-인터페이스 종류를 통해 데이타를 수신한다. 이들 데이타는, 이들로 제한하는 것은 아니나, 영산 파라미터가 변환되는 바람직한 방법(4050) 및 로봇의 초기 기록의 좌표 (4049)일 수 있다. 이러한 모듈은, 오퍼레이터가 옵션을 발췌하도록 하기 위한 적절한 그래픽 객체를 가질 수 있다.
또한, 상기 소프트웨어는 MAU (4002)의 위치 인코더 (4021)에 의해 생성된 신호를 샘플링하고, 이를 적절한 형태로 변환하고, MAU에서 오퍼레이터에 이해 이루어진 해당 DOF의 정확한 이동을 측정하기 위한 모듈 (4032)을 포함할 수 있다. 상기 모듈의 출력은 위치 인코더 (4043)의 디지탈화되고 계산된 신호이다. 또한 상기 소프트웨어는 영상 스캐너의 좌표계에 대비하여, MA의 인코더로부터 공간 좌표로 디지털화된 신호 (4043)를 전환시키기 위한 모듈 (4042)을 포함할 수 있다. 이러한 모듈은 영상 스캐너의 좌표계에 대비하여, 로봇의 초기 기록의 좌표 (4045)를 이용한다.
또한, 상기 소프트웨어는 스캐너의 OEM을 특정화하는 포맷에 따라, 영상 스캐너로의 입력과 호환가능한 형태로 업데이트된 영상 파라미터 (4048)를 계산하기 위한 모듈 (4047)을 포함할 수 있다. 이러한 모듈은, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 터치 스크린 인터페이스 (4050)를 통해, 오퍼레이터가 사전 선택되거나 또는 온 더 플라이 선택되는 영상 선호도 (4046)를 이용한다. 또한, 상기 소프트웨어는 업데이트된 파라미터 (4048)를 영상 스캐너 (4024)로 온 더 플라이 송신하기 위한 모듈을 포함할 수 있다.
대안적으로, 도 29b에 나타낸 바와 같이, 위치 인코더 신호 디지털화 (4043)의 개별 실행 및 계수 부품 (4032) 및 관련 소프트웨어에서, 위치 인코더 (4021)의 디지털화되고 계산된 신호의 출력 (4043) 및 계수기를 포함하는 모듈 (4032)은 단일 보드 실행을 포함할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예 및 도 30을 참조로 하여, MAU 전자장치 유닛 (4020)은 영상 및 로봇 안내 정보를 융합하는 시각화 인터페이스의 오퍼레이터로의 일반화, 업데이트 및 프레젠테이션을 수행하기 위한, 추가의 하드웨어 부품 및 소프트웨어 모듈을 추가로 포함할 수 있다. 비제한 예로서, 상기 소프트웨어는, 영상 스캐너의 좌표계에서 상기 로봇 또는 로봇 어플리케이터 또는 로봇 엔드 이펙터 또는 그 일부의 실질적 재 프레젠테이션을 그래픽적으로 가능하게 하는 모듈 (4060)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 모듈은 영상 스캐너 좌표계으로 MAU 이동을 전환하는 모듈로부터 로봇의 위치에 대한 모든 적절한 정보를 수신한다. 또한, 이러한 모듈은 외부 메모리 매체로부터 또는 유닛, 보드 상에 저장된 데이타 베이스 (4062)로부터 로봇의 기하학적 특성 및 치수에 대한 정보를 수신한다.
또한 상기 소프트웨어는 (1) 직접 영상 스캐너 (4024)로부터 유닛에 의해 수신되는 실시간 수술중 영상 (4063)의 공급을 갖는 모듈 (4060)에 의해 생성된 것을 상기 로봇과 융합시킴으로써 시각화 화면 생성하는 모듈 (4061)을 추가로 포함할 수 있다. 또한 상기 소프트웨어는 상술된 목적을 위해, 대안적으로, 수술전 수집된 영상을 수신 및 이용할 수 있는 모듈 (4061)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바람직한 실시예에서, MAU 전자장치 유닛 (4020)은 영상 스캐너를 위한 애드 온 또는 플러그 인 또는 플러그-플레이 유형의 유닛일 수 있다. 또한, MAU는 로봇을 원격 작동시키고, 로봇 머니퓰레이터에 MAU를 연결시키고, 예를 들어 제시된 MR 스캐너를 제어하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예 및 도 31a-31E를 참조하면, 로봇 머니퓰레이터가 동력 작동 유닛 PaU을 사용한 동력 지원으로 작동되는 경우, 사이트 셋업이 구성된다. 도 31a에 제시된 바와 같이, PaU (5050)는 보호된 MR 스캐너실 (5059) 내부에 위치된다. 이 실시예에서, PaU (5050)는 스캐너 (5053) 내부에 존재하고, 적절한 작동 라인 (5051)에 의해 이것을 연결시키는 로봇 장치 (5052)에 적절히 근접한 위치에 위치되고, MR 스캐너의 일정 또는 전환 자기장의 영향을 최소화하기 위해, MR 스캐너이 등각점으로부터 적절한 거리의 위치에 위치될 수 있다. 또한, PaU (5050)는 MR 스캐너 (5053b)의 환자 평면 상에 고정될 수 있다. 대안적으로, PaU 및 로봇의 전자장치 및 동력 공급원 (5056)은 보호된 MR 스캐너실 외부에 위치된다.
PaU (5050)를 복수의 전자장치 및 동력 공급원 (5056)에 연결하는 배선 (5054)은 바람직하게는, 당업계의 숙련가에게 공지된 바와 같이, 적절한 전도성 재료로 보호된다. 또한 복수의 전자장치 (5056)는, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, MR실 내부 또는 오퍼레이터에 의해 접근가능하고, MR 스캐너실 (5062) 외부에 존재할 수 있는 힘-피드백 장치 (5062,5063) 또는 조이스틱과 같은 것으로서, 복수의 인간-컴퓨터 접속을 포함할 수 있는 과정의 계획 및 실행 및 로봇이 제어를 위한 컴퓨터에 추가로 연결될 수 있다. 또한, 보호된 배선 (5054)은, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 도파관 (5057) 또는 여과 소켓 또는 MR 설치의 경우 공지된 바와 같은 다른 수단 과 같이, 적절한 도관을 통해 MR 스캐너실의 보호된 벽 (5059)을 통해 통과된다.
또한 이 실시예에서, 도 31b에 나타낸 바와 같이, 배선 (5054)은, 각 배선 사이의 간섭 및 누화 (cross-talk)를 제거하기 위해, 코어 도선 (5066) 주위의 적절한 쉴드 (5065)로 각각 한 개씩 개별적으로 보호되고, MR 신호에 대한 간섭을 감소 또는 제거하기 위해, 외부 쉴드 (5057)로 감싸져 있는 복수의 배선으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 도 31c에 나타낸 바와 같이, 배선 (5054)은, 각 배선 사이의 간섭 및 누화를 제거하기 위해, 코어 도선 (5066) 주위의 통상의 시트를 (5068) 주위에 배치하고, MR 신호에 대한 간섭을 감소 또는 제거하기 위해, 외부 쉴드 (5067)로 감싸져 있는 복수의 배선을 포함할 수 있다.
또한 이 실시예에서, 도 31d에 나타낸 바와 같이, 연속 쉴드 (5070)가 MR 스캐너의 보호 벽을 통해 통과하는 전자장치 박스 (5055) 및 PaU (5050)를 둘러싸고, MR 스캐너의 그라운드 (5061)로 추가로 그라운딩되거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 대안적으로, 도 31E에 나타낸 바와 같이, 2 개의 연속 개별 쉴드 (5071) 및 (5072)가 사용된다. 쉴드 (5071)는, 이들로 제한하는 것은 아니나, PaU (5050) 및 배선 (5054)을 비롯한, MR 스캐너실 내부의 부품을 둘러싸고 보호한다. 제2 쉴드 (5072)는 바람직하게는, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 전자장치 박스 (5055)와 같이, 오퍼레이터가 위치, 보호되는 경우, MR 스캐너실 외부의 부품을 둘러싸고 보호한다. 2 개의 쉴드는 종료되고, 도파관 (5057)에 접속되고, M\R 스캐너실 외부 부분에 한 개의 그라운드 (5073) 및 MR 스캐너실 내부의 다른 그라운드 (5061)와 같이, 하나 이상의 그라운드를 가질 수 있다. 당업자에 공지된 바와 같이, 임의의 조합의 그라운드가 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 32를 참조하면여, 로봇 머니퓰레이터가 보호된 MRI 스캐너실 외부에 존재하는 동력 작동 유닛 PaU을 이용하여, 동력 지원에 의해 작동되는 경우를 위해, 사이트 셋업이 구성된다. 이러한 바람직한 실시예에서, PaU의 모터 (5083)는 우선적으로, 보호된 벽 (5059)의 도파관 (5057)에 가깝거나 또는 그로 정렬된 위치에서, MR 스캐너실의 보호된 벽 (5059) 너머에 배치된다. 이러한 배열은 PaU의 작동에 대한 MR 스캐너의 자기장이 영향 및 PaU, MR 영상 사이의 잡음을 최소화하는데 우선적으로 사용될 수 있다. 이것은 저비용 시스템용으로 더욱 바람직할 수 있다.
또한, 작동 라인 5082은 MR 스캐너실의 외부로부터 내부까지 도파관 (5057)을 가로지르고, 우선적으로, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, MR 스캐너 (5053) 내부에 존재하는 로봇 머니퓰레이터 (5052) 및/또는 피스톤과 같은 적절한 링크 (5051)를 통해 연결되는 경우, 도파관의 내부 측면 부근으로부터 환자 평면 (5053b)에 근접한 위치까지 확장 작동 라인 (5081)에 의해 연결된다. 이것은 MR 스캐너실 외부에 존재하는 PaU로부터 MR 스캐너 내부에 존재하는 로봇까지 작동을 트랜스미션시키기 위한 바람직한 수단이다. 이러한 트랜스미션 라인은 피스톤 또는 리지드-유체 트랜스미션 또는 상술한 것의 임의이 조합과 리지드 또는 플렉시블 컨테이너 튜빙의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
또한 RF 보호 외피 (5055) 내부에 존재할 수 있는 복수의 전자장치 (5056)는, MR 스캐너실 (5062) 외부에 존재할 수 있고, MR실 (5063) 내부 또는 오퍼레이터에 의해 접근가능하여, 보호 벽 (5059)의 여과의 다른 수단 또는 도파관 (5057)을 통해 적절한 보호 라인 (5086) 및 (5087)을 통해 연결될 수 있는 것으로서, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나, 시각화 디스플레이 (5060b), 조이스틱 또는 다른 힘-피드백 장치 또는 이러한 (5062)의 조합과 같이, 임의의 접속 수단을 포함할 수 있는 복수의 인간-컴퓨터 인터페이스로의 접속을 포함할 수 있는 과정의 계획 및 실행 및 로봇의 제어를 위한 컴퓨터 (5060)에 추가로 연결된다. 오퍼레이터가 MR 스캐너실 내부에 존재하는 경우, 영상 및 작동에 적절한 다른 정보는 우선적으로, 컴퓨터 (5060) 또는 전자장치 박스 (5058) 내부에 존재하는 처리 유닛에 또는 MR 스캐너 (5091)에 연결된 시각화 스크린 상에 디스플레이된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 및 도 33을 참조하면, 수동-작동 유닛 (MAU)에 의해 로봇의 수동 작동을 위해 사이트 셋업이 구성된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 로봇 (5052)은 MR 스캐너실 내부에 존재하는 수동 작동 유닛 (MAU) (5101)에 의해 작동된다. 환자 평면에 의해 오퍼레이터 및 수동-작동을 이용하는 경우, 이러한 셋업이 특히 바람직하다. 이 실시예에서, MAU (5101)는 리지드-유체 리지드 (5051) 및/또는 플렉시블 작동 라인 (5102)의 임의의 적절한 조합을 수반하는 적절한 트랜스미션 셋업을 통해 로봇 (5052)에 연결된다. 또한 위치 인코더 신호는, 본 발명 이외에서 개시된 바와 같은 상이한 작업을 수행하고, 이들로 제한하는 것은 아니나, 오퍼레이터에 의해 MR 스캐너실 내부에서 시각화 디스플레이 (5115)에 렌더링을 송신하고, MR 스캐너 (5122)에 처리된 신호를 송신하고/거나 MR 영상/데이타를 수신하는 것을 포함하는 것으로서, 처리 유닛 (5106)에 보호 벽 (5059)의 도파관 (5057)을 통해 보호 또는 비보호 케이블 (5105)에 의해 송신된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 및 도 34a-34I를 참조하면, 상기 로봇은 로봇 머니퓰레이터 상에, 바람직하게는 제2 (1051) 및 제3 (1052,1053) 유닛 상에 창착되는 센서를 추가로 혼입한다. 이러한 센서의 종류는 로봇의 안내 및 개입 또는 수술 과정의 실행과 관련된다. 여기에는 2 가지의 센서 카테고리가 있다.
센서의 제1 수준은 육안적 수준 (MAcroscopic level)이고, 국소 생체에 대한 정보를 제공한다. 초음파 (US) 센서는 이러한 카테고리에 특히 적절하다. US 프로브는 로봇의 원위 말단 상에 장착될 수 있고, 2 가지 작업을 위해 이용된다. 이것은, 상기 로봇 주위, 우선적으로는 상기 로봇의 전방의 조직 경계의 3d 또는 평면 매핑을 위해, 소나로서 이용된다. 이것은 초음파 데이타를 고속으로 수집하는 이점이 있고, 따라서 로봇 조종 및 제어 분야에 특히 유용하며, 일차 안내 모드에 보충될 수 있다. 본 발명에 특히 흥미로운 것은, 프로브 전방의 조직 경계의 초고속 감지를 위해 로봇-장착 US로 보충된 일차 안내 모드로서,이들로 제한하는 것은 아니나, MRI 또는 cT 또는 형광투시법의 조합이다. US의 소나 적용에 있어서, 조직 주위의 표면과 US 프로브 사이의 공간은, 예를 들어 이들로 제한하는 것은 아니나 심장의 심실 또는 심방과 같이, 로봇이 작동하는 내부 공간의 자연 피와 같은 적절한 매질로 충진되어야 한다. 초음파 프로브는 선형 어레이 또는 단일 결정 요소일 수 있다.
센서의 제2 수준은 로봇의 원위 팁의 전방 및 그 주위에서 조직 내부의 영상에 대한 형태학적 센서를 포함한다. 이러한 경우, 로봇은, 초음파 영상 생성을 위해 에코를 수신하고, 조직으로 초음파를 트랜스미션시키기 위해 적절한 접촉을 생성하기 위해, 목적 조직으로 프로브의 활성 영역을 실질적으로 압축 또는 접촉한다.
이러한 바람직한 실시예에서, 도 34a에 나타낸 바와 같이, MR 스캐닝에서, 일차 안내 모드는 과정 영역 (aoP)의 넓은 FOV-MRI 및 사이트 a1, a2의 라인을 따라 센서가 장착된 로봇에 의한 감지와 조합된다. 일 측면, 도 34b에 나타낸 바와 같이, 연장성 바늘을 포함할 수 있는 광학 센서 또는 프로브가 이용된다. 또 다른 측면에서, 도 34c에 나타낸 바와 같이, 센서는 엔드 이펙터 표면 상에 존재하며, 광학식 방법 또는 고해상도 초음파와 같이, 조직과 직접 표면 대 표면으로 접촉되어 작동된다. 또 다른 측면에서, 도 34d에 나타낸 바와 같이, 프로브는 프로브의 전방 원뿔형 또는 퍼넬형 3d 영역을 촬영하도록 작동될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 이들로 제한하는 것은 아니나, 센서를 +/- 90 도 회전시키는 케이블을 이용하여 수행될 수 있다.
이러한 바람직한 실시예 및 도 34e에 나타낸 바와 같이, 엔드 이펙터의 원위 말단은 그 길이 (L)가 제3 유닛 (1052,1053)의 직경 (d) 보다 일반적으로 더 길고, 작용 측면 (5202)은 긴 직경 (L)을 따르는 경우, 센서 또는 기기 (5200)를 배치하기 위한 메커니즘을 추가로 수반할 수 있다. 이러한 메커니즘은 유압식 또는 다른 수단에 의해 또는 자전거-케이블 배열의 수단에 의해 작동될 수 있다. 일 측면에서, 도 34f에 나타낸 바와 같이, 센서 또는 기기 (5200)의 수반은 제3 유닛 (1052/1053)을 따라 이루어진다. 또 다른 측면에서, 도 34g-34i에 나타낸 바와 같이, 센서 또는 기기 (5200)는, 제3 로봇 유닛의 전방에서 정보를 수집하기 위해, 그 작용 측면 (5202)이 로봇 전방을 면하고 있어, 작업 공간 또는 시계 (field-of-view)가 (1054)이 되도록, 예를 들어, 화살표로 도시된 바와 같이, 일련의 모션을 통해 제3 유닛 (1052/1053)의 축에 대해 수직으로 회전된다.
이들 바람직한 실시예에서, 로봇은 이중 역할을 한다. 이것은 과정 영역에서 당해 분야의 기기를 배치시킨다. 또한 이것은 일차 안내 모드 및 로봇 장착 센서에 의해 수집된 정보를 공간적으로 동시 기록하기 위한 기계적 링크이다. 동시 기록 과정 동안, 로봇은 실험실 좌표 프레임 또는 일차 안내 모드에 실질적으로 기록된다. 또한 로봇 장착 센서에 의해 데이타가 수집되는 각 위치가 기록된다. 이러한 위치는 그후 운동학적 구조, 즉 로봇 머니퓰레이터의 전방 운동학적 구조의 수단에 의해 실험실 좌표 프레임으로 전환된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 로봇의 영상-기반 제어 및 실시간 조직 트랙킹을 위한 수단이 제공된다. 제어 논리는, 이러한 조종 과정 동안의 힘의 양을 제어하고 온 더 플라이 업데이팅되는 이동 궤적을 정확하게 트랙킹하기 위해 구성된다. 이것은, 임피던스 제어 전략을 사용하고, 시각적 햅틱 인간-기계 인터페이스에 의해 통합시킴으로써 가능해진다.
예를 들어, 엔드 이펙터는 인공 기관 벨브 배치를 위해, 대동맥 환형의 중심 위치에 도달 및 유지되도록 제어될 수 있다. 이러한 조작은 3 가지 유형의 공간적 일시 제약을 수반한다. 로봇의 특정 설계에 의해, 즉 로봇이 제약된 작동 하의 과-여유도 동력학적 시스템과 같이 행동하기 때문에, 운동학적 제약이 부여된다 (3). 상기 장치의 모션 엔빌로프 상의 동력학적 제약은 동력학적 접근 통로 및 유도 궤적형 형태로 파라미터화되는 동력학적 aoP에 의해 부여된다. MR 및 US 데이타 프로세싱 루틴으로부터 컴퓨터 지연에 의해 시간 제약이 발생할 수 있다. 이것은 과상쇄 및 지연 불안정성을 회피하기 위해 고려되어야 한다. 이러한 제약은 모션의 필요한 작업 공간 및 범위와 함께, 제어 알로리듬에 혼입된다.
또한, 제어 논리에 있어서, 적응 제어 설계는, 최소 오차로 이동 타겟을 트랙킹할 수 있도록 하고, LV에서 혈액 이동에 의한 힘으로 인해 플렉싱과 상쇄되도록 하는 0 정상 편차로 실행된다. 이것은 매우 비선형 동력학적 거동의 시스템을 처리하기 위해 체계적 제어 설계 방법으로서 선형-파라미터-변이 (LPV) 프레임워크에서 달성된다 (4-5). 파라미터화된 환경 모델이, MR 및 US 데이타로부터 동력학적 궤적 및 동력학적 접근 통로의 형태로 수득된다. 멀티 스레드 프로세싱으로, 피드백 루프의 임의의 컴퓨터 지연이 고려되고 정량화될 수 있다. 이러한 적응 제어 설계에서, 게인 스케쥴 LPV 접근법을 사용하여 게인이 적응된다. 콜트롤러는 1) 모델-기반, 2) 안티-와인드업이고, 즉, 원위 팁 위치 상에 공간적 한계가 존재하고, 3) 0 정상 편차, 즉 궤적 트랙킹시, 최소 오차를 제공하고, 4) 외부 힘을 상쇄시킨다.
로봇에 있어서, 선형화 모델은 상태 공간 구조로 부터 구성된다:
상기 식에서, q(t)는 배위 공간 (조인트 위치 및 속도)이고, u(t -τ ｕ (t)) 는 지연 토크 입력이고, w(t) 임의의 미지의 외란 토크, ρ(t)는 파라미터화된 궤적, τ ｕ (t)는 변량 입력 지연이다. 그후, 적응 콘트롤러는 트랙킹 오차 최소화를 위한 토크 피드백 u(t) = F(ρ(t))q(t)를 제공한다. 이 시스템에서, 가변성 지연에도 불구한 안정성이 하기와 같은 파라미터-의존적 Lyapunov 범함수의 사용에 의해 보장될 수 있다:
가변성 샘플링율 케이스에서 제어 법칙의 샘플-데이타 실행은 이미 기술된 바와 같다 (6-7). 안정성 획득을 위해, 동력학적 통로에 의해 부여되는 제약은 불평등 제약 세트로서, 적절한 정의에 의해 모션 제약의 작업 공간 및 범위에 혼입된다.
데이타 프로세싱 및 제어 소프트웨어 코어를 위한 일반적 구성이 도 35에 제시되어 있다. 상기 코어는 오퍼레이터 제어 하에 존재할 수 있는 콘트롤러 인터페이스 및 시각화 인터페이스 둘 모두에 링크되는 다양한 스레드를 포함한다. 상기 콘트롤러 인터페이스는, 그 위치에서 로봇 머니퓰레이터 및 모니터를 직접 또는 간접적으로 상호작용 및 제어하는 힘 피드백 스레드, 모션 필터 스레드 및 로봇 제어 스레드와 인터페이싱한다. 상기 로봇 머니퓰레이터는 MRI 및 초음파 절차의 절차 영역에서 엔드 이펙터 위치에 링크된다. MR 및 US 유닛은 촬영 스레드 및 시각화 스레드, 이후 순차적으로 시각화 인터페이스 및 오퍼레이터로 영상 데이터를 전송한다. 또한 촬영 스레드는, 영상 데이타와 혼입되는 시각화 스레드로 로봇 머니퓰레이터를 보내는 모션 필터 스레드로 동력학적 모델로서 수신 데이타를 전송한다.
예를 들어, 도 36a에 나타낸 바와 같이, 상기 로봇의 자동 또는 반자동 제어는 실시간으로 수집된 자기 공명 영상 및 초음파 데이타의 조합을 이용한 수술 영역의 평가에 기초한다. 또한, 자기 공명 및 초음파 방법은 상기 과정 동안 인터리브될 수 있다. 또한, 도 36b에 나타낸 바와 같이, MR 프로젝션, MR 3D DPI, MR 기준 코일, MR 2D 영상 및 초음파는, MR 3D DPI 및 MR 2d 영상이 오퍼레이터에 의해 개시된 경우, 인터리브될 수 있다. 또한, 도 36c-36d에 나타낸 바와 같이, 상기 로봇의 프로세싱 및 제어 코어는, 실시간으로 MR 및 초음파로부터 동력학적 가상 픽스쳐 (dVF)를 온 더 플라이 생성하는 전용 스레드를 혼입한다. 이들 픽스쳐는 로봇 제어 및 인간-인터페이스 스레드에 의해 이용된다. dVF는 금지 영역 또는 유도 중 하나 또는 둘 모두의 것일 수 있다.
또한, MRI 스캐너 좌표로의 상기 로봇의 빠른 자동 또는 반자동 또는 수동 기록은 도 37a-37G에 도시되어 있다. 이 실시예에 따라, 스트레이트 튜브는 스테이지 상의 공지의 위치에 내재 또는 고정되고, 도 37a에 나타낸 바와 같이, 우선적으로 스테이지 에지를 따라 서로서로 직교된다. 상기 스테이지의 특정 에지는 이 스테이지를 따른 튜브의 수, 예를 들어 2 개의 병렬 튜브에 의해 확인된다. 또한, 도 37b에서 나타낸 바와 같이, 상기 튜브는, 기록 과정 동안 주변 조직의 신호를 더욱 잘 억제하고, 표준 촬영 과정 동안 마커 (튜브)의 신호를 제거하기 위해 낮은 플립 각 촬영 방법으로 사용되는 MR 스캐너에서 특정 작동 주파수로 조정되는 유도 커플링 RF에 의해 둘러싸여질 수 있다.
다음에, 예를 들면, 돌출 알고리즘으로 제한되지 않지만, 알고리즘을 갖는 3d로 튜브를 재구성하고 MR 스캐너(X, Y, Z)의 3축을 따라 또한 튜브를 포함하기 위해 큰 용적 (a, b, c)에 걸쳐 3개의 돌출부의 수집에 의해 도 37c-37d에 나타낸 바와 같이 기록을 수행하였다. 대안적으로, 도 37d-37g에 나타낸 바와 같이, 영상 면, 특히 도 37d에 나타낸 4개의 영상면은 튜브를 촬영하고 이들을 3d로 재구성하는데 사용된다. 어느 하나의 방법으로, 로봇은 MR 스캐너에 기록한다. 그 외에, 개재성 툴의 초기 위치를 알기 위하여, 로봇은 개재성 툴의 방향을 따라 또 다른 튜브를 가질 수 있다. 재구성 전에 스테이지는 미리 선택된 정지위치에서 제공되며, 예를 들면, 이들로 제한되지 않지만, 광학 정지 스위치 및/또는 위치 인코더에 의해 입증되는 바와 같은 이드 DOF의 끝에서 제공된다.
본 발명에 따르면, 리지드 액체 작동 메카니즘은 상술한 것 이상의 어떠한 적용에 사용될 수 있으며, 즉 특정의 상태가 액튜에이터의 원격 배치를 요구하는 경우 의료 로봇 작동에 사용될 수 있다. 제한되지 않는 예로서, 이러한 작동은 액츄에이터의 작용을 위한 위험한 조건에서 또는 높은 전자기 간섭이 존재하는 경우 또는 임의의 다른 이유로 사용될 수 있다.
다음 문헌들이 여기에서 인용된다:
1. 미국출원 공보 제2010/0264918호.
2. Bergeles et al., IEEE International Conference on Robotics and AutoMAtion (ICRA), pp. 690-695 (2013).
3. VeeRAMAni et al. SMArt MAterials and Structures, 17:15037 (2008).
4. MohamMAdpour, J. and Grigoriadis, K., Proc. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, Honolulu, HI (2008).
5. Rugh, W. and ShamMA, J., (2000). AutoMAtica, 36:1401-1425 (2002).
6. Tan, K. and Grigoriadis, K., MAtheMAtical Problems in Engineering, 6:145-170 (2000).
7. Tan, K. and Grigoriadis, K., Proc. IEEE Conference on Decision and Control, pp. 4422-4427 (2000).
본 발명은 언급된 목적 및 이점은 물론 여기에서 고유한 것들을 달성하는데 적합하다. 상술한 특별한 실시예는 본 발명이 본 명세서에서 교시내용의 혜택을 본 사람들에게 상이하지만 동등한 방식으로 변형 및 실시할 수 있기 때문에 단지 예시적이다. 더욱이, 이후 특허청구범위에 기술된 것 이외에, 구성 또는 디자인의 상세로 제한되는 것이 아니다. 따라서 상술한 특별한 전형적 실시예들은 변화 또는 변형될 수 있으며 또한 이러한 모든 변화는 본 발명의 범위 및 정신 내에 있는 것으로 고려되는 것임이 명백하다.
Claims (46)
- 로봇 지원 수술 절차를 위한 로봇 시스템으로서,
적어도 하나의 영상 안내 로봇 머니퓰레이터 장치;
상기 로봇 머니퓰레이터 장치에 기계적으로 링크된, 상기 로봇 머니퓰레이터 장치를 작동시키기 위한 작동 수단; 및
메모리, 프로세서, 및 로봇 머니퓰레이터와 전자 통신하는 적어도 하나의 네트워크 접속을 갖는 컴퓨터 및 상기 작동 수단을 포함하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터가 부착되는, 이동가능하고 회전가능하며 기계적으로 연결가능한 적어도 하나의 베이스를 더 포함하며,
상기 베이스는 환자에게 수술 절차가 행해지는 영역에 들어맞도록 이동가능하게 배향된 것인,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
이미징 모델러티(imaging modality)를 안내하는 데 효과적인 신호를 영상 시스템으로부터 송수신하는 적어도 하나의 센서를 더 포함하며,
상기 이미징 모델러티를 정확하게 기록하는 데 효과적인, 로봇 머니퓰레이터 상에 또는 그 둘레에 설치되는 복수의 대비 마커들(contrast markers)를 선택적으로 더 포함하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터 장치는 적어도 하나의 자유도로 이동하도록 구성된 적어도 하나의 가동 스테이지를 포함하는,
로봇 시스템. - 제4항에 있어서,
두 개 이상의 가동 스테이지들이 평행관계로 배치되며, 상기 로봇 시스템은 상기 가동 스테이지들 사이에 적어도 하나의 기계적 링크를 더 포함하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터 장치는,
글로벌 포지셔닝을 위해 구성된 적어도 하나의 제 1 유닛;
적어도 하나의 제 2 유닛으로서, 제 2 유닛들 중 하나는 상기 제 1 유닛에 이동가능하게 링크되는 적어도 하나의 제 2 유닛;
적어도 하나의 제 3 유닛으로서, 제 3 유닛들 중 하나는 상기 제 2 유닛들 중 하나에 이동가능하게 링크되며, 상기 제 2 유닛을 통해 몸체에 배치가능한 적어도 하나의 제 3 유닛; 및
상기 제 1 유닛, 상기 제 2 유닛 또는 상기 제 3 유닛 또는 이들의 조합 및 상기 컴퓨터와 전자 통신하는 복수의 인터페이스를 포함하고,
상기 유닛들 각각은 상기 인터페이스와의 공동-등록(co-registration)을 위해 독립 구성되거나 연합 구성되는,
로봇 시스템. - 제6항에 있어서,
환자의 신체에 대해 내적으로 또는 외적으로 배치된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서를 더 포함하며,
상기 센서들은 상기 제 1, 제 2 또는 제 3 유닛 또는 이들의 조합으로 등록가능한 것인,
로봇 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터 장치의 상기 제 2 유닛, 상기 제 3 유닛, 또는 상기 제 2 및 제3 유닛 모두는, 상기 하나 이상의 센서와 회전가능하게 링크된 회전 부재를 더 포함하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
싱기 로봇 머니퓰레이터 장치는 영상 시스템 좌표 시스템에의 등록을 통해 수술 도중 영상-안내되는(image-guided) 것인,
로봇 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 영상 시스템은 자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging) 또는 분광학(spectrocscopy) 또는 이들의 조합, 초음파 이미징(ultrasound imaging), X-선 컴퓨터 단층촬영(computed tomography), X-선 유방조영술(mammography), 광학 이미징(optical imaging) 또는 비디오를 포함하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터 장치를 작동시키기 위한 상기 작동 수단은,
상기 로봇 머니퓰레이터에 기계적으로 또는 전자적으로 링크된 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인; 및
상기 작동 트랜트미션 라인에 기계적으로 연결되는 작동 동력원으로서, 컴퓨터를 포함하는 로봇 제어 모듈 또는 수동으로 제어되는 로봇 컨트롤러에 전자적으로 연결되는 작동 동력원을 포함하는
로봇 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 작동 트랜스미션 라인은,
변위가능 매체를 포함하는 복수의 구체(spheres);
복수의 구체를 포함하는 이동가능한 플렉시블 튜빙(tubing); 및
상기 플렉시블 튜빙의 일단 또는 양단에 배치되는 선형적으로 이동 가능한 제1 플러그형 부품(plug-like component)을 포함하고,
상기 제1 플러그형 부품이 플렉시블 튜빙과 작동 동력원과 기계적으로 연결되어, 상기 제1 플러그형 부품의 작동이 상기 복수의 구체를 통해 상기 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 그에 고정된 적어도 하나의 베이스로 전달되는,
로봇 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 플렉시블 튜빙은,
상기 플렉시블 튜빙 길이방향을 따라 배치된 하나 이상의 개구들; 및
두 개의 인접한 구체들 사이에 위치하며 상기 개구를 통해 연장된 제 2 플러그형 링크; 또는
상기 개구를 통해 하나 이상의 구체와 이동가능하게 결합된, 플렉시블 튜빙 외부의 구조체(structure)를 포함하며,
상기 제2 플러그형 부품 또는 상기 외부 구조체가 상기 작동 동력원과 직접 또는 간접적으로 기계적으로 연결됨으로써, 작동이 전달되는,
로봇 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 플렉시블 튜빙은 상기 플렉시블 튜빙 내부에 배치된 복수의 링들을 더 포함하며,
상기 링들 각각은 한 쌍 이상의 인접 구체들 사이에 배치되며,
상기 복수의 링들은 상기 플렉시블 튜빙 내의 하나 이상의 구체를 대신하며,
상기 링들은 상기 구체들을 센터링하며 상기 튜빙 내의 마찰을 감소하기 위한 수단을 포함하는,
로봇 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 플렉시블 튜빙은,
상기 플렉시블 튜빙의 내표면과 복수의 구체들 사이에 배치된 내부 윤활 슬리브; 및
상기 플렉시블 튜빙의 외부면 둘레에 배치되며 상기 플렉시블 튜빙의 길이를 따라 부분적으로 또는 전체적으로 연장된 외측 횡방향 강화 슬리브를 더 포함하는,
로봇 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 작동 트랜스미션 라인은,
복수의 리지드 피스톤들(rigid pistons);
일직선으로 배치된 하나 이상의 피스톤을 내부에 포함하는 리지드 튜빙(rigid tubing)으로서, 상기 작동 동력원과 기계적으로 연결되어 그것의 작동이 상기 복수의 피스톤을 통해 상기 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 그것을 부착된 적어도 하나의 베이스에 전달되는 리지드 튜빙; 및
상기 리지드 튜빙 내에 일직선으로 배치된 피스톤들의 선형 움직임의 강성(rigidity) 및 마찰(friction)을 유지하기 위한 수단을 포함하는,
로봇 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 리지드 튜빙은,
내부에 일직선으로 배치된 변위 가능한 매체를 포함하는 하나 이상의 구체; 및
상기 리지드 튜빙의 내부 표면과 상기 하나 이상의 구체 사이에 배치된 내부 윤활 슬리브를 포함하는,
로봇 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 작동 트랜스미션 라인은,
복수의 리지드 피스톤과 상기 피스톤의 연속 변위에서의 강성 및 마찰을 유지하는 수단을 포함하는 하나 이상의 리지드 튜빙세그먼트로서, 상기 피스톤들과 상기 수단은 상기 리지드 튜빙 내에서 일직선으로 배치되며, 상기 피스톤들은 상기 작동 동력원과 기계적으로 연결되거나, 상기 로봇 머니퓰레이터 장치를 부착하는 베이스의 작동 부분들과 기계적으로 연결되거나, 또는 시술 도구(implement)의 작동 부분들과 기계적으로 연결되는, 하나 이상의 리지드 튜빙 세그먼트; 및
인접하는 구체 사이에 각각 위치된 복수의 링과 변위가능 매체를 포함하는 복수의 구체를 연속 배치로 포함하는 하나 이상의 가동 플렉시블 튜빙 세그먼트;를
교번적인 순서로 포함하며,
상기 플렉시블 튜빙이 상기 리지드 튜빙에 부착됨으로써, 상기 리지드 튜빙의 작동이 상기 리지드 피스톤을 통해 복수의 구체 및 상기 로봇 머니퓰레이터 장치 또는 상기 베이스 또는 상기 시술 도구로 전달되는,
로봇 시스템. - 제11항에 있어서,
적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인은 상기 로봇 머니퓰레이터 장치의 하나의 자유도의 작동을 위해 구성되는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 컴퓨터는 프로세서 실행가능 명령을 가지는 메모리 소프트웨어 모듈에 확실하게 저장하여,
적어도 상기 로봇 머니퓰레이터 사이에 있는 복수의 인터페이스와, 로봇 머니퓰레이터를 안내하여 작동하는 이미징 모델러티(imaging modality)와, 수술해야 할 부위에서 조직의 상황에 관한 데이터를 수집하는 복수의 영상 또는 비영상 센서와, 로봇 머니퓰레이터에 관한 데이터를 수집하고 하나 이상의 자유도의 운동을 측정하는 복수의 센서와, 시스템의 오퍼레이터를 구축하고,
상기 이미징 모델러티와 복수의 센서로부터 수집된 데이터를 수신하고 수술해야할 부위의 모델을 실시간으로 발생하고 필요에 따라 데이터를 처리하고,
데이터 수집의 형태와 시기를 생성 및 조정하고, 그에 관한 명령을 데이터 수집 영상 또는 비영상 센서에 통신하고,
충돌을 피하거나 해소하여 조직에 정확하게 도달하는 데 효과적인 로봇 머니퓰레이터를 위한 정적 또는 동적 통로 및 궤도를 발생시키고,
로봇 머니퓰레이터이 제어 명령을 발생하여 로봇 제어 모듈에 통신하고,
힘과 시각 자료를 오퍼레이터에게 피드백하여 보내며, 그리고
상기 어퍼레이터로부터 명령을 수신하는,
로봇 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 로봇 시스템을 포함하는 부품들은 수술 절차에 사용하기 위해 구성된 이미징 모델러티(imaging modality)와 양립 가능한 물질들을 포함하는,
로봇 시스템. - 환자에 대해 실시간으로 영상 안내하면서 로봇 지원 수술 절차를 실행하는 방법으로서,
환자에 가장 가깝게 제1항의 로봇 시스템을 위치시키는 단계;
상기 로봇 머니퓰레이터 장치가 부착되는, 이동가능하고 회전가능하며 기계적으로 링크가능한 적어도 하나의 베이스의 배향 및 위치를 조절하는 단계;
이미징 모델러티(imaging modality)를 통해 환자를 촬영하는 단계;
촬영하는 동안 전자적으로 얻어진 정보를 통해 환자를 수술해야 할 부위로 로봇 시스템을 포함하는 로봇 머니퓰레이터를 실시간으로 안내하는 단계; 및
영상 안내 로봇 머니퓰레이터를 통해 환자에 대해 수술 절차를 수행하는 단계를 포함하는,
방법. - 제22항에 있어서,
제 1 글로벌 포지셔너 유닛, 제1 유닛과 수술해야 할 부위의 조직에 관한 추가의 정보를 받는 센서를 포함하는 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함하는 로봇 머니퓰레이터가 등록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로부터의 정보를 얻는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 조절 단계는,
촬영을 위해 환자의 위치에 대응하는 상기 로봇 머니퓰레이터의 베이스를 회전시키거나, 변위시키거나, 또는 회전 및 변위시킴으로써, 로봇 머니퓰레이터의 작업공간이 수술 절차 영역을 포함하도록 하는 단계; 및
조절된 위치에서, 상기 로봇 머니퓰레이터를 포함하는 베이스를 부착시키는 단계를 포함하는,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 이미징 모델러티(imaging modality)는 상기 로봇 시스템이 MRI 챔버 내에서 환자와 근접 위치하는 자기 공명인,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 로봇 머니퓰레이터의 포지셔닝은 오퍼레이터에 의해 컴퓨터로 조절되거나 또는 수동 조절되는,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 촬영 단계는, 안내 단계 이전에 로봇 머니퓰레이터에 의해 이미징 모델러티를 공동-등록하는(co-registering) 단계를 포함하는,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 안내 단계는, 기계적으로 링크된 작동 트랜스미션 라인을 통해 이미징 모델러티(imaging modality)의 좌표계를 토대로 하나 이상의 자유도 내에서 로봇 머니퓰레이터를 작동시키는 단계를 포함하는,
방법. - 제22항에 있어서,
상기 실행 단계는, 로봇 머니퓰레이터에 의해 기록되는 하나 이상의 수술 기기를 환자에 배치하는 단계를 포함하는,
방법. - 수술 절차 실행을 위한 자기 공명 영상 (MRI) 안내 로봇으로서,
적어도 하나의 자유도로 이동하도록 구성된 적어도 하나의 가동 스테이지 및 자기 공명 영상 시스템과 접속된 복수의 유닛을 가지는 글로벌 포지셔너;
상기 글로벌 포지셔너를 부착시키기 위한 적어도 하나의 이동가능하고, 회전가능하고, 기계적으로 링크가능한 베이스로서, 환자의 수술 절차 영역에 맞도록 가동 배향되는 베이스;
상기 글로벌 포지셔너의 1 자유도의 작동을 위해, 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인이 설정되도록, 상기 글로벌 포지셔너 및 작동 동력원에 기계적으로 또는 전자적으로 결합되고, 컴퓨터를 포함하는 로봇 제어 모듈 또는 수동 제어 로봇 컨트롤러에 전자적으로 연결된 복수의 직렬 배치 피스톤 또는 그의 병렬 조합을 갖는 리지드 부품, 대체 가능 매체를 포함하는 복수의 직렬 배치 구체를 갖는 플렉시블 부품을 포함하는 적어도 하나의 작동 트랜스미션 라인; 및
상기 자기 공명 영상 시스템 및 상기 로봇을 구동시키는 프로세서-실행 명령을 메모리 소프트웨어 모듈에 실체적으로 저장하는 컴퓨터로의 적어도 하나의 유선 또는 무선 네트워크 링크를 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
작업 공간 촬영에 효과적인 로봇에서 상기 글로벌 포지셔너를 포함하는 글로벌 포지셔닝 제1 유닛 또는 상기 글로벌 포지셔너에 근접 배치되거나 또는 임의의 다른 위치에 배치된 적어도 하나의 고주파 코일로서, 상기 고주파 코일은 MR 영상 시스템으로부터 신호를 발신 및 수신하도록 설정되는 적어도 하나의 고주파 코일을 더 포함하며,
정확하게 동일한 것을 기록하는 데 효과적인 로봇에 또는 그 주변에 배치된 복수의 대비 마커들(contrast markers)을 선택적으로 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
두 개 이상의 가동 스테이지가 평행 관계로 설치되며, 상기 로봇은 이들 사이에 적어도 하나의 기계적 링크를 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 복수의 유닛은,
글로벌 포지셔닝을 위해 구성된 적어도 하나의 제1 유닛;
적어도 하나의 제2 유닛으로서, 제2 유닛들 중 하나는 제1 유닛에 가동 결합되는 제2 유닛;
한 개 이상의 수술 기기 또는 모델러티(modality)를 포함하는 적어도 하나의 제3 유닛으로서, 제3 유닛들 중 하나는 제2 유닛 중 하나에 가동 결합되고 제2 유닛을 통해 신체에 배치 결합되는 적어도 하나의 제3 유닛; 및
컴퓨터와 제1, 제2 또는 제3 유닛 또는 그의 조합의 전자 통신 내의 복수의 인터페이스로서, 각각의 유닛은 개별적으로 또는 조합하여 인터페이스에서 동시-기록으로 설정되는 복수의 인터페이스;를 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
제1, 제2 또는 제3 유닛 또는 그의 조합으로 기록 가능한, 환자의 신체에 대해 내부 또는 외부적으로 배치된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서를 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제34항에 있어서,
상기 글로벌 포지셔너의 제2 유닛, 제3 유닛 또는 양자 모두는 하나 이상의 센서에 회전식으로 결합된 회전 요소를 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 복수의 구체는 가동식 플렉시블 튜빙 내에 포함되며,
상기 플렉시블 튜빙은,
하나 이상의 인접 구체 쌍 사이에 배치된 복수의 링으로서, 상기 복수의 링은 상기 플렉시블 튜빙 내의 하나 이상의 구체를 대체하고, 상기 링은 상기 구체를 중심 배치시키고, 상기 튜빙 내의 마찰을 감소시키기 위한 수단을 포함하는 복수의 링; 및
상기 플렉시블 튜빙의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝에 배치된 직렬 변환 제1 플러그형 부품으로서, 상기 플러그가 작동 동력원 및 플렉시블 튜빙에 의한 기계적 통신에 존재하여, 복수의 구체를 통해, 동일한 것을 부착시키는 적어도 하나의 베이스 또는 로봇 머니퓰레이터에 그의 작동이 트랜스미션되도록 하는, 직렬 변환 제1 플러그형 부품; 을 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제36항에 있어서,
상기 플렉시블 튜빙은,
상기 플렉시블 튜빙의 길이를 따라 배치된 하나 이상의 개구들; 및
두 개의 인접 구체 사이에 위치하고 상기 개구를 통해 연장되는 제2 플러그형 링크; 또는
상기 개구부를 통해 하나 이상의 구체와 가동 접속된 플렉시블 튜빙 외부의 구조체를 더 포함하고,
상기 제2 플러그형 부품 또는 상기 외부 구조물은 작동 동력원과 직접 또는 간접적으로 기계적으로 통신하여, 작동이 그를 통해 트랜스미션되는 것인,
MRI 안내 로봇. - 제35항에 있어서,
상기 플렉시블 튜빙은,
내부 표면과 복수의 구체 사이에 배치되는 내부 윤활 슬리브; 및
외부 표면 주위에 배치되고 그의 길이를 따라 부분적으로 또는 전체적으로 연장되는 외측 횡방향 보강 슬리브;를 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 복수의 리지드 피스톤은 작동 동력원과의 기계적 통신의 리지드 튜브 내에 포함되어, 상기 복수의 피스톤을 통해, 동일한 것을 부착하는 적어도 하나의 베이스 또는 로봇 머니퓰레이터에 그의 작동이 트랜스미션되도록 하고, 상기 리지드 튜빙은 그 내부에 직렬로 배치되는 베어링을 더 포함하여, 상기 피스톤의 직렬 대체 내의 강성 및 마찰력이 유지되도록 하는 것인,
MRI 안내 로봇. - 제39항에 있어서,
상기 리지드 튜빙은,
인접 리지드 피스톤 사이에 배치되는 하나 이상의 구체; 및
상기 리지드 튜빙의 내부 표면과 하나 이상의 구체 사이에 배치되는 내부 윤활 슬리브를 더 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 작동 트랜스미션 라인 내에 플렉시블 부품 및 리지드 부품의 조합에서, 상기 플렉시블 부품이 상기 리지드 부품에 부착되어, 상기 리지드 부품의 작동이 상기 플렉시블 부품으로 직렬 트랜스미션되고, 이에 따라 동일한 것이 부착된 적어도 하나의 베이스 또는 상기 로봇 포지셔너에 직렬 트랜스미션되는 것인,
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 컴퓨터 메모리에 확실하게 저장된 소프트웨어 모듈은,
적어도 상기 글로벌 포지셔너 사이에 복수의 인터페이스를 수립하기 위한 프로세서-실행 명령, 상기 글로벌 포지셔너를 안내 및 작동시키기 위한 MRI 영상 시스템, 절차 영역의 조직 상태 데이타를 수집하기 위한 복수의 영상 또는 비영상 센서, 로봇 머니퓰레이터 데이터를 수집하고 적어도 하나의 자유도의 동작을 측정하기 위한 복수의 센서 및 시스템 오퍼레이터를 포함하고;
상기 이미징 모델러티 및 상기 복수의 센서로부터 수집된 데이터를 수신하고 절차 영역의 실시간 모델을 생성하며, 필요에 따라 데이타를 처리하고;
데이타 수집 유형 및 시간을 조절하며, 데이타 수집 영상 또는 비영상 센서에 동일한 것에 대한 명령을 전달하고;
충돌을 회피하거나 또는 해소하고 정확하게 조직에 도달하는데 효과적인 로봇 머니퓰레이터를 위한 정적 또는 동적 경로 및 궤적을 생성하며;
로봇 머니퓰레이터 제어 명령을 생성하고, 로봇 제어 모듈에 동일한 명령을 전달하고;
상기 오퍼레이터에 힘 및 시각자료를 피드백하여 보내고;
상기 오퍼레이터로부터 명령을 수신하는 것인
MRI 안내 로봇. - 제30항에 있어서,
상기 로봇 및 부품은 자기 공명 이미징 모델러티(magnetic resonance imaging modality)와 양립성이 있는 재료를 포함하는,
MRI 안내 로봇. - 환자에 대한 로봇-지원 수술을 실행하기 위한 실시간 자기 공명 영상 안내 방법으로서,
촬영을 위해 환자 위치에 대응하는 글로벌 포지셔너의 베이스를 회전시키거나, 변위시키거나 또는 회전 및 변위시켜서, 글로벌 포지셔너의 작업 공간이 절차 영역을 포함하도록 하는 단계;
조절 위치에서 로봇 머니퓰레이터를 포함하는 베이스를 확보하는 단계;
글로벌 포지셔너에 의해 MR 영상 시스템을 공동-등록하는 단계;
하나 이상의 자유도 내에서, MR 영상 시스템을 포함하는 좌표계를 통해 환자의 수술 영역에 정렬되도록 글로벌 포지셔너를 실시간으로 안내하는 단계; 및
글로벌 포지셔너에 의해 기록된 하나 이상의 수술 기기를 환자에 배치하여, 이에 따라 자기 공명 영상 안내 수술을 실시간으로 실행하는 단계
를 포함하는,
방법. - 제44항에 있어서,
제 1 글로벌 포지셔너 유닛, 제1 유닛과 수술해야 할 부위의 조직에 관한 추가의 정보를 받는 센서를 포함하는 제3 유닛에 대한 제2 유닛을 포함하는 로봇 머니퓰레이터가 기록된 하나 이상의 영상 또는 비영상 센서로부터의 정보를 얻는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제44항에 있어서,
상기 글로벌 포지셔너는 오퍼레이터에 의해 컴퓨터로 조절되거나 또는 수동 조절되는 것인,
방법.
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