KR101756162B1 - 컴플라이언트 수술 디바이스 - Google Patents

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Abstract

플렉시블 엔트리 가이드와 같은 컴플라이언트 수술 디바이스는 디바이스를 오퍼레이팅하거나 스티어링하기 위한 텐던을 채용하고, 텐던 내의 장력을 컨트롤하기 위해 비대칭 또는 정력 스프링 시스템을 부착한다. 그 결과, 본 수술 디바이스는 컴플라이언트하고, 급격한 스프링 백 없이 또는 조직을 손상시키는 반작용을 일으키지 않고 수술 과정 동안 외부 힘에 응답할 수 있다. 이러한 컴플라이언스는 또한 백엔드 메카니즘 또는 디바이스 내의 텐던 또는 텐던의 연결을 손상시키지 않고 수술 과정 동안의 삽입 중 또는 삽입 전에 디바이스의 수동적 포지셔닝 또는 쉐이핑을 가능하게 한다.

Description

컴플라이언트 수술 디바이스{COMPLIANT SURGICAL DEVICE}
미소절개수술 기술은 일반적으로 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하면서 수술과정을 수행하기 위해 시도된다. 이러한 목적을 달성하기 위한 하나의 특정한 기술은 환자의 소화관과 같은 자연 루멘(lumen)을 적어도 부분적으로 뒤따름으로써 환자 내부의 목적 수술부위에 도달할 수 있는 플렉시블 수술 기기를 사용하는 것이다. 자연 루멘을 뒤따르는 것은 플렉시블 기기가 자연 루멘으로 들어가거나 그로부터 나오는 위치에서 삽입부가 필요로 될 수 있으나, 건강한 조직을 통한 삽입부의 필요성을 줄이면서 수술의가 수술부위에서 수술할 수 있게 한다. 엔트리 가이드는 수술 과정 동안 수술 기기 또는 도구의 삽입 및 제거를 용이하게 하기 위해 수술 과정 동안 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 엔트리 가이드는 삽입부 또는 자연개구부를 통해 삽입되고, 엔트리 가이드의 원단 끝부가 목적 수술 부위에 도달하거나 그 부근의 지점까지 경로를 따라 스티어링된다. 엔트리 가이드는 일반적으로 하나 이상의 기기 루멘을 포함하는데, 이러한 기기 루멘을 통해 상이한 수술기기들이 삽입되거나 제거될 수 있다. 이는 상이한 기기 세트가 요구되는 각각의 시간에 까다로운 스티어링 프로시저를 필요로 하지 않고 기기들이 변경될 수 있게 한다.
자연 루멘 또는 다른 구불구불한 경로를 뒤따를 수 있는 수술 기기 및 엔트리 가이드는 일반적으로 유연해야 한다. 이는, 이러한 디바이스들이 대부분의 다른 수술 기기에서 요구되지 않는 특성 및 능력을 가질 것을 요구한다. 특히, 엔트리 가이드가 구불구불한 경로를 내비게이팅할 만큼 충분히 유연해야 하지만, 이러한 가이드는 이상적으로 가이드를 통해 삽입되는 기기 또는 기기들의 조종을 위해 수술 부위에 안정적인 베이스를 제공해야 한다. 또한, 이러한 가이드는 인접한 조직을 의도하지 않게 손상시킬 수 있는 방식으로 형상이 변하거나 외부 힘에 반작용하지 않아야 한다. 케이블 또는 텐던은 엔트리 가이드의 기계적 특징부의 구동 또는 그 경로를 따른 엔트리 가이드의 스티어링을 위해 엔트리 가이드의 일부분 또는 전체를 통해 뻗을 수 있다. 몇몇 진보된 수술 시스템에서, 이러한 케이블은 모터 및 컴퓨터 보조 컨트롤을 사용하여 로봇식으로 작동될 수 있다. (본 명세서에서 사용된 바와 같이, "로봇" 또는 "로봇식으로" 등의 용어는 원격작동 또는 원격로봇 형태를 포함한다.) 텐던을 통해 가해지는 힘은 마찰력을 극복하기 위해, 그리고 엔트리 가이드 및 기기의 길이가 긴 모먼트 암(moment arm)을 만들 수 있기 때문에, 상당히 클 수 있다. 플렉시블 수술 디바이스는 디바이스의 길이를 따른 반작용 또는 움직임이 환자의 인접한 조직을 손상시키기 않도록 이러한 비교적 큰 힘을 제어할 필요가 있다.
본 발명의 하나의 형태에 따라, 관절형 엔트리 가이드와 같은 컴플라이언트(compliant) 수술 디바이스는 디바이스를 오퍼레이팅하거나 스티어링하기 위해 텐던(tendon)을 채용하고, 텐던 내의 장력을 컨트롤하기 위해 정력 스프링(constant force spring) 시스템에 부착된다. 그 결과, 본 수술 디바이스는 컴플라이언트하고, 급격한 스프링 백(spring back)없이 또는 조직을 손상시키는 반작용을 일으키지 않고, 수술 과정 동안 외부 힘에 반응할 수 있다. 이러한 컴플라이언스는 또한 디바이스 내의 텐던 또는 텐던의 연결을 손상시키지 않고, 또는 백엔드 메카니즘에 대한 손상을 일으키지 않고, 수술 과정 동안의 삽입중 또는 삽입전에 디바이스의 수동적 포지셔닝(positioning) 또는 쉐이핑(shaping)을 허용한다.
본 발명의 하나의 특정한 실시예는 엔트리 가이드와 같은 수술 디바이스이다. 본 디바이스는 이동가능한 부재를 가진 샤프트, 상기 부재에 부착된 텐던, 정력 스프링 시스템, 및 컨트롤 메카니즘을 포함한다. 정력 스프링 시스템은 텐던에 부착되어 있고, 컨트롤 메카니즘은 정력 스프링 시스템이 텐던에 가하는 힘의 크기를 컨트롤한다. 그러므로, 텐던 내의 장력은 텐던을 이동시키는 외부 힘에 독립적이지만, 상기 부재를 관절화시키기 위해 컨트롤될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 또한 수술 디바이스이다. 본 실시예는 이동가능한 부재를 가진 샤프트, 상기 부재에 부착된 텐던, 및 텐던에 부착된 비대칭 스프링 시스템을 포함한다. 비대칭 스프링 시스템은 비대칭 스프링 시스템에 의해 텐던에 가해지는 힘이 텐던의 위치보다 스프링 시스템의 근단 끝부의 위치에 대하여 더 높은 의존도를 가지게 한다. 컨트롤 시스템은 비대칭 스프링 시스템의 근단 끝부에 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 수술 디바이스를 오퍼레이팅하는 방법이다. 본 방법은 수술 과정 동안 수술 디바이스의 관절형 샤프트를 삽입하는 단계; 및 관절형 샤프트의 부재에 균형력을 유지하기 위해 비대칭 또는 정력 스프링 시스템을 사용하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플렉시블 또는 관절형 엔트리 가이드 및 백엔드 메카니즘을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수술 디바이스 내의 이동가능한 링크를 컨트롤하기 위한 비대칭 스프링 시스템에 2개의 텐던의 연결을 도시한다.
도 2b 및 2c는 텐던의 이동과 함께 일정하게 유지되는 텐던 장력을 생성하지만, 컨트롤 메카니즘을 통해 조절가능하도록 각각 토션 스프링 및 정력 스프링을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 스프링 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수술 디바이스 내의 이동가능한 링크의 컨트롤을 위한 비대칭 스프링 시스템에 3개의 텐던의 연결을 도시한다.
상이한 도면에서 동일한 참조 번호의 사용은 유사하거나 동일한 아이템을 나타낸다.
플렉시블 엔트리 가이드와 같은 관절형 수술 디바이스에서 컴플라이언스(compliance)는 일반적으로 그러한 디바이스의 수동적 쉐이핑(shaping)을 허용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 하나의 형태에 따라, 백엔드 메카니즘에 플렉시블 디바이스 내의 일부분(예컨대, 기계적 링크 또는 척추(vertebrae))에 연결된 텐던(tendon)은 백엔드 메카니즘 또는 텐던의 연결을 손상시키기 않고 디바이스의 유연한 부분의 수동적 조종을 수용할 수 있는 스프링 시스템에 연결된다. 본 발명의 다른 형태에 따라, 구동 텐던에 연결된 스프링 시스템은 스프링 시스템이 큰 반작용력을 일으키기 않고, 디바이스가 외부 힘에 반응하여 급격하게 스프링 백하지 않도록, 비대칭 또는 정력 스프링일 수 있다. 수술 디바이스의 컴플라이언스 및 스프링 백이 없다는 점은 플렉시블 디바이스가 변하는 외부 힘을 받을 때 수술 과정 동안 일어날 수 있는 조직 손상을 피하는데 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플렉시블 엔트리 가이드(100)를 도시한다. 엔트리 가이드(100)는 플렉시블 메인 튜브(110) 및 메인 튜브(110)의 근단 끝부에 백엔드 메카니즘(120)을 포함한다. 메인 튜브(110)는 메인 튜브(110)가 구불구불한 경로를 따라 필요할 때 굽혀질 수 있다는 점에서 유연하지만, 메인 튜브(110)는 메인 튜브(110)의 형상을 변경시키기 위해 관절형 척추와 같은 역할을 할 수 있는 일련의 리지드 링크 또는 기계적 부재를 포함할 수 있다. 메인 튜브(110)에 적합한 몇가지 예시적인 관절형 구조는 아미르 벨슨의 "혈관내(transluminal) 및 다른 수술을 수행하기 위한 방법 및 장치"란 제목의 미국특허출원 공개번호 US 2007/0135803 A1, 및 로스 등의 "가이드 튜브를 구비한 내시경"이란 제목의 미국특허출원 공개번호 US 2004/0193009 A1에 서술되어 있다. 또한, 엔트리 가이드 내의 관절형 구조는 쿠퍼 등의 "포지티블리 위치조절가능한 텐던-구동식 멀티 디스크 관절 조인트를 가진 수술 도구"란 제목의 미국특허번호 제6,817,974호; 쿠퍼 등의 "수술 도구를 위한 플렉시블 관절"이란 제목의 미국특허출원 공개번호 US 2004/0138700 A1; 및 월리스 등의 "플랫폼 링크 관절 메카니즘"이란 제목의 미국특허번호 제6,699,235호에 서술된 것과 같은, 분절형 관절 및 유사한 로봇 메카니즘에서 볼 수 있는 몇몇 동일한 구조를 채용할 수 있다. 네오프렌, 펠레탄(pellethane), FEP, PTFE, 나일론과 같은 고무 또는 플라스틱 또는 유사한 재료로 만들어진 컴플리언트 시쓰는 엔트리 가이드의 내부 메카니즘에 대한 밀봉된 인클로저를 제공하고 수술 과정 동안 메인 튜브(110)의 삽입 및 제거를 용이하게 하기 위해, 메인 튜브(110)의 링크 및 다른 내부 구조를 커버할 수 있다. 메인 튜브(110)는 전형적으로 메인 튜브(110)의 사용목적 및 동시에 가이드되는 수술 기기의 개수에 따라 대략 8mm 내지 대략 25mm의 직경을 가질 수 있다. 메인 튜브(110)의 전체 길이는 수행될 수술의 타입에 따라 선택될 수 있으나, 전형적인 길이는 대략 60cm 이상일 수 있다.
메인 튜브(110)는 또한 하나 이상의 기기 루멘(112)을 포함한다. 각각의 기기 루멘(112)은 고무, 네오프렌, 펠레탄, FEP, PTFE, 나일론, 또는 다른 유연한 재료로 이루어진 플렉시블 튜브일 수 있다. 각각의 기기 루멘(112)은 메인 튜브(110)의 대부분의 길이로 뻗어 있고, 메인 튜브(110)의 형상을 컨트롤하기 위한 기계 시스템의 일부분인 부재 또는 링크의 표면에 놓이거나 표면에의 개구를 통과한다. 각각의 기기 루멘(112)은 수술 과정 동안 사용될 수 있는 플렉시블 수술 기기를 가이드하고 하우징하기 위한 역할을 할 수 있다. 특히, 필요로 될 때, (도시되지 않은) 플렉시블 수술 기기는 기기 루멘(112)의 근단 끝부에서 개구(112A)를 로 삽입될 수 있고, 기기 루멘(112)을 통해 미끄러질 수 있어, 플렉시블 수술 기기의 원단 팁에 있는 도구가 기기 루멘(112)의 원단 끝부에 있는 개구(112B)로부터 드러난다. 기기 루멘(112)은 전형적으로 표준화된 수술 기기에 대한 크기, 예컨대, 5mm 또는 8mm의 직경을 가져서, 기기 루멘(112)은 많은 다양한 타입의 기기, 예컨대, 다양한 형상 및 타입의 포셉(forceps), 가위, 메스, 및 소작 기기를 다룰 수 있다. 기기 루멘(112) 내의 기기들이 현재 필요하지 않을 때, 그 기기는 기기 루멘(112)으로부터 제거되고, 복잡하고 시간 소비적인 스티어링 프로세스에 대한 필요성 없이 다른 플렉시블 기기로 교체될 수 있다. 센서 및 카메라 또는 다른 비전 시스템은 기기 루멘(112)을 통해 유사하게 삽입될 수 있다. 이렇듯 용이하게 교체가능한 기기 또는 다른 수술 시스템은 그들 자신만의 백엔드 메카니즘 및/또는 백엔드 메카니즘(120)에 독립적으로 동작될 수 있는 인터페이스를 가질 수 있다. 대안으로서 또는 부가적으로, 메인 튜브(110)는 수술 기기, 센서, 비전 시스템, 유체 채널, 또는 수술 과정 동안 제거되도록 의도되지 않은 (도시되지 않은) 다른 수술적으로 유용한 시스템을 포함할 수 있고, 이러한 시스템은 백엔드 메카니즘(120)에 의해 제공된 인터페이스를 통해 기계적으로 또는 전기적으로 작동될 수 있다.
텐던(130)은 메인 튜브(110)의 일부분(예컨대, 기계식 링크 또는 고정된 수술 시스템)을 백엔드 메카니즘(120)에 연결하고, 이는 도 1의 절단된 부분에 도시되어 있다. 텐던(130)은, 예컨대, 연선형(stranded) 또는 직물형(woven) 케이블, 모노필라멘트 라인, 또는 텐던(130)에 연결된 시스템의 작동을 위해 충분한 강도 및 유연성을 제공하는 금속 또는 합성 재료로 이루어진 튜브일 수 있다. 백엔드 메카니즘(120)은 일반적으로 (도시되지 않은) 모터 팩에 의해 전력공급될 때 텐던(130)을 당기는 트랜스미션으로서 작동한다. 백엔드 메카니즘(120)은 모터 팩이 기계적으로 연결될 수 있는 인터페이스를 포함한다. 도시된 실시예에서, 복수의 톱니형 휠(122)은 아래에 더욱 상세하게 서술된 바와 같이 각각의 텐던(130) 내의 장력을 컨트롤하기 위해 톱니형 휠을 회전시키는 각각의 모터와 맞물린다. 로봇 수술 동안, 수술의에 의해 오퍼레이팅되는 사용자 인터페이스, 및 컴퓨터 실행 소프트웨어를 포함하는 (도시되지 않은) 컨트롤 시스템은 모터 팩을 컨트롤할 수 있다. 무균 배리어가 백엔드 메카니즘(120)과 메인 튜브(110) 사이에 제공될 수 있어, 모터 팩과 백엔드 메카니즘(120)에 연결된 임의의 다른 시스템은 수술 과정 동안 오염되지 않는다.
도 2a는 기계적 링크(240)에 연결된 텐던(230A 및 230B) 내의 각각의 장력을 컨트롤하기 위해 백엔드 메카니즘(220) 내에 비대칭 스프링 시스템(210)을 사용하는 엔트리 가이드의 일부분(200)을 개략적으로 도시한다. 설명의 용이함을 위해, 본 명세서에서 일반적으로 텐던(230)이라 하는, 2개의 텐던(230A 및 230B) 만이 도 2a에 도시되어 있고, 도시된 텐던(230)은 동일한 링크(240)에 부착되어 있다. 실제 엔트리 가이드는 수십개에서 백개 초과의 링크(240)를 포함할 수 있고, 각각의 링크(240)는 그 링크(240)에 단말처리된 하나 이상의 텐던(230)을 가질 수 있다. 일반적으로, 엔트리 가이드는 불충분하게 제약될 수 있다. 즉, 몇몇 링크(240)는 텐던(230)에 직접적으로 부착되거나 제한되지 않고, 링크(240)를 통해 뻗어 있는 강성 로드, 또는 링크(240) 둘레의 (도시되지 않은) 시쓰 또는 스킨의 강성으로 대체될 수 있다. 대안의 실시예에서, 텐던(230)의 원단 끝부는 링크(240) 또는 힌지식 메카니즘을 필요로 하지는 않지만, 텐던(230)이 시쓰에 가하는 힘에 의해 휘어지는 연속적(continuum) 메카니즘을 제공하기 위해 플렉시블 시쓰의 상이한 부분에 부착될 수 있다.
텐던(230)은 엔트리 가이드의 부착된 링크 또는 메카니즘에서 컴플라이언스가 요구될 때, 백엔드 메카니즘(220) 내의 각각의 비대칭 스프링 시스템(210)에 부착된 근단 끝부를 가진다. 엔트리 가이드는 부가적으로 컴플라이언스가 요구되지 않는 시스템을 포함할 수 있고, 백엔드 메카니즘(220)에 (도시되지 않은) 구동 시스템은 컴플라이언스가 바람직하지 않은 시스템에 연결된 텐던의 논-컴플라이언트 구동을 위한, 당업계에 주지된 메카니즘을 포함할 수 있다.
도 2a의 각각의 스프링 시스템(210)은 기계적 구동 시스템(212), 스프링(216), 및 캠(218)을 포함한다. 구동 시스템(212)은 구동 모터(250)의 회전 모션을 선형 모션으로 변환하고, 스프링(216)은 구동 시스템(212)에 연결되어, 구동 시스템(212)의 선형 모션이 스프링(216)의 근단 끝부를 이동시킨다. (이러한 선형 모션으로의 변환이 필수적인 사항은 아니며, 대안으로서 각각의 스프링(216)의 근단 끝부가 도르레 또는 캡스턴 둘레에 감겨진 케이블에 부착될 수도 있고, 필요하다면, 도르레 또는 캡스턴이 구동 모터로부터 분리된 때 원치않는 모션을 방지하기 위한 브레이크가 제공될 수도 있음을 이해해야 한다.) 캠(218)은 스프링(216)의 원단 끝부에 부착된 케이블(217)이 접촉하고 달려 있는 제1 가이드 면, 및 텐던(230)의 일부분이 접촉하고 달려 있는 제2 가이드 면을 가진다. 캡(218)의 이러한 면들은 일반적으로 캠(218)의 회전 축으로부터 상이한 거리에 있어, 스프링(216)으로부터의 스프링 힘에 대한 텐던(230) 내의 장력의 비율은 텐던(230)이 캠(218)으로부터 떨어져 있는 포인트에 대한 방사형 거리와, 케이블(217)이 캠(218)으로부터 떨어져 있는 포인트에 대한 방사형 거리에 대한 비율과 같다. 캠(218)의 각각의 면은 텐던(230)의 원하는 작동 범위를 제공하기 위해 복수의 회전에 대하여 뻗어 있는 나선형 면일 수 있다.
캠(218)의 가이드 면은 텐던에, 그리고 캠(218)과 링크(240) 사이의 텐던의 경로의 형상에 부착된 캠(218)의 위치 상에 부착된 텐던(230) 내의 장력의 의존도를 줄이거나 제거하도록 더 쉐이핑될 수 있다. 특히, 캠(218)이 원형 가이드 면만 가진 도르레로 교체된다면, 텐던(230)을 당기는 것은 스프링(216)의 스트레치의 비례적인 증가를 일으킬 것이고, 스프링(216)이 후크의 법칙을 따른다고 가정하면, 텐던(230) 내의 장력의 선형적 증가를 일으킬 것이다. 텐던(230) 또는 링크(240)에 가해지는 외부 힘에 대한 장력의 의존도를 줄이기 위해, 캠(218)의 한면 또는 양면 모두 원형이 아니지만, 캠(218)이 회전할 때 텐던(230) 내의 장력 또는 스프링(230)으로부터의 힘이 작용하는 가변 모멘트 암을 제공한다. 예를 들어, 스프링(216)을 늘리려하는 캠(218)의 회전은 스프링(216)이 캠(218)에 작용하는 모멘트 암을 감소시키거나, 텐던(230) 내의 장력이 작용하는 모멘트 암을 증가시킬 수 있다. 정력 스프링에 대하여 주지된 바와 같이, 캠(218)의 형상은 텐던(230)의 움직임이 캠(218)의 회전을 일으킬 때 텐던(230) 내의 장력이 일정하게 유지되도록 선택될 수 있고, 동시에, 스프링(216)으로부터의 스프링 힘은 후크의 법칙에 따라 증가한다. 그러므로, 스프링 시스템(210)은 정력 스프링으로서 역할할 수 있고, 또는 대안으로서 텐던(230)이 캠(218)으로부터 풀릴 때 텐던(230) 내의 장력이 변하는 정도를 줄일 수 있다.
선형 스프링을 사용하여 정력 스프링을 만들하기 위한 적합한 시스템 및 캠의 실시예는 유진 에프. 듀발의 "카운터-밸런스를 포함하는 기계 팔"이란 제목의 미국특허출원 공개번호 US 2008/0277552 A1, 및 유진 에프. 듀발의 "하나 이상의 기계 팔을 가진 카운터 밸런스 시스템 및 방법"이란 제목의 미국특허번호 제7,428,855호에 더욱 상세하게 서술되어 있다.
각각의 기계 시스템(212)은 대응하는 스프링(216)의 근단 끝부의 위치를 컨트롤하고, 그로 인해 대응하는 스프링(216)의 스트레치 크기, 및 부착된 텐던(230)내의 장력에 영향을 미친다. 그 동작에 있어서, 스프링 시스템(210) 내의 기계 시스템(212)이 부착된 스프링(216)을 당기면, 스프링(216)은 늘어나기 시작하고, 스프링 시스템(210)에 부착된 링크(240) 및 텐던(230)이 고정되어 있다면, 스프링(216)이 캠(218)에 가하는 힘이 증가하고, 그러므로 부착된 케이블(217) 내의 장력이 증가한다. 따라서, 텐던(230) 내의 장력은 스프링(216)의 근단 끝부의 움직임에 선형적으로 (후크의 법칙, 캠(218)의 모멘트 암, 및 스프링(216)의 스프링 상수에 따라) 의존하지만, 각각의 스프링 시스템(210)는 비대칭적으로 작동한다. 즉, 훨씬 약한 응답성을 가지거나, 또는 일정한 힘, 비선형 의존도, 또는 텐던(230)을 이동시키는 외부 힘에 반응하여 더 작은 유효 스프링 상수를 가지고 작동한다.
앞서 언급한 각각의 구동 시스템(212)은 구동 시스템(212)에 기계적으로 연결된 구동 모터(250)에 의해 제공될 수 있는 회전 모션을 스프링(216)의 근단 끝부의 선형 모션으로 변환한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 구동 시스템(212)은 볼 너트(213)의 구멍 내에 유지된 볼 베어링에 대한 나선형 레이스웨이(raceway)를 제공하는 나사가공된 샤프트(214)를 포함하는 볼 스크류이다. 볼 너트(213)는 대응하는 모터(250)에 기계적으로 연결되어, 모터(250)가 회전할 때, 샤프트(214)는 기어(213)의 구멍 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 이동한다. 볼 스크류는 스프링(216)에 상당한 힘을 가하거나 또는 그로부터의 상당한 힘을 견딜 때에도 최소한의 마찰력을 제공할 수 있다. 그러나, 다른 기계적 시스템이 대안으로서 스프링(216)을 늘리기 위해 채용될 수 있다. 예를 들어, 간단한 나사가공된 디바이스는 더 큰 마찰력을 가지지만 볼 스크류와 실질적으로 동일한 방식으로 작동할 수 있다. 대안으로서, 스프링(216)의 근단 끝부는 캡스턴 둘레를 감는 케이블에 부착될 수 있어, 캡스턴을 구동하는 모터는 스프링(216)의 근단 끝부를 이동시킬 수 있다. 기어 및 레버의 시스템 또한 회전 모션을 선형 모션으로 변환하기 위해 사용될 수 있고, 또는 회전 모션을 변환하는 대신에, 솔레노이드와 같은 선형 구동 시스템이 스프링(216)의 근단 끝부를 이동시키기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 제공된 예는 구동 시스템(212)에 적합한 몇가지 기계 시스템을 간단히 설명한 것이며, 많은 다른 기계 시스템이 스프링(216)의 근단 끝부를 이동시키기 위해 채용될 수 있다.
조절가능한 정력 스프링 또는 비대칭 스프링 시스템은 선형 또는 코일형 스프링의 사용으로 제한되지 않으며, 다른 타입의 스프링 엘리먼트를 사용하여 구성될 수 있다. 도 2b는 텐던(230)의 움직임에 거의 독립적이지만, 구동 모터(250)를 사용하여 조절가능한, 텐던(230) 내의 장력을 생성하기 위해 토션 스프링(216B)을 사용하는 예시적인 스프링 시스템(210B)을 도시한다. 시스템(210B)에서, 토션 스프링(216B)은 캠(218)의 회전이 토션 스프링(216B) 내의 토션을 변경하도록 캠(218)에 부착된 원단 끝부를 가진다. 캠(218) 상의 토션 스프링(216B)에 의해 발생되는 토크는 그러므로 캠(218)의 회적 각에 따라 (예컨대, 선형적으로) 변한다. 그러나, 텐던(230)은 텐던(230) 내의 일정한 장력이 토션 스프링(216B)으로부터의 토크와 동일한 방식으로 변하는 토크를 일으키도록, 텐던(230)이 작용하는 모멘트 암을 변경하기 위한 형상의 캠(218)의 면 위에 감겨진다. 그 결과, 스프링 시스템(210B)은 정력 스프링으로서 역할한다. 그러나, 스프링 힘 및 텐던(230) 내의 장력은 토션 스프링(216B)의 근단 끝부를 회전시키기 위해 모터(250)를 사용함으로써 컨트롤될 수 있다. 특히, 토션 스프링(216B)을 더 조밀하게 (또는 더 루즈하게) 감는 모터(250)는 텐던(230) 내의 장력을 증가시킨다(또는 감소시킨다). 따라서, 도 2a의 각각의 스프링 시스템(216)은 스프링 시스템(216B)으로 교체될 수 있고, 모터(250)와 스프링 시스템(216 및 216B) 사이에 제공되는 인터페이스의 방향 차이는 수용가능하다.
도 2c는 정력 스프링(216C)을 채용한 다른 대안의 비대칭 스프링 시스템(216C)을 도시한다. 정력 스프링(216C)은 스프링 재료의 감겨진 리본이고, 리본이 완전히 감겼을 때 이완된다. 리본이 풀릴 때, 롤 부근의 리본의 일부분은 스프링 힘을 생성한다. 스프링 힘을 산출하는 리본의 일부분이, 즉, 롤 부근의 부분이 스프링이 풀릴 때 거의 동일한 형상을 가지므로, 이러한 스프링 힘은 리본이 풀릴 때 거의 일정하게 유지된다. 정력 스프링(216C)의 외부 끝부에 부착된 텐던(230)은 텐던(230)이 이동할 때 스프링(216C)으로부터 일정한 힘을 받을 것이다. 그러나, 인터페이스(예컨대, 톱니형 휠)(252)는 정력 스프링(216C)의 안쪽 끝부에 부착될 수 있어, (도시되지 않은) 모터가 인터페이스(252)와 맞물릴 수 있고, 스프링(216C)의 일정한 힘 및 텐던(250) 내의 장력을 변경할 수 있다. 따라서, 도 2a의 각각의 스프링 시스템(216)은 스프링 시스템(216C)으로 교체될 수 있다.
도 2a는 2개의 텐던(230A 및 230B)이 동일한 링크(240)에 연결된 구성을 도시한다. 링크(240)는 링크(240)가 하나의 축에 대하여만 회전할 수 있도록 기계적으로 제한될 수 있다. 텐던(230A 및 230B)은 하나의 텐던(230A 또는 230B)을 당기는 것이 하나의 방향의 회전을 일으키고, 다른 텐던(230B 또는 230A)을 당기는 것이 반대 방향의 회전을 일으키도록, 회전 축의 반대 사이드 상에 부착될 수 있다. 이러한 구성에서, 링크(240)는 링크(240)상의 외부 힘, 마찰력, 및 텐던(230A 및 230B) 내의 장력을 포함하는 힘이 평형일 때 움직이지 않을 것이다. 예컨대, 도 2a의 엔트리 가이드의 삽입 동안 또는 엔트리 가이드의 삽입 후 환자의 움직임에 의한 링크(240)에 가해지는 외부 힘의 변화는 링크(240)를 움직이게 할 수 있다. 또한, 이러한 움직임은, 스프링 시스템(210)이 텐던(230A 및 230B)의 움직임에 비교적 민감하지 않기 때문에, 텐던(230A 및 230B) 내의 장력을 변화시키지 않거나 거의 변화시키지 않을 것이다. 엔트리 가이드는 급격하게 증가하는 저항을 가진 외부 힘에 반응하지 않고, 일정한 길이 포지셔닝 시스템과 함께 발생할 수 있는 스프링 백하지 않는다. (이와 대조적으로, 대부분의 로봇 메카니즘 및 컨트롤은, 도 2a의 엔트리 가이드에서처럼 가변 위치 일정한 힘이 아니라, 가변 힘으로 일정한 위치를 홀딩하도록 설정된다.) 스프링 시스템(210)이 정력 스프링으로서 역할하는 경우에, 엔트리 가이드는 마찰력이 무시가능한 제한에서도 스프링 백 없이 완전히 컴플라이언트할 수 있다. 더욱 일반적으로, 엔트리 가이드의 이동에 의해 유도되는 텐던(230) 내의 장력의 증가가 마찰력보다 적은 영향을 가질 때 스프링 백을 피할 수 있다.
도 2a의 엔트리 가이드 내의 링크(240)는 구동 시스템(212)을 회전시키고 적어도 하나의 텐던(230A 및 230B) 내의 장력을 변경시키기 위해 모터(250)를 구동시킴으로써 움직일 수 있다. 장력의 변화는 새로운 평형이 형성될 때까지 링크(240)를 이동하게 하는 힘의 평형을 깨트린다. 일반적으로, 이는 대응하는 스프링(216)을 늘리고 하나의 텐던(230A 또는 230B) 내의 장력을 증가시키기 위해, 하나의 기계 시스템(212)을 오퍼레이팅하는 것을 포함할 수 있다. 옵션으로서, 다른 기계 시스템(210)은 다른 텐던(230B 또는 230A) 내의 장력을 이완시키도록 동작할 수 있다. 링크(240)가 원하는 크기 만큼 회전한 때, 두 텐던(230A 및 230B) 내의 장력은 평형을 다시 형성하기 위해 요구되는 만큼(예컨대, 두 텐던의 원래의 장력 셋팅으로) 조절될 수 있다. 일반적으로 링크(240)의 위치는 기계 시스템(212)의 셋팅에 고정된 관계를 가지지 않는다. 그러나, 각각의 링크(240)의 위치(또는 전체적인 엔트리 가이드의 형상)는 오퍼레이터에 의해 시각적으로 관찰되거나, 예컨대, 라르킨 등의 "섬유 브래그 격자를 사용한 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템"이란 제목의 (2006년 7월 20일에 출원된) 미국특허출원 공개번호 US 2007/0156019 A1, 및 쥬세페 엠. 프리스코의 "광섬유 형상 센서"란 제목의 (2008년 6월 30일에 출원된) 미국특허 출원번호 제12/164,829호에 서술된 바와 같은, 형상 센서를 사용하여 감지될 수 있다. 그러므로, 도 2a의 시스템을 채용한 엔트리 가이드의 이동은 엔트리 가이드 내의 링크(240)를 모니터링하고, 예컨대, 삽입 프로세스 동안 엔트리 가이드를 스티어링하기 위해, 구동 모터(250)를 컨트롤하는 피드백 루프를 구현하는 컨트롤 시스템(260) 및 센서(270)를 사용하여 로봇식으로 제어되거나, 컴퓨터 보조제어될 수 있다. 자연 루멘을 따라 엔트리 가이드를 스티어링하는 것은 일반적으로 신속하거나 엄격한 응답을 필요로 하지 않아, 외부 저항 및 내부 마찰력보다 약간 큰 힘의 사용과 느린 이동이 목표 위치를 지나치는(overshoot) 이동을 최소화하기 위해 바람직할 수 있다.
도 2a는 엔트리 가이드의 메인 튜브에 대한 백엔드 메카니즘(220) 및 스프링 시스템(210)의 하나의 특별한 구성을 도시한다. 그러나, 많은 다른 구성이 대안으로 채용될 수 있다. 특히, 도 2a에서, 기어(213)의 회전 축은 백엔드 메카니즘(220)으로부터 엔트리 가이드의 메인 튜브가 뻗어 있는 방향과 실질적으로 평행하다. 도 2b 또는 2c의 스프링 시스템(210B 또는 210C)이 사용되었다면, 컨트롤 모터(250)의 회전 축은 엔트리 가이드의 방향에 수직일 수 있다. 도 3은 스프링 시스템(210)을 사용하지만, 실질적으로 메인 튜브에 수직인 회전 축을 가진 구동 모터(250)를 사용하는 백엔드 메카니즘(320)을 가지는 대안의 구성을 도시한다. 또한, 도 2b 또는 2c의 스프링 시스템(210B 또는 210C)은 도 3의 시스템에서 스프링 시스템(210)을 대신하여 사용될 수도 있다.
도 3은 3개의 텐던(330A, 330B, 330C)이 동일한 링크(340)에 부착된 원단 끝부를 가지는 구성을 도시한다. 이러한 구성에서, 링크(340)는 2개의 독립 축에 대한 링크(340)의 회전을 가능하게 하는 피벗 시스템을 가질 수 있다. 하나 이상의 텐던(330A, 330B, 330C) 내의 장력은 그후 링크(340)를 틸팅(tilt)하기 위해 증가될 수 있고, 이러한 장력은 링크(340)가 원하는 방향에 도달한 때 다시 (서로, 외부 힘, 및 마찰력과) 균형이 맞춰질 수 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 서술되었으나, 본 설명은 본원 발명의 하나의 예일 뿐이며, 제한으로 해석되지 않아야 한다. 예를 들어, 앞선 실시예들은 엔트리 가이드인 본 발명의 특정 실시예를 개시하고 있으나, 본 발명의 실시예는 컴플라이언스가 바람직한 다른 수술 기기에서 사용하기에 적합할 수 있다. 개시된 실시예의 특징의 다양한 다른 변형 및 조합은 아래의 청구항에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (27)

  1. 이동가능한 부분을 포함하는 샤프트;
    상기 샤프트의 상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 갖는 제1 텐던(tendon);
    상기 제1 텐던의 근단 끝부에 일정한 힘을 제공하기 위하여 그리고 그에 따라 상기 제1 텐던의 작동범위에 걸쳐 상기 제1 텐던에서 장력을 일정하게 유지하기 위하여 부착되어 있는 제1 정력 스프링; 및
    상기 제1 정력 스프링을 변경하고 상기 제1 정력 스프링이 상기 제1 텐던에 가하는 일정한 힘의 크기를 변경시키기 위하여 연결되는 제1 메카니즘을 포함하고,
    상기 일정한 힘의 크기를 변경하는 것은 상기 이동가능한 부분을 이동시키기 위하여 상기 제1 텐던의 장력을 변경하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 샤프트는 상기 샤프트를 통해 수술 기기를 가이드하기 위한 크기의 루멘을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 루멘의 일부분은 상기 이동가능한 부분을 관통하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 샤프트는 각각 상기 샤프트의 형상을 제어하기 위해 관절이 있는 복수의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 가지는 제2 텐던;
    상기 제2 텐던의 근단 끝부에 부착되어 있는 제2 정력 스프링; 및
    상기 제2 정력 스프링이 상기 제2 텐던에 가하는 제2 일정한 힘을 제어하는 제2 메카니즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 가지는 제3 텐던;
    상기 제3 텐던의 근단 끝부에 부착되어 있는 제3 정력 스프링; 및
    상기 제3 정력 스프링이 상기 제3 텐던에 가하는 제3 일정한 힘을 제어하는 제3 메카니즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 정력 스프링은 상기 제1 텐던의 모션 범위에 걸쳐 상기 제1 텐던에 상기 일정한 힘을 제공하기 위한 형상이며 상기 제1 텐던의 근단 끝부에 연결된 캠에 연결되어 있는 스프링 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 메카니즘은 상기 스프링 엘리먼트의 하나의 끝부에 부착된 볼 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 스프링 엘리먼트는 상기 캠의 일부분의 둘레를 감는 케이블에 부착된 끝부를 가진 선형 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 스프링 엘리먼트는 상기 캠에 부착된 토션 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 정력 스프링은
    하나의 롤의 스프링 재료로서,
    상기 제1 텐던에 부착된 외부 끝부, 및
    상기 제1 텐던에 가해지는 일정한 힘의 크기를 변경하기 위해 상기 롤을 감고 풀 수 있는 상기 제1 메카니즘에 부착된 내부 끝부를 구비한 하나의 롤의 스프링 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트 내의 센서; 및
    상기 센서가 상기 샤프트가 원하는 구성에 도달하였음을 나타낼 때까지 상기 샤프트를 이동시키도록 상기 제1 메카니즘을 오퍼레이팅하는 컨트롤 시스템;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  13. 이동가능한 부분을 포함하는 샤프트;
    상기 샤프트의 상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 갖는 제1 텐던(tendon);
    상기 제1 텐던의 근처 부위에 부착된 제1 끝부를 가진 제1 스프링 시스템; 및
    상기 제1 스프링 시스템의 제2 끝부의 위치를 제어하도록 연결되어 있는 제1 메카니즘;을 포함하고,
    상기 제1 스프링 시스템은 상기 제1 스프링 시스템에 의해 상기 제1 텐던에 가해지는 힘이 상기 제1 텐던의 근처 부위의 위치보다 상기 제1 스프링 시스템의 상기 제2 끝부의 위치에 대하여 더 큰 의존도를 가지는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제1 스프링 시스템에 의해 상기 제1 텐던에 가해지는 힘은 적어도 상기 제1 스프링 시스템의 상기 제2 끝부의 상기 위치가 하나의 셋팅을 가질 때 상기 제1 텐던의 상기 위치에 독립적인 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 샤프트는 상기 샤프트를 통해 수술 기기를 가이드할 수 있는 크기의 루멘을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 샤프트는 각각 상기 샤프트의 형상을 컨트롤하기 위한 관절을 가지는 복수의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 갖는 제2 텐던;
    상기 제2 텐던의 근처 부위에 부착된 제1 끝부를 가진 제2 스프링 시스템; 및
    상기 제2 스프링 시스템의 제2 끝부의 위치를 컨트롤하도록 연결된 제2 메카니즘을 더 포함하고,
    상기 제2 스프링은 상기 제2 스프링 시스템에 의해 상기 제2 텐던에 가해지는 힘이 상기 제2 텐던의 근처 부위의 위치보다 상기 제2 스프링 시스템의 제2 끝부의 위치에 대하여 더 높은 의존도를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 이동가능한 부분에 부착되어 있는 원단 끝부를 갖는 제3 텐던;
    상기 제3 텐던의 근처 부위에 부착된 제1 끝부를 가진 제3 스프링 시스템; 및
    상기 제3 스프링 시스템의 제2 끝부의 위치를 컨트롤하기 위해 연결된 제3 컨트롤 메카니즘을 더 포함하고,
    상기 제3 스프링 시스템은 상기 제3 스프링 시스템에 의해 상기 제3 텐던에 가해지는 힘이 상기 제3 텐던의 근처 부위의 위치보다 상기 제3 스프링 시스템의 제2 끝부의 위치에 대하여 더 높은 의존도를 가지는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 제1 스프링 시스템은 스프링 엘리먼트 및 상기 스프링 엘리먼트와 상기 제1 텐던에 부착된 캠을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제1 메카니즘은 상기 스프링 시스템의 상기 제2 끝부에 부착된 볼 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 디바이스.
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