BR112019023807A2

BR112019023807A2 - Pinça cirúrgica com auto-identificação, elemento fiducial para uso com tal pinça e kits comprendo tais pinças e elementos fiduciais

Info

Publication number: BR112019023807A2
Application number: BR112019023807-7A
Authority: BR
Inventors: Oñativia Bravo Jon; Presa Alonso Jorge; Escudero Martínez De Ibarreta Álvaro; Urzainqui Glaria Alfonso; Bertelsen Simonetti Álvaro
Original assignee: Cyber Surgery, S. L.
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2020-06-02
Also published as: WO2018206829A1; AU2017413263B2; JP2020519416A; CN110769775B; US20200129264A1; CA3063301A1; JP7276890B2; KR20200008138A; US11426257B2; CN110769775A; IL270546B1; IL270546A; RU2739894C1; KR102385914B1; AU2017413263A1; EP3622913A1; IL270546B2; JP2022160566A

Abstract

uma pinça cirúrgica compreendendo duas metades, cada metade com uma porção superior (2) e uma porção inferior (3), as porções inferiores formando duas garras (3) adaptadas para estar em contato com um local cirúrgico, um das porções superiores (2) sendo fornecida com um mecanismo de acoplamento cinemático (4, 5) e um circuito passivo com um valor de impedância predeterminado, de modo que seja possível identificar pinças diferentes devido às suas diferentes impedâncias.

Description

PINÇA CIRÚRGICA COM AUTO—IDENTIFICAÇÃO, ELEMENTO FIDUCIAL PARA USO COM TAL PINÇA E KITS COMPRENDO TAIS PINÇAS E

ELEMENTOS FIDUCIAIS

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a dispositivos cirúrgicos, mais em particular, refere-se a uma pinça cirúrgica para uso em sistemas navegados ou robóticos.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] Os sistemas de cirurgia assistida por computador (CAS) foram desenvolvidos para aumentar a segurança e reduzir os riscos nas cirurgias existentes e permitiram a implementação de novos procedimentos cirúrgicos, como cirurgias minimamente invasivas. Os sistemas CAS incluem navegadores que orientam o cirurgião durante a intervenção, como o apresentado em US 6351659 BI. Os navegadores geralmente são baseados em um sistema de rastreamento ótico que determina continuamente a posição e a orientação do paciente e de alguns instrumentos cirúrgicos em relação a um sistema de coordenadas fixo. Essa informação é comparada com uma representação virtual da anatomia do paciente, a fim de fornecer retorno visual ao cirurgião. O cirurgião pode observar a trajetória dos instrumentos cirúrgicos em relação a alguns locais anatômicos que, de outra forma, não são visíveis, por exemplo, porque estão ocultos por tecidos moles. Outro tipo de sistemas CAS são assistentes robóticos baseados em rastreadores óticos ou mecânicos. Assistentes robóticos, como o descrito em US 2014/0350571 Al, apresentam um guia físico para fornecer uma trajetória para que os instrumentos cirúrgicos atinjam locais anatômicos pré

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2/11 planejados. Todos estes sistemas são baseados na fixação de um elemento fiducial que faz parte do mecanismo de rastreamento, em um local anatômico do paciente.

[003] Em algumas cirurgias da coluna, mais de um local anatômico deve ser rastreado durante a intervenção, por exemplo, para operar em vários níveis vertebrais, conforme descrito em Ughwanogho et al. 2010 (E. Ughwanogho, JM Flynn, Modalidades de Navegação Atuais em Cirurgia da Coluna, Jornal Ortopédico da Universidade da Pensilvânia, vol. 20, páginas 65-69, maio de 2010) . Em tais intervenções, uma pinça única pode ser usada para operar as diferentes regiões sequencialmente por fixar a pinça em uma vértebra direcionada quando uma região for sofrer intervenção e liberando-a para passar para a próxima. Outra opção é fixar mais de uma pinça ao mesmo tempo nas diferentes regiões e fazer com que o sistema rastreie uma delas. Nos dois casos, o cirurgião deve notificar o sistema em que o rastreador está montado ou qual matriz de referência é visível, a fim de associar a imagem pré-cirúrgica do paciente com a localização atual da pinça. Este procedimento apresenta alguns riscos, pois um erro humano pode fazer o sistema pensar que o rastreador está associado a um local cirúrgico que não corresponde à verdadeira localização física. Em tal uma situação, a trajetória que é apresentada para o cirurgião com respeito à representação virtual do paciente não corresponderá com a localização física com os riscos que isso implica. Na técnica atual, não existe um sistema que descreva um mecanismo de identificação automática para informar ao sistema onde um rastreador está montado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

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[004] A presente invenção fornece uma pinça de referência fornecida com um identificador único na forma de um circuito elétrico passivo com um valor de impedância predeterminado que pode ser identificado automaticamente pelo dispositivo de rastreamento. Em um kit compreendendo uma pluralidade de pinças, os identificadores são automaticamente associados às diferentes localizações anatômicas no inicio da intervenção durante o processo de registro do paciente. A invenção compreende ainda um complemento fiducial à pinça e um kit de elementos fiduciais, cada um deles fornecido com uma configuração diferente de esferas radiopacas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[005] Para completar a descrição e fornecer uma melhor compreensão da invenção, é fornecido um conjunto de desenhos. Os referidos desenhos ilustram uma modalidade preferida da invenção, que não deve ser interpretada como restringindo o escopo da invenção, mas apenas como um exemplo de como a invenção pode ser realizada.

[006] A Figura 1 mostra uma pinça e um elemento fiducial de registro de acordo com a invenção.

[007] A Figura 2 mostra um conjunto de três pinças de acordo com a invenção anexadas à coluna vertebral de um paciente.

[008] A Figura 3 mostra as mesmas três pinças com elementos fiduciais de registro anexados nas mesmas.

[009] A Figura 4 mostra as mesmas três pinças com um rastreador mecânico e um assistente robótico montado em uma das pinças.

[0010] A Figura 5 mostra dois exemplos do circuito

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4/11 elétrico de identificação automática.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0011] A invenção apresenta uma pinça cirúrgica para localizar e rastrear precisamente locais cirúrgicos préplanejados na sala de operações. Graças à invenção, cirurgia navegada ou roboticamente assistida é executada de uma forma minimamente invasiva com um elevado grau de precisão. A operação direcionada é a inserção de parafusos pediculares nas vértebras, mas também pode ser estendida a outros tipos de cirurgia. A localização precisa dos parafusos pode ser planejada antes de o paciente entrar na sala de cirurgia com uma imagem pré-cirúrgica do paciente ou pode ser planejada durante a cirurgia se houver um dispositivo de imagiologia tridimensional intra-operatório disponível, geralmente um sistema de tomografia computadorizada (CT) . O planejamento da cirurgia inclui a definição do tamanho, localização e orientação dos parafusos pediculares nas vértebras alvo.

[0012] Uma imagem tridimensional do local anatômico pode ser obtida antes do paciente entrar na sala de cirurgia. Neste exemplo, esse local anatômico corresponde a uma seção da coluna vertebral do paciente. O cirurgião planeja a cirurgia nesta imagem pré-operatória. Observe que esta etapa pode ser realizada dias antes do agendamento da cirurgia. Quando o paciente entra na sala de cirurgia e para realizar a cirurgia com um sistema de navegação ou assistente robótico, a posição e orientação relativas do dispositivo de rastreamento em relação ao local anatômico devem ser estabelecidas. Isso é alcançado por um processo de duas etapas. Primeiro, é registrada a posição e orientação relativas das vértebras alvo em relação a uma referência

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5/11 rigidamente fixada ao osso. A pinça (1) da invenção, como mostrado na Figura 1, está rigidamente fixada ao osso e atua como a referência. Para concluir a etapa de registro, uma vez que a pinça é presa ao processo espinhoso de uma vértebra por meio de suas duas garras (3) , um elemento com uma geometria conhecida é temporariamente montado na pinça (1'). Esse elemento é conhecido na literatura como elemento fiducial de registro. Quando a etapa de registro é concluída, o elemento fiducial de registro é removido da pinça. Observe que a pinça ainda está presa ao osso. Em seguida, a posição e orientação relativa da pinça são rastreadas durante a cirurgia com um dispositivo de rastreamento mecânico ou ótico. Uma porção inferior (3) da pinça de referência é fixada rigidamente ao osso por meio de suas garras e uma porção superior (2) apresenta um mecanismo de acoplamento cinemático (4, 5) . 0 mecanismo de acoplamento cinemático é preparado para receber o elemento fiducial de registro com uma variedade de marcadores ou uma extremidade de um dispositivo de rastreamento.

[0013] Com referência à Figura 3, o elemento fiducial de registro (1’) é um corpo rígido feito de um material radiolúcido com várias esferas radiopacas (8') dispostas em uma geometria conhecida. As esferas radiopacas são facilmente identificadas em uma radiografia bidimensional ou em uma tomografia computadorizada tridimensional, pois apresentam um alto contraste em relação ao resto do corpo que compõe o elemento fiducial de registro. Quando a pinça de referência é fixada ao osso alvo e o elemento fiducial de registro é montado na pinça, são obtidas imagens intraoperatórias da região. É desejável usar um dispositivo de

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6/11 aquisição intra-operatório tridimensional, a fim de obter maiores precisões. Se esse dispositivo não estiver disponível, pelo menos duas radiografias bidimensionais devem ser adquiridas em orientações diferentes para poder localizar com precisão a posição no espaço do elemento fiducial a partir das projeções bidimensionais das esferas. Na presente invenção, estão disponíveis várias pinças com identificadores únicos e cada pinça tem um elemento fiducial associado a uma configuração de esferas exclusiva. Essas diferentes configurações das esferas radiopacas permitem a identificação inequívoca das pinças durante o procedimento de registro. Portanto, quando o procedimento de registro é concluído, o sistema sabe exatamente qual pinça é fixada nos diferentes locais anatômicos em que a cirurgia será realizada.

[0014] A precisão do procedimento de registro depende fortemente da distância entre as esferas do elemento fiducial e a área alvo. A fim de aumentar a precisão, é, portanto, desejável colocar as esferas o mais próximo possível do alvo. Nesta modalidade, a área alvo é o pedículo da vértebra e o elemento do sistema que está mais próximo dessa área é a pinça de referência. Na presente invenção, a pinça de referência também pode incluir esferas radiopacas (8) na porção superior que são usadas no processo de registro. Isso torna o procedimento de registro mais robusto, aumentando a precisão do sistema geral e reduzindo os riscos inerentes à intervenção.

[0015] O procedimento de registro, primeiro, estabelece a posição exata da pinça de referência. Isso pode ser feito graças ao fato de que as esferas radiopacas são

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7/11 facilmente detectadas nas imagens intra-operatórias e são conhecidas as geometrias da pinça de referência e do elemento fiducial. Como mencionado anteriormente, as imagens intraoperatórias podem ser uma reconstrução tridimensional da região de interesse ou várias radiografias bidimensionais. No caso de uma aquisição intra-operatória tridimensional, a localização da pinça de referência é facilmente estabelecida ao encontrar as esferas radiopacas no volume tridimensional. Se o registro for realizado usando radiografias bidimensionais, a posição das esferas é obtida retroprojetando suas posições a partir das imagens bidimensionais e encontrando sua posição no espaço tridimensional triangulando as várias projeções de cada esfera.

[0016] Então, a posição e a orientação da vértebra na imagem pré-operatória tridimensional são combinadas com a imagem intra-operatória da vértebra. Isso é realizado usando algoritmos de registro baseados em intensidade padrão que encontram a transformação que relaciona as duas geometrias. Nesse ponto, um local cirúrgico definido na imagem pré-operatória da vértebra pode ser identificado na sala de operações em relação à pinça de referência. É importante notar que a pinça de referência é rigidamente fixa ao osso, consequentemente, não há movimento relativo entre a pinça e o osso. Portanto, o elemento fiducial de registro pode ser removido, deixando a pinça de referência fixa ao osso. A partir deste ponto, a posição e a orientação da vértebra são rastreadas com precisão durante a cirurgia, rastreando a posição e a orientação da pinça de referência. O elemento fiducial de registro pode ser facilmente removido

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8/11 da pinça de referência, graças ao mecanismo de acoplamento que é descrito a seguir.

[0017] O mecanismo de acoplamento (Figura 1) é baseado em um sistema de acoplamento magnético cinemático que compreende, vantajosamente, mas não necessariamente, duas porções, cada porção compreendendo um imã (5, 5'), os imãs sendo de polaridades opostas, de modo que cooperem um com o outro para formar o acoplamento. O elemento montável pode ser um elemento fiducial de registro ou um dispositivo rastreador. De preferência, três ranhuras em forma de V (4) na porção de pinça e três esferas (4') na outra porção (elemento fiducial ou rastreador) fornecem o acoplamento de imã junto com os imãs. Esse acoplamento cria uma interface precisa e repetivel entre os dois corpos rígidos. Este sistema fornece seis pontos de contato - dois por esfera para garantir que o mecanismo de acoplamento restrinja os seis graus de liberdade (três graus de liberdade para a posição e outros três para a rotação) do movimento relativo entre a pinça e a ponta do rastreador. Um ímã (5, 5’) no centro de cada porção fornece a força necessária para evitar qualquer movimento relativo entre a pinça e a ponta do rastreador, mantendo ambas as partes juntas. A força exercida pelo ímã é tal que garante a conexão entre a pinça e o rastreador durante a intervenção. No entanto, essa força é tal que a conexão pode ser liberada por um operador humano para permitir que o sistema seja facilmente removido a qualquer momento. O acoplamento cinemático mais estável seria obtido quando as três ranhuras em forma de V formarem ângulos de 120 °. No entanto, para a invenção, é preferível que as três ranhuras em forma de V formem três ângulos, de

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9/11 modo que o mecanismo de acoplamento possa ser engatado apenas em uma posição única. Por exemplo, ângulos de 110 °, 110 ° e 140 ° garantem que o mecanismo de acoplamento esteja engatado em uma posição única. Para esse fim, pelo menos um dos ângulos deve ser diferente dos outros dois.

[0018] A pinça é composta por duas metades rígidas, cada uma apresentando uma garra na porção inferior (3) com cavilhas. As cavilhas de cada garra penetram na superfície do osso, a fim de garantir que a pinça esteja firmemente fixada ao osso durante a intervenção. A porção superior (2) de uma das metades apresenta a base do mecanismo de acoplamento cinemático com as três ranhuras em forma de V. A outra metade apresenta uma extremidade arredondada na parte superior para facilitar o aperto da pinça com uma ferramenta auxiliar. Esta ferramenta está adaptada para apertar a presente pinça. A pinça apresenta um mecanismo de dentes de catraca para permitir o aperto da pinça contra o osso e impedir que a pinça seja liberada do osso durante a intervenção. O mecanismo de aperto de catraca apresenta dentes nas duas metades da pinça para permitir o movimento apenas na direção do aperto.

[0019] A pinça e o rastreador (Figura 4) apresentam um mecanismo de detecção que notifica o sistema quando o rastreador está conectado à pinça. Esse mecanismo de detecção é um circuito elétrico conectado a uma unidade de processamento capaz de identificar quando a conexão foi estabelecida. Ά porção de pinça do mecanismo de acoplamento, na porção superior da pinça, tem um circuito elétrico passivo e a porção de rastreador do mecanismo de acoplamento, que está localizada na ponta deste último, conecta a porção de

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10/11 base a uma unidade de processamento. A unidade de processamento aplica uma pequena tensão, portanto, quando a conexão é estabelecida, o circuito elétrico é fechado e uma corrente é detectada.

[0020] As esferas do mecanismo de acoplamento cinemático descrito anteriormente são feitas de um material eletricamente condutor e são conectadas à unidade de processamento. As ranhuras em forma de V apresentam uma seção eletricamente condutora na qual as esferas fazem contato para estabelecer a conexão elétrica entre a porção de topo e de base. As Figuras 5-a e 5- b são dois exemplos de circuitos elétricos que implementam esse mecanismo de detecção. Nos dois casos, duas impedâncias de valor Z são usadas entre os diferentes contatos. No primeiro exemplo, se uma tensão V for aplicada pela unidade de processamento, a corrente no circuito terá um valor de I = 2V / Z. No segundo exemplo, se uma tensão V for aplicada pela unidade de processamento, a corrente no circuito terá um valor de I = V / 2Z.

[0021] Outras configurações de circuitos passivos incluem uma ou mais resistências, capacitores, bobinas ou qualquer combinação destes. Esta ideia é estendida na presente invenção para detectar automaticamente diferentes pinças. O número de vértebras que precisam sofrer intervenção depende do tipo de cirurgia e pode passar de apenas duas a mais de dez. Nesse contexto, o cirurgião pode fixar várias pinças em vértebras diferentes, a fim de obter referências robustas em diferentes locais. O sistema robótico indicará a trajetória dos parafusos que devem ser inseridos em cada vértebra. Para isso, é crucial que o sistema esteja sempre

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11/11 ciente da vértebra onde o rastreador está fixo, pois as trajetórias dos parafusos são diferentes de vértebra para vértebra. Para fazer o sistema detectar automaticamente as diferentes pinças, cada pinça apresenta uma impedância Z diferente no circuito de detecção. A unidade de processamento pode, portanto, identificar a qual pinça o rastreador está conectado, medindo a corrente que circula através da pinça. As diferentes pinças têm um identificador associado a ela.

[0022] Pinças com identificadores diferentes têm elementos fiduciais de registro diferentes associados a elas, a fim de identificar as pinças também durante o procedimento de registro. Os diferentes elementos fiduciais de registro apresentam o mesmo corpo de material radiolúcido, mas a configuração das esferas radiopacas é diferente. As diferentes configurações das esferas permitem identificar a pinça durante a etapa de registro e, portanto, identificar qual pinça está fixada em qual vértebra. O sistema pode assim associar uma vértebra a um identificador de pinça e quando o rastreador está conectado a uma pinça, o sistema pode identificar imediatamente em qual vértebra o rastreador está montado.

[0023] A pinça é rigidamente fixada ao osso durante a intervenção e, como consequência, deve ser feita de um material rígido e biocompatível. O titânio é o metal de escolha em muitas aplicações médicas, pois satisfaz as duas propriedades. A liga de titânio TÍ6A14V é comumente usada para próteses ou instrumentação e, portanto, é o material preferido para a pinça. O aço inoxidável também é adequado para essas aplicações. Alternativamente, a pinça pode ser feita de material cerâmico reforçado com fibra de carbono que tem a vantagem de ser radiolúcido.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Pinça cirúrgica (1) compreendendo duas metades, cada uma com uma porção superior (2) e uma porção inferior (3), as porções inferiores de uma metade e a porção inferior da outra metade formando duas garras (3) adaptadas para estar em contato com um local cirúrgico, CARAC TE RI ΖΑΡΑ pelo fato de que uma das porções superiores (2) é fornecida com uma primeira porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4, 5) configurada para ser acoplada a uma segunda porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4', 5') de um elemento fiducial de registro (1') ou um dispositivo de rastreamento; e um circuito passivo com um valor de impedância predeterminado, este circuito passivo sendo configurado para conectar ao dispositivo de rastreamento quando esse dispositivo de rastreamento estiver acoplado à primeira porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4,5) da pinça cirúrgica (1).
2. Pinça cirúrgica (1), de acordo com a reivindicação 1, CARAC TE RI ΖΑΡΑ pelo fato de que a primeira porção do mecanismo de acoplamento cinemático compreende um primeiro imã (5) e as três ranhuras em forma de V (4), cada ranhura com pelo menos uma seção eletricamente condutora, as ranhuras sendo radialmente dispostas formando três ângulos, em que essas ranhuras (4) são configuradas para entrar em contato com esferas eletricamente condutoras que são dispostas na segunda porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4', 5'), estabelecendo assim a conexão elétrica entre o circuito passivo e o dispositivo de rastreamento.
3. Pinça cirúrgica (1), de acordo com qualquer uma das

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2/4 reivindicações 1 ou 2, CARAC TE RI ΖΑΡΑ pelo fato de que compreende ainda esferas radiopacas na porção superior (2).
4. Dispositivo de rastreamento e pinça cirúrgica (1) conforme definida na reivindicação 3, CARAC TE RIZADO pelo fato de que quando a pinça cirúrgica (1), no modo de operação, é acoplada ao dispositivo de rastreamento, a conexão elétrica entre o circuito passivo e o dispositivo de rastreamento é configurada de modo que o circuito passivo é fornecido entre a primeira ranhura em forma de V e a conexão entre a segunda ranhura em forma de V e a terceira ranhura em forma de V de modo que a primeira impedância Z e a segunda impedância Z sejam paralelas.
5. Combinação, de acordo com a reivindicação 4, CARAC TE RIΖΑΡΑ pelo fato de que a primeira porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4, 5) é configurada com uma primeira impedância predeterminada Z entre uma primeira ranhura em forma de V e uma segunda ranhura em forma de V e uma segunda impedância Z entre a primeira ranhura em forma de V e uma terceira ranhura em forma de V, o valor da segunda impedância sendo igual ao valor da primeira impedância; e,

- a segunda porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4', 5') é configurada de modo que a conexão elétrica com o circuito passivo seja por conectar um primeiro terminal com uma primeira esfera adaptada para contatar a seção condutora da primeira ranhura (4) e conectar um segundo terminal com uma segunda e uma terceira esfera, ambas as esferas em comunicação elétrica, a segunda esfera adaptada para contatar a seção condutora da segunda ranhura (4) e a terceira esfera adaptada para contatar a seção condutora da

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3/4 terceira esfera ranhura (4).
6. Combinação, de acordo com a reivindicação 4, CARAC TE RIΖΑΡΑ pelo fato de que a primeira porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4, 5) é configurada com uma primeira impedância predeterminada Z entre uma primeira ranhura em forma de V e uma segunda ranhura em forma de V, e uma segunda impedância Z entre a segunda ranhura em forma de V e uma terceira ranhura em forma de V, o valor da segunda impedância sendo igual ao valor da primeira impedância;

cada seção condutora compreendendo duas partes condutoras separadas, uma primeira parte condutora para um ponto de contato e uma segunda parte condutora para um outro ponto de contato separado da primeira parte,

- a segunda porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4', 5') é configurada de modo que a conexão elétrica com o circuito passivo seja por conectar um primeiro terminal com uma primeira esfera adaptada para contatar a seção condutora da primeira ranhura (4) e conectar um segundo terminal a uma terceira esfera, uma segunda esfera adaptada para contatar a seção condutora da segunda ranhura (4) e a terceira esfera adaptada para contatar a seção condutora da terceira ranhura (4) .
7. Combinação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 6, CARAC TE RI ΖΑΡΑ pelo fato de que um dos ângulos é diferente dos outros dois.
8. Kit formado por uma pluralidade de pinças cirúrgicas (1) conforme definidas em qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, CARAC TE RIZADO pelo fato de que o circuito passivo de cada pinça cirúrgica (1) tem uma impedância diferente.

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9. Elemento fiducial de registro (1') para uso com a pinça cirúrgica (1) conforme definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, CARAC TE RI ZADO pelo fato de que compreende material radiolúcido, e fornecido com uma segunda porção do mecanismo de acoplamento cinemático (4', 5') configurada para ser acoplada a uma primeira porção do mecanismo cinemático (4, 5) da pinça cirúrgica (1).
10. Elemento fiducial de registro (1'), de acordo com a reivindicação 9, CARAC TE RI ZADO pelo fato de que compreende uma configuração predeterminada de esferas radiopacas a uma porção de topo.
11. Kit formado por uma pluralidade de elementos fiduciais de registro (1') conforme definidos na reivindicação 9 ou 10, CARAC TE RI ZADO pelo fato de que cada elemento fiducial de registro (1') tem uma configuração diferente de esferas radiopacas.