ES2216789T3

ES2216789T3 - Sistema para la orientacion asistida por navegacion de elementos sobre un cuerpo.

Info

Publication number: ES2216789T3
Application number: ES00120229T
Authority: ES
Inventors: Martin Immerz
Original assignee: Brainlab AG
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2004-11-01
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: DE50100485D1; EP1190675B1; ES2203556T3; ATE246903T1; ATE265185T1; US20020038085A1; EP1190675A1; US6947783B2; DE50006264D1

Abstract

Sistema para la colocación de un elemento guía para un dispositivo de corte en un cuerpo con: a) un elemento guía para un dispositivo de corte; b) una broca; c) un dispositivo de detección de posición para detectar la posición de la broca y para detectar la posición del cuerpo; d) una memoria para almacenar un modelo de datos tridimensional de un cuerpo que se ha de implantar; y e) una unidad de cálculo para la preparación y realización de un procedimiento para preparar y/o colocar el elemento guía para un dispositivo de corte en el cuerpo, detectando la unidad de cálculo la posición de la broca respecto a la posición del cuerpo y siendo colocada la broca mediante la unidad de cálculo de tal forma que puedan generarse puntos de unión de tal forma que el elemento guía colocado en los puntos de unión así generados para un dispositivo de corte se encuentre en una posición teórica deseada que se determina a partir de una posición virtual de un cuerpo que se ha de implantar.

Description

Sistema para la orientación asistida por navegación de elementos sobre un cuerpo.

La presente invención trata de un sistema, particularmente para el campo de la medicina, para la orientación asistida mediante la colocación de elementos, en particular para la orientación o el posicionamiento de implantes que se incorporan en huesos o articulaciones como, por ejemplo, en la zona de la rodilla, de la cadera o de la médula espinal.

En la implantación de articulaciones artificiales de la rodilla es conocido el uso de plantillas de corte. Para ello se aplican plantillas de corte en el fémur y en la tibia, determinando las plantillas de corte planos de corte de los huesos correspondientes, mediante los cuales se determina fundamentalmente la orientación del implante femoral y tibial. Durante este proceso, las plantillas de corte deben orientarse a ser posible de tal forma que, después de la inserción de los implantes, el eje mecánico del fémur y el eje mecánico de la tibia estén orientados uno respecto al otro.

Por "Total Knee Replacement" de Kienzle T.C. y otros, IEEE ENGINIEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY, NUEVA YORK, EEUU, TOMO 14, NÚMERO 3, 1 DE MAYO DE 1995, páginas 301 a 306 se conoce un sistema quirúrgico asistido por ordenador, que usa un robot calibrado determinándose, por ejemplo, la cadera de un paciente con referencia al robot. El robot se usa a continuación para medir las coordenadas de dos pins para señalizar puntos destacados femorales. Para la colocación de un bloque de corte en el hueso, el robot posiciona una plantilla de taladrar, a continuación de lo cual un cirujano taladra agujeros usando esta plantilla de taladrar y vuelve a retirar el robot de la rodilla.

Por el documento WO 97 / 23172 se conoce un sistema quirúrgico asistido por ordenador, fijándose una pierna y registrándose con un puntero puntos de datos. Se usa un dispositivo de medición de coordenadas para posicionar una plantilla respecto al fémur. Este documento se considera el estado de la técnica más próximo e incluye las características indicadas en la reivindicación independiente con la diferencia de que la posición de la broca respecto a la posición del cuerpo no se determina mediante la unidad de cálculo y de que la broca es controlada por el cirujano.

El documento WO 99 / 15097 describe un dispositivo y un procedimiento para la orientación percutánea de implantes e instrumentos quirúrgicos para realizar un procedimiento de mínima invasión. Con ayuda de un sistema de navegación, un instrumento quirúrgico para la realización de una intervención de mínima invasión se posiciona respecto a una parte del cuerpo para la orientación percutánea de implantes quirúrgicos.

La presente invención tiene el objetivo de proponer un sistema para la colocación de un elemento en un cuerpo, con el que el elemento pueda posicionarse de la forma más exacta posible.

Este objetivo se consigue mediante un sistema según la reivindicación independiente. En las reivindicaciones subordinadas se indican formas de realización ventajosas.

Con el sistema se puede colocar un elemento, como por ejemplo una plantilla de corte o un elemento guía para un dispositivo de corte, en una posición exacta en un cuerpo tal como, por ejemplo, un hueso, colocándose un dispositivo para la preparación y/o realización de una unión entre el elemento y el cuerpo, es decir, por ejemplo una broca para hacer un agujero o un dispositivo de fijación adecuado, que puede sujetar el elemento al cuerpo, de tal forma que los puntos de unión entre el cuerpo y el elemento puedan realizarse en una posición exacta. Si el elemento se fija a continuación en los puntos de unión realizados o preparados de esta forma, se encontrará automáticamente en la posición deseada. La navegación del dispositivo para la realización o preparación de una o varias uniones o uno o varios puntos de unión se lleva a cabo preferiblemente de tal forma que se detecta la posición de este dispositivo respecto a la posición del cuerpo en el que debe colocarse el elemento o respecto a una posición teórica. La detección de la posición puede realizarse tanto de forma continua como en momentos predeterminados o de forma intermitente. La diferencia detectada entre la posición real y la posición teórica puede ser indicada, es decir, ser visualizada, por ejemplo, en una pantalla y/o ser usada directamente para un guiado automático.

Por consiguiente, no es necesario detectar la posición del elemento en sí, para colocar este elemento en una posición deseada en un cuerpo, aunque naturalmente también es posible detectar la posición del elemento. La orientación o el posicionamiento de un elemento en un cuerpo se realiza mediante la preparación o realización de la unión o de los puntos de unión entre el elemento y el cuerpo en una posición exacta, por ejemplo, mediante la colocación de una broca, resultando la orientación del elemento en una posición exacta durante la colocación del elemento en los puntos de unión previstos.

Preferiblemente se detecta la estructura en el espacio del o de los cuerpos en el que o en los que deben colocarse uno o varios elementos. Esto puede realizarse, por ejemplo, mediante tomografía asistida por ordenador, resonancia magnética nuclear u otros procedimientos conocidos. Durante este proceso es posible detectar el cuerpo completo, aunque también es posible detectar sólo zonas parciales interesantes o relevantes del cuerpo. En este proceso pueden determinarse, por ejemplo mediante interpolación, zonas o estructuras no detectadas del cuerpo. Por ejemplo, es posible escanear sucesivamente sólo una pequeña zona de la cadera de, por ejemplo, 5 cm, de la rodilla de, por ejemplo, 10 cm y del tobillo o de la articulación tibiotarsiana superior de, por ejemplo, 5 cm mediante tomografía asistida por ordenador, pudiendo determinarse a partir de estas tomas los datos relevantes para un posicionamiento exacto de un elemento. La distancia entre las distintas tomas puede obtenerse, por ejemplo, por el movimiento de una mesa en la que se apoya una pierna a examinar, de modo que a partir de estas tres tomas de zonas parciales puedan determinarse los ejes anatómicos de la pierna, es decir, la disposición real de los huesos y articulaciones, así como de los ejes mecánicos, es decir, la disposición de las líneas portantes. En general es posible detectar la parte de un cuerpo relevante para la colocación de un elemento, solo cuando puede determinarse a partir de informaciones adicionales adecuadas tales como, por ejemplo, la posición relativa entre las distintas tomas individuales y la forma en que están dispuestas las estructuras relevantes para la colocación del elemento.

Es preferible generar un modelo de datos del o de los cuerpos en los que deben colocarse uno o varios elementos, para poder realizar con ayuda de este modelo de datos procedimientos para mejorar la calidad de las imágenes u otros procedimientos de transformación de imágenes, procedimientos para el procesamiento virtual de zonas relevantes o similares, por ejemplo con ayuda de un software adecuado.

Preferiblemente se proporciona una pluralidad de modelos de datos, en particular tridimensionales, de un implante o un cuerpo que se ha de implantar, es decir, por ejemplo modelos de datos de distintos implantes. Puede tratarse, por ejemplo, de una biblioteca con implantes o prótesis de distintas medidas, pudiendo elegirse uno o varios modelos de datos de uno o varios cuerpos que se ha de implantar.

Es particularmente ventajoso el posicionamiento en función del uso de los datos registrados o los modelos de datos obtenidos a partir del cuerpo o de un implante o de un posicionamiento del cuerpo, es decir, posicionar un implante, por ejemplo, una prótesis de rodilla, de forma virtual respecto al cuerpo, para coincida con el eje mecánico de la tibia. También es posible realizar el posicionamiento de forma manual, es decir, emitir o visualizar los datos de tal forma que una persona pueda proceder al posicionamiento del cuerpo que se ha de implantar o de la prótesis o modificar este posicionamiento mediante entradas adecuadas. Preferiblemente se sigue un procedimiento combinado, en el que en primer lugar un algoritmo adecuado o un software propone una posición, teniendo a continuación una persona la posibilidad de modificar el posicionamiento propuesto. Durante este proceso, el cuerpo que se ha de implantar puede, por ejemplo, ser desplazado, girado, ampliado o reducido para el ajuste fino.

Es ventajoso determinar la posición deseada o teórica del elemento que se ha de colocar a partir de la posición del implante o del cuerpo que se ha de implantar. Es decir, es posible determinar la posición del elemento que debe colocarse o implantarse en el cuerpo cuando existe una relación de posiciones fija entre el cuerpo y el implante o cuerpo que se ha de implantar en el cuerpo o el implante o cuerpo que se ha de implantar o colocar en el cuerpo. Cuando debe implantarse, por ejemplo, una articulación artificial de rodilla, con la posición deseada de la articulación de rodilla que se ha de implantar también queda fijada la posición de una plantilla de corte que se utiliza, para ello, por ejemplo, la que determina el plano de corte en un hueso, pudiendo servir este plano de corte como superficie de apoyo de la articulación artificial de rodilla. En particular, es ventajoso conocer la posición de determinados elementos o zonas de la plantilla de corte o del elemento que se ha de colocar como, por ejemplo, la posición de los taladros en la plantilla de corte para controlar o supervisar con ayuda de estos datos, por ejemplo, el taladrado de agujeros en un hueso que sirven para la fijación de la plantilla de corte en una posición exacta.

Es ventajoso realizar un registro, es decir, una orientación claramente definida del cuerpo respecto a un sistema de posición o de coordenadas fijo y/o respecto al dispositivo para realizar o preparar la unión entre el cuerpo y el elemento que se ha de colocar, por ejemplo una broca y/o el propio elemento. Para registrar la posición del cuerpo, por ejemplo de uno o varios huesos del paciente, pueden usarse distintos procedimientos. En primer lugar pueden unirse, por ejemplo, marcas fijamente con el cuerpo, pudiendo determinarse posteriormente con ayuda de la posición de estas marcas como es la posición del propio cuerpo en el espacio. Las marcas pueden ser, por ejemplo, uno o varios elementos reflectantes, cuya posición es detectada por una o varias cámaras adecuadas como, por ejemplo, cámaras infrarrojas. Ha resultado ser ventajoso el uso de tres marcas, que están dispuestas, por ejemplo, en un triángulo de lados iguales. Para registrar el cuerpo, es decir, por ejemplo un hueso, con marcas aplicadas en el mismo respecto al modelo de datos del cuerpo determinado, por ejemplo, mediante tomografía asistida por ordenador o resonancia magnética nuclear puede realizarse, por ejemplo, una comparación de las superficies. En este proceso pueden seleccionarse libremente un número de por ejemplo 20 puntos en el modelo de datos, intentándose conseguir la coincidencia más exacta posible del modelo de datos con el cuerpo real. Además, es posible realizar el registro mediante una o varias tomas del cuerpo con las marcas aplicadas en el mismo. Pueden hacerse, por ejemplo, una o varias radiografía(s) con un arco en C, con ayuda de las cuales puede realizarse el registro. Además, existe la posibilidad de repasar una línea libremente elegida en el cuerpo con una fuente de luz, por ejemplo un puntero láser, para realizar un registro con ayuda de la luz reflejada por el cuerpo.

Al igual que el registro del cuerpo, también puede registrarse la broca o un dispositivo adecuado para la realización o preparación de una unión. Para ello pueden estar previstas también en este dispositivo y/o en el elemento guía una o varias marcas, pudiendo señalarse para la calibración, por ejemplo, un punto de referencia con la punta de la broca, de modo que esté claramente definida la posición en el espacio de las marcas respecto a la punta de la broca.

Si ahora puede detectarse exactamente la posición del cuerpo, es decir, por ejemplo de un hueso, y si se ha definido, además, en qué punto deben realizarse, por ejemplo, taladros en el hueso para fijar, por ejemplo, una plantilla de corte, de modo que un corte pueda realizarse de tal forma que un implante fijado en este corte presente la orientación deseada, puede controlarse, por ejemplo, una broca, cuya posición en el espacio también se detecta de tal forma que puedan taladrarse uno o varios agujeros en los puntos deseados. Como ya se ha explicado anteriormente, durante este proceso es posible controlar la broca de forma automática o realizar un taladrado de forma manual, pudiendo visualizarse desviaciones de la broca, por ejemplo respecto al punto de entrada y/o el eje de taladrar. Además, también es posible indicar la profundidad de taladrado emitiéndose, por ejemplo, un aviso al alcanzar la profundidad de taladrado predeterminada o desconectándose la broca automáticamente.

Para completar, puede procederse a una comprobación o corrección de los pasos del procedimiento mediante una fluoroscopia, es decir, la realización de tomas intraoperativas.

Puede cargarse en la memoria interna de un ordenador digital un programa de ordenador correspondiente, que incluye rutinas de software con los que pueden realizarse uno o varios pasos del procedimiento arriba descrito cuando el producto se ejecuta en un ordenador.

Además, este programa de ordenador puede estar almacenado en un medio adecuado.

El sistema según la invención para la colocación de un elemento en un cuerpo está definido en la reivindicación independiente. Con el sistema según la invención puede realizarse, por lo tanto, una determinación de la posición de la broca respecto al cuerpo, por lo que es posible, por ejemplo, un control automático de este dispositivo o la emisión de señales, que indican una posible desviación de la posición.

El dispositivo de detección de posición puede estar realizado en forma de uno o varios elementos de detección ópticos, como por ejemplo cámaras infrarrojas u otros dispositivos de detección adecuados que detectan, por ejemplo, ultrasonidos, señales de radio u otras señales adecuadas para registrar la posición de un objeto en el espacio.

En el cuerpo y/o en la broca están aplicadas una o varias marcas, que pueden ser detectadas por el dispositivo de detección de posición, de modo que sea posible una detección sin contacto de la posición en el espacio. No obstante, también es posible detectar de otra forma la posición en el espacio como, por ejemplo, mediante una unión del objeto que se ha de detectar con un punto de referencia mediante un elemento de unión, que permite deducir la posición de su punto final respecto a su punto inicial mediante la evaluación de su curvatura o flexión. Por ejemplo, puede usarse un brazo de varias articulaciones con sensores de posición en las articulaciones correspondientes o un cable fibroóptico, que permite deducir su disposición en el espacio con ayuda de la difracción o refracción de una luz conducida por el mismo.

Además, está prevista una unidad de cálculo, que puede registrar y evaluar, por ejemplo, las señales detectadas por el dispositivo de detección de posición para realizar el registro del objeto con las marcas aplicadas en el mismo respecto a un modelo de datos del cuerpo registrado previamente, por ejemplo, mediante tomografía asistida por ordenador o resonancia magnética nuclear. La unidad de cálculo puede servir también para la preparación o realización de uno o varios de los pasos del procedimiento arriba descritos.

Preferiblemente está prevista una visualización óptica, por ejemplo una pantalla, que está conectada con la unidad de cálculo para emitir datos o imágenes que correspondan al estado de funcionamiento correspondiente del sistema, de modo que pueda representarse, por ejemplo, un modelo tridimensional del cuerpo con el elemento posicionado virtualmente en el mismo o eventuales desviaciones de la posición del dispositivo para la preparación o realización de la unión entre el cuerpo y el elemento.

Es ventajoso prever un dispositivo de entrada como, por ejemplo, un teclado, pudiendo combinarse el dispositivo de entrada también con el dispositivo de visualización, por ejemplo en forma de una pantalla táctil, pudiendo estar conectado también con la unidad de cálculo. Mediante este dispositivo de entrada puede modificarse, por ejemplo, el posicionamiento virtual del elemento en el cuerpo o iniciarse y/o corregirse o detenerse uno o varios de los pasos del procedimiento arriba descritos.

Preferiblemente está previsto un dispositivo de registro de datos para registrar datos durante el funcionamiento del sistema para poder documentar, por ejemplo, posteriormente un procedimiento realizado.

A continuación, la invención se explicará con ayuda de una forma de realización preferible, mostrando:

la figura 1, el registro de datos de un cuerpo para generar un modelo de datos;

la figura 2, la determinación de los ejes mecánicos de los cuerpos registrados en el modelo de datos que son relevantes para el posicionamiento de un cuerpo que se ha de implantar;

la figura 3, el posicionamiento virtual del cuerpo que se ha de implantar en el modelo de datos;

la figura 4, la visualización de los ejes mecánicos después del posicionamiento virtual del cuerpo que se ha de implantar;

la figura 5, una grapa adaptadora con estrella de referencia con tres marcas dispuestas en la misma;

la figura 6, una matriz de calibración de instrumentos;

la figura 7, un elemento de referencia con tres marcas que puede fijarse en un cuerpo;

la figura 8, una vista esquemática de un paso en la realización de un registro;

la figura 9, una broca con marcas aplicadas según la invención en la misma; y

la figura 10, un sistema de orientación para guiar la broca.

La figura 1 muestra el registro de datos, escaneándose, por ejemplo, en un tomógrafo asistido por ordenador la cadera, la rodilla y el tobillo o la articulación tibiotarsiana de un paciente. En las tomas correspondientes se detecta al mismo tiempo la posición de la mesa en la que está tumbada, por ejemplo, una persona, para poder determinar la posición relativa entre las distintas tomas. Los datos registrados se transmiten, por ejemplo, mediante una red de datos o soportes de datos adecuados a una unidad de evaluación, con la que puede procederse a un procesamiento posterior de los datos como se muestra de forma esquemática en la figura 2.

Mediante un software adecuado se detecta, por ejemplo, el eje mecánico de los cuerpos registrados, por ejemplo, el eje mecánico del fémur, que puede ser definido por la cabeza del fémur y el centro de masa de la cabeza de la articulación, es decir, aquellas partes del fémur que durante el movimiento de la articulación están en contacto o entran en contacto con la tibia. Además, se determina el eje mecánico de la tibia, que es determinado por el centro de masa de la tibia proximal, es decir, de aquella parte del hueso que está más cerca del cuerpo y el centro de masa del astrágalo. Como se muestra en la fig. 2, los centros de masa determinados pueden visualizarse en una pantalla para cuadros de corte a elegir libremente.

La figura 3 muestra la definición virtual de la posición de un implante de fémur, que se ha elegido entre varios implantes de una base de datos o una biblioteca almacenadas. La posición del implante propuesta por un algoritmo puede ser modificada de forma manual, es decir, puede ser desplazada o girada en el modelo virtual.

La figura 4 muestra la comprobación de la posición correcta del implante, mostrándose el eje mecánico con el implante integrado para realizar una comprobación preoperativa de la posición correcta. Después de finalizar esta comprobación o, dado el caso, después del nuevo posicionamiento y la comprobación del asiento correcto del implante, puede usarse el sistema.

Para ello, y como se muestra en la figura 5, pueden fijarse grapas adaptadoras en instrumentos de libre elección, para detectar la posición de estos instrumentos en el espacio o para realizar una colocación adecuada.

Como puede verse en la figura 6, la calibración de un instrumento con marcas aplicadas en el mismo puede realizarse mediante una matriz de calibración, que también está provista de marcas y que presenta taladros definidos de distintos tamaños. Cuando se inserta la punta de un instrumento en un taladro definido de la matriz de calibración, puede determinarse la posición relativa de la punta del instrumento respecto a las marcas unidas fijamente con el instrumento.

La figura 7 muestra elementos de referencia, que pueden fijarse mediante tornillos en el cuerpo, es decir, por ejemplo en el fémur distal, es decir, la parte del hueso más alejada del tronco, y la tibia proximal. Estos elementos de referencia fijados sirven para la detección exacta de la posición del cuerpo en el espacio, es decir, por ejemplo de uno o varios huesos. Como se muestra en la figura 8, durante este proceso se realiza un registro del cuerpo, por ejemplo mediante "surface matching", es decir, la comparación de determinados puntos de referencia. Esto también puede realizarse mediante otro de los procedimientos arriba descritos, mostrándose en la figura 8 a título de ejemplo sólo de forma esquemática la realización de un registro mediante la comparación de las superficies en distintos puntos de referencia.

Cuando el cuerpo está registrado y el implante está virtualmente posicionado y, como se muestra en la figura 4, comprobado respecto a su asiento correcto, puede determinarse la posición de una plantilla de corte, determinándose por lo tanto la posición de los agujeros que sirven para la fijación de la plantilla de corte. Una broca con un elemento de referencia fijado en la misma, como se muestra en la figura 5, que ha sido calibrada con una matriz de calibración, como se muestra en la figura 6, puede guiarse, por lo tanto, de tal forma respecto al cuerpo registrado que los agujeros que sirven para la fijación de la plantilla de corte se taladren de tal forma que un corte del cuerpo o hueso realizado con la plantilla de corte conduzca a la posición deseada del implante en el hueso. El guiado de la broca puede realizarse con un sistema de orientación mostrado en la figura 10, estando representada en el lado derecho del sistema de orientación la profundidad de penetración. En la parte superior izquierda, una flecha indica la desviación angular con dirección y en la parte inferior izquierda, otra flecha indica la desviación de la posición con indicación de la distancia. Mediante el sistema de orientación mostrado en la figura 10 puede realizarse la navegación de la broca mostrada en la figura 9.

Claims

1. Sistema para la colocación de un elemento guía para un dispositivo de corte en un cuerpo con:

a): un elemento guía para un dispositivo de corte;

b): una broca;

c): un dispositivo de detección de posición para detectar la posición de la broca y para detectar la posición del cuerpo;

d): una memoria para almacenar un modelo de datos tridimensional de un cuerpo que se ha de implantar; y

e): una unidad de cálculo para la preparación y realización de un procedimiento para preparar y/o colocar el elemento guía para un dispositivo de corte en el cuerpo, detectando la unidad de cálculo la posición de la broca respecto a la posición del cuerpo y siendo colocada la broca mediante la unidad de cálculo de tal forma que puedan generarse puntos de unión de tal forma que el elemento guía colocado en los puntos de unión así generados para un dispositivo de corte se encuentre en una posición teórica deseada que se determina a partir de una posición virtual de un cuerpo que se ha de implantar.

2. Sistema según la reivindicación precedente, detectando el dispositivo de detección de posición señales ópticas, acústicas y/o señales de radio.

3. Sistema según una de las dos reivindicaciones precedentes, estando aplicada una o varias marcas en el elemento guía para un dispositivo de corte y/o en el cuerpo.

4. Sistema según una de las tres reivindicaciones precedentes, estando previsto un dispositivo de visualización que está conectado con la unidad de cálculo.

5. Sistema según una de las cuatro reivindicaciones precedentes, estando previsto un dispositivo de entrada que está conectado con la unidad de cálculo.

6. Sistema según una de las cinco reivindicaciones precedentes, estando previsto un dispositivo de registro de datos que puede registrar datos durante el funcionamiento del sistema.