ES2223708T3 - Brazo pivotante con actuadores pasivos. - Google Patents

Abstract

Brazo pivotante con: a) un dispositivo de fijación para un instrumento para examinar o tratar un objeto destino b) al menos una articulación para mover el dispositivo de fijación para el instrumento; c) al menos un sensor en al menos una articulación para registrar la posición y/o el movimiento de al menos una articulación; d) un actuador pasivo, controlable para al menos una articulación para poder frenar y/o evitar un movimiento de la articulación; y e) un dispositivo de control que registra la posición relativa entre el brazo pivotante y el objeto destino y que excita el actuador pasivo controlable sobre la base de los datos de posición y/o de movimiento transmitidos por al menos un sensor y sobre la base de los datos del objeto destino.

Description

Brazo pivotante con actuadores pasivos.

La presente invención se refiere a un brazo pivotante con actuadores pasivos, especialmente para el uso en el ámbito de la cirugía asistida por ordenador para aplicaciones estereotácticas.

Por el documento US5,820,623 se conoce un brazo articulado que sirve para sujetar y posicionar instrumentos médicos. Aquí, se dispone un dispositivo de accionamiento con un servomotor para mover un elemento articulado del brazo.

Por el documento US5,952,796 se conoce un dispositivo y un procedimiento para guiar los movimientos de un operario, por ejemplo, para asistir a una persona al mover una carga usando un servomotor.

El documento US5,704,253 da a conocer un dispositivo para guiar un movimiento a lo largo de una trayectoria predefinida.

Por el documento US5,828,197 se conocen un dispositivo y un procedimiento para acoplar el movimiento de un objeto que puede ser movido por un usuario con un sistema de ordenador para proporcionar, por ejemplo, un sistema de realidad virtual para fines de entrenamiento. Según un modo de realización, un objeto que puede ser movido por un usuario está conectado con una interfaz mecánica y el objeto se puede mover en el espacio tridimensional, siendo registrada la posición del objeto por la interfaz mecánica y convertida por medio de sensores en señales que se transmiten a una interfaz electrónica. Un ordenador genera una información para la excitación de los actuadores de la interfaz mecánica, de modo que dichos actuadores generen fuerzas que actúen sobre el objeto, de modo que las fuerzas que actúan sobre el objeto le provoquen al usuario la impresión de una simulación realista.

Davies B.L. y Hibberd R.D. describen en "Robotic Surgery at Imperial College London", Proceedings of the international Conference on Systems, Man and Cybernetics, Le Touquet, 17 - 20 octubre, 1993, Nueva York, IEEE, US, tomo 3, 17 de octubre de 1993, páginas 176 - 181, XP010132247 ISBN: 0-7803-0911-1, un brazo pasivo de robot, por ejemplo con frenos electromagnéticos, por ejemplo para mantener el brazo durante un período prolongado en un lugar fijo, por ejemplo para permitir el tratamiento con sustancias radioactivas.

La presente invención tiene el objeto de proporcionar un brazo pivotante, un sistema con un brazo pivotante y un procedimiento para la excitación de un brazo pivotante, que puedan usarse como ayuda en el examen o el tratamiento de un cuerpo.

Este objeto se consigue mediante los dispositivos y procedimientos definidos en las reivindicaciones independientes. Algunos modos de realización ventajosos resultan de las reivindicaciones subordinadas.

El brazo pivotante según la invención se puede fijar en un extremo en un soporte adecuado como, por ejemplo, una mesa o un dispositivo médico, y presenta al menos una articulación y, preferentemente, varias articulaciones, de modo que el brazo pivotante fijado pueda moverse como mínimo con un grado de libertad, preferentemente con dos, tres, cuatro, cinco o más grados de libertad. Entonces, una articulación puede permitir un movimiento giratorio y/o un movimiento basculante, pudiendo usarse, por ejemplo, un rodamiento de bolas para posibilitar un movimiento giratorio o una articulación de bisagra para posibilitar un movimiento basculante. En el sentido de la invención, por articulación se entenderá por ejemplo también un elemento telescópico que permita un movimiento en el sentido axial del elemento telescópico. Generalmente, mediante la aplicación de al menos una articulación, el brazo pivotante debe configurarse de modo que se pueda realizar un movimiento con al menos un grado de libertad. En al menos una articulación se dispone un sensor con el que se puede detectar la posición o el movimiento de al menos una articulación. Según la articulación, en al menos una articulación se dispone además un actuador pasivo controlable, por ejemplo un freno controlable, para liberar el movimiento del brazo pivotante en una articulación específica, dificultarla o frenarla o incluso impedirla con una fuerza de resistencia variable, es decir, por ejemplo, retener la articulación en una posición determinada. Según la invención, el actuador pasivo controlable es excitado por un dispositivo de control que, sobre la base de los datos de al menos un sensor de articulación pueda determinar la posición actual de todo el brazo pivotante, especialmente la posición de un instrumento o la punta del instrumento unido con el brazo pivotante. Según la invención, los datos de un objeto destino a examinar o a tratar con el instrumento, por ejemplo un cuerpo o una parte de un cuerpo, se registran antes o durante el uso del brazo, por ejemplo por tomografía asistida por ordenador o por resistencia magnética, siendo usados por el dispositivo de control para emitir, en combinación con la posición del instrumento determinada a partir de las señales del sensor, determinadas señales de control a los actuadores pasivos, para dificultar y/o ralentizar o para facilitar y/o simplificar un movimiento determinado del brazo pivotante en las articulaciones correspondientes.

El brazo pivotante según la presente invención permite, pues, a un operario mover un instrumento guiado por el brazo pivotante, con la ayuda del dispositivo de control, de un modo relativamente sencillo y exactamente hacia una posición deseada o a lo largo de un trayecto predefinido, o bien dentro de una zona deseada, por ejemplo para realizar un procedimiento que se ha planificado antes de emplear el instrumento unido con el brazo pivotante.

Puesto que, según la invención, en las distintas articulaciones se usan únicamente actuadores pasivos, por ejemplo elementos de freno controlables, no se precisa ningún elemento activo como por ejemplo un motor, de modo que el brazo pivotante puede fabricarse económicamente y presenta una mecánica sencilla, se puede excitar fácilmente y es relativamente ligero. Por consiguiente, no se requiere ningún elemento de accionamiento para el brazo pivotante, porque la fuerza necesaria para mover el brazo pivotante es invertida por un operario y este movimiento es dirigido a la posición deseada por el brazo pivotante según la invención con la colaboración del dispositivo de control por el uso enfocado y dosificado de los actuadores pasivos.

Por lo tanto, a un operario se le puede dar, por ejemplo, una retroacción háptica o una realimentación táctil, por ejemplo, si el sentido del movimiento en el que el brazo pivotante es movido por el operario es correcto o no. Para ello, por ejemplo, se puede incrementar una fuerza de frenado aplicada en la articulación por el actuador, si el operario mueve el brazo pivotante en una dirección que no corresponde a una dirección deseada o planificada, pudiendo reducirse la fuerza de frenado si el movimiento del brazo pivotante por el operario va en la dirección deseada. El actuador pasivo, dispuesto según la invención en una o en cada articulación puede bloquear incluso totalmente la articulación correspondiente, si al seguir moviendo el brazo pivotante el instrumento unido con el brazo pivotante penetrara en una zona sensible, por ejemplo, para evitar lesiones o intervenciones indeseables.

Ventajosamente, la realimentación puede configurarse de modo que la fuerza opuesta a un movimiento del brazo pivotante, iniciado por un usuario, se dosifique de modo que el usuario pueda "sentir" determinadas zonas en las que se encuentra por ejemplo un instrumento unido con el brazo. Así, por ejemplo, sobre la base de una toma realizada anteriormente de un cuerpo a tratar, a determinadas zonas o estructuras como, por ejemplo, venas, tendones, huesos, tejidos blandos etc., mediante una etapa de procesamiento realizada antes del tratamiento, por ejemplo una segmentación adecuada del cuerpo, se pueden asignar determinados valores de una fuerza de resistencia que se opone al movimiento por ejemplo de un instrumento unido con el brazo, por ejemplo cuando la punta del instrumento se aproxime a una zona de este tipo o cuando entre en una zona de este tipo. A diferentes estructuras y/o al entorno próximo se pueden asignar distintos valores de resistencia, de modo que los actuadores pasivos del brazo opongan a movimientos en la dirección o a través de las zonas correspondientes unas fuerzas de frenado o de retención dosificadas exactamente. Un usuario puede "sentir" por una realimentación táctil de este tipo, en qué zona se encuentra un instrumento unido con el brazo, de modo que a distintas zonas o estructuras se asignan diferentes valores de una resistencia de movimiento.

Preferentemente, el brazo pivotante y especialmente cada actuador están configurados de modo que puedan resistir la fuerza de por ejemplo 2kN, empleada por una persona, es decir que un operario ya no pueda mover una articulación inmovilizada por el actuador, tampoco mediante una fuerza de palanca aplicada en elementos parciales del brazo pivotante.

El instrumento unido con el brazo pivotante es, preferentemente, un instrumento médico y/o quirúrgico y está dispuesto directamente o a través de un adaptador o soporte adecuado en un elemento parcial del brazo pivotante que se puede mover cuando el brazo se encuentra fijado en un dispositivo de sujeción. Así, por ejemplo, es posible usar un clavo, un tornillo, un endoscopio, un microscopio, una aguja de biopsia, un dispositivo de corte como, por ejemplo, un bisturí, un catéter o una guía de catéter, un taladro, una plantilla para taladrar, un bloque de corte o una plantilla para cortar o similar, como instrumento que puede unirse con el brazo pivotante, y llevarlo por medio del dispositivo de control a una posición deseada, y moverlo a lo largo de una trayectoria predefinida o dentro de una zona determinada.

Asimismo, la invención se refiere a un sistema con un brazo pivotante descrito anteriormente y con un dispositivo de entrada, para introducir por ejemplo datos de control para el dispositivo de control como, por ejemplo, el tipo y/o las dimensiones del instrumento empleado, el tipo del procedimiento que desea realizarse y/o los datos relativos al objeto destino, por ejemplo el cuerpo o la parte del cuerpo que ha de tratarse o examinarse, que se habían obtenido, por ejemplo, mediante tomografía asistida por ordenador (CT), tomografía de resonancia magnética nuclear (MRI), ecografía, tomografía por emisión de positrones (PET) u otros procedimientos adecuados. De este modo, con la ayuda de datos por ejemplo tridimensionales de una parte del cuerpo a tratar, por ejemplo de un cerebro, antes de una intervención neuroquirúrgica, usando un software de planificación adecuado, un operario puede definir una zona en la que un instrumento de corte o su punta cortante, unido con el brazo pivotante, pueda moverse para garantizar que no pueda producirse ninguna intervención en un tejido situado fuera de dicha zona, eliminando con el instrumento de corte únicamente el tejido situado en la zona del tumor y en una zona predefinida alrededor del tumor. Para ello, se debe registrar el cuerpo o la parte del cuerpo que ha de tratarse, es decir que se debe registrar la posición relativa entre el brazo pivotante o el instrumento unido con el mismo y el cuerpo a tratar. Esto se puede realizar, por ejemplo, con marcadores pasivos. Este tipo de procedimientos se conocen en el estado de la técnica y no se detallarán aquí.

Igualmente, la realimentación táctil antes descrita se puede realizar mediante datos de control correspondientes para el dispositivo de control, es decir que por ejemplo a determinadas estructuras corporales se asignan determinadas fuerzas de resistencia o de frenado a realizar por los actuadores.

Preferentemente, en el sistema según la invención se puede disponer un dispositivo de visualización o de emisión de datos, por ejemplo, a modo de un monitor, en el que se visualicen por ejemplo datos relativos a la posición del instrumento unido con el brazo pivotante y/o del cuerpo o la parte del cuerpo a tratar, para indicarle de este modo a un operario en qué zona del cuerpo se encuentra en ese momento el instrumento o cómo es el entorno próximo o más amplio de la zona a tratar.

Según otro aspecto de la invención se propone un procedimiento para la excitación del brazo pivotante antes descrito, con al menos una articulación, con actuadores pasivos controlables, de modo que un instrumento unido con el brazo pivotante pueda realizar, a causa de las señales de control que actúen sobre al menos un actuador pasivo, bajo la influencia de una fuerza exterior de un operador, sólo uno o varios movimientos predefinidos, por ejemplo ser llevado hacia una posición determinada, de modo que los movimientos que lo alejen de dicha posición queden frenados y que los movimientos que lo acerquen hacia dicha posición queden liberados por al menos un actuador pasivo, pudiendo predefinirse también una trayectoria determinada hacia dicha posición, por la que ha de pasar el instrumento. Asimismo, es posible definir, por ejemplo, un radio de acción para el instrumento médico, en el que se pueda mover, en el que al menos un actuador pasivo controlable puede dificultar o frenar crecientemente un movimiento del instrumento en dirección hacia una zona no accesible para el instrumento, causando por ejemplo en el límite de la zona un bloqueo total.

Ventajosamente, el procedimiento de excitación según la invención puede estar configurado de modo que un movimiento que difiere de un movimiento deseado quede frenado de modo tanto más fuerte cuanto más el movimiento real difiera del movimiento deseado, resultando una retroacción háptica para un operario.

Ventajosamente, las propiedades de control o los algoritmos de control del procedimiento de excitación según la invención se pueden definir antes de usar el brazo pivotante, por ejemplo con un software de planificación adecuado. Para ello, por ejemplo usando datos tridimensionales del objeto destino se puede predefinir un lugar o una zona en un cuerpo o una parte corporal a tratar o a examinar, en el que se debe posicionar o mover el instrumento unido con el brazo pivotante, pudiendo predefinirse también la trayectoria que debe recorrer el instrumento hasta la posición deseada. Esto puede ser el caso, por ejemplo, en las intervenciones HNO, si un instrumento ha de guiarse hacia una posición predefinida, por ejemplo, a través de una ventana nasal. Para intervenciones en el área de las caderas o de la rodilla, así como en la cirugía espinal se pueden guiar también determinados elementos como, por ejemplo, tornillos, clavos, taladros, herramientas de corte, plantillas para taladrar o bloques de corte hacia lugares deseados de la parte del cuerpo a tratar, por ejemplo para aplicar un tornillo en una posición deseada, de modo que pueda ser enroscado fácilmente en la posición correcta por un operario. Asimismo, es posible definir las llamadas zonas prohibidas ("zonas sin acceso") en las que el instrumento unido con el brazo pivotante no debe entrar, por ejemplo durante intervenciones quirúrgicas que deben realizarse sólo en una zona determinada y en las que debe quedar garantizado que las zonas contiguas adyacentes no se vean afectadas por la intervención como, por ejemplo, en la neurocirugía.

Un modo de realización del procedimiento según la invención se describe en principio con la ayuda de un ejemplo de realización. Muestra:

la Figura 1 un diagrama de operaciones para la preparación y la realización de la excitación de un brazo pivotante.

Según está representado en la Figura 1, en una primera etapa se registran los datos del paciente mediante procedimientos adecuados como, por ejemplo, mediante CT, MR, PET, u otros procedimientos para obtener de este modo, por ejemplo, datos tridimensionales de un objeto o una parte corporal a examinar o a tratar. Sobre la base de estos datos registrados del paciente, preferentemente usando un software de planificación adecuado, se planifica una intervención a realizar realmente, pudiendo predefinirse por ejemplo determinadas trayectorias a recorrer en el cuerpo a tratar o posiciones a realizar o bien zonas en las que no se debe intervenir.

El brazo pivotante se registra en relación con el paciente, es decir el paciente y el brazo pivotante se ponen en una relación de posiciones definida entre ellos, o se determina, por ejemplo con la ayuda de marcadores relacionados con un paciente, la posición exacta del paciente, estando fijado o fijándose el brazo pivotante en un punto estacionario con respecto a ello.

Sobre la base de movimientos o sentidos de movimiento del brazo pivotante, deseados o no deseados, predefinidos por la planificación de la intervención, y aplicando los datos del paciente se realiza ahora continuamente una medición de las posiciones o movimientos de las distintas articulaciones del brazo pivotante, pudiendo emitirse, en función de la intervención que se desea realizar, señales de control a los actuadores pasivos, dispuestos en las articulaciones, para el guiado de los movimientos del brazo pivotante por un operario, es decir que por ejemplo se pueden frenar o bloquear los movimientos de distintas articulaciones en sentidos no deseados, y los movimientos en uno o varios sentidos deseados o permitidos pueden ser liberados por el actuador pasivo.

Claims (11)

1. Brazo pivotante con:

a) un dispositivo de fijación para un instrumento para examinar o tratar un objeto destino

b) al menos una articulación para mover el dispositivo de fijación para el instrumento;

c) al menos un sensor en al menos una articulación para registrar la posición y/o el movimiento de al menos una articulación;

d) un actuador pasivo, controlable para al menos una articulación para poder frenar y/o evitar un movimiento de la articulación; y

e) un dispositivo de control que registra la posición relativa entre el brazo pivotante y el objeto destino y que excita el actuador pasivo controlable sobre la base de los datos de posición y/o de movimiento transmitidos por al menos un sensor y sobre la base de los datos del objeto destino.

2. Brazo pivotante según la reivindicación 1, en el que el instrumento es un instrumento médico y/o quirúrgico, especialmente un clavo, un tornillo, un endoscopio, un microscopio, un dispositivo de corte, un bisturí, una aguja de biopsia, un catéter, una guía de catéter, un taladro, una plantilla para taladrar o una plantilla de corte.

3. Brazo pivotante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una articulación permite un movimiento giratorio y/o un movimiento basculante.

4. Brazo pivotante según una de las reivindicaciones anteriores, estando previstas dos, tres, cuatro, cinco o más articulaciones en el brazo pivotante.

5. Brazo pivotante según una de las reivindicaciones anteriores, estando configurado el actuador pasivo controlable en la articulación de modo que pueda resistir la fuerza aplicada sobre la articulación por una persona.

6. Sistema con un brazo pivotante según una de las reivindicaciones anteriores y un dispositivo de entrada para introducir datos de un objeto destino que ha de ser examinado y/o tratado por el instrumento y/o para introducir datos de control para un procedimiento que ha de realizarse.

7. Sistema según la reivindicación 6 con un dispositivo de visualización, especialmente con un monitor para visualizar datos de posición y/o de un entorno del instrumento guiado por el brazo pivotante.

8. Procedimiento para excitar un brazo pivotante o un sistema según una de las reivindicaciones anteriores, siendo excitado al menos un actuador pasivo controlable de modo que un instrumento unido con el brazo pivotante pueda realizar sólo uno o varios movimientos predefinidos.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, predefiniéndose antes de la excitación de los actuadores pasivos del brazo pivotante los movimientos o las zonas de movimiento que han de ser liberados por el procedimiento de control.

10. Procedimiento según las reivindicaciones 8 ó 9, en el que los datos tridimensionales del objeto destino que debe ser examinado o tratado por el instrumento se usan para la excitación y/o la planificación de la excitación, especialmente para la realización de una realimentación táctil.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, según el que la excitación está realizada de modo que un operario recibe una retroacción háptica.