ES2224007T3

ES2224007T3 - Dispositivo y procedimiento para la determinacion del angulo de apertura de una articulacion.

Info

Publication number: ES2224007T3
Application number: ES02021384T
Authority: ES
Inventors: Gregor Tuma; Mario Schubert; Claus Dr. Schaffrath
Original assignee: Brainlab AG
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2005-03-01
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: DE50200938D1; US20040117026A1; US20130137973A1; EP1402855A1; US8308663B2; ATE274886T1; EP1402855B1; US20080183104A1

Abstract

Dispositivo para la determinación del ángulo de apertura de una articulación (1, 2) con una unidad de cálculo (5) para la determinación del ángulo de apertura de una articulación (1, 2), caracterizado porque dicho dispositivo comprende un dispositivo de detección (4) que puede detectar la posición de los componentes de las articulaciones (1, 2) y/o la posición de las estructuras unidas con o por unir con la articulación (1, 2).

Description

Dispositivo y procedimiento para la determinación del ángulo de apertura de una articulación.

La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para la determinación del ángulo de apertura de una articulación. El estado de la técnica más próximo es US-A-4804000.

Especialmente la invención se refiere a la determinación de un ángulo de apertura de una articulación, la cual está dispuesta entre dos estructuras corporales, como por ejemplo el ángulo de apertura de una articulación de cadera, de una articulación de rodilla, de una articulación de codo u otras articulaciones, donde por ejemplo en el caso de la articulación móvil de cadera debería ser interpretado bajo el concepto "Ángulo de apertura" como el ángulo entre el eje del muslo dispuesto y un eje o plano definido a través de la situación de la cadera, como también la situación en el espacio o la orientación del ángulo. Debe ser, por ejemplo, determinado si el hueso del muslo respecto a la cadera está muy inclinado, por ejemplo, hacia delante, hacia atrás o hacia el lado, esto quiere decir el espacio del ángulo que es determinado por la articulación formada. Del mismo modo debe ser determinado, por ejemplo, como una articulación o partes o estructuras dan vueltas alrededor de un eje del medio por ejemplo.

Las articulaciones de cadera artificiales son conocidas, porque es introducido un implante de fémur en el hueso del muslo (fémur) de un propio cuerpo después de la separación de una cabeza de la articulación de un propio cuerpo. Por contrario es colocada una cavidad cotiloidea en la cadera, la cual puede recoger a continuación una cabeza esférica o de parte esférica del implante del fémur. El lugar exacto de los implantes es un criterio esencial para el éxito de un implante de articulación de cadera, el cual a la más pequeña desviación conduce hacia un rápido desgaste fuera de lo normal y por tanto hacia una mínima duración de la vida del implante de la articulación de cadera. Especialmente por una carga aparecida de repente, como por ejemplo golpes, puede ser dislocado de forma fácil o aflojarse un implante de cadera no colocado de forma precisa, lo cual es ventajoso, para comprobar el sitio exacto y la posición correcta de una articulación implantada ya de forma intra-operatoria.

Es conocido, que un cirujano manualmente mueve la pierna de un paciente en diferentes direcciones mientras realiza un implante de articulación de cadera hasta que el movimiento más amplio es evitado a través de la anatomía del paciente, a través de un choque de uno sobre el otro de los componentes implantados y hueso contiguo o por causa de impedimentos de tejidos o uniones. Mediante un movimiento manual semejante un cirujano experimentado enjuicia la movilidad de la articulación y por tanto el sitio exacto de los únicos componentes de una articulación implantada. Sin embargo un cirujano puede valorar de forma sólo muy amplia si la movilidad determinada y valorada es suficiente para la vida diaria de un paciente.

De US 6.002.859 son conocidos un dispositivo y un procedimiento para determinar la posición de un componente de un implante, en donde es creado un modelo de la articulación y de los componentes implantados y es simulado un movimiento de la articulación basado en el modelo.

Es un objetivo de la invención expuesta proponer un dispositivo y un procedimiento para la determinación del ángulo de apertura de una articulación, los cuales pueden ser utilizados para la comprobación exacta del sitio correcto de componentes implantados.

Este objetivo es resuelto mediante los temas de las reivindicaciones independientes.

Formas de ejecución ventajosas resultan en las reivindicaciones restantes dependientes.

El dispositivo correspondiente a la invención para determinar el ángulo de apertura de una articulación, como por ejemplo de una articulación natural o de una artificial, y/o para determinar posiciones relativas de componentes o estructuras, puede ser utilizado no sólo antes, mientras, sino también después del implante de un implante de articulación, para determinar por ejemplo de forma intra-operatoria el ángulo de apertura o el rango de movimiento (range of motion) de una articulación y en caso de modificaciones necesarias en los componentes de la articulación implantados o de la posición de un componente de la articulación y/o en la anatomía del paciente, estas pueden realizarse por ejemplo a través de intervenciones quirúrgicas. Es previsto un dispositivo de detección, como por ejemplo, una cámara para la detección de luz visible o infrarroja, sensores ("Magnettracking") electromagnéticos, un sensor de sonido, o un sistema basado en ondas de radio, con el cual puede ser determinada la posición de los componentes que forman la articulación y/o las estructuras unidas o por unir con la articulación. Los cambios de posición y/o de la situación giratoria de uno o de más componentes o estructuras son abarcados de forma favorable, tal que por ejemplo los cambios pueden ser determinados en seis grados de libertad. Además pueden ser activados de forma conocida, por ejemplo marcadores, en los correspondientes componentes que forman la articulación o estructuras contiguas, por ejemplo en la cadera y el hueso del muslo y/o en los componentes implantados, para guardar en memoria la posición de las correspondientes estructuras o componentes después de la detección de los correspondientes elementos provistos, por ejemplo, con marcadores. Además es prevista una unidad de cálculo, la cual es alimentada por las señales de posición conseguidas del dispositivo de detección, como por ejemplo los contornos de una estructura almacenados ópticamente o por ejemplo de señales enviadas por marcadores y con ello la posición de los elementos o estructuras unidos con estos marcadores, para determinar acorde con la invención a partir de estas informaciones el ángulo de apertura o de forma general el espacio del ángulo de una articulación o bien de un ángulo formado por dos estructuras.

A través del dispositivo según la invención es posible, por tanto, una mejora de la comprobación y evaluación y con ello una ejecución mejorada de un implante de una articulación artificial, con lo que el resultado del implante puede ser mejorado. Pueden ser determinados automáticamente valores de posición y valores de ángulo para realizar una comprobación de la posición exacta de una articulación basados, por ejemplo, en movimientos realizados de forma manual o automática, por ejemplo mediante la utilización de robots. Además puede ser determinado bajo consideración, por ejemplo, de parámetros de influencia anatómicos relevantes como por ejemplo las uniones, partes blandas, etc., si los movimientos realizados con la articulación implantada son suficientes, o si el implante o la posición del implante todavía tiene que ser variado, para conseguir el ámbito de movimiento de la articulación deseado. Por ejemplo, una articulación puede ser movida hasta donde alcanza cada dirección, hasta que choque con una estructura del cuerpo, con un componente de la articulación o hasta que no sea posible con esfuerzo normal por otros factores, abrir o cerrar la articulación más extensamente, de modo que pueda ser determinado el ámbito de movimiento de la articulación en diferentes direcciones. Con ello pueden ser determinados valores de ángulo exactos a través del dispositivo correspondiente de la invención, los cuales pueden ser comparados por ejemplo con valores de referencia dados antes, para comprobar la posición exacta o el modo de funcionamiento correcto de una articulación, sin depender con ello de la experiencia de un cirujano.

Acorde con la invención pueden ser determinados por tanto también de forma intra-operatoria las posiciones reales de los componentes de la articulación y/o de las estructuras del cuerpo unidas con la articulación, como por ejemplo de la cadera y del hueso del muslo, en el espacio tridimensional determinado y por tanto la posición relativa de uno con el otro, tal que puedan ser medidos de forma exacta el ángulo de apertura de la articulación de forma precisa en diferentes direcciones, o la posición y orientación en el espacio, formando seis grados de libertad.

De forma preferente es previsto un dispositivo de salida de datos, como por ejemplo un indicador para la salida del ángulo de apertura determinado de la articulación o una pantalla, sobre la cual puede ser representada por ejemplo la posición tridimensional de la articulación en el espacio conjuntamente con los parámetros que describen la posición de la articulación, como por ejemplo el ángulo de apertura y la posición del ángulo de apertura en el espacio.

Según una forma de realización preferida es previsto un dispositivo para aplicación definida de fuerzas en direcciones definidas en la articulación o bien en un determinado componente de la articulación, como por ejemplo un robot o un dispositivo accionable de forma manual, el cual puede indicar una fuerza dispuesta, para poder determinar la amplitud con que se mueve una articulación por determinadas fuerzas aparecidas, para obtener resultados de medida definidos, los cuales pueden ser comparados por ejemplo con valores de referencia recogidos antes.

Después del procedimiento correspondiente a la invención es determinado el ángulo de apertura de una articulación mientras es detectada la posición de las estructuras que forman la articulación, y es determinado el ángulo de apertura a partir de las posiciones detectadas según la invención. El procedimiento puede ser utilizado por ejemplo de forma intra-operatoria, para medir el ángulo de apertura o en general la posibilidad de movimiento de una articulación, por ejemplo, mientras o después de una intervención quirúrgica, para suministrar por tanto informaciones las cuales dan soporte al trabajo, por ejemplo, de un cirujano. Para la realización del procedimiento no es necesaria una intervención quirúrgica, porque es recogida solamente la posición de los componentes que forman la articulación y/o de las estructuras del cuerpo contiguas, por ejemplo a través del marcador activado, a través de la detección del contorno o a través de otro procedimiento adecuado, y es calculado el ángulo de apertura a partir de las tales informaciones recogidas.

De forma favorable son utilizados registros de la articulación natural o artificial y/o de las estructuras del cuerpo limitantes con la articulación para la determinación del ángulo de apertura o del espacio del ángulo de una articulación, con lo que pueden ser utilizados por ejemplo resonancia de spin nuclear (MR)-,
tomografía por computadora (CT)-, ultrasonido- u otros procedimientos adecuados. Las estructuras de cuerpo recogidas pueden ser subdivididas en elementos únicos por ejemplo a través de conocidos procedimientos de separación o segmentación, tal que pueden ser obtenidos los límites de unas con otras estructuras contiguas a partir de los datos recogidos, para tener, por ejemplo, datos para el cálculo del ángulo de apertura a partir de datos de posición de las estructuras del cuerpo, o para el cálculo de una posición óptima de una articulación para implantar. En general, son detectadas de algún modo las estructuras del hueso en una colección de datos gráficos, la cual es en esencia dependiente de cómo el paciente es posicionado o bien tendido en el instante de tiempo del registro de los datos gráficos. En efecto hay instrucciones amplias de la radiología y de los pacientes relativas a una posición-debida para la recepción de la colección de los datos gráficos, pero tienen que ser llevadas las posiciones variables de las únicas estructuras del hueso virtualmente a una posición de salida o posición neutral a definir, para crear una exacta base de comparación, la cual posibilita también una comparación entre varios pacientes. Pueden ser definidas, por ejemplo, tres sistemas de coordenadas locales después de la segmentación, como por ejemplo fémur izquierdo, fémur derecho y pelvis, las cuales a continuación son ejecutadas juntas según una orden dispuesta y con ello pueden ser llevadas a una relación de posición definida. Si se quiere ahora visualizar datos de posición, como por ejemplo ángulos, longitud de pierna, etc. de una articulación, puede ser utilizada esta posición neutral como posición de comienzo, según sea definido un ángulo de apertura o una posición en el espacio. Con ello pueden ser creadas también para diferentes pacientes, condiciones de salida reproducibles y comparables mutuamente.

La Figura 3 muestra principalmente el modo de proceder descrito arriba, donde es mostrada esquemáticamente en la figura 3A la colección de datos gráficos recogidos en una posición arbitraria del paciente. Mediante una segmentación, como la mostrada esquemáticamente en la Fig. 3B, son reconocidos en el ejemplo de realización las únicas estructuras del hueso, cadera, fémur izquierdo y fémur derecho como elementos únicos. En la figura 3C son añadidos los sistemas de coordenadas de las únicas estructuras segmentadas, las cuales posibilitan el ajuste virtual en la posición neutral como es mostrado en la figura 3D.

Preferentemente son usados, por ejemplo, marcadores reflectantes en la articulación para implantar, especialmente en los componentes únicos de la articulación y/o en los elementos de referencia de las estructuras del cuerpo que limitan con la articulación, para poder determinar y seguir la situación espacial de la articulación o bien de los únicos componentes de la articulación y/o de las estructuras del cuerpo correspondientes después de las detecciones de los elementos correspondientes, tal que pone a disposición la posición espacial de los únicos componentes de la articulación y/o la posición espacial de la estructura del cuerpo que limita con la articulación por ejemplo para la determinación de un ámbito posible de movimiento de una articulación.

De forma preferente los parámetros que indican la posición en el espacio y el ángulo de apertura de la articulación son visualizados, tal que puede ser visto preferentemente en un tiempo real, en qué posición angular actual se encuentra.

Correspondiente a una forma de ejecución preferida son medidos y almacenados los datos, los cuales describen la posibilidad de movimiento de una articulación natural o implantada, tal que al menos un valor de referencia está a disposición, para poder comprobar si una nueva articulación implantada está en la posición correcta y las posibilidades de movimiento deseadas. Una comprobación de una articulación implantada puede ser realizada por ejemplo a través de una comparación de las posibilidades de movimiento medidas de la articulación implantada con datos naturales medidos, así con articulaciones no implantadas, o con articulaciones implantadas con éxito. Del mismo modo pueden ser utilizados, por causa de la simetría datos de comparación por ejemplo en una articulación de cadera de una articulación opuesta a la articulación para reemplazar, para obtener datos de referencia para el posicionamiento de una articulación para implantar.

Preferentemente son colocadas en la articulación fuerzas definidas en direcciones definidas, para tener valores de comparación en cargas definidas de la articulación, por lo que puede ser realizada una comprobación de la articulación implantada.

Otro aspecto más amplio de la invención presentada se refiere a un programa de computadora, el cual, si cuando cargado en una computadora o si se ejecuta en una computadora, al menos realiza uno de los pasos del procedimiento descritos arriba. Según otro aspecto más amplio, la invención se refiere a un medio de almacenaje de memoria para un programa o un producto de programa de computadora, el cual presenta un programa semejante.

La invención es descrita según la subsiguiente forma de realización preferida, en donde:

La Fig. 1 muestra esquemáticamente un dispositivo correspondiente a la invención;

la Fig. 2 muestra un diagrama de desarrollo de una forma de realización del procedimiento correspondiente a la invención; y

la Fig. 3A-D muestra esquemáticamente un procedimiento para la determinación de una posición neutral.

La Figura 1 muestra esquemáticamente una articulación de cadera artificial con una cabeza de articulación 1 de un implante de fémur, la cual es recogida de una cavidad cotiloidea 2 de la cadera. En las estructuras del cuerpo unidas con la cabeza de la articulación 1 y la cavidad cotiloidea 2 y/o en la cabeza de la articulación 1 y/o la cavidad cotiloidea 2 misma, son usadas correspondientes estrellas de referencia 3 con marcadores 3a, para poder determinar la posición de la cabeza de la articulación 1 y de la cavidad cotiloidea 2. Una cámara-IR 4 recoge de los marcadores 3a de las estrellas de referencia 3 luz reflectante y da las señales a una unidad de cálculo 5 más tarde. La unidad de cálculo 5 puede indicar la posición y/o el espacio del ángulo en las direcciones ortopédicas definidas como abducción, aducción, flexión, extensión, rotación interna y externa y cambio de las longitudes de la pierna. Es también posible calcular un ángulo entre un eje definido antes a través de la cabeza de la articulación 1 y un eje definido antes a través de la cavidad cotiloidea 2. Para el cálculo del ángulo pueden ser utilizados por ejemplo datos almacenados en un banco de datos 6, el cual contiene por ejemplo informaciones para la geometría de la cabeza de la articulación 1, de la cavidad cotiloidea 2, de la posición de fijación de las estrellas de referencia 3 u otras informaciones. En adelante pueden ser almacenados en el banco de datos 6 por ejemplo valores de referencia de una serie-medida realizada, los cuales pueden ser utilizados para la comparación con las siguientes medidas.

Como sistema de referencia puede ser utilizado, por ejemplo, un sistema de coordenadas del fémur, el cual está definido a través del plano, el cual es formado mediante el eje del cuello (eje del medio del cuello del fémur) y el eje del tronco (eje del medio del hueso hueco del fémur). Este plano es ajustado para que el punto de rotación del fémur sea paralelo al plano frontal de la pelvis.

Como referencia de comparación, puede ser utilizada la articulación sana o pierna opuesta a la articulación a implantar, por ejemplo para el ámbito de movimiento posible o para la longitud de la pierna.

El espacio del ángulo de la unidad de cálculo 5 puede ser emitido en una unidad de indicación, por ejemplo una pantalla gráfica, y numéricamente, puede ser emitido como una representación gráfica de la articulación y/o con informaciones adicionales.

La Figura 2 muestra un diagrama de desarrollo para una forma de realización del procedimiento correspondiente a la invención. En el paso 1 es definido el sistema de coordenadas de la cadera a través del reconocimiento de un plano medio sagital y el plano anterior de la cadera de una representación de tomografía por computadora (CT). En el paso 2 es definido el sistema de coordenadas del hueso del muslo (fémur) a través del reconocimiento de un punto medio de rotación y de un eje medio en una representación por tomografía de computadora. Los pasos 1 y 2 pueden ser ejecutados no sólo al mismo tiempo sino que también en orden arbitrario uno tras otro, esto quiere decir que el paso 2 puede ser ejecutado por ejemplo también antes que el paso 1.

En el paso 3 es realizada una segmentación, para poder distinguir, en la recepción de una estructura de cuerpo, las estructuras de huesos únicas, como por ejemplo la cadera, el hueso del muslo derecho y el hueso del muslo izquierdo.

A continuación es simulado en el paso 4 mediante simulación, un movimiento virtual de uno o de ambos huesos del muslo y de la cadera hacia una posición neutral o de salida, en donde por ejemplo, el plano coronal del hueso del muslo paralelo al anterior plano de la cadera es colocado en una posición de salida para definir una posición cero.

En el paso 5 son usados marcadores, como por ejemplo estrellas de referencia, en el hueso del muslo y la cadera y/o en la cavidad cotiloidea y la cabeza de la articulación del lado para tratar.

A continuación son registrados en el paso 6 los correspondientes elementos.

En el paso 7 es realizada una comprobación de las posibilidades de movimiento o bien del ámbito de movimiento del hueso del muslo de un paciente.

A continuación son determinados, visualizados y marcados en el paso 8 por ejemplo los movimientos máximos posibles, expresados mediante el ángulo de apertura de la articulación en diferentes direcciones. Con ello puede ser realizada una abducción (apuntalamiento o bien movimiento de la articulación hacia atrás), aducción (dirección o bien movimiento de la articulación hacia delante), flexión (dobladura) y/o extensión (distensión) de la articulación de cadera o de una otra articulación de un paciente. Es también posible comparar los movimientos posibles con las posibilidades de movimiento de una articulación todavía sana del paciente.

Opcionalmente puede ser realizada la comprobación de las posibilidades de movimiento o bien del ámbito de movimiento del hueso del muslo de un paciente, mediante una comparación con las posibilidades de movimiento o bien el ámbito de movimiento de una articulación sana simétrica yaciente respecto a ella.

El movimiento de la articulación puede ser realizado no sólo de forma manual, sino también automática por ejemplo con la utilización de un robot, para aplicar fuerzas definidas en la articulación en direcciones definidas.

Aunque la invención fue descrita en el ejemplo basada en una articulación de cadera, es evidente, que el dispositivo correspondiente a la invención y el procedimiento correspondiente a la invención, pueden ser utilizados para determinar los ángulos de apertura de otras articulaciones, como por ejemplo de una articulación de rodilla o de una articulación de brazo.

Claims

1. Dispositivo para la determinación del ángulo de apertura de una articulación (1,2) con una unidad de cálculo (5) para la determinación del ángulo de apertura de una articulación (1,2), caracterizado porque dicho dispositivo comprende un dispositivo de detección (4) que puede detectar la posición de los componentes de las articulaciones (1,2) y/o la posición de las estructuras unidas con o por unir con la articulación (1,2).

2. Dispositivo según la reivindicación 1 dotado con una unidad de memoria (6) para guardar en memoria la estructura geométrica de la articulación (1,2) y/o para guardar en memoria valores de referencia para la medida del ángulo de apertura.

3. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores con un dispositivo de salida de datos (7) para dar el ángulo de apertura determinado.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores dotado de un robot y/o un dispositivo de medida de fuerza para aplicar a la articulación (1,2) fuerzas definidas en direcciones definidas.

5. Procedimiento para la determinación del ángulo de apertura de una articulación (1,2), en el cual la posición de los componentes (1,2) que forman la articulación y/o la posición de las estructuras unidas o por unir a la articulación se determinan por medio de un dispositivo de detección (4) y se determina el ángulo de apertura de la articulación (1,2) por medio de los datos de posición detectados.

6. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el cual son utilizados registros de la articulación y/o de las estructuras unidas o por unir a la articulación para la determinación del ángulo de apertura.

7. Procedimiento según la reivindicación anterior, donde es realizada una segmentación para la subdivisión de las estructuras recogidas.

8. Procedimiento según una de las tres reivindicaciones anteriores, donde son colocados marcadores (3a) en la articulación (1,2) y/o en las estructuras unidas o por unir a la articulación (1,2).

9. Procedimiento según la reivindicación anterior, donde son detectados los componentes individuales de la articulación (1,2) y/o de las estructuras unidas o por unir a la articulación.

10. Procedimiento según una de las cinco reivindicaciones anteriores, donde es visualizado el ángulo de apertura determinado.

11. Procedimiento según una de las seis reivindicaciones anteriores, en el cual los ángulos de apertura medidos son almacenados en una unidad de memoria (6).

12. Procedimiento según una de las siete reivindicaciones anteriores, donde es realizada una medida de ángulos de apertura de una articulación natural en distintas direcciones antes de un implante de una articulación (1,2) artificial y son comparados los ángulos de apertura medidos con ángulos de apertura medidos en una articulación (1,2) artificial implantada.

13. Procedimiento según una de las ocho reivindicaciones anteriores, en el cual se aplican a la articulación (1,2) fuerzas definidas en direcciones definidas.

14. Programa informático, el cual, cuando es cargado o se ejecuta en una computadora, realiza las etapas del procedimiento según alguna de las reivindicaciones 5 a 13.

15. Medios de almacenaje de memoria para un programa o producto de programa informático, el cual guarda en memoria el programa informático según la reivindicación 14.