ES2225680T3 - Marcador para un instrumento y procedimiento de localizacion de un marcador. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para localizar al menos un instrumento con al menos dos marcadores (2) en forma de anillo, que pueden estar dispuestos a lo largo de regiones parciales de una superficie que rodea al instrumento (1), en el que se registra la posición del centro de reflexión (Z) de al menos dos marcadores (2), y a partir de ello se determina un valor de corrección (d) para la determinación de la posición espacial del punto medio verdadero (M) de cada uno de los al menos dos marcadores (2), y con ello del instrumento unido con ellos.

Description

Marcador para un instrumento y procedimiento de localización de un marcador.

La presente invención trata de un marcador para un instrumento, preferentemente para un instrumento médico con simetría de rotación, en un sistema que usa un marcador de este tipo, así como un procedimiento para la localización de al menos un marcador. Un marcador conforme a la invención puede ser usado para la localización y/o para la navegación de un instrumento, en particular en el caso de "cirugía guiada por imágenes". En general, la invención se puede emplear en microcirugía, ortopedia, cirugía espinal o craneal o en otros campos.

Para la navegación o la localización de instrumentos, como por ejemplo instrumentos médicos, se conoce el hecho de aplicar una denominada estrella de referencia en el instrumento médico en cuyos extremos están dispuestos marcadores, por ejemplo, elementos activos emisores de luz o superficies reflectantes pasivas. Una cámara que registra la luz emitida o reflejada por el marcador puede proporcionar informaciones a partir de las que se puede determinar la posición del marcador en el espacio, y con ello la posición del instrumento unido con los marcadores o bien con la estrella de referencia. Con ello se puede navegar un instrumento, es decir, a partir de la posición espacial determinada del instrumento se puede llevar el instrumento, de modo asistido por ordenador, de una manera precisa a la posición deseada, por ejemplo a una determinada posición de un cuerpo que, preferentemente, está unida así mismo con marcadores.

En el caso de que el instrumento, por ejemplo, presente un eje que gire durante el empleo del instrumento, como por ejemplo un destornillador o un taladro, entonces no es ventajoso aplicar marcadores sencillamente en este eje, ya que debido al giro desaparecen del campo visual de una cámara. Para solucionar este problema ya se ha sugerido disponer en este instrumento giratorio un cojinete en el que se pueden fijar los marcadores. Sin embargo, durante el uso del instrumento giratorio, un operario siempre tiene que prestar atención al hecho de que el marcador aplicado en el cojinete se mantenga en la dirección de la cámara, lo cual dificulta el manejo del instrumento.

Adicionalmente, para un instrumento, un cojinete significa un coste constructivo adicional, lo cual se traduce en mayores costes de fabricación y en una mayor propensión a fallos. De la misma manera, se hace necesario un coste relativamente alto para esterilizar un dispositivo conformado costosamente de modo constructivo de este tipo.

A partir de los documentos DE 196 39 615 A1, DE 195 36 180 A1, DE 100 00 937 A1 y DE 296 23 941 U1 del solicitante se conocen procedimientos y dispositivos para la localización y la navegación de instrumentos.

El documento US 5,485,667 da a conocer un procedimiento para la aplicación de un marcador en un instrumento médico para posicionar el extremo distal del instrumento médico de un modo preciso, en el que el marcador es visible en una toma de rayos X.

El documento WO 01/30254 A1 da a conocer un catéter con un gran número de marcadores que no dejan pasar los rayos X, que están dispuestos a lo largo del catéter y no presentan ninguna simetría especular, excepto respecto a planos ortogonales a un eje longitudinal del catéter, en el que se determina una orientación del catéter relativa a un plano usando una proyección de una imagen del marcador en el plano.

El documento US 5,662,111 da a conocer un sistema y un procedimiento para la determinación cuantitativa de la posición de la anatomía de un paciente y de la posición de un instrumento con dos marcadores referida a los datos anatómicos que han sido determinados por medios de procedimientos de tomografía computerizada o de resonancia magnética nuclear.

El objetivo de la presente invención es sugerir un marcador para un instrumento, un sistema que usa un marcador de este tipo, así como procedimientos para la localización de al menos un marcador, con los que se puedan localizar de un modo sencillo instrumentos, como por ejemplo instrumentos con simetría de rotación.

Este objetivo se alcanza por medio de la invención definida en las reivindicaciones independientes. De las reivindicaciones dependientes se extraen formas de realización ventajosas.

Un marcador como el que se usa preferentemente para instrumentos que se han de mover o girar en su uso, en particular para instrumentos con un eje de giro o instrumentos con una región con simetría de rotación, está conformado de tal manera que se puede aplicar al menos en una región del instrumento a lo largo de al menos una parte de una región de la superficie que rodea al instrumento. El marcador, por ejemplo, puede ser una cinta situada alrededor de un instrumento, por ejemplo un objeto en forma de cilindro en la superficie con, por ejemplo, una anchura constante, varias secciones de cinta o un anillo continuo circular o secciones individuales del anillo, de manera que el objeto en forma de cilindro pueda ser girado alrededor del eje longitudinal, en el que, independientemente del ángulo de giro del objeto en forma de cilindro, siempre pueda ser registrado por parte de una cámara al menos una región parcial del anillo o de la cinta circular, en tanto que la cámara no esté posicionada en una dirección en la prolongación del eje longitudinal del objeto en forma de cilindro, sino que pueda registrar una región lateral del objeto en forma de cilindro.

El marcador puede estar formado por un elemento de modo continuo, o alternativamente también puede estar formado por varios elementos individuales que pueden estar dispuestos distribuidos alrededor de la superficie de un instrumento de tal manera que, independientemente de la dirección de giro del instrumento, al menos una parte del marcador o de un elemento individual pueda ser registrada por una cámara dispuesta lateralmente respecto al instrumento. Por ejemplo, se puede usar un anillo que esté interrumpido en partes determinadas de su contorno, o se pueden disponer diferentes superficies emisoras o reflectoras de luz con aproximadamente la misma geometría, o también con diferentes geometrías, alrededor de la superficie del instrumento de tal manera que, independientemente de la dirección de giro del instrumento, se pueda ver al menos un elemento marcador al observar lateralmente el instrumento.

En general, un marcador que puede estar formado por un elemento unido o por varios elementos discretos individuales, se ha de poder disponer distribuido alrededor de al menos una región parcial de la superficie de un instrumento de tal manera que, independientemente de la orientación o del giro del instrumento, al menos una región parcial del marcador o un elemento parcial del marcador pueda ser registrado por una cámara que fundamentalmente no se desplaza con un movimiento del instrumento. Una disposición de marcadores de este tipo también facilita la esterilización, puesto que las superficies lisas son más fáciles de desinfectar que en el caso de un marcador dispuesto en un cojinete sobre una estrella de referencia.

En general, un marcador, o bien un elemento parcial de un marcador es un elemento que puede emitir luz. Esto se puede llevar a cabo de modo activo, por ejemplo, empleando LED u otros elementos emisores de luz, o bien se pueden usar superficies reflectantes que pueden reflejar luz que incide sobre el marcador desde el exterior. En este caso se puede tratar, por ejemplo, de luz visible o de rayos infrarrojos, que a continuación son registrados al menos por parte de una cámara.

El marcador es preferentemente un elemento que presenta aproximadamente simetría de rotación, por ejemplo un elemento en forma de anillo o de cinta, que puede ser desplazado y preferentemente fijado en un instrumento, preferentemente un instrumento que presenta aproximadamente simetría de rotación, a lo largo del eje longitudinal, o que, por ejemplo se puede fijar por clip o enganchar lateralmente al instrumento, o que, por ejemplo, puede ser dispuesto como cinta adhesiva con superficie reflectante sobre el instrumento.

Adicionalmente es posible conformar al marcador, por ejemplo, en forma esférica o cónica, en el que el elemento en forma esférica o en forma cónica con superficie reflectante se puede disponer alrededor del instrumento de tal manera que en caso de un desplazamiento o de un giro del instrumento se pueda registrar al menos una región parcial de la superficie por parte de una cámara dispuesta lateralmente respecto al instrumento.

Sin embargo, en general no es necesario que el marcador, un elemento parcial del marcador o el instrumento en el que se dispone el marcador o el elemento parcial del marcador presente simetría de rotación. El marcador, por ejemplo, también puede estar conformado sin simetría de rotación, es decir, en el sentido de la invención es suficiente conque al menos una región parcial de un marcador pueda ser registrada preferentemente en caso de cualquier orientación espacial o giro del instrumento en el que está dispuesto el marcador. En caso de que se usen marcadores o elementos parciales de los marcadores que no presenten simetría de rotación, entonces es posible, en caso de una disposición adecuada de diferentes medidas de los marcadores alrededor del instrumento, determinar a partir de las diferentes superficies de los marcadores que se pueden registrar con los diferentes giros u orientaciones del instrumento, cómo se está girando en ese momento el instrumento, o como está orientado espacialmente.

Preferentemente, en un instrumento se prevén al menos dos marcadores o elementos parciales del marcador para incrementar así la precisión del registro espacial por medio de la luz emitida o reflejada por parte de los marcadores. En este caso los al menos dos marcadores están dispuestos, ventajosamente, desplazados entre ellos con una determinada distancia entre ellos, por ejemplo, en un instrumento con simetría de rotación están distanciados entre ellos en la dirección axial o bien en la dirección del eje de simetría.

Según un aspecto de la invención, se sugiere según la reivindicación 1 un procedimiento para la localización.

En caso de que la luz emitida o reflejada sea registrada por una cámara que no esté dispuesta en la línea perpendicular a la superficie del marcador, entonces, debido al modo de observación oblicuo se produce un error por lo que se refiere a la posición espacial registrada, que se corrige conforme a la invención para determinar a partir de los datos registrados la posición espacial correcta. Para ello se emplea ventajosamente un procedimiento iterativo en el que en primer lugar se parte de que la posición determinada del al menos un marcador, por ejemplo el centro de reflexión del marcador en forma de anillo, representa la posición correcta del anillo, que, sin embargo, debido a una observación posiblemente oblicua difiere de la posición real, ya que en el registro del marcador con un ángulo oblicuo, el punto medio de la superficie reflectante registrado por una cámara difiere del punto medio real del marcador. Partiendo de la suposición provisional de que la posición registrada es la posición correcta del marcador o del anillo, se determina la línea visual de al menos una cámara de registro, preferentemente dos o más, para cada marcador o anillo. A partir de estas líneas visuales se calcula un valor de corrección para cada cámara y/o para cada marcador o anillo, y a partir de ello se determinan posiciones virtuales de un marcador o de un anillo como punto medio entre las líneas visuales de las cámaras. A partir de esto se puede determinar un vector de corrección o un desplazamiento entre la posición tomada como correcta y la posición virtual determinada como se ha indicado anteriormente. A continuación, la posición tomada como correcta originariamente, que difiere de la posición correcta real, se resta del vector de corrección para conseguir un mejor valor, o incluso en el mejor caso el valor correcto para la posición correcta. Partiendo de este valor corregido de la posición tomada como correcta se repite el procedimiento de modo iterativo hasta que la desviación o el vector de corrección se encuentran por debajo de un determinado valor límite prefijado, es decir, hasta que se ha alcanzado una precisión prefijada.

Otra forma de realización, no perteneciente a la invención se refiere a un procedimiento para la determinación de la posición espacial de al menos un marcador, en el que la posición espacial de al menos un marcador se determina de modo iterativo. El procedimiento iterativo descrito anteriormente en sus principios fundamentales también se puede usar en general con marcadores o disposiciones de marcadores configuradas de cualquier manera para determina la posición espacial de al menos un marcador, como por ejemplo en el caso de tres marcadores dispuestos en una estrella de referencia. En este caso, en una primera etapa, la luz emitida por el al menos un marcador, preferentemente dos, tres o más, por ejemplo emitida de modo activo o reflejada de modo pasivo se registra por ejemplo con una, dos o más cámaras de modo óptico, pudiéndose a partir de ello, teniendo en cuenta el conocimiento de la disposición relativa de cada uno de los marcadores entre ellos, por ejemplo la geometría de la estrella de referencia, determinar de un modo aproximado o aproximativo la posición espacial de la disposición de marcadores. En caso de que se conozca la posición espacial de una disposición de marcadores, entonces a partir de ello también se puede determinar la posición espacial de un instrumento unido con la disposición de marcadores. En caso de que, por ejemplo, se parta en primer lugar del hecho de que los marcadores individuales tienen forma de esfera o bien presentan simetría esférica o bien son superficies reflectantes en forma de esfera, entonces el punto medio de la luz emitida por cada marcador se toma provisionalmente como punto medio del marcador o posición del marcador. En caso de que usen marcadores que no tienen forma esférica, entonces, para una disposición prefijada de cada uno de los marcadores en una estrella de referencia se conoce, por ejemplo, la orientación de estos marcadores en la estrella de referencia ya antes de la realización del procedimiento. Usando esta información junto con la posición espacial de la disposición de marcadores, por ejemplo de la estrella de referencia, determinada de un modo aproximada, y teniendo en cuenta la geometría conocida de los marcadores -es decir, por ejemplo, la información de que se usan marcadores cónicos o cilíndricos- y teniendo en cuenta la posición conocida de al menos una cámara que sirve para el registro óptico y, dado el caso, la posición de al menos un elemento generador de luz, en caso de que se usen marcadores reflectores pasivos, se puede llevar a cabo una simulación para determinar qué señales ópticas se tendrían que haber recibido con la posición espacial determinada aproximadamente de la disposición de marcadores. En caso de que las señales ópticas recibidas determinadas en la simulación coincidan con las señales ópticas que realmente han sido recibidas, entonces la posición espacial determinada aproximadamente de la disposición de marcadores es correcta. Si, por el contrario, se produce una desviación o diferencia entre las señales ópticas simuladas que se tienen que recibir y las señales ópticas recibidas reales, entonces, a partir de ello se puede determinar una magnitud de corrección, como por ejemplo una diferencia o un vector de corrección tridimensional o un vector de desplazamiento, que se corresponde, por ejemplo, con el desplazamiento con el que se ha de desplazar un marcador o con la magnitud que se tiene que girar una disposición de marcadores para obtener una mejor aproximación o incluso la posición espacial correcta de la disposición de marcadores. Después de la corrección o del desplazamiento de la posición espacial de la disposición de marcadores determinada de modo aproximado, se puede llevar a cabo una nueva simulación de las señales ópticas que se han de recibir usando las informaciones mencionadas más arriba, para determinar si las señales ópticas que se han de recibir calculadas después de la nueva situación son más coincidentes, o coinciden completamente con las señales ópticas recibidas realmente. A partir de ello se puede volver a determinar un valor de corrección o bien una diferencia entre las señales ópticas que realmente han sido recibidas y las señales ópticas simuladas que se han de recibir, en el que el valor de corrección se puede volver a usar para otra simulación. Este procedimiento se puede continuar de modo iterativo el tiempo necesario, por ejemplo, hasta que se esté por debajo de un valor de tolerancia permitido prefijado para un error, o incluso hasta que se alcance la coincidencia total entre las señales ópticas simuladas y recibidas realmente. También se puede prefijar, por ejemplo, como condición de terminación, el número máximo de pasos de iteración que se tienen que llevar a cabo.

Para la realización del procedimiento se pueden usar ventajosamente marcadores que no presenten una superficie esférica, como por ejemplo formaciones bidimensionales o tridimensionales, como por ejemplo objetos en forma de cilindro, de cono o de cubo. Esto simplifica la construcción y la esterilización de los marcadores, ya que, por ejemplo, es relativamente costoso aplicar sobre superficies esféricas recubrimientos reflectantes u hojas de plásticas, y éstas, a su vez, son relativamente difíciles de desinfectar, al contrario que ocurre con, por ejemplo, objetos en forma de cono o de cilindro. En general, los marcadores pueden ser elementos emisores de luz activos, como por ejemplo LED, o también elementos reflectores pasivos o superficies.

Según otro aspecto, la invención trata de un programa de ordenador que lleva a cabo el procedimiento conforme a la invención descrito anteriormente cuando se carga en un ordenador o bien cuando se ejecuta en un ordenador. Adicionalmente, la invención también trata de un medio de memoria de programa o de un producto de programa de ordenador con el programa mencionado anteriormente.

Según otro aspecto, la invención trata de un dispositivo para la determinación de la posición espacial de al menos un marcador con una cámara y una unidad de cálculo para la realización de la etapa del procedimiento descrita conforme a la invención. En este caso pueden estar previstos elementos emisores de luz o bien como marcadores mismos o bien separados de los marcadores, como por ejemplo en una relación de posición conocida respecto a la al menos una cámara o también alrededor de una única cámara como elemento en forma de anillo.

La invención trata además de un sistema con el dispositivo descrito anteriormente y al menos un marcador, preferentemente una disposición de marcadores formada por dos, tres o más marcadores, que pueden ser registrados por parte de la al menos una cámara. En este caso, los marcadores usados tienen preferentemente una estructura bidimensional o tridimensional, en los que preferentemente no se dan superficies con forma esférica. De este modo, por ejemplo, se pueden usar marcadores en forma de cilindro, de cono o de cubo, o también marcadores con otra geometría, como por ejemplo con forma de tronco de cono o con forma de elipse.

A continuación se describe la invención a partir de un ejemplo de realización preferido de un marcador en forma de anillo tomando como referencia las figuras anexas. Se muestra:

Figura 1 una forma de realización de un marcador sobre un instrumento con forma cilíndrica;

Figura 2 una vista en perspectiva de un marcador;

Figura 3 una sección del marcador en el plano y-z; y

Figura 4 una sección del marcador en el plano x-y;

La Figura 1 muestra un instrumento 1 en forma de cilindro, como por ejemplo el eje de un taladro o de un destornillador que se podrían emplear, por ejemplo, para fines médicos. En el instrumento 1 en forma de cilindro está dispuesto un marcador 2 en forma de anillo, de manera que, independientemente de un giro del elemento 1 en forma de cilindro, siempre se puede registrar una superficie del marcador 2 por parte de una cámara dispuesta lateralmente respecto al elemento 1 en forma de cilindro. Para la explicación de las siguientes Figuras, está dibujado en la Figura 1 un sistema de coordenadas x-y-z.

La Figura 2 muestra una vista en perspectiva del marcador 2 en forma de anillo, del modo en el que el marcador 2 es registrado por una cámara (no mostrada) que no está dispuesta en una línea perpendicular a la superficie del marcador, sino que mira oblicuamente al marcador 2. El centro de reflexión Z dibujado en la Figura 2 es el punto medio de la superficie visible del marcador 2 observada desde la cámara, que, sin embargo, debido a la observación oblicua, difiere del punto medio correcto del marcador 2, que está situado en el ejemplo mostrado en la Figura 2 a la derecha al lado del punto medio de reflexión Z.

La Figura 3 es una sección a través del marcador 2 mostrado en la Figura 2, y representa el plano y-z. La cámara que mira oblicuamente al marcador 2 registra al marcador 2 desde la dirección de la línea visual S, que pasa a través del centro de reflexión Z y corta el eje medio MA del marcador 2 en forma de anillo a una distancia d del punto medio M del eje medio MA. Si se usara el centro de reflexión Z registrado por la cámara como punto medio verdadero del marcador 2 y no se tuviera en cuenta entonces la imprecisión debida a la observación oblicua del marcador 2, entonces se obtendría el error de posición d respecto a la posición espacial del marcador 2, y con ello del instrumento unido con el marcador 2. Para corregir este error de posición d, en primer lugar se parte del hecho de que el centro de reflexión Z determinado se encuentra en el centro de la superficie del marcador. En caso de que en el instrumento 1 se dispongan dos marcadores 2 a una distancia conocida entre ellos, entonces, basándose en la suposición de que los centros de reflexión Z1 y Z2 (no mostrados) determinados para los dos marcadores 2 son los centros de reflexión correctos, entonces se pueden determinar la línea visual S y el ángulo \vartheta, con el cual se muestra la línea visual S respecto a la perpendicular sobre la superficie del marcador 2.

La Figura 4 muestra una sección a través del marcador 2 en el plano x-y. Si se designa con t el ángulo respecto al eje y, entonces el vector normal sobre la superficie del marcador 2 viene dado por (sen t; cos t; 0). El vector direccional de la línea visual S, tal y como se muestra en la Figura 3, está dado por (0; cos \vartheta, sen \vartheta). El ángulo \beta entre la normal sobre la superficie y la línea visual S viene dado por:

cos t \cdot cos \vartheta = cos \beta

La superficie local que puede ser vista por una cámara desde la dirección de la línea visual S, es proporcional a cos \beta. Este ángulo \beta no ha de estar por debajo del ángulo de reflexión crítico \alpha (no mostrado) de la película reflectante, que, por ejemplo, tiene un valor de aproximadamente 50º. Como consecuencia de esto, el máximo valor \phi que puede adoptar t como valor, viene definido por

cos \phi = cos \alpha / cos \vartheta

En total, una cámara que está dispuesta en la Figura 4 por encima del anillo 2 reflectante puede registrar una región de la superficie que empieza desde un ángulo - \phi hasta un ángulo + \phi. Para determinar el desplazamiento d mostrado en la Figura 3 en cuyo valor está desplazado el centro de reflexión Z del punto medio M verdadero del eje medio MA del cuerpo reflectante 2, se determina el recorrido s indicado en la Figura 3. Tal y como se ve junto con la figura 4, el recorrido s es el centro de gravedad del arco circular registrado por una cámara en el intervalo angular - \varphi hasta + \varphi. s se puede calcular a partir de:

1

Con ello, resulta el desplazamiento o bien el valor de corrección d a través de:

d = s \cdot tan\ \vartheta

Este procedimiento se puede llevar a cabo de modo iterativo. Con ello se puede calcular la posición correcta del anillo reflectante 2 sobre el cuerpo 1 en forma de cilindro a partir de la posición del centro de reflexión Z registrada por una cámara, y con ello se puede determinar la posición del cuerpo 1 en forma de cilindro.

Claims (13)

1. Procedimiento para localizar al menos un instrumento con al menos dos marcadores (2) en forma de anillo, que pueden estar dispuestos a lo largo de regiones parciales de una superficie que rodea al instrumento (1), en el que se registra la posición del centro de reflexión (Z) de al menos dos marcadores (2), y a partir de ello se determina un valor de corrección (d) para la determinación de la posición espacial del punto medio verdadero (M) de cada uno de los al menos dos marcadores (2), y con ello del instrumento unido con ellos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la determinación del valor de corrección (d) de la posición espacial del instrumento (1) se lleva a cabo de modo iterativo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que usando una información de la posición relativa conocida anteriormente de una disposición de por los menos dos marcadores (2) se determina la posición espacial de la disposición de marcadores a partir de señales de luz registradas de modo óptico de manera aproximada.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que usando la posición espacial de la disposición de marcadores determinada de modo aproximado, de la orientación conocida anteriormente de cada uno de los elementos de los marcadores individuales (2) en la disposición de los marcadores y de la posición de los dispositivos de registro óptico se lleva a cabo una simulación de las señales ópticas que se han de recibir.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que las señales ópticas simuladas que se han de recibir se comparan con las señales ópticas que realmente se han recibido, y a partir de ello se determina una magnitud de corrección.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la posición espacial de la disposición de marcadores determinada de modo aproximado se corrige usando la magnitud de corrección determinada, para así obtener un nuevo valor de la posición espacial de la disposición de marcadores determinada aproximadamente y se realiza otra simulación según la reivindicación 4.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que se prefija una condición de terminación para el procedimiento iterativo.

8. Programa de ordenador que lleva a cabo el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7 cuando está cargado en un ordenador o cuando se ejecuta en un ordenador.

9. Medio de memoria de programa o producto de programa de ordenador con el programa de ordenador según la reivindicación 8.

10. Dispositivo para el reconocimiento de la posición espacial de al menos dos marcadores (2) en forma de anillo con al menos una cámara y una unidad de cálculo para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que está previsto al menos un elemento emisor de luz en una relación de posición definida respecto a la al menos una cámara.

12. Sistema con un dispositivo según una de las reivindicaciones 10 u 11 y una disposición de al menos dos marcadores.

13. Sistema según la reivindicación 12, en el que los marcadores están conformados sin presentar simetría esférica.