ES2257778T3 - Sistema ortopedico que permite la alineacion de los huesos o la reduccion de fracturas. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema que permite alinear o bien un instrumento con una particular porción de la estructura del hueso, o dos segmentos de hueso entre sí durante un procedimiento de fijación, trabajando en condiciones de realidad virtual. En el primer caso, se puede utilizar para introducir un tornillo, un alambre de Kirschner o un taladro en una sección del cuerpo de interés clínico, sin perforación de prueba. En el segundo caso, una reducción de fractura y la subsiguiente fijación se puede operar eliminando la exposición del médico a los rayos x y reduciendo también en gran medida la del paciente. El sistema se compone de cuatro elementos principales, el aparato de puntería, provisto de barras de puntería, el dispositivo de calibración de la imagen (que se puede acoplar al aparato de puntería, utilizado para determinar los ángulos y escalas iniciales), un dispositivo de regulación, conectado a las grapas del fijador si se necesita reducir una fractura, o al aparatode puntería en un lateral y a la estructura del hueso en el otro (o a la mesa de operaciones, con una precisión reducida), y un dispositivo de medida conectado a un PC. Esto permite presentar el estado de alineación real en realidad virtual en dos planos una vez que se hayan realizado dos tomas de rayos x o fluoroscopias en planos aproximadamente perpendiculares y se hayan guardado en la memoria del ordenador. Principio de funcionamiento del sistema, acoplado de imágenes con la geometría medida inicialmente y la determinación matemática y la presentación visual de la nueva posición. El fundamento del aparato de puntería es el hecho de que, si se alinean dos planos con la sección del cuerpo de interés, introduciendo un instrumento a lo largo de la intersección de dichos planos permitirá dar en el blanco. La puntería, acoplada al dispositivo de regulación también puede operar bajo fluorscopia solamente, necesitando en este caso más radiación para lograr la alineación. Al final del procedimiento de alineación, en el primer caso se puede operar a través de los orificios presentes en el aparato de puntería, alcanzando la porción del cuerpo deseada, en el segundo caso, simplemente se conectan las grapas extremas con el fijador deseado, o se bloquean los diferentes grados de libertad si el fijador lleva su propio dispositivo de regulación

Description

Sistema ortopédico que permite la alineación de los huesos o la reducción de fracturas.

Durante los procedimientos ortopédicos, a menudo es necesario alcanzar con cierto grado de precisión una parte particular de la estructura ósea, o bien para fijar internamente una fractura, o para alcanzar un tumor, o además para alinear huesos fracturados antes de colocar un fijador externo.

Técnica anterior

La cirugía tradicional a menudo funciona mediante ensayo y error controlando con fluoroscopia el efecto del movimiento impuesto. En ocasiones, debido a la imposibilidad de taladrar orificios conociendo la posición del trépano en un marco dado de referencia, se utilizan los procedimientos quirúrgicos más invasivos, requiriéndose así largos periodos de recuperación para el paciente. Y, en cualquier caso, el paciente y los médicos reciben una dosis masiva de radiación.

Descripción de la invención

La presente invención, que combina cuidadosamente una geometría, cinemática, teoría de medición y ciencia informática escogidas, proporciona una nueva generación de instrumentos que permiten colocar objetos tales como tornillos y huesos, en la posición deseada, sin ninguna absorción de radiación por el médico, y reduciendo también enormemente la radiación para el paciente, que sólo tiene que recibir dos fluoroscopias, utilizadas para calibrar el sistema.

Esta patente tiene su origen en dos recientes solicitudes de patente italianas, el documento CS96A 000011, publicado el 23 de octubre de 1996 (ITCS 96 0011) y el documento CS97A000004, publicado el 27 de julio de 1997 (ITCS 97 0004), y de la experiencia adquirida por el autor durante una intervención quirúrgica para atacar en el primer intento un osteoma-osteoide situado en la parte superior media del fémur de una mujer joven. Un instrumento básico que permite la conexión de realidad con realidad virtual, es el goniómetro (dispositivo de medición) parte del documento WO-A-96/19944 que describe un sistema según el preámbulo de la reivindicación 1.

Descripción del sistema

El sistema completo está compuesto por cuatro elementos, el dispositivo (1) de dirección, el dispositivo (2) de calibración de la imagen, el dispositivo (3) de regulación y el dispositivo (4) de medición acoplado a un ordenador, conteniendo también un panel de adquisición de imágenes y software especializado.

El dispositivo (1) de dirección puede construirse en muchas configuraciones diferentes, tal como se describe más adelante, y podría usarse incluso sólo acoplado al dispositivo (3) de regulación, pero en este caso necesita un mayor uso de fluoroscopia.

Utilizando el sistema completo, pueden centrarse tornillos y similares en una parte particular del organismo, trabajando en condiciones de realidad virtual. De hecho, una vez adquiridas las imágenes de calibración y localizado el punto de referencia, el ordenador visualizará en su pantalla en un plano en el tiempo, o en dos planos al mismo tiempo, el efecto del movimiento de la parte distal del instrumento con respecto a la parte proximal, en la escala exacta, permitiendo así la correcta alineación, ayudándose también al médico mediante una elección acertada de los diversos grados de liberad del dispositivo (3) de regulación.

Y viceversa, sin el dispositivo (1) de dirección, el sistema puede utilizarse para alinear huesos conectados a abrazaderas, con el fin de obtener una reducción de la fractura, de nuevo trabajando con realidad virtual y actuando sobre las abrazaderas de un fijador. También en este caso, el médico podrá observar el efecto de sus movimientos en la escala exacta en la pantalla del ordenador en uno o dos planos. Se prevé la posibilidad de obtener imágenes también en un tercer plano y se obtendrán mediante software. A continuación se describirán en mayor detalle los diversos componentes.

Dispositivo de dirección

El dispositivo (1) de dirección está compuesto básicamente por una estructura en forma de L, cuyo ángulo entre los brazos (5) puede fijarse o ajustarse, siendo cada brazo de longitud fija o ajustable, llevando cada brazo dos barras (7) que se encuentran en el mismo plano del eje (6) de bisagra del brazo.

Con referencia a la figura 1, la versión más simple posible del alineador se obtiene mediante un elemento de una pieza que lleva cinco orificios (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) cuyos ejes son paralelos, tres alineados en un primer plano, y los otros dos también alineados con uno de los tres primeros ejes. Cuatro barras (7a, 7b, 7c, 7d) de dirección están insertadas en cuatro orificios (8a, 8b, 8c, 8d) de centrado, mientras que el quinto orificio (8e), alineado con cada uno de los dos pares restantes, se deja vacío para servir como una guía para el instrumento usado para alcanzar la región de interés clínico.

En la figura 2 se representa una versión más sofisticada, en la que el ángulo y la longitud de la barra son ajustables.

En ocasiones, los orificios de centrado deben ser más de uno, como en el caso de fractura del cuello de un fémur, en la que tienen que colocarse dos tornillos en un espacio muy pequeño.

Dispositivo de calibración de la imagen

El dispositivo (2) de calibración de la imagen representado en la figura 5 está formado esencialmente por dos estructuras (10, 11) ligeras que deben llevar varios puntos (12) de referencia (al menos tres por lado y por imagen) utilizados para determinar matemáticamente, conociendo su dimensión (a, b, c) física, y su proyección sobre las dos imágenes de calibración adquiridas por el ordenador, la escala de imagen y los ángulos que determinan la posición real del dispositivo de medición.

Dispositivo de regulación

El dispositivo (3) de regulación es un mecanismo que permite ajustar la posición del extremo móvil (distal) del instrumento (es decir, el dispositivo de dirección) o fijador, con respecto al extremo fijo (proximal), funcionando en secuencia en planos independientes. Para este fin, está compuesto por una serie de bisagras y pares cinemáticos telescópicos que tienen que regularse en secuencia con el fin de alcanzar la alineación requerida. El dispositivo de regulación puede formar parte del cuerpo del fijador, como es el caso de la patente de los EE.UU. 5.152.280, puede formar parte del dispositivo de medición, o puede ser independiente de ambos, pero debe permitir la regulación independiente de los seis grados de libertad entre los componentes de extremo que trabajan en secuencia en planos independientes.

En el ejemplo de la figura 6 se muestra un dispositivo de regulación mecánico que actúa en planos independientes, compuesto de tres pares (15a, 15b, 15c) telescópicos y tres bisagras (16b, 16d, 16f). En el ejemplo de la figura 7 se muestra un dispositivo de regulación mecánico que actúa en planos independientes, compuesto de dos pares (15c, 15e) telescópicos y cuatro bisagras (16a, 16b, 16d, 16f). En la figura 8, se muestra un dispositivo de regulación mecánico que actúa en planos independientes, que permite la rotación pura alrededor de la diáfisis.

Dispositivo de medición

El dispositivo de medición es cualquier dispositivo que permita medir en tiempo real la posición relativa entre dos cuerpos, pasando la información directamente a un ordenador. Una ejecución posible de un dispositivo de este tipo puede ser el goniómetro ya citado, pero esto es sólo un ejemplo.

Procedimiento de alineación del instrumento

El procedimiento de alineación con fluoroscopia requiere que las primeras dos barras (7a, 7b) del dispositivo (1) de dirección estén alineadas en la región de interés, de manera que las dos barras (7a, 7b) se superpongan a la imagen de tal región, estando sólo una barra a la vista. Para hacer esto, el médico tendrá que actuar sobre el dispositivo (3) de regulación hasta que se alcance la primera alineación. A continuación, el sistema se bloquea de tal forma que sólo puede moverse dentro del primer plano de dirección. Entonces se hace girar el aparato de rayos X, y las segundas dos barras (7c, 7d) se mueven para alinear la región de interés clínico en la segunda dirección. El bloqueo del dispositivo en este punto hará que cualquier instrumento que entre en los orificios de guiado con una tolerancia reducida golpee la región de interés.

Si se desea el funcionamiento de realidad virtual, sólo es necesario que la alineación en el primer plano sea aproximada, pero debe usarse el dispositivo (2) de calibración de la imagen. En las barras tienen que localizarse tres esferas (u otra herramienta de dirección) de posición conocida a lo largo de las barras. Se realiza la primera radiografía y se suministra la imagen (que muestra la posición real de la barra con respecto a la región de interés) al ordenador. Se procede de manera similar con una segunda radiografía en un plano aproximadamente perpendicular al primero, llevando también en este caso el segundo par de barras como mínimo tres herramientas de dirección.

Una vez hecho esto, el ordenador calculará primero los ángulos y la escala partiendo de la base de las proyecciones del dispositivo (2) de calibración de la imagen. De manera similar al funcionamiento fluoroscópico, el médico moverá entonces la parte distal del instrumento que actúa sobre el dispositivo (3) de regulación, observando la imagen tal como se muestra matemáticamente calculada en la pantalla del ordenador. Una vez que el primer plano está centrado, el médico bloqueará el sistema en un primer plano, después procederá al ajuste del segundo plano. La única diferencia es que la imagen está ahora en realidad virtual, pero reproduciendo la geometría real tal como la calibró el ordenador.

Una vez alcanzada también esta alineación, la introducción de un instrumento a través del orificio (8e) de centrado permitirá colocar el instrumento/trépano donde se supone que debe ir. Sin embargo, esta vez también existe la posibilidad si se conoce la geometría de todas las herramientas participantes, de calcular también la penetración, de modo que la punta del instrumento se llevará hasta la profundidad apropiada.

Procedimiento de alineación del hueso

Si se desea la alineación de los huesos que van a fijarse con el fijador externo, únicamente no se requiere la presencia del dispositivo de dirección, necesitándose todo lo demás.

Para este fin, o bien el propio fijador tiene un cuerpo central que permite hacerlo funcionar en secuencia sobre sus bisagras internas o telescopios, trabajando en secuencia sobre planos perpendiculares, como en el caso del fijador de la patente de los EE.UU. 5.152.280, o debe utilizarse un dispositivo de regulación separado. Para esto, deben añadirse los dispositivos de medición y de calibración de la imagen (y el ordenador relacionado), acoplándolos a las abrazaderas de extremo. El dispositivo de medición, tal como el descrito en el documento WO96/19944 del 4 de julio de 1996, permite calcular el efecto del movimiento realizado por el médico, mostrando en tiempo real y con precisión milimétrica en la pantalla del ordenador la nueva posición de los segmentos óseos en la escala apropiada.

También en este caso es necesario suministrar al ordenador con dos imágenes en planos aproximadamente perpendiculares. Cada imagen mostrará, la posición inicial de los segmentos óseos, pero también la posición del sexto punto de las coordenadas conocidas con respecto a las abrazaderas del dispositivo de medición, que pertenecen al dispositivo de calibración de la imagen. Una vez identificada su posición, bien automática o manualmente (con el ratón) y adquirida su posición en la imagen, la calibración de la imagen se realiza automáticamente. A continuación le sigue la identificación de los segmentos óseos, de nuevo manual o automática. La figura 3 presenta el sistema durante la alineación de los instrumentos, describe una representación esquemática de los hilos de guiado en una posición particular. Describe una representación esquemática de los hilos de guiado en una posición particular que actúan bajo realidad virtual. Mientras la siguiente figura 4 presenta una reducción de fractura. La figura 5 muestra una posible configuración de un dispositivo (2) de calibración de la imagen, de los que se necesitan cuatro (o dos proporcionales), uno por segmento óseo y por plano de reducción (frontal y sagital).

En el caso de que el fijador no esté provisto en sí mismo del dispositivo (3) de regulación, esto tendrá que proporcionarse externamente, accionándose manual o electrónicamente.

Naturalmente, este dispositivo puede tener una secuencia de bisagra, tal como la citada en la patente de los EE.UU., pero puede ser totalmente diferente. En particular, en el presente documento se propone una configuración en la que se suministran los seis grados de libertad mediante tres pares (15a, 15b, 15c) telescópicos y tres bisagras (16b, 16d, 16f), tal como se muestra en la figura 6. Naturalmente, las abrazaderas de extremo tienen que conectarse entre los elementos designados en la figura como elemento (20) y (30), respectivamente. También debe observarse que la posición relativa entre las diversas limitaciones puede variarse si es necesario. Otra posibilidad se presenta en la siguiente figura 7. Para simplificar adicionalmente el trabajo del operario, también puede obtenerse el par (15f) cinemático, tal como se presenta en la figura 8, de modo que (15e) y (15f) juntos permitirán una rotación y traslación puras alrededor de la diáfisis. Naturalmente, para hacer esto así, el anillo que pertenece al par (15f) cinemático debe estar centrado en la diáfisis y perpendicular a ella. Sin embargo, para poder corregir los errores pequeños que actúan sobre las limitaciones (16a, 16b, 16c, 16d) restantes, para obtener la posición correcta de (15f) es posible utilizar el instrumento mostrado en la figura 9 que guía la inserción de los tornillos del fijador en la parte distal del hueso, de modo que el anillo (15f) sea perpendicular a la diáfisis.

El dispositivo de regulación también puede acoplarse al dispositivo de medición, tal como se muestra en la figura 10, en la que (16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f) se designan como "bisagras de medición" y en la que se muestra un posible "dispositivo extensor" que debe colocarse entre las bisagras (16a) y (16b), con el fin de facilitar la extensión de las abrazaderas de extremo.

La última figura muestra un esquema adicional en el que se monitoriza el dispositivo de regulación/ medición, haciéndose funcionar mediante simples interruptores.

Como punto final, debe observarse que durante la reducción de fractura no es necesario montar el dispositivo de regulación antes de tomar las radiografías de calibración, sino que es suficiente con que estén presentes los dispositivos de medición/calibración de la imagen. El dispositivo de regulación sólo puede instalarse tras las radiografías, teniendo así la ventaja de poder tener una vista completa (en R.V.) de la región de la fractura también desde el punto de vista sagital, lo que constituye una ventaja con respecto al procedimiento de reducción asistido por fijador tradicional.

Claims (5)

1. Sistema de alineación para instrumentos o fracturas en realidad virtual, que comprende y que debe estar colocado entre las abrazaderas de extremo del instrumento: un dispositivo (4) de medición que lleva seis grados de libertad conectado a un ordenador; un dispositivo (3) de regulación que permite el ajuste de la posición de la abrazadera relativa que actúa en secuencia en planos independientes con seis grados de libertad, caracterizado porque comprende además un dispositivo (2) de calibración de la imagen que permite la identificación/calibración del subsistema de la posición relativa entre el hueso y el dispositivo de medición; un dispositivo (1) de dirección que permite centrar una parte dada del organismo y que comprende además un panel de adquisición de imágenes de vídeo y un software especializado relacionado.

2. Sistema de alineación para instrumentos o fracturas en realidad virtual según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el dispositivo (1) de dirección está compuesto por una estructura en forma de L, cuyo ángulo entre los brazos (5) puede fijarse o ajustarse, siendo cada brazo de longitud fija o ajustable, llevando cada brazo (5) dos barras (7) que se encuentran en el mismo plano del eje (6) de bisagra del brazo, llevando dicha estructura en forma de L, cinco orificios (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) cuyos ejes son paralelos, tres alineados en un primer plano, y los otros dos también alineados con uno de los tres primeros ejes, en el que en cuatro orificios (8a, 8b, 8c, 8d) de centrado se insertan cuatro barras (7a, 7b, 7c, 7d) de dirección, mientras que el quinto orificio (8e), alineado con cada uno de los dos pares restantes, se deja vacío para servir como una guía para el instrumento usado para alcanzar la región de interés clínico.

3. Sistema de alineación para instrumentos o fracturas en realidad virtual según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el dispositivo (2) de calibración de la imagen se obtiene mediante dos estructuras ligeras que llevan al menos tres puntos (12) de referencia por lado y por imagen utilizado para determinar matemáticamente, conociendo su dimensión física, y su proyección sobre las dos imágenes de calibración adquiridas por el ordenador, la escala de imagen y los ángulos que determinan la posición real del dispositivo de medición.

4. Sistema de alineación para instrumentos o fracturas en realidad virtual según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el dispositivo (3) de regulación se compone de tres pares (15c, 15a, 15b) telescópicos y tres bisagras (16b, 16d, 16f).

5. Sistema de alineación para instrumentos o fracturas en realidad virtual según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el dispositivo (4) de medición es un dispositivo que permite medir en tiempo real la posición relativa entre dos cuerpos, pasando la información directamente a un ordenador.