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