ES2390297B1 - Método de perforación de hueso y dispostivo para llevar a cabo dicha perforación. - Google Patents
Método de perforación de hueso y dispostivo para llevar a cabo dicha perforación. Download PDFInfo
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Abstract
Método de perforación de hueso y dispositivo para llevar a cabo dicha perforación, comprende el método las etapas de:#- Enviar una señal de consigna a un actuador para avanzar a fuerza constante una herramienta a través del hueso a perforar.#- Medir continuamente mediante un sensor, al menos, un parámetro lineal del avance de la herramienta.#- Detectar un cambio en el parámetro lineal del avance de la herramienta cuando se sobrepasa un valor umbral (U), el cual es síntoma de que se ha detectado una transición entre diferentes capas del hueso.
Description
MÉTODO DE PERFORACIÓN DE HUESO Y DISPOSITIVO PARA LLEVAR A CABO DICHA PERFORACIÓN
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con los dispositivos y procedimientos para llevar a cabo el taladrado quirúrgico de huesos, proponiendo un método que permite detectar de forma precisa el instante en que se atraviesan las distintas capas internas que
- componen
- el hueso y por tanto pudiendo detectar el
- momento
- en que se produce el final de la perforación
- del
- hueso, así mismo la invención se refiere al
- dispositivo
- que se emplea para llevar a cabo la
- perforación automática del
- hueso.
Estado de la técnica
Las operaciones de taladrado, fresado o corte de huesos son una práctica habitual en distintos campos de cirugía, como la cirugía ortopédica, cirugía de oído, cirugía maxilofacial, neurocirugía, u otro tipo de cirugías similares. Durante el procedimiento de perforación el cirujano emplea un taladro o dispositivo similar para hacer avanzar una herramienta a través del hueso. Esta operación es extremadamente delicada y requiere de gran precisión y exactitud para perforar únicamente la profundidad deseada, cualquier desviación en la perforación por pequeña que sea puede dañar el tejido circundante al hueso (venas, arterias, nervios, tejido cerebral, medula espinal) , lo cual puede provocar daños irreversibles al paciente.
La estructura de un hueso se constituye por una parte exterior densa y compacta, denominada hueso
cortical, y una parte interior menos densa, denominada hueso trabecular. Dependiendo del tipo de operación que se requiera la perforación del hueso puede consistir en atravesar únicamente la parte de hueso cortical, o atravesar todo el hueso, es decir tanto la parte de hueso cortical como la parte de hueso trabecular.
Para llevar a cabo la perforación de un hueso se conoce el empleo de taladros que disponen de una herramienta para incidir sobre el hueso, en estas soluciones el cirujano controla la velocidad de giro de la herramienta mediante un pedal o un botón de accionamiento, mientras que el movimiento de avance a través del hueso para realizar la perforación se lleva a cabo por una fuerza de empuje ejercida por el propio cirujano. El principal inconveniente de esta solución es que se desconoce el momento exacto en que se ha terminado de perforar el hueso, de manera que esta detección es función de la habilidad y experiencia del
cirujano.
Para intentar evitar un posible fallo humano que pueda afectar al tejido circundante al hueso, se han desarrollado soluciones basadas en el empleo de imágenes de rayos X, en donde el cirujano puede
- observar
- en un monitor el avance de penetración de la
- herramienta
- a través del hueso que se perfora. El
- principal
- problema de esta solución reside en el
- excesivo
- aporte de radiación, tanto al cirujano como al
paciente, no permitiendo conocer además en tiempo real la posición de la herramienta, y con ello el punto en el que se debe finalizar el taladrado, pudiendo este hecho provocar daños en el tejido circundante al hueso.
Otras soluciones se basan en sistemas en donde el movimiento de rotación de la herramienta y el movimiento de avance de la misma son controlados, de manera que el cirujano posiciona el taladro en una
determinada posición y se comienza a perforar automáticamente.
Estas soluciones están basadas en sistemas en donde la herramienta avanza a velocidad constante y
para detectar el final del taladrado se usan sensores de fuerza asociados a la herramienta, que miden la fuerza de la resistencia al avance de la herramienta o el par de corte de la misma, de manera que cuando hay una variación en dichas señales de fuerza es síntoma de que se ha detectado una transición de una capa dura del hueso a una capa más blanda o viceversa. Al estar estos sensores de fuerza sobre, o próximos a, la herramienta, y debido a las vibraciones que en ésta se producen, las señales que se obtienen presentan mucho ruido lo cual dificulta la detección de la finalización del taladrado del hueso.
Se hace por tanto necesario un sistema que permita detectar de una manera sencilla y fiable el momento en el que se producen transiciones entre capas internas del hueso, pudiendo esto significar el final del
- taladrado,
- evitando así que se puedan originar daños en
- el
- tejido circundante al hueso que puedan afectar al
- paciente.
De acuerdo con la presente invención se propone un método para la perforación de huesos y un dispositivo para llevar a cabo dicha perforación, en donde el avance de la herramienta para realizar la perforación
del hueso se realiza con una fuerza constante, de modo que cuando se detecta un cambio en la aceleración o en la velocidad de avance de la herramienta es síntoma de que se ha detectado una transición en el tejido óseo, es decir que se va a pasar de una capa de tejido más dura a otra más blanda o viceversa, pudiéndose determinar de forma precisa el final del taladrado del hueso sin afectar al tejido circundante.
- El
- método de detección objeto de la invención se
- basa
- en realizar una medición de la posición de la
- herramienta
- mediante un sensor que va asociado a un
- actuador
- que provoca el avance de la herramienta, de
- manera
- que cuando se detecta una variación en la
- velocidad
- o en la aceleración de avance de la
herramienta por encima de un determinado valor umbral es síntoma de que está próxima la transición entre diferentes capas del hueso, con lo cual se evita pasarse en la perforación y poder afectar al tejido circundante. Así mismo, al no estar midiendo sobre la propia herramienta con la que se realiza la perforación, se minimizan los ruidos provocados por las vibraciones de ésta y se obtiene una señal mucho más limpia que permite mejorar la detección. Resulta obvio para un experto en la técnica que, mediante un encoder, se puede medir la posición de la herramienta de corte o cualquiera de sus derivadas, ya sea velocidad o aceleración.
Concretamente el método de perforación de hueso objeto de la invención comprende las etapas de:
Enviar una señal de consigna al actuador para avanzar a fuerza constante la herramienta a través del hueso a perforar.
Medir continuamente mediante un sensor, al menos, un parámetro lineal del avance de la herramienta.
Detectar un cambio en el parámetro lineal del avance de la herramienta cuando se sobrepasa un determinado valor umbral, el cual es síntoma de que se ha detectado una transición entre diferentes capas de hueso. En función del valor umbral definido esta detección se puede corresponder con el final del taladrado del hueso.
- Los
- parámetros lineales del avance de la
- herramienta
- que se miden mediante el sensor pueden ser
- la
- posición, la velocidad o la aceleración de
- la
- herramienta.
Para llevar a cabo la perforación de hueso se emplea un dispositivo que está constituido por un primer actuador que acciona en rotación a la herramienta de perforación del hueso y un segundo actuador, independiente del primero y situado en una posición alejada de la herramienta, el cual por medio de una transmisión acciona el avance de la herramienta con una fuerza constante.
Asociado al segundo actuador se dispone un sensor que mide, al menos, un parámetro lineal del movimiento de avance de la herramienta, como puede ser la posición lineal, velocidad lineal o aceleración lineal de la herramienta, y asociado al primer actuador se dispone otro sensor que mide, al menos, un parámetro de rotación de la herramienta, como puede ser el desplazamiento angular, la velocidad angular o la aceleración angular.
Como se puede comprender, la detección de la transición entre diferentes capas del hueso se lleva a cabo midiendo un parámetro lineal del movimiento de avance de la herramienta por medio del sensor asociado al segundo actuador, de manera que no se está midiendo sobre la propia herramienta como en las soluciones convencionales que miden parámetros de fuerza, con lo que en la zona de medición del sensor no se producen ruidos provocados por las vibraciones de la herramienta y se obtiene una señal mucho más limpia, que permite mejorar la detección.
La transmisión que relaciona el segundo actuador con el avance de la herramienta está constituida, en primer lugar, por una guía sobre la que se mueve linealmente un carro portador de la herramienta y, en segundo lugar, por un cable que se dispone tensado entre una polea conducida y una polea conductora que se mueve solidaria con un eje del segundo actuador.
El primer actuador y, por tanto, su sensor asociado y la herramienta, están soportados por un brazo que está acoplado a un carro accionado por la
transmisión que provoca el avance de la herramienta contra el hueso.
Se obtiene así un sistema que por sus características constructivas y funcionales resulta muy ventajoso, adquiriendo vida propia y carácter preferente para la función de aplicación a la que se halla destinado en relación con la detección fiable y segura del final del taladrado de huesos.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo para llevar a cabo el taladrado quirúrgico de hueso según la invención.
La figura 2 es una vista en perspectiva explosionada de los componentes que forman el
dispositivo de la figura anterior.
La figura 3 es una vista esquemática de las señales de entrada y salida que dispone el dispositivo.
La figura 4 es un gráfico en donde se representa el método de detección del final de la perforación del hueso.
Descripción detallada de la invención
En las figuras 1 y 2 se puede observar una realización preferente del dispositivo objeto de la invención para llevar a cabo el taladrado quirúrgico de huesos. El dispositivo está constituido por un primer actuador (1) que provoca la rotación de una herramienta
- (
- 2) que va a actuar sobre el hueso a taladrar, y un segundo actuador ( 3) independiente del primero y alejado de las vibraciones de la herramienta (2) de corte, el cual por medio de una transmisión (4) provoca el avance de un carro ( 5) sobre el que se dispone el actuador (1) y la herramienta (2).
El primer actuador ( 1) lleva asociado un sensor
- (6)
- que mide, al menos, un parámetro de rotación de la herramienta (2) , como puede ser el desplazamiento angular, la velocidad angular o la aceleración angular. El segundo actuador (3) lleva asociado otro sensor (7) que mide, al menos, un parámetro lineal del movimiento
- de
- avance de la herramienta ( 2) , como puede ser el
- desplazamiento
- lineal, la velocidad lineal o la
- aceleración lineal.
El primer actuador (1) y el segundo actuador (3), son actuadores de corriente continua que están apropiadamente adaptados para conectarse a un suministro de corriente. Se ha previsto que los sensores (6 y 7) sean unos encoder ópticos, con los que es posible conocer la rotación de los ejes de los respectivos actuadores (1 y 3) a los que van asociados y, por lo tanto, el avance y la rotación de la herramienta (2) que va a taladrar el hueso. Las señales obtenidas por los sensores ( 6 y 7) pueden ser transmitidas a un equipo de procesamiento exterior, mediante una comunicación cableada o una comunicación inalámbrica.
En la figura 2 se muestra una vista explosionada del dispositivo para llevar a cabo la perforación de hueso, el cual presenta un cuerpo principal ( 8) que integra la transmisión (4) que desplaza linealmente el carro (5) y con ello el primer actuador (1), su sensor
- (6)
- asociado, y la herramienta (2) de perforación del hueso.
El carro (5) se desplaza sobre una guía (4.1) que se dispone fijada en sus extremos al cuerpo principal
- (
- 8) , produciéndose el movimiento lineal del carro ( 5) por medio de un cable (4. 2) de la transmisión ( 4) , al que va asociado.
El cable (4.2) se dispone tensado entre dos poleas
(4.3 y 4.4), siendo, por ejemplo, la polea (4.3) conducida y la polea (4. 4) conductora en movimiento solidario con un eje (3.1) del segundo actuador (3) y que provoca el desplazamiento lineal del carro (5).
El carro (5) que se desplaza linealmente sobre la guía (4. 1) de la transmisión ( 4) , va acoplado a un brazo ( 9) que amarra al primer actuador (1) encargado de proporcionar el movimiento de rotación a la herramienta (2).
El cuerpo principal ( 8) presenta un asidero (8.1) para sujetar manualmente el dispositivo, o preferentemente para asentarlo sobre una estructura exterior y orientarlo en la posición correcta para la realización automática del taladrado de hueso, evitándose así posibles desviaciones en la dirección del taladrado derivadas de errores humanos.
El primer actuador (1) y la herramienta (2) a la que acciona puede ser cualquier tipo de herramienta quirúrgica adecuada para el mecanizado de tejido óseo.
En la figura 3 se observa cómo el dispositivo para taladrar huesos está conectado con una tarjeta (10) de adquisición de datos, la cual se encarga de gestionar las señales de entrada y salida del dispositivo. Las señales de entrada a la tarjeta (10) de adquisición de datos provienen de los sensores (6 y 7), de modo que se conoce en todo momento la rotación de los ejes de los actuadores (1 y 3) a los que van respectivamente acoplados dichos sensores ( 6 y 7) . De la tarjeta (10) de adquisición de datos se envían unas respectivas señales de consigna, para operar sobre el par motor del primer actuador (1) que hace rotar a la herramienta (2) y sobre el par motor del segundo actuador (3) que provoca el avance de la misma.
Con todo ello así, se envía una señal de consigna al primer actuador (1) para provocar una rotación de la herramienta (2) según un valor de velocidad preestablecido, el cual se determina en función del par suministrado por dicho primer actuador (1), de la resistencia del hueso a taladrar y de la fuerza axial ejercida. Mediante el sensor (6) se mide la velocidad de giro de la herramienta (2) durante el taladrado del hueso, de manera que en función de las señales que se obtienen se puede variar la señal de consigna enviada al primer actuador (1) para obtener un taladrado óptimo. Es importante mantener el giro de la herramienta (2) dentro de unos determinados valores, a fin de evitar situaciones indeseables, tales como una alta temperatura durante el taladrado que pueda dañar el hueso o su tejido circundante.
El movimiento lineal de la herramienta (2) , para hacer que ésta avance a través del hueso a taladrar, se determina por otra señal de consigna que permita el avance a fuerza constante y que es enviada al segundo actuador ( 3) 1 el cual traslada el carro (5) que porta a la herramienta (2) por medio de la transmisión (4). Por
- medio
- del sensor (7) asociado a dicho segundo actuador
- (3),
- se puede medir la posición, la velocidad o la
- aceleración
- de la herramienta (2) en la dirección de
- perforación.
Así, el segundo actuador (3) provoca que la herramienta (2) ejerza un avance a fuerza constante a través del hueso a taladrar, de manera que la velocidad lineal de la herramienta (2) se determina por la relación existente entre la fuerza ejercida y la resistencia del hueso que se perfora. Si la dureza del hueso que se está perforando decrece, la herramienta
(2) se acelera, mientras que cuando la dureza del hueso aumenta, la herramienta (2) se decelera.
De esta manera, como se puede observar en la figura 4, durante el taladrado de hueso la velocidad lineal de avance de la herramienta (2) permanece dentro de unos determinados valores normales por debajo de un valor de velocidad umbral (U), en tanto que cuando está próxima la detección (D) de una transición entre diferentes capas de hueso, la resistencia ósea del hueso disminuye considerablemente, y la herramienta (2) se acelera sobrepasando el valor umbral (U) . El sensor
( 7) está continuamente tomando datos de la velocidad lineal de avance de la herramienta (2) , de manera que cuando se sobrepasa el valor umbral (U), síntoma de la detección (D) de una transición entre diferentes capas de hueso, se da una orden de parar los actuadores (1 y 3), evitando así dañar el tejido circundante al hueso.
El valor de velocidad umbral (U) se determina en función de los cambios en la rigidez de la estructura ósea, es decir que el valor umbral (U) se debe establecer en función del tipo de hueso a taladrar.
El método de perforación de hueso objeto de la invención emplea una señal de consigna enviada al segundo actuador (3) que provoca un avance a fuerza constante de la herramienta (2) a través del hueso, lo cual difiere de las soluciones convencionales en donde el avance de la herramienta se realiza a velocidad constante, de manera que cuando hay una variación en la dureza de la capa de hueso que se perfora se produce una variación en la velocidad de avance de la herramienta que permite detectar una transición entre diferentes capas de hueso, cuestión esta que no se
- puede
- determinar con las soluciones convencionales, ya
- que
- al realizar un avance a velocidad constate no se
- producen
- cambios de velocidad.
Claims (5)
- REIVINDICACIONES1.-Método de perforación de hueso, que emplea un dispositivo que comprende un actuador que acciona el avance de una herramienta (2) a través del hueso a perforar, yendo asociado al actuador un sensor (7) que monitoriza el avance de la herramienta (2), caracterizado porque comprende las etapas de:Enviar una señal de consigna al actuador para avanzar a fuerza constante la herramienta (2) a través del hueso a perforar.
- Medir
- continuamente mediante el sensor (7), al
- menos,
- un parámetro lineal del avance de la
- herramienta
- (2).
Detectar un cambio en el parámetro lineal del avance de la herramienta ( 2) cuando se sobrepasa un valor umbral (U), el cual es síntoma de que se ha detectado una transición entre diferentes capas del hueso. - 2.-Método de perforación de hueso, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque los paramentos lineales del avance de la herramienta (2) que se miden mediante el sensor ( 7) son, la posición, la velocidad o la aceleración de la herramienta (2).
- 3.-Dispositivo para llevar a cabo una perforación de hueso según el método de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está constituido por un primer actuador (1) que acciona en rotación a una herramienta (2) a través del hueso a perforar y un segundo actuador ( 3) ' independiente del primero ysituado en una posición alejada de la herramienta (2), el cual por medio de una transmisión (4) acciona el avance de la herramienta (2) de corte con una fuerza constante, yendo asociado al segundo actuador (3) un sensor (7) que mide al menos un parámetro lineal del movimiento de avance de la herramienta (2).
- 4.-Dispositivo para llevar a cabo una perforación de hueso, de acuerdo con la tercera reivindicación, caracterizado porque la transmisión ( 4) está constituida por una guía (4. 1) sobre la que se mueve linealmente un carro (5) que porta la herramienta (2) y por un cable (4. 2) que se dispone tensado entre una polea (4.3) conducida y una polea (4.4) conductora que se mueve solidaria con un eje (3.1) del segundo actuador (3).
- 5.-Dispositivo para llevar a cabo una perforaciónde hueso, de acuerdo con la tercera y cuarta reivindicaciones, caracterizado porque el primer actuador ( 1) está soportado por un brazo ( 9) que estáacoplado al carro (5) accionado por la transmisión ( 4) que provoca el avance de la herramienta (2) a través del hueso a perforar.
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