ES2641598T3 - Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico durante operacioes percutáneas de diagnóstico o terapéuticas - Google Patents

Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico durante operacioes percutáneas de diagnóstico o terapéuticas Download PDF

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ES2641598T3
ES2641598T3 ES10157380.6T ES10157380T ES2641598T3 ES 2641598 T3 ES2641598 T3 ES 2641598T3 ES 10157380 T ES10157380 T ES 10157380T ES 2641598 T3 ES2641598 T3 ES 2641598T3
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Description

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DESCRIPCION
Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirurgico durante operaciones percutaneas de diagnostico o terapeuticas
Campo tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente, en particular para asistir al personal medico durante operaciones percutaneas de diagnostico y/o terapeuticas.
Estado de la tecnica
Como es conocido, las biopsias, las ablaciones termicas por radiofrecuencia y las localizaciones se realizan hoy dfa con la ayuda de un instrumento quirurgico (aguja o electrodo-aguja) capaz de llegar de forma percutanea a una zona afectada por una enfermedad (a menudo denominada una “zona objetivo”). La operacion de introducir y posteriormente llegar al objetivo con el instrumento quirurgico puede facilitarse por sistemas de gma o navegacion, de tipo virtual, en base a imagenes del objetivo y de las zonas que rodean al objetivo con el fin de planificar y realizar la operacion percutanea de manera mmimamente invasiva. Por ejemplo, estas imagenes pueden ser adquiridas en tiempo real por medio de un aparato de ecograffa. Sin embargo, por ejemplo, durante las operaciones toracicas, la tecnica ecografica basada en ultrasonidos no puede usarse porque la presencia de aire en los pulmones no permite obtener imagenes intratoracicas de calidad suficiente. En general, la tecnica ecografica por ultrasonido no puede ser usada en cualquier situacion en la que pueda contemplarse una variacion de la impedancia acustica debido a la presencia de aire. Ademas, dado que la tecnica ecografica no permite adquirir imagenes de alta resolucion, hay que usar otros metodos para tomar imagenes utiles para navegacion.
El metodo mas comun adoptado para adquirir imagenes toracicas es tomograffa computarizada (CT), que explota las radiaciones ionizantes para obtener imagenes detalladas de zonas espedficas del cuerpo. Sin embargo, el uso de tomograffa computarizada no permite adquirir imagenes en tiempo real durante la operacion terapeutica a causa de la imposibilidad practica de manejar el instrumento quirurgico durante el paso de exploracion CT del sujeto en el que se realiza la operacion y a causa de la seguridad del clmico que esta realizando la operacion debido a la nocividad de las radiaciones ionizantes.
Los sistemas conocidos para operaciones terapeuticas asistidas por imagen se basan en imagenes CT adquiridas antes del paso de operar, a efectos de realidad virtual, la reconstruccion tridimensional de la zona del cuerpo humano afectada por la operacion quirurgica. Una representacion tridimensional del instrumento quirurgico durante los varios pasos de la operacion se superpone asf sobre tal reconstruccion tridimensional. Es evidente que, para esta finalidad, el instrumento quirurgico tambien debera estar provisto de sensores apropiados de modo que su representacion tridimensional pueda ser insertada en la reconstruccion tridimensional de la zona del cuerpo humano afectada por la operacion quirurgica.
US 2003/179856 (A1) describe un aparato para determinar una transformacion de coordenadas para mezclar una imagen de un primer sujeto con una imagen de rayos X de un segundo sujeto, teniendo dicho aparato una disposicion para fijar el aparato al segundo sujeto, marcadores transparentes a rayos X que pueden adquirirse por un sistema optico de navegacion, y marcas positivas de rayos X, ambos colocados en un bastidor transparente a rayos X. Las posiciones y las orientaciones de los marcadores que pueden adquirirse con el sistema de navegacion y las posiciones y las orientaciones de las marcas positivas de rayos X unas con relacion a otras son conocidas por ello, de modo que puede determinarse una transformacion de coordenadas entre un sistema de coordenadas asignado al sistema de navegacion y un sistema de coordenadas asignado a la imagen de rayos X. Asf, una imagen del primer sujeto que puede ser adquirida con el sistema de navegacion puede mezclarse con una imagen de rayos X del segundo sujeto.
Objeto y resumen de la invencion
El Solicitante descubrio que el metodo CT previamente descrito tiene multiples aspectos cnticos, de los que el principal ha demostrado ser la calibracion del sistema, es decir, la alineacion exacta entre la reconstruccion tridimensional de la zona del cuerpo humano afectada por la operacion quirurgica, que se basa en imagenes CT como se ha mencionado, imagenes que contienen una representacion bidimensional de los organos del cuerpo humano en un sistema de referencia dado debido a su naturaleza, y la representacion tridimensional del instrumento quirurgico que, como se ha mencionado, se basa en informacion proporcionada por sensores, y por ello se expresa en el sistema de referencia de los sensores, que es inevitablemente diferente del de las imagenes CT.
Otro aspecto cntico del metodo CT previamente descrito es que la reconstruccion tridimensional de la zona del cuerpo humano afectada por la operacion quirurgica es estatica porque se basa en imagenes CT tomadas en un instante concreto antes de la operacion. Por lo tanto, la posicion interna de los organos que realmente son
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sometidos a movimientos, por ejemplo, debido a la expansion y contraccion de los pulmones al respirar, no puede ser identificada exactamente en cada momento.
Por otra parte, un aspecto cntico de naturaleza general de los sistemas de grna asistidos por ordenador de un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente es que el instrumento quirurgico se considera un cuerpo ngido no sujeto a deformaciones en el uso. Realmente, por el contrario, un instrumento quirurgico en forma de aguja, o electrodo-aguja, se curva en el uso, y la entidad de la curvatura depende de los tejidos que cruza, dando lugar en consecuencia a errores al llegar al objetivo.
El objeto de la presente invencion es proporcionar un sistema de grna asistido por ordenador para un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente que permite mitigar uno o varios de los inconvenientes de los sistemas y metodos conocidos y que tambien permite mejorar la colocacion y el guiado de instrumentos quirurgicos en operaciones percutaneas.
Segun la presente invencion, se facilita un sistema de grna asistido por ordenador para un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente como el definido en las reivindicaciones anexas.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 representa diagramaticamente un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente segun una realizacion de la presente invencion.
La figura 2 es una vista en perspectiva parcialmente despiezada de un dispositivo marcador de paciente segun una realizacion de la presente invencion.
La figura 3 es una vista lateral del dispositivo marcador de paciente de la figura 2.
La figura 4 es una vista en perspectiva de un dispositivo marcador para un instrumento quirurgico segun una realizacion de la presente invencion.
Descripcion detallada de realizaciones preferidas de la invencion
La presente invencion se describira ahora en detalle con referencia a los dibujos anexos para que los expertos en la tecnica puedan implementarla y usarla. Varios cambios en las realizaciones descritas seran inmediatamente evidentes a los expertos en la tecnica, y los principios generales descritos pueden aplicarse a otras realizaciones y aplicaciones sin apartarse por ello del alcance de proteccion de la presente invencion, definido en las reivindicaciones anexas. Por lo tanto, la presente invencion no debera considerarse limitada a las realizaciones aqrn descritas e ilustradas, sino que se le ha de dar el mas amplio alcance de proteccion segun los principios y las caractensticas aqrn descritas y reivindicadas.
El sistema para guiar un instrumento quirurgico en el cuerpo del paciente segun la presente invencion es especialmente ventajoso para proporcionar asistencia a un clmico durante las operaciones percutaneas de diagnostico y terapeuticas en un paciente. Tal sistema y metodo estan adaptados para proporcionar una reconstruccion volumetrica (tridimensional) de la zona de operacion en el paciente, que se le presenta al clmico durante la operacion. Ademas, se visualiza un modelo tridimensional del instrumento quirurgico (por ejemplo, aguja de biopsia, aguja de extirpacion termica por radiofrecuencia u otro instrumento quirurgico) usado por el clmico a integrar en el volumen reconstruido de la zona de operacion.
La reconstruccion volumetrica de la region interna del paciente afectada por la operacion se realiza a partir de una pluralidad de imagenes adquiridas por medio de tomograffa computarizada (CT) del paciente. Durante la adquisicion de estas imagenes, se coloca un dispositivo marcador en el paciente (en particular cerca de la region de operacion) y se hace integral con el paciente (por ejemplo, usando cinta adhesiva medica). El dispositivo marcador de paciente esta provisto de primeros elementos marcadores computarizados que son opacos a tomograffa, adaptados para definir un primer sistema de referencia con respecto al paciente. Tal dispositivo marcador esta provisto ademas de segundos elementos marcadores que son transparentes a tomograffa computarizada. Estos segundos elementos marcadores reflejan, en cambio, longitudes de onda de infrarrojos generadas, como se describe con mas detalle a continuacion, por un sensor apropiado de seguimiento de infrarrojos en un momento siguiente a la adquisicion de imagenes por medio de tomograffa computarizada. Los segundos elementos marcadores estan dispuestos en el dispositivo marcador de paciente en una posicion conocida dada con respecto a los primeros elementos marcadores. Manteniendo el dispositivo marcador de paciente en la misma posicion que asume durante la tomograffa computarizada, puede definirse un segundo sistema de referencia durante el paso de operar en base a la posicion detectada de los segundos elementos marcadores. Conociendo las posiciones relativas de los primeros y segundos elementos marcadores, se puede crear asf una asociacion entre los sistemas de referencia primero y segundo.
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Durante la operacion, el instrumento quirurgico esta acoplado, a su vez, a su dispositivo marcador, similar al dispositivo marcador de paciente, pero incluyendo terceros elementos marcadores solamente, que reflejan longitudes de onda de infrarrojos. Cuando se usa en combinacion con el dispositivo marcador de paciente, el dispositivo marcador de instrumento permite rastrear unvocamente el movimiento del instrumento quirurgico en el segundo sistema de referencia (correlacionado con el primer sistema de referencia, como se ha mencionado previamente). Por ello, se puede superponer una imagen del instrumento quirurgico sobre la reconstruccion volumetrica efectuada por medio de tomograffa computarizada, cuya posicion vana en base a la variacion de posicion del dispositivo marcador de instrumento.
Por medio del marcador de instrumento quirurgico pueden adquirirse hasta seis coordenadas espaciales, de las que tres son coordenadas cartesianas (ejes X, Y, Z) y tres son coordenadas polares (angulos a, p, y), para rastrear unvocamente cada movimiento del instrumento quirurgico manejado por el clmico. Por ello, puede identificarse la trayectoria y la profundidad de penetracion del instrumento quirurgico en el paciente. Ademas, la trayectoria del instrumento quirurgico en profundidad dentro del paciente puede supervisarse por medio de un sistema de gma con aguja y canula sensorizada (provisto de un sensor que detecta la profundidad de penetracion dentro del paciente, por ejemplo), o por medio de su variante telescopica. La posicion virtualmente reconstruida del instrumento quirurgico dentro del paciente se correlaciona asf con la posicion de los organos internos reconstruidos por medio de tomograffa computarizada.
Al clmico que realiza la operacion se le presenta una imagen de la porcion del paciente afectada por la operacion, provista de una escala graduada, con la indicacion del nivel de profundidad alcanzado por el instrumento quirurgico (por ejemplo, representando la imagen de un instrumento quirurgico superpuesta sobre la imagen de la porcion del paciente afectada por la operacion).
Con referencia especial a instrumentos de operacion de aguja o aguja-canula o analogos, en todos los casos de diametro pequeno, el instrumento quirurgico esta sometido a una deformacion considerable cuando se somete a una fuerza de penetracion dentro de la zona de operacion en el paciente debido a una pluralidad de factores, por ejemplo, la no uniformidad de los tejidos atravesados durante la introduccion (en particular tejido oseo). Las posibles deformaciones del instrumento quirurgico pueden obtenerse haciendo un modelo mecanico del instrumento quirurgico usando tecnicas de modelado conocidas, por ejemplo, en base a FEM - “Modelado de elementos finitos”. Segun los tejidos que encuentra el instrumento quirurgico al descender en profundidad al paciente (detectado por medio de tomograffa computarizada), el movimiento mecanico del instrumento quirurgico permite actualizar la deformacion a la que se sometio en tiempo real, en base a los parametros usados durante el modelado FEM.
Ademas del modelado FEM, con el fin de superar el inconveniente debido a la curvatura del instrumento quirurgico en el uso, puede incluirse el uso de una aguja-canula adicional, cuya aguja opera como una gma ngida (o que en todos los casos tiene una deformabilidad limitada). Una variante de tal aguja-canula proporciona su elongacion/contraccion por medio de una conformacion telescopica polietapica.
La aguja-canula (etapa unica o etapas multiples) se orienta en virtud del dispositivo marcador de instrumento. En tal caso, una vez que se ha identificado la direccion de introduccion optima, funcionara como una gma para la introduccion siguiente del instrumento quirurgico (aguja de biopsia, o aguja de extirpacion termica por radiofrecuencia, o aguja de localizacion).
Visualizando la reconstruccion volumetrica de la zona de operacion del paciente, el clmico puede seguir asf la trayectoria del instrumento quirurgico que avanza dentro de los tejidos tridimensionalmente reconstruidos.
Otra limitacion de los sistemas conocidos es la imposibilidad de conocer la posicion de los organos internos en tiempo real que, como se representa, vana ligeramente segun la fase respiratoria.
La presente invencion supera tal limitacion realizando multiples exploraciones por medio de tomograffa computarizada, es decir, adquiriendo una pluralidad (por ejemplo, tres) de secuencias de imagenes CT durante las respectivas fases respiratorias (por ejemplo, las fases de inspiracion, expiracion media y expiracion total), con el fin de definir respectivos espacios volumetricos asociados con estas fases respiratorias (usando multiples exploraciones). Cada fase respiratoria esta asociada, por ejemplo, con una posicion respectiva tomada por el dispositivo marcador de paciente detectando la posicion de los primeros elementos marcadores. Durante la operacion quirurgica, la posicion tomada por los segundos elementos marcadores (colocados en una posicion conocida con respecto a los primeros elementos marcadores, como se ha mencionado) es detectada por medio del sensor de seguimiento de infrarrojos. Una fase respiratoria del paciente puede estar asociada asf con la posicion detectada por los segundos elementos marcadores y la reconstruccion de la zona de operacion asociada con tal fase respiratoria puede ser presentada al clmico. Alternativa o adicionalmente, las fases respiratorias del paciente pueden ser detectadas por medio de dispositivos convenientes adaptados para esta finalidad.
Segun una realizacion alternativa, se coloca un dispositivo de deteccion de respiracion (celula de carga) en el pecho del paciente con el fin de tomar una senal de respiracion y de identificar una fase estable del acto respiratorio en su base. Tal fase estable se almacena y asocia con una imagen tomografica adquirida, en particular con la imagen
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tomografica adquirida en dicha fase estable. Durante la operacion, la senal de respiracion es supervisada constantemente y el sistema segun la presente invencion proporciona al clmico una senal de seguir adelante (por ejemplo, por medio de una senal acustica) para realizar la operacion (por ejemplo, una penetracion de aguja) cuando la senal de respiracion llega a la misma fase estable que la senal de respiracion adquirida durante la exploracion tomografica. El dispositivo de deteccion de respiracion puede ser un dispositivo de deteccion de respiracion espedficamente configurado para esta finalidad (dispositivos de este tipo estan disponibles comercialmente) o un dispositivo marcador similar al dispositivo marcador de paciente, y puede incluir sus elementos marcadores detectables por un sensor de seguimiento de infrarrojos durante el paso de exploracion tomografica. En particular, como se ha mencionado anteriormente, las senales de seguimiento de infrarrojos de tipo conocido son capaces de adquirir al menos tres coordenadas cartesianas, y asf son capaces de detectar una o varias fases del acto respiratorio.
La senal estable procedente del sensor de respiracion es almacenada durante la exploracion tomografica.
Durante la operacion, la senal de respiracion es supervisada para proporcionar al clmico una indicacion de cuando la senal de respiracion llega al mismo estado que la senal de respiracion almacenada durante el paso de exploracion.
Esta condicion hace el estado interno de los tejidos coherente entre la imagen obtenida por exploracion y la situacion actual durante la operacion.
La figura 1 representa un sistema de guiado 100 segun la presente invencion incluyendo una estacion instrumental 1; un sensor de seguimiento de infrarrojos 20 de tipo conocido, configurado para cooperar con la estacion instrumental 1; un marcador de paciente 22 provisto de primeros y segundos elementos marcadores esfericos 26, 27 concentricos entre sf, y configurado para disponer en un paciente y para cooperar con un dispositivo de tomograffa computarizada (CT) 21 de tipo conocido y con el sensor de seguimiento 20 (como se describe con mas detalle a continuacion); y un marcador de instrumento 24, provisto de una pluralidad de terceros elementos marcadores 28 y configurado para acoplarse a un instrumento quirurgico 25 (en particular, una aguja-electrodo se representa en la figura 1) y para cooperar con el sensor de seguimiento 20 (como se describe con mas detalle a continuacion). En particular, el instrumento quirurgico 25 incluye una porcion agarrable proxima 25a y una porcion distal operativa 25b; el marcador de instrumento 24 esta acoplado a la porcion proxima 25a, dejando libre la porcion distal 25b. Aqm, se indica que las dimensiones relativas de los elementos representado en la figura 1 no son proporcionales una a otra, para una mayor claridad del dibujo.
La estacion instrumental 1, movil sobre ruedas 2, incluye una unidad de procesado 4, por ejemplo, un procesador de tipo conocido provisto de un microcontrolador 5 y una memoria 7, conectados uno a otro; una interfaz de usuario de entrada de datos 6, por ejemplo, incluyendo un teclado y un raton; una interfaz de visualizacion 8, por ejemplo, un monitor de alta resolucion; una interfaz de red 10, configurada para soportar una conexion a una red privada y/o publica 11 (por ejemplo, una red tipo Ethernet, diagramaticamente representada en la figura 1 con una flecha doble), en particular para pedir y/o recibir datos de imagen relacionados con un paciente de un aparato de tomograffa computarizada 21, provisto de un marcador de paciente 22 dispuesto en contacto con el paciente cerca de la region afectada por la operacion, sometido a exploracion CT; una conexion de potencia 12, configurada para suministrar electricidad a la estacion instrumental 1 por medio de una toma de potencia de pared 13; una entrada de seguimiento 15, configurada para soportar una conexion 17 (de tipo inalambrico o por cable) entre la estacion instrumental 1 y el sensor de seguimiento 20; y una unidad de almacenamiento de energfa 18, por ejemplo, una batena, conectada a la toma de pared 13 por medio de la conexion de potencia 12 y configurada para suministrar temporalmente potencia a la estacion instrumental 1 en caso de interrupcion de la potencia suministrada por la toma de potencia de pared 13.
Segun la realizacion ilustrada, la unidad de procesado 4 es un ordenador personal (PC), incluyendo un cuerpo protector externo alojado en un estante de la estacion instrumental 1 e integral con la estacion instrumental 1 durante un posible movimiento de esta ultima sobre las ruedas 2.
Con el fin de adquirir imagenes del interior del cuerpo del paciente para hacer una reconstruccion volumetrica de la zona de operacion, el marcador de paciente 22 esta dispuesto en contacto con el paciente de manera que sea integral con el (por ejemplo, por medio de cinta adhesiva para uso medico) en una region del paciente (externa) proxima a la region de operacion. Por lo tanto, el paciente tendra que comportarse simplemente como un cuerpo ngido solamente en la zona afectada por la operacion, mientras que las otras partes del cuerpo pueden moverse libremente. De hecho, el marcador de paciente 22 es suficientemente pequeno para que el paciente no tenga que estar en una posicion dada. El marcador de paciente 22 se describe con mas detalle con referencia a las figuras 2 y 3.
El paciente provisto del marcador de paciente 22 se somete asf a tomograffa computarizada por medio del aparato de tomograffa computarizada 21. Alternativamente, para adquirir imagenes del interior del paciente, se puede usar un aparato diferente, por ejemplo, un sistema o aparato de resonancia magnetica (no representado), a condicion de que pueda proporcionar imagenes bidimensionales o tridimensionales de los organos internos del paciente y de los primeros elementos marcadores 26 del marcador de paciente 22. Los primeros elementos marcadores 26 se pueden
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hacer de una pluralidad de materiales, a condicion de que estos materiales sean opacos para el sistema y metodo de adquisicion de imagenes usados, y as^ pueden ser identificados en las imagenes adquiridas (por CT, resonancia magnetica, etc). Segun la realizacion representada en la figura 1, el aparato de tomograffa computarizada 21 esta conectado a la unidad de procesado 4 para enviar las imagenes adquiridas a la unidad de procesado 4. Las imagenes bidimensionales adquiridas por el aparato de tomograffa computarizada 21 son procesadas por la unidad de procesado 4 para obtener una representacion tridimensional, por medio de tecnicas conocidas ampliamente usadas para esta finalidad.
Ademas, la adquisicion de imagenes por medio de tomograffa computarizada incluye convenientemente la adquisicion de imagenes durante una pluralidad de fases respiratorias del paciente, por ejemplo, durante las fases de inspiracion, expiracion media y expiracion total. Por lo tanto, se hace una reconstruccion tridimensional de la region de operacion interna del paciente para cada fase respiratoria con el fin de definir respectivos espacios volumetricos asociados con estas fases respiratorias. En particular, la variacion de la disposicion interna de organos y tejidos puede ser identificada durante las varias fases respiratorias.
Las figuras 2 y 3 muestran una vista en perspectiva despiezada y una vista lateral del marcador de paciente 22, respectivamente. Segun la realizacion representada, el marcador de paciente 22 incluye un cuerpo 31, por ejemplo, hecho de material plastico o mas generalmente de un material transparente al sistema de adquisicion de imagenes usado. El cuerpo 31 es de forma sustancialmente trapezoidal. Otras formas son posibles, por ejemplo, en forma de cruz o en forma de X. El cuerpo 31 tiene un lado mas largo 22a, cuyos extremos estan provistos de respectivos primeros elementos de acoplamiento 30, y un lado mas pequeno 22b cuyos extremos estan provistos de respectivos segundos elementos de acoplamiento 32. Los primeros y segundos elementos de acoplamiento 30 y 32 estan configurados para acoplar con primeros y segundos elementos marcadores 26 y 27. En particular, ambos primeros y segundos elementos marcadores 26, 27 son de forma esferica. Como se representa con mas detalle en la figura 3, los segundos elementos marcadores 27 estan provistos de un alojamiento interior para contener los primeros elementos marcadores 26 de modo que sean concentricos cuando esten acoplados y se ven desde arriba. Los segundos elementos marcadores 27, y por ello los primeros elementos marcadores 26 alojados en ellos, estan integralmente acoplados en el uso a respectivos primeros y segundos elementos de acoplamiento 30, 32. Sin embargo, se ha de indicar que, por razones higienicas, los primeros y segundos elementos marcadores 26, 27 pueden ser sustituidos despues de cada uso. Ventajosamente, los segundos elementos marcadores 27 que acomodan los primeros elementos marcadores 26 y los primeros y segundos elementos de acoplamiento 30, 32 pueden acoplarse por salto. Los primeros elementos marcadores 26 tienen un valor HU (Unidad Hounsfield) alto, de manera que sean opacos a CT; por el contrario, los segundos elementos marcadores 27 tienen un valor HU muy bajo, de manera que sean transparentes a CT. Sin embargo, los segundos elementos marcadores 27 son del tipo reflector de infrarrojos de manera que sean detectados por el sensor de seguimiento 20.
Los primeros y los segundos elementos marcadores 26, 27 pueden estar alojados uno con respecto a otro de manera diferente de la representada en las figuras 2 y 3, por ejemplo, pueden no ser concentricos, sino disponerse segun una relacion predeterminada, libremente elegida. Independientemente de la disposicion redproca elegida, los primeros y los segundos elementos marcadores 26, que estan respectivamente adaptados para ser identificados por medio del aparato de tomograffa computarizada 21 y el sensor de seguimiento 20, permiten definir los respectivos sistemas de coordenadas para las imagenes adquiridas por el aparato de tomograffa computarizada 21 y para las imagenes adquiridas por el sensor de seguimiento 20. Los sistemas de coordenadas pueden correlacionarse asf conociendo la disposicion relativa de los primeros y los segundos elementos marcadores 26, 27.
La figura 4 representa una realizacion del marcador de instrumento 24, especialmente utilizable con un instrumento quirurgico de extirpacion termica. El marcador de instrumento 24 incluye un cuerpo central 36 que tiene una forma sustancialmente circular y un diametro variable, para adaptacion a instrumentos operativos 25 de tipo diferente y diferente tamano, y una pluralidad de brazos 38 (cuatro brazos 38 se representan en la realizacion representada en la figura 4, pero puede haber mas o menos de cuatro brazos), que se extienden como radios del cuerpo central 36, formando sustancialmente una cruz. Cada brazo 38 acomoda un tercer elemento marcador de forma esferica, respectivo 28 en su porcion de extremo. Cada elemento marcador 28 se hace de materiales reflectores de infrarrojos de manera que sean identificados por el sensor de seguimiento 20. Es evidente que, si se usa un sensor de seguimiento 20 del tipo no de infrarrojos, cada tercer elemento marcador 28 se hara convenientemente de un material identificable por el tipo de sensor de seguimiento concreto 20 que se use.
La disposicion de los terceros elementos marcadores 28 uno con respecto a otro puede ser usada por la unidad de procesado 4 para identificar de forma umvoca un tipo concreto de marcador de instrumento 24. Por ello, proporcionando una pluralidad de marcadores de instrumento 24, teniendo cada uno de ellos su disposicion de terceros elementos marcadores 28 diferente de la disposicion de los terceros elementos marcadores 28 de otros marcadores de instrumento 24, un marcador de instrumento 24 puede estar asociado de forma unvoca con un tipo concreto de instrumento quirurgico 25. La unidad de procesado 4, por medio del sensor de seguimiento 20, puede reconocer asf automaticamente que el instrumento quirurgico 25 esta siendo usado identificando una disposicion dada de terceros elementos marcadores 28. En este caso, el clmico debera tener cuidado especial al acoplar cada instrumento quirurgico 25 con el marcador de instrumento correcto 24. La asociacion entre la disposicion de terceros
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elementos marcadores 28 e instrumento quirurgico 25 puede modificarse manualmente, como es obvio, interviniendo en la unidad de procesado 4.
Ademas, los terceros elementos marcadores 28 estan dispuestos uno con respecto a otro de modo que tanto una rotacion como un desplazamiento del marcador de instrumento 24 (y por ello del instrumento quirurgico 25 con el que el marcador de instrumento 24 es integral) sean inmediatamente detectables. A este respecto, el solicitante observo que la disposicion de los terceros elementos marcadores 28, cada uno en un extremo respectivo de una cruz, permite obtener buenos resultados. Ademas, se puede disponer sensores en el instrumento quirurgico con el fin de detectar la profundidad de penetracion del instrumento quirurgico 25 en el uso. Por ejemplo, como se ha mencionado previamente, tal profundidad puede ser detectada supervisando las coordenadas cartesianas X, Y, Z y las coordenadas polares a, p, y del instrumento quirurgico 25 supervisando las coordenadas cartesianas X, Y, Z y las coordenadas polares a, p, y de los segundos elementos marcadores 28. Una grna con aguja y canula sensorizada de tipo conocido (es decir, provista de un sensor que detecte su profundidad de penetracion dentro del paciente) o su variante telescopica puede ser usada adicional o alternativamente. La profundidad alcanzada se muestra asf al clmico que realiza la operacion por medio de la interfaz de visualizacion 8 usando una escala graduada, por ejemplo.
Tambien con referencia a las figuras 1-4, al final del paso de adquisicion de imagenes por el aparato de tomograffa computarizada 21, el paciente esta colocado de modo que el sensor de seguimiento 20 ve el marcador de paciente 22. El sensor de seguimiento 20 detecta y envfa la disposicion espacial detectada por los segundos elementos marcadores 27 a la unidad de procesado 4, segun su sistema de referencia. Ademas, como se ha mencionado, dado que el instrumento quirurgico 25 esta provisto en el uso del marcador de instrumento 24, la disposicion espacial de los terceros elementos marcadores 28 tambien es detectada por el sensor de seguimiento 20 segun su sistema de referencia y enviada a la unidad de procesado 4. Conociendo la disposicion de los primeros elementos marcadores 26 obtenida a partir de las imagenes adquiridas por el aparato de tomograffa computarizada 21 (en un sistema de referencia del aparato de tomograffa computarizada propiamente dicho), conociendo la disposicion relativa de los segundos elementos marcadores 27 detectada por el sensor de seguimiento 20 (en un sistema de referencia del sensor de seguimiento 20 propiamente dicho), y conociendo la disposicion relativa (detectada en tiempo real en el sistema de referencia del sensor de seguimiento 20 propiamente dicho) de los terceros elementos marcadores 28 dispuestos en el marcador de instrumento 24 en comparacion con la disposicion de los segundos elementos marcadores 27, la unidad de procesado 4 puede identificar de forma umvoca la posicion de los terceros elementos marcadores 28 (y por ello del instrumento quirurgico 25) con respecto a los primeros elementos marcadores 26. Por ello, los sistemas de referencia del aparato de tomograffa computarizada 21 y del sensor de seguimiento 20 estan relacionados uno a otro, de modo que la disposicion redproca virtual de los primeros y segundos elementos marcadores 26, 27 en el sistema de referencia de sensor de seguimiento 20 corresponde a su disposicion redproca real. La posicion de los terceros elementos marcadores 28 adquirida en el sistema de referencia del marcador de seguimiento 30 puede determinarse, por lo tanto, en el sistema de referencia del aparato de tomograffa computarizada 21 en base a esta relacion.
La disposicion del instrumento quirurgico 25, umvocamente identificado por el marcador de instrumento 24, puede representarse asf con respecto a las imagenes del paciente adquiridas por medio de tomograffa computarizada.
Tanto los primeros y segundos elementos marcadores 26, 26 como los terceros elementos marcadores 28 estan fijados en una disposicion geometrica dada sobre el marcador de paciente 22 y en el marcador de instrumento 24, respectivamente, de modo que la determinacion de la posicion del marcador de paciente 22 y del marcador de instrumento 24 se define de forma unvoca en un espacio tridimensional.
Durante los pasos de operar en el paciente, el marcador de paciente 22 y el marcador de instrumento 24 deberan mantenerse visibles para el sensor de seguimiento 20, de modo que la posicion del instrumento quirurgico 25 con respecto a la region de operacion en el paciente siempre sea identificable.
Durante los pasos de operacion, un modelo tridimensional de la zona del paciente afectada por la operacion, es decir, que presenta los organos y tejidos internos, se muestra en la interfaz de visualizacion 8. Tal modelo tridimensional es generado, como se ha mencionado, por la unidad de procesado 4. Supervisando las fases respiratorias del paciente durante la operacion, la imagen visualizada en la interfaz de visualizacion 8 es actualizada constantemente en tiempo real con la correspondiente imagen de la fase respiratoria actual. Para esta finalidad, como se ha mencionado anteriormente, se coloca un dispositivo de deteccion de respiracion (celula de carga) en el pecho del paciente con el fin de tomar una senal de respiracion. Durante la exploracion tomografica, se guarda la senal estable del sensor de respiracion en una pluralidad de fases respiratorias (por ejemplo, fase de inspiracion maxima, fase de expiracion maxima, estado intermedio). Durante la operacion, la senal de respiracion es supervisada constantemente para proporcionar al clmico una indicacion de cuando la senal de respiracion llega al mismo estado que la senal de respiracion almacenada durante el paso de exploracion tomografica (coincidiendo con la fase de inspiracion maxima, la fase de expiracion maxima, el estado intermedio).
Por ello, la posicion interior de los tejidos se puede hacer coherente con la imagen obtenida por exploracion por tomograffa computarizada y con la posicion actual durante la operacion. Observando la interfaz de visualizacion 8
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(y/o con el aviso de una senal acustica), el clmico comprueba cuando las senales de respiracion llegan al mismo estado que la senal de respiracion almacenada durante el paso de exploracion para proseguir con los pasos de la operacion.
Alternativamente, durante la exploracion tomografica, se almacena la senal estable del sensor de respiracion en una sola fase respiratoria (por ejemplo, solamente una de la fase de inspiracion maxima, la fase de expiracion maxima y el estado intermedio). Durante la operacion, la senal de respiracion es supervisada constantemente para proporcionar al clmico una indicacion de cuando la senal de respiracion llega al mismo estado que la senal de respiracion almacenada durante el paso de exploracion tomografica (coincidiendo con una de la fase de inspiracion maxima, la fase de expiracion maxima y el estado intermedio). Tal indicacion puede ser suministrada al clmico, por ejemplo, por medio de una senal acustica. El clmico puede proseguir asf la operacion (por ejemplo, introduciendo una aguja) solamente cuando es guiado por la senal acustica porque solamente en tal estado el estado interior real de los tejidos es coherente con la imagen obtenida por la exploracion tomografica.
Ademas, se superpone un modelo tridimensional del instrumento quirurgico usado en el modelo tridimensional de la zona del paciente afectada por la operacion en la interfaz de visualizacion 8. El tipo de instrumento quirurgico 25 a visualizar puede ser elegido por el clmico que opera a partir de una pluralidad de posibles modelos, previamente realizados y almacenados en la memoria 7 de la unidad de procesado 4. Alternativamente, el tipo de instrumento quirurgico 25 puede ser elegido automaticamente por la unidad de procesado 4 segun la disposicion de los terceros dispositivos marcadores 28 del marcador de instrumento 24 (como se ha descrito previamente).
El clmico que maneja el instrumento quirurgico 25 provisto del marcador de instrumento 24 es guiado durante toda la operacion por las imagenes visualizadas en la interfaz de visualizacion 8. La trayectoria del instrumento quirurgico 25 se calcula con la ayuda de algoritmos de inteligencia artificial de modo que toda la zona afectada es tratada con el numero mmimo de penetraciones, asegurando asf una cobertura total y la ausencia de colisiones con organos vitales y/u obstaculos. Estos organos son identificados por medio del modelo tridimensional mostrado en la interfaz de visualizacion 8. La posicion del instrumento quirurgico 25 se inserta en el modelo tridimensional en virtud de la medicion efectuada por el sensor de seguimiento 20 en las coordenadas espaciales del marcador de instrumento 24. En la practica, pueden adquirirse hasta tres coordenadas cartesianas (X, Y, Z) y hasta tres coordenadas polares (a, p, y). Como resultado, los movimientos reales del instrumento quirurgico 25 son transferidos en tiempo real por medio de la conexion 17 a la unidad de procesado 4 para obtener una representacion actualizada del estado de la operacion en la interfaz de visualizacion 8. Alternativamente, de manera similar a la descripcion anterior, la trayectoria del instrumento quirurgico 25 puede simularse a priori con el fin de establecer la trayectoria optima una vez que el objetivo a tratar ha sido identificado. Una vez que la trayectoria optima ha sido determinada, la penetracion la lleva a cabo el clmico manejando el instrumento quirurgico 25 provisto del marcador de instrumento 24.
En particular, en el caso de extirpacion termica, la reconstruccion de la trayectoria del instrumento quirurgico 25 se calcula con el apoyo de algoritmos de inteligencia artificial, como se ha mencionado, por ejemplo, usando algoritmos geneticos, y tiene la ventaja de poder establecer las trayectorias optimas para la operacion. El criterio de optimizacion usado se basa, en el caso particular de extirpacion termica, en minimizar el numero de inserciones y maximizar el volumen cubierto.
Ademas, el uso de modelos mecanicos de instrumentos operativos por medio de tecnicas de modelado, tal como, por ejemplo, Modelado de elementos finitos (FEM), permite evaluar posibles deformaciones del instrumento quirurgico en uso para actualizar la trayectoria visualizada del instrumento quirurgico en tiempo real, en base al calculo de la deformacion que experimenta bajo el empuje de la fuerza de gravedad. Esta funcion tambien es ventajosa si un sistema incluye una canula ngida para guiar el instrumento quirurgico.
Las ventajas del sistema de la presente invencion y su metodo son las siguientes.
El registro o la calibracion de las imagenes en los varios sistemas de referencia (CT e infrarrojos) se realiza de forma simple y automatica comparando los respectivos sistemas de referencia en base a la disposicion detectada de elementos marcadores opacos a CT y reflectores de infrarrojos dispuestos en el marcador de paciente. Por ello, el sistema es capaz de autocalibracion, haciendo asf coherentes los varios sistemas de referencia.
Ademas, el problema de la posible deformacion del instrumento quirurgico en uso se resuelve usando modelos matematicos (por ejemplo, hechos por medio de tecnicas FEM conocidas) para simular el comportamiento del instrumento quirurgico en uso.
Finalmente, los riesgos de lesion de organos internos durante el paso de operacion se reducen considerablemente supervisando la actividad respiratoria del paciente y presentando una reconstruccion de los organos internos del paciente que vanan segun la etapa respiratoria actual.
Finalmente, es evidente que se puede hacer cambios y variaciones en el sistema y metodo aqm descritos e ilustrados, sin por ello apartarse del alcance de proteccion de la presente invencion, definido en las reivindicaciones anexas.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema asistido por ordenador (100) para guiar un instrumento quirurgico (25) en el cuerpo de un paciente incluyendo:
    • un dispositivo marcador de paciente (22) configurado para disponerse de manera que sea integral con una region del cuerpo del paciente a tratar por medio de dicho instrumento quirurgico (25), e incluyendo un bastidor de soporte transparente a tomograffa (31) dotado de primeros elementos marcadores opacos a tomograffa (26) y segundos elementos marcadores transparentes a tomograffa y reflectores de infrarrojos (27), estando dispuestos dichos primeros y segundos elementos marcadores (26, 27) en el bastidor de soporte (31) en pares, con los primeros elementos marcadores (26) dispuestos dentro de los segundos elementos marcadores pareados (27), y teniendo dichos primeros y segundos elementos marcadores (26, 27) una disposicion redproca real dada;
    • un dispositivo marcador de instrumento (24) configurado para acoplarse a dicho instrumento quirurgico (25) e incluyendo terceros elementos marcadores reflectores de infrarrojos (28);
    • un sensor de localizacion de infrarrojos (20) configurado para localizar dichos segundos y terceros elementos marcadores reflectores de infrarrojos (27, 28) en un primer sistema de referencia; y
    • una unidad de procesado (4) conectada al sensor de localizacion (20) y configurada para:
    - adquirir al menos una imagen tomografica de la region del cuerpo del paciente donde esta colocado el dispositivo marcador de paciente (22), incluyendo dicha imagen tomografica una representacion de dichos primeros elementos marcadores opacos a tomograffa (26) en un segundo sistema de referencia diferente del primer sistema de referencia;
    - adquirir la posicion de dichos segundos y terceros elementos marcadores reflectores de infrarrojos (27, 28) en el primer sistema de referencia proporcionada por el sensor de localizacion de infrarrojos (20);
    - correlacionar redprocamente los sistemas de referencia primero y segundo de modo que la disposicion redproca virtual de los primeros y segundos elementos marcadores (26, 27) en el segundo sistema de referencia corresponda a su disposicion redproca real; y
    - determinar la posicion de dichos terceros elementos marcadores reflectores de infrarrojos (28) en el segundo sistema de referencia en base a la correlacion entre los sistemas de referencia primero y segundo.
  2. 2. Un sistema segun la reivindicacion 1, incluyendo ademas:
    • una unidad de visualizacion (8) conectada a la unidad de procesado (4);
    donde dicha unidad de procesado (4) incluye ademas una memoria (7) configurada para almacenar al menos un modelo numerico del instrumento quirurgico (25); y donde dicha unidad de procesado (4) esta configurada ademas para hacer que dicha unidad de visualizacion (8) presente:
    - una representacion tridimensional de dicha region del cuerpo del paciente generada en base a dicha imagen tomografica adquirida; y
    - una representacion tridimensional al menos de la porcion operativa (25b) de dicho instrumento quirurgico (25), graficamente superpuesta sobre dicha representacion tridimensional de dicha region del cuerpo del paciente, en base a la posicion de dichos terceros elementos marcadores (28) en el segundo sistema de referencia y del modelo numerico del instrumento quirurgico (25) almacenado en dicha memoria (7).
  3. 3. Un sistema segun la reivindicacion 2, donde dicha imagen tomografica de la region del cuerpo del paciente se refiere a una fase respiratoria dada del paciente; y donde dicha unidad de procesado (4) esta configurada ademas para:
    - determinar la fase respiratoria actual del paciente; y
    - producir la correspondencia de la fase respiratoria actual del paciente a la de dicha imagen tomografica a senalizar.
  4. 4. Un sistema segun la reivindicacion 2, donde dicha unidad de procesado (4) esta configurada ademas para:
    - adquirir diferentes imagenes tomograficas de la region del cuerpo del paciente en la que esta colocado el dispositivo marcador de paciente (22) y relacionadas con diferentes fases respiratorias del paciente, y
    - hacer que dicha unidad de visualizacion (8) presente una representacion tridimensional dinamica de dicha region del cuerpo del paciente durante varias fases respiratorias del paciente, generada en base a las imagenes tomograficas correspondientes adquiridas.
    5 5. Un sistema segun alguna de las reivindicaciones precedentes, donde dicha memoria (7) de dicha unidad de
    procesado (4) esta configurada para almacenar modelos numericos de diferentes instrumentos operativos (25);
    donde dicho sistema (100) incluye diferentes dispositivos marcadores de instrumento (24) provistos de terceros elementos marcadores correspondientes (28) que tienen diferentes disposiciones que pueden estar asociadas con 10 diferentes instrumentos quirurgicos (25) para permitir su identificacion;
    y donde dicha unidad de procesado (4) esta configurada ademas para:
    - identificar el instrumento quirurgico (25) usado en base a la disposicion de los terceros elementos marcadores (28) 15 asociados con ella;
    - hacer que dicha unidad de visualizacion (8) presente la representacion tridimensional correspondiente en base al modelo numerico correspondiente almacenado.
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