ES2795501A1 - Sistema para la ayuda en el posicionamiento quirurgico de agujas y pines para cirugia osea - Google Patents

Sistema para la ayuda en el posicionamiento quirurgico de agujas y pines para cirugia osea Download PDF

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Abstract

Sistema para la ayuda en el posicionamiento quirúrgico de agujas y pines en cirugía ósea que comprende: un aparato de rayos-x de arco en "C", que está provisto de una pantalla; una cámara enfocada a la pantalla que captura la imagen para ser enviada a un ordenador; un motor provisto de una unidad de detección de la orientación de una aguja, unos medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de análisis y representación de ayuda visual que sobre una imagen es capaz de detectar si hay una línea y en caso de detectada prolongar la línea con objeto de saber hacia dónde se dirige y donde la unidad de detección de la orientación transmite de manera inalámbrica el posicionamiento y orientación de una aguja montada sobre el motor o taladro. Permite el posicionamiento preciso, rápido y con pocas radiografías de agujas sobre huesos antes de su inserción definitiva.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA PARA LA AYUDA EN EL POSICIONAMIENTO QUIRÚRGICO DE AGUJAS Y PINES PARA CIRUGÍA ÓSEA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un sistema para la ayuda en el posicionamiento quirúrgico de agujas y pines para cirugía ósea.
Caracteriza a la presente invención los elementos técnicos empleados, las funcionalidades programas que son tales que permiten determinar de forma precisa en un plano tridimensional el trayecto y posición de las agujas antes de realizar un acto quirúrgico óseo, donde además es conveniente un menor tiempo quirúrgico y menor número de radiografías necesarias para posicionar correctamente una aguja, y donde el coste final es bastante más reducido que los sistemas convencionales de navegación 3D, (cirugía navegada).
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los aparatos y sistemas empleados en la cirugía navegada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En cirugía ortopédica y traumatología, así como en otras especialidades quirúrgicas (neurocirugía, maxilofacial, etc...) durante los actos quirúrgicos es frecuente la necesidad de posicionar agujas o pines en el hueso. Estas agujas o pines tienen como finalidad la fijación directa de dos fragmentos de hueso entre sí (osteosíntesis), servir como guía o referencia para el posicionamiento de otros dispositivos de osteosíntesis (placas, tornillos canulados, clavos, e tc . ) , o servir como guiado para la realización de osteotomías (cortes en el hueso en una determinada localización y orientación).
La aplicación de las agujas o pines se realiza bajo visión directa y en ocasiones mediante palpación. Para calcular la trayectoria correcta de la aguja o pin, así para confirmar el correcto posicionamiento y trayecto de los mismos el cirujano emplea habitualmente aparatos de rayos X durante la cirugía (fluoroscopio o arco en C).
El trayecto y posición de la aguja se debe establecer de forma precisa en un plano tridimensional, por lo que es necesaria la visualización a rayos X del área anatómica como mínimo en dos planos (proyecciones radiográficas), por lo que se obtienen imágenes de rayos X al menos en dos posiciones. En hueso tubular y columna vertebral, las proyecciones más empleadas suelen ser anteroposterior (AP) y lateral (LAT). En otras áreas pueden ser precisas otras proyecciones, por ejemplo en cadera proyección AP y axial (AX).
En estructuras profundas (por ejemplo cadera y columna), suelen ser necesarios varios intentos hasta poder establecer la dirección correcta, lo que implica la obtención de múltiples imágenes de rayos X. Así mismo, la necesidad de obtener imágenes en dos proyecciones distintas implica que en el proceso de cambiar la posición del fluoroscopio el cirujano puede inadvertidamente cambiar ligeramente la orientación de la aguja o pin, perdiéndose la referencia y teniendo que repetir el proceso. Así mismo, cuando el cirujano establece la orientación correcta en un plano, a continuación debe establecer la orientación en otra proyección. Este proceso no se puede realizar en ambas proyecciones simultáneamente, dado que el aparato de rayos X sólo muestra un plano de cada vez, lo que implica la necesidad de realizar varias comprobaciones de rayos X.
El procedimiento actual presenta una serie de factores a tener en cuenta, que son:
- Radiación aplicada al paciente y equipo quirúrgico.
- Tiempo quirúrgico hasta el correcto posicionamiento variable según la complejidad y habilidad del cirujano.
- Precisión del posicionamiento al manejar 2 proyecciones de forma seriada y no simultánea.
- Efecto traumático del paso de las agujas por los tejidos.
El proceso actual de posicionamiento de las agujas antes de proceder al taladrado o perforación ósea es dificultoso porque:
- No siempre se logra una precisión suficiente para procedimientos finos.
- Cuando por ejemplo, se está correctamente colocado en una posición antero­ posterior, hay que cambiar la postura para ver el posicionamiento axial, esto supone unos segundos adicionales, tiempo en el que se puede alterar la posición establecida de la aguja en la proyección y por lo tanto perder la referencia. - Al alterar la angulación en un plano, de forma inadvertida se altera generalmente la angulación en los planos restantes.
Una posible opción para un correcto posicionamiento de la aguja de forma rápida y precisa seria hacer una visualización de rayos X continua a modo de video, en lugar de imágenes estáticas, esto permitiría ver en directo cómo se posiciona la aguja, pero supone una gran cantidad de radiación, solamente admisible en casos muy concretos. En cualquier caso el aparato de rayos-X solamente permite mostrar una perspectiva a la vez, de manera que solamente se controla un perfil.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención superar los inconvenientes apuntados en el correcto posicionamiento de la aguja del taladro o motor antes de proceder a una perforación ósea, particularmente una posible falta de precisión, la necesidad de tener que realizar múltiples exposiciones a rayos-x, el tiempo de intervención y el elevado coste, desarrollando un sistema como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación primera.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención un sistema para la ayuda en el posicionamiento quirúrgico de agujas y pines para cirugía ósea, siendo también objeto de la invención el procedimiento mediante el cual se lleva a cabo el correcto posicionamiento de la aguja acoplada a motor o instrumental quirúrgico en general con el sistema anterior.
El sistema para la ayuda en el correcto posicionamiento quirúrgico de agujas comprende: un aparato de rayos-x portátil (arco en C o fluoroscopio), que está provisto de una pantalla en la que se muestran las radiografías realizadas, una cámara enfocada a la pantalla del aparato de rayos-x y que captura la imagen que muestra para ser enviada a un ordenador sobre cuyo monitor se muestra dicha imagen correspondiente a la radiografía realizada, también cuenta con un motor provisto de una unidad de detección de la orientación (unidad de medición inercial), unos medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de análisis y representación de ayuda visual que sobre una imagen es capaz de detectar si hay una línea y en caso de detectarla prolongar la línea con objeto de señalar la trayectoria de la misma.
Sobre la unidad de detección de orientación montada en el motor se disponen unos segundos medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de procesamiento de datos de la unidad de detección de la orientación, así como de transmisión de manera inalámbrica del posicionamiento y orientación de una aguja montada sobre el motor.
Gracias al sistema descrito y a los medios de procesamiento cuando se tiene que hacer un taladro sobre un hueso, se realiza primero una radiografía según una determinada proyección, por ejemplo antero posterior, en la que se ha posicionado previamente la aguja en la dirección que se considera más idónea. A continuación se mueve el aparato de rayos-x y se realiza una segunda radiografía en una segunda proyección, por ejemplo, axial, en la que se ha posicionado previamente la aguja del motor en la posición más idónea. El programa a partir de las líneas mostradas en las radiografías es capaz de continuar la recta realizando una línea prolongada que muestra la trayectoria estimada.
Una vez que se tienen representadas en las proyecciones realizadas, por ejemplo antero posterior y axial, las trayectorias estimadas, el programa representa además unas líneas en pantalla sobreimpresas a la imagen radiográfica que corresponden a las trayectorias en tiempo real acorde a los movimientos del instrumental quirúrgico (motor).
El programa representa de forma numérica la angulación en los tres planos del espacio (ejes X, Y, Z, o guiñada, cabeceo y alabeo) del instrumental al que está acoplada la unidad de detección de la orientación. Además, permite almacenar posiciones concretas, representando de forma numérica la diferencia en grados de la variación de la postura respecto a la posición almacenada.
Para evitar efectos de distorsión en la representación del ángulo en proyecciones oblicuas el programa tiene una función de calibración que memoriza la orientación del aparato de rayos X, y realiza los cálculos de corrección en base a dicha orientación.
El programa informático podría ser integrado en el propio aparato de rayos X, junto con un módulo inalámbrico, lo que permitiría prescindir tanto de la cámara como del ordenador.
De esta manera con tan solo dos radiografías se consigue un posicionamiento preciso.
Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.
EXPLICACION DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1, podemos observar los elementos fundamentales que forman parte del sistema objeto de la invención.
En la figura 2, podemos observar en detalle el taladro o motor de perforación, con la unidad de detección de la orientación acoplado al mismo.
En la figura 3 se muestra los elementos que forman parte de la Unidad de detección inercial
En la figura 4 se muestra una representación de una posible pantalla que se mostraría en el ordenador utilizado en el sistema.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.
En la figura 1 podemos observar que el sistema para el correcto posicionamiento de agujas y pines para cirugía ósea comprende:
- Un aparato de rayos-X (1) del tipo de arco en
Figure imgf000007_0001
también denominado fluoroscopio, provisto de una pantalla (5) en la que se muestran las imágenes estáticas de las radiografías realizadas.
- Una cámara (2) orientada a la pantalla (5) del aparato de rayos-X
- Un ordenador (3) al que está conectada la cámara (2) y que muestra las imágenes de las radiografías realizadas y transmitidas por la cámara (2) y está provisto de unos primeros medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de visión computerizada que sobre una imagen en capaz de detectar si hay una línea y en caso de detectarla prolongar la línea con objeto de saber hacia dónde se dirige.
- Un motor (4) sobre el que está acoplada una unidad de detección de la orientación (6) (figura 2) y que está provisto de unos medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de procesamiento de datos de la unidad de detección de la orientación (6), así como de transmisión de manera inalámbrica del posicionamiento y orientación de una aguja montada sobre el motor u otro instrumental quirúrgico (4).
La unidad de detección y orientación (6) está montada y acoplada sobre el motor u otro instrumental quirúrgico (4) comprendiendo una carcasa (6.1) que debe cumplir con los siguientes requisitos:
- Ser estanca, plástico o metal.
- Ser esterilizable (vía óxido de etileno, o autoclave).
- Permitir la inserción del dispositivo en la misma manteniendo las condiciones de esterilidad por parte del equipo quirúrgico.
- Presentar un sistema de anclaje temporal al dispositivo de inserción de la aguja o pin (taladro, mango en T, etc...).
- Permitir la manipulación de los botones y visualización de los LEDs en condiciones de esterilidad.
- Adaptable al modelo de instrumental específico empleado en la cirugía (motor, mango en T, e tc .) .
La unidad de detección y orientación (6), tal como se observa en la figura 3 comprende:
- IMU, (unidad de medición inercial) (7), preferentemente de 9 DOF (9 grados de libertad), que consta de magnetómetro, 3 acelerómetros, 3 giroscopios y termómetro.
- Una placa de procesamiento (8), junto con un módulo Bluetooth y WiFi.
- Indicadores LED de posición, que son un primer LED (10) indicador de posicionamiento axial, y un segundo LED (9) indicador de posicionamiento Antero Posterior
- Botones para interfaz con el dispositivo, en concreto un primer botón (11) y un segundo botón (12)
- Una batería (13) para alimentación de la unidad de detección y orientación (6) - Puerto de carga miniUSB.
El programa de visión computerizada alojado en el ordenador realiza las siguientes acciones, que se comprende mejor con ayuda de la figura 4:
- Obtiene las imágenes vía webcam de la pantalla (5) del fluoroscopio o aparto de rayos-X (1).
- Analiza dicha imagen y detecta la presencia de una aguja o pin en la misma. - Una vez detectada, representa una línea (14) sobre la aguja o pin detectados a color, indicando el extremo final de la aguja o pin, e imprime en pantalla una línea a color indicando la trayectoria estimada (15) de la aguja o pin. Dicha imagen puede congelarse.
- Así mismo el programa detecta los cambios de posición de la aguja en tiempo real y dibuja en pantalla la trayectoria estimada de la aguja en función de dichos cambios, donde la trayectoria en tiempo real (16) de la aguja se muestra con una línea discontinua de diferente color.
- El programa puede almacenar las imágenes radiográficas de dos proyecciones distintas, indicando la trayectoria de la aguja en tiempo real en ambos planos del espacio. Para ello emplea los datos de acelerómetro, giroscopio y magnetómetro (compensados con temperatura) transmitidos vía inalámbrica por la unidad de detección de orientación de la aguja o pin.
En la figura 4 se muestran dos proyecciones diferentes, la de la izquierda de la imagen es una visión antero posterior (AP) donde la trayectoria en tiempo real (16) está desviada unos 4° respecto de la trayectoria estimada (15), mientras que en la proyección axial, que se corresponde con la imagen de la derecha, que se corresponde con una visión axial, observamos que la trayectoria en tiempo real (16) prácticamente es coincidente con la trayectoria estimada (15).
El software puede contar con una función de calibración que permite establecer la orientación del aparato de rayos X en la proyección axial, para evitar distorsiones de la representación de este ángulo aunque la aguja no esté perpendicular al aparato, alineando el dispositivo con el colector del aparato de rayos X y pulsando los dos botones a la vez. Esto almacena la posición del aparato de rayos X en la proyección axial y realiza los cálculos de distorsión y variación de la aguja en el plano Axial en base al ángulo de visión correspondiente.
Los botones (11) y (12) y los LEDs (9) y (10) tienen como finalidad la que a continuación se explica.
Si se hace una pulsación corta de los botones (<1 seg) se congela la imagen en la pantalla y hace que comience la detección en tiempo real de la variación de la trayectoria. Si se pulsa de nuevo se descongela la imagen.
Si se hace una pulsación de entre 1 a 5 segundos se almacena una orientación específica, de manera que almacenada la posición cuando el motor se posiciona en esa orientación almacenada se enciende un LED. Si se altera la posición del instrumental quirúrgico en el plano de guiñada (eje Y) se calcula la inclinación vertical. Si la posición actual coincide con la posición almacenada, se enciende un LED verde. En el caso del plano lateral (eje de cabeceo, eje X) el LED es azul.
Si se hace una pulsación larga (> 5 seg) se borra el ángulo almacenado y aparecerá un asterisco (*) en la pantalla.
Se podrían combinar ambas formas de detección de la aguja del motor, tanto la realizada mediante las luces LEDs, como la realizada mediante la representación de las trayectorias estimadas y reales en el monitor del ordenador lo que me permitiría ver las trayectorias en tiempo real y sus variaciones en dos proyecciones simultáneas.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. - Sistema para el correcto posicionamiento de agujas y pines para cirugía ósea caracterizado porque comprende:
- Un aparato de rayos-X (1) del tipo de arco en
Figure imgf000011_0001
provisto de una pantalla (5) en la que se muestran las imágenes estáticas de las radiografías realizadas.
- Una cámara (2) orientada a la pantalla (5) del aparato de rayos-X
- Un ordenador (3) al que está conectada la cámara (2) y que muestra las imágenes de las radiografías realizadas y transmitidas por la cámara (2) y está provisto de unos primeros medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de visión computerizada que sobre una imagen en capaz de detectar si hay una línea y en caso de detectarla prolongar la línea con objeto de saber hacia dónde se dirige.
- Un motor (4) sobre el que está acoplada una unidad de detección de la orientación (6) (figura 2) y que está provisto de unos medios de procesamiento y almacenamiento de un programa de procesamiento de datos de la unidad de detección de la orientación (6), así como de transmisión de manera inalámbrica del posicionamiento y orientación de una aguja montada sobre el motor (4).
2. - Sistema para el correcto posicionamiento de agujas y pines para cirugía ósea según la reivindicación primera caracterizado porque comprende la unidad de detección y orientación (6) comprende:
- IMU, (unidad de medición inercial) (7), preferentemente de 9 DOF (9 grados de libertad), que consta de magnetómetro, 3 acelerómetros, 3 giroscopios y termómetro.
- Una placa de procesamiento (8), junto con un módulo Bluetooth y WiFi.
- Indicadores LED de posición, que son un primer LED (10) indicador de posicionamiento axial, y un segundo LED (9) indicador de posicionamiento Antero Posterior
- Botones para interfaz con el dispositivo, en concreto un primer botón (11) y un segundo botón (12)
- Una batería de litio (13) para alimentación de la unidad de detección y orientación (6)
- Puerto de carga miniUSB.
3.- Sistema para el correcto posicionamiento de agujas y pines para cirugía ósea según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque comprende la unidad de detección y orientación (6) está montada y acoplada sobre el motor (4) comprendiendo una carcasa (6.1) que debe cumplir con los siguientes requisitos:
- Ser estanca, plástico o metal.
- Ser esterilizable (vía óxido de etileno, o autoclave).
- Permitir la inserción del dispositivo en la misma manteniendo las condiciones de esterilidad por parte del equipo quirúrgico.
- Presentar un sistema de anclaje temporal al dispositivo de inserción de la aguja o pin (taladro, mango en T, etc...).
- Permitir la manipulación de los botones y visualización de los LEDs en condiciones de esterilidad.
- Adaptable al modelo de instrumental específico empleado en la cirugía (motor, mango en T, e tc .) .
4.- Soporte para un programa de visión computerizada alojado en el ordenador (3) del sistema para el correcto posicionamiento de agujas y pines para cirugía ósea, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque realiza las siguientes acciones:
- Obtiene las imágenes vía webcam de la pantalla (5) del fluoroscopio o aparto de rayos-X (1).
- Analiza dicha imagen y detecta la presencia de una aguja o pin en la misma. - Una vez detectada, representa una línea (14) sobre la aguja o pin detectados a color, indicando el extremo final de la aguja o pin, e imprime en pantalla una línea a color indicando la trayectoria estimada (15) de la aguja o pin. Dicha imagen puede congelarse.
- Así mismo el programa detecta los cambios de posición de la aguja en tiempo real y dibuja en pantalla la trayectoria estimada de la aguja en función de dichos cambios, es decir dibuja trayectoria en tiempo real (16) de la aguja.
- El programa puede almacenar las imágenes radiográficas de dos proyecciones distintas, indicando la trayectoria de la aguja en tiempo real en ambos planos del espacio. Para ello emplea los datos de acelerómetro, giroscopio y magnetómetro (compensados con temperatura) transmitidos vía inalámbrica por la unidad de detección de orientación de la aguja o pin.
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