ES2943269B2

ES2943269B2 - Metodo y sistema para estimar la postura y el movimiento de la columna vertebral

Info

Publication number: ES2943269B2
Application number: ES202230485A
Authority: ES
Inventors: Armesto Urbano Lugris; Florian Guy Bernard Michaud; Aranda Francisco Javier Cuadrado
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2023-11-10
Anticipated expiration: 2042-06-03
Also published as: ES2943269A1

Description

DESCRIPCIÓN

MÉTODO Y SISTEMA PARA DETERMINAR LA POSTURA Y MOVIMIENTO DE LA

COLUMNA VERTEBRAL

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la monitorización postural de usuarios y más concretamente se refiere a un método para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral del usuario mediante modelos multicuerpo de la columna vertebral en tres dimensiones (3D) personalizados, que se basan en la medición de la orientación de un grupo de vértebras mediante dispositivos de medición de orientación, tales como sensores de orientación acoplados a la espalda del usuario, y que permiten evaluar e identificar desviaciones en la columna vertebral a partir del modelo multicuerpo de la columna vertebral 3D personalizado obtenido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La columna vertebral es una estructura fuerte, estable y flexible, compuesta por vértebras, y su forma está optimizada para mantener la espalda en la postura erguida. Las posturas incorrectas y las anomalías y deformidades de la propia columna pueden modificar la estabilidad de esta estructura. A día de hoy, la imagen de rayos X es la herramienta más usada para el diagnóstico de anomalías y deformidades de la columna, y revela con precisión el grado y la gravedad del problema. Dichos rayos X pasan a través del cuerpo y se absorben en diferentes cantidades según la densidad del material que atraviesan. Los materiales densos, como huesos y metales, aparecen de color blanco sobre una imagen en 2D, llamada radiografía. Por su parte, la Tomografía Axial Computarizada (TAC), también conocida como escáner, permite igualmente obtener imágenes radiográficas del interior del organismo por medio del uso de rayos X, permitiendo también la generación de cortes transversales o imágenes tridimensionales del área objeto de estudio. Sin embargo, ambas tecnologías tienen un alto coste y exponen a los pacientes a radiación, lo que aumenta el riesgo de que puedan generar cáncer.

También es conocido el uso de la resonancia magnética nuclear (RMN) para obtener imágenes de la columna vertebral con alta precisión. La tecnología RMN consiste en aplicar un poderoso campo magnético y ondas de radio, para la obtención de, mediante un ordenador, fotografías detalladas del interior del organismo en dos o tres dimensiones. Además de su limitado volumen de captura, y de su elevado peso y coste, su precisión depende de la habilidad del operador, y del grado de inmovilidad del sujeto. Además, tanto el TAC como la RMN suelen practicarse con el sujeto tumbado sobre una camilla, con el fin de mantenerle inmovilizado durante el tiempo de la prueba, lo que modifica la postura natural de la columna vertebral.

Tras obtener las imágenes con dichas tecnologías, las deformidades de la columna vertebral se evalúan en los planos frontal y sagital, determinando habitualmente el ángulo entre dos vértebras mediante el método del ángulo o índice de Cobb. De esta forma, se puede ofrecer un diagnóstico objetivo de patologías como la escoliosis, la cifosis o la lordosis. Se han desarrollado varios procedimientos (US11000334B1, AU2010278526B2) que automatizan el análisis de dichas imágenes internas mediante generación de modelos en 3D a partir de ellas.

Por otro lado, existen dispositivos que realizan una evaluación de dichas deformidades sin disponer de imágenes internas del paciente. Todos ellas se basan en mediciones superficiales. Es el caso, por ejemplo, de los dispositivos y procedimientos descritos en ES188385Y, US20210059563A1, US11096623B2, US20020133098A1 o US20150133785A1. Todos estos dispositivos y procedimientos ofrecen únicamente la medición de una postura estática, recogiendo una serie de puntos en la superficie de la espalda para generar una curva que define la curvatura superficial de la espalda. Sin embargo, el desplazamiento longitudinal variable (en la dirección antero-posterior) entre la curva espinal y la curva de la superficie de la piel, inducido por las apófisis espinosas y los tejidos blandos existentes, introduce compensaciones angulares y una dificultad para escalar el modelo. Esos métodos no tienen en cuenta esta problemática y no definen un modelo cinemático personalizado.

El uso de sensores inerciales que se fijan sobre una base flexible que se pone sobre la espalda (US20150065919A1 y CN108836350A) así como el uso de codificadores esféricos como sensores de movimiento (US20160310065A1) son también conocidos. No obstante, todos esos sistemas y métodos ofrecen únicamente como resultado el análisis de la curvatura de la superficie de la espalda, sin tener en cuenta la diferencia entre la curvatura interna y externa. Además, la modelizan como una curva, y no definen un modelo cinemático personalizado. De hecho, su principal objetivo es monitorizar las posturas con una sensorización del movimiento de la columna, pero no analizan la postura natural del sujeto.

Así, sigue existiendo en el estado de la técnica la necesidad de desarrollar métodos y dispositivos capaces de llevar a cabo estimaciones tanto de la postura como del movimiento de la columna vertebral del sujeto bajo estudio que tengan en cuenta los desplazamientos longitudinales variables en la dirección antero-posterior, inducidos por las apófisis espinosas de las vértebras y los tejidos blandos existentes entre las apófisis espinosas y la curva de la superficie de la piel de la espalda del sujeto, entre la curva espinal y la curva de la superficie de la piel, a la hora de generar modelos tridimensionales de la columna.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

En la presente invención, se propone la utilización de dispositivos de medida de la orientación, preferiblemente sensores de orientación que son económicos y fáciles de usar, que se sitúan sobre la espalda del paciente y en correspondencia con un conjunto de vértebras previamente establecidas para monitorizar su orientación y trasladarla a un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D.

Así, un primer objeto de la presente invención es un método para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de un usuario. Dicho método comprende proveer un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D. Este modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D es un modelo standard o básico previamente diseñado que comprende un conjunto de cuerpos conectados entre sí mediante un conjunto de uniones respectivas. Cada uno de los cuerpos del modelo representa una vértebra de la columna vertebral y cada unión del modelo presenta 3 grados de libertad angulares y representa una unión intervertebral. Preferentemente, estas uniones pueden estar representadas por pares esféricos, por ejemplo, rótulas o articulaciones. Así, entre cada dos cuerpos consecutivos, que serán preferentemente rígidos y tridimensionales, sólo existirá un movimiento relativo de rotación.

El modelo estará, preferentemente, formado por una cadena de 24 solidos correspondientes a las 7 vértebras cervicales, las 12 vértebras torácicas y las 5 vértebras lumbares. En algunas realizaciones particulares, el modelo podría tener un número menor de cuerpos si lo que se quiere es determinar la postura y el movimiento de una sección concreta de la columna vertebral de un usuario.

Adicionalmente, el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D también incorpora unos puntos de origen previamente definidos como los puntos de contacto entre los cuerpos y sus respectivas uniones, preferiblemente las uniones inferiores. El cuerpo inferior, correspondiente a la vértebra L5, tendrá su punto de origen situado en correspondencia con su punto de contacto con la unión del coxis (que no forma parte del modelo), mientras que el cuerpo superior, correspondiente a la vértebra C1, podría tener un punto de origen adicional situado en correspondencia con su punto de contacto con la unión con la base del cráneo (que tampoco forma parte del modelo). El punto de origen de la vertebra L5 podrá ser fijo y considerarse como un origen de coordenadas local del modelo. De este modo, cada cuerpo estará definido por su punto de origen y el punto de origen del cuerpo situado inmediatamente encima. En cualquier caso, dependiendo de la implementación específica del modelo tanto el origen de coordenadas del modelo como los puntos de origen para cada cuerpo del modelo se pueden definir de diferentes maneras. Por ejemplo, los puntos de origen se pueden definir como los puntos de contacto entre los cuerpos y sus respectivas uniones superiores, como los puntos en correspondencia con la unión de las apófisis espinosas con el cuerpo vertebra, como el punto central del cuerpo vertebral, o cualquier otro punto que sea común para todos los cuerpos del modelo.

Además, para cada punto de origen del modelo se ha determinado un desplazamiento en una dirección antero-posterior, donde dicho desplazamiento es la distancia estimada entre el punto de origen y la superficie de la espalda. El modelo también dispone de una curva externa que se obtiene uniendo los puntos correspondientes a los desplazamientos respecto de cada punto de origen previamente determinados. Estos desplazamientos, previamente definidos, se corresponden con la distancia entre dichos puntos de origen y la superficie exterior de la espalda de un usuario standard o modelo. Por ejemplo, cuando los puntos de origen se definen en correspondencia con los cuerpos vertebrales, dicho desplazamiento longitudinal se corresponde con la distancia existente entre el cuerpo vertebral de cada vértebra y la piel de la espalda de ese usuario modelo, espacio que es donde se sitúan las apófisis espinosas y los tejidos blandos existentes entre la columna y la piel de la espalda. Este desplazamiento es mayor en las vértebras lumbares que en las torácicas y cervicales y es además mayor cuanto más cerca se sitúa la vértebra lumbar del coxis.

El método también comprende acoplar, por ejemplo, pegados mediante algún tipo de adhesivo tópico, al menos tres dispositivos de medida de orientación sobre la espalda del usuario bajo estudio. Estos dispositivos de medida de orientación serán dispositivos capaces de medir sus ángulos de rotación alrededor de los ejes vertical, antero-posterior y medio-lateral. Cada dispositivo de medida de orientación se fija a la espalda en correspondencia con una vértebra predefinida de la columna vertebral del usuario. Por ejemplo, dichos tres dispositivos de medida de orientación se podrían fijar en correspondencia con las vértebras L5, T7 y C1 del usuario bajo estudio o bien en correspondencia con cualesquiera otras tres vértebras de la columna del usuario. Preferentemente, la selección de las vértebras sobre las que se acoplarán los dispositivos de medida se hará para cubrir la totalidad de la columna vertebral y seleccionando vértebras no contiguas. En otras realizaciones y dependiendo del número de dispositivos de medida utilizados, se podrían seleccionar vértebras contiguas en aquellas zonas de la columna donde la curvatura de la espalda es más pronunciada.

El método mide, mediante los al menos tres dispositivos de medida de orientación, la orientación de las vértebras predefinidas. En concreto, el dispositivo de medida de orientación mide la inclinación de la sección de piel de la espalda sobre la que se acopla, que se corresponde esencialmente con la orientación de la vértebra correspondiente, respecto de la vertical. Después, el método calcula la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario, a las que no se le ha colocado un dispositivo de medida de orientación, mediante interpolación a partir de la orientación medida de las vértebras predefinidas. Las técnicas de interpolación utilizadas podrían seleccionarse de un grupo que comprende, interpolación mediante splines, preferentemente cúbicos o de orden superior, interpolación polinómica o una combinación de ambas, aunque podría utilizarse cualquier otro tipo de técnica de interpolación que permita obtener una estimación fiable de la orientación del resto de vértebras. Entonces, las orientaciones de las vértebras medidas y calculadas mediante interpolación se aplican/trasladan a cada uno de los cuerpos correspondientes del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico, obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado del usuario. A partir de este modelo en 3D se podrían sacar vistas en 2D de la columna vertebral del usuario en diversos planos.

El modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D resultante es un modelo personalizado obtenido mediante técnicas no invasivas, que evitan el uso de radiación sobre el paciente y de bajo coste. Además, el método es compatible con cualquier configuración de dispositivos de medición de orientación, es decir se puede variar tanto el número de sensores (entre tres y el número de sólidos del modelo) como las vértebras asociadas a los mismos. Una vez obtenido el modelo personalizado, éste puede utilizarse para realizar un diagnóstico objetivo del paciente, así como determinar con un alto grado de precisión anomalías y deformidades de la columna vertebral del mismo (escoliosis, cifosis, lordosis, o cualquier otra enfermedad derivable de la orientación relativa de las vértebras de un paciente). Además, el modelo también podría usarse en la planificación de intervenciones quirúrgicas en la columna vertebral del paciente o para la fabricación de prótesis personalizadas, entre otras aplicaciones.

En algunas realizaciones, el método comprende calcular, para cada una de las vértebras predefinidas situadas en correspondencia con cada dispositivo de medida de orientación, una desviación angular entre el vector correspondiente a la orientación medida por el sensor de orientación y el vector que une los puntos de origen correspondientes al cuerpo asociado a la vértebra predefinida, es decir, los puntos de origen inmediatamente encima y debajo del cuerpo, que se corresponderán con el punto de origen asociado al propio cuerpo y con el punto de origen asociado al cuerpo inmediatamente encima o debajo. Para los cuerpos superior e inferior del modelo estos puntos de origen superior e inferior serán el punto de origen asociados al propio cuerpo y los puntos que haya inmediatamente debajo o encima aunque no estén directamente asociados a un cuerpo sino con las uniones con la base del cráneo y con el coxis. Dichos dos vectores estarán contenidos en el plano sagital del usuario. Una vez calculada la desviación angular para las vértebras predefinidas, dichas desviaciones angulares se detraen de las medidas de la orientación de las vértebras predefinidas anteriormente obtenidas, obtenido las orientaciones de dichas vértebras predefinidas corregidas. Tras esto, el método calcula la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación, por ejemplo, interpolación mediante splines, preferentemente cúbicos o de orden superior, interpolación polinómica o una combinación de ambas, a partir de las orientaciones corregida de las vértebras predefinidas. Las orientaciones corregidas de las vértebras se aplican entonces a cada cuerpo correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario previamente generado obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario corregido. De este modo, la curva exterior de este modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario corregido se sitúa en correspondencia con la superficie de la espalda del usuario.

Este modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y corregido es más exacto y fiable por lo que los posteriores diagnósticos que se pudieran hacer a partir de él serán también más exactos y fiables.

En algunas realizaciones, el método también comprende calcular un factor de escala del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D. Este factor de escala es la relación entre una longitud medida de la columna vertebral del usuario bajo estudio sobre la superficie su espalda y una distancia de la longitud de la columna vertebral del usuario calculada a partir del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D. Una vez calculado, el factor de escala se aplica al modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D. De este modo se obtiene un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D totalmente personalizado y ajustado a las dimensiones del propio usuario bajo estudio.

En algunas realizaciones, el método comprende calcular un ángulo formado entre dos cualesquiera de los cuerpos del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D para, a partir de él, poder determinar cualquier desviación o anomalía entre las vértebras correspondientes del usuario bajo estudio. Los ángulos entre vértebras calculados se pueden definir como ángulos absolutos, respecto a tierra, o relativos, respecto a la vértebra anterior.

Más preferiblemente, dicho ángulo se puede calcular usando el método del ángulo de Cobb. Este método consiste en la realización de dos líneas en el modelo sobre el plano postero-anterior de la columna vertebral, una que se extiende desde la parte superior de la vértebra superior más inclinada y la otra desde la parte inferior de la vértebra inferior más inclinada. El ángulo formado por estas líneas es el ángulo de Cobb y a partir de él se pueden diagnosticar enfermedades como la cifosis, escoliosis o lordosis.

En algunas realizaciones, el método se lleva a cabo de manera automática y continuada para la monitorización del movimiento de la columna vertebral del usuario generando un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D cinemático personalizado. Es decir, el usuario puede llevar durante horas o días los dispositivos de media de orientación acoplados en su espalda durante su día a día habitual o bien durante un periodo de monitorización en laboratorio o una instalación médica. Además de los dispositivos de media de orientación acoplados en su espalda, el usuario puede llevar consigo un dispositivo de almacenamiento de datos, como una memoria, donde periódicamente se almacene la información relativa a la orientación de las vértebras predefinidas, de manera que una vez descargada dicha información en unos medios computacionales, tales como un ordenador de mesa, un ordenador portátil, un teléfono móvil o cualquier otro medio computacional con capacidades de procesamiento suficientes para llevar a cabo los cálculos y generación de modelos antes descrita, pueda obtenerse el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D cinemático personalizado del usuario, es decir, un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y en movimiento. Alternativamente, el usuario también puede llevar consigo los medios computacionales antes citados de manera que el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D cinemático personalizado del usuario se pueda ir generado en cada momento y que posteriormente pueda ser descargado en un ordenador de mesa, un ordenador portátil, un teléfono móvil o similar.

En algunas realizaciones, los al menos tres dispositivos de medida de orientación son sensores de orientación. Por ejemplo, los sensores de orientación están seleccionados de un grupo que comprende: sensores inerciales tales como acelerómetros, giroscopios y magnetómetros, sensores ópticos, sistemas de marcadores ArUco, y una combinación de cualquiera de los mismos. También se podría usar cualquier otro dispositivo o sistema capaz de medir la orientación de las vértebras del usuario bajo estudio de forma no invasiva.

En algunas realizaciones, se fijan cinco dispositivos de medida de orientación sobre la espalda del usuario, preferiblemente, homogéneamente distribuidos a lo largo de la columna vertebral del usuario. Usando cinco sensores se ha comprobado que el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D obtenido presenta una elevada fiabilidad.

En algunas realizaciones, los cuerpos del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D tienen forma de vértebra. Esta realización permite obtener un modelo que visualmente se parece a la columna vertebral del usuario lo que puede facilitar la posterior etapa del diagnóstico. Alternativamente, estos cuerpos podrían ser cubos, prismas rectangulares, u otros poliedros regulare o irregulares.

En algunas realizaciones, el método comprende generar el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D estándar o básico. Es decir, en dichas realizaciones el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico es en primer lugar generado por el propio método in situ para posteriormente ser personalizado para cada usuario bajo estudio.

En algunas realizaciones, se envía el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado generado a unos medios de visualización, como por ejemplo una pantalla con una interfaz gráfica en 3D, que permiten una visualización 3D del modelo personalizado. Dicha visualización podrá ser en tiempo real cuando la monitorización de la columna del usuario se haga en tiempo real, o en diferido, cuando la monitorización se haga en diferido, es decir, cuando se almacenen los datos relativos a la orientación de las vértebras para generarse posteriormente el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D

En algunas realizaciones, el método permite una visualización de indicadores para el diagnóstico de anomalías y deformidades de la columna, como escoliosis, cifosis o lordosis, mediante el método del índice de Cobb u otro método. Es decir, algunos indicadore obtenidos mediante dichos métodos, por ejemplo, algunos ángulos entre vértebras, podrán mostrarse en tiempo real o bien en diferido a través de una interfaz gráfica, como una pantalla de televisión, de ordenador o de cualquier otro dispositivo electrónico, dependiendo de si la monitorización y generación del modelo se hace en tiempo real o en diferido.

Un segundo objeto de la invención es un sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario, caracterizado porque comprende:

medios computacionales configurados para recibir o generar un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D, donde el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D comprende:

un conjunto de cuerpos conectados entre sí mediante un conjunto de uniones, donde cada cuerpo representa una vértebra de la columna vertebral y donde cada unión presenta 3 grados de libertad angulares y representa una unión intervertebral; y

unos puntos de origen para cada cuerpo definidos como los puntos de contacto entre los cuerpos y sus respectivas uniones, donde se ha determinado, para cada cuerpo, un desplazamiento en una dirección antero-posterior respecto de cada punto de origen como una distancia entre el punto de origen y la superficie de la espalda y donde se ha definido una curva externa del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D uniendo los puntos correspondientes a los desplazamientos de cada punto de origen.

Además, el sistema comprende al menos tres dispositivos de medida de orientación acoplables a la espalda del usuario en correspondencia con una vértebra predefinida de la columna vertebral del usuario. Los medios computacionales están además configurados para:

medir mediante los al menos tres dispositivos de medida de orientación, una vez estos acoplados a la espalda del usuario, la orientación de las vértebras predefinidas;

calcular la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación a partir de la orientación medida de las vértebras predefinidas; y aplicar las orientaciones medidas y calculadas a cada cuerpo sólido correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado del usuario.

En algunas realizaciones, los medios computacionales están configurados además para:

calcular, para cada dispositivo de medida de orientación, una desviación angular entre un vector correspondiente a la orientación medida por el dispositivo de medida de orientación y un vector que une los puntos de origen correspondientes a la vértebra predefinida asociada al dispositivo de medida de orientación, estando ambos vectores contenidos en el plano sagital del usuario;

detraer las desviaciones angulares calculadas de las medidas de la orientación de las vértebras predefinidas obteniendo una orientación corregida de las vértebras predefinidas;

calcular la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación a partir de la orientación corregida de las vértebras predefinidas; y

aplicar las orientaciones corregidas de las vértebras a cada cuerpo correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario corregido de manera que la curva exterior del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D se ajusta a la superficie de la espalda del usuario.

En algunas realizaciones, los medios computacionales están configurados para calcular un factor de escala del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D como una relación entre una longitud medida de la columna vertebral del usuario sobre de la superficie su espalda y una distancia de la longitud de la columna vertebral del usuario calculada a partir del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D, y aplicar el factor de escala calculado al modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D.

En algunas realizaciones, el sistema comprende cinco dispositivos de medida de orientación acoplables a la espalda del usuario, preferiblemente, homogéneamente distribuidos a lo largo de la columna vertebral del usuario. Estos cinco dispositivos de medida.

El método y sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario aquí descritos son capaces de proveer un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D, tanto estático como cinemático, personalizado de un usuario a partir del que se podrían llevar a cabo diagnósticos de enfermedades asociados a malformaciones o desviaciones en la columna vertebral, tales como la escoliosis, la cifosis o la lordosis. Además, dicho modelo se genera a partir de medidas de la orientación de las vértebras que se llevan a cabo mediante dispositivos de medida de orientación que se acoplan al usuario de forma no invasiva y externa, resultando en un sistema portátil y de bajo coste. Otra ventaja de la solución aquí descrita respecto de las soluciones existentes, es que no requiere que el usuario sea sometido a radiación por lo que es una solución más segura.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un diagrama de flujo del método para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 2 muestra una vista de la espalda de un usuario y una vista de perfil del mismo usuario con seis dispositivos de medida de orientación acoplados a su espalda, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 3 muestra una vista lateral (en el plano sagital) del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 4 se muestra una vista lateral de un usuario al que se le han acoplado cuatro dispositivos de medida de orientación, y sobre el que se ha superpuesto el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 5 muestra una vista lateral de una sección de un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 6 muestra una vista lateral del usuario de la figura 4 sobre el que se ha superpuesto el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y corregido, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La figura 7 muestra una vista posterior (izquierda) y una vista lateral (derecha) de un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y corregido, de acuerdo con una realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN

La figura 1 muestra un diagrama de flujo del método 100 para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario, de acuerdo con una realización particular de la invención.

La etapa 101 del método 100 comprende proveer un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico previamente diseñado que comprende un conjunto de cuerpos conectados entre sí mediante un conjunto de uniones respectivas. Cada uno de los cuerpos del modelo representa una vértebra de la columna vertebral y cada unión del modelo es un par esférico, por ejemplo, una rótulo o articulación, que representa una unión intervertebral. De este modo entre cada dos cuerpos consecutivos sólo existirá un movimiento relativo de rotación. El modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard también incorporará de unos puntos de origen previamente definidos como los puntos de contacto entre los cuerpos y sus respectivas uniones y un desplazamiento en una dirección antero-posterior para cada punto de origen, donde dicho desplazamiento es la distancia estimada entre el punto de origen y la superficie de la espalda de un usuario modelo o standard. El modelo también dispone de una curva externa que se obtiene uniendo los puntos correspondientes a los desplazamientos respecto de cada punto de origen previamente determinados.

La etapa 102 del método 100 comprende acoplar, por ejemplo, pegados mediante algún tipo de adhesivo tópico, al menos tres dispositivos de medida de orientación sobre la espalda del usuario bajo estudio. Cada dispositivo de medida de orientación se fija a la espalda en correspondencia con una vértebra predefinida de la columna vertebral del usuario.

La etapa 103 del método 100 comprende medir, mediante los al menos tres dispositivos de medida de orientación, la orientación de las vértebras predefinidas. Cada dispositivo de medida de orientación mide la inclinación de la sección de piel de la espalda sobre la que se acopla, que se corresponde esencialmente con la orientación de la vértebra correspondiente, respecto de la vertical.

La etapa 104 del método comprende calcular la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario, vértebras no monitorizadas con los dispositivos de medida de orientación, mediante interpolación a partir de la orientación medida de las vértebras predefinidas.

La etapa 105 del método 100 comprende aplicar o trasladar las orientaciones de las vértebras medidas y calculadas en las etapas 103 y 104 a cada uno de los cuerpos correspondientes del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico, obteniendo así un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado del usuario.

Este modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado puede utilizarse para realizar un diagnóstico objetivo del paciente, así como determinar con un alto grado de precisión anomalías y deformidades de la columna vertebral del mismo. Algunas enfermedades que se podrían detectar a partir del modelo generado son la escoliosis, cifosis, lordosis, o cualquier otra enfermedad que se pueda diagnosticar a partir de la orientación relativa de las vértebras de un paciente.

La figura 2 muestra una vista de la espalda de un usuario 200 y una vista de perfil del mismo usuario con seis dispositivos 201-207 de medida de orientación acoplados a su espalda de acuerdo con una realización particular de la invención. En concreto los dispositivos de medida de orientación 201-207, que son unidades de medición inercial (IMU), se han acoplado sobre la piel de la espalda del usuario 200, por ejemplo, pegados, y en correspondencia con las vértebras T1, T4, T10, L1 y L5. Como se puede apreciar de esta figura, en esta realización solo se están considerando las vértebras torácicas y lumbares, dejando fuera del modelo las vértebras cervicales. En esta realización particular, los medios de procesamiento (no mostrados), por ejemplo, un procesador, que se comuniquen de manera inalámbrica, mediante Wifi, Bluetooth, GPRS, o cualquier otro protocolo de comunicaciones inalámbricas, con los dispositivos de medida de orientación 201-207 y eventualmente los medios de almacenamiento de datos donde se almacenen las medidas tomadas así como los diferentes modelos que se generen o reciban, podrían situarse sobre el usuario o en proximidad al usuario. Estos medios de procesamiento y almacenamiento podrían integrarse en un dispositivo electrónico, tal como un ordenador, teléfono móvil, PDA, etc. Alternativamente, la comunicación entre los dispositivos de medida de orientación 201-207 y los medios de procesamiento y/o almacenamiento se podría realizar mediante cables. Además, en otras realizaciones, los medios de procesamiento y/o almacenamiento podrían integrarse junto con alguno de los dispositivos de medida de orientación 201-207 simplificando la arquitectura del sistema.

La figura 3 muestra una vista lateral (en el plano sagital) del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D standard o básico 300, de acuerdo con una realización particular de la invención.

En esta realización el modelo 300 consta de 17 cuerpos anatómicos 301 correspondientes a las 12 vértebras torácicas (T1-T12) y las 5 vértebras lumbares (L1-L5). A cada cuerpo 301 del modelo 300 se la ha asignado un punto de origen 302 en correspondencia con la unión intervertebral inmediatamente superior. Al cuerpo inferior correspondiente con la vértebra L5 se le ha asignado un punto de origen 302a en correspondencia con su unión con el coxis (no incluido en el modelo 300) a modo de origen de referencias del modelo 300. Estos puntos de origen 302 se muestra unidos por la curva interior 303 del modelo 300 que se corresponde con el eje longitudinal del modelo standard 300.

Los cuerpos 301 se unen mediante articulaciones esféricas ideales (no mostradas en la figura), definiendo así un modelo 300 con 51 grados de libertad (DOF). La superficie de la piel de la espalda del este modelo estándar 300 se ha estimado aplicando un desplazamiento longitudinal (en la dirección posterior-anterior del propio modelo 300). El desplazamiento longitudinal aplicado a cada punto de origen 302 está compuesto por una estimación de la longitud de la apófisis espinosa (LA) de la vértebra respectiva y el grosor del tejido blando (LT) en esa zona de la espalda. A modo de ejemplo, se podría estimar la longitud (LA) de cada una de las apófisis espinosas individualmente basándose en mediciones reales realizadas en pacientes para obtener una representación más fiable de la columna o bien se puede interpolar dicha longitud (LA) con un spline cúbico basado en la distancia medida en el modelo multicuerpo en alguna de sus vertebras, por ejemplo, la vértebra T1 (3,1 cm) y L1 (5,1 cm), para que la curva exterior 305 del modelo 300 presente una pendiente más homogénea. De igual modo, se le puede añadir un grosor estimado de tejido blando (LT) de 1,35 cm que se ha definido basándose en mediciones reales realizadas en pacientes o bien se puede calcular el citado grosor mediante interpolación a partir de las mediciones llevadas a cabo en algunas de sus vertebras. Dado que la región lumbar inferior, particularmente en L5 y, en algunos casos, en L4, presenta una región más gruesa de tejido blando, debido tanto al músculo como al tejido adiposo alrededor de los músculos glúteos superiores, el grosor añadido en esa zona será mayor que en otras zonas de la espalda. Una vez añadidas los desplazamientos longitudinales estimados a cada uno de los puntos de origen 302 en el eje antero-posterior, se obtiene dichos puntos de origen desplazamos 304 que se unen formando una curva exterior 305 del modelo standard 300.

La figura 4 se muestra una vista lateral de un usuario 400 al que se le han acoplado cuatro dispositivos de medida de orientación 401 sobre su espalda 402, y sobre el que se ha superpuesto el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado 403, de acuerdo con una realización particular de la invención.

Los cuatro dispositivos de medida de orientación 401 van pegados mediante un pegamento tópico sobre la espalda 402 del usuario 400 y en correspondencia con cuatro de sus vértebras, en concreto en correspondencia con las vértebras L5, T12, T7 y T1. Estos dispositivos de medida de orientación 401 son sensores de orientación que miden la orientación (ver vector de orientación sobre cada uno de los cuatro sensores de orientación 401) de la sección de piel de la espalda 402 del usuario 400 sobre la que van adheridos que se corresponde sustancialmente con la orientación de las vértebras L5, T12, T7 y T1. A partir de la orientación medida de estas cuatro vértebras L5, T12, T7 y T1 se calcula mediante interpolación de spline cúbicos la orientación del resto de vértebras de la columna del usuario 400. Una vez se tienen las orientaciones de todas las vértebras, éstas se trasladan al modelo 300 de la figura 3, a cada cuerpo del modelo le corresponderá la orientación de la vértebra correspondiente, obteniendo el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado 403. La figura 4 también muestra la curva interior 404 y exterior 405 del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado 403.

La figura 5 muestra una vista lateral de una sección de un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado 500, similar al obtenido en la figura 4, de acuerdo con una realización particular de la invención.

Dicha sección muestra los cuerpos del modelo 500 correspondientes a las vértebras L1 a L4. Además, para la generación del modelo el usuario lleva acoplado un sensor de orientación 501 en correspondencia con la vértebra L2. El resto de sensores empleados para la generación del modelo 500 no se muestran en esta figura. Dado que existe un desfase angular entre la superficie de la espalda 502 del usuario y la curva exterior 505 del modelo 500, se calcula, para cada dispositivo de medida de orientación 501, una desviación angular (a) entre el vector 507correspondiente a la orientación medida por el sensor de orientación 501 y un vector 508 que une los puntos de origen 506b y 506c correspondientes a la vértebra L2 y a la vértebra L3 inmediatamente inferior. Este vector 508 también se corresponde con la unión de los dos puntos de origen desplazados entre los que se sitúa el cuerpo correspondiente a la vértebra L2. Ambos vectores 507-508 estarán contenidos en el plano sagital del modelo 500. Esta desviación angular (a) calculada se detrae de la medida de la orientación 507 previamente obtenida para la vértebra L2 obteniendo una orientación corregida de dicha vertebra. Una vez realizada la detracción de los desfases angulares correspondientes para cada cuerpo asociado a vértebras cuya orientación está siendo monitorizada, se calculará la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación a partir de la orientación corregida de las vértebras monitorizadas.

Aplicando las orientaciones corregidas de las vértebras a cada cuerpo correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario, ya sea directamente sobre el modelo standard o básico (ver figura 3) o sobre ya el modelo personalizado (ver figura 4) se obtiene un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario corregido.

La figura 6 muestra una vista lateral del usuario 400 de la figura 4 sobre el que se ha superpuesto el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y corregido 600, de acuerdo con una realización particular de la invención.

En dicha figura se muestra el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado que se muestra en la figura 4 pero sometido al proceso de corrección angular descrito para la figura 5 de manera que la curva exterior 601 se superpone sobre la superficie de la espalda 602 del usuario 400. Este modelo además muestra la curva interior 603 del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D personalizado y corregido 600. En una etapa posterior, la escala del modelo 600 puede ajustarse calculando un factor de escala del modelo como la relación entre la longitud real medida de la columna vertebral del usuario sobre de la superficie su espalda y la longitud de la columna vertebral del usuario calculada a partir del modelo 600. Ese factor se aplica a los cuerpos del modelo 600 obteniendo una representación fidedigna de la columna del usuario 400.

A dicho modelo se le ha aplicado el método del ángulo de Cobb para la medición de diferentes ángulos (A,o,£) entre vértebras a partir de los cuales se pueden inferior la existencia de anomalías y deformidades de la columna (ej.: escoliosis, cifosis, lordosis). Estos modelos también pueden ser útiles para la planificación de intervenciones quirúrgicas en la columna vertebral del paciente o para la fabricación de prótesis personalizadas, entre otras aplicaciones.

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tal como "que comprende", etc.) no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deberían interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y define puede incluir más elementos, etapas, etc.

La invención obviamente no se limita a las realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda considerarse por cualquier experto en la materia (por ejemplo, en lo que respecta a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de un usuario, caracterizado porque comprende:

proveer (101) un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D, que comprende un conjunto de cuerpos conectados entre sí mediante un conjunto de uniones, donde cada cuerpo representa una vértebra de la columna vertebral y donde cada unión presenta 3 grados de libertad angulares y representa una unión intervertebral y unos puntos de origen para cada cuerpo definidos como los puntos de contacto entre los cuerpos y sus respectivas uniones, donde se ha determinado, para cada cuerpo, un desplazamiento en una dirección antero-posterior respecto de cada punto de origen como una distancia entre el punto de origen y la superficie de la espalda y donde se ha definido una curva externa del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D uniendo los puntos correspondientes a los desplazamientos de cada punto de origen;

fijar (102) al menos tres dispositivos de medida de orientación sobre la espalda del usuario, donde cada dispositivo de medida de orientación se fija en correspondencia con una vértebra predefinida de la columna vertebral del usuario;

medir (103), mediante los al menos tres dispositivos de medida de orientación, la orientación de las vértebras predefinidas;

calcular (104) la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación a partir de la orientación medida de las vértebras predefinidas; y

aplicar (105) las orientaciones medidas y calculadas a cada cuerpo correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario.

2. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

calcular, para cada dispositivo de medida de orientación, una desviación angular entre un vector correspondiente a la orientación medida por el sensor de orientación y un vector que une los puntos de origen correspondientes a la vértebra predefinida asociada al dispositivo de medida de orientación, estando ambos vectores contenidos en el plano sagital del usuario;

3. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende:

calcular un factor de escala del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D como una relación entre una longitud medida de la columna vertebral del usuario sobre de la superficie su espalda y una distancia de la longitud de la columna vertebral del usuario calculada a partir del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D,

aplicar el factor de escala calculado al modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D.

4. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende calcular un ángulo formado entre dos cualesquiera de los cuerpos del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D en el plano sagital del usuario.

5. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende calcular el ángulo formado usando el método del ángulo de Cobb.

6. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el método se lleva a cabo de manera automática y continuada para la monitorización del movimiento de la columna vertebral del usuario generando un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D cinemático personalizado.

7. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los al menos tres dispositivos de medida de orientación son sensores de orientación.

8. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con la reivindicación 5, donde los sensores de orientación están seleccionados de un grupo que comprende: sensores inerciales, magnetómetros, acelerómetros, giroscopios, y una combinación de cualquiera de los mismos.

9. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se fijan cinco dispositivos de medida de orientación sobre la espalda del usuario, preferiblemente, homogéneamente distribuidos a lo largo de la columna vertebral del usuario.

10. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los cuerpos del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D tienen forma de vértebra.

11. Método (100) para determinar la postura y el movimiento de la columna vertebral de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende generar el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D.

12. Sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario (400), caracterizado porque comprende:

medios computacionales configurados para generar o recibir un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D (300), donde el modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D (300) comprende:

un conjunto de cuerpos (301) conectados entre sí mediante un conjunto de uniones, donde cada cuerpo (301) representa una vértebra de la columna vertebral y donde cada unión presenta 3 grados de libertad angulares y representa una unión intervertebral; y

unos puntos de origen (302) para cada cuerpo definidos como los puntos de contacto entre los cuerpos (301) y sus respectivas uniones, donde se ha determinado, para cada cuerpo (301), un desplazamiento en una dirección antero-posterior respecto de cada punto de origen (302) como una distancia entre el punto de origen (302) y la superficie de la espalda y donde se ha definido una curva externa (305) del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D (300) uniendo los puntos (304) correspondientes a los desplazamientos de cada punto de origen (302);

al menos tres dispositivos de medida de orientación (401) acoplables a la espalda del usuario (400) en correspondencia con una vértebra predefinida de la columna vertebral del usuario (400);

y donde los medios computacionales están además configurados para: medir mediante los al menos tres dispositivos de medida de orientación (401), la orientación de las vértebras predefinidas;

calcular la orientación del resto de vértebras de la columna vertebral del usuario mediante interpolación a partir de la orientación medida de las vértebras predefinidas; y

aplicar las orientaciones medidas y calculadas a cada cuerpo sólido correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D (300) obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario (403).

13. Sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario de acuerdo con la reivindicación 12, donde los medios computacionales están configurados para:

calcular, para cada dispositivo de medida de orientación (501), una desviación angular (a) entre un vector (507) correspondiente a la orientación medida por el dispositivo de medida de orientación y un vector (508) que une los puntos de origen (506b-c) correspondientes a la vértebra predefinida asociada al dispositivo de medida de orientación (501), estando ambos vectores (507-508) contenidos en el plano sagital del usuario;

detraer las desviaciones angulares (a) calculadas de las medidas de la orientación (507) de las vértebras predefinidas obteniendo una orientación corregida de las vértebras predefinidas;

aplicar las orientaciones corregidas de las vértebras a cada cuerpo correspondiente del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario obteniendo un modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D del usuario corregido (600) de manera que la curva exterior (601) del modelo multicuerpo de columna vertebral en 3D se ajusta a la superficie (602) de la espalda del usuario.

14. Sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, donde los medios computacionales están configurados para:

15.

Sistema para determinar la postura y movimiento de la columna vertebral de un usuario de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, que comprende cinco dispositivos de medida de orientación acoplables a la espalda del usuario, preferiblemente, homogéneamente distribuidos a lo largo de la columna vertebral del usuario.