ES2246447T3 - Localizador y sistema optico de medicion. - Google Patents

Abstract

Localizador (20) de un sistema óptico de navegación para la determinación de la posición y/o de la situación de cuerpos en el espacio, el cual presenta un dispositivo registrador para el registro de señales luminosas generadas o reflectadas mediante unos elementos reflectores en localizadores un dispositivo de mando y evaluación, unido al dispositivo registrador, para el mando y realización de la determinación de la posición a base de los registros del dispositivo registrador logrados en varios pasos o etapas de detección, con un conmutador (26-29) mecano-óptico para la puesta en acción de los pasos de detección del dispositivo registrador y/o de pasos de evaluación o interpretación en el dispositivo de mando y de evaluación, caracterizado por el hecho de que el conmutador (26-29) mecano-óptico presenta un elemento reflector (27) movible, excedente con respecto a la cantidad de los elementos reflectores (23) utilizados para la determinación de la posición.

Description

Localizador y sistema óptico de medición.

La invención se refiere a un localizador de un llamado sistema de navegación óptico para la determinación de la posición o situación de cuerpos en el espacio así como un sistema de navegación, que trabaje con localizadores de este tipo.

Se conocen y son puestos en el mercado por diferentes fabricantes sistemas ópticos de medición de esta clase, con los que se pueden medir puntos y relaciones de situación en o entre cuerpos en el espacio. Dicho de una manera simplificada, estos sistemas de medición constan de una estructura óptica con localizadores y un sistema de cámaras, un escáner con láser o similar así como un componente para la elaboración de datos o computadora, el cual se acopla al componente óptico y está equipado con un software adecuado para la evaluación de una pluralidad de imágenes registradas sucesivamente. Este tipo de sistemas se emplea especialmente en la técnica robótica y operatoria así como -en los tiempos modernos- también en la medicina. En este último caso, un sistema de esta naturaleza ayuda, por ejemplo, a un cirujano mediante la puesta a disposición de informaciones precisas del lugar o situación para un campo de operación, por ejemplo, en el caso de una intervención quirúrgica mínima-invasiva o de la implantación de una prótesis articular.

Un sistema óptico típico de esta clase comprende dos cámaras colocadas de forma convergente sobre una base sólida, cuya orientación relativa e interior se determinan por adelantado en el laboratorio y las cuales por medio de una adecuada estructura mecánica, estable se mantienen entre sí en una relación de situación y de campo visual absolutamente invariables.

Transmisores de señales activos o pasivos, que se hallan dentro del campo visual del sistema de cámaras, sirven para la marcación de puntos de objetos, cuya situación en el espacio o estereoscópica se ha de determinar. Se entiende por señalización pasiva una marcación con llamados elementos reflectores retro-reflectantes (en especial, bolas o esferas) en colaboración con una iluminación o luz radiante procedente del dispositivo de registro. Esta clase de transmisores de señales suministra unas señales a modo de puntos intensamente reflectantes y posibilitan la determinación de valores de aproximación de los puntos de imagen por medio de simples procedimientos de valores umbral. En el caso de la señalización activa el localizador comprende unos diodos luminosos, que se ponen en tensión con ayuda de un aparato de mando. Con ayuda del mando electrónico de distintas señalizaciones resultan posibles una codificación y, por ende, una caracterización inequívoca de los distintos transmisores de señales. Esto da por resultado una seguridad funcional superior, pero la alimentación de corriente requerida para ello implica unos gastos de instalación y mantenimiento elevados y las líneas de conexión habitualmente existentes dificultan la manipulación del sistema y reducen su flexibilidad en el empleo.

Por lo común se reúnen entre sí por medio de un cuerpo de base formando un localizador (pasivo o activo) varios transmisores de señales a fin de crear una relación de situación rígida. De ordinario esta clase de localizadores presentan tres o cuatro transmisores de señales -por ejemplo, bolas retro-reflectantes, lo cual, con ayuda de algoritmos apropiados, conocidos al técnico y, que por consiguiente, no se van a elucidar aquí, hace posible una determinación clara o inequívoca de la posición de un punto de objeto marcado con el localizador en el espacio. En el caso de que esté previsto un cuarto transmisor de señales, este es redundante en el fondo, pero posibilita unas pruebas o comprobaciones, que aumentan la fiabilidad o seguridad de la medición.

Una geometría del localizador prefijada se carga en una unidad de ordenador en el caso de localizadores pasivos. Si se trata de localizadores activos, se pueden acumular las informaciones de puntos locales en una memoria no volátil (por ejemplo, S-ROM), incorporada en el localizador. Dentro de la memoria de programas del componente para la elaboración de datos (unidad de mando y evaluación o análisis) se dispone de unos algoritmos, con los cuales, a base de coordenadas "globales" medidas o de las coordenadas "locales" memorizadas o coordenadas relacionadas con el localizado se logra la deseada determinación de posición o situación del cuerpo a medir en el espacio. En las figuras 1A y 1B se muestran ejemplos de conocidos infraestructuras de localizadores pasivos y se describen detalladamente más
abajo.

Son conocidos y en la práctica unos localizadores, tanto pasivos como activos, de un primer tipo, el cual presenta unos medios de fijación para la aplicación rígida en un cuerpo a medir (por ejemplo, en una extremidad de un hombre para el empleo en el campo médico), así como unos llamados pulsadores manuales con una punta exploradora que está calibrada en el sistema de coordenadas locales en unos puntos de referencia. La situación de la punta exploradora y, por ende, de un punto, tocado por ésta, de un cuerpo a medir en el espacio se averigua mediante la detección por cámara de las señales de los transmisores de señales del localizador y utilizando un algoritmo de transformación para la transformación en el espacio del objeto.

La medición de cuerpos o, incluso, de relaciones de situación entre cuerpos en el espacio exige una serie de pasos o etapas de medición y evaluación análisis, que se han de realizar después del posicionamiento de la punta exploradora en un punto de la superficie del cuerpo. En este caso, cada paso se ha de poner en acción a través del medidor. Para ello se conocen diferentes soluciones, por ejemplo, la transmisión de una señal de mando a distancia mediante una unión de infrarrojos entre el medidor y la unidad de mando y evaluación o la transmisión unida a la línea de una señal de disparo generada con un interruptor de pedal o la realización de un movimiento prescrito del localizador, que se detecta por el sistema de cámaras y se interpreta a base de un algoritmo de evaluación adecuado en el sentido de una señal de disparo.

Estos procedimientos conocidos exigen, bien unos gastos relativamente elevados de hardware e instalación o bien se configuran complicadamente para el medidor, o se presentan combinadas ambas (y otros) inconvenientes.

Así pues, la invención se enfrenta al problema de preparar un localizador perfeccionado de la clase según el tipo, el cual posibilite la puesta en acción de fases o etapas de medición o evaluación en un sistema óptico de navegación de manera especialmente simple y segura. Además, la invención se basa en el problema de la puesta a disposición de un correspondiente sistema de navegación.

En su primer aspecto este problema se resuelve mediante un localizador con las características de la reivindicación 1 y, en su segundo aspecto, mediante un sistema de navegación óptico con las características de la reivindicación 9.

La invención incluye la idea esencial de evitar un sistema de señalización adicional, que requiere un abastecimiento de energía propio para la puesta en funcionamiento de los pasos de medición o evaluación, al realizar el sistema óptico de navegación en sí la función de puesta en funcionamiento. Además, incluye la idea de exigir al usuario solamente un consumo mínimo de accionamiento. Finalmente pertenece a la invención la idea dimanada de ella de prever en el localizador en sí un conmutador mecano-óptico para la puesta en funcionamiento de los pasos de detección, de manera que el usuario, dentro o en el marco de la manipulación normal del localizador, puede iniciar las mediciones mediante presión de tecla.

Una versión preferida de la invención se singulariza por el hecho de que el conmutador mecano-óptico presenta un elemento de reflector sobrante o excedente movible, frente a la cantidad de los elementos reflectores utilizados para la determinación de la posición. En un perfeccionamiento espacial de esta forma de ejecución, que, desde el punto de vista actual, es adecuado en especial para la práctica, presenta el conmutador mecano-óptico un conmutador de retorno elástico. Al mismo tiempo, especialmente el conmutador va unido al elemento reflector excedente movible con ayuda de una palanca giratoria o basculante cargada por un resorte. Esto representa una estructura mecánica especialmente simple y robusta con cuya ejecución los costes de fabricación del localizador no aumentan dramáticamente.

Siempre que el localizador equipado según la invención presente un mango (por ejemplo, una empuñadura estriada de material plástico o de elastómero), del cual lo agarra, el usuario, entonces el conmutador queda situado preferentemente en este mango, y precisamente, de modo especialmente ventajoso, en una "posición típica de pulgar o dedo". Naturalmente esto es especialmente ventajoso en el caso de una versión como explorador guiado con la mano con una punta exploradora, en especial esencialmente esférica.

Alternativamente a la versión como explorador guiado por la mano "explorador manual" el localizador también como localizador fijo al cuerpo puede estar provisto de las características según la invención y, en esta versión, tener unos medios de sujeción para la fijación rígida al cuerpo, que se va a someter a la determinación de la posición, los cuales están configurados especialmente para la aplicación inmóvil en una extremidad de un mamífero. Si, por ejemplo, se coloca un localizador de este tipo como localizador fijo al hueso en una extremidad de un ser humano, a fin de suministrar datos básicos referentes a su situación y orientación en el espacio, habitualmente, también en este caso, se efectúan varios pasos de medición moviendo la extremidad mientras tanto. Entonces el médico, si agarra el localizador y con él mueve la extremidad, puede poner en acción directamente en el localizador los pasos de medición sin manipulaciones adicionales. Por lo demás, ventajas y utilidades prácticas o funcionales de la invención resultan de las reivindicaciones dependientes así como de la subsiguiente descripción de un ejemplo de construcción preferida con ayuda de las figuras. De éstas:

Las figuras 1A y 1B muestran croquis de localizadores convencionales (exploradores guiados por la mano).

Las figuras 2A a 2C muestran una vista en perspectiva así como una vista lateral y una vista desde arriba de un explorador guiado con la mano de conformidad con una forma de ejecución de la invención.

La figura 3 muestra una representación en sección longitudinal del explorador guiado con la mano según las figuras 2A a 2C y

La figura 4 muestra un diagrama de flujo o desarrollo para la dilucidación del funcionamiento de un sistema óptico de navegación utilizando un localizador según la invención.

Las figuras 1A y 1B muestran dos diferentes exploradores 10 ó 10' guiados con la mano según el estado de la técnica. El explorador manual 10 según la figura 1A tiene un cuerpo básico 11 de material plástico, en forma de T, y una punta exploradora 12 alargada, insertada en el extremo inferior de la "T". En los extremos del travesaño de la "T" se sitúan sendas bolas 13 retro-reflectantes como elemento reflector, y otras dos bolas 13 retro-reflectantes se hallan prácticamente a mitad del tramo entre el travesaño y el extremo proximal de la punta exploradora, así como en la cercanía de este extremo proximal. Esta última bola retro-reflectante se asienta sobre una espiga o pivote 14, que crea una predeterminada distancia con respecto al cuerpo básico 11.

El explorador 10' guiado con la mano según la figura 1B tiene un cuerpo básico 11' esencialmente lineal, el cual presenta en un extremo un espesamiento o engrosamiento 11a', en el que se inserta una punta exploradora 12' corta. En la sección recta del cuerpo básico 11' se disponen equidistantes tres bolas 13' retrorreflectantes a igual altura con respecto al cuerpo básico.

Las figuras 2A a 2C muestran un explorador 20 guiado con la mano según la invención, cuya estructura fundamental, por lo que respecta a la existencia o presencia de un cuerpo básico 21, de material plástico, y de una punta exploradora 22 metálica, se asemeja a la estructura de los conocidos exploradores manuales. Además, también aquí se prevén varias bolas 13 retro-reflectantes como elementos reflectores o transmisores de señales del localizador, y una de ellas se sitúa en alto (al igual que en el caso del explorador manual 10 según la figura 1A) mediante un poste 24 con referencia al plano de extensión del cuerpo básico 21.

Sin embargo, discrepando de los conocidos exploradores manuales según las figuras 1A y 1B, el explorador manual 20 según la invención tiene un cuerpo básico aproximadamente triangular en la vista desde arriba y apuntalado reiteradamente. Además, tiene un asidero bombeado y estriado 25, en el cual se coloca un conmutador 26 (cerca del extremo del asidero próximo a la punta exploradora 22). Cerca del otro extremo del asidero 25 se prevé en el cuerpo básico 21 una (quinta) bola 27 retroreflectante adicional, la cual se une al conmutador 26 a través de un estribo basculante alojado elásticamente (que no se puede reconocer en las vistas exteriores).

Si se oprime hacia abajo con el pulgar o un dedo del usuario el conmutador, como queda simbolizado en la figura 2A mediante la flecha gruesa, entonces la bola 27 retro-reflectante adicional efectúa un movimiento giratorio o basculante hacia arriba, como queda simbolizado en las figuras 2A y 2B mediante la flecha simplemente dibujada.

Este movimiento de la bola representa una transmisión de señales distinguible, mediante un dispositivo analizador pos-acoplado al sistema de cámaras, de cualesquiera demás movimientos del explorador manual, en los cuales los henales suministradas por las restantes bolas 23 retro-reflectantes presentan una cierta sincronización. Si se recibe por el dispositivo de mando y de evaluación o interpretación del sistema de navegación una señal aislada de esta naturaleza, se estima esta como señal de disparo para un paso de medición o de evaluación. Al mismo tiempo se puede tratar, por una parte, de la puesta en acción de un nuevo proceso de medición en una nueva posición del explorador, pero, por otra parte, también se puede tratar de un paso de evaluación repetido, en el caso de que, en una determinada posición del explorador, no se han podido encontrar coordenadas válidas.

La figura 3 muestra la estructura del explorador 20 guiado por la mano en una representación de sección longitudinal algo más exactamente. Se puede ver que las bolas 23 retro-reflectantes se sitúan en un cuerpo básico 23A en forma de tetón o pivote, el cual, a su vez, descansa en un fijador 23B perforado en su parte central, con ayuda del cual, en definitiva, se efectúa la fijación en adecuados agujeros pasantes 21A del cuerpo básico 21. Como queda indicado, se efectúa la colocación de la bola retro-reflectante situada más arriba en el centro del sistema reflector mediante un poste 24, que en un extremo recibe o aloja el correspondiente fijador 23B y, en el otro extremo, queda fijado en del agujero o taladro 21A correspondiente. Además, se puede ver que la punta exploradora 22 comprende una pieza proximal 22A y una pieza distal 22B insertada en ésta en el extremo ahusado.

Se ha de hacer especial referencia a la zona del asidero 25 y en cuyo interior se puede reconocer una palanca giratoria 28, que se extiende entre el conmutador 26 y la bola 27 retro-reflectante movible. Esta palanca puede girar alrededor de un eje de giro 29, que se extiende perpendicularmente a la extensión longitudinal del asidero. Cerca de un extremo de esta palanca giratoria 28 queda insertado el conmutador 26 en un correspondiente taladro (no señalado separadamente), y en el otro extremo queda fijada en otro taladro de la palanca giratoria la bola 27 retro-reflectante con la ya mencionada más arriba "infraestructura" base de cuerpo básico 23A y fijador 23B. Por debajo del conmutador 26 va colocado un resorte de compresión (no representado en el dibujo), el cual se ocupa de una tensión previa elástica de la palanca giratoria 28 en la posición inicial señalada en la figura y un retorno o retroceso a ésta después de un accionamiento.

La figura 4 muestra un diagrama de flujo o desarrollo, que explica la utilización de un localizador según la invención en un sistema óptico de navegación y que es esencialmente auto aclaratorio.

La invención no queda limitada al ejemplo representado aquí, sino que precisamente así es realizable en una pluralidad o gran número de variaciones, que se presentan en el marco de la actuación conforme a la especialidad. En especial existen posibilidades de variación o modificación en la forma y el material del cuerpo básico y de la empuñadura, pudiéndose suprimir también ésta última. También se ha de hacer especial hincapié en que la invención es asimismo aplicable con elementos reflectores de otro tipo o clase y también en el caso de un localizador del tipo activo.

Claims (6)

1. Localizador (20) de un sistema óptico de navegación para la determinación de la posición y/o de la situación de cuerpos en el espacio, el cual presenta un dispositivo registrador para el registro de señales luminosas generadas o reflectadas mediante unos elementos reflectores en localizadores un dispositivo de mando y evaluación, unido al dispositivo registrador, para el mando y realización de la determinación de la posición a base de los registros del dispositivo registrador logrados en varios pasos o etapas de detección, con un conmutador (26-29) mecano-óptico para la puesta en acción de los pasos de detección del dispositivo registrador y/o de pasos de evaluación o interpretación en el dispositivo de mando y de evaluación, caracterizado por el hecho de que el conmutador (26-29) mecano-óptico presenta un elemento reflector (27) movible, excedente con respecto a la cantidad de los elementos reflectores (23) utilizados para la determinación de la posición.

2. Localizador según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el conmutador (26-29) mecano-óptico presenta un conmutador (26) de retroceso elástico.

3. Localizador según la reivindicación 1 y 2, caracterizado por el hecho de que el conmutador va unido al elemento reflector (27) excedente movible por medio de una palanca giratoria cargada por un resorte.

4. Localizador según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que los elementos reflectores (23, 27) están configurados como bolas o esferas retro-reflectantes.

5. Localizador según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por unos medios de sujeción para la fijación rígida o firme al cuerpo que se va a someter a la determinación de la posición, los cuales están configurados en especial para la colocación firme en una extremidad de un mamífero.

6. Sistema óptico de navegación para la determinación de la posición y/o de la situación de cuerpos en el espacio, el cual presenta un dispositivo registrador para el registro de señales luminosas generadas o reflectadas mediante unos elementos reflectores en localizadores y un dispositivo de mando y evaluación, unido al dispositivo registrador, para el mando y la realización de la determinación de la posición a base de los registros del dispositivo registrador conseguidos en varios pasos o etapas de detección, y, al menos, un localizador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el dispositivo de mando y de evaluación presenta unos medios de disparo para la detección de una periodicidad de una señal luminosa individual del localizador en las imágenes del dispositivo registrador, independiente de una periodicidad colectiva de varias señales luminosas del localizador, y para la puesta en funcionamiento de los pasos o etapas de detección en reacción o respuesta a ello.