ES2254208T3 - Sistema telecontrolable de posicionamiento sobre un paciente de un dispositivo de observacion/intervencion. - Google Patents
Sistema telecontrolable de posicionamiento sobre un paciente de un dispositivo de observacion/intervencion.Info
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Abstract
Sistema telecontrolable de posicionamiento sobre un paciente de un dispositivo de observación y/o de intervención, que comprende: una montura (11) a la que está conectado dicho dispositivo según un cierto número de grados de libertad; unos medios de conexión flexible (12-15), cada uno de los cuales está dispuesto entre la montura y un punto (16-19) solidario del soporte del paciente o del propio paciente, estando unida dicha montura a dichos puntos solamente por dichos medios de conexión flexible sin elemento de guía rígido; unos medios telecontrolados para modificar la longitud/tensión de los medios de conexión; y unos medios de teleobservación del comportamiento del dispositivo.
Description
Sistema telecontrolable de posicionamiento sobre
un paciente de un dispositivo de observación/
intervención.
intervención.
La presente invención se refiere a un sistema
telecontrolable de posicionamiento sobre un paciente de un
dispositivo móvil de observación y/o de intervención. Se aplica, por
ejemplo, a sistemas de análisis médico, tales como sistemas
endoscópicos o ecográficos, o a dispositivos invasivos simples tales
como una aguja de punción. Se describirá más particularmente en el
contexto de la utilización de una sonda ecográfica
(teleecografía).
La ecografía es una modalidad de formación de
imágenes muy interesante, ya que es ligera, inofensiva y rica en
informaciones morfológicas y funcionales. Su realización demanda una
especialización particular. Varias situaciones clínicas requerirían
la realización de este examen con medios de telemedicina.
La solución más simple, utilizada en ciertas
operaciones de telemedicina, para un operador local consiste en
ponerse en conexión vocal y eventualmente por vídeo con un médico
experto que se encuentre a distancia. Podría uno imaginarse
entonces que el enfermero o incluso el paciente manipule él mismo
una sonda ecográfica y que el experto distante le guíe y obtenga de
ello un diagnóstico. Este recurso a un experto distante es
utilizado en varias situaciones médicas, pero se aplica difícilmente
a la ecografía. En efecto, en la ecografía la realización y la
interpretación del examen están íntimamente ligadas. Sólo el
operador que ha controlado la manera en que la sonda de ecografía
ha sido desplazada sobre el cuerpo del paciente, dispone de todas
las informaciones útiles para la interpretación. Esta
característica hace que las aplicaciones de teleecografía resulten
delicadas. Es necesario que el operador local esté ya relativamente
bien formado y que el experto distante pueda indicarle con
precisión los desplazamientos de la sonda a efectuar. Ahora bien,
estos desplazamientos implican seis grados de libertad (tres
traslaciones y tres rotaciones). Se concibe que la expresión por el
experto distante de las órdenes de desplazamiento en forma vocal
puede ser delicada y más aún su ejecución por el operador
local.
Para paliar los inconvenientes de la
teleecografía simple referida anteriormente, sería necesario
permitirle al experto distante tomar el control del desplazamiento
de la sonda ecográfica, por ejemplo controlando una sonda montada
sobre un robot telecontrolado. Tales sistemas que recurren a la
robótica son utilizados en medicina y, en particular, en cirugía. A
tal efecto, se utilizan típicamente arquitecturas robóticas de tipo
amo-esclavo en las cuales un operador distante
dispone de un sistema de retorno de esfuerzo que le permite
desplazar un objeto virtual según n grados de libertad y en el cual
un sistema esclavo situado en la proximidad del paciente reproduce
los movimientos del amo, mientras que éste puede percibir una
resistencia a su desplazamiento.
En el enfoque habitual, el amo y el esclavo
ejecutan exactamente los mismos movimientos, estando unido el
esclavo a una referencia con respecto la cual resulta necesario
identificar la posición del paciente. Las restricciones mecánicas a
las cuales está sometido el esclavo deben permanecer dentro de
límites compatibles con las posibilidades de síntesis de un retorno
de esfuerzo por el amo. Por otra parte, las arquitecturas mecánicas
utilizadas recurren a estructuras rígidas y relativamente pesadas,
incluso cuando la carga útil es de un peso inferior a 10 N. Por
tanto, es imperativo concebir sistemas de seguridad potentes capaces
de prohibir movimientos incontrolados del robot que serían
susceptibles de lastimar al paciente o al equipo
médico-quirúrgico que le rodea.
La figura 1 representa una vista lateral muy
esquemática de un paciente 1 tendido sobre una camilla 3 para un
examen ecográfico telecontrolado de forma clásica. Una sonda
ecográfica 5 es dispuesta en contacto con el paciente, por ejemplo
sobre su abdomen, por un sistema de brazos de robot articulados y
telecontrolados 7. Tal sistema implica una arquitectura informática
pesada para asegurar el control y el retorno del esfuerzo. Se
observará que el esclavo (portador de la sonda ecográfica) está en
contacto con el cuerpo humano, que ejerce sobre él presiones
variables y ampliamente imprevisibles. Esto exige, si se desea que
el sistema funcione con toda seguridad, la utilización de un
sistema extremadamente complejo. Debido a todas estas restricciones,
el esclavo constituye un sistema costoso. La patente US nº
4.489.726 muestra un sistema con elementos sensibles y rígidos a la
vez.
Por tanto, actualmente, nos encontramos ante una
alternativa: recurrir a un operario local guiado por un experto
distante, lo que se revela como inadaptado, o utilizar un sistema
robótico cuya estructura mecánica y cuyo sistema informático
asociado son particularmente pesados y costosos.
Más generalmente, el problema anterior, a saber,
prever un sistema de posicionamiento telecontrolado poco costoso y
securizado, se plantea en otros numerosos casos, relevantes o no
para el sector médico. En el ámbito médico, un problema del mismo
tipo se plantea, por ejemplo, para el telecontrol en orientación y
posición de un endoscopio o de una aguja de punción.
Las operaciones realizadas por endoscopia se
multiplican. Estas requieren la introducción de diversos útiles de
forma globalmente cilíndrica a través de la piel. El número de estos
útiles puede ser tal que el operador sea estorbado por sus
ayudantes que los mantienen para él en una posición adecuada. Por
esta razón y otras, se han desarrollado diversos sistemas para
llevar y posicionar útiles que penetren el cuerpo humano durante
intervenciones con endoscopia. Estos sistemas son robots
"clásicos" que se fijan a la mesa de operaciones o al suelo, y
que desplazan los útiles que llevan a las coordenadas que les son
comunicadas por diversas interfaces con el usuario, o incluso en
ciertos casos por subordinación a las imágenes observadas por el
endoscopio. Estos sistemas siguen siendo pesados y necesitan una
adaptación especificada para tener en cuenta los problemas de
seguridad ligados a la utilización de sistemas relativamente rígidos
portadores de instrumentos quirúrgicos.
La punción de diversos órganos del cuerpo humano
es un medio muy utilizado para afinar un diagnóstico (toma de
material con fines de análisis microscópico, medición de diversas
características físicas, eléctricas en particular) o para realizar
una terapia (destrucción física, mecánica, química, eléctrica…). En
numerosos casos, esta punción es realizada bajo el control de
medios de formación de imágenes (radio, ecografía, escáner, IRM…).
Puede ser interesante robotizar el posicionamiento de la aguja de
punción, lo cual abre la vía a la realización automática del gesto
de punción en varias situaciones clínicas, de entre ellas en
particular:
- -
- acceso al paciente físicamente limitado (escáner, IRM…),
- -
- necesidad de realizar el gesto rápidamente, y
- -
- necesidad de realizar el gesto a distancia.
De nuevo, los sistemas de robotización y de
posicionamiento telecontrolados existentes son demasiado pesados
para permitir una generalización fácil de este tipo de
aplicación.
Así, un objetivo de la presente invención es
prever un sistema telecontrolado de posicionamiento de un
dispositivo diagnóstico o terapéutico que sea relativamente
simple.
Otro objetivo de la presente invención es prever
un sistema de esta clase que sea poco costoso, evitando al propio
tiempo todo riesgo para el paciente y su entorno.
Otro objetivo de la presente invención es prever
un sistema de esta clase en el que se pueda pasar de un control a
distancia a una manipulación local del dispositivo controlado.
Otro objetivo de la presente invención es prever
un dispositivo particular de desplazamiento telecontrolable de un
objeto.
Para conseguir estos objetivos, la presente
invención prevé de forma general un sistema telecontrolable de
posicionamiento de una carga útil, en el que:
- -
- los elementos presentan características de docilidad, es decir, son susceptibles de deformarse de una manera reversible bajo el efecto de tensiones mecánicas moderadas, exteriores al sistema (esto implica, en particular, que el sistema no esté constituido únicamente por brazos rígidos); y
- -
- los movimientos tienden a reproducir las órdenes de un operador distante, pero teniendo en cuenta el entorno del sistema, en particular la topografía del lugar en el que está situado el dispositivo cuyo desplazamiento es telecontrolado (control débil) y sin que resulte necesario conocer en todo momento las características geométricas de los diversos dispositivos constitutivos del sistema.
Por tanto, tal sistema se opone a los robots
clásicos en los que la mayor parte de los elementos constitutivos
son rígidos y en los cuales únicamente puede obtenerse una docilidad
a través de características particulares de las articulaciones
entre los elementos rígidos, y cuyo control implica un conocimiento
lo más preciso posible de las características geométricas del
robot, permitiendo típicamente un cambiador de coordenadas pasar de
las coordenadas "articulares" del robot a las coordenadas
cartesianas gracias a un modelo del robot.
Las propiedades de "docilidad" y de
"control débil" están particularmente bien adaptadas a
aplicaciones en medicina cuando se pretende desplazar sobre el
cuerpo humano útiles diagnósticos o terapéuticos. La docilidad
permite poner el sistema y los útiles que lleva directamente en
contacto con el paciente (cuyo cuerpo podrá utilizarse incluso para
contribuir a llevar el sistema y su carga útil). El control débil
puede representar un impedimento; en efecto, el conocimiento
preciso de la posición del sistema y del dispositivo controlado en
una referencia exterior al paciente (que proporciona el control
"clásico") aporta mucho menos que el conocimiento de la
posición de la carga útil con respecto a los objetivos anatómicos o
terapéuticos del cuerpo humano. No obstante, esta información de
posición relativa puede ser proporcionada por el propio dispositivo
controlado, por diversos captadores o por aprendizaje.
Más particularmente, la presente invención prevé
un sistema telecontrolable tal como se define en la reivindicación
1.
Según una forma de realización de la presente
invención, cada uno de los medios de unión flexible es del tipo
cable, hilo o correa.
Según una forma de realización de la presente
invención, cada uno de los medios de unión es flexible y
elástico.
Según una forma de realización de la presente
invención, los medios telecontrolados comprenden motores
enrolladores.
Según una forma de realización de la presente
invención, los medios telecontrolados comprenden músculos
artificiales.
Según una forma de realización de la presente
invención, la conexión entre la montura y el dispositivo está
asegurada por unos medios de unión flexibles telecontrolados.
Según una forma de realización de la presente
invención, el dispositivo es una sonda ecográfica y dichos medios
de teleobservación permiten una observación de la imagen
ecográfica.
Según una forma de realización de la presente
invención, el dispositivo es un endoscopio y los medios de
teleobservación permiten una observación de la imagen
endoscópica.
Según una forma de realización de la presente
invención, el dispositivo es un porta-agujas y los
medios de teleobservación permiten una observación de una imagen de
tipo escáner, IRM …
Según una forma de realización de la presente
invención, la conexión entre el paciente y el centro de telecontrol
distante comprende un enlace de audio.
Estos objetivos, características y ventajas de la
presente invención, así como otros, se expondrán con detalle en la
descripción siguiente de unas formas de realización particulares,
realizada a título no limitativo, haciendo referencia a las figuras
adjuntas, las cuales:
la figura 1 representa un sistema de
teleecografía que utiliza técnicas de robótica clásicas;
la figura 2 es una vista parcial desde arriba,
extremadamente esquemática, de un sistema de teleecografía según la
presente invención;
la figura 3 es una vista parcial de un ejemplo de
montura de soporte de sonda ecográfica utilizable según la presente
invención; y
la figura 4 es una vista parcial de otro ejemplo
de montura de soporte de sonda ecográfica utilizable según la
presente invención.
En primer lugar, la presente invención se
describirá más particularmente en el contexto de la utilización de
una sonda ecográfica (teleecografía).
La presente invención se basa en un análisis de
las necesidades reales de una operación de teleecografía. Es
necesario que el experto distante pueda:
- -
- disponer de una visión de conjunto de la escena y dialogar con el paciente y con el personal local,
- -
- controlar los parámetros de adquisición del ecógrafo,
- -
- visualizar las imágenes ecográficas,
- -
- indicar, desplazando una sonda virtual, el sentido de los desplazamientos deseados de la sonda real (seis grados de libertad),
- -
- desplazar la sonda real según las indicaciones,
- -
- controlar sobre las imágenes ecográficas la manera en la que sus órdenes de desplazamiento son tenidas realmente en cuenta,
- -
- adaptar sus órdenes a la manera en que son realizadas y a sus necesidades,
- -
- tener eventualmente por la sonda virtual un retorno de información sobre la presión ejercida por la sonda real del paciente.
Es necesario igualmente que el paciente o un
operador local puedan:
- -
- inicializar la posición del sistema de desplazamiento de la sonda,
- -
- interrumpir el desplazamiento de la sonda si éste se hace doloroso (presión demasiado fuerte, por ejemplo),
- -
- volver a echar una mano al experto después de tal interrupción; y
- -
- eventualmente, desplazar de forma manual la sonda según las indicaciones vocales del experto para hacer frente a situaciones particulares.
La solicitante ha constatado que estas exigencias
podían satisfacerse mejor con un sistema telecontrolado con
estructura dócil y con control débil que con un robot de tipo
amo-esclavo con estructura rígida tal como se ha
descrito anteriormente. Además, la utilización de una estructura de
teledesplazamiento flexible o dócil evita prohibir al paciente todo
movimiento durante un análisis que, en el caso de una ecografía,
puede ser relativamente largo.
Según un aspecto de la presente invención, la
solicitante ha observado que, en realidad, cuando se procede a una
ecografía, el experto tiene una indicación suficiente de los
movimientos que la sonda ha efectuado y que él desea que ésta
efectúe a partir de la imagen ecográfica que él recibe. Poco importa
que conozca exactamente el posicionamiento de la sonda con respecto
al paciente. Basta que, a partir de un posicionamiento dado, pueda
efectuar un desplazamiento situado en líneas generales en una
dirección (traslación, rotación) deseada y que, después de cada
desplazamiento incremental, pueda decidir si desea continuar su
desplazamiento en la misma dirección o desplazarse en otra
dirección para observar mejor lo que trata de observar. Así, la
presente invención prevé la supresión de toda conexión rígida entre
la sonda y el soporte del paciente. Además, se suprime la función
de sustentación o de suspensión de la sonda ecográfica. El sistema
desplaza la sonda sobre el cuerpo del paciente mientras que reposa
sobre dicho cuerpo.
La figura 2 representa una forma de realización
de la presente invención. Se considera de nuevo un paciente 1
tendido sobre una camilla 3. La sonda ecográfica 5 es solidaria de
una montura 11 colocada sobre el cuerpo del paciente. Según la
invención, se prevén diversos medios mecánicos flexibles, tales como
correas, hilos, cables o análogos, para hacer deslizar la montura
11 de una sonda sobre el cuerpo del paciente alrededor de un
emplazamiento elegido. Por ejemplo, en la forma de realización
representada, la montura 11 está fijada a cuatro correas 12, 13, 14
y 15 cuyos segundos extremos están fijados a unos puntos 16, 17, 18
y 19. Estos puntos 16 a 19 pueden ser, por ejemplo, puntos de
amarre solidarios de la camilla 3. Podrá tratarse también de puntos
de amarre solidarios de correas dispuestas respectivamente alrededor
de los brazos y los muslos del paciente. Se comprenderá que,
previendo al nivel de la conexión entre cada una de las correas y la
montura un motor enrollador, se puede telecontrolar el
desplazamiento de la montura 11 alrededor de una zona elegida
inicialmente, y su presión sobre el cuerpo. Preferentemente, se
preverá un medio desembragable para permitir que se posicione
manualmente la montura 11 en una posición inicial.
Como se representa en la figura 3, la montura 11
puede ser una caja en la cual la sonda ecográfica 21 se pueda mover
de forma telecontrolable. Por ejemplo, la sonda está conectada a un
brazo 22 móvil en la caja perpendicularmente a ésta para aplicar
una tensión más o menos elevada entre la sonda y el paciente. Este
brazo 22 será, por ejemplo, móvil en rotación alrededor de su eje
(dirección \alpha) y con respecto a este eje alrededor de una
articulación 23 (dirección \beta). De forma clásica, se podrán
prever más o menos grados de libertad.
En la forma de realización de la figura 4, la
montura 11 es una simple placa sobre la cual está montada, por
ejemplo por un sistema de rótula 31, una sonda ecográfica 30. El
cuerpo de la sonda puede desplazarse y orientarse con respecto a la
placa gracias a un ensamblaje de accionadores neumáticos 33, 34, 35.
Estos accionadores neumáticos son, por ejemplo, unas almohadillas
inflables generalmente denominadas "músculos artificiales",
cuya longitud disminuye cuando reciben un gas a presión.
Aunque no se describirá aquí con detalle, se
conocen en la técnica medios para subordinar los diversos motores y
otros medios telecontrolables descritos anteriormente a los
desplazamientos de un órgano amo manipulado por un operador
distante que comunica con el sistema de accionamiento que se acaba
de describir por cualquier medio, tal como un enlace por radio, una
conexión por cable óptico u otro.
Pueden preverse diversos modos de acción sobre el
dispositivo controlado.
El desplazamiento del dispositivo puede
automatizarse completamente y corresponde a una estrategia
predeterminada. Esta estrategia contempla, por ejemplo, satisfacer
un criterio de barrido completo por la sonda ecográfica de un
volumen anatómico elegido.
El desplazamiento del dispositivo puede hacer que
intervenga un experto que se apoye en las imágenes producidas por
el dispositivo o en informaciones físicas que caracterizan el
comportamiento del dispositivo para adaptar su estrategia médica.
Estas informaciones físicas pueden ser, en particular:
- -
- informaciones de posición proporcionadas por cámaras de vídeo, un localizador tridimensional o unos codificadores de longitud de los medios de conexión flexi- ble,
- -
- señales fisiológicas producidas por el dispositivo o por unos captadores acoplados al dispositivo, o incluso
- -
- medidas de presión o de esfuerzo mecánico ejercidas por el entorno sobre el sistema.
Para garantizar la seguridad del paciente y
evitar que le sean aplicadas presiones excesivas por la sonda o su
montura, se podrá prever que las correas 12-15
presenten una cierta elasticidad o estén conectadas por sistemas de
ruptura. Podrá preverse cualquier otro sistema de seguridad pasiva
para evitar que el esclavo ejerza sobre el paciente una fuerza o
presión que vaya más allá de los límites predeterminados. Asimismo,
los órganos de desplazamiento entre la sonda y la montura pueden ser
flexibles y, eventualmente, elásticos.
El sistema de la figura 2 no constituye más que
un ejemplo de realización de la presente invención. El aspecto
básico de la presente invención es que ésta prevé un sistema que
permite telecontrolar el deslizamiento y la orientación de un
dispositivo terapéutico o diagnóstico sobre el cuerpo humano. Pueden
preverse numerosas variantes de realización para asegurar esta
función. Por ejemplo, se podrán sustituir las correas por cualquier
otro sistema "con hilos" eventualmente accionado por
"músculos artificiales" (almohadillas inflables encerradas en
cuerdas trenzadas que ejercen tracciones variables bajo el efecto de
variaciones de presión engendradas por válvulas susceptibles de ser
controladas por ordenador) o por sistemas con arcos rígidos y
resortes. Por supuesto, será necesario prever además que los
diversos componentes del sistema en contacto con la piel del
paciente se deslicen sobre ésta. Por ejemplo, en el caso de la forma
de realización particular descrita, se podrán empapar las correas
con un gel ecográfico.
Es particularmente simple, para un operador local
o para el propio paciente, desembragar rápidamente el sistema
gracias a un control fácilmente accesible para interrumpir el
desplazamiento telecontrolado si el sistema deviene doloroso o para
desplazar la montura de forma elegida y solicitada por el experto
distante al que el paciente está conectado por un enlace por audio
y, preferentemente, de vídeo.
Una aplicación a un sistema endoscópico se
realizará de forma análoga, correspondiendo el retorno de
información entre el endoscopio y el experto distante a la misma
imagen proporcionada por la cámara endoscópica.
En el contexto de una aplicación de tipo
ubicación de una aguja de punción, el retorno de imagen hacia el
experto distante podrá proceder de una o de varias cámaras de vídeo
que observan el conjunto de la escena, de un localizador
tridimensional capaz de seguir la posición o la orientación de la
aguja, o de un sistema de formación de imágenes particular (rayos
X, escáner, IRM…).
Claims (10)
1. Sistema telecontrolable de posicionamiento
sobre un paciente de un dispositivo de observación y/o de
intervención, que comprende:
una montura (11) a la que está conectado dicho
dispositivo según un cierto número de grados de libertad;
unos medios de conexión flexible
(12-15), cada uno de los cuales está dispuesto entre
la montura y un punto (16-19) solidario del soporte
del paciente o del propio paciente, estando unida dicha montura a
dichos puntos solamente por dichos medios de conexión flexible sin
elemento de guía rígido;
unos medios telecontrolados para modificar la
longitud/tensión de los medios de conexión; y
unos medios de teleobservación del comportamiento
del dispositivo.
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque cada uno de los medios de conexión
flexible es del tipo cable, hilo o correa.
3. Sistema según la reivindicación 2,
caracterizado porque cada uno de los medios de conexión
flexible es elástico.
4. Sistema según la reivindicación 2,
caracterizado porque los medios telecontrolados comprenden
motores enrolladores.
5. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios telecontrolados comprenden
músculos artificiales.
6. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque la conexión entre la montura y el
dispositivo está asegurada por unos medios de conexión flexible
telecontrolados.
7. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho dispositivo es una sonda
ecográfica (5) y dichos medios de teleobservación permiten una
observación de la imagen ecográfica.
8. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho dispositivo es un endoscopio y
dichos medios de teleobservación permiten una observación de la
imagen endoscópica.
9. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho dispositivo es un
porta-agujas y dichos medios de teleobservación
permiten la observación de una imagen de tipo escáner o IRM.
10. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque la conexión entre el paciente y el
centro de telecontrol distante comprende un enlace de audio.
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