ES2649747T3 - Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente - Google Patents

Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente Download PDF

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ES2649747T3 ES15196612.4T ES15196612T ES2649747T3 ES 2649747 T3 ES2649747 T3 ES 2649747T3 ES 15196612 T ES15196612 T ES 15196612T ES 2649747 T3 ES2649747 T3 ES 2649747T3
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Abstract

Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) en el cuerpo de un paciente colocado sobre una estructura de soporte incluyendo: - un primer dispositivo marcador de paciente (22) configurado para disponerse en contacto con el paciente de manera que sea integral con una región del cuerpo del paciente (P) a tratar por medio de dicho instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) e incluyendo primeros elementos marcadores (M1); - un segundo dispositivo marcador de instrumento (26) configurado para acoplarse a dicho instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) e incluyendo segundos elementos marcadores (M2); - un sensor óptico de seguimiento (20) configurado para localizar dichos marcadores primeros y segundos (M1, M2); y - una unidad de procesado (4) conectada al sensor óptico de seguimiento (20) y adaptada para realizar una navegación virtual en base a una imagen tridimensional importada/reconstruida y a la imagen detectada por el sensor óptico de seguimiento (20) para ver en una unidad de visión (8): - una representación tridimensional de la región de cuerpo generada en base a dicha imagen tridimensional recolocada con relación al sensor óptico de seguimiento (20); y - una representación tridimensional de al menos una porción operativa (25b) del instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27), gráficamente superpuesta sobre la representación tridimensional de la región de cuerpo del paciente usando la posición de los segundos elementos marcadores (M2) y de un modelo del instrumento quirúrgico, estando provisto dicho sensor óptico de seguimiento (20) de un sistema de visión estereoscópica en el que una primera videocámara de rayos infrarrojos (42-a) asociada con un primer iluminador de rayos infrarrojos (43-a) es soportada por un primer extremo (40-a) de un elemento alargado de soporte (40) y una segunda videocámara de rayos infrarrojos (42-b) asociada con un segundo iluminador de rayos infrarrojos (43-b) es soportada por un segundo extremo (40-b) del elemento alargado de soporte (40); teniendo las videocámaras (42-a y 42-b) ejes respectivos (47- a y 47-b) basculados uno hacia otro y convergentes en una zona de visión (FOV) del sensor óptico de seguimiento (20); incluyendo dicho sensor óptico de seguimiento una unidad de control por microprocesador (57); estando provisto dicho sensor óptico de seguimiento (20) de un generador adaptado para emitir un haz de infrarrojos a lo largo de una dirección que es transversal al elemento alargado de soporte (40) e interseca la zona de visión (FOV) que afecta al paciente (P); incluyendo también el sistema un dispositivo de deflexión que produce el movimiento del haz de infrarrojos con relación al elemento alargado de soporte (40) con el fin de producir un punto de infrarrojos que choca en una zona del paciente y se mueve en el espacio realizando la exploración de dicha zona; estando adaptadas dichas videocámaras (42-a, 42-b) para detectar la posición en el espacio (x, y, z) de dicho punto y estando adaptada la unidad de control por microprocesador (57) para detectar la distancia entre el sensor óptico de seguimiento (20) y la posición en el espacio (x, y, z) del punto; estando adaptada la unidad de control por microprocesador (57) para correlacionar los valores de distancia medidos para sucesivas posiciones adyacentes del punto y repetir las exploraciones para secciones contiguas una a otra con el fin de obtener un perfil tridimensional de la zona de interés, caracterizado porque el sensor óptico de seguimiento (20) también incluye un dispositivo de pivote motorizado (45) que tiene un primer extremo (45-a) integral con el elemento alargado de soporte (40) y un segundo extremo (45-b) que puede estar fijado a una estructura de soporte (46); dicho dispositivo de pivote motorizado tiene al menos dos grados de libertad y produce la rotación del elemento alargado de soporte (40) con relación a la estructura de soporte (46) alrededor de un primer eje de basculamiento horizontal (50) y según un segundo eje de movimiento horizontal (52) perpendicular al primer eje de basculamiento horizontal (50); la unidad de control por microprocesador (57) está configurada para mover los accionadores que producen las rotaciones alrededor del primer eje de basculamiento horizontal (50) y el segundo eje de movimiento horizontal (52) para mover la zona de visión en el espacio; el generador de rayos infrarrojos es integral con el elemento alargado de soporte (40) y emite un haz láser de infrarrojos que tiene un basculamiento predeterminado con relación al elemento alargado de soporte (40); el dispositivo de deflexión consta del dispositivo de pivote motorizado (45) que realiza la rotación del elemento alargado de soporte (40) alrededor del primer basculamiento horizontal (50) y los segundos ejes de movimiento horizontales (52) para regular la posición en el espacio del haz de infrarrojos y mover el punto de infrarrojos a la zona del paciente con el fin de realizar una exploración.

Description

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DESCRIPCION
Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente.
Antecedentes de la invención
Como es sabido, muchas operaciones quirúrgicas y/o de diagnóstico se llevan a cabo con la ayuda de un instrumento quirúrgico/de diagnóstico (herramienta de operación) capaz de llegar, de forma percutánea, a una zona afectada por una patología (a menudo designada zona objetivo). A modo de ejemplo, estas operaciones podrían ser biopsias, extirpación térmica, extracción de tejido dañado, la introducción de productos químicos/farmacéuticos en el cuerpo humano. La introducción del instrumento quirúrgico/de diagnóstico y su posterior llegada al objetivo pueden facilitarse mediante sistemas de guía, o navegación, de tipo virtual, en base a imágenes del objetivo y de las zonas que lo rodean con el fin de planificar y efectuar la operación percutánea de la forma menos invasiva.
Los sistemas de navegación/guiado conocidos para operaciones de dicho tipo se basan en el procesado de imágenes adquiridas previamente mediante tomografía computarizada TC o resonancia magnética RM y requieren la definición de una reconstrucción tridimensional de realidad virtual de la zona objetivo del cuerpo humano.
Se superpone una representación tridimensional del instrumento quirúrgico/de diagnóstico sobre la reconstrucción tridimensional y se mueve en la imagen siguiendo los movimientos reales del instrumento.
Es evidente que, con el fin de ver la posición en el espacio del instrumento quirúrgico/de diagnóstico, éste debe estar provisto de sensores adecuados de modo que se conozca la posición del instrumento quirúrgico/de diagnóstico en tiempo real.
Por ejemplo, la patente EP09425116 del mismo solicitante muestra un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente incluyendo un primer dispositivo marcador configurado para disponerse integral con una región del cuerpo de un paciente e incluyendo marcadores de paciente primero y segundo que tienen una disposición mutua dada; un segundo marcador configurado para acoplarse al instrumento quirúrgico/de diagnóstico e incluyendo terceros elementos marcadores de instrumento; un sensor óptico de posición configurado para localizar los elementos marcadores segundo y tercero en un primer sistema de referencia; y una unidad de procesado configurada para adquirir al menos una imagen tomográfica de la región del cuerpo del paciente incluyendo los primeros elementos marcadores en un segundo sistema de referencia diferente del primero, adquirir la posición de los elementos marcadores segundo y tercero en el primer sistema de referencia, y determinar la posición de dichos terceros elementos marcadores en el segundo sistema de referencia en base a una correlación entre los sistemas de referencia primero y segundo.
El sensor óptico incluye en general un par de videocámaras adaptadas para adquirir, desde ángulos diferentes, una imagen de una zona de visión en la que está situado el instrumento de trabajo/diagnóstico.
US2004147839 describe un método de poner en correspondencia un artículo que tiene una superficie con datos de exploración previamente creados del artículo, incluyendo el método los pasos de: proporcionar un sustrato flexible que tiene múltiples puntos de seguimiento unidos al sustrato; aplicar el sustrato al artículo a poner en correspondencia; crear un modelo de la superficie del artículo desde una posición de cada punto de seguimiento; y poner en correspondencia el modelo con los datos de exploración previamente creados.
US5999840 describe un sistema de registro de datos de imagen incluyendo: una unidad de almacenamiento de datos de imagen para almacenar un primer conjunto de datos de imagen tridimensional asociados con una porción predeterminada de un objeto con referencia a un primer cuadro de coordenadas; un primer dispositivo de adquisición y almacenamiento de datos de imagen para obtener y almacenar un segundo conjunto de datos de imagen tridimensional asociados con una superficie de dicha porción predeterminada de dicho objeto con referencia a un segundo cuadro de coordenadas; y un segundo dispositivo de adquisición y almacenamiento de datos de imagen para obtener y almacenar un tercer conjunto de datos de imagen tridimensional asociados con una sonda móvil colocada en estrecha proximidad a dicha porción predeterminada de dicho objeto con referencia a un tercer cuadro de coordenadas; un procesador de datos de imagen para registrar dichos conjuntos primero, segundo y tercero de datos de imagen tridimensional para generar un conjunto adaptado de los datos de imagen tridimensional en el que dichos cuadros de coordenadas primero, segundo y tercero están relativamente alineados uno con otro.
Materia y resumen de la invención
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El objeto de la presente invención es mejorar el sistema descrito en dicha patente produciendo un sensor óptico que pueda realizar más funciones, tal como funciones de exploración para la detección de perfiles tridimensionales.
El objeto anterior se logra con la presente invención puesto que se refiere a un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el cuerpo de un paciente colocado sobre una estructura de soporte según la reivindicación 1.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 representa esquemáticamente un sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico en el cuerpo de un paciente según la presente invención.
La figura 2 representa un primer detalle del sistema de la figura 1.
Las figuras 3 y 4 muestran un segundo detalle del sistema de la figura 1.
Descripción
La figura 1 representa un sistema según la presente invención incluyendo una estación instrumental 1; un sensor óptico de seguimiento 20 producido según la presente invención y detallado más adelante; en particular, un sensor de infrarrojos configurado para cooperar con la estación instrumental 1; un marcador de paciente 22, provisto de elementos marcadores de infrarrojos M1 y configurado para disponerse en una porción del cuerpo de un paciente P y para cooperar con el sensor de seguimiento 20 (como se describe mejor más adelante); y un marcador de instrumento 26, provisto de una pluralidad de segundos elementos marcadores de infrarrojos M2 (en el ejemplo, esferas M2 opacas a la radiación infrarroja que están en el mismo plano y que tienen una disposición predeterminada una con relación a otra) y configuradas para acoplarse a un instrumento quirúrgico 27 para cooperar con el sensor de seguimiento de infrarrojos 20 (como se describe mejor más adelante). El paciente se coloca sobre una estructura de soporte 7 (típicamente una camilla) que evita el desplazamiento del paciente en el espacio. El paciente está normalmente anestesiado o fuertemente sedado.
En particular, el instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27 (en el ejemplo de la figura 1 una aguja endoscópica) incluye una porción próxima agarrable 25a y una porción distal operativa 25b; el marcador de instrumento 26 está acoplado a una porción intermedia, dejando libre la porción distal 25b. Se deberá indicar que, para mayor claridad de la representación, los tamaños relativos de los elementos representados en las figuras no son proporcionales entre sí.
La estación instrumental 1 (figura 1) incluye una unidad de procesado 4, por ejemplo, un procesador de tipo conocido provisto de un microcontrolador 5 y con una memoria 7, conectados uno a otro; una interfaz de usuario de entrada de datos 6, por ejemplo, incluyendo un teclado y un ratón; una interfaz de visión 8, por ejemplo, un monitor LCD de alta resolución; una interfaz de red 10, configurada para soportar una conexión de red privada y/o pública 11 (por ejemplo, una red Ethernet).
La estación instrumental 1 también incluye una conexión de potencia 12, configurada para suministrar potencia eléctrica a la estación instrumental 1 por medio de una toma de potencia de pared 13; una entrada de seguimiento 15, configurada para soportar una conexión 17 (del tipo de cable o inalámbrica) entre la estación instrumental 1 y el sensor óptico de seguimiento 20; y una unidad de almacenamiento de energía 18, por ejemplo, una batería, conectada a la toma de pared 13 a través de la conexión de potencia 12 y configurada para alimentar temporalmente la estación instrumental 1 en el caso de falta de la potencia suministrada por la toma de pared 13.
Según la realización representada, la unidad de procesado 4 es un ordenador personal (PC), incluyendo una caja protectora externa alojada en un estante de la estación instrumental 1 e integral con la estación instrumental 1 durante cualquier movimiento de este último sobre las ruedas 2.
Con el fin de asegurar que las coordenadas pertenecientes al instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27 y adquiridas por el sistema de seguimiento de infrarrojos/electromagnético 20, siempre con referencia al cuerpo del paciente P, el marcador de paciente 22 está dispuesto en contacto con el paciente de manera que sea integral con él en una región del paciente (externamente) cerca de la región de operación.
Según la realización representada, el marcador de paciente 22 en la versión de infrarrojos de las figuras 1 y 2, incluye un cuerpo 31, por ejemplo, hecho de material plástico o, más en general, un material transparente al sistema de adquisición de imágenes usado. En el ejemplo representado, el cuerpo 31 tiene forma de un bastidor trapezoidal con los elementos marcadores esféricos M1 dispuestos en el vértice del trapecio. No obstante, la forma del elemento marcador puede diferir, por ejemplo, puede tener forma de Y o X, con los elementos marcadores dispuestos en los extremos de los brazos.
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El sistema opera como se describe en la patente EP09425116 del mismo solicitante; en particular, se lleva a cabo un paso de inicialización y calibración en el que se adquieren imágenes TC/RM de una zona de interés; estas imágenes se unen unas a otras usando algoritmos conocidos con el fin de producir una imagen tridimensional que tiene su propio sistema de referencia, el sistema de referencia de la imagen tridimensional se alinea con el del sensor 20 y, finalmente, se realiza un paso operativo en el que la unidad de procesado 4 lleva a cabo una navegación virtual según los modos descritos en EP09425116 usando dicha imagen tridimensional colocada correctamente como modelo tridimensional.
De esta forma, la unidad de procesado 4 permite ver lo siguiente en la unidad de visión 8:
- una representación tridimensional de la región del cuerpo generada en base a la imagen tridimensional reconstruida y colocada correctamente; y
- una representación tridimensional de la porción operativa 25b del instrumento quirúrgico 25, gráficamente superpuesta sobre la representación tridimensional de la región del cuerpo del paciente usando la posición de segundos elementos marcadores y del modelo numérico del instrumento quirúrgico almacenado en la memoria 7.
De esta forma, se obtiene un sistema que es fácil para el médico orientado a operaciones mínimamente invasivas en el quirófano.
Durante las fases de cirugía, un modelo tridimensional de la zona del paciente operado, es decir, que muestra los órganos y tejidos internos, se ve en la interfaz de visión 8. Como se ha indicado, este modelo tridimensional es generado por la unidad de procesado 4.
De esta forma, es posible hacer que la posición interna de tejidos según la imagen obtenida con una exploración de tomografía computarizada sea coherente con la posición actual durante la operación.
La interfaz de visión 8 también representa un modelo tridimensional del instrumento quirúrgico usado superpuesto sobre el modelo tridimensional de la zona del paciente sometido a operación. El tipo de instrumento quirúrgico 25 a ver lo puede elegir el médico que realice la operación a partir de una pluralidad de modelos posibles, previamente creados y almacenados en la memoria 7 de la unidad de procesado 4.
El médico que manipula el instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27 provisto del marcador de instrumento 26 es guiado por las imágenes que aparecen en la interfaz de visión 8 durante toda la operación. La trayectoria del instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27 se calcula con la ayuda de algoritmos de inteligencia artificial de modo que toda la zona implicada sea tratada con el número mínimo de inserciones, asegurando la cobertura total sin chocar en órganos vitales y/u obstáculos. Estos órganos son identificados a través del modelo tridimensional representado en la interfaz de visión 8. La posición del instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27 es introducida en el modelo tridimensional debido a la medición que el sensor de seguimiento 20 realiza en las coordenadas espaciales del marcador de instrumento 26.
El sensor óptico de seguimiento 20 incluye:
- un sistema de visión estereoscópica en el que una primera videocámara de rayos infrarrojos 42-a asociada con un primer iluminador de rayos infrarrojos 43-a es soportada por un primer extremo 40-a de un elemento alargado de soporte 40 y una segunda videocámara de rayos infrarrojos 42-b asociada con un segundo iluminador de rayos infrarrojos 43-b es soportada por un segundo extremo 40-b del elemento alargado de soporte 40;
- un dispositivo de pivote motorizado 45 que tiene un primer extremo 45-a integral con el elemento alargado de soporte 40 y un segundo extremo 45-b que puede estar fijado a una estructura de soporte 46 (parcialmente representada) adaptada para mantener el sensor 20 en una posición alta encima de la camilla 7 en la que está tumbado el paciente P.
Las videocámaras 42-a y 42-b tienen ejes respectivos 47-a y 47-b basculados uno hacia otro y que convergen en una zona de visión FOV en la que está situado el paciente P.
El dispositivo de pivote motorizado 45 tiene al menos dos grados de libertad y produce la rotación del elemento de soporte 40 con relación a la estructura de soporte 46 alrededor de un primer eje (horizontal en el ejemplo) 50 (basculamiento) y según un segundo eje 52 (movimiento horizontal) perpendicular al primero.
El valor instantáneo de un ángulo alfa (con relación a una referencia vertical) alrededor del eje basculante 50 y el valor instantáneo de un ángulo beta (con relación a una referencia vertical) alrededor del eje de movimiento horizontal es detectado por un sensor inercial de estado sólido (inclinómetro) 55 (de tipo conocido - figura 2) dispuesto en el elemento de soporte 40. La señal producida por el sensor inercial 55 es enviada a una unidad de control por microprocesador 57 soportada por el elemento de soporte 40 y adaptada para accionar los accionadores
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(representados más adelante) que producen las rotaciones alrededor del eje basculante 50 y el eje de movimiento horizontal 52.
El control de los accionadores que producen el movimiento del dispositivo de pivote alrededor del eje basculante 50 y alrededor del eje de movimiento horizontal 52 permite que la zona de visión FOV se mueva en el espacio; en particular, como se explicará con más detalle más adelante, la zona de visión FOV es movida con el fin de mantener la imagen del marcador de instrumento 26 detectada por la videocámara 42-a/42-b sustancialmente en el centro de la imagen detectada también en el caso de desplazamiento del instrumento con el fin de realizar una función de seguimiento del marcador de instrumento 26 (y, por lo tanto, del instrumento quirúrgico/de diagnóstico 27) por el sensor óptico de seguimiento 20.
La implementación de los movimientos alrededor de los ejes de basculamiento 50 y movimiento horizontal 52 permite que el sensor 20 rastree la herramienta de operación de modo que siempre esté en el FOV, es decir, en la zona en la que los errores son más bajos.
Con más detalle (figura 2), el elemento de soporte 40 incluye una pared de metal alargada 60 que tiene un par de labios integrales 61 que se extienden a lo largo de los lados más largos de una porción rectangular central plana 60- c de la pared alargada 60. La pared alargada 60 tiene porciones de extremo 60-a, 60-b de la pared alargada 60 de tipo plano integral con la porción central 60-c y plegadas unos pocos grados con relación a la porción central 60-c. Cada porción de extremo 60a, 60-b está provista de un agujero pasante circular 62-a, 62b en el que se aloja un conjunto respectivo incluyendo la videocámara primera/segunda 42-a, 42-b y el iluminador primero/segundo 43-a, 43-b. Por ejemplo, la unidad puede incluir una pared plana 64 en forma de una corona circular que soporta, en su primera cara, los LEDs 65 del iluminador y provista de una videocámara montada coaxialmente en la estructura plana en forma de corona circular 64 (el eje de la videocámara es coaxial con la corona circular).
El primer extremo del elemento de pivote 45 está conectado de forma estable con la porción central 60-c.
El dispositivo de pivote 45 incluye una primera ménsula en forma de L 70 provista de una primera porción plana con un lado más corto 70-a fijado por medio de tornillos 71 en la porción central 60-b y una segunda porción plana con un lado más largo 70-b que lleva un primer accionador 73 de tipo eléctrico provisto de un primer elemento rotativo de salida 74 que gira alrededor del primer eje de basculamiento 50.
Una porción de extremo del primer elemento rotativo de salida 74 está fijada a una primera porción plana de una segunda ménsula en forma de L 75 paralela a la segunda porción plana 70-b. La segunda ménsula en forma de L 75 incluye una segunda porción plana perpendicular a la primera y fijada a una porción de extremo de un segundo elemento rotativo de salida (no visible en las figuras) de un segundo accionador eléctrico 77. El segundo elemento rotativo de salida se extiende desde una caja del segundo accionador 77 y gira alrededor del eje de movimiento horizontal 52. La caja del segundo accionador 77 es integral con un manguito tubular 78, cuya pestaña de extremo circular 79 produce el segundo extremo del pivote 45. El dispositivo de pivote 45 producido según la presente invención incluye un número limitado de piezas y por esta razón es simple de producir, sencillo y robusto y tiene costos limitados. Además, los tamaños del dispositivo de pivote 45 están limitados.
El sensor 20 incluye una caja protectora externa que aloja la pared de metal 60 y los elementos soportados por ella. La caja protectora incluye una envuelta inferior 80 adaptada para fijarse a una cara inferior de la pared 60 y provista de agujeros de extremo (no representados) para las videocámaras 42-a, 42-b y una semiconcha superior 82 adaptada para fijarse a una cara superior de la pared 60 y provista de un agujero central 84 enganchado, en el uso, por el manguito 78.
Preferiblemente, las operaciones de procesado de imágenes para mover los accionadores 73 y 77 son las siguientes:
a) las coordenadas bidimensionales (xa1, ya1 - xa2, ya2 - xa3, ya3) del centro de los marcadores M2 (esferas) son determinadas en las imágenes detectadas por las videocámaras 42-a, 42-b puesto que la única esfera que produce el marcador M se ve como un punto en el espacio;
b) las dos imágenes se mezclan para determinar las coordenadas tridimensionales (en el ejemplo un triplete xa1, ya1, za1 - xa2, ya2, za2 - xa3, ya3, za3, aunque este número puede ser diferente, por ejemplo, cuatro xa1, ya1, za1 - xa2, ya2, za2 - xa3, ya3, za3 - xa4, ya4, za4) del centro de los marcadores M2 en el espacio;
c) en base a las coordenadas tridimensionales (xa1, ya1, za1 - xa2, ya2, za2 - xa3, ya3, za3) definidas, se calcula el centroide de los marcadores y los tres ángulos que conjuntamente con las tres coordenadas identifican los 6 grados de libertad (DOF) que caracterizan la posición de un cuerpo rígido (marcador de instrumento 26) en el espacio;
d) las operaciones a), b) y c) se repiten de forma iterativa en instantes sucesivos con el fin de definir el valor instantáneo de un vector V que proporciona la posición del centroide y la dirección y el sentido de su desplazamiento en el espacio;
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e) la posición del vector se compara con un umbral tridimensional que define un cuboide dentro del que el vector debe contenerse para permitir una buena visión del instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el FOV; si no se respeta el umbral tridimensional, los accionadores son controlados para producir un desplazamiento del centroide a lo largo de la misma dirección y con un sentido opuesto al definido por el vector. La extensión del desplazamiento es tal que el centroide vuelve dentro del umbral tridimensional y permite una buena visión del instrumento quirúrgico/de diagnóstico en el FOV.
El sensor de seguimiento está provisto de:
- un primer generador 90 adaptado para emitir un haz láser LS a lo largo de una primera dirección transversal al elemento alargado de soporte 40 y que interseca la zona de visión FOV. El haz láser LS tiene una longitud de onda visible al ojo humano y se facilita para producir un punto láser (por ejemplo, en forma de una cruz) visible en el cuerpo del paciente P que puede ser usado en un procedimiento para ajuste del sensor 20;
- un segundo generador 92 adaptado para emitir un haz de infrarrojos IR a lo largo de una segunda dirección transversal al elemento alargado de soporte 40 y que interseca la zona de visión FOV que afecta al paciente P.
También se ha previsto un dispositivo de deflexión que produce el movimiento del haz de infrarrojos IR con relación a la estructura de soporte 7 (la camilla 7 en el ejemplo) con el fin de producir un punto IR (visible por las videocámaras) que choca en una zona del paciente y se mueve en el espacio realizando la exploración de dicha zona. La intensidad del haz que produce el punto IR que choca en la piel de la zona del paciente es mucho más grande que la intensidad de la radiación infrarroja dispersada generada por el iluminador primero/segundo 43-a, 43- b. De esta forma, la videocámara primera/segunda 42-a, 42-b genera imágenes en las que la imagen del punto IR proyectado en el paciente es completamente distinguible con relación a las imágenes de los marcadores M1 y M2.
Preferiblemente, el dispositivo de deflexión también puede producir el movimiento del haz láser para mover el punto láser en el cuerpo del paciente.
Las videocámaras 42-a, 42-b están adaptadas para detectar la imagen del punto IR para detectar (por medio de algoritmos de tipo conocido y, por lo tanto, no detallados más) la distancia entre el sensor 20 y el punto y la posición en el espacio (x, y, z) de este punto. La unidad de control 57 está adaptada para correlacionar los valores de distancia medidos para sucesivas posiciones adyacentes del punto IR y repetir las exploraciones para secciones contiguas una a otra (típicamente paralelas) con el fin de obtener un perfil tridimensional de la zona de interés.
Según la presente invención, el generador de rayos infrarrojos es integral con el elemento de soporte 40 y emite un haz láser IR que tiene un basculamiento fijo predeterminado con relación al elemento de soporte 40. En este caso, el dispositivo de deflexión es producido por el dispositivo de pivote 45 que realiza la rotación del elemento de soporte 40 alrededor de los ejes de basculamiento 50 y movimiento 52 para regular la posición en el espacio del haz IR y mover el punto IR a la zona del paciente con el fin de realizar una exploración. Las videocámaras 42-a, 42-b detectan la imagen del punto IR y determinan la distancia entre el sensor 20 y la posición en el espacio (x, y, z) de este punto. En base a estos datos, se obtiene un perfil tridimensional de la zona implicada (por medio de algoritmos conocidos) y se almacena.
De esta forma, los movimientos horizontal y de basculamiento son explotados para obtener el perfil de la zona de interés del paciente. Estos perfiles pueden compararse, por medio de algoritmos de comparación conocidos, con perfiles almacenados obtenidos por imágenes CT/RM previamente detectadas. Esto evita el uso de seguidores manuales o seguidores que tienen que estar alineados con el sistema de coordenadas del sensor 20. De hecho, la referencia entre sensor de seguimiento y sensor de visión es directa, puesto que ambas funciones son realizadas por el mismo dispositivo (el sensor 20).
La figura 3 representa en detalle el sistema óptico de la invención, que incluye una pluralidad de componentes soportados por la estructura de soporte 46, en particular:
- una fuente 100-a configurada para emitir un haz de rayos infrarrojos que se alimenta a una primera entrada de un divisor de haz
-una fuente láser 110-b que emite un haz de luz visible que es alimentado a una segunda entrada del divisor de haz 105-a después de haber pasado a través de un generador de configuración 115-a (por ejemplo, la configuración producida puede ser una cruz, como se ha indicado anteriormente) y haber sido reflejada 90° por un espejo 107-a.
El divisor de haz 105-a está configurado para enviar el haz de rayos infrarrojos y el haz láser que tiene direcciones de propagación paralelas una a otra.
Estos haces se mueven en el espacio gracias al movimiento del dispositivo de pivote 45.
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Según un ejemplo alternativo no cubierto por las reivindicaciones anexas y representado en la figura 4, el generador de rayos infrarrojos 90 es integral con el elemento de soporte 40 y emite un haz láser IR que tiene un basculamiento ajustable con relación al elemento de soporte 40 por medio de un sistema de deflexión óptica. En este caso, el dispositivo de pivote 45 no se usa para realizar la exploración cuando el sistema de deflexión óptica regula la posición en el espacio del haz IR y mueve el punto IR a la zona del paciente realizando una exploración. Las videocámaras 42-a, 42-b detectan la imagen del punto IR y determinan la distancia entre el sensor 20 y la posición en el espacio (x, y, z) de este punto. En base a estos datos, se obtiene y almacena un perfil tridimensional de la zona implicada.
Con referencia especial a la figura 4, el generador de rayos infrarrojos 90 producido según este ejemplo alternativo incluye:
- una fuente 100-b configurada para emitir un haz de rayos infrarrojos que es alimentado a una primera entrada de un divisor de haz 105-b después de ser reflejado por un espejo 107-b para rayos infrarrojos dispuesto basculado 45° con relación a la dirección de propagación del rayo;
-una fuente láser 110-b que emite un haz de luz visible que es alimentado a una segunda entrada del divisor de haz 105-b después de haber pasado a través de un generador de configuración 115-b (por ejemplo, la configuración producida puede ser una cruz, como se ha indicado anteriormente); el divisor de haz 105-b está configurado para enviar el haz de rayos infrarrojos y el haz láser que tienen direcciones de propagación paralelas una a otra;
-un espejo oscilante 117-b en el que el haz de infrarrojos y el haz láser que entra procedente de la salida del divisor de haz son incidentes. El espejo oscilante 117-b está configurado para oscilar alrededor del eje de basculamiento horizontal 50 y alrededor del eje de movimiento horizontal 52.
- Típicamente, el espejo oscilante 117-b se hace usando tecnología MEMS.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema asistido por ordenador para guiar un instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) en el cuerpo de un paciente colocado sobre una estructura de soporte incluyendo:
    - un primer dispositivo marcador de paciente (22) configurado para disponerse en contacto con el paciente de manera que sea integral con una región del cuerpo del paciente (P) a tratar por medio de dicho instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) e incluyendo primeros elementos marcadores (M1);
    - un segundo dispositivo marcador de instrumento (26) configurado para acoplarse a dicho instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27) e incluyendo segundos elementos marcadores (M2);
    - un sensor óptico de seguimiento (20) configurado para localizar dichos marcadores primeros y segundos (M1, M2); y
    - una unidad de procesado (4) conectada al sensor óptico de seguimiento (20) y adaptada para realizar una navegación virtual en base a una imagen tridimensional importada/reconstruida y a la imagen detectada por el sensor óptico de seguimiento (20) para ver en una unidad de visión (8):
    - una representación tridimensional de la región de cuerpo generada en base a dicha imagen tridimensional recolocada con relación al sensor óptico de seguimiento (20); y
    - una representación tridimensional de al menos una porción operativa (25b) del instrumento quirúrgico/de diagnóstico (27), gráficamente superpuesta sobre la representación tridimensional de la región de cuerpo del paciente usando la posición de los segundos elementos marcadores (M2) y de un modelo del instrumento quirúrgico,
    estando provisto dicho sensor óptico de seguimiento (20) de un sistema de visión estereoscópica en el que una primera videocámara de rayos infrarrojos (42-a) asociada con un primer iluminador de rayos infrarrojos (43-a) es soportada por un primer extremo (40-a) de un elemento alargado de soporte (40) y una segunda videocámara de rayos infrarrojos (42-b) asociada con un segundo iluminador de rayos infrarrojos (43-b) es soportada por un segundo extremo (40-b) del elemento alargado de soporte (40); teniendo las videocámaras (42-a y 42-b) ejes respectivos (47- a y 47-b) basculados uno hacia otro y convergentes en una zona de visión (FOV) del sensor óptico de seguimiento (20); incluyendo dicho sensor óptico de seguimiento una unidad de control por microprocesador (57); estando provisto dicho sensor óptico de seguimiento (20) de un generador adaptado para emitir un haz de infrarrojos a lo largo de una dirección que es transversal al elemento alargado de soporte (40) e interseca la zona de visión (FOV) que afecta al paciente (P); incluyendo también el sistema un dispositivo de deflexión que produce el movimiento del haz de infrarrojos con relación al elemento alargado de soporte (40) con el fin de producir un punto de infrarrojos que choca en una zona del paciente y se mueve en el espacio realizando la exploración de dicha zona; estando adaptadas dichas videocámaras (42-a, 42-b) para detectar la posición en el espacio (x, y, z) de dicho punto y estando adaptada la unidad de control por microprocesador (57) para detectar la distancia entre el sensor óptico de seguimiento (20) y la posición en el espacio (x, y, z) del punto; estando adaptada la unidad de control por microprocesador (57) para correlacionar los valores de distancia medidos para sucesivas posiciones adyacentes del punto y repetir las exploraciones para secciones contiguas una a otra con el fin de obtener un perfil tridimensional de la zona de interés,
    caracterizado porque el sensor óptico de seguimiento (20) también incluye un dispositivo de pivote motorizado (45) que tiene un primer extremo (45-a) integral con el elemento alargado de soporte (40) y un segundo extremo (45-b) que puede estar fijado a una estructura de soporte (46); dicho dispositivo de pivote motorizado tiene al menos dos grados de libertad y produce la rotación del elemento alargado de soporte (40) con relación a la estructura de soporte (46) alrededor de un primer eje de basculamiento horizontal (50) y según un segundo eje de movimiento horizontal (52) perpendicular al primer eje de basculamiento horizontal (50); la unidad de control por microprocesador (57) está configurada para mover los accionadores que producen las rotaciones alrededor del primer eje de basculamiento horizontal (50) y el segundo eje de movimiento horizontal (52) para mover la zona de visión en el espacio; el generador de rayos infrarrojos es integral con el elemento alargado de soporte (40) y emite un haz láser de infrarrojos que tiene un basculamiento predeterminado con relación al elemento alargado de soporte (40); el dispositivo de deflexión consta del dispositivo de pivote motorizado (45) que realiza la rotación del elemento alargado de soporte (40) alrededor del primer basculamiento horizontal (50) y los segundos ejes de movimiento horizontales (52) para regular la posición en el espacio del haz de infrarrojos y mover el punto de infrarrojos a la zona del paciente con el fin de realizar una exploración.
  2. 2. Sistema según la reivindicación 1, donde dicho generador incluye un sistema óptico soportado por el elemento de soporte e incluyendo:
    - una fuente (100-a) configurada para emitir un haz de rayos infrarrojos que es alimentado a una primera entrada de un divisor de haz (105-a);
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    - una fuente láser (110-a) que emite un haz de luz visible que es alimentado a una segunda entrada del divisor de haz (105-a) después de haber pasado a través de un generador de configuración (115-a); el divisor de haz (105-a) está configurado para enviar el haz de rayos infrarrojos y el haz láser que tiene direcciones de propagación paralelas una a otra.
  3. 3. Sistema según alguna de las reivindicaciones precedentes donde la unidad de control por microprocesador (57) está configurada para mover la zona de visión y mantener la imagen del marcador de instrumento (26) detectada por la videocámara (42-a/42-b) sustancialmente en el centro de la misma imagen también en el caso de desplazamiento del instrumento con el fin de realizar una función de seguimiento del marcador de instrumento por el sensor óptico de seguimiento (20).
  4. 4. Sistema según la reivindicación 1, donde se facilita un sensor inercial (55), en particular un inclinómetro, soportado por el elemento alargado de soporte (40) y adaptado para detectar el valor instantáneo de un ángulo alfa alrededor del primer eje de basculamiento horizontal (50) con relación a una referencia y el valor instantáneo de un ángulo beta alrededor del segundo eje de movimiento horizontal (52) con relación a una referencia; la señal producida por el sensor inercial (55) es enviada a dicha unidad de control por microprocesador (57).
  5. 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones dependientes, donde la unidad de control por microprocesador (57) es soportada por el elemento alargado de soporte (40).
  6. 6. Sistema según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde el elemento alargado de soporte (40) incluye una pared alargada (60) incluyendo una porción rectangular central plana (60-c) y porciones planas de extremo (60- a, 60-b) dispuestas basculadas con relación a la porción central (60-c); cada porción de extremo (60-a, 60-b) está provista de un agujero pasante (62-a, 62-b) en el que se aloja un conjunto respectivo incluyendo la videocámara primera/segunda (42-a, 42-b) y el iluminador primero/segundo (43-a, 43-b); el primer extremo del dispositivo de pivote motorizado (45) está conectado de forma estable con la porción central (60-c).
  7. 7. Sistema según la reivindicación 6, donde cada conjunto incluye una pared de soporte plana (64) en forma de una corona circular que soporta, en su primera cara, una pluralidad de LEDs (65) del iluminador y provista de una videocámara montada coaxialmente en la pared de soporte plana en forma de corona circular (64).
  8. 8. Sistema según la reivindicación 1, donde el dispositivo de pivote motorizado (45) incluye una primera ménsula en forma de L (70) provista de una primera porción plana con un lado más corto (70-a) fijado en la porción central (60-b) y una segunda porción plana con un lado más largo (70-b) que lleva un primer accionador (73) de tipo eléctrico provisto de un primer elemento rotativo de salida (74) que gira alrededor del primer eje de basculamiento horizontal (50);
    una porción de extremo del primer elemento rotativo de salida (74) está fijada a una primera porción plana de una segunda ménsula (75) que incluye una segunda porción plana perpendicular a la primera porción y fijada a una porción de extremo de un segundo elemento rotativo de salida de un segundo accionador eléctrico (77); el segundo elemento rotativo de salida se extiende desde una caja del segundo accionador eléctrico (77) y gira alrededor del segundo eje de movimiento horizontal (52);
    la caja del segundo accionador eléctrico (77) es integral con un elemento que produce el segundo extremo del dispositivo de pivote motorizado (45).
  9. 9. Sistema según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde dicho sensor óptico de seguimiento (20) está provisto de un primer generador adaptado para emitir un haz láser LS a lo largo de una primera dirección que es transversal al elemento alargado de soporte (40) e interseca la zona de visión (FOV); el haz láser LS tiene una longitud de onda visible al ojo humano y está destinado a producir un punto láser visible en el cuerpo del paciente P que puede ser usado en un procedimiento para ajuste del sensor óptico de seguimiento (20).
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