ES3062033T3

ES3062033T3 - System for computer guided surgery

Info

Publication number: ES3062033T3
Application number: ES20720079T
Authority: ES
Inventors: Blaise Bleunven; Cyril Moulin; Sophie Cahen; Rodas Nicolas Loy; Michel Bonnin; Si Selmi Tarik Ait; Marion Decrouez
Original assignee: Ganymed Robotics SAS
Current assignee: Ganymed Robotics SAS
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2026-04-08
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: JP7510438B2; EP3958779A1; US20230355312A1; FR3095331A1; US20220296302A1; EP3958779C0; JP2022530490A; AU2020261291B2; CN113950301B; CA3137982A1; EP3958779B1; US12064187B2; US20260060754A1; CN113950301A; AU2020261291A1; WO2020216934A1

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema para cirugía guiada por ordenador

[0003] Campo de la invención

[0004] La presente invención se refiere a la cirugía guiada por ordenador. Este campo comprende un conjunto de sistemas informáticos y/o físicos diseñados para ayudar al cirujano a planificar y/o realizar una intervención quirúrgica. Incluye las tres familias de sistemas siguientes: sistemas de navegación, sistemas robóticos y/o sistemas de guía de realidad aumentada o mixta.

[0005] Los principales elementos de los sistemas actuales de cirugía guiada por ordenador son los siguientes. En primer lugar, la creación de un modelo digital del paciente: ya sea a partir de datos preoperatorios específicos del paciente obtenidos mediante formación de imágenes médicas (tomografía computarizada, IRM, rayos X, etc.) o generados durante la cirugía mediante un procesamiento informático que combina bases de datos genéricas (por ejemplo, atlas anatómicos, modelos estadísticos de formas) y la adquisición de imágenes intraoperatorias (fluoroscopia, ecografía, etc.) o datos de la anatomía del paciente obtenidos mediante sistemas de palpación y localizadores tridimensionales.

[0006] En segundo lugar, la generación de un plan quirúrgico a partir del procesamiento informático del modelo digital del paciente. Esta tarea se realiza antes del procedimiento en el caso de que el modelo del paciente se derive de datos preoperatorios, o al principio cuando se deriva de datos intraoperatorios.

[0007] En tercer lugar, la navegación quirúrgica basada en un método para hacer coincidir los datos preoperatorios con los datos intraoperatorios. La navegación quirúrgica permite al cirujano visualizar la posición actual de los instrumentos quirúrgicos en relación con la anatomía del paciente y realizar un seguimiento del progreso de la cirugía en relación con la planificación quirúrgica. En los sistemas de navegación estándar, esta información se muestra en una pantalla. En los sistemas de navegación de realidad mixta, la guía quirúrgica se muestra mediante realidad aumentada o virtual a través de un casco o unas gafas en forma de realidad aumentada o virtual.

[0008] En cuarto lugar, un sistema para ayudar a la realización del gesto quirúrgico: se puede producir instrumentación específica para el paciente (por ejemplo, guías de corte o fresado personalizadas) a partir de la planificación preoperatoria. Alternativamente, se proporciona al cirujano información visual de apoyo a la toma de decisiones. Si un sistema electromecánico ayuda al cirujano a realizar el procedimiento quirúrgico, es un sistema robótico. Esta invención pertenece al campo de la cirugía guiada por ordenador para la navegación de sistemas robóticos, con la artroplastia unicompartimental y total de rodilla como aplicaciones principales, pero no exclusivas.

[0009] La artroplastia robótica asistida por ordenador utiliza sistemas activos o colaborativos (sistemas sinérgicos que combinan las habilidades del cirujano y el robot para formar una asociación que mejora el rendimiento) y sistemas de navegación pasivos.

[0010] Antecedentes de la invención

[0011] En la técnica anterior se implementan generalmente dos soluciones principales.

[0012] La primera solución implica el uso de marcadores colocados en los instrumentos óseos y quirúrgicos, combinados con un sistema de seguimiento óptico para garantizar que los puntos de referencia reales y digitales coincidan y para conocer la posición exacta de los huesos y los instrumentos quirúrgicos en el espacio. Un ejemplo de este tipo de solución se presenta en la patente estadounidense US 10,136,950 B2, que usa un marcador quirúrgico para ajustarse a la anatomía de un paciente configurado para ser seguido por un sistema de navegación. Para lograr la planificación, el seguimiento y la navegación precisos de los instrumentos, herramientas y/o dispositivos médicos quirúrgicos durante un procedimiento quirúrgico mediante la navegación quirúrgica, los cirujanos suelen combinar “distribuciones de seguimiento” a los marcadores quirúrgicos. Estas distribuciones de seguimiento permiten a los cirujanos hacer seguimiento de la ubicación física de estos componentes quirúrgicos, así como los huesos del paciente durante la cirugía. Al conocer la ubicación física de la distribución de seguimiento, el software asociado con el sistema de seguimiento puede calcular con precisión la posición del componente seguido en relación con una imagen del plan quirúrgico. Sin embargo, el uso de marcadores que se atornillan al hueso crea un riesgo de fractura en el punto de anclaje y alarga el tiempo de operación. Además, la visibilidad de los marcadores (línea de visión) debe garantizarse durante toda la operación, por lo que este tipo de soluciones no son resistentes a las oclusiones y limitan la posición del personal quirúrgico en relación con el campo quirúrgico. Multiplican la cantidad de etapas y herramientas (marcadores, sonda) y requieren una palpación mecánica de la estructura anatómica para que coincida con el modelo digital. Estas limitaciones aumentan el tiempo del procedimiento con un trabajo tedioso y requieren que el cirujano y el personal quirúrgico aprendan cómo colocar los marcadores y cómo se lleva a cabo la operación. Finalmente, el sistema de seguimiento óptico asociado es engorroso y caro.

[0013] Además, ningún seguimiento puramente óptico permite un bucle de control en tiempo real. Para alcanzar este nivel de rendimiento, se requiere un seguimiento mecánico.

[0014] El documento de Koulechiv (Kirill Koulechiv), “Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente in der Kopf-Chirurgie”, 26 de abril de 2006 (Universidad Técnica de Múnich) describe un sistema de cirugía guiada por ordenador para operaciones en una estructura anatómica (en particular, la mandíbula), que se basa en marcadores de titanio (fiduciales) y un seguidor externo de pacientes.

[0015] El documento WO 2017/185170 A1 divulga un sistema de navegación quirúrgica con un generador de escaneo de superficie 3D, un módulo de registro, un módulo de localización intraoperatoria y un módulo de registro de imágenes opcional. Se genera una superficie de la anatomía a partir de escaneos 3D y se registra en un marco de coordenadas de localización mediante seguidores fijos. Luego, las herramientas quirúrgicas se localizan en relación con esta superficie y, opcionalmente, las imágenes preoperatorias (CT/IRM) se pueden superponer para su visualización.

[0016] El documento de Hartwig y col. (Atze, Hartwig y col. Quantitative measurements of soft tissue structures using image-features in navigated endoscopy".5ª Conferencia mundial del IEEE sobre electrónica de consumo 2016. IEEE, 2016.) divulga un método para la medición cuantitativa de estructuras anatómicas durante procedimientos endoscópicos. El sistema integra un videoendoscopio seguido con técnicas de visión por ordenador, (estructura a partir del movimiento) y un sistema de seguimiento óptico para reconstruir un modelo 3D virtual de la anatomía observada de los tejidos blandos. Esto permite la medición en tiempo real de las características del tejido, como el tamaño del tumor o del pólipo, que de otro modo se estiman visualmente. El segundo tipo de solución implica soluciones ionizantes de visualización intraoperatoria, como la fluoroscopia. Durante la cirugía ortopédica y traumatológica, un sistema de navegación basado en la fluoroscopia permite el seguimiento de los instrumentos quirúrgicos y la superposición de su contorno en las imágenes de fluoroscopia en tiempo real. Para la fluoronavegación, los instrumentos utilizados durante la intervención quirúrgica se equipan con marcadores acoplados a un sistema de localización. Sin embargo, este segundo tipo de solución también presenta las mismas desventajas que el primero: falta de robustez ante las oclusiones, lo que limita la posición del personal quirúrgico con respecto al campo quirúrgico, multiplica la cantidad de instrumentos necesarios y lleva equipos adicionales y engorrosos a la sala de cirugía (dispositivos con brazo en C). Esta segunda solución implica además el uso de radiación ionizante, que es perjudicial tanto para el paciente como para el personal médico circundante que realiza la cirugía.

[0017] Compendio

[0018] La presente invención se refiere a permitir la alineación de al menos una acción quirúrgica planificada definida en un entorno virtual con una acción quirúrgica física en un entorno real, más específicamente un quirófano para una cirugía ortopédica.

[0019] La implementación de esta invención se refiere, por ejemplo, a situaciones en las que una trayectoria, posición, desplazamiento u otras acciones se determinan primero por medio de una simulación digital, por ejemplo, una simulación de planificación quirúrgica, en un referencial virtual. Para que sea utilizable en un entorno real, es necesario transponer esta trayectoria, posición, desplazamiento u otras acciones a un referencial real del paciente, sobre el que se van a aplicar las acciones. Para ello, se deben determinar múltiples transformaciones para hacer coincidir el referencial virtual con el referencial real del paciente.

[0020] Preferiblemente, la invención se refiere al control automatizado de un soporte para una herramienta de mecanizado óseo, con el fin de cumplir con la planificación quirúrgica.

[0021] Otro ejemplo de aplicación de la invención se refiere a la realidad aumentada, para controlar la posición de una imagen superpuesta en el área de visión de un operador, por ejemplo un cirujano, ya sea desde unas gafas de visión aumentada o desde un proyector.

[0022] La presente invención se refiere a un sistema para cirugía guiada por ordenador que comprende la transposición de una acción, planificada en un entorno virtual con respecto a un referencial virtual R, a una acción física realizada con una herramienta quirúrgica en un entorno de quirófano real para la cirugía ortopédica de un paciente, dicha herramienta quirúrgica se fija a una cadena cinemática que comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de la cadena cinemática; que comprende:

[0023] − un módulo de recepción configurado para recibir al menos una imagen 3D adquirida de al menos un sensor de formación de imágenes 3D; dicha imagen 3D comprende al menos una parte de una estructura anatómica de destino del paciente;

[0024] − un módulo de cálculo configurado para:

[0025] o calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>mediante el registro de un modelo digital del objetivo con la al menos una parte del objetivo comprendida en la imagen 3D;

[0027] o aplicar la transformación<C>Tpara registrar dicho modelo digital del objetivo en el referencial de objetivo R<C>de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del objetivo tenga una posición conocida en el referencial de objetivo R<C>;

[0029] o calcular una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>;

[0031] o aplicar la transformación<C>T<O>al referencial de la herramienta quirúrgica R<O>para conocer la posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica en el referencial de objetivo R<C>;

[0032] para conocer la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>con el fin de reproducir la acción planificada en el referencial virtual Ren el referencial de objetivo R<C>.

[0033] En la presente invención, la estructura anatómica de destino es un hueso objetivo.

[0034] Según una realización, el módulo de cálculo se configura además para calcular la transformación<C>T<A>mediante: − definir una región de interés en la imagen 3D que comprende dicho objetivo;

[0035] − registrar dicha región de interés que comprende el objetivo en el modelo digital del objetivo para determinar<C>T<A.>

[0036] Según una realización, la definición de una región de interés comprende una detección automatizada de dicha región de interés por medio de un algoritmo de segmentación.

[0037] Según una realización, la cadena cinemática comprende al menos una referencia mecánica fijada rígidamente a la estructura anatómica de destino y la al menos una imagen 3D comprende al menos una parte de la referencia mecánica; el módulo de cálculo se configura además para:

[0038] • calcular una transformación<O>T<M>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de la referencia mecánica R<M>utilizando los datos obtenidos de la unidad de sensor comprendida en la cadena cinemática;

[0039] • calcular una transformación<M>T<A>entre el referencial de la referencia mecánica R<M>y el referencial de adquisición R<A>haciendo coincidir un modelo digital de la referencia mecánica con al menos una parte de la referencia mecánica comprendida en la imagen 3D;

[0040] de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de las transformaciones<O>T<M>,<M>T<A>y<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>, el referencial de referencia mecánica R<M>y el referencial de objetivo R<C>. Según una realización en donde la estructura anatómica de destino se fija en al menos una referencia mecánica, el sistema comprende además un módulo de corrección configurado para hacer seguimiento de los movimientos del objetivo con respecto al herramienta quirúrgica utilizando la unidad de sensor de la cadena cinemática y, de modo que siempre que se detecte una desviación en la posición y/u orientación espacial del objetivo, la transposición de las acciones planificadas del entorno virtual al entorno real se corrija para dicha desviación. Esta realización permite ventajosamente evitar la necesidad de un seguimiento visual o un nuevo procedimiento de registro cuando el paciente se mueve.

[0041] Según una realización, si al menos un sensor de formación de imágenes 3D se fija a la cadena cinemática, el módulo de cálculo se configura además para calcular una transformación<A>T<O>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>a partir de los datos obtenidos de la unidad de sensor de la cadena cinemática, de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de la transformación<A>T<O>y la transformación<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>y el referencial de objetivo R<C>.

[0042] Según una realización, la adquisición de la imagen 3D recibida por el módulo de recepción se lleva a cabo utilizando al menos dos sensores y un proyector para llevar a cabo una adquisición por estereovisión o luz estructurada.

[0043] Según una realización, el sensor de formación de imágenes 3D fijado en la cadena cinemática se mueve a lo largo de una trayectoria conocida y se adquieren múltiples imágenes 3D a lo largo de la trayectoria. El módulo de cálculo se configura además para procesar conjuntamente múltiples imágenes 3D adquiridas a lo largo de la trayectoria a fin de utilizar múltiples imágenes 3D para el registro con el modelo digital del objetivo.

[0044] Según una realización, el módulo de recepción se configura además para recibir una imagen térmica, una imagen de ultrasonidos, una imagen multiespectral, una imagen a escala microscópica y/o una imagen monocular en color.

[0045] Según una realización, cuando el sensor de formación de imágenes 3D se fija a la cadena cinemática, el sistema comprende además un módulo de corrección configurado para hacer seguimiento de los movimientos del objetivo con respecto a la herramienta quirúrgica utilizando el sensor de formación de imágenes 3D y un algoritmo de seguimiento visual, de modo que siempre que se detecte una desviación en la posición y/o la orientación espacial del objetivo, la transposición de las acciones planificadas del entorno virtual al entorno real se corrija por dicha desviación.

[0046] La presente invención se refiere a un soporte de almacenamiento legible por ordenador o a un programa informático que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo un método de cirugía guiada por ordenador que comprende la transposición de una acción, planificada en un entorno virtual con respecto a un referencial virtual R, a una acción física realizada con una herramienta quirúrgica en un entorno de quirófano real para la cirugía ortopédica de un paciente, dicha herramienta quirúrgica se fija a una cadena cinemática que comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de la cadena cinemática; dicho método comprende las siguientes etapas:

[0047] − recibir al menos una imagen 3D adquirida de al menos un sensor de formación de imágenes 3D; dicha imagen 3D comprende al menos una parte de una estructura anatómica de destino del paciente;

[0048] − calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo Rc y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>mediante el registro de un modelo digital del objetivo con al menos una parte del objetivo comprendida en la imagen 3D;

[0049] − aplicar la transformación<C>Tpara registrar dicho modelo digital del objetivo en el referencial de objetivo R<C>de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del objetivo tenga una posición conocida en el referencial de objetivo R<C>;

[0050] − calcular una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>;

[0051] − aplicar la transformación<C>T<O>al referencial de la herramienta quirúrgica R<O>para conocer la posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica en el referencial de objetivo R<C>;

[0052] para conocer la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>con el fin de reproducir la acción planificada en el referencial virtual Ren el referencial de objetivo R<C>.

[0053] Según una realización, el cálculo de la transformación<C>T<A>comprende las siguientes etapas:

[0054] − definir una región de interés en la imagen 3D que comprende dicho objetivo;

[0055] − registrar dicha región de interés que comprende el objetivo en el modelo digital del objetivo para determinar<C>T<A.>

[0056] Según una realización, la etapa de definir una región de interés comprende una detección automatizada de dicha región de interés por medio de un algoritmo de segmentación.

[0057] Según una realización, el al menos un sensor de formación de imágenes 3D se fija a la cadena cinemática. El método comprende además las etapas de calcular una transformación<A>T<O>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>a partir de los datos obtenidos de la unidad de sensor de la cadena cinemática, de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de la transformación<A>T<O>y la transformación<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>y el referencial de objetivo R<C>.

[0058] Según una realización, la cadena cinemática comprende al menos una referencia mecánica fijada rígidamente a la estructura anatómica de destino y la al menos una imagen 3D comprende al menos una parte de la referencia mecánica; el método comprende además las etapas de:

[0059] − calcular una transformación<O>T<M>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de la referencia mecánica R<M>usando los datos obtenidos de la unidad de sensor comprendida en la cadena cinemática;

[0060] − calcular una transformación<M>T<A>entre el referencial de la referencia mecánica R<M>y el referencial de adquisición R<A>haciendo coincidir un modelo digital de la referencia mecánica con la al menos una parte de la referencia mecánica comprendida en la imagen 3D;

[0061] de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de las transformaciones<O>T<M>,<M>T<A>y<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>, el referencial de referencia mecánica R<M>y el referencial de objetivo R<C>. Según una realización en donde la referencia mecánica se fija rígidamente a la estructura anatómica de objetivo, la unidad de sensor de la cadena cinemática hace seguimiento de los movimientos del objetivo con respecto a dicha herramienta quirúrgica, de modo que cada vez que se detecta una desviación en la posición y/o la orientación espacial del objetivo, la transposición de las acciones planificadas del entorno virtual al entorno real se corrige para tener en cuenta dicha desviación.

[0062] Según una realización, dicha cadena cinemática consiste en una estructura deformable que comprende múltiples elementos rígidos conectados por articulaciones.

[0063] Según una realización, dicha cadena cinemática comprende además sensores para medir las fuerzas aplicadas a sus elementos.

[0064] Según una realización, la adquisición de la imagen 3D recibida por el módulo de recepción se lleva a cabo utilizando al menos dos sensores y un proyector para llevar a cabo una adquisición por estereovisión o luz estructurada.

[0065] Según una realización, el sensor de formación de imágenes 3D fijado en la cadena cinemática se mueve a lo largo de una trayectoria conocida y se adquieren múltiples imágenes 3D a lo largo de la trayectoria, el método comprende además una etapa de procesamiento conjunto de múltiples imágenes 3D adquiridas a lo largo de la trayectoria para usar múltiples imágenes 3D para el registro con el modelo digital del objetivo.

[0066] Según una realización, el método comprende además recibir una imagen térmica, una imagen de ultrasonidos, una imagen multiespectral, una imagen a escala microscópica y/o una imagen monocular en color.

[0067] Según una realización donde el sensor de formación de imágenes 3D está fijo en la cadena cinemática, los movimientos del objetivo con respecto a dicha herramienta quirúrgica son seguidos por el sensor de formación de imágenes 3D y un algoritmo de seguimiento visual, de modo que cada vez que se detecta una desviación en la posición y/u orientación espacial del objetivo, la transposición de las acciones planificadas del entorno virtual al entorno real se corrige para dicha desviación.

[0068] Según una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se genera a partir de imágenes de tomografía computarizada o imágenes de IRM.

[0069] Según una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se genera usando radiografías de rayos X 2D que comprenden el objetivo, un modelo de forma estadística del objetivo y/o la imagen 3D adquirida intraoperatoriamente por el sensor de formación de imágenes 3D.

[0070] Según una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se modifica digitalmente para simular el ruido de medición o la presencia de cartílago, calculándose dichas modificaciones a partir de datos de entrenamiento o datos de simulación biomecánica.

[0071] Según una realización, la acción de hacer coincidir un modelo digital del objetivo con la al menos una parte del objetivo comprendida en la imagen 3D es una transformación no rígida.

[0072] La presente invención se refiere además a un producto de programa informático que comprende instrucciones que, cuando el programa es ejecutado por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo las etapas del método según cualquiera de las realizaciones descritas en esta memoria.

[0073] La presente invención también se refiere a un soporte de almacenamiento legible por ordenador que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo las etapas del método según cualquiera de las realizaciones descritas en esta memoria.

[0074] Como se ha descrito anteriormente, una realización de la presente invención se refiere a un soporte de almacenamiento legible por ordenador o a un programa informático que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo un método de cirugía guiada por ordenador utilizando una cadena cinemática que comprende al menos una referencia mecánica fijada rígidamente a la estructura anatómica objetivo. Los siguientes párrafos se refieren a esta realización específica. El método, llevado a cabo por ordenador, implementa una referencia mecánica vinculada cinemáticamente a través de la cadena cinemática con la herramienta quirúrgica: durante toda la operación, la posición y la orientación de la herramienta quirúrgica en relación con la referencia mecánica se conocen gracias a los sensores de posición y/o desplazamiento de los componentes de la cadena cinemática. Por otro lado, la referencia mecánica se vincula rígidamente al elemento óseo que se va a mecanizar (es decir, el objetivo). Durante la operación, la invención utiliza datos de profundidad (también denominados imágenes 3D) para realizar un registro del elemento óseo con los datos de planificación obtenidos de forma preoperatoria o intraoperatoria (al comienzo de la operación, después de la incisión de los tejidos blandos pero antes de las resecciones óseas), comprendiendo dichos datos de planificación el modelo digital del objetivo y la acción quirúrgica planificada que se realizará durante la cirugía ortopédica. De esta manera, se determina la posición y la orientación de la referencia mecánica con respecto al objetivo. El proceso de registro y el conocimiento de la geometría de la cadena cinemática permiten determinar la trayectoria de la herramienta quirúrgica en el marco de referencia del objetivo. La posición y la orientación de la herramienta quirúrgica con respecto al elemento óseo se conocen en todo momento y su trayectoria se puede corregir en caso, por ejemplo, de movimiento del paciente, para cumplir con la planificación quirúrgica previamente establecida.

[0075] La presente invención supera las desventajas de la técnica anterior, ya que no requiere imágenes ionizantes ni múltiples marcadores ópticos para permitir el control de un portaherramientas quirúrgicas con el fin de realizar las acciones comprendidas en la planificación quirúrgica. Al ser potencialmente dañina y consumir mucho tiempo, la presente invención presenta un beneficio directo para la salud tanto para los equipos médicos como para los pacientes. También ofrece ventajas en términos de duración del procedimiento y facilidad de uso para el cirujano.

[0076] La presente invención se refiere a un soporte de almacenamiento legible por ordenador o a un programa informático que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo un método que comprende las siguientes etapas.

[0077] Una primera etapa de adquisición de al menos una imagen 3D de uno o más sensores de imágenes 3D de una escena que incluye:

[0078] − al menos una parte de un objetivo (es decir, el elemento óseo que se va a mecanizar);

[0079] − al menos una parte de la referencia mecánica vinculada cinemáticamente a dicha herramienta.

[0080] Una segunda etapa de correlacionar dicha imagen 3D con un modelo digital del objetivo mediante la aplicación de algoritmos de procesamiento de imágenes para determinar la transformación<C>T<A>que define la posición y la orientación espacial del referencial de adquisición R<A>con respecto al referencial del objetivo R<C>.

[0081] Una tercera etapa de correlacionar dicha imagen 3D con un modelo digital de la referencia mecánica, que permite determinar la transformación<MT>A

que define la posición y la orientación del referencial de adquisición del sensor de imagen 3D R<A>con respecto al referencial de la referencia mecánica R<M>.

[0082] Una cuarta etapa para calcular la matriz de transformación entre el referencial de objetivo R<C>y el referencial de referencia mecánica R<M>utilizando las matrices de transformación<C>T<A>y<M>T<A>.

[0083] Una quinta etapa de transposición de la planificación inicial al referencial de objetivo R<C>.

[0084] Paralelamente, el método, llevado a cabo por el ordenador, comprende etapas de adquisición en tiempo real de las posiciones, la orientación espacial y/o los desplazamientos de los elementos de la cadena cinemática que une dicha referencia mecánica a dicha herramienta quirúrgica durante dicha acción física utilizando la herramienta quirúrgica.

[0085] Ventajosamente, el presente método, llevado a cabo por un ordenador, no se basa en la monitorización óptica en tiempo real de la escena. Por lo tanto, evita los problemas asociados con los sistemas de navegación quirúrgicos estándar, como la multiplicidad de marcadores y la pérdida de seguimiento en caso de oclusión del área operatoria. De hecho, una vez que se conocen los datos de planificación en el referencial de objetivo R<C>, los sensores de la cadena cinemática proporcionan conocimiento de la posición y orientación de la herramienta quirúrgica en relación con el objetivo a calcular en cualquier momento.

[0086] Según una variante, dichas etapas de correlación segunda y tercera se sustituyen por las siguientes etapas. Una etapa de extracción de la región de interés que consiste en extraer una primera región de interés correspondiente a dicho objetivo y una segunda región de interés correspondiente a dicha referencia mecánica para determinar:

[0087] − un primer subconjunto de dicha imagen digital 3D asociada a dicho objetivo;

[0088] − un segundo subconjunto de dicha imagen digital 3D asociado a dicha referencia mecánica.

[0089] La extracción de las regiones de interés se puede realizar automáticamente mediante algoritmos de segmentación.

[0090] Una etapa de correlacionar dicho primer subconjunto asociado con dicho objetivo con el modelo digital de dicho objetivo para determinar la transformación<C>T<A.>

[0091] Una etapa de correlacionar dicho subconjunto asociado a dicha referencia mecánica con el modelo digital de dicha referencia mecánica para determinar la transformación<MT>A

.

[0092] Según las variaciones de la realización, tomadas individualmente o en una combinación técnicamente realista, la invención también se refiere a las siguientes características adicionales:

[0093] − la cadena cinemática consiste en una estructura rígida deformable que comprende sensores que miden las posiciones relativas de sus componentes;

[0094] − dicha primera etapa de adquisición de una imagen 3D se lleva a cabo mediante la adquisición de imágenes 3D texturizadas utilizando al menos dos cámaras y un proyector para llevar a cabo una adquisición por estereovisión;

[0095] − dicha primera etapa de adquisición de una imagen 3D se lleva a cabo mediante la adquisición de imágenes 3D texturizadas utilizando al menos dos sensores y un proyector para llevar a cabo una adquisición mediante luz estructurada;

[0096] − dicha primera etapa de adquisición comprende además la adquisición de una imagen RGB-D;

[0097] − dicha primera etapa de adquisición comprende además la adquisición de una imagen térmica;

[0098] − dicha primera etapa de adquisición incluye además la adquisición de imágenes ultrasónicas;

[0099] − dicha primera etapa de adquisición comprende además la adquisición de una imagen multiespectral; − dicha primera etapa de adquisición comprende además una adquisición de una imagen a escala microscópica;

[0100] − dicha primera etapa de adquisición incluye además la adquisición de una imagen monocular en color; − los movimientos de dicha herramienta quirúrgica con respecto al objetivo son seguidos por medio de sensores de posición y/o desplazamiento de los elementos de la cadena cinemática entre el objetivo y dicha herramienta quirúrgica, lo que permite corregir la transposición de las acciones planificadas en un entorno virtual al entorno real;

[0101] − dicho modelo digital tridimensional del objetivo se ha generado a partir de imágenes de escáner o IRM; − dicho modelo digital tridimensional del objetivo se ha modificado digitalmente para simular el ruido de medición o la presencia de cartílago, calculándose dichas modificaciones a partir de datos de entrenamiento o datos de simulación biomecánica;

[0102] Ventajosamente, dicho procesamiento de restablecimiento digital de la segunda etapa que permite determinar la transformación<C>T<A>que define la posición y la orientación del referencial de adquisición R<A>con respecto al referencial de objetivo R<C>no es rígido.

[0103] Definiciones

[0105] En la presente invención, los siguientes términos tienen los siguientes significados:

[0107] −“Sensor 3D”o“cámara 3D”o“cámara de profundidad”o“escáner 3D”se refiere a un sensor 3D que es un sistema para adquirir datos topológicos de una escena real en 3 dimensiones.

[0109] Estos datos topológicos se registran en forma de nube de puntos y/o mapa de profundidad.

[0111] Múltiples técnicas de adquisición permiten obtener estos datos topológicos, por ejemplo:

[0113] • técnicas basadas en la medición del tiempo de propagación de las ondas, como los ultrasonidos o la luz (LIDAR, tiempo de vuelo);

[0115] • cámara o sensor estereoscópico, que es un tipo de cámara con dos o más lentes con un sensor de imagen o marco de película independiente para cada lente. Esto permite a la cámara simular la visión binocular humana y, por lo tanto, le da la capacidad de capturar imágenes tridimensionales;

[0117] • técnicas basadas en la deformación de la luz, como los escáneres 3D de luz estructurada que proyectan un patrón de luz sobre un objeto y observan la deformación del patrón en el objeto. La ventaja de los escáneres 3D de luz estructurada es la velocidad y la precisión. En lugar de escanear un punto a la vez, los escáneres de luz estructurada escanean varios puntos o todo el campo de visión a la vez. Escanear un campo de visión completo en una fracción de segundo reduce o elimina el problema de la distorsión provocada por el movimiento;

[0119] • técnicas basadas en el escaneo láser para tomar muestras o escanear una superficie mediante tecnología láser, como el láser portátil o el escáner láser 3D con tiempo de vuelo;

[0121] Estos términos también pueden referirse a una cámara RGB-D, de color, multiespectral o térmica.

[0122] −"Referencial"se refiere a un sistema de coordenadas que usa uno o más números, o coordenadas, para determinar de manera única la posición de los puntos u otros elementos geométricos en una variedad como el espacio euclidiano.

[0124] −“Seguimiento”,en visión por ordenador, se refiere a la acción de seguir la posición y la orientación espacial de un objeto entre imágenes sucesivas de un flujo. El seguimiento basado en marcadores se basa en el uso de un dispositivo de localización asociado a un marcador adjunto al objeto de interés. El seguimiento sin marcadores se basa en extraer las características visuales del propio objeto de interés y hacerlas coincidir fotograma a fotograma.

[0126] −“Registro”,“coincidencia”o“estimación de posición”se refieren al proceso de transformación de diferentes conjuntos de datos en un sistema de coordenadas.

[0128] −“Modelo digital tridimensional”se refiere a un modelo digital tridimensional (o virtual) que es un objeto virtual en 3 dimensiones. La posición y la orientación del modelo se conocen en el referencial digital asociado.

[0130] −“Planificación”,en el contexto de la cirugía, se refiere a una lista de acciones que deben realizarse durante las diferentes fases quirúrgicas. Esta planificación quirúrgica se puede obtener mediante un programa de simulación realizado antes de la operación que utiliza un modelo digital tridimensional de los huesos del paciente que son el objetivo de la cirugía. En el caso de una operación de artroplastia de rodilla, por ejemplo, la planificación preoperatoria consistirá en definir cada uno de los planos de mecanizado y ejes de perforación en relación con un modelo tridimensional del fémur y la tibia.

[0131] −“Datos preoperatorios”se refieren a las imágenes (o cortes) del paciente obtenidas mediante formación de imágenes médicas (tomografía computarizada, IRM, PET, etc.). El modelo tridimensional del paciente se obtiene mediante un tratamiento de segmentación de cada imagen, seguido de una interpolación entre las imágenes.

[0132] −“Datos intraoperatorios”se refieren a los datos adquiridos durante la operación. Esto puede incluir formación de imágenes médicas (fluoroscopia, ultrasonido, etc.), datos tridimensionales, información de color y temperatura, información de sensores propioceptivos, retroalimentación de fuerza con respecto a una herramienta quirúrgica, etc.

[0133] −“Mecanizado”se refiere al proceso mecánico de corte u otros métodos para eliminar material. El propósito del mecanizado es modificar las dimensiones, la precisión, la geometría y el estado de la superficie de todas las superficies del elemento acabado, para pasar de un estado original sin procesar a un estado final de acuerdo con un modelo predefinido.

[0134] Descripción detallada

[0135] La siguiente descripción detallada se entenderá mejor cuando se lea junto con los dibujos adjuntos. Con fines ilustrativos, las etapas implementadas por el sistema y el método se muestran en las realizaciones preferidas. Debe entenderse, sin embargo, que la presente invención no se limita a las disposiciones, estructuras, características, realizaciones y aspectos precisos mostrados. Los dibujos no están dibujados a escala y no pretenden limitar el alcance de las reivindicaciones a las realizaciones representadas. Por consiguiente, se debe entender que cuando las características mencionadas en las reivindicaciones adjuntas están seguidas por signos de referencia, dichos signos se incluyen exclusivamente con el fin de mejorar la inteligibilidad de las reivindicaciones y en modo alguno limitan el alcance de las reivindicaciones.

[0136] Las características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción de realizaciones de un sistema, proporcionada únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, donde:

[0137] Las Figuras 1y1Bmuestran una vista esquemática de los diferentes sistemas referenciales definidos en la presente invención según la realización en la que la cadena cinemática comprende al menos una referencia mecánica.

[0138] La Figura 2muestra una vista esquemática de la etapa del proceso en la que el referencial de objetivo R<C>y el referencial virtual Rse alinean para determinar la transformación<C>T<A>que define la posición y la orientación del referencial de adquisición R<A>con respecto a R<C>.<C>T<A>es una matriz de transformación homogénea compuesta por una matriz de rotación<C>R<A>y un vector de traslación<C>T<A>. Define la posición del referencial de objetivo R<C>con respecto al referencial de adquisición R<A>.

[0139] LaFigura 3muestra la cuarta etapa según una realización de la invención, en la que se determina la posición y la orientación espacial del referencial de referencia mecánica R<M>con respecto al referencial de adquisición R<A>(matriz de transformación<M>T<A>).<M>T<A>es una matriz de transformación homogénea, compuesta por una matriz de rotación<M>R<A>y un vector de traslación<M>T<A>. Define la posición y la orientación espacial del referencial de referencia mecánica R<M>con respecto al referencial de adquisición R<A>.

[0140] La Figura 4representa la transformación<C>T<M>entre la referencia mecánica y el objetivo que se calcula mediante la composición de las matrices<A>T<C>(matriz<C>T<A>inversa) y<M>T<A>.

[0141] La Figura 5corresponde a la sexta etapa del proceso. La transformación<O>T<M>, determinada a partir de la cadena cinemática que une la referencia mecánica y la herramienta quirúrgica, se combina con las transformaciones<C>T<M>para calcular<C>T<O>(la posición de la herramienta quirúrgica en el objetivo y el referencial de planificación).

[0142] Las Figuras 6y7muestran dos ejemplos de cómo se puede construir el sistema y la cadena cinemática, según una realización en la que la referencia mecánica se vincula cinemáticamente a la herramienta quirúrgica. Una interfaz hombre-máquina, representada aquí por la pantalla 60, proporciona información visual sobre las etapas individuales del proceso.

[0143] La Figura 8muestra algunos planos de mecanizado P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>para un fémur F y una tibia T en vista de la implantación de un implante de rodilla femoral I en una cirugía de artroscopia total de rodilla.La Figura 9muestra un ejemplo del sistema de la presente invención y la cadena cinemática que comprende la herramienta quirúrgica en un extremo, teniendo el sensor de formación de imágenes 3D una posición conocida con respecto al paciente.

[0144] La Figura 10representa esquemáticamente la etapa de cálculo de una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>.

[0145] La Figura 11representa esquemáticamente la etapa de cálculo de una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>.

[0146] La Figura 12es una representación esquemática de la realización en la que el al menos un sensor de formación de imágenes 3D se fija a la cadena cinemática. En esta figura también se ilustran la transformación<A>T<O>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y la transformación<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>y el referencial de objetivo R<C>, que se utilizan para calcular la transformación<C>T<O>.

[0147] Aunque se han descrito e ilustrado diversas realizaciones, la descripción detallada no debe interpretarse como limitada a las mismas. Los expertos en la técnica pueden introducir diversas modificaciones en las realizaciones sin apartarse del verdadero espíritu y alcance de la divulgación, tal como se define en las reivindicaciones. El propósito de la presente invención es hacer coincidir, de manera ininterrumpida y en tiempo real, los datos de planificación preoperatoria con el procedimiento real que tiene lugar en el quirófano.

[0148] La planificación quirúrgica preoperatoria comprende un modelo digital 3D de al menos una parte del paciente, que comprende en particular el elemento óseo objetivo, y un conjunto ordenado de ecuaciones geométricas que caracterizan las acciones de mecanizado en los elementos óseos objetivo del paciente. En una realización preferida, la planificación quirúrgica preoperatoria comprende el plan de mecanizado correspondiente a cada acción quirúrgica. Con el término planificación quirúrgica preoperatoria se entiende que las acciones quirúrgicas de la planificación quirúrgica se han definido utilizando los datos de planificación obtenidos antes de la cirugía (preoperatoriamente) o intraoperatoriamente durante la primera fase de la cirugía cuando el elemento óseo objetivo está expuesto pero antes del inicio de la acción quirúrgica en el hueso objetivo.

[0149] El modelo digital del objetivo puede generarse a partir de imágenes médicas adquiridas antes de la operación. Se puede modificar para tener en cuenta elementos que no son visibles en las imágenes médicas, por ejemplo, el cartílago que no es visible en las imágenes de tomografía computarizada. En este caso, las modificaciones se generan a partir de datos de entrenamiento o datos de simulación biomecánica. El modelo digital también se puede generar a partir de modelos estadísticos o ábacos y datos de pacientes asociados o no a las imágenes médicas preoperatorias. Además, el modelo digital se puede adaptar teniendo en cuenta los datos adquiridos durante la operación.

[0150] Los datos de planificación para la determinación de la planificación quirúrgica preoperatoria se adquieren en un lugar, un momento y una posición del paciente con respecto a los medios de obtención de imágenes que pueden ser completamente independientes de los de la cirugía. Sin embargo, los datos digitales del modelo de planificación digital deben acercarse a la realidad física para permitir el control de los movimientos de la herramienta de mecanizado real en función de los datos de planificación digital.

[0151] Para el resto de la descripción, se considerarán las siguientes referencias:

[0152] − la planificación o referencial virtual Rde las imágenes de planificación digital y las acciones quirúrgicas de la planificación quirúrgica almacenadas en la memoria de un ordenador. El elemento óseo que se va a mecanizar en el modelo digital del objetivo, en el ejemplo descrito, un fémur 10, tiene una posición y una orientación espacial conocidas en este referencial virtual R. Los datos de planificación quirúrgica y las acciones quirúrgicas (por ejemplo, la posición de los planos de corte 11 o los ejes de perforación) se conocen en el mismo referencial R;

[0153] − el referencial de objetivo R<C>corresponde al sistema de coordenadas físicas del elemento óseo que se va a mecanizar (es decir, el objetivo), en este caso la superficie de la cabeza femoral;

[0154] − la herramienta quirúrgica referencial R<O>corresponde al sistema de coordenadas físicas de la herramienta quirúrgica 20;

[0155] − el referencial de adquisición R<A>corresponde al sistema de coordenadas del sensor de formación de imágenes 3D 30 en el que se representan los datos adquiridos durante la operación.

[0156] − el referencial mecánico R<M>corresponde al sistema de coordenadas físicas de la referencia mecánica 40 vinculada cinemáticamente a la herramienta quirúrgica 20 a través del elemento de la cadena cinemática. La posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica 20 con respecto a la referencia mecánica 40 son conocidas por los sensores de la cadena cinemática que proporcionan señales representativas de los desplazamientos angulares y/o lineales de la herramienta quirúrgica 20 con respecto a la referencia mecánica 40.

[0157] La posición del objetivo óseo 10, la cadena cinemática 70, la herramienta quirúrgica 20, el sensor de formación de imágenes 3D 30 y su respectivo referencial se representan en la Figura 9.

[0158] El presente método tiene como objetivo guiar con precisión una herramienta quirúrgica 20 fijada de forma móvil a una cadena cinemática 70. Dicha herramienta quirúrgica 20 puede ser, por ejemplo, una herramienta de mecanizado.

[0159] En la presente invención, el término cadena cinemática se refiere a un conjunto de elementos rígidos conectados por articulaciones para restringir o proporcionar movimiento de una manera deseada.

[0160] Según una realización, dicha cadena cinemática consiste en una estructura deformable que comprende múltiples elementos rígidos conectados por articulaciones.

[0161] Según la presente invención, la cadena cinemática comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de dicha cadena cinemática.

[0162] Los sensores de la unidad de sensor pueden ser codificadores o unidades inerciales que comprenden acelerómetros y/o giroscopios.

[0163] Según una realización, dicha cadena cinemática comprende además sensores para medir las fuerzas aplicadas a sus elementos.

[0164] En una realización, la primera etapa del presente método comprende recibir al menos una imagen 3D adquirida desde al menos un sensor de formación de imágenes 3D 30, en donde la imagen 3D se adquiere para comprender al menos una parte de una estructura anatómica de destino 10 del paciente.

[0165] La imagen 3D obtenida del sensor de formación de imágenes 3D 30 de la presente invención comprende información de la distancia entre cada punto de la escena adquirido en la imagen y el sensor de formación de imágenes 3D 30. Por lo tanto, la imagen 3D sin procesar obtenida por el sensor de formación de imágenes 3D 30 es lo que se denomina mapa de profundidad o imagen de profundidad que puede presentarse en forma de una matriz bidimensional que representa una imagen de nivel de gris o una imagen RGB, en donde el tamaño de la distribución depende del tipo de cámara y de las dimensiones del sensor.

[0166] Según una realización, la adquisición de la imagen 3D se lleva a cabo utilizando al menos dos cámaras y un proyector para llevar a cabo una adquisición mediante estereovisión o luz estructurada.

[0167] El uso de un sensor de formación de imágenes 3D permite obtener ventajosamente información sobre la morfología de la superficie ósea de una manera fácil y rápida, ya que una imagen permite capturar todo el campo quirúrgico, sin entrar en contacto con el paciente (como en las técnicas de palpación).

[0168] Según una realización, el método comprende además una etapa de preprocesamiento que implementa algoritmos de reducción de ruido.

[0169] Según una realización, el al menos un sensor de formación de imágenes 3D 30 tiene una posición fija con respecto al objetivo 10 en el quirófano. En esta realización, el sensor de formación de imágenes 3D 30 es independiente de la cadena cinemática (es decir, el sensor de formación de imágenes 3D no se fija a la cadena cinemática). En un ejemplo, el sensor de formación de imágenes 3D 30 se fija en una pared del quirófano o se coloca en un trípode o se fija por medio de un brazo articulado. En caso de que el sensor de formación de imágenes 3D 30 se desplace para capturar múltiples imágenes 3D, una unidad de medición inercial (IMU) fijada al sensor de formación de imágenes 3D 30 puede medir su movimiento relativo y determinar la trayectoria del movimiento.

[0170] Según una realización alternativa, el al menos un sensor de formación de imágenes 3D 30 se fija a la cadena cinemática como se ilustra en la Figura 12. Esto permite ventajosamente tener acceso en todo momento durante la cirugía a la posición relativa de la herramienta quirúrgica 20 con respecto al sensor de formación de imágenes 3D 30.

[0171] Cuando el al menos un sensor de formación de imágenes 3D 30 se fija a la cadena cinemática 70, entonces el sensor de formación de imágenes 3D se mueve a lo largo de una trayectoria conocida, el sensor de formación de imágenes 3D 30 puede adquirir múltiples imágenes 3D a lo largo de esta trayectoria.

[0172] Según una realización, la primera etapa comprende además recibir una imagen térmica, una imagen de ultrasonidos, una imagen multiespectral, una imagen a escala microscópica y/o una imagen en color.

[0173] Según una realización, el método comprende recuperar de un soporte de almacenamiento legible por ordenador, un servidor o similar un modelo digital del hueso objetivo a tratar durante la cirugía utilizando la herramienta quirúrgica 20. Dicho modelo digital es una representación virtual tridimensional del hueso objetivo 10.

[0174] En una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se genera utilizando datos de imágenes adquiridos mediante sistemas de tomografía computarizada o IRM. También se pueden utilizar otras técnicas de formación de imágenes, tales como rayos X, fluoroscopia, ultrasonidos u otros medios de formación de imágenes. En este caso, el modelo digital tridimensional se obtiene antes de la cirugía.

[0175] En una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se genera usando radiografías de rayos X 2D que comprenden el objetivo, un modelo de forma estadística del objetivo y/o la imagen 3D adquirida intraoperatoriamente por el sensor de formación de imágenes 3D 30.

[0176] Esta realización permite generar ventajosamente un modelo tridimensional incluso cuando los datos de imágenes 3D (es decir, tomografía computarizada o IRM) no están disponibles.

[0177] En una realización, el modelo digital tridimensional del objetivo se modifica para simular el ruido de medición o la presencia de cartílago. Dichas modificaciones pueden calcularse a partir de datos de entrenamiento o datos de simulación biomecánica.

[0178] Según una realización ilustrada en las Figuras 2 y 10, una etapa adicional del método comprende calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>, y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>, mediante un registro del modelo digital del objetivo con al menos una parte del objetivo 10 comprendida en la imagen 3D.

[0179] El registro 3D consiste en encontrar la transformación entre dos modelos 3D del mismo objeto de manera que sus áreas superpuestas coincidan lo mejor posible. Esto se puede realizar mediante un algoritmo que alinea iterativamente los dos modelos alternando una etapa de coincidencia que asocia cada punto de la imagen intraoperatoria a su vecino más cercano en el modelo preoperatorio, y una etapa de estimación de transformación que transforma el modelo intraoperatorio para que se ajuste mejor a las coincidencias estimadas. Este proceso se repite hasta que la distancia entre cada punto del modelo intraoperatorio y preoperatorio se minimice, por debajo de un valor umbral.

[0180] Esta etapa permite conocer ventajosamente la transformación que alinea el referencial virtual Rcon el referencial de objetivo R<C>en el quirófano. Además, el uso de un modelo digital del hueso y su registro en al menos una imagen 3D del objetivo en el campo quirúrgico permite conocer la transformación entre el referencial virtual Ry un objetivo referencial R<C>independientemente de cualquier marcador externo unido al paciente. En una realización, el registro del modelo digital del objetivo con la al menos una parte del objetivo comprendida en la imagen 3D se obtiene a partir de una transformación rígida.

[0181] Alternativamente, el registro del modelo digital del objetivo con la al menos una parte del objetivo comprendida en la imagen 3D puede ser una transformación no rígida.

[0182] Ventajosamente, esta realización permite adaptar la forma del modelo digital del objetivo obtenido a partir de imágenes preadquiridas a la imagen 3D adquirida durante la cirugía.

[0183] Según una realización, la etapa de cálculo de la transformación<C>T<A>comprende una primera etapa de definir una región de interés en la imagen 3D que comprende al menos una parte del objetivo.

[0184] Según una realización, la etapa de definir una región de interés comprende una detección automatizada de dicha región de interés por medio de un algoritmo de segmentación.

[0185] Alternativamente, un operador puede proporcionar como entrada al método información que comprende una delineación manual del contorno de la región de interés del objetivo.

[0186] Esta región de interés que comprende el objetivo se registra entonces en el modelo digital del objetivo para determinar<C>T<A>.

[0187] En una realización, el método comprende además una etapa de aplicar la transformación<C>Tpara registrar dicho modelo digital del objetivo en el referencial de objetivo R<C>de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del objetivo tenga una posición conocida en el referencial de objetivo R<C>. Esta etapa permite alinear ventajosamente el referencial virtual al que se asocia el modelo digital del objetivo y las acciones de la planificación quirúrgica con el referencial de objetivo R<C>en el quirófano.

[0188] En una realización ilustrada en la Figura 11, el método comprende una etapa de cálculo de una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>.

[0189] El método puede entonces implementar una etapa de aplicar la transformación<C>T<O>al referencial de la herramienta quirúrgica R<O>para conocer la posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica 20 en el referencial de objetivo R<C>. Esta etapa final permite conocer la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica 20 tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>para reproducir la acción planificada en el referencial virtual Ren el referencial de objetivo R<C>.

[0190] Cuando se conoce la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica 20 tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>, es posible hacer uso de la cadena cinemática que lleva dicha herramienta quirúrgica 20 para guiar la realización de las acciones planificadas en la planificación quirúrgica inicial. Sin embargo, puede ocurrir que durante la realización de estas acciones se modifique la orientación espacial y la posición del objetivo, por ejemplo, mediante un movimiento del objetivo por parte de uno de los miembros del personal médico. Esto daría como resultado un desajuste entre el referencial virtual Ry el referencial de objetivo R<C>y, por lo tanto, la herramienta quirúrgica 20 que ejecuta la acción planificada con referencia al referencial virtual Restaría en una posición incorrecta.

[0191] Para evitar esta situación no deseada, los movimientos del objetivo 10 con respecto a dicha herramienta quirúrgica 20 pueden hacer seguimiento de modo que, siempre que se detecte una desviación en la posición y la orientación espacial del objetivo, el registro de las acciones planificadas a partir del referencial virtual Ry el referencial de objetivo R<C>se corrija rápidamente para dicha desviación.

[0192] Según una realización en la que el sensor de formación de imágenes 3D 30 se fija a la cadena cinemática 70, como se muestra en la Figura 12, el método se configura para calcular una transformación<A>T<O>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>a partir de los datos obtenidos de la unidad de sensor de la cadena cinemática y combinando dicha transformación<A>T<O>con la transformación<C>T<A>para obtener transformación<C>T<O>entre la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>.

[0193] En el caso de que el sensor de formación de imágenes 3D 30 esté fijado a la cadena cinemática 70, como se muestra en la Figura 12, Según una realización, los movimientos del objetivo 10 con respecto a dicha herramienta quirúrgica 20 se calculan a través de un algoritmo de seguimiento visual que utiliza como entrada las imágenes 3D en vivo capturadas por el sensor de formación de imágenes 3D 30 para una estimación continua de postura (es decir, orientación espacial y posición) del objetivo 10 con respecto al sensor de formación de imágenes 3D 30. El movimiento relativo del sensor de formación de imágenes 3D 30 y el objetivo 10 se calcula realizando un registro fotograma a fotograma, es decir, registrando la imagen 3D actual (etapa de tiempoi) con la anterior (etapa de tiempoi-1).Dado que el sensor de formación de imágenes 3D 30 se vincula mecánicamente al herramienta quirúrgica 20, el movimiento relativo estimado a partir del seguimiento visual debe coincidir con el movimiento relativo calculado a partir de las unidades de sensor de la cadena cinemática 70. Si este no es el caso, significa que el objetivo 10 se ha movido y el registro de las acciones planificadas desde el referencial virtual Ry el referencial de objetivo R<C>(las tres primeras etapas del presente método) debe realizarse nuevamente para corregir las desviaciones.

[0194] Según la realización alternativa en la que la cadena cinemática 70 es independiente del sensor de formación de imágenes 3D 30, la cadena cinemática 70 comprende al menos una referencia mecánica 40 fijada rígidamente a la estructura anatómica de destino 10. Según esta realización representada en las Figuras 1 y 1B, la al menos una imagen 3D debe comprender al menos una parte de la referencia mecánica.

[0195] Según esta realización mostrada en la Figura 3, el método comprende además las etapas de:

[0196] − calcular una transformación<O>T<M>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de la referencia mecánica R<M>usando los datos obtenidos de la unidad de sensor comprendida en la cadena cinemática 70;

[0197] − calcular una transformación<M>T<A>entre el referencial de la referencia mecánica R<M>y el referencial de adquisición R<A>haciendo coincidir un modelo digital de la referencia mecánica con la al menos una parte de la referencia mecánica comprendida en la al menos una imagen 3D;

[0198] de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de las transformaciones<C>T<M>,<M>T<A>y<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>, el referencial de referencia mecánica R<M>y el referencial de objetivo R<C>. Cuando la referencia mecánica 40 se fija al objetivo 10, como se muestra en las Figuras 1, 1B y 7, según una realización, los movimientos del objetivo 10 con respecto a dicha herramienta quirúrgica 20 son seguidos por la unidad de sensor de la cadena cinemática 70, de modo que cada vez que se detecta una desviación en la posición y la orientación espacial del objetivo 10, el registro de las acciones planificadas a partir del referencial virtual Ry el referencial de objetivo R<C>se corrige rápidamente para dicha desviación. De hecho, dado que la referencia mecánica 40 se fija rígidamente a la estructura anatómica de destino 10 mientras forma parte de la cadena cinemática 70, es posible detectar todos los movimientos del objetivo 10 con respecto a dicha herramienta quirúrgica 20 utilizando la información adquirida de la unidad de sensor. Esta corrección puede consistir en el cálculo de una transformación de corrección<Cnew>Tentre el nuevo referencial de objetivo R<C>y el referencial virtual R, de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del objetivo tenga una posición conocida en el nuevo referencial de objetivo R<C>. con referencia mecánica

[0199] Las realizaciones específicas relativas a las etapas del método a implementar cuando se usa una cadena cinemática 70 que comprende al menos una referencia mecánica 40, se describen en detalle en los siguientes párrafos.

[0200] Como ejemplo, la herramienta quirúrgica 20 se asocia a un portaherramientas conectado a una referencia mecánica, tal como una pinza o un tornillo, fijado mecánicamente al hueso que se va a mecanizar. La conexión mecánica entre este soporte de herramientas y la referencia mecánica se proporciona mediante una cadena cinemática que tiene una estructura deformable que comprende al menos dos elementos, por ejemplo, un conjunto articulado que comprende múltiples elementos articulados y una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado que proporciona en tiempo real una señal en función de la orientación espacial relativa y la posición de los elementos articulados. Esta unidad de sensor proporciona así información digital que permite determinar en tiempo real la posición en el espacio del extremo activo de la herramienta quirúrgica con respecto a un punto fijo del elemento fijado en el hueso.

[0201] Además, la adquisición de datos intraoperatorios y su coincidencia con la planificación quirúrgica digital permiten conocer la posición de la referencia mecánica fijada en el hueso en relación con la superficie del elemento óseo que se va a mecanizar. Una trayectoria conocida puede transponerse al mundo real mediante simulación en un referencial virtual, por ejemplo, para garantizar la guía de la herramienta de mecanizado, el control de sus movimientos o el control de posición en relación con una posición predeterminada durante la planificación quirúrgica.

[0202] Primera etapa

[0203] Para ello, un sensor de formación de imágenes 3D 30 adquiere una imagen 3D, por ejemplo, una cámara, cuyo campo de visión abarca parte del campo de operación en el que está comprendido al menos parte de la superficie a mecanizar 10 (por ejemplo, un fémur) y parte de la referencia mecánica 40. El resultado de la adquisición se puede mostrar en una pantalla 60.

[0204] La adquisición puede llevarse a cabo mediante una cámara 3D, un par de cámaras para adquirir imágenes en estereovisión activa, un escáner 3D o un LIDAR para proporcionar una imagen tridimensional de tipo (x, y, z; a) o un mapa de profundidad, una nube de puntos, que designa un parámetro como el color o la intensidad.

[0205] Adquisición de imágenes 3D de la escena de la operación

[0206] Una solución de digitalización 3D texturizada utiliza dos o más cámaras calibradas y un proyector para realizar la adquisición de visión estereoscópica y la adquisición de luz estructurada con cambio de fase para una reconstrucción 3D precisa del área quirúrgica. La solución propuesta integra un esquema de superresolución espacio-temporal, con registro 3D no rígido, para corregir la información 3D y completar la vista escaneada. La luz estructurada se codifica mediante multiplexación temporal. Dos patrones sinusoidales en fase opuesta y un tercer patrón blanco se proyectan sucesivamente en la escena operatoria. En primer lugar, se aplica un muestreo 2D a cada cámara por separado para localizar los puntos de intersección marginales. A continuación, se estima un modelo 3D no denso de la escena para cada par de cámaras mediante la coincidencia estéreo entre las primitivas obtenidas y la triangulación óptica. La resolución espacial de este modelo depende del número de franjas que forman el patrón utilizado. Luego se obtiene un modelo 3D denso estimando la información de fase de los puntos ubicados dentro de las franjas, por separado para cada par de cámara y proyector utilizado. Los enfoques convencionales basados en la iluminación estructurada con cambio de fase requieren una calibración fuera de línea del proyector con las cámaras y un etapa de desenrollado de fase.

[0207] La superresolución en el espacio y el tiempo permite completar y corregir los modelos 3D de la escena observada, ya que el escaneo 3D puede generar distorsiones y artefactos causados principalmente por ocultaciones, por una variación en la posición o incluso por el reflejo de la luz en la superficie de adquisición. De este modo, utilizando por un lado los diferentes modelos 3D proporcionados por todos los pares de cámaras y, por otro lado, el fotograma 3D calculado en el tiempo t-1, se obtiene un modelo 3D de alta resolución corregido en el tiempo t. La superresolución espacio-temporal se proporciona mediante una primera etapa de coincidencia 3D seguida de una etapa de fusión y eliminación de ruido. Un enfoque de coincidencia 3D no rígido permite hacer frente a una posible distorsión o deformación del área observada no rígida. Una malla de la nube de puntos 3D obtenida y un revestimiento texturizado permiten finalizar el marco 3D texturizado de la t instantánea.

[0208] El resultado de esta primera etapa es el registro en la memoria del ordenador de una imagen 3D del área que contiene tanto una parte visible del hueso 50 como una parte visible de la referencia 40, en forma de una nube de puntos, cada una definida por una intensidad luminosa, los colores y las coordenadas (x, y, z) en el referencial de adquisición R<A>.

[0209] Modalidades de formación de imágenes adicionales

[0210] Una solución particular es adquirir imágenes adicionales de diferente naturaleza, en el mismo referencial de adquisición R<A>, o en un referencial calibrado con R<A>para tener información adicional. La calibración de la modalidad adicional requiere el uso de un patrón de prueba geométrico visible desde diferentes ángulos de visión tanto por el sensor de formación de imágenes 3D 30 como por la modalidad adicional. Los pares de imágenes resultantes se procesan y se reescalan para obtener la matriz de calibración.

[0211] La imagen adicional puede ser, por ejemplo, una imagen térmica producida por una cámara térmica que captura el campo operativo con una orientación y una distancia cercanas a las del sensor de formación de imágenes 3D 30. Esta imagen facilita ventajosamente la distinción entre los tejidos del paciente y la herramienta quirúrgica.

[0212] También puede ser una adquisición mediante una cámara a color, una sonda ultrasónica o un sensor multiespectral.

[0213] Etapa 2: Extracción de áreas de interés

[0214] La siguiente etapa de procesamiento consiste en aprovechar al menos una imagen 3D grabada durante la etapa de adquisición para aislar la parte de la imagen correspondiente al objetivo 10 (fémur) y la parte de la imagen correspondiente a la referencia mecánica 40.

[0215] Para ello, dicha imagen digital 3D de toda la escena, y la imagen obtenida mediante dichas imágenes adicionales, si están presentes, se procesan mediante algoritmos para caracterizar los subconjuntos del mapa de profundidad o la nube de puntos.

[0216] El resultado de este procesamiento será una segmentación o clasificación:

[0217] − con un primer indicador (etiqueta) asociado a la referencia mecánica correspondiente a un primer subconjunto de puntos de la imagen 3D,

[0218] − con un segundo indicador (etiqueta) asociado al objetivo (fémur), correspondiente a un segundo subconjunto de puntos en la imagen 3D,

[0219] − con un tercer indicador (etiqueta) del fondo (subconjunto no relevante de la imagen).

[0220] Esta etapa de procesamiento se llevará a cabo mediante contornos sucesivos, colores y, en alternativa, utilizando clasificadores entrenados, o mediante inteligencia artificial, o teniendo en cuenta el a priori geométrico del posicionamiento de la referencia mecánica y el objetivo en relación con el sistema de adquisición.

[0221] Esta etapa de extracción de áreas de interés es opcional si los algoritmos de coincidencia aplicados durante las etapas tercera y cuarta son lo suficientemente robustos para detectar valores atípicos.

[0222] Tercera etapa: Hacer coincidir el marco de referencia físico vinculado al objetivo con el marco de referencia de adquisición.

[0223] La tercera etapa consiste en hacer coincidir el referencial de objetivo R<C>asociado a dicho objetivo físico con el referencial de adquisición R<A>, mediante un procesamiento de registro entre:

[0224] − el subconjunto de la imagen digital tridimensional asociada al objetivo, determinado en las etapas anteriores, y

[0225] − el modelo digital tridimensional del objetivo registrado con los datos de planificación.

[0226] Este procesamiento consiste en determinar la transformación<C>T<A>, dando la posición y orientación del referencial de adquisición R<A>con respecto al referencial de objetivo R<C>, como se muestra en la Figura 2. Este procesamiento utiliza técnicas de registro para encontrar una deformación subyacente común a dos estructuras geométricas de la misma naturaleza, lo que permite vincularlas, es decir, intenta describir la segunda estructura como obtenida de la primera mediante la aplicación de una transformación espacial. El experto en la técnica conoce dichas técnicas de coincidencia basadas en la extracción previa de puntos característicos, a partir de los cuales se inducen deformaciones, o en la explotación de estructuras geométricas derivadas de las imágenes originales: puntos, porciones de curvas o superficies obtenidas por segmentación, en la medida en que capten la información esencial de las imágenes, ya sean geométricas (puntos o líneas de fuerte curvatura) o anatómicas.

[0227] Una técnica adecuada se basa en el registro punto a punto mediante un proceso de estimación de una transformación óptima entre dos conjuntos de datos, de modo que sus áreas superpuestas coincidan lo mejor posible. Esto se puede realizar mediante un algoritmo que alinea iterativamente los dos modelos alternando una etapa de coincidencia que asocia cada punto de la imagen intraoperatoria a su vecino más cercano en el modelo preoperatorio, y una etapa de estimación de transformación que transforma la nube intraoperatoria para que se ajuste mejor a las coincidencias estimadas. Este proceso se repite hasta que la distancia entre cada punto del modelo intraoperatorio y preoperatorio se minimice, por debajo de un valor umbral.

[0228] Se dice que el registro es rígido si la transformación geométrica incluye rotación y traslación. Se dice que el registro no es rígido si la transformación geométrica es de orden superior (polinomio, splines...) o si la transformación no es paramétrica.

[0229] En el contexto de la presente invención, un registro rígido es generalmente suficiente para calcular la matriz de transformación desde el referencial de objetivo al referencial virtual R.

[0230] Cuarta etapa: Correlación del marco de referencia físico vinculado a la referencia mecánica al marco de adquisición.

[0231] La cuarta etapa consiste en hacer coincidir el referencial de referencia mecánica R<M>asociado a dicha referencia mecánica con el referencial de adquisición R<A>, mediante un procesamiento de registro entre:

[0232] − la imagen 3D de dicha referencia mecánica, y

[0233] − el modelo digital tridimensional de dicha referencia mecánica.

[0234] Se aplica el mismo tipo de procesamiento de registro rígido utilizando el subconjunto de puntos de imagen 3D correspondientes a la referencia mecánica y su representación digital en la memoria del ordenador.

[0235] El resultado de este procesamiento mostrado en la Figura 3 se usa para determinar la transformación<M>T<A>, dando la posición y orientación del referencial mecánico R<M>con respecto al referencial de adquisición R<A>.Quinta etapa: transformación entre el referencial de objetivo RC y el referencial mecánico RM

[0236] La quinta etapa del proceso mostrado en la Figura 4 consiste en calcular la transformación entre el referencial de objetivo R<C>y el referencial mecánico R<M>. Conociendo las matrices<C>T<A>y<M>T<A>(mostradas en las Figuras 2 y 3) gracias a las dos etapas anteriores, es posible deducir la matriz de transformación<M>T<C>que expresa la relación entre el referencial de objetivo R<C>y el referencial mecánico R<M>.

[0237] Sexta etapa: pasar de la planificación inicial a la planificación física

[0238] La sexta etapa representada en la Figura 5 se refiere a la transposición de la acción planificada de la planificación quirúrgica inicial a las acciones físicas realizadas en el referencial de objetivo R<C>colocando el soporte de la herramienta de acuerdo con los datos de planificación digital así transpuestos. La transformación<O>T<M>, determinada utilizando los datos obtenidos de los sensores de la cadena cinemática que comprende la referencia mecánica y la herramienta de mecanizado, se combina con<M>T<C>para calcular la transformación<C>T<O>, lo que permite calcular la posición de la herramienta de mecanizado en el referencial de objetivo y, por lo tanto, transponer los datos de planificación al entorno real. El conocimiento de la transformación<C>T<O>permite entonces la corrección de la trayectoria de la herramienta de mecanizado de acuerdo con los movimientos del objetivo durante la intervención.

[0239] Los datos de planificación quirúrgica, transpuestos en imágenes intraoperatorias, se pueden mostrar en una pantalla 60 en el quirófano. Esto proporciona al cirujano información visual sobre el progreso del procedimiento en relación con el cronograma.

[0240] Según una realización, las etapas 2 y 3 se realizan sin pasar por una etapa de extracción de subconjuntos, mediante el uso de un procesamiento único que usa un algoritmo robusto para valores atípicos, por ejemplo, el consenso de muestras aleatorias (RANSAC).

[0241] La Figura 8 proporciona un ejemplo de una estructura anatómica A que es bien conocida desde el punto de vista clásico por necesitar cirugía con regularidad, es la articulación de rodilla. Como se sabede por sí,la articulación de rodilla incluye tres huesos, el fémur F, la tibia T y la rótula. (Excluiremos intencionadamente la rótula, de esta descripción, ya que no añade ningún valor explicativo) Los ejemplos descritos en la presente memoria descriptiva se refieren, por lo tanto, al campo de la cirugía ortopédica y, más específicamente, a la preparación de un fémur F y una tibia T para la implantación de un implante de rodilla femoral I.

[0242] Esta preparación según este ejemplo incluye una sucesión de etapas bien conocidas, siendo cada etapa el mecanizado de uno de los huesos F o T (corte óseo utilizando tradicionalmente una sierra oscilante) de acuerdo con un plan de mecanizado precalculado determinado P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>(véase la Figura 8) comprendido en la planificación quirúrgica. Estas etapas de mecanizado son bien conocidas depor síy, por lo general, se llevan a cabo en el mismo orden, según la estrategia adoptada por los operadores (cirujanos). En la Figura 8, cada plano de mecanizado P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>está numerado en la secuencia cronológica generalmente admitida. Los planes de mecanizado P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>se determinan de forma clásica mediante una planificación quirúrgica preoperatoria. Una planificación quirúrgica preoperatoria sólo es válida para un paciente dado para una cirugía dada para un tipo de implante dado (tamaño, diseño, marca, etc.). Cada paciente (y cada cirugía) recibe una planificación quirúrgica preoperatoria personalizada. Por lo tanto, los planes de mecanizado P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>cambian ligeramente para cada cirugía. La primera etapa habitual de la planificación quirúrgica preoperatoria es establecer un modelo digital 3D de los huesos diana F, T. Una forma de obtener este modelo digital de huesos F, T en 3D es utilizar formación de imágenes médicas como la tomografía computarizada, los rayos X, la IRM, la fluoroscopia, la ecografía u otros medios de obtención de imágenes. Las radiografías o escáneres, o incluso IRM, generalmente se realizan con todo el peso, con una vista frontal (también llamada coronal o anteroposterior), una vista lateral (o de perfil) con la rodilla completamente extendida y/o con una flexión de 20° a 30°, una vista de la pierna larga, que incluye la extremidad inferior desde la cabeza femoral hasta la articulación del tobillo y, por último, una vista de la rótula con una flexión de 30°, también llamada cielo vista lineal. A partir de estas imágenes es posible construir un modelo digital de los huesos F, T para ser mecanizados durante la operación. A continuación, se selecciona un implante de rodilla I en particular basándose en un análisis del modelo F, T digital 3D de huesos.

[0243] La presente invención tiene como objetivo permitir un mecanizado preciso y seguro de los huesos F, T por medio de un dispositivo quirúrgico que comprende una cadena cinemática 70 con una herramienta quirúrgica 20, tal como se muestra en las Figuras 6, 7 o 9.

[0244] Una vez establecido, el modelo digital 3D de los huesos F, T puede almacenarse en una memoria de una unidad de control de dicho dispositivo quirúrgico.

[0245] En un ejemplo, el dispositivo quirúrgico puede incluir un sensor de formación de imágenes 3D 30 cuya posición es bien conocida dentro del dispositivo quirúrgico. Este sensor de formación de imágenes 3D 30 permite al operador, en cooperación con los huesos F, T modelar los huesos almacenados en la memoria de la unidad de control. Una vez que se ha determinado un modelo digital 3D de huesos F, T para un paciente determinado y se ha almacenado en la memoria de la unidad de control, el dispositivo quirúrgico, se puede utilizar para la cirugía. Una vez que el paciente está correctamente instalado, la estructura anatómica A ha de ser vista y el dispositivo quirúrgico colocado correctamente con respecto al paciente, se toma al menos una imagen 3D de la estructura anatómica A. Esta imagen 3D se toma con el sensor de formación de imágenes 3D 30. La unidad de control del dispositivo quirúrgico puede configurarse para realizar la etapa del método. Esto permite a la unidad de control posicionar la estructura anatómica A con respecto al sensor de formación de imágenes 3D 30 y, por lo tanto, al dispositivo quirúrgico. Esto permite a la unidad de control establecer los planes de mecanizado precisos P<1>, P<2>, P<3>, P<4>, P<5>, P<6>para esta cirugía específica dentro del objetivo referencial R.<A.>La superficie libre de los huesos F, T a mecanizar es limitada y, por lo tanto, solo hay unas pocas áreas en las que una herramienta quirúrgica 20 puede ponerse en contacto con los huesos F, T. Este contacto tiene que ser lo menos invasivo posible para no dañar ni los huesos F, T ni el tejido blando circundante, al tiempo que se garantiza una posición relativa precisa de la herramienta quirúrgica 20 con respecto a los huesos F, T.

[0246] Como se muestra en las Figuras 6, 7 o 9, el dispositivo quirúrgico tiene como objetivo mecanizar una estructura anatómica A (en este caso, una rodilla) de un paciente colocado sobre una mesa de operaciones. El paciente suele ser anestesiado y mantenido en la mesa de operaciones mediante medios de fijación específicos y bien conocidos. En una realización ilustrada en las Figuras 6 y 7, además, la extremidad del paciente en su conjunto se asegura a la cadena cinemática 70 del dispositivo quirúrgico. Por ejemplo, además de la cadena cinemática 70 y la herramienta quirúrgica 20, el dispositivo quirúrgico puede comprender una unidad base destinada a fijarse a la mesa de operaciones y una referencia mecánica 40 diseñada para asegurar la estructura anatómica A. La herramienta quirúrgica 20 puede configurarse para ser desplazada por el operador.

[0247] En una realización, el sistema para cirugía guiada por ordenador corresponde a la unidad de control de dicho dispositivo quirúrgico. Dicha unidad de control 80 puede ser, por ejemplo, un ordenador. Esta unidad de control 80 puede comprender una memoria, un elemento informático en tiempo real, una fuente de alimentación, convertidores de potencia, fusibles y/o actuadores. La unidad de control 80 puede comprender además una interfaz de operador 60 que permite una interacción entre la unidad de control 80 y el operador.

[0248] Esta interfaz de operador 60 puede configurarse para

[0249] − mostrar las imágenes adquiridas por el sensor 3D y la salida de las etapas uno a tres

[0250] − mostrar información en tiempo real, tal como la posición de la herramienta quirúrgica 20 con respecto a la estructura anatómica A,

[0251] − mostrar la posición planificada del implante y la planificación quirúrgica para ayudar al operador a elegir el mejor implante y su posición,

[0252] − configurar una posición objetivo de mecanizado de un portaherramientas.

[0253] El sistema para cirugía guiada por ordenador de la presente invención puede integrarse en el dispositivo quirúrgico como unidad de control, tal como se ha descrito anteriormente, o ser un procesador configurado para llevar a cabo las etapas del método y para comunicarse con el dispositivo quirúrgico mediante una conexión por cable o de forma inalámbrica.

[0254] La presente invención comprende además un producto de programa informático para cirugía guiada por ordenador, comprendiendo el producto de programa informático instrucciones que, cuando el programa es ejecutado por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo las etapas del método según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente.

[0255] El producto de programa informático para llevar a cabo el método que se ha descrito anteriormente puede estar escrito como programas informáticos, segmentos de código, instrucciones o cualquier combinación de los mismos, para ordenar al procesador u ordenador, individual o colectivamente, o configurarlo para que funcione como una máquina o un ordenador de propósito especial para que realice las operaciones llevadas a cabo por componentes de hardware. En un ejemplo, el producto de programa informático incluye código máquina que es ejecutado directamente por un procesador o un ordenador, tal como código máquina producido por un compilador. En otro ejemplo, el producto de programa informático incluye código de alto nivel que es ejecutado por un procesador o un ordenador utilizando un intérprete. Los programadores cualificados en la técnica pueden escribir fácilmente las instrucciones o el software en función los diagramas de bloques y a los diagramas de flujo mostrados en los dibujos y las descripciones correspondientes en la memoria descriptiva, que dan a conocer algoritmos para llevar a cabo las operaciones del método que se ha descrito anteriormente.

[0256] La presente invención comprende además un soporte de almacenamiento legible por ordenador que comprende instrucciones que, cuando el programa es ejecutado por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo las etapas del método según una cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente.

[0257] Según una realización, el soporte de almacenamiento legible por ordenador es un soporte de almacenamiento no transitorio legible por ordenador.

[0258] Normalmente, los programas informáticos que implementan el método de las presentes realizaciones se pueden distribuir a los usuarios en un soporte de almacenamiento de distribución legible por ordenador, tal como, de forma no limitativa, una tarjeta SD, un dispositivo de almacenamiento externo, un microchip, un dispositivo de memoria flash, un disco duro portátil y sitios web de software. Desde el medio de distribución, los programas informáticos se pueden copiar a un disco duro o un soporte de almacenamiento intermedio similar. Los programas informáticos se pueden ejecutar cargando las instrucciones del ordenador, ya sea desde su medio de distribución o desde su soporte de almacenamiento intermedio, en la memoria de ejecución del ordenador, configurando el ordenador para que actúe de acuerdo con el método. Todas estas operaciones son bien conocidas por los expertos en la técnica de sistemas informáticos.

[0260] Las instrucciones o el software para controlar un procesador o un ordenador para implementar los componentes de hardware y realizar los métodos descritos anteriormente, y cualesquiera datos asociados, archivos asociados de datos y estructuras de datos asociadas, son registradas, almacenadas o fijadas en uno o varios soportes de almacenamiento no transitorio legibles por ordenador. Ejemplos de un soporte de almacenamiento legible por ordenador no transitorio incluyen la memoria de solo lectura (ROM), la memoria de acceso aleatorio (RAM), la memoria flash, los CD-ROM, los CD-R, los CD+R, los CD-RW, los CB+ RW, los DVD-ROM, los DVD-R, los DVD+R, los DVD- RW, los DVD+RW, los DVD-RAM, los BD-ROM, BD-R, BD-RLTH, BD-RE, cintas magnéticas, disquetes, dispositivos de almacenamiento de datos magneto-ópticos, dispositivos de almacenamiento de datos ópticos, discos duros, discos de estado sólido y cualquier dispositivo conocido por un experto en la técnica que sea capaz de almacenar las instrucciones o el software y cualquier dato, archivo de datos y datos asociados estructura de manera no transitoria y proporciona las instrucciones o el software y cualquier dato, archivo de datos y estructura de datos asociado a un procesador u ordenador para que el procesador o el ordenador puedan ejecutar las instrucciones. En un ejemplo, las instrucciones o el software y cualquier dato, archivo de datos y estructura de datos asociado se distribuyen en sistemas informáticos acoplados a la red, de modo que el procesador o el ordenador almacenan, acceden y ejecutan las instrucciones y el software y cualquier dato, archivo de datos y estructura de datos asociados.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema para cirugía guiada por ordenador que comprende realizar una transposición de una acción planificada en un entorno virtual con respecto a un referencial virtual R, a una acción física realizada con una herramienta quirúrgica (20) en un entorno de quirófano real para la cirugía ortopédica de un paciente, dicha herramienta quirúrgica (20) se fija a una cadena cinemática (70) que comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de la cinemática cadena (70); dicho sistema comprende:

- un módulo de recepción configurado para recibir al menos una imagen 3D adquirida de al menos un sensor de formación de imágenes 3D (30); dicha imagen 3D comprende al menos una parte de un hueso objetivo (10) del paciente;

- una memoria que almacena una planificación quirúrgica que comprende las acciones planificadas en un entorno virtual con respecto a un referencial virtual R;

- un módulo de cálculo configurado para:

o calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>mediante el registro de un modelo digital del hueso objetivo con la al menos una parte del hueso objetivo (10) comprendida en la imagen 3D, independientemente de cualquier marcador externo unido al hueso objetivo (10);

o aplicar la transformación<C>Tpara registrar dicho modelo digital del hueso objetivo en el referencial de objetivo R<C>de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del hueso objetivo tenga una posición conocida en el referencial de objetivo R<C>;

o calcular una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>;

o aplicar la transformación<C>T<O>al referencial de la herramienta quirúrgica R<O>para conocer la posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica (20) en el referencial de objetivo R<C>;

para conocer la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica (20) tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>con el fin de reproducir la acción planificada en el referencial virtual Ren el referencial de objetivo R<C>.

2. El sistema según la reivindicación 1, en donde el módulo de cálculo se configura además para calcular la transformación<C>T<A>mediante:

- definir una región de interés en la imagen 3D que comprende dicho hueso objetivo (10);

- registrar dicha región de interés que comprende el hueso objetivo (10) en el modelo digital del hueso objetivo para determinar<C>T<A>.

3. El sistema según la reivindicación 2, en donde la definición de una región de interés comprende una detección automatizada de dicha región de interés por medio de un algoritmo de segmentación.

4. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde, cuando la cadena cinemática (70) comprende al menos una referencia mecánica (40) fijada rígidamente al hueso objetivo (10) y la al menos una imagen 3D comprende al menos una parte de la referencia mecánica (40), el módulo de cálculo se configura además para:

- recibir, desde la unidad de sensor de la cadena cinemática (70), datos representativos de la configuración espacial, en tiempo real, de la cadena cinemática (70);

- calcular una transformación<O>T<M>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de la referencia mecánica R<M>utilizando los datos recibidos;

- calcular una transformación<M>T<A>entre el referencial de la referencia mecánica R<M>y el referencial de adquisición R<A>haciendo coincidir un modelo digital de la referencia mecánica con al menos una parte de la referencia mecánica comprendida en la imagen 3D;

de modo que la transformación<C>T<O>se obtiene de la combinación de las transformaciones<O>T<M>,<M>T<A>y<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>, el referencial de referencia mecánica R<M>y el referencial de objetivo R<C>.

5. El sistema según la reivindicación 4, que comprende además un módulo de corrección configurado para utilizar la unidad de sensor de la cadena cinemática (70) para hacer seguimiento de los movimientos del hueso objetivo (10), fijado rígidamente a al menos una referencia mecánica (40), con respecto a la herramienta quirúrgica (20), de modo que siempre que se detecte una desviación en la posición y/o la orientación espacial del hueso objetivo (10), la transposición de las acciones planificadas desde el entorno virtual al entorno real se corrige para dicha desviación.

6. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde al menos un sensor de formación de imágenes 3D (30) se fija a la cadena cinemática (70), el módulo de cálculo se configura además para calcular una transformación<A>T<O>entre el referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>a partir de los datos obtenidos de la unidad de sensor de la cadena cinemática (70), de modo que se obtiene la transformación<C>T<O>a partir de la combinación de la transformación<A>T<O>y la transformación<C>T<A>entre el referencial de adquisición R<A>y el referencial de objetivo R<C>.

7. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicha cadena cinemática (70) consiste en una estructura deformable que comprende múltiples elementos rígidos conectados por articulaciones.

8. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la adquisición de la imagen 3D recibida por el módulo de recepción se lleva a cabo utilizando al menos dos sensores y un proyector para llevar a cabo una adquisición mediante estereovisión o luz estructurada.

9. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde el sensor de formación de imágenes 3D (30) fijado en la cadena cinemática (70) se mueve a lo largo de una trayectoria conocida y se adquieren múltiples imágenes 3D a lo largo de la trayectoria, el módulo de cálculo se configura además para procesar conjuntamente múltiples imágenes 3D adquiridas a lo largo de la trayectoria a fin de utilizar múltiples imágenes 3D para el registro con el modelo digital del hueso objetivo.

10. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende además un módulo de corrección configurado para hacer seguimiento de los movimientos del hueso objetivo (10) con respecto al herramienta quirúrgica (20) utilizando el sensor de formación de imágenes 3D (30) y un algoritmo de seguimiento visual, de modo que siempre que se detecte una desviación en la posición y/u orientación espacial del hueso objetivo (10), la transposición de las acciones planificadas del entorno virtual al entorno real se corrija para dicha desviación.

11. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el modelo digital tridimensional del hueso objetivo se genera utilizando radiografías de rayos X 2D que comprenden el hueso objetivo (10), un modelo de forma estadística del hueso objetivo (10) y/o la imagen 3D adquirida intraoperatoriamente por el sensor de formación de imágenes 3D.

12. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el modelo digital tridimensional del hueso objetivo se modifica digitalmente para simular el ruido de medición o la presencia de cartílago, calculándose dichas modificaciones a partir de datos de entrenamiento o datos de simulación biomecánica.

13. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde el registro del modelo digital del hueso objetivo con al menos una parte del hueso objetivo (10) comprendido en la imagen 3D es una transformación no rígida.

14. Un soporte de almacenamiento legible por ordenador que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo un método para guiar una herramienta quirúrgica (20) en un entorno de quirófano real adecuado para la cirugía ortopédica de un paciente, dicha herramienta quirúrgica (20) se fija a una cadena cinemática (70) que comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de la cadena cinemática (70); dicho método comprende las etapas siguientes:

- recepción de al menos una imagen 3D adquirida de al menos un sensor de formación de imágenes 3D (30); dicha imagen 3D comprende al menos una parte de un hueso objetivo (10) del paciente;

- calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>mediante el registro de un modelo digital del hueso objetivo con la al menos una parte del hueso objetivo (10) comprendida en la imagen 3D, independientemente de cualquier marcador externo unido al hueso objetivo (10);

- aplicar la transformación<C>Tpara registrar dicho modelo digital del hueso objetivo en el referencial de objetivo R<C>de modo que cada punto comprendido en el modelo digital del hueso objetivo tenga una posición conocida en el referencial de objetivo Rc;

- calcular una transformación<C>T<O>entre un referencial de la herramienta quirúrgica R<O>y el referencial de objetivo R<C>;

- aplicar la transformación<C>T<O>al referencial de la herramienta quirúrgica R<O>para conocer la posición y la orientación espacial de la herramienta quirúrgica (20) en el referencial de objetivo R<C>;

para conocer la posición y la orientación espacial de dicha herramienta quirúrgica (20) tanto en el referencial virtual Rcomo en el referencial de objetivo R<C>para reproducir la acción planificada en el referencial virtual Ren el referencial de objetivo R<C>, en donde una planificación quirúrgica que comprende dichas acciones planificadas en un entorno virtual con respecto a un referencial virtual Rse almacena en una memoria.

15. Un producto de programa informático que comprende instrucciones que, cuando el programa es ejecutado por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo un método para guiar una herramienta quirúrgica (20) en un entorno de quirófano real adecuado para la cirugía ortopédica de un paciente. dicha herramienta quirúrgica (20) se fija a una cadena cinemática (70) que comprende una unidad de sensor que tiene al menos un sensor configurado para seguir en tiempo real una configuración espacial de la cadena cinemática (70); que comprende las siguientes etapas:

- recepción de al menos una imagen 3D adquirida de al menos un sensor de formación de imágenes 3D (30), comprendiendo dicha imagen 3D al menos una parte de un hueso objetivo (10) del paciente; - calcular una transformación<C>Tentre el referencial virtual Ry un referencial de objetivo R<C>y una transformación<C>T<A>entre un referencial de adquisición del sensor de formación de imágenes 3D R<A>y el referencial de objetivo R<C>mediante el registro de un modelo digital del hueso objetivo con la al menos una parte del hueso objetivo (10) comprendida en la imagen 3D, independientemente de cualquier marcador externo unido al hueso objetivo (10);