RODILLA ARTICULADA PARA SIMULACIóN ARTROSCóPICA

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

La invención, tal como expresa el enunciado, se refiere a una rodilla articulada para simulación artroscópica que por su fidelidad y realismo constituye un potente entrenador para realizar operaciones de cirugía de este tipo.

Más concretamente, Ia rodilla articulada de Ia invención es capaz de reproducir fielmente todos los movimientos de una rodilla real, que además proporciona reacción de fuerzas tal y como sí el usuario se enfrentase a una verdadera operación, todo ello asistido por un sistema virtual que completa Ia simulación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

Desde hace ya varias décadas existen en el campo de Ia cirugía diferentes técnicas que persiguen Ia curación del paciente a través de intervenciones que, al contrario que las denominadas de cirugía abierta, no requieran practicar una amplia incisión al paciente con el fin de actuar sobre los órganos afectados, permitiendo así una rápida recuperación del mismo, un menor tiempo de hospitalización y un menor riesgo de infecciones.

Una de estas técnicas, las cuales quedan englobadas normalmente dentro del término "mínima invasión" o "cirugía mínimamente invasiva", es Ia cirugía artroscópica, Ia cual consiste en realizar intervenciones quirúrgicas sin abrir al paciente, únicamente practicando una pequeña incisión denominada portal, por donde penetrará el instrumental

requerido para realizar operaciones en un órgano determinado: hueso, músculo, ligamentos, etc., normalmente situados en articulaciones.

Este tipo de operaciones, sin embargo, si bien presentan multitud de ventajas, hacen necesaria una exhaustiva preparación por parte del personal médico que va a realizar Ia intervención.

Por este motivo, y de cara a conseguir un entrenamiento fiel a Ia realidad, han aparecido numerosos modelos mecánicos y/o virtuales que persiguen entrenar a dicho personal médico Io mejor posible para que este tipo de operaciones puedan ser luego posteriormente abordadas con éxito.

Estos simuladores, sin embargo, adolecen del inconveniente de que no son capaces de reproducir fielmente todos y cada uno de los posibles movimientos que el cirujano necesita realizar posteriormente sobre el paciente para practicar Ia intervención, como por ejemplo el movimiento lateral denominado varo - valgo cuando Ia pierna del paciente se encuentra flexionada, que es imposible de realizar si ésta está extendida, el de tracción o distensión, o incluso el del mero movimiento articular.

Además, dichos simuladores en Ia mayoría de los casos tampoco son capaces de valorar Ia fuerza ejercida por el cirujano, ni de realimentar en los dispositivos hápticos que maneja el cirujano Ia oposición ejercida por los órganos internos del paciente, por ^' Io que es imposible determinar si el entrenamiento se está ejecutando de una manera adecuada, o en otras palabras, si dicho cirujano está aprendiendo debidamente las diferentes técnicas que más tarde serán necesarias ejecutar en Ia intervención sobre el paciente.

Otros simuladores, presentan el inconveniente de que, aunque reproducen en su interior Ia estructura articular correspondiente al fémur y Ia

tibia, dicha articulación ocupa gran parte de Ia cavidad, no dejando espacio libre en su interior para el movimiento del instrumental háptico, y por Io tanto, tampoco son capaces de reproducir fielmente las condiciones de una operación de artroscopia real.

Es conocida Ia patente US 4.605.373, Ia cual presenta un dispositivo para practicar Ia manipulación de miembros fracturados cuantificando los movimientos aplicados a Ia pierna. Sin embargo, Ia parte interna de Ia articulación no está hueca y no está diseñada para explorar virtualmente el interior, sino para evaluar únicamente los movimientos aplicados desde el exterior. No limita el movimiento de varo-valgo y no trasmite reacciones de fuerza.

Por último, Ia patente US 2004/0254771 A1 presenta un simulador de articulaciones que simula físicamente diversas estructuras de

Ia rodilla pero no permite Ia penetración de instrumental para simular operaciones de artroscopia. Tanto los movimientos como Ia reflexión de fuerzas vienen dados por actuadores externos (brazo robótico ligado a Ia articulación) y no por el propio mecanismo de Ia articulación.

DESCiPCIóN DE LA INVENCIóN

La rodilla articulada para simulación artroscópica que Ia presente invención propone resuelve los inconvenientes antes mencionados, pues permite un entrenamiento ajustado a Ia realidad, reproduciendo fielmente tanto los posibles movimientos a los que el cirujano someterá a Ia rodilla, como Ia realimentación de fuerzas que en Ia intervención real notará el cirujano con motivo de Ia manipulación de los diferentes órganos y tejidos del paciente.

Así, Ia rodilla articulada de Ia invención comprende un

mecanismo de articulación el cual permite que dicha rodilla tenga movimientos de flexo-extensión y varo-valgo, reacción de fuerzas para cada movimiento y medios para cuantificar Ia fuerza de tracción y el desplazamiento en cada movimiento de Ia rodilla.

Más concretamente, Ia rodilla articulada de Ia presente invención, a través de su mecanismo de articulación, comprende los siguientes medios:

- Medios de articulación angular de Ia rodilla, es decir, de flexión.

- Medios de articulación lateral de Ia rodilla que permiten los movimientos laterales de varo - valgo cuando Ia pierna no se encuentra recta, es decir en cualquier rango de articulación.

- Medios de bloqueo para impedir los movimientos laterales de varo - valgo cuando Ia pierna se encuentra extendida, tal y como reacciona Ia propia anatomía humana.

- Medios de extensión para permitir el movimiento de distensión, es decir, de tracción de Ia cavidad intercondial.

- Medios de cuantificación de cada uno de los movimientos anteriores que permiten medir Ia longitud lineal o angular desplazada en dichos movimientos; y

- Medios de realimentación de fuerzas, tanto en los movimientos realizados en cada uno de los ejes de rotación y tracción de Ia rodilla como en los movimientos realizados por los dispositivos hápticos introducidos por los portales de entrada, portadores del instrumental

quirúrgico.

Además, todos estos movimientos son cuantificados y procesados en una unidad central o CPU Ia cual cuenta con diferentes módulos software de simulación capaces de reproducir gráficamente en una pantalla los movimientos y manipulaciones realizados por el usuario, gestionar una biblioteca de imágenes y escenarios sobre los que transcurre Ia simulación y sobre las que el usuario interactúa de forma virtual, así como almacenar y gestionar todos los datos generados durante Ia simulación, etc.

Por último, toda Ia simulación háptica se realiza gracias a que Ia rodilla de Ia invención es hueca, facilitando Ia entrada y manipulación del instrumental quirúrgico asociado a los dispositivos hápticos que permiten Ia retroalimentación de fuerzas que generan las diferentes sensaciones de tacto tales como dureza de los órganos óseos, elasticidad de los ligamentos, etc., dando a Ia simulación de un realismo total.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña a Ia presente memoria descriptiva, como parte integrante de Ia misma, de un juego de planos, en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra vistas en alzado, planta y perfil de un ejemplo de realización de una rodilla articulada para simulación artroscópica según Ia invención cuando ésta se encuentra flexionada 45°.

Figura 2.- Muestra una vista lateral de Ia rodilla de Ia invención cuando ésta se encuentra flexionada 90°.

Figura 3.- Muestra una vista lateral de Ia rodilla de Ia invención cuando ésta se encuentra totalmente extendida.

Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de Ia rodilla de Ia figura 2 cuando ésta se ha desplazado lateralmente, en posición de varo.

Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de Ia rodilla de Ia figura 2 cuando ésta se ha desplazado lateralmente, en posición de valgo.

Figura 6.- Muestra una vista en perspectiva de Ia rodilla de Ia figura 2 cuando ésta se encuentra en posición recta.

Figura 7.- Muestra una vista en explosión del mecanismo de articulación de Ia rodilla de Ia invención.

Figuras 8 y 9.- Muestra sendas vistas en perspectiva lateral superior y lateral inferior, respectivamente, del mecanismo de articulación completo de Ia rodilla de Ia presente invención.

Figura 10.- Muestra una vista en perspectiva del conjunto completo de simulación artroscópica al cual se encuentra acoplada Ia rodilla de Ia presente invención.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

Según una posible realización de Ia invención mostrada en las figuras, Ia rodilla articulada de Ia invención comprende, de forma general, un modelo anatómico o rodilla propiamente dicha (24) que representa Ia parte inferior de una pierna, justo por debajo de Ia rodilla y que es hueca, a Ia que se acopla, en su parte superior, un mecanismo de articulación (1).

Este mecanismo de articulación (1), susceptible de acoplarse a un simulador de realidad virtual tal y como puede verse en Ia figura 10, el cual cuenta con todos los elementos necesarios para realizar una completa simulación, posibilitando el entrenamiento del usuario.

Así, como si de una rodilla real se tratara, el modelo anatómico o rodilla (24) de Ia invención permite realizar, a través de dicho mecanismo de articulación (1) y tal como se observa en las figuras 1 a 6, movimientos de articulación angular, es decir, de flexión y extensión en distintos grados, movimientos de articulación lateral, es decir, de varo o de valgo, y movimientos de extensión o tracción.

Sin embargo, este mecanismo de articulación (1), aún permitiendo realizar todos estos movimientos, no impide ni dificulta Ia utilización de dispositivos hápticos (30a, 30b) y su correspondiente instrumental simulado mediante unas varillas (29a, 29b) introducidas por los portales (28a, 28b) previstos en dicha rodilla (24) de cara a lograr una simulación fiel a Ia realidad.

Para ello, el mecanismo de articulación (1), el cual se encuentra previsto en Ia parte superior de Ia rodilla (24), y tal y como puede verse en las figuras 7 a 9, comprende un armazón (20), con medios para acoplarse al simulador, sobre el que se anclan dos placas soporte de mecanismos (12a y 12b) quedando las mismas unidas entre sí y mediante Ia interposición de sendas piezas de fijación (13a) y (13b), por un puente (16) el cual cumple con las funciones de paralelismo y apoyo de ambas placas (12a y 12b). Dicho puente (16), que presenta una configuración curvada hacia abajo, descansa en su zona central sobre una pletina (2) solidaria con el armazón (20) dando rigidez mecánica a Ia estructura.

Acoplados a los extremos distales de dichas placas (12a) y

(12b), se han previsto sendas piezas correderas (8a) y (8b) que a su vez se unen a un balancín central (10) que constituye el nexo de unión solidaria con el cuerpo de Ia rodilla (24), contando dichas correderas (8a) y (8b) en sus extremos que las unen a las placas (12a) y (12b) con unas piezas (22a) y (22b) que basculan sobre unos ejes (25a y (25b), Ia primera de las cuales

(22a), prevista en Ia placa (12a), se acopla a una biela (4) que transmitirá el movimiento del cuerpo de Ia rodilla (24), tal como se explica más adelante.

Así, en cuento a los medios de articulación angular de Ia rodilla y su cuantificación, es decir, aquellos que permiten el movimiento de flexo- extensión y Ia medida o cuantificación de los mismos, se tiene que, de forma general, y según una posible realización de Ia invención, mostrada en las figuras 7, 8 y 9, comprenden al menos un lector de movimiento angular (17c), preferiblemente un encoder, alojado en Ia placa soporte de mecanismos (12a), de manera que, cada movimiento de flexión de Ia rodilla

(24) es transmitido a Ia biela (4), hasta Ia palanca (3) prevista en el extremo opuesto de Ia biela (4), de manera que el giro es recibido por dicho lector angular (17c) y éste envía Ia posición a Ia CPU del simulador para ser procesada.

De forma más concreta, se tiene que el balancín (10) se articula en vertical simulando Ia flexión de Ia rodilla (24), actuando sobre los ejes (25a y 25b) y girando Ia pieza (22a) para transmitir dicho giro, mediante Ia biela (4) al lector angular (17c) cuya función consiste en suministrar a Ia CPU el grado de giro de Ia rodilla (24) para Ia representación virtual de movimientos de las estructuras internas de Ia misma, junto con su representación háptica, así como Ia realimentación de fuerzas producida por dicho movimiento de flexión.

En cuanto a los medios de articulación lateral y de extensión de

Ia rodilla, es decir, aquellos que permiten tanto los movimientos laterales de

varo - valgo como los de tracción de Ia cavidad intercondial y sus medios de cuantificación, se tiene que, de forma general, y según una posible realización de Ia invención, mostrada en las figuras 7, 8 y 9, comprenden al menos sendos lectores de movimiento angular (17a, 17b) situados en las placas soportes de mecanismos (12b, 12a) respectivamente para medir tanto el desplazamiento producido por una tracción que puede producirse en Ia rodilla (24), como Ia desviación o movimientos laterales o de varo - valgo.

Así, tanto para producir como para cuantificar estos dos movimientos, tanto lateral como de tracción en Ia rodilla (24), ésta, tal como se ha descrito, está fijada al balancín (10) de una forma solidaria de manera que ambos elementos, cuerpo (24) y balancín (10), se moverán con el mismo ángulo pivotando dicho balancín (10) en los ejes (23a y 23b) sobre los patines (14a y 14b) respectivamente, los cuales a su vez se unen a las citadas correderas (8a) y (8b).

De forma más concreta, para Ia cuantificación de los movimientos se tiene que, según una realización preferente, el lector de movimiento angular (17a) mide el movimiento valgo, mientras que el lector de movimiento angular (17b) mide el movimiento varo. Cuando actúan a Ia vez los lectores angulares (17a) y (17b) significa, por el contrario, que se está produciendo una extensión de Ia rodilla, es decir, que los cóndilos se están separando. En el caso de que Ia separación medida en cada uno no sea igual eso significará que además de Ia propia extensión se estará produciendo un movimiento valgo o varo, según predomine el cóndilo interior o exterior.

Además, para Ia cuantificación de dichos movimientos, tanto lateral o de varo - valgo, como el de tracción, existe además, en cada una de las placas (12a) y (12b) un cable (21a) y (21b) anclado, respectivamente, en un extremo de un elemento elástico, como por ejemplo un muelle (19a) y

(19b) previsto para tal fin, siguiendo su trayectoria hasta una polea (5a) y (5b), dando una vuelta a ésta, y que, fijado en un punto de Ia misma, continua su trayectoria pasando por un par de poleas (6a) y (6b), siguiendo por una polea tensora (11a) y (11b), desde ella retornando al par de poleas (6a) y (6b), y que continúa terminando amarrado en un punto (26b) de anclaje previsto para tal fin en Ia placa (12a) y (12b).

La funcionalidad de dicho cable es Ia siguiente: por ejemplo, al mover Ia corredera (8b) dotada de otro elemento elástico, como por ejemplo un muelle (27b) antagonista es arrastrada por el balancín (10), cuando Ia rodilla (24) es manipulada, en este caso movimiento valgo, lleva como consecuencia Ia aproximación de Ia polea (11 b) hacia el eje (25b) y por Io tanto el muelle (19b) recoge el cable (21b) haciendo girar Ia polea (5b) cambiando Ia posición del lector angular (17b).

Por otro lado, el balancín (10) se articula en horizontal desde los ejes (23a y 23b) de una forma independiente, de manera que se pueden efectuar movimientos de giro a izquierda, derecha (varo-valgo) o de tracción (extensión articular de Ia rodilla). En el caso de estos últimos, de tracción, actúan las correderas (8a) y/o (8b), desplazándose en el eje principal (25a) y/o (25b) limitado y conducido por Ia ventana (32a) y (32b), asistidas por sus respectivos elementos elásticos, como por ejemplo muelles (27a) y (27b) según Ia resultante del desplazamiento. Dichos muelles (27a) y (27b) simulan Ia reacción de fuerzas a Ia tensión articular, similar a Ia anatomía humana.

Todos estos movimientos son transmitidos por medio de los respectivos cables (21a, 21b) para ser cuantificados por los correspondientes lectores angulares (17a, 17b), enviados a Ia CPU, analizados, procesados, etc. con el fin tanto de generar los correspondientes escenarios de simulación y su representación en pantalla (31), como su

almacenamiento en el sistema con el fin de generar los análisis o informes posteriores con los que evaluar Ia simulación llevada a cabo.

Además, y tal y como ya se dijo anteriormente, los movimientos de articulación y/o extensión pueden ser simultáneos sólo cuando Ia rodilla

(24) está flexionada. Sin embargo, si dicha rodilla (24) está completamente estirada o extendida en posición recta, según muestra Ia Fig. 3, el mecanismo de articulación (1) no permitirá ningún movimiento lateral o extensión de Ia rodilla (24), obedeciendo al comportamiento real de Ia anatomía humana.

Así, los medios de bloqueo para impedir los movimientos laterales de varo - valgo cuando Ia pierna se encuentra extendida, comprenden, según una posible realización de Ia invención, unas bielas ranuradas (15a y 15b) que limitan el recorrido angular y lineal de sus respectivas correderas (8a y 8b) cuando en Ia ventana (7a) y (7b) está en el final de su recorrido y hace tope con el eje (9a) y (9b).

Por último, Ia Fig. 10 representa una aplicación práctica de Ia rodilla articulada de Ia invención acoplada a un simulador dotado de su correspondiente pantalla (31) de visualización, junto con los dispositivos hápticos (30a y 30b) los cuales soportan o integran el instrumental simulado por las varillas (29a) y (29b), que son introducidas por los portales (28a y 28b) previstos en el cuerpo de Ia rodilla (24) para Ia simulación háptica.

Como también se ha dicho anteriormente, Ia introducción del instrumental simulado por los dispositivos hápticos (30a y 30b) es posible ya que el mecanismo de articulación (1) de Ia rodilla de Ia invención se estructura de forma que quede hueco el interior de Ia misma, evitando Ia interferencia mecánica.

Cabe señalar que, tal como se ha dicho, el balancín (10) soporta el modelo anatómico a simular en realidad virtual, en este caso una pierna con un modelo de rodilla (24) pues se trata de realizar un simulador para el entrenamiento de artroscopia. Sin embargo, en otras posibles realizaciones de Ia invención, dicho elemento, en lugar de dicha rodilla (24) puede configurarse como un pie como modelo anatómico para Ia representación virtual de las articulaciones del tobillo, o una mano como modelo para representación de Ia muñeca, etc., así como cualesquiera otras articulaciones susceptibles de ser articuladas y/o traccionadas.