ACCESO QUIRÚRGICO

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un puerto de acceso quirúrgico, un sistema de posicionamiento para determinar la pose tridimensional del puerto de acceso quirúrgico y un sistema quirúrgico de corte por láser capaz de alinear el haz láser en función de la pose tridimensional del puerto de acceso quirúrgico. En particular, la invención se adecúa a intervenciones quirúrgicas robóticas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En cirugías mínimamente invasivas (MIS) robóticas es habitual que los robots utilicen sistemas de corte basados en láser. El haz láser va convergiendo desde su canal de salida hasta una posición focal en la que actúa de forma óptima, es decir, hasta la posición en la que la efectividad de la ablación es máxima.

En este tipo de cirugías, el láser incide sobre el paciente a través de los llamados puertos de acceso o trocares. Este tipo de instrumental quirúrgico cumple una función puramente mecánica: definir el campo quirúrgico y la dirección en la que el robot ha de actuar, manteniendo la piel y otros tejidos blandos del paciente fuera del campo quirúrgico para no interferir con la labor del robot.

Para que un sistema robótico trabaje de forma adecuada es imprescindible que el robot esté alineado con el puerto de acceso quirúrgico. En caso contrario, el haz láser intersecta el trocar provocando que la potencia efectiva del láser se vea reducida en la posición focal y, consecuentemente, mermando la efectividad del corte. Además, la tendencia actual en cirugías MIS es emplear trocares con diámetros cada vez más reducidos para minimizar, en la medida de lo posible, la invasividad de la operación; por tanto, la alineación entre el láser del sistema robótico y el cuerpo del trocar que asegure que la totalidad del haz incide sobre los tejidos objetivo supone un desafío cada vez mayor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención propone una solución a los problemas anteriores mediante un puerto de acceso quirúrgico según la reivindicación 1, un sistema de posicionamiento para un entorno quirúrgico según la reivindicación 2 y un sistema quirúrgico de corte por láser según la reivindicación 3. En reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.

En un primer aspecto inventivo se proporciona un puerto de acceso quirúrgico adecuado para intervenciones quirúrgicas, que comprende: un cuerpo principal configurado como conducto tubular, con un espacio vacío en su interior y abierto en sus extremos del conducto tubular y, - una primera pluralidad de marcadores fiduciarios, distanciados entre sí, y fijados al cuerpo principal deforma rígida.

A lo largo de la descripción, se entenderá que un puerto de acceso quirúrgico o trocar es un instrumento empleado para definir el campo quirúrgico en cirugías mínimamente invasivas. Este tipo de instrumental quirúrgico también define la dirección en la que se realiza la operación, manteniendo la piel y otros tejidos blandos del paciente fuera del campo quirúrgico.

El trocar según el primer aspecto inventivo comprende un cuerpo principal tubular con dos aberturas en sus extremos. A través de la primera abertura, se introduce el instrumental quirúrgico que atraviesa el espacio vacío interior del trocar, y finalmente entra en contacto con los tejidos del paciente atravesando la segunda abertura. En el contexto de la invención, el instrumental quirúrgico es un haz láser para el corte de tejidos.

El alineamiento del trocar con el haz láser requiere conocer la pose tridimensional exacta de dicho trocar. A lo largo del documento, se entenderá por pose tridimensional de un elemento un conjunto de parámetros que permiten ubicar dicho elemento en el espacio con seis grados de libertad. En particular, la pose tridimensional comprende la posición y orientación tridimensionales del elemento. Para conseguir dicho alineamiento, el trocar del primer aspecto inventivo comprende una pluralidad de marcadores fiduciarios fijados al cuerpo tubular de forma rígida. Dichos marcadores han de estar separados entre sí de forma que puedan visualizarse en el espacio de manera individual. A lo largo del documento, se entenderá que un marcador fiduciario es un elemento a fijar en un objeto y en una posición específica respecto del mismo, en este caso el trocar, que sirve como punto de referencia y que, con tres o más permiten determinar la pose tridimensional de dicho objeto. De manera preferida, cada uno de los marcadores fiduciarios es una esfera.

En un segundo aspecto inventivo se proporciona un sistemo de posicionomiento para un entorno quirúrgico, que comprende: un puerto de acceso quirúrgico según el primer aspecto inventivo; un dispositivo de tracking adaptado para establecer lo pose tridimensional en el espacio de lo primera pluralidad de marcadores fiduciarios del puerto de acceso quirúrgico; una unidad central de proceso adaptada para: almacenar un sistema de coordenadas de referencia; recibir la pose tridimensional de lo primera pluralidad de marcadores fiduciarios del dispositivo de tracking; determinar al menos lo pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico respecto del sistema de coordenadas de referencia en función de lo pose tridimensional de lo primera pluralidad de marcadores fiduciarios; y almacenar dicha pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico respecto del sistema de coordenadas de referencia.

En este segundo aspecto inventivo se proporciona un sistema de posicionamiento que comprende el trocar con marcadores fiduciarios del primer aspecto inventivo y que es capaz de posicionar y orientar tridimensionalmente dicho trocar. Para ello, adicionalmente, comprende un dispositivo de tracking ubicado de forma que visualiza los marcadores fiduciarios del trocar, y una unidad central de proceso en comunicación con el dispositivo de tracking con capacidad para recibir, emitir, almacenar y procesar datos. De manera preferida, la unidad central de proceso comprende un procesador o un microprocesador.

A lo largo del documento, se entenderá como dispositivo de tracking un dispositivo usado para observar uno o varios objetos, estáticos o en movimiento, y para proporcionar su pose tridimensional a lo largo del tiempo. El dispositivo de tracking según el segundo aspecto inventivo observa los marcadores fiduciarios del trocar y proporciona a la unidad central de proceso la pose tridimensional de los mismos. De manera preferida, el dispositivo de tracking es de tipo óptico. Por su parte, la unidad central de proceso recibe esta información y la procesa para posicionary orientartridimensionalmente el trocaren el espacio respecto de un sistema de coordenadas de referencia previamente almacenado. En particular, a partir de la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios, la unidad central de proceso determina la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico respecto del sistema de coordenadas de referencia.

En un ejemplo particular, la unidad central de proceso determina la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal en función de una trayectoria de actuación. Esta trayectoria de actuación, que es un segmento de una recta, ha de atravesar el espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso, de extremo a extremo, sin interceptar en ningún punto dicho cuerpo principal. Se entenderá que esta trayectoria es una de las posibles trayectorias que seguirá un haz láser de corte a lo largo del puerto de acceso quirúrgico en modo operativo; así, el haz láser atravesará el cuerpo principal del trocar sin intersectarlo. Conforme a un ejemplo preferido, la trayectoria de actuación se elige como el segmento de recta más alejado de las paredes internas del trocar para tener el mayor margen de seguridad.

Para poder calcular la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal en el espacio, la unidad central de proceso conoce previamente la ubicación de los marcadores fiduciarios en la geometría del trocar; preferiblemente, porque se ha realizado una calibración previa o porque el trocar se ha diseñado y fabricado de acuerdo a una configuración predeterminada. A continuación, el dispositivo de tracking determina la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios respecto al sistema de coordenadas de referencia - estando almacenado dicho sistema de coordenadas de referencia por la unidad central de proceso -y envía esta información a la unidad central de proceso. Finalmente, por correspondencia de puntos, la unidad central de proceso calcula la traslación y rotación necesarias para convertir las coordenadas de los marcadores fiduciarios respecto al sistema de coordenadas de referencia, siendo en este sistema de coordenadas de referencia donde están expresadas las coordenadas del espacio vacío interior del cuerpo principal. De esta forma, la unidad central de proceso establece la pose tridimensional del espacio vacío interior del trocar a partir de la posición de los marcadores fiduciarios expresados en el sistema de coordenadas de referencia.

Finalmente, la unidad central de proceso almacena la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal.

En un tercer aspecto inventivo se proporciona un sistema quirúrgico de corte por láser, que comprende: un sistema de posicionamiento para un entorno quirúrgico según el segundo aspecto inventivo; un robot quirúrgico de corte por láser que comprende un módulo de corte por láser adaptado para emitir un haz láser que actúa a lo largo del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico, donde la unidad central de proceso está adicionalmente adaptada para: determinar, en función de la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal, al menos una dirección de actuación del haz láser de forma que el haz láser en la al menos una dirección de actuación atraviese el espacio interior del cuerpo principal sin intersecar dicho cuerpo principal; posicionar y orientar el módulo de corte por láser para que el haz láser se oriente según la al menos una dirección de actuación determinada.

En este tercer aspecto inventivo se proporciona el sistema completo de corte por láser que comprende el sistema de posicionamiento anteriormente descrito y un robot quirúrgico capaz de efectuar el corte por láser de los tejidos. Como ya se ha adelantado, el haz láser ha de atravesar el espacio vacío del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico que ha sido posicionado y orientado tridimensionalmente mediante el sistema de posicionamiento del segundo aspecto inventivo. A lo largo del documento, se entenderá por haz láser una pluralidad de rayos láser que convergen según una dirección central y cuya energía queda confinada en un volumen orientado según dicha dirección. Así, en el contexto de la invención, ningún punto del volumen que conforma el haz láser, en modo operativo, interseca el cuerpo principal del trocar.

En particular, el haz láser es emitido desde un módulo de corte por láser comprendido en el robot. A lo largo de la descripción, se entenderá que el módulo de corte por láser comprende un emisor láser que, de manera preferida, es de tipo Er:YAG con longitud de onda de emisión de 2940 nanómetros.

Para efectuar el corte, el haz láser del robot ha de estar perfectamente alineado con el trocar. Este alineamiento se consigue gracias a la unidad central de proceso, que determina al menos una dirección de actuación del haz láser para que dicho haz láser, en modo operativo, atraviese el espacio vacío interior del cuerpo principal sin intersectar las paredes de dicho cuerpo principal. La unidad central de proceso determina la o las direcciones de actuación teniendo en cuenta, además de la pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal, la forma de dicho espacio vacío interior del cuerpo principal y el volumen que conforma el haz láser. Así, cuando el haz láser actúa conforme a las diferentes direcciones de actuación determinadas, éste incide sobre una región completa de tejido a cortar sin intersectar en ningún punto el cuerpo principal del trocar.

Finalmente, una vez se han determinado la o las dirección de actuación, la unidad central de proceso posiciona y orienta el láser tridimensionalmente según dicha o dichas direcciones de actuación. En caso de haber más de una dirección de actuación, el posicionamiento y orientación se realizan conforme a una secuencia determinada de direcciones de actuación.

En un ejemplo en el que se ha determinado una trayectoria de actuación particular a través del espacio vacío interior del cuerpo principal, la unidad central de proceso determina la dirección de actuación del haz láser de forma que dicha dirección de actuación contenga la trayectoria de actuación. Adicionalmente, otras posibles direcciones de actuación contendrán segmentos paralelos a dicha trayectoria de actuación siempre que se cumpla el requisito de que el haz láser no intersecta las paredes del cuerpo principal en ningún punto.

En una realización, el dispositivo de tracking está posicionado sobre el módulo de corte del robot quirúrgico y es capaz de determinar la pose tridimensional de dicho módulo. Así, el dispositivo de tracking proporciona esta información a la unidad central de proceso y ésta determina la pose tridimensional relativas del módulo de corte por láser respecto del cuerpo principal del trocar.

A partir de esta pose tridimensional relativa del módulo de corte respecto del cuerpo principal del trocar, la unidad central de proceso calcula un error en el alineamiento de ambos elementos. En caso de que exista dicho error, la unidad central de proceso reposiciona y/o reorienta el módulo de corte por láser para que el haz láser se oriente según la al menos una dirección de actuación que ha determinado previamente. En un ejemplo particular, si el error de alineamiento supera un límite definido como aceptable, la unidad central de proceso emite una alarma. De manera preferida, se considera que un alineamiento es inaceptable cuando el haz láser intersecta en algún punto el cuerpo principal del trocar. En otro ejemplo particular, alternativo o simultáneo al anterior, la unidad central de proceso emite una alarma cuando detecta que el error de alineamiento no se puede corregir; por ejemplo, porque existe un fallo de comunicación entre dicha unidad y el robot. De manera preferida, en estas circunstancias la emisión del láser se detiene.

En una realización: - el robot quirúrgico de corte por láser comprende adicionalmente una segunda pluralidad de marcadores fiduciarios, el dispositivo de tracking está adicionalmente adaptado para establecer la pose tridimensional en el espacio de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios; y la unidad central de proceso está adicionalmente adaptada para: recibir la pose tridimensional de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios del dispositivo de tracking; determinar al menos la pose tridimensional relativa entre el módulo de corte por láser y el espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico en función de la pose tridimensional de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios; y almacenar dicha pose tridimensional relativa entre el módulo de corte por láser y el espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico.

En esta realización, el robot quirúrgico comprende sus propios marcadores fiduciarios visibles por el dispositivo de tracking. De manera preferida, el dispositivo de tracking no está montado sobre el módulo de corte sino que está ubicado en el espacio de forma que pueda visualizar simultáneamente los marcadores fiduciarios del trocar y del robot al mismo tiempo.

El dispositivo de tracking establece la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios del robot y envía esta información a la unidad central de proceso que, posteriormente, determina la pose tridimensional relativa del módulo de corte por láser y el cuerpo principal del trocar - en particular, del espacio vacío interior de dicho cuerpo principal - en función de dicha información. Finalmente, la unidad central de proceso almacena esta pose tridimensional relativa.

La unidad central de proceso, a partir de esta pose tridimensional relativa del módulo de corte respecto del cuerpo principal del trocar, calcula un error en el alineamiento de ambos elementos. En caso de que exista dicho error, la unidad central de proceso reposiciona y/o reorienta el módulo de corte por láser para que el haz láser se oriente según la al menos una dirección de actuación determinada previamente por la propia unidad central de proceso.

En un ejemplo particular, si el error de alineamiento supera un límite definido como aceptable, la unidad central de proceso emite una alarma. De manera preferida, se considera que un alineamiento es inaceptable cuando el haz láser intersecta en algún punto el cuerpo principal del trocar. En otro ejemplo particular, alternativo o simultáneo al anterior, la unidad central de proceso emite una alarma cuando detecta que el error de alineamiento no se puede corregir; por ejemplo, porque existe un fallo de comunicación entre dicha unidad y el robot. De manera preferida, en estas circunstancias la emisión del láser se detiene. En una realización, la unidad central de proceso genera un modelo numérico que comprende, al menos: la forma del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico; las coordenadas de la primera pluralidad de marcadores fiduciarios respecto del sistema de coordenadas de referencia y la relación de coordenadas y orientación entre el espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico respecto de la primera pluralidad de marcadores fiduciarios; si el sistema comprende la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios, las coordenadas de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios respecto del sistema de coordenadas de referencia y la relación de coordenadas y orientación entre la al menos una dirección de actuación del haz láser respecto de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios.

Todas las estimaciones matemáticas realizadas por la unidad central de proceso se basan en los datos del modelo numérico generado por la misma. Este modelo numérico permite determinar si existe o no alineamiento entre el haz láser y el cuerpo principal del trocar así como si dicho haz láser intersecta en algún punto el cuerpo principal del trocar en función de la forma del espacio vacío interior del cuerpo principal del trocar y de las posiciones relativas del módulo de corte por láser y el cuerpo principal del trocar. Estas posiciones relativas del módulo de corte por láser y el cuerpo principal del trocar se establecen a través de una cadena cinemática intermedia, de tal modo que la configuración del trocar y, en particular, la pose tridimensional del espacio vacío interior, están referidas a los marcadores fiduciarios del trocar a través del modelo numérico; y la pose tridimensional del haz láser del módulo de corte por láser están referidas a los marcadores fiduciarios del módulo de corte también a través del modelo numérico.

Por lo tanto, la unidad central de proceso solo requiere relacionar la posición de la primera pluralidad de marcadores fiduciarios y la posición de la segunda pluralidad de marcadores fiduciarios para poder relacionar la posición relativa de cualquier punto del módulo de corte por láser con cualquier punto del trocar. En particular, si estos elementos están desalineados, la unidad central de proceso estima qué reposicionamiento y/o qué reorientación tridimensionales son necesarios aplicar al módulo de corte por láser para conseguir que el láser se oriente según la al menos una dirección de actuación determinada previamente. Por otro lado, como se ha comentado, el modelo numérico comprende información sobre la forma - anchura, altura y profundidad - del espacio vacío interior del cuerpo principal. Estas dimensiones definen la región quirúrgica, es decir, permiten que la unidad central de proceso conozca cuánto espacio hay disponible para que el láser pueda actuar en el interior del trocar y, consecuentemente, para poder calcular la o las direcciones de actuación.

En una realización, lo unidad central de proceso determina lo pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico mediante las relaciones geométricas del modelo numérico. En otra realización, las relaciones geométricas entre puntos del modelo numérico se determinan mediante una calibración hond-eye, mediante una calibración basada en restricciones geométricas, mediante medición directa realizada por un sistema de metrología o un dispositivo calibrador, o mediante una calibración en vivo usando una sonda trackeada.

Como ya se ha comentado, gracias al modelo numérico, la unidad central de proceso estima las posiciones relativas entre el cuerpo principal del trocar (en particular su espacio vacío interior) y el módulo de corte por láser comprendidos en el sistema quirúrgico de corte por láser. Estas estimaciones parten de la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios del trocar y del robot, en caso de que los haya.

Las relaciones geométricas que permiten estimar la pose tridimensional del módulo de corte por láser del robot se pueden determinar mediante diferentes técnicas de calibración, como pueden ser la calibración hand-eye, la calibración basada en restricciones geométricas o la medición directa mediante elementos externos al sistema, como puede ser un sistema de metrología o un dispositivo calibrador.

La calibración hand-eye, que puede llevarse a cabo cuando el robot quirúrgico de corte por láser comprende un brazo robótico, consiste en calcular la transformación 3D existente entre el sistema de coordenadas del brazo robótico ("hand") y una cámara ("eye") de tracking - dispositivo de tracking en el contexto de la invención - resolviendo el sistema de ecuaciones AX=ZB, donde A y B son los sistemas de coordenadas del brazo robótico y de la cámara de tracking respectivamente, y donde X es la transformación de pose tridimensional que relaciona una posición arbitraria con el sistema de coordenadas del brazo robótico y Z es la transformación de pose tridimensional que relaciona la misma posición arbitraria con el sistema de coordenadas de la cámara de tracking. Dicha posición arbitraria viene determinada por la pose tridimensional en el espacio de la pluralidad de marcadores fiduciarios del robot. Para resolver dicho sistema de ecuaciones, se realiza una serie de movimientos del brazo robótico para los cuales se almacenan las posiciones y orientaciones resultantes tanto de la cinemática del brazo robótico como de los marcadores fiduciarios detectados por la cámara, para construir así las ecuaciones del sistema en base a una interpretación geométrica, y después resolver dicho sistema por medio de un método de optimización.

La calibración basada en restricciones geométricas consiste en estimar las ecuaciones matemáticas que determinan la relación entre el robot quirúrgico de corte por láser y sus marcadores fiduciarios a partir de movimientos concretos medidos a la vez por la cinemática del robot y por el dispositivo de tracking.

Por otro lado, las relaciones geométricas que permiten estimar la pose tridimensional del cuerpo principal del trocar se pueden determinar mediante una calibración en vivo montando y desmontando los marcadores fiduciarios en el trocar según necesidad, utilizando para ello una sonda trackeada.

Se entenderá por sonda trackeada un dispositivo suficientemente rígido para no deformarse al presionar el cuerpo principal del trocar que dispone de una terminación en un extremo para palpar posiciones físicas concretas del cuerpo principal de forma consistente. De manera preferida, la terminación es una punta cónica. La sonda trackeada comprende adicionalmente una serie de marcadores fiduciarios que pueden ser localizados en el espacio mediante el dispositivo de tracking que, adicionalmente, conoce la pose tridimensional relativas entre dichos marcadores y la terminación de la sonda utilizada para palpar. En particular, estas poses tridimensionales relativas son conocidas gracias a un proceso previo de calibración o gracias a que la sonda, incluyendo su terminación y marcadores, se ha fabricado conforme a un diseño predefinido conocido. De esta manera, el dispositivo de tracking estima, por correspondencia de puntos, la pose tridimensional de la terminación de la sonda en el sistema de coordenadas de referencia utilizando los marcadores fiduciarios de dicha sonda y, por lo tanto, estima la pose tridimensional en el sistema de coordenadas de referencia de los puntos palpados, que servirán como marcadores fiduciarios del trocar. De manera preferida, el trocar comprende una pluralidad de agujeros en posiciones conocidas en los que se introduce la sonda trackeada para palparlos y poder servir así como marcadores fiduciarios del trocar.

En una realización, el conducto tubular del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico es cilindrico.

De manera preferida, la dirección de actuación del haz láser o una de las direcciones de actuación determinadas por la unidad central de proceso contiene el eje de revolución del cilindro. Ventajosamente, su posición coincidente con el eje de revolución mantiene la mayor distancia posible a las paredes del trocar, aumentando así el nivel de seguridad en caso de producirse un desalineamiento entre el trocar y el haz láser que no se pueda corregir con el tiempo de respuesta suficiente.

Opcionalmente, en caso de que la unidad central de proceso haya determinado más de una dirección de actuación, el resto de direcciones de actuación contienen segmentos paralelos al eje de revolución del cilindro. Alternativamente, el resto de direcciones de actuación contienen segmentos no paralelos al eje de revolución del cilindro que atraviesan dicho cilindro de extremo a extremo. En cualquiera de los dos casos, el haz láser siguiendo una de las direcciones de actuación, atraviesa longitudinalmente el interior del trocar sin intersectar en ningún punto el cuerpo principal.

En un ejemplo, la unidad central de proceso determina una trayectoria de actuación que representa el paso del haz láser a través del espacio vacío del cuerpo principal extendiéndose a lo largo del eje de revolución del cilindro. En un ejemplo alternativo, la trayectoria de actuación se extiende a lo largo de un segmento paralelo al eje de revolución del cilindro, dicho segmento atravesando el cilindro de extremo a extremo sin intersectar ningún punto del cuerpo cilindrico.

En una realización alternativa, la sección transversal del trocar es una figura geométrica diferente al círculo y la al menos una dirección de actuación del láser atraviesa longitudinalmente al trocar, de extremo a extremo, sin intersectar ningún punto del cuerpo principal. En una realización, el robot quirúrgico de corte por láser comprende un brozo robótico comandado por la unidad central de proceso para el posicionamiento y orientación del módulo de corte por láser.

A lo largo de la descripción, se entenderá que un brazo robótico es un brazo mecánico articulado que recibe órdenes de la unidad central de proceso para posicionar y/u orientar tridimensionalmente el módulo de corte por láser.

En una realización, el robot quirúrgico comprende una óptica de visualización del campo quirúrgico.

Gracias a la óptica de visualización, se dispone de información visual sobre la región quirúrgica en tiempo real, que puede ser mostrada al usuario o personal médico a través de medios de visualización; por ejemplo, un monitor. Esta realización es de especial importancia cuando el propio usuario o personal médico deciden comandar directamente el láser a través de la unidad central de proceso, es decir, el usuario ordena a la unidad central de proceso que envíe instrucciones particulares de activación/desactivación y de posicionamiento y/u orientación al módulo de corte por láser del robot. En estos casos, la propia unidad central de proceso puede inhibir el haz láser si la posición y/u orientación manual no es la adecuada.

De manera preferida, el módulo de corte por láser y la óptica de visualización están previamente calibrados. Así, la unidad central de proceso conoce la correspondencia existente entre los diferentes puntos de la región quirúrgica en los que impacta el láser y los diferentes píxeles de las imágenes de dicha región quirúrgica que muestra la óptica de visualización. De esta forma, se garantiza que las imágenes mostradas corresponden con los tejidos en los que va a actuar el láser, incluso cuando el eje central de la óptica de visualización no coincide con el centro de actuación del módulo de corte por láser.

En una realización, la unidad central de proceso está adaptada para llevar a cabo el posicionamiento y/u orientación del módulo de corte por láser respecto del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico de forma continua para mantener un seguimiento en tiempo real de dicho espacio vacío interior. En otra realización alternativa, la unidad central de proceso está adaptada para llevar a cabo el posicionamiento y/u orientación del módulo de corte por láser respecto del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico deforma puntual. En estas realizaciones se contempla que el posicionamiento y/u orientación del láser se realice continuamente, para hacer un seguimiento en tiempo real del puerto de acceso quirúrgico, o de manera puntual, esto es, en un determinado instante de tiempo o en una pluralidad de instantes discretos de tiempo. En este segundo caso, puede preestablecerse una frecuencia particular de posicionamiento y/u orientación o bien determinar que el posicionamiento y/o la orientación se realicen bajo demanda del usuario o personal médico. En una realización, lo unidad central de proceso comanda lo posición y/u orientación tridimensionales del módulo de corte por láser para incidir en una región quirúrgica a través del puerto de acceso quirúrgico tomando como referencia lo pose tridimensional del espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico y la forma de dicho espacio vacío interior del cuerpo principal del puerto de acceso quirúrgico del modelo numérico.

El corte realizado por el robot ha de poder alcanzar diferentes puntos de la región quirúrgica, es decir, un área particular. Esta área particular está definida por las propias dimensiones - es decir, la forma - del espacio vacío interior del cuerpo principal del trocar, que son conocidas por la unidad central de proceso.

La actuación del láser en la región quirúrgica puede requerir que la unidad central de proceso determine una pluralidad de direcciones de actuación del láser, de forma que dicha unidad central de proceso posiciona y/u orienta tridimensionalmente el módulo de corte por láser siguiendo una secuencia conforme a dichas direcciones de actuación.

En una realización, la unidad central de proceso define unos márgenes de seguridad respecto a las paredes del cuerpo principal del trocar. Así, dicha unidad central de proceso determina las diferentes direcciones de actuación de forma que el haz láser no traspase los márgenes que ha definido.

Alternativamente, la actuación del láser en la región quirúrgica, una vez está posicionado y orientado conforme a una determinada dirección de actuación, puede requerir de estrategias de barrido o de seguimiento de un itinerario definido sobre la región quirúrgica, de forma que el láser pueda actuar sobre los diferentes puntos de los tejidos objetivo.

En un ejemplo, el módulo de corte por láser adicionalmente comprende un escáner y/o un sistema óptico. En este ejemplo, una vez que el módulo de corte por láser está orientado y posicionado conforme a una dirección de actuación determinada por la unidad central de proceso, dicho módulo, comandado por la unidad central de proceso, posiciona y/u orienta el haz láser en diferentes zonas de la región quirúrgica mediante el escáner y/o el sistema óptico conforme a una estrategia de barrido o siguiendo un itinerario predefinido, siempre que dicho haz láser no intersecte ningún punto del cuerpo principal del trocar.

En otro ejemplo alternativo, el sistema quirúrgico de corte por láser comprende adicionalmente un sistema Galvos, que es independiente al robot quirúrgico, adaptado para posicionar el haz láser en diferentes zonas de la región quirúrgica una vez el módulo de corte por láser ha sido posicionado y/u orientado conforme a una dirección de actuación por la unidad central de proceso.

En los dos ejemplos anteriores, la unidad central de proceso, gracias a que el modelo numérico comprende la forma del espacio vacío interior del cuerpo principal del trocar, sabe cuánto puede desviarse el láser, tanto en posición como en orientación, respecto de la dirección de actuación determinada para poder incidir en los diferentes puntos objetivo de la región quirúrgica sin llegar en ningún momento a intersectar el cuerpo principal. De esta forma, teniendo siempre referenciado el trocar, se puede realizar el barrido o hacer un seguimiento del itinerario del láser que siempre sean compatibles con la pose tridimensional del trocar.

En una realización, la unidad central de proceso define unos márgenes de seguridad respecto a las paredes del cuerpo principal del trocar que no pueden ser traspasados por el haz láser orientado y/o posicionado por el escáner y/o el sistema óptico o por el sistema Galvos.

En una realización, el modelo numérico comprende adicionalmente la forma del puerto de acceso quirúrgico. Gracias a esta realización, la unidad central de proceso conoce la forma del puerto de acceso quirúrgico, es decir, sabe cuáles son los límites en todas direcciones del cuerpo principal y de los marcadores fiduciarios. Gracias a esta información, la unidad central de proceso puede predecir condiciones de interferencia mecánica entre el trocar y elementos exteriores al mismo; por ejemplo, el brazo robótico. En tal caso, para evitar colisiones, la unidad central de proceso detiene el movimiento de dicho brazo robótico.

En una realización, el sistema quirúrgico comprende una tercera pluralidad de marcadores fiduciarios; en donde la tercera pluralidad de marcadores fiduciarios comprende al menos un elemento de fijación configurado para fijarse al paciente; el dispositivo de tracking está adicionalmente adaptado para establecer la pose tridimensional en el espacio de la tercera pluralidad de marcadores fiduciarios para el seguimiento de los movimientos del paciente.

En esta realización, se contempla que el dispositivo de tracking también realice un seguimiento de los movimientos del paciente, como pueden ser los debidos a la respiración. Para ello, se hace uso nuevamente de marcadores fiduciarios colocados en el propio paciente de manera fija mediante al menos un elemento de fijación, por ejemplo mediante pinzas que se unen de forma firme en un órgano o tejido del paciente, como puede ser la espina dorsal.

En un ejemplo particular en el que se realiza un registro del paciente, la información de pose tridimensional de los marcadores fiduciarios obtenida por el dispositivo de tracking, junto con la información visual que aportan las imágenes utilizadas para el registro del paciente, permiten que la unidad central de proceso determine una posición deseada del trocar en el paciente.

Un modo de registrar el paciente consiste en llevar a cabo, antes de la operación, una imagen por tomografía axial computarizada o varias radiografías 2D del paciente tomadas desde distintos puntos de vista. A partir de estas imágenes, se determina la forma precisa de su columna vertebral, o al menos de un conjunto de vértebras sobre las que se va a fijar el elemento de fijación con los marcadores fiduciarios, como la pinza anteriormente mencionada. Posteriormente, el día de la operación, se fija la pinza sobre la espina dorsal del paciente y se vuelven a capturar imágenes - por ejemplo, mediante una pluralidad de radiografías adquiridas desde diferentes vistas - de forma que tales ¡mágenes ahora muestran la pinza y sus marcadores fiduciarios. En este caso es importante que los marcadores fiduciarios sean radio-opacos.

El proceso de registro del paciente utiliza la forma de las vértebras como referencia común entre el primer conjunto de imágenes y el segundo conjunto de imágenes de modo que, al hacerlas coincidir, se puede relacionar la información de uno y otro conjunto de imágenes.

En particular, antes de la operación, se define la estrategia de corte sobre el primer conjunto de imágenes. Al hacer coincidir las vértebras del primer conjunto de imágenes y el segundo conjunto de imágenes, la estrategia de corte queda relacionada con la posición de los marcadores fiduciarios situados en la pinza.

Así, una vez la unidad central de proceso determina dicha posición deseada del trocar establecida por la estrategia de corte, el usuario o personal médico fija el trocar, por ejemplo, a la mesa de operaciones, y la unidad central de proceso alinea el módulo de corte por láser con dicho trocar de manera que el láser actúa a través del espacio vacío interior del cuerpo principal del trocar. Ventajosamente, este método asegura un alineamiento láser-trócar óptimo.

De manera alternativa, la unidad central de proceso posiciona el módulo de corte por láser sobre la posición objetivo del paciente utilizando la información del paciente a través de la posición de la tercera pluralidad de marcadores, por ejemplo situados en una pinza fijada a la espina dorsal. Posteriormente, se coloca el trocar sobre el paciente utilizando la información de pose tridimensional de los marcadores fiduciarios del paciente obtenida por el dispositivo de tracking y, opcionalmente, utilizando la misma información visual del registro. Para ello, la unidad central de proceso provee al personal médico encargado de la colocación del trocar de información visual - preferiblemente mediante un modelo 3D del trocar en el contexto anatómico del paciente y/o en el contexto del robot - y/o de información numérica; por ejemplo, valores de distancia y ángulos con respecto a la posición objetivo del paciente. Ventajosamente, este método permite mayor precisión en la colocación del robot sobre el paciente.

En cualquiera de las dos alternativas anteriores, se dispone de la cuantificación del error cometido en el alineamiento entre el módulo de corte por láser y el cuerpo principal del trócar; así, la unidad central de proceso reposiciona y/o reorienta el módulo de corte por láser en caso de desalineamiento.

El uso de estos marcadores fiduciarios en el paciente, adicionalmente, conlleva la ventaja de detectar si la posición relativa entre el trocar y el propio paciente ha variado en el tiempo. Para ello, la unidad central de proceso recibe del dispositivo de tracking la pose tridimensional en el espacio de los marcadores fiduciarios posicionados en el paciente y establece la pose tridimensional relativas entre el cuerpo principal del trocar y dichos marcadores. Si esta pose tridimensional relativas se ven modificadas en el tiempo, significa que los marcadores y/o el propio trocar han sufrido un movimiento no deseado. En estos casos, de manera preferida, la unidad central de proceso emite una alarma para que se puedan reposicionar y/o reorientar los marcadores y/o el trocar.

En un ejemplo, los marcadores fiduciarios del paciente se pueden fijar mediante pinzas que comprenden una articulación flexible para que, en caso de ser golpeados, dicha articulación evite que la tensión por el golpe afecte directamente a la fijación con el paciente, y por lo tanto, evite que la pinza se suelte y produzca un movimiento indeseado de los marcadores. En este caso, bastaría con recolocar la articulación flexible en su posición inicial.

En una realización, lo unidad central de proceso está adicionalmente adaptada para llevar a cabo el posicionamiento y/u orientación tridimensionales del módulo de corte por láser respecto del movimiento del paciente a través del movimiento de lo tercera pluralidad de marcadores fiduciarios.

Una vez el dispositivo de tracking ha establecido la pose tridimensional en el espacio de los marcadores fiduciarios del paciente, esta información es trasladada a la unidad central de proceso. A raíz de esta información, la unidad central de proceso determina que el trocar ha podido variar su pose tridimensional y, por ende, está desalineado respecto al módulo de corte por láser del robot.

En esta situación, la unidad central de proceso ordena el reposicionamiento y la reorientación del módulo de corte por láser según la al menos una dirección de actuación previamente determinada. En un ejemplo particular, si el error de alineamiento supera un límite definido como aceptable, la unidad central de proceso emite una alarma. De manera preferida, se considera que un alineamiento es inaceptable cuando el haz láser intersecta en algún punto el cuerpo principal del trocar. En otro ejemplo particular, alternativo o simultáneo al anterior, la unidad central de proceso emite una alarma cuando detecta que el error de alineamiento no se puede corregir; por ejemplo, porque existe un fallo de comunicación entre dicha unidad y el robot. De manera preferida, en estas circunstancias la emisión del láser se detiene. En una realización, el modelo numérico adicionalmente comprende las coordenadas de la tercera pluralidad de marcadores fiduciarios y la relación de coordenadas y orientación entre la al menos una dirección de actuación del haz láser respecto de la tercera pluralidad de marcadores fiduciarios. Para que la unidad central de proceso lleve a cabo el reposicionamiento y/o la reorientación del módulo de corte por láser, el modelo numérico ha de comprender las coordenadas de los marcadores fiduciarios del paciente y la relación de coordenadas entre dichos marcadores fiduciarios y la al menos una dirección de actuación del haz láser.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.

Figura 1 En esta figura se muestra un ejemplo de realización del puerto de acceso quirúrgico que comprende cuatro marcadores fiduciarios. Figura 2 En esta figura se ilustra un ejemplo de realización del sistema quirúrgico de corte por láser, donde el dispositivo de tracking está montado sobre el robot.

Figura 3 En esta figura se muestra un ejemplo de realización del sistema quirúrgico de corte por láser, donde el dispositivo de tracking visualiza los marcadores fiduciarios del robot y del puerto de acceso quirúrgico. Figura 4 En esta figura se muestra un ejemplo de realización del sistema quirúrgico de corte por láser, donde el dispositivo de tracking visualiza los marcadores fiduciarios del robot, del puerto de acceso quirúrgico y del paciente.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 1 muestra un ejemplo de realización del trocar (1) que comprende un cuerpo principal (1.1) tubular con un espacio vacío en su interior (1.3) y cuatro marcadores fiduciarios (1.2) esféricos. Estos marcadores (1.2) están distanciados entre sí, ubicados en los extremos de una cruz. En este ejemplo, la cruz está unida a un soporte que sirve para fijar el trocar (1) una vez se ha insertado en el cuerpo del paciente. De manera preferida, el trocar (1) se fija a la mesa de operaciones.

En un ejemplo alternativo, también mostrado en la Figura 1, los marcadores fiduciarios (1.2) no están fijos en forma de cruz sino que los agujeros del cuerpo principal (1.1) del trocar (1), ubicados en la valona situada en el extremo superior de dicho cuerpo principal (1.1), sirven para establecer los marcadores fiduciarios (1.2) mediante una sonda trackeada.

La Figura 2 ilustra un ejemplo de realización de un sistema quirúrgico de corte por láser que comprende un sistema de posicionamiento para un entorno quirúrgico y un robot quirúrgico de corte por láser (3).

El sistema de posicionamiento, a su vez, comprende un puerto de acceso quirúrgico (1) como el mostrado en la Figura 1; un dispositivo de tracking (2) que establece la pose tridimensional en el espacio de los marcadores fiduciarios (1.2) del trocar (1); y una unidad central de proceso (U). Esta unidad central de proceso (U) recibe del dispositivo de tracking (2) la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios (1.2) del trocar (1) y, a partir de esta información, determina la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) respecto a un sistema de coordenadas de referencia. Adicionalmente, la unidad central de proceso almacena el sistema de coordenadas de referencia y la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) respecto del sistema de coordenadas de referencia. Por su parte, el robot quirúrgico de corte por láser (3) comprende un módulo de corte por láser (3.2) adaptado para emitir un haz láser que actúa a través del espacio vacío (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1).

Para alinear el haz láser con el trocar (1), la unidad central de proceso (U) adicionalmente determina, en función de la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) , al menos una dirección de actuación (3.3) del haz láser de forma que el haz láser en la al menos una dirección de actuación (3.3) atraviese el espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) sin intersecar dicho cuerpo principal (1.1). Además, la unidad central de proceso (U) posiciona y orienta el módulo de corte por láser (3.2) para que el haz láser se oriente según la al menos una dirección de actuación (3.3) que ha determinado previamente. En este ejemplo particular, el robot quirúrgico de corte por láser (3) comprende un brazo robótico (3.4) y éste es comandado por la unidad central de proceso (U) para el posicionamiento y orientación del módulo de corte por láser (3.2).

La estimación de la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del trocar (1) se realiza en base a relaciones geométricas a partir de un modelo numérico generado por la unidad central de proceso (U). Este modelo numérico comprende, al menos, las coordenadas de los marcadores fiduciarios (1.2) del trocar (1) respecto del sistema de coordenadas de referencia y la relación de coordenadas y orientación entre el espacio vacío (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) respecto de dichos marcadores fiduciarios (1.2). Adicionalmente, el modelo numérico comprende la forma del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1). Opcionalmente, el modelo numérico comprende también la forma del puerto de acceso quirúrgico (1).

Las relaciones geométricas que permiten estimar la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del trocar (1) se pueden determinar mediante una calibración en vivo montando y desmontando los marcadores fiduciarios en el trocar según necesidad, utilizando para ello una sonda trackeada.

Además, cabe mencionar que el posicionamiento y orientación del módulo de corte por láser (3.2) respecto del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) puede realizarse o bien de forma continua, para mantener un seguimiento en tiempo real de dicho espacio vacío interior (1.3), o bien de forma puntual, ya sea preestableciendo una frecuencia particular o bien bajo demanda del usuario o personal médico.

Por otro lado, como se aprecia en esta Figura 2, el módulo de corte por láser (2) está montado sobre el robot (3), en particular, sobre el módulo de corte por láser (3.2). Esto implica que el dispositivo de tracking (2) conoce en cada momento la pose tridimensional del módulo de corte por láser (2) y traslada esta información a la unidad central de proceso (U) para que ésta determine si existe o no alineamiento entre el láser y el trocar y así actuar en consecuencia.

En cuanto al trocar (1), en este ejemplo de la Figura 2, se aprecia que el cuerpo principal (1.1) es cilindrico y la dirección de actuación (3.3) determinada por la unidad central de proceso (U) se extiende a lo largo del eje de revolución de dicho cilindro.

Opcionalmente, el robot (3) comprende una óptica de visualización del campo quirúrgico para poder ofrecer, en tiempo real, una imagen de dicho campo quirúrgico al usuario o personal médico.

Finalmente, la unidad central de proceso (U) puede estar adaptada adicionalmente para comandar la posición y/u orientación tridimensionales del módulo de corte por láser (3.2) para incidir en una región quirúrgica a través del puerto de acceso quirúrgico (1) tomando como referencia la pose tridimensional del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) y la forma de dicho espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) del modelo numérico.

En un ejemplo, la unidad central de proceso (U) comanda diferentes posiciones y/u orientaciones tridimensionales del módulo de corte por láser (3.2) para que el haz láser actúe secuencialmente conforme a una pluralidad de direcciones de actuación (3.3) diferentes, incidiendo así el haz láser en una región quirúrgica particular. En otro ejemplo, la unidad central de proceso (U) comanda al módulo de corte por láser (3.2) que se posicione y/u oriente conforme a una dirección de actuación (3.3) particular mientras que el láser incide en diferentes puntos de la región quirúrgica gracias a que el módulo de corte por láser (3.2) comprende un escáner y/o un sistema óptico para orientar y/o posicionar el láser. Alternativamente, la orientación y/o posicionamiento del láser se realiza mediante un sistema Galvos, que es independiente al robot.

En estos ejemplos, la unidad central de proceso (U) estima el espacio disponible de actuación del láser - esto es, la región quirúrgica que puede incluir o no márgenes de seguridad - gracias a que conoce las dimensiones del espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) y el volumen en el que están confinados los rayos del haz láser.

En la Figura 3 se muestra otro ejemplo de realización del sistema quirúrgico de corte por láser. La diferencia de este ejemplo respecto al mostrado en la Figura 2 es que el robot quirúrgico de corte por láser (3) comprende adicionalmente marcadores fiduciarios (3.1) y el dispositivo de tracking (2) está ubicado de tal forma que visualiza tanto los marcadores fiduciarios (3.1) del robot (3) como los marcadores fiduciarios (1.2) del trocar (1). El resto de características descritas en el ejemplo de la Figura 2 son extra polables a este ejemplo de realización.

En este caso, el dispositivo de tracking (2) no conoce la pose tridimensional del módulo de corte por láser (3.2) directamente sino que estima la pose tridimensional de los marcadores fiduciarios (3.1) del robot y envía esta información a la unidad central de proceso (U). Así, la unidad central de proceso (U) determina la pose tridimensional relativa entre el módulo de corte por láser (3.2) y el cuerpo principal (1.1) del puerto de acceso quirúrgico (1) - en particular, del espacio vacío interior (1.3) - en función de esta información y la almacena.

La estimación de la pose tridimensional del módulo de corte por láser (3.2) del robot quirúrgico (3) se realiza en base a relaciones geométricas a partir del modelo numérico generado por la unidad central de proceso (U) que, en este ejemplo, adicionalmente comprende las coordenadas de los marcadores fiduciarios (3.1) del robot respecto del sistema de coordenadas de referencia y la relación de coordenadas y orientación entre la al menos una dirección de actuación (3.3) del haz láser respecto de dichos marcadores fiduciarios (3.1).

Las relaciones geométricas que permiten estimar la pose tridimensional del módulo de corte por láser (3.2) se pueden determinar mediante una calibración hand-eye, mediante una calibración basada en restricciones geométricas o mediante medición directa realizada por un sistema de metrología o un dispositivo calibrador.

La Figura 4 muestra otro ejemplo de realización del sistema quirúrgico de corte por láser. En este ejemplo, el sistema mostrado en la Figura 3 comprende adicionalmente marcadores fiduciarios (4) dispuestos en el paciente mediante elementos de fijación. En un ejemplo no mostrado en la figura los elementos de fijación son pinzas que fijan los marcadores fiduciarios a un tejido del paciente; por ejemplo, a la espina de la vértebra del paciente. El dispositivo de tracking (2) está posicionado para visualizar todos los marcadores fiduciarios (1.2, 3.1, 4) al mismo tiempo y está adicionalmente adaptado para establecer la pose tridimensional en el espacio de estos marcadores fiduciarios (4) del paciente para el seguimiento de los movimientos de dicho paciente.

La unidad central de proceso (U) recibe del dispositivo de tracking (2) la pose tridimensional en el espacio de los marcadores fiduciarios (4) del paciente y establece la pose tridimensional relativas entre el espacio vacío interior (1.3) del cuerpo principal (1.1) del trocar (1) y dichos marcadores (4). Si esta pose tridimensional relativa se ve modificada en el tiempo, significa que los marcadores (4) y/o el propio trocar (1) han sufrido un movimiento no deseado.

Adicionalmente, a raíz de esta información, la unidad central de proceso (U) conoce si el trocar ha variado su pose tridimensional y, por ende, si está desalineado respecto al módulo de corte por láser (3.2) del robot (3). Si existe tal desalineamiento, la unidad central de proceso (U) lleva a cabo el reposicionamiento y/o la reorientación del módulo de corte por láser (3.2) necesarios.

En este ejemplo, además, el modelo numérico comprende las coordenadas de los marcadores fiduciarios (4) del paciente y la relación de coordenadas y orientación entre la al menos una dirección de actuación (3.3) del haz láser respecto de dichos marcadores fiduciarios (4).

En un ejemplo alternativo, en sistema del ejemplo de realización mostrado en la Figura 2 comprende adicionalmente marcadores fiduciarios (4) fijados al paciente mediante unos medios de fijación, como pueden ser una o más pinzas fijadas a una o más vértebras del paciente, y el dispositivo de tracking visualiza simultáneamente los marcadores fiduciarios (4) del paciente y los marcadores fiduciarios (1.2) del trocar (1).