SIMULADOR PARA CIRUGíA LAPAROSCóPICA

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA !NVENCION

La presente invención se refiere a un simulador para el entrenamiento de cirugía laparoscópica que tiene por objeto Ia fiel reproducción de las condiciones reales a las cuales debe enfrentarse un cirujano en una operación de este tipo con el fin de practicar las diferentes técnicas, desarrollar las habilidades precisas, etc.

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 laparoscopia, Ia cual consiste en realizar intervenciones quirúrgicas sin abrir al paciente, únicamente practicando una pequeña incisión denominada portal, por dónde penetrará el instrumental requerido para realizar operaciones en un órgano determinado.

Para el seguimiento y control de Ia manipulación del instrumental se utiliza una cámara que es introducida en el paciente, Ia cual muestra, a través de una pantalla externa, las imágenes de las diferentes operaciones y

maniobras que el cirujano lleva a cabo internamente.

Esta técnica quirúrgica, que ofrece evidentes ventajas, necesita sin embargo de un alto grado de especialización y habilidad respecto a Ia cirugía abierta convencional, pues el cirujano debe acostumbrarse a seguir la evolución de su intervención a través de un monitor, a Ia vez que con sus manos maneja el instrumental introducido en el paciente a través de los mencionados portales.

Así, se hace absolutamente necesario un entrenamiento previo para asegurar un correcto manejo del sistema y una adecuación de las habilidades del cirujano a las aptitudes que este tipo de sistemas necesita.

Este entrenamiento se ha llevado a cabo en ocasiones utilizando cadáveres humanos o incluso animales vivos, Io cual, como es evidente, presenta un elevado número de inconvenientes.

Para solucionar los mismos, ya hace algunos años se recurrió a modelos físicos que trataban de reproducir las condiciones de trabajo, y que se estructuraban a partir de una caja o envolvente cerrada que simulaba el cuerpo humano, de Ia cual emergía el instrumental correspondiente, y que en su interior contenía modelos físicos de determinados órganos del cuerpo humano.

Estos primeros simuladores, aunque efectivos desde el punto de vista de adquirir ciertas habilidades manuales y acostumbrarse a Ia presencia de Ia cámara, contaban con multitud de inconvenientes, pues no dejaban de ser toscas reproducciones de las condiciones reales con las que más tarde se enfrentaría el cirujano.

Con objeto de solventar estos inconvenientes y dotar de un mayor

realismo al entrenamiento en los últimos años han aparecido, gracias al notable desarrollo del software, simuladores virtuales capaces de reproducir imágenes del interior del cuerpo y sus órganos y Ia interacción del instrumental médico operando sobre dichos órganos. En otras palabras, sistemas de entrenamiento capaces de simular múltiples escenarios en los cuales pueden reproducirse enfermedades, problemas que puedan surgir durante Ia intervención, etc. permitiendo a su vez que a través de los movimientos que el cirujano imprime al instrumental del simulador el sistema sea capaz de generar imágenes del efecto que dichos movimientos tendrían en los órganos también simulados por el sistema.

Sin embargo, esta nueva técnica aplicada a Ia simulación, aún solucionando los inconvenientes antes señalados, puede adolecer en muchas ocasiones de falta de realismo debido a factores tales como Ia incorrecta posición del instrumental en el modelo físico de paciente, la incorrecta posición o dimensión de dicho modelo físico o incluso el excesivo tamaño de los dispositivos hápticos que colaboran con el instrumental, que sobresalen del modelo físico de paciente dificultando el manejo de dicho instrumental y en definitiva impidiendo que el cirujano los maneje como haría con los utilizados en una operación real, es decir, que no practique con una ergonomía real.

A todo esto hay que sumar el hecho de que los generadores de imágenes de este tipo de simuladores se limitan a proporcionar modelos de los órganos internos en una determinada posición, sin ser posible reproducir movimientos del paciente y ni por Io tanto los movimientos de sus órganos internos con motivo de dicho movimiento. Sin embargo, este movimiento de los pacientes suele ser habitual en las operaciones de cirugía, pues en determinadas ocasiones el cirujano, ayudado por Ia mesa de operaciones, inclina el cuerpo del paciente de forma que uno o varios órganos internos se muevan unos respecto a otros y de esa forma se pueda tener una mejor visión de los mismos, un mejor acceso a ciertas zonas, etc.

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DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

El simulador de cirugía laparoscópica que a continuación se describe resuelve los problemas antes planteados, pues permite una simulación que es fiel reproducción de las condiciones reales a las que debe enfrentarse el cirujano, incluyendo instrumental de tamaño y ubicación real y Ia posibilidad de mover al paciente sobre Ia mesa y con ello mover también los órganos internos del cuerpo.

Concretamente, el simulador objeto de Ia presente invención comprende, básicamente, los siguientes componentes:

- Un modelo físico de paciente sobre el que se situará el instrumental adecuado, tal como pinzas, tijeras, grapadora, separador, etc. con su correspondiente dispositivo háptico encargado de transmitir a Ia unidad de control Ia posición del mismo en los ejes X, Y y Z, así como de producir una sensación de tacto mediante una realimentación de fuerzas que se reflejará en los mandos del instrumental. Todos estos dispositivos, quedarán integrados dentro del modelo físico de paciente, de manera que únicamente sobresalgan aquellos que en una operación real serán los que el cirujano encuentre, es decir, el propio instrumental y Ia cámara, reproduciendo así fielmente Ia realidad.

Además, dicho instrumental reproducirá fielmente todas las características de un instrumental real, tanto en dimensión y manejabilidad como en Ia posición que ocupan entre ellos y respecto al paciente, de forma que Ia simulación reproduzca las mismas características que una operación real. Para ello, además, el modelo físico del paciente también reproducirá fielmente un cuerpo humano, tanto en dimensiones como en aspecto, siendo además intercambiable e independiente de Ia mesa de operaciones (6) para poder representar

diferentes modelos de pacientes tales como adultos, niños, etc. según Ia ocasión.

- Una cámara Ia cual simula una real en forma, dimensiones y funciones, de tal manera que si penetra Ia cámara, el objetivo se acerca al objeto y el resultado virtual es un acercamiento de Ia imagen, de otro modo, si Ia cámara es desplazada en los ejes de coordenadas X, Y, o se produce una rotación del eje Z, correspondiendo este último a Ia penetración, Ia representación virtual reacciona en Ia misma dimensión y sentido en sincronismo con los movimientos de Ia cámara.

- Un sistema de visualización cuya misión será la de representar en una pantalla las imágenes que virtualmente recoge Ia cámara, así como las imágenes generadas a partir de Ia manipulación del instrumental.

- Una mesa de operaciones articulada, cuya misión es la de soportar el modelo físico del paciente, así como por un lado, incorporar los mecanismos encargados de posicionar el tablero sobre el que apoya dicho modelo de paciente según las exigencias del cirujano, y por otro, incorporar los medios necesarios para medir la posición en el espacio de dicho tablero y transmitir la misma a Ia unidad de control para que esta se encargue de enviar al sistema de visualización las imágenes de los órganos según estos se vean afectados por el plano del campo gravitatorio en relación a Ia inclinación del tablero de la mesa.

- Un software específico encargado de Ia simulación que a partir de los datos proporcionados por el instrumental y Ia mesa de operaciones generará Ia posición tridimensional de simulación de los mismos respecto al también escenario tridimensional simulado que será representado en el sistema de visualización.

- Una unidad central de procesamiento o CPU, encargada de controlar todos los parámetros del sistema, albergar las bases de datos necesarias tales como las de los modelos anatómicos y de instrumental, historias clínicas, etc., así como de ejecutar el software de simulación y gestionar el funcionamiento de todos los dispositivos a él conectados.

- Por último, una serie de periféricos para introducir datos al sistema y/o reproducir diversas operaciones o funciones susceptibles de ser llevadas a cabo por el cirujano y existentes también en un quirófano real.

Así, partiendo de Ia información almacenada en las bases de datos utilizadas y de los movimientos del instrumental, mesa de operaciones u otros el sistema, a través del software específico, es capaz de generar imágenes virtuales que se corresponden con Io que sucedería en Ia realidad si dicho instrumental, mesa, etc. se utilizasen de esa manera, reproduciéndose por Io tanto de manera fiel Ia realidad y convirtiendo al sistema en una potente herramienta de entrenamiento.

Por último añadir que el sistema, a través de las bases de datos y el software apropiados, es capaz no solo de reproducir en tiempo real Io que el cirujano está haciendo, sino también los efectos que Io que dicho cirujano hace causa en los órganos del paciente, o incluso Ia simulación de cualquier contingencia inesperada y/o complicación operatoria, así como múltiples factores que podrían tener influencia en Ia operación simulada.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en

donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista esquemática de los elementos que comprende el simulador de Ia presente invención.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva en la que se representa un posible modelo físico de paciente el cual tiene acoplado tanto Ia cámara como el instrumental.

La figura 3.- Muestra una vista en perspectiva inferior de Ia mesa de operaciones del simulador de Ia invención, sobre Ia que se haya situado el modelo físico del paciente.

La figura 4.- Muestra sendas vistas en alzado de la de Ia mesa de operaciones del simulador de Ia invención.

La figura 5.- Muestra una vista 5a de las cavidades sobre las que se sitúan los pies de los dispositivos hápticos en el tablero de Ia mesa de operaciones del simulador de Ia invención y otra 5b de detalle de dichos pies.

La figura 6.- Muestra un diagrama de bloques en donde se representa de forma esquemática Ia relación entre las diferentes partes del simulador gestionadas por el software.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

Según una posible realización de la invención, el simulador para cirugía laparoscópica de Ia invención comprende un modelo físico (1) del paciente, susceptible de ser intercambiado por otros de diferente morfología según pudiera corresponder en Ia vida real, sobre el que se sitúa el instrumental (2) adecuado que entra en el paciente a través de los

correspondientes portales (3), así como Ia cámara (4).

El sistema, a partir de los movimientos en cualquiera de los tres ejes X, Y, Z o de rotación tanto de Ia cámara (4) como del instrumental (2), así como los movimientos específicos de corte, pinzamiento, etc. del instrumental

(2) genera las imágenes virtuales correspondientes a Io que sería dicho movimiento en Ia realidad, las cuales pueden verse a través del monitor (5), el cual es susceptible además de incorporar una pantalla táctil a modo de periférico.

Para situar dicho modelo físico (1), se utiliza una mesa de operaciones (6) articulada, Ia cual incorpora medios (7) para posicionar el tablero (19) inclinándolo tanto transversal como longitudinalmente, es decir, tanto en un movimiento izquierda - derecha alrededor del eje longitudinal como anterior - posterior alrededor del eje transversal. Igualmente, dicha mesa de operaciones (6) cuenta con dispositivos para medir el desplazamiento angular, como por ejemplo "encoders", sensores de posición, etc., que medirán Ia posición de Ia mesa (6) para ser transmitida a Ia unidad de control (9) para que esta última se encargue de enviar al monitor (5) las imágenes de los órganos según estos se vean afectados por el plano del campo gravitatorio, en relación a Ia inclinación del tablero de dicha mesa (9).

Así, según una realización preferente que puede verse en las figuras 3, 4 y 5 Ia mesa de operaciones (6) comprende un tablero (19) realizado preferentemente en un material rígido que cuenta con una pluralidad de cavidades (20), de diferente profundidad, cuya finalidad consiste en albergar el pie (21) de los diferentes dispositivos hápticos para situarlos en Ia posición, altura y orientación correctas de acuerdo a Ia utilización del ejercicio que se esté desarrollando.

Dichas cavidades (20) están compuestas por alojamientos de forma

cilíndrica sobre las que se sitúa otra cavidad interna (22) en forma de prisma rectangular a modo de chavetero que sirve para Ia orientación angular del referido pie (21) del dispositivo háptico (13). La situación en altura del dispositivo háptico (13) será función de Ia profundidad de Ia propia cavidad (20), tal y como se puede apreciar en Ia figura 5 ^a , en donde aparecen cavidades con diferentes profundidades.

Además, en dicha cavidad interna (22) se sitúa al menos un sensor de presencia (23) o similar capaz de detectar Ia ocupación de las cavidades (20) por un dispositivo háptico (13), e incluso identificar este último.

En cuanto al posicionamiento de Ia mesa de operaciones (6), ésta se sustenta por medio de soportes giratorios (24) situados preferentemente en el eje longitudinal al tablero (19) y unidos por sus ejes a un balancín (26) de forma que se permita el giro alrededor de dicho eje longitudinal, es decir, el giro izquierda - derecha de dicho tablero. En al menos uno de dichos soportes giratorios (24) se encuentra además acoplado un dispositivo (25) para medir el desplazamiento angular tal como un encoder o similar capaz de medir el grado de inclinación lateral de dicho tablero (19).

Igualmente, la acción mecánica del giro longitudinal es suministrada por un primer actuador (27) o servo amarrado por uno de sus extremos al pasador (28) y por el otro a un puente de giro (29) situado en el balancín (26).

Dicho balancín (26) incorpora también un pasador (31) que sirve de punto de giro y amarre en uno de los extremos del segundo actuador (32) o servo encargado de producir un desplazamiento angular de dicho balancín (26) en los puntos de giro (30) de forma que se permita el giro alrededor del eje transversal del tablero (19), es decir, el giro anterior - posterior de dicho tablero (19), siendo dicho desplazamiento angular medido por un segundo

dispositivo (29) solidario al balancín (26) y unido a los mencionados puntos de giro (30) .

De esta forma, a partir de las medidas de desplazamiento angular, que se corresponden con los cambios de posición del tablero (19), entregadas al sistema de control por los dispositivos (25, 29) dicho sistema traduce ese movimiento o desplazamiento enviando al sistema de visualización (14) las imágenes de los órganos según estos se vean afectados por el plano del campo gravitatorio en relación a Ia inclinación del tablero (19) de Ia mesa (6).

En cuanto a Ia unidad de control (9) o unidad de procesamiento o CPU, ésta será Ia encargada de controlar todos los parámetros del sistema, albergar las bases de datos necesarias, ejecutar el software de simulación y gestionar el funcionamiento de todos los dispositivos a él conectados, no solo de los anteriormente comentados, sino de cualesquiera otros periféricos acoplados al sistema, como por ejemplo un teclado (10) para introducir datos al sistema, navegar por los menús o pantallas, o unos pedales (11) similares a los utilizados en cirugía real para ser accionados por el pie, siendo los encargados de controlar funciones como Ia cauterización, el corte, captura de imágenes, etc.

De forma más concreta, y tal y como puede apreciarse en Ia figura 5, en Ia que se muestra de forma esquemática el diagrama de bloques del sistema, se tiene que:

El usuario (12) es Ia persona que interactúa con el simulador a través del instrumental (2) físico simulado y que recibe respuestas visuales mediante el sistema de visualización (14) a través del PC y sensaciones hápticas a través de los dispositivos hápticos (13) reales

Dicho sistema de visualización (14), que incluye tanto Ia cámara (4)

como el monitor (5) comprende a su vez dos entidades funcionales de software. Una de ellas es Ia aplicación software que permite al usuario (12) interactuar con el sistema planificando Ia simulación de forma visual, interactiva y amigable, contando entre sus funcionalidades con Ia de seleccionar los ejercicios, acceder a los históricos de resultados, interactuar con los tutoriales y descripciones de tarea, etc.

La otra entidad funcional de software que incorpora el sistema de visualización (14) es Ia del motor generador de gráficos, que es una librería de alto rendimiento para Ia visualización de gráficos en 3D y de Ia secuencia de simulación en el monitor (5).

Otro elemento es, como ya se ha dicho, el instrumental (2) físico simulado que imita el instrumental quirúrgico: pinzas, palpadores, cámaras y que está acoplado a los dispositivos hápticos (13) a través de los cuales simulan su funcionalidad operacional, estando dichos dispositivos hápticos (13) escamoteados u ocultos totalmente dentro del modelo físico (1) de forma que no dificulten Ia tarea del cirujano y que se reproduzca fielmente una situación real.

El sistema cuenta además con un núcleo de simulación (15) cuya función es Ia de dirigir, controlar y gestionar el flujo de Ia simulación a todos los niveles: gráfico, háptico y operacional. Es decir, este módulo coordina al resto de los módulos y elementos restantes y actúa de interfaz entre el simulador y Ia aplicación software que permite al usuario (12) planificar Ia simulación.

De cara además a conseguir un realismo apropiado del simulador el sistema cuenta también con un módulo software de tacto y sonidos (16) que convierte las acciones simuladas del usuario (12) en respuestas hápticas y sonoras, es decir, actúa de puente entre Ia acción simulada del usuario (por

ejemplo, fresar) y Ia respuesta sensorial del hardware (sensación de colisión de Ia fresa y ruido del fresado).

El conjunto se completa con un sistema de evaluación (17) que permite monitorizar diferentes aspectos de Ia ejecución de los ejercicios de simulación con el objetivo de poder evaluar las actuaciones de los usuarios (12) en Ia ejecución de los diferentes ejercicios.

Por último, se dispone de una biblioteca de casos de entrenamiento (18) de apoyo estático a Ia simulación, es decir, bases de datos, ficheros XML o similares, modelos gráficos etc. tales como modelos de anatomía y/o instrumental, historias clínicas, secuencia didáctica y objetivos a cumplir dentro de un entrenamiento, etc.