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ES2264770T3 - Dispositivo para la deteccion del contorno de una superficie de una estructura osea. - Google Patents

Dispositivo para la deteccion del contorno de una superficie de una estructura osea.

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ES2264770T3
ES2264770T3 ES03753354T ES03753354T ES2264770T3 ES 2264770 T3 ES2264770 T3 ES 2264770T3 ES 03753354 T ES03753354 T ES 03753354T ES 03753354 T ES03753354 T ES 03753354T ES 2264770 T3 ES2264770 T3 ES 2264770T3
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ES
Spain
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distance
distance measuring
radiation
sensor
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ES03753354T
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Andreas Goggelmann
Josef Kozak
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Aesculap AG
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Aesculap AG
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Abstract

Dispositivo para la detección del contorno de una superficie (2) de una estructura ósea (3), caracterizado porque comprende: un soporte (4) en el que está dispuesto al menos un elemento de medición de distancias (5) que determina la distancia entre el soporte (4) y un lugar de la superficie (2) de la estructura ósea (3), un sistema de navegación (11, 12; 13, 14, 15) con elementos marcadores que se han de fijar en el soporte (4) y en la estructura ósea (3), cuya posición puede ser determinada mediante el sistema de navegación, y una instalación de procesamiento de datos (10), que calcula el contorno de la superficie (2) a partir de los datos de posición de la estructura ósea (3) y del soporte (4) y de las mediciones de distancias del o de los elementos de medición de distancias (5).

Description

Dispositivo para la detección del contorno de una superficie de una estructura ósea.
La invención se refiere a un dispositivo para la detección del contorno de una superficie de una estructura ósea.
En muchos casos, el conocimiento del contorno de superficies irregulares de una estructura ósea, en particular del contorno de concavidades, es condición previa para poder procesar esta superficie. Por ejemplo, para la implantación de endoprótesis es necesario conocer el desarrollo exacto de la superficie de la estructura ósea, para realizar correspondientemente una adaptación de implantes, un repaso necesario de la estructura ósea o para hacer una elección adecuada entre distintos implantes disponibles. En el documento US 6.409.686 B1 está descrito un dispositivo con un brazo mecánicamente móvil, que sirve para palpar la superficie de un cuerpo. La posición del brazo ajustada durante este proceso y de una corredera alojada en el mismo debe ser leída y transferida a un sistema de cálculo. Esto es complicado y puede conducir, además, a entradas incorrectas.
Para la construcción de carreteras se conoce un sistema de medición de calzada, en el que se determina la superficie de la calzada mediante detectores de distancias, determinándose continuamente la posición de los detectores de distancias respecto a un dispositivo de medición estacionario (documento DE19851153C1). No obstante, este sistema no está previsto para detectar la superficie de una estructura ósea, en particular, resultarían mediciones incorrectas si la superficie que ha de medirse cambiara su posición en el espacio.
La invención tiene el objetivo de proporcionar un dispositivo del tipo genérico, con el que pueda detectarse de forma sencilla y fiable el contorno de una superficie, aunque ésta presentara contornos irregulares.
En un dispositivo del tipo descrito al principio, este objetivo se consigue según la invención porque el dispositivo comprende:
\bullet
un soporte en el que está dispuesto al menos un elemento de medición de distancias que determina la distancia entre el soporte y un lugar de la superficie de la estructura ósea,
\bullet
un sistema de navegación con elementos marcadores, que se han de fijar en el soporte y en la estructura ósea, cuya posición puede ser determinada mediante el sistema de navegación, y
\bullet
un dispositivo de procesamiento de datos, que calcula el contorno de la superficie a partir de los datos de posición de la estructura ósea y del soporte y de las mediciones de distancias del o de los elementos de medición de distancias.
Por lo tanto, se usa un soporte que entra en una posición que puede ser determinada respecto a la estructura ósea y la superficie determinada y, en el soporte, se determina la distancia de la superficie del soporte mediante al menos un elemento de medición de distancias. El dispositivo de procesamiento de datos puede determinar el contorno de la superficie a partir de, por un lado, la posición relativa del soporte respecto a la estructura ósea y, por otro lado, la distancia entre la superficie y el soporte, si una medición de este tipo se realiza en distintos puntos de la superficie.
En el caso más sencillo, esto pude conseguirse con un soporte con un solo elemento de medición de distancias, que está fijamente dispuesto en el soporte. En este caso, el soporte se hace pasar con el elemento de medición de distancias por el contorno que ha de determinarse, el contorno se mide de esta forma punto por punto y es determinado por el dispositivo de procesamiento de datos.
Naturalmente, este procedimiento es relativamente complicado y la exactitud depende también del esmero con el que el usuario mueve el soporte por toda la superficie que ha de detectarse.
Una mejora fundamental resulta si, según una forma de realización preferible, en el soporte están dispuestos fijamente varios elementos de medición de distancias distribuidos en una superficie, cuya disposición en el soporte está almacenada en el dispositivo de procesamiento de datos o que se transmite continuamente a éste. De esta forma, los elementos de medición de distancias dispuestos en el soporte pueden determinar al mismo tiempo en distintos puntos de la superficie la distancia de éstos del soporte, pudiendo determinar el dispositivo de procesamiento de datos posteriormente el contorno de la superficie a partir del posicionamiento relativo entre los distintos elementos de medición de distancias y a partir de los distintos valores de medición de distancias. Si el número de elementos de medición de distancias es suficientemente elevado y si cubren suficientemente la totalidad del contorno de la superficie que ha de medirse, el contorno puede calcularse sin movimientos del soporte; por lo tanto, basta con posicionar el soporte una vez respecto a la superficie y realizar a continuación una medición que permite inmediatamente una determinación del contorno de toda la superficie.
No obstante, también es posible mover el soporte que porta varios elementos de medición de distancias para mediciones de distancias sucesivas respecto a la superficie, de modo que los elementos de medición de distancias queden posicionados en cada medición enfrente de otra zona de la superficie realizando allí una medición de la distancias. Puesto que la posición del soporte respecto al cuerpo queda determinada en cada momento por el sistema de navegación, también puede realizarse en cada posición del soporte una asignación de las mediciones de distancias a un punto determinado de la superficie, de modo que pueda aumentarse el número de puntos de medición de la superficie mediante mediciones que se realizan sucesivamente de esta forma. De este modo puede realizarse una determinación del contorno de la superficie de una gran exactitud, incluso con un número, dado el caso, relativamente reducido de elementos de medición de distancias mediante varias mediciones sucesivas.
En otra disposición también es posible que el elemento de medición de distancias sea desplazable a distintas posiciones en el soporte y que se transmitan continuamente datos que corresponden a la posición respectiva del elemento de medición de distancias en el soporte a la instalación de procesamiento de datos.
Por consiguiente, en esta configuración, el elemento de medición de distancias móvil pasa por la superficie o la escanea. En un soporte de este tipo también pueden estar previstos varios elementos de medición de distancias desplazables de este tipo, que se desplazan al mismo tiempo o uno tras otro en el soporte. El desplazamiento puede ser un desplazamiento físico, aunque en principio también sería posible realizar en una trama relativamente grande de elementos de medición de distancias sucesivamente mediciones con éstos, de modo que los puntos de medición activos se muevan a lo largo del soporte no moviéndose los propios elementos de medición de distancias.
En todos los casos es importante que el usuario no tenga que pasar el soporte a una posición definida respecto a la superficie que ha de determinarse; basta con elegir la posición del soporte de tal forma que los elementos de medición de distancias puedan determinar la distancia a la superficie. Tampoco son perjudiciales movimientos del soporte durante las mediciones de distancias, puesto que el sistema de navegación detecta estos movimientos y la instalación de procesamiento de datos los puede tener en cuenta al calcular el contorno de la superficie.
Según una forma de realización preferible está previsto que el elemento de medición de distancias presente un cuerpo palpador móvil, que puede aplicarse a la superficie, cuyas distintas posiciones se detectan mediante un sensor y se transmiten a la instalación de procesamiento de datos. En este tipo de determinación de distancias se realiza, por lo tanto, una medición con contacto.
El cuerpo palpador puede estar realizado de distintas formas; el cuerpo palpador puede ser, por ejemplo, un vástago desplazable en la dirección longitudinal que se despliega hasta que su extremo libre se aplique a la superficie. También serían pensables cuerpos esféricos que pueden insertarse con mayor o menor profundidad en una guía en el soporte, brazos palpadores giratorios, etc.
El sensor para la determinación de la posición del cuerpo palpador también puede estar realizado de formas muy distintas. Por ejemplo, puede tratarse de un sensor que trabaja eléctricamente, en particular, un dispositivo eléctrico de medición de resistencia, un dispositivo eléctrico de medición de campo magnético, un dispositivo eléctrico de medición de inductividad o de capacidades u otro dispositivo eléctrico de medición que pueda determinar la posición de un cuerpo respecto a otro.
También es posible usar dispositivos mecánicos de medición, por ejemplo, un dispositivo manométrico o extensométrico. En otros casos puede usarse un dispositivo óptico de medición. Aquí, el experto dispone, en resumen, de múltiples posibilidades para poder determinar el cambio de posición del cuerpo palpador respecto al soporte.
En otra forma de realización preferible, la distancia se determina sin contacto. En particular, puede estar previsto que el elemento de medición de distancias emita una radiación y reciba la radiación reflejada por la superficie determinándose a partir del tiempo de propagación de la radiación entre la emisión y la recepción la distancia entre el elemento de medición de distancias y la superficie. Esta radiación puede ser, por ejemplo, una radiación ultrasónica o una radiación electromagnética, en particular una radiación infrarroja o una radiación lasérica.
Es especialmente ventajoso si el soporte tiene la forma de una placa.
La descripción expuesta a continuación de formas de realización preferibles de la invención sirve en relación con el dibujo para una explicación más
detallada. Muestran:
la figura 1: una vista en planta desde arriba de un dispositivo de detección de contorno con múltiples elementos de medición de distancias dispuestos en círculos concéntricos;
la figura 2: una vista en corte transversal a lo largo de la línea 2-2 en la figura 1;
la figura 3: una vista en corte transversal a través de un primer ejemplo de realización preferible de un elemento de medición de distancias con un sensor de inducción magnético;
la figura 4: una vista similar a la de la figura 3 con un sensor sensible a la presión;
la figura 5: una vista similar a la de la figura 3 con un elemento de medición de distancias ultrasónico;
la figura 6: una vista similar a la de la figura 5 con un elemento de medición de distancias por rayo láser y
la figura 7: un alzado lateral esquemático de un elemento de medición de distancias alojado de forma desplazable en el soporte del dispositivo para la detección del contorno.
El dispositivo 1 representado en las figuras 1 y 2 sirve para la detección del contorno de una superficie 2 de una estructura ósea 3. El dispositivo 1 comprende un soporte 4 en forma de placa, que en el ejemplo de realización representado presenta una sección transversal circular. En círculos concéntricos respecto al centro del soporte 4 están dispuestos múltiples elementos de medición de distancias 5 que presentan, respectivamente, un vástago palpador 7, que pasa por un orificio 6 del soporte 4 y que es desplazable en la dirección perpendicular respecto a la extensión del soporte 4, y un sensor 8, que está fijamente dispuesto en el lado superior del soporte 4 y en el que puede insertarse con mayor o menor profundidad el vástago palpador 7.
Cada sensor 8 determina hasta qué punto el vástago palpador 7 se ha insertado en el mismo, es decir, dicho de otro modo determina cuanto sobresale el vástago palpador 7 del soporte 4 hacia abajo. Una señal eléctrica que corresponde a esta profundidad de inserción se alimenta mediante una línea 9 asignada a cada sensor 8 a una instalación de procesamiento de datos 10, que recibe de esta forma de todos los sensores 8 datos que indican hasta qué punto el vástago palpador 7 del elemento de medición de distancias 5 correspondiente sobresale del soporte 4 hacia abajo.
En el soporte 4 y en la estructura ósea 3 está fijado un elemento marcador 11 ó 12, respectivamente. Éste puede comprender de forma en principio conocida tres cuerpos de reflexión esféricos para la radiación ultrasónica. El dispositivo de procesamiento de datos 10 tiene asignado un sistema de navegación con tres dispositivos de emisión y de recepción 13, 14, 15. Éstos emiten, por ejemplo, radiación ultrasónica, que se refleja en los elementos marcadores 11, 12 y que es recibida, a su vez, por los dispositivos de emisión y de recepción 13, 14, 15. El sistema de navegación puede determinar a partir de las diferencias entre el tiempo de propagación la distancia y la posición de los dos elementos marcadores 11,12, respecto al sistema de navegación y, por lo tanto, la posición y orientación tanto del soporte 4 como de la estructura ósea 3 en el espacio. El sistema de navegación suministra estos datos de posición al dispositivo de procesamiento de datos 10.
Si el soporte 4 está dispuesto al lado de la superficie 2, cuyo contorno debe ser determinado, los vástagos palpadores 7 se desplazarán por la fuerza de gravedad hasta que se apliquen a la superficie 2, respectivamente. Es decir, según el contorno de la superficie 2, los vástagos palpadores 7 sobresaldrán más o menos del soporte 4, como puede verse en la representación de la figura 2. Esta posición de los vástagos palpadores 7 es determinada por los sensores 8 y transmitida al dispositivo de procesamiento de datos 10, que puede calcular, a continuación, punto por punto el contorno de la superficie 2 a partir de estos datos, los datos de posición de los elementos de medición de distancias 5 en el soporte 4, que pueden estar depositados en una memoria del dispositivo de procesamiento de datos 10, y los datos de posición del soporte 4 y de la estructura ósea 3. Gracias a que están previstos múltiples elementos de medición de distancias 5 en el soporte 4, de esta forma se obtiene una imagen bastante fiable del contorno de la superficie 2. La exactitud puede mejorarse, por un lado, mediante el uso de un mayor número de elementos de medición de distancias 5, que en este caso están dispuestos a menor distancia entre sí, pero, por otro lado, también porque se realizan sucesivamente varias mediciones de este tipo, en las que la posición del soporte 4 se desplaza, respectivamente, un poco respecto a la superficie 2. De esta forma, los vástagos palpadores 7 se aplican en cada medición a otro punto de la superficie 2 y añaden a las mediciones anteriores mediciones de posición adicionales de la estructura de la
superficie.
Los sensores pueden estar realizados de distintas formas. En la figura 3 está representado, por ejemplo, un elemento de medición de distancias 5 en el que se modifican las propiedades eléctricas del sensor 8 que envuelve el vástago palpador 7 a modo de manguito mediante las diferentes profundidades de inserción del vástago palpador 7, por ejemplo, la inductividad de una bobina o el flujo magnético en un imán anular, etc.
En el ejemplo de realización de la figura 4, el vástago palpador 7 se inserta contra un resorte 16 en el interior del sensor 8. La extensión o el recalcado del resorte pueden determinarse mediante un calibre
extensométrico, una caja manométrica o elementos similares.
En el ejemplo de realización de la figura 5 está descrito de forma esquemática un elemento de medición de distancias 5 sin contacto, que emite una radiación ultrasónica. El sensor 8 recibe la radiación ultrasónica reflejada en la superficie 2 y alimenta una señal al dispositivo de procesamiento de datos 10, que representa el tiempo de propagación de la radiación ultrasónica entre la emisión y la recepción. A partir de este tiempo de propagación puede determinarse la distancia entre la superficie 2 y el elemento de medición de distancias 5.
En lugar de la radiación ultrasónica también podría usarse una radiación electromagnética, por ejemplo, una radiación infrarroja o una radiación lasérica. En la figura 6 está representado de forma esquemática un elemento de medición de distancias 5 que emite un rayo láser 17.
Mientras que en los ejemplos de realización descritos hasta ahora los elementos de medición de distancias 5 están dispuestos fijamente en el soporte 4, también sería pensable alojar uno o varios elementos de medición de distancias 5 de forma desplazable en el soporte 4, como está representado de forma esquemática en la figura 7. La posición correspondiente del elemento de medición de distancias 5 en el soporte 4 se determina adicionalmente mediante sensores adecuados y se alimenta también mediante una línea correspondiente al dispositivo de procesamiento de datos 10, de modo que a lo largo del recorrido de desplazamiento se procesan en distintas posiciones datos de distancias y datos de posiciones del elemento de medición de distancias 5 en el soporte 4 en el dispositivo de procesamiento de datos 10. Por lo tanto, es posible pasar mediante el elemento de medición de distancias 5 móvil por encima de la superficie 2 y realizar sucesivamente en distintos puntos de esta superficie 2 mediciones de distancias. En el soporte 4 puede estar dispuesto un elemento de medición de distancias 5 desplazable de este tipo o también varios de ellos, aunque en principio también sería posible combinar elementos de medición de distancias 5 fijos con elementos de medición de distancias 5 móviles descritos de esta forma en un soporte 4.

Claims (14)

1. Dispositivo para la detección del contorno de una superficie (2) de una estructura ósea (3), caracterizado porque comprende:
un soporte (4) en el que está dispuesto al menos un elemento de medición de distancias (5) que determina la distancia entre el soporte (4) y un lugar de la superficie (2) de la estructura ósea (3),
un sistema de navegación (11, 12; 13, 14, 15) con elementos marcadores que se han de fijar en el soporte (4) y en la estructura ósea (3), cuya posición puede ser determinada mediante el sistema de navegación, y
una instalación de procesamiento de datos (10), que calcula el contorno de la superficie (2) a partir de los datos de posición de la estructura ósea (3) y del soporte (4) y de las mediciones de distancias del o de los elementos de medición de distancias (5).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque en el soporte (4) están dispuestos fijamente varios elementos de medición de distancias (5) distribuidos en una superficie, cuya disposición en el soporte (4) está almacenada en la instalación de procesamiento de datos (10) o que se transmite continuamente a ésta.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de medición de distancias (5) es desplazable a distintas posiciones en el soporte (4) y porque se transmiten continuamente datos que corresponden a la posición respectiva del elemento de medición de distancias (5) en el soporte (4) a la instalación de procesamiento de datos (10).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de medición de distancias (5) presenta un cuerpo palpador (7) móvil, que puede aplicarse a la superficie (2), cuyas distintas posiciones se detectan mediante un sensor (8) y se transmiten a la instalación de procesamiento de datos (10).
5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el cuerpo palpador (7) es un vástago desplazable en la dirección longitudinal.
6. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sensor (8) para la determinación de la posición del cuerpo palpador (7) es un dispositivo eléctrico de medición de resistencia.
7. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sensor (8) para la determinación de la posición del cuerpo palpador (7) es un dispositivo de medición de campo magnético.
8. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sensor (8) para la determinación de la posición del cuerpo palpador (7) es un dispositivo eléctrico de medición de inductividad o de capacidad.
9. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sensor (8) para la determinación de la posición del cuerpo palpador (7) es un dispositivo mecánico manométrico o extensométrico.
10. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sensor (8) para la determinación de la posición del cuerpo palpador (7) es un dispositivo óptico de medición.
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el elemento de medición de distancias (5) emite una radiación (17) y recibe la radiación reflejada por la superficie y porque a partir del tiempo de propagación de la radiación entre la emisión y la recepción se determina la distancia entre los elementos de medición de distancias (5) y superficies (2).
12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque la radiación es radiación ultrasónica.
13. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque la radiación (17) es radiación electromagnética.
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el soporte (4) tiene forma de una placa.
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