ES2380100T3 - Dispositivo quirúrgico de orientación - Google Patents

Abstract

Un sistema para obtener una alineación deseada de un instrumento quirúrgico con respecto a una localización anatómica en un paciente, comprendiendo el sistema: un instrumento de alineación que se puede fijar al instrumento quirúrgico y que está configurado para obtener una posición de referencia en tres dimensiones en relación con la localización anatómica; y un dispositivo de orientación que se pude fijar de manera liberable al instrumento quirúrgico, en el que el dispositivo de orientación comprende: una carcasa; al menos un sensor localizado dentro de, o en la carcasa, que proporciona una señal que representa un cambio de la posición angular del dispositivo de orientación con respecto a la posición de referencia en tres dimensiones; y una pantalla visible en la carcasa y acoplada operativamente el sensor, en el que la pantalla presenta al usuario un valor que representa el cambio de posición angular del dispositivo de orientación.

Description

Dispositivo quirúrgico de orientación.

CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a dispositivos médicos de posicionamiento y orientación y en particular, a un dispositivo para la orientación de instrumentos quirúrgicos, herramientas, implantes, prótesis, y estructuras anatómicas.

ANTECEDENTES El posicionamiento correcto de los instrumentos e implantes quirúrgicos que se utilizan en un procedimiento quirúrgico, con respecto a la anatomía del paciente, es a menudo un factor importante para lograr un resultado con éxito. En ciertos procedimientos de implantes ortopédicos, tales como el reemplazo total de cadera (THR) o artroplastia, la artroplastia total de rodilla (TKA), la osteotomía tibial alta (HTO), y el reemplazo total de hombro (TSR), por ejemplo, la orientación óptima del implante quirúrgico mejora la función inicial y la operatividad a largo plazo del implante. Un encaje protésico acetabular mal alineado, por ejemplo, puede conducir a complicaciones tales como la dislocación de la articulación de la cadera, disminución de la movilidad de las articulaciones, dolor en las articulaciones, y el fallo temprano del implante.

La obtención de la orientación y posicionamiento satisfactorios de un implante protésico es a menudo un reto para los cirujanos ortopédicos. En la actualidad, una técnica para la orientación y el posicionamiento se realiza utilizando instrumentos y procedimientos puramente mecánicos basados en puntos de referencia anatómicos. Por ejemplo, la anteversión deseada para una prótesis de copa acetabular dentro de un acetábulo se logra mediante el uso de puntos de referencia externos asociados con la pelvis del paciente. Estos métodos, sin embargo, están sujetos a una mala alineación producida por las variaciones en estos puntos de referencia externos. Estas variaciones se pueden deber, por ejemplo, al fallo en la orientación de la pelvis del paciente en la posición neutral asumida en la mesa de operaciones. Otras técnicas de orientación y de posicionamiento incluyen sistemas sofisticados de imágenes por ordenador, que suelen ser costosos y complicados de usar.

Existe una necesidad en la técnica de un dispositivo y un método mejorados para obtener la orientación precisa de los instrumentos quirúrgicos y de los implantes durante distintos procedimientos ortopédicos de reparación y sustitución. Hay una necesidad adicional de un dispositivo que sea simple y fácil de operar.

El documento CA – A – 2.241.359 describe un goniómetro mejorado que tiene un sensor de velocidad angular y un ordenador para integrar la señal del sensor de velocidad angular con el fin de producir una señal de ángulo. La señal de ángulo se ajusta de vez en cuando para reducir la deriva de la integración. Para el ajuste automático, se puede utilizar un acelerómetro para proporcionar una señal de referencia con la cual se pueda comparar la señal de ángulo. La señal de ángulo puede ser calculada como una señal diferente de dos sensores de velocidad angular.

El documento norteamericano US - B1 – 6.214.014 describe un sistema de alineación que se utiliza para la estructura de alineación en procedimientos quirúrgicos. Puede comprender una referencia adaptada para el posicionamiento adyacente a un tejido anatómico, dicha referencia tiene superficies de referencia primera y segunda que están adaptadas para el posicionamiento adyacente a puntos de referencia óseos primero y segundo respectivamente, estando conformada y adaptada la primera superficie de referencia para acoplarse a un estructura anatómica en forma de lágrima de un encaje acetabular. El sistema de alineación puede comprender, además, un dispositivo que puede establecer un ángulo relativo con la referencia, en el que el dispositivo incluye un primer cuerpo con una escala, y un segundo cuerpo que es pivotable con respecto a la referencia, con el fin de establecer un ángulo relativo a la escala

El documento WO 2004/080323 (documento bajo el artículo 54 (3) EPC) describe un instrumento médico que consiste en una herramienta médica que está diseñada para ser sujetada por un usuario y / o un robot durante un procedimiento médico. La posición de la herramienta está determinada por un sistema de posición - localización, un sistema de pantalla que comprende una pantalla de visualización, un elemento de conexión entre el sistema de pantalla y la herramienta que se ha mencionado más arriba, un medio para la transmisión de los datos al sistema de pantalla que se deben mostrar en la pantalla de visualización, en el que los datos dependen de la posición determinada de la herramienta. Además, existe una cámara estéril que contiene la pantalla de visualización, medios de transmisión, y medios de alimentación de energía.

SUMARIO La invención está definida en las reivindicaciones. La presente invención, de acuerdo con una realización, es un instrumento quirúrgico para ayudar a un cirujano a obtener la orientación correcta de un encaje protésico acetabular en el acetábulo de un paciente. El instrumento incluye un eje de soporte adaptado para soportar el encaje protésico acetabular, un dispositivo electrónicos de orientación tridimensional acoplado de forma segura al eje de soporte y una guía de alineación acetabular que tiene por lo menos tres brazos, teniendo los brazos una longitud suficiente para que cada uno de los mismos entre en contacto con un borde del acetábulo.

De acuerdo con otra realización, la presente invención es un aparato para medir y proporcionar una indicación de la posición angular con respecto a una referencia. El aparato incluye un sensor de velocidad posicionado inicialmente con respecto a una referencia y operativo para medir la velocidad de cambio de la posición angular con respecto a la referencia y proporcionar una señal proporcional a la velocidad de cambio de la posición angular. También incluye un integrador conectado selectivamente al sensor de velocidad y operativo para integrar la señal de velocidad y para proporcionar una señal indicativa integral de la posición angular relativa del sensor de velocidad. Se incluye, además, un promediador conectado selectivamente al sensor de velocidad y operativo para promediar la señal de velocidad y proporcionar una señal promediada indicativa de la misma. Por último, incluye un detector de movimiento conectado a un sensor de velocidad y operativo para conmutar la señal de velocidad de (i) el promediador cuando no se detecta movimiento, y (ii) el integrador cuando se detecta movimiento.

La presente invención, en todavía otra realización, se puede emplear en un método de uso de un instrumento de alineación para alinear una prótesis con un sitio de implante. El método incluye proporcionar al instrumento un sistema de medición tridimensional capaz de medir cambios en la posición angular con respecto a una posición de referencia, localizar el instrumento en una posición de referencia con respecto al sitio de implante utilizando una guía de alineación para entrar en contacto con el sitio de implante, poner a cero el sistema de medición mientras la guía de alineación se encuentra en contacto con el sitio de implante y en la posición de referencia, reemplazar la guía de alineación con un miembro de implante protésico, y posicionar el instrumento en una orientación angular deseada con respecto a la posición de referencia utilizando el sistema de medición para alinear la prótesis con el sitio de implante.

Aunque se desvelan múltiples realizaciones, todavía otras realizaciones de la presente invención serán evidentes a los expertos en la técnica por medio de la descripción detallada que sigue, que muestra y describe realizaciones ilustrativas de la invención. Como se hará evidente, la invención puede sufrir modificaciones en varios aspectos obvios, todo ello sin separarse del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones. Como consecuencia, los dibujos y la descripción detallada deben ser considerados que son de carácter ilustrativo y no restrictivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo quirúrgico de orientación.

La figura 2 es un diagrama de bloques simplificado del sensor de velocidad, de la electrónica del sistema, y la

pantalla, que son útiles en la práctica de la presente invención.

La figura 3 es un diagrama de bloques más detallado de un canal de los tres que correspondientes al

diagrama de bloques de la figura 2.

La figura 4 es un diagrama de bloques todavía más detallado de un canal que se muestra junto con

subsistemas adicionales de la presente invención.

La figura 5 es una clave para las figuras 6 y 7.

La figura 6 es un esquema eléctrico detallado de los sensores de BALANCEO, CABECEO y GUIÑADA y de

los circuitos asociados del integrador y del promediador, que es útil en la práctica de la presente invención.

La figura 7 es un esquema eléctrico detallado de los detectores de fuera de rango, sobrevelocidad y

detectores de movimiento y de los circuitos asociados que son útiles en la práctica de la presente invención.

La figura 8 es un esquema eléctrico detallado de los subsistemas adicionales de la figura 2.

La figura 9 es un diagrama de cableado.

La figura 10 es un esquema eléctrico detallado de un convertidor analógico a digital y de una pantalla para el

canal de BALANCEO.

La figura 11 es un esquema eléctrico detallado de un convertidor analógico a digital y de una pantalla para el

canal de CABECEO.

La figura 12 es un esquema eléctrico detallado de un convertidor analógico a digital y de una pantalla para el

canal de GUIÑADA.

La figura 13 es un diagrama de bloques simplificado de un ejemplo alternativo.

La figura 14 es una vista en perspectiva de un instrumento de alineación acetabular para su uso en la

obtención de una orientación deseada para un encaje protésico acetabular con respecto al acetábulo de un

paciente, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 15 es una vista en planta de la cara superior o distal de la guía de alineación que se muestra en la

figura 14.

La figura 16 muestra una vista en perspectiva de una base de fijación para fijar el dispositivo al eje de soporte

304. La figura 17 es una vista en perspectiva que muestra el instrumento de la figura 14 que se utiliza para identificar el plano del borde acetabular. La figura 18 es una vista en perspectiva que muestra el instrumento de la figura 14 que se utiliza para posicionar un encaje protésico acetabular. Las figuras 19A y 19B son diagramas de flujo que ilustran la operación de un instrumento de alineación para la orientación de un encaje protésico acetabular. La figura 20 muestra un instrumento de brochado femoral adaptado para alinear la brochadora femoral con el trocánter mayor y menor del fémur proximal. Las figuras 21A y 21B son vistas en planta superior y lateral de una guía de alineación femoral.

Las figuras 22A y 22B es una vista en planta lateral y una vista en planta delantera de un instrumento de implante y de una guía de alineación para identificar el plano del glenoideo durante un procedimiento de TSR. La figura 23 es un diagrama de flujo que describe el uso de la guía de alineación de las figuras 22.

Aunque la invención es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, realizaciones específicas se han mostrado a modo de ejemplo en los dibujos y se describen en detalle a continuación. La intención, sin embargo, no es limitar la invención a las realizaciones particulares descritas. Por el contrario, la invención pretende cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas incluidas en el alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La figura 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo quirúrgico de orientación 10. Como se muestra en la figura 1, el dispositivo 10 incluye una carcasa 12, un conmutador de alimentación 14, pantallas 18, un botón de cero 20, y luces indicadoras 22, 24 y 26. La carcasa 12 contiene los circuitos electrónicos y los componentes necesarios para el funcionamiento del dispositivo. La carcasa 12 puede estar fabricada de cualquier material adecuado para su uso dentro de un campo quirúrgico o escenario del tratamiento de un paciente. El dispositivo 12 pueden ser desechable

o reutilizable.

Las pantallas 18, en el ejemplo que se muestra en la figura 1, incluyen una pantalla 18a de BALANCEO, una pantalla 18b de CABECEO y una pantalla 18c de GUIÑADA. Estas pantallas 18 proporcionan una indicación de la orientación angular del dispositivo en tres dimensiones, lo cual permite al dispositivo funcionar como un goniómetro de tres dimensiones. Las pantallas 18 pueden ser un indicador de cualquier tipo (por ejemplo, un medidor analógico, una pantalla digital, barras de color, y un medidor de termopar), y están integrados en la carcasa. Las luces indicadoras incluyen un indicador de esperar / listo o EJECUTAR 22, un indicador de BATER�?A BAJA 24, y un indicador de fuera de rango o ERROR 26. En un ejemplo las luces indicadoras (por ejemplo, LED) están integradas en la carcasa, para indicar que una propiedad de posición de interés, tal como un ángulo, se ha alcanzado y / o no se ha alcanzado y / o se ha superado.

En un ejemplo, el dispositivo incluye, además, bandas de fijación 28 conectadas a la carcasa 12. Las bandas 28 están configuradas para permitir la fijación del dispositivo 10 a un instrumento quirúrgico, implante, o dispositivo protésico. En un ejemplo, las bandas 28 han sido sustituidas por grapas adaptadas para acoplarse a uno o más instrumentos quirúrgicos. El dispositivo 10 puede ser transferible de instrumento a instrumento dentro de un sistema

o sistemas de implantes, o puede estar dedicado para su utilización con un único instrumento. En un ejemplo, que se explicará adicionalmente más adelante, el dispositivo 10 puede incluir, además o alternativamente, sensores y pantallas para proporcionar una información de posicionamiento lineal. Además, el dispositivo 10 puede incluir una o dos de las pantallas 18 de BALANCEO, CABECEO y GUIÑADA y los circuitos relacionados.

En un ejemplo, el dispositivo incluye los sensores, que se describirán más adelante, para proporcionar señales de posición y orientación. El sensor se integra directamente en el cuerpo de la carcasa 12 o está montado en el cuerpo de la carcasa 12. Los sensores se pueden adherir a la carcasa 12, situados en el interior de la carcasa 12, o estar fabricados directamente en la superficie de la carcasa 12, por ejemplo, depositando una capa de silicio en la carcasa 12 por deposición de vapor química (CVD) o pulverización, y a continuación, construyendo los dispositivos de la capa de silicio utilizando técnicas comunes o derivadas de la técnica de procesamiento de semiconductores o MEMS.

En otro ejemplo el dispositivo 10 está adaptado para recibir señales de orientación y de posicionamiento desde sensores situados en un dispositivo externo. El dispositivo 10 puede tener receptáculos para fijarse a ese dispositivo externo, por medio de cables directos o capacidades de comunicación inalámbrica, tales como RF e IR. En este ejemplo, un dispositivo externo de ese tipo está fijado al instrumento quirúrgico o prótesis, y el dispositivo 10 es utilizado por el cirujano como una interfaz. En un ejemplo de este tipo, el sensor está conectado, por medio de conexiones inalámbricas y / o por cable, a un ordenador u otro instrumento electrónico, que puede registrar o mostrar las mediciones del sensor (por ejemplo, la temperatura), y que puede controlar o evaluar, al menos en parte, el sensor. Por ejemplo, un ordenador auxiliar u otro instrumento electrónico puede controlar, al menos en parte, el sensor, por ejemplo, realizando la calibración del sensor, realizando un análisis estadístico en tiempo real de los datos del sensor, o ejecutando los algoritmos de detección de error y de corrección de los datos del sensor.

En un ejemplo, el dispositivo 10 incluye capacidades de comunicación para interactuar con otros equipos, por ejemplo, un sistema de recreación de imagen generada por ordenado. Puede estar incorporado, por ejemplo, para su utilización con sistemas de navegación quirúrgica asistida por ordenador, tales como VectorVision disponible en BrainLab, Inc., de Alemania, OrthoPilot, disponible en Aesculap, Inc., de Alemania, HipNav, disponible en Casurgica, Inc., de Pittsburgh, PA, y Navitrack, disponible en Orthosoft-Centerpulse Orthopedics, de Austin, TX. En un ejemplo de este tipo, los datos recibidos de un sensor pueden ser utilizados por el sistema informático para controlar y / o modificar la posición de un implante. El ordenador u otro instrumento electrónico puede estar configurar para activar los controles o dispositivos adecuados, como sea necesario, sobre la base de los datos recibidos desde el sensor. También se pueden hacer ajustes manuales en respuesta a los datos recibidos desde el sensor. En otra realización de este tipo, los datos del sensor pueden ser usado en un bucle de realimentación con los elementos de

posicionamiento (ya sea directamente, a través de un ordenador u otro instrumento electrónico, o por control manual) para mantener una propiedad deseada, tal como una orientación o posición.

Con la fijación del dispositivo 10 a un instrumento quirúrgico, un operador, tal como, por ejemplo, un cirujano, puede usar el dispositivo 10 para obtener información de orientación en tres dimensiones. Esta combinación del dispositivo 10 con un instrumento quirúrgico es útil para asistir en los procedimientos quirúrgicos en los que una parte anatómica está alineada deseablemente con otra parte anatómica. Por ejemplo, cuando un reemplazo de la articulación de extremidad a torso se va a realizar (por ejemplo, un THR o un TSR), es deseable orientar un implante (por ejemplo, una copa acetabular) con la parte anatómica en la que se va a implantar (tal como el acetábulo), de manera que el implante se posicione correctamente. Para el THR, la copa acetabular está alineada deseablemente con respecto al plano del acetábulo. La presente invención permite a un cirujano establecer un plano de referencia correspondiente al plano del acetábulo mediante la colocación del dispositivo para alinear físicamente el dispositivo con el plano del acetábulo y a continuación, poner a cero la pantalla cuando el dispositivo está alineado con el plano del acetábulo para establecer el plano de referencia. A partir de entonces, el dispositivo proporciona al cirujano la información angular en tres dimensiones (BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA) cuando el dispositivo se mueve angularmente con respecto al plano de referencia. Las figuras 2 -13 muestran diagramas de bloques y esquemas que ilustran los circuitos del dispositivo 10. Las figuras 14 -20 ilustran las guías de alineación que se utilizan para identificar el plano de referencia deseado, junto con métodos de uso de la presente invención en los procedimientos de reemplazo de articulaciones.

Haciendo referencia a la figura 2, la información de posición se obtiene utilizando un sistema de medición angular y visualización 30, que tiene preferiblemente tres bloques 32, 34, 36 de sensor de velocidad, que miden la velocidad angular del cambio y suministran, respectivamente, la información de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA a unbloque 38 de ELECTRÓNICA DEL SISTEMA. El bloque de ELECTRÓNICA DEL SISTEMA convierte la velocidad angular de cambio en información de la posición angular y utiliza el bloque 40 de PANTALLA para proporcionar información de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA en un formato legible por humanos, y, además, o alternativamente, en un formato electrónico para su uso por otros sistemas, tales como un registrador de datos (no mostrado). Un bloque opcional 41 se muestra en la figura 2 para ilustrar las capacidades de comunicación que se han mencionado con anterioridad. El bloque 41 representa un enlace de comunicación que puede ser tan simple como un cable, o puede incluir una interfaz que puede ser cableada o inalámbrica, y puede abarcar tecnologías eléctrica, acústica (preferiblemente por ultrasonidos), radio frecuencia o de comunicación óptica, todo lo cual se consideran dentro del término "electrónico", de la manera que este término se utiliza en la presente memoria descriptiva. Se debe entender que el bloque 41 representa una salida con la orientación angular y (opcionalmente) la información de posición lineal disponible en un formato legible por máquina (por ejemplo, compatible con ordenador), mientras que el bloque 40 tiene una pantalla legible por humanos de la información de salida en un formato perceptible visualmente.

Haciendo referencia a continuación a la figura 3, se puede ver un diagrama de bloques más detallado de un canal, por ejemplo, el canal 42 de BALANCEO. Se debe entender que los otros dos canales (CABECEO y GUIÑADA) son idénticos preferiblemente al canal 42 de BALANCEO. En la figura 3, la línea de trazos 38 encierra aquellos bloques que forman parte de la ELECTRÓNICA DEL SISTEMA 38 para el canal 42 de BALANCEO. Además, se debe entender que PANTALLA 40 en la figura 3 se refiere a la función de visualización de este canal, es decir, incluye una pantalla de la información angular del BALANCEO.

Para este canal, el SENSOR DE VELOCIDAD 32 es preferiblemente un dispositivo MEMS (sistemas micro – electro

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mecánicos), que proporciona una información de la velocidad angular de cambio de un bloque 44 de CONMUTAR y de un bloque 46 de DETECTOR DE MOVIMIENTO Y RETARDO. El bloque 44 de CONMUTAR recibe la información de comando del bloque 46 de DETECTOR DE MOVIMIENTO Y RETARDO y dirige la información de velocidad de cambio ya sea a un bloque 48 de INTEGRADOR o a un bloque 50 de PROMEDIADOR. Un bloque 52 de CERO permite restablecer el INTEGRATOR 48 a una salida cero de una manera que se describirá.

Haciendo referencia a continuación a la figura 4, un diagrama de bloques 54 más detallado muestra detalles adicionales de un canal (utilizándose como un ejemplo el canal 42 de BALANCEO), junto con otras funciones de soporte de la ELECTRÓNICA DEL SISTEMA 38. Cada canal incluye un bloque 56 de DETECTOR DE MOVIMIENTO y un bloque 58 de RETARDO DE ESPERA DE MOVIMIENTO 56 dentro del bloque funcional 46 de DETECTOR DE MOVIMIENTO Y RETARDO, que controla el funcionamiento de un conmutador 60 de tipo relé en el bloque funcional 44 de CONMUTAR para conmutar entre las funciones de INTEGRAR y de PROMEDIAR.

Un bloque 62 de DETECTOR DE FUERA DE RANGO monitoriza si la salida del bloque 48 de INTEGRADOR alcanza una condición de FUERA DE RANGO (que corresponde a una posición angular a partir de la cual el sistema 30 es capaz de medir). Un bloque 64 de DETECTOR de SOBRE VELOCIDAD monitoriza la salida del bloque 32 de SENSOR DE VELOCIDAD y proporciona una indicación de ERROR si la velocidad supera aquella que el sistema 30 es capaz de medir. Cada uno de los bloques 62 y 64 está acoplado a un bloque 66 de CERRAR ERROR que retiene la condición de ERROR (ya sea en relación con el rango o con la velocidad o con ambos) hasta que es restablecido por el bloque 52 de CERO. Un bloque 70 de CONTROL DE ARRANQUE monitoriza un bloque 72 de ALIMENTACIÓN y un bloque 58 de RETARDO DE ESPERA DE MOVIMIENTO y proporciona una señal de ESPERA

/ LISTO en un indicador 22 de EJECUTAR. Un bloque 74 de DETECTOR DE BATER�?A BAJA está conectado aALIMENTACIÓN 72 y controla un indicador 24 de BATER�?A BAJA.

Haciendo referencia a continuación a las figuras 5, 6 y 7, la figura 5 es una clave para los esquemas de circuito eléctrico que se muestran en las figuras 6 y 7, que se deben entender que están unidos en la línea 78. La línea de punto y trazos 80 separa el canal 42 de BALANCEO de un canal 84 de CABECEO. La línea de puntos y trazos 82separa el canal 84 de CABECEO de un canal 86 de GUIÑADA. Puesto que los componentes e interconexiones son los mismos en cada uno de los canales 42, 84 y 86, solamente se describirá el canal 42 de BALANCEO, debiendo entenderse que la misma descripción se aplica, también, a cada uno de los otros canales.

El sensor 32 de BALANCEO (y los sensores de CABECEO y de GUIÑADA) son, preferiblemente, cada uno, un sensor de velocidad angular (giroscopio) ADXRS 150 de 150 grados / segundo en un único chip, en una tecnología MEMS, disponible en Analog Devices, One Way Technology, P. O. Box 9106, Norwood, MA 02062 - 9106. Se debe entender que los sensores de BALANCEO, CABECEO y GUIÑADA están montados en una orientación convencional ortogonal de 3 dimensiones (x – y - z). Cada sensor produce un voltaje de salida de SALIDA DE VELOCIDAD que es proporcional a la velocidad angular de rotación de ese sensor correspondiente. El voltaje de salida es de 2,5 V nominal para la rotación cero. El voltaje de salida de rotación cero (o NULO) varía de un dispositivo a otro, y con el tiempo y con la temperatura. El voltaje de SALIDA DE VELOCIDAD varía por encima y por debajo de NULO para el movimiento de rotación positivo y negativo, respectivamente. El factor de escala de SALIDA DE VELOCIDAD típicamente es de 12,5 milivoltios por grado por segundo con una escala completa que corresponde a 150 grados por segundo. La señal SALIDA DE VELOCIDAD del sensor de BALANCEO también es identificada como una señal de VELOCIDAD DE BALANCEO. Se debe entender que cada sensor responde en un único plano, y por lo tanto, tres sensores independientes se montan ortogonalmente entre sí para lograr la respuesta en los tres ejes convencionales perpendiculares entre sí (x, y, z).

La variación en el voltaje NULO del sensor y la exigencia de procesar con precisión las velocidades de rotación pequeñas hacen que sea conveniente establecer una referencia de auto ajuste automático NULO. Cuando el sistema no está girando físicamente alrededor de cualquiera de los tres ejes x, y, z., la señal SALIDA DE VELOCIDAD está conectada a través del bloque 44 de CONMUTAR a un filtro de paso bajo para producir una representación promedio del voltaje de SALIDA DE VELOCIDAD. Este es el voltaje NULO y se ajusta en el tiempo a las variaciones del sensor. Cuando se detecta movimiento angular en uno o más de los tres ejes x, y, z., el bloque CONMUTAR (en respuesta a una señal de integración (en la línea 140) del bloque 58 (ver la figura 8) la señal de SALIDA DE VELOCIDAD es conmutada desde el promediador 50 al integrador 48.

En este momento, puesto que la entrada al promediador 50 está en circuito abierto, el circuito promediador 50 entra entonces en un modo de "espera" y retiene el voltaje NULO previo más reciente, usando ese voltaje NULO como una referencia a lo largo de la duración del movimiento. El voltaje NULO del canal 42 de BALANCEO es almacenado en una memoria intermedia por un amplificador operacional 88 y entregado como una señal BALANCEO S / H. Los circuitos integrados 88 del amplificador operacional en los circuitos 48 y 50 de integrador y promediador son preferiblemente amplificadores operacionales del tipo AD8606, disponibles en Analog Devices. El circuito 50 de promediador utiliza un filtro de paso bajo compuesto por una resistencia 90 de 2 MEG ohm y un condensador 92 de 0,47 microfaradios, lo que produce una constante de tiempo de un segundo, que se ha encontrado que trabaja bien. Sin embargo, se debe entender que se pueden utilizar los valores parciales y otras constantes de tiempo, manteniéndose todavía en el alcance de la presente invención. El condensador 92 preferiblemente tiene una fuga baja y un factor de disipación bajo.

La posición angular es la integral de tiempo de la velocidad de rotación. Cuando se detecta movimiento, el bloque CONMUTAR transfiere la señal de SALIDA DE VELOCIDAD al circuito 48 integrador para calcular la posición angular. La salida 48 de integrador DE BALANCEO está disponible como una señal BALANCEO INT. El circuito 48 de INTEGRADOR utiliza una resistencia 94 de 2.7 MEG ohm y un condensador 96 de 0,47 microfaradios para llevar a cabo la integración. La referencia para la integración es el voltaje NULO de no movimiento de ese canal. El condensador 96 preferiblemente tiene fugas bajas y un factor de disipación bajo. La resistencia 94 de integración, en conjunto con el condensador 96, proporciona un rango de escala completa superior a + 120 grados.

El INTEGRATOR 48 se pone a cero mediante la descarga del condensador 96. Cuando el botón CERO 20 se aprieta, el relé 116 es energizado por la señal CERO en el terminal 118 (ver la figura 8). El relé 116 descarga el condensador 96 a través de una resistencia 120 de 10 ohmios para limitar la corriente de descarga.

Haciendo referencia a continuación más particularmente a la figura 7, en el canal 42 de BALANCEO, los comparadores de circuito integrado 98 son preferiblemente comparadores de compensación de voltaje de tipo LM393 de baja energía, disponibles en National Semiconductor Corporation, 2900 Semiconductor Drive, P. O. Box 58090, Santa Clara, California, 95052 - 8090. Si el sensor 32 es rotado demasiado rápidamente, la salida del sensor se saturará y la pantalla será incorrecta. Del mismo modo, si el sensor es rotado un ángulo demasiado grande, el integrador se saturará y la pantalla será incorrecta. Los detectores 64 y 62 de SOBRE VELOCIDAD y de FUERA DE RANGO se proporcionan para advertir al operador en el caso de ocurrencia de uno o ambos de estos errores. Hay tres detectores de SOBRE VELOCIDAD y tres detectores de FUERA DE RANGO, un par para cada uno de los ejes x, y, z, correspondientes a los canales 42, 84 y 86 de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA. Cada canal tiene de un circuito comparador de ventana para cada uno de los detectores de FUERA DE RANGO y de SOBRE VELOCIDAD. Los comparadores 98 en el circuito 64 de SOBRE VELOCIDAD proporcionan la señal de SOBRE VELOCIDAD en un terminal 100, y los comparadores 98 en el circuito FUERA DE RANGO 62 proporcionan la señal de FUERA DE

5 RANGO en un terminal 102. Los comparadores 98 en el circuito 64 monitorizan y comparan la señal FUERA DE RANGO de BALANCEO con un nivel fijo, y los comparadores 98 en el circuito 62 comparan la salida del circuito de 48 integrador de BALANCEO con un nivel fijo. Cuando la señal de SOBRE VELOCIDAD supera un nivel predeterminado, ya sea positivo o negativo, el comparador de la ventana compuesto por los comparadores 98 en el circuito 64 de SOBRE VELOCIDAD determina que el sistema se encuentra en una condición de error de SOBRE VELOCIDAD. El umbral se fija en aproximadamente 150 grados por segundo por una derivación en la cadena 122 del divisor de voltaje.

La salida del circuito 48 de INTEGRADOR DE BALANCEO se envía a otro comparador de ventana compuesto por comparadores de circuitos integrados 98 en la porción de BALANCEO o en el canal del circuito 62 de FUERA DE 15 RANGO. Cuando la salida del circuito integrador (INT ROLL) excede un umbral predeterminado, la porción del canal del circuito 62 de BALANCEO determina que el sistema se encuentra en una condición de error de FUERA DE RANGO. El umbral se fija en aproximadamente 120 grados por medio de una derivación en la cadena 122 del divisor de voltaje. Los doce comparadores de los circuitos 62 y 64 tienen salidas de colector abiertas. Las seis salidas de SOBRE VELOCIDAD (incluyendo la salida SOBRE VELOCIDAD DE BALANCEO en el terminal 100) junto con las seis salidas de FUERA DE RANGO (incluyendo la salida de FUERA DE RANGO DE BALANCEO en el terminal 102) están conectadas unas con las otras. Ambos terminales 100 y 102 (es decir, las doce salidas del comparador) están conectados al terminal 104 en el circuito CERRAR ERROR 66 (ver la figura 8) y forman la señal SOBRE. La señal SOBRE pasa a BAJO cada vez que cualquiera de los doce comparadores detecta una condición de error. El terminal 104 recibe la señal SOBRE como una señal activa BAJO que configura un flip flop 150 de tipo 74HC74 0, disponible

25 en Fairchild Semiconductor Corporation, 82 Running Hill Road, South Portland, ME 04106. El flip-flop 150 está configurado como un elemento de memoria ESTABLECER -REINICIAR. La salida "Q" acciona el indicador de error 26, que es preferiblemente es un LED rojo. El flip-flop 150 es reiniciado por la señal CERO en el terminal 118.

Los comparadores 98 en el circuito 56 de DETECTOR DE MOVIMIENTO comparan la salida del sensor de velocidad de BALANCEO 32 con un nivel fijo y proporcionan una señal de movimiento representativa de si el sensor 32 de velocidad de BALANCEO ha experimentado un movimiento o no. Cuando el movimiento de rotación es detectado, la señal de FUERA DE VELOCIDAD se desvía desde el voltaje NULO o de no movimiento. La señal de FUERA DE VELOCIDAD se envía a un comparador de “ventana” compuesto por comparadores 98 en el circuito 56 de detector de movimiento. Cuando la señal de FUERA DE VELOCIDAD se desvía del voltaje NULO en una

35 cantidad o umbral predeterminado (ya sea positivo o negativo) el comparador de ventana detecta el movimiento de rotación. Se ha encontrado que un umbral de un grado por segundo es preferible, pero se debe entender que está en el alcance de la presente invención utilizar otros valores, alternativamente.

Una derivación en una cadena 122 de divisor de voltaje establece los umbrales de MOVIMIENTO del comparador de BALANCEO. El divisor 122 se conecta entre +5A 124 y un circuito común 126, estando conectado el punto central a la línea 128 (BALANCEO S/H) de. voltaje NULO Esto hace que los umbrales se referencien al voltaje NULO y compensen las variaciones de la deriva y las variaciones de dispositivo a dispositivo en el voltaje NULO. La señal de MOVIMIENTO aparece en el terminal 106 en el circuito 56 de DETECTOR DE MOVIMIENTO y está conectada al terminal correspondiente 106 de MOVIMIENTO en el circuito 58 de RETARDO DE RETENCIÓN DE MOVIMIENTO

45 (ver la figura 8). Cada uno de los circuitos 56, 62, y 64 están provistos de un par de comparadores 98 en el canal 42 de BALANCEO con el fin de proporcionar una función de comparación bipolar (+/-). Los seis comparadores de MOVIMIENTO (incluyendo los comparadores 98 de canal de BALANCEO) en los canales 42, 84 y 86 tienen salidas de colector abiertas que están conectadas entre sí por medio del terminal o línea 106 de MOVIMIENTO. Se debe entender que la señal en la línea 106 de MOVIMIENTO irá a un estado BAJO cuando cualquiera de los seis comparadores detecte movimiento.

Haciendo referencia a continuación también a la figura 8, y más en particular, al circuito 58, cuando la señal de movimiento en el terminal 106 va a BAJO, un condensador 130 de 1 microfaradio se descargará a través de una resistencia 132 de 14,8 K ohm haciendo que un comparador 134 suministre una salida ALTA en la línea 136. Esto

55 conecta un transistor 138 tipo FET IRFD 110 que manda a BAJO la línea 140 de INTEGRAR. El transistor FET de tipo IRFD 110 está disponible en International Rectifier en 233 Kansas St. El Segundo, CA 90245, EE.UU.

El comparador 134 es preferiblemente de un tipo LM393. Cuando la línea 140 de INTEGRAR pasa a BAJO, el relé de 60 en bloque 44 de CONMUTAR transfiere el sistema desde el modo "promediar" al modo "integrar". Un par de resistencias 142 y 144 de 143 K ohmios establecen el valor de umbral para el comparador 134 y la resistencia 146 de 100 K ohmios proporciona la histéresis.

Cuando el movimiento angular se detiene, la señal de FUERA DE VELOCIDAD vuelve al voltaje NULO. Los comparadores de ventana vuelven al estado de colector abierto, permitiendo que el condensador 130 se cargue 65 lentamente a través de una resistencia 148 de 1 MEG. Ohm. El sistema 30 permanece en el modo "integrar" hasta que el condensador 130 se cargue lo suficiente para conmutar el comparador 134, que es aproximadamente 0,7

segundos. Esto permite que el sistema 30 registre cualesquiera pequeños movimientos que el operador puede hacer al final de un movimiento grande. Tales movimientos pequeños, por otro lado, pueden no ser suficientes para activar el circuito 56 de DETECTOR DE MOVIMIENTO.

5 Después del retraso de 0,7 segundos, el comparador 134 conmuta y la línea INTEGRAR pasa a ALTO, terminando el modo de "integrar". En este punto, el relé 60 se libera y el impacto mecánico de la liberación es detectado por lo menos por uno de los sensores produciendo una salida de ruido en una o más líneas de FUERA DE VELOCIDAD. Esta salida de ruido puede ser lo suficientemente grande para volver a disparar el circuito 56 de DETECTOR DE MOVIMIENTO, produciendo un ciclo continuo del relé 60. Tal ciclo indeseable, es impedido por la resistencia 132 que retarda la descarga del condensador 130 hasta que el ruido transitorio causado por el relé haya pasado. Alternativamente, el relé 60 se puede montar para resistir impactos.

Haciendo referencia de nuevo a la figura 8, se pueden apreciar el circuito 70 de CONTROL DE ARRANQUE, elcircuito 72 de FUENTE DE ALIMENTACIÓN, y circuito 74 de DETECTOR DE BATER�?A BAJA. El circuito 70 de

15 CONTROL DE ARRANQUE tiene cuatro funciones. Genera un pulso de reinicio maestro para inicializar el sistema en la conexión. Proporciona un período de calentamiento de tres minutos para los sensores. Impone el requisito de que los sensores no se muevan durante 10 segundos al final del período de calentamiento (para establecer la referencia de "no-movimiento"). También proporciona retroinformación al usuario respecto al estado del sistema por medio del estado de ESPERA / LISTO del indicador 22 de EJECUTAR.

Un comparador 172 de tipo LM 393 genera un pulso de reinicio maestro. El pulso es activo BAJO, con un ancho de pulso de aproximadamente, 0,6 segundos, determinado por un condensador 174 de 1 microfaradios y una resistencia 176 de 475 K ohm. El ancho de pulso es seleccionado para que sea lo suficientemente largo para descargar completamente un condensador 178 de 10 microfaradios (a través de un diodo 180 y de una resistencia

25 182 de 1 Kohm) y al menos descargar parcialmente un condensador 184 de 390 microfaradios (a través de un diodo 186 y de una resistencia 188 de 1 Kohm). La descarga de los condensadores 178 y 184 es necesaria para manejar la situación en la que el sistema 30 se dispone en DESCONECTADO y a continuación inmediatamente se dispone en CONECTADO de nuevo. Un diodo 190 de tipo 1N5817 protege el comparador 172 y descarga rápidamente el condensador 174 en potencia descendente. Una resistencia 192 de un 15,0 Kohm y una resistencia 194 de 34.8 Kohm proporcionar el voltaje de referencia para el comparador 172, y una resistencia 196 de 475 Kohm proporciona la histéresis.

El pulso de reinicio maestro, también limpia un flip flop 198 de ESPERA / LISTO, que es preferiblemente un flip flop D de tipo 74HC74. El Flip flop 198 se limpia durante el período de calentamiento o espera y se dispone en

35 ESTABLECIDO cuando el sistema 30 entra en el estado LISTO. El flip flop 198 acciona el indicador 22 de EJECUTAR, que es preferiblemente un LED de dos colores amarillo / verde accionado diferencialmente por las salidas Q y no -Q en los pines 5 y 6 del dispositivo 198. El indicador 22 es iluminado preferiblemente amarillo durante el período de espera o precalentamiento, y se conmuta a una iluminación verde cuando el sistema entra en el modo LISTO. Una resistencia 200 de 392 ohm proporciona la limitación de corriente para el indicador 22 de EJECUTAR.

Una resistencia 202 de 10 Kohmios conectada a la salida Q (pin 5) del flip flop 198 proporciona una entrada al transistor FET 138 que sirve como un controlador de relé para el relé 60. Cuando el sistema se encuentra en el modo de espera o período de calentamiento, la entrada proporcionada a través de la resistencia 202 fuerza al

45 sistema al modo PROMEDIAR al conectar los sensores a los amplificadores del PROMEDIADOR, puesto que la salida Q permanece en BAJO durante el período de calentamiento.

Un comparador 204 LM 393 es el temporizador de calentamiento. Una resistencia 206 de 221 Kohmios y un condensador 184 establecen la duración del período de calentamiento. Al final del período de calentamiento, la salida (en el pin 7) del comparador 204 pasa a una condición de colector abierto. Esto cronometra el flip flop 198 de ESPERA / LISTO en el estado LISTO, siempre que hayan transcurrido 10 segundos sin movimiento al final del período de calentamiento.

El requisito de 10 segundos de "no movimiento" es aplicado por un temporizador de 10 segundos, que utiliza un

55 comparador 208 tipo LM 393. El temporizador de 10 segundos monitoriza la señal de MOVIMIENTO en la línea 106 (almacenada en memoria interna por medio de otro comparador 210 de tipo LM 393). Si cualquiera de los sensores detecta el movimiento, el condensador 178 se mantendrá descargado por el comparador 210 que actúa por medio de un diodo 212 y de una resistencia 214 de 475 ohm. Cuando ninguno de los sensores detecta movimiento, el condensador 178 empezará a cargarse a través de una resistencia 216 de 1,00 MEG ohm. Si no se detecta movimiento durante 10 segundos, la salida (en el pin 1) del comparador 208 irá a una condición ABIERTA, liberando la entrada de reloj (en el pin 3) del flip flop 198. El resultado es que el flip flop de ESPERA / LISTO se dispone en ESTABLECER sólo después de que el período de calentamiento haya transcurrido, y el sistema 30 no haya detectado movimiento durante 10 segundos.

65 El circuito 72 de ALIMENTACIÓN utiliza dos reguladores de voltaje 110 de circuito integrados preferiblemente de tipo LM2931, disponibles en National Semiconductor Corporation. Cada uno de los reguladores 110 y 112 proporciona energía regulada +5 voltios de corriente continua a los distintos circuitos que se muestran. El regulador 110 proporciona energía a los circuitos digitales en el sistema 30 (indicada por "+50") y el regulador 112 proporciona energía a los circuitos analógicos (en particular a los amplificadores 88, como se indica por +5A). Los sensores, (incluyendo el sensor 32 de BALANCEO) requieren energía analógica así como digital. Trayectos comunes

5 separados de circuitos analógicos y digitales o conexiones de "tierra" se utilizan para segregar las corrientes de alimentación analógicas y digitales suministras, con la excepción de que sólo la tierra analógica es llevada a la placa del o de los circuito (s) impreso (s) (no mostrados) en el que los sensores están montados, ya que las corrientes digitales son bajas en los sensores. Una batería 272 de 9 voltios (ver la figura 9) proporciona energía a los reguladores 110, 112 y también a varios otros componentes y subcircuitos, tales como los comparadores 98 y el conversor 114 de AID (que se muestra en la figura 10). Un diodo 152 protege contra la polaridad inversa de la batería.

Un comparador 154 de tipo LM393 se utiliza para el DETECTOR DE BATERIA BAJA 74. Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de aproximadamente 6,8 voltios, el comparador 154 conmuta, poniendo en BAJA la señal en 15 el terminal 156 de BATERIA BAJA 2, activando el indicador 24 de batería baja, que es preferiblemente un LED rojo. El LED se alimenta a través de una resistencia 158 de 392 ohm. Un diodo de referencia de voltaje 160 de precisión establece un voltaje de referencia en la entrada "-" (pin 2) del comparador 154 a 1,2 voltios. Una resistencia 162 de 100 Kohm y una resistencia 164 de 21,5 Kohm ajustan el voltaje en la entrada "+" (pin 3) del comparador 154 a 1,2 voltios cuando el voltaje de la batería es de 6,8 voltios. Un condensador 166 de 10 microfaradios retarda la subida del voltaje de referencia en el pin 2 del comparador 154 para forzar el voltaje de salida del comparador en BATBAJA 2 en el terminal 156 a ALTO en la conexión. Un diodo 168 y una resistencia 170 de 57,6 Kohm proporcionan histéresis para bloquear la salida 156 en un estado BAJO una vez que la condición de batería baja se haya detectado. Esto evita que el indicador de batería baja 24 realice ciclos de CONECTADO y DESCONECTADO en respuesta a las demandas de corriente de la batería 272, haciendo que el voltaje de la batería fluctúe por encima y

25 por debajo de 6,8 voltios.

La figura 8 también incluye los detalles del bloque CERO o circuito 52. Un circuito integrado CD4093 de tipo Schmitt Trigger NAND tiene una puerta NAND 218 que acciona un transistor FET 220 de tipo IRFD 110, que energiza el relé 116 para la función CERO (ver la figura 6). Una entrada (en el pin 9) de la puerta NAND 218 está conectada a la salida Q (en el pin 5) del flip flop 198 de ESPERA / LISTO. Esto mantiene el sistema 30 en el estado o condición CERO durante el período de calentamiento. Cuando el sistema entra en el modo LISTO, la condición de CERO se limpia y el circuito integrador 48 es habilitado. El CERO manual se logra mediante el cierre de un conmutador 224 de CERO (ver la figura 9) que está conectado entre el circuito común ("GND") y una entrada en el pin 8 en la puerta NAND 218. Al pulsar el botón CERO, se cierra el conmutador 224, que conecta la entrada del pin 8 de la puerta

35 NAND 218 al circuito común, y en ese momento, la puerta NAND 218 conecta el transistor 220. Cuando el conmutador 224 se libera, se abre, permitiendo que un condensador 228 de 0,33 microfaradios se cargue a través de una resistencia 230 de 750 Kohm, produciendo un pulso CERO durante al menos 250 milisegundos.

Cuando el sistema 30 detecta movimiento, el usuario recibe retroinformación visual por el parpadeo del indicador 22 EJECUTAR con iluminación verde. Las puertas NAND 232 y 234 (también de tipo CD4093) forman un oscilador de onda cuadrada con un periodo de aproximadamente 50 milisegundos. Cuando se detecta movimiento, el oscilador es habilitado cuando el comprador 134 libera la entrada en el pin 1 de la puerta 232 a ALTO. La salida del oscilador (en el pin 4 de la puerta 234) acciona el transistor FET 236 de tipo IRFD 110. Cuando el transistor 236 está CONECTADO, aumenta la corriente en el indicador LED 22 de EJECUTAR proporcionando un trayecto a un circuito

45 común a través de una resistencia 238 de 392 ohm. El transistor 236 se CONECTA y se DESCONECTA cada 50 milisegundos, mientras el sistema detecta el movimiento, proporcionando una retroinformación visual perceptible o una indicación al usuario de que el sistema 30 está detectando movimiento.

Haciendo referencia a continuación a la figura 9, un diagrama de cableado para la conexión de varias partes al CONTROL DE INICIO 70 y al bloque 52 de CERO del sistema 30 puede ser visto. Se debe entender que las conexiones que se muestran corresponden a las conexiones más bajas en el lado derecho de la figura 8. Un conmutador de alimentación 14 puede ser utilizado para proporcionar el control CONECTADO -DESCONECTADO del sistema 30. La batería 272 es preferiblemente una batería de 9 voltios. El conmutador.224 de CERO es preferiblemente un conmutador de tipo pulsador de retorno por muelle normalmente en DESCONECTADO,

55 momentáneamente en CONECTADO.

Haciendo referencia a continuación a la figura 10, se puede apreciar una porción 240 del bloque 40 de PANTALLA para el canal 42 de BALANCEO. La salida del bloque INTEGRADOR DE BALANCEO y el circuito 48 se proporcionan a un terminal INT BALANCEO o línea 242. La salida del bloque promediador de BALANCEO y el circuito 50 se proporcionan a un terminal de BALANCEO S / H o línea 244. Las señales INT BALANCEO y. BALANCEO S / H se proporcionan al circuito integrado convertidor analógico a digital 114, que es preferiblemente un conversor de AID de dígitos 3%, de tipo TC7106 disponible en Microchip Technology, Inc., 2355 West Chandler Blvd., Chandler, AZ 85224 - 6199. El convertidor 114 de AID contiene todos los circuitos necesarios para la conversión de analógico a digital y también proporciona salidas decodificadas para una pantalla LCD de 3 dígitos. La 65 señal de BALANCEO S / H se proporciona a la entrada analógica (-) y la señal INT BALANCEO se proporciona a la entrada (+) del convertidor 114 de AID. Se aprecian, por lo tanto que las entradas de AID, están conectadas

diferencialmente entre el voltaje de referencia NULO, y la salida del integrador. El convertidor de AID preferiblemente está escalado para mostrar el resultado en grados de rotación mecánica. La salida del dígito menos significativo proporciona décimas de grado y no se utiliza. Las tres salidas de dígitos más significativos proporcionan "grados, decenas de grados y 100 grados, respectivamente. Las salidas digitales decodificadas desde el convertidor de AID

5 están conectadas a una pantalla digital 18a perceptible visualmente, preferiblemente una pantalla LCD de tipo S401 C39TR disponibles en Lumex, Inc. de 290 East Helen Road, Palatine, IL 60067. La pantalla digital 18a muestra simultáneamente grados, decenas de grados, 100 grados, y ya sea un signo positivo o negativo para indicar la dirección de la rotación desde la condición o posición de CERO. Un potenciómetro 248 de 10 Kohm proporciona un ajuste de calibración de sistema único para el canal 42 de BALANCEO.

10 Haciendo referencia a continuación a las figuras 11 y 12, se puede observar que las porciones 250 y 260 deCABECEO y GUIÑADA del bloque 40 de PANTALLA son esencialmente idénticas a la porción 240 de BALANCEO, cada una con sus propios convertidores de 252 y 262 de aid y pantallas LCD 18b y 18c, respectivamente. Se debe entender que el bloque 40 de pantalla incluye las pantallas 18a, 18b, y 18c de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA,

15 y en esta realización también se incluyen los convertidores 114, 252 y 262 de aid.

Se debe entender que los datos de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA (ya sean en forma analógica o digital) pueden ser suministrados a otros circuitos y sistemas (no mostrados), además del (o como alternativa al) bloque 40 de pantalla. Por ejemplo, los datos digitales que representan el ángulo final de BALANCEO, CABECEO, y GUIÑADA

20 seleccionados con respecto al plano de referencia pueden ser registrados por un registrador de datos (no mostrado) si así se desea. Además, se debe entender que los datos pueden ser proporcionados en forma serie, así como en forma paralela, utilizando circuitos convencionales para producir de datos digitales en serie, ya sea de los valores analógicos o de los valores digitales en paralelo.

25 Haciendo referencia a continuación a la figura 13, se puede apreciar una alternativa ejemplar en un diagrama de bloques de software 280. En este ejemplo, el sensor de velocidad 32 tiene una salida que es convertida inmediatamente a forma digital por un convertidor 282 de AID (que puede ser el mismo o diferente al convertidor 114 de AID. La salida del convertidor de AID a continuación se proporciona a un sistema basado en microprocesador 284 que suministra la información de BALANCEO, CABECEO y GUIÑADA a una pantalla 286 que pueden ser a

30 misma o diferente a la pantalla 40. Este ejemplo también puede proporcionar la información de BALANCEO,CABECEO y GUIÑADA a otros circuitos o sistemas (no mostrados).

En el ejemplo que incluye acelerómetros, el dispositivo 10 puede ser utilizado de forma independiente o en conjunto con giroscopios u otros sensores para proporcionar orientación posicional en tres dimensiones, con o sin cambio 35 angular para aplicaciones tales como osteotomías, colocación de tornillos pediculares, cortes / preparación de huesos durante las artroplastias de articulación completa, reemplazo de disco, y posicionado de túneles para la reparación de ligamentos y tendones. Un sensor útil tal como un acelerómetro, ya sea en combinación con los sensores giroscópicos o independientemente, es un acelerómetro de Analog Devices tipo ADXL103, que puede ser utilizado en lugar del dispositivo 32 para detectar la aceleración lineal que entonces se integra para obtener la 40 posición lineal (que puede ser replicada en tres canales ortogonales a lo largo de los ejes x, y, z.). Con los dispositivos de tipo ADXL103, se cree que es preferible incluir el sensor de movimiento y los aspectos de promediado que se muestran y se describen en la presente memoria descriptiva, para eliminar los errores de dispositivo a dispositivo, como se hace con los sensores de velocidad de tipo giroscópico. Se debe entender que si se utiliza un acelerómetro para obtener información sobre la posición lineal, serán necesarias dos integraciones

45 (desde la aceleración a la velocidad y a la posición).

En otro ejemplo, el dispositivo 10 incluye, además, sensores adicionales tales como sensores de temperatura, de ultrasonidos y de presión, para medir las propiedades de los tejidos biológicos y otros materiales utilizados en la práctica de la medicina o de la cirugía, incluyendo la determinación de la dureza, rigidez y / o densidad de los 50 materiales, y / o la determinación del flujo y / o de la viscosidad de las sustancias en los materiales, y / o la determinación de la temperatura de los tejidos o sustancias dentro de los materiales. Específicamente, estos sensores adicionales pueden identificar, por ejemplo, los márgenes entre el hueso cortical y el canceloso, determinar el espesor del hueso canceloso, controlar la temperatura del cemento de fijación de los implantes, y diferenciar entre el núcleo pulposo y el anillo de un disco vertebral. Además, estos sensores pueden identificar grietas / fracturas en el

55 hueso durante la colocación de los implantes, tales como la colocación de tornillos pediculares, tornillo de fijación en el hueso, implante femoral durante la THA, e identificar los márgenes del tejido nervioso para determinar la proximidad de los nervios.

La figura 14 muestra, un instrumento 300 de alineación acetabular para su uso en la obtención de una orientación

60 deseada para un encaje protésico acetabular con respecto al acetábulo de un paciente, de acuerdo con una realización de la presente invención. El uso de este instrumento para los procedimientos ortopédicos de cadera, tal como el THR, es bien conocido en la técnica. Uno de estos instrumentos se describe, por ejemplo, en la patente norteamericana 6.743.235. El instrumento 300 puede ser cualquier instrumento conocido por la colocación y la orientación de los componentes acetabulares, incluyendo los instrumentos de preparación para los procedimientos

65 de THR.

Como se muestra en la figura 14, el instrumento 300 incluye un mango 302, un eje de soporte protésico 304, un eje de orientación 306, el dispositivo de orientación quirúrgica 10, y una guía de alineación 308 con un punto de referencia anatómica. Como se observa, el dispositivo de orientación quirúrgica 10 está fijado con seguridad al eje de soporte 304, de tal manera que el dispositivo 10 se mueve en conjunto con el eje de soporte 304. Como se

5 muestra adicionalmente en la figura 14, el eje de orientación 306 incluye una guía de orientación 310, que puede ser utilizada por un cirujano para orientar manualmente un implante o una prótesis. En una realización, el instrumento 300 no incluye una guía de orientación 310. El eje de soporte 304 tiene roscas externas 314 en un extremo distal. Las roscas 314 están adaptadas para acoplarse a las roscas internas correspondientes 316 en la guía de alineación 308, de tal manera que la guía de alineación se pueda fijar de manera liberable al eje de soporte 304.

La figura 15 es una vista en planta de la cara superior o distal de la guía de alineación 308. Como se muestra, la guía de alineación 308 incluye una porción de cuerpo 318 y alas o brazos 320a, 320b, y 320c, que se disponen por lo general en el mismo plano. La porción de cuerpo 318 incluye roscas internas 316 para acoplarse al eje de soporte

304. En una realización, los brazos 320 están asegurados en puntos separados 120 grados alrededor de la

15 circunferencia de la porción de cuerpo 318 por pivotes 324a, 324b, y 324c. Los pivotes 324 permiten una ligera rotación en el plano de los brazos 320, cuando sea necesario, por ejemplo, para evitar el contacto con una aberración anatómica tal como el borde del acetábulo. En otra realización, los brazos 320 están fijados a la porción de cuerpo 318 de tal manera que no puedan girar. En una realización adicional, los pivotes 324 están situados en cualquier punto a lo largo de los brazos 320.

Como se muestra adicionalmente, los brazos 320 incluyen un brazo interior 326 y un brazo exterior 328, que se acoplan uno con el otro de tal manera que los brazos exteriores 328 se pueden alargar o extender con respecto a los brazos interiores 326. Esta acción telescópica permite al cirujano ajustar la longitud de los brazos 320, en función del diámetro del acetábulo de un paciente en particular. En otra realización, los brazos 320 están hechos de una pieza

25 unitaria y por lo tanto no son susceptibles a un ajuste de la longitud. Los extremos distales de los brazos 320 definen un diámetro exterior de la guía de alineación 308. Los brazos 320, en una realización, tienen una longitud de aproximadamente 40 a aproximadamente 70 mm, teniendo cada brazo 320 la misma longitud. La longitud de los brazos es controlada por el diámetro del acetábulo de un paciente en particular, de tal manera que el diámetro exterior de la guía de alineación sea ligeramente mayor (por ejemplo, de 1 - 3 mm) que el diámetro del acetábulo. En varias realizaciones ejemplares, los brazos 320 tienen una longitud de 48, 52, 56, 60 o 64 mm. En una realización, los brazos 320 tienen una anchura de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 mm y un grosor de aproximadamente 1 a aproximadamente 3 mm. En una realización ejemplar, los brazos tienen una anchura de aproximadamente 3,5 mm y un grosor de aproximadamente 2 mm.

35 La figura 16 muestra una vista en perspectiva de una base de fijación 332 para fijar el dispositivo 10 en el eje de soporte 304. Como se muestra en la figura 16, la base de sujeción 332 incluye un cuerpo 334 y un tensor 336. El cuerpo 332 está dimensionado para acoplarse en general, con las dimensiones de la carcasa 12 del dispositivo 10. En una realización, el cuerpo 334 incluye apéndices de montaje 338 para acoplarse con la carcasa 12 y fijar la posición del dispositivo 10 con respecto a la base de fijación 332. En una realización, el cuerpo 334 incluye una ranura 339 conformada para acoplarse con la superficie exterior del eje de soporte 304. Esta configuración incrementa la superficie de contacto entre las bases de fijación 332 y el eje de soporte 304, lo cual mejora la fijación de los dos componentes. En una realización, el cuerpo 334 incluye orificios 340 para aceptar un sujetador, tal como una cuerda, cable, cable elástico, una banda, un sujetador de gancho y bucle, o cualquier otro sujetador. El sujetador se utiliza para fijar el cuerpo 334 al eje de soporte 304. El tensor 336 incluye una curva 342 configurada

45 para aceptar la superficie exterior del eje de orientación 306. La base de fijación 332 está conectada al instrumento 300 mediante la colocación del cuerpo 334 en el eje de soporte 304 y la curva 342 del tensor 336 contra el eje de orientación 306. En esta posición, el tensor 336 resiste la rotación de la base de fijación 332 alrededor de la circunferencia del eje de soporte 304.

La figura 17 muestra el instrumento de 300 durante el uso. Como se muestra, el instrumento 300 está en contacto con una porción del hueso pélvico 350. En concreto, la guía de alineación 308 está en contacto con el reborde acetabular 352 del acetábulo 354. Como se muestra, los brazos 320 tienen una longitud suficiente para alcanzar el borde acetabular 352. Como se muestra en la figura 18, el eje de soporte 304 también está adaptado para acoplarse con un soporte de bola 360, que se utiliza para soportar un encaje protésico acetabular 362.

55 La figura 19 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de alineación acetabular 370 para usar el instrumento de alineación 300 con el fin de orientar un encaje prótesico acetabular 362. Como se muestra, el proceso 370 incluye energizar el dispositivo usando el conmutador 14 y fijar el dispositivo en el eje del instrumento de alineación 300 (bloque 372). A continuación, la guía de alineación 308, que tiene el diámetro adecuado, se fija al extremo del eje de soporte 304 (bloque 374). Después de la preparación del sitio quirúrgico de acuerdo con los procedimientos habituales, el instrumento 300 se coloca en el sitio quirúrgico de tal manera que la guía de alineación 308 se encontrará apoyándose en el borde 352 del acetábulo 354 (bloque 376). En una realización, el centro de la guía de alineación 308 está generalmente alineado con el centro del acetábulo 354 y los brazos se colocan sobre el borde 352 del acetábulo 354, como sigue. Un primer brazo se coloca en el punto más superior del acetábulo, un segundo

65 brazo se coloca en el punto más bajo del surco acetabular del isquion, y un tercer brazo se coloca en el punto de

silla en la confluencia entre la eminencia iliopúbica y la rama superior del pubis. En ausencia de un borde acetabular significativo, las referencias anatómicas anteriores pueden ser utilizadas para identificar el plano del acetábulo.

De acuerdo con un ejemplo, como se ha descrito más arriba, los brazos 320 son ajustados en longitud por el cirujano utilizando una acción telescópica. En otro ejemplo, el cirujano podría necesitar pivotar los brazos320 para evitar un osteófito u otra aberración superficial en el borde 352 del acetábulo 354. Una vez que la guía de alineación 308 está colocada correctamente en el borde 352 del acetábulo, el cirujano presiona el botón de cero 20 para establecer el plano de referencia (bloque 378).

Después de poner a cero el dispositivo 10, el cirujano retira el instrumento 300 del cuerpo del paciente quirúrgico. La guía de alineación se retira entonces y el soporte de bola 360 y el encaje protésico 362 se fijan al eje de soporte 304 (bloque 380). A continuación, el cirujano coloca el encaje protésico 362 en el acetábulo 354 utilizando el instrumento 300 (bloque 382). A continuación, el cirujano manipula la orientación del encaje prótesico 362 en el acetábulo 354 usando el instrumento 300, hasta que el dispositivo 10 indique la orientación deseada (bloque 384). En un ejemplo, el cirujano manipula el instrumento 300 hasta que la pantalla 18 en el dispositivo indique una anteversión de 25 grados. En esta realización, la pantalla 18a de BALANCEO indica "25" y la pantalla 18b de CABECEO y la pantalla 18c de GUIÑADA indican cero. A continuación, el encaje protésico 362 se asegura al acetábulo 354 (bloque 386).

En otros ejemplos, el dispositivo 10 se utiliza en otros instrumentos acetabulares para identificar la orientación del instrumento con respecto a un plano previamente establecido en el acetábulo. Cuando el implante está en la posición neutral, la información proporcionada por el dispositivo puede ser, por ejemplo, en forma de medición angular para identificar información, tal como los ángulos de rotación, de sustracción y de versión. En la realización de la presente invención que incluye acelerómetros u otros sensores para proporcionar información de posicionamiento lineal, el dispositivo 10 también proporciona información sobre los cambios de posición en las dimensiones lineales para identificar propiedades tales como la profundidad de inserción y los cambios en el centro de rotación. El instrumento 300, incluido el dispositivo 10, puede tener una precisión sub-milimétrica y de sub-grado para monitorizar la posición y el ángulo con respecto a la pelvis. Puede proporcionar mediciones continuas de la sustracción de la copa y de los ángulos de flexión. Estos ángulos pueden ser proporcionados durante la colocación de los instrumentos de preparación, la inserción del implante, después de su colocación y, en caso necesario, después de la colocación de tornillos suplementarios.

La figura 20 muestra un instrumento de implante femoral 400 para alinear el implante femoral con el trocánter mayor y menor del fémur proximal. El instrumento 400 puede ser, por ejemplo, un instrumento de inserción del implante femoral, un raspador femoral, o un instrumento de brochado femoral. Como se muestra en la figura 20, el instrumento 400 incluye un mango 404, el raspador o brochadora 408, una guía de alineación femoral 430, y el dispositivo 10. El instrumento 400 se utiliza para limpiar y dar forma al hueso canceloso que rodea el canal del fémur proximal 414. La brochadora 408 está acoplada de manera desprendible al mango 404, de tal manera que el cirujano puede cambiar fácilmente la brochadora 408 por otra de un tamaño diferente. La brochadora 408 se muestra en la figura 20 con el segmento de corte incrustado en el fémur 414. En una realización, el instrumento 400 es un instrumento de brochado femoral tal como el Broach Handle # 4700-RH02, disponible en Wright Medical Technology, Inc., de Arlington, Tennessee. En otras realizaciones, la brochadora 408 es cualquier raspador o brochadora conocido en la técnica. Como se muestra, la guía 430 se coloca en el cuerpo 404 en el punto de referencia deseado y se fija a los mecanismo de bloqueo 432. Como se explicará adicionalmente más adelante, el cirujano puede utilizar la guía 430 alineándola con el trocánter mayor 418 y el trocánter menor 422 en un extremo proximal del fémur 414.

Las figuras 21A y 21B son vistas en planta superior y lateral de una guía de alineación femoral 430. Como se muestra, la guía 430 incluye un anillo de montaje 432, un brazo de alineación de trocánter menor 434, y un brazo de alineación de trocánter mayor 436. Los brazos de alineación 434 y 436 se extienden en direcciones generalmente opuestas, desde el anillo de montaje 432. Como se muestra en la figura 21B, los brazos de alineación 434 y 436 incluyen extremos en ángulo 438 y 440, respectivamente. Los extremos en ángulo 438 y 440 pueden ser utilizados por el cirujano para alinear la guía 430 con respecto a la anatomía del paciente. El anillo de montaje 432 incluye un tornillo de bloqueo 442 para asegurar la guía 430 al instrumento 400. En una realización ejemplar, el brazo de alineación de trocánter mayor 436 tiene una longitud (l2) de aproximadamente el 40 por ciento de la longitud del brazo de alineación de trocánter menor 434. En una realización, el brazo de alineación de trocánter menor 434 tiene una longitud (l1) de entre aproximadamente 85 y aproximadamente 105 mm. En una realización, el brazo de la alineación 434 tiene una longitud (l1) de aproximadamente 95 mm. En una realización, el anillo de montaje 432 tiene un diámetro interior (β) entre 35 y 45 mm. Las dimensiones específicas de la guía de alineación dependerán del tamaño del mango 404 y del fémur proximal 414 del paciente.

La guía de alineación femoral 430 se utiliza para alinear el implante femoral haciendo referencia al trocánter menor y mayor del extremo proximal del fémur. La guía 430 también se puede utilizar para marcar el trocánter mayor o el menor, o cualquier otro punto marcado por el cirujano, para fijar el ángulo predeterminado / medido de los instrumentos de preparación o de implante. A continuación, el cirujano puede mover el fémur sin alterar su medición de la anteversión elegida. En una realización, la guía 430 está conectada a un instrumento de brochado femoral. La guía 430 se coloca en el ángulo deseado, y el dispositivo 20 se pone a cero. Por ejemplo, la guía 430, en una

realización, está alineada generalmente con un centro del trocánter mayor 418 y del trocánter menor 422. A continuación, el cirujano gira el instrumento 400 a la anteversión deseada (por ejemplo, 10 grados), utilizando la pantalla 18a de BALANCEO del dispositivo 10. A continuación, el cirujano afloja la guía 430, la hace girar de tal manera que los brazos 434 y 436 se encuentran otra vez alineados generalmente con el trocánter mayor 418 y el trocánter menor 422, y asegura la guía 430 al mango 404. A continuación, el cirujano conduce el instrumento en el canal 400 en esta orientación y repite este procedimiento con una brochadora mayor 408, según sea necesario, utilizando la guía 430 para conseguir la alineación deseada.

La presente invención también es útil para ayudar a un cirujano en un procedimiento de TSR. En un reemplazo de hombro, uno de los pasos es la colocación de un implante glenoideo en la cavidad glenoidea de la escápula del paciente. Un implante glenoideo de este tipo se describe en la patente norteamericana. 6.679.916. Otro paso del procedimiento de TSR es la colocación del implante humeral. El dispositivo 10 de la presente invención es útil para ayudar a un cirujano a conseguir una orientación adecuada del implante glenoideo con respecto a la bóveda glenoidea y para lograr la orientación adecuada del implante humeral. El dispositivo 10, por ejemplo, se puede fijar a un mango en T o un taladro comúnmente utilizado por el cirujano con la cepilladora glenoidea. El dispositivo 10, en una realización adicional, se puede conectar a un ensanchador cónico, utilizado para ensanchar el canal humeral o a una guía de corte de la cabeza del húmero.

La figura 22A muestra una vista en planta lateral de un instrumento de inserción del implante glenoideo 500 para su uso en la orientación de un implante glenoideo. Como se muestra, el instrumento de inserción 500 incluye un eje 504 y una guía de alineación 510. La figura 228 muestra una vista en planta frontal de la guía de alineación 510. Como se muestra, la guía de alineación 510 incluye un brazo superior 512, un brazo inferior 514, un brazo anterior 516, y un brazo posterior 518, que se fijan a un cubo 520. Los brazos están dimensionados de tal manera que abarcan todo el reborde glenoideo para un paciente en particular.

La figura 23 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de alineación de un implante glenoideo 550 para el uso del instrumento de inserción de implantes 500 con el fin de orientar un implante glenoideo. Como se muestra, el proceso 550 incluye fijar de manera segura el dispositivo 10 en el eje de un instrumento de inserción de implante 500 o instrumento de cepillado glenoideo (bloque 554). La guía de alineación 510 está fijada a un extremo del instrumento en el que el implante glenoideo está fijado normalmente (bloque 556). La guía de alineación 510 se coloca en el borde del glenoidea, de tal manera que el brazo superior se coloca en la posición más superior del borde, y los brazos anterior y posterior están alineados generalmente con el centro del glenoide superior / posterior (bloque 558). Una vez más, los brazos se pueden ajustar para evitar osteofitos significativos. El conmutador "cero" es presionado entonces para poner la pantalla 18 en el dispositivo de 10 a cero, lo que establece el plano de referencia (bloque 560). La guía de alineación 510 se retira y el implante glenoideo se fija en el instrumento de inserción 500 (bloque 562). Finalmente, el cirujano utiliza la pantalla 18 en el dispositivo 10 para lograr la orientación deseada y / o colocación del implante glenoideo (bloque 564). A continuación, el cirujano fija el implante glenoideo en la localización deseada.

En todavía otro ejemplo, el dispositivo 10 es utilizado por un cirujano para facilitar el TKA. Para el TKA, el dispositivo 10 puede ser fijado en las guías iniciales utilizadas comúnmente por los cirujanos, para permitir la alineación más precisa que la proporcionada por las guías existentes. En varias realizaciones ejemplares el dispositivo 10 se puede fijar en los bloques de corte para proporcionar una alineación más exacta de rotación, varo / valgo, y el nivel de la resección. El dispositivo 10 también se puede colocar en cualquier otro instrumento conocido en la técnica y comúnmente empleado en un procedimiento de TKA.

En relación con los instrumentos que se han descrito más arriba, que incluyen sensores para proporcionar orientación y / o información de posición, los sensores pueden incluir un sensor configurado para realizar una medición relacionada con al menos una propiedad en múltiples localizaciones sobre o en el instrumento o el implante. De acuerdo con una realización, el sensor incluye una pluralidad o una agrupación de sensores para medir una o más propiedades en múltiples puntos, ángulos, distancias, áreas, o cualquier combinación de éstos.

Diversas modificaciones y adiciones se pueden hacer a las realizaciones ejemplares que se han explicado sin apartarse del alcance de la presente invención. En consecuencia, el alcance de la presente invención pretende abarcar todas tales alternativas, modificaciones y variaciones que se encuentren en el alcance de las reivindicaciones.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un sistema para obtener una alineación deseada de un instrumento quirúrgico con respecto a una localización anatómica en un paciente, comprendiendo el sistema:

   5 un instrumento de alineación que se puede fijar al instrumento quirúrgico y que está configurado para obtener una posición de referencia en tres dimensiones en relación con la localización anatómica; y un dispositivo de orientación que se pude fijar de manera liberable al instrumento quirúrgico, en el que el dispositivo de orientación comprende:

   10 una carcasa; al menos un sensor localizado dentro de, o en la carcasa, que proporciona una señal que representa un cambio de la posición angular del dispositivo de orientación con respecto a la posición de referencia en tres dimensiones; y

   15 una pantalla visible en la carcasa y acoplada operativamente el sensor, en el que la pantalla presenta al usuario un valor que representa el cambio de posición angular del dispositivo de orientación.
2. 2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sistema está adaptado, además, para alinear una prótesis médica

   con la localización anatómica, y en el que el instrumento de alineación incluye una guía de alineación para obtener la 20 posición de referencia en tres dimensiones en relación con la localización anatómica.
3. 3. El sistema de la reivindicación 1, en el que el instrumento quirúrgico comprende un bloque de corte.
4. 4. El sistema de la reivindicación 3, en el que el dispositivo de orientación está configurado para alinear el bloque 25 de corte en un sentido de varo/valgo.
5. 5. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de orientación está configurado para recibir señales de orientación y de posicionamiento de sensores situados en un dispositivo externo.

   30 6. El sistema de la reivindicación 1, en el que al menos un sensor comprende un acelerómetro.
6. 7. El sistema de la reivindicación 1, en el que el al menos un sensor comprende un sensor giroscópico.
7. 8. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de orientación está configurado para ser puesto a cero 35 después de determinar la orientación de una localización anatómica.
8. 9. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de orientación está configurado para ser puesto a cero después de que se alinee con un plano de referencia.

   40 10. El sistema de la reivindicación 1, en el que el al menos un sensor es un sensor de velocidad angular.
9. 11. El sistema de la reivindicación 1, en el que el instrumento de alineación comprende una porción de cuerpo y brazos que se disponen por lo general en el mismo plano.

   45 12. El sistema de la reivindicación 1, en el que el instrumento de alineación está configurada para ponerse en contacto con un reborde acetabular de un acetábulo.
10. 13. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de orientación está configurado para identificar la

    orientación del instrumento quirúrgico con respecto a un plano establecido previamente de un acetábulo. 50
11. 14. El sistema de la reivindicación 1, en el que el instrumento quirúrgico está configurado para colocar un encaje protésico en un acetábulo, y el dispositivo de orientación está configurado para indicar una orientación deseada del encaje protésico.