WO2016185302A1 - Image-based surgical navigation system in a computer - Google Patents

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WO2016185302A1
WO2016185302A1 PCT/IB2016/052330 IB2016052330W WO2016185302A1 WO 2016185302 A1 WO2016185302 A1 WO 2016185302A1 IB 2016052330 W IB2016052330 W IB 2016052330W WO 2016185302 A1 WO2016185302 A1 WO 2016185302A1
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dual
pedal
processing unit
sensor
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PCT/IB2016/052330
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Spanish (es)
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Inventor
Alher Mauricio HERNÁNDEZ
Juan Diego LEMOS
Andres Felipe VALLEJO
Daniel ESTRADA
John Fredy OCHOA
Jhon Jairo VELÁSQUEZ
Original Assignee
Universidad De Antioquia
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations

Abstract

An image-based surgical navigation system, connected to a computer having the suitable software, permits surgeries to be carried out that are guided by previously recorded diagnostic images. The device makes it easier for the surgeon to position the surgical instrument over the diagnostic images and over the three-dimensional reconstruction achieved on the basis of said diagnostic images. In addition, the device facilitates the marking of events with the aid of a pedal connected to the computer, so that the doctor can record the coordinates of points of interest during the surgery. The system comprises a dual AC fields sensor (300) connected to each surgical instrument used, a source (200) of signals, and a pedal (400) for marking events, the activation of which pedal causes the system to store the variables of the moment or time interval of activation. The system has the capacity to store and process the information obtained by the sensors and a previous diagnostic image for the display thereof. The position of the dual sensors (300) is superimposed on the diagnostic image in order to orient the surgeon.

Description

SISTEMA DE NAVEGACIÓN QUIRÚRGICA EN COMPUTADOR BASADO EN  SURGICAL NAVIGATION SYSTEM IN COMPUTER BASED ON
IMÁGENES  IMAGES
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0001 ] La presente invención está relacionada con el campo de imágenes diagnósticas, más específicamente con el uso de dichas imágenes como soporte o ayuda durante cirugías, y más específicamente con un sistema de seguimiento tridimensional del instrumental quirúrgico en términos de orientación y posición basado en campos electromagnéticos. [0001] The present invention is related to the field of diagnostic images, more specifically with the use of said images as support or aid during surgeries, and more specifically with a three-dimensional monitoring system of surgical instruments in terms of orientation and position based on electromagnetic fields.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Existen varios dispositivos en el estado de la técnica que utilizan imágenes diagnósticas como ayuda durante operaciones quirúrgicas. Entre ellas se encuentran las siguientes:  [0002] There are several devices in the state of the art that use diagnostic images as an aid during surgical operations. Among them are the following:
[0003] El documento US 571 1299 A da a conocer un método y sistema de guiado quirúrgico para aproximarse a un blanco dentro del cuerpo, el sistema incluye un generador de campos magnéticos sobre un marco de soporte, un controlador del sistema de guía, al menos un sensor de campo magnético situado en un instrumento quirúrgico, y un dispositivo de retroalimentación visual. El sistema de guiado indica la posición del instrumento quirúrgico con respecto a una trayectoria a medida que el instrumento se aproxima al blanco quirúrgico dentro del cuerpo. El generador de campo magnético establece un campo magnético con unas características geométricas que indican la trayectoria desde un punto inicial al blanco. Los sensores detectan la orientación apreciable del campo magnético a lo largo de la trayectoria, y el dispositivo de visualización indica si el instrumental quirúrgico está alineado o desalineado con la trayectoria. El generador de campo magnético es ajustable sobre el marco de soporte de manera que el ángulo de aproximación y posición de la trayectoria pueden ser seleccionados. Sin embargo, en dicho documento no se describe el detalle de los sensores y proporciona un sistema que permita registrar los eventos y variables de interés durante el procedimiento. [0004] El documento EP 1267741 B1 da a conocer un aparato de almacenamiento de trayectorias para un sistema de navegación quirúrgica guiado por imágenes, el cual permite almacenar y realizar mediciones en las trayectorias seguidas por los instrumentos quirúrgicos, un icono que representa la trayectoria en tiempo real del instrumento rastreado es sobrepuesto sobre las imágenes pre-adquiridas del paciente. Bajo el comando del cirujano el sistema de navegación puede almacenar múltiples trayectorias del instrumento y crear un icono estático que represente cada trayectoria guardada. El cirujano puede medir el ángulo plano entre dos trayectorias, que es calculado en el plano de la imagen y por lo tanto se calcula por separado para cada imagen visualizada; además el cirujano tiene la opción de calcular y mostrar la distancia tridimensional entre dos puntos pertenecientes a un par de trayectorias cualquiera. Ese dispositivo tampoco permite grabar o registrar variables de interés relacionadas con la operación o el paciente en puntos relevantes durante la cirugía. [0003] US 571 1299 A discloses a surgical guidance method and system for approaching a target within the body, the system includes a magnetic field generator on a support frame, a guide system controller, at minus a magnetic field sensor located in a surgical instrument, and a visual feedback device. The guidance system indicates the position of the surgical instrument with respect to a trajectory as the instrument approaches the surgical target within the body. The magnetic field generator establishes a magnetic field with geometric characteristics that indicate the path from an initial point to the target. The sensors detect the appreciable orientation of the magnetic field along the path, and the display device indicates whether the surgical instrument is aligned or misaligned with the path. The magnetic field generator is adjustable on the support frame so that the approach angle and path position can be selected. However, this document does not describe the detail of the sensors and provides a system that allows recording the events and variables of interest during the procedure. [0004] EP 1267741 B1 discloses a trajectory storage apparatus for an image-guided surgical navigation system, which allows storing and performing measurements on trajectories followed by surgical instruments, an icon representing the trajectory in Real time of the tracked instrument is superimposed on the pre-acquired images of the patient. Under the surgeon's command, the navigation system can store multiple instrument paths and create a static icon that represents each saved path. The surgeon can measure the flat angle between two paths, which is calculated in the image plane and therefore calculated separately for each image displayed; In addition, the surgeon has the option of calculating and showing the three-dimensional distance between two points belonging to any pair of trajectories. This device also does not allow recording or recording variables of interest related to the operation or the patient at relevant points during surgery.
[0005] El documento EP 1421900 A1 da a conocer un dispositivo de posicionamiento con inmunidad dinámica a los metales, incluye un conjunto de radiadores que son dispuestos en las cercanías del cuerpo del paciente generando campos electromagnéticos, un sensor de posición que genera señales de acuerdo al campo magnético, uno o más elementos de referencia diseñados para ser colocados en posiciones cercanas al sensor y generar señales de referencia en respuesta a los campos magnéticos, una unidad de control que determina para cada elemento de referencia unos parámetros sin distorsión de acuerdo a su posición conocida. La unidad de control recibe las señales del sensor y las de referencia, calcula el error para cada elemento de referencia en respuesta a la interacción de un elemento metálico con los campos, y luego calcula la posición del sensor a partir de la señal del sensor y el error calculado en los elementos de referencia. Este dispositivo es relativamente complejo, pues cuenta con sensores en distancias relativas fijas, acelerometro y giróscopo.  [0005] EP 1421900 A1 discloses a positioning device with dynamic immunity to metals, includes a set of radiators that are arranged in the vicinity of the patient's body generating electromagnetic fields, a position sensor that generates agreement signals to the magnetic field, one or more reference elements designed to be placed in positions close to the sensor and generate reference signals in response to the magnetic fields, a control unit that determines for each reference element undistorted parameters according to its known position. The control unit receives the sensor and reference signals, calculates the error for each reference element in response to the interaction of a metallic element with the fields, and then calculates the position of the sensor from the sensor signal and the error calculated in the reference elements. This device is relatively complex, as it has sensors in fixed relative distances, accelerometer and gyro.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN  BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0006] La presente invención se refiere a un dispositivo electrónico que, conectado a un computador con el software adecuado, permite realizar cirugías guiadas por imágenes diagnósticas previamente registradas. Este dispositivo facilita al cirujano la ubicación del instrumental quirúrgico sobre las imágenes diagnósticas y sobre la reconstrucción tridimensional lograda a partir de las mismas. Adicionalmente este dispositivo facilita la marcación de eventos con el apoyo de un pedal conectado al computador para que el médico pueda registrar las coordenadas de puntos de interés durante la cirugía. El dispositivo consta de cuatro componentes, a saber: antena transmisora, unidad de procesamiento de la información registrada por los sensores, sensores duales de baja interferencia y un pedal para registro de eventos. Los sensores se conectan a la unidad de procesamiento y dicha unidad, así como la fuente y el pedal se conectan al computador que aloja el software específico del sistema. [0006] The present invention relates to an electronic device that, connected to a computer with the appropriate software, allows surgery guided by previously registered diagnostic images. This device makes it easier for the surgeon to locate the surgical instruments on the diagnostic images and on the three-dimensional reconstruction achieved from them. Additionally, this device facilitates the marking of events with the support of a pedal connected to the computer so that the doctor can record the coordinates of points of interest during surgery. The device consists of four components, namely: transmitting antenna, information processing unit registered by the sensors, dual low interference sensors and a pedal for recording events. The sensors are connected to the processing unit and said unit, as well as the source and the pedal are connected to the computer that hosts the specific system software.
[0007] La información de posición y desplazamientos del sensor dual construido para ser acoplado al instrumental de cirugía, es transmitida a una unidad de procesamiento que a su vez la transmite al computador encargado de proporcionar la realimentación visual. Una vez se cuenta con la información de posición del sensor en el espacio, dicha posición se superpone a las imágenes de tomografía axial computarizada y/o resonancia magnética en un medio de visualización, o pantalla, permitiendo al cirujano conocer la posición de su instrumental en todo momento dentro del campo quirúrgico.  [0007] The position and displacement information of the dual sensor constructed to be coupled to the surgical instruments, is transmitted to a processing unit that in turn transmits it to the computer in charge of providing the visual feedback. Once the position information of the sensor is available in the space, said position is superimposed on the images of computed tomography and / or magnetic resonance in a visualization means, or screen, allowing the surgeon to know the position of his instruments in every moment within the surgical field.
[0008] La unidad de procesamiento además cuenta con un puerto a través del cual puede capturar información de monitores de signos vitales o electrofisiológicos, para que dicha información forme parte del historial de navegación. Este componente es de particular importancia pues la revisión posterior del procedimiento o inclusive durante el procedimiento permite tener información sobrepuesta en las imágenes diagnósticas, lo cual le permite al médico no realizar navegación redundante pues fácilmente podría verificar en el computador el estado del paciente cuando navegó por determinadas estructuras. [0008] The processing unit also has a port through which it can capture information from vital or electrophysiological signs monitors, so that such information is part of the navigation history. This component is of particular importance because the subsequent review of the procedure or even during the procedure allows to have information superimposed on the diagnostic images, which allows the doctor not to perform redundant navigation because he could easily verify on the computer the patient's condition when he navigated certain structures
[0009] La antena transmisora de campos electromagnéticos genera un campo electromagnético alterno de baja frecuencia (20 KHz) en el plano X y con diferencias de 400 Hz en los planos Y y Z (19.6 KHz y 20.4 KHz respectivamente). Dicho campo electromagnético tridimensional puede ser medido con suficiente precisión en una espera de radio 2 m. El sensor dual que incluye el sistema permite medir el campo en los tres ejes en dos posiciones del espacio, la precisión de dichas medidas en presencia de interferencias causadas por materiales ferromagnéticos es ajustada gracias a que la distancia entre las dos antenas receptoras del sensor son conocidas. Adicionalmente el sensor dual cuenta con un acelerómetro que permite corregir la orientación del sensor en el espacio tridimensional. La información capturada por el sensor es acondicionada y transmitida a la unidad de procesamiento que a su vez acondiciona y digitaliza la información de hasta dos sensores duales para enviarla al computador. [0009] The transmitting antenna of electromagnetic fields generates an alternating electromagnetic field of low frequency (20 KHz) in the X plane and with differences of 400 Hz in the Y and Z planes (19.6 KHz and 20.4 KHz respectively). Said three-dimensional electromagnetic field can be measured with sufficient accuracy in a 2 m radius wait. The dual sensor that includes the system allows to measure the field in the three axes in two positions of the space, the precision of said measurements in the presence of interferences caused Ferromagnetic materials are adjusted because the distance between the two sensor receiving antennas is known. Additionally, the dual sensor has an accelerometer that allows correcting the orientation of the sensor in three-dimensional space. The information captured by the sensor is conditioned and transmitted to the processing unit which in turn conditions and digitizes the information of up to two dual sensors to be sent to the computer.
[0010] Por otra parte el dispositivo cuenta con un pedal digital cuya forma alude los mapas de activación cerebral que sirve para que el cirujano pueda marcar eventos durante la planeación de la cirugía o durante la realización de la misma. Dicho pedal genera eventos registrados por la unidad de procesamiento para que de manera sincronizada se puedan capturar y registrar las coordenadas del instrumental. La información de eventos así como la totalidad de la navegación es almacenada en una memoria removible ubicada en la unidad de procesamiento y a su vez transmitida al computador. [0010] On the other hand, the device has a digital pedal whose shape refers to the brain activation maps that allow the surgeon to mark events during the planning of the surgery or during the performance of the surgery. Said pedal generates events recorded by the processing unit so that the coordinates of the instruments can be captured and recorded in a synchronized manner. The event information as well as the entire navigation is stored in a removable memory located in the processing unit and in turn transmitted to the computer.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[001 1 ] Figura 1 : Componentes del sistema.  [001 1] Figure 1: System components.
[0012] Figura 2: Módulos que componen la unidad de procesamiento.  [0012] Figure 2: Modules that make up the processing unit.
[0013] Figura 3: Módulos que componen la fuente de señales. [0013] Figure 3: Modules that make up the signal source.
[0014] Figura 4: Componentes del sensor dual. [0014] Figure 4: Dual sensor components.
[0015] Figura 5: Componentes del pedal de marcación de eventos. [0015] Figure 5: Components of the event marking pedal.
RELACIÓN DE TODOS LOS ELEMENTOS ILUSTRADOS EN LAS FIGURAS  RELATIONSHIP OF ALL THE ELEMENTS ILLUSTRATED IN THE FIGURES
[0016] (100) Unidad de procesamiento  [0016] (100) Processing unit
[0017] (101 ) Tapa superior de la carcasa de la unidad de procesamiento  [0017] (101) Upper cover of the processing unit housing
[0018] (102) Lamina inferior de aluminio para aislamiento electromagnético [0018] (102) Aluminum bottom sheet for electromagnetic insulation
[0019] (103) Tarjeta electrónica de unidad de procesamiento [0019] (103) Electronic processing unit card
[0020] (104) Lamina superior de aluminio para aislamiento electromagnético [0021 ] (105) Interruptor de la unidad de procesamiento  [0020] (104) Upper aluminum foil for electromagnetic insulation [0021] (105) Processing unit switch
[0022] (106) Tapa inferior de la carcasa de la unidad de procesamiento [0022] (106) Lower cover of the processing unit housing
[0023] (107) Tornillo 1 de la carcasa [0023] (107) Housing screw 1
[0024] (108) Tornillo 2 de la carcasa [0024] (108) Housing screw 2
[0025] (109) Tornillo 3 de la carcasa  [0025] (109) Screw 3 of the housing
[0026] (1 10) Tornillo 4 de la carcasa [0027 (1 1 1 Tornillo 5 de la carcasa [0026] (1 10) Screw 4 of the housing [0027 (1 1 1 Screw 5 of the housing
[002& (1 12 Tornillo 1 de tarjeta electrónica [002 & (1 12 Electronic Card Screw 1
[0029; (1 13 Tornillo 2 de tarjeta electrónica [0029; (1 13 Electronic card screw 2
[oo3o; (1 14 Tornillo 3 de tarjeta electrónica  [oo3o; (1 14 Electronic card screw 3
[0031 (1 15 Tornillo 4 de tarjeta electrónica  [0031 (1 15 Electronic card screw 4
[0032 (1 16 Ranura sensor 1  [0032 (1 16 Sensor slot 1
[0033; (1 17 Ranura Sensor 2  [0033; (1 17 Sensor Slot 2
[0034 (1 18 Ranura memoria externa  [0034 (1 18 External memory slot
[0035 (1 19 Ranura monitor fisiológico o de Signos vitales  [0035 (1 19 Physiological or Vital Signs Monitor Slot
[0036 (120 Ranura para conexión de Pe  [0036 (120 Slot for connection of Pe
[0037 (121 Ranura para conexión de pedal para marcación de eventos  [0037 (121 Slot for pedal connection for event marking
[0038 (200 fuente de señales  [0038 (200 signal source
[0039 (201 carcasa de la fuente de señales  [0039 (201 signal source housing
[0040 (202 antena transmisora  [0040 (202 transmitter antenna
[0041 (203 tarjeta electrónica de la fuente de señales  [0041 (203 electronic signal source card
[0042 (204 base de la carcasa de la fuente de señales  [0042 (204 base of the signal source housing
[0043 (205 cable para la bobina en plano X  [0043 (205 coil cable in plane X
[0044 (206 cable para la bobina en plano Y  [0044 (206 coil cable in Y-plane
[0045 (207 cable para la bobina en plano Z  [0045 (207 coil cable in Z plane
[0046 (208 Capacitor de precisión acoplado a bobina de plano X  [0046 (208 Precision capacitor coupled to X-plane coil
[0047 (209 Capacitor de precisión acoplado a bobina de plano Y  [0047 (209 Precision capacitor coupled to Y-plane coil
[0048 (210 Capacitor de precisión acoplado a bobina de plano Z  [0048 (210 Precision capacitor coupled to Z-plane coil
[0049 (300 sensor dual  [0049 (300 dual sensor
[0050 (301 carcasa inferior del sensor dual  [0050 (301 lower dual sensor housing
[0051 (302 carcasa superior del sensor dual  [0051 (302 dual sensor upper housing
[0052 (303 antena receptora 1  [0052 (303 receiving antenna 1
[0053 (304 antena receptora 2  [0053 (304 receiving antenna 2
[0054 (305 circuito de sintonización y acondicionamiento de la antena recep :ora 2  [0054 (305 tuning and conditioning circuit of the receiving antenna: ora 2
[0055; (306 circuito de sintonización y acondicionamiento de la antena recep :ora 1  [0055; (306 receiver antenna tuning and conditioning circuit: ora 1
[0056 I (307 arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el plano [0056 I (307 copper winding in perpendicular configuration for the plane
X de la antena 1 [0057] (308) arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el planoX of antenna 1 [0057] (308) copper winding in perpendicular configuration for the plane
Y de la antena 1 And from antenna 1
[0058] (309) arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el plano Z de la antena 1  [0058] (309) copper winding in perpendicular configuration for the Z plane of antenna 1
[0059] (310) arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el plano X de la antena 2 [0059] (310) copper winding in perpendicular configuration for plane X of antenna 2
[0060] (31 1 ) arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el plano [0060] (31 1) copper winding in perpendicular configuration for the plane
Y de la antena 2 And from antenna 2
[0061 ] (312) arrollamiento de cobre en configuración perpendicular para el plano Z de la antena 2  [0061] (312) copper winding in perpendicular configuration for the Z plane of antenna 2
[0062] (313) Acople para cable que conecta el sensor dual con la unidad de procesamiento (100)  [0062] (313) Cable coupling connecting the dual sensor with the processing unit (100)
[0063] (400) pedal para marcación de eventos  [0063] (400) pedal for event marking
[0064] (401 ) carcasa superior del pedal de marcación de evento [0064] (401) upper event marking pedal housing
[0065] (402) carcasa inferior del pedal de marcación de evento [0065] (402) lower event marking pedal housing
[0066] (403) cobertor del interruptor [0066] (403) switch cover
[0067] (404) Tarjeta electrónica para acondicionamiento y transmisión USB  [0067] (404) Electronic card for conditioning and USB transmission
[0068] (405) placa superior de acción [0068] (405) upper action plate
[0069] (406) interruptor electrónico [0069] (406) electronic switch
[0070] (407) Pasador que sujeta el mecanismo del pedal [0070] (407) Pin that holds the pedal mechanism
[0071 ] (408) resorte para el botón [0071] (408) button spring
[0072] (409) Placa inferior del mecanismo del pedal [0072] (409) Bottom plate of the pedal mechanism
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0073] Esta invención busca resolver cuatro problemas existentes en la navegación guiada por imágenes, la interferencia producida por metales en los dispositivos basados en campos electromagnéticos alternos, la fácil planeación quirúrgica, la verificación a posteriori de los procedimientos realizados y la disponibilidad de información fisiológica del paciente durante el procedimiento superpuesta en el entorno de navegación. La solución propuesta para cada uno de los problemas anteriormente descritos se presenta a continuación:  [0073] This invention seeks to solve four existing problems in image-guided navigation, interference caused by metals in devices based on alternating electromagnetic fields, easy surgical planning, post-verification of the procedures performed and the availability of physiological information of the patient during the procedure superimposed on the navigation environment. The proposed solution for each of the problems described above is presented below:
[0074] La interferencia producida por metales se resuelve mediante la utilización de sensores duales (ver figura 4) que pueden ubicarse en el instrumental adheridos al cráneo del paciente. Cada sensor dual está compuesto por dos unidades que miden campos electromagnéticos tridimensionales, un acelerómetro tridimensional y un giróscopo. Los componentes que miden los campos electromagnéticos se encuentran a una distancia fija conocida, de tal forma que las coordenadas medidas por cada sensor son verificadas y corregidas de acuerdo con la distancia conocida entre las dos unidades, además dicha información de posición es corregida por la información del acelerómetro y el giróscopo en los casos en los que se produzcan movimientos rápidos o altísima interferencia. [0074] Metal interference is resolved through the use of dual sensors (see figure 4) that can be placed in the instruments attached to the patient's skull. Each dual sensor is composed of two units that measure three-dimensional electromagnetic fields, a three-dimensional accelerometer and a gyroscope. The components that measure the electromagnetic fields are at a known fixed distance, so that the coordinates measured by each sensor are verified and corrected according to the known distance between the two units, in addition said position information is corrected by the information of the accelerometer and gyroscope in cases where there are rapid movements or very high interference.
[0075] La problemática de la facilidad en la planeacion quirúrgica es resuelta mediante la incorporación de un pedal para marcación de eventos que son superpuestos en las imágenes mediante medios de visualización tales como una pantalla. Con esta herramienta el cirujano puede marcar los puntos de interés durante la planeacion y también durante el procedimiento. El software utilizado en el computador permitirá trazar trayectorias y calcular distancias entre puntos de interés.  [0075] The problem of ease in surgical planning is solved by incorporating a pedal for marking events that are superimposed on the images by means of visualization such as a screen. With this tool the surgeon can mark the points of interest during the planning and also during the procedure. The software used in the computer will allow to trace trajectories and calculate distances between points of interest.
[0076] La verificación a posteriori de los procedimientos realizados se facilita gracias al sistema de almacenamiento que guarda las trayectorias seguidas junto con los eventos marcados y la información proveniente de monitores de signos vitales o de actividad fisiológica.  [0076] The subsequent verification of the procedures performed is facilitated by the storage system that saves the paths followed along with the marked events and the information from vital signs monitors or physiological activity.
[0077] Gracias a la capacidad de brindar visualización de signos vitales o datos fisiológicos en la pantalla del computador a medida que se realiza la navegación, el cirujano puede tomar rápidas decisiones que garanticen la seguridad del paciente. Además dicha información forma parte del historial de navegación almacenado. [0077] Thanks to the ability to provide visualization of vital signs or physiological data on the computer screen as navigation is performed, the surgeon can make quick decisions that ensure patient safety. In addition, this information is part of the stored browsing history.
MEDIOS PARA SOLUCIONAR LOS PROBLEMAS MEANS TO SOLVE PROBLEMS
[0078] El presente invento aborda tres problemas claramente identificados en los sistemas disponibles comercialmente y en los reportados en la literatura y bases de datos de patentes. Primero, un solo sensor de campos AC acoplado al instrumental es altamente afectado por los elementos ferromagnéticos del entorno produciendo así errores en dichas posiciones y como resultado una navegación errónea. Segundo, los sistemas disponibles y descritos no cuentan con un sistema de marcación de eventos y registro del procedimiento para su posterior análisis. Y tercero, ningún dispositivo cuenta con la posibilidad de sincronizar la información fisiológica del paciente durante el procedimiento superpuesta en el entorno de navegación. [0078] The present invention addresses three problems clearly identified in commercially available systems and those reported in the literature and patent databases. First, a single AC field sensor coupled to the instrument is highly affected by the ferromagnetic elements of the environment thus producing errors in these positions and as a result an erroneous navigation. Second, the available and described systems do not have an event marking system and procedure record for later analysis. And third, no device has the possibility of synchronize the physiological information of the patient during the procedure superimposed on the navigation environment.
[0079] La presente invención incluye una unidad de procesamiento con altas prestaciones de cómputo y un software dedicado para el procesamiento de toda la información generada, un sensor dual que incluye un acelerómetro tridimensional y un giróscopo, un pedal para marcación de eventos, un puerto en la unidad de procesamiento para capturar la información de signos vitales y/o fisiológica del paciente durante la navegación.  [0079] The present invention includes a processing unit with high computational performance and dedicated software for the processing of all generated information, a dual sensor that includes a three-dimensional accelerometer and a gyro, an event marking pedal, a port in the processing unit to capture the vital and / or physiological information of the patient during navigation.
[0080] Según la invención descrita anteriormente, un sensor dual que incluye además un acelerómetro tridimensional y un giróscopo permite procesar información redundante de la posición con respecto a la fuente de campos electromagnéticos y corregir el problema de la interferencia de elementos ferromagnéticos en el entorno. Dado que la posición relativa de un sensor respecto al otro es conocida, las posibles ubicaciones de los dos sensores en presencia de perturbaciones se reducen. Adicionalmente el acelerómetro y el giróscopo brindan información acerca de los movimientos realizados de tal forma que se puede identificar si un cambio de posición registrado en los sensores electromagnéticos en realidad corresponde a un movimiento realizado o a interferencia.  [0080] According to the invention described above, a dual sensor that also includes a three-dimensional accelerometer and a gyro allows processing redundant position information with respect to the source of electromagnetic fields and correcting the problem of interference of ferromagnetic elements in the environment. Since the relative position of one sensor relative to the other is known, the possible locations of the two sensors in the presence of disturbances are reduced. Additionally, the accelerometer and gyroscope provide information about the movements performed in such a way that it can be identified if a change of position registered in the electromagnetic sensors actually corresponds to a movement performed or to interference.
[0081 ] Un pedal que permite la marcación de zonas anatómicas de interés en la planeacion y la marcación de eventos en el procedimiento permiten mejorar la planeacion quirúrgica evitando hacer uso del teclado o el mouse ya que obligaría a hacer uso de las manos las cuales están ocupadas con el instrumental quirúrgico; con una unidad de procesamiento con excelentes prestaciones y un software dedicado el sistema puede incluir información de signos vitales y electrofisiológica del paciente y superponerla con la información de la posición del instrumental quirúrgico y además de ello guardar en todo momento los datos de navegación y del procedimiento para la visualización a posteriori. Este aspecto es de gran relevancia en las cirugías funcionales, durante las cuales cualquier cambio en los signos vitales brinda información al neurocirujano acerca de las zonas del cerebro que está interviniendo. [0081] A pedal that allows the marking of anatomical areas of interest in the planning and the marking of events in the procedure allow to improve the surgical planning avoiding using the keyboard or mouse as it would force the use of the hands which are occupied with surgical instruments; With a processing unit with excellent features and dedicated software, the system can include information on vital and electrophysiological signs of the patient and superimpose it with the information of the position of the surgical instruments and in addition to this, keep the navigation and procedure data at all times. for subsequent viewing. This aspect is of great relevance in functional surgeries, during which any change in vital signs provides information to the neurosurgeon about the areas of the brain that is intervening.
EFECTO DE LA INVENCIÓN [0082] La presente invención resuelve los problemas de utilizar campos electromagnéticos alternos de baja frecuencia en la navegación basada en imágenes, mejorando notablemente la exactitud en la ubicación del instrumental en el campo quirúrgico y la utilización de instrumental metálico. Adicionalmente permite realizar la planeación de la cirugía marcando las zonas de interés con la ayuda de un pedal y visualizándolas inmediatamente sobre las imágenes diagnósticas, lo cual resulta más práctico que marcar zonas de interés con un mouse o el teclado de un computador. En cuanto a la seguridad del paciente, la presente invención facilita al médico la toma de decisiones pues puede contar con información funcional del paciente sobrepuesta a las imágenes de navegación. Finalmente la presente invención permite almacenar la totalidad de la navegación, marcar los eventos de interés junto con la información fisiológica de los instantes en los que se producen los eventos. EFFECT OF THE INVENTION [0082] The present invention solves the problems of using low frequency alternating electromagnetic fields in image-based navigation, notably improving the accuracy in the location of the instruments in the surgical field and the use of metallic instruments. Additionally, it allows surgery planning by marking the areas of interest with the help of a pedal and displaying them immediately on the diagnostic images, which is more practical than marking areas of interest with a computer mouse or keyboard. Regarding patient safety, the present invention makes it easier for the doctor to make decisions because he can have functional information about the patient superimposed on the navigation images. Finally, the present invention allows storing the entire navigation, marking the events of interest along with the physiological information of the moments in which the events occur.
DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA DE LA INVENCIÓN  DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODE OF THE INVENTION
[0083] La Figura 1 corresponde a una vista de los tres módulos que componen la presente invención. La unidad de procesamiento (100), la fuente de señales (200), el sensor dual (300) y el pedal para marcación de eventos (400). [0083] Figure 1 corresponds to a view of the three modules that make up the present invention. The processing unit (100), the signal source (200), the dual sensor (300) and the pedal for event marking (400).
[0084] En la Figura 2 se presentan las diferentes componentes del módulo unidad de procesamiento (100). Este módulo consta de una carcasa compuesta de las tapas (101 y 106) sujetas con los tornillos (107 - 1 10). Las láminas (102 y 104) son piezas de aluminio de 0.5 mm que permiten blindar la tarjeta electrónica contra interferencias electromagnéticas. La tarjeta electrónica (103) realiza el procesamiento de la información transmitida por los dos sensores duales (300) con que cuenta el sistema y un puerto de comunicación tipo USB (120) que transmite la información al computador. Los sensores duales se conectan a través de los puertos (1 16 y 1 17). La unidad de procesamiento cuenta además con un interruptor de encendido (105) en la carcasa de la unidad, una ranura para memoria externa (1 18), un puerto para recibir datos de un monitor fisiológico externo (1 19), un conector para pedal de marcación de eventos (121 ), fuente y unidad de procesamiento y gestión de la información (computador). La tarjeta electrónica está sujeta a la carcasa con los tornillos (1 12-1 15). [0084] Figure 2 shows the different components of the processing unit module (100). This module consists of a housing composed of the covers (101 and 106) fastened with the screws (107 - 1 10). The sheets (102 and 104) are 0.5 mm aluminum pieces that allow shielding the electronic card against electromagnetic interference. The electronic card (103) processes the information transmitted by the two dual sensors (300) that the system has and a USB type communication port (120) that transmits the information to the computer. The dual sensors are connected through the ports (1 16 and 1 17). The processing unit also has a power switch (105) in the unit housing, an external memory slot (1 18), a port for receiving data from an external physiological monitor (1 19), a pedal connector event marking (121), source and processing unit and information management (computer). The electronic card is attached to the housing with the screws (1 12-1 15).
[0085] En la Figura 3 se muestran las diferentes partes que componen la fuente de señales (200). Este sistema está conformado por una carcasa en material ABS compuesta por los elementos (201 y 204). La fuente de señales comprende también una antena transmisora (202, 205, 206, y 207), una tarjeta electrónica de control (203) y capacitores acoplados a las bobinas en los tres planos (208, 209 y 210). Las antenas transmisoras tienen un núcleo en ABS (202) y son arrollamientos de cobre en configuración perpendicular abarcando los planos X (205), Y (206) y Z (207). Dicha fuente es alimentada por la tarjeta electrónica (203) que además cuenta con tres capacitores de precisión (208, 209 y 210) sintonizados con las bobinas (205, 206 y 207). [0085] Figure 3 shows the different parts that make up the signal source (200). This system is made up of a material housing ABS composed of the elements (201 and 204). The signal source also comprises a transmitting antenna (202, 205, 206, and 207), an electronic control card (203) and capacitors coupled to the coils in the three planes (208, 209 and 210). The transmitting antennas have an ABS core (202) and are copper windings in perpendicular configuration covering the X (205), Y (206) and Z (207) planes. This source is powered by the electronic card (203) which also has three precision capacitors (208, 209 and 210) tuned to the coils (205, 206 and 207).
[0086] En la figura 4 se muestra el sensor dual (300) que lo componen dos antenas receptoras (303 y 304) tienen un núcleo en ABS y sus arrollamientos en X, Y y Z (307, 308 y 309) están conectados a dos circuitos independientes de sintonización (305 y 306). Este sistema va conectado mediante cable a la unidad de procesamiento que acondiciona las señales de posición, las aceleraciones y los giros y los transmite junto con los eventos generados por el pedal (400) al computador. El circuito de sintonización y acondicionamiento de señales independiente ubicado en las tarjetas electrónicas (305 y 306) también incluye un acelerómetro 3D y un giróscopo que facilitan la corrección de posición en presencia de alta interferencia. El sistema de sensor dual tiene una carcasa que se ajusta a presión y es construida en material ABS compuesta por los elementos (301 y 302).  [0086] Figure 4 shows the dual sensor (300) that is composed of two receiving antennas (303 and 304) have a core in ABS and their windings in X, Y and Z (307, 308 and 309) are connected to two independent tuning circuits (305 and 306). This system is connected by cable to the processing unit that conditions the position signals, accelerations and turns and transmits them together with the events generated by the pedal (400) to the computer. The independent signal tuning and conditioning circuit located on the electronic cards (305 and 306) also includes a 3D accelerometer and a gyroscope that facilitate position correction in the presence of high interference. The dual sensor system has a housing that fits under pressure and is constructed of ABS material composed of the elements (301 and 302).
[0087] En la figura 5 se muestra el pedal para marcación de eventos (400). Este pedal con la forma de los cráneos utilizados en mapeo cerebral consta de una carcasa en ABS (401 y 402), un cobertor del interruptor también en plástico (403). Este sistema comprende también tarjeta electrónica para acondicionamiento y transmisión USB (404), y el mecanismo del pedal (405, 406, [0087] Figure 5 shows the pedal for event marking (400). This pedal with the shape of the skulls used in brain mapping consists of a housing in ABS (401 and 402), a switch cover also in plastic (403). This system also includes electronic card for conditioning and USB transmission (404), and the pedal mechanism (405, 406,
407, 408, 409). El mecanismo del pedal consta de una placa inferior (409), un resorte (408) y una placa superior de acción (405). El mecanismo de cierre del pedal es a presión utilizando unas muescas en la placa inferior de la carcasa (402). El elemento (406) corresponde a un interruptor electrónico acoplado a tarjeta electrónica que acondiciona la señal y transmite los eventos mediante cable a la unidad de procesamiento. 407, 408, 409). The pedal mechanism consists of a lower plate (409), a spring (408) and an upper action plate (405). The pedal closing mechanism is pressurized using notches in the bottom plate of the housing (402). The element (406) corresponds to an electronic switch coupled to an electronic card that conditions the signal and transmits the events via cable to the processing unit.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de navegación quirúrgica basado en imágenes que comprende: 1. An image-based surgical navigation system comprising:
a. un sensor dual (300) de campos AC conectado a cada instrumento quirúrgico usado;  to. a dual AC field sensor (300) connected to each surgical instrument used;
b. una fuente de señales (200);  b. a signal source (200);
c. un pedal de marcación de eventos (400) cuya activación hace que el sistema almacene las variables del instante o intervalo de tiempo de activación;  C. an event marking pedal (400) whose activation causes the system to store the variables of the instant or time interval of activation;
d. una unidad de procesamiento (100) que recibe la información de los sensores duales (300), está conectado al pedal (400), almacena información y procesa la información para su visualización; y  d. a processing unit (100) that receives the information from the dual sensors (300), is connected to the pedal (400), stores information and processes the information for display; Y
e. medios de visualización que muestran las posiciones de los sensores duales (300) superpuestas a una imagen diagnóstica.  and. display means showing the positions of the dual sensors (300) superimposed on a diagnostic image.
en donde cada sensor dual (300) está formado por dos antenas receptoras (303, 304) separadas entre sí, comprendiendo cada antena (303, 304) tres arrollamientos de cobre (307, 308, 309) perpendiculares entre sí.  wherein each dual sensor (300) is formed by two receiving antennas (303, 304) separated from each other, each antenna (303, 304) comprising three copper windings (307, 308, 309) perpendicular to each other.
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde cada sensor dual (300) comprende además un acelerómetro. 2. The system according to claim 1, wherein each dual sensor (300) further comprises an accelerometer.
3. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en donde cada sensor dual (300) comprende además un giróscopo. 3. The system according to any of claims 1 or 2, wherein each dual sensor (300) further comprises a gyroscope.
4. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada sensor dual (300) comprende además tarjetas electrónicas (305, 306) de sintonización y acondicionamiento de señales. 4. The system according to any of the preceding claims, wherein each dual sensor (300) further comprises electronic cards (305, 306) for signal tuning and conditioning.
5. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sensor dual (300) unido al cráneo del paciente. 5. The system according to any of the preceding claims, further comprising a dual sensor (300) attached to the patient's skull.
6. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente de señales (200) está formada por tres arrollamientos de cobre (205, 206, 207) perpendiculares entre sí. 6. The system according to any of the preceding claims, wherein the signal source (200) is formed by three copper windings (205, 206, 207) perpendicular to each other.
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la fuente de señales (200) comprende tres capacitores de precisión (208, 209, 210) sintonizados con las bobinas (205, 206, 207). 7. The system according to claim 6, wherein the signal source (200) comprises three precision capacitors (208, 209, 210) tuned to the coils (205, 206, 207).
8. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente de señales (200) es una antena de baja frecuencia. 8. The system according to any of the preceding claims, wherein the signal source (200) is a low frequency antenna.
9. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de procesamiento (100) comprende además un puerto para recibir una memoria externa (1 18). 9. The system according to any of the preceding claims, wherein the processing unit (100) further comprises a port for receiving an external memory (1 18).
10. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de procesamiento (100) comprende además una conexión a un computador (120). 10. The system according to any of the preceding claims, wherein the processing unit (100) further comprises a connection to a computer (120).
11. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de procesamiento (100) comprende además una conexión a un monitor de signos vitales (1 19). 11. The system according to any of the preceding claims, wherein the processing unit (100) further comprises a connection to a vital signs monitor (1 19).
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