PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE

ESCUELA DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOMÉDICA

Reporte de avance

CURSO: IBM2122 - DISEÑO EN INGENIERÍA BIOMÉDICA

PROFESOR: PABLO IRARRÁZAVAL

GRUPO: INBITRA

Introducción y problema

El ligamento cruzado anterior (LCA de ahora en adelante) es un ligamento situado en la rodilla, cuyo extremo inferior se inserta en la pared superior de la tibia y el extremo superior

en la pared medial del cóndilo lateral del fémur (ver Figura 1). Está formado por dos bandas, la banda anteromedial (AM) y la banda posterolateral (PM). Las funciones de este ligamento son dos principalmente: evitar el desplazamiento anterior de la tibia con respecto al fémur y evitar la rotación de la tibia con respecto a la rótula.

La lesión del LCA consiste en el corte transversal del ligamento debido a una tensión inapropiada aplicada en la rodilla. Tras esta lesión, los vástagos de ligamento se acortan por

la falta de tensión y generan una cicatrización en los extremos cortados. Para recuperar la estabilidad y funcionalidad de la rodilla del paciente, se debe reemplazar el ligamento con un injerto tanto propio de este como de otra persona, realizándose perforaciones en la tibia y en el fémur para sujetar este nuevo ligamento cruzado.

La operación de reconstrucción del LCA consiste en reemplazar el ligamento original por un injerto que sustituya al ligamento en sus funciones principales. Para esto se raspan los restos del ligamento original, para dejar solo una huella o footprint del lugar de inserción original del ligamento en el hueso. Una vez ubicados estos footprint, se realizan túneles

tibiales y femorales para insertar el injerto.

Ubicar el lugar de perforación en la cara de la tibia no resulta un problema, pero la principal dificultad que se presenta en la operación consiste en ubicar el lugar en el que se insertaba anteriormente el LCA en el cóndilo lateral del fémur, debido a la escasa visibilidad y a la falta de tejido remanente en el lugar.

Necesidades del cliente

De esa forma, el cliente necesita un dispositivo que, de forma eficaz, poco invasiva y rápida, ayude a localizar el lugar óptimo de perforación del túnel femoral durante la cirugía de reconstrucción del LCA, sobre todo cuando el footprint es muy pequeño.

Solución

La solución escogida consiste en realizar un CT de la rodilla del paciente, para modelarla en 3D y ubicar el lugar en que se debe realizar la perforación. Luego se ocuparán sensores inerciales (acelerómetros y giroscopios) sobre la cámara artroscópica en medio de la cirugía. Se procesarán esos datos para simularlos junto al modelo CT y mostrarlos en una pantalla paralela a la que actualmente se tiene. De esa manera el traumatólogo podrá estar visualizando la misma imagen de su cámara que ha tenido desde siempre, junto a una imagen ideal modelada en computador que simula la visión y movimientos. De esa forma podrá ir comparando con ambas imágenes para encontrar de manera más rápida y certera el lugar de perforación.

Debido a que los acelerómetros y giroscopios tienen un rango en que no son sensibles los movimientos y la posición real de la cámara es que deberemos corregir estos parámetros. Para esto decidimos instalar un sistema de reconocimiento “Motion capture” que nos ayudará a ubicar espacialmente la cámara y la rodilla.

Por décadas este sistema ha sido de gran importancia el estudio del movimiento de los cuerpos. Para comprenderlo éste se debe capturar y registrar en cada instante del tiempo,

lo que implica obtener una serie de imágenes y luego extraer la información de su posición en el espacio en cada una de ellas.

En esta idea se basa el proceso de Motion Capture, o Mocap por sus iniciales, que permite grabar y describir el movimiento las posiciones en el espacio de un cuerpo, determinado sus cambios traslacionales y rotacionales con respecto a un punto fijo. Esta información ha dado un nuevo avance al estudio de los cuerpos, permitiendo también obtener las velocidades y aceleraciones del elemento.

Para facilitar el proceso, se han desarrollado diferentes tecnologías, debido a que en un comienzo se hacía a partir de una secuencia de fotografías análogas, las que dificultaban el proceso de análisis. Actualmente, se han implementado diversas tecnologías como el uso de cámaras infrarrojas de alta velocidad, sensores electromagnéticos, de ultrasonido e inerciales y dispositivos mecánicos como el uso de un traje especial llamado citoesqueleto.

Este sistema presenta variadas aplicaciones, siendo las más conocidas su empleo en los videojuegos para que el individuo pueda interactuar a través de la consola, en la animación para darle movimientos más reales a personajes ficticios y en la medicina, que es el área en el que nos especializaremos.

Las principales ventajas de usar este sistema son que puede llegar a entregar información en tiempo real, es rápido y verídico, ya que se pueden recrear fácilmente movimientos complejos con exactitud. En contraste, las desventajas que presenta es que pueden haber interferencias entre los sensores y la cámara, y la posibilidad de que los sensores no queden bien situados.

Idea y solución: primer paso

Debido a que la realización de este proyecto y solución requieren de mucha investigación y desarrollo que puede tomar más tiempo del que contamos en lo que queda de semestre, decidimos separar la solución en diferentes etapas, por lo que en una primera instancia realizaremos la base del dispositivo.

Para esto, nos concentraremos en ubicar espacialmente la rodilla y el punto del túnel femoral, y la cámara artroscópica del cirujano, con el objetivo de conocer la distancia entre ellas. De esa forma, en una primera etapa sólo se determinará la distancia en profundidad entre ambos elementos dejando de lado los movimientos verticales y horizontales en los que se deben utilizar acelerómetros y giroscopios.

En primer lugar, para tener la posición de la rodilla del paciente, se colocarán en ella sensores de Motion Capture, para generar un plano y ubicar la reconstrucción 3D de la rodilla del paciente. De esa forma tendremos las coordenadas espaciales del punto en que se debe realizar la perforación. Además, se ubicarán sensores de Motion Capture en la

cámara artroscópica, así se tendrán las coordenadas de esta y de su extremo que se insertará en el paciente. Teniendo estas dos coordenadas es “simple” calcular la distancia entre estos dos puntos en el espacio. La idea de este primer paso es mostrar esta medida en pantalla e incluso mostrar las distancias en los tres ejes coordenados que necesita desplazarse para poder ver el punto de perforación.

Por lo tanto, podríamos entregar cuatro datos: La distancia en línea recta, y las medidas que se tiene que desplazar hacia arriba-abajo, izquierda-derecha, adentro-afuera.

Fig 1. Movimientos de la articulación.

Sobre la tecnología:

Motion Capture es el nombre de la tecnología que logra replicar el movimiento de un objeto o persona de forma virtual, obteniendo sus coordenadas en un espacio, a través de la captación de dichos movimientos con sensores, que pueden ser de distintos tipos. Hoy en día existen varios sistemas para hacer esto posible, entre los que destacamos:

➢ Sistemas basados en imágenes: Se realiza un análisis del volumen a través de la obtención de imágenes múltiples captadas por varias cámaras que identifican los “markers” (sensores en el volumen a analizar) y realizan una estimación de la posición usando múltiples imágenes 2D. Contras: existe la posibilidad de problemas de oclusión (ruido).

➢ Sistemas de identificación por luz infrarroja: Cámaras equipadas con leds y filtros infrarrojos identifican la localización de los markers midiendo el nivel de luz que reflejan. Contras: sensibles a la interferencia lumínica.

➢ Sistemas de identificación magnética: Utiliza sensores en el volumen para medir la intensidad de campos magnéticos de baja frecuencia generados por una fuente de transmisión, esta intensidad será proporcional a la distancia de los sensores a la fuente y se podrá identificar la ubicación de cada sensor. Contras: Pueden ser perturbados por materiales ferromagnéticos.

➢ Sensores inerciales: Usan la propiedad de los cuerpos de mantener velocidad rotacional y traslacional constante cuando no está siendo perturbados por fuerzas o torques, usando acelerómetros o giroscopios. Contras: sensores muy pequeños pueden perturbar las mediciones si no se realiza una compensación regular en el tiempo.

Algunas de las marcas comerciales que disponen de este tipo de productos incluyen Optitrack, Xsens y Vicon, donde sólo las primeras dos poseen un desarrollo más específico en el área de la biomecánica. La precisión de los sensores disponibles en el mercado alcanza la medición de movimientos angulares menores a 1 grado, por lo que la

implementación en ese sentido no presentaría mayores problemas. En cambio, la implementación física, es decir, el posicionamiento de los sensores en la rodilla del paciente podría presentar problemas de esterilización que serán investigados a mayor profundidad tras identificar los sensores más óptimos para este proyecto.

Plan de ejecución

El primer paso fue realizar una investigación acerca de la tecnología que se usaría para el dispositivo, y la elegida fue el sistema Motion Capture explicado anteriormente. A partir de esta decisión se buscaron diversas fuentes de información que detallarán los distintos tipos de sensores e instrumentos que se utilizan para el proceso del estudio del movimiento, dando como principales resultados los sistemas basados en imágenes, en sensores inerciales o electromagnéticos, y en sistemas de identificación por infrarrojo.

Los pasos a seguir son, en primer lugar, decidir cuál tecnología de este sistema se utilizará para detectar la posición del túnel y de la cámara artroscópica, para luego poder determinar la distancia entre ellos.

Posteriormente, cuando ya se tengan los elementos de Motion Capture que componen el dispositivo, se deberán hacer pruebas de precisión con ellos, debido a que es necesario determinar qué tan óptimos son para nuestros objetivos. Para esto, se deberá recrear la situación en la que se encontraría nuestro sistema en la vida real y, por lo tanto, será necesario trabajar con modelos de rodilla, dispuestos por el Dr. Irarrázaval.

Para determinar la precisión, el ensayo que debe hacerse es el de colocar los sensores en la cámara y en la rodilla, y a partir de sus ubicaciones y la del punto en el cóndilo femoral, calcular la distancia a la que se encuentra el aparato de este último. Luego, mover el artroscopio milimétricamente, como haría el cirujano durante la operación, y volver a determinar su ubicación. Esto es indispensable para conocer si es que la tecnología utilizada logra captar pequeños cambios en la ubicación, o si es que solo a partir de grandes movimientos puede generar una nueva ubicación espacial.

Los pasos expuestos anteriormente corresponden a los que formarán parte de la primera etapa del proyecto. A partir de los resultados que se obtengan se determinarán los pasos para la siguiente fase.

En caso de que la tecnología funcione, la idea es continuar el siguiente semestre mejorando la solución. Para esto, lo que se planea hacer es que en la pantalla aparezca en la imagen del CT una réplica de lo que está observando la cámara en vivo, para que el cirujano pueda tener una mayor apreciación de lo que está haciendo y para que le sea de mayor facilidad encontrar el punto exacto en la rodilla.

Carta Gantt:Plan de fabricacion:

Establecer dimensiones, materiales, dispositivos, presupuestos (con origen, precio en CLP y nombre del producto), de dónde vamos a comprar las cosas.

1. Software:

Marca Producto Precio (dolares)

Mokka Motion Kinematic & Kinetic Analayzer

Gratis

Optitrack Tracker 999

Mathworks Matlab 29 (student)

Autodesk Motion Builder -

iPi (funciona con Kineckt) Biomech Add-on 590

2. Cámara:

Cotización OptiTrack

3. Otros elementos:

Cotización OptiTrack

Elemento Imagen Precio (dólares)

Marker: 6.4mm, M3 thread 50

Wall Mount - Right Angle 39

Camera Stand 99

Motion Capture Suits 289

Otras marcas:1. Xsens2. Technaid

Comparación:

Para el producto final: Los sensores de movimiento de la cámara, que simularán con el modelo CT la cercanía a la que estará la cámara del punto. Una idea de posicionamiento de

los sensores en el artroscopio es el siguiente: Figura 1. Posicionamiento de los sensores en el artroscopio

Figura 2. Partes del dispositivo que mantendrá en posición los sensores, son dos piezas idénticas que encajan, en las que dentro de la cabeza tetraédrica se encontrarán los sensores.

Figura 3. Posicionamiento de los sensores en la cabeza tetraédrica de las partes.

Bibliografía:1. Xsens. (2015). The fascination of motion capture. Estados Unidos. Recuperado de:

https://www.xsens.com/fascination-motion-capture/