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˜ OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS

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11 N´ umero de publicaci´on: 7

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˜ ESPANA

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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA

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kN´umero de solicitud europea: 96935608.8 kFecha de presentaci´on: 22.10.1996 kN´umero de publicaci´on de la solicitud: 0 865 262 kFecha de publicaci´on de la solicitud: 23.09.1998

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54 T´ıtulo: Dispositivo para controlar las pr´ otesis y otros dispositivos de ayuda.

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73 Titular/es: Leiv Eiriksson Nyfotek AS

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¨ 72 Inventor/es: Stavdahl, Oyvind y

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74 Agente: Dur´ an Benejam, Mar´ıa del Carmen

30 Prioridad: 23.10.1995 NO 954221

Postboks 62, Pirsenteret 7005 Trondheim, NO

45 Fecha de la publicaci´ on de la menci´on BOPI:

16.08.2002

45 Fecha de la publicaci´ on del folleto de patente:

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16.08.2002

Aviso:

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Gr¨ onningsaeter, Aage

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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicaci´on en el Bolet´ın europeo de patentes, de la menci´on de concesi´on de la patente europea, cualquier persona podr´a oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposici´on deber´a formularse por escrito y estar motivada; s´olo se considerar´a como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposici´ on (art. 99.1 del Convenio sobre concesi´on de Patentes Europeas). Venta de fasc´ ıculos: Oficina Espa˜ nola de Patentes y Marcas. C/Panam´ a, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCION Dispositivo para controlar las pr´ otesis y otros dispositivos de ayuda. La presente invenci´on describe un dispositivo para controlar las pr´otesis y otros dispositivos de ayuda, conforme al pre´ ambulo de la reivindicaci´on 1. El t´ermino “pr´ otesis” se refiere principalmente a una pierna, brazo, mano, pie u otras partes parecidas, que sean artificiales, con una o varias articulaciones motorizadas. El t´ermino puede generalizarse a dispositivos de ayuda, para que se refiera tambi´en a otros dispositivos mec´anicos, usados por una persona discapacitada para compensar la falta o deficiencia de un miembro o parte de un miembro, con el fin de reemplazar al menos parte de las funciones del miembro que falta. Ejemplos de estos son las ortesis activas o activamente bloqueables, las sillas de ruedas y otros dispositivos ortop´edicos o de ayuda. Adem´as, el t´ermino “dispositivo de ayuda” puede referirse a todos los sistemas t´ecnicos controlables usados por personas discapacitadas y/o sanas, tales como robots para la telemanipulaci´ on, manipuladores en miniatura para operaciones endosc´ opicas, as´ı como maquinaria, herramientas y veh´ıculos en general; sistemas de programas, ordenadores y otros similares. El t´ermino “estado prot´esico” se refiere a un estado geom´etrico o mec´anico en la pr´ otesis, tales como una posici´ on lineal o angular, una velocidad lineal o angular, torsi´ on/fuerza, etc., o una combinaci´ on de ´estas. A continuaci´ on, el t´ermino “m´ usculo” se refiere a un m´ usculo en el sentido fisiol´ ogico, as´ı como a otros tejidos y/o huesos/articulaciones, que el sistema nervioso central de la persona puede deformar o mover bajo un control directo o indirecto, o una combinaci´on de estos. La “contracci´ on muscular” se refiere a los cambios geom´etricos o mec´anicos resultantes en un m´ usculo. El t´ermino “intenci´on motriz” se refiere a la funci´ on espec´ıfica que el usuario de la presente invenci´on quiere activar. En el caso de una pr´ otesis en el sentido normal, la “intenci´on motriz” se refiere al movimiento motor o esquema de movimiento que el usuario desea que lleve a cabo la pr´ otesis. Se conoce un control de la pr´ otesis basado en se˜ nales mioel´ectricas. Un ejemplo de esto se puede encontrar en la publicaci´on de la patente europea 0421780. La publicaci´ on de la patente de Estados Unidos 4571750 muestra la explotaci´ on de se˜ nales mioac´ usticas con el mismo objetivo. Estos procedimientos conocidos usan, entre otras cosas, la amplitud de la se˜ nal detectada como base para controlar la pr´ otesis. Las variaciones en la humedad de la piel as´ı como el ruido ac´ ustico y el´ectrico del ambiente causan con frecuencia variaciones no deseadas en la amplitud de la se˜ nal, y de este modo, influyen directamente en el control de la pr´ otesis. Adem´as, las se˜ nales mioac´ usticas y mioel´ectricas medidas en la superficie de la piel expresan una suma ponderada de las actividades de todos los m´ usculos en la zona donde est´a colocado el transductor de detecci´ on, pero resulta dif´ıcil distinguir las contribuciones de 2

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los m´ usculos individuales. Constituye por lo tanto un objetivo de la presente invenci´on proporcionar un dispositivo para controlar las pr´otesis y otros dispositivos de ayuda, que tiene una mayor tolerancia con respecto a las molestias que en el caso de las soluciones anteriormente conocidas, para que la intenci´on motriz de la persona pueda ser estimada m´as f´acilmente. Adem´as, constituye un objetivo de la presente invenci´ on proporcionar un dispositivo para controlar las pr´ otesis y otros elementos similares, que permita la identificaci´ on de la contracci´on muscular en m´ ultiples m´ usculos subcut´ aneos simult´aneamente, de modo que la intenci´ on motriz de la persona pueda ser estimada en mayor detalle y con un mayor grado de libertad. El objetivo de la invenci´on se consigue mediante un dispositivo descrito por la parte caracterizadora de la Reivindicaci´ on 1. Se describen caracter´ısticas adicionales en las reivindicaciones subordinadas relacionadas. A continuaci´ on, se explica la invenci´on con mayor detalle mediante ejemplos de realizaciones y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, donde La Fig. 1a muestra una secci´ on transversal axial de una parte del cuerpo con un m´ usculo en estado de contracci´on,

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la Fig. 1b muestra una secci´ on transversal axial de una parte del cuerpo con un m´ usculo en estado de relajaci´on, la Fig. 2 muestra una secci´ on transversal de una parte del cuerpo con estructuras tisulares diferentes, donde las l´ıneas de puntos muestran como se puede recoger informaci´on geom´etrica de una serie de m´ usculos mediante medidas de ultrasonido en una serie de direcciones, conforme a la presente invenci´ on, la Fig. 3 muestra una secci´ on transversal de una parte del cuerpo con estructuras tisulares diferentes, donde los transductores externos se disponen conforme a la presente invenci´ on, la Fig. 4 muestra una secci´ on transversal de una parte del cuerpo con estructuras tisulares diferentes, donde los reflectores y transductores externos e implantados se disponen conforme a la presente invenci´ on, y la Fig. 5 muestra un esquema principal de un sistema de control de encendido/apagado conforme a la presente invenci´on. La Fig. 1a muestra una representaci´on de una parte del cuerpo 1 con una superficie de la piel 2, un hueso 3 y un m´ usculo 4. El m´ usculo 4 se muestra en un estado de contracci´ on (acortado), y la distancia desde la superficie de la piel 2 hasta el hueso 3 se denota por ∆a . La Fig. 1b muestra la parte del cuerpo 1 con el m´ usculo 4 en un estado de relajaci´on, estando la distancia desde la superficie de la piel 2 hasta el hueso 3 denotado por ∆b . La geometr´ıa del m´ usculo 4 cambia seg´ un la contracci´on, de modo que la distancia ∆a desde la

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superficie de la piel 2 al hueso 3 durante la contracci´on del m´ usculo es mayor que la distancia on del m´ usculo. El grado ∆b durante la relajaci´ de contracci´on muscular en el caso ilustrado en la Fig. la viene dado por la ecuaci´ on (∆a -∆b ). Conforme a la invenci´ on, las medidas de los estados de contracci´ on y relajaci´ on de los m´ usculos se realizan mediante la transmisi´on de un impulso de ultrasonido hacia el interior del tejido y recibiendo a continuaci´on el eco de las estructuras tisulares. De hecho, las estructuras tisulares diferentes se disponen en varias capas. Esto se muestra en la Fig. 2. Aqu´ı, una serie de m´ usculos 4 se distribuyen en la parte del cuerpo 1 alrededor del hueso 3. Para medir el estado de todos los m´ usculos 4, es suficiente tomar im´ agenes de ultrasonido 5 en unas cuantas direcciones; en este ejemplo las imaginas de ultrasonido 5 se toman en cuatro direcciones con el fin de observar siete m´ usculos 4. Al realizar una recopilaci´on de datos unidimensional (es decir, usando s´olo un haz), el u ´ nico componente de la deformaci´ on muscular que puede observarse es aqu´ el que coincide con la direcci´on del haz. Llevando a cabo una recopilaci´on de datos bidimensional, es decir, en un plano, se pueden observar los componentes de la deformaci´on muscular en este plano (en dos dimensiones). Llevando a cabo una recopilaci´ on de datos tridimensional, es decir, en un volumen, se pueden observar los componentes de la deformaci´on muscular en las tres dimensiones. La implementaci´on pr´ actica de la presente invenci´on se puede conseguir usando transductores de ultrasonido que est´ an en contacto ac´ ustico con la superficie de la piel, o alternativamente implantados en el interior del cuerpo. La Fig. 3 muestra tres posibles implementaciones de la invenci´on, donde un transductor combinado de transmisi´on/recepci´on 6, 7 as´ı como dos transductores de transmisi´ on 6’, 6” y dos transductores de recepci´on 7’, 7” se colocan en la parte del cuerpo 1, en contacto con la superficie de la piel 2. Los impulsos de ultrasonido 5 se transmiten hacia el interior de la parte del cuerpo 1 por el transductor combinado de transmisi´ on/recepci´on 6, 7, y se reciben ecos procedentes de las estructuras tisulares subcut´aneas mediante el mismo transductor 6, 7. En la Fig. 3 s´ olo se muestra el eco procedente del hueso 3, mientras que el eco procedente de otras estructuras tisulares tambi´en proporcionar´ a informaci´ on acerca de las contracciones musculares en la regi´on pertinente. El transductor de transmisi´on 6” transmite los impulsos de ultrasonido hacia el hueso 3 y el eco 5’ es recibido por el transductor de recepci´ on 7’. Entre los transductores 6” y 7”, los impulsos de ultrasonido 5” se est´an enviando en l´ınea recta desde el transductor de transmisi´on hasta el de recepci´on. La Fig. 4 muestra tres ejemplos m´as de procedimientos de medidas de ultrasonido donde un transductor o un reflector pasivo se implanta en el interior de la parte del cuerpo 1. El transductor combinado de transmisi´ on/recepci´on 6, 7 se coloca en contacto ac´ ustico con la superficie de la piel 2, transmitiendo los impulsos de ultrasonido 5 hacia el interior de la parte del cuerpo 1. El mismo transductor 6, 7 recibe a continuaci´ on el eco de un reflector implantado 8. El transduc-

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tor de transmisi´ on implantado 6’ transmite los impulsos de ultrasonido 5’ que est´an siendo recibidos por el transductor de recepci´ on 7’ en la superficie de la piel 2. El transductor combinado de transmisi´on/recepci´on 6”, 7” que se ha implantado, transmite los impulsos de ultrasonido 5” y recibe ecos de las estructuras tisulares cercanas. En la Fig. 4, s´ olo se muestra el eco procedente de la superficie de la piel 2, mientras que el eco procedente de otras estructuras tisulares tambi´en proporcionar´ an informaci´ on acerca de las contracciones musculares en la regi´on pertinente. Se pueden usar distintos procedimientos de an´ alisis para estimar la informaci´ on pertinente de las se˜ nales de ultrasonido recibidas por los transductores de recepci´ on 7, 7’ y 7”. Inicialmente, uno lleva a cabo un an´ alisis global y/o uno o m´ as an´ alisis locales de la se˜ nal reflejada o transmitida de los m´ usculos y otras estructuras tisulares. A continuaci´on, este an´ alisis se usa con el fin de estimar la intenci´ on motriz. El an´ alisis puede estar basado en una correlaci´on cruzada entre dos o m´as medidas de ultrasonido, estando las medidas individuales distribuidas en el tiempo. El an´ alisis de correlaci´on cruzada puede llevarse a cabo en una, dos o tres dimensiones con el fin de medir las contracciones musculares en un n´ umero correspondiente de dimensiones. Alternativamente, el an´ alisis puede basarse en un an´ alisis de “flujo ´optico” donde se usan dos o m´ as medidas de ultrasonido temporalmente distribuidas para estimar el campo de velocidad del tejido en una, dos o tres dimensiones. El campo de velocidad calculado puede integrarse para proporcionar c´ alculos de la rotaci´ on, translaci´on y deformaci´ on del tejido en un n´ umero correspondiente de dimensiones. Adem´as, se puede clasificar y/o cuantificar una o varias contracciones musculares mediante el uso de t´ecnicas de reconocimiento de formas, usando cifras calculadas por los procedimientos de an´ alisis anteriormente mencionados como datos de entrada a una unidad de reconocimiento de formas. El an´ alisis puede basarse en medidas de translaci´ on de tejidos en uno o varios cortes, integrando el cambio de fase de la se˜ nal recibida (medida de la velocidad). Alternativamente, el an´ alisis puede basarse en la medida del “tiempo de vuelo” del impulso de ultrasonido del transductor de transmisi´on 6, 6’, 6” al transductor de recepci´ on 7, 7’, 7”. Con el fin de obtener c´ alculos m´ as s´olidos de la intenci´on motriz del usuario, las medidas de ultrasonido pueden combinarse con medidas de otras cifras y se˜ nales fisiol´ogicas apreciables, por ejemplo, se˜ nales mioel´ectricas (EMG) y/o se˜ nales el´ectricas nerviosas (ENG). Esta invenci´on tambi´en puede combinarse con las interacciones del usuario con aparatos de entrada mec´ anicos, el´ectricos y/o electromec´anicos, por ejemplo, un arn´es con correas que miden el movimiento del hombro, con captores de esfuerzo o interruptores. La estimaci´on de la contracci´on muscular puede llevarse a cabo est´atica o din´ amicamente. La valoraci´on est´atica usa uno o varios de los procedimientos anteriormente mencionados. La valoraci´on din´ amica puede realizarse mediante el 3

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uso de un estimador de estado din´ amico basado en un modelo matem´ atico del comportamiento din´ amico de los m´ usculos, donde se usan c´ alculos de uno o varios de los procedimientos anteriormente mencionados como se˜ nales de entrada al estimador. Como se ha mencionado anteriormente, los transductores pueden colocarse de varias formas diferentes. Por ejemplo, pueden colocarse en el soporte prot´esico de tal forma que est´ an en contacto ac´ ustico con la superficie de la piel cuando la pr´ otesis se coloca en la parte del cuerpo. Una tira de silicona especial, un gel, u otros similares pueden ser necesarios para asegurar un buen contacto ac´ ustico. Adem´as, los transductores pueden estar colocados en un soporte separado, por ejemplo, un “brazalete”, que puede encajarse en la parte del cuerpo sin una conexi´ on mec´anica r´ıgida al soporte prot´esico, de modo que la fuerza por la que el transductor se presiona contra la piel es independiente de las fuerzas que act´ uan entre el soporte prot´esico y la parte del cuerpo. Los transductores tambi´en pueden implantarse en el interior del cuerpo o tener reflectores de ultrasonido pasivos implantados en el interior del tejido para ser usados como puntos de referencia en medidas de ecos de impulsos. Se pueden usar m´ as transductores para obtener redundancia y de este modo, mejoras de la calidad, permitiendo una correcci´on y detecci´on autom´ atica de las posiciones del transductor relativas al tejido, proporcionando un control independiente de m´ ultiples estados de pr´ otesis, etc. Se puede usar un detector que consiste en una serie de elementos transductores para enviar y medir en m´ ultiples direcciones o planos, retrasando adecuadamente las se˜ nales asociadas con los elementos de detecci´on individuales. La Fig. 5 muestra la estructura principal de un sistema de control de pr´ otesis para el control de encendido/apagado de un u ´nico estado

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prot´esico. Un transductor de ultrasonido 6, 7, actuando tanto de transmisor como de receptor, se coloca en la superficie de la piel 2 de una parte del cuerpo 1, con un buen contacto ac´ ustico, y tal que un m´ usculo 4 est´a situado entre el transductor y un hueso 3. De este modo, tanto el impulso de ultrasonido transmitido 5 y el impulso de ultrasonido reflejado 5’ pasa a trav´es del m´ usculo 4. La se˜ nal del transductor pasa a una unidad 9 que realiza una estimaci´ on y un procesamiento de se˜ nales. La unidad 9 calcula, bas´ andose en la se˜ nal observada, una estimaci´ on de la distancia entre la superficie de la piel 2 y el hueso 3. Una se˜ nal de la unidad 9 pasa al interior de la unidad 10 que controla el voltaje del motor de la pr´ otesis 11, conforme al siguiente esquema:  ˆ < ∆1 )  OV cuando (∆ ˆ < ∆2 ) ua = U cuando (∆1 < ∆  ˆ > ∆2 ) - U cuando (∆ Si el motor de la pr´ otesis es un motor de CC de im´an permanente, la velocidad angular final de la funci´ on de la articulaci´ on pertinente ser´ a proporcional al voltaje aplicado al motor. El sistema representado en la Fig. 5, de este modo, har´ a que la articulaci´ on de la pr´ otesis pertinente se detenga si el m´ usculo 4 se relaja o se encuenˆ < ∆1 ). Una tra s´olo ligeramente contra´ıdo (∆ ˆ a contracci´on moderada (∆1 < ∆ < ∆2 ) causar´ una velocidad constante en una direcci´ on, mienˆ > ∆2 ) causar´ a tras que una contracci´ on fuerte (∆ una velocidad constante en la direcci´on opuesta. La unidad 10 puede sustituirse por una funci´on continua. Alternativamente puede incluir uno o m´ as circuitos de realimentaci´on de estados de pr´ otesis, permitiendo un esquema de control m´as avanzado.

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REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo para controlar las pr´ otesis y otros dispositivos de ayuda, mediante el uso de tejido cuyo estado est´ a influido por el sistema nervioso central de un usuario, que consta al menos de un transductor (6, 7), preparado para detectar el estado del tejido, pasando esta informaci´on a la unidad (9, 10) que lleva a cabo la estimaci´ on y procesamiento de las se˜ nales de la intenci´on motriz del usuario, por el cual el dispositivo est´ a preparado para controlar la pr´ otesis en relaci´on con esta estimaci´on, caracterizado porque

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el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado para enviar se˜ nales de ultrasonido hacia el interior del tejido,

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el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado para recibir las se˜ nales de ultrasonido moduladas por el tejido, y

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la unidad (9, 10) para la estimaci´ on y procesamiento de las se˜ nales est´a conectada al como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7), y estima la intenci´on motriz del usuario bas´ andose en dichas se˜ nales de ultrasonido recibidas.

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2. El dispositivo conforme a la reivindicaci´ on 1, caracterizado porque uno y el mismo transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado tanto para la transmisi´ on como para la recepci´on de las se˜ nales de ultrasonido. 3. El dispositivo conforme a la reivindicaci´ on 1, caracterizado porque un primer transductor de ultrasonido (6) est´ a preparado para transmitir las se˜ nales de ultrasonido y porque un segundo transductor de ultrasonido (7) est´a preparado para recibir las se˜ nales de ultrasonido. 4. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado para transmitir y recibir de manera secuencial las se˜ nales de ultrasonido con intervalos de tiempo constantes o variables. 5. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´a preparado para transmitir y recibir continuamente las se˜ nales de ultrasonido. 6. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado para transmitir y recibir las se˜ nales de ultrasonido en una o varias direcciones. 7. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´ a preparado para transmitir y recibir las se˜ nales de ultrasonido en un espacio continuo de

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dos o m´as dimensiones. 8. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el transductor de recepci´on (7) est´ a preparado para recibir las se˜ nales de ultrasonido transmitidas desde el transductor de transmisi´on (6) a trav´es de la dispersi´on/reflexi´ on por estructuras tisulares. 9. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el transductor de recepci´on (7) est´ a preparado para recibir las se˜ nales de ultrasonido reflejadas por una serie de reflectores de ultrasonido (8) implantados en la parte del cuerpo. 10. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el transductor de recepci´on (7) est´ a preparado para recibir las se˜ nales de ultrasonido que se transmiten desde el transductor de transmisi´ on (6) por una transmisi´ on directa a trav´es del tejido. 11. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) est´a preparado externamente a y en buen contacto ac´ ustico con la parte del cuerpo. 12. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque el como m´ınimo un transductor de ultrasonido (6, 7) se implanta en la parte del cuerpo. 13. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (9, 10) para la estimaci´on y procesamiento de las se˜ nales est´a preparada para estimar la intenci´on motriz del usuario mediante la correlaci´on cruzada de una serie de conjuntos de medidas o de medidas de ultrasonido temporalmente separadas. 14. El dispositivo conforma a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (9, 10) para la estimaci´on y el procesamiento de las se˜ nales est´a preparada para estimar la intenci´ on motriz y las contracciones musculares del usuario mediante un an´alisis de “flujo ´optico” de una serie de conjuntos de medidas o de medidas de ultrasonido temporalmente separadas. 15. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (9, 10) para la estimaci´on y procesamiento de las se˜ nales est´a preparada para combinar medidas de ultrasonido con medidas de otros estados fisiol´ogicos apreciables de las se˜ nales, tales como se˜ nales mioel´ectricas (EMG), se˜ nales el´ectricas nerviosas (ENG), o las interacciones del usuario con dispositivos de entrada mec´ anicos, el´ectricos y/o electromec´anicos. 16. El dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (9, 10) para la estimaci´on y procesamiento de las se˜ nales est´a preparada para estimar la intenci´on motriz y las contracciones musculares del usuario mediante el uso de una t´ecnica de re-

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generan por el uso de una o varias de las t´ecnicas descritas en las reivindicaciones anteriores.

conocimiento de formas, donde las se˜ nales de entrada a la unidad de reconocimiento de formas se 5

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NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposici´ on Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicaci´ on del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a Espa˜ na y solicitadas antes del 7-10-1992, no producir´ an ning´ un efecto en Espa˜ na en la medida en que confieran protecci´ on a productos qu´ımicos y farmac´euticos como tales.

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Esta informaci´ on no prejuzga que la patente est´e o no inclu´ıda en la mencionada reserva.

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