EP1083840A1 - Procede et appareil de mise en correspondance pour la chirurgie robotisee - Google Patents
Procede et appareil de mise en correspondance pour la chirurgie robotiseeInfo
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts, à savoir un premier élément support (20) comprenant au moins trois éléments marqueurs (22) disposés espacés non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie approprié; et un deuxième élément support comprenant au moins trois éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, respectivement, également disposés espacés et non alignés. L'invention permet de réaliser une mise en correspondance pour la chirurgie robotisée de manière simple, sûre et fiable.
Description
PROCEDE ET APPAREIL DE MISE EN CORRESPONDANCE POUR LA CHIRURGIE ROBOΗSEE
La présente invention concerne essentiellement un procédé et un appareil de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée, ainsi que d'un dispositif de mise en correspondance en comportant application.
Plus particulièrement, l'invention est relative à un procédé et un appareil, ainsi qu'un dispositif permettant la mise en correspondance de structures anatomiques d'un patient avec un système robotisé d'assistance au geste chirurgical guidé par des images préopératoires telles que des examens de radiologie conventionnelle, de tomodensitométrie (scanner CT), de résonance magnétique (IRM) ou d'imagerie par émission de positons (PET). Le dispositif est composé d'émetteurs/récepteurs d'énergie, des marqueurs d'imagerie et d'une unité de traitement du signal. Les marqueurs sont adaptés aux différents types d'imagerie et fournissent un contraste élevé; ils sont placés sur le malade dans une disposition spatiale prédéfinie à proximité de la région anatomique d'intérêt sur une partie du corps donnant un positionnement stable dans le temps (par exemple une structure osseuse). L'examen d'imagerie montre l'anatomie du patient et les marqueurs, dont les coordonnées peuvent être déterminées dans le référentiel propre aux images par différents moyens de traitement d'image. Avant de commencer l'intervention chirurgicale, les émetteurs/récepteurs d'énergie sont montés à la place des marqueurs. Le robot d'assistance au geste chirurgical est équipé aussi d'émetteurs/récepteurs d'énergie; le traitement des signaux émis par eux permet de localiser les coordonnées des émetteurs/récepteurs sur le malade dans le référentiel du robot. La disposition spatiale des émetteurs/récepteurs étant la même que celle des marqueurs, les structures anatomiques peuvent donc être repérées par le robot grâce à la mise en correspondance des coordonnées des marqueurs dans le référentiel des images et des émetteurs/récepteurs dans le référentiel du robot.
Domaine de l'invention
Cette invention s'inscrit dans le cadre de la chirurgie robotisée guidée par l'image. Il s'agit d'un dispositif permettant la mise en correspondance de structures anatomiques d'un patient avec un système robotisé d'assistance au geste chirurgical guidé par des images préopératoires telles que des examens de radiologie conventionnelle, de tomodensitométrie (scanner CT), de résonance
magnétique (IRMN) ou d'imagerie par émission de positons (PET). Le dispositif est composé d'émetteurs/récepteurs d'énergie, des marqueurs d'imagerie et d'une unité de traitement du signal.
L'état de l'art
La chirurgie guidée par l'image est une nouvelle approche visant à améliorer les résultats cliniques du geste chirurgical ainsi qu'à permettre la mise en oeuvre de nouvelles techniques opératoires pour le bénéfice du patient. Cette approche est appliquée notamment à la neurochirurgie et à la chirurgie orthopédique; elle consiste à planifier sur des images préopératoires le geste optimal d'un point de vue clinique et, une fois au bloc opératoire, effectuer l'opération selon le plan préalablement établi. Ce plan demande un positionnement très précis des outils dans l'espace ainsi que des manipulations d'un haut degré de dextérité. Une des difficultés rencontrées dans la mise en oeuvre de la chirurgie guidée par l'image est la mise en correspondance, au cours de l'opération, du champ chirurgical (aussi appelé « l'espace du malade ») avec la planification montrée sur les images préopératoires (ou « l'espace des images »). Cette mise en correspondance s'avère particulièrement difficile à faire mentalement par le chirurgien lorsque le geste chirurgical se déroule dans les trois dimensions de l'espace.
Aussi, la mise en oeuvre de la chirurgie guidée par l'image fait appel à des outils employés pendant l'opération qui assistent le chirurgien dans l'exécution du plan. Ces outils peuvent prendre diverses formes, et sont couramment appelés « systèmes de navigation». Les systèmes de navigation offrent au chirurgien un calcul de mise en correspondance automatique à partir de procédures spécifiques et de capteurs tridimensionnels de localisation. A partir de repères visibles sur les images et localisables par des capteurs pendant l'opération, ces systèmes sont capables d'afficher, sur les images préopératoires, la position d'un instrument pour guider le chirurgien dans l'exécution du plan chirurgical. La procédure de mise en correspondance demande l'intervention du chirurgien pour localiser dans l'espace du patient les repères visibles sur les images, ce qui rend difficile la mise en place du système. De plus, l'intervention du chirurgien peut introduire dans la mise en correspondance une source d'erreur qui nuit à sa précision et donc aux résultats cliniques de l'opération. Les systèmes de navigation peuvent inclure une assistance robotisée pour réaliser le geste: le robot, programmé selon le plan établi avant l'opération, effectue le positionnement et la manipulation des outils
d'intervention avec une grande précision. L'assistance robotisée demande également la mise en correspondance du robot avec l'espace du malade, ce qui est fait avec des procédures similaires à celles des systèmes de navigation. Il est à souligner que, dans le cas de systèmes robotisés, le robot lui-même est parfois utilisé en tant que capteur tridimensionnel mais cette technique n'est pas applicable lorsque les structures anatomiques ne sont pas figées dans l'espace tout au long de l'opération.
Afin d'exploiter tout son potentiel, la chirurgie guidée par l'image demande une assistance robotisée incluant une mise en correspondance en temps réel. Ceci permet de suivre le mouvement des parties du corps sur lesquelles l'intervention a lieu. Les systèmes couramment employés utilisent des capteurs optiques (des émetteurs infrarouges sont localisés par des caméras CCD), des capteurs mécaniques, magnétiques ou encore à ultrason. Les capteurs optiques sont complexes et encombrants et nécessitent à la fois la mesure du positionnement du patient et du bras robotisé. En outre, l'espace entre les émetteurs et les caméras doit être dégagé pour que la liaison optique puisse s'établir. Les capteurs mécaniques encombrent aussi le champ opératoire et demandent des procédures de mise en correspondance longues et fortement dépendantes de l'opérateur. Quant aux capteurs magnétiques, ils permettent de localiser la position d'un outil dans l'espace tridimensionnel mais ils présentent une forte sensibilité à des perturbations du champ magnétique.
Les systèmes de mesure à ultrason sont couramment utilisés dans de nombreuses applications de mesure tridimensionnelle. Ces systèmes fonctionnent en mesurant le temps de vol entre un émetteur et un récepteur ultrason, ce qui permet de calculer la distance parcourue en connaissant la vitesse de propagation du son dans l'air. Une multiplicité d'émetteurs/récepteurs permet, par des calculs de triangulation, de faire des mesures tridimensionnelles. Les systèmes de mesure à ultrason sont compacts et relativement économiques, mais leur précision est affectée par les variations de température de l'air et ils sont sensibles à des perturbations ambiantes.
Les systèmes à ultrason sont déjà utilisés dans le domaine de la chirurgie guidée par l'image pour la mise en correspondance de l'espace patient avec l'espace image. En particulier, certains « navigateurs » en sont équipés; ils consistent pour la plupart d'entre eux en un anneau avec une multiplicité de récepteurs qui reçoivent les signaux provenant d'émetteurs montés sur des outils spécifiques. Ces outils sont soit attachés à une structure anatomique du patient,
soit des outils d'intervention chirurgicale ou des pointeurs. Cette disposition implique des distances entre émetteurs et récepteurs d'environ 2m, donc relativement longues (ce qui amplifie les erreurs potentielles de mesure), et nécessite l'intervention du chirurgien pour localiser (en général avec un pointeur) les marqueurs d'imagerie afin de réaliser la mise en correspondance.
Des exemples représentatifs de l'état de la technique antérieure telle que décrite ci-dessus, sont les suivants :
Tout d'abord, le document US-A-5,078,140 est relatif à un système de stéréotaxie robotique aidé par un dispositif d'imagerie. Ce dispositif apparaît plus adapté à une chirurgie sur des éléments du corps quasiment immobiles pendant la procédure d'opération, ce qui est généralement le cas dans le cadre d'une opération du cerveau. Par contre, ce dispositif n'apparaît pas être adapté à une chirurgie pour laquelle les éléments du corps peuvent se déplacer au cours de la procédure chirurgicale. Par ailleurs, il est connu par le document WO-A-96/11624 un système de navigation chirurgical incluant des châssis de référence et de localisation. Dans le cas de la procédure décrite dans ce document, on utilise tout d'abord des points de référence anatomique pour créer des images de préprocédure de la structure anatomique sur laquelle la procédure chirurgicale est envisagée. Au début de la procédure opératoire, un système mécanique supportant plusieurs émetteurs est fixé directement ou indirectement à une partie du corps qui est liée à la structure anatomique sur laquelle on envisage l'opération.
Ensuite, on fait émettre par les émetteurs un signal qui est reçu par des éléments récepteurs disposés en regard à une certaine distance. Les signaux reçus par les dispositifs récepteurs sont ensuite traités afin de localiser dans l'espace chaque émetteur et donc le système de support, ce qui défini les repères aux coordonnées de l'espace du malade dans lequel se produit réellement l'opération, qui est donc solidaire de la structure anatomique sur laquelle l'opération devait être réalisée. On comprend que ce système de référence est localisable à tout moment pendant la procédure chirurgicale.
Ensuite, il est nécessaire dans le cadre de ce document antérieur de mettre en correspondance le système de référence défini par le système support des émetteurs, avec la structure anatomique elle-même visible sur les images de préprocédure. Cette mise en correspondance exige d'utiliser un pointeur comportant aussi des émetteurs et que l'on vient pointer sur chacun des points de référence
anatomique afin de les localiser par calcul dans le système de référence défini par le système support des émetteurs.
Il en résulte en pratique que le système support des émetteurs est aussi mis en correspondance avec les éléments du corps de la structure anatomique sur laquelle l'opération chirurgicale doit être réalisée. Il est ainsi possible de suivre en permanence par les émetteurs du système support, la position en temps réel de la structure anatomique sur laquelle on réalise l'opération.
D'autre part, ce document envisage à la page 22, ligne 8 et suivantes, dans certaines situations de remplacer les points de référence anatomique précités par des marqueurs ou fiduciels ("fiducials") par exemple fixés sur la surface de la peau, permettant la transformation de l'ensemble donné d'images de préprocédure en un ensemble donné d'images déplacé, c'est-à-dire d'images du champ opératoire.
Dans les deux cas, que ce soit l'emploi de points de référence anatomique, ou de marqueurs disposés à la surface du corps telle qu'à la surface de la peau, ces points de référence exigent toujours la procédure ultérieure permettant d'aboutir à une mise en correspondance du système support des émetteurs avec la structure anatomique sur laquelle on désire réaliser l'opération et qui peut comporter directement ou indirectement les points de référence. Cette procédure de mise en correspondance est longue et compliquée.
Elle devrait donc être évitée aux chirurgiens car elle risque de conduire à des erreurs résultant en des opérations chirurgicales incorrectes tout à fait préjudiciables à la santé du patient.
Au moment de la procédure, il est possible de remplacer les marqueurs ou fiduciels par des émetteurs (page 27, lignes 19-20). Selon ce document, on préconise de maintenir le corps du patient dans un châssis qui permet un positionnement précis et qui comporte des mécanismes de déplacement permettant d'aboutir à ce que la position exacte des émetteurs pendant la procédure soit comparée à la position des marqueurs dans les images de préprocédure. Autrement dit, on cherche à obtenir au moment de l'opération une position géométrique identique de la structure anatomique telle qu'elle a été définie par les images de préprocédure, afin de tenter de simplifier la procédure en faisant superposer les images de préprocédure avec les images réelles pendant l'opération (voir l'explication en page 27, lignes 21-30). Cette méthode présuppose que le cadre de maintien du corps est parfait. Or, c'est loin d'être le cas. En outre, les marqueurs qui sont disposés en
surface sur la peau ne donnent qu'un positionnement très imparfait de la structure anatomique sous-jacente sur laquelle on réalise effectivement l'opération.
Ensuite, et de manière plus anecdotique, l'instrument chirurgical proprement dit doit être positionné dans le repère ainsi défini. Dans ce cadre, il est généralement préconisé de monter plusieurs émetteurs sur le corps de l'instrument chirurgical, ces émetteurs ayant une relation connue avec la tête de travail de l'instrument.
Lors d'une émission par ces émetteurs liés à un instrument chirurgical, les détecteurs vont recevoir cette émission et permettre de calculer la position exacte de la tête de l'instrument chirurgical dans le repère qui a ainsi été défini.
Cette partie est décrite dans ce document de la page 27, lignel2, à la page 28, ligne 21 en particulier.
On comprend que l'ensemble de l'appareil est relativement encombrant et que la procédure de mise en correspondance est complexe et augmente le risque d'erreurs.
Description de l'invention
L'invention a pour but principal de résoudre le nouveau problème technique consistant en une solution qui permette de fournir un système compact de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée guidée par l'image, sans intervention de la part du chirurgien tout en permettant un fonctionnement en temps réel avec suivi des mouvements du corps du patient pendant la procédure chirurgicale elle-même.
Un autre but principal de l'invention est de résoudre le nouveau problème technique consistant en la fourniture d'une solution qui permette de simplifier radicalement la procédure de mise en correspondance, et de minimiser les risques d'erreurs.
L'ensemble de ces nouveaux problèmes techniques est résolu pour la première fois par la présente invention d'une manière simple, sûre et fiable, reproductible à l'échelle industrielle et médicale.
Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention fournit un dispositif de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts, à savoir un premier élément support comprenant au moins trois éléments marqueurs disposés espacés et non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie approprié ; et un
deuxième élément support comprenant au moins trois éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, respectivement, également disposés espacés et non alignés.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'insert est prévu pour recevoir successivement, l'un à la place de l'autre, le premier élément support ou le deuxième élément support précité.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, lorsque le deuxième élément support précité remplace le premier élément support sur l'insert, chaque élément émetteur ou récepteur d'énergie du deuxième élément se retrouve dans une position sensiblement identique à chaque élément marqueur précédemment fixé à l'insert. En pratique, le foyer de chaque élément émetteur ou récepteur se retrouve dans une position sensiblement identique à celle du barycentre de chaque élément marqueur.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, au moins un et de préférence l'ensemble des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie comprend un élément émetteur ou récepteur d'énergie ultrasonique. Dans ce cas, l'élément émetteur est un élément émetteur ultrasonique par exemple de type piézoélectrique, bien connu à l'homme de l'art, et l'élément récepteur ultrasonique comprend au moins un microphone, également bien connu à l'homme de l'art. On peut également utiliser comme autres éléments émetteurs/ récepteurs d'énergie des éléments émetteurs/récepteurs d'énergie infrarouges, optiques, électromagnétiques bien que de tels types d'énergie soient moins préférés actuellement que l'énergie ultrasonique. L'invention couvre tout élément émetteur ou récepteur d'énergie, sans limitation. Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif de mise en concordance précité comprend de préférence un troisième élément support comprenant au moins trois éléments récepteurs ou émetteurs d'énergie, respectivement, capables d'être montés dans une position apte à recevoir ou à émettre relativement au deuxième élément support précité comprenant respectivement les éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie. De préférence, ce troisième élément support est monté directement ou d'une manière liée à un bras robotisé de préférence recevant un outil chirurgical. Dans ce cadre, il est avantageux que la position des éléments récepteurs ou émetteurs d'énergie sur ledit bras soit connue, ainsi que la position de l'outil chirurgical relativement à ce bras, ce qui sera le cas en pratique pour faciliter la mise en correspondance.
Selon un mode de réalisation actuellement préféré, le deuxième élément support précité est pourvu d'au moins trois éléments récepteurs d'énergie, de préférence des éléments récepteurs d'énergie ultrasonique, tandis que le troisième élément support précité comprendra aussi au moins trois éléments émetteurs d'énergie, de préférence émetteurs d'énergie ultrasonique, disposés espacés et non alignés.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le premier élément support et le deuxième élément support présentent une forme sensiblement identique, chaque élément support comprenant un corps central destiné à coopérer avec l'insert précité duquel dérivent au moins trois bras saillants vers l'extérieur relativement audit corps central et comportant au voisinage de leurs extrémités libres soit au moins un élément marqueur précité, soit au moins un élément émetteur ou récepteur d'énergie précité.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, l'insert précité comprend une partie de fixation avec la structure anatomique où l'opération chirurgicale est prévue, et une partie destinée à être connectée avec le premier élément support ou le deuxième élément support précité. Avantageusement, cette connexion a lieu à l'aide de moyens d'orientation prédéterminée. Ces moyens d'orientation prédéterminée peuvent comprendre par exemple un système d'ergot et d'encoche coopérant respectivement entre l'insert et le premier ou second élément support précité. Avantageusement, la partie ergot est liée à l'insert tandis que la partie encoche est définie dans la structure du premier ou second élément dans son corps central.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une méthode de mise en correspondance pour la chirurgie de préférence robotisée guidée par l'image, comprenant une étape de préprocédure de prise d'une image dite de préprocédure de la structure anatomique où l'opération chirurgicale est prévue, ladite structure anatomique comprenant des éléments marqueurs de repérage de la structure anatomique visibles sur ladite image, une deuxième étape de solidarisation d'un système d'émission ou de réception d'énergie avec ladite structure anatomique, comprenant plusieurs éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, de manière à recueillir, avec un système récepteur ou émetteur d'énergie comprenant plusieurs éléments récepteurs ou émetteurs d'énergie, des données relatives à la position dans l'espace des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie ; et une troisième étape de mise en correspondance des positions des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie avec la position des éléments marqueurs dans
l'image de préprocédure, permettant ultérieurement au chirurgien de suivre une approche chirurgicale préprogrammée sur l'image de préprocédure, caractérisée en ce que : a) on réalise au préalable, une opération de fixation d'au moins un dispositif comprenant au moins un insert sur au moins une zone de la structure anatomique, ledit insert étant prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts, à savoir un premier élément support comprenant au moins trois éléments marqueurs disposés espacés et non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie appropriée ; et un deuxième élément support comprenant au moins trois éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, respectivement, disposés espacés et non alignés, constituant ainsi le système d'émission ou de réception précité ; b) on monte sur chaque insert ledit premier élément comprenant au moins lesdits trois éléments marqueurs et on réalise une image dite de préprocédure avec un dispositif d'imagerie approprié, image qui est enregistrée et de préférence visualisée sur un dispositif d'affichage d'images ; c) on remplace ledit premier élément par ledit deuxième élément sur ledit insert, de sorte que chaque élément émetteur ou récepteur du deuxième élément support se retrouve essentiellement dans une position identique à chaque élément marqueur précédemment fixé à l'insert ; d) on dispose un troisième élément support, constituant ainsi le système de réception ou d'émission précité, comprenant au moins trois éléments récepteurs ou émetteurs d'énergie, respectivement, dans une position apte à recevoir ou émettre relativement au deuxième élément support, en correspondance avec les éléments émetteurs ou récepteurs, respectivement, du deuxième élément support ; e) on réalise une émission d'énergie par chaque élément émetteur qui est reçue par chaque élément récepteur et on enregistre les données de réception de cette émission ; f) on traite cet enregistrement des données d'émission d'énergie pour déterminer les positions dans l'espace des éléments émetteurs ou récepteurs qui sont essentiellement identiques aux positions des éléments marqueurs du premier élément, coordonnées des éléments marqueurs qui sont enregistrées et qui définissent un système de référence unique pour la structure anatomique ; g) enfin, de préférence, on laisse le deuxième élément support en place sur ledit insert pour localiser en temps réel la correspondance des
émetteurs/récepteurs avec les éléments marqueurs ayant défini le système de référence initiale dans l'image de préprocédure.
Naturellement, dans le cadre de cette méthode, divers modes de réalisation résultent des modes de réalisation précédents concernant le dispositif de mise en concordance.
En particulier, il est préféré dans le cadre de l'invention que le troisième élément support soit monté directement ou de manière liée à un bras robotisé recevant de préférence l'outil chirurgical.
Selon un troisième aspect, la présente invention couvre encore un appareil de mise en concordance comprenant au moins un dispositif de mise en correspondance tel que précédemment défini, comprenant au moins un insert précité, au moins deux éléments supports distincts, un premier élément support comprenant au moins trois éléments marqueurs et au moins un deuxième élément support comprenant au moins trois éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, tels que précédemment définis, ainsi qu'au moins un troisième élément support de préférence monté directement ou de manière liée à un bras robotisé, ainsi qu'une unité comprenant des moyens de traitement des signaux émis puis reçus par les récepteurs d'énergie permettant de localiser les coordonnées des émetteurs/récepteurs sur un malade dans le référentiel du bras robotisé et permettant ultérieurement de mettre en correspondance des coordonnées des éléments marqueurs dans le référentiel des images de préprocédure prises avec un dispositif d'imagerie approprié, enregistrées sur des moyens d'enregistrement d'images, et de préférence affichées grâce à des moyens d'affichage d'images.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, cet appareil comprend une centrale de commande, comprenant des moyens de calcul, tels qu'un microordinateur, et connectée respectivement à une unité comprenant les moyens de traitement des signaux et au bras robotisé et permettant de commander aussi un outil chirurgical et de servir ainsi à la chirurgie.
D'autres modes de réalisation particulier de cet appareil résultent manifestement de la description précédente ainsi que de la description suivante qui fait partie intégrante de la présente invention, ainsi que les figures qui font partie intégrante de l'invention.
Le principe de l'invention repose sur la fixation d'émetteurs/récepteurs d'énergie à la place des marqueurs d'imagerie combinée à d'autres émetteurs/récepteurs montés de préférence directement sur le bras
robotisé à mettre en correspondance avec l'espace du patient. Cette disposition présente les avantages suivants:
- la localisation des marqueurs d'imagerie, nécessaire au calcul de mise en correspondance, ne demande pas d'intervention de la part du chirurgien, - la localisation de l'espace du patient se fait directement à partir du dispositif portant l'instrument d'intervention (c'est-à-dire le robot),
- distances de mesure émetteur/récepteurs d'environ 20cm, donc faibles, grâce au montage d'émetteurs/récepteurs directement sur l'outil à mettre en correspondance, ce qui autorise une précision de mesure accrue par rapport à d'autres configurations,
- possibilité de suivre en temps réel les mouvements des structures anatomiques sur lesquelles sont fixés les marqueurs,
- encombrement réduit.
Mise en oeuvre générale de l'invention
Une mise en oeuvre possible de cette invention est décrite ci-après. Le système, destiné à la chirurgie robotisée du cerveau et guidée par des images préopératoires, est composé d'un insert à embout prismatique, de deux éléments supports, ici des cadres, identiques qui s'attachent sur ledit insert (l'un des cadres porte des marqueurs d'imagerie tandis que l'autre a des éléments récepteurs d'énergie, de préférence ici des microphones aux mêmes emplacements), ledit insert comprenant un ensemble d'au moins trois émetteurs d'énergie, de préférence d'émetteurs ultrasoniques, disposés selon une configuration connue à monter sur le robot chirurgical et d'une unité de traitement de données.
L'insert à embout prismatique est fait en un matériau biocompatible qui ne perturbe pas les différents systèmes d'imagerie (CT, IRM, PET, rayons X, chaque moyen d'imagerie pouvant avoir un type d'insert adapté). L'insert permet un repositionnement précis des cadres tout en assurant une bonne stabilité lors de leur utilisation. Les cadres peuvent être réalisés en un matériau léger, pouvant éventuellement être adaptés à une stérilisation, et qui ne perturbent pas les différents systèmes d'image (chaque mode d'imagerie a un matériau adapté). La géométrie des cadres est telle que le barycentre des marqueurs d'imagerie est confondu avec les foyers des microphones. L'ensemble d'émetteurs ultrasoniques montés sur le robot a des dimensions connues afin de pouvoir faire le calcul de triangulation.
Le principe de fonctionnement est présenté dans les paragraphes suivants.
Première phase: Examen d'imagerie a) L'insert est mis en place sur la tête du malade, solidement ancré dans l'os du crâne et proche des régions anatomiques sur lesquelles l'intervention aura lieu, b) Le cadre constitué ici par le premier élément support portant les marqueurs d'imagerie appropriés est attaché à l'insert, c) L'examen d'imagerie (CT, IRM, PET ou radiographies) est alors réalisé; les images obtenues doivent impérativement montrer les marqueurs d'imagerie, d) Le cadre peut être alors retiré, ce qui est fait en laissant en place l'insert.
Deuxième phase: Repérage des marqueurs d'imagerie par le robot a) Le cadre constitué ici par le deuxième élément support portant les microphones est attaché à l'insert, b) Les émetteurs ultrasoniques sont montés sur le robot, c) Le robot est mis dans une configuration telle que les émetteurs/récepteurs ultrasoniques sont proches du cadre, d) Tous les émetteurs et microphones sont connectés à l'unité de traitement des données, e) Des mesures donnant la position des marqueurs sont réalisées par cette unité,
Troisième phase: Mise en correspondance de l'espace patient et l 'espace image a) Les points correspondant aux barycentres des marqueurs d'image sont solidaire des la structure anatomique sur laquelle est envisagée la chirurgie, b) Les coordonnées des marqueurs d'image sont connues dans le référentiel propre aux images par des moyens de traitement d'image, c) D'autre part, comme la position des émetteurs ultrason est connue par le robot, les coordonnées des microphones obtenues par l'unité de traitement des données peuvent être réexprimées dans le référentiel du robot par une simple transformation.
d) La comparaison des coordonnées des marqueurs (ou des microphones) dans le référentiel propre aux images et dans le référentiel du robot permet de mettre en correspondance l'espace du patient (dans lequel les instruments d'intervention devront être positionnés et manipulés) et l'espace des images (dans lequel le plan d'intervention a été établi). En effet, la transformation ainsi obtenue permet d'exprimer dans le référentiel du robot les coordonnées d'un point quelconque de la structure anatomique dans le référentiel image. C'est cette information dont le robot a besoin pour assurer le positionnement et la manipulation des outils d'intervention dans l'espace du patient selon le plan préalablement établi. Il est à souligner que la transformation inverse (c'est-à-dire celle qui permet de passer de l'espace du patient à l'espace des images) peut aussi être facilement calculée à partir de la première, e) Les mesures du système à ultrason étant réalisée d'une manière continue, lesdites transformations peuvent être mises à jour en permanence afin d'avoir une mise en correspondance actualisée « en temps réel » (autrement dit qui tient compte des éventuelles déplacements dans l'espace de la structure anatomique par rapport au robot).
Une alternative à cette troisième phase de la méthode (points a à d) consiste en: a) Exprimer les informations du plan opératoire dans un nouveau référentiel défini par les barycentres des marqueurs d'imagerie, b) Mesurer la position des microphones et calculer les coordonnées desdites positions dans l'espace du robot en utilisant la connaissance de la position des émetteurs ultrason, c) Calculer la transformation qui permet d'exprimer un point quelconque dans le référentiel défini par les marqueurs d'imagerie dans le référentiel du robot, d) Utiliser cette transformation pour mettre en correspondance l'espace du patient et l'espace des images.
Description détaillée des dessins
- la figure 1 montre une vue latérale en élévation d'un insert selon la présente invention à fixer en particulier sur un os du patient, par exemple sur le crâne du patient ; - la figure 2 est une vue de dessus de l'insert de la figure 1 selon la flèche II de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue de dessus d'un premier élément support selon la présente invention constituant un cadre, pourvu de marqueurs d'imagerie, destiné à être fixé de manière démontable sur l'insert représenté aux figures 1 et 2 ;
- la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3 ; - la figure 5 représente une vue similaire à la figure 3 du deuxième élément support selon l'invention comprenant au moins trois, ici quatre, éléments récepteurs d'énergie, ce dit deuxième élément étant aussi apte et destiné à être monté de manière démontable sur l'insert des figures 1 et 2 ;
- la figure 6 représente une vue similaire à la figure 4, selon la ligne de coupe V-V de la figure 5 ; et
- la figure 7 représente un appareil chirurgical comprenant un appareil de mise en correspondance selon la présente invention, incorporant un dispositif de mise en correspondance tel que décrit en référence aux figures 1 à 6.
En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée selon la présente invention sera représenté par le numéro de référence général 10 à la figure 7. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert représenté par le numéro de référence général 12, visible individuellement aux figures 1 et 2, prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts respectivement représentés par le numéro de référence général 20 aux figures 3 et 4 et 30 aux figures 5 et 6 et qui seront décrits plus en détail plus loin.
L'insert 12 représenté aux figures 1 et 2 est selon un mode de réalisation avantageux prévu pour recevoir successivement, l'un à la place de l'autre, le premier élément support 20 des figures 3 et 4 ou le deuxième élément support 30 des figures 5 et 6, comme cela sera aisément compréhensible pour un homme de l'art.
Selon un mode de réalisation avantageux actuellement préféré de l'invention, l'insert 12 comprend une partie 13 de fixation avec la structure anatomique où l'opération chirurgicale est prévue, comme montré à la figure 7, et une partie représentée par le numéro de référence général 14 destinée à être connectée avec le premier élément support 20 ou le deuxième élément support 30 précité. Avantageusement, cette connexion a lieu par la partie 14 constituant une tête de connexion et à l'aide de moyens 15 d'orientation prédéterminés. Ces moyens 15 d'orientation prédéterminés peuvent comprendre par exemple un système d'ergot et d'encoche coopérant respectivement entre l'insert 12 et le premier 20 ou second élément 30 support précité. Avantageusement, la partie
ergot 16 est liée à l'insert 12 tandis que la partie encoche 26, figure 4 ; ou 36, figure 6, est définie respectivement dans la structure du premier élément support 20 ou du second élément support 30, dans son corps central 21 ou 31. On comprend que la fixation de l'insert 12 sur la structure anatomique peut être réalisée d'une part par le bout fileté 17 éventuellement autotaraudant qui permet une mise en place rapide et solide dans l'os du crâne et par des éléments de fixation 18, par exemple tels que des clous ou vis, bien connus à l'homme de l'art, coulissant dans des orifices 19 prévus dans le corps central 13 de l'insert 12.
En référence aux figures 3 et 4, on a représenté un mode de réalisation actuellement préféré d'un premier élément support 20 prévu pour être montable de manière provisoire donc démontable, sur l'insert représenté aux figures 1 et 2. Ce premier élément support 20 comprend au moins trois éléments marqueurs 22, ici par exemple quatre éléments marqueurs 22, disposés espacés et non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie approprié. Ces éléments marqueurs peuvent, par exemple, être réalisés en un métal inoxydable opaque qui est visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie tel qu'un scanner.
Dans le cas d'un dispositif d'imagerie IRM, les éléments marqueurs comprennent une cavité remplie d'un liquide visible à l'image, par exemple contenant du gadolidium, comme bien connu à l'homme de l'art.
Ce premier élément support 20 comprend un corps central 21 destiné à coopérer avec l'insert et comportant des moyens de solidarisation provisoire avec l'insert 12 comprenant, par exemple, un orifice coaxial 25 et une encoche 26 dans la paroi du corps central 21, destinés à coopérer respectivement avec la partie correspondante 14 et son ergot 16 de l'insert 12. On comprend que la solidarisation provisoire du premier élément support 20 avec l'insert 12 a lieu par emboîtage et encliquetage de la partie 14 avec son ergot 16 dans l'ouverture 25 et l'encoche 26, cette solidarisation étant sûre et fiable jusqu'à déconnexion volontaire. Ce premier élément support 20 comprend en dérivation du corps central 21 au moins trois bras 23 saillants vers l'extérieur relativement au corps central 21 et comportant au voisinage de leurs extrémités libres 23a un organe 24 de réception d'au moins un élément marqueur 22. La structure et la forme de ce premier élément support représenté aux figures 3 et 4 fait partie intégrante de la présente invention. Les bras 23 sont disposés de manière dissymétrique pour faciliter la reconnaissance lors du traitement.
Sur le corps central 21 est monté un organe de solidarisation provisoire 27 comprenant deux coupelles 27b et 27c reliées entre elles par des tiges 27a sensiblement parallèles à l'axe X-X de symétrie du corps central 21,. Ainsi, les coupelles 27b, 27c sont disposées sensiblement perpendiculaires aux tiges 27a. La longueur des tiges 27a est supérieure à la dimension totale axiale du corps central 21 , comme bien visible à la figure 4. Une coupelle, ici 27b, qui est opposée à l'encoche 26, comporte un prolongement 28 sensiblement coaxial à l'axe X-X, coopérant avec un orifice coaxial 29 prévu dans le corps central 21 de l'élément support 20, un élément de poussée unidirectionnelle tel qu'un ressort 8 étant monté respectivement dans l'orifice 29 et extérieurement au prolongement axial 28 de manière à repousser en permanence l'organe de solidarisation 27 dans la position indiquée à la figure 4.
On comprend que pour réaliser la connexion de l'élément support 20 avec l'insert 12, l'opérateur appuiera sur la coupelle 27b pour agir vers le bas comme symbolisé par la flèche F, ce qui libérera par déplacement de l'autre coupelle 27c de l'espace pour l'insertion de la partie de connexion 14 et de son ergot 16 dans l'ouverture 25 et l'encoche 26, respectivement. Après insertion, le relâchement de la coupelle supérieure 27b permettra de faire remonter aussi l'autre coupelle 27c et de bloquer de manière provisoirement verrouillée, la partie 14 et son ergot 16 dans l'ouverture 25 et l'encoche 26, de manière sûre et fiable. Il est à noter que les proportions ne sont pas respectées entre les figures 1, 2 et 3 à 6.
De même, le deuxième élément support, représenté aux figures 5 et 6, présente de préférence une forme sensiblement identique au premier élément support 20 des figures 3 et 4, comme bien visible en comparant les figures 5 et 6 avec les figures 3 et 4.
Ainsi, les mêmes chiffres de référence ont été reportés pour le deuxième élément support des figures 5 et 6 par rapport à l'élément support 20 des figures 3 et 4, les chiffres de référence étant simplement augmentés de 10.
Par contre, le deuxième élément support 30 comprend en lieu et place des éléments marqueurs 22, des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie comme décrit ci-après.
On notera qu'ici le deuxième élément support 30 comprend à ses extrémités libres 33a au moins un élément émetteur ou récepteur d'énergie, ici par exemple un élément récepteur d'énergie 32a, tel que par exemple un microphone lorsque l'énergie émise par l'élément émetteur est une énergie ultrasonique, mais d'autres formes d'énergie peuvent être utilisées comme indiqué précédemment.
On comprend que selon un mode de réalisation actuellement préféré, le deuxième élément support 30 présente une forme identique au premier élément support 20, ce qui simplifie la mise en correspondance puisque les éléments récepteurs d'énergie 32a se trouvent à une position sensiblement identique à celle des éléments marqueurs 22.
En référence à la figure 7, on a représenté un appareil 10 de chirurgie. Celui-ci comprend, selon le mode de réalisation représenté, une table de travail 40 sur laquelle est allongé un patient P devant subir une opération chirurgicale, par exemple ici au crâne C. Cet appareil 10 comprend d'une part au moins un insert 12 fixé en une position prédéterminée de la structure anatomique à opérer, par exemple ici sur l'os du crâne C du patient P, sur lequel peut être monté soit le premier élément support 20 dans le cadre de la prise d'une image de préprocédure dans une salle de prise d'images, soit le deuxième élément support 30, en salle d'opération dans le cadre de la mise en correspondance précitée. On observera qu'ici le deuxième élément support 30 est relié électriquement par au moins un fil 42 avec une unité 44 d'émission d'énergie et de réception et de traitement du signal émis puis reçu par les éléments récepteurs 32a, cette unité 44 comprend aussi au moins un fil 46 de transmission d'énergie à au moins trois éléments ici émetteurs d'énergie 48, de préférence des éléments 48 émetteurs d'énergie ultrasonique coopérant alors avec des microphones 32a comme éléments récepteurs d'énergie ultrasonique.
Ces éléments émetteurs d'énergie 48 sont avantageusement montés sur un troisième élément support 50, de préférence de structure sensiblement identique à la structure des premier et deuxième éléments supports précités respectivement 20 et 30. Ce troisième élément support 50 est avantageusement monté directement ou de manière liée à un bras robotisé 60, bien connu à l'homme de l'art destiné à recevoir ensuite de préférence l'outil chirurgical, non représenté ici.
L'appareil selon l'invention 10 comprend aussi une centrale de commande 70 comprenant par exemple des moyens de calcul 72 tels qu'un ordinateur, et des moyens d'affichage d'images 74 tels qu'un écran vidéo 76. La centrale de commande 70 est connectée respectivement par un câble de connexion 78 à l'unité 44 et par un câble de connexion approprié 80 au bras robotisé 60. On comprend ainsi que l'appareil complet représenté à la figure 7 permet de mettre en oeuvre la méthode de mise en concordance précitée ainsi que la mise en oeuvre générale de l'invention précitée.
Grâce à l'invention, on obtient l'ensemble des avantages techniques précédemment énoncés d'une manière simple, sûre et fiable, utilisable à l'échelle industrielle et médicale.
L'invention comprend naturellement tous les moyens constituant des équivalents techniques et des moyens décrits ainsi que leurs diverses combinaisons. D'autre part, la structure décrite aux figures 1 à 7 fait partie intégrante de la présente invention.
Claims
1. Dispositif de mise en correspondance pour la chirurgie robotisée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert (12) prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts (20, 30), à savoir un premier élément support (20) comprenant au moins trois éléments marqueurs (22) disposés espacés et non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie approprié ; et un deuxième élément support (30) comprenant au moins trois éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32a) d'énergie, respectivement, également disposés espacés et non alignés.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (12) est prévu pour recevoir successivement, l'un à la place de l'autre, le premier élément support (20) ou le deuxième élément support (30) précité.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsque le deuxième élément support (30) précité remplace le premier élément support (20) sur l'insert (12), chaque élément émetteur (48) ou récepteur (32a) d'énergie du deuxième élément (30) se retrouve dans une position sensiblement identique à chaque élément marqueur (22) précédemment fixé à l'insert (12).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un et de préférence l'ensemble des éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32a) d'énergie comprend un élément émetteur ou récepteur d'énergie ultrasonique.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième élément support (50) comprenant au moins trois éléments récepteurs (32a) ou émetteurs (48) d'énergie, respectivement, capables d'être montés dans une position apte à recevoir ou à émettre relativement au deuxième élément support (30) précité comprenant respectivement les éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32a) d'énergie.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce troisième élément support (50) est monté directement ou d'une manière liée à un bras robotisé (60) de préférence recevant un outil chirurgical.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la position des éléments récepteurs (32a) ou émetteurs (48) d'énergie sur ledit bras robotisé (60) est connue, ainsi que la position de l'outil chirurgical relativement à ce bras robotisé (60).
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier élément support (20) et le deuxième élément support (30) présentent une forme sensiblement identique, chaque élément support comprenant un corps central (21 ; 31) destiné à coopérer avec l'insert (12) précité duquel dérivent au moins trois bras (23, 33) saillants vers l'extérieur relativement au corps central (21 ou 31) et comportant au voisinage de leurs extrémités libres (23a, 33a) soit au moins un élément marqueur (22) précité, soit au moins un élément émetteur (48) ou récepteur (32a) d'énergie précité.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les bras (23, 33) précités sont de longueur différente, pour fournir une asymétrie de position des éléments marqueurs (22) ou des éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32).
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (12) précité comprend une partie (13) de fixation avec la structure anatomique, telle que C, où l'opération chirurgicale est prévue, et une partie (14) destinée à être connectée avec le premier élément support (20) ou le deuxième élément support (30) précité.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'insert (12) comprend des moyens d'orientation prédéterminée (15), tels qu'un ergot (16), coopérant respectivement avec d'autres moyens d'orientation prédéterminés, tels qu'une encoche, disposée sur le premier élément support (20) ou le deuxième élément support (30).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif d'imagerie précité est choisi parmi un scanner, un dispositif d'imagerie IRM ou PET, les éléments marqueurs étant adaptés pour être visibles dans l'image obtenue avec ce dispositif d'imagerie.
13. Méthode de mise en correspondance pour la chirurgie de préférence robotisée guidée par l'image, comprenant une étape de préprocédure de prise d'une image dite de préprocédure de la structure anatomique (telle que C) où l'opération chirurgicale est prévue, ladite structure anatomique comprenant des éléments marqueurs (22) de repérage de la structure anatomique visibles sur ladite image, une deuxième étape de solidarisation d'un système d'émission ou de réception d'énergie avec ladite structure anatomique, comprenant plusieurs éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie, de manière à recueillir avec un système récepteur ou émetteur d'énergie, comprenant plusieurs éléments récepteurs ou émetteurs d'énergie, des données relatives à la position dans l'espace
des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie ; et une troisième étape de mise en correspondance des positions des éléments émetteurs ou récepteurs d'énergie avec la position des éléments marqueurs dans l'image de préprocédure, permettant ultérieurement au chirurgien de suivre une approche chirurgicale préprogrammée sur l'image de préprocédure, caractérisée en ce que : a) on réalise au préalable, une opération de fixation d'au moins un dispositif, tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant au moins un insert (12) sur au moins une zone (telle que C) de la structure anatomique, ledit insert (12) étant prévu pour recevoir au moins deux éléments supports distincts (20, 30), à savoir un premier élément support (20) comprenant au moins trois éléments marqueurs (22) disposés espacés et non alignés, réalisés en un matériau visible dans une image réalisée avec un dispositif d'imagerie appropriée ; et un deuxième élément support (30) comprenant au moins trois éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32a) d'énergie, respectivement, disposés espacés et non alignés, constituant ainsi le système d'émission ou de réception précité ; b) on monte sur chaque insert (12) ledit premier élément (20) comprenant au moins lesdits trois éléments marqueurs (22) et on réalise une image dite de préprocédure avec un dispositif d'imagerie approprié image qui est enregistrée et de préférence visualisée sur un dispositif d'affichage d'images (tel que 74, 76) ; c) on remplace ledit premier élément (20) par ledit deuxième élément (30) sur ledit insert, de sorte que chaque élément émetteur (48) ou récepteur (32a) du deuxième élément support (30) se retrouve essentiellement dans une position identique à chaque élément marqueur (22) précédemment fixé à l'insert (12); d) on dispose un troisième élément support (50) constituant ainsi le système de réception ou d'émission précité, comprenant au moins trois éléments récepteurs (32a) ou émetteurs (48) d'énergie, respectivement, dans une position apte à recevoir ou émettre relativement au deuxième élément support (30), en correspondance avec les éléments émetteurs ou récepteurs, respectivement, du deuxième élément support (30) ; e) on réalise une émission d'énergie par chaque élément émetteur (48) qui est reçue par chaque élément récepteur (32a) et on enregistre les données de réception de cette émission (dans les unités 44, 70, 72) ; f) on traite cet enregistrement des données d'émission d'énergie (dans la centrale 70, 72) pour déterminer les positions dans l'espace des éléments
9?
émetteurs (48) ou récepteurs (32a) qui sont essentiellement identiques aux positions des éléments marqueurs (22) qui sont enregistrées (dans 70, 72) et qui définissent un système de référence unique pour la structure anatomique, telle que
C ; g) enfin, de préférence, on laisse le deuxième élément support (30) en place sur ledit insert (12) pour localiser en temps réel la correspondance des émetteurs/récepteurs avec les éléments marqueurs (22) ayant défini le système de référence initiale dans l'image de préprocédure.
14. Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que le troisième élément support (30) est monté directement ou de manière liée à un bras robotisé (60) recevant de préférence l'outil chirurgical.
15. Appareil de mise en concordance (10) comprenant au moins un dispositif de mise en correspondance précité tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant au moins un insert (12), au moins deux éléments supports distincts (20, 30), un premier élément support (20) comprenant au moins trois éléments marqueurs (22) et au moins un deuxième élément support (30) comprenant au moins trois éléments émetteurs (48) ou récepteurs (32a) d'énergie, ainsi qu'au moins un troisième élément support (50) de préférence monté directement ou de manière liée à un bras robotisé (60), ainsi qu'une unité comprenant des moyens (44) de traitement des signaux émis puis reçus par les récepteurs d'énergie (32a), permettant de localiser les coordonnées des émetteurs/récepteurs sur un malade (P) dans le référentiel du bras robotisé (60) et permettant ultérieurement de mettre en correspondance des coordonnées des éléments marqueurs (22) dans le référentiel des images de préprocédure prises avec un dispositif d'imagerie approprié, enregistrées sur des moyens d'enregistrement d'images(tels que 70 à 72), et de préférence affichées grâce à des moyens d'affichage d'images (74, 76).
16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une centrale de commande (70), comprenant des moyens de calcul, tel qu'un microordinateur (72), et connectée respectivement à l'unité (44) et au bras robotisé (60) et permettant de commander aussi un outil chirurgical et servant ainsi à la chirurgie.
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| FR9807234A FR2779339B1 (fr) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | Procede et appareil de mise en correspondance pour la chirurgie robotisee, et dispositif de mise en correspondance en comportant application |
| FR9807234 | 1998-06-09 | ||
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