EP3793463A1 - Dispositif chirurgical - Google Patents

Dispositif chirurgical

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Publication number
EP3793463A1
EP3793463A1 EP19709761.1A EP19709761A EP3793463A1 EP 3793463 A1 EP3793463 A1 EP 3793463A1 EP 19709761 A EP19709761 A EP 19709761A EP 3793463 A1 EP3793463 A1 EP 3793463A1
Authority
EP
European Patent Office
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positioning system
instrument
monitor
target
control unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP19709761.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Py
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Py Jean Pierre
Original Assignee
Py Jean Pierre
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Py Jean Pierre filed Critical Py Jean Pierre
Publication of EP3793463A1 publication Critical patent/EP3793463A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
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    • A61B90/90—Identification means for patients or instruments, e.g. tags
    • A61B90/98—Identification means for patients or instruments, e.g. tags using electromagnetic means, e.g. transponders
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    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
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    • A61B2017/00482—Coupling with a code
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    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
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    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/372—Details of monitor hardware
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Definitions

  • the present invention relates to a wireless positioning system of an object with respect to a target, comprising a set of transmitters and receivers associated with a control unit and a display monitor.
  • the invention also relates to a surgical device comprising a handpiece provided with a rotary motor, a drive shaft on which is mounted a removable handpiece comprising a tool holder and a tool, said instrument being, in addition, provided with an electronic servo control module of said motor comprising a digital electronic circuit, rotation control means of said motor, and a power supply source and further such a positioning system.
  • An object of the present invention is therefore to provide a positioning system, in particular for a surgical device such as a hand engine, which provides a real-time visualization of the orientation of the surgical device in real time. the operative field on an area to be operated without requiring the use of prior modeling of the patient.
  • Another object of the invention is to provide a positioning system that can be grafted and used with existing surgical devices.
  • Another object of the invention is to provide a surgical device to give greater autonomy to the practitioner in the surgical procedure performed.
  • a real-time wireless positioning system of an object with respect to a target characterized in that it comprises:
  • an electronic control unit of said set of transmitters and receivers configured to control the emission of said electromagnetic waves by said transmitters according to a determined communication protocol to said receivers and to calculate the position of the object in at least two dimensions space relative to the target in a frame attached to said target;
  • Such a positioning system is of particular interest to equip surgical ancillary devices for example in order to provide the surgeon a visual reference orientation and direction of a surgical procedure to perform according to orientations and anatomical planes or implantation determined according to a pathology to be treated and the anatomical and physiological characteristics of a patient.
  • the system of the invention thus allows to follow a series of operations by electromagnetic contact at a distance between the target and the operative object.
  • the electromagnetic contacts in particular make it possible to locate the simplified anatomical axes.
  • the system may in particular make it possible to simplify any surgical procedure such as piercing or resection of a bone member to be implanted, in particular in knee surgery, by arranging on the femoral and tibial epiphyses to resect said receptors and said transmitters on a cutting motor so as to to establish a certain reference of orientation on the epiphysis to resect, without having to use a heavy and complex adjustable guide system to implement before definitive implantation of the femoral and tibial implants of a total knee prosthesis for example.
  • the positioning system of the invention allows light and simple way the surgeon can actually direct his intervention taking into account the actual geometry on the surface of the area to work and therefore to position his tool relative to this zone to work according to the right angles and planes, also being able to keep an operating latitude greater than with fixed guidance systems.
  • the positioning of any tool can be carried out by means of the system of the present invention directly with respect to a single point of reduced dimensions of the femur or tibia of a patient, without worrying about the real position of the leg in space, while acquiring the position and orientation of the limb to operate according to 6 degrees of freedom from this landmark.
  • positioning by electromagnetic tracking, in particular inductive, as proposed by the present invention does not suffer from drift and remains stable over time.
  • the transmitters and receivers comprise removable fixing means on a said object and a said target.
  • Such an object may thus be a surgical instrument such as a motor or a saw and the target may be a limb to operate.
  • the transmitters and receivers are means of communication by transmission / reception of optical signals, preferably in the infrared range.
  • the electronic control unit comprises a memory in which is stored at least one library of targets and objects, and a user interface for configuring said unit for control the set of transmitters and receivers according to a communication protocol determined according to a said object and a said target contained in the library selected by a user and to calculate the position of the object relative to the target according to the data obtained according to said communication protocol.
  • said control unit and said monitor comprise wired or wireless communication means, in particular radio frequency, or Bluetooth communication protocols, positioning data of the object relative to the target for displaying on the monitor the real-time position of the object relative to the target.
  • control unit and said monitor are integrated in the same device, including a tablet or a laptop, or a touch screen.
  • control unit and monitor may be constituted by computers and / or robots present in the operating room, particularly for monitoring systems or control other miscellaneous devices.
  • the emitters and the receivers are respectively arranged in a predetermined arrangement on a first support and a second support, said first and second supports comprising said removable attachment means on said object. and said target.
  • Such supports may in particular be attachment plates on a tool or ancillary instrument for transmitters and cutting guides or drilling for receivers.
  • the latter comprises power supply means of said transmitters, the electronic control unit and the monitor.
  • power supply means may in particular be accumulator batteries or wired electrical connectors.
  • the power supply means comprises at least one battery, common or specific to said transmitters, of the electronic control unit and monitor.
  • the invention also proposes a surgical device comprising a hand instrument provided with a rotary motor, a drive shaft on which is mounted a removable handpiece comprising a tool holder and a tool.
  • said instrument being, furthermore, provided with:
  • an electronic servocontrol module of said motor comprising a digital electronic circuit
  • This surgical device is characterized in that it further comprises a positioning system as previously defined, said said emitters are adapted to be positioned on said hand instrument, in particular on the blade holder of this- ci, and said receivers adapted to be positioned on a surgical intervention area using said tool.
  • the motor and its position in space can be quickly determined and visualized without the need for an auxiliary mechanical structure.
  • the engine can be used alone without a marker or marker. It can also advantageously be used carried on an electromechanical arm whose actuators can be enslaved according to the taking of surgical markers made by the positioning system of the invention via the control unit. This offers the possibility of a surgical procedure according to the anatomical and surgical plans without requiring boxes and cutting guides where appropriate.
  • said control unit of the positioning system is integrated in the electronic servo-control module of the instrument, said monitor being independent and remotely positionable said instrument.
  • control unit of the positioning system is integrated in said instrument and independent of said servo module, said monitor being independent and remotely positionable said instrument.
  • said control unit of the positioning system is integrated in the monitor, said monitor being independent and positionable at a distance from said instrument, said transmitters being electrically connected to the power source of the instrument and being driven by the remote control unit according to a wired or wireless communication protocol.
  • the latter comprises at least one operating guide for guiding the tool in the intervention zone, said receivers of the positioning system being able to be fixed on the operating guide.
  • This operating guide is particularly useful when the motor is intended to be used manually without an operating arm by a surgeon.
  • the operating guide is a cutting block.
  • said digital electronic circuit is provided with at least one memory containing at least two sets of servocontrol parameters of said motor, each set of servo parameters being associated with a carrier. tool, said digital electronic circuit being arranged to automatically select the set of servo parameters according to the type of tool holder detected by said automatic detection means.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a hand-held instrument used in the invention
  • FIG. 2 represents a longitudinal view of a sagittal saw tool holder equipped with
  • FIG. 3 shows schematically the handpiece of Figure 1 equipped with the saw of Figure 2 and a positioning system according to the present invention
  • FIG. 4 schematically represents representations accessible to the surgeon on the positioning system monitor of the invention from data libraries of the patient and / or an implant constructor, determining the anatomical parameters of resection of the epiphyses of the patient. a femur and a tibia for the purpose of placing a total knee implant;
  • FIG. 5 shows schematically in perspective the act of resection with a surgical device according to the invention comprising the instrument of Figure 1 equipped with a positioning system according to the invention;
  • FIGS. 6A and 6B show an alternative embodiment of a positioning system according to the present invention in a configuration comprising a hand-held instrument associated with an articulated robotic arm of a surgical robot.
  • a hand instrument 1 used in a device according to the invention.
  • Said hand instrument 1 is provided with a rotary motor 2 and a drive shaft 4 adapted to accommodate a removable handpiece, not shown.
  • the instrument further comprises a handle 6 substantially perpendicular to the driving axis 4.
  • the general ergonomics of the instrument is well known. It is chosen on purpose to facilitate the learning of additional features, objects of the invention.
  • the aesthetics are neat, the angles are rounded and the overall shape is homogeneous. These adapted forms allow easy disinfection and cleaning.
  • the instrument and its tools can be autoclavable and machine washable.
  • the hand-held instrument 1 is also provided with an electronic servo-control module 2 comprising a digital electronic circuit.
  • the servo advantageously applies to an electric motor without collector.
  • An example of a servocontrol of such an engine is provided, for example, in WO 2005/037124 A1.
  • the electronic module therefore allows, at any time, to control the position of the rotor, its rotational speed and its torque.
  • the engine also offers a very wide operating range, ranging from very low speeds of a few revolutions per minute (rpm) to several tens of thousands of revolutions per minute, while guaranteeing, thanks to servo-control, a large accuracy of the speed and torque provided on the drive shaft 4.
  • the instrument 1 is arranged, in this embodiment, for the surgeon to hold it by a handle 6 and act on motor rotation control means.
  • motor rotation control means These means are represented here by a trigger-type control 8 for adjusting the speed of rotation of the motor and by a rotary knob 10 making it possible to turn the instrument 1 off in the middle position of the rotary knob 10, to choose a rotation of the motor in a clockwise direction when the rotary knob 10 is turned to the right and counterclockwise when the rotary knob 10 is turned to the left.
  • Other types of buttons are obviously conceivable as, for example, a push button.
  • the power source is provided via a flexible electrical connection 12 connected to the instrument 1.
  • Another embodiment of the invention comprises a power supply provided by a removable battery directly mounted on the instrument 1. It advantageously occupies the position marked 14 in the figure by integrating with the handle 6.
  • the instrument 1 comprises automatic detection means of the mounted tool holder type.
  • the mounted tool holder type There are a variety of types of adaptable tool holder on the drive shaft 4.
  • a tool holder 40 shown in Figure 2, allows sawing operations by a sagittal saw 42, that is to say, an oscillating saw along the axis of rotation 44.
  • a set of servo parameters includes minimum and maximum rotational speeds, permitted rotational directions, the maximum allowable torque in a clockwise direction, the maximum torque allowed in a counter-clockwise direction and the action maintaining the torque or stopping the engine when the maximum torque is reached.
  • the digital electronic circuit of the servo module is provided with at least one memory containing sets of servo parameters of the engine, associated with different usable tool holders.
  • the digital electronic circuit is arranged to automatically select the set of servo parameters according to the type of tool holder detected by the automatic detection means.
  • the invention proposes a real-time wireless positioning system which allows to operate in particular the actions of epiphyseal resection and implant screwing accurately in a bone body O, as shown schematically in Figures 3 and 5.
  • the positioning system comprises a set of emitter sensors E and receivers R of electromagnetic waves, or infrared light beams for example, able to be positioned respectively on the instrument 1 and on a head bone O to resect, forming the operative target instrument 1, equipped with a saw 42, in particular a nonmagnetic material.
  • the emitters E are advantageously for example arranged on a plane or three-dimensional support, provided with fixing means on the instrument 1.
  • the receivers R may be preferably fixed on an operating guide such as a cutting block B provided by a implant supplier and adapted to the adequate resection of the epiphyseal parts of the bone head, for example tibial in Figures 3 and 5.
  • the receivers may in particular be beam reflector elements, to return an image of a beam emitted by the emitters, said emitters also forming in this case a combined detector.
  • the receivers R may be beam detectors, in which case they must be active and powered electrically.
  • the positioning system also comprises an electronic control unit of the emitters E and receivers R configured to control the emission of said electromagnetic waves, for example non-limiting type of infrared light, by said emitters E according to a determined communication protocol to said receptors R and to calculate the position of the instrument 1, and therefore of the nonmagnetic blade 42 in at least two dimensions of the space relative to the bone head O resect in a reference attached thereto and defined by the receivers on the C-target cutting block.
  • an electronic control unit of the emitters E and receivers R configured to control the emission of said electromagnetic waves, for example non-limiting type of infrared light, by said emitters E according to a determined communication protocol to said receptors R and to calculate the position of the instrument 1, and therefore of the nonmagnetic blade 42 in at least two dimensions of the space relative to the bone head O resect in a reference attached thereto and defined by the receivers on the C-target cutting block.
  • the positioning system of the invention finally comprises a real-time display monitor of the position of the instrument relative to the target O, calculated by said electrical unit.
  • This monitor M is advantageously a tactile monitor, allowing not only a display but also a graphical user interface, remotely and independent of the instrument 1, as well as emitters E and R receiver, so that the practitioner can position it in the manner the most appropriate to follow his act in visual as comfortable and stable as possible.
  • Said monitor M can thus typically consist of a graphics tablet, computer, or any video monitor used to display the position of the instrument 1 relative to its target C.
  • the display in the monitor is in the form of a level V indicated angular variation representing the inclination or inclinations of the instrument 1 and its blade 42 relative to a predetermined cutting plane on the target whose path is further guided by a slot optionally in a cutting block on which the receivers can be fixed preferably.
  • Said control unit may be integrated according to the case to the monitor itself if it consists of a tablet or in a computer for example, in the form in particular of a control program, said monitor or said computer comprising optical communication means, wired or wireless, including radio frequencies, or Bluetooth communication protocols, positioning data obtained by the set of transmitters E and receivers R to calculate the position of the instrument and allowing the monitor to display the real-time position of the object relative to the target.
  • control unit and the monitor may be constituted by computers and / or robots present in the operating room, particularly for monitoring systems or control other miscellaneous devices.
  • control unit can be integrated in the electronic control unit of the control instrument of the instrument 1.
  • this electronic module can not only communicate with the set of emitters E and receivers R as well as with the monitor M in a wired or wireless form.
  • the integration of the control unit of the positioning system of the instrument 1 has the advantage of allowing complete servocontrol of the tool 42 to the operation to be performed.
  • the control module equipped with recognition capabilities of a hand tool set up on the instrument by a surgeon will be able to load and control the motor of the instrument according to the parameters of the tool and different actions to be performed with this tool.
  • the module can also access the downloaded patient data and the library of cutting planes loaded into the memory of the control unit of the positioning system, which is possibly the same as that of the motor servo module, in order to integrate these data and thus allow manual adjustment if necessary of the instrument parameters to achieve the best cut, or adjust the cutting orientations directly in the user interface on the screen of the monitor M ( Figure 5).
  • the positioning system of the invention can be procured in series or optionally with the instrument 1. It can also be adapted to existing instruments; in this case the control unit will preferably be a remote control unit and advantageously integrated to the monitor M in the form of a dual-purpose touch pad.
  • FIG. 6B It can finally be used in an operating context shown in FIG. 6B using a robotic AA articulated arm supported at a first end on a table T or anchoring base and at the other end of which the handpiece is fixed by means of a servo-controlled ball joint.
  • the receivers R can then simply be arranged on the bone to be resected as in the manual mode of FIGS. 4 and 5, via a cutting block or, more simply, by taking the surgeon's manual marks on the bone with the help of a stylus carrying a receiver R, said marks being recorded in the control unit.
  • the latter then automatically adjusts the arm AA so that the surgeon can only during the surgical procedure that guide the instrument to hand in anatomical cutting planes identified for the patient, as on guide rails provided by the AA arm.
  • the use of the positioning system of the invention and a surgical device equipped with it allows the optimization of ancillary equipment, cost reduction and simplification of after-sales service but also the use a single motor for the whole operating theater (sawing, screwing, drilling, etc.) while offering the surgeon precision and modularity of live operation to carry out his work.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif chirurgical comportant un instrument à main (1) muni d'un moteur rotatif (2), un arbre d'entrainement (4) sur lequel est montée une pièce à main amovible comprenant un porte-outil et un outil. L'instrument est, de plus, muni d'un module électronique d'asservissement du moteur comprenant un circuit électronique numérique, de moyens de commande de rotation dudit moteur (2), et d'une source d'alimentation électrique (12). Selon l'invention, l'instrument (1) comprend, en outre, des moyens de détection automatique du type de porte-outil monté. Le circuit électronique numérique est muni d'au moins une mémoire contenant des paramètres d'asservissement du moteur (2) choisis automatiquement en fonction du type de porte-outil détecté par les moyens de détection automatique.

Description

Description
DISPOSITIF CHIRURGICAL
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un système de positionnement sans fil d’un objet par rapport à une cible, comportant un ensemble d’émetteurs et de récepteurs associés à une unité de commande et un moniteur de visualisation.
[0002] L’invention concerne également un dispositif chirurgical comportant un instrument à main muni d'un moteur rotatif, un arbre d'entrainement sur lequel est montée une pièce à main amovible comprenant un porte-outil et un outil, ledit instrument étant, de plus, muni d'un module électronique d'asservissement dudit moteur comprenant un circuit électronique numérique, de moyens de commande de rotation dudit moteur, et d'une source d'alimentation électrique et en outre un tel système de positionnement.
Etat de la technique
[0003] Dans le domaine de la chirurgie orthopédique, notamment avec implantation, il est nécessaire au chirurgien de réparer ou reconstruire un membre osseux défectueux afin de rendre au patient la plus grande mobilité possible en respectant les contraintes anatomiques et physiologiques particulière du patient. Lorsqu’il convient de remplacer ou d’équiper une articulation par un implant, il est nécessaire de procéder à une résection osseuse des épiphyses à implanter afin de procurer une assise stable à l’implant, avec une orientation des surfaces articulaires de celui-ci au plus proche de l’anatomie du patient. Historiquement, ces résections relevaient du savoir faire opératoire du chirurgien. Puis avec l’évolution des techniques de cartographie et modélisation informatique de l’anatomie, ont été développées des systèmes de modélisation anatomique permettant d’acquérir une image exacte de l’anatomie d’un membre à opérer pour déterminer et visualiser préalablement à l’opération sur un écran tous les plans et directions de coupe à suivre par le chirurgien pour réséquer une épiphyse à l’aide de blocs et guides de coupe réglables angulairement en trois dimensions par rapport à un ou plusieurs axes et plans anatomiques du membre à opérer. [0004] Toutefois, ces systèmes sont coûteux et lourds de mise en œuvre, si bien qu’ils ne sont pas accessibles à l’ensemble des patients car leur diffusion au sein des centres de soins est limitée à certains centres et hôpitaux spécialisés.
[0005] De plus, ils sont extrêmement contraignants pour le chirurgien, qui ne bénéficie d’aucune latitude de correction ou d’ajustement au cours des actes réalisés une fois les guides opératoires mis en place.
[0006] Un but de la présente invention est donc de proposer un système de positionnement, notamment pour un dispositif chirurgical tel qu’un moteur à main, qui permette de procurer une visualisation in situ en temps réel de l’orientation du dispositif chirurgical dans le champ opératoire sur une zone à opérer sans nécessiter le recours à une modélisation préalable du patient.
[0007] Un autre but de l’invention est de procurer un système de positionnement qui puisse se greffer et être utilisé avec des dispositifs chirurgicaux existants.
[0008] Un autre but de l’invention est de proposer un dispositif chirurgical permettant de donner une plus grande autonomie au praticien dans l’acte chirurgical réalisé.
Divulgation de l’invention
[0009] A cet effet, et conformément à la présente invention, il est proposé un système de positionnement sans fil en temps réel d’un objet par rapport à une cible, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un ensemble d’émetteurs et de récepteurs d’ondes électromagnétiques aptes à être positionnés respectivement sur un dit objet et une dite cible et,
- une unité électronique de commande dudit ensemble d’émetteurs et de récepteurs configurée pour piloter l’émission de dites ondes électromagnétiques par lesdits émetteurs selon un protocole de communication déterminé vers lesdits récepteurs et pour calculer la position de l’objet dans au moins deux dimensions de l’espace par rapport à la cible dans un repère attaché à ladite cible ;
- un moniteur de visualisation en temps réel de la position de l’objet par rapport à ladite cible calculée par ladite unité électrique, ledit moniteur étant indépendant de l’objet et de la cible. [0010] Un tel système de positionnement présente un intérêt tout particulier pour équiper des dispositifs ancillaires chirurgicaux par exemple afin de pouvoir procurer au chirurgien une référence visuelle d’orientation et de direction d’un geste chirurgical à effectuer suivant des orientations et plans anatomiques ou d’implantation déterminés en fonction d’une pathologie à traiter et des caractéristiques anatomiques et physiologiques d’un patient.
[0011] Le système de l’invention permet ainsi de suivre un enchaînement d’opérations par contact électromagnétique à distance entre la cible et l’objet opératoire. Les contacts électromagnétiques permettent en particulier un repérage des axes anatomiques simplifié. Le système peut notamment permettre de simplifier tout acte opératoire tel que perçage ou résection d’un membre osseux à implanter, notamment en chirurgie du genoux, en disposant sur les épiphyses fémorale et tibiale à réséquer lesdits récepteurs et lesdits émetteurs sur un moteur de coupe afin d’établir une référence certaine d’orientation sur l’épiphyse à réséquer, sans avoir à utiliser de système de guidage réglable lourds et complexes à mettre en œuvre avant implantation définitive des implants fémoraux et tibiaux d’une prothèse totale de genou par exemple.
[0012] Le système de positionnement de l’invention permet de manière légère et simple au chirurgien de pouvoir effectivement diriger son intervention en tenant compte de la géométrie réelle à la surface de la zone à travailler et donc de positionner son outil par rapport à cette zone pour travailler selon les angles et plans les plus justes, aussi en pouvant garder une latitude opératoire plus grande qu’avec des systèmes de guidage fixes.
[0013] De manière tout particulièrement avantageuse le positionnement d’un outil quelconque peut s’effectuer grâce au système de la présente invention directement par rapport à un point unique de dimensions réduites du fémur ou tibia d’un patient, sans se soucier de la position réelle de la jambe dans l’espace, tout en acquérant la position et l’orientation du membre à opérer selon 6 degrés de libertés par rapport à ce point repère. En outre le positionnement par repérage électromagnétique, notamment inductif, tel que proposé par la présente invention ne souffre pas de dérive et reste stable dans le temps. [0014] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, les émetteurs et récepteurs comportent des moyens de fixation amovible sur un dit objet et une dite cible. Un tel objet peut ainsi être un instrument chirurgical tel un moteur ou une scie et la cible peut être un membre à opérer.
[0015] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, les émetteurs et récepteurs sont des moyens de communication par émission- réception de signaux optiques, de préférence dans le domaine de l’infrarouge.
[0016] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, l’unité électronique de commande comporte une mémoire dans laquelle est enregistrée au moins une bibliothèque de cibles et d’objets, ainsi qu’une interface utilisateur pour configurer ladite unité pour piloter l’ensemble d’émetteurs et de récepteurs selon un protocole de communication déterminé en fonction d’un dit objet et d’une dite cible contenus dans la bibliothèque sélectionnés par un utilisateur et pour calculer la position de l’objet par rapport à la cible en fonction des données obtenues selon ledit protocole de communication.
[0017] Il est ainsi possible de charger l’unité de commande d’un programme de pilotage des émetteurs récepteurs en fonction d’une chirurgie particulière, avec des paramètres de triangulation préétablis par exemple, si le calcul de positionnement relatif de l’objet par rapport à la cible résulte de triangulation.
[0018] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, ladite unité de commande et ledit moniteur comportent des moyens de communication filaires ou sans fils, notamment par radiofréquences, ou des protocoles de communication Bluetooth, de données de positionnement de l’objet par rapport à la cible permettant l’affichage sur le moniteur de la position en temps réel de l’objet relativement à la cible.
[0019] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, l’unité de commande et ledit moniteur sont intégrés dans un même dispositif, notamment une tablette ou un ordinateur portable, ou un écran tactile.
[0020] Alternativement, l’unité de commande et le moniteur peuvent être constitués par des ordinateurs et/ou robots présents en salle d’opérations, notamment pour des systèmes de monitoring ou de commande d’autres appareils divers. [0021] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, les émetteurs et les récepteurs sont respectivement agencés selon une disposition déterminée sur un premier support et un second support, lesdits premier et second supports comportant desdits moyens de fixation amovible sur ledit objet et ladite cible. De tels supports peuvent notamment être des plaquettes de fixation sur un outil ou instrument ancillaire pour les émetteurs et des guides de coupe ou de perçage pour les récepteurs.
[0022] Selon une caractéristique du système de positionnement de l’invention, ce dernier comporte des moyens d’alimentation électrique desdits émetteurs, de l’unité électronique de commande et du moniteur. De tels moyens d’alimentation peuvent être notamment des batteries d’accumulations ou des connecteurs électriques filaires. Le cas échéant, les moyens d’alimentation électrique comporte au moins une batterie, commune ou spécifique aux dits émetteurs, de l’unité électronique de commande et moniteur.
[0023] Selon un second objet, l’invention propose également un dispositif chirurgical comportant un instrument à main muni d'un moteur rotatif, un arbre d'entrainement sur lequel est montée une pièce à main amovible comprenant un porte-outil et un outil, ledit instrument étant, de plus, muni :
- d'un module électronique d'asservissement dudit moteur comprenant un circuit électronique numérique,
- de moyens de commande de rotation dudit moteur,
- et d'une source d'alimentation électrique,
[0024] Ce dispositif chirurgical se caractérise en ce qu’il comporte en outre un système de positionnement tel que précédemment défini, dont les dits émetteurs sont aptes à être positionnés sur ledit instrument à main, en particulier sur le porte-lame de celui-ci, et lesdits récepteurs aptes à être positionnés sur une zone d’intervention chirurgicale à l’aide dudit outil.
[0025] Ainsi doté du système de positionnement de l’invention, le moteur et sa position dans l’espace peuvent être rapidement déterminés et visualisés sans besoin de structure mécanique annexe. Le moteur peut être utilisé seul sans balise ni repère. Il peut également de manière avantageuse être utilisé porté sur un bras électromécanique dont les actionneurs peuvent être asservis en fonction de la prise de repères chirurgicaux effectués par le système de positionnement de l’invention via l’unité de commande. On offre ainsi la possibilité d’un geste chirurgical selon les plans anatomiques et chirurgicaux sans requérir à des boites et guides de coupe le cas échéant.
[0026] Selon une caractéristique de ce dispositif chirurgical, ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au module électronique d’asservissement de l’instrument, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument.
[0027] En variante, ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au dit instrument et indépendante dudit module d’asservissement, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument.
[0028] En variante encore, ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au moniteur, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument, lesdits émetteurs étant connectés électriquement à la source d’alimentation électrique de l’instrument et étant pilotés par l’unité de commande à distance selon un protocole de communication filaire ou sans fil.
[0029] Selon une caractéristique de ce dispositif chirurgical ce dernier comporte au moins un guide opératoire de guidage de l’outil dans la zone d’intervention, lesdits récepteurs du système de positionnement étant aptes à être fixés sur le guide opératoire. Ce guide opératoire est notamment utile lorsque le moteur est destiné à être utilisé manuellement sans bras opératoire par un chirurgien.
[0030] Avantageusement, le guide opératoire est un bloc de coupe.
[0031] Selon une autre caractéristique de ce dispositif chirurgical, ledit circuit électronique numérique est muni d’au moins une mémoire contenant au moins deux ensembles de paramètres d'asservissement dudit moteur, chaque ensemble de paramètres d'asservissement étant associé à un porte- outil, ledit circuit électronique numérique étant agencé pour sélectionner automatiquement l’ensemble de paramètres d'asservissement en fonction du type de porte-outil détecté par lesdits moyens de détection automatique. Brève description des dessins
[0032] D'autres caractéristiques de la présente invention apparaftront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, dans lequel:
- la figure 1 représente une vue en perspective d’un instrument à main utilisé dans l’invention,
- la figure 2 représente une vue longitudinale d'un porte-outil de scie sagittale équipé,
- la figure 3 représente schématiquement l’instrument à main de la figure 1 équipé de la scie de la figure 2 et d’un système de positionnement selon la présente invention ;
- la figure 4 représente schématiquement des représentations accessibles au chirurgien sur le moniteur du système de positionnement de l’invention à partir de bibliothèques de données du patient et/ou d’un constructeur d’implant, déterminant les paramètres anatomiques de résection des épiphyses d’un fémur et d’un tibia en vue de la pose d’un implant total de genou ;
- la figure 5 représente schématiquement en perspective l’acte de résection à l’aide d’un dispositif chirurgical selon l’invention comportant l’instrument de la figure 1 équipé d’un système de positionnement selon l’invention ;
- les figures 6A et 6B représente une variante de mise en œuvre d’un système de positionnement selon la présente invention dans une configuration comportant un instrument à main associé à un bras robotisé articulé d’un robot chirurgical.
Mode(s) de réalisation de l’invention
[0033] En référence à la figure 1 , il est représenté un instrument à main 1 utilisé dans un dispositif selon l'invention. Ledit instrument à main 1 est muni d'un moteur rotatif 2 et d'un arbre d'entrainement 4 adapté pour accueillir une pièce à main amovible, non représentée. L'instrument comprend, en outre, une poignée 6 sensiblement perpendiculaire à l'axe d'entrainement 4. L'ergonomie générale de l'instrument est bien connue. Elle est choisie à dessein pour faciliter l'apprentissage des fonctionnalités supplémentaires, objets de l'invention. Par ailleurs, l'esthétique est soignée, les angles sont arrondis et la forme générale est homogène. Ces formes adaptées permettent une désinfection et un nettoyage aisés. Par ailleurs, l'instrument et ses outils peuvent être stérilisables à l’autoclave et lavables en machine.
[0034] L'instrument à main 1 est également muni d'un module électronique d'asservissement du moteur 2 comprenant un circuit électronique numérique.
[0035] L'asservissement s'applique avantageusement à un moteur électrique sans collecteur. Un exemple d'un asservissement d'un tel moteur est fourni, par exemple, dans le document WO 2005/037124A1.
[0036] Le module électronique permet donc, à tout moment, de contrôler la position du rotor, sa vitesse de rotation et son couple. Le moteur offre également une dynamique de fonctionnement très large, allant de vitesses très basses de quelques tours par minute (tr/min) jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de tr/min, tout en garantissant, grâce à l'asservissement, une grande précision de la vitesse et du couple fournis sur l'arbre d'entrainement 4.
[0037] L'instrument 1 est donc agencé, dans ce mode de réalisation, pour que le chirurgien le tienne par une poignée 6 et agisse sur des moyens de commande de rotation du moteur. Ces moyens sont représentés ici par une commande de type gâchette 8 pour ajuster la vitesse de rotation du moteur et par un bouton rotatif 10 permettant de mettre l'instrument 1 hors-tension dans la position médiane du bouton rotatif 10, de choisir une rotation du moteur dans un sens horaire lorsque le bouton rotatif 10 est tourné à droite et dans un sens antihoraire lorsque le bouton rotatif 10 est tourné à gauche. D'autres types de boutons sont bien évidemment envisageables comme, par exemple, un bouton poussoir.
[0038] La source d'alimentation électrique est fournie via un raccord électrique flexible 12 relié à l'instrument 1. Un autre mode de réalisation selon l'invention comprend une source d'alimentation électrique fournie par une batterie amovible directement montée sur l'instrument 1. Elle occupe avantageusement la position marquée 14 dans la figure en s'intégrant à la poignée 6.
[0039] De préférence, l'instrument 1 comprend des moyens de détection automatique du type de porte-outil monté. [0040] Il existe une variété de types de porte-outil adaptable sur l'arbre d'entrainement 4. A titre d’exemple non limitatif, un porte-outil 40, représenté sur la figure 2, permet les opérations de sciage par une scie sagittale 42, c'est-à-dire, une scie oscillante selon l'axe de rotation 44.
[0041] Chaque porte-outil induit un mode de fonctionnement particulier du moteur auquel correspond un ensemble de paramètres d'asservissement du moteur, adapté à chaque porte-outil. Ainsi, un ensemble de paramètres d'asservissement comprend des vitesses de rotation minimale et maximale, des sens de rotation autorisés, du couple maximal autorisé dans un sens de rotation horaire, du couple maximal autorisé dans un sens de rotation antihoraire et de l'action de maintien du couple ou d'arrêt du moteur lorsque le couple maximal est atteint.
[0042] Par ailleurs, le circuit électronique numérique du module d'asservissement est muni d’au moins une mémoire contenant les ensembles de paramètres d'asservissement du moteur, associés aux différents porte-outils utilisables.
[0043] Le circuit électronique numérique est agencé pour sélectionner automatiquement l’ensemble de paramètres d'asservissement en fonction du type de porte-outil détecté par les moyens de détection automatique.
[0044] Afin de procurer un guidage optimale au chirurgien pendant l’utilisation de l’instrument 1 , notamment pour la pose d’implant orthopédique comme un implant total de genou, l’invention propose un système de positionnement sans fil en temps réel qui permet d’opérer notamment les actions de résection épiphysaires puis de vissage d’implant avec précision dans un corps osseux O, comme représenté schématiquement aux figures 3 et 5.
[0045] Selon l’invention, le système de positionnement comporte un ensemble de capteurs émetteurs E et de récepteurs R d’ondes électromagnétiques, ou de faisceaux lumineux infrarouge par exemple, aptes à être positionnés respectivement sur l’instrument 1 et sur une tête osseuse O à réséquer, formant cible opératoire à l’instrument 1 , équipé d’une scie 42, notamment en un matériau amagnétique. Les émetteurs E sont avantageusement par exemple disposés sur un support plan ou tridimensionnel, muni de moyens de fixation sur l’instrument 1. De même, les récepteurs R peuvent êtres fixés de préférence sur un guide opératoire tel un bloc de coupe B procuré par un fournisseur d’implant et adapté à la résection adéquate des parties épiphysaires de la tête osseuse, par exemple tibiale sur les figure 3 et 5. Les récepteurs peuvent notamment être des éléments réflecteurs de faisceaux, permettant de renvoyer une image d’un faisceau émis par les émetteurs, lesdits émetteurs formant aussi dans ce cas un détecteur combiné. Alternativement, les récepteurs R peuvent être des détecteurs de faisceaux, auquel cas ils se doivent d’être actifs et alimentés électriquement.
[0046] Afin de piloter les émetteurs E et, le cas échéant récepteurs R, et calculé la position de l’instrument 1 , référentiel des émetteurs E, dans le référentiel objet de la tête osseuse O, que les récepteurs R permettent d’établir, le système de positionnement comporte également une unité électronique de commande des émetteurs E et récepteurs R configurée pour piloter l’émission de dites ondes électromagnétiques, par exemple non limitatif de type lumière infrarouge, par lesdits émetteurs E selon un protocole de communication déterminé vers lesdits récepteurs R et pour calculer la position de l’instrument 1 , et donc de la lame 42 amagnétique dans au moins deux dimensions de l’espace par rapport à la tête osseuse O à réséquer dans un repère attaché à celle-ci et défini par les récepteurs sur le bloc de coupe formant cible C.
[0047] Le système de positionnement de l’invention comporte enfin un moniteur de visualisation en temps réel de la position de l’instrument par rapport à la cible O, calculée par ladite unité électrique. Ce moniteur M est avantageusement un moniteur tactile, permettant non seulement un affichage mais aussi une interface tactile graphique utilisateur, déporté et indépendant de l’instrument 1 , ainsi que des émetteurs E et récepteur R, afin que le praticien puisse le positionner de la manière la plus adéquate pour lui suivre son acte en visuel de manière la plus confortable et stable possible. Ledit moniteur M peut ainsi typiquement être constitué d’une tablette graphique, ordinateur, ou moniteur vidéo quelconque servant d’affichage de la position de l’instrument 1 par rapport à sa cible C.
[0048] En pratique, l’affichage dans le moniteur se fait sous la forme d’un niveau V la variation angulaire indiquée représentant la ou les inclinaisons de l’instrument 1 et sa lame 42 par rapport à un plan de coupe prédéterminé sur la cible dont la trajectoire est en outre guidée par un fente éventuel dans un bloc de coupe sur lequel les récepteurs peuvent être fixés de préférence.
[0049] La prise en compte de ces plans de coupe dans l’affichage de la positon de l’instrument 1 et son outil 42 peut avantageusement résulter de la présence de bibliothèques préenregistrées dans une mémoire de l’unité électronique ou accessible via un réseau de communication filaire ou sans fil par l’unité électronique afin de permettre au chirurgien, en fonction des paramètres patients (figure 4 gauche), visualisables sur le moniteur, et de paramètres constructeurs de l’implant à mettre en place (figure 4 droite), de sélectionner et le cas échéant ajuster les orientations de plans de coupe à suivre à l’aide de l’outil, plans de coupe qui forment alors un repère d’orientation dans le moniteur lors de la réalisation de la coupe, comme schématisé à la figure 5.
[0050] Il est ainsi possible de charger l’unité de commande d’un programme de pilotage des émetteurs récepteurs en fonction d’une chirurgie particulière, avec des paramètres de triangulation préétablis par exemple, si le calcul de positionnement relatif de l’objet par rapport à la cible résulte de triangulation.
[0051] Ladite unité de commande peut être intégrée selon les cas au moniteur lui- même si celui-ci est constitué d’une tablette ou dans un ordinateur par exemple, sous la forme notamment d’un programme de commande, ledit moniteur ou ledit ordinateur comportant des moyens de communication optique, filaires ou sans fils, notamment par radiofréquences, ou des protocoles de communication Bluetooth, de données de positionnement obtenues par l’ensemble d’émetteurs E et de récepteurs R pour calculer la position de l’instrument et permettant l’affichage sur le moniteur de la position en temps réel de l’objet relativement à la cible.
[0052] Alternativement, l’unité de commande et le moniteur peuvent être constitués par des ordinateurs et/ou robots présents en salle d’opérations, notamment pour des systèmes de monitoring ou de commande d’autres appareils divers.
[0053] Selon une autre variante de réalisation, l’unité de commande peut être intégrée au module électronique d’asservissement de l’instrument de commande de l’instrument 1. Dans ce cas, ce module électronique peut non seulement communiquer avec l’ensemble d’émetteurs E et récepteurs R ainsi qu’avec le moniteur M sous une forme filaire ou sans fils. [0054] L’intégration de l’unité de commande du système de positionnement de l’instrument 1 présente l’intérêt de permettre un asservissement total de l’outil 42 à l’opération à effectuer. Ainsi, le module de commande, doté de capacités de reconnaissance d’un outil à main mis en place sur l’instrument par un chirurgien va pouvoir charger et piloter le moteur de l’instrument en fonction des paramètres de l’outil et des différentes actions à effectuer avec cet outil. De plus, le module peut aussi accéder aux données patients téléchargées et la bibliothèque de plans de coupe chargés dans la mémoire de l’unité de commande du système de positionnement, qui est éventuellement la même que celle du module d’asservissement moteur, afin d’intégrer ces données et ainsi permettre un réglage manuel éventuel des paramètres de l’instruments pour réaliser la coupe au mieux, ou encore ajuster les orientations de coupes directement dans l’interface utilisateur à l’écran du moniteur M (Figure 5).
[0055] Le système de positionnement de l’invention peut être procuré en série ou en option avec l’instrument 1. Il peut également être adapté sur des instruments existants ; dans ce cas l’unité de commande sera de préférence une unité de commande déportée et intégrée avantageusement au moniteur M sous la forme d’une tablette tactile faisant double office.
[0056] Il peut enfin être utilisé dans un cadre opératoire représenté à la figure 6B utilisant un bras articulé AA robotisé supporté à une première extrémité sur une table T ou base d’ancrage et à l’autre extrémité duquel l’instrument à main est fixé au moyen d’une articulation de type rotule servo-contrôlée.
[0057] Dans cette configuration, il n’est nécessaire de procurer qu’un émetteur E disposé sur le porte outil 40 agencé à l’extrémité de travail de l’instrument à main 1 , les autres émetteurs étant alors intégrés dans le bras articulé AA et notamment les articulations de celui-ci. Les récepteurs R peuvent alors simplement être agencés sur l’os à réséquer comme dans le mode manuel des figures 4 et 5, via un bloc de coupe ou plus simplement par une prise de repères manuelles du chirurgien sur l’os à l’aide d’un stylet portant un récepteur R, lesdits repères étant enregistrés dans l’unité de commande. Cette dernière effectue alors automatiquement le réglage du bras AA afin que le chirurgien ne puisse lors de l’acte chirurgical que guider l’instrument à main dans les plans de coupe anatomique repérés pour le patient, comme sur des rails de guidage procurés par le bras AA.
[0058] L’utilisation du système de positionnement de l’invention et d’un dispositif chirurgical équipé de celui-ci permet l’optimisation du matériel ancillaire, la réduction des coûts et la simplification du service après-vente mais également l’usage d’un moteur unique pour l’ensemble du bloc opératoire (sciage, vissage, perçage, etc.) tout en offrant au chirurgien précision et modularité d’opération en direct pour réaliser son travail.

Claims

Revendications
1. Système de positionnement sans fil en temps réel d’un objet ( 1) par rapport à une cible (c), caractérisé en ce qu’il comporte :
- un ensemble d’émetteurs (E) et de récepteurs (R) d’ondes électromagnétiques aptes à être positionnés respectivement sur un dit objet (1) et une dite cible (c) et,
- une unité électronique de commande dudit ensemble d’émetteurs (e) et de récepteurs (r) configurée pour piloter l’émission de dites ondes électromagnétiques par lesdits émetteurs selon un protocole de communication déterminé vers lesdits récepteurs et pour calculer la position de l’objet dans au moins deux dimensions de l’espace par rapport à la cible dans un repère attaché à ladite cible ;
- un moniteur (M) de visualisation en temps réel de la position de l’objet par rapport à ladite cible calculée par ladite unité électrique, ledit moniteur étant indépendant de l’objet et de la cible.
2. Système de positionnement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les émetteurs et récepteurs comportent des moyens de fixation amovible sur un dit objet et une dite cible.
3. Système de positionnement selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les émetteurs et récepteurs sont des moyens de communication par émission-réception de signaux optiques, de préférence dans le domaine de l’infrarouge.
4. Système de positionnement selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’unité électronique de commande comporte une mémoire dans laquelle est enregistrée au moins une bibliothèque de cibles et d’objets, ainsi qu’une interface utilisateur pour configurer ladite unité pour piloter l’ensemble d’émetteurs et de récepteurs selon un protocole de communication déterminé en fonction d’un dit objet et d’une dite cible contenus dans la bibliothèque sélectionnés par un utilisateur et pour calculer la position de l’objet par rapport à la cible en fonction des données obtenues selon ledit protocole de communication.
5. Système de positionnement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de commande et ledit moniteur comportent des moyens de communication filaires ou sans fils, notamment de type à ondes électromagnétiques ou protocoles de communication Bluetooth, de données de positionnement de l’objet par rapport à la cible permettant l’affichage sur le moniteur de la position en temps réel de l’objet relativement à la cible.
6. Système de positionnement selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’unité de commande et ledit moniteur sont intégrés dans un même dispositif, notamment une tablette ou un ordinateur portable.
7. Système de positionnement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les émetteurs et les récepteurs sont respectivement agencés selon une disposition déterminée sur un premier support et un second support, lesdits premier et second supports comportant desdits moyens de fixation amovible sur ledit objet et ladite cible.
8. Système de positionnement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens d’alimentation électrique desdits émetteurs, de l’unité électronique de commande et du moniteur.
9. Système de positionnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation électrique comporte au moins une batterie, commune ou spécifique aux dits émetteurs, de l’unité électronique de commande et moniteur.
10. Dispositif chirurgical comportant un instrument à main (1 , 50) muni d'un moteur rotatif (2, 52), un arbre d'entrainement (4, 54) sur lequel est montée une pièce à main amovible comprenant un porte-outil (20, 30,40) et un outil, ledit instrument étant, de plus, muni
- d'un module électronique d'asservissement dudit moteur comprenant un circuit électronique numérique,
- de moyens de commande de rotation dudit moteur (2, 52),
- et d'une source d'alimentation électrique ( 12),
caractérisé en ce qu’il comporte en outre un système de positionnement selon l’une des revendications 1 à 9, dont les dits émetteurs sont aptes à être positionnés sur ledit instrument à main et lesdits récepteurs aptes à être positionnés sur une zone d’intervention chirurgicale à l’aide dudit outil.
11. Dispositif chirurgical selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au module électronique d’asservissement de l’instrument, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument.
12. Dispositif chirurgical selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au dit instrument et indépendante dudit module d’asservissement, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument.
13. Dispositif chirurgical selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite unité de commande du système de positionnement est intégrée au moniteur, ledit moniteur étant indépendant et positionnable à distance dudit instrument, lesdits émetteurs étant connectés électriquement à la source d’alimentation électrique de l’instrument et étant pilotés par l’unité de commande à distance selon un protocole de communication filaire ou sans fil.
14. Dispositif chirurgical selon l’une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un guide opératoire de guidage de l’outil dans la zone d’intervention, lesdits récepteurs du système de positionnement étant aptes à être fixés sur le guide opératoire.
15. Dispositif chirurgical selon la revendication 14, caractérisé en ce que le guide opératoire est un bloc de coupe.
16. Dispositif chirurgical selon l’une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que ledit circuit électronique numérique est muni d’au moins une mémoire contenant au moins deux ensembles de paramètres d'asservissement dudit moteur (2, 52), chaque ensemble de paramètres d'asservissement étant associé à un porte-outil (20, 30, 40), ledit circuit électronique numérique étant agencé pour sélectionner automatiquement l’ensemble de paramètres d'asservissement en fonction du type de porte-outil détecté par lesdits moyens de détection automatique.
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