FR2692466A1 - Procédé de surveillance d'une opération chirurgicale. - Google Patents

Abstract

Pour assister le chirurgien au cours d'une opération de biopsie cervicale on choisit de présenter une image d'une coupe dans le cerveau du patient à l'endroit de l'extrémité de l'outil et perpendiculaire à la direction d'introduction de l'outil. On montre que ce choix donne un bien plus grand confort au praticien et lui permet de mener à bien l'opération sans risquer de blesser le patient.

Description

PROCEDE DE SURVEILLANCE D'UNE OPERATION CHIRURGICALE
La présente invention a pour objet un procédé de surveillance d'une opération chirurgicale notamment une opération effectuée sur le cerveau : par exemple une biopsie. Elle trouve son application dans toutes les opérations chirurgicales nécessitant au préalable un repérage stéréotaxique d'un endroit du corps d'un patient ou il faut intervenir.

Jusqu'à présent, pour intervenir sur un patient, par exemple pour effectuer une biopsie dans son cerveau, on procède de la façon suivante. On acquiert au préalable une connaissance stéréotaxique de l'endroit de l'intervention. Cette acquisition est par exemple menée en soumettant le patient à deux irradiations de rayons X orientées selon deux incidences différentes. Le repérage d'une de ces incidences par rapport à l'autre et le traitement des images obtenues dans chaque cas, permettent de déterminer, par rapport à un repère fixe par rapport à l'appareil de rayons X, la place où se trouve une tumeur dans le cerveau du patient et dans laquelle il faut pratiquer une biopsie. Cette démarche est, de ce point de vue, analogue à celle qui est pratiquée en mammographie.

Puis, le patient étant maintenu dans cette position, ou y étant replacé, on introduit une aiguille de biopsie dans son cerveau, au besoin après une petite trépanation, et on enfonce cette aiguille jusqu'à ce que son extrémité atteigne l'endroit de la tumeur. A ce moment on prélève une partie de cette tumeur. On extrait l'aiguille, et l'opération est terminée.

Cette manière de faire présente l'inconvénient que le travail du chirurgien est effectué en aveugle : il n'y a pas possibilité d'intervenir ou d'agir en quoi que ce soit au cours de l'opération.

Dans un autre mode d'intervention, en particulier en angiographie, il est connu d'introduire un cathéter dans les vaisseaux d'un patient et de suivre la progression de l'extrémité de ce cathéter dans ces vaisseaux en soumettant, pendant cette introduction, ce patient à une surveillance de scopie par rayons X.

L'image visualisée sur l'écran de contrôle de l'appareil de scopie est une image obtenue par projection : toutes les cellules humaines du corps placées sur le trajet des rayons X y participent. En angiographie cela n'est pas gênant parce que le chemin du cathéter est imposé par les vaisseaux par lesquel il circule. Le repérage exact de la position du cathéter dans le corps n'est pas nécessaire.

La transposition de cette idée de scopie, et de présentation d'images en projection, à une biopsie cranienne ne donne pas de résultat intéressant. En effet, un inconvénient essentiel vient de ce que, d'une part on ne peut soumettre le cerveau du patient à une irradiation, même faible, pendant une durée longue comme l'est la durée de la biopsie. D'autre part et surtout la présentation des images en projection ne donne pas d'information réellement utilisable compte tenu du nombre de cellules qui sont interposées sur le chemin des rayons X et qui ont contribué à l'élaboration de cette image.

De plus la tomodensitométrie par rayons X des tissus du cerveau est peu caractérisante. L'imagerie par
RMN est bien plus révélatrice, mais, compte tenu des conditions requises sur l'homogénéité du champ, on ne peut utiliser les instruments métalliques de chirurgie à l'intérieur de cette machine de RMN.

Il est néanmoins nécessaire de remplacer l'opération en aveugle par une opération au cours de laquelle le chirurgien est informé plus clairement de ce qu'il entreprend.

La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient, essentiellement en présentant une image d'une coupe de la partie du corps du patient dans laquelle on effectue l'opération, cette coupe étant située à l'endroit ot est censée être placée l'extrémité de l'instrument chirurgical. Il apparaît alors pour le praticien une bien meilleure présentation de l'image, et en particulier un meilleur point de vue de la situation.

De cette façon l'opérateur peut contrôler son intervention et prendre des décisions à partir des images de ces coupes. En effet elles décrivent particulièrement bien la situation anatomique autour de la tumeur à ponctionner et, les unes après les autres, le chemin de biopsie emprunté. De ce fait l'opérateur peut alors parfaire la ponction en modifiant la position du point de ponction sans recourir à un nouveau calcul stéréotaxique : tout simplement parce qu'il distingue dans l'image de la coupe un endroit où la tumeur est la plus volumineuse.

En pratique le praticien peut modifier ses prévisions initiales. En effet, pour une grosse tumeur on peut avec la même aiguille prélever plusieurs échantillons. Compte tenu du caractère traumatisant de l'introduction de l'aiguille, on s'arrange pour que les prélèvements soient tous situés sur un même trajet d'introduction. Avec le mode de l'invention, on voit très nettement les différents endroits où on peut effectuer ces autres prélèvements.

L'invention a donc pour objet un procédé de surveillance d'une opération chirurgicale caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes,
- on acquiert par une méthode d'investigation une image à trois dimensions d'une partie à opérer d'un corps,
- on simule l'introduction d'une extrémité d'un instrument chirurgical dans cette partie,
- on repère l'avance de la position de cette extrémité dans cette partie, et
- on représente sur un écran de visualisation une coupe du corps dont le plan de coupe passe par un endroit dans le corps où est censé se trouver cette extrémité.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent - Figure 1 : un exemple d'une machine permettant une
acquisition d'une image à trois dimensions du corps
d'un patient - Figure 2 : des particularités géométriques d'images
choisies pour être montrées sur l'écran en vue
d'assister l'opérateur de chirurgie - Figure 3 : différentes orientations de coupes
montrables avec l'invention - Figure 4 : des particularités de la représentation
des images sur un moniteur de visualisation ; - Figure 5 : une représentation de deux modes de
simulation.

La figure 1 montre, dans un exemple non limitatif qu'une machine de RMN est utilisée pour donner une image à trois dimensions du corps dtun patient. La machine de
RMN peut être remplacée par un tomodensitomètre à rayon
X, par un tomographe de médecine nucléaire, ou par un échographe donnant une série d'échographies prises les unes à côté des autres dans des plans parallèles ou dans un cône d'observation. Dans cette machine, un patient 1 est placé sur un panneau porte-patient 2 à l'intérieur d'un aimant 3. L'aimant 3 produit dans son volume d'intérêt, là où est placé le corps 1, en particulier la tête 4 du patient, un champ magnétique très homogène. La machine de RMN possède par ailleurs, non représentées, une antenne d'excitation électromagnétique ainsi que des bobines de gradient pour induire, respectivement, des séquences d'excitation-mesure d'une onde électromagnétique dans le corps 3 et des modifications locales du champ homogène de l'aimant. On sait, en répétant les séquences d'excitation-mesure pour différentes polarisations des bobines de gradient de champ, coder le signal RMN d'excitation résultant, puis le décoder à la réception pour en extraire une image par reconstruction. Un des algorithmes les plus connus de reconstruction d'image est l'algorithme dit 2DFT pour des magasins en deux dimensions, ou 3DFT en trois dimensions. La machine de RMN comporte dans ce but un micro-ordinateur 5 qui, d'une part, pilote la machine et d'autre part permet de calculer l'image à 2 ou 3 dimensions du corps étudié.

L'image à trois dimensions se présente comme une collection d'éléments image, affectés chacun d'une valeur de mesure représentative du phénomène étudié. Les éléments volumes sont repérés les uns par rapport aux autres par leurs trois coordonnées cartésiennes x, y, z dans l'espace. On peut cependant choisir un autre mode de représentation par exemple des coordonnés polaires.

Cette image à trois dimensions est généralement appelée volume numérique. L'image 6 à trois dimensions, qui est une image abstraite puisque seulement mémorisée dans une mémoire M gérée par l'ordinateur 5, est cependant une image repérée dans un repère x, y, z calé par rapport au repère XYZ dans lequel a été maintenu le cerveau 4 du patient sur lequel on va effectuer plus tard l'opération.

En général le système de repérage x, y, z est tout à fait solidaire d'un dispositif de contention qui maintient la partie 4 du corps 1 du patient. Pour éviter que celui-ci ne bouge il est même quelquefois connu de l'endormir. Dans l'invention, pour l'examen de la tête du patient, cette tête a été maintenue dans un tel dispositif, puis on a placé le patient dans la machine et on a acquis l'image à trois dimensions 6.

Sur la figure 2 on a représenté un volume numérique représentatif de cette image sous la forme dans laquelle il a été acquis. L'acquisition pourrait être, d'une manière alternative, obtenue avec un tomodensitomètre à rayons X ou un autre appareil : du moment qu'on obtient à l'issue de l'examen une image à trois dimensions de la partie concernée du corps. Le volume numérique est représenté parallèlement aux axes de repérage XYZ avec des tirets. On a également montré la tête 4 du patient.

A partir du volume numérique on peut, en étudiant toutes les images possibles, déterminer de la même façon que pour une étude stéréotaxique préalable l'endroit où se trouve la tumeur. Celle-ci est alors repérable, et repérée, par rapport aux axes XYZ. On peut déterminer de la même façon que dans l'état de la technique un lieu d'introduction 7 d'une aiguille de biopsie sur la surface du crâne 4, et un lieu de prise de biopsie 8 à l'intérieur de ce crâne. Pour une autre opération qu'une biopsie on procédera de la même façon.

On peut, comme dans l'état de la technique, prévoir l'enfoncement d'une aiguille d'une grandeur calculée de manière à ce qu'elle aboutisse au lieu 8. Mais, dans l'invention, pour mieux suivre l'évolution de l'enfoncement de l'aiguille, on a choisi de montrer des images de coupe, dans le volume numérique, qui soient prises perpendiculaires à la direction 9 de pénétration de l'instrument dans le cerveau 4. Les directions de pénétration sont mesurées par des angles a et ss ou a et s de repérage de direction par rapport au repère XYZ.

Ces angles qui sont égaux aux cosinus directeurs de la direction d'introduction, sont en même temps les cosinus directeurs du plan perpendiculaire à cette direction. On a alors tous les paramètres mathématiques nécessaires pour prélever dans le volume numérique une image oblique passant par ce plan. Ces angles sont ceux avec lesquels est orientée l'aiguille.

La figure 3 montre le volume numérique et la direction d'introduction 9. Par rapport à cette direction d'introduction, on peut déterminer une famille de plans tels que le plan P coupant le volume numérique selon une droite inclinée sur une des faces de ce volume parallèlement à la droite D. La partie qui est montrée dans l'image est la partie, dans le plan P, qui se trouve à l'intérieur du volume numérique. On sait, notamment par un procédé décrit dans la demande de brevet Français 90 06513 représenter une image oblique perpendiculaire à la direction d'introduction 9. On représente alors cette image oblique.

Dans cette image oblique représentée on peut également repérer la position de l'extrémité courante 8.

La position dans l'espace de l'extrémité de l'instrument de chirurgie est repérée par ailleurs par rapport au support qui porte cet instrument. Ce support est lui-même calé de manière adéquate par rapport au repère
XYZ. A tout moment, au moyen d'un capteur de déplacement, par exemple placé à l'arrière de l'aiguille, on peut repérer sa profondeur d'enfoncement depuis une position initiale. On peut alors en déduire une position atteinte par l'extrémité 8 dans le cerveau 4. Dans cette position atteinte, et repérée par rapport au repère XYZ, on peut en déduire un point par lequel passe le plan P. On utilise alors la direction d'introduction 9 et la position du point 8 appartenant au plan P pour déterminer quelle est l'image en coupe qu'il faut présenter au chirurgien.

Plutôt que d'effectuer tout de suite la visualisation en temps réel, progressivement, de toute les images de coupe, au fur et à mesure de l'enfoncement de 11 aiguille, on peut préalablement simuler cet enfoncement. La figure 5 montre une possibilité de lier l'image montrée sur un moniteur 13, soit à une mesure, avec un index 15 passant devant une échelle électrique graduée 16, de la position vraie de l'extrémité 8, soit à une simulation de cette position indiquée au moyen d'un bouton 17 ou d'une souris ou d'une boule de manoeuvre. I1 est également possible de se livrer à une simulation de part et d'autre du lieu d'introduction, au moment même de l'introduction. Dans ce cas on bascule avec une commande supplémenatire de la position vraie à des positions simulées.

Sur la figure 4 on a montré, sur la partie droite, ce que voit le chirurgien sur le moniteur de visualisation 13 au fur et à mesure que l'aiguille de biopsie s'enfonce dans le cerveau du patient. L'image montrée présente essentiellement des contours tels que 10 à 12. On peut également pointer par un index, par exemple ici symboliquement une croix ou bien une surbrillance, la position de l'extrémité de l'aiguille à l'endroit correspondant de l'image. En utilisant des dispositifs de recalage d'images, on peut aussi s'arranger pour que la position de l'index qui marque la position de l'extrémité de l'instrument soit sensiblement centrée dans l'image. On peut également utiliser des options d'agrandissement (zoom) quand on approche de la partie critique.

On a également représenté sur la partie gauche de la figure 4 une autre image qui peut être représentée à la place de la précédente ou, de préférence, en accompagnement de la précédente. Cette image, plutôt que d'être une image prise dans un plan perpendiculaire au plan de pénétration de l'aiguille est une image prise dans le plan de l'aiguille elle-même. Pour simplifier l'explication on peut imposer que l'image dans le plan de l'aiguille contienne également l'axe vertical Z. Mais ceci n'est pas une obligation et on peut être amené à trouver d'autres inclinaisons, voire même à faire défiler dans l'image de gauche différentes orientations de plan de coupe pour choisir la meilleure. Sur la figure 3 en correspondance on a représenté un plan Q parallèle à la direction de coordonnée Z et contenant la direction d'introduction 9. Il est tout à fait possible de faire tourner le plan Q autour de la direction 9 et de montrer l'image oblique ainsi définie sur la partie gauche de l'écran. On peut également la montrer à droite ou au dessus ou au dessous de l'image perpendiculaire.

De même les deux images n'ont pas nécessairement la même grandeur, une des images pouvant être une incrustation dans l'autre.

De préférence l'acquisition est entreprise au préalable, la partie du corps du patient étant maintenue par rapport à un repère transposable, de l'appareil d'investigation à l'appareil de chirurgie. Cependant, dans certaines modalités il peut être envisagé d'effectuer l'acquisition en temps réel en même qu'on pratique l'intervention chirurgicale.

Quel que soit le mode d'acquisition, on élaborera de préférence dans l'invention les images des coupes en temps réel par rapport à l'introduction de l'instrument dans le corps ou à la simulation de cette introduction.

Ceci n'est pas une grande contrainte mais présente par ailleurs l'avantage de ne pas surcharger la mémoire de l'ordinateur 5 avec les images stockées par avance et demandant trop d'espace. En effet pour un volume numérique correspondant à 64 coupes de 1024 points par 1024 points on a déjà besoin de 480 méga octets pour stocker le volume numérique. Le signal à l'endroit de chaque élément d'image est codé sur 32 bits. I1 n'est pas envisageable en conséquence de stocker, en duplication, l'équivalent de ce volume numérique pour représenter toutes les images selon tous les axes non canoniques du repère. C'est la raison pour laquelle on préfère les calculer en temps réel. L'algorithme de calcul indiqué dans la demande citée ci-dessus permet d'arriver à ce résultat.

En outre on a évoqué jusqu'a présent les aiguilles droites. Il est néanmoins possible d'utiliser des aiguilles courbes : l'introduction n'étant plus linéaire mais étant circulaire. Dans ce cas également compte tenu de ce que les orientations des coupes changent à chaque fois, il est bien préférable de calculer les images en temps réel. On connait leur position et leur orientation à partir du rayon de courbure de l'aiguille, et des manipulations géométriques auxquelles elle est soumise.

Sur la coupe de la partie gauche de la figure 4 on a simulé la représentation de l'aiguille par un tracé d'un trait 7-8; ce tracé, comme la surbrillance précédente peut être obtenu avec un générateur de caractère qui superpose à l'image visualisée sur le moniteur 13 de la figure 4 l'image du trait 7-8.

En résumé, la suite des opérations effectuées est la suivante. On acquiert une acquisition volumique dans des conditions stéréotaxiques de la partie du sujet à opérer. Il n'y a aucune contrainte particulière à respecter du fait de la méthode de l'invention. Des conditions stéréotaxiques peuvent être obtenues avec des cadres standards du commerce, et la précision résultant du système sera celle offerte par cette acquisition. En conditions pré-opératoire, on procède à un calage du repère stéréotaxique par rapport à l'acquisition volumique. Cette procédure, comme il en existe plusieurs décrites dans la littérature, et chez les constructeurs de cadres stéréotaxiques, permet d'utiliser le système de coordonnées du cadre stéréotaxique dans le volume d'acquisition de l'image. De cette façon, le volume acquis et l'outil de chirurgie sont maintenant repérés dans le même repère stéréotaxique. On procède ensuite à une calibration du déplacement de l'outil de chirurgie dans le repère stéréotaxique, et donc dans le volume d'acquisition. Enfin, au cours de l'opération, on représente l'outil de chirurgie et les images recalculées du volume d'acquisition simultanément et en temps réel. La connaissance de la position de l'outil permet de choisir une image reconstruite de l'espace où travaille l'outil.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 - Procédé de surveillance d'une opération chirurgicale caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes,

- on acquiert (3-6) par une méthode d'investigation une image (6) à trois dimensions d'une partie (4) à opérer d'un corps,

- on simule (15-17) l'introduction d'une extrémité (8) d'un instrument chirurgical dans cette partie,

- on repère l'avance de la position de cette extrémité dans cette partie, et

- on représente sur un écran de visualisation une coupe (10-12) du corps dont le plan de coupe passe par un endroit (8) dans le corps où est censé se trouver cette extrémité.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on représente sur l'écran une coupe (P) perpendiculaire à une direction (9) de pénétration de l'extrémité de l'instrument dans le corps.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que pour représenter la coupe on élabore l'image de la coupe en temps réel par rapport à une simulation (17) de l'introduction de l'instrument.

4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on montre dans la coupe un index (8) représentatif de la position de l'extrémité de l'instrument.

5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on montre une image de la coupe centrée sur la position de l'extrémité de l'outil.

6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on montre, côte à côte sur l'écran de visualisation, deux coupes du corps dont le plan de coupe passe par l'endroit dans le corps où se trouve l'extrémité de l'instrument, ces deux coupes étant perpendiculaires entre elles.

7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que pour représenter la coupe on élabore l'image de la coupe en temps réel par rapport à l'introduction véritable de l'instrument dans le corps.