FR2871363A1 - Dispositif robotise de guidage pour outil chirurgical - Google Patents

Abstract

Le dispositif (100) comporte :- un bras robot (120);- des moyens de collecte de repères anatomiques (120, 190) mettant en oeuvre ledit bras robot ;- des moyens de traitement desdits repères anatomiques (130, 138) et- des moyens de positionnement automatique (120, 130, 137) d'un instrument de guidage (200, 210) porté par ledit bras robot, ledit positionnement étant fonction du résultat dudit traitement.Préférentiellement, le bras robot (120) présente au moins six degrés de liberté et est adapté à recevoir un guide de coupe (200, 210) et/ou de perçage et/ou un outil de pointage (190).Préférentiellement, le bras robot (120) comporte un capteur d'effort (180) et est adapté à fonctionner selon un mode dans lequel un utilisateur a la capacité de déplacer le bras robot manuellement en le saisissant par sa partie terminale.

Description

DISPOSITIF ROBOTISE DE GUIDAGE POUR OUTIL CHIRURGICAL

La présente invention concerne un dispositif robotisé de guidage pour outil chirurgical. Elle s'applique en particulier au guidage mécanique pour une lame de scie oscillante ou un foret de perçage dans une variété d'applications en chirurgie.

De nombreuses applications chirurgicales dans différentes spécialités (orthopédie, neurochirurgie, maxillo-facial, etc.) requièrent la découpe ou le perçage précis de tissus osseux. C'est le cas par exemple dans les chirurgies autour du genou (prothèses, ostéotomies, ligamentoplasties), en chirurgie du rachis (vissage pédiculaire) ou en neurochirurgie.

Ces procédures sont traditionnellement effectuées à l'aide d'instruments le plus souvent motorisés (perceuse, fraiseuse, scie, etc.) qui sont positionnés, dirigés et maintenus soit directement par le chirurgien soit à l'aide de guides mécaniques souvent complexes et imprécis. Les aléas de réalisation de gestes liés à ces techniques rudimentaires ne rendent pas le résultat opératoire toujours parfaitement prévisible.

De nombreuses études dans ces différentes spécialités chirurgicales suggèrent qu'une exécution plus précise des découpes ou perçages osseux conduirait à de meilleurs résultats post-opératoires (par exemple en augmentant la durée de vie d'une prothèse de genou).

La présente invention vise à permettre une exécution plus précise du geste chirurgical lors d'une découpe ou d'un perçage de tissus osseux.

À cet effet, la présente invention vise un dispositif de guidage d'un outil chirurgical, caractérisé en ce qu'il comporte: - un bras robot; des moyens de collecte de repères anatomiques mettant en oeuvre ledit bras robot; - des moyens de traitement desdits repères anatomiques et - des moyens de positionnement automatique d'un instrument de guidage porté par ledit bras robot, ledit positionnement étant fonction du résultat dudit traitement.

Le dispositif constitue ainsi, dans une forme préférentielle, un dispositif robotisé chirurgical utilisé pour le positionnement optimal d'un guide de coupe ou de perçage.

Selon des caractéristiques particulières, le bras robot présente au moins six degrés de liberté et est adapté à recevoir un guide de coupe et/ou de perçage et/ou un outil de pointage.

On observe qu'un même instrument peut servir, d'une part, pour le pointage et, d'autre part, pour le guidage. Le dispositif robotisé peut alors positionner le guide à l'endroit précis où la découpe ou le perçage doit être effectué. L'acte de découpe osseuse ou de perçage est réalisé au travers du guide par le chirurgien à l'aide d'une scie oscillante ou d'une perceuse chirurgicale. Le dispositif robotisé offre ainsi l'indispensable rigidité nécessaire au maintien stable et précis du guide.

Selon des caractéristiques particulières, le bras robot comporte un capteur d'effort et est adapté à fonctionner selon un mode dans lequel un utilisateur a la capacité de déplacer le bras robot manuellement en le saisissant par sa partie terminale.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte un écran de contrôle équipé d'une interface de communication avec un utilisateur adapté à recevoir d'un utilisateur des paramètres de planification opératoire.

Grâce à ces dispositions, les moyens de traitement peuvent tenir compte des paramètres de planification opératoire pour commander le positionnement de l'instrument de guidage. Ainsi, les angles de coupe ou de perçage, par exemple, peuvent être fournis au dispositif grâce à une interface graphique simple et conviviale. L'interface de communication peut, par exemple, prendre la forme d'un clavier, d'une interface tactile et/ou d'une souris.

Selon des caractéristiques particulières, les moyens de traitement sont adaptés à définir chaque position requise du guide grâce à des calculs tridimensionnels réalisés à partir des paramètres de planification opératoire et des coordonnées spatiales des repères anatomiques.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte une interface avec un système de navigation chirurgicale pouvant travailler à partir d'images préopératoires de la zone osseuse (scanner, radiographie,...) ou à partir d'informations per-opératoires.

Grâce à ces dispositions, les moyens de traitement peuvent tenir compte des informations fournies par le système de navigation chirurgicale pour commander le positionnement de l'instrument de guidage. Ces moyens externes complètent les moyens de collecte point à point de repères anatomiques. Dans cette configuration, la position requise du guide, calculée par le système de navigation chirurgicale, et exprimée en terme de position cartésienne dans un repère de référence, est transmise au dispositif de guidage par l'intermédiaire d'une liaison matérielle de communication conformément à un protocole pré-défini.

Dans cette configuration, le dispositif robotisé objet de la présente invention constitue aussi un périphérique d'exécution précise de la planification opératoire réalisée au moyen du système de navigation chirurgicale.

Selon des caractéristiques particulières, l'instrument de guidage comporte des surfaces sensiblement cylindriques permettant de limiter les surfaces de contact, et donc de limiter les frottements, avec une lame de scie oscillante tout en conservant un guidage efficace.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte des moyens de fixation d'un membre inférieur adaptés à assurer une immobilisation de la jambe à deux niveaux: - au niveau de la cheville grâce à une crémaillère - au niveau du genou grâce à des pointes vissées au niveau des épiphyses fémorale et tibiale.

Ces moyens de fixation du membre inférieur permettent de garantir l'immobilité de la jambe pendant les phases de collecte des repères anatomiques et lors de la découpe osseuse et/ou du perçage.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte des moyens de fixation du genou qui comportent: - une barre formant une partie sous-articulaire du genou, - deux appuis plans contre lesquels le genou est placé et - une lanière adaptée à maintenir le genou contre ces plans.

Ces moyens de fixation du genou permettent de garantir l'immobilité de la jambe pendant les phases de collecte des repères anatomiques et lors de la découpe osseuse et/ou du perçage.

Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de guidage d'un outil chirurgical, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de collecte de repères anatomiques mettant en oeuvre un bras robot; - une étape de traitement desdits repères anatomiques et - une étape de positionnement automatique d'un instrument de guidage porté par ledit bras robot, ledit positionnement étant fonction du résultat dudit traitement. Les avantages, buts et caractéristiques dudit procédé étant similaires à ceux du dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus, ils ne sont pas rappelés ici.

D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente, schématiquement, en perspective, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention muni d'un outil de collecte de points; - les figures 2A et 2B représentent, en perspective, des outils de guidage mécaniques susceptibles de remplacer, dans le dispositif illustré en figure 1, l'outil de collecte de points; la figure 3 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d'un moyen de fixation complémentaire au dispositif objet de la présente invention; - la figure 4 représente, schématiquement, un autre mode de réalisation particulier d'un moyen de fixation complémentaire au dispositif objet de la présente invention; - la figure 5 représente, schématiquement, un autre mode de réalisation particulier d'un moyen de fixation complémentaire au dispositif objet de la présente invention; - la figure 6 représente, sous forme de schéma-bloc, différents modules d'une application logicielle mise en oeuvre par le dispositif illustré en figure 1 et - la figure 7 représente un logigramme d'étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.

On observe, en figure 1, un dispositif robotisé 100 muni d'un bras robot 120 doté d'articulations comportant des moteurs 122 et des codeurs incrémentaux 124, une unité centrale 130, un moyen d'affichage 140, une interface d'entrée manuelle de données 150, une interface d'entrée informatique de données 160 et des moyens de fixation du dispositif à une table chirurgicale 170 (non représenté).

Le bras robot 120 est un bras à six articulations. Chaque articulation est équipée d'un capteur 124 qui mesure sa valeur angulaire (codeur incrémentai) et ces données permettent, grâce à la géométrie connue du robot, de calculer la position cartésienne de l'extrémité du bras robot 120: la position cartésienne de l'extrémité de l'instrument est calculée à partir des positions articulaires mesurées grâce aux codeurs incrémentaux situés au niveau de chacun des axes du bras robot.

En figure 1, le bras robot 120 porte, en son extrémité, un outil de collecte de points 190. Les repères anatomiques à collecter avec l'outil de collecte de points 190 sont connus de l'homme du métier. Dans un mode de fonctionnement de collecte de points, un utilisateur, par exemple un chirurgien, met en déplacement l'outil de collecte de points jusqu'à être en appui avec un repère remarquable de l'anatomie du patient et valide la collecte de coordonnées de ce point, par la mise en oeuvre de l'interface d'entrée manuelle de données 150. Comme indiqué ci-dessous, l'unité centrale mémorise alors les coordonnées dans l'espace du point considéré et sa signification anatomique.

Le dispositif 100 est caréné de manière à présenter un minimum de recoins afin d'éviter que des poussières ou des éléments pathogènes puissent s'y loger. Le dispositif 100 est monté sur une base roulante 110 qui assure une manipulation et un déplacement aisée du dispositif 100. Les roues de la base roulante 110 présentent des moyens de blocage de type connu.

Le bras robot 120 présente ici six degrés de liberté qui permettent de positionner dans l'espace un outil de collecte de points ou un guide de coupe ou de perçage, tant en position (3 degrés de liberté) qu'en orientation (3 degrés de liberté).

Le moyen d'affichage 140 est ici un écran informatique plat, par exemple à écran à cristaux liquides ou à plasma. L'interface d'entrée manuelle de données est ici un écran tactile positionné sur l'écran informatique plat 140. En variante, il comporte un dispositif de pointage, par exemple une souris.

L'interface d'entrée informatique de données 160 est un port d'entrée susceptible de relier l'unité centrale 130 à un autre système informatique, par exemple un système de navigation chirurgicale pouvant travailler à partir d'images pré-opératoires de la zone osseuse (scanner, radiographie,...) ou à partir d'informations per-opératoires.

On rappelle que les systèmes de navigation chirurgicale permettent, en temps réel, de localiser dans l'espace les outils du chirurgien et d'afficher sur un écran leur position par rapport à des structures anatomiques identifiées ou par rapport à une trajectoire planifiée. Certains systèmes de navigation utilisent une imagerie pré-opératoire (scanner ou autre). D'autres systèmes de navigation fonctionnent sans imagerie. Ces derniers peuvent par exemple utiliser un algorithme de reconstruction tridimensionnelle basé sur l'acquisition d'un nuage de points de la surface osseuse concernée.

Ces moyens externes se substituent alors aux, ou complètent les moyens de collecte point à point de repères anatomiques mettant en oeuvre l'outil de collecte de points 190. Dans cette configuration, la position requise du guide (voir figure 2), calculée par le système de navigation chirurgicale et exprimée en terme de position cartésienne dans un repère de référence est transmise au dispositif de guidage par l'intermédiaire d'une liaison matérielle de communication conformément à un protocole pré- défini.

L'unité centrale 130 met en oeuvre une partie logicielle 132, qui échange des données avec des éléments extérieurs: - un support de communication pour les échanges avec le chirurgien, ici l'écran 140 et l'écran tactile 150; - un support de communication avec un autre système informatique (voir ci- dessus), - un capteur d'effort 180 qui renseigne à tout moment l'application informatique sur la valeur (nature et intensité) des efforts exercés au niveau de l'instrument placé en extrémité de bras robot 120 (outil de collecte de point ou guide de coupe ou de perçage) et - le bras robot manipulateur 120 qui positionne le guide (voir figures 2A et 2B).

Le système de fixation 170 (non représenté) du dispositif robotisé 100 à la table opératoire est constitué comme suit: la base roulante est équipée de deux poignées de fixation qui ont les même dimensions qu'un rail de table opératoire (tailles standards). Deux barres sont solidaires de fixe-rails fixés sur le rail de la table et sur la poignée de la base.

Le guide illustré en figures 2A et 2B comporte une embase 200 adaptée à être fixée sur le bras 120, à la place de l'outil de collecte de points 190. En variante, le même objet permet d'une part le guidage de l'outil chirurgical et la collecte de points anatomiques remarquables.

De manière décalée, par rapport à l'axe de l'embase 200, deux couples de cylindres de guidage parallèles 210 sont adaptés, chacun, à guider un instrument chirurgical de coupe. A cet effet, les cylindres de guidage de chaque couple sont séparés par un espace de quelques millimètres, à peine supérieur à l'épaisseur de l'instrument chirurgical à guider.

Les deux couples de cylindres de guidage 210 sont séparés de quelques centimètres, par exemple cinq centimètres, pour que le plan de guidage soit bien défini par ces couples de cylindres de guidage.

Le dispositif robotisé illustré aux figures 1 à 7 offre ainsi un guidage mécanique pour une lame de scie oscillante ou un foret de perçage dans une variété d'applications en chirurgie (orthopédie, chirurgie du rachis par exemple vissage pédiculaire, neurochirurgie, maxillo-facial, etc.) qui requièrent la découpe ou le perçage précis de tissus osseux.

Le dispositif robotisé illustré aux figures 1 à 7 est plus particulièrement représenté dans le cas des chirurgies autour du genou (prothèses, ostéotomies, ligamentoplasties).

Les outils à guider sont le plus souvent motorisés (perceuse, fraiseuse, scie, etc.) et sont positionnés, dirigés et maintenus par le chirurgien à l'aide de l'outil de guidage, par exemple l'outil de guidage illustré en figures 2A et 2B.

Le dispositif robotisé objet de la présente invention permet le positionnement d'un guide de coupe ou de perçage. Son utilisation repose sur trois phases: une première phase de solidarisation mécanique de la zone osseuse concernée par la procédure chirurgicale et du dispositif robotisé à la table chirurgicale, une deuxième étape de collecte de repères anatomiques et une troisième étape de positionnement automatique d'un instrument de guidage.

La collecte point à point des repères anatomiques est effectuée à l'aide de l'outil de collecte de points 190 monté en bout du bras robot 120. Le dispositif robotisé fonctionne alors en mode coopératif dans lequel le chirurgien a la capacité de déplacer le bras robot 120 manuellement en le saisissant par sa partie terminale 190. La position cartésienne de l'extrémité de l'instrument est calculée à partir des coordonnées articulaires du bras robot mesurées grâce aux codeurs incrémentaux situés au niveau de chacun des axes du bras robot 120.

Au cours de l'étape de collecte de repères anatomiques, l'écran 140 indique à l'utilisateur le repère anatomique qu'il doit acquérir (par exemple, la malléole interne). L'utilisateur saisit manuellement l'outil de collecte de points 190, déplace le bras robot 120 en mode coopératif jusqu'à amener l'extrémité de l'outil de collecte de points 190 au niveau du repère désiré. II valide l'acquisition par l'intermédiaire de l'écran tactile 150. L'interface indique alors au chirurgien le repère suivant à acquérir, et ainsi de suite jusqu'à ce que tous les repères désirés aient été acquis.

Dans le mode coopératif, le capteur d'effort 180 enregistre les efforts exercés sur la partie terminale du bras robot 120. Le module de calcul 138 (voir figure 6) calcule à partir de ces efforts la nature et l'intensité du déplacement souhaité par l'utilisateur.

A l'aide du bras-robot 120 muni de son outil de collecte de points 190 et activé en mode coopératif , l'étape de collecte point à point consiste donc à collecter une série de repères anatomiques afin de définir la position spatiale de la zone osseuse par rapport au bras robot 120. Le chirurgien peut ensuite introduire les paramètres opératoires désirés (par exemple, les angles de coupe ou de perçage) grâce à une interface graphique simple et conviviale affichée sur l'écran 140 et à l'écran tactile 150.

La position requise du guide est ensuite définie grâce à des calculs tridimensionnels réalisés, par un module de calcul 138 (voir figure 6) à partir des paramètres de planification donnés par le chirurgien et des coordonnées spatiales des repères anatomiques collectées au cours de la phase de collecte.

Pour l'étape de positionnement, le guide de coupe ou de perçage (voir figures 2A et 2B) est installé à la place de l'outil de collecte de points 190 en bout du bras robot 120. En variante, un même instrument peut servir pour le pointage et le guidage. Le dispositif robotisé 100 positionne alors le guide précisément sur le plan de la découpe ou dans l'axe du perçage à effectuer. Le mode coopératif peut alors être activé par l'utilisateur pour déplacer le guide dans le plan ou le long de l'axe choisi. L'acte de découpe osseuse ou de perçage est réalisé au travers du guide par le chirurgien à l'aide d'une scie oscillante ou d'une perceuse chirurgicale. Le dispositif robotisé offre l'indispensable rigidité nécessaire au maintien stable et précis du guide.

La position requise du guide peut également être définie grâce à un moyen externe tel qu'un système de navigation chirurgicale à partir d'images pré-opératoires de la zone osseuse (scanner, radiographie,...) ou à partir d'informations per-opératoires, se substituant ou complétant ainsi la procédure de collecte point à point de repères anatomiques. Dans cette configuration, la position requise du guide, calculée par le système de navigation chirurgicale et exprimée en terme de position cartésienne dans un repère de référence, est transmise au dispositif robotisé par l'intermédiaire de la liaison matérielle de communication 160, conformément à un protocole pré-défini. Dans cette configuration, le dispositif robotisé constitue un périphérique d'exécution précise de la planification réalisée au moyen du système de navigation chirurgicale.

Le système de fixation du membre (voir figures 3, 4 et 5) permet de garantir l'immobilité de la jambe pendant les phases de collecte des repères anatomiques et lors de la découpe osseuse à la scie oscillante.

Ce système de fixation permet une immobilisation de la jambe à deux niveaux: - au niveau de la cheville grâce à une crémaillère (figure 3) au niveau du genou grâce à quatre pointes vissées au niveau des épiphyses fémorale et tibiale (figure 4).

La stabilité d'ensemble de ce système de fixation du membre pour prothèse de genou est assurée grâce à un ancrage 310 au niveau des rails latéraux 305 de la table d'opération.

On observe, en figure 3, que les moyens de fixation de la cheville du patient comportent un fixe rail 310, un axe de translation vertical 315, qui peut être bloqué grâce à une vis 320, un axe de translation horizontal perpendiculaire à l'axe de la table opératoire 325, qui peut être bloqué grâce à une vis 330 et une barre d'appui 335 sur laquelle est posé le pied du patient.

On observe, en figure 4, d'autres moyens de fixation du membre inférieur: le membre inférieur est posé sur la barre de soutien 340 qui se place sous le genou. Deux tiges 345 sont vissées au niveau du fémur (les os sont apparents dans la procédure de pose de prothèse) et deux autres tiges 345 sont vissées au niveau du tibia. Le système peut coulisser puis être fixé sur le rail de la table opératoire grâce au fixe-rail 310 et peut être déplacé grâce aux axes de translation 315 et 325 qui peuvent être bloqués par les vis 320 et 330.

Les deux parties du système (cheville et genou) sont indépendantes mais sont utilisées conjointement pour garantir la rigidité de l'ensemble du membre inférieur lors de la procédure.

Le système de fixation du membre inférieur pour ostéotomie (opération de découpe tibiale) repose sur le même principe que celui décrit précédemment avec une immobilisation de la jambe au niveau de la cheville (non représentée) et du genou (voir figure 5).

La partie cheville est la même mais la partie genou est différente car les os ne sont pas apparents lors de la procédure d'ostéotomie. Ce système est moins traumatisant pour l'organisme car il n'est pas invasif. Le genou est maintenu car il est serré contre les appuis plans par une lanière. Le principe du système d'immobilisation du genou est le suivant: - la partie sous-articulaire du genou repose sur une barre, - le genou est placé contre deux appuis plans - et maintenu contre ces plans grâce à une lanière.

Il est possible de régler l'angulation des deux appuis et la longueur de l'un d'eux.

On observe, en figure 5, de tels moyens de fixation du genou, comportant une sangle 350, un appui de la partie sous-articulaire du genou 355, un passage de sangle 360, un moyen de serrage des plans 365 par pression d'une plaque, un plan de serrage réglable en orientation et en position 370 et un plan de serrage réglable en orientation 375.

On observe, en figure 6, que la partie logicielle est composée de cinq modules indépendants 134 à 138 (voir figure 2), qui fonctionnent en parallèle sous un environnement de préférence temps réel.

En effet, l'environnement temps réel garantit une gestion sécurisée des différentes tâches de l'application.

Les modules sont lancés de manière séquentielle. Tout d'abord le module sécurité 134 qui a la plus haute priorité, puis les modules interface, effort, asservissement et enfin le module calcul.

Le module de sécurité 134 assure une gestion des signaux périphériques d'entrée. Ce module a une priorité maximale et peut donc arrêter le dispositif objet de la présente invention à tout moment si une action ne garantissant plus la totale sûreté du dispositif est décelée (arrêt d'urgence, mauvais fonctionnement logiciel, effort trop élevé, dysfonctionnement au niveau d'une articulation du bras-robot 120, etc.).

Le module d'interface 135 a pour rôle de gérer la communication entre le chirurgien et l'application au travers du support de communication, ici l'écran 140 et l'écran tactile 150. Il s'agit d'une communication bidirectionnelle composée de 2 sortes de messages: - des messages associés à la navigation à travers les menus affichés sur l'écran de contrôle 140 (messages simples guidant le chirurgien dans les différentes étapes de la procédure chirurgicale) et - des messages liés à la gestion des paramètres garantissant un contrôle permanent du chirurgien sur l'incidence de ses choix (ex. : angle ou épaisseur de découpe, profondeur de perçage, etc.).

Ces données sont mises à jour par une lecture régulière des variables générées par les autres modules et fournissent des variables lues par les autres modules.

Le module d'effort 136 gère la communication entre le capteur d'effort 180 et le reste de l'application. Les efforts reçus au niveau du capteur d'effort 180 sont régulièrement mesurés, analysés puis stockés dans la mémoire. Ils sont ensuite accessibles en lecture par les autres modules, en particulier le module de sécurité 134.

Le module d'asservissement 137 établit la communication entre le bras robot 120 et les autres modules de l'application, en particulier le module de sécurité 134 et le module de calcul 138. Les coordonnées articulaires du bras robot 120 sont calculées à partir des données issues des codeurs incrémentaux de chaque articulation. Les consignes articulaires sont calculées à partir des coordonnées articulaires courantes.

Le module de calcul 138 réalise l'ensemble des calculs nécessaires au déroulement de l'opération: 1/ La définition des données géométriques, à partir des paramètres définis par le chirurgien (grâce au module interface) et les données anatomiques collectées grâce à l'outil de collecte de points 190 (voir le mode coopératif ), une série de calculs géométriques dont les équations et variables sont connues de l'homme du métier est effectuée pour définir les plans ou axes nécessaires au positionnement du guide.

2/ Le calcul des trajectoires qui permet de réaliser des déplacements efficaces et sécurisés du bras robot 120. Ces calculs s'appuient sur les modèles géométriques direct et inverse du bras robot 120 qui assurent le passage de l'espace articulaire (espace repéré en coordonnées angulaires des articulations du bras robot) à l'espace cartésien (espace repéré en coordonnées cartésiennes de l'extrémité du bras) et inversement.

On rappelle que, pour un bras robot à six degrés de liberté, il y a deux façons de décrire sa configuration courante, soit en donnant la position (trois degrés de liberté) et l'orientation (trois degrés de liberté) de son extrémité soit en donnant les valeurs angulaires de chacune de ses articulations.

Le modèle géométrique direct permet de calculer la position et l'orientation de l'extrémité du bras connaissant les coordonnées articulaires (valeurs angulaires des articulations). Le modèle géométrique inverse permet de calculer les coordonnées articulaires connaissant la position et l'orientation de l'extrémité du bras robot.

On observe que les repères anatomiques ainsi que les calculs effectués correspondent à ce qui se fait déjà en chirurgie traditionnelle ou en navigation chirurgicale. Par exemple, l'axe anatomique du tibia passe par le centre cheville (milieu des deux malléoles) ainsi que par le milieu des épines tibiales.

Le logigramme illustré en figure 7 est mis en oeuvre par l'unité centrale 130 pour réaliser les différentes fonctions du dispositif robotisé illustré en figures 1 à 6.

Les modules sont lancés de manière séquentielle. Tout d'abord le module sécurité 134 qui a la plus haute priorité, puis les modules interface 135, effort 136, asservissement 137 et enfin le module calcul 138.

Le module de sécurité 134 assure une gestion des signaux périphériques d'entrée, étape 405. Ce module a une priorité maximale et peut donc arrêter le dispositif robotisé objet de la présente invention à tout moment si une action ne garantissant plus la totale sûreté du dispositifest décelée (arrêt d'urgence, mauvais fonctionnement logiciel, effort trop élevé, dysfonctionnement au niveau d'une articulation du bras-robot 120, etc.).

Le module d'interface 135 gère la communication entre le chirurgien et l'application au travers du support de communication, étape 410. Il s'agit d'une communication bidirectionnelle composée de 2 sortes de messages: 1/ Des messages associés à la navigation à travers les menus affichés sur l'écran de contrôle 140 (messages simples guidant le chirurgien dans les différentes étapes de la procédure chirurgicale), étape 412.

2/ Des messages liés à la gestion des paramètres garantissant un contrôle permanent du chirurgien sur l'incidence de ses choix (par exemple, angle ou épaisseur de découpe, profondeur de perçage, etc.), étape 414.

Ces données sont mises à jour par une lecture régulière des variables générées par les autres modules, étape 415 et par une lecture régulière effectuée par les autres modules, étape 417.

Le module d'effort 136 gère la communication entre le capteur d'effort et le reste de l'application, étape 420. Les efforts reçus au niveau du capteur d'effort sont régulièrement mesurés, étape 422, analysés, étape 424 puis stockés dans la mémoire, étape 426. Ils sont ensuite accessibles en lecture par les autres modules.

Le module d'asservissement 137 établit la communication entre le bras robot 120 et les autres modules de l'application, en particulier le module de sécurité 134 et le module de calcul 138. Les coordonnées articulaires du bras robot 120 sont calculées à partir des données issues des codeurs incrémentaux de chaque articulation. Les consignes articulaires sont calculées à partir des coordonnées articulaires courantes.

Le module de calcul 138 réalise l'ensemble des calculs nécessaires au déroulement de l'opération, étape 445.

1/ définition des données géométriques, étape 447, à partir des paramètres définis par le chirurgien (grâce au module interface) et les données anatomiques collectées grâce à l'outil de collecte de points (en mode coopératif ), une série de calculs géométriques est effectuée pour définir les plans ou axes nécessaires au positionnement du guide.

2/ calcul des trajectoires, étape 449, permettant de réaliser des déplacements efficaces et sécurisés du bras-robot 120. Ces calculs s'appuient sur les modèles géométriques direct et inverse du bras-robot 120 qui assurent le passage de l'espace articulaire à l'espace cartésien et inversement.

La présente invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit aux figures mais s'étend, bien au contraire à tout dispositif robotisé de guidage d'un outil chirurgical comportant - un bras robot - des moyens de collecte de repères anatomiques mettant en oeuvre ledit bras robot des moyens de traitement desdits repères anatomiques et des moyens de positionnement automatique d'un instrument de guidage porté par ledit bras robot, ledit positionnement étant fonction du résultat dudit traitement.

Claims (1)

14 REVENDICATIONS

1 - Dispositif de guidage d'un outil chirurgical (100), caractérisé en ce qu'il comporte - un bras robot (120) ; - des moyens de collecte de repères anatomiques (120, 190) mettant en oeuvre ledit bras robot; - des moyens de traitement desdits repères anatomiques (130, 138) et - des moyens de positionnement automatique (120, 130, 137) d'un instrument de guidage (200, 210) porté par ledit bras robot, ledit positionnement étant fonction du résultat dudit traitement.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras robot (120) présente au moins six degrés de liberté et est adapté à recevoir un guide de coupe (200, 210) et/ou de perçage et/ou un outil de pointage (190).

3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bras robot (120) comporte un capteur d'effort (180) et est adapté à fonctionner selon un mode dans lequel un utilisateur a la capacité de déplacer le bras robot manuellement en le saisissant par sa partie terminale.

4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un écran de contrôle (140) équipé d'une interface de communication avec un utilisateur (150) adaptés à recevoir d'un utilisateur des paramètres de planification opératoire.

- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement (130, 138) sont adaptés à définir chaque position requise du guide grâce à des calculs tridimensionnels réalisés à partir des paramètres de planification opératoire et des coordonnées spatiales des repères anatomiques.

6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une interface (160) avec un système de navigation chirurgicale pouvant travailler à partir d'images préopératoires de la zone osseuse (scanner, radiographie,...) ou à partir d'informations per-opératoires.

7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'instrument de guidage (200, 210) comporte des surfaces sensiblement cylindriques. permettant de limiter les surfaces de contact, et donc de limiter les frottements, avec une lame de scie oscillante tout en conservant un guidage efficace.

8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de fixation d'un membre inférieur (300 à 345) adaptés à assurer une immobilisation de la jambe à deux niveaux: au niveau de la cheville (300 à 335) grâce à une crémaillère au niveau du genou (300 à 340) grâce à .des pointes vissées (345) au niveau des épiphyses fémorale et tibiale.

9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de fixation du genou qui comportent: - une barre (355) formant une partie sous-articulaire du genou, - deux appuis plans (370, 375) contre lesquels le genou est placé et - une lanière (350) adaptée à maintenir le genou contre ces plans.