FR2960813A1 - Dispositif robotise et procede associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine de la robotique et a notamment pour objet un dispositif robotisé, et un procédé associé, comportant: - un robot possédant au moins un bras orientable selon au moins un ?deux degrés de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités des moyens de fixation d'un outil, - des moyens de commande de la position de cette extrémité du bras et d'une trajectoire de cette dernière, - des moyens de programmation ou de génération automatique de cette trajectoire, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un capteur haptique apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de translation exercé par l'outil, ce capteur haptique étant préférablement fixé aux dits moyens de fixation de l'outil et comportant lui-même des moyens de fixation de l'outil.

Description

L'invention concerne le domaine de la robotique et, notamment mais pas exclusivement, le domaine de la chirurgie robotisée. Dans le domaine de la chirurgie robotisée, il est nécessaire d'avoir la précision la plus élevée possible, particulièrement dans le domaine de la chirurgie de la base du crâne (chirurgie des sinus et de la base antérieure du crâne, chirurgie otologique, copho-chirurgie, otoneurologie, chirurgie de l'angle ponto-cérébelleux, etc... ). Son principe est également applicable à la chirurgie assistée par ordinateur en général, ainsi que toute procédure requérant un recalage c'est-à-dire une mise en correspondance de repères appartenant à des systèmes de coordonnées différents, de manière à pouvoir déterminer les équations de passage d'un système 1, par exemple, le système de localisation spatiale du robot, vers un autre système 2 ,par exemple le volume anatomique du patient dans lequel s'opère la procédure chirurgicale. De manière générale, le recalage est un problème majeur en chirurgie numérique, et représente l'essentiel de l'erreur entre position présumée de la sonde chirurgicale, par exemple un outil, et sa position réelle indiquée par le système de navigation. Ce recalage peut être réalisé de différentes manières, mais consiste globalement à confronter, préalablement à l'intervention proprement dite, des informations topométriques appartenant conjointement à l'un et l'autre des 2 systèmes. Ces informations topométriques sont généralement dérivées d'informations géométriques, par exemple utilisation de marqueurs collés ou vissés portés par le patient durant l'acquisition de l'imagerie à recaler, ou encore l'utilisation de .points remarquables présentant une saillance anatomique particulière (recalage par appariement de points). L'appariement peut être explicite, ou encore être effectué automatiquement par un algorithme opérant par transformations itératives pour minimiser la distance globale entre deux surfaces à curvature marquée, l'une appartenant à l'imagerie, l'autre, acquise sur le patient (Itérative Closest Point et ses nombreuses variantes). Cependant, malgré toute l'application apportée à la mise en oeuvre de ces méthodes bien connues de l'homme de l'art, aucune ne peut formellement garantir un niveau constamment très élevé, de précision, lequel est cependant hautement désirable, tout particulièrement lorsque l'acte opératoire est exécuté par une machine à commande numérique. Un autre point problématique est que la précision du recalage ne peut être connue exactement avant l'intervention; seule une évaluation statistique permet d'apprécier, grossièrement et avec des biais possibles, la précision probable du recalage. Un troisième point problématique est que, si la précision du recalage peut être estimée, il n'existe pas de moyen simple permettant d'apprécier globalement la précision du système, laquelle est une somme d'erreurs diverses. Est également problématique, le fait que les méthodes conventionnelles précitées ne permettent en général qu'un recalage préliminaire à l'intervention. En cours d'intervention, si un nouveau recalage vient à s'avérer nécessaire, l'arrêt de la procédure est nécessaire. Pire, les informations morphologiques se trouvent généralement modifiées, soit par la chirurgie elle-même, par exemple la voie d'abord qui a supprimé des repères utiles; soit par suite de l'installation d'un oedème, dont les causes sont multiples: position déclive prolongée, traumatisme chirurgical, etc.... La précision globale du système ne peut habituellement être appréciée que par observation directe durant la procédure opératoire, rendant aléatoire et très opérateur-dépendant cette évaluation. Lorsque la procédure opératoire est menée par un chirurgien, l'incertitude quant à la précision réelle du recalage et partant, la précision de la navigation, est pondérée de par le fait que l'opérateur est à-même de vérifier tout au long de l'acte la valeur de ce recalage en confrontant sur des repères anatomiques triviaux son estimation topographique à celle renvoyée par la machine. En revanche, lorsque l'acte chirurgical est confié à un système robotique, toute imprécision aboutira à une erreur d'exécution de la machine. Ce dernier point constitue une limite majeure à la mise en oeuvre d'un système robotique.

Le but de l'invention est de résoudre les inconvénients précités en proposant un dispositif robotisé pouvant notamment être utilisé dans le domaine de la chirurgie mais aussi dans le domaine industriel et apte à permettre le recalage de la position d'un outil en temps réel, la position de cet outil étant déterminée avec une précision supérieure à celle des dispositifs existants, et ce, pendant toute la durée de l'intervention.

La solution apportée est un dispositif robotisé comportant: - un robot possédant au moins un bras orientable selon au moins un degré de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités des moyens de fixation d'un outil, - des moyens de commande de la position de cette extrémité du bras et d'une trajectoire de cette dernière, - des moyens de programmation ou de génération automatique de cette trajectoire, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un capteur haptique apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de translation exercé par l'outil, ce capteur haptique étant préférablement fixé aux dits moyens de fixation de l'outil et comportant lui-même des moyens de fixation de l'outil. Un tel capteur haptique est assujetti à un instrument ou un robot chirurgical, de telle sorte que pour un déplacement dP dans l'espace de -ce dernier, les efforts dF s'opposant à ce déplacement soient mesurables: La matrice des efforts et couples ainsi mesurés peut alors être comparée à une matrice calculée, préalablement à l'intervention par exemple à partir de l'imagerie tomodensitométrique du patient à opérer. Une relation différentielle peut alors être établie entre l'effort que doit fournir l'instrument ou le robot de manière à assurer sa progression d'une part, et la cartographie tomodensitométrique-du patient d'autre part. Cette relation peut ainsi être utilisée de manière itérative pour ajuster de manière optimale la mise en correspondance dé la position spatiale présumée de l'instrument ou du robot chirurgical avec le référentiel spatial de l'imagerie tomodensitométrique.

Selon une caractéristique particulière, un dispositif selon l'invention comporte, d'une part, des moyens de calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil à partir de la valeur de l'effort exercé par le bras sur l'outil et de la densité du matériau devant être traversé et, d'autre part, des moyens de comparaison, en tout point de ladite trajectoire de l'effort mesuré par le capteur haptique avec ledit effort calculé.

Selon une caractéristique additionnelle, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de recalage de la position de l'outil, ces moyens étant aptes à corriger, avec ou sans l'aval d'un opérateur, la position de l'outil.

Selon une caractéristique particulière, un dispositif selon l'invention comporte au moins un processeur et des moyens de stockage d'informations associés et d'une part des moyens d'imagerie tomodensitométrique associés aptes à déterminer la densité du matériau dans un volume d'intérêt comportant ladite trajectoire et, d'autre part, des moyens aptes à permettre l'enregistrement de cette imagerie dans lesdits moyens de stockage d'informations.

Selon une caractéristique particulière, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de réglage, de l'effort exercé par le bras robotisé sur l'outil en fonction de la densité prédéterminée du matériau traversé.

Selon une caractéristique particulière, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de programmation de zones interdites à l'outil dans le matériau traversé.

L'invention concerne aussi un procédé de recalage de la trajectoire d'un outil fixé à un dispositif robotisé comportant: - un robot possédant au moins un bras orientable selon au moins un degré de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités des moyens de fixation d'un outil, des moyens de commande de la position de cette extrémité du bras et d'une trajectoire de cette dernière, des moyens de programmation ou de génération automatique de cette trajectoire, un capteur haptique apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de translation exercé par le bras sur l'outil, ce capteur haptique étant préférablement fixé aux dits moyens de fixation de l'outil et comportant lui-même des moyens de fixation de l'outil, des moyens de recalage comportant notamment des moyens de calcul, des moyens de comparaison de données et des moyens de stockage d'informations, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, en plusieurs points successifs de la trajectoire, les étapes suivantes : calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil sur le matériau traversé à partir de la valeur de l'effort exercé par le bras sur l'outil et de la densité du matériau traversé par exemple issue d'une imagerie, mesure par le capteur haptique de l'effort exercé par l'outil sur le matériau, - comparaison entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé, - déclenchement d'une alarme en cas de différence supérieure à un certain seuil prédéterminé, par exemple 10%, entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé. Selon une caractéristique supplémentaire, un procédé selon l'invention comporte une étape de correction automatique de la trajectoire de l'outil en cas de différence supérieure à un certain seuil prédéterminé entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé. Selon une caractéristique additionnelle, la densité du matériau est mesurée au préalable par volume élémentaire appelé voxel à l'intérieur d'un volume d'intérêt comportant ladite trajectoire, et la correction automatique comporte les étapes suivantes : - calcul de l'effort prévisionnel, selon la résolution choisie, pour chaque voxel ou bloc de voxels de rang 1 autour de la trajectoire programmée ou déterminée, comparaison pour chacun de ces voxels entre l'effort prévisionnel et l'effort mesuré par le capteur haptique, déterminer le (ou les voxels) pour lesquels la différence entre l'effort prévisionnel et l'effort mesuré est inférieur audit seuil, et, le cas échéant recommencer les étapes précédentes pour les voxels de rang 2 corriger la position de l'outil en fonction de la position de ce voxel par rapport à la trajectoire programmée ou déterminée. Selon une caractéristique particulière, l'étape de calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil sur le matériau traversé est effectué à partir : - des coordonnées spatiales de la trajectoire assignée au robot et définies par l'opérateur lors de la phase précédente; - des caractéristiques géométriques et dimensionnelles de l'outil effecteur (par exemple forêt ou fraise); - de la liste topographique de la densité des voxels correspondant à la trajectoire du robot, établie à partir de l'imagerie du patient, préférentiellement une tomodensitométrie.

Selon une caractéristique préférentielle, un procédé de recalage de la trajectoire d'un outil fixé à un dispositif robotisé comporte les étapes suivantes : - détermination d'un volume de calcul de manière à englober les limites de trajectoire planifiées et assignées au robot, - détermination de la densité du matériau traversé par l'outil à partir des mesures des 30 valeurs d'efforts mesurés par le capteur haptique, - mise en correspondance monotone, par itérations successives, et à l'intérieur dudit volume de calcul, de la densité déterminée à partir des mesures effectuées par le capteur haptique avec celle issue de l'imagerie, - fusion des données de recalage à l'instant t avec celles issues du temps t-1 avec éventuellement affectation pour chacune d'un coefficient pondérateur, - déclenchement d'une alarme en cas d'echec de mise en correspondance monotone.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description de modes particuliers de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles : - La figure 1 présente un schéma général d'un dispositif selon une variante de réalisation de l'invention, - La figure 2 montre un schéma d'un détail selon un mode particulier de réalisation d'une partie du dispositif de la figure 1, - La figure 3 représente un agrandissement de l'image du matériau traversé de la figure 2, - La figure 4 montre un exemple de procédé de mise en oeuvre de l'invention. 15 - La figure 1 présente un schéma général d'un dispositif 1 selon une variante de réalisation de l'invention. Ce dispositif 1 comporte un robot 2 possédant au moins un bras orientable 3 selon six degrés de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités 6 des moyens de fixation 4 d'un outil 9, 20 des moyens 5 de commande de la position de cette extrémité 6 du bras 3 et d'une trajectoire 7 de cette dernière, des moyens 8 de programmation de cette trajectoire 7, - un microprocesseur 18 et des moyens 16 de stockage d'information qui peuvent éventuellement être interne au robot, 25 un capteur haptique 10 apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de translation exercé par l'outil 9, ce capteur haptique étant fixé aux dits moyens de fixation 4 de l'outil 9 et comportant lui-même des moyens 11 de fixation de l'outil 9 Ce dispositif 1 comporte en outre des moyens de commande 15 de l'effort exercé par le bras 3 du robot 2 sur le capteur haptique 10 et d'une part des moyens 12 de calcul 30 de l'effort prévisionnel exercé par l'outil 9 à partir de la valeur de l'effort exercé par le bras sur l'outil 9 et de la densité du matériau devant être traversé et, d'autre part, des moyens 13 de comparaison, en tout point de ladite trajectoire de l'effort mesuré par ledit capteur haptique 10 avec ledit effort calculé.

Selon une caractéristique additionnelle, un dispositif selon l'invention comporte des moyens 14 de recalage de la position de l'outil, ces moyens étant aptes à corriger, avec ou sans l'aval d'un opérateur, la position de l'outil 9.

Dans cet exemple de réalisation, les moyens 14 de recalage de la position de l'outil 9 comporte les moyens 12 de calcul de l'effort prévisionnel, les moyens 13 de comparaison et ils sont reliés aux moyens 5 de commande de la position de cette extrémité 6 du bras 3, en tout point de ladite trajectoire de l'effort mesuré par ledit capteur haptique 10 avec ledit effort calculé et aux moyens de commande 15 de l'effort exercé par le bras 3 du robot 2 sur le capteur haptique 10. Ces moyens 14 de recalage sont principalement constitués par un microordinateur connecté aux dits moyens de commande 5 et 15 et comportant aussi les moyens de stockage d'informations 16 et le microprocesseur 18.

Dans cet exemple de réalisation, le dispositif 1 selon l'invention est associé à des moyens 17 d'imagerie tomodensitométrique aptes à déterminer la densité du matériau dans un volume d'intérêt comportant ladite trajectoire et connectés au microprocesseur 18 qui est apte à permettre l'enregistrement de cette imagerie dans lesdits moyens de stockage d'informations 16. Les moyens 15 de réglage, de l'effort exercé par le bras robotisé sur l'outil en fonction de la densité prédéterminée du matériau traversé sont commandés par le microprocesseur 18.

Un dispositif selon l'invention comporte en outre des moyens 19 de programmation de zones dans le matériau interdites à l'outil.

La figure 2 montre un détail d'une partie du dispositif 1 selon un mode particulier de réalisation, à savoir : le bras 3 du robot, les premiers moyens 4 de fixation solidaire de l'extrémité 6 du bras 3, - le capteur haptique 10 fixé aux dits premier moyens de fixation et comportant lui-même des seconds moyens de fixation 11 b sur lesquels est fixé un outil de coupe 9 ayant pour objet, par exemple, de forer un canal selon un point d'entrée et une cible, c'est-à-dire selon une trajectoire 7, définie par le chirurgien à partir de l'imagerie pré ou per-opératoire 2 du patient et préprogrammé à l'aide des moyens 8 de programmation de la trajectoire. Le capteur haptique 10 est interposé entre la portion distale 6 du bras robotisé 3 et l'instrument de coupe 9. Les efforts de type couple et force de translation auquel est soumis l'instrument sont mesurés par ce capteur haptique 10. Un calibrage géométrique permet de compenser le fait que l'extrémité de l'instrument 9 et le capteur haptique 10 présentent des poses différentes dans l'espace. La figure 3 représente un agrandissement de l'image du matériau traversé de la figure 2, par exemple, tomodensitométrique, incluant le trajet assigné par l'opérateur à l'instrument 11, contrôlé par le robot 12. L'image tomodensitométrique est formée de voxels élémentaires 21, présentant une densité spécifique pour un volume d'intérêt donné 20. Les parties en clair représentent des partie de forte densité tandis que les parties en noir représente des parties de faible densité. La figure 4 est un exemple de procédé de mise en oeuvre de l'invention. L'imagerie volumique du patient 25, permet au chirurgien de définir un projet chirurgical en planifiant une trajectographie à assigner au bras 3 du robot 2. Une fois mis en mouvement, le robot 2 génère des coordonnées correspondant à la position de l'extrémité de l'instrument de coupe 9. Ces coordonnées sont transformées par une matrice de recalage 29 dans le référentiel spatial de l'imagerie. La matrice de recalage initiale est calculée selon des modalités connues : par exemple, appariement de points homologues ou recalage surfacique. Les moyens de calcul 12 calculent le vecteur force et/ou couple résultant pour l'outil 9 en fonction des coordonnées de l'imagerie et de la densité des voxels rencontrés. Ces vecteurs théoriques sont comparés aux vecteurs mesurés par le truchement du capteur haptique 10 interposé entre le bras 3 du robot 2 et l'outil 9, et dont les signaux sont éventuellement convertis en signal numérique par un convertisseur analogique numérique 31 et adaptés par une chaîne de filtrage numérique 32, amplification et intégration/différenciation du signal et les vecteurs forces résultantes selon les six degrés de liberté sont alors déterminés. Un corrélateur 26 génère, via les moyens de comparaison 13 un signal numérique sous forme d'une matrice de vecteurs dont les composantes sont fonction de la différence existant entre la valeur calculée par les moyens de calcul 12 et celle mesurée par la chaîne haptique. Ces vecteurs d'erreur sont accumulés dans un module d'accumulation de vecteurs d'erreur 27 de manière à augmenter progressivement la pertinence du corrélateur 26. Dans les limites du trajet anatomique assigné au robot, des moyens itératifs 34 recherchent une meilleure correspondance entre densité des voxels (et donc position spatiale) et informations accumulées dans le module d'accumulation 27, par exemple par recherche itérative du point le plus proche (ICP). La matrice de vecteurs corrélés aussi appelée matrice de recalage ainsi obtenue remplace la matrice de recalage 29 courante, améliorant ainsi, au fur et à mesure de la précision de la progression de l'outil vers ça cible et donc la pertinence de sa trajectoire. Ainsi un dispositif selon l'invention permet d'acquérir une information per-opératoire dynamique sur la base, de données réelles dont l'accumulation et la corrélation successives garanti la précision du système, permettant ainsi, non seulement de vérifier en temps réel la qualité du recalage initial, mais aussi d'y apporter une correction progressive au fur et à mesure de la progression de l'acte. La comparaison entre l'information réelle provenant du capteur haptique 10 avec l'information prévisionnelle extraite d'une carte topologique, sorte de plan de vol, établi à partir du recalage initial et de l'imagerie tomodensitométrique du patient permet d'accroitre considérablement la précision d'une opération robotisée. A titre d'exemple de mise en oeuvre, la force axiale de perçage T requise pour forer un canal dans de l'os compact peut s'exprimer selon l'équation 1, selon laquelle, D est le diamètre du foret, p est l'angle convexe entre les lèvres de coupe principales, a est le rapport de perçage en unité de longueur par révolution et KS une constante spécifique au pouvoir coupant du foret : T=Ka~sin~ (Eq. 1) De même, le couple M selon l'axe de perçage Z peut s'exprimer selon l'équation 2, dans laquelle R' représente la charge unitaire de coupe: z MZ = 5RUa 8 (Eq. 2) Pour tenir compte du degré variable d'usure d'une fraise ou d'un foret, le paramètre KS peut être déterminé avant l'acte chirurgical, par mesure des forces et couples nécessaires à percer un bloc de calibrage de caractéristiques physiques connues. II existe une relation quasi-linéaire directe entre KS et R' permettant de corriger R' à partir de la valeur de KS obtenue par calibrage pré-opératoire. La cartographie prévisionnelle des forces et couples s'opposant à la progression du perçage s'établi selon la densité minérale de l'os, mesurée sur la tomodensitométrie pré-opératoire. Chaque voxel constitutif de la matrice tomodensitométrique est pris en compte pour créer une carte dont la résolution peut être variable, selon la précision désirable et le diamètre de l'instrument de perçage ou de fraisage. Les forces réactives tangentielles et radiales s'opposant à l'instrument de coupe peuvent être modélisées selon les différentes catégories d'outils (fraise à pans, fraise diamantée, foret, etc..) et leur diamètres correspondants. Par exemple, une matrice tri-dimensionnelle de densités peut être générée après segmentation de structures osseuses, c'est à dire celles dont la densité est supérieure à un seuil caractéristique, par exemple +300 Unités Hounsfield (UH). Un filtre Gaussien peut être appliqué de manière à lisser les contours ainsi extraits et réduire l'effet de volume partiel propre aux images tomodensitométriques. On obtient ainsi une nouvelle matrice pour laquelle chaque élément possède une position spatiale définie et une densité allant, par exemple, de 0 (+300 UH) à 255 (+3096 UH). Les autres éléments de cette matrice peuvent être arbitrairement affectés de la valeur -1 pour indiquer que les tissus qui y sont décrits ont un comportement neutre vis à vis de l'instrument de coupe, c'est à dire, sont présumés n'opposer aucune force réactive notable à sa progression. Pour les autres éléments de cette matrice, la magnitude de cette force réactive est directement corrélée à leur densité. La force résultant de l'interaction entre l'outil de coupe et un élément ou, selon la résolution choisie, un groupe d'éléments, est le gradient de densité normalisé de ces éléments, normaux à la surface de coupe. Ce gradient peut être calculé par interpolation trilinéaire des différences de densités des cinq éléments ou groupes d'éléments supérieur, inférieur, latéral, médial et distal à la position de l'instrument de coupe: Où c est un paramètre de proportionnalité et dG(x,y,z) le gradient de densité calculé ainsi : Dans la réalisation de la figure 1, le dispositif selon l'invention comporte un progiciel mis en oeuvre par le microprocesseur 18 du microordinateur et le dispositif de capteur haptique 10 intercalé entre l'outil chirurgical 9 et l'extrémité 6 du bras du robot 2. La procédure chirurgicale prise pour exemple est celle de la chirurgie de l'os temporal, telle par exemple que la réalisation d'une cochléostomie par voie transmatoïdienne pour mise en place d'un implant cochléaire. Le robot utilisé peut être de tout type, dès lors que sa répétabilité est suffisante, 'par exemple le robot à 6 axes RV2A commercialisé par Mistubishi Inc, Japon, dont la répétabilité est de l'ordre de 2 centièmes de millimètre. Ce type de robot possède des actuateurs retournant en temps réel la position de l'extrémité effectrice de son bras, de manière qu'il est possible, non seulement d'ordonner au robot d'atteindre une certaine position spatiale avec une certaine orientation et selon un trajet défini, mais aussi de connaître en retour la position et l'orientation effective de celui-ci. Entre l'extrémité effectrice du robot et l'instrument opérateur (par exemple un moteur rotatif chirurgical BienAir et une fraise) est intercalé un capteur haptique de force à 6 degrés de liberté (analysant la force linéaire sur chacun des axes orthonormés X, Y, Z et les couples a, (p, 8 autour des axes x, y, z). Ce capteur haptique 12 peut être du type Nano-17 commercialisé par ATI Inc, USA, lequel présente une résolution de l'ordre du centième de newton pour une gamme dynamique de mesure de l'ordre d'une vingtaine de newtons. Une telle résolution permet de détecter des évènements opératoires extrêmement tenus et généralement imperceptible pour une main humaine, comme par exemple la pénétration de la membrane, endostéale de la cochlée (environ 0.05 newton). D'autres types de capteurs haptiques peuvent bien sûr être utilisés, lesquels peuvent ne pas nécessairement avoir 6 degrés de liberté, mais un nombre plus grand ou plus petit. Ce capteur est relié à un processeur de signal destiné .à transformer le signal analogique des informations fournies par le capteur haptique en un signal numérique. Ces informations numériques sont alors traitées par le microprocesseur 18 via un logiciel mettant en oeuvre un procédé que nous appellerons algorithme topo-haptique réel dont le but est de déterminer de manière à la fois intégrale par rapport à un large intervalle de déplacement et dérivée par rapport à une fraction de ce déplacement, la magnitude et l'orientation vectorielle des efforts appliqués par le robot au volume opératoire. Ainsi le dispositif permet de déplacer dans un volume chirurgical un instrument et de connaître en retour de manière à la fois instantanée et cumulée par rapport au temps, la magnitude des forces et des couples s'opposant ou s'étant opposés à la progression de l'instrument. Typiquement, le volume chirurgical à traiter est osseux, par exemple, la mastoïde ou l'os sphénoïde. Mais il peut aussi bien s'agir de tissus mous. Si le tissu traité est osseux c'est généralement au moyen d'une fraise qu'il sera opéré tandis que dans le cas contraire il peut s'agir de tout autre instrument, pinces, porte-aiguille, ciseaux, aiguilles, etc... Les valeurs numériques générées par l'algorithme topohaptique réel, sont systématiquement stockées dans les moyens de stockage d'informations numérique 16, de manière à pouvoir être utilisées ultérieurement pour corriger le recalage en cours, comme exposé plus bas. L'un des objets principaux de cette invention est de prévoir la magnitude et la topographie des vecteurs de force et le couple qui s'opposeront à la progression de l'instrument robotisé, à partir de l'imagerie du patient. Cette imagerie est typiquement réalisée préalablement à l'intervention, mais peut également être recueillie pendant la phase. per-opératoire. Typiquement cette imagerie est une tomodensitométrie aux rayons X, mais peut être de tout type, notamment selon la nature des tissus à opérer: IRM pour les tissus mous, échographie, imagerie multimodale, etc... La première phase de l'intervention, menée sous la responsabilité directe et active du chirurgien, consiste à définir le trajet que devra suivre le robot: point d'entrée, trajet linéaire, curviligne, multilinéaire ou multicurviligne; Cette phase de planning opératoire est menée au moyen d'un logiciel, soit directement sur les reconstructions multi-planaires de l'imagerie, et/ou, sur des reconstructions avec rendu 3D surfacique ou volumique du volume opératoire. Cette étape peut être plus ou moins automatisée: par exemple, dans le cas d'une cochléostomie transmastoïdienne, les structures à éviter absolument (nerf facial, canaux semi-circulaires, notamment canal latéral, méninge, sinus veineux latéral, etc... ) peuvent être segmentées de manière automatique ou semi-automatique de manière à prévoir un trajet les contournant avec une distance de sécurité suffisante.

La deuxième phase consiste à établir une carte des contraintes qui s'exerceront sur l'outil 9 couplé au robot 2, et qui s'appliqueront donc sur le capteur haptique 10 placé en série entre ces deux éléments. Dans le cas d'une cochléostomie c'est préférentiellement à partir d'une tomodensitométrie que sera calculée une carte prévisionnelle de ces contraintes, en associant virtuellement la densité de chaque voxel ou de chaque groupe de voxels (selon la résolution choisie et la forme et le diamètre de la fraise utilisée) à un ensemble de vecteurs élémentaires, chaque élément vectoriel estimant par avance les forces et couples réactifs que rencontrera le foret ou la fraise lors de sa progression robotisée..11 est connu qu'il existe sur les tomodensitométries une nette corrélation entre d'une part, la densité d'un tissu et d'autre part; les forces nécessaires à fraiser ce tissu. Cet axiome est particulièrement vérifiable pour l'os. Le calcul des contraintes s'exerçant, par exemple, sur un outil de perçage ou de fraisage peut être directement calculé par un algorithme prenant comme principaux paramètres d'entrée: - les coordonnées spatiales de la trajectoire assignée au robot et définies par l'opérateur lors de la phase précédente; - les caractéristiques géométriques et dimensionnelles de l'outil effecteur (par exemple forêt ou fraise); - la liste topographique de la densité des voxels correspondant à la trajectoire du robot, établie à partir de l'imagerie du patient, préférentiellement une tomodensitométrie. A partir de ces données un algorithme,appelé algorithme topo-haptique prévisionnel calcule une cartographie des forces s'opposant à l'outil chirurgical. Cette cartographie virtuelle, au format numérique, est une liste mettant en relation, avec une résolution variable selon les besoins de précision, d'une part des coordonnées, d'autre part des forces et couples correspondant à chaque segment de coordonnées. Cette liste constitue une sorte de plan de vol présumant des signaux qui seront perçus par le capteur haptique décrit ci-dessus. Durant l'intervention, un algorithme que nous appellerons algorithme corrélateur, confronte en permanence, avec une fenêtre et une intégration temporelle ou spatiale variable selon les besoins, les données théoriques issues de l'algorithme topohaptique prévisionnel avec celles issues de l'algorithme topo-haptique réel. Selon le degré de concordance entre l'une et l'autre de ces 2 séries de données, il est possible d'établir si la position et l'orientation (c'est à dire la pose) du robot est conforme à la planification du chirurgien. Ce degré de corrélation peut être exprimé, par exemple, sous forme d'un index de qualité allant de 1 à 10, de manière à renvoyer à l'utilisateur un paramètre lui permettant de surveiller la qualité du geste robotisé en cours d'exécution, selon des critères absolus.

Il est important de noter que la performance de l'algorithme corrélateur croît au-fur et à mesure de la progression de l'acte opératoire. Cette particularité est intéressante puisque, dans la plupart des cas, les premiers segments d'une trajectoire chirurgicale sont à la fois très riches en information (os de la boîte crânienne), peu critiques (les structures vitales sont généralement enfouies), et aisément vérifiables par le chirurgien contrôlant le robot opératoire. Par exemple, dans le cas d'une cochléostomie transmastoïdienne, la succession de travées cellulaires aériques enfouies dans un os généralement compact, génère une suite d'informations haptiques fortes et variées extrêmement précieuses, dans une zone où l'erreur de repérage est peu critique. De telle sorte que, une fois l'instrument arrivé dans la région, par exemple, de tympanotomie, où le repérage devient très critique pour éviter une lésion du nerf facial ou du canal semi-circulaire latéral, l'enrichissement successif d'informations haptiques permet de disposer d'une précision largement affinée. Un quatrième algorithme est utilisé pour le recalage dans ce mode de réalisation. Nous l'appellerons algorithme de recalage topo-haptique. Son principe est le suivant. La carte prévisionnelle des forces et couples est établie dans le référentiel de l'imagerie, c'est à dire à partir des coordonnées des voxels constitutifs de l'imagerie du patient. La mesure haptique est effectuée dans le référentiel spatial du robot. Il en résulte que ces deux ordres d'informations, plus ou moins corrélés, peuvent être utilisés pour vérifier et le cas échéant corriger la qualité du recalage établi par les moyens conventionnels exposés plus haut. Par exemple, lorsque l'algorithme-corrélateur renvoi un index de qualité inférieur à un seuil pré-établi, l'algorithme de recalage topo-haptique est activé. Cet algorithme fonctionne de la manière. suivante 1. Un volume de calcul est déterminé de manière à englober les limites de trajectoire planifiées et assignées au robot, avec une marge supérieure à celle correspondant à l'erreur renvoyée par l'algorithme corrélateur. . 2. Les informations stockées; issues de l'algorithme topo-haptique réel, sont transformées en informations de densité selon un procédé de calcul inverse de celui utilisé par l'algorithme topo-haptique prévisionnel. 3. Le volume de calcul de l'étape 1 dont la géométrie peut être quelconque, est alors utilisé comme espace de recherche. Par itérations successives, on recherche la mise en correspondance monotone des points dont la densité est comparable, de la même manière que dans l'agorithme ICP précité, à ceci près que la densité des points plutôt que la distance euclidienne est pris pour critère de minimisation guidant les. transformations itératives. D'autres algorithmes peuvent également être utilisés ici, par exemple algorithmes génétiques, algorithmes bayésiens, ou une combinaison de ces algorithmes. 4. Une fois la convergence obtenue, celle-ci est vérifiée puis fusionné avec le recalage précédent, en affectant chaque élément de cette fusion d'un facteur pondérateur. Ce facteur pondérateur à pour objet d'éviter une transition brusque de trajectoire, et de s'assurer que la correction vient' enrichir l'information préexistante et non s'y substituer intégralement. Un filtre modifié de Kalman peut être utilisé à cette fin. Le degré de correction apporté est indiqué au chirurgien surveillant le robot. 5. En cas de dérive notable, au delà d'un seuil pré-établi, le programme peut stopper la procédure opératoire et demander au chirurgien de redéfinir une trajectoire conforme à ses objectifs opératoire et sécuritaires. . On notera également, que; - les informations mises en jeu sont d'une nature différente de celles utilisées pour effectuer le racalage établi par les moyens conventionnels. En effet, ces moyens conventionnels mettent en jeu une information géométrique et topographique (saillance, courbures de surface, ....) tandis que l'invention présente utilise une information de densité. Cette particularité a pour effet non pas de superposer des informations similaires, mais d'enrichir véritablement l'information dont dispose le système. - les informations haptiques ne sont pas déterminées de manière préopératoire, mais sont directement corrélées à la situation réelle perçue par l'instrument. Elles sont réactualisées avec une cadence ajustable, continument. Il en résulte un degré très élevé de fiabilité, lequel apparaît comme très désirable lorsque le geste opératoire est menée par un robot autonome et que de surcroît, ce robot est destiné à effectuer des interventions requérant un haut degré de précision. - Les informations issues de l'algorithme corrélateur sont réelles, globales, et absolues.

Elles ont le mérite de prendre en compte l'ensemble des erreurs de transformation du monde virtuel de l'imagerie vers le monde réel de l'instrument. C'est à dire, non seulement l'erreur de recalage, mais aussi l'erreur de calibrage (vecteur offset de l'instrument), le bruit ou la distorsion de l'imagerie, les éventuels mouvements du patients durant l'imagerie, ainsi que toute autre erreur.

Contrairement aux procédés de recalage précités, la présente invention est capable de corriger efficacement en cours d'opération, un recalage préalablement effectué avec une précision insuffisante. Elle permet d'ajuster indéfiniment ce recalage, jusqu'à le rendre optimal. Cependant, certaines données liées à la qualité de l'imagerie (par exemple bougé du patient) peuvent être difficilement correctibles. Dans ce cas, l'invention permet d'en informer d'une façon très précise l'opérateur. La déviation de trajectoire résultant de l'erreur peut également être affichée sur l'imagerie du patient, de manière à permettre à l'opérateur de prendre la décision de poursuivre ou au contraire de suspendre, la procédure chirurgicale.

Il convient également de noter que les informations issues du capteur haptique, indépendamment de toute action de vérification ou de recalage, sont utiles pour contrôler la course du robot, selon une boucle régulatrice, par exemple de type PID (Proportionnai Integral & Derivative) de manière à lui assurer une progression douce et sans à-coups, garante d'un traitement non traumatique pour le patient. Les procédés de régulation d'un. robot chirurgical, et plus généralement, d'un système d'usinage, sont bien connus des hommes de l'art. De nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation décrit sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, - l'invention est également applicable à la chirurgie assistée par ordinateur, l'instrument chirurgical manipulé par le chirurgien étant équipé de capteur haptique. - le capteur utilisé peut comporter un nombre quelconque d'axes d'analyse de force translationnelle ou de couple. Une méthode d'analyse topométrique différente de la tomodensitométrie peut être utilisé pour calculer la cartographie des contraintes : par exemple imagerie IRM, ultrasonographie, l'imagerie par tomographie d'impédance etc ...

Sans se départir de l'esprit de la présente invention, d'autres types de capteurs peuvent être utilisés pour améliorer et rendre plus précise la procédure chirurgicale par détection d'erreur et/ou affinage itératif et progresssif du recalage de l'instrument opérateur vis à vis du patient opéré. Par exemple le capteur peut être de type impédancemétrique de manière à mesurer les variations d'impédance électrique des tissus traversés et les comparer avec une carte prévisonnelle de ces impédances électriques. Les algorithmes déjà exposés sont utilisés pour le monitoring de l'instrument et éventuellement la correction soit active (par un caculateur contrôlant un robot) soit passive (par l'utilisateur lui-même) de sa trajectoire. Dans ce cas, les impédances électriques peuvent être déterminées directement par tomoimpédancemétrie électrique ou encore présumées à partir d'images multi-modales, par exemple fusionnant l'IRM et la tomodensitométrie aux rayons X. Il est connu des hommes de l'art que l'impédance électrique des tissus biologiques est largement modélisable. L'utilisation d'un courant alternatif biphasique et compensé en charges ioniques, d'une fréquence comprise entre quelques centaines d'Hertz et quelques centaines de kiloHertz, permet d'établir les mesures requises. La méthode des valeurs aux limites (par exemple en utilisant les fonctions de Green) ou encore la méthode dîte des Eléments Finis, permet de déterminer la cartographie prévisionnelle des impédances électriques pour une fréquence de travail donnée, à partir d'un maillage tridimensionnel calculé à partir de l'imagerie volumique. Avantageusement plusieurs groupes de fréquences électriques peuvent être combinées pour obtenir cette cartographie. Dans une réalisation de ce type, il est pas nécessaire d'utiliser un capteur spécifique, et, après calibrage, l'instrument chirurgical lui-même, généralement en métal conduteur, peut être directement relié via une connection électrique à un préamplificateur d'instrumentation et une chaîne de traitement du signal électrique.

Des capteurs ampèremétrique ou voltmétrique, fixés à l'instruments opératoire sont également utilisables pour mesurer par exemple une réponse physiologique telle qu'un influx nerveux en réponse à un stimuli. Ce stimuli peut être généré avantageusement sous une forme séquentielle calibrée et synchronisée avec le système ampèremétrique ou voltmétrique de recueil de l'influx nerveux déclenché.

Par exemple, stimulis sonores pour détecter les voies auditives, éclairs lumineux pour détecter les voies optiques, etc... La sommation de ces réponses élémentaires, issus du capteur fixé à l'instrument dans un registre électronique permet d'isoler une réponse mesurable, même lorsque le rapport signal sur bruit de chaque événement est très faible. D'autres méthodes de traitement d'un signal de réponse physiologique, bien connues des hommes de l'art, peuvent être utilisées. La repérage préalable d'un organe sensoriel ou d'un segment nerveux par exemple sur l'imagerie tomodensitométrique, l'IRM, l'IRM fonctionnelle ou la fusion de ces modalités, permet alors de mettre en relation les informations de réponse physiologique mesurées par le capteur lié à l'instrument avec celles prévues sur l'imagerie et d'opérer les avertissements ou les corrections précédemment exposées. A contrario, d'autres réalisations de la même invention peuvent mesurer une réponse physiologique à distance du champ opératoire pour déterminer la position anatomique d'un instrument doté non plus d'un capteur mais d'une sonde stimulatrice. Par exemple, la position du nerf facial peut être déterminée sur l'imagerie tomodensitométrique, de manière manuelle ou automatisée à partir d'un atlas et d'algorithmes de corrélation élastique -procédé connu des hommes de l'art-, puis les réponses aux stimulis croissants provoqués par la progression d'un instrument équipé d'un générateur d'impulsions électriques calibrées sont utilisées pour déterminer la proximité de cet instrument au voisinage de ce nerf, avertir l'utilisateur et/ou stopper la progression de l'instrument puis corriger sa trajectoire sur cet élément objectif. Dans cet exemple, le recueil des stimulis appliqués au nerf facial est fait à partir de capteurs voltmétriques ou de capteurs de force, capables de détecter l'occurence et la magnitude d'un influx nerveux moteur ou d'une contraction musculaire sur la face du patient.

Selon le même esprit, des capteurs électrochimiques peuvent être utilisés, par exemple pour mesurer la composition électrolytique ou biochimique d'un composé présent dans un compartiment de l'organisme du patient opéré. Par exemple, un capteur de concentration ionique peut être utilisé pour détecter la pénétration dans l'oreille interne, dont la composition en ions sodium et potassium est nettement différente de celle des tissus environnants. Un tel guidage est utile par exemple pour mettre en place un implant de stimulation cochléaire. Des capteurs de concentration en glucose sont également utilisables pour détecter la présence de liquide céphalo-rachidien, caractérisé par une concentration plus élevée en glucose que les tissus environnants.

Des capteurs photométriques peuvent être utilisés pour mesurer la concentration en oxygène des tissus traversés, par exemple au moyen d'une mesure différentielle à partir de 2 longueurs d'ondes (l'une dans le proche infrarouge, l'autre dans le rouge visible) permettant de déterminer par absorption lumineuse un taux relatif d'oxyhémoglobine. Ce procédé, bien connu des hommes de l'art, permet de mesurer très précisément le degré d'oxygénation des globules rouges présents dans les tissus traversés et partant, leur nature plus ou moins vasculaire et l'origine de la vascularisation : artérielle, capillaire ou veineuse. Selon le même principe, l'effraction d'un pédicule vasculaire peut être détectée par la variation brutale de concentration locale en oxygène, la magnitude de cette concentration permettant de distinguer entre la nature veineuse ou artérielle du vaisseau effracté. La cartographie utilisée pour planifier et prévoir les réponses de tels capteurs peut être établie, par exemple, à partir de l'IRM, de l'angio-IRM ou de l'angio-scanner. Selon une réalisation voisine, et à titre d'exemple, des capteurs photométriques et un spectromètre travaillant dans le proche infrarouge peuvent être utilisés pour distinguer entre liquide céphalo-rachidien, substance blanche et substance grise lors d'interventions portant sur le parenchyme cérébral, notamment celles menées par voie micro-invasive. Une telle distinction est essentielle en neurochirurgie stéréotactique. L'utilisation de fibres optiques et d'un photomultiplicateur en remplacement de photodiode, d'un signal infrarouge modulé et détecté de manière cohérente, permet d'obtenir un signal physiologique de qualité tout en permettant la réalisation d'une sonde d'un calibre très fin. La cartographie prévisonnelle requise peut être établie à partir de l'IRM, voire de l'IRM fonctionnelle.]

On notera que le domaine d'activités auquel s'adresse la présente invention n'est pas limité à la chirurgie à assistance numérique, l'invention pouvant notamment aussi être également appliquée aux procédés d'usinage industriels, dès lors que le matériau usiné présente des caractéristiques structurelles hétérogènes.25

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif robotisé comportant: un robot (2) possédant au moins un bras (3) orientable selon au moins un degrés de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités des moyens (4) de 5 fixation d'un outil (9), - des moyens (5) de commande de la position de cette extrémité du bras (3) et d'une trajectoire (7) de cette dernière, - des moyens (8) de programmation ou de génération automatique de cette trajectoire (7), dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un capteur haptique (10) 10 apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de translation exercé par l'outil (9), ce capteur haptique (10) étant préférablement fixé aux dits moyens (4) de fixation de l'outil et comportant lui-même des moyens (11) de fixation de l'outil.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part des moyens (12) de calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil à partir de la valeur de 15 l'effort exercé par le bras (3) sur l'outil (9) et de la densité du matériau devant être traversé et, d'autre part, des moyens (13) de comparaison, en tout point de ladite trajectoire de l'effort mesuré par le capteur haptique (10) avec ledit effort calculé.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens 20 (14) de recalage de la position de l'outil, ces moyens étant aptes à corriger, avec ou sans l'aval d'un opérateur, la position de l'outil (9).
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un processeur (18) et des moyens (16) de stockage 25 d'informations associés et d'une part des moyens (17) d'imagerie tomodensitométrique aptes à déterminer la densité du matériau dans un volume d'intérêt comportant ladite trajectoire et, d'autre part, des moyens (18) aptes à permettre l'enregistrement de cette imagerie dans lesdits moyens (16) de stockage d'informations. 30
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (15) de réglage, de l'effort exercé par le bras (3) robotisé sur l'outil (9) en fonction de la densité prédéterminée du matériau traversé.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (19) de programmation de zones dans le matériau interdites à l'outil.
7. 7. Procédé de recalage de la trajectoire d'un outil fixé à un dispositif robotisé comportant: un robot (2) possédant au moins un bras (3) orientable selon au moins un degrés de liberté et comportant au niveau de l'une de ses extrémités des moyens (4) de fixation d'un outil (9), - des moyens (5) de commande de la position de cette extrémité du bras et d'une trajectoire de cette dernière, - des moyens (8) de programmation ou de génération automatique de cette trajectoire, - un capteur haptique (10) apte à mesurer l'effort de type couple et/ou force de 15 translation exercé par le bras sur l'outil, ce capteur haptique (10) étant préférablement fixé aux dits moyens (4) de fixation de l'outil et comportant lui- même des moyens (11) de fixation de l'outil, - des moyens (14) de recalage comportant notamment des moyens (12) de calcul, des moyens (13) de comparaison de données et des moyens (16) de stockage 20 d'informations, procédé caractérisé en ce qu'il comporte, en plusieurs points successifs de la trajectoire, les étapes suivantes : - calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil sur le matériau traversé à partir de la valeur de l'effort exercé par le bras sur l'outil et de la densité du matériau traversé, 25 mesure par le capteur haptique de l'effort exercé par l'outil sur le matériau, - comparaison entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé, déclenchement d'une alarme en cas de différence entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé supérieure à un certain seuil. 30
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de correction automatique de la trajectoire de l'outil en cas de différence entre ledit effort mesuré par le capteur haptique et l'effort prévisionnel calculé supérieure à un certain seuil.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la densité du matériau est mesurée au préalable par volume élémentaire appelé voxel à l'intérieur d'un volume d'intérêt comportant ladite trajectoire, et la correction automatique comporte les étapes suivantes : calcul de l'effort prévisionnel pour chaque voxel de rang 1 autour de la trajectoire programmée ou déterminée comparaison pour chacun de ces voxels entre l'effort prévisionnel et l'effort mesuré par le capteur haptique, - déterminer le (ou les voxels) pour lesquels la différence entre l'effort prévisionnel 10 et l'effort mesuré est inférieur audit seuil, et, le cas échéant recommencer les étapes précédentes pour les voxels de rang 2 - corriger la position de l'outil en fonction de la position de ce voxel par rapport à la trajectoire programmée ou déterminée. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de calcul de l'effort prévisionnel exercé par l'outil sur le matériau traversé est effectué à partir : - des coordonnées spatiales de la trajectoire assignée au robot et définies par l'opérateur lors de la phase précédente; - des caractéristiques géométriques et dimensionnelles de l'outil effecteur (par exemple forêt ou fraise); - de la liste topographique de la densité des voxels correspondant à la trajectoire du robot, établie à partir de l'imagerie du patient, préférentiellement une tomodensitométrie. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination d'un volume de calcul de manière à englober les limites de trajectoire planifiées et assignées au robot, - détermination de la densité du matériau traversé par l'outil à partir des mesures des valeurs d'efforts mesurés par le capteur haptique, - mise en correspondance monotone, par itérations successives, et à l'intérieur dudit 30 volume de calcul, de la densité déterminée à partir des mesures effectuées par le capteur haptique avec celle issue de l'imagerie, - fusion des données de recalage à l'instant t avec celles issues du temps t-1 avec éventuellement affectation pour chacune d'un coefficient pondérateur,- déclenchement d'une alarme en cas d'echec de mise en correspondance monotone.