FR2988584A1

FR2988584A1 - Systeme pour l'alignement d'un premier os par rapport a un second os appartenant a un membre et formant ensemble une articulation

Info

Publication number: FR2988584A1
Application number: FR1252701A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Dardenne; Stephane Lavalle
Original assignee: OSTESYS
Current assignee: OSTESYS
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-04
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: FR2988584B1; US20150105780A1; WO2013127735A1

Abstract

L'invention est relative à système pour l'alignement d'un premier os (1) par rapport à un second os (2) appartenant à un membre et formant ensemble une articulation (3), le premier os ayant été partiellement coupé en un premier segment et un second segment liés partiellement entre eux, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend notamment : - une station de chirurgie assistée par ordinateur incluant un écran (20) et un dispositif de traitement (19) comprenant une mémoire dans laquelle est enregistré un programme d'ordinateur et une unité de traitement adaptée pour exécuter ledit programme, - deux suiveurs (181, 182) destinés à être chacun mis en place sur l'un des deux segments du premier os (1), la position et l'orientation desdits suiveurs (181, 182) étant détectable par ladite station, ledit système étant en outre caractérisé en ce que ledit programme d'ordinateur comprend des instructions pour la mise en oeuvre des étapes suivantes : - alors que chacun desdits suiveurs (181, 182) a été fixé à respectivement à l'un desdits segments et que l'on effectue une rotation des deux os (1, 2) autour de l'extrémité proximale (4) du second os (2), les deux os étant maintenus fixes l'un par rapport à l'autre, l'acquisition du point représentant l'extrémité proximale du second os (2), dans le référentiel de l'un des suiveurs (181, 182).

Description

L'arthrose est une anomalie mécanique impliquant des dégradations des articulations, incluant cartilage articulaire et os sous-chondral. Cette pathologie peut être traitée par le biais de différentes méthodes, la plus importante étant le remplacement total de l'articulation 5 pathologique par un implant prothétique. Cette méthode est cependant très dégénérative, invasive et parfois traumatisante pour le patient. Lorsque cette maladie est la conséquence d'un désalignement d'un membre, elle peut être retardée ou traitée avec une ostéotomie. Cette procédure chirurgicale a pour but de rééquilibrer les efforts 10 exercés sur l'articulation pathologique en réalignant les centres articulaires du membre (par exemple les centres hanche, genou, cheville pour le membre inférieur ou bien encore l'épaule, le coude et le poignet pour le membre supérieur). Une coupe partielle est réalisée sur un des deux os formant le membre (par exemple le fémur ou le tibia pour le membre inférieur, ou bien encore l'humérus ou le radius 15 pour le membre supérieur). Le réalignement est effectué en faisant une rotation des deux segments osseux coupés partiellement autour d'un point de rotation souvent appelé charnière, résultant de la coupe partielle. Une fois l'alignement obtenu, ces deux segments osseux sont, dans la plupart des cas, maintenus dans la position souhaitée 20 grâce à une plaque d'ostéosynthèse. En dépit de sa grande efficacité, cette procédure chirurgicale est cependant très difficile à réaliser et ceci pour plusieurs raisons : - l'alignement du membre doit être effectué avec une extrême précision afin d'obtenir de bons résultats à long terme, 25 - le planning de la chirurgie est réalisé en deux dimensions (2D) alors même que la procédure chirurgicale est effectuée en trois dimensions (3D), - lle geste chirurgical est difficile à mettre en oeuvre compte tenue de la planification (l'angle de correction est planifié en phase préopératoire est transféré durant l'intervention sur le patient avec un rapporteur ou une règle), 30 - plusieurs images radiographiques sont effectuées au cours de l'intervention par l'intermédiaire d'un amplificateur de brillance pour contrôler le geste chirurgical.

Toutes ces raisons rendent la procédure imprécise et expose l'équipe clinique et le patient à d'importantes doses de radiations. Dans ce contexte, plusieurs solutions basées sur la chirurgie assistée par ordinateur ont été développées afin d'améliorer la précision, la reproductibilité 5 de la procédure chirurgicale et éviter l'utilisation systématique d'images radiographiques. Ces systèmes sont utilisés au cours de l'intervention et permettent au chirurgien d'obtenir des informations 3D de l'alignement. La plupart de ces solutions sont composées d'un localisateur optique 3D qui peut suivre et détecter 10 des marqueurs dans l'espace. Un ordinateur connecté à ce localisateur peut par conséquent obtenir la position et l'orientation 3D de suiveurs (en anglais "trackers") composés d'au moins trois marqueurs. Ces suiveurs sont fixés sur les os, permettant ainsi au système de connaître la position et l'orientation 3D des os dans l'espace. Pour obtenir l'alignement 3D d'un membre, les trois centres 15 articulaires qui composent ce membre sont détectés et enregistrés avec le système de navigation. Par exemple, il s'agit des centres, hanche, genou, cheville pour le membre inférieur. Toutes les solutions existantes nécessitent, au moins, deux suiveurs 20 fixés sur chacun des os afin d'obtenir leurs positions et orientations 3D : par exemple un suiveur sur le fémur et un suiveur sur le tibia pour le membre inférieur. La position des centres articulaires sont par conséquent estimés par rapport à ces suiveurs. Par exemple, pour le membre inférieur, les centres hanche et genou sont calculés par rapport au suiveur fémoral et le centre cheville est estimé par rapport au 25 suiveur tibial. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour estimer la position des centres articulaires : des méthodes fonctionnelles basés sur des mouvements relatifs des os composant l'articulation, des méthodes morphologiques basées sur l'acquisition 3D de points anatomiques particuliers, des méthodes morpho- 30 fonctionnelles basées sur les informations fonctionnelles et morphologiques de l' articulation. Le centre hanche peut être obtenu, par exemple, avec une méthode fonctionnelle : un mouvement de circumduction du fémur est réalisé autour de la hanche. Le système de navigation enregistre les positions et orientations 3D du 35 suiveur fixé sur le fémur au cours du mouvement. Le centre de rotation des données acquises est calculé et représente ce centre hanche.

Le centre genou peut être estimé, par l'intermédiaire d'une méthode morpho-fonctionnelle, en réalisant un mouvement de flexion/extension. Les positions et orientations 3D des suiveurs fémoral et tibial sont enregistrées durant le mouvement par le système de navigation. Un axe de rotation moyen représentant la flexion/extension est estimé. Le centre genou est le milieu des deux points, représentant l'épicondyle médial et latéral, acquis sur cet axe de rotation par un palpeur reconnaissable par la station de navigation. Le centre cheville peut être estimé par une méthode morphologique 10 comme étant le milieu du point médial et latéral de la cheville. L'alignement représenté par l'angle entre les deux os, par exemple, l'angle HKA (pour "Hip - Knee - Ankle") entre l'axe mécanique fémoral et l'axe mécanique tibial peut être calculé en temps réel grâce à un système de navigation, durant l'étape de réalignement. 15 Les techniques traditionnelles permettant à un système de chirurgie assistée par ordinateur de calculer l'information représentant l'alignement après une ostéotomie sont toutes basées sur au moins deux suiveurs : un sur chacun des os. Ces techniques traditionnelles nécessitent par conséquent la fixation d'au moins un suiveur à l'extérieur de l'incision. Par exemple, pour une ostéotomie tibiale, 20 l'incision chirurgicale est réalisée sur la partie antéro-médiale du tibia. Le placement du suiveur fémoral nécessite donc une incision supplémentaire sur le fémur et du temps additionnel pour la chirurgie. Dans d'autres situations, un suiveur unique peut être utilisé pour obtenir l'alignement du membre. 25 Ces méthodes nécessitent une procédure d'acquisition spécifique pour calculer les centres articulaires par rapport à ce suiveur et ne peuvent cependant pas être utilisées pour une ostéotomie. Dans ce cas, l'un des deux os est en effet divisé en deux segments osseux. L'un de ces segments n'est donc plus localisé par la station de navigation : aucun suiveur n'est lié à ce segment. Le calcul 30 de l'alignement après ostéotomie ne peut donc être réalisé, puisque la station de navigation ne connaît pas la position et l'orientation 3D d'un des centres articulaires associé à ce segment. La présente invention a pour objet de fournir un système d'alignement d'un premier os par rapport à un second os appartenant à un membre et 35 formant ensemble une articulation, le premier os ayant été partiellement coupé en un premier segment et un second segment, qui ne nécessite pas d'invasivité additionnelle, est plus rapide et moins traumatisant pour le patient que les systèmes définis dans l'art antérieur. Ainsi, la présente invention est relative à un système pour l'alignement d'un premier os par rapport à un second os appartenant à un membre et formant ensemble une articulation, le premier os ayant été partiellement coupé en un premier segment et un second segment liés partiellement entre eux, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une station de chirurgie assistée par ordinateur incluant un écran (20) et un dispositif de traitement comprenant une mémoire dans laquelle est 10 enregistré un programme d'ordinateur et une unité de traitement adaptée pour exécuter ledit programme, - deux suiveurs destinés à être chacun mis en place sur l'un des deux segments du premier os, la position et l'orientation desdits suiveurs étant détectable par ladite station, ledit système étant en outre caractérisé en ce que ledit programme 15 d'ordinateur comprend des instructions pour la mise en oeuvre des étapes suivantes : - alors que chacun desdits suiveurs a été fixé à respectivement à l'un desdits segments et que l'on effectue une rotation des deux os autour de l'extrémité proximale du second os, les deux os étant maintenus fixes l'un par rapport à l'autre, l'acquisition du point représentant l'extrémité proximale du second os, dans le 20 référentiel de l'un des suiveurs, - l'acquisition du point représentant le centre de l'articulation, dans le référentiel de l'un des suiveurs, - l'acquisition du point représentant l'extrémité distale du premier os, dans le référentiel de l'autre suiveur, 25 - l'affichage, sur l'écran de la station, desdits points représentant l'extrémité proximale du second os, le centre de l'articulation et l'extrémité distale du premier os, pendant un déplacement des deux segments du premier os l'un par rapport à l'autre. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce 30 système : - ledit écran et/ou ledit dispositif de traitement est (sont) portés(s) par l'un desdits suiveurs, - lesdits suiveurs sont optiques, - lesdits suiveurs sont magnétiques. 35 L'invention et ses avantages seront décrits plus en détail ci-dessous avec des références aux dessins schématiques annexés, qui, seulement à fins d'illustration montrent certains modes de réalisation non limitatifs, dessins dans lesquels : La figure 1 est une représentation du membre inférieur après ostéotomie montrant l'alignement des trois centres articulaires.

La figure 2 est une représentation schématique du matériel formant partie du système selon l'invention. La figure 3 est un dessin schématique du membre inférieur montrant l'acquisition du centre articulaire proximal. La figure 4 est une représentation du tibia montrant les acquisitions 10 nécessaires pour le membre inférieur afin de déterminer le centre de l'articulation centrale et le centre de l'articulation distale. La figure 5 est le diagramme de flux de la procédure chirurgicale mise en oeuvre. La description détaillée suivante utilise principalement le membre 15 inférieur comme exemple. La présente invention peut cependant être également utilisée avec d'autres membres. Les figures 1 et 4 montrent un membre inférieur composé d'un premier os 1 représentant un tibia et un second os 2 représentant un fémur. Les deux os sont articulés autour d'un genou 3 appelé articulation centrale. 20 Le deuxième os possède une extrémité ou articulation proximale 4, la hanche, qui fait l'interface avec le pelvis 5. Le premier os a une articulation distale 6, la cheville, qui fait l'interface avec le pied 7. Le premier os est partiellement coupé et divisé en deux segments 81 et 82 qui représentent respectivement l'épiphyse et la diaphyse du 25 tibia. Ces deux segments peuvent pivoter autour d'une charnière 9 formée à l'issu d'une ostéotomie 10. L'axe mécanique 11 du second os est la ligne passant par les articulations proximale et centrale. L'axe mécanique 12 du premier os est la ligne passant par les articulations centrale et distale. 30 Le but d'une ostéotomie est de corriger l'angle 13 entre ces deux axes mécaniques. Cet angle 13 doit être situé dans la plage de 183° à 186° afin d'obtenir de bons résultats à long termes. La figure 2 montre le matériel requis pour déterminer l'alignement d'un membre. Ce matériel est composé d'un localisateur 3D 14, équipé de caméras 35 15, qui peut déterminer par triangulation la position 3D de marqueurs 16 dans l'espace 17 visible par le localisateur. Deux suiveurs 181 et 182 d'un type connu, contenant au moins trois marqueurs 16 et permettant à un dispositif de traitement ou ordinateur 19 connecté au localisateur 14 de calculer leurs positions et orientations 3D, sont fixés sur la diaphyse et l'épiphyse du tibia. Les suiveurs 181 et 182 et le localisateur 14 peuvent être n'importe quel système disponible dans le commerce, tel que, par exemple, celui commercialisé par la société NOTHERN DIGITAL sous la marque POLARIS. L'écran 20 peut fournir des informations concernant l'alignement au chirurgien incluant l'angle entre les axes mécaniques du fémur et du tibia. Pour cet exemple, le système est un localisateur 14 optique ; cependant, tout autre localisateur tel que magnétique, ultrason, par accéléromètre, par gyroscope, par inclinomètre, etc... peut être utilisé dans le cadre de cette invention. Bien entendu, les suiveurs sont de même type que le localisateur associé. Autrement dit, quand le localisateur est magnétique, le suiveur l'est aussi, etc.

Afin de calculer l'axe mécanique du premier os et l'axe mécanique du second os pour déterminer l'alignement, les centres articulaires doivent être acquis et estimés par le système. Le centre articulaire proximal peut être mesuré suivant la figure 3. Un référentiel 3D 21 associé au suiveur est fixé sur l'épiphyse du tibia. Le centre articulaire proximal 4 peut être trouvé en réalisant un mouvement de circumduction 22 de la jambe autour de la hanche avec une position relative fixe entre l'axe mécanique du tibia 12, et l'axe mécanique du fémur 11. Pour cet exemple, la position relative est la pleine extension afin d'avoir l'information concernant l'alignement nécessaire pour le chirurgien, mais tout autre position relative (en flexion par exemple) peut être réalisée.

Les axes mécaniques 11 et 12 ne doivent pas bouger durant l'acquisition. Les positions et orientations 3D du référentiel 21 sont enregistrées par le système durant le mouvement. L'ordinateur utilise ensuite un algorithme spécifique connu, avec ces référentiels enregistrés, tel que par exemple le centre de rotation ou le point le moins mobile, etc... pour déterminer le centre proximal 4.

Les positions des articulations centrales 3 et distales 6 peuvent être déterminées en utilisant la méthode décrite en référence à la figure 4. Un palpeur 23 composé de marqueurs et d'un pointeur 24, disponibles dans le commerce avec un système de localisation tel que, par exemple, celui commercialisé par la société NORTHERN DIGITAL, permet au système d'obtenir la position 3D d'un pointeur dans l'espace.

Le système peut obtenir l'articulation centrale en faisant l'acquisition par le palpeur du point médial 25 et latéral 26 du plateau tibial et en calculant le milieu de ces deux points. Le point distal peut être déterminé de la même manière : le point médial 27 et latéral 28 de la cheville sont acquis ; le centre de l'articulation distale est le milieu de ces deux points. Toutes autres méthodes morphologiques ou morpho-fonctionnelles existantes permettant au système de déterminer les centres articulaires peuvent être utilisées dans le cadre de cette invention. La figure 5 montre la procédure chirurgicale avec une succession d'étapes spécifiques et innovantes pour le réalignement du membre. Le chirurgien fixe dans un premier temps les suiveurs sur les futurs segments, épiphyse et diaphyse du tibia (étape 29). Le chirurgien réalise un mouvement de circumduction de la jambe autour de la hanche (étape 31) tout en conservant fixe la position relative du fémur et du tibia (étape 30). Le système, après avoir enregistré les positions et orientations 3D du suiveur épiphysaire, peut estimer le centre proximal dans le référentiel épiphysaire associé au suiveur. Le centre articulaire central (étape 32) et distal (étape 33) sont ensuite acquis par l'intermédiaire d'un palpeur par rapport à, respectivement, le référentiel épiphysaire et diaphysaire. Une fois toutes les acquisitions réalisées, le chirurgien peut ensuite effectuer l'ostéotomie, c'est-à- dire la coupe, et réaliser la charnière osseuse (étape 34). Le bon alignement du membre peut être atteint en effectuant une rotation des deux segments autour de la charnière (étape 35). Le chirurgien peut visualiser directement le résultat de l'alignement avec la station de navigation (étape 36) et modifier, si nécessaire, la rotation entre les deux segments jusqu'à obtenir l'alignement désiré. Le chirurgien peut ensuite placer l'implant d'ostéosynthèse pour maintenir les deux segments osseux dans cette configuration. La description a été réalisée pour le membre inférieur mais cette innovation peut également être utilisée pour tout autre membre. Dans un mode de réalisation non représenté, l'écran et/ou le dispositif 30 de traitement (ordinateur) est/sont porté(s) par l'un ou l'autre des suiveurs.

Claims

REVENDICATIONS1. Système pour l'alignement d'un premier os (1) par rapport à un second os (2) appartenant à un membre et formant ensemble une articulation (3), le premier os ayant été partiellement coupé en un premier segment et un second segment liés partiellement entre eux, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une station de chirurgie assistée par ordinateur incluant un écran (20) et un dispositif de traitement (19) comprenant une mémoire dans laquelle est enregistré un programme d'ordinateur et une unité de traitement adaptée pour exécuter ledit programme, - deux suiveurs (181, 182) destinés à être chacun mis en place sur l'un des deux segments du premier os (1), la position et l'orientation desdits suiveurs (181, 182) étant détectable par ladite station, ledit système étant en outre caractérisé en ce que ledit programme d'ordinateur comprend des instructions pour la mise en oeuvre des étapes suivantes : - alors que chacun desdits suiveurs (181, 182) a été fixé à respectivement à l'un desdits segments et que l'on effectue une rotation des deux os (1,
2) autour de l'extrémité proximale (4) du second os (2), les deux os étant maintenus fixes l'un par rapport à l'autre, l'acquisition du point représentant l'extrémité proximale du second os (2), dans le référentiel de l'un des suiveurs (181, 182), - l'acquisition du point représentant le centre de l'articulation (3), dans le référentiel de l'un des suiveurs (181, 182), - l'acquisition du point représentant l'extrémité distale (6) du premier os (1), dans le référentiel de l'autre suiveur (181, 182), - l'affichage, sur l'écran (20) de la station, desdits points représentant l'extrémité proximale (4) du second os (2), le centre de l'articulation (3) et l'extrémité distale (6) du premier os (1), pendant un déplacement des deux segments du premier os l'un par rapport à l'autre. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit écran et/ou ledit dispositif de traitement est (sont) portés(s) par l'un desdits suiveurs (181, 182).
3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits suiveurs (181, 182) sont optiques.
4. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdits suiveurs (181, 182) sont magnétiques.