FR3066377A1 - Dispositif de suivi de la position spatiale d'un segment osseux par ultrasons - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif non invasif permettant la localisation d'un segment osseux d'intérêt par un système de localisation tridimensionnelle, le dispositif non invasif comprenant : - un support (1) destiné à être positionné sur la peau recouvrant le segment osseux d'intérêt, - un marqueur détectable (2) incluant trois éléments repérables (23) par des capteurs de position du système de localisation, - deux transducteurs ultrasonores adjacents (3a, 3b, 3c) fixés au support (1), et espacés d'une distance non nulle, les transducteurs adjacentsétant orientés sur le support (1) de sorte à émettre des ultrasons dans des première deuxième et troisième directions (31a, 31b, 31c) sécantes.

Description

DISPOSITIF DE SUIVI DE LA POSITION SPATIALE D’UN SEGMENT OSSEUX PAR

ULTRASONS

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine technique général des systèmes de localisation tridimensionnelle d’un segment osseux assistée par ordinateur, notamment pour l’analyse quantifiée d’un mouvement du segment osseux.

Les systèmes de localisation tridimensionnelle actuels sont basés sur différentes technologies :

- les technologies dites « irradiantes » (telles que la fluoroscopie) dans lesquelles des rayons X sont émis vers le patient pendant plusieurs minutes de manière continue ou pulsée pour imager des positions successives du segment osseux dont on souhaite analyser le mouvement,

- les technologies dites « invasives » dans lesquels plusieurs dispositifs repérables - connus sous le nom de « repères de mesure » - sont ancrés dans le segment osseux dont on souhaite analyser le mouvement,

- les technologies dites « non invasives » dans lesquelles plusieurs dispositifs repérables cutanés sont fixés sur la peau recouvrant le segment osseux dont on souhaite suivre le mouvement.

L’invention concerne plus précisément le domaine technique général des systèmes de localisation tridimensionnelle « non invasifs ».

En particulier l’invention concerne un dispositif repérable destiné à être fixé sur la peau d’un patient pour permettre le suivi des déplacements d’un segment osseux à l'aide d'un capteur de position. Un tel capteur de position peut être un ensemble de caméras qui repèrent la position et l'orientation du dispositif repérable.

L’invention répond au besoin de connaître la géométrie et la cinématique d’un segment osseux humain ou animal, dans le cadre médical ou vétérinaire. Elle trouvera une application préférentielle, mais aucunement limitative, dans le cadre d’approche de diagnostic et de suivi de patients en médecine physique et en réadaptation fonctionnelle.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

Les systèmes de localisation tridimensionnelle sont de plus en plus utilisés dans le domaine médical, en particulier pour permettre une analyse quantifiée du mouvement d’un segment osseux. Cette analyse quantifiée du mouvement peut être réalisée afin d’aider le praticien dans l’établissement d’un diagnostic, d’un planning préopératoire ou d’un suivi en rééducation.

Les systèmes de localisation tridimensionnelle permettent par exemple au praticien une vision précise des déplacements :

- du fémur ou du tibia ou de la patella, etc. lors de mouvements de flexion-extension de la jambe d’un patient, ou encore

- de l’humérus, de la scapula, du radius ou du cubitus, etc. lors de mouvement de flexion-extension du bras d’un patient,

- etc.

Cette vision précise des déplacements de segments osseux peut être proposée sous forme d'images bidimensionnelle (2D) ou de reconstitutions tridimensionnelles (3D) en temps réel ou différé, et/ou encore sous forme de données quantifiées.

Les systèmes de localisation tridimensionnelle dit « non invasifs » - c’est-à-dire ne nécessitant pas d’intervention chirurgicale et ne causant pas de destruction des tissus comprennent classiquement :

- un (ou plusieurs) dispositif(s) non invasif(s) destiné(s) à être positionné(s) sur la peau recouvrant le (ou les) segment(s) osseux dont on souhaite suivre le (ou les) mouvement(s),

- un capteur de position permettant d’acquérir la (les) position(s) du (des) dispositif(s) non invasif(s) à différents instants correspondant à différentes positions du segment osseux dont on souhaite suivre le mouvement,

- un calculateur - tel qu’un micro-ordinateur ou une station de travail - pour traiter les signaux acquis par le capteur de position, et fournir les coordonnées spatiales du segment osseux dont on souhaite suivre le mouvement.

Un inconvénient de ces systèmes est que le mouvement du membre du patient induit un glissement de la peau et une déformation des tissus mous (passive ou bien due aux contractions des muscles) entre le squelette et la peau, donc une variation de la position du dispositif non invasif placé sur la peau du patient relativement au segment osseux.

Une approche numérique est donc nécessaire pour la correction de ces artefacts de tissus moux qui se superposent aux mouvements du squelette et parasitent leur mesure.

Toutefois, aucune méthode numérique de compensation actuelle n’a pu montrer son efficacité, et il n’existe pas de méthode de mesure directe non invasive ou non irradiante, malgré l’impact reconnu des artefacts de tissus mous sur la qualité des grandeurs utiles au diagnostic et au suivi du patient.

En outre les systèmes existants ne permettent pas de suivre le mouvement de certains segments osseux tels que la patella ou la scapula.

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif non invasif permettant de pallier les inconvénients précités pour permettre à un système de localisation tridimensionnelle de déterminer avec précision des positions successives d’un segment osseux d’intérêt lors de sa mise en mouvement.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

A cet effet, l’invention propose un dispositif non invasif permettant la localisation d’un segment osseux humain ou animal d’intérêt par un système de localisation tridimensionnelle, le dispositif non invasif comprenant :

- au moins un support destiné à être positionné sur la peau recouvrant le segment osseux d’intérêt,

- au moins un marqueur détectable par un système de localisation,

- au moins deux transducteurs ultrasonores adjacents fixés audit et au moins un support, les transducteurs ultrasonores adjacents étant espacés l’un de l’autre d’une distance non nulle et étant orientés sur ledit et au moins un support de sorte à émettre des ultrasons dans des première et deuxième directions sécantes.

On entend, dans le cadre de la présente invention, par « transducteurs adjacents », deux transducteurs voisins entre lesquels il n’y’a pas d’autres transducteurs. En d’autres termes, deux transducteurs sont dits « adjacents » lorsque l’espace entre lesdits transducteurs adjacents est dépourvu de transducteur.

Dans le cadre de la présente invention une première direction est dite « sécante » à une deuxième direction lorsque la projection de la première direction dans un plan contenant la deuxième direction présente un point d’intersection avec ladite deuxième direction. Plus précisément, on entend, dans le cadre de la présente invention, par « première et deuxième directions sécantes », des directions dont les projections dans un plan contenant l’une des directions présentent au moins un point d’intersection avec celle-ci.

Cette solution non invasive consistant en l’association d’un marqueur détectable avec au moins deux transducteurs ultrasonores permet de corriger efficacement les éventuels mouvements des tissus mous générés lors du déplacement du membre du patient.

Ainsi, le principe de l’invention est d’utiliser plusieurs transducteurs ultrasonores disposés « en réseau » (i.e. transducteurs adjacents espacés d’une distance non nulle) plutôt qu’en barrette comme dans le cas d’une sonde échographe, pour obtenir un nuage de mesures au lieu d’une mesure locale plane de haute précision (i.e. l’image échographique standard).

Des aspects préférés mais non limitatifs du matériau composite selon l’invention sont les suivants :

- chaque transducteur peut émettre un cône d’ultrasons, les dimensions de chaque transducteur étant adaptées pour que le cône d’ultrasons émis ait un diamètre inférieur ou égal à 20 millimètres, de préférence inférieure ou égale à 8 millimètres,

- les fréquences de travail de chaque traducteur peuvent être comprises entre 0.1 MHz et 20 MHz, et préférentiellement comprises entre 5 MHz et 15MHz,

- le dispositif peut comprendre en outre au moins un capteur intermédiaire monté sur ledit et au moins un support, le capteur intermédiaire s’étendant entre deux transducteurs adjacents,

- ledit et au moins un support peut être constitué dans un matériau rigide, chaque transducteur étant fixé audit support par l’intermédiaire d’un élément élastique radialement, tel qu’un ressort,

- le dispositif peut comprendre en outre au moins un capteur de compression associé à au moins un élément élastique radialement pour mesurer la compression dudit élément élastique,

- le dispositif peut comprendre en outre au moins un élément amovible retardateur de propagation, chaque élément retardateur de propagation étant disposé en aval d’un transducteur respectif,

- le dispositif peut comprendre au moins deux marqueurs détectables, chaque marqueur détectable étant fixé à un transducteur ultrasonore respectif,

- le dispositif peut comprendre lequel comprend au moins un transducteur ultrasonore additionel en contact avec un des transducteur ultrasonore adjacents,

- chaque transducteur peut consister en un élément servant d’émetteur et de récepteur d’ultrasons, chaque transducteur étant utilisé en mode échographique A.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres avantages et caractéristiques du dispositif non invasif selon l’invention ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes de réalisation, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif non invasif,

- la figure 2 illustre schématiquement un deuxième mode de réalisation du dispositif non invasif,

- la figure 3 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation du dispositif non invasif,

- la figure 4 illustre schématiquement un quatrième mode de réalisation du dispositif non invasif utilisé pour l’analyse du mouvement de la patella d’un patient.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

On va maintenant décrire plus en détail le dispositif non invasif selon la présente invention en référence aux figures. Dans ces différentes figures, les éléments équivalents sont désignés par la même référence numérique.

1. Premier mode de réalisation

En référence à la figure 1, on a illustré un premier mode de réalisation du dispositif non invasif.

Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif non invasif comprend un (ou plusieurs) support(s) 1, un marqueur détectable 2 fixé au support 1, et trois transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c également fixés au support 1.

1.1. Support

Le support 1 est destiné à être positionné sur le membre du patient pour lequel on souhaite analyser la cinématique d’un segment osseux d’intérêt. Plus précisément, la face interne du support 1 est destinée à venir en contact avec la peau du membre du patient.

Le support 1 peut être constitué dans un matériau souple et élastique au moins longitudinalement pour permettre son adaptation à la taille du membre du patient. Ceci permet d’assurer un placage des transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c contre la peau du patient afin d’améliorer la conduction des ultrasons générés à travers les tissus mous (graisse, muscle, etc.) enrobant le segment osseux d’intérêt.

Dans une variante de réalisation, le support 1 peut être un corps annulaire élastique conformé comme un manchon que l'utilisateur doit enfiler.

Dans une autre variante de réalisation, le support 1 peut être une bande élastique 11, de largeur constante et de longueur finie, extensible au moins longitudinalement. Ceci permet une meilleure maîtrise dans le positionnement des transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c relativement au membre du patient pour lequel on souhaite analyser le mouvement du segment osseux d’intérêt.

Dans ce cas, le support 1 comprend également des moyens de fixation 12 permettant d’attacher le support 1 sur le membre. Par exemple, le support 1 peut comprendre deux bandeaux de fixation destinés à coopérer entre eux et agencés chacun à une extrémité respective de la bande élastique, un premier bandeau s’étendant sur la face interne du support, et un deuxième bandeau s’étendant sur une face externe du support (opposée à la face interne). En particulier, les bandeaux de fixation peuvent être réalisés à l'aide de fermetures à crochets, par exemple en Velcro (marque déposée) ce qui assure un ancrage sans glissement.

1.2. Marqueur détectable

Le marqueur détectable 2 est fixé rigidement au support 1 et s’étend en sailli vers l’extérieur depuis la face externe du support 1 opposée à la face interne. Ce marqueur 2 est destiné à être associé à un système connu de localisation par triangulation pour permettre le suivi du mouvement du support 1 dans l’espace lors du déplacement du membre du patient pour lequel on souhaite analyser le mouvement du segment osseux d’intérêt.

Le marqueur 2 comprend une embase 21, un tripode 22 fixé sur l’embase, et trois éléments repérables 23 montés chacun sur une branche 221, 222, 223 respective du tripode 22.

Comme indiqué précédemment, le marqueur 2 permet à un système de localisation par triangulation - connu sous le nom de système de localisation tridimensionnelle - de suivre la position du support 1 lors du déplacement du membre du patient. Un tel système de localisation (non représenté) comprend classiquement :

- des capteurs de position (par exemple des capteurs optoélectroniques localisés par des caméras) qui repèrent la position et l'orientation des éléments repérables lors du déplacement du membre du patient, et

- une unité de traitement - telle qu’un ordinateur - qui permet de traiter les données reçues des capteurs de position pour déterminer la position du support dans l’espace lors du déplacement du membre du patient.

De tels systèmes de localisation sont bien connus de l’homme du métier, et ne seront pas décrits plus en détails dans la suite.

L’embase 21 comprend de préférence un socle consistant en une plaque insérée dans le support souple et élastique, et une tige s’étendant perpendiculairement au socle en sailli vers l’extérieur de la face externe du support 1. La présence d’un socle permet de maintenir le marqueur détectable immobile relativement au support 1 lorsque le patient déplace le membre pour lequel on souhaite analyser la cinématique du segment osseux d’intérêt.

Le tripode 22 est monté sur l’extrémité libre de l’embase 21 opposée au socle. Le tripode 22 peut être monté sur l’embase 21 de manière amovible mais ne peut cependant être placé par rapport à l’embase 21 que dans une position tout à fait spécifique, de sorte que même après l'enlèvement et après le remplacement d'un tel tripode 22, les trois éléments repérables 23 prennent exactement la même position par rapport au support 1 qu'avant le retrait.

Le tripode 22 comprend au moins trois branches 221, 222, 223 s’étendant dans des directions non parallèles les unes aux autres, et peut présenter différentes configurations (en « T », en « Y », en « H », en « X », etc.).

Chaque branche 221, 222, 223 du tripode 22 est associée à un élément repérable 23 respectif. Chaque élément repérable 23 peut être actif. Notamment, chaque élément repérable 23 peut consister en une diode infrarouge, ou tout autre composant actif connu de l’homme du métier et basé sur des technologies acoustiques, mécaniques ou magnétiques.

En variante, chaque élément repérable 23 peut être passif. Notamment, chaque élément repérable 23 peut consister en un composant « quasi-ponctuels » réfléchissant (disque ou sphère) ou à la forme repérable (par exemple en 2D un ensemble de pixels spécifique tel qu’un QR code ou un ensemble de QR codes). Dans ce cas, le système de localisation comprend des moyens d’acquisition d’images (caméras ou appareils photo) voire d’émission d’un rayonnement lumineux (par exemple en des diodes infrarouges disposées autour des objectifs des capteurs de position) en plus des capteurs de position. Un avantage de l’utilisation d’éléments repérables 23 passifs est qu’ils ne nécessitent pas d’être alimentés électriquement. L’élément repérable pourrait également consister en un senseur électromagnétique apte à être détecté par un système électromagnétique (tel qu’une bobine générant un champ magnétique).

ίο

Bien entendu, le marqueur détectable peut présenter d’autres formes que celle décrite ci-dessus.

1.3. Transducteur ultrasonore

Chaque transducteur ultrasonore 3a, 3b, 3c est fixé rigidement sur la face interne du support 1, et permet de détecter la position d’une zone (quasi-ponctuelle) du segment osseux d’intérêt relativement au support 1 lors du déplacement du membre du patient.

Les trois (ou plus de trois) transducteurs 3a, 3b, 3c sont positionnés sur le support 1 de sorte que la distance entre deux transducteurs adjacents 3a, 3b (respectivement 3b, 3c et 3a, 3c) ne soit pas nulle. En d’autres termes, les transducteurs adjacents 3a, 3b, 3c sont disposés sur le support 1 de sorte à ne pas être en contact les uns avec les autres. Ainsi, les transducteurs adjacents 3a, 3b, 3c ne forment pas un champ ultrasonore continu, au contraire des sondes échographiques

Les transducteurs 3a, 3b, 3c sont avantageusement orientés sur le support 1 de sorte à émettre des cônes d’ultrasons dans des première deuxième et troisième directions 31a, 31b, 31c sécantes. Chaque direction d’émission d’un transducteur correspond sensiblement à l’axe de révolution du cône d’ultrasons généré par ce transducteur.

Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 :

- Les premier et deuxième transducteurs 3a, 3b émettent des ultrasons dans des première et deuxième directions 31a, 31b se croisant en un premier point d’intersection,

- Les deuxième et troisième transducteurs 3b, 3c émettent des ultrasons dans des deuxième et troisième directions 31b, 31c se croisant en un deuxième point d’intersection distinct du premier point d’intersection, et

- Les premier et troisième transducteurs 3a, 3c émettent des ultrasons dans des première et troisième directions 31a, 31c se croisant en un troisième point d’intersection distinct des premier et deuxième points d’intersection.

Bien entendu, les premier deuxième et troisième points d’intersection peuvent être confondus.

Lorsque les trois transducteurs 3a, 3b, 3c ne s’étendent pas dans un même plan, une première direction est dite « sécante » à une deuxième direction lorsque la projection de la première direction dans un plan contenant la deuxième direction présente un point d’intersection avec ladite deuxième direction. Plus précisément, on entend, dans le cadre de la présente invention, par « première, deuxième et troisième directions sécantes », des directions dont les projections dans un plan contenant l’une des directions présentent au moins un point d’intersection avec celle-ci.

Chaque transducteur 3a, 3b, 3c peut être utilisé en mode échographique A (aussi appelé « A-scan » ou « A-mode »), au contraire de l’échographie médicale basée sur du « Cscan » pour avoir une représentation cartographique. Le mode échographique A est basé sur l'émission d'une information acoustique et la réception d’un écho le long d'une seule ligne de propagation.

De par la faible épaisseur de tissus mous traversés, chaque transducteur 3a, 3b, 3c émet un cône d’ultrasons 32a, 32b, 32c sensiblement cylindrique. Le diamètre du cône d’ultrasons émis 32a, 32b, 32c par chaque transducteur 3a, 3b, 3c dépend des dimensions de celui-ci et peut varier en fonction de l’application visée. Notamment, le diamètre du cône d’ultrasons 32a, 32b, 32c peut être égal à 20 millimètres, mais est de préférence inférieur à 20 millimètres, notamment égal à 8 millimètres. Ceci permet de réduire la sensibilité du dispositif lors du déplacement du membre du patient sur lequel il est positionné. En effet, plus le diamètre du cône d’ultrasons 32a, 32b, 32c est important, plus les dimensions du transducteur 3a, 3b, 3c sont importantes, ce qui rend difficile la mise en contact de toute la surface du transducteur 3a, 3b, 3c avec la peau lors du déplacement du membre du patient. De plus, le diamètre du cône d’ultrason est en relation avec la zone de réflexion mesurée sur l’organe dont le mouvement est suivi : l’augmentation du diamètre du cône diminue la précision de la localisation de la réflexion.

Chaque transducteur 3a, 3b, 3c peut consister en un élément piézo-électrique servant d’émetteur et de récepteur d’ultrasons. Il peut présenter la forme d’un segment plat, notamment annulaire. Ces transducteurs 3a, 3b, 3c sont standards, et classiquement utilisés en milieu industriel pour le contrôle non-destructif par ultrasons (par exemple la détection de défauts dans des pièces métalliques).

Chaque transducteur 3a, 3b, 3c est adapté pour émettre des ultrasons d’une fréquence classiquement comprise entre 5 MHz et 15 MHz. La fréquence d’émission d’ultrasons est de préférence choisie égale à 5 MHz lorsque le dispositif non invasif est positionné autour d’une zone du patient présentant une épaisseur importante de tissus mous tel que la cuisse du patient. La fréquence d’émission d’ultrasons est de préférence choisie égale à 15 MHz lorsque le dispositif non invasif est positionné autour d’une zone du patient présentant une épaisseur faible de tissus mous tel que le genou.

Les transducteurs 3a, 3b, 3c génèrent donc des ultrasons à des fréquences comprises entre 5MHz/15MHz, c’est-à-dire dans les gammes de fréquences des sondes médicales (1-4 MHz pour les organes profonds, 5 MHz pour les structures intermédiaires, 7 MHz pour les structures proches de la peau, 10-18 MHz pour les organes superficiels). La plage de fréquence des transducteurs 3a, 3b, 3c correspond donc à celle de l’imagerie médicale de diagnostic, utilisant des champs ultrasonores non prévus pour avoir des effets biologiques sur les tissus inspectés.

1.4. Capteur intermédiaire

Le dispositif non invasif peut également comprendre un (ou plusieurs) capteur(s) intermédiaire 4 connecté(s) entre deux transducteurs ultrasonores 3a, 3c respectifs (par exemple des capteurs de flexion, un goniomètre électronique, un gyroscope etc.). La présence d’un (ou plusieurs) capteur(s) 4 entre deux transducteurs respectifs permet de connaître les positions relatives des transducteurs 3a, 3b, 3c les uns par rapport aux autres. Ceci est particulièrement avantageux, notamment lorsque le dispositif non invasif comprend un unique marqueur détectable et que le support 1 est constitué dans un matériau souple et élastique.

Par exemple, lorsque le dispositif non invasif comprend un unique marqueur détectable 2 associé au deuxième transducteur 3b et que le support 1 est flexible, le dispositif peut comprendre :

- un premier capteur 4 (par exemple de flexion) relié aux premier et deuxième transducteurs 3a, 3b ; l’information mesurée par ce premier capteur 4 permet d’estimer la position du premier transducteur 3a relativement au deuxième transducteur 3b,

- un deuxième capteur 4 relié aux deuxième et troisième transducteurs 3b, 3c ; l’information mesurée par ce deuxième capteur 4 permet d’estimer la position du troisième transducteur 3c relativement au deuxième transducteur 3b.

Ainsi la position des différents transducteurs 3a, 3b, 3c dans l’espace peut être déduite à partir :

- de la connaissance des positions relatives des transducteurs 3a, 3b, 3c les uns par rapport aux autres grâce aux capteurs intermédiaires 4, et

- de la connaissance de la position tridimensionnelle de l’un des transducteurs 3b dans l’espace grâce au marqueur détectable 2.

Chaque capteur 4 peut être basé sur une technologie optique. Le capteur 4 comprend par exemple un tube flexible dont la surface cylindrique interne est réfléchissante, une fibre optique d'émission est connectée à l'entrée du tube, et une fibre de réception connectée à la sortie, la quantité de lumière transmise d'une fibre à l'autre dépendant de l'état de flexion du tube.

En variante, chaque capteur 4 peut être basé sur une technologie électrique. Par exemple, le capteur 4 peut être un élément souple résistif dont la résistance augmente lorsque l'angle de flexion de l’élément souple augmente.

2. Deuxième mode de réalisation

En référence à la figure 2, on a illustré un deuxième mode de réalisation du dispositif non invasif.

Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif non invasif diffère du dispositif non invasif illustré à la figure 1 en ce que le support 1 est constitué dans un matériau rigide et non élastique, par exemple en plastique rigide (polyéthylène haute densité (PEHD), polypropylène (PP), acrylonitrile butadiène styrène (ABS), polycarbonate (PC), etc.), ou en métal (Aluminium, Fer, etc.).

Ce support 1 présente une forme de couronne annulaire 12.

Chaque transducteur 3a, 3b, 3c peut être fixé au support rigide 1 par l’intermédiaire d’un élément élastique radiaiement 13a, 13b, 13c tel qu’un ressort. Ceci permet d’adapter la position du transducteur 3a, 3b, 3c par rapport à la peau 100 du patient pour garantir un contact intime entre le transducteur 3a, 3b, 3c et la peau 100 du patient.

Avantageusement, le dispositif peut comprendre un (ou plusieurs) élément(s) retardateur de propagation en aval d’un (ou plusieurs) transducteur(s) 3a, 3b, 3c. Plus précisément, un élément retardateur peut être associé à un (ou chaque) transducteur ultrasonore, l’élément retardateur étant destiné à être interposé entre le transducteur 3a, 3b, 3c et la peau 100 du patient. Cet élément retardateur amovible connu sous le nom de ligne à retard permet de filtrer les bruits produits par le transducteur 3a, 3b, 3c lors de la génération des ultrasons, ces bruits ayant une faible profondeur de pénétration de propagation associée : cela améliore la résolution du signal à proximité de la surface de contact

Le dispositif peut également comprendre un (ou plusieurs) capteur(s) de compression associé à chaque ressort 13a, 13b, 13c pour connaître la position de chaque transducteur 3a, 3b, 3c relativement au support 1, ce qui permet (puisque le support est rigide) de connaître les positions relatives des transducteurs 3a, 3b, 3c les uns par rapport aux autres.

3. Troisième mode de réalisation

En référence à la figure 3, on a illustré un troisième mode de réalisation du dispositif non invasif.

Dans ce troisième mode de réalisation, le dispositif non invasif comprend trois supports 1, trois marqueurs détectables 2 et trois transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c.

Chaque support 1 est flexible ou rigide. Un marqueur détectable 2 respectif et un transducteur ultrasonore 3a, 3b, 3c respectif sont associés à chaque support 1. Le fait que le dispositif non invasif comprenne trois supports 1 distincts permet de faciliter sa mise en place sur les membres du patient ayant une forme et des dimensions variant le long du segment osseux d’intérêt 200 tel que le mollet.

Chaque transducteur 3a, 3b, 3c permet de mesurer la distance entre :

- la surface du segment osseux 200 « éclairée » par les ultrasons et

- la surface de peau 100 en contact avec le transducteur 3a, 3b, 3c.

Le marqueur détectable 2 permet de connaître la position et l’orientation dans l’espace de chaque transducteur. Avantageusement les différents marqueurs détectables 2 peuvent avoir des formes différentes pour faciliter leur différentiation. La présence de trois marqueurs détectables 2 permet de s’affranchir de l’utilisation de capteurs intermédiaires 4 ou de capteurs de compression tels que décrits en référence aux premier et deuxième modes de réalisation.

Ainsi, l’association :

- des coordonnées tridimensionnelles d’un transducteur 3a, 3b, 3c (obtenue grâce au marqueur détectable 2 et au système de localisation) et

- de l’épaisseur de tissus mous recouvrant la zone de segment osseux « éclairée » par le transducteur 3a, 3b, 3c (obtenue grâce au transducteur ultrasonore) permet d’estimer les coordonnées tridimensionnelles de la zone de segment osseux sur laquelle les ultrasons sont émis par le transducteur ultrasonore 3a, 3b, 3c. Une correction numérique des artefacts de tissus mous n’est alors plus nécessaire pour déterminer avec précision les coordonnées tridimensionnelles du segment osseux d’intérêt 200.

4. Quatrième mode de réalisation

En référence à la figure 4, on a illustré un quatrième mode de réalisation du dispositif non invasif.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un transducteur ultrasonore additionnel en contact avec l’un des transducteurs 3a du dispositif. Plus précisément, dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, le dispositif comprend deux transducteurs ultrasonores additionnels 3’a, 3a disposés de part et d’autre du premier transducteur ultrasonore 3a, de sorte à former une barrette de trois transducteurs ultrasonores 3a, 3’a, 3a. Le fait que le dispositif comprenne une barrette de transducteurs ultrasonores 3a, 3’a, 3a (en plus des deuxième et troisième transducteurs 3b, 3c) est particulièrement adapté au suivi de segment osseux se déplaçant longitudinalement par rapport au tissu mou tel que la patella 300.

En effet, lors du mouvement du genou, la patella 300 se déplace longitudinalement relative au fémur, de sorte dans certaines positions, elle peut ne plus être « éclairée » par le cône d’ultrasons d’un transducteur. En disposant plusieurs transducteurs en barrette (c’est-à-dire côte à côte en contact les uns avec les autres) le long du chemin de déplacement de la patella 300, le dispositif illustré à la figure 4 permet de garantir qu’au moins l’un des transducteurs de la barrette « éclairera » la patella 300 quelle que soit sa position le long de son chemin de déplacement.

5. Principe de fonctionnement

On va maintenant décrire le principe de fonctionnement du dispositif non invasif en référence au premier mode de réalisation illustré à la figure 1.

Dans une première étape, le dispositif est positionné sur le membre du patient pour lequel on souhaite suivre la cinématique du segment osseux d’intérêt. Les transducteurs 3a, 3b, 3c sont disposés sur la peau pour la mesure de la profondeur peau-os.

Le patient est placé dans le champ d'un système de localisation tridimensionnelle incluant des capteurs de position (tels que des capteurs optoélectroniques ou des reconstructions par caméras) pour repérer la position et l'orientation des éléments repérables 23 lors du déplacement du membre du patient.

Le système de localisation tridimensionnelle comprend une unité de commande permettant de contrôler l’activation :

- des transducteurs 3a, 3b, 3c du dispositif non invasif d’une part, et

- des capteurs de position du système de localisation tridimensionnelle d’autre part.

Lors du mouvement du membre du patient, l’unité de commande du système localisation est activée pour synchroniser :

- la détection de la position de chaque marqueur détectable 2 par les capteurs de position, avec

- la détection de la position du segment osseux d’intérêt relativement au support 1 par chaque transducteur ultrasonore 3a, 3b, 3c.

Chaque transducteur ultrasonore 3a, 3b, 3c émet un cône d’ultrasons 32a, 32b, 32c vers le segment osseux d’intérêt 200 et reçoit en réponse des ultrasons réfléchis par le segment osseux 33a, 33b, 33c. Le signal réfléchi enregistré 33a, 33b, 33c est transmis à une unité de traitement qui estime la profondeur entre le segment osseux 200 et chaque transducteur considéré 3a, 3b, 3c.

De préférence, les transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c sont activés séquentiellement. Ceci permet d’éviter les risques de conflit entre transducteurs lors de la réception des ultrasons réfléchis. En effet, en cas d’émissions simultanées d’ultrasons par des premier et deuxième transducteurs 3a, 3b, il y’a un risque pour qu’une partie (ou la totalité) des ultrasons réfléchis suite à l’émission d’ultrasons par le premier (respectivement deuxième) transducteur soit captée par le deuxième (respectivement premier) transducteur, notamment si les premier et deuxième transducteurs sont spatialement proches l’un de l’autre. Ainsi, l’activation séquentielle des différents transducteurs 3a, 3b, 3c permet d’assurer que le signal enregistré par le transducteur actif correspond uniquement aux ultrasons réfléchis par le segment osseux suite à l’émission d’ultrasons par le transducteur actif.

L’activation des capteurs intermédiaires 4 et des capteurs de position est synchronisée avec l’activation des transducteurs ultrasonores 3a, 3b, 3c. Par exemple, dans une variante de réalisation, les capteurs intermédiaires 4 et les capteurs de position sont activés simultanément au premier transducteur ultrasonore 3a du dispositif non invasif.

Les capteurs intermédiaires 4 mesurent par exemple la déformation (ici de la flexion) des structures joignantles transducteurs 3a, 3b, 3c. La déformation mesurée par chaque capteur intermédiaire 4 est transmise à l’unité de traitement pour estimer les positions des transducteurs 3a, 3b, 3c les uns par rapport aux autres.

Chaque capteur de position mesure la position du marqueur détectable dans le champ du système de localisation tridimensionnelle, et transmet cette information mesurée à l’unité de traitement.

L’unité de traitement reçoit :

- le signal réfléchi enregistré par chaque transducteur 3a, 3b, 3c,

- l’information mesurée par chaque capteur de position, et

- la position relative (par exemple la flexion) mesurée par chaque capteur de flexion

4.

A partir des déformations mesurées, l’unité de traitement calcule les positions relatives des transducteurs 3a, 3b, 3c les uns par rapport aux autres. Les informations mesurées par les capteurs de position permettent quant à elle à l’unité de traitement de calculer la position tridimensionnelle du marqueur détectable dans l’espace. Enfin, les signaux réfléchis mesurés permettent à l’unité de traitement de calculer la distance entre chaque transducteur 3a, 3b, 3c et le segment osseux d’intérêt.

A partir de la position 3D du marqueur détectable 2 et de la connaissance des positions relatives des transducteurs les uns par rapport aux autres, la mesure de profondeur de l’os par rapport à la peau de chaque transducteur est convertie en coordonnées 3D de points à la surface des os.

On obtient ainsi les positions tridimensionnelles d’un nuage de points à la surface du segment osseux d’intérêt pour un instant donné.

La répétition de ces opérations une pluralité de fois dans le temps permet de suivre la cinématique de déplacement du segment osseux d’intérêt.

6. Conclusions

Comme indiqué précédemment, l’utilisation d’un dispositif non invasif combinant des marqueurs détectable et des transducteurs ultrasonores orientés vers le segment osseux dont on souhaite étudier le mouvement permet un suivi dynamique de la cinématique osseuse : de précision, facile à mettre en oeuvre, et moins coûteux que les approches existantes.

Pour une gamme de fréquence équivalente à l’échographie médicale, cette mesure ultrasonore est donc sans danger, sans contre-indication et en temps réel.

Le dispositif non invasif selon la présente invention combine deux mesures (ultrasonores issues des transducteurs et suivi 3D issu des capteurs de position), pour une approche innovante de recalage grâce à un des transducteurs ultrasonores disposés en réseau (distance non nulle entre transducteur adjacents et orientation des transducteurs de sorte à émettre des ultrasons dans des directions sécantes). Ces deux mesures permettent de déterminer les coordonnées dans l’espace de points d’un segment osseux d’intérêt.

Dans une posture statique, ces coordonnées peuvent être utilisées pour déformer une géométrie osseuse générique, et ainsi obtenir la géométrie osseuse de manière rapide, non irradiante et moins coûteuse qu’avec les systèmes d’imagerie médicale conventionnels (IRM, CT-scan, radiographie). En dynamique, le recalage sur ces coordonnées de la géométrie osseuse personnalisée permet la détermination de la position relative de l’os par rapport à la surface de la peau, pour le calcul de la cinématique osseuse (i.e. position au cours d’un mouvement dynamique).

Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif repérable décrit précédemment sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici.

Par exemple, dans les différents modes de réalisation décrits ci-dessus, le dispositif non invasif comprenait trois transducteurs ultrasonores. Bien entendu, le dispositif non invasif peut comprendre (deux ou) plus de trois transducteurs ultrasonores - notamment huit, seize ou plus - répartis en différents positions du membre pour lequel on souhaite analyser le mouvement du segment osseux d’intérêt.

Egalement, le dispositif pourrait comprendre un unique transducteur ultrasonore. Dans ce cas, le dispositif non invasif permettant la localisation d’un segment osseux humain ou animal d’intérêt par un système de localisation tridimensionnelle, est remarquable en ce qu’il comprend :

- au moins un support destiné à être positionné sur la peau recouvrant le segment osseux d’intérêt,

- au moins un marqueur détectable par un système de localisation, et

- un unique transducteur ultrasonore fixé audit et au moins un support.

Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l’intérieur de la portée des revendications jointes.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif non invasif permettant la localisation d’un segment osseux humain ou animal d’intérêt (200, 300) par un système de localisation tridimensionnelle, caractérisé en ce que le dispositif non invasif comprend :

   - au moins un support (1) destiné à être positionné sur la peau (100) recouvrant le segment osseux d’intérêt,

   - au moins un marqueur détectable (2) par un système de localisation,

   - au moins deux transducteurs ultrasonores adjacents (3a, 3b, 3c) fixés audit et au moins un support (1), les transducteurs ultrasonores adjacents étant espacés l’un de l’autre d’une distance non nulle, et étant orientés sur ledit et au moins un support (1) de sorte à émettre des ultrasons dans des première et deuxième directions (31a, 31b, 31c) sécantes.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque transducteur (3a, 3b, 3c) émet un cône d’ultrasons (32a, 32b, 32c), les dimensions de chaque transducteur (3a, 3b, 3c) étant adaptées pour que le cône d’ultrasons (32a, 32b, 32c) émis ait un diamètre inférieur ou égal à 20 millimètres, de préférence inférieure ou égale à 8 millimètres.
3. 3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les fréquences de travail de chaque traducteur (3a, 3b, 3c) sont comprises entre 0.1 MHz et 20 MHz, et préférentiellement comprises entre 5 MHz et 15MHz.
4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, lequel comprend en outre au moins un capteur intermédiaire (4) monté sur ledit et au moins un support (1), le capteur intermédiaire (4) s’étendant entre deux transducteurs adjacents.
5. 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit et au moins un support (1) est constitué dans un matériau rigide, chaque transducteur (3a, 3b, 3c) étant fixé audit support (1) par l’intermédiaire d’un élément élastique radialement (13a, 13b, 13c), tel qu’un ressort.
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, lequel comprend en outre au moins un capteur de compression associé à au moins un élément élastique radialement (13a, 13b, 13c) pour mesurer la compression dudit élément élastique (13a, 13b, 13c).
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, lequel comprend en outre au moins un élément amovible retardateur de propagation, chaque élément retardateur de propagation étant disposé en aval d’un transducteur respectif (3a, 3b, 3c).
8. 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, lequel comprend au moins deux marqueurs détectables (2), chaque marqueur détectable (2) étant fixé à un transducteur ultrasonore (3a, 3b, 3c) respectif.

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9. 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, lequel comprend au moins un transducteur ultrasonore additionel en contact avec un des transducteurs ultrasonores adjacents.
10. 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque

    20 transducteur consiste en un élément servant d’émetteur et de récepteur d’ultrasons, chaque transducteur étant utilisé en mode échographique A.