FR3080017A1 - Systeme de calibration rapide pour la navigation chirurgicale - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ancillaire (20) chirurgical comprenant au moins un point (21) destiné à venir en contact avec un point de référence (R1) d'une zone opératoire et une zone de contact tangentielle plane (22) destinée à venir en contact avec une surface de référence de la zone opératoire. Une plateforme (50) peut être ajoutée à ce dispositif. L'ancillaire comprend en outre ou est capable d'être couplé à un moyen de détermination (24) d'un référentiel d'orientation de l'ancillaire dans un référentiel d'orientation galiléen, et un moyen de communication (25) du référentiel d'orientation déterminé. La présente invention permet de calibrer en une seule fois et en peu de mouvements la position d'un outil (30) chirurgical afin d'obtenir sa position en temps réel lors de l'opération.
Description
SYSTEME DE CALIBRATION RAPIDE POUR LA NAVIGATION CHIRURGICALE
La présente invention concerne un système d'orientation chirurgical et un ancillaire de calibration utilisable dans le cadre d'un tel système.
La présente invention peut être utilisable pour une chirurgie en rapport avec toute partie anatomique humaine ou animale à partir du moment où celle-ci est dure (c'est-à-dire une partie anatomique qui ne se déforme pas sous une pression modérée). L'exemple pris dans ce rapport est la chirurgie rachidienne, et plus précisément l'insertion de vis pédiculaires sur une ou plusieurs vertèbres.
La structure squelettique interne d'un mammifère, humain ou animal, est composée d'une centaine d'os. La colonne vertébrale est une chaîne d’os appelées vertèbres permettant une certaine souplesse et des mouvements, tout en protégeant les structures nerveuses et vasculaires qui se trouvent à l’intérieur et autour de la colonne vertébrale. La colonne vertébrale commence à la base du crâne, s'étend jusqu'au bassin. Elle est composée de quatre régions: cervicale, thoracique, lombaire et sacrée.
Les figures IA, IB représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté d'une vertèbre thoracique 1. La vertèbre 1 comprend : un corps vertébral 2 orienté vers l'avant ; un foramen vertébral 3 en forme de trou permettant à la moelle épinière de passer ; deux processus transverses 4A, 4B, orientés vers l'arrière et vers l'extérieur ; un processus épineux 5 entre les processus transverse 4A, 4B et orienté vers le bas ; deux lames 6A, 6B qui connectent les processus transverses 4A, 4B au processus épineux 5 ; deux pédicules 7A, 7B qui connectent le corps vertébral 2 aux processus transverses 4A, 4B ; deux facettes articulaires supérieures 8A (non représentée), 8B et deux facettes articulaires inferieures 9A (non représentée), 9B qui permettent l'articulation des vertèbres 1 entre-elles (elle sont empilées les unes sur les autres).
L'alignement vertébral normal ou idéal peut être perturbé suite à un traumatisme ou une maladie (comme par exemple une scoliose). Les vertèbres peuvent alors pivoter autour de trois axes (X, Y, Z), nécessitant parfois une intervention chirurgicale afin de corriger les anomalies et retrouver un alignement vertébral idéal ou, à tout le moins amélioré.
Dans ce cas, au moins deux vertèbres 1 adjacentes sont généralement fusionnées l'une à l'autre par un procédé dans lequel un chirurgien ouvre le patient, généralement par le dos, détermine un point d'entrée 10 et perce des trous 11 dans les pédicules 7A, 7B des vertèbres
1. Les trous sont percés avec un angle axial alpha o (l'angle par rapport au plan XZ) et un angle sagittal beta β (l'angle par rapport au plan XY), montrés aux figures IA, IB respectivement.
Ensuite, des vis pédiculaires 12 comprenant des extrémités 13 en forme de U (mais parfois avec d'autres formes) sont insérées dans les trous 11. (Pour des raisons de clarté de la figure IA, un seul point d'entrée 10, trou 11, vis pédiculaire 12, et extrémité 13 sont montrés).
Chaque extrémité 13 reçoit un élément de liaison (non montré), par exemple une tige, qui permet de relier plusieurs vis (de plusieurs vertèbres) entre elles et ainsi de réduire la déformation et de fusionner les vertèbres 1 entre elles. Les trous 11 percés et les vis pédiculaires 12 placées dans les vertèbres 1 doivent être soigneusement positionnés et alignés afin de ne pas blesser les structures nerveuses et vasculaires adjacentes, voire provoquer la mort du patient. En cas de mauvais positionnement des vis, il faut procéder à une seconde opération, entraînant des coûts et des risques supplémentaires.
Des systèmes de guidage ont été développés pour aider le chirurgien à percer les trous 11 dans la vertèbre 1 et placer précisément les vis pédiculaires 12.
L'article Guided pedide screw insertion and traininçf' de Manbachi et ai. décrit un système d'orientation chirurgical basé sur la navigation optoélectronique. La tomodensitométrie, ou TDM, est une technique d'imagerie médicale réalisée pendant une phase préopératoire (c'est-à-dire avant l'opération) afin de construire un modèle en trois dimensions de la zone à opérer, par exemple une ou plusieurs vertèbres. Pendant une phase peropératoire (c'est-à-dire durant l'opération proprement dit), des marqueurs optiques agencés sur les outils chirurgicaux sont captés par une pluralité de caméras qui filment la salle d'opération en temps réel, afin de repérer les positions des outils par rapport au modèle.
En outre, le patient est généralement allongé sur le dos lors la prise des images de tomodensitométrie préopératoires, tandis qu'il est allongé sur le ventre pour l'opération. En conséquence, les positions des vertèbres ne correspondent pas entre les images prises avant l'opération et la position du patient pendant l'opération.
Enfin, un tel système est coûteux, encombrant dans une salle d'opération, et peut manquer de précision si par exemple certains marqueurs sont obturés pendant l'opération. Dans le cas d'un système qui s'appuie sur de l'imagerie prise pendant la phase peropératoire, le personnel et le patient sont exposés aux rayons électromagnétiques (rayons X) et la durée de l'opération est plus longue.
Le brevet US 8,419,746 décrit un outil chirurgical de perforation osseuse comprenant une tige, au moins deux électrodes agencées sur la tige, et des moyens pour mesurer l'impédance entre les électrodes. Un changement d'impédance indique un vide, ce qui signifie que l'extrémité de la tige est sortie de l'os. Néanmoins, un tel outil ne permet pas au chirurgien de déterminer le trajet idéal, il ne fait que signaler un mauvais trajet à posteriori, signalement qui peut être trop tardif.
En conséquence, des systèmes et des outils pour indiquer au préalable le bon trajet au chirurgien par rapport aux images prises en préopératoire en prenant compte de la position du patient pendant l'opération ont été développés à partir de centrales inertielles.
Le brevet WO 2011/089606 Al décrit un outil de navigation inertielle, utilisé notamment pour le soin dentaire, comprenant un détecteur d'orientation. L'orientation de cet outil est calculée en temps réel par rapport à une orientation de référence déterminée par l'utilisateur, ce qui permet de détecter des écarts au cours de l'opération. Cependant, cet outil ne propose pas l'utilisation d'images préopératoires ou peropératoires (telles que la tomodensitométrie) et ne propose pas de suivi de la position de l'outil dans l'espace.
Le brevet EP 2901957 Al décrit une méthode de navigation permettant d'obtenir la position et l'orientation d'un outil chirurgical associé à une centrale inertielle. Une image tridimensionnelle de la partie anatomique devant être opérée est reconstituée et une position d'intervention est définie par l'utilisateur sur cette image. Une position de référence, typiquement le long d'une épine osseuse, est déterminée sur la partie anatomique devant être opérée. Ce brevet décrit ensuite comment la position et l'orientation de l'outil chirurgical associé à la centrale inertielle peuvent être suivi en temps réel et par rapport à l'image tridimensionnelle de la zone opératoire, à condition que la position de référence soit retrouvée sur le patient lors de l'opération. Cette méthode souffre cependant d'un principal inconvénient, à savoir que la position de référence le long d'un os peut être difficile à reproduire lors de l'opération. De plus, une position de référence doit être trouvée pour chaque partie anatomique du patient devant être opérée, et l'outil chirurgical doit être calibré pour chacune de ces positions.
Le brevet WO 2016102898 Al décrit un système de navigation chirurgicale permettant de trouver un référentiel d'orientation associé à un élément anatomique non-déformable à partir de 3 points de références. Ces points de références doivent être indiqués par l'utilisateur sur une reconstitution tridimensionnelle de la partie anatomique puis retrouvés sur la partie anatomique lors de l'opération. Néanmoins, de même que pour la méthode décrite au brevet EP 2901957 Al, il peut être fastidieux et coûteux en temps pour le chirurgien de procéder à la calibration de chaque partie anatomique devant être opérée.
En conséquence, il existe un besoin de système et d'outils permettant au chirurgien de repérer la position de ses outils par rapport au patient pendant l'opération après une phase de calibration peropératoire très courte et ne demandant que peu de mouvements.
Des modes de réalisation de l'invention concernent un ancillaire chirurgical comprenant au moins :
- un point de contact destiné à venir en contact avec un point de référence d'une zone opératoire ;
- une zone de contact destinée à venir en contact avec une zone de référence d'une zone opératoire ;
- une extrémité effilée destinée à être placée parallèlement à l'axe cranio-caudal du tronc du patient ;
L'ancillaire comprenant en outre ou capable d'être couplé à :
- un moyen de détermination d'un référentiel d'orientation de l'ancillaire dans un référentiel d'orientation galiléen ; et
- un moyen de communication du référentiel d'orientation déterminé.
Selon un mode de réalisation, la zone de contact est une zone tangentielle essentiellement plane.
Selon un mode de réalisation, le référentiel d'orientation de l'ancillaire permet de connaître un référentiel d'orientation de la zone opératoire par rapport au référentiel d'orientation galiléen.
Selon un mode de réalisation, l'ancillaire comprend au moins une branche à l'extrémité de laquelle le point de contact est disposé, une deuxième branche en forme de poignée et une zone centrale ayant une face inférieure qui forme la zone de contact et permettant de poser l'ancillaire en équilibre sur une surface essentiellement plane.
Selon un mode de réalisation, le moyen de détermination du référentiel est un dispositif comprenant au moins l'un des composants suivants : un accéléromètre tri-axe, un magnétomètre tri-axe, et/ou un gyroscope tri-axe.
Selon un mode de réalisation, le moyen de détermination du référentiel d'orientation est un dispositif comprenant au moins trois marqueurs optiques non alignés, destinés à être visible par au moins une caméra filmant la zone opératoire.
Selon un mode de réalisation, le moyen de communication du référentiel d'orientation est un affichage visuel.
Selon un mode de réalisation, le moyen de communication du référentiel d'orientation est une liaison filaire ou non-fîlaire.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre une plateforme sur laquelle un ancillaire selon un mode de réalisation peut être disposé et comprenant une zone de contact destinée à venir en contact avec une zone quelconque de la zone opératoire, sur le patient, ou proche du patient.
Selon un mode de réalisation, la zone de contact est une zone tangentielle essentiellement plane, prolongeant la zone de contact tangentielle de l'ancillaire selon un mode de réalisation, ou parallèle à la zone de contact tangentielle de l'ancillaire selon un mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation, la zone de contact est une zone se conformant à la surface d'une partie du corps humain ou animal ou spécifiquement à une partie du corps d'un patient donné.
Selon un mode de réalisation, au moins trois trous non alignés dans la plateforme permettent à l'utilisateur de marquer la position de cette plateforme sur la surface la soutenant.
Selon un mode de réalisation, au moins trois marqueurs optiques non alignés sur la plateforme permettent à une caméra filmant la zone opératoire de marquer la position de cette plateforme.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un système d'orientation chirurgical comprenant au moins un ancillaire selon l'un des modes de réalisation et un outil chirurgical comprenant ou étant capable d'être couplé à un moyen de détermination d'un référentiel d'orientation de l'outil, et un moyen de communication du référentiel d'orientation de l'outil.
Selon un mode de réalisation, l'ancillaire et l'outil chirurgical sont capables d'être couplés à un même dispositif de détermination et de communication de référentiel d'orientation.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un système d'orientation chirurgical comprenant au moins un ancillaire selon un mode de réalisation, une plateforme selon un mode de réalisation et un outil chirurgical comprenant ou étant capable d'être couplé à un moyen de détermination d'un référentiel d'orientation de l'outil, et un moyen de communication du référentiel d'orientation de l'outil.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre une salle opératoire équipée d'un ancillaire chirurgical selon un mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation, la salle opératoire comprend en outre une plateforme selon un mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation, la salle opératoire comprend en outre un dispositif d'affichage d'images et de traitement de données comprenant : un écran pour afficher des images prises de la zone opératoire ; un processeur ; des moyens d'entrée et de manipulation de données ; et des moyens de réception des données communiquées par l'ancillaire.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un procédé de préparation préopératoire d'une opération chirurgicale, comprenant les étapes de : prise d'au moins une image tridimensionnelle d'une zone opératoire ; choix d'au moins une surface de référence de la zone opératoire à partir du repère d'orientation de l'image tridimensionnelle ; choix d'au moins un point de contact de référence de la zone opératoire ; choix d'un axe de calibration à partir du point de contact de référence de la zone opératoire ; calcul d'un référentiel opératoire à partir du point de contact de référence de la zone opératoire et de l'axe de calibration, le référentiel opératoire étant identifiable ultérieurement par un ancillaire selon un mode de réalisation ; et choix d'au moins un référentiel local pour le geste chirurgical à réaliser.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un procédé de préparation peropératoire d'une opération chirurgicale, comprenant un ancillaire selon un mode de réalisation et les étape de : positionnement de la surface de contact de l'ancillaire sur la surface de référence de la zone opératoire ; calibration de l'orientation de l'ancillaire; positionnement du point de contact de l'ancillaire sur le point de contact de référence de la zone opératoire ; ajustement de la position l'ancillaire sur l'axe de calibration calculée selon un mode de réalisation ; et calibration du positionnement de l'ancillaire.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un procédé de préparation peropératoire d'une opération chirurgicale, comprenant un ancillaire selon un mode de réalisation et une plateforme selon un mode de réalisation et les étapes de : positionnement de l'ancillaire sur la plateforme ; positionnement de la plateforme sur le patient ou proche du patient dans une position quelconque ; marquage de la position de la plateforme sur la surface la supportant ; prise d'au moins une image tridimensionnelle d'une zone opératoire comprenant également l'ancillaire et la plateforme; calcul d'un référentiel opératoire au moyen de la position de la plateforme sur l'image, le référentiel opératoire étant identifiable ultérieurement par l'ancillaire; détermination d'au moins un référentiel local pour le geste chirurgical à réaliser ; (re)positionnement de la plateforme et de l'outil chirurgical à tout moment de l'opération sur la position marquée définie précédemment ; et calibration de positionnement et d'orientation de l'outil chirurgical.
Des modes de réalisation de l'invention concernent en outre un support non transitoire lisible par un ordinateur et comprenant un programme d'instructions exécutable par ordinateur pour effecteur le procédé selon un mode de réalisation.
D'autres caractéristiques et avantages particuliers de la présente invention ressortiront de la description détaillée faite en référence aux figures dans lesquelles :
- les figures IA, IB, précédemment décrites, représentent respectivement une vue de dessus et une vue de cote d'une vertèbre thoracique,
- la figure 2 représente une vue de côté d'un système d'orientation chirurgical comprenant un ancillaire chirurgical et un outil chirurgical selon un mode de réalisation,
- la figure 3 représente une vue de dessus d'un ancillaire selon un autre mode de réalisation,
- la figure 4A représente une vue de côté de l'assemblage de l'ancillaire sur une plateforme élargissant sa zone de contact selon un mode de réalisation,
- la figure 4B représente une vue de dessus d'une plateforme seule avec ses trous de positionnement selon un mode de réalisation,
- la figure 5 représente un référentiel d'orientation d'une salle opératoire et un référentiel d'orientation d'une zone opératoire,
- la figure 6A représente une salle opératoire avec un patient et un ancillaire vue à la figure 2 posé en position de calibration d'orientation,
- la figure 6B représente une vertèbre avec un point de référence pour l'opération,
- les figures 6C et 6D représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté de l'ancillaire chirurgical montré à la figure 2 en cours d'utilisation et de la position cible de celuici (en pointillé) pour effectuer une calibration de position,
- la figure 7 représente une salle opératoire équipée d'un système d'orientation chirurgical selon un mode de réalisation,
- la figure 8 représente une salle opératoire équipée d'un système d'orientation chirurgical selon un autre mode de réalisation,
- la figure 9 représente un organigramme d'une phase préopératoire selon un mode de réalisation,
- la figure 10 représente un organigramme d'une phase peropératoire selon un mode réalisation,
- la figure 11 représente un organigramme d'une phase peropératoire selon un autre mode de réalisation, et
- la figure 12 représente un support non transitoire lisible par un ordinateur et comprenant un programme d'instructions exécutable par ordinateur.
La figure 2 représente un système d'orientation chirurgical SYS1 selon un mode de réalisation. Le système SYS1 comprend un outil 20 (ci-après « ancillaire ») et un outil chirurgical 30, par exemple de forage.
L'ancillaire 20 comprend : au moins un point de contact 21 ; une zone de contact tangentielle essentiellement plane 22 ; un moyen de détermination 23 d'un référentiel d'orientation RA de l'ancillaire et un moyen de communication 24 du référentiel d'orientation RA de l'ancillaire. Le référentiel d'orientation RA de l'ancillaire 20 peut être assimilé à un référentiel d'orientation RO d'une zone opératoire ZO (par exemple la vertèbre 1) et permet en conséquence de connaître le référentiel d'orientation RO dans un référentiel d'orientation galiléen RS, par exemple d'une salle opératoire ZS (montré à la figure 7). En ce qui suit, le terme référentiel d'orientation RO de la zone opératoire sera utilisé. Dans ce mode de réalisation, l'ancillaire est de forme longiligne, le point de contact 21 étant la pointe de la première branche 25, et une deuxième branche 26 servant de poignée. La zone centrale 27 est disposée au centre des branches et contient les moyens de détermination 23 d'un référentiel et les moyens de communication 24, ainsi qu'une face inférieure 22. Dans un mode de réalisation, la face inférieure 22 peut présenter un rebord 28 ou tout autre système mécanique simple permettant d'emboiter l'ancillaire 20 sur une plateforme 50 présentée en figure 4A-4B.
L'outil chirurgical 30 est par exemple un outil pour percer la vertèbre 1, et comprend : une tige 31 ; un point 32 a l'extrémité devant de la tige ; une poignée 33 ; un moyen de détermination 34 d'un référentiel d'orientation RT de l'outil ; et un moyen de communication 35 du référentiel d'orientation RT de l'outil.
Dans le cas le plus simple, les moyens de détermination 23, 34 sont des niveaux à bulle, aussi parfois appelés nivelle, et les moyens de communication 24,35 sont des indicateurs visuels, par exemple des chiffres marques autour du niveau à bulle ou même un simple cercle au centre du niveau. Dans un mode de réalisation, les moyens de détermination 23, 34 est un système* MEMS » ou « microsystème électromécanique » qui détermine le plan de l’ancillaire. Ce moyen peut comprendre un accéléromètre tri-axe, un magnétomètre tri-axe, et/ou un gyroscope tri-axe, comme connu par l’homme du métier et ne sera pas expliqué plus en détail. Le moyen de communication 24, 35 est une liaison filaire (câble) ou non- filaire (sans contact), par exemple par Wi-Fi ou Bluetooth.
La figure 3 représente une vue de dessus d'un ancillaire 40 selon un autre mode de réalisation. Il comprend au moins un point de contact 41 ; une zone de contact 42 ; et des moyens de détermination et de communication 43-44A, 43-44B, 43-44C du référentiel d’orientation RA (RO). Les moyens 43-44A, 43-44B, 43-44C sont des marqueurs optiques nonalignés et destinés à être captés par une pluralité de caméras qui filment la salle d’opération ZS en temps réel, afin de repérer les positions des outils par rapport au modèle. Similairement à l’ancillaire 20 décrit en relation avec la figure 2, dans ce mode de réalisation, l’ancillaire 40 est de forme longiligne, le point de contact 41 étant la pointe de la première branche 45, et une deuxième branche 46 servant de poignée. La zone centrale 47 est disposée au centre des branches et comprend une face inférieure 42.
La figure 4A représente une vue de côté d'une plateforme 50 sur laquelle un ancillaire 20, 40 peut venir s'emboîter. L'emboîtement se fait dans un espace vide 52 de la plateforme 50 correspondant à la forme inverse de la face inférieure 22, 42 de l'ancillaire 20, 40.
Dans un mode de réalisation, la face inférieure 51 est tangentielle essentiellement plane et prolonge la face inférieure 22, 42 de l'ancillaire 20, 40 ou est parallèle à la face inférieure 22, 42.
Dans un autre mode de réalisation, la face inférieure 51 possède une forme lui permettant de se positionner parfaitement et de façon stable sur une partie spécifique du corps du patient.
La figure 4B représente une vue de dessus d'une plateforme 60 selon un mode de réalisation et d'une plateforme 70 selon un autre mode de réalisation. Sur la plateforme 60, au moins trois trous 63, 64, 65 non alignés permettent de marquer la position de la plateforme sur la surface située en-dessous et la soutenant afin de retrouver la position de la plateforme au cours de l'opération. Sur la plateforme 70, au moins trois marqueurs optiques 73, 74, 75 non alignés permettent à une caméra de repérer la position de la plateforme et de retrouver cette position au cours de l'opération. Similairement à la plateforme 50 décrite en relation avec la figure 4A, dans ces modes de réalisation, un ancillaire 20, 40 peut s'emboîter dans l'espace vide 62, 72 prévu à cet effet.
La figure 5 représente le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire et le référentiel d'orientation galiléen RS de la salle opératoire, chaque référentiel d'orientation RO, RS comprend trois axes, Xo, Yo, Zo ; Xs, Ys, Zs respectivement. Une flèche [V]ro (ou « référentiel local ») représente un vecteur directeur V d'un geste chirurgical (par exemple la pose d'une vis pédiculaire, ou la position de calibration de position d'un ancillaire 20) exprimée dans le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire (actuellement dans la vertèbre).
Dans une phase préopératoire, des images sont obtenues, par exemple de toute la colonne vertébrale, pour faire des reconstructions en trois-dimensions de la zone opératoire ZO. Ensuite, on détermine une surface de référence Sul sur la reconstruction en troisdimensions pour l'ensemble de la colonne vertébrale, par exemple un plan parallèle à la surface de la table de l'outil de prise d'images. Ensuite, on détermine le point de référence RI sur une seule vertèbre ainsi qu'un axe de calibration passant par ce point RI pour définir le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire. A partir du point de référence RI et de l'axe de calibration, une position de référence 80 peut être définie en connaissant les dimensions de l'ancillaire 20. Ensuite, dans le cas de placement des vis pédiculaires, un point d'entrée 10 est défini pour chaque vis pédiculaire 12. Puis, la saisie des directions de vissage optimal des vis pédiculaires 12 permet de définir un vecteur directeur pour chaque vis pédiculaire.
La figure 6A représente une salle opératoire ZS avec un patient 70 allongé sur une table d'opération 71. Un ancillaire 20 selon le mode de réalisation est positionné dans la zone opératoire, sur la table d'opération 71 ou sur toute autre surface parallèle à cette table d'opération 71. Pendant la phase opératoire décrite à la figure 6, le chirurgien positionne l'ancillaire 20 sur une surface parallèle (ici la table d'opération 101) à la surface de référence Sul. L'ancillaire 20 doit être positionné de façon que l'axe de la branche 25 soit parallèle à l'axe cranio-caudal du patient. A ce moment, une calibration d'orientation de l'ancillaire peut être effectuée.
Ensuite, pendant la phase peropératoire, le chirurgien positionne l'ancillaire 20 sur la vertèbre 1, comme montré aux figures 6B, 6C et 6D, en mettant le point 21 en contact avec le point de référence RI. Grâce à la calibration d'orientation et au point de pivot RI, la position en temps réel de l'ancillaire 20 peut être connue. On aligne ensuite l'ancillaire 20 avec la position de référence 80 comme décrit dans les figures 6C et 6D. Le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO est alors déterminé par rapport au référentiel RS de la salle opératoire, grâce aux moyens de détermination et de communication 23, 24 du référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO. Ce référentiel est alors adapté pour l'insertion de vis pédiculaires sur toute vertèbre dont la position par rapport l'axe cranio-caudal du patient pendant l'opération est proche de sa position par rapport à l'axe cranio-caudal du patient lors de la prise d'images.
Une matrice de rotation Mrors, qui exprime le référentiel d'orientation RO dans le référentiel d'orientation RS, est définie. Un vecteur directeur [V]rs dans le référentiel d'orientation RS de la salle opératoire ZS peut être établi par rapport au référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO, précédemment établi, selon l'équation suivante :
[V]rs = Mrors [V]ro [équation 1]
Enfin, l'outil chirurgical 30 détermine et communique, grâce aux moyens de détermination et de communication 34, 35 du référentiel d'orientation RT de l'outil, en temps réel son orientation, notamment l'orientation de sa tige 31, dans le référentiel d'orientation RS de la salle opératoire. L'orientation dynamique de la tige 31 par rapport à l'orientation idéale de la vis pédiculaire à poser, permet au chirurgien d'adapter l'orientation de l'outil 30 pour la faire correspondre à l'orientation du vecteur directeur [V]ro exprime dans le référentiel galiléen RS (soit [V]rs).
La figure 7 représente une salle opératoire ZS équipée d'un système d'orientation chirurgical. A titre d'exemple, un système SYS1 est montré ici, comprenant un ancillaire 20 et un outil 30 équipés par des moyens de détermination « MEMS » et de moyens de communication non-fîlaire.
La salle opératoire ZS est équipée d'un dispositif 90 d'affichage d'images et de traitement de données, tel un ordinateur. Le dispositif 90 comprend un écran 91, un processeur 92, des moyens d'entrée et de manipulation de données 93 (un clavier, une souris, un capteur de voix, etc.), et des moyens de réception 94 des données communiquées par l'ancillaire 20 et/ou l'outil 30.
La salle opératoire comprend en outre un « entité opératoire » 100 comprenant un chirurgien 101 qui opère sur un patient 102 allongé sur une table d'opération 103.
L'écran 91 permet d'afficher des images I obtenues de la zone opératoire ZO pendant la phase préopératoire. Le personnel du bloc opératoire, et particulièrement le chirurgien, peut consulter les images pendant l'opération. Ces images peuvent être« statiques » ou avantageusement « dynamiques ». Par dynamique, il est entendu que les référentiels de l'ancillaire 20 et/ou de l'outil chirurgical 30 sont déterminés, communiqués à l'ordinateur 90, et affichés sur l'écran 91 en temps réel. Le chirurgien 101 peut alors avoir une idée précise de l'orientation de ses outils par rapport à la vertèbre.
Dans un mode de réalisation, le système est interactif et permet au chirurgien 101 de donner des instructions orales, par exemple « Affichez la vertèbre L5. » afin que l'ordinateur affiche l'image correspondant à la vertèbre L5.
La figure 8 représente une salle opératoire ZS avec un patient 110 allongé sur une table d'opération 111. Un ancillaire 20 selon le mode de réalisation est positionné sur une plateforme 50, 60, 70 comme décrit à la figure 4A, et cette plateforme 50, 60, 70 est positionnée sur le patient 110, de façon que la zone opératoire Z0 et l'ensemble ancillaire 20 et plateforme 50, 60, 70 apparaissent sur les images du dispositif d'imagerie médicale 112, du type « C-arm » (également nommé outil de fluoroscopie de bloc opératoire). Tant que la position de la plateforme 50, 60, 70, et donc celle de l'ancillaire 20, peut être retrouvée à tout moment de l'opération, la plateforme 50, 60, 70 peut être disposée dans n'importe quelle orientation.
Dans une phase peropératoire, des images sont obtenues, par exemple de toute la colonne vertébrale et de l'ensemble ancillaire 20 et plateforme 50, 60, 70, pour faire des reconstructions en trois-dimensions de la zone opératoire Z0. Ensuite, dans le cas de placement des vis pédiculaires, un point d'entrée 10 est défini pour chaque vis pédiculaire 12. Puis, la saisie des directions de vissage optimal des vis pédiculaires 12 permet de définir un vecteur directeur pour chaque vis pédiculaire. Ensuite, la position de référence de l'ancillaire est déterminée sur les images. Le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO est alors détermine par rapport au référentiel RS de la salle opératoire, grâce aux moyens de détermination et de communication 23, 24 du référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO. Ensuite, le dispositif d'imagerie médicale est écarté et le chirurgien peut replacer à tout moment l'ensemble ancillaire 20 et plateforme 50, 60, 70 afin de calibrer la position et l'orientation de l'ancillaire et donc de son outil 30. L'opération se déroule ensuite comme décrit à la figure 7.
La figure 9 représente un organigramme d'une phase préopératoire PI, et les figures 10 et 11 représentent des organigrammes de phases peropératoires P2 et P3 respectivement.
La phase PI comprend les étapes SI à S6. A l'étape SI, une image I d'au moins une zone opératoire ZO est prise, par exemple par un moyen de tomodensitométrie. A l'étape S2, une surface de référence Sul est déterminée et enregistrés dans le cas d'un système dynamique, ou simplement notés dans le cas d'un système statique. A l'étape S3, un point de référence RI est déterminé et ensuite enregistré ou noté. A l'étape S4, un axe de calibration passant par le point de référence RI est déterminé et ensuite enregistré ou noté. A l'étape S5, un référentiel opératoire RO, comme décrit plus haut en relation avec la figure 5, est calculé au moyen de l'axe de calibration et du point de référence RI et ensuite enregistré ou noté. A l'étape S6, au moins un vecteur directeur [V]ro est déterminé pour le geste chirurgical à réaliser et ensuite enregistré ou noté. Cette dernière étape S6 peut être répétée si nécessaire pour d'autres zones opératoires.
La phase P2 comprend les étapes SU a S17.A l'étape SU, la zone opératoire ZO est exposée. A l'étape S12, la surface de contact 22 de l'ancillaire 20 est positionnée sur la surface de référence de la salle opératoire ZS. A l'étape S13, l'ancillaire 20 est calibré en orientation. A l'étape S14, le point de contact 21 de l'ancillaire 20 est posé sur le point de référence RI de la zone opératoire. A l'étape S15, la position de l'ancillaire 20 est ajustée sur la position de référence 80 avec l'aide de l'image dynamique I. A l'étape S16, l'ancillaire 20 est calibré en position et un référentiel opératoire RO est calculé et ensuite enregistré. A l'étape S17, l'outil chirurgical est utilisé sur la zone opératoire pour réaliser un geste chirurgical selon le vecteur directeur [V]ro calculé. Cette dernière étape S17 peut être répétée si nécessaire pour d'autres zones opératoires.
La phase P3 comprend les étapes S21 à S28. A l'étape S21, l'ancillaire 20 est positionné sur la plateforme 50, 60, 70. A l'étape S22, l'ensemble ancillaire et plateforme est positionné sur le patient, ou proche du patient dans la salle opératoire, dans une position quelconque. A l'étape S23, la position de la plateforme sur la surface la supportant est marquée afin d'être facilement retrouvée plus tard pendant l'opération. A l'étape S24, un dispositif d'imagerie médicale, de type «C-arm » (également nommé outil de fluoroscopie de bloc opératoire), une image I de la zone opératoire incluant la plateforme est prise et une image tridimensionnelle est réalisée. A l'étape S25, un référentiel opératoire RO est calculé à partir de l'image de l'ancillaire sur la plateforme et enregistré. A l'étape S26, au moins un vecteur directeur [V]ro est déterminé pour le geste chirurgical à réaliser et ensuite enregistré. A l'étape S27, le dispositif d'imagerie médicale est écarté, l'ensemble ancillaire et plateforme est écarté et la zone opératoire ZO est exposée. A l'étape S28, la plateforme et l'ancillaire sont repositionnés dans la même position qu'à l'étape S21. A l'étape S29, la calibration de l'ancillaire est effectuée et le référentiel d'orientation RO de la zone opératoire ZO est déterminé et communiqué, permettant le calcul de la matrice de rotation Mrors et du vecteur directeur [V]rs. A l'étape S30, l'outil chirurgical est utilisé pour réaliser un geste chirurgical selon le vecteur directeur calculé. Cette dernière étape S30 peut être répétée si nécessaire pour d'autres zones opératoires.
La figure 12 représente un support non transitoire 120 lisible par un ordinateur et comprenant un programme d'instructions 121 exécutable par ordinateur. Le programme d'instructions peut comprendre l'algorithme de calcul décrit en relation avec la figure 5.
Il sera compris par l'homme du métier que les modes de réalisation décrits en ce qui précède peuvent être modifiés.
Par exemple, les moyens de communication 24, 35 peuvent être un écran numérique, des diodes électroluminescentes DEL (« LED » ou « Light-Emitting Diode » en anglais) par exemple vertes, oranges et rouges qui s'allument, des liaisons fîlaires (un câble connecte à l'outil chirurgical ou au dispositif de traitement de données), non-filaires (Wi-Fi, NFC, Bluetooth, etc), un signal auditif et, plus généralement, tout moyen de communication d'information.
En ce qui précède, les zones de contact 22, 42, 51 ont été décrites comme des zones essentiellement planes qui se posent sur une zone de contact tangentiel ZT (Par « essentiellement planes » il est compris que la zone est plus ou moins planaire dans les limites de fabrication). Néanmoins, il sera compris par l'homme du métier que ces zones de contact peuvent avoir toute d'autre forme conçue pour venir en contact avec une zone déterminée. Par exemple, ils peuvent être concaves pour se poser sur une forme arrondie, telle que les processus épineux 5, convexes pour se poser dans une dépression, etc.
La position du patient, et plus particulièrement de la zone opératoire, peut être ajustée jusqu'à ce que la bonne orientation soit trouvée. Des moyens (des sangles, des pinces, etc.) pour tenir la zone opératoire (le patient) dans une position donnée peuvent être mis en œuvre, soit avant l'opération, soit pendant l'opération.
II sera compris par l'homme du métier que certains éléments décrits en relation avec un mode de réalisation (par exemple les moyens de détermination et de communication, les « MEMS », les picots, etc.) peuvent être appliqués aux autres modes de réalisation.
L'outil chirurgical est par exemple un perforateur, un tournevis et, en général, tout outil qui permet de réaliser un acte chirurgical.
Les matériaux utilisés pour l'ancillaire et l'outil chirurgical peuvent, de préférence, être stérilisés et ne posent pas de problème de biocompatibilité.
Comme évoque plus haut, dans certains modes de réalisation, il n'est pas obligatoire que l'outil chirurgical soit équipé d'un moyen de détermination et de communication de position. Dans certains cas, une fois que le référentiel d'orientation RO a été obtenu, le 15 chirurgien peut facilement déterminer lui-même l'angle correct, par exemple un angle de 90° par rapport au référentiel d'orientation de l'ancillaire.
Enfin, d'autres modes de calcul des vecteurs directeurs peuvent être mises en œuvre.
Claims (23)
- REVENDICATIONS1. Ancillaire (20, 40) chirurgical comprenant au moins :- un point de contact (21, 41) destinée à venir en contact avec un premier point de référence (RI) d'une zone opératoire (ZO) ;- une zone de contact (22, 42) destinée à venir en contact avec une zone de référence de la zone opératoire ;- une extrémité effilée (25, 45) destinée à être placée parallèlement à l'axe craniocaudal du tronc du patient ;l'ancillaire comprenant en outre ou capable d'être couplé à :- un moyen de détermination (23, 43) d'un référentiel d'orientation (RA) de l'ancillaire dans un référentiel d'orientation galiléen (RS) ; et- un moyen de communication (24, 44) du référentiel d'orientation déterminé.
- 2. Ancillaire (20, 40) selon la revendication 1, dans lequel la zone de contact (22, 42) est une zone tangentielle essentiellement plane.
- 3. Ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le référentiel d'orientation (RA) de l'ancillaire permet de connaître un référentiel d'orientation (RO) de la zone opératoire (Z0) par rapport au référentiel d'orientation galiléen (RS).
- 4. Ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant :- au moins une branche (25, 45) à l'extrémité de laquelle le point de contactai, 41) est disposé;- une deuxième branche (26, 46) en forme de poignée ; et- une zone centrale ayant une face inférieure qui forme la zone de contact (22, 42) et permettant de poser l'ancillaire en équilibre sur une surface plane.
- 5. Ancillaire (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen de détermination (23) du référentiel est un dispositif comprenant au moins l'un des composants suivants :- un accéléromètre tri-axe ;- un magnétomètre tri-axe ; et/ou- un gyroscope tri-axe.
- 6. Ancillaire (40) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen de détermination (43) du référentiel d'orientation est un dispositif comprenant au moins trois marqueurs optiques non alignés, destinés à être visibles par au moins une caméra filmant la zone opératoire.
- 7. Ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de communication (24, 44) du référentiel d'orientation est un affichage visuel.
- 8. Ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de communication (24, 44) du référentiel d'orientation est une liaison fîlaire ou non-filaire.
- 9. Plateforme (50, 60, 70) sur laquelle l'ancillaire (20, 40) peut être disposé, et comprenant une zone de contact (51, 61, 71) destinée à venir en contact avec une zone quelconque de la zone opératoire, sur le patient ou proche du patient.
- 10. Plateforme (50, 60, 70) selon la revendication 5, dans lequel la zone de contact (51, 61, 71) est une zone tangentielle essentiellement plane, prolongeant la zone de contact tangentielle de l'ancillaire (20, 40) ou parallèle à cette zone de contact tangentielle de l'ancillaire (20, 40).
- 11. Plateforme (50, 60, 70) selon la revendication 5, dans lequel la zone de contact (51, 61, 71) est une zone se conformant à la surface d'une partie du corps humain ou spécifiquement à une partie du corps d'un patient donné.
- 12. Plateforme (60) selon l'une des revendications 9 à 11, sur laquelle au moins 3 trous non alignés permettent à l'utilisateur de marquer la position de cette plateforme sur la surface la soutenant.
- 13. Plateforme (70) selon l'une des revendications 9 à 11, sur laquelle au moins 3 marqueurs optiques non alignés, destinés à être visible par au moins une caméra filmant la zone opératoire.
- 14. Système d'orientation chirurgical (SYS1) comprenant au moins un ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 à 8 et un outil chirurgical (30) comprenant ou étant capable d'être couplé à :- un moyen de détermination (23, 43, 34) d'un référentiel d'orientation (RT) de l'outil ; et- un moyen de communication (24, 44, 35) du référentiel d'orientation (RT) de l'outil.
- 15. Système (SYS1) selon la revendication 14, dans lequel l'ancillaire (20, 40) et l'outil chirurgical (30) sont capables d'être couplés a un même dispositif (23, 24, 43, 44, 34, 35) de détermination et de communication de référentiel d'orientation (RA, RT).
- 16. Système d'orientation chirurgical (SYS2) comprenant au moins un ancillaire (20, 40) selon l'une des revendications 1 à 8, une plateforme (50, 60, 70) selon l'une des revendications 9 à 11 et un outil chirurgical (30) comprenant ou étant capable d'être couplé à- un moyen de détermination (23, 43, 34) d'un référentiel d'orientation (RT) de l'outil ; et- un moyen de communication (24, 44, 35) du référentiel d'orientation (RT) de l'outil.
- 17. Salle opératoire (ZS) équipée d'un ancillaire (20, 40) chirurgical selon l'une des revendications 1 à 8.
- 18. Salle opératoire (ZS) selon la revendication 16, comprenant en outre une plateforme (50, 60, 70) selon l'une des revendications 9 à 11.
- 19. Salle opératoire (ZS) selon la revendication 16, comprenant en outre un dispositif d'affichage d'images et de traitement de données (90) comprenant :- un écran (91) pour afficher des images (I) prises de la zone opératoire (ZO);- un processeur (92) ;- des moyens d'entrée et de manipulation de données (93) ; et- des moyens de réception (94) des données communiquées par l'ancillaire.
- 20. Procédé de préparation préopératoire (PI) d'une opération chirurgicale, comprenant les étapes de :- prise (SI) d'au moins une image (I) tridimensionnelle d'une zone opératoire(ZO) ;- choix (S2) d'au moins une surface de référence Sul de la zone opératoire à partir du repère d'orientation de limage tridimensionnelle ;- choix(S3) d'au moins un point de référence (RI) de la zone opératoire à partir de limage tridimensionnelle ;- choix(S4) d'un axe de calibration à partir du point de référence de la zone opératoire ;- calcul (S5) d'un référentiel opératoire (RO) au moyen du point de référence de la zone opératoire et de l'axe de calibration, le référentiel opératoire étant identifiable ultérieurement par un ancillaire selon l'une des revendications 1 à 9 ; et- choix (S6) d'au moins un référentiel local ([V]ro) pour le geste chirurgical à réaliser.
- 21. Procédé de préparation peropératoire (P2) d'une opération chirurgicale, comprenant les étapes de :- exposition (Sll) de la zone opératoire ;- positionnement (S12) de la surface de contact de l'ancillaire sur la surface de référence de la zone opératoire ;- calibration (S13) de l'orientation de l'ancillaire ;- positionnement (S14) du point de contact de l'ancillaire sur le point de contact de référence de la zone opératoire ;- ajustement (S15) de la position de l'ancillaire sur l'axe de calibration calculé lors du procédé selon la revendication 17 ;- calibration (S16) du positionnement de l'ancillaire;
- 22. Procédé de préparation peropératoire (P3) d'une opération chirurgicale, comprenant les étapes de :- positionnement (S21) de l'ancillaire sur la plateforme- positionnement (S22) de l'ancillaire et la plateforme sur le patient ou proche du patient dans une position quelconque ;- marquage (S23) de la position de la plateforme sur la surface la supportant ;- prise (S24) d'au moins une image (I) tridimensionnelle d'une zone opératoire (ZO) comprenant également l'ancillaire et la plateforme;- calcul (S25) d'un référentiel opératoire (RO) au moyen de la position de la plateforme sur limage, le référentiel opératoire étant identifiable ultérieurement par un ancillaire selon l'une des revendications 1 à 9 ;- choix (S26) d'au moins un référentiel local ([V]ro) pour le geste chirurgical à réaliser ;- exposition (S27) de la zone opératoire ;- repositionnement (S28) de la plateforme et de l'ancillaire à tout moment de l'opération sur la position marquée définie à l'étape S23 ;- calibration (S29) de positionnement et d'orientation de l'ancillaire ;
- 23. Support non transitoire (120) lisible par un ordinateur et comprenant un programme dlnstructions (121) exécutable par ordinateur pour effecteur le procédé selon l'une des revendications 19 à 22.
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