WO2005032390A1 - Dispositif pour traitement medical assiste par robot - Google Patents

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WO2005032390A1
WO2005032390A1 PCT/CH2004/000598 CH2004000598W WO2005032390A1 WO 2005032390 A1 WO2005032390 A1 WO 2005032390A1 CH 2004000598 W CH2004000598 W CH 2004000598W WO 2005032390 A1 WO2005032390 A1 WO 2005032390A1
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WO
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robot
anatomical structure
target
distance
measurement
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PCT/CH2004/000598
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Inventor
Patrick Pittet
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Ap Technologies Sa
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots

Definitions

  • the present invention relates to a localization device and the associated implementation method for robot-assisted surgery and robot-assisted therapy.
  • the main objective of robotic assistance for the surgical or therapeutic gesture is to increase the precision and repeatability of the execution of this gesture by providing good traceability of the intervention. It can also allow the carrying out of complex gestures and prohibit dangerous gestures.
  • the robotic assistance must implement localization means adapted to identify the patient in relation to the six dimensions of the space (in position and in orientation) during the intervention. to the robot and to be able to readjust exams (containing spatial information) carried out before or during intervention.
  • a first family of localization methods uses the imaging means available during the intervention. For example, mention may be made in computer-assisted surgery of mapping by fluoroscopy, or by using an ultrasound probe as described in the Sofamor Dane Holdings patents. (US-6477400), Surgical Navigation Technologies Inc (US-6470207) and Varian Médical Systems Inc (US-6549802).
  • a three-dimensional radiological system such as the intraoperative computed tomography (CT) scanner, the open magnetic resonance imager (open TRM) or the 3D fluoroscope is available during the intervention, the localization and registration of the patient's examinations can be reduce to mathematical and image processing operations.
  • the patent Integrated Surgical Systems Inc offers a solution for carrying out the matching. between the image of a long bone and a surgical robot.
  • the robotic arm is capable of positioning and orienting a tool according to the six degrees of freedom of space to produce a six-dimensional localization system with from a measurement in one direction of space.
  • Such a device is implemented in the patent Integrated Surgical Systems Inc (US 5,806,518).
  • a probe is mounted on the robot's effector and comes to palpate locating elements (screws for example), at the time of the feeler-locating element contact, the position of the probe end is calculated from the geometric model of the robot , articular coordinates of the robotic arm and elements for manufacturing and calibrating the probe, an effort sensor associated with this probe makes it possible to guarantee the repeatability of detection of the probe-locating element contact.
  • Another patent Integrated Surgical Systems Inc (US6033415A) describes an embodiment aiming at the correspondence between an anatomical structure and the robot by direct digitization of the surface of this structure. According to this patent, a mechanical palpation device is used to digitize the structure, which requires contact with said structure.
  • An object of the invention is to provide a device and a method for locating an anatomical structure in the frame of reference associated with the robot by measuring distance or distance profile to determine the matrix of passage between the frame of reference associated with this anatomical structure. and the one associated with the robot.
  • Another object of the invention is to propose such a device and method for locating an anatomical structure for the registration of examinations carried out before or during intervention with the current position and orientation of this anatomical structure.
  • Another object of the invention is to propose such a localization device and method for performing calibration or verification operations of tools, components or mechanical and electromechanical systems used in robot-assisted surgery or in robot-assisted therapy. .
  • Another object of the invention is to propose such a localization device and method for detecting the movement of an anatomical structure during intervention.
  • Another object of the invention is to propose such a localization device and method for performing a profile or surface analysis of an anatomical structure before, during or at the end of the intervention.
  • An advantage of the invention is that the active part of the device is carried by the robotic arm and that it does not come into contact with the patient. The distance or distance profile measurement is carried out by non-contact optical measurement either directly on the anatomical structure concerned or on a passive structure rigidly fixed to the latter.
  • the active part of the device can be seen as a virtual contactless probe.
  • this characteristic of the invention makes it possible to increase safety by not generating patient leakage currents for example, by facilitating implementation in a sterile environment and avoiding the risks of contamination.
  • the combination of the robot and the optical distance measuring cell constitutes an autonomous system which performs the distance measurement in a frame of reference intrinsically associated with the robot, thereby increasing the precision and reliability of the localization of the anatomical structure in relation to the robot.
  • Another advantage of the invention is that it can exploit the intelligence of the robot to optimize the localization of the anatomical structure both in terms of localization precision and in aspects such as the time required for localization.
  • information known a priori could be introduced for this optimization such as the geometric knowledge of the test patterns and locating elements (manufacturing or calibration data) or even the knowledge of the surface geometry of the anatomical structure calculated from the examinations available on this structure.
  • the collection of highly discriminating points is favored on the anatomical surface rather than a regular mesh of the surface.
  • Another advantage of the invention is that it is based on a simple, well-controlled technology and a measurement of distance or profile of distance, technology 1 widely used for several years in dimensional control in industry. Consequently, the cost and the reliability of implementing the invention are optimized.
  • Another advantage of the invention is that the optical measurements are made a few decimeters from the patient, in an optimized work volume with the system for transmitting and detecting the optical signal on board the robotic arm.
  • This characteristic of the invention makes it possible to limit the risks of masking the line of sight, frequently observed with the optical localization systems working on a larger work volume, the detection system being fixed relative to the reference of the intervention room. For the same reasons, the risks of dazzling the cell are reduced.
  • the implementation of the invention is simplified and made more robust.
  • Another advantage of the invention is to use the same distance measurement cell or distance profile to cover aspects as different as the mapping of the robot to the patient, registration of clinical examinations, verification and calibration of tools or components and collection of traceability data. This characteristic of the invention contributes to improving the degree of integration of the robotic assistance system.
  • the present invention provides a measurement device comprising an integrated optical distance or distance profile measurement cell and mechanical and electrical interface elements allowing it to be mounted on the effector of the robotic arm.
  • This cell behaves like a virtual probe whose position of the virtual end can be calculated in the robot's frame of reference from the geometric model of the latter, its joint coordinates, the distance measurement provided by the cell and elements for manufacturing or calibrating the measuring device.
  • the geometry of the end of this virtual probe is considered to be punctual in the case where a cell.
  • distance measuring device is used or planar with a shape corresponding to the measured profile in the case where a distance profile measuring cell is used.
  • the present invention provides a method which consists in moving this device with the robotic arm to collect several measurement points.
  • said virtual probe is used to directly locate the surface of an anatomical structure; this virtual probe being moved by the robotic arm to acquire, that is to say locate, in the base frame of reference of the robot various points of the anatomical surface.
  • the matching of the points acquired with the surface of the anatomical structure extracted from the three-dimensional examinations is used for the registration of these examinations during intervention.
  • the location of an anatomical structure is carried out by means of a test pattern, the test pattern being a three-dimensional object rigidly fixed to the anatomical structure and whose geometric, mechanical and optical characteristics are optimized and known a priori by the robot to perform a quick and precise identification of this target, optical distance or distance profile measurements being carried out directly on this target.
  • the target is fixed on a support which is itself fixed to the anatomical structure; during examinations carried out before or during intervention, this same support receives instead of or in conjunction with the test pattern, a three-dimensional marking system compatible with the examination considered, the relative position and orientation of the system marking and test pattern are then integrated into the matching algorithm. .
  • the target is constituted by a plate comprising a relief pattern whose geometry is known a priori, and which allows, from a limited number of measurement points, to locate the target in the six dimensions of unambiguous space.
  • the target is constituted by a planar structure having a discriminating contour which allows, from a limited number of measurement points, to locate the target in the six dimensions of the space without ambiguity .
  • the identification is carried out by detection of at least three non-aligned elements rigidly fixed to the anatomical structure, these elements being in relief relative to the surface of the anatomical structure.
  • the identification is carried out by at least one axial element rigidly fixed to an anatomical structure and on which an extension can be mounted, from distance measurements with and without the extension, it is possible to determine both the position and the orientation of this axial element.
  • the measurements of distance or of profile of distances are used to detect the movement of an anatomical structure during intervention by direct measurement on this structure.
  • the measurements of distance or of profile of distances are used to detect the movement of an anatomical structure during intervention by measurement on a target rigidly fixed to this structure.
  • the measurements of distance or of profile of distances are used to detect the movement of an anatomical structure during intervention by direct measurement on one or more elements rigidly fixed to this structure and in relief in relation to its surface.
  • the distance or profile profile measurements are used to make a profile or surface analysis of an anatomical structure before, in progress or after intervention.
  • the distance or distance profile measurements are used for operations of calibration or verification of tools, components or electromechanical mechanical systems used in robot-assisted surgery or in assisted therapy. by robot.
  • FIG. 1 shows schematically a device carried by a robot implementing the principles of distance measurement by laser triangulation and / or by a defocusing technique, this on a bone structure
  • FIG. 2 illustrates a measuring device according to the present invention where the device is mounted on the terminal effector of the robot
  • FIGS. 3A to 3D illustrate different embodiments of the target according to the present invention
  • FIGS. 4A and 4B illustrate the measuring device which enhances a femur equipped with locating elements screwed or glued in relief relative to its surface
  • FIGS. 5A and 5B illustrate the measurement device acting on an axial locating element with its extension in the two associated measurement configurations
  • FIG. 6 represents the measuring device acting on an axial locating element with a plate and an indexing system allowing locating according to the 6 dimensions of the space without ambiguity.
  • the measuring device can be formed from an integrated distance measuring cell.
  • This cell generally includes a laser diode, possible elements making the beam asymmetrical (in the case where a defocusing principle is used), optical components (lenses, diaphragms) and a detector.
  • This detector can be produced from a strip or a CCD matrix, a strip or a CMOS matrix or from a strip-sensitive position detector (PSD), or from any other photosensitive matrix device.
  • the measuring device includes a permanent or temporary mechanical connection system with indexing allowing a unique mounting, precise and repeatable measurement cell on the robotic arm.
  • This device also includes an electrical connection system to supply the electrical voltages necessary for the polarization of the measurement cell and to allow the robot to recover the analog and / or digital signals corresponding to the distances measured.
  • the distance or distance profile measurement device can be produced by simply adding the electrical and mechanical interface elements to integrated distance measurement or distance profile cells available on the market.
  • the distance or distance profile measurement cannot be carried out directly on the surface of the anatomical structure of interest, for example in the case where it is not accessible in direct vision (masking by other structures, etc.)
  • a localization target rigidly fixed to this structure.
  • This target is generally a three-dimensional object of discriminating shape allowing an unambiguous localization according to the six degrees of freedom of space.
  • FIGS. 3A to 3C respectively present planar patterns produced with a discriminating contour, with holes and with grooves.
  • This target can be rigidly fixed to the anatomical structure of interest by means of an intermediate piece called a support.
  • This support allows the unique, precise and repeatable mounting of the target and possibly of specific localization systems for the different examination methods. From the design, manufacturing, measurement and / or calibration data, it is possible to calculate the passage matrix between the frame of reference associated with the target and the localization systems considered. This passage matrix is used for the registration of the images.
  • punctual identification elements rigidly fixed to it according to a strongly discriminating distribution pattern as illustrated. in 1 es 4A and 4B.
  • stamping elements can be screwed or glued to the surface of the structure or to the surface of elements integral with this structure. It is possible, in this configuration, to replace one or more of these point marking elements with an axial mark comprising a base element and its extension, as illustrated in FIGS. 5A and 5B.
  • the advantage of this solution is to limit the number of tracking elements to achieve a mapping according to the six degrees of freedom of space. Indeed, this type of locating element provides two-dimensional information, namely an origin and an axis. For this, a measurement is taken consecutively without and with the extension in place.
  • FIG. 6 An alternative solution for these locating elements is given in FIG. 6. It is a screwed element comprising an indexing pin and a plate. It offers 1 possibility of carrying out from a single element and with limited precision, a complete location according to the 6 degrees of freedom of the space. This characteristic makes it possible to set up an algorithm for automatic search for the other tracking elements in order to increase the overall accuracy of matching.
  • the measurement device proposed in the present invention can be used to detect displacements of an anatomical structure during intervention.
  • a reference measurement is carried out at the start and renewed at the end of the mapping at different points on the surface or on different marking elements. This measurement is renewed during the intervention and compared to the reference measurement. If this new measurement deviates significantly from the reference measurement, a displacement of the anatomical structure relative to the robot is detected.
  • the measurement device proposed in the present invention can be used to make a profile or surface analysis of an anatomical structure. For this, we determine a mesh of the surface and we proceed to the corresponding scan of the structure with the measuring device moved by the robot. To facilitate the interpretation of the results, the points acquired can be structured in the form of an image. This functionality is particularly advantageous when the intervention includes a step of machining the anatomical structure, the surface condition of which can condition the clinical result, as is the case, for example, for osteotomies.
  • US-6,381,485 Registration of human anatomy integrated for electromagnetic localization.
  • US-6,477,400 Fluoroscopic image guided orthopedic surgery system with intraoperative registration.
  • PCT WO 01/35849 Al Secure videscopic apparatus with laser profilometer for computer-assisted surgery
  • EP-1142536A1 Patient referencing in a medical navigation system using projected light points

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Abstract

L'invention concerne la mise en œuvre d'un dispositif de repérage selon les six dimensions de l'espace (position et orientations) utilisé en chirurgie assistée par robot ou en thérapie assistée par robot. L'invention consiste à équiper le bras robotisé d'un système optique de mesure de distance ou de profil de distance et à déplacer ce système avec le robot pour collecter un nombre de points de mesure suffisant pour déterminer avec précision la position et l'orientation d'une structure anatomique par rapport au robot et par rapport à des examens de cette structure réalisés avant ou en cours d'intervention. De plus, le palpeur virtuel ainsi constitué pourra être utilisé pour d'autres opérations telles que la collecte de points pour l'analyse de profil ou de surface d'une structure anatomique, pour détecter le mouvement d'une structure anatomique, et pour des opérations de calibration d'outils, composants et systèmes mis en œuvre lors de l'intervention.

Description

Dispositif pour traitement médical assisté par robot
La présente invention concerne un dispositif de localisation et le procédé de mise en œuvre associé pour la chirurgie assistée par robot et la thérapie assistée par robot.
L'assistance robotisée du geste chirurgical ou du geste thérapeutique a pour objectif principal d'augmenter la précision et la répétabilité d 'exécution de ce geste en offrant une bonne traçabilité de l'intervention. Elle peut permettre également la réalisation de gestes complexes et interdire des gestes dangereux.
Pour obtenir la précision et la répétabilité souhaitées, l'assistance robotisée doit mettre en œuvre des moyens de localisation adaptés pour repérer selon les six dimensions de l'espace (en position et en orientation), lors de l'intervention, le patient par rapport au robot et pour pouvoir procéder au recalage d'examens (contenant des informations spatiales) réalisés avant ou en cours d'intervention.
Cette problématique de localisation dépasse le seul cadre de l'assistance robotisée et est commune à l'ensemble des systèmes de chirurgie et de thérapie assistées par ordinateur. Ces deux derniers domaines seront utilisés pour faire un rapide état de l'art en la matière.
Une première famille de procédé de localisation utilise les moyens d'imagerie disponibles en cours d'intervention. Par exemple, on peut citer en chirurgie assistée par ordinateur la mise en correspondance par fiuoroscopie, ou en utilisant une sonde échographique comme cela est décrit dans les brevets Sofamor Dane Holdings ïnc. (US-6477400), Surgical Navigation Technologies Inc (US-6470207) et Varian Médical Systems Inc (US-6549802). Lorsqu'un système radiologique tridimensionnel tel que le scanner tomodensimétrique (TDM) intraopératoire, l'imageur par résonnance magnétique ouvert (TRM ouvert) ou le Fluoroscope 3D est disponible lors de l'intervention, la localisation et le recalage des examens du patient peut se réduire à des opérations mathématiques et de traitement d'images.
Il existe une autre famille de procédés de localisation qui met en œuvre une technologie de localisation spécifique. De nombreux systèmes sont basés sur un principe de triangulation optique utilisant plusieurs caméras pour localiser des éléments de repérage ou des palpeurs équipés de diodes électroluminescentes ou de marqueurs réfléchissants, comme cela est décrit par exemple dans le brevet Northern Digital Inc. (US-6061644). Un procédé original mettant en œuvre cette technologie est décrit par Raabe et al dans l'article « Laser Surface Scanning for patient registration in intracranial image-guided surgery » (Neurosurgery, Vol. 50, No. 4, pp. 797 -803, Avril 2002) et dans le brevet Brainlab AG (EP-1142536A1). D'autres systèmes utilisent des technologies électromagnétiques comme cela est décrit par exemple dans le brevet Surgical Navigation Technologies I c (US-6381485). D'autres systèmes encore utilisent des mesures de temps de vol ultrasonores comme le décrit le brevet de Integrated Surgical Systems SA et Fischer-Schnappauf-Stockmann Gbr (US 6,167,292). Il existe également des solutions utilisant une technologie électromécanique comme cela est décrit par exemple dans le brevet Integrated Surgical Systems Inc. (US-5806518).
Il existe également des systèmes de positionnement basés sur des mesures de distance optique sans contact bi ou tri-dimensionnelles comme par exemple le système de mise en correspondance du patient avec ses examens tomo-scintigraphiques et IRM par balayage laser décrit par Philippe Cinquin dans l'article « Gestes Médico-chirurgicau assistés par ordinateur et unité de soins du futur » (Informatique et Santé -Volume 7 - Springer Verlag France 1994) ou encore le procédé pour la chirurgie guidée par l'image du foie décrit par D. Cash et al. dans l'article « Fast, accurate surface acquisition using a laser range scanner for image-guided liver surgery » (Actes du congrès SPIE Médical Imaging 2002: Visualization, Display, and Image- guided Procédures, 2002) ou le système décrit dans le brevet du Massachusetts General Hospital Corporation (US 4,480,920). Dans l'article « Computer Assisted Orthopaedic and Trauma Surgery : State of the art and future perspectives » de NWL Schep et al. (Injury, Int. J. Care Injured 34 (2003) 299-306 ), il est fait état d'un système récent de mise en correspondance surfacique par mesure de distance optique sans contact en déplaçant manuellement une cellule de télémétrie laser et en localisant à chaque instant au la cellule à l'aide d'un capteur de position. De manière assez similaire et pour un autre domaine d'application, la demande de brevet de Farcy et al. (W01/035849A) décrit l'utilisation d'un profilomètre laser dans le cadre de la chirurgie assistée par ordinateur qui vise à obtenir de la « réalité augmentée » ou « des images modifiées chirugicalement » en employant des capteurs externes de positionnement du vidéoendoscope et du profilomètre laser.
Dans le cadre de la chirurgie et de la thérapie assitées par robot, le brevet Integrated Surgical Systems Inc (US 6,033,415) propose une solution pour réaliser la mise en c orrespondance entre l'image d'un os long et un robot chirurgical. Dans le cadre de ces applications, il peut être intéressant d'exploiter le fait que le bras robotisé est capable de positionner et d'orienter un outil selon les six degrés de liberté de l'espace pour réaliser un système de localisation en six dimensions à partir d'une mesure selon une seule direction de l'espace. Un tel dispositif est mis en œuvre dans le brevet Integrated Surgical Systems Inc (US 5,806,518). Un palpeur est monté sur l'effecteur du robot et vient palper des éléments de repérage (vis par exemple), au moment du contact palpeur-élément de repérage, la position de l'extrémité du palpeur est calculée à partir du modèle géométrique du robot, des coordonnées articulaires du bras robotisés et d'éléments de fabrication et de calibrage du palpeur, un capteur d'effort associé à ce palpeur permet de garantir la répétabilité de détection du contact palpeur-élément de repérage. Un autre brevet Integrated Surgical Systems Inc (US6033415A) décrit une réalisation visant la mise en correspondance entre une structure anatomique et le robot par numérisation directe de la surface de cette structure. Selon ce brevet, un dispositif de palpation mécanique est utilisé pour numériser la structure, ce qui nécessite un contact avec ladite structure.
La présente invention vise à exploiter toutes les ressources du robot pour réaliser un système de localisation simple, fiable, précis, efficace et compatible des exigences des applications chirurgicales et thérapeutiques. Un objet de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé de localisation d'une structure anatomique dans le référentiel associé au robot par mesure de distance ou de profile de distance pour déterminer la matrice de passage entre le référentiel associé à cette structure anatomique et celui associé au robot. Un autre objet de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé de localisation d'une structure anatomique pour le recalage d'examens réalisés avant ou en cours d'intervention avec la position et l'orientation courantes de cette structure anatomique. Un autre objet de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé de localisation pour effectuer des opérations de calibration ou de vérification d'outils, de composants ou de systèmes mécaniques et électromécaniques utilisés en chirurgie assistée par robot ou en thérapie assistée par robot. Un autre objet de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé de localisation pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention. Un autre objet de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé de localisation pour faire une analyse de profil ou de surface d'une structure anatomique avant, en cours ou en fin d'intervention. Un avantage de l'invention est que la partie active du dispositif est portée par le bras robotisé et qu'elle n'entre pas en contact avec le patient. La mesure de distance ou de profil de distance s'effectue par mesure optique sans contact soit directement sur la structure anatomique concernée soit sur une structure passive rigidement fixée à cette dernière. Ainsi la partie active du dispositif peut être vue comme un palpeur virtuel sans contact. Pour les applications concernées (thérapeutiques et chirurgicales), cette caractéristique de l'invention permet d'augmenter la sécurité en ne générant pas de courants de fuite patient par exemple, en facilitant la mise en œuvre en environnement stérile et en évitant les risques de contamination croisées; Un autre avantage de l'invention est que l'association du robot et de la cellule optique de mesure de distance constitue un système autonome qui effectue la mesure de distance dans un référentiel intrinsèquement associé au robot, augmentant ainsi la précision et la fiabilité de la localisation de la structure anatomique par rapport au robot. Un autre avantage de l'invention est qu'elle peut exploiter l'intelligence du robot pour optimiser la localisation de la structure anatomique tant sur le plan de la précision de localisation que sur des aspects comme le temps nécessaire à la localisation. En particulier, des informations connues a priori pourront être introduites pour cette optimisation comme la connaissance géométrique des mires et éléments de repérage (données de fabrication ou de calibration) ou encore la connaissance de la géométrie de surface de la structure anatomique calculée à partir des examens disponibles sur cette structure. En particulier, pour la mise en correspondance de surface, la collecte de points fortement discriminants est privilégiée sur la surface anatomique plutôt qu'un maillage régulier de la surface. Un autre avantage de l'invention est qu'elle repose sur une technologie simple, bien maîtrisée e t r obuste d e m esure d e d istance o u d e p rofil d e d istance, t echnologie 1 argement utilisée depuis plusieurs années en contrôle dimensionnel dans l'industrie. En conséquence, le coût et la fiabilité de mise en œuvre de l'invention sont optimisés. Un autre avantage de l'invention est que les mesures optiques s'effectuent à quelques décimètres du patient, dans un volume de travail optimisé avec le système d'émission et de détection du signal optique embarqués sur le bras robotisé. Cette caractéristique de l'invention permet de limiter les risques de masquage de la ligne de visée, fréquemment observés avec les systèmes de localisation optiques travaillant sur un plus grand volume de travail, le système de détection étant fixe par rapport au référentiel de la salle d'intervention. Pour les mêmes raisons, les risques d'éblouissement de la cellule sont réduits. De ce fait, la mise en œuvre de l'invention est simplifiée et rendue plus robuste. Un autre avantage de l'invention est d'utiliser la même cellule de mesure de distance ou de profil de distance pour couvrir des aspects aussi différents que la mise en correspondance du robot avec le patient, le recalage d'examens cliniques, la vérification et la calibration d'outils ou de composants et la collecte de données de traçabilité. Cette caractéristique de l'invention participe à l'amélioration du degré d'intégration du système d'assistance robotisée.
Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de mesure comprenant une cellule intégrée de mesure optique de distance ou de profil de distance et des éléments d'interface mécanique et électrique permettant son montage sur l'effecteur du bras robotisé. Cette cellule se comporte comme un palpeur virtuel dont la position de l'extrémité virtuelle peut être calculée dans le référentiel du robot à partir du modèle géométrique de ce dernier, de ses coordonnées articulaires, de la mesure de distance fournie par la cellule et d'éléments de fabrication ou de calibration du dispositif dé mesure. La géométrie de l'extrémité de ce palpeur virtuel est considérée comme ponctuelle dans le cas où une cellule. de mesure de distance est utilisée ou plane avec une forme correspondant au profil mesuré dans le cas où une cellule de mesure de profil de distance est utilisée. La présente invention prévoit un procédé qui consiste à déplacer ce dispositif avec le bras robotisé pour recueillir plusieurs points de mesure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit palpeur virtuel est utilisé pour localiser directement la surface d'une structure anatomique ; ce palpeur virtuel étant déplacé par le bras robotisé pour acquérir, c'est à dire localiser, dans le référentiel de base du robot différents points de la surface anatomique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mise en correspondance des points acquis avec la surface de la structure anatomique extraite des examens tri dimensionnels est utilisée pour le recalage de ces examens en cours d'intervention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le repérage d'une structure anatomique s'effectue par l'intermédiaire d'une mire, la mire étant un objet tridimensionnel rigidement fixé à la structure anatomique et dont les caractéristiques géométriques, mécaniques et optiques sont optimisées et connues a priori par le robot pour effectuer un repérage rapide et précis de cette mire, les mesures optiques de distance ou de profil de distance s'opérant directement sur cette mire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mire est fixée sur un support lui-même fixé à la structure anatomique ; lors des examens réalisés avant ou en cours d'intervention, ce même support reçoit en lieu et place de la mire ou conjointement à cette mire, un système de marquage tridimensionnel compatible de l'examen considéré, la position et l'orientation relatives du système de marquage et de la mire sont alors intégrés dans l'algorithme de mise en correspondance. . Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mire est constituée par une plaque comprenant un motif en relief dont la géométrie est connue a priori, et qui permet à partir d'un nombre limité de points de mesure un repérage de la mire dans les six dimensions de l'espace sans ambiguïté. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mire est constituée par une structure plane possédant un contour discriminant qui permet à partir d'un nombre limité de points de mesure un repérage de la mire dans les six dimensions de l'espace sans ambiguïté. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le repérage s'effectue par détection d'au moins trois éléments non alignés fixés rigidement à la structure anatomique, ces éléments étant en relief par rapport à la surface de la structure anatomique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le repérage s'effectue par au moins un élément axial rigidement fixé à une structure anatomique et sur lequel peut être monté une rallonge, à partir des mesures de distance avec et sans la rallonge, il est possible de déterminer à la fois la position et l'orientation de cet élément axial. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les mesures de distance ou de profil de distances sont utilisées pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure directe sur cette structure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les mesures de distance ou de profil de distances sont utilisées pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure sur une mire rigidement fixée à cette structure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les mesures de distance ou de profil de distances sont utilisées pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure directe sur un ou plusieurs éléments fixés rigidement à cette structure et en relief par rapport à sa surface. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les mesures de distance ou de profil de distances sont utilisées pour faire une analyse de profil ou de surface d'une structure anatomique avant, en cours ou après intervention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les mesures de distance ou de profil de distances sont utilisées pour des opérations de calibration ou de vérification d'outils, de composants ou de systèmes mécaniques électromécaniques utilisés en chirurgie assistée par robot ou en thérapie assistée par robot.
Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes :
La figure 1 schématise un dispositif porté par un robot mettant en oeuvre les principes de mesure de distance par triangulation laser et/ou par une technique de défocalisation, ceci sur une structure osseuse ; La figure 2 illustre un dispositif de mesure selon la présente invention où le dispositif est monté sur l'effecteur terminal du robot ; Les figures 3A à 3D illustrent différents modes de réalisation de la mire selon la présente invention ; Les figures 4A et 4B illustrent le dispositif de mesure aggisant un fémur équipé d'éléments de repérage vissés ou collés en relief par rapport à sa surface ; Les figures 5A et 5B illustrent le dispositif de mesure agisant sur un élément de repérage axial avec sa rallonge dans lès deux configurations de mesure associées ; La figure 6 représente le dispositif de mesure agissant sur un élément de repérage axial avec un plateau et un système d'indexage permettant un repérage selon les 6 dimensions de l'espace sans ambiguïté.
Le dispositif de mesure selon la présente invention, peut être constitué à partir d'une cellule de mesure de distance intégrée. Cette cellule comprend en général une diode laser, d'éventuels éléments permettant de rendre le faisceau dissymétrique (dans le cas où un principe de défocalisation est utilisé), des composants optiques (lentilles, diaphragmes) et un détecteur. Ce détecteur peut être réalisé à partir d'une barrette ou d'une matrice CCD, d'une barrette ou d'une matrice CMOS ou d'un détecteur sensible en position (PSD) barrette, ou de tout autre dispositif matriciel photosensible. Le dispositif de mesure comprend un système de connexion mécanique permanent ou temporaire avec indexage permettant un montage unique, précis et répétable de la cellule de mesure sur le bras robotisé. Ce dispositif comprend également un système de connexion électrique pour fournir les tensions électriques nécessaires à la polarisation de la cellule de mesure et pour permettre au robot de récupérer les signaux analogiques et/ou numériques correspondant aux distances mesurées.
Il est possible de réaliser le dispositif en intégrant une cellule de mesure de profil de distance qui repose sur les mêmes principes que ceux décrits ci-dessus, avec en plus l'ajout d'éléments optique permettant à partir du faisceau laser ponctuel de générer un faisceau plan. La mesure d'un profil au lieu d'une mesure isolée permet d'augmenter la rapidité de localisation.
Le dispositif de mesure de distance ou de profil de distance pourra être réalisé en ajoutant simplement les éléments d'interface électrique et mécanique à des cellules intégrées de mesures de distance ou de profil de distance disponibles sur le marché.
Pour constituer à partir de ce dispositif de mesure un palpeur virtuel, il est nécessaire de disposer des caractéristiques géométriques du dispositif de mesure monté sur le bras robotisé. Ces caractéristiques peuvent être accessibles soit à partir des données de conception et/ou de fabrication, de mesures dimensionnelles, soit à partir des résultats d'une procédure de calibration, soit à partir d'une combinaison de l'ensemble de ces informations. Certaines procédures de calibration classiques en robotique, notamment des techniques de pivot, peuvent être appliquées en considérant l'axe de mesure optique comme le dernier segment du bras robotisé. Il convient alors de déterminer le déport de l'origine de ce segment par rapport à la dernière articulation du bras robotisé, et de déterminer également l'orientation de l'axe de ce segment par rapport à cette articulation. Il est possible également d'utiliser des mires dédiées à la calibration associées à des méthodes comme celle décrite dans l'article « From accurate range imaging sensor calibration to accurate model based 3D object localisation » de Champleboux et al (Actes du Congrès IEEE Conférence on Computer Vision and Pattern Récognition pp. 83-89, 1992). Si la mesure de distance ou de profil de distance s'opère directement sur une structure anatomique, il est possible d'effectuer à la fois la mise en correspondance du robot par rapport au patient et le recalage des examens de ce patient en utilisant par exemple ime des méthode de mise en correspondance surfacique décrite dans l'article « An algorithm overview of surface regsitration techniques for médical imaging » de MA Audette et al (Médical Image Analisys 4 (200) 201-217).
Dans le cas où la mesure de distance ou de profil de distance ne peut pas s'opérer directement sur la surface de la structure anatomique d'intérêt, par exemple dans le cas où celle-ci n'est pas accessible en vision directe (masquage par d'autres structures, etc), il est possible d'avoir recours à une mire de localisation rigidement fixée à cette structure. Cette mire est en général un objet tridimensionnel de forme discriminante permettant une localisation sans ambiguïté selon les six degrés de liberté de l'espace. Cependant, il est possible de réaliser une mire plane, avec un contour de géométrie discriminante. Avec le dispositif de mesure de distance ou de profil de distance, il est facile de détecter ce contour qui correspond à une discontinuité de distance, voir même à une discrimination entre valeur dans et hors plage de mesure.
Une autre solution est de réaliser des motifs discriminant en reliefs, ces motifs peuvent être obtenus par des procédés simples d'usinage tel que des perçages, des fraisages, etc. Les figures 3A à 3C présentent respectivement des mires planes réalisées avec un contour discriminant, avec des trous et avec des gorges.
Il est possible également de réaliser une mire pyramidale tronquée, avec des plans de facettes discriminants comme l'illustre la figure 3D.
Cette mire peut être fixée rigidement à la structure anatomique d'intérêt au moyen d'une pièce intermédiaire appelée support. Ce support permet le montage unique, précis et répétable de la mire et éventuellement de systèmes de localisation spécifiques pour les différentes modalités d'examens. A partir des données de conception, de fabrication, de mesure et/ou de calibration, il est possible de calculer la matrice de passage entre le référentiel associé à la mire et les systèmes de localisation considérés. Cette matrice de passage est utilisée pour le recalage des images. Pour faciliter le repérage de la structure anatomique, lorsque celle-ci n'a pas par exemple une forme suffisamment discriminante, il est possible d'utiliser des éléments de repérages ponctuels rigidement fixés à elle selon un motif de répartition fortement discriminant comme cela est illustré sur 1 es figures 4A et 4B. Ces é léments d e r epérage p euvent ê tre v issés o u collés sur la surface de la structure ou sur la surface d'éléments solidaires de cette structure. Il est possible, dans cette configuration, de remplacer un ou plusieurs de ces éléments de repérage ponctuels par un repère axial comprenant un élément de base et sa rallonge, comme illustré sur les figures 5A et 5B. L'avantage de cette solution est de limiter le nombre d'éléments de repérage pour réaliser une mise en correspondance selon les six degrés de liberté de l'espace. En effet, ce type d'élément de repérage fournit une information bidimensionnelle, à savoir une origine et un axe. Pour cela, on effectue consécutivement une mesure sans et avec la rallonge en place.
Une solution alternative pour ces éléments de repérage est donnée sur la figure 6. Il s'agit d'un élément vissé comprenant une broche d'indexage et un plateau. Il offre 1 a p ossibilité d'effectuer à partir d'un seul élément et avec une précision limitée, un repérage complet selon les 6 degrés de liberté de l'espace. Cette caractéristique permet de mettre en place un algorithme de recherche automatique des autres éléments de repérage pour augmenter la précision globale de mise en correspondance.
L'ensemble de ces éléments de repérage doit être réalisé de telle manière qu'il constitue également des éléments de marquage sur les examens réalisés. Il est possible alors de mettre en œuvre des algorithmes de mise en correspondance de points appairés comme par exemple ceux référencés dans l'article de Maintz et al « A survey of médical image registration » (Médical Image Analysis 2(1) 1-36 1998) pour réaliser à la fois la mise en correspondance du robot avec le patient et le recalage des examens du patient.
Le dispositif de mesure proposé dans la présente invention peut être utilisé pour détecter des déplacements d'une structure anatomique en cours d'intervention. Pour cela, une mesure de référence est réalisée en début et renouvelée en fin de mise en correspondance en différents points de la surface ou sur différents éléments de repérage. Cette mesure est renouvelée en cours d'intervention et comparée à la mesure de référence. Si cette nouvelle mesure s'écarte sensiblement de la mesure de référence, un déplacement de la structure anatomique par rapport au robot est détecté.
Le dispositif de mesure proposé dans la présente invention p eut être utilisé p our faire une analyse de profil ou de surface d'une structure anatomique. Pour cela, on détermine un maillage de la surface et on procède au balayage correspondant de la structure avec le dispositif de mesure déplacé par le robot.. Pour faciliter l'interprétation des résultats, les points acquis pourront être structurés sous forme d'image. Cette fonctionnalité est particulièrement intéressante lorsque l'intervention comprend une étape d'usinage de la structure anatomique dont l'état de surface peut conditionner le résultat clinique comme c'est le cas, par exemple, pour les ostéotomies.
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Claims

Revendications
1. Dispositif pour la chirurgie ou la thérapie assistée par robot, consistant en un palpeur virtuel sans contact comprenant au moins un système optique de mesure de distance ou de profil de distance, ledit dispositif étant adapté pour être porté et déplacé par un robot de manière à pouvoir effectuer un repérage en position et en orientation d'un objet à partir de plusieurs points de mesure, directement dans un référentiel intrinsèquement associé audit robot .
2. Dispositif selon la revendication 1 comprenant une mire pour le repérage d'une structure anatomique, la mire étant constituée d'un ou de plusieurs objets tridimensionnels rigidement fixés à la structure anatomique et dont les caractéristiques géométriques, mécaniques et optiques sont optimisées ef connues a priori par le robot pour effectuer un repérage rapide et précis de cette mire, les mesures optiques de distance ou de profil de distance s'opérant directement sur cette mire.
3. Dispositif selon la revendication 2 où la mire est fixée sur un support lui-même adapté pour être fixé à la structure anatomique, ce même support étant adapté pour recevoir en lieu et place de la mire ou conjointement à cette mire, un système de marquage tridimensionnel compatible de l'examen considéré, la position et l'orientation relatives du système de marquage et de la mire sont alors intégrés dans l'algorithme de mise en correspondance.
4. Dispositif selon la revendication 3 où la mire constituée par une plaque comprenant un motif en relief dont la géométrie est connue a priori, et qui permet à partir d'un nombre limité de points de mesure un repérage de la mire dans les six dimensions de l'espace sans ambiguïté.
5. Dispositif selon la revendication 3 où la mire constituée par une structure plane possède un contour discriminant qui permet à partir d'un nombre limité de points de mesure un repérage de la mire dans les six dimensions de l'espace sans ambiguïté.
6. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 où le système de mesure de distance ou de profil de distance repose sur le principe de triangulation laser, de dé-focalisation ou sur une combinaison de ces deux principes.
. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 où le repérage s'opère par mesure optique directe sur une structure anatomique, les coordonnées tridimensionnelles de points en surface de cette structure sont calculées à partir des différentes mesures acquises avec le palpeur virtuel et des cordonnées articulaires du robot correspondantes, la mise en correspondance avec les examens de cette structure réalisés avant ou en cours d'intervention s'effectue en utilisant un algorithme de mise en correspondance surfacique.
8. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 où le repérage s'effectue par détection d'au moins trois éléments non alignés fixés rigidement à la structure anatomique, ces éléments étant en relief par rapport à la surface de la structure anatomique.
9. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 où le repérage s'effectue par au moins un élément axial rigidement fixé à une structure anatomique et sur lequel peut être montée une rallonge, à partir des mesures de distance avec et sans la rallonge, il est possible de déterminer à la fois la position et l'orientation de cet élément axial.
10. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure directe sur cette structure.
11. Utilisation d'u dispositif selon la revendication 1 pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure sur une mire rigidement fixée à cette structure.
12. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour détecter le mouvement d'une structure anatomique en cours d'intervention par mesure directe sur un ou plusieurs éléments fixés rigidement à cette structure et en relief par rapport à sa surface.
13. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour faire une analyse de profil ou de surface d'une structure anatomique en pré, per ou post-opératoire.
14. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour des opérations de calibration ou de vérification d'outils, de composants ou de systèmes mécaniques électromécaniques utilisés en chirurgie assistée par robot ou en thérapie assistée par robot.
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