WO2015197926A2

WO2015197926A2 - Procédé de détermination d'une transformation géométrique entre deux modèles d'un objet en trois dimensions

Info

Publication number: WO2015197926A2
Application number: PCT/FR2015/000126
Authority: WO
Inventors: Rodolphe Hasselvander; Flavien Legrand; Damien ZAREMBA
Original assignee: GEMON, Laurent; Blue Frog Robotics
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-12-30
Also published as: FR3023044B1; FR3023044A1; WO2015197926A3

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de détermination d'une transformation géométrique entre un premier modèle d'un objet en trois dimensions et un deuxième modèle de l'objet en trois dimensions, ledit premier modèle étant obtenu à partir d'un premier instrument de mesure, ledit procédé comportant : une première étape (E1) de définition du deuxième modèle; une deuxième étape de définition d'au moins un point de référence invariant entre le premier modèle et le deuxième modèle; une troisième étape (E3) de découpage du premier modèle et du deuxième modèle par rapport audit point de référence invariant, ledit premier modèle étant découpé en un premier nuage de points, ledit deuxième modèle étant découpé en un deuxième nuage de points; une quatrième étape (301) de détermination de la transformation géométrique entre le premier nuage de points et le deuxième nuage de points.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION D'UNE TRANSFORMATION GEOMETRIQUE ENTRE DEUX MODELES D'UN OBJET EN TROIS DIMENSIONS

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTIO

[0001] L'invention se rapporte à un procédé de détermination d'une transformation géométrique entre un. premier modèle d'un objet en trois dimensions et un deuxième modèle de l'objet en trois dimensions. L'invention se rapporte au recalage d'images en trois dimensions l'une par rapport à l'autre.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0002] De nombreuses maladies telles que l'arthrose ou les rhumatismes ou encore certains types d'accidents conduisent à des dégradations des différentes articulations et notamment des grosses articulations telles que la hanche, le genou, l'épaule etc. Ces problèmes ou accidents se traduisent plus particulièrement par la destruction des cartilages constituant la surface d'articulation. Cette dégradation, notamment des cartilages, peut conduire à un handicap sérieux pour le patient qui en est victime et même¹ à une incapacité lourde.

[0003] Dans ce domaine, on connaît bien les éléments de prothèse utilisés pour l'articulation du genou ou de la hanche. Les éléments de prothèse utilisés dans ce cas nécessitent selon les techniques actuelles une résection importante des surfaces articulaires, cette résection se traduisant soit par la réalisation d'une surface plane à l'extrémité de l'os concerné, soit par la réalisation de plusieurs surfaces planes angulées les unes par rapport aux autres constituant une approximation de la surface réelle d'articulation.

[0004] Ce type d'élément de prothèse nécessite pour sa mise en place une résection importante de l'os. Cette résection nécessite à son tour la mise en œuvre d'un matériel chirurgical lourd pour définir précisément le plan ou les plans de la surface de résection à réaliser. En outre, la surface de résection étant plane ou constituée par plusieurs portions de plan, il est nécessaire de prévoir un ancrage très important en profondeur de l'élément de prothèse dans la partie de l'os associée à la surface articulaire pour assurer la solidarisation de la prothèse. Ces éléments d'ancrage tels que vis, broches, plots, etc. nécessitent le forage de trous d'ancrage importants dans l'os à traiter. Ce forage ou perçage important nécessite à son tour la mise en œuvre d'un matériel chirurgical lourd. En outre, l'importance du forage ou du perçage dans l'os peut entraîner des conséquences dommageables pour la partie de l'os qui a subi cette perforation, notamment en ce qui concerne sa résistance mécanique lorsque des contraintes sont appliquées aux os constituant cette articulation lors de mouvements effectués puisque, par sa longueur. L'élément d'ancrage reporte l'effort en une zone de l'os qui n'est pas prévue pour supporter cet effort.

[0005] En outre, des tels éléments de prothèse connus n'offrent pas aux praticiens un choix suffisant de gamme pour répondre aux degrés de liberté articulaire choisis. Enfin, les moyens d'ancrage restent encore un élément d'interrogation en ce qui concerne leur solidité, leur stabilité et leur usure.

[0006] Ainsi, ont été développés des éléments de prothèse articulaire qui permettent de diminuer l'importance de la résection à réaliser sur les têtes d'os de l'articulation à traiter et qui par leur forme particulière permettent de réduire très sensiblement l'importance des moyens d'ancrage mécanique de l'élément de prothèse et de la forme de la résection. Ces éléments de prothèse articulaire sont décrits dans le document de brevet publié sous le numéro FR2737970. Les éléments de prothèse décrits dans ce document de brevet permettent de reconstituer la forme anatomique qu'avait initialement la tête de l'os et de limiter le plus poôsible l'importance de l'enlèvement d'os à réaliser pour la mise en place de l'élément de prothèse. En outre, du fait que la résection à réaliser est plus limitée que dans les techniques utilisées antérieurement, si une nouvelle intervention s'avère nécessaire, le praticien dispose avantageusement d'une réserve supplémentaire de matière osseuse utilisable pour une nouvelle résection en vue de la mise en place d'un nouvel élément de prothèse.

[0007] La résection à réaliser pour la mise en place de ces éléments de prothèse présente une surface complexe. En outre, une grande précision est souhaitable dans cette résection pour assurer une bonne fixation des éléments de prothèse. Typiquement, un praticien opère la résection manuellement à l'aide de guides. Toutefois, ces guides offrent une assistance limitée à l'heure de couper une surface complexe dans l'os. Ainsi, la précision dans la résection dépend en grande partie de la dextérité de chaque praticien. En outre, si la prothèse est individualisée, la transposition des dimensions et positions individuelles de la résection aux guides utilisées peut être difficile.

[0008] Afin d'assister les praticiens et de leur permettre d'obtenir une plus grande précision dans le cadres de leurs opération, il est connu d'utiliser des dispositifs robotiques d'assistance à la chirurgie. Dans le domaine de la pose de prothèse, l'étape de coupe osseuse est généralement réalisée manuellement par un chirurgien qui pose des guides sur les os du patient de façon à obtenir des coupes précises. L'automatisation récente de cette étape de coupe osseuse permet de réaliser cette tâche rapidement et avec une grande précision. Ainsi la document de brevet FR1153525 décrit un robot d'usinage permettant de réaliser des résections très localisées. Ces robots d'usinage se servent d'un modèle 3D du patient réalisé par imagerie médicale. Ces modèles 3D sont d'une grande précision et permettent au robot de réaliser correctement la résection désirée. Cependant, afin de pouvoir réaliser l'usinage (la résection) programmée, il est impératif que le robot d'usinage connaisse parfaitement sa position par rapport à l'objet (os) à usiner ainsi que l'orientation et la position de l'objet à usiner. Pour cela, il est nécessaire d'obtenir une image précise de l'articulation à usiner, afin de pouvoir y positionner correctement la prothèse.

[0009] Dans le cadre de la pose de prothèse par robot d'usinage, un premier modèle 3D de l'articulation est généralement obtenue par un premier instrument de mesure, par exemple au moyen d'un dispositif d'imagerie à résonance magnétique. Cette première image permet la fabrication de la prothèse en fonction du premier modèle obtenu. Du fait de la durée nécessaire à la fabrication de la prothèse, l'acquisition du premier modèle est actuellement réalisée sur un patient bien avant l'opération de mise en place de la prothèse. Ainsi lors de la mise en place de la prothèse qui doit venir s'insérer dans les emplacements usinés dans l'articulation par le robot d'usinage précédemment mentionné, il est nécessaire d'effectuer l'acquisition d'un second modèle de l'articulation en vue de pouvoir positionner le robot d'usinage correctement par rapport à l'articulation à usiner et en fonction de la prothèse fabriquée. Le second modèle de l'articulation est généralement réalisé en salle d'opération, et donc en milieu stérile, lorsque le patient est en place pour la pose de la prothèse. L'articulation du patient n'est pas dans la même position que lors de l'acquisition du premier modèle de l'articulation, ainsi il est nécessaire de recaler le premier modèle par rapport au deuxième modèle et donc de déterminer la transformation géométrique entre ces deux modèles de l'articulation en vue d'effectuer une résection précise et rapide de l'articulation par le robot d'usinage.

[0010] En effet, la localisation d'un objet dans un espace en trois dimensions consiste à déterminer la transformation géométrique (généralement translation et rotation) entre deux nuages de points. Le premier nuage de points est issu d'une modélisation numérique de l'objet, par exemple suite à l'obtention de l'image par un dispositif d'imagerie à résonance magnétique (IRM). Le deuxième nuage de points est le résultat de l'acquisition des points mesurés par un deuxième instrument de mesure, par exemple un laser à balayage. La position des points, après la numérisation, varie en fonction de la position et de l'orientation de l'objet. Un point pmi de position (xn, yn, zn) peut être corrélé avec le point du modèle pMj de position (xk, yk, zk) pour une acquisition donnée, mais il n'est pas garanti que ce même point pmi représente le point pMj pour une autre acquisition, puisque l'objet peut avoir effectué une rotation ou une translation. Les figures 1 et 2 illustrent cette problématique. Les points pm13 et pm4 sont tous les deux associés au point du modèle pMO mais n'ont pas les mêmes coordonnées pour deux positions différentes de l'objet. Les deux nuages ne sont donc pas directement comparables sans détermination de points invariants en temps pour un objet donné et de la transformation géométrique entre ces deux nuages de points.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0011] L'invéntion vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique identifiés ci-dessus, et notamment à proposer une méthode permettant de recaler automatiquement et précisément deux modèles en trois dimensions d'un même objet l'un par rapport à l'autre.

[0012] Dans ce dessein, un aspect de l'invention se rapporte à un procédé de détermination d'une transformation géométrique entre un premier modèle d'un objet en trois dimensions et un deuxième modèle de l'objet en trois dimensions, ledit premier modèle étant obtenu à partir d'un premier instrument de mesure, ledit procédé comportant :

une première étape de définition du deuxième modèle ; une deuxième étape de définition d'au moins un point de référence invariant entre le premier modèle et le deuxième modèle ;

une troisième étape de découpage du premier modèle et du deuxième modèle par rapport audit point de référence invariant, ledit premier modèle étant découpé en un premier nuage de points, ledit deuxième modèle étant découpé en un deuxième nuage de points ;

une quatrième étape de détermination de la transformation géométrique entre le premier nuage de points et le deuxième nuage de points.

[0013] La définition d'un point de référence invariant au cours de la deuxième étape dudit procédé permet de limiter l'erreur au niveau de la détermination de la transformation géométrique et d'accélérer la réalisation de la quatrième étape. La deuxième étape peut être effectuée manuellement par un opérateur, ou bien de façon automatisée. La transformation géométrique déterminée a pour vocation à être transmise à un robot d'usinage pour l'usinage de l'objet.

[0014] Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles :

la première étape de définition du deuxième modèle comporte :

- une cinquième étape d'acquisition d'un premier ensemble de points de mesure au moyen d'un deuxième instrument de mesure ;

une sixième étape de filtrage du premier ensemble de points de mesure de façon à obtenir une pluralité de sous- ensemble de points de mesure;

une septième étape de sélection d'un deuxième ensemble de points de mesure parmi la pluralité de sous-ensemble de points de mesure, ledit deuxième ensemble de points de mesure correspondant à l'objet ;

- une huitième étape de génération d'une surface par triangulation du deuxième ensemble de points de mesure, ladite surface correspondant au deuxième modèle. La sixième étape de filtrage peut être effectuée au moyen d'une méthode des k- moyennes. La septième étape de sélection du deuxième ensemble de points de mesure peut être effectuée manuellement ou automatiquement. Elle permet de sélectionner les points correspondant seulement à l'objet à étudier en discriminant les points correspondant à l'environnement dudit objet.

la quatrième étape se fait par comparaison au moyen de la méthode itérative du point le plus proche (ICP pour Itérative Closest Point en anglais) du premier nuage de points et du deuxième nuage de points. La méthode ICP est une méthode itérative. A chaque itération, elle se sert des résultats obtenus à la dernière itération pour donner un résultat meilleur jusqu'à ce que le résultat converge ou bien que l'on ait dépassé le nombre maximum d'itérations allouées à l'algorithme. Cette quatrième étape pourrait se faire également au moyen de la méthode DARCES (acronyme pour Data Aligned Rlgidity Constrained Exhaustive Search en anglais) ou de la méthode NDT (acronyme pour

Normal Distribution Transformation en anglais) ;

la deuxième étape est effectuée automatiquement et elle comporte une neuvième étape de définition d'une génératrice de l'objet commune au premier modèle de l'objet et au deuxième modèle de l'objet, le point de référence invariant étant défini comme une extrémité de ladite génératrice. Une fois la génératrice définie, qui correspond généralement à l'axe longitudinal de l'objet, le plan tangent à cette génératrice est défini et le point de référence invariant correspond à l'intersection entre la génératrice et ledit plan tangent. La génératrice peut être définie comme l'axe le plus long de l'objet ;

la troisième étape comporte la définition d'un ensemble de plans de découpage perpendiculaires à ladite génératrice, le premier plan de découpage passant par le point de référence invariant, les plans de découpage suivants étant espacés les uns par rapport aux autres d'une distance prédéfinie. La distance prédéfinie qui correspond à l'espace entre deux plans de découpage adjacents est réglable, plus cette distance est fine, plus la précision du procédé augmenter ;

le deuxième instrument de mesure est un laser à balayage ; BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :

- la figure 1 , une vue schématique de la corrélation entre des points issus d'un modèle d'un objet et une première mesure de l'objet selon l'art antérieur ;

la figure 2, une vue schématique de la corrélation entre des points issus d'un modèle d'un objet et une seconde mesure de l'objet selon l'art antérieur ;

la figure 3, une vue schématique des étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention.

[0016] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

[0017] A la figure 3 sont illustrées différentes étapes d'un exemple de procédé de détermination d'une transformation géométrique entre un premier modèle d'un objet en trois dimensions et un deuxième modèle de l'objet en trois dimensions.

[0018] L'objet à modéliser dans cet exemple est une articulation de genou pour sa résection en vue d'y insérer une prothèse.

[0019] Les étapes 101 , 102 et 103 correspondent à l'acquisition du premier nuage de points correspondant au premier modèle de l'articulation en trois dimensions. Dans un premier temps (étape 101), les points 3D correspondant à l'articulation sont acquis par imagerie à résonance médicale, puis une surface 3D est créée par triangulation (étape 102) et enfin la surface 3D est découpée en un premier nuage de points (étape 103).

[0020] Les étapes 201 , 202, 203, 204 et 205 correspondent à l'acquisition du deuxième nuage de points correspondant au deuxième modèle de l'articulation en trois dimensions. Les étapes 201 , 202, 203, 204 correspondent à la première étape E1 de définition du deuxième modèle. Cette première étape comporte une cinquième étape 201 d'acquisition d'un premier ensemble de points de mesure au moyen d'un deuxième instrument de mesure, un laser à balayage dans cet exemple. La première étape E1 comporte également une sixième étape 202 de filtrage du premier ensemble de points de mesure de façon à obtenir une pluralité de sous-ensemble de points de mesure. Cette sixième étape de filtrage peut se faire au moyen de la méthode dite des k-moyennes (Kmean) et a pour objectif de réduire la mesure aux points caractérisant l'os seul et non pas aux autres points caractérisant l'environnement. La première étape E1 comporte également une septième étape 203 de sélection d'un deuxième ensemble de points de mesure parmi la pluralité de sous-ensemble de points de mesure, ce deuxième ensemble de points de mesure correspondant à l'objet en trois dimensions. La septième étape 203 peut être réalisée manuellement ou automatiquement et consiste à sélectionner parmi la pluralité de sous-ensemble de points de mesure les points correspondant à l'articulation. La première étape E1 comporte également une huitième étape 204 de génération d'une surface par triangulation du deuxième ensemble de points de mesure. Cette surface correspond au deuxième modèle de l'articulation.

[0021] Une fois la première étape E1 de définition du deuxième modèle de l'objet en trois dimensions effectuée, le procédé comporte une deuxième étape (non représentée sur la figure 3) de définition d'au moins un point de référence invariant entre le premier modèle et le deuxième modèle. Dans le cas de l'articulation du genou, l'axe longitudinal le plus grand de l'articulation est défini de façon commune comme génératrice pour le premier modèle et le deuxième modèle au cours d'une neuvième étape, et le point de référence invariant correspond à une extrémité de ladite génératrice.

[0022] Une fois le point de référence invariant défini au cours de la deuxième étape, le procédé comporte une troisième étape E3 de découpage du premier modèle 103 en un premier nuage de points et de découpage du deuxième modèle 205 en un deuxième nuage de points par rapport audit point de référence invariant. La troisième étape E3 comporte, pour chacun des premier et deuxième nuage de points, la définition d'un ensemble de plans de découpage perpendiculaires à la génératrice. Le premier plan de découpage passe par le point de référence invariant, puis deux plans de découpage invariants sont espacés par une distance prédéfinie, cette distance définissant la précision du procédé. [0023] Le procédé comporte également une quatrième étape 301 de détermination de la transformation géométrique entre le premier nuage de points et le deuxième nuage de points, qui correspond au recalage 3D par la méthode ICP dans cet exemple de réalisation. La méthode ICP est une méthode itérative. A chaque itération, elle se sert des résultats obtenus à la dernière itération pour donner un meilleur résultat jusqu'à ce que le résultat converge ou bien qu'on ait dépassé un nombre maximum d'itération. Cette méthode permet de déterminer la matrice de transformation entre le premier nuage de points et le deuxième nuage de points. Une fois cette matrice déterminée, elle est transmise au robot d'usinage qui pourra effectuer l'usinage de l'articulation de façon précise.

[0024] L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détermination d'une transformation géométrique entre un premier modèle d'un objet en trois dimensions et un deuxième modèle dé l'objet en trois dimensions, ledit premier modèle étant obtenu à partir d'un premier instrument de mesure, ledit procédé comportant :

une première étape (E1 ) de définition du deuxième modèle ;

une deuxième étape de définition d'au moins un point de référence invariant entre le premier modèle et le deuxième modèle ;

une troisième étape (E3) de découpage du premier modèle et du deuxième modèle par rapport audit point de référence invariant, ledit premier modèle étant découpé en un premier nuage de points, ledit deuxième modèle étant découpé en un deuxième nuage de points ;

une quatrième étape (301) de détermination de la transformation géométrique entre le premier nuage de points et le deuxième nuage de points, ladite transformation géométrique est transmise à un robot d'usinage

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première étape de définition du deuxième modèle comporte :

une cinquième étape (201) d'acquisition d'un premier ensemble de points de mesure au moyen d'un deuxième instrument de mesure ;

une sixième étape (202) de filtrage du premier ensemble de points de mesure de façon à obtenir une pluralité de sous-ensemble de points de mesure;

une septième étape (203) de sélection d'un deuxième ensemble de points de mesure parmi la pluralité de sous-ensemble de points de mesure, ledit deuxième ensemble de points de mesure correspondant à l'objet en trois dimensions ;

une huitième étape (204) de génération d'une surface par triangulation du deuxième ensemble de points de mesure, ladite surface correspondant au deuxième modèle.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la quatrième étape (301) se fait par comparaison au moyen de la méthode Itérative du Point le plus Proche (ICP) du premier nuage de points et du deuxième nuage de points.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième étape est effectuée automatiquement et en ce qu'elle comporte une neuvième étape de définition d'une génératrice de l'objet commune au premier modèle de l'objet et au deuxième modèle de l'objet, le point de référence invariant étant défini comme une extrémité de ladite génératrice.

5. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la troisième étape (E3) comporte la définition d'un ensemble de plans de découpage perpendiculaires à ladite génératrice, le premier plan de découpage passant par le point de référence invariant, les plans de découpage suivants étant espacés les uns par rapport aux autres d'une distance prédéfinie.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le deuxième instrument de mesure est un laser à balayage.