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FR2895267A1 - Procede et dispositif de navigation non invasif. - Google Patents

Procede et dispositif de navigation non invasif. Download PDF

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FR2895267A1
FR2895267A1 FR0513314A FR0513314A FR2895267A1 FR 2895267 A1 FR2895267 A1 FR 2895267A1 FR 0513314 A FR0513314 A FR 0513314A FR 0513314 A FR0513314 A FR 0513314A FR 2895267 A1 FR2895267 A1 FR 2895267A1
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FR
France
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prosthesis
implantation
screen
representation
navigation system
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FR0513314A
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Inventor
Jean Pierre Py
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Original Assignee
SARL BIO SUPPLY SARL
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Publication date
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Abstract

Le dispositif de navigation non invasif comporte :- une base de données géométriques de prothèses,- un fluoroscope qui fournit une pluralité d'images d'une partie du corps humain ;- un moyen de traitement des images issues du fluoroscope qui fournit une représentation osseuse en trois dimensions ;- une interface entre le moyen de traitement et un système de navigation qui comporte un écran et un moyen d'analyse de représentation osseuse pour fournir :- une recommandation de prothèse à implanter ;- une représentation à l'écran des axes principaux de l'implantation recommandée de ladite prothèse dans ladite partie du corps humain ;- au moins un capteur de positionnement fournissant, à un système de navigation, des informations de positionnement d'outils sur l'os réel du patient ;- le système de navigation étant adapté à représenter sur l'écran, conjointement, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse et les axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil fourni par chaque capteur de positionnement.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE NAVIGATION NON INVASIF
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de navigation non invasif. Elle s'applique, en particulier, à l'assistance aux chirurgiens avant ou pendant une opération chirurgicale. La présente invention vise, à être moins invasif lors d'une investigation pré-opératoire pour fournir au chirurgien, en temps réel, un repérage anatomique d'outils dont le positionnement conditionne le succès de l'opération. Pour gérer, par navigation, la mise en place d'une prothèse, par exemple de genou, l'opérateur a besoin de connaître les caractéristiques anatomiques du membre à opérer, en particulier : - la valeur de la déformation frontale, - la dimension médio-latérale, antéro-postérieure de l'articulation, - la valeur angulaire entre l'axe anatomique et l'axe mécanique et - une vue en trois dimensions de cette articulation.
En effet, ces éléments sont la base de réflexion du protocole opératoire du chirurgien. L'investigation vise à paramétrer une forme désordonnée à opérer, par exemple le genou. A ce jour, cette investigation est réalisée après ouverture de l'articulation à opérer, ce qui implique de nombreux inconvénients comme l'allongement de la durée de l'opération et l'augmentation des risques opératoires, comme des infections, par exemple.
La présente invention vise à permettre une investigation qui ne comporte pas d'ouverture de l'articulation. Selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de navigation non invasif comportant : - une base de données géométriques de prothèses, - un fluoroscope qui fournit une pluralité d'images en deux dimensions d'une partie du corps humain. -un moyen de traitement des images(calculateur) issues du fluoroscope qui fournit une représentation osseuse en trois dimensions ; - une interface entre le moyen de traitement et un système de navigation qui comporte un écran et un moyen d'analyse de représentation osseuse et de données géométriques de prothèses pour fournir : - une recommandation de prothèse à implanter ; - une représentation à l'écran des axes principaux de l'implantation recommandée de ladite prothèse dans ladite partie du corps humain.
Grâce à ces dispositions, l'opérateur peut choisir une prothèse et visualiser l'implantation future de ladite prothèse, sur une image.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte ; - au moins un capteur de positionnement fournissant, à un système de navigation, des informations de positionnement d'outils sur l'os réel du patient ; - le système de navigation étant adapté à représenter sur l'écran, conjointement, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse et les axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement des outils fourni par chaque capteur de positionnement. Grâce à ces dispositions, l'opérateur peut visualiser l'implantation de ladite prothèse, sur une image et, au cours de l'opération, voir la différence entre l'implantation recommandée et l'implantation qui résulte du maniement des outils. Selon des caractéristiques particulières, le capteur de positionnement comporte un émetteur récepteur d'image. Selon des caractéristiques particulières le dit émetteur récepteur est du type infrarouge. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif de navigation tel que succinctement exposé ci-dessus comporte un moyen de traitement d'une image d'un référentiel sphérique normalisé positionné à proximité de la partie à opérer pour prendre des mesures à partir de dimensions de ce référentiel sphérique.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte un moyen de traitement d'image d'outils adapté à déterminer la position d'outils mis en oeuvre pendant une phase opératoire. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif de navigation tel que succinctement exposé ci-dessus comporte une mémoire de procédures opératoires et de trajectoires, le système de navigation étant adapté à représenter, sur l'écran, conjointement, une trajectoire recommandée d'un outil et une trajectoire réelle d'un outil. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d'un dispositif de navigation non invasif objet de la présente invention et - la figure 2 représente, sous forme d'un logigramme, une succession d'étapes mises en oeuvre pour l'utilisation du dispositif illustré en figure 1. Dans toute la description, on décrit un mode de réalisation du dispositif objet de la présente invention adapté à une opération d'implantation d'une prothèse du genou. Cependant, la présente invention ne se limite pas à ce type d'opération et s'étend à tout le domaine de la chirurgie.
On observe, en figure 1, un dispositif de navigation non invasif 100 comportant un fluoroscope 110, un ordinateur 120, une base de données de prothèses 125, une base de données de modèles anatomiques 130, une mémoire de procédures opératoires et de trajectoires 135, une mémoire vidéo 140, un écran 145, un émetteur récepteur d'image 160, dénommé sous le terme générique de caméra par simplification, un référentiel sphérique 170, trois réflecteurs 180, 181 et 182 et un moyen de commande 190. Le fluoroscope 110 de type connu est une radioscopie émettant de faible rayon. Le fluoroscope 110 fournit une pluralité d'images d'une partie du corps humain, par exemple de l'articulation du genou et, en particulier, permet de déterminer une représentation osseuse en deux dimensions. C'est l'utilisation de la sphère de repère 170 et la prise de vue en trois endroits différents, par exemple latérale, de face et de trois-quarts, qui donne, par action du calculateur 120, une image en trois dimensions. Dans le mode de réalisation décrit ici, le fluoroscope 110 est doté d'un bras en arc de cercle dont les extrémités émettent et réfléchissent des rayons faiblement radioactifs. Généralement, une tierce personne manipule cet équipement et déplace le bras en arc de cercle pour capter des images de la zone à opérer selon différents angles (face, profil et trois quarts, par exemple). Le déclenchement de la prise de vue est déclenchée par action sur le moyen de commande 190 ou, s'il est tactile, sur l'écran 145, en regard d'une indication, menu ou icône, représentant la prise de vue.
L'ordinateur 120 est de type connu. II met en oeuvre des logiciels implémentant les étapes décrites dans le logigramme illustré en figure 2. La mémoire de l'ordinateur 120 conserve la base de données de prothèses 125, la base de données de modèles anatomiques 130, les procédures opératoires et de trajectoires 135 et la mémoire vidéo 140. La base de données de prothèse conserve des dimensions de prothèses de plusieurs tailles et des axes géométriques caractéristiques de ces prothèses. La base de données de modèles anatomiques conserve, pour la zone opératoire, des modèles des différentes anatomies qui peuvent être rencontrées sur les patients. La base de données de procédures opératoires et de trajectoires 135 conserve les successions d'étapes que le praticien doit observer au cours d'une opération et les trajectoires des outils, par exemple de coupe, qui correspondent à ces procédures opératoires. Le référentiel sphérique 170 est de dimension connue et normalisée. Le référentiel sphérique 170 est, par exemple, constitué d'une sphère de diamètre compris entre 20 et 35 millimètres, constituée en métal, en bois ou en matière plastique, par exemple. Il est posé, et solidarisé avec un ruban adhésif, contre le site à opérer (le membre à opérer) dans le champ de vision du fluoroscope 110. La prise de vues par le fluoroscope 110 est effectuée de face, de profil et de trois quarts par exemple, ce qui fournit les données actives .
La mémoire vidéo 140 conserve les images prises par la caméra au cours de chaque opération. La mémoire vidéo 140 conserve aussi les prises de vue de face, de profil et de trois quarts faites par le fluoroscope 110. Chaque prise de vue comporte une image du référentiel sphérique 170.
L'écran 145 est de type connu, par exemple de type à cristaux liquides, plasma et est préférentiel tactile. Il affiche des images provenant de l'ordinateur 120, du fluoroscope 110 et de la caméra 160. La caméra 160 est préférentiellement adaptée à capter des images dans la gamme spectrale infrarouge. A cet effet, elle comporte un émetteur infrarouge 165, par exemple constitué d'une diode électroluminescente infrarouge. Les réflecteurs 180, 181 et 182, aussi appelés capteurs de position dans la suite de la description, renvoient le rayonnement issu de l'émetteur infrarouge 165 de la caméra 160 vers la caméra 160 afin que celle-ci permette le repérage des éléments de l'articulation à opérer, qui se déplacent au cours d'une intervention chirurgicale. Les réflecteurs sont, par exemple, de type catadioptre. Ces réflecteurs 180, 181 et 182 sont de deux types : passifs, réflecteurs 181 et 182, qui sont fixés sur le membre à opérer représenté en figure 1 par un cercle et - actif, réflecteur 180, mobile avec une pièce du matériel chirurgical qui guide le geste chirurgical. Au cours de son fonctionnement, l'ordinateur 120 effectue un traitement des images issues du fluoroscope 110 pour obtenir une représentation osseuse en trois dimensions de l'articulation du genou du patient. L'ordinateur 120 effectue le rapprochement entre les prises de vues conservées dans la mémoire vidéo 140, le référentiel sphérique 170 qui fournit une échelle et la modélisation en trois dimensions du type d'articulation conservée dans la base de données de modèles anatomiques 130. L'ordinateur 120 fournit les caractéristiques anatomiques du membre à opérer, en particulier : - la valeur de la déformation frontale, - la dimension médio-latérale, antéro-postérieure de l'articulation, - la valeur angulaire entre l'axe anatomique et l'axe mécanique et - une vue en trois dimensions de cette articulation. L'ordinateur 120 réalise aussi une analyse de représentation osseuse pour fournir : - une recommandation de prothèse à implanter et - une représentation à l'écran des axes principaux de l'implantation recommandée de ladite prothèse dans ladite partie du corps humain.
Par la mise en oeuvre de menus dans une partie de l'écran 145, l'opérateur ou le chirurgien peut accepter ou refuser les options de menu proposées. L'ordinateur 120 représente, sur l'écran 145, conjointement, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse proposée, puis de la prothèse choisie par le praticien, et les axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil fourni par chaque capteur de positionnement. L'ordinateur 120 met en oeuvre un logiciel de navigation et de paramétrage, - la modélisation en trois dimensions de l'articulation type à opérer ( matrice ), - les caractéristiques géométriques et dimensionnelles de la prothèse à implanter ( tableur ). Le programme de calcul effectue le rapprochement entre la base des données de référence et les données actives. L'image obtenue est une déformation de la matrice et correspond à l'articulation en trois dimensions du patient. Par rapprochement avec le tableur , le programme définit la taille et la forme de l'implant les plus appropriés à l'articulation à opérer. Sous la conduite du logiciel de navigation, données de l'art actuel, le protocole opératoire peut commencer avec un contrôle et un enregistrement permanent des phases opératoires successives, un affichage conjoint, sur l'écran, des axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse et des axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil fourni par chaque capteur de positionnement. A partir de la mémoire de procédures opératoires et de trajectoires 135, le système de navigation représente aussi, sur l'écran, conjointement, une trajectoire recommandée d'un outil et une trajectoire réelle d'un outil.
Au cours d'une étape 205, le chirurgien, ou l'assistant-opérateur, positionne le fluoroscope 110 et le référentiel sphérique 170 en regard de l'articulation à opérer et relie les différents composants électriques et électroniques entre eux et à une alimentation électrique. A partir du début d'une étape 210, le fluoroscope 110 fournit, en permanence, une images animée de l'articulation à opérer, selon au moins deux angles de prise de vues. Sous le contrôle de l'opérateur, par l'intermédiaire de l'écran 145 et du moyen de commande 190, des images prises par le fluoroscope 110 sont mises en mémoire vidéo 140. Les images fournies par le fluoroscope 110 comportent au moins quatre prises de vue selon quatre orientation différentes, face, profil trois quarts droite, trois quarts gauche. Elles sont éventuellement compressées par l'ordinateur 120 avant d'être mémorisées.
Au cours d'une étape 215, l'ordinateur 120 détermine, sur la base des images transmises par le fluoroscope 110, une représentation osseuse en trois dimensions, selon des techniques connues. Au cours d'une étape 220, l'ordinateur 120 traite les images issues du fluoroscope 110 pour déterminer le diamètre apparent du référentiel sphérique 170. Au cours d'une étape 225, l'ordinateur 120 compare le diamètre apparent et le diamètre réel, connu par ailleurs, par exemple par saisie au clavier, du référentiel sphérique 170, pour déterminer des facteurs d'échelle ou d'agrandissement à appliquer aux mesures effectuées avec le fluoroscope 110 et avec la caméra 160. Au cours d'une étape 230, l'ordinateur 120 effectue le rapprochement entre la base de données de modèles anatomiques, les matrices , c'est-à-dire la modélisation en trois dimensions de l'articulation type à opérer, et les données actives pour déterminer la déformation de la matrice conservée en base de données qui correspond au mieux à l'articulation en trois dimensions du patient. L'opérateur peut ainsi visualiser, sur l'écran 145, ce que donne l'ordinateur en termes de dimensions et de déformations. L'ordinateur 120 fournit ainsi les caractéristiques anatomiques de chaque membre à opérer, en particulier : -la valeur de la déformation frontale, - la dimension médio-latérale, antéro-postérieure de l'articulation, - la valeur angulaire entre l'axe anatomique et l'axe mécanique et - une vue en trois dimensions de cette articulation. Au cours d'une étape 235, par rapprochement avec le tableur de chaque prothèse représentée dans la base de données de prothèses 125, l'ordinateur 120 définit la taille et la forme de l'implant les plus appropriés à l'articulation à opérer. L'opérateur peut alors choisir la prothèse et simuler son implantation sur l'articulation réelle à opérer. Au cours d'une étape 240, l'ordinateur 120 représente, dans chaque image affichée provenant du fluoroscope 110 ou de la caméra 160, l'implant sélectionné tel qu'il devrait être implanté, en respectant les facteurs d'échelle. Les axes de l'implant et des os liés à l'articulation sont aussi représentés sur ces images. Au cours d'une étape 245, le chirurgien décide, ou non, d'accepter l'implant proposé, étape 245 et, s'il le refuse, il choisit un implant en visualisant les implants représentés dans la base de données de prothèses 125, étape 250. L'opération 240 est alors répétée jusqu'à ce que le chirurgien valide le choix d'un implant. L'ordinateur 120 réalise ainsi une analyse de représentation osseuse pour fournir : - une recommandation de prothèse à implanter et - une représentation à l'écran des axes principaux de l'implantation recommandée de ladite prothèse dans ladite partie du corps humain.
L'ordinateur 120 représente aussi, sur l'écran 145, conjointement, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse proposée, puis de la prothèse choisie par le praticien.
Le fluoroscope est alors mis hors service. Au cours d'une étape 255, l'opérateur positionne les réflecteurs passifs 181 et 182 sur l'articulation à opérer. Le chirurgien valide le bon positionnement de l'articulation à opérer, par l'intermédiaire de la visualisation des réflecteurs 181 et 182 avec la caméra 160 et l'écran 145. Le protocole opératoire, lié à la prothèse choisie, est ensuite affiché, étape par étape, sur l'écran 145. Au cours de l'étape 255, sous la conduite du logiciel de navigation, le protocole opératoire commence avec un contrôle et un enregistrement permanent des images vidéo des phases opératoires successives.
Le chirurgien visualise alors les différentes opérations sur l'écran 145 jusqu'au positionnement virtuel de la prothèse virtuelle (ou modélisée ) dans le modèle de l'articulation considérée. Le chirurgien visualise aussi la déformation de l'articulation qui résultera de l'implantation de la prothèse virtuelle choisie. Puis le chirurgien entame la réalisation de la procédure opératoire réelle.
Par repérage du réflecteur actif 180, au cours d'une étape 260, l'ordinateur 120 traite les images fournies par la caméra 160 pour déterminer la position des outils mis en oeuvre par le chirurgien. Au cours d'une étape 265, l'ordinateur 120 détermine les axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil.
Au cours d'une étape 270, l'ordinateur 120 affiche conjointement, sur l'écran 145, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse et des axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil fourni par chaque capteur de positionnement. Au cours d'une étape 275, à partir de la mémoire de procédures opératoires et de trajectoires 135, qui conserve les successions d'étapes que le praticien doit observer au cours de l'opération et les trajectoires des outils qui correspondent à ces procédures opératoires, le système de navigation représente aussi, sur l'écran, conjointement, la trajectoire recommandée de chaque outil et la trajectoire réelle de l'outil. Le chirurgien réalise l'enchaînement des opérations de la procédure opératoire jusqu'à avoir positionné la prothèse, en visualisant, sur l'écran 145, l'articulation corrigée.

Claims (1)

REVENDICATIONS
1 - Dispositif de navigation non invasif, caractérisé en ce qu'il comporte : - une base de données géométriques de prothèses 125, - un fluoroscope 110 qui fournit une pluralité d'images d'une partie du corps humain ; - un moyen de traitement d'une image d'un référentiel sphérique 170 normalisé positionné à proximité de la partie à opérer pour prendre des mesures à partir de dimensions du référentiel sphérique. - un moyen de traitement des images issues du fluoroscope qui fournit une représentation osseuse en deux dimensions ; - une interface entre le moyen de traitement et un système de navigation qui comporte un écran et un moyen d'analyse de représentation osseuse pour fournir : - une recommandation de prothèse à implanter ; - une représentation à l'écran des axes principaux de l'implantation recommandée de ladite prothèse dans ladite partie du corps humain ; 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un capteur de positionnement fournissant, à un système de navigation, des informations de positionnement d'outils sur l'os réel du patient ; - le système de navigation étant adapté à représenter sur l'écran, conjointement, les axes principaux de l'implantation recommandée de la prothèse et les axes principaux de l'implantation de la prothèse correspondant au positionnement de chaque outil fourni par chaque capteur de positionnement. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur de positionnement comporte une caméra. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite caméra est une caméra infrarouge. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de traitement d'image d'outils adapté à déterminer la position d'outils mis en oeuvre pendant une phase opératoire. 6 -Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire de procédures opératoires et de trajectoires, le système de navigation étant adapté à représenter, sur l'écran, conjointement, une trajectoire recommandée d'un outil et une trajectoire réelle d'un outil.35
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