FR3160308A1 - Pilotage d’un dispositif chirurgical pour la chirurgie de l’œil - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un dispositif (10) chirurgical comprenant au moins deux robots (11, 12), chaque robot (11, 12) comprenant un bras (21, 22) articulé monté sur une base (31, 32), un outil (41, 42) étant fixé à l’extrémité (E1, E2) du bras (21, 22), chaque outil comprenant une extrémité distale (I1, I2) adaptée pour être insérée dans un point d’insertion (T1, T2) d’un œil, le dispositif comprenant une unité (7) de commande configurée pour déplacer l’extrémité (E1, E2) du bras de chaque robot de manière à faire tourner l’œil dans orbite pour améliorer la visibilité et l’accessibilité de l’œil au cours d’une chirurgie. Figure d’abrégé : FIGURE 1a

Description

Pilotage d’un dispositif chirurgical pour la chirurgie de l’œil

La présente demande concerne de manière générale les dispositifs chirurgicaux, notamment ceux utilisant un robot chirurgical manipulable à distance, et trouve application dans la chirurgie de l’œil.

ETAT DE LA TECHNIQUE

La chirurgie de l’œil est une intervention délicate. En particulier, la chirurgie vitréorétinienne est une intervention chirurgicale qui vise à retirer l’humeur vitrée (le gel transparent qui remplit l’œil) et à traiter les affections que peut avoir la rétine, telles que les rétinopathies diabétiques, les décollements de rétine ou encore les dégénérescences maculaires liées à l'âge.

Cette chirurgie est réalisée sous anesthésie locale ou générale, et elle se fait via des canules appelées trocarts qui sont insérées dans la sclère. Les trocarts permettent aux chirurgiens d'atteindre l’intérieur de l’œil avec des outils chirurgicaux (vitréotome, sonde de diathermie, laser, pince, etc.) pour retirer l’humeur vitrée et traiter les affections sous-jacentes. Pour réaliser cette intervention, le chirurgien est assis à la tête du patient allongé, et pour visualiser ce qui se passe, il utilise un microscope ophtalmique.

La chirurgie vitréorétinienne nécessite des gestes opératoires extrêmement stables et précis, à la limite des capacités motrices et de la dextérité des chirurgiens.

Pour dépasser ces limites, les chirurgiens recourent à l’assistance robotique, qui permet d’effectuer ce type de gestes avec plus de stabilité et de précision, pour un résultat de chirurgie amélioré et une sécurité du patient augmentée. En particulier, un dispositif tel que décrit dans le document WO 2020/115249 est utilisé. Un tel dispositif comprend une station de pilotage depuis laquelle un chirurgien pilote à distance au moins deux outils de chirurgie, chacun porté par un bras robotique.

Bien que présentant de nombreux avantages, un tel dispositif présente une accessibilité de tout le globe oculaire limitée.

L’invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un dispositif chirurgical comprenant au moins deux robots, chaque robot comprenant un bras articulé monté sur une base, un outil étant fixé à l’extrémité du bras, chaque outil comprenant une extrémité distale adaptée pour être insérée dans un point d’insertion d’un œil, le dispositif comprenant une unité de commande configurée pour déplacer l’extrémité du bras de chaque robot, l’unité de commande étant configurée pour mettre en œuvre les étapes suivantes pour chaque robot :

a) Réception d’une consigne de position de l’extrémité de l’outil exprimée dans un repère lié au point d’insertion l’outil étant inséré dans le globe oculaire de l’œil, le globe oculaire étant par anatomie mobile en rotation par rapport à son orbite qui est fixe par rapport à la base des robots ;

b) Réception d’une consigne d’orientation du globe oculaire dans l’orbite ;

c) Configuration d’un modèle d’une scène géométrique définie par chaque robot et l’œil, le modèle géométrique permettant de repérer n’importe quel point dans un repère associé à un élément de la scène, ladite configuration tenant compte des consignes de positions reçues et de la consigne d’orientation reçue ;

d) calcul à partir du modèle configuré de la transformation de chaque robot définissant la position et l’orientation de l’extrémité de chaque bras positionnant les outils de manière à obtenir un globe orienté selon la consigne d’orientation reçue et plaçant l’extrémité des outils selon les consignes de positions reçues ;

e) pilotage de chaque robot pour positionner chaque bras selon la transformation calculée.

L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

- l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre une répétition des étapes a) à c) pour positionner en continu chaque bras selon les positions et l’orientation reçues aux étapes a) et b).

- le modèle géométrique de la scène est définit pour chaque robot par

une première transformation connue entre un repère lié au point d’insertion de l’outil dans l’œil et un repère lié au centre du globe oculaire ;

une deuxième transformation définie uniquement par une rotation entre un repère lié au centre du globe oculaire un repère fixe lié au centre de l’orbite, ladite rotation correspondant à l’orientation reçue ;

une troisième transformation connue entre le repère lié au centre de l’orbite et un repère fixe lié au base ;

une transformation d’un robot entre un repère lié à l’extrémité du bras et le repère lié au base, ladite transformation définissant la position de l’extrémité du bras dans le repère lié au base ;

une quatrième transformation connue entre le repère lié à l’extrémité du bras et le repère lié à l’extrémité de l’outil.

- l’étape d) comprend les sous-étapes suivantes pour chaque robot :

d1) détermination des coordonnées d’un vecteur entre le point d’insertion et l’extrémité de l’outil dans le repère lié à l’extrémité du bras à partir de la position du point d’insertion dans le repère lié à l’extrémité du bras obtenue à partir de la position reçue et de la quatrième transformation connue

d2) détermination des coordonnées du vecteur entre le point d’insertion et l’extrémité de l’outil dans le repère lié à la base à partir de la position du point d’insertion dans le repère lié à la base obtenue à partir des deuxième et troisième transformations et de la position reçue

d3) calcul de la transformation du robot à partir des coordonnées du vecteur obtenues aux étapes d1) et d2).

- la position du point d’insertion dans le repère lié à l’extrémité de l’outil dépend de la position de l’extrémité de l’outil dans le repère lié au point d’insertion, l’extrémité du bras, l’extrémité de l’outil et le point d’insertion étant alignées.

- les repères liés à l’extrémité de l’outil et à l’extrémité du bras sont orientés de la même manière, la quatrième transformation étant une unique translation selon l’axe de l’outil.

- l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre une détermination de la position du centre de l’œil dans le repère lié au point d’insertion de l’outil.

- la position du centre de l’œil dans le repère lié au point d’insertion de l’outil est déterminée au moyen d’un modèle de l’œil défini par

- une longueur axial AL qui est la distance entre le sommet de la cornée et la fovéa

- une profondeur de chambre antérieure ACD distance entre le sommet de la cornée et le sommet du cristallin

- une distance blanc à blanc WW : diamètre horizontal de la cornée

- une distance limbe-trocart : c’est la distance séparant le limbe c’est-à-dire le bord de l’iris, du point d’insertion du trocart, mesurée radialement par rapport à l’iris

- l’angle d’ouverture du trocart : c’est l’angle formé par la droite et l'axe longitudinal du patient des pieds à la tête, projeté sur le plan du repère , modèle dans lequel

- le rayon du globe oculaire vaut

- le limbe appartient à la surface du globe oculaire, sa distance à O est égale à R ;

- les deux points de référence de la distance et l’axe vertical sont coplanaires

la position du point dans les repères liés à l’œil notés et étant donnée par :

.

- le dispositif comprend un système d’imagerie configuré pour acquérir au moins une image de l’œil, un système de pilotage étant configuré pour spécifier un mouvement de l’œil en combinaison avec l’image acquise de l’œil et ainsi définir une position souhaitée du globe oculaire pour définir l’orientation du globe oculaire dans son orbite.

- le système de pilotage comprend un écran de pilotage tactile ou une boule de commande de manière à définir la rotation de l’œil souhaitée.

L’invention concerne selon un deuxième aspect un procédé mis en œuvre par ordinateur de commande d’un dispositif chirurgical selon le premier aspect de l’invention.

L’invention permet de piloter un robot comprenant deux bras afin d’obtenir une rotation de l’œil pendant une chirurgie de l’œil robotisée, utilisant la synchronisation du mouvement d'au moins deux outils chirurgicaux montés sur des bras mobiles robotisés et passant par des trocarts.

Ainsi, lors d’une chirurgie vitréorétinienne robotisée, il devient possible d’appliquer un effort latéral sur les trocarts en faisant levier avec les outils. Cela permet de faire tourner le globe oculaire dans son orbite et, en conséquence, de visualiser les zones périphériques de la rétine et d’y accéder plus facilement.

L’invention permet de placer les bras robotisés de manière à ce que les extrémités des outils soient chacune à une position souhaitée dans l’œil tout en assurant que le globe oculaire soit positionné dans son orbite selon une orientation souhaitée.

PRESENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- laFIG. 1illustre une scène chirurgicale comprenant un dispositif chirurgical conforme à un mode de réalisation de l’invention

- laFIG. 1illustre un modèle géométrique correspondant à la scène chirurgicale de laFIG. 1;

- laFIG. 2illustre des paramètres géométriques de l’œil utilisés pour estimer une position du centre de l’œil ;

- laFIG. 3illustre des étapes pour un pilotage du dispositif chirurgical selon l’invention mis en œuvre par une unité de commande d’un dispositif chirurgical selon l’invention ;

- laFIG. 4illustre des étapes mises en œuvre par l’unité de commande d’un dispositif chirurgical selon l’invention ;

- laFIG. 5illustre la structure musculaire d’un œil ;

- laFIG. 6illustre un affichage tactile pour spécifier une rotation de l’œil ;

- laFIG. 7illustre un contrôleur de type boule de commande (en anglais, « track ball ») pour spécifier une rotation de l’œil ;

- laFIG. 8illustre un interacteur permettant de spécifier une rotation de l’œil ;

- laFIG. 9illustre des images d’une rétine pour spécifier une rotation de l’œil.

Sur l’ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE

Présentation

Un procédé de pilotage d’un dispositif chirurgical pour modifier une orientation de l’œil va être décrit. Un tel procédé repose sur un modèle géométrique de la scène opératoire au cours d’une chirurgie vitréorétinienne bimanuelle robotisée. Nous décrivons d’abord le dispositif chirurgical puis la construction de la scène et son utilisation pour des calculs de géométrie. Nous lui attribuerons ensuite des paramètres d’entrée et de sortie. Nous décrirons enfin comment l’ensemble peut permettre de positionner les outils chirurgicaux tout en générant une rotation de l’œil au cours du procédé de pilotage. Enfin, seront décrits différents moyens pour définir une rotation de l’œil.

Dispositif

LaFIG. 1illustre une scène opératoire So dans lequel un dispositif 10 chirurgical pour la chirurgie de l’œil est utilisé. Un tel dispositif comprend deux robots 1, 2. Chaque robot comprend un bras 21, 22 robotisé monté sur une base 31, 32 (ici la base est mobile mais ce n’est pas forcément toujours le cas). Un outil 41, 42 est monté à l’extrémité E1, E2 de chaque bras 21, 22. Les outils 41, 42 sont insérés dans l’œil 5 opéré via un trocart T1, T2 (ou point d’insertion). L’outil 41, 42 est rectiligne et est modélisé comme un axe 411, 421 qui s’étend depuis l’extrémité E1, E2 de chaque bras 21, 22 vers une extrémité libre de l’axe, extrémité libre insérée dans le trocart et qui correspond à l’effecteur de l’instrument (pince, laser, etc.).

Une station 6 de pilotage permet au chirurgien de commander les positionnements des outils 41, 42. Une telle station de pilotage 6 est par exemple décrite dans le document WO 2022/106457 A1. En outre, une unité 7 de commande permet de traduire les commandes du chirurgien en des consignes de pilotage de chaque bras 21, 22 robotisé pour que l’extrémité E1, E2 de chaque bras 21, 22 se déplace selon les consignes issues de la station 6 de pilotage. Également, un système d’imagerie 8 permet au chirurgien depuis la station 6 de pilotage de visualiser l’œil et les outils manipulés. Un tel système d’imagerie est par exemple un microscope ophtalmique.

Chaque bras 21, 22 robotisé est doté d’actionneurs permettant de déplacer l’outil 41, 42 dans l’espace selon au moins six degrés de liberté (trois axes de translations et trois axes de rotations) afin de respecter les commandes de positionnement issues de la station 6 de pilotage.

Une telle architecture d’actionneurs pour un bras 21, 22 robotisé, allouant six degrés de liberté à l'outil 41, 42 monté dessus, permet notamment de le mouvoir de manière à ce que son axe passe constamment par son Centre Instantané de Rotation (CIR). La position de ce centre n’étant pas imposée mécaniquement, elle peut :

• être définie logiciellement à l’endroit exact du trocart T1, T2 par lequel passe l’outil 41, 42, afin que ses mouvements ne créent pas de contraintes sur la sclère de l’œil 5 ;
• être déplacée en cours de chirurgie, afin par exemple de suivre les mouvements du patient tel que décrit dans le document WO 2022/106457A1.

Afin de permettre une meilleure visibilité de l’œil au cours d’une chirurgie, un procédé de pilotage qui va être décrit va permettre de déterminer un déplacement des bras pour permettre la rotation de l'œil lors d’une chirurgie. Dans ce qui suit le procédé est décrit avec l’utilisation de deux outils chirurgicaux, et donc de deux bras robotisés, mais il peut s’appliquer à un plus grand nombre sans aucunement modifier son principe.

Modèle de la scène opératoire

Le pilotage du dispositif 10 chirurgical se base sur un modèle géométrique de la scène opératoire So définit par l’œil et les robots 1, 2 de laFIG. 1dont le modèle géométrique Mso est illustré sur laFIG. 1. La scène opératoire So comprend plusieurs éléments :

• les deux outils 41, 42 utilisés pour la chirurgie ;
• les deux robots 1, 2, chacun constitué par :
  • un bras robotisé 21, 22 sur lequel est monté l’outil 41, 42 ;
  • la base 31, 32 possiblement mobile afin de déplacer le robot dans le bloc opératoire mais qui demeure fixe au cours de la chirurgie.

Un œil 5 comprenant un globe oculaire 51, pour lequel on définit deux points 52, 53 d’insertion d’un outil 41, 42, le globe oculaire 51 et donc les points d’insertion 52, 53 étant mobiles dans une orbite 54. Dans cette scène, le globe oculaire 51 est mobile dans l’orbite 54 qui elle est fixe par rapport à la base 31, 32.. En outre, l’œil 5 comporte un centre O qui est à la fois celui de l’orbite 54 et celui du globe oculaire 51. Sa position par rapport à la base 31, 32 est connue et déterminée au cours d’une phase d’initialisation (nous y reviendrons).

Chacun des éléments de la scène est assimilé à un corps qui transforme un repère géométrique spatial en un autre repère . Chaque repère possède une origine et une base de vecteurs orthonormée directe . Pour un corps donné, une unique transformation de l’espace permet de transformer son repère en son repère . Une telle transformation est constituée d’une translation qui déplace l'origine de sur l'origine de et d'une rotation qui appliquée à change son orientation en celle de :

La transformation d’un corps est unique à chaque instant. Elle peut soit :

• rester constante au cours du temps. C’est le cas des solides indéformables, comme les bases qui ne sont pas déplacées pendant la chirurgie, mais aussi des outils dont la flexibilité est jugée négligeable dans ce modèle.
• varier au cours du temps. C’est le cas notamment des bras robotisés, dont le but est de faire évoluer la position et l’orientation des outils par rapport à la base.

En relation avec laFIG. 1, pour constituer le modèle de la scène opératoire Mso, les corps sont assimilés à des maillons de de chaînes géométriques SG1, SG2.

Deux corps mécaniquement liés se succèdent dans une chaîne, et des repères leur sont attribués de manière à ce que le repère d’un corps coïncide avec le repère du précédent. Prenant en compte deux outils chirurgicaux tenus par deux éléments mobiles robotisés indépendants, comme illustré sur laFIG. 1, le modèle est constitué de deux chaînes géométriques SG1, SG2. Ces chaînes SG2, SG2 possèdent cependant un maillon commun correspondant à l’orbite 54 de l’œil 5. C’est grâce à ce maillon que les mouvements des deux chaînes SG1, SG2 peuvent être synchronisés afin de générer une rotation de l’œil.

Sur laFIG. 1, la chaine de corps modélise la scène So opératoire de manière géométrique par un modèle géométrique Mso de la scène opératoire dans le cadre de l’invention et permet de passer d’un repère d’un corps à un autre repère d’un autre corps. Selon cette chaine de corps on définit ainsi les liens entre chaque corps au sein de la scène.

Dans le cadre de l’invention on a donc les corps suivants : œil/point d’insertion 52, 53, ; orbite 54, base 31, 32, robot 21, 22 et outil 41, 42 et comme visible sur la figure 1 à un corps est associé deux repères et .

Dans le tableau ci-dessous sont listés les différents corps/éléments de la scène ainsi que les repères associés.

Dans la colonne repère sont utilisées les références et sans faire référence à la chaine géométrique considérée, les deux étant identiques. On précisera la chaîne 1 ou 2 si nécessaire. On relèvera, à ce titre, que l’œil 5 comprend deux corps œil1 et oeil2 chacun associé à un point d’insertion 52, 53 d’un outil 41, 42 dans l’œil 5.

On note que pour chaque chaîne des repères similaires sont donc définis.

Corps	Description du corps	Repère	Description du repère
Œil	Ce corps correspond à un point d’insertion 52, 53 dans globe oculaire 51 du patient. Il transforme le repère dans lequel s’exprime la commande de positionnement de l’outil en un repère centré dans un point d’insertion 52, 53. La transformation de ce corps est connue et fixe au cours d’une chirurgie.		Ce repère est celui dans lequel sont exprimées les commandes de position de l’outil, telles que récupérées auprès du chirurgien via la station de pilotage. Son origine T1, T2correspond au centre du cercle formé par l'intersection de la canule du trocart avec la sclère de l'œil 5, surface du globe oculaire. Il s’agit de chaque point d’insertion 52, 53 de l’outil dans le globe oculaire 51. Son orientation est telle que lorsque aucune rotation n’a été appliquée à l’œil, elle est identique à celle du repère .
			Le positionnement de ce repère est fixe par rapport au repère et leurs orientations sont identiques. Son origine est en théorie le centre de la liaison rotule qui existe entre l'œil et son orbite. La position de cette origine n’est pas mesurable, mais elle est estimée au cours du procédé.
Orbite	Ce corps correspond à l’orbite 52 dans laquelle le globe oculaire 51 est mobile. Il permet de modéliser l’orientation de l’œil 5, et n’est constitué que d’une rotation qui réoriente le repère associé au centre de l’œil 5 pour obtenir un repère fixe par rapport à la tête du patient.
			Ce repère est un repère fixe dans le bloc opératoire, le patient et le lit sur lequel il est allongé étant considérés comme immobiles. Son origine est identique à celle du repère et correspond au centre de l’oeil. Son orientation est telle que son axe est parallèle à l'axe transversal du patient (d'oreille à oreille) et son axe est vertical.
Base	Ce corps correspond à la base qui le cas échéant est mobile et permet de déplacer les robots dans le bloc opératoire. La transformation de ce corps est connue et fixe au cours d’une chirurgie.
			Ce repère est le repère de la base du robot tel que défini par son système de pilotage, celui dans lequel sont exprimées ses positions et consignes cartésiennes. Par exemple, dans le cas d’un bras robotique série, l’origine de ce repère est généralement située au centre de son premier axe. Ce repère est également fixe dans le bloc opératoire, la base étant statique pendant la chirurgie. Son positionnement par rapport au repère est considéré comme connu, sa détermination, via une méthode de référencement qui ne fait pas l’objet du présent exposé.r.
Robot	Ce corps correspond à toute la chaîne articulée, dotée d'actionneurs, qui permet de déplacer l’outil dans l’espace selon ses six degrés de liberté.
			Ce repère est celui de l’extrémité E1, E2 du bras, son positionnement par rapport au repère dépend de la consigne donnée au robot et évolue au cours de la chirurgie. Son axe correspond à l'axe longitudinal de l'outil (son origine est arbitrairement placée dessus), et ses axes et sont arbitrairement orientés.
Outil	Ce corps correspond à l’outil chirurgical monté sur le robot et inséré dans l’œil du patient. La transformation de ce corps est connue et fixe au cours d’une chirurgie.
			L'origine I1, I2 de ce repère correspond à l’extrémité de l'outil (en position fermée pour les outils pinçables) et son orientation est identique à celle du repère . Ce repère est celui qui permet de matérialiser les commandes de position de l’outil, en spécifiant la position de par rapport au repère .

Grâce au modèle géométrique ainsi défini, il est possible de déterminer dans n’importe quel repère l’expression d’un point ou d’un vecteur dès lors que son expression dans un autre repère est connue.

Modèle de l’œil – Détermination du centre O de l’œil

L’œil est un corps particulier puisqu’il dépend du patient et de la façon dont le trocart de l’outil est placé.

Le corps œil1 transforme le repère , d’origine T1 et dans lequel s’exprime la commande de positionnement de l’outil, en un repère , dont l’origine correspond au centre de la liaison rotule qui existe entre l'œil et son orbite. Également, le corps œil2 transforme le repère , d’origine T2 et dans lequel s’exprime la commande de positionnement de l’outil, en un repère , dont l’origine correspond au centre de la liaison rotule qui existe entre le globe oculaire et son orbite.

Sa transformation est une simple translation, définie par la position du point dans le repère .

Le point est défini de façon théorique, mais en pratique aucun moyen de mesure ne permet de le situer. Un modèle de l’œil est donc mis en place pour estimer cette position.

Pour cela, les grandeurs suivantes en relation avec laFIG. 2sont introduites :

1. la longueur axiale : c'est la distance entre le sommet de la cornée et la fovéa. C’est une donnée courante de biométrie mesurable lors d’un examen préopératoire. En l'absence de mesure, une estimation moyenne de 23,8 mm est utilisée, estimation qui peut être rendue plus précise en prenant en compte le genre, l'âge, l'origine et les pathologies de l’œil éventuelles du patient (voir [Thèse Marilou]).
2. la profondeur de chambre antérieure : c’est la distance entre le sommet de la cornée et le sommet du cristallin. C’est une donnée courante de biométrie mesurable lors d’un examen préopératoire. En son absence, une estimation moyenne de 3.17mm peut être retenue, valeur qui peut être affinée selon les caractéristiques du patient (voir [Thèse Marilou]).
3. la distance de blanc à blanc : cette distance représente le diamètre horizontal de la cornée. C’est une donnée courante de biométrie mesurable lors d’un examen préopératoire. En son absence, une estimation moyenne de 11,80mm peut être retenue, valeur qui peut être affinée selon les caractéristiques du patient (voir [Hashemi]).
4. le distance limbe-trocart : c’est la distance séparant le limbe (bord de l’iris) du point d’insertion du trocart, mesurée radialement par rapport à l’iris. Les trocarts de chirurgie vitréorétinienne sont fournis avec une jauge permettant de respecter précisément une distance prédéfinie, qui selon les fournisseurs peut varier entre 3mm et 4mm (voir [Kourous]).
5. l’angle d’ouverture du trocart : c’est l’angle formé par la droite et l'axe longitudinal du patient (des pieds à la tête), projeté sur le plan du repère . Cet angle dépend principalement des habitudes du chirurgien. Il peut être aisément mesuré une fois les trocarts insérés, par le chirurgien directement ou par traitement des images acquises par le microscope. En l’absence de mesure, la valeur courante de 60 degrés peut être utilisée.

Les hypothèses ou approximations suivantes sont également posées :

- le diamètre du globe oculaire est égal à la différence entre la longueur axiale et la profondeur de chambre antérieure, et donc son rayon vaut

- le limbe appartient à la surface du globe oculaire, donc sa distance à est égale à

- les deux points de référence de la distance et l’axe vertical sont coplanaires.

Ces cinq grandeurs et ces trois hypothèses permettent de déterminer au moyen d’outils géométriques connus la position du point dans les repères et .

Définition de la scène opératoire et changement de repère

Grâce à un jeu de transformation géométrique au sein de la scène S il est possible de repérer n’importe quel point dans un des repères associé à chaque élément de la scène.

Pour simplifier l’expression des calculs avec les transformations du tableau précédent, introduisons les notations suivantes (avec et associés au même corps/élément) :

à : transformation sont définis pour être orientés de la même manière.

à : transformation , ces deux repères ont la même origine, la transformation est uniquement une rotation.

à : transformation

à : transformation permet de positionner l’extrémité de chaque bras dans la scène

à : transformation , le repère et le repère sont orientés de la même manière : la transformation est une unique translation selon une dimension (ici l’axe de l’outil) est nécessaire pour passer d’un repère à l’autre.

Pour passer d’un élément à l’autre il suffit de se référer à la chaine géométrique ainsi définie et si besoin définir une succession de transformations.

Le modèle de la scène ainsi obtenu permet de calculer la transformation qui existe entre deux repères.

Connaître la transformation qui existe entre deux repères du modèle permet de réaliser des changements de repère : connaissant l’expression d’un objet géométrique dans un repère donné, il est possible de déterminer l'expression du même objet dans un autre repère.

Dans le modèle ainsi construit, trois transformations sont libres : la transformation et les transformations , . En donnant une certaine orientation à l’œil on pourra déterminer puis il s’agira de déterminer quelles transformations , permettront de placer l’extrémité des outils à des positions données tenant compte de .

De manière avantageuse, l’axe de l'outil devant passer constamment par le trocart, les coordonnées et y du point dans le repère sont nulles. Ceci permet d’obtenir une solution unique pour les transformations , .

Procédé de pilotage (figure 4)

Le pilotage du dispositif 10 chirurgical est mis en œuvre par l’unité 7 de commande et se base sur un modèle de la scène opératoire (voir ci-dessous). En particulier et comme illustré sur laFIG. 3une consigne de position de l’extrémité I1, I2 de chaque outil 41, 42 dans leur point d’insertion 52, 53 est reçue (étapes REC1, REC2) par l’unité de commande 7 de même qu’une consigne d’orientation du globe oculaire dans son orbite (étape REC3).

Ensuite, le modèle géométrique de la scène opératoire correspondant est configuré (étape DET MOD) en tenant compte des positions et de l’orientation reçues. Cette configuration du modèle permet notamment le calcul (étape TRANS1, TRANS2) des transformations des robots qui placeront les extrémités E1, E2 de chaque bras de manière à ce que les positions des outils dans l’œil correspondent bien aux consignes de position de l’extrémité I1, I2 de chaque outil 41, 42 dans leur point d’insertion 52, 53, et de manière à ce que les positions des centres de rotation instantanée des outils fassent en sorte que les positions des trocarts correspondent bien aux consignes de positions des points d’insertion 52, 53 engendrées par l’orientation du globe oculaire souhaitée..

A partir des transformations calculées pour chaque robot chaque bras est piloté (PIL1, PIL2) en fonction de ces transformations. Le pilotage des bras consiste ensuite à leur transmettre les transformations ainsi calculées en tant que consignes de positionnement (PIL1, PIL2).

Le pilotage permet par conséquent de mouvoir les outils dans l’espace pour simultanément positionner leurs extrémités aux endroits souhaités et les orienter de manière à ce qu’ils entrainent les points d’insertion et fassent ainsi tourner l’œil dans son orbite.

Les positions et l’orientation sont calculées et envoyées à l’unité 7 de commande, pour piloter les bras 21, 22 en conséquence, plus de 1000 fois par seconde pour une grande transparence et ainsi suivre les souhaits de l’utilisateur 9 qui spécifie l’orientation (étape DEF ) via la station de commande 7 et, éventuellement l’aide du système d’imagerie 8 pour contrôler les opérations.

On décrit maintenant en détails les étapes mises en œuvre par l’unité 7 de commande pour le pilotage du dispositif chirurgical 10.

Dans une étape d’initialisation (étape INIT), - la position du centre O de l’œil est déterminée au moyen du modèle de l’œil ci-dessus décrit (INIT1). Puis, à partir de cette position du centre O de l’œil la transformation est déterminée (INIT2) également à partir des positions des points d’insertion 52, 53 qui correspondent aux origines des repères , .

Ensuite, la transformation est déterminée (INIT3) au moyen d’une méthode de référencement connue.

Chaque outil est positionné à l’extrémité E1, E2 de chaque bras et la position de l’extrémité E1, E2 de chaque bras d’une manière telle que la transformation est soit connue à l’avance (grâce à un montage répétable) soit déterminée par une méthode de référencement (INIT4). A ce titre, l’extrémité I1, I2 de l’outil est connue par rapport à celle de l’extrémité E1, E2 du bras.

De manière avantageuse, le positionnement du repère par rapport au repère est connu et constant tout au long du procédé et fait l’objet d’une méthode de référencement quelconque.

Les outils étant placés par le chirurgien dans leur point d’insertion 52, 53 respectif, le procédé comprend la réception (REC1, REC2) par l’unité 7 de commande des positions position des outils dans les repères , d’origines les points d’insertion T1, T2.

La la position des outils doit évoluer au cours de la chirurgie, afin de réaliser les gestes opératoires souhaités par le chirurgien. La détermination de ces positions peut être le résultat d’une planification de trajectoire, ou pour un système de télémanipulation, le résultat d’une mesure sur un interacteur dédié. On note par et pour désigner les positions des extrémités I1 et I2 de chaque outil dans le repère et dans le repère .

Ensuite, une orientation du globe oculaire dans son orbite, définie par une rotation qui oriente le repère associé au globe oculaire 52 par rapport au repère associé à l’orbite (étape DEF ) est définie par le chirurgien au moyen de la station de commande 7. Cette rotation est ensuite communiquée à l’unité 7 de commandé (étape REC3).

Comme déjà mentionné, les étapes REC1, REC2 et REC3 sont mises en œuvre périodiquement (de préférence plus de 1000 fois par seconde) pour une transparence optimale.

En outre, le corps orbite est le maillon commun aux deux chaînes géométriques des robots. Sa transformation réoriente le repère associé au centre de l’œil , pour obtenir un repère fixe par rapport à la tête du patient : . Elle n’est constituée que d’une rotation, . L’inverse de cette rotation, , décrit comment le globe oculaire est orienté par rapport à la tête du patient. C’est justement cette orientation que l’on souhaite régler et faire évoluer au cours de la chirurgie. peut être décrite par trois angles d’Euler , et qui, en convention ZYX, correspondent à la rotation de l’œil selon les axes , et du repère .

Ces rotations élémentaires correspondent aux mouvements élémentaires que l’œil est capable de générer par la contraction ou l’extension de muscles (en relation avec laFIG. 5) :

- : rotation vers le haut ou le bas, issue principalement de la contraction ou l'extension des muscles droits inférieur 53 et supérieur 54 ;

- : rotation vers la gauche ou la droite, issue principalement de la contraction ou l'extension des muscles droits interne 55 et externe 56 ;

- : rotation de torsion, issue principalement de la contraction ou l'extension des muscles obliques inférieur 57 et supérieur 58.

Les muscles ayant une capacité de contraction et d'extension limitées, les rotations élémentaires sont également limitées. Les conditions suivantes sont donc imposées ([Bargary et al.]) : ; ; .

La rotation , les positions et constituent des entrées à une étape de configuration de l’ensemble du modèle géométrique de la scène (étape DET MOD) pour permettre d’obtenir les transformations et .

En effet, une fois les positions de chaque outil et la rotation définies, on sait au travers de la chaine de corps aller de l’œil à la base et du robot à l’outil. Il reste alors à déterminer le lien entre le robot et la base qui satisfait les positions de chaque outil et la rotation définis et qui permet de déterminer les consignes de pilotage des robots : les transformations et présentées ci-avant.

On détermine d’abord la transformation (étape S1) qui est définie par la rotation reçue.

Ensuite, pour chaque robot il s’agit de déterminer à partir de l’orientation reçue et de la position de l’extrémité de l’outil dans le repère la transformation géométrique de manière à générer des consignes de pilotage du bras pour placer l’extrémité (E1, E2) du bras telle que l’extrémité I1, I2 de l’outil soit dans une position telle que le globe oculaire soit orienté par rapport à son orbite selon l’orientation reçue tout en étant à la position de l’outil reçue (étape S2).

De manière plus précise, pour obtenir la transformation cherchée, nous cherchons l’expression de la position de l’extrémité I1, I2 de l’outil et du point d’insertion T1, T2 dans deux repères différents : le repère (étape S21) et le repère (étape S22).

La position du point d’insertion T1, T2 dans le repère (notée ) s’obtient par avec correspondant à la profondeur de l’outil souhaitée dans l’oeil, calculable directement avec la position de l’extrémité de l’outil dans l’œil (notée ).

La position de l’extrémité de l’outil dans le repère (notée ) s’obtient par I étant l’origine du repère .

La position du point d’insertion T dans le repère (notée ) s’obtient par

avec impliquant la rotation du globe oculaire par rapport à l’orbite et qui permet de définir la transformation et des transformations connues et .

Également la position de l’extrémité I1, I2 de l’outil dans le repère s’obtient par .

A ce stade, le modèle de la scène est réglé tel qu’il doit être pour satisfaire à la fois la consigne de position et d’orientation du globe.

Connaissant pour chaque robot la transformation qui en d’autres termes positionnent l’extrémité E1, E2 du bras par rapport aux bases 31, 32, des consignes de pilotage de chaque bras sont calculées (étapes CALC1, CALC2).

Chaque bras est enfin piloté selon ces consignes (étapes PIL1, PIL2).

Définition de la consigne de rotation de l’œil (étape DEF )

Pour spécifier au cours d’une chirurgie quelle rotation on souhaite donner au globe oculaire, plusieurs moyens peuvent être mis en œuvre.

Un premier moyen de spécifier la rotation de l’œil consiste en la mise à disposition, sur la station de pilotage, d’un interacteur dédié.

Deux types de commande peuvent être envisagés : une commande en position ou une commande en vitesse.

Commande en position

Avec ce type de commande, l’objectif est de permettre à l’utilisateur d’indiquer directement dans quelle position il souhaite placer l’œil.

Plusieurs types d'interacteurs peuvent remplir ce rôle :

Des contrôles graphiques comme visible sur lafigure 6: sur un écran de pilotage tactile, l’utilisateur peut spécifier directement l’amplitude des trois rotations élémentaires , et constituant . Ces valeurs peuvent être réglées en ajustant le curseur de glissières, ou de façon plus ergonomique en glissant le doigt sur une représentation de l’œil selon la direction d’ajustement souhaitée.

Un dispositif de type boule de commande (en anglais, trackball) visible sur lafigure 7: ce type de dispositif est constitué d’une boule mobile dans une base fixe. La boule peut être tournée sur elle-même par l’utilisateur, et le dispositif est capable de mesurer directement les rotations élémentaires , et correspondant à son orientation par rapport à la base. En assimilant la boule du trackball au globe oculaire, on peut avoir une mesure directe de la rotation de l’orbite souhaitée.

Commande en vitesse

Avec ce type de commande visible sur la figure 8, l’objectif est de permettre à l’utilisateur de choisir une direction et une vitesse de rotation pour l’œil plutôt que directement sa position. Des interacteurs de type joystick 71 ou space mouse 72 peuvent remplir ce rôle. Dans les deux cas, le dispositif est constitué d’un support fixe et d’un préhenseur qui peut être écarté d’une position centrale selon les trois directions de l’espace , et . L’amplitude du préhenseur est limitée, et un rappel élastique tend à ramener le préhenseur vers sa position centrale de manière à ce qu’il y revienne dès qu’il n’est plus manipulé. Ces dispositifs sont capables de mesurer à quel point le préhenseur est éloigné de sa position centrale grâce à des valeurs élémentaires comprises entre -1 et 1 selon chacun des trois axes : . Les valeurs sont mesurées lorsque le préhenseur est en position centrale, tandis que pour chaque axe, les valeurs de -1 et 1 sont mesurées lorsqu’il atteint son amplitude maximale dans un sens et dans l’autre. On peut avec ces dispositifs mettre à jour périodiquement les valeurs des rotations élémentaires , et , de préférence plus de 100 fois par seconde pour une réactivité optimale :

Un deuxième moyen visible sur laFIG. 9de spécifier la rotation de l’œil est de répondre directement au besoin initial de faire tourner l’œil dans son orbite : permettre à l’utilisateur de centrer sur les images du microscope un point d’intérêt.

Une image I issue du système 4 d’imagerie est munie d’un repère dont l'origine est un point défini tel qu'il apparaisse au centre de l’image lorsqu’aucune rotation n’a été appliquée à l’œil. Il existe une transformation qui permet de connaître les coordonnées d’un point dans le repère à partir de ses coordonnées dans le repère . Cette transformation est déterminée à partir d’une méthode de recalage considérée comme connue.

Liste des références :

[Thèse Marilou] Marilou Isidore. Description des paramètres de biométrie oculaire en préopératoire de chirurgie de cataracte dans une population du Sud de la France : une étude transversale multicentrique. Médecine humaine et pathologie. 2021. (dumas-03436986)

[Hashemi et al.] Hashemi H, Khabazkhoob M, Emamian MH, Shariati M, Yekta A, Fotouhi A. White-to-white corneal diameter distribution in an adult population. J Curr Ophthalmol. 2015 Oct 19;27(1-2):21-4. doi: 10.1016/j.joco.2015.09.001. PMID: 27239570; PMCID: PMC4877715.

[Kourous] Kourous Rezaei MD, Complications in Vitreoretinal Surgery

[Bargary et al.] Bargary, G., Bosten, J., Goodbourn, P. et al. Individual differences in human eye movements: An oculomotor signature? 2017.

Claims (10)

1. Dispositif (10) chirurgical comprenant au moins deux robots (11, 12), chaque robot (11, 12) comprenant un bras (21, 22) articulé monté sur une base (31, 32), un outil (41, 42) étant fixé à l’extrémité (E1, E2) du bras (21, 22), chaque outil comprenant une extrémité distale (I1, I2) adaptée pour être insérée dans un point d’insertion (T1, T2) d’un œil, le dispositif comprenant une unité (7) de commande configurée pour déplacer l’extrémité (E1, E2) du bras de chaque robot, l’unité (7) de commande étant configurée pour mettre en œuvre les étapes suivantes pour chaque robot :
   a) Réception (REC1, REC2) d’une consigne de position de l’extrémité (I1, I2) de l’outil exprimée dans un repère ( , ) lié au point d’insertion (T1, T2) l’outil étant inséré dans le globe oculaire de l’œil, le globe oculaire étant par anatomie mobile en rotation par rapport à son orbite qui est fixe par rapport à la base (31, 32) des robots (11,12) ;
   b) Réception (REC3) d’une consigne d’orientation du globe oculaire dans l’orbite ;
   c) Configuration (DET MOD) d’un modèle d’une scène géométrique définie par chaque robot et l’œil, le modèle géométrique permettant de repérer n’importe quel point dans un repère associé à un élément de la scène, ladite configuration tenant compte des consignes de positions reçues et de la consigne d’orientation reçue ;
   d) calcul (TRANS1, TRANS2) à partir du modèle configuré de la transformation ( ) de chaque robot définissant la position et l’orientation de l’extrémité (E1, E2) de chaque bras positionnant les outils de manière à obtenir un globe orienté selon la consigne d’orientation reçue et plaçant l’extrémité des outils selon les consignes de positions reçues ;
   e) pilotage (PIL1, PIL2) de chaque robot pour positionner chaque bras selon la transformation calculée.
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre une répétition des étapes a) à c) pour positionner en continu chaque bras (21, 22) selon les positions et l’orientation reçues aux étapes a) et b).
3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité (7) de commande met en œuvre la configuration du modèle géométrique de la scène définit pour chaque robot par
   une première transformation ( ) connue entre un repère lié au point d’insertion de l’outil dans l’œil et un repère lié au centre du globe oculaire ;
   une deuxième transformation ( ) définie uniquement par une rotation entre un repère lié au centre du globe oculaire un repère fixe lié au centre de l’orbite, ladite rotation correspondant à l’orientation reçue ;
   une troisième transformation ( , ) connue entre le repère lié au centre de l’orbite et un repère fixe lié au base ;
   une transformation d’un robot ( ) entre un repère lié à l’extrémité du bras et le repère lié au base, ladite transformation définissant la position de l’extrémité du bras dans le repère lié au base ;
   une quatrième transformation ( ) connue entre le repère lié à l’extrémité du bras et le repère lié à l’extrémité de l’outil.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l’unité (7) de commande est configuré ee pour à l’étape d) mettre en œuvre les sous-étapes suivantes pour chaque robot :
   d1) détermination des coordonnées d’un vecteur entre le point d’insertion et l’extrémité de l’outil dans le repère lié à l’extrémité du bras à partir de la position du point d’insertion dans le repère lié à l’extrémité du bras obtenue à partir de la position reçue et de la quatrième transformation connue ;
   d2) détermination des coordonnées du vecteur entre le point d’insertion et l’extrémité de l’outil dans le repère lié à la base à partir de la position du point d’insertion dans le repère lié à la base obtenue à partir des ldeuxième et troisième transformations et de la position reçue
   d3) calcul de la transformation du robot à partir des coordonnées du vecteur obtenues aux étapes d1) et d2).
5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la position du point d’insertion (T1, T2) dans le repère lié à l’extrémité (I1, I2) de l’outil dépend de la position de l’extrémité (I1, I2) de l’outil dans le repère lié au point d’insertion, l’extrémité (E1, E2) du bras, l’extrémité (I1, I2) de l’outil et le point d’insertion (T1, T2) étant alignées.
6. Dispositif selon l’une des revendications 3 à 4, dans lequel les repères liés à l’extrémité de l’outil et à l’extrémité du bras sont orientés de la même manière, la quatrième transformation étant une unique translation selon l’axe de l’outil.
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre une détermination de la position du centre (O) de l’œil dans le repère lié au point d’insertion de l’outil.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la position du centre (O) de l’œil dans le repère lié au point d’insertion de l’outil est déterminée au moyen d’un modèle de l’œil défini par
   - une longueur axial AL qui est la distance entre le sommet de la cornée et la fovéa
   - une profondeur de chambre antérieure ACD distance entre le sommet de la cornée et le sommet du cristallin
   - une distance blanc à blanc WW : diamètre horizontal de la cornée
   - une distance limbe-trocart : c’est la distance séparant le limbe c’est-à-dire le bord de l’iris, du point d’insertion du trocart, mesurée radialement par rapport à l’iris
   - l’angle d’ouverture du trocart : c’est l’angle formé par la droite et l'axe longitudinal du patient des pieds à la tête, projeté sur le plan du repère , modèle dans lequel
   - le rayon du globe oculaire vaut
   - le limbe appartient à la surface du globe oculaire, sa distance à O est égale à R ;
   - les deux points de référence de la distance et l’axe vertical sont coplanaires
   la position du point dans les repères liés à l’œil notés et étant donnée par :
   
   .
9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un système (8) d’imagerie configuré pour acquérir au moins une image de l’œil, un système de pilotage (6) étant configuré pour spécifier un mouvement de l’œil en combinaison avec l’image acquise de l’œil et ainsi définir une position souhaitée du globe oculaire pour définir l’orientation du globe oculaire dans son orbite.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le système de pilotage comprend un écran de pilotage tactile ou une boule de commande de manière à définir la rotation de l’œil souhaitée.