FR3161098A1 - Dispositif et procédé de recalage sans contact entre un robot, un patient et une imagerie médicale - Google Patents

Abstract

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RECALAGE SANS CONTACT ENTRE UN ROBOT, UN PATIENT ET UNE IMAGERIE MÉDICALE Le dispositif (10) de recalage sans contact entre un robot (17), un patient (12) et une imagerie médicale comporte :- un moyen (27) de projection d’une ligne laser (21) sur une zone d’intérêt (22) du corps du patient,- un moyen (25) de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser pour former un nuage de points de la zone d’intérêt, et- un moyen (13) d’appariement d’un nuage de points de l’imagerie médicale et du nuage de points de la zone d’intérêt. Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RECALAGE SANS CONTACT ENTRE UN ROBOT, UN PATIENT ET UNE IMAGERIE MÉDICALE Domaine technique de l’invention

La présente invention vise un dispositif et un procédé de recalage sans contact entre un robot, un patient et une imagerie médicale. Elle s’applique, en particulier au domaine de la chirurgie avec assistance robotisé et plus particulièrement au recalage sans contact et non invasif entre un bras robotisé (actif ou passif), un patient à opérer et au moins une imagerie médicale (issue d’une imagerie en résonnance magnétique, d’acronyme IRM, ou d’un scanner, par exemple) d’une partie à opérer du corps du patient.

État de la technique

Les approches décrites dans cette section sont des approches qui pourraient être poursuivies, mais pas nécessairement des approches qui ont été conçues ou poursuivies précédemment. Par conséquent, sauf indication contraire, il convient de ne pas supposer que l'une ou l'autre des approches décrites dans cette section constitue un art antérieur du seul fait de son inclusion dans cette section.

Lors d’une intervention chirurgicale utilisant un dispositif d’assistance à la visée robotisée, il est nécessaire d’effectuer un recalage géométrique entre le dispositif d’assistance robotisé, la zone d’intervention sur le corps du patient, ainsi que son imagerie médicale. Le recalage permet de mettre en relation les différents systèmes de coordonnées géométriques afin de leur permettre d’interagir. Différentes techniques de recalage existent aujourd’hui. Il existe des techniques dites « invasives » et d’autres, dites « non invasives », pour l’anatomie humaine. L’une des techniques non invasives est décrite dans le document FR 2 963 693. Elle utilise un pointeur laser afin de scanner la surface de l’anatomie par une succession d’émissions de points lumineux sur la partie du corps du patient à opérer et de repérage, en trois dimensions, de leurs coordonnées géométriques dans le référentiel du robot. Ce type de technique à l’inconvénient d’être longue, à cause du temps que met le pointeur laser à parcourir l’ensemble de la zone d’intérêt (entre 15 et 25 minutes par tentative de recalage). De plus, la précision obtenue dépend fortement de celle des manipulations effectuées par l’opérateur.

Le concept général de l’invention consiste en un recalage sans contact mettant préférentiellement en œuvre un bras robotisé portant une unité de recalage formant, sur la zone d’intérêt du corps du patient un point issu d’un pointeur laser ainsi qu’une ligne dont la largeur est ajustable dans cette zone d’intérêt. Le bras robotisé est préférentiellement utilisé par l’opérateur en mode dit coopératif, sous contrainte planaire/axiale afin de balayer, dans un seul mouvement linéaire, la zone d’intérêt à recaler avec la surface extraite de l’imagerie médicale de ladite anatomie.

Le mode coopératif est mis en œuvre par l’intermédiaire d’au moins un capteur d’effort placé en bout de bras robotisé, ou directement dans les articulations du bras, si le bras robotisé est un bras dit « actif ».

Brève description des figures

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

FIG. 1représente, schématiquement et en vue de côté, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, au cours d’une étape de positionnement du procédé objet de l’invention,

FIG. 2représente, schématiquement et en vue de côté, le dispositif illustré enFIG. 1, au cours d’une étape de balayage du procédé objet de l’invention,

FIG. 3est un exemple de nuage de points issu d’un scan laser en trois dimensions obtenu par la mise en œuvre d’un dispositif objet de l’invention,

FIG. 4est un exemple de nuage de points issu d’une extraction de surface d’une imagerie médicale en trois dimensions,

FIG. 5représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention, et

FIG. 6représente, schématiquement et en vue de côté, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, au cours d’une étape de balayage du procédé objet de l’invention.

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.

Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés.

Les articles indéfinis "un" et "une", tels qu'ils sont utilisés dans la description, doivent être compris comme signifiant "au moins un", sauf indication claire du contraire.

L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.

Tel qu'utilisé ici dans la description, "ou" doit être compris de manière inclusive.

Telle qu'elle est utilisée dans la présente description, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.

Dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.

Dans toute la description, les termes « supérieur » et « haut » désignent ce qui est en haut lorsque le dispositif objet de la présente invention est en configuration opérationnelle. Les termes « inférieur » et « bas » désignent ce qui est en bas lorsque le dispositif objet de la présente invention est en configuration opérationnelle. Le terme « intérieur » désigne ce qui est à l’intérieur du dispositif. Le terme « extérieur » désigne ce qui est à l’extérieur du dispositif.

On observe, sur laFIG. 1, qui n’est pas à l’échelle, un dispositif 10 de recalage sans contact entre un robot 11, un patient 12 et une imagerie médicale conservée en mémoire, par exemple dans une mémoire 13 du robot 11. Le patient 12 est positionné sur une table chirurgicale 14, en vue d’une opération chirurgicale. Le robot comporte un chariot mobile 15 muni de roues 16, et supportant un bras robotisé anthropomorphe 17 comportant des articulations 18. Le bras robotisé 17 supporte, en son extrémité libre une unité 19 de recalage sans contact comportant un moyen 27 de projection d’une ligne laser 21 formée sur la zone d’intervention chirurgicale sur le patient 12, ici la tête 22 du patient 12. L’unité de recalage 19 comporte aussi un moyen de projection d’un point laser 20, aussi appelé pointeur laser, configuré pour mesurer une distance, de manière connue.

L’unité 19 est aussi munie d’un capteur de distances 25 des points de la ligne laser 21 et d’une poignée 24 avec laquelle l’opérateur 23 peut manipuler cette unité 19. Le capteur de distance 25 comporte, par exemple, un capteur d’image et un moyen de mesure de distance par triangulation, selon des techniques connues.

L’unité 19 de recalage peut être installée par l’opérateur 23 en extrémité libre du bras 17 comme un «outil». Alternativement, l’unité 19 de recalage est intégrée à cette extrémité du bras 17. L’avantage de l’intégration est d’éviter d’avoir à enlever et remettre l’unité 19 de recalage pendant une intervention chirurgicale, au cas où le recalage serait perdu en cours de cette intervention. Cette intégration évite aussi les erreurs de montage de l’opérateur 23 lors de l’installation de l’unité 19 de recalage en extrémité du bras 17, ces erreurs de montage pouvant entrainer des imprécisions de recalage.

On retrouve, enFIG. 2, les mêmes éléments qu’enFIG. 1au cours d’une étape de balayage de la tête 22 du patient 12. La flèche 26 représente le sens de balayage de la tête de l’utilisateur par la ligne laser 21.

FIG. 3est un exemple de nuage 30 de points 31 issu d’un scan laser en trois dimensions obtenu par la mise en œuvre du dispositif objet de l’invention. Le nuage 30 de points 31 est issu d’une extraction de surface en trois dimensions captée par l’unité 19 par la mise en œuvre de la projection d’une ligne laser 21 et du capteur de distance 25. Chaque point 31 de ce nuage 30 est repéré selon un repère géométrique lié aux conditions de réalisation de la capture de l’image en trois dimensions et donc à la position du robot 11.

FIG. 4est un exemple de nuage 40 de points 41 extrait d’une imagerie médicale. Chaque point 41 de ce nuage 40 est repéré selon un repère géométrique lié aux conditions de réalisation de l’imagerie médicale.

Pour que le robot 11 puisse virtuellement positionner dans l’espace l’imagerie médicale 40 par rapport à l’espace réel du patient 12, une opération de mise en correspondance (aussi appelée « recalage ») des nuages 30 et 40 de points 31 et 41 est nécessaire. L’imagerie médicale 40 est ainsi repérée dans le repère géométrique du robot 11.

À cet effet, la mise en œuvre du dispositif 10 suit les étapes suivantes du procédé 50 illustré enFIG. 5.

Au cours d’une étape 51, le robot 11, et notamment le chariot 15 est mis en place en regard de la zone d’intérêt, c’est-à-dire de la zone d’intervention chirurgicale sur le corps du patient 12 (la tête en figures 1 et 2). Le chariot 15 ne bouge plus après l’étape 51, jusqu’à la fin de l’intervention chirurgicale. Préférentiellement, le chariot 15 est muni de pieds à vérins (non représentés) qui sont déployés au cours de l’étape 51 pour interdire tout mouvement du chariot 15. À la fin de l’étape 51, on démarre le robot, et notamment son bras robotisé 17.

Au cours d’une étape 52, le bras robotisé 17 effectue un prépositionnement automatique pour que son extrémité libre se trouve à proximité de la zone d’intérêt, dans une position où l’opérateur 23 peut facilement installer l’unité 19 de recalage si elle n’est pas intégrée au bras 17. Au cours de cette étape 52, le bras robotisé passe d’une position dite « de rangement » dans laquelle il est relié au-dessus du chariot 15 à une position déployée permettant l’installation facile de l’unité 19 de recalage en extrémité libre du bras 17. Si l’unité 19 est intégrée au bras 17, la position atteinte par le bras 17 est une position permettant à l’opérateur 23 de saisir la poignée 24 pour le déplacer, en mode coopératif, jusqu’à la zone d’intérêt à scanner.

Au cours d’une étape 53, au cas où l’unité de recalage 19 n’est pas intégrée au bras 17, elle est installée à l’extrémité libre du bras robotisé 17.

Au cours d’une étape 54, l’opérateur 23 positionne grossièrement l’unité de recalage sans contact 19 parallèlement à la zone d’intérêt, en utilisant la poignée 24 de l’unité de recalage 19 et le mode coopératif du bras robotisé 17. En variante, ce positionnement grossier est réalisé automatiquement par le bras robotisé 17.

Le mode coopératif est mis en œuvre par l’intermédiaire d’au moins un capteur d’effort placé en bout de bras robotisé 17, ou directement dans les articulations du bras robotisé, s’il est un bras dit « actif ». Dans ce mode coopératif, le bras peut appliquer des contraintes aux mouvements de son extrémité. Par exemple, les seuls mouvements autorisés, en mode coopératif, à l’extrémité libre du bras robotisé 17 sont dans un plan grossièrement parallèle à la zone d’intérêt ou le long d’une ligne droite grossièrement parallèle à un axe de symétrie de la zone d’intérêt, par exemple le visage du patient 12. Alternativement, le plan est parallèle à la surface supérieure de la table d’opération 14 et/ou l’axe est l’axe parallèle à l’axe longitudinal de la table d’opération 14. C’est la configuration au cours de l’étape 54 qui est illustrée enFIG. 1.

Au cours d’une étape 55, le pointeur laser fournit une distance entre l’unité de recalage 19 et la zone d’intérêt. Sur la base de cette distance mesurée initialement, de manière automatique ou manuelle, on ajuste cette distance en déplaçant l’unité de recalage 19. Cet ajustement est réalisé en tenant compte de ce qu’une distance trop faible peut poser des difficultés en termes de surface de mesure de distance couverte par l’unité de recalage 19 et en termes de stérilité du champ opératoire. Inversement, une distance trop élevée augmente l’incertitude de mesure des distances. Typiquement, la distance ajustée est de l’ordre de 40 centimètres.

Au cours d’une étape 56, on ajuste l’angle de projection du faisceau de lumière laser plan qui fournit une ligne lumineuse sur la peau du patient dans la zone d’intérêt. La longueur de la ligne de faisceau laser est ajustée par l’intermédiaire d’une interface utilisateur (non représentée), par exemple un écran tactile porté par un autre chariot que le chariot 15. On dimensionne ainsi cette ligne lumineuse sur la surface scannée afin d’éviter d’éclairer des éléments externes au patient, par exemple un cadre de stéréotaxie. En variante, on met en œuvre le pointeur laser pour définir les extrémités du champ de projection à couvrir.

Au cours d’une étape 57, on allume l’unité de recalage laser et on enregistre les coordonnées, dans le repère géométrique du robot, de la position de départ du balayage de la zone d’intérêt avec la ligne lumineuse laser, par l’intermédiaire d’un bouton de commande (non représenté) sur la poignée de l’unité de recalage ou de l’interface utilisateur.

Au cours d’une étape 58, le bras robotisé 17 passe en mode coopératif sous contrainte axiale ou planaire parallèlement à la zone d’intérêt.

Au cours d’une étape 59, l’opérateur 23 déplace le bras robotisé 17 sous contrainte axiale ou planaire parallèle à la zone d’intérêt afin de réaliser le balayage de cette zone d’intérêt et la mesure de la distance à l’unité de recalage 19 de chaque point éclairé par la ligne lumineuse. C’est la configuration au début de l’étape 59 qui est illustrée enFIG. 2.

Au cours d’une étape 60, une unité de calcul (non représentée) effectue une extraction d’un nuage de points (surface 3D similaire au nuage 30 de points 31) comme donnée de sortie du balayage laser. On note que cette donnée en trois dimensions de sortie du balayage laser peut être utilisée en chirurgie dite « ouverte », c’est-à-dire en exposant à l’air la partie osseuse de la zone concernée u corps du patient, par exemple une partie du rachis, un genou ou une hanche) sans imagerie « peropératoire » (pendant l’opération), mais avec imagerie « preop » (préopératoire).

Au cours d’une étape 61, l’unité de calcul effectue une extraction d’un nuage de points de l’imagerie médicale, similaire au nuage 40 de points 41.

Au cours d’une étape 62, l’unité de calcul utilise un algorithme d’appariement des nuages de points, par exemple de type ICP (acronyme de « iterative closest point » pour itération de point le plus proche) afin de calculer la matrice de passage entre le référentiel de l’espace réel de la zone d’intérêt (en coordonnées géométriques du robot 10) et le référentiel de l’imagerie médicale associée. On fait ainsi coïncider les nuages de points, dans le repère géométrique du robot, en minimisant l’erreur entre ces deux nuages. Préférentiellement, en amont de l’utilisation de cet algorithme, l’opérateur effectue une étape rapide « manuelle » de recalage grossier. Cette étape permet d’accélérer la convergence de l’algorithme automatique ICP. À cet effet, l’opérateur identifie dans les nuages de points du scan laser et de l’imagerie médicale, des zones anatomiques (ou points) équivalents, dans chaque nuage. Un premier recalage dit « grossier » est alors réalisé sur cette base. L’algorithme ICP utilise ce recalage grossier comme données d’entrée.

Préférentiellement, un indice de confiance est attribué à l’appariement finalement obtenu, par exemple en mesurant une distance moyenne entre points appariés, et, au cas où l’indice de confiance est trop faible (par exemple, cette distance moyenne est supérieure à une valeur limite prédéterminée), les étapes 55 à 61 sont réalisées une nouvelle fois. On décrit, ci-dessous, deux exemples d’indice de confiance :

1. Un indice global moyen de type RMS (« root mean square error » pour erreur quadratique moyenne) sur l’ensemble du nuage. On affiche la valeur du RMS (par exemple 0,26 mm) obtenue sur l’interface utilisateur, avec un code à deux couleurs (vert acceptable, rouge non acceptable). Si l’indice est vert, l’opérateur peut continuer la procédure. Un indice rouge sur l’interface utilisateur oblige l’opérateur à refaire un scan laser surfacique.

2. Un indice par point (distance entre deux points mis en correspondance entre les deux nuages de points) qui peut être représenté sous forme de cartographie de couleur directement sur l’extraction 3D de l’imagerie médicale ou sur la surface 3D obtenue via le scan laser. Si le taux de points plus éloignés qu’une distance limite prédéterminée (par exemple un millimètre) dépasse une valeur limite (par exemple 10 %) ou si une distance entre points correspondants dépasse une autre distance limite prédéterminée (par exemple trois millimètres), un indice rouge sur l’interface utilisateur oblige l’opérateur à refaire un scan laser surfacique.

Au cours d’une étape 63, l’unité de calcul crée une zone interdite (« NoGo » zone) pour le bras robotisé 17 et son porte-instrument à partir de la surface 3D scannée et/ou de la reconstruction 3D de l’imagerie médicale recalée avec la surface 3D scannée au laser. Cette NoGo Zone prohibe les collisions entre le bras robotisé 17 et le corps du patient 12 au moins dans la zone d’intérêt (le volume complet de la tête 22 dans le cas représenté en figures 1 et 2).

On retrouve, dans le deuxième mode de réalisation du dispositif 70 objet de l’invention représenté enFIG. 6, un patient 12 sur une table d’opération 14, et un opérateur 23. Cependant, à la différence du premier mode de réalisation, aucun bras robotisé n’est utilisé pour suivre le mouvement une unité 71 de recalage sans contact comportant un moyen de projection d’un point laser 20 et d’une ligne laser 21 formée sur la zone d’intérêt sur le corps du patient 12, ici sa tête 22. L’unité 71 est aussi munie d’un capteur de distances 25 et d’une poignée 72 avec laquelle l’opérateur 23 peut manipuler cette unité 71. Le capteur de distance 25 comporte, par exemple, un capteur d’image et un moyen de mesure de distance par triangulation, selon des techniques connues.

Une caméra de navigation 77 est portée par un bras de positionnement articulé 76, lui-même porté par un chariot 75 support de caméra. Pour repérer, dans l’espace, l’unité 71 de recalage, cette unité 71 est munie d’au moins une référence de navigation 74 est fixée sur l’unité 71. Le champ optique 79 de la caméra 77 couvre les différentes positions de la référence de positionnement 74 au cours du mouvement de l’unité 71.

Alternativement, pour que l’opérateur 23 n’ait pas à porter l’unité 71 de recalage à bout de bras et pour que le mouvement de l’unité de recalage 71 soit une translation parallèle à l’axe longitudinal de la table d’opération 14, un support de glissement en translation 78, est porté, de manière amovible, par la table d’opération 14. Par exemple, ce support 78 présente, en partie supérieure, deux rails horizontaux parallèles à l’axe longitudinal de la table d’opération 14 de part et d’autre de la tête 22 du patient 12, rails sur lesquels l’unité 71 glisse ou roule sur des roulettes (non représentées) en translation. Ce mouvement est imprimé par l’opérateur 23 et, éventuellement, freiné au niveau des roulettes pour que la capture de points de la surface d’intérêt soit suffisamment dense.

Grâce au repérage géométrique de l’unité de recalage 71, réalisé par la caméra de navigation 77 par l’intermédiaire de chaque référence de navigation 74, les coordonnées des points de la zone d’intérêt dans l’espace de la salle d’opération peuvent être obtenues. Une fois un bras robotisé mis en place, son extrémité libre est, à son tour, repérée dans cet espace, par exemple par la mise en œuvre d’au moins une autre référence de navigation. À cet effet, il faut réaliser un recalage entre le bras robotisé et la caméra de navigation, de la manière suivante. Une référence de navigation est positionnée en extrémité libre du bras robotisé, comme un outil à porter ou en étant intégrée à cette extrémité du bras. Le bras robotisé se déplace ensuite de manière automatique sur différentes positions connues dans l’espace. Ces différentes positions sont enregistrées par la caméra et repérées dans son référentiel géométrique. On peut ensuite faire le lien entre les positions vues par la caméra et les positions des articulations (via les encodeurs des articulations) du bras robotisé. En variante, afin d’éviter le temps de montage de la référence de navigation (pouvant engendrer de mauvais montages et donc des imprécisions) et du déplacement du bras sur différentes positions, une référence de navigation peut être placée à demeure sur le chariot du bras robotisé. Connaissant par conception l’emplacement de cette référence par rapport à l’embase du bras robotisé (et donc à son référentiel), la caméra n’aura qu’à repérer cette référence afin de réaliser la mise en correspondance avec le référentiel du bras robotisé. Les coordonnées des points de la zone d’intérêt, en trois dimensions, peuvent ensuite être mises en correspondance avec les coordonnées du bras robotisé et avec l’imagerie médicale préliminairement mémorisée.

L’unité de recalage 71 comporte les mêmes moyens d’ajustement de l’angle de projection de la ligne laser 21 ou de la longueur de la ligne laser 21 que l’unité de recalage 19 décrite en regard des figures 1 et 2.

Bien que, dans les modes de réalisation du dispositif objet de l’invention décrit ci-dessus, le capteur de distances 25 soit monté sur le bras robotisé 17, dans d’autres modes de réalisation, ce capteur de distances est monté sur un autre chariot que le bras robotisé. Bien entendu, le référentiel géométrique de ce capteur de distances est alors fixe et la matrice de transformation de coordonnées dans ce référentiel en coordonnées dans le référentiel du robot est alors préliminairement déterminée.

Présentation de l’invention

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de l’art.

À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de recalage sans contact entre un robot, un patient et une imagerie médicale, qui comporte :
- un moyen de projection d’une ligne laser sur une zone d’intérêt du patient,
- un moyen de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser pour former un nuage de points de la zone d’intérêt, et
- un moyen d’appariement d’un nuage de points de l’imagerie médicale et du nuage de points de la zone d’intérêt.

Ainsi, le moyen de projection forme, sur la zone d’intérêt du corps du patient, au moins une ligne permettant la capture simultanée de coordonnées géométriques en trois dimensions de points de la zone d’intérêt. Un seul mouvement linéaire du moyen de projection permet ainsi de capter les coordonnées géométriques en trois dimensions de l’ensemble de la zone d’intérêt à recaler avec la surface extraite de l’imagerie médicale de ladite anatomie.

La mise en œuvre de la présente invention permet un recalage géométrique entre le robot, la zone d’intérêt sur le corps du patient et l’imagerie médicale. Ce recalage est effectué sans contact avec le corps du patient, donc de manière non invasive. La mise en œuvre de l’invention réduit considérablement la durée nécessaire pour réaliser une acquisition de nuage de points de la surface anatomique d’intérêt. Typiquement, on passe de 15 à 20 minutes, dans l’art antérieur utilisant un recalage à pointeur laser, à moins de cinq minutes. Ce gain de temps permet une réduction de la durée d’occupation de la salle d’opération et de la durée d’anesthésie et ses conséquences néfastes pour le patient, surtout si le recalage doit être renouvelé en cours d’intervention chirurgicale, au cas où le recalage est perdu, par exemple si le robot a bougé. L’invention diminue aussi la dépendance de la précision du recalage à l’opérateur et elle améliore l’expérience utilisateur de l’opérateur.

Dans des modes de réalisation, le moyen de projection de la ligne laser comporte, de plus, un moyen d’ajustement de l’angle de projection de la ligne laser et/ou de la longueur de la ligne laser.

On dimensionne ainsi la ligne laser sur la surface scannée afin d’éviter d’éclairer des éléments externes au patient, par exemple un cadre de stéréotaxie. On évite ainsi des artefacts de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser sur la zone d’intérêt.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, un pointeur laser de mesure de distance entre l’unité de capture de coordonnées géométriques et la zone d’intérêt.

Cet ajustement est réalisé en tenant compte de ce qu’une distance trop faible peut poser des difficultés en termes de surface de mesure de distance couverte par le moyen de capture et en termes de stérilité du champ opératoire. Inversement, une distance trop élevée augmente l’incertitude de mesure des distances.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, le robot muni d’un bras comportant au moins un capteur d’effort, le robot étant configuré pour fonctionner en mode coopératif.

Les mouvements de l’opérateur mettant en œuvre le dispositif objet de l’invention sont ainsi mesurés par les capteurs d’efforts, ce qui permet au robot de connaître les coordonnées géométriques de l’unité de capture dans son propre référentiel géométrique. La géométrie de l‘unité de capture est connue, par conception, par rapport au bras robotisé. L’unité de capture est montée en bout de bras ou directement incorporée au bras. Les encodeurs des articulations du bras robotisé permettent d’obtenir les coordonnées du bout de bras dans le référentiel du robot. Connaissant la géométrie de l’unité de capture, on en déduit les coordonnées de l’unité de capture par rapport aux coordonnées du bout de bras.

Dans des modes de réalisation, le robot est configuré pour fonctionner en mode coopératif contraignant le déplacement du moyen de capture dans un plan ou le long d’un axe.

L’opérateur mettant en œuvre le dispositif objet de l’invention est ainsi aidé par le bras robotisé à suivre un déplacement facilitant l’acquisition 3D de la surface d’intérêt.

Dans des modes de réalisation, le robot est un robot d’assistance à la visée.

Ainsi le référentiel du robot recalé, à la fois, vis-à-vis de la zone d’intérêt et vis-à-vis de l’imagerie médicale permet au bras robotisé de positionner de manière très précise (à moins d’un millimètre près) et stable dans l’espace réel, un guide d’instrument chirurgical permettant au chirurgien de viser, via l’insertion de l’instrument chirurgical dans le guide porté par le robot, une zone anatomique dans l’espace réel à partir d’une zone cible et d’une zone d’entrée qu’il aura préalablement identifiées dans les imageries médicales du patient.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, une caméra de navigation, et une unité de recalage munie d’une référence fixe par rapport à l’unité de recalage.

Cette caméra de navigation peut ainsi déterminer les coordonnées géométriques du moyen de capture, dans son référentiel géométrique, et donc de la zone d’intérêt toujours dans ce référentiel.

Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de recalage sans contact entre un robot, un patient et une imagerie médicale, qui comporte :
- une étape de projection d’une ligne laser sur une zone d’intérêt du corps du patient,
- une étape de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser pour former un nuage de points de la zone d’intérêt, et
- une étape d’appariement d’un nuage de points de l’imagerie médicale et du nuage de points de la zone d’intérêt.

Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé étant similaires à ceux du dispositif objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici.

Dans des modes de réalisation, le procédé objet de l’invention comporte, de plus, une étape de création d’une zone géométrique interdite pour le bras robotisé à partir du nuage de points de la zone d’intérêt et/ou de l’imagerie médicale recalée avec le nuage de points de la zone d’intérêt.

On assure ainsi une meilleure sécurité du patient, grâce à la création d’une « NoGo » zone autour du corps du patient.

Claims (12)

1. Dispositif (10, 70) de recalage sans contact entre un robot (17), un patient (12) et une imagerie médicale, caractérisé en ce qu’il comporte :
   - un moyen (27) de projection d’une ligne laser (21) sur une zone d’intérêt (22) du corps du patient,
   - un moyen (25) de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser pour former un nuage (40) de points (41) de la zone d’intérêt, et
   - un moyen (13) d’appariement d’un nuage (30) de points (31) de l’imagerie médicale et du nuage de points de la zone d’intérêt.
2. Dispositif (10, 70) selon la revendication 1, dans lequel le moyen (27) de projection de la ligne laser (21) comporte, de plus, un moyen d’ajustement de l’angle de projection de la ligne laser et/ou de la longueur de la ligne laser.
3. Dispositif (10, 70) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte, de plus, un pointeur laser de mesure de distance entre l’unité de capture de coordonnées géométriques et la zone d’intérêt.
4. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte, de plus, le robot (11) muni d’un bras (17) comportant au moins un capteur d’effort, le robot étant configuré pour fonctionner en mode coopératif
5. Dispositif (10) selon la revendication 4, dans lequel le robot (17) est configuré pour fonctionner en mode coopératif contraignant le déplacement du moyen de capture (25) dans un plan ou le long d’un axe.
6. Dispositif (10) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel le robot (17) est un robot d’assistance à la visée.
7. Dispositif (10, 70) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte, de plus, une caméra de navigation (77), et une unité de recalage (19, 71) munie d’une référence (74) fixe par rapport à l’unité de recalage.
8. Procédé (50) de recalage sans contact entre un robot (17), un patient (12) et une imagerie médicale, caractérisé en ce qu’il comporte :
   - une étape (59) de projection d’une ligne laser (21) sur une zone d’intérêt (22) du corps du patient (12),
   - une étape (59, 60) de capture de coordonnées géométriques de points de la ligne laser pour former un nuage (40) de points (41) de la zone d’intérêt, et
   - une étape (62) d’appariement d’un nuage (30) de points (31) de l’imagerie médicale et du nuage de points de la zone d’intérêt.
9. Procédé (50) selon la revendication 8, qui comporte, de plus, une étape (56) d’ajustement de l’angle de projection de la ligne laser (21) et/ou de la longueur de la ligne laser.
10. Procédé (50) selon l’une des revendications 8 ou 9, qui comporte, de plus, une étape (55) d’ajustement de la distance entre un moyen (27) de projection de la ligne laser (21) et la zone d’intérêt (22).
11. Procédé (50) selon l’une des revendications 8 à 10, dans lequel, au cours de l’étape (59, 60) de capture, le robot (17) fonctionne en mode coopératif contraignant le déplacement d’un moyen de capture (25) dans un plan ou le long d’un axe.
12. Procédé (50) selon l’une des revendications 8 à 11, qui comporte, de plus, une étape (63) de création d’une zone géométrique interdite pour le bras robotisé (17) à partir du nuage (30) de points (31) de la zone d’intérêt (22) et/ou de l’imagerie médicale (40) recalée avec le nuage de points de la zone d’intérêt.