FR3137267A1

FR3137267A1 - Dispositif de suivi pour les interventions médicales guidées par navigation

Info

Publication number: FR3137267A1
Application number: FR2206575A
Authority: FR
Inventors: Yann Le Meur; Barnabé SIMON; Lucien Blondel; Bertin Nahum; Fernand Badano
Original assignee: Quantum Surgical
Current assignee: Quantum Surgical
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-05
Also published as: KR20250027717A; JP2025521428A; CN119421669A; WO2024002760A1; EP4547141A1; IL317352A

Abstract

Un dispositif (10) de suivi optique est proposé pour suivre les mouvements d’une anatomie d’intérêt d’un patient (50) pendant une intervention médicale mini-invasive. Le dispositif (10) de suivi optique comprend une couche de base (11) servant de champ stérile et comprenant une région d’intervention (12) et une région de marquage (13) qui entoure au moins partiellement la région d’intervention (12). La région de marquage (13) comporte, sur la face intérieure, un matériau adhésif pour fixer le dispositif (10) de suivi sur la peau du patient (50) et, sur la face extérieure (11b), au moins trois marqueurs optiques (14) ou au moins trois supports de fixation destinés à accueillir chacun un marqueur optique (14). La région de marquage (13) comporte également un capteur à fibre optique (15) solidaire à la couche de base (11) et présentant un point de mesure associé à chacun des marqueurs optiques (14) ou des supports de fixation. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Dispositif de suivi pour les interventions médicales guidées par navigation

Domaine de l’invention

Les dispositifs et les procédés divulgués dans la présente demande appartiennent au domaine de la navigation optique pour suivre les mouvements d’une anatomie d’intérêt d’un patient pendant une intervention médicale mini-invasive. Plus particulièrement, il est proposé un dispositif de suivi optique basé sur la peau du patient et un procédé de navigation optique utilisant un tel dispositif de suivi optique.

Etat de la technique

Les interventions médicales mini-invasives nécessitent de positionner ou de déplacer de manière très précise un instrument médical (par exemple une aiguille, un cathéter, une électrode, un générateur d’ultrasons, un foret de perçage, etc.) par rapport à une anatomie d’intérêt d’un patient (par exemple le foie, un poumon, un rein, un os, etc.). Le praticien qui effectue ce type d’intervention peut être assisté par un robot médical. Dans ce cas, le robot médical positionne, maintien et/ou guide un instrument médical par rapport à l’anatomie d’intérêt grâce à un système de navigation. L’instrument est par exemple fixé à une extrémité d’un bras articulé du robot. Le système de navigation permet de déterminer la position de l’instrument et la position de l’anatomie d’intérêt. Les informations sur les positions respectives de l’instrument et de l’anatomie d’intérêt l’une par rapport à l’autre permettent au robot de configurer son bras articulé de telle sorte que l’instrument soit positionné de manière optimale par rapport à l’anatomie d’intérêt.

Dans le cas d’un système de navigation optique, on place en général un dispositif de suivi optique sur la peau du patient à proximité de l’anatomie d’intérêt. Ce dispositif de suivi comporte généralement au moins trois marqueurs optiques pour permettre au système de navigation de déterminer précisément la position du dispositif de suivi. La position de l’anatomie d’intérêt peut ensuite être déterminée à partir de la position du dispositif de suivi et à l’aide d’une image médicale sur laquelle est visible à la fois l’anatomie d’intérêt et le dispositif de suivi (ou une partie au moins du dispositif de suivi).

Pendant l’intervention, l’anatomie d’intérêt peut être en mouvement, par exemple à cause des mouvements respiratoires du patient. Il convient donc de pouvoir suivre la position de l’anatomie d’intérêt au cours du temps à l’aide du système de navigation. Toutefois, la ligne de vue entre un marqueur optique du dispositif de suivi et un capteur optique du système de navigation peut être coupée par un obstacle (par exemple par le praticien, par l’instrument ou par le bras articulé du robot), et cela peut gêner la détermination de la position du dispositif de suivi.

Les différents marqueurs optiques sont parfois collés individuellement sur la peau du patient. Outre le fait que cela représente un processus relativement long et complexe, l’adhésion des marqueurs optiques à la peau du patient est parfois insuffisante et ils peuvent être décollés par inadvertance par le praticien pendant l’intervention. Dans certains cas, les marqueurs optiques sont tous fixés sur une même bande adhésive destinée à être collée sur la peau du patient pour entourer la zone d’intervention. Dans tous les cas, les marqueurs optiques ne doivent pas être occultés par le champ stérile qui recouvre le patient. Il est donc nécessaire de découper une grande ouverture ou plusieurs ouvertures à différents endroits dans le champ stérile, ce qui n’est pas souhaitable car il est nécessaire de désinfecter la peau du patient au niveau de ces zones d’ouverture.

La demande de brevet US 2020/0008897 A1 décrit un dispositif de suivi comprenant une couche de base servant de champ stérile, plusieurs marqueurs optiques fixés sur la face extérieure de la couche de base, et un matériau adhésif sur la face intérieure pour coller la couche de base sur la peau du patient. Lors de l’intervention, une incision est effectuée sur le patient à travers la couche de base du dispositif de suivi (autrement dit il faut inciser simultanément la couche de base et la peau du patient car toute la surface de la couche de base est adhésive). Toutefois, ce type de dispositif n’est pas adapté à des interventions percutanées. En effet, pour une intervention percutanée, le principe est d’insérer des aiguilles directement à travers la peau du patient, sans incision préalable, afin de réduire les risques de contamination du patient. Il est également fréquent dans ce type d’intervention de traiter plusieurs lésions, ou de traiter une lésion à l’aide de plusieurs aiguilles via des trajets différents. Ainsi, l’incision simultanée du dispositif de suivi et du patient n’est pas réalisable dans le cadre de cette pratique mini-invasive.

Les solutions proposées dans la présente demande ont pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.

A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé un dispositif de suivi optique pour le suivi des mouvements d’une anatomie d’intérêt d’un patient pendant une intervention médicale mini-invasive. Le dispositif de suivi optique comprend une couche de base servant de champ stérile et présentant une face intérieure destinée à être orientée vers la peau du patient et une face extérieure opposée à la face intérieure. La couche de base comprend une région d’intervention correspondant à une ouverture ou à une région destinée à être découpée pour laisser apparente une zone de la peau du patient où l’intervention doit avoir lieu. La couche de base comprend également une région de marquage qui entoure au moins partiellement la région d’intervention. La région de marquage comporte sur la face intérieure, un matériau adhésif pour fixer le dispositif de suivi optique sur la peau du patient. La région de marquage comporte sur la face extérieure, au moins trois marqueurs optiques ou au moins trois supports de fixation destinés à accueillir chacun un marqueur optique. La région de marquage comporte également un capteur à fibre optique solidaire à la couche de base et présentant au moins un point de mesure associé à chacun des marqueurs optiques ou des supports de fixation.

Le dispositif de suivi optique est particulièrement facile à installer sur le patient puisque l’ensemble des marqueurs optiques ou l’ensemble des supports de fixation pour les marqueurs optiques sont solidaires les uns des autres. Il suffit d’appliquer le matériau adhésif sur la peau du patient pour installer le dispositif de suivi optique.

Le dispositif de suivi optique présente un encombrement minimal de la zone d’intervention. La configuration étendue du dispositif de suivi avec une répartition ponctuelle des marqueurs optiques permet en effet au praticien d’avoir un accès dégagé à la zone d’intervention.

La configuration du dispositif de suivi permet d’optimiser son adhésion à la peau du patient, ce qui permet de limiter le risque de déplacement involontaire d’un marqueur optique au cours de l’intervention. La surface d’adhérence du matériau adhésif peut en effet être optimisée grâce à la connaissance a priori de l’emplacement des marqueurs optiques sur le dispositif de suivi.

Le dispositif de suivi permet également de réduire la surface à désinfecter sur la peau du patient. En effet, le dispositif de suivi intègre à la fois le champ stérile et les marqueurs optiques (ou les supports de fixation pour les marqueurs optiques) et la surface à désinfecter correspond uniquement à l’ouverture du champ stérile correspondant à la région d’intervention.

Le capteur à fibre optique permet d’obtenir une information sur la position relative dans l’espace des marqueurs optiques les uns par rapport aux autres. Ainsi, même si certains marqueurs optiques ne sont pas visibles par le dispositif de localisation (par exemple si la ligne de vue entre le dispositif de localisation et un marqueur optique est coupée par un obstacle), il reste possible d’estimer la position des marqueurs optiques qui ne sont pas visibles à partir de la position d’au moins un marqueur optique visible et des positions relatives des marqueurs optiques les uns par rapport aux autres.

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif de suivi optique peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de réalisation, la couche de base est une feuille de polyéthylène doublée d’une feuille absorbante de cellulose.

Dans des modes particuliers de réalisation, la région d’intervention est prédécoupée dans la couche de base.

Dans des modes particuliers de réalisation, la couche de base comporte des indications visuelles délimitant la région de marquage.

Dans des modes particuliers de réalisation, le matériau adhésif prend la forme d’une bande adhésive reliant entre eux les différents points où sont situés les marqueurs optiques ou les supports de fixation. La bande adhésive permet d’assurer un lien semi-rigide entre les marqueurs optiques, ce qui facilite leur installation et optimise leur stabilité.

Dans des modes particuliers de réalisation, la bande adhésive est un film en polyéthylène enduit d’un adhésif acrylique ou un tissu en rayonne recouvert d’un adhésif acrylique.

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif de suivi comporte en outre au moins trois marqueurs radio-opaques chacun rigidement lié respectivement à un marqueur optique ou à un support de fixation. Les marqueurs radio-opaques sont destinés à repérer la position du dispositif de suivi optique dans une image médicale.

Dans des modes particuliers de réalisation, les marqueurs optiques sont actifs, chaque marqueur optique actif étant configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente.

Dans des modes particuliers de réalisation, les marqueurs optiques sont passifs, et le dispositif de suivi comporte au moins quatre marqueurs optiques.

Selon un deuxième aspect, il est proposé un système de navigation optique comportant :

un dispositif de suivi optique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le dispositif de suivi optique étant équipé de marqueurs optiques,
un dispositif de mesure configuré pour coopérer avec le capteur à fibre optique pour déterminer une position relative de chacun des marqueurs optiques dans un référentiel du dispositif de mesure,
un dispositif de localisation configuré pour coopérer avec les marqueurs optiques pour déterminer une position de chacun des marqueurs optiques dans un référentiel du dispositif de localisation.

Dans la présente demande, un marqueur optique est considéré comme « actif » lorsqu’il est configuré pour émettre directement un signal optique sans que ledit signal ait été généré par un autre élément. Par opposition, un marqueur optique est considéré comme « passif » lorsqu’il est configuré pour réfléchir un signal optique généré par un autre élément.

Selon un troisième aspect, il est proposé un procédé de navigation utilisant un système de navigation optique tel que présenté ci-avant. Le procédé comporte les étapes suivantes :

une détermination, à l’aide du dispositif de localisation, de la position d’au moins un marqueur optique visible pour le dispositif de localisation,
une identification dudit au moins un marqueur optique visible parmi l’ensemble des marqueurs optiques,
une détermination, à l’aide du dispositif de mesure, des positions relatives de l’ensemble des marqueurs optiques les uns par rapport aux autres,
une détermination de la position d’au moins un marqueur optique qui n’est pas visible pour le dispositif de localisation à partir de la position du marqueur optique visible et des positions relatives des marqueurs optiques les uns par rapport aux autres,
une estimation de la position du dispositif de suivi optique à partir des positions d’au moins trois marqueurs optiques.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, les marqueurs optiques sont actifs, chaque marqueur optique est configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente, et l’identification dudit au moins un marqueur optique visible est effectuée en identifiant la modulation du signal infrarouge émis par ledit marqueur optique.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, les marqueurs optiques sont passifs, le dispositif de marquage optique comporte au moins quatre marqueurs optiques passifs, les distances entre deux marqueurs optiques pris deux à deux diffèrent toutes d’au moins une valeur de marge prédéterminée, et le procédé comporte en outre les étapes suivantes :

une détermination, à l’aide du dispositif de localisation, de la position d’au moins trois marqueurs optiques visibles pour le dispositif de localisation,
une identification desdits trois marqueurs optiques, parmi l’ensemble des marqueurs optiques, à partir des distances entre deux marqueurs optiques déterminées pour au moins deux paires différentes de marqueurs optiques formées parmi lesdits au moins trois marqueurs optiques visibles.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé de navigation comporte une étape préalable de génération, pour chaque marqueur optique, à l’aide du dispositif de localisation et du dispositif de mesure, d’un modèle représentatif d’un mouvement sensiblement cyclique dudit marqueur optique. L’identification dudit au moins un marqueur optique visible est alors effectuée en identifiant le modèle correspondant au mouvement dudit marqueur optique visible.

Présentation des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 4 qui représentent :

une représentation schématique de la face extérieure d’un exemple de réalisation d’un dispositif de suivi optique selon l’invention,

une représentation schématique de la face intérieure du dispositif de suivi optique représenté à la ,

une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un système de navigation optique utilisant un dispositif de suivi représenté aux figures 1 et 2,

une représentation schématique des étapes principales d’un procédé de navigation optique utilisant un système de navigation représenté à la .

Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un exemple de réalisation d’un dispositif 10 de suivi optique selon l’invention.

Le dispositif 10 de suivi optique est destiné à être installé sur la peau d’un patient, à proximité d’une anatomie d’intérêt du patient sur laquelle une intervention médicale mini-invasive doit être effectuée.

L’anatomie d’intérêt correspond par exemple au foie, à un poumon, un rein, un os, etc. L’intervention médicale mini-invasive vise par exemple à biopsier ou à ablater une lésion dans l’anatomie d’intérêt (par exemple un kyste, une tumeur, etc.). L’ablation de la lésion peut être effectuée par différentes méthodes (radiofréquences, micro-ondes, cryothérapie, laser, électroporation, ultrasons focalisés, etc.). Il convient alors de positionner ou de déplacer de manière très précise un instrument médical (par exemple une aiguille, un cathéter, une électrode, un générateur d’ultrasons, un foret de perçage, etc.) par rapport à l’anatomie d’intérêt du patient. Comme cela sera détaillé par la suite, un dispositif de localisation peut être utilisé pour estimer la position du dispositif 10 de suivi optique en temps réel. Une image médicale pré-interventionnelle qui représente à la fois l’anatomie d’intérêt du patient et le dispositif 10 de suivi optique peut permettre de déterminer la position de l’anatomie d’intérêt par au rapport dispositif 10 de suivi optique. La connaissance en temps réel de la position du dispositif 10 de suivi optique peut alors permettre de déterminer en temps réel la position de l’anatomie d’intérêt du patient. L’instrument médical peut alors être guidé en temps réel en fonction de la position estimée de l’anatomie d’intérêt du patient. Il convient de noter que la position de l’anatomie d’intérêt et la position du dispositif 10 de suivi changent au cours du temps, notamment en raison des mouvements respiratoires du patient.

Dans la présente demande, l’expression « la position du dispositif 10 de suivi » doit être comprise au sens large, c’est-à-dire qu’elle englobe à la fois la position et l’orientation du dispositif 10 de suivi (le terme « pose » est parfois utilisé dans la littérature anglo-saxonne pour représenter la combinaison de la position et de l’orientation d’un objet). Il en va de même pour l’expression « la position de l’instrument médical » qui doit être entendue comme « la position et l’orientation de l’instrument médical », et pour l’expression « la position de l’anatomie d’intérêt » qui doit être entendue comme « la position et l’orientation de l’anatomie d’intérêt ».

Tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, le dispositif 10 de suivi optique comprend une couche de base 11 qui sert de champ stérile. Cette couche de base 11 présente une face intérieure 11a et une face extérieure 11b. La face intérieure 11a est représentée sur la . La face intérieure 11a est destinée à être orientée vers la peau du patient. La face extérieure 11b est représentée sur la . La face extérieure 11b est opposée à la face intérieure 11a.

La couche de base 11 correspond à un drap stérile. La couche de base 11 comporte par exemple une feuille de polyéthylène doublée d’une feuille absorbante de cellulose. La face intérieure 11a de la couche de base 11 est alors formée par la feuille absorbante de cellulose. La feuille de polyéthylène, qui forme la face extérieure 11b de la couche de base, est de préférence imperméable aux bactéries et aux liquides pour réduire le risque d’infection et de contamination croisée.

La couche de base 11 comprend une région d’intervention 12 qui correspond à une ouverture ou à une région destinée à être découpée pour laisser apparente une zone de la peau du patient où l’intervention doit avoir lieu. Sur les figures 1 et 2, la région d’intervention 12 correspond à la région située à l’intérieur du plus petit rectangle en pointillé.

Dans des modes particuliers de réalisation, la région d’intervention 12 correspond à une zone prédécoupée dans la couche de base 11. La partie du champ stérile formant la région d’intervention 12 peut alors être facilement retirée par le praticien après installation du dispositif 10 de suivi optique sur le patient. Alternativement, la région d’intervention 12 peut être découpée par le praticien sans qu’elle soit prédécoupée. La taille et la forme de la région d’intervention 12 sont adaptées à l’intervention médicale envisagée. La région d’intervention 12 peut être située au centre de la couche de base 11 ou à un autre endroit de la couche de base 11.

La couche de base 11 comprend également une région de marquage 13 qui entoure au moins partiellement la région d’intervention 12. Sur les figures 1 et 2, la région de marquage 13 correspond à la région située entre les deux rectangles en pointillé. Par exemple, et tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, la région de marquage 13 peut prendre la forme d’une bande sensiblement rectangulaire autour de la région d’intervention. La région de marquage 13 pourrait toutefois aussi prendre une autre forme, comme la forme d’une bande sensiblement circulaire, ou la forme d’une bande en arc de cercle, ou d’une bande en forme de C, de U, ou de V qui enceint partiellement la région d’intervention 12.

Tel qu’illustré sur la , la région de marquage 13 comporte sur la face intérieure 11a un matériau adhésif 16 pour fixer le dispositif 10 de suivi optique sur la peau du patient.

Tel qu’illustré sur la , la région de marquage 13 comporte sur la face extérieure 11b au moins trois marqueurs optiques 14 ou au moins trois supports de fixation destinés à accueillir chacun un marqueur optique 14.

Un marqueur optique 14 correspond par exemple à une sphère réfléchissante visible par une caméra stéréoscopique infrarouge (comme par exemple dans la solution de navigation Polaris® de la société Northern Digital Inc.) ou des motifs noir et blanc visibles par une caméra stéréoscopique (comme par exemple dans la solution de navigation MicronTracker® de ClaroNav). Dans ces exemples, les marqueurs optiques sont des marqueurs passifs.

Alternativement, les marqueurs optiques peuvent être des marqueurs actifs configurés pour émettre des signaux infrarouges détectables par une caméra infrarouge. Les marqueurs optiques peuvent comprendre des lentilles rétroréfléchissantes (comme par exemple les lentilles Radix® développées par la société Northern Digital Inc.).

Lorsque les marqueurs optiques 14 sont actifs, il est avantageux que chaque marqueur optique 14 soit configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente. Il est ainsi possible d’identifier chaque marqueur optique 14 parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14 à partir du signal infrarouge émis par ledit marqueur optique 14.

Il est avantageux d’utiliser des marqueurs optiques de petite taille pour limiter l’encombrement du dispositif 10 de suivi optique et faciliter l’accès à la zone d’intervention.

Les marqueurs optiques 14 sont soit directement intégrés à la couche de base 11 (ils peuvent par exemple être thermocollés sur la couche de base 11), soit montés par un opérateur sur les supports de fixation du dispositif 10 de suivi optique.

La position du dispositif 10 de suivi optique est déterminée à partir de la position d’au moins trois marqueurs optiques 14. Le dispositif 10 de suivi optique peut avantageusement comporter un nombre de marqueurs optiques 14 (ou un nombre de supports de fixation pour les marqueurs optiques 14) supérieur à trois. Cela permet d’augmenter les chances d’avoir au moins trois marqueurs optiques 14 visibles à un instant donné même si certains marqueurs optiques sont cachés par un obstacle.

La région de marquage 13 comporte également un capteur à fibre optique 15 solidaire à la couche de base 11. Comme cela sera détaillé par la suite, le capteur à fibre optique 15 est destiné à être connecté à un dispositif de mesure pour déterminer la position relative dans l’espace des marqueurs optiques 14 les uns par rapport aux autres. Dans ce but, le capteur à fibre optique 15 présente au moins un point de mesure associé à chacun des marqueurs optiques 14 ou des supports de fixation. Le capteur à fibre optique peut être formé par une fibre à réseaux de Bragg, comme par exemple dans la solution proposée par la société Sensuron® ou par la société The Shape Sensing Company®. Le capteur à fibre optique 15 peut être positionné aussi bien sur la face intérieure 11a que sur la face extérieure 11b de la couche de base 11.

Un réseau de Bragg est une microstructure résonnante inscrite sur le noyau d’une fibre optique. Cette structure résonnante agit comme un miroir sélectif en fonction de la longueur d’onde (filtre à bande étroite autour d’une longueur d’onde spécifique au réseau de Bragg) : lorsque la lumière parcourt la fibre optique, seule une partie étroite du spectre de la lumière centrée sur la longueur d’onde du réseau de Bragg est réfléchie. Le reste du spectre de la lumière poursuit son chemin le long de la fibre optique jusqu’au prochain réseau de Bragg. La longueur d’onde d’un réseau de Bragg est essentiellement définie par la période de la microstructure et par l’indice de réfraction du noyau de la fibre. La fibre peut contenir différents réseaux de Bragg en série, chaque réseau de Bragg étant associé à une longueur d’onde spécifique. Un dispositif de mesure opto-électronique peut mesurer la longueur d’onde réfléchie par chaque réseau de Bragg. Chaque réseau de Bragg correspond à un point de mesure. Une déformation de la fibre optique entraîne un changement de la période de la microstructure et par conséquent aussi un changement de la longueur d’onde du réseau de Bragg. Il est ainsi possible de déterminer une déformation appliquée à la fibre optique au niveau de chaque réseau de Bragg en mesurant une différence entre une longueur d’onde de référence du réseau de Bragg (longueur d’onde du réseau de Bragg hors déformation) et une longueur d’onde mesurée du réseau de Bragg (longueur d’onde du réseau de Bragg avec déformation). Les mesures des différentes déformations appliquées respectivement au niveau des différents réseaux de Bragg permettent de déterminer leur position relative dans l’espace les uns par rapport aux autres.

La région de marquage 13 intègre différents éléments techniques. Il s’agit d’une zone technique qui ne doit pas être abimée. Dans des modes particuliers de réalisation, la couche de base 11 comporte des indications visuelles qui délimitent la région de marquage 13. Cela permet d’indiquer au praticien une zone du champ stérile qui ne doit pas être découpée.

Le matériau adhésif 16 permet de coller le dispositif 10 de suivi optique sur la peau du patient. Ce matériau adhésif peut être réparti plus ou moins uniformément, et de façon continue ou non, sur la partie de la face intérieure 11a correspondant à la région de marquage 13.

Dans l’exemple considéré et illustré à la , le matériau adhésif 16 prend la forme d’une bande adhésive reliant entre eux les différents points où sont situés les marqueurs optiques 14 ou les supports de fixation.

La bande adhésive est par exemple un film en polyéthylène enduit d’un adhésif acrylique ou un tissu en rayonne recouvert d’un adhésif acrylique. L’utilisation d’un tissu en rayonne permet de conserver un caractère absorbant de la couche de base 11 au contact du patient.

La bande adhésive peut être fixée à la couche de base 11 via une couture ou un collage. La bande adhésive permet d’assurer un lien semi-rigide entre les marqueurs optiques, ce qui facilite leur installation et optimise leur stabilité. La forme de bande permet également de minimiser l’encombrement de la région de marquage 13.

Comme cela a été mentionné précédemment, une image médicale pré-interventionnelle peut représenter à la fois l’anatomie d’intérêt du patient et le dispositif 10 de suivi optique pour permettre de déterminer la position de l’anatomie d’intérêt par au rapport dispositif 10 de suivi optique.

Il peut s’agir par exemple d’une image médicale obtenue par tomodensitométrie (ou « CT-scan » pour « computed tomography scan), par angiographie, ou par résonance magnétique (IRM).

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif 10 de suivi optique comporte au moins trois marqueurs radio-opaques chacun rigidement lié respectivement à un marqueur optique 14 ou à un support de fixation, pour aider à déterminer la position du dispositif 10 de suivi optique sur l’image médicale. Ces marqueurs radio-opaques peuvent être par exemple des billes en céramique ou des adhésifs comportant une encre radio-opaque.

Il convient toutefois de noter que ces marqueurs radio-opaques ne sont pas nécessairement indispensables car la nature des matériaux utilisés pour fabriquer certains éléments du dispositif 10 de suivi optique (notamment les marqueurs optiques 14) peut parfois permettre de visualiser ces éléments sur l’image médicale.

La représente schématiquement un exemple de réalisation d’un système 20 de navigation optique selon l’invention.

Le système 20 de navigation optique comporte un dispositif 10 de suivi optique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédemment décrit. Le dispositif 10 de suivi optique est équipé de marqueurs optiques 14. Dans l’exemple illustré sur la , le dispositif 10 de suivi optique correspond à celui précédemment décrit en référence aux figures 1 et 2.

Le système 20 de navigation optique comporte également un dispositif 40 de localisation configuré pour coopérer avec les marqueurs optiques 14 pour déterminer la position des marqueurs optiques 14 dans un référentiel du dispositif 40 de localisation.

Le dispositif 40 de localisation comporte par exemple une caméra stéréoscopique fonctionnant dans le domaine des rayonnements infrarouges ou dans le domaine de la lumière visible. La caméra stéréoscopique comporte deux capteurs optiques 41 configuré pour recevoir des signaux lumineux issus des marqueurs optiques 14 et pour en déduire la position des marqueurs optiques 14 (à partir d’un temps et/ou d’un angle d’arrivée de chaque signal lumineux). Il peut s’agir de signaux lumineux directement transmis par les marqueurs optiques 14 lorsque les marqueurs optiques 14 sont actifs, ou de signaux lumineux réfléchis par les marqueurs optiques 14 lorsque les marqueurs optiques 14 sont passifs. Une caméra de type ToF (acronyme anglais de « Time of Flight ») ou RGB-D (acronyme anglais de « Red Green Blue – Depth ») peut être utilisée lorsque les marqueurs optiques 14 sont actifs. A titre d’exemple nullement limitatif, la solution de navigation Polaris® proposée par la société Northern Digital Inc. utilise une caméra infrarouge stéréoscopique.

Le dispositif 40 de localisation peut en outre comporter une caméra 42 supplémentaire pour acquérir en continu des images de l’intervention. La caméra 42 peut notamment être intégrée au système de caméra stéréoscopique pour avoir le même axe de champ de vision. La caméra 42 peut par exemple être utilisée pour suivre l’insertion de l’instrument médical et pour estimer la profondeur d’insertion de l’instrument médical à un instant donné.

Dans l’exemple considéré et illustré sur la , un patient 50 est positionné sur une table d’intervention 70 pour subir une intervention médicale mini-invasive sur une anatomie d’intérêt. Le dispositif 10 de suivi optique est positionné sur la peau du patient 50 à proximité de l’anatomie d’intérêt. Un robot médical 60 est utilisé pour assister le praticien pendant l’intervention. Le robot médical comporte par exemple un bras articulé au bout duquel est fixé un instrument médical.

Le dispositif 40 de localisation a pour objectif de déterminer en temps réel la position des marqueurs optiques 14 pour en déduire la position du dispositif 10 de suivi optique afin de déterminer in fine la position de l’anatomie d’intérêt. Le dispositif 40 de localisation peut également être configuré pour déterminer la position de l’instrument médical à l’aide d’un autre dispositif de suivi optique positionné sur le robot médical 60 ou directement sur l’instrument médical. La position de l'instrument médical peut aussi être déterminée à l’aide de la caméra 42. Lorsque les positions respectives de l’instrument médical et de l’anatomie d’intérêt l’une par rapport à l’autre sont connues (par exemple dans un référentiel du dispositif 40 de localisation), il est possible de configurer le bras articulé du robot médical 60 pour positionner l’instrument médical de façon optimale par rapport à l’anatomie d’intérêt.

Le dispositif 40 de localisation comporte par exemple une unité de contrôle comportant un ou plusieurs processeurs configurés pour déterminer les positions respectives de l’anatomie d’intérêt et de l’instrument médical l’un par rapport à l’autre, ainsi qu’un module de communication configuré pour transmettre ces informations au robot médical 60.

Le système 20 de navigation optique comporte également un dispositif 30 de mesure configuré pour coopérer avec le capteur à fibre optique 15 pour déterminer la position relative de chacun des marqueurs optiques 14 dans un référentiel du dispositif 30 de mesure. Le capteur à fibre optique 15 est par exemple connecté au dispositif 30 de mesure une fois que le dispositif 10 de suivi optique est positionné sur le patient 50.

Le dispositif 30 de mesure et le capteur à fibre optique 15 forme un dispositif redondant par rapport dispositif 40 de localisation pour déterminer la position des marqueurs optiques 14. C’est particulièrement utile lorsqu’un ou plusieurs des marqueurs optiques 14 ne sont pas visibles par le dispositif 40 de localisation. C’est le cas par exemple lorsque la ligne de vue entre un capteur optique 41 et un marqueur optique 14 est interrompue par un obstacle (par exemple le praticien, un opérateur, le bras articulé du robot médical 60, l’instrument médical, etc.). Lorsqu’un marqueur optique 14 n’est pas visible, le dispositif 40 de localisation ne peut pas déterminer sa position. Toutefois, si au moins un marqueur optique 14 est visible et peut être identifié parmi l’ensemble des marqueurs optiques, et si la position relative de chacun des marqueurs optiques 14 les uns par rapport aux autres est connue, alors il est possible d’en déduire la position de tous les marqueurs optiques 14.

Il est ainsi possible de compléter les informations obtenues par le dispositif 40 de localisation avec les informations fournies par le dispositif 30 de mesure. Ceci permet d’optimiser la précision du dispositif 40 de localisation car l’ensemble des marqueurs optiques 14 peuvent être utilisés en permanence.

La décrit schématiquement les principales étapes d’un procédé 100 de navigation optique utilisant un système 20 de navigation tel que décrit ci-avant en référence à la .

Le procédé 100 comporte une étape de détermination 101, à l’aide du dispositif 40 de localisation, de la position d’au moins un marqueur optique 14 visible pour le dispositif 40 de localisation (on entend par là que la ligne de vue entre le marqueur optique 14 et le dispositif 40 de localisation n’est pas interrompue par un obstacle).

Le procédé 100 comporte ensuite une étape d’identification 102 dudit marqueur optique 14 visible parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14. Comme cela sera détaillé par la suite, il existe différentes façons d’identifier un marqueur optique 14 parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14.

Le procédé 100 comporte une étape de détermination 103, à l’aide du dispositif 30 de mesure, des positions relatives de l’ensemble des marqueurs optiques 14 les uns par rapport aux autres.

Le procédé 100 comporte une étape de détermination 104 de la position d’au moins un marqueur optique 14 qui n’est pas visible pour le dispositif 40 de localisation à partir de la position du marqueur optique 14 visible et des positions relatives des marqueurs optiques 14 les uns par rapport aux autres.

Enfin, le procédé 100 comporte une étape d’estimation 105 de la position du dispositif 10 de suivi optique à partir des positions d’au moins trois marqueurs optiques 14.

Il peut y avoir différentes façons d’identifier un marqueur optique 14 parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14.

Selon un premier exemple, si les marqueurs optiques 14 sont actifs, chaque marqueur optique 14 peut être configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente. L’identification 102 d’un marqueur optique 14 visible peut alors être effectuée en identifiant la modulation du signal infrarouge émis par ledit marqueur optique 14.

Selon un deuxième exemple, pour des marqueurs optiques 14 passifs, il est envisageable de placer au moins quatre marqueurs optiques 14 sur le dispositif 10 de suivi optique d’une façon particulière permettant d’identifier des marqueurs optiques de façon non ambigüe dès lors qu’au moins trois marqueurs optiques sont visibles. . Les marqueurs optiques 14 peuvent par exemple être positionnés de telle sorte que les distances séparant deux marqueurs optiques 14 pris deux à deux diffèrent toutes d’au moins une valeur de marge prédéterminée (par exemple, quels que soient les marqueurs optiques considérés, la distance entre deux marqueurs optiques doit différer de 5 mm au moins par rapport à la distance séparant deux autres marqueurs optiques). Lorsque les positions d’au moins trois marqueurs optiques 14 visibles sont déterminées par le dispositif 40 de localisation, il est alors possible d’identifier de façon non ambigüe lesdits trois marqueurs optiques 14 parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14, à partir des distances entre deux marqueurs optiques 14 déterminées pour au moins deux paires différentes de marqueurs optiques 14 formées parmi lesdits au moins trois marqueurs optiques 14 visibles.

Selon un troisième exemple, le procédé 100 peut comporter une étape préalable de génération, pour chaque marqueur optique 14, à l’aide du dispositif 40 de localisation et du dispositif 30 de mesure, d’un modèle représentatif d’un mouvement sensiblement cyclique dudit marqueur optique 14. Dans ce cas, il est possible d’identifier un marqueur optique 14 visible en identifiant le modèle correspondant au mouvement observé dudit marqueur optique 14 visible.

En d’autres termes, dans ce troisième exemple, l’identification 102 d’un marqueur optique visible 14 est effectuée en utilisant conjointement les informations de mouvement fournies par le dispositif 30 de mesure et celles fournies par le dispositif 40 de localisation optique 40. L’identification 102 d’un marqueur optique 14 visible est déterminée par l’analyse des caractéristiques de mouvement de chacun des marqueurs optiques 14, l’appariement entre les informations fournies par le dispositif 30 de mesure et celles fournies par le dispositif 40 de localisation optique 40, et l’utilisation de ces caractéristiques de mouvement pour identifier de manière non-ambiguë le marqueur optique visible. Sous l’hypothèse d’un mouvement sensiblement cyclique, comme c’est le cas pour le mouvement généré par la respiration du patient 50, cette méthode d’appariement peut permettre de reconstruire l’information de localisation complète du dispositif 10 de suivi optique même si un seul des marqueurs optiques 14 est visible. Les caractéristiques de mouvement d’un marqueur optique 14 peuvent par exemple correspondre à une amplitude du déplacement du marqueur optique 14 et/ou à une fréquence de déplacement du marqueur optique 14 selon une direction principale suivi par le marqueur optique 14. Ces caractéristiques forment un modèle représentatif du mouvement du marqueur optique 14 au cours d’un cycle.

Le procédé 100 de navigation optique permet de limiter significativement les problèmes de pertes de ligne de vue tout en gardant une bonne précision grâce à l’utilisation conjointe d’une part des informations précises de localisation absolue dans l’espace fournies par le dispositif 40 de localisation, et d’autre part des informations de position relative fournies par le dispositif 30 de mesure.

Dans l’exemple illustré à la , le système 20 de navigation optique peut être utilisé de la façon suivante.

Le patient 50 est mis en apnée, ou bien le praticien demande au patient 50 de retenir sa respiration, et la position des marqueurs optiques 14 est enregistrée (lorsque le patient est en apnée, la position des marqueurs optiques 14 est fixe).

Une image médicale pré-interventionnelle du patient 50 est acquise pendant que le patient 50 est en apnée. L’image médicale pré-interventionnelle permet de visualiser à la fois l’anatomie d’intérêt du patient 50 et le dispositif 10 de suivi optique. Cela permet de déterminer la position de l’anatomie d’intérêt par au rapport dispositif 10 de suivi optique à l’instant du cycle respiratoire où le patient est en apnée. La connaissance de la position du dispositif 10 de suivi optique à cet instant peut alors permettre de déterminer en temps réel la position de l’anatomie d’intérêt du patient à cet instant. La respiration du patient reprend ensuite normalement.

L’image médicale pré-interventionnelle est utilisée pour planifier l’intervention chirurgicale. Il est par exemple possible de déterminer une trajectoire que doit suivre l’instrument médical lors de son insertion. La trajectoire est par exemple définie à partir d’un point d’entrée au niveau de la peau du patient et d’un point cible au niveau de la lésion à traiter.

En vue d’insérer une aiguille médicale, le patient est remis en apnée à un instant où la position du dispositif 10 de suivi optique est sensiblement à la même position que lors de l’acquisition de l’image médicale pré-interventionnelle (c’est-à-dire sensiblement à la même phase du cycle respiratoire). Cela garantit que l’anatomie d’intérêt est sensiblement à la même position que celle représentée sur l’image médicale pré-interventionnelle utilisée pour planifier l’intervention.

Pendant ces opérations, le praticien peut éventuellement obstruer la ligne de mire d’un ou plusieurs marqueurs optiques 14 du dispositif 10 de suivi optique. Dès qu’au moins un marqueur optique 14 pouvant être identifié parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14 est visible par le dispositif 40 de localisation, la position dispositif 10 de suivi optique peut être déterminée avec une bonne précision grâce à la redondance apportée par le capteur de fibre optique 15 et le dispositif 30 de mesure. Le système 20 de navigation optique peut également permettre de détecter un mouvement inattendu du patient.

Dans certains cas, il est nécessaire d’insérer plusieurs instruments médicaux (ou d’insérer le même instrument médical plusieurs fois) pour atteindre différents points cibles au niveau de la lésion. La configuration du dispositif 10 de suivi permet cela sans contrainte particulière sur le point d’entrée.

La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, les différents dispositifs et méthodes présentés atteignent les objectifs fixés. En particulier, le dispositif 10 de suivi optique est facile à installer, il présente un encombrement minimal de la zone d’intervention, il permet d’optimiser l’adhésion à la peau du patient 50, il permet de limiter la surface à désinfecter sur la peau du patient 50, et il garantit une bonne précision de navigation même si certains marqueurs optiques 14 ne sont pas visibles par le dispositif 40 de localisation.

Il est à noter que les modes de mise en œuvre et de réalisation considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs, et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.

En particulier, le choix d’une dimension, d’une forme ou d’une composition particulière de la couche de base 11 du dispositif 10 de suivi n’est qu’une variante de l’invention. Il en va de même du choix d’une forme particulière de la région de marquage 13, ou d’une position particulière de la région de marquage 13 sur la couche de base 11. Il en va également de même du choix d’une dimension, d’une forme ou d’une position particulière de la région d’intervention 12 sur la couche de base 11.

Comme cela a été expliqué ci-avant, les marqueurs optiques 14 du dispositif 10 de suivi peuvent être aussi bien des marqueurs actifs ou des marqueurs passifs.

Pour le procédé 100 de navigation optique, différentes méthodes ont été présentées pour identifier au moins un marqueur optique 14 visible parmi l’ensemble des marqueurs optiques 14 du dispositif 10 de suivi. D’autres méthodes pourraient toutefois être utilisées dans ce procédé 100, et le choix d’une méthode particulière n’est qu’une variante de l’invention.

Claims

Dispositif (10) de suivi optique pour le suivi des mouvements d’une anatomie d’intérêt d’un patient (50) pendant une intervention médicale mini-invasive, ledit dispositif (10) de suivi optique comprenant une couche de base (11) servant de champ stérile et présentant une face intérieure (11a) destinée à être orientée vers la peau du patient (50) et une face extérieure (11b) opposée à la face intérieure (11a), ladite couche de base (11) comprenant une région d’intervention (12) correspondant à une ouverture ou à une région destinée à être découpée pour laisser apparente une zone de la peau du patient (50) où l’intervention doit avoir lieu, et une région de marquage (13) qui entoure au moins partiellement la région d’intervention (12), ladite région de marquage (13) comportant :
sur la face intérieure (11a), un matériau adhésif (16) pour fixer le dispositif (10) de suivi optique sur la peau du patient (50),

sur la face extérieure (11b), au moins trois marqueurs optiques (14) ou au moins trois supports de fixation destinés à accueillir chacun un marqueur optique (14),

un capteur à fibre optique (15) solidaire à la couche de base (11) et présentant au moins un point de mesure associé à chacun des marqueurs optiques (14) ou des supports de fixation.
Dispositif (10) de suivi optique selon la revendication 1 dans lequel la couche de base (11) est une feuille de polyéthylène doublée d’une feuille absorbante de cellulose.
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la région d’intervention (12) est prédécoupée dans la couche de base.
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la couche de base (11) comporte des indications visuelles délimitant la région de marquage (13).
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le matériau adhésif (16) prend la forme d’une bande adhésive reliant entre eux les différents points où sont situés les marqueurs optiques (14) ou les supports de fixation.
Dispositif (10) de suivi optique selon la revendication 5 dans lequel la bande adhésive est un film en polyéthylène enduit d’un adhésif acrylique ou un tissu en rayonne recouvert d’un adhésif acrylique.
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 comportant au moins trois marqueurs radio-opaques chacun rigidement lié respectivement à un marqueur optique (14) ou à un support de fixation.
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel les marqueurs optiques (14) sont actifs, chaque marqueur optique (14) actif étant configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente.
Dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel les marqueurs optiques (14) sont passifs, et comportant au moins quatre marqueurs optiques (14).
Système (20) de navigation optique comportant :
un dispositif (10) de suivi optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ledit dispositif (10) de suivi optique étant équipé de marqueurs optiques (14),

un dispositif (30) de mesure configuré pour coopérer avec le capteur à fibre optique (15) pour déterminer une position relative de chacun des marqueurs optiques (14) dans un référentiel du dispositif (30) de mesure,

un dispositif (40) de localisation configuré pour coopérer avec les marqueurs optiques (14) pour déterminer une position de chacun des marqueurs optiques (14) dans un référentiel du dispositif (40) de localisation.
Procédé (100) de navigation optique utilisant un système (20) de navigation optique selon la revendication 10, ledit procédé (100) comportant :
une détermination (101), à l’aide du dispositif (40) de localisation, de la position d’au moins un marqueur optique (14) visible pour le dispositif (40) de localisation,

une identification (102) dudit au moins un marqueur optique (14) visible parmi l’ensemble des marqueurs optiques (14),

une détermination (103), à l’aide du dispositif (30) de mesure, des positions relatives de l’ensemble des marqueurs optiques (14) les uns par rapport aux autres,

une détermination (104) de la position d’au moins un marqueur optique (14) qui n’est pas visible pour le dispositif (40) de localisation à partir de la position du marqueur optique (14) visible et des positions relatives des marqueurs optiques (14) les uns par rapport aux autres,

une estimation (105) de la position du dispositif (10) de suivi optique à partir des positions d’au moins trois marqueurs optiques (14).
Procédé (100) de navigation optique selon la revendication 11 dans lequel les marqueurs optiques (14) sont actifs, chaque marqueur optique (14) est configuré pour émettre un signal infrarouge modulé de façon différente, et l’identification (102) dudit au moins un marqueur optique (14) visible est effectuée en identifiant la modulation du signal infrarouge émis par ledit marqueur optique (14).
Procédé (100) de navigation optique selon la revendication 11 dans lequel les marqueurs optiques (14) sont passifs, le dispositif (10) de marquage optique comporte au moins quatre marqueurs optiques (14) passifs, les distances entre deux marqueurs optiques (14) pris deux à deux diffèrent toutes d’au moins une valeur de marge prédéterminée, et le procédé (100) comporte :
une détermination (101), à l’aide du dispositif (40) de localisation, de la position d’au moins trois marqueurs optiques (14) visibles pour le dispositif (40) de localisation,

une identification (102) desdits trois marqueurs optiques (14), parmi l’ensemble des marqueurs optiques (14), à partir des distances entre deux marqueurs optiques (14) déterminées pour au moins deux paires différentes de marqueurs optiques (14) formées parmi lesdits au moins trois marqueurs optiques (14) visibles.
Procédé (100) de navigation optique selon la revendication 11 comportant une étape préalable de génération, pour chaque marqueur optique (14), à l’aide du dispositif (40) de localisation et du dispositif (30) de mesure, d’un modèle représentatif d’un mouvement sensiblement cyclique dudit marqueur optique (14), et dans lequel l’identification (102) dudit au moins un marqueur optique (14) visible est effectuée en identifiant le modèle correspondant au mouvement dudit marqueur optique (14) visible.