Brevet FR2699271A1 — publié le 19940617

I PROCÉDÉ DE DÉTERMINATION DU POINT D'ANCRAGE FEMORAL D'UN LIGAMENT CROISÉ DE GENOU La présente invention concerne le domaine du repérage de position d'organes de formes complexes exerçant les uns par rapport aux autres des mouvements complexes. Plus particulièrement, la présente invention vise pour de tels organes à repérer des points d'un organe exerçant des mouvements spécifiques par rapport à un autre organe, par exemple des points d'un organe dont la distance reste invariante lors du déplacement de cet organe par rapport à un autre. La présente invention trouve des applications dans des systèmes mécaniques complexes o il est pratiquement impossible de déterminer par le calcul le mouvement de certains organes par rapport à d'autres Elle trouve notamment des applications dans le cas d'organes physiologiques et sera décrite ici dans le cadre d'une application concernant le domaine de la chirurgie et plus particulièrement la chirurgie orthopédique du genou. Il existe en effet des situations cliniques o il est nécessaire de relier deux organes, en tenant compte de èrtaines contraintes médicales C'est en particulier le cas pour la chi- rurgie du genou, et plus précisément lors de la réfection d'un20 (des) ligament(s) croisé(s) détruit(s) par un traumatisme. Cette intervention consiste à remplacer ce(s) liga- ment(s) par un implant prélevé sur le patient lui-même (généra- lement aux dépens du tendon rotulien) ou par un ligament arti- ficiel Pour être efficace, cet implant doit être à la limite de la tension lors de tous les mouvements normaux (flexion- extension- rotation) du genou S'il est trop tendu, il cassera rapidement; s'il ne l'est pas assez, il n'interdira pas les mouvements anormaux La contrainte médicale se traduit donc dans ce cas par une contrainte d'isométrie: le ligament doit garder une longueur constante lors de mouvements de flexion-extension. Pour cela, il est nécessaire de le positionner de telle sorte que la distance entre ses points d'ancrage fémoral et tibial reste constante Pour déterminer ces points, le chirurgien dispose de connaissances anatomo-physiologiques, qu'il peut compléter par divers dispositifs Le point tibial est en principe facile à voir, tant en chirurgie conventionnelle qu'en arthroscopie car il est bien dégagé et car le chirurgien sait assez précisément o le placer, guidé qu'il est par le bord antérieur du toit de l'échancrure A noter qu'il a été démontré qu'une certaine variation de son emplacement n'avait d'ailleurs que peu de conséquences sur l'isométrie du ligament Le point fémoral est par contre très profond dans la gorge de la trochlée, aussi le chirurgien ne peut-il le déterminer visuel- lement qu'approximativement Or, il a été démontré qu'une faible variation de sa position pouvait perturber considérablement l'isométrie du ligament Aussi, pour guider le choix du point fémoral, certains ont proposé de mettre en place un ressort et de vérifier par des mouvements de flexion-extension que les points d'ancrage o est fixé ce ressort permettent de conserver l'isométrie (et donc l'iso-tension) du ressort. Une fois les points d'ancrage positionnés, il faut pouvoir les viser En effet, pour permettre une fixation solide du ligament, on l'introduit dans deux tunnels fémoral et tibial Le tunnel tibial ne pose aucun problème de réalisation, tant en chirurgie conventionnelle qu'en arthroscopie Le tunnel fémoral peut être réalisé de deux façons: soit de dehors en dedans, soit de dedans en dehors (tunnel borgne) Dans le premier cas (de dehors en dedans), la mèche perce la corti- cale externe du fémur en étant guidée par un viseur pas toujours commode d'emploi et pas toujours aussi précis que souhaité vers le point d'ancrage au niveau de l'échancrure inter-condylienne La broche doit arriver exactement au point d'ancrage, toute erreur à ce niveau ayant, comme cela a été indiqué plus haut, des conséquences néfastes sur l'isométrie du ligament Dans le deuxième cas (de dedans en dehors), la mèche attaque l'échancrure au point isométrique. Les difficultés qui se présentent pour déterminer de façon certaine le point d'ancrage fémoral ainsi que pour être à coup sûr précis dans la technique de forage de dehors en dedans du tunnel fémoral expliquent la difficulté de cette invention, tant en chirurgie conventionnelle qu'en arthroscopie Or, cette intervention: est fréquente: plusieurs milliers de cas par an en France, ce en raison de l'importance de la gêne fonctionnelle induite par la rupture du ligament croisé antérieur, rupture fréquente car consécutive à des accidents survenant lors de la pratique de sports de masse (ski, football, hand-ball, volley ball), a pour ambition de réduire le pourcentage d'évolu- tion arthrosique de ces genoux traumatisés; on admet qu'avec les techniques actuelles de plastie ligamentaire, 50 % de ces genoux traumatisés, opérés ou non, poseront, 25 ans après le traumatisme, le problème d'une prothèse totale de genou. La fréquence et l'enjeu de cette pathologie justifient une amélioration de la technique opératoire dont un des points passe par l'amélioration de l'isométrie du ligament implanté. De façon générale, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un système de détermination d'un point invariant d'un organe mobile par rapport à un autre. Un objet plus particulier de la présente invention est de déterminer la position du point d'attache fémoral d'un ligament croisé. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé d'intervention au niveau du point d'attache préala- blement déterminé. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de détermination de la position d'un point d'un deuxième organe mobile par rapport à un premier organe tel10 que la distance entre ce point du deuxième organe et un point déterminé du premier organe soit sensiblement invariante lors du déplacement du premier organe par rapport au deuxième Ce procédé fait usage d'un système de repérage tridimensionnel de triplets d'éléments émetteurs comprenant notamment un pointeur15 repérable par ce système, et comprend les étapes consistant à lier un premier triplet au premier organe; pointer avec le pointeur la position du point déterminé du premier organe et repérer cette position par rapport à celle du premier triplet; pointer avec le pointeur les positions d'un ensemble de deu- xièmes points situés dans une zone du deuxième organe o est susceptible de se trouver le point invariant; calculer les dis- tances entre le premier point et chacun des deuxièmes points; déplacer le deuxième organe par rapport au premier et calculer les variations desdites distances; et sélectionner parmi les deuxièmes points celui pour lequel ladite distance est sensible- ment invariante. Selon une variante de la présente invention, celle-ci comprend en outre les étapes consistant à lier un deuxième tri- plet au deuxième organe et à repérer les positions des deuxièmes30 points par rapport à ce deuxième triplet. Selon un mode de réalisation de la présente invention, celle-ci comprend en outre l'étape consistant à afficher sur un écran les projections sur un plan des deuxièmes points. Dans une application de la présente invention, le premier organe est un tibia et le deuxième organe est un fémur, le point déterminé du tibia étant un premier point d'attache d'un ligament croisé du genou et le point invariant du deuxième organe étant le point d'attache fémoral de ce ligament croisé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de repérage tridimensionnel est un système à photo- diodes et caméras. Dans une application, le procédé selon l'invention est utilisé pour le positionnement d'un outil sur le point inva- riant, l'outil ou un support de guidage de cet outil est muni d'un triplet d'éléments émetteurs et l'outil ou son support est positionné pour que le point d'action de l'outil passe par le point invariant L'outil est par exemple une perceuse. L'invention prévoit aussi un système de mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente très schématiquement une arti- culation tibio-fémorale; et la figure 2 représente une vue sur un écran de la pro- jection d'un ensemble de points pointés sur une région spatiale déterminée. La présente invention sera exposée plus particuliè- rement dans le cadre de la détermination du point d'attache fémoral d'un ligament croisé de genou. La figure 1 représente très schématiquement un tibia 1 et un fémur 2 Le fémur comprend deux condyles 3 et 4 sur les- quels est articulé le tibia Le ligament détruit à remplacer doit être situé entre un point d'attache tibial Tl et un point d'attache fémoral Fl Comme on l'a indiqué précédemment, le point d'attache Tl peut être déterminé a priori par le chirur- gien à partir d'une observation, tandis qu'en ce qui concerne le point d'attache fémoral, on sait seulement qu'il doit se trouver dans une zone A qui est une portion de la surface de la gorge trochléenne. On connaît des systèmes de repérage de la position d'émetteurs tels que des émetteurs optiques ou infrarouges, mais qui pourraient aussi être des émetteurs de rayonnement à d'autres longueurs d'onde qui utilisent des ensembles de capteurs et déterminent la position de chacun des émetteurs par triangulation Un exemple d'une telle installation appliquée à la détermination de la position de la tête est décrit dans l'article du journal Innovation et Technologie en Biologie et Médecine (ITBM), volume 13, N O 4, 1992, L Adams et al page 410-424 Il existe également des systèmes commercialisés sous la marque "Optotrak" par la société dite Northern Digital. L'un des éléments de la présente invention réside dans l'application de tels systèmes au problème posé. Ainsi, le patient est disposé dans un environnement comprenant des caméras propres à détecter les positions de photoémetteurs Un premier ensemble ou triplet 10 de photoémet- teurs 11, 12, 13 est fixé au tibia en un point 14, par exemple par vissage Un pointeur 20 muni de photoémetteurs 21, 22 et 23 interagissant avec le système de détection permet de déterminer avec précision toute position prise par sa pointe 24 Ce poin- teur est utilisé pour pointer le point Tl Il est alors possible par un système informatique classique de déterminer le vecteur VT 1 reliant le point 14 au point Tl et donc de localiser le point Tl pour toute position du tibia. On utilise ensuite à nouveau le pointeur 20 pour déterminer les coordonnées d'une série de points disposés dans la zone A de la surface de la gorge trochléenne dans laquelle est susceptible de se trouver le point d'attache fém"oral recher- ché Fl et on mémorise la position d'une sucoession de points Fi pointés. Pour simplifier la tâche de celui qui réalise l'ana- lyse, il est possible, par des moyens connus associés aux systèmes de localisation spatiale susmentionnés, et comme cela est représenté en figure 2, d'afficher sur un écran E la locali- sation d'une projection des points Fi sur un plan Ceci permet en particulier de déterminer si l'on a bien analysé toute la surface que l'on souhaitait pointer Par exemple, si on a pointé une série de points Fi indiqués par des ronds en figure 2, on s'apercevra facilement sur l'écran qu'il serait souhaitable de pointer des points supplémentaires, marqués dans la figure par des croix, pour réaliser une analyse régulière de la surface A. Par un traitement informatique classique, on calcule les distances Di entre le point Tl et chacun des points Fi Ces distances sont mémorisées Des programmes pour effectuer ces calculs et ceux mentionnés ci-après peuvent être réalisés pour tout spécialiste de la programmation qui pourra, par exemple, s'inspirer de l'article de P Cinquin et ai, "IGOR: Image Guided Operating Robot", ITBM, Vol 13, N O 4, 1992. Ensuite, le fémur restant fixe, on fait parcourir au tibia son trajet normal de flexion-extension tout en détectant les variations de position résultantes du triplet 10 et corréla- tivement du point Tl Simultanément ou ultérieurement, selon les capacités du système de traitement, on calcule les variations de chacune des distances Di entre le point Tl et chacun des points Fi et on sélectionne comme point d'attache fémoral le point Fl parmi les points Fi pour lequel la variation de distanoe Di a été minimale au cours de ce déplacement. Dans ce qui précède, on a supposé que le fémur restait fixe Pour s'affranchir de cette contrainte, selon un mode de réalisation préféré, il est prévu un deuxième triplet 30 de photoémetteurs, comprenant par exemple trois photodiodes 31, 32, 33, fixé au fémur en un point 34 Le triplet 30 peut être loca- lisé par le système détecteur de la même façon que le triplet 10 et le vecteur V Fi entre le point 34 et chacun des points Fi peut être calculé Ainsi, les points Fi sont localisés même si le fémur se déplace. La présente invention prévoit également d'effectuer une intervention au niveau du point F 1 précédemment déterminé, cette intervention étant exactement située au point Fl Pour cela, la présente invention prévoit un outil d'intervention, par exemple une peroeuse, portant lui aussi des éléments photoémet- teurs pour assurer le positionnement de son point d'action Les photoémetteurs pourront être prévus ou bien sur l'outil lui-même ou bien sur un guide porte-outil ou bien encore sur un instru- ment fixant visuellement la position du point d'intervention souhaité, par exemple un laser éclairant le point Fl Ainsi, par exemple, un chirurgien pourra d'abord positionner un guide de façon souhaitée puis enfoncer une perceuse ou bien à partir du point Fl vers l'intérieur ou bien de l'extérieur du condyle vers le point Fl pour ménager un tunnel débouchant au point Fl. Ensuite, de la façon indiquée précédemment, un tendon naturel ou artificiel pourra être mis en plaoe dans le tunnel ainsi formé. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Notamment, elle pourra être appliquée comme cela a été indiqué précédemment à d'autres domaines qu'au positionnement d'un ten- don croisé tibio-fémoral Egalement, on a prévu précédemment un procédé permettant de sélectionner un point d'un organe tel que25 sa distance reste invariante par rapport à un point d'un autre organe mobile par rapport au premier Le point sélectionné pourra, dans d'autres applications, être choisi en fonction de tout autre critère On pourra par exemple inversement choisir un point présentant un déplacement maximal par rapport à un autre30 ou encore un point présentant un déplacement par rapport à un autre conforme à une fonction souhaitée. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination de la position d'un point d'un deuxième organe mobile par rapport à un premier organe tel que la distance entre ce point du deuxième organe et un point déterminé du premier organe soit sensiblement invariante lors du déplacement du premier organe par rapport au deuxième, ce procé- dé faisant usage d'un système de repérage tridimensionnel de triplets d'éléments émetteurs comprenant notamment un pointeur repérable par ce système, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: lier un premier triplet ( 14) au premier organe; pointer avec le pointeur ( 20) la position du point déterminé (Tl) du premier organe et repérer cette position par rapport à celle du premier triplet; pointer avec le pointeur les positions d'un ensemble de deuxièmes points (Fi) situés dans une zone (A) du deuxième organe o est susoeptible de se trouver le point invariant; calculer les distanoes (Di) entre le premier point et chacun des deuxièmes points; déplaoer le deuxième organe par rapport au premier et calculer les variations desdites distanoes; et sélectionner parmi les deuxièmes points èlui (Fl) pour lequel ladite distance est sensiblement invariante. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à lier un deuxième triplet ( 30) au deuxième organe et à repérer les positions des deuxièmes points par rapport à ce deuxième triplet. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à afficher sur un écran (E) les projections sur un plan des deuxièmes points. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier organe est un tibia ( 1) et le deuxième organe est un fémur ( 2), le point déterminé (Tl) du tibia étant un premier point d'attache d'un ligament croisé du genou et le point invariant (Fl) du deuxième organe étant le point d'attache fémoral de ce ligament croisé. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de repérage tridimensionnel est un système à photodiodes et caméras. 6 Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, au positionnement d'un outil sur le point invariant, caractérisé en ce qu'il consiste à munir l'outil ou un support de guidage de cet outil d'un triplet d'éléments émet- teurs et à positionner l'outil ou son support pour que le point d'action de l'outil passe par ledit point invariant. 7 Application du procédé selon les revendications 4 et 6 à la réalisation d'un perçage passant par le point inva- riant du deuxième ensemble de points, caractérisé en ce qu'il consiste à munir un support de guidage d'un outil de perçage d'un triplet d'éléments émetteur et à positionner ce support pour que l'axe de perçage passe par le point invariant. 8 Système de détermination de la position d'un point d'un deuxième organe mobile par rapport à un premier organe tel que la distance entre ce point du deuxième organe et un point déterminé du premier organe suive une loi prédéterminée lors du déplacement du premier organe par rapport au deuxième, ce système comprenant des moyens de repérage tridimensionnel de triplets d'éléments émetteurs et d'un pointeur, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier triplet ( 14) fixé au premier organe; un pointeur ( 20) pour pointer la position du point déterminé (Tl) du premier organe et les positions d'un ensemble de deuxièmes points (Fi) situés dans la zone du deuxième organe o est susceptible de se trouver le point recherché; et des moyens de calcul de la position du point déterminé par rapport à celle du premier triplet, des distances (Di) entre le premier point et chacun des deuxièmes points, et des il variations desdites distances quand le deuxième organe se déplace par rapport au premier; d'o il résulte que l'on peut sélectionner parmi des deuxièmes points celui (Fl) pour lequel ladite distance suit ladite loi prédéterminée. 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième triplet ( 30) lié au deuxième organe et des moyens de calcul des positions des deuxièmes points par rapport à ce deuxième triplet.