Brevet FR2719760A1 — publié le 19951117

La présente invention concerne un procédé de radioscopie simulée par ordinateur et d'aide à la chirurgie, notamment à la micro-chirurgie. De façon générale, en micro-chirurgie endo-cavitaire, on utilise comme moyen de visualisation opératoire un microscope pour les zones à opérer sensiblement superficielles, et un endoscope pour les zones inaccessibles à une vision directe. Toutefois, la vision par microscope présente des limites puisque c'est une vision directe qui nécessite parfois l'effondrement des structures superficielles avant d'accéder aux structures plus profondes. La vision par endoscope présente alors l'avantage de respecter les structures anatomiques explorées. Cependant, elle peut être gênée par des saignements ou des remaniements anatomiques. Dans les deux cas, les organes de voisinage restent invisibles pour le chirurgien qui risque alors d'endommager un organe noble sans pouvoir le discerner. Il est ainsi évident que la fiabilité de l'opération dépend de la seule expérience du chirurgien, puisqu'il existe dans chaque opération un certain degré d'incertitude non maitrisable. Pour aider le chirurgien, il est devenu courant de procéder avant l'opération à un repérage radiologique par scanographie ou par un moyen d'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM). Tous ces moyens de visualisation, aussi précis soient-ils, restent différés dans le temps par rapport à l'intervention. La radioscopie donne, par contre, des images en temps réel, mais elle présente de nombreux inconvénients liés notamment à son coût, à sa pesanteur qui ralentit l'opération et surtout à l'irradiation du patient et du praticien. Le scanner per-opératoire a pu s'envisager dans des situations exceptionnelles, mais ne peut pas raisonnablement devenir une routine. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients et de permettre au chirurgien un repérage aisé en temps réel de tout microinstrument qu'il utilise sur une image numérique préalablement enregistrée et ceci, sans irradiation per-opératoire. Dans le Panorama du Médecin ni 3905 du 19 novembre 1993, un article intitulé "La médecine touchée par la réalité virtuelle" expose ce que sera la chirurgie dans un proche avenir avec l'utilisation d'images obtenues par scanographie. Dans cet article prospectif, il est précisé que l'image virtuelle en trois dimensions et l'image endoscopique devront être connectées pour atteindre les buts recherchés. Il s'agit donc d'un simple recalage d'images. De façon plus pragmatique et moins prospective, le document EP A-O 326 768 décrit l'utilisation d'un électro-goniomètre dont une extrémité est fixée à l'instrument chirurgical et l'autre à un bloc de référence en forme de bras articulé. Ce dernier est maintenu dans une position constante par rapport au patient au moyen d'une vis introduite dans le tibia du patient. Ce document décrit essentiellement la façon d'aider le chirurgien à positionner un instrument, essentiellement une lame de scie ou un foret, au moyen d'un repérage de la position précise de cet instrument. Le document WO-A-90/09 141 décrit un système mettant en oeuvre un microscope vidéo chirurgical permettant d'obtenir une imagerie chirurgicale sur un moniteur. Cette imagerie est constituée d'un ensemble de vues en coupe transversale et en plan obtenues par interférométrie de moirage, et plus généralement destinée à la micro-chirurgie de l'oeil. Par ailleurs, divers documents, tels que l'article "Virtual Reality Surgical Simulator : The First Steps", publié dans Surg. Endosc., mai-juin 1993, 7(3): pages 203-205, qui décrit diverses perspectives en matière de micro-chirurgie faisant suite à l'utilisation intensive de simulateurs de vol dans l'aviation, ou "Micromachining Technology and Biomedical Engineering", publié dans Appl. Biochem. Biotechnol. en mars 1993, 38(3): pages 233-242, qui précise les progrès apportés dans les oeicro-technologies notamment par la stéréo-télévision et les images virtuelles, montrent qu'il n'y a rien de vraiment concret à ce jour dans le domaine de la micro-chirurgie. L'ensemble de ces documents montre bien que l'on sait acquérir une image numérique par scanographie ou IRM et que les ordinateurs personnels actuellement disponibles ont une puissance de calcul suffisante pour le traitement des images. Par contre, il apparait clairement que les technologies décrites dans ces documents ne maîtrisent pas les moyens de localisation des instruments et le déplacement de ces derniers dans un champ opératoire autrement que par irradiation per-opératoire. En outre, aucun de ces documents ne montre comment un chirurgien peut être efficacement aidé lorsqu'il doit opérer dans une zone sensible et en aveugle. L'invention a donc pour objet un nouveau concept de radioscopie simulée par ordinateur ("RSO") qui est tout à fait souhaitable pour supprimer toute irradiation pendant l'opération, tout en gardant les mêmes possibilités de visualisation en temps réel. La présente invention concerne donc un procédé nouveau et concret de radioscopie simulée par l'ordinateur et d'aide à la chirurgie. Elle trouve ses applications privilégiées en micro-chirurgie endo-nasale ou intra-rachidienne, en neuro-chirurgie intra-cérébrale, notamment en remplacement de la chirurgie stéréotaxique, et également en orthopédie. Selon l'invention, le procédé comporte les étapes suivantes on procède à l'acquisition volumétrique exhaustif d'images numériques par scanographie, moyen d'imagerie par résonance magnétique nucléaire ou équivalent, de la région à opérer; on place sur le patient un jeu de capteurs statiques solidaires d'un tissu osseux solidaire de la région à opérer et déterminant un référentiel de coordonnées au moins tridimensionnelles; on assure une corrélation entre les images numériques acquises et le référentiel précité; on saisit numériquement toutes les caractéristiques utiles des microinstruments que le chirurgien est amené à utiliser pendant l'opération; on fixe sur le micro-instrument utilisé par le chirurgien, de façon verrouillable et en un point déterminé, un capteur topologique dynamique; on détermine à tout instant la position du capteur dynamique par rapport au référentiel précité et l'on calcule la position précise de l'extrémité distale du micro-instrument utilisé; et on affiche en temps réel sur un écran pendant l'opération la position précise au moins de l'extrémité distale du micro-instrument sur l'image numérique correspondant à cette position. De préférence, le capteur topologique dynamique est fixé à la partie proximale du micro-instrument hors du champ opératoire. Les capteurs peuvent faire appel à tous les principes physiques connus (champ électromagnétique, champ optique ou infrarouge, ultrasons, micro-ondes, détecteurs de métaux, etc...), et aux combinaisons de ceuxci. Toutefois, les capteurs de type électromagnétique sont préférés, car ils déterminent un signal en six dimensions comprenant les coordonnées spatiales et les coordonnées angulaires du capteur topologique dynamique. De préférence encore, préalablement à l'opération, on détermine sur l'image numérique les zones dangereuses proches de la région opérée, on enregistre les coordonnées de ces zones, et pendant l'opération, on détermine un signal d'avertissement fonction de la distance entre le micro-instrument et, notamment, son extrémité distale, et la plus proche des zones dangereuses. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit des modes préférés de réalisation donnés à titre non limitatif et à laquelle une planche de dessins est annexée sur laquelle: La Figure 1 représente schématiquement l'installation requise pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; et La Figure 2 représente schématiquement un micro-instrument pourvu de capteurs conformément à l'invention. En référence maintenant aux dessins et, plus particulièrement à la Figure 1, l'installation requise pour la mise en oeuvre du procédé d'aide au chirurgien en micro-chirurgie comprend essentiellement un ordinateur 2 pourvu d'une capacité de calcul importante pour gérer des images en temps réel. Cet ordinateur est relié à un écran 4 formant moniteur pour l'affichage des images traitées et stockées dans une mémoire appropriée 6. Cette mémoire est favorablement reliée par modulateurdémodulateur et ligne téléphonique d'un réseau commuté 8 à un centre de traitement de scanographie 10. En effet, le centre de traitement de scanographie 10 est généralement éloigné de la salle d'opération où va pratiquer le chirurgien, et il est nécessaire qu'il reçoive des images numérisées. Le moniteur peut également recevoir des images issues du microscope et de l'endoscope 12 par l'intermédiaire de l'ordinateur 2. La commande de l'ordinateur par le chirurgien est faite, par exemple, vocalement ou par voie podale, au moyen d'un périphérique d'entrée 14 comportant une touche de validation et de moyens de déplacement d'un curseur accessibles au pied. Un jeu 16 de capteurs statiques est au préalable fixé sur le patient, par exemple sur un tissu osseux solidaire de la région où le chirurgien doit opérer. Par le mot "capteur", on entend un dispositif permettant de repérer au moins une position. Ce jeu 16 de capteurs statiques va permettre de déterminer un référentiel nécessaire pour le suivi du micro-instrument pendant l'opération. Au moins un de ces capteurs statiques pourra favorablement être solidarisé à une zone osseuse, par exemple à la boîte crânienne, avant l'opération proprement dite, tandis qu'un autre sera, par exemple, solidarisé à la voûte palatine au moyen d'un ballonnet gonflable destiné à combler le volume intra-buccal et à limiter les sollicitations mécaniques. Dans la pratique, un seul capteur statique judicieusement disposé suffit, mais l'adjonction d'un deuxième capteur permet de valider l'information à tout moment. En effet, si l'un des capteurs statiques se désolidarise du tissu osseux, son mouvement sera automatiquement détecté par l'autre capteur avant qu'il puisse en résulter la moindre erreur. Un capteur topologique dynamique 18 est verrouillé sur le microinstrument qu'utilise le chirurgien. Habituellement, une dizaine d'instruments suffisent largement pour l'intervention avec, au maximum, deux instruments utilisés simultanément. Le système préféré comprend alors quatre capteurs, deux statiques 16 et deux dynamiques 18 temporairement verrouillés aux instrument utilisés. Lorsque le micro-instrument comporte une partie mobile (microciseaux ou pinces, par exemple), il est nécessaire de connaître son degré d'ouverture. Un capteur analogique 20 de type potentiomètre est alors ajouté au micro-instrument. De préférence, ces capteurs 16 et 18 analysent chacun séparément le champ électromagnétique ambiant émis par l'interface 22. Toutefois, dans ce cas, les micro-instruments sont réalisés dans un matériau non ferromagnétique, par exemple en plastique ou en titane. Alternativement, ces capteurs 16, 18 feront appel à d'autres signaux physiques précités. Les capteurs statiques 16 et dynamiques 18 sont reliés à une interface 22 dont le signal de sortie est appliqué à une entrée de l'ordinateur 2. Ce signal de sortie donne, en temps réel, la mesure de la position précise du capteur dynamique 18 en six dimensions comprenant les coordonnées cartésiennes spatiales du capteur et les coordonnées angulaires de son orientation du type tangage, lacet et roulis. Bien évidemment, avant toute opération, le système est étalonné. On a représenté Figure 2, à titre d'exemple, une micro-pince 24 habituellement utilisée en micro-chirurgie. L'angle d'ouverture B de l'extrémité distale formant pince 26 est mesuré au moyen du capteur analogique 20, tandis que le capteur topologique dynamique 18 est fixé à la partie proximale du micro-instrument en un point déterminé. Il convient de délocaliser le capteur 18, afin que le signal physique, par exemple électromagnétique, n'ait pas à traverser les tissus du patient. En outre, un capteur fixé à la partie distale du micro-instrument serait gênant tant pour la vision du chirurgien que pour sa manipulation. Du fait de la délocalisation du capteur dynamique 18, il est nécessaire de calculer la position précise de l'extrémité distale du micro-instrument en fonction du signal de localisation du capteur et du point précis où il est verrouillé. A cet effet, toutes les caractéristiques utiles des micro-instruments que le chirurgien utilisera au cours de l'opération doivent avoir été préalablement saisies en bibliothèque de l'ordinateur. Avant l'opération, il est également nécessaire d'assurer une corrélation entre l'image numérique stockée en mémoire 6 et le référentiel déterminé par les capteurs statiques 16. A cet effet, le système est initialisé par le chirurgien en touchant, avec son micro-instrument, un point précis du patient, par exemple l'écart inter-incisif ou un canthus externe, point facilement déterminable et sur l'image numérique et sur le patient. Pendant l'opération, le chirurgien peut commander l'ordinateur 2 au moyen du périphérique d'entrée 14 ou vocalement pour sélectionner une fonction, faire un agrandissement d'image, etc... Sur l'écran 4, sont affichées la position précise de l'extrémité distale du micro-instrument et, simultanément, l'image numérique en deux dimensions correspondant à cette position. De préférence, l'écran 4 comporte plusieurs zones permettant d'afficher une pluralité d'images bi-dimensionnelles dans des plans différents de manière à rendre visibles pour le chirurgien des zones voisines qu'il ne peut pas matériellement voir directement, et/ou des images en trois dimensions. Selon un mode préféré de l'invention, avant l'opération, le chirurgien détermine sur l'image numérique les zones dangereuses proches de l'endroit où il va opérer. Les coordonnées de ces zones dangereuses sont alors mises en mémoire 6. Pendant l'opération, l'ordinateur émet un signal d'avertissement lorsque l'extrémité distale du micro-instrument approche d'une de ces zones dangereuses. De préférence, ce signal d'avertissement est un signal sonore dont la fréquence est fonction de la distance exacte entre toute partie du micro-instrument utilisé et la plus proche de ces zones dangereuses. Ce signal d'avertissement peut également être un signal vocal indiquant la distance précise. Ceci permet d'assurer une sécurité notamment lorsqu'une zone dangereuse n'est absolument pas visible directement pour le chirurgien. Selon un mode également préféré de l'invention, l'intégralité des images affichées pendant l'opération est enregistrée en mémoire 6. Cet enregistrement peut alors constituer un compte-rendu magnétique postopératoire. En outre, l'enregistrement peut favorablement être utilisé dans un but pédagogique ou d'analyse post-opératoire. A cet effet, l'enregistrement doit être verrouillé automatiquement pour éviter toute manipulation postérieure des images (par analogie à ce que l'on appelle couramment "boîte noire" en aviation). Un tel verrouillage est nécessaire dans des applications médico-légales de l'invention. Bien que l'on ait représenté et décrit ce que l'on considère actuellement être les modes de réalisation préférés de la présente invention, il est évident que l'Homme de l'Art pourra y apporter différents changements et modifications sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini ci-après. REVENDICATIONS 1 - Procédé de radioscopie simulée par l'ordinateur et d'aide à la chirurgie, selon lequel on procède à l'acquisition volumétrique exhaustive d'images numériques par scanographie, moyen d'imagerie par résonance magnétique nucléaire ou équivalent, de la région à opérer on place sur le patient un jeu de capteurs statiques (16) solidaires d'un tissu osseux solidaire de la dite région et déterminant un référentiel de coordonnées au moins tridimensionnelles on assure une corrélation entre les images numériques acquises et le dit référentiel on saisit numériquement toutes les caractéristiques utiles des microinstruments (24) que le chirurgien est amené à utiliser pendant l'opération ; on fixe sur le micro-instrument (24) utilisé par le chirurgien, de façon verrouillable et en un point déterminé, un capteur topologique dynamique (18); on détermine à tout instant la position du capteur dynamique par rapport au dit référentiel et l'on calcule la position précise de l'extrémité distale du dit micro-instrument (24) ; et on affiche en temps réel sur un écran (4) pendant l'opération la dite position précise au moins de l'extrémité distale du dit micro-instrument (24) sur l'image numérique correspondant à cette position. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dit capteur topologique dynamique (18) est fixé à la partie proximale du dit micro-instrument (24) et hors du champ opératoire de façon à éliminer tout signal physique traversant un tissu du patient. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les dits capteurs (16, 18) sont du type électromagnétique. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dit micro-instrument (24) est réalisé dans un matériau nonferromagnétique. 5 - Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les dits capteurs (16, 18) font appel à au moins l'un des principes physiques choisis dans le groupe comprenant un champ optique ou infrarouge, les ultrasons, les micro-ondes, les détecteurs de métaux, et les combinaisons de ceux-ci. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que les dits capteurs (16, 18) déterminent un signal en six dimensions comprenant les coordonnées spatiales et les coordonnées angulaires du dit capteur topologique dynamique (18). 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système (2, 22, 16, 18) est étalonné préalablement à l'opération. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on détermine, en outre, le degré d'ouverture (B) du micro-instrument (24), si celui-ci comporte une partie mobile (26). 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lton affiche sur le dit écran (4), pendant l'opération, une pluralité d'images numériques en deux dimensions selon des plans différents ou des images numériques en trois dimensions. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, les étapes suivantes préalablement à l'opération, on détermine sur l'image numérique les zones dangereuses proches de la dite région on enregistre les coordonnées des dites zones ; et pendant l'opération, on détermine un signal d'avertissement fonction de la distance entre toute partie du dit micro-instrument (24) et la plus proche des dites zones dangereuses. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, en outre, on enregistre pendant l'opération l'intégralité des images affichées sur le dit écran (4).