Brevet FR2820629A1 — publié le 20020816

PROCEDE POUR LE CALIBRAGE D'UN SYSTEME D'ASSISTANCE POUR INTERVENTION CHIRURGICALE DU TYPE A IMAGERIE MEDICALE La présente invention concerne les dispositifs d'imagerie médicale et notamment les dispositifs permettant à un chirurgien de visualiser la position d'un instrument qu'il utilise sur une modélisation tridimensionnelle de la zone du patient sur laquelle il travaille. De nombreux traitements permettant la reconstruction de modélisations tridimensionnelles à partir d'images fluoroscopiques obtenues au moyen de portique vasculaire, voire au moyen de dispositif à bras support en C, sont déjà connus. Les radiologues et les chirurgiens utilisent de telles reconstructions pour analyser les pathologies et les aider à préparer leurs interventions. Au cours de ces interventions, le chirurgien manipule des instruments (par exemple des aiguilles de biopsie, des seringues, des cathéters, des vis, etc.) sous contrôle par fluoroscopie. Il peut être aidé dans ses opérations par des moyens de localisation qui permettent d'afficher une image du corps du patient sur laquelle appara^'t la position de l'instrument chirurgical utilisé. A cet effet, I'instrument est muni d'un ou plusieurs marqueurs que les moyens de localisation sont aptes à localiser dans l'espace et le système d'imagerie affiche la position de ce ou ces marqueurs dans la représentation tridimensionnelle qu'il donne. Ces marqueurs sont par exemple des sources radiofréquence, des sources d'ultrasons, etc., les moyens de localisation comportant un jeu de capteurs aptes à détecter les signaux émis par les marqueurs et comportant également des moyens de traitement aptes à déduire des signaux reçus des marqueurs la distance entre les capteurs et les marqueurs et à mettre en _uvre une triangulation pour déduire la position de ceux-ci. Dans d'autres variantes de réalisation encore, un marqueur peut être un récepteur, les moyens de repérage comportant des moyens d'émission, par exemple de champ électromagnétique. On pourra par exemple à cet égard avantageusement se référer au brevet US 5.967.980. L'affichage de la position d'un marqueur dans la représentation tridimensionnelle donnée par le système d'imagerie suppose un calibrage précis des moyens de localisation par rapport au repère de la représentation tridimensionnelle. Ce cal ib rage peut par exemp le être réal isé ma n uellement pa r le chirurgien, celui-ci pointant à l'aide de son instrument équipé du marqueur un ou plusieurs points particuliers sur le corps de son patient (par exemple une vertèbre saillante) et pointant le ou les points correspondants sur l'image tomographique. Mais on comprend aisément qu'un tel calibrage manuel, outre qu'il est fastidieux pour le chirurgien, est diffficile à mettre en _uvre avec une grande précision. L'invention propose quant à elle une technique qui permet un calibrage particulièrement fiable et aisé du repère du système de localisation sur le repère de la représentation tridimensionnelle reconstruite. A cet effet, I' invention propose u n procédé pou r le calib rage d ' u n système d'assistance pour intervention chirurgicale comportant un dispositif apte à acquérir des images radiographiques, des moyens pour la construction d'une modélisation tridimensionnelle à partir d'un jeu d'images radiographiques acquis par ce dispositif et des moyens de localisation aptes à localiser dans un repère donné au moins un marqueur disposé sur un outil utilisé lors d'une intervention, caractérisé en ce qu'on place dans le champ du dispositif d'acquisition d'images un jeu d'éléments opaques aptes à apparatre sur les images qu'il acquiert, en ce qu'on détermine la position par rapport au repère de localisation d'un jeu de marqueurs rigidement lié au jeu d'éléments opaques, on détermine automatiquement, en fonction des positions ainsi déterminées pour ces marqueurs dans le repère de localisation, ainsi que des positions des éléments opaques sur les images acquises par le dispositif d'acquisition d'images ou dans la modélisation tridimensionnelle reconstruite à partir de ces images, une transformation à appliquer aux coordonnées dans le repère de localisation d'un marqueur dont la position est déterminée par les moyens de localisation, pour représenter ce marqueur dans le repère de ia modélisation tridimensionnelle. Notamment, dans une variante de mise en _uvre avantageuse, les éléments opaques sont des éléments placés dans le champ du dispositif d'acquisition lors d'une étape de calibrage du traitement de construction de la modélisation trid imension nel le. ces éléments opaques éta nt rig id eme nt liés à un jeu de marqueurs. En particulier, les éléments opaques sont préférentiellement les éléments opaques d'une hélice fantôme utilisée lors d'une étape de calibrage du traitement de construction de la modélisation tridimensionnelle, le cylindre qui porte ces éléments opaques portant également le jeu de marqueurs. Dans une autre variante, également avantageuse, les marqueurs du jeu utilisé pour le calibrage du système d'assistance sont des éléments opaques, ces marqueurs opaques étant placés dans le champ du dispositif d'acquisition pendant une étape d'acquisition d'image sur un patient. Notamment, les marqueurs opaques peuvent être directement disposés sur le patient. L'invention concerne également un système d'assistance pour intervention chirurgicale comportant un dispositif apte à acquérir des images radiographiques, des moyens pour la construction d'une modélisation tridimensionnelle à partir d'un jeu d'images radiographiques acquis par ce dispositif et des moyens de localisation aptes à localiser dans un repère donné au moins un marqueur disposé sur un outil utilisé lors d'une intervention, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement aptes à mettre en _uvre automatiquement les traitements de détermination du procédé précité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non iimitative et doit être lue en regard des dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant un mode de mise en _uvre possible de l'invention; - la figure 2 est un schéma illustrant un autre mode de mise en _uvre possible pour l'invention. On a représenté sur la figure 1 un dispositif d'imagerie qui comporte des moyens de prise d'images 1 par fluoroscopie sous rayons X, montés sur un portique 2 du type à bras en C apte à être entrané en rotation autour d'une table d'opération 3 sur laquelle le patient est destiné à être allongé. Un système de localisation est prévu pour permettre de localiser un ou plusieurs marqueurs par rapport à un repère donné. Notamment, il peut être prévu qu'un marqueur est une source ou un récepteur radiofréquence ou encore une source ou un récepteur d'ultrasons et que le système de localisation comporte des capteurs ou des émetteurs qui sont aptes à détecter les signaux émis par ce marqueur ou à émettre des signaux à destination de celui-ci, le système de localisation comportant des moyens de traitement pour, par exemple par triangulation, déterminer la position du marqueur en fonction des signaux reçus. Le repère du système de localisation est par exemple un repère fixe par rapport à la salle d'opération ou par rapport à la table 3; il peut également étre constitué par un repère fixe par rapport au portique 2. C'est le cas qui est illustré sur la figure 1, sur laquelle on a représenté une pluralité de capteurs 4 fixés sur un module 1 a d'émission de rayons X. La position du marqueur par rapport au repère du système de localisation n'est alors déterminée que lorsque le portique 2 est à l'arrêt, par exemple dans sa position telle que représentée sur la figure. Selon une première technique possible de calibrage, on place un jeu de marqueurs 5a, 5b et 5c (au moins 3) sur une hélice 6 du type de celles qui sont classiquement utilisées pour calibrer une reconstruction tridimensionnelle par rapport aux images 2D obtenues par un dispositif d'acquisition. Une telle hélice 6 - constituée d'un support cylindrique en Plexiglas intégrant une pluralité d'éléments ponctuels opaques 6a répartis de façon hélicodale sur ledit support - et le traitement de calibrage de la reconstruction tridimensionnelle correspondant sont notamment décrits dans le brevet US 5,442,674. Une fois l'hélice 6 installée sur la table 3, par exemple dans l'axe de rotation du portique 2 à bras en C, on acquiert un jeu d'images de cette hélice 6 et de ces éléments ponctuels opaques. Une unité de traitement 7 associée aux moyens de prise d'images met en _uvre un traitement du type de celui décrit dans le brevet US 5,442,674 précité. La mise en _uvre de ce traitement par ladite unité 7 lui permet de déduire une transformation mathématique (rotation/translation) qui permet de passer du repère de la reconstruction tridimensionnelle à un repère donné lié à l'hélice 6. Par ailleurs, le système de localisation et les capteurs 4 acquièrent en parallèle la position des marqueurs 5a, 5b, 5c que l'on a intégrés à l'hélice 6. Connaissant initialement la position de ces marqueurs sur ladite hélice 6, I'unité de traitement 7 détermine la transformation (rotationitranslation) qui permet de passer du repère lié à l'hélice 6 au repère du dispositif de localisation 4. En combinant les deux transformations ainsi obtenues, I'unité de traitement 7 déduit la transformation rigide qui permet de représenter dans le repère de la reconstruction tridimensionnelle un point dont on conna'^t les coordonnées dans le repère du système de localisation. Selon une autre technique possible illustrée sur la figure 2, I'unité de traitement 7 détermine cette transformation rigide non plus pendant le traitement de calibrage de la reconstruction tridimensionnelle par rapport aux images 2D acquises, mais pendant le traitement d'acquisition des images du patient. A cet effet, on utilise des marqueurs, également référencés par 5a, b et 5c, qui sont des éléments opaques et dont on conna'^tra par conséquent à la fois la position par rapport au repère du système de localisation et la position par rapport au repère utilisé pour la reconstruction tridimensionnelle. Les marqueurs sont par exemple, ainsi qu'illustré sur la figure 2, des marqueurs que l'on positionne sur le patient, par exemple à même la peau de celui-ci, autour de la zone o le chirurgien va réaliser son intervention. Ces marqueurs 5a, 5b, 5c peuvent par exemple être collés directement sur la peau du patient 6. Le dispositif de prise d'image 1 ayant au préalable été calibré, on conna^'t pour chaque image 2D acquise par celui-ci le champ de distorsion et la matrice de calibrage exprimée dans son repère. Puis une acquisition tomographique du patient 6 est réalisée. Lors de cette acquisition, N prises de vue sont sélectionnées. Les marqueurs 5a, b, 5c sont détectés sur chacune de ces N images (images non soustraites masquées ou injectées) et les coordonnées bidimensionnelles des marqueurs 5a, 5b, 5c sur les images correspondant à ces prises de vue sont enregistrées pour ces N acquisitions, puis traitées pour en déduire les coordonnées tridimensionnelles des marqueurs dans le repère de la reconstruction tridimensionnelle. D'autre part, le système de localisation 4 des marqueurs fournit les coordonnées de ces marqueurs 5a, 5b, 5c dans le repère de localisation. Dans le cas o le système de loca lisation 4 sera it fixe dans la sal le d'opération ou lié à la table 3, il serait toujours en position de référence et les coordonnées des marqueurs 5a, 5b, 5c seraient toujours détectées dans le repère de référence du dispositif de localisation. Après détermination d'une part des positions de ces marqueurs dans le repère du système de localisation, d'autre part des positions de ces marqueurs sur les images correspondant aux N prises de vue (ou encore - ce qui est équivalent des positions de ces marqueurs dans le repère utilisé pour la reconstruction tridimensionnelle), I'unité de traitement 7 détermine la transformation rigide qui permet de passer d'une position dans le repère de localisation à une position dans le repère de la reconstruction tridimensionnelle. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le calibrage d'un système d'assistance pour intervention chirurgicale comportant un dispositif apte à acquérir des images radiographiques, des moyens pour la construction d'une modélisation tridimensionnelle à partir d'un jeu d'images radiographiques acquis par ce dispositif et des moyens de localisation aptes à localiser dans un repère donné au moins un marqueur disposé sur un outil utilisé lors d'une intervention, caractérisé en ce qu'on place dans le champ du dispositif d'acquisition d'images un jeu d'éléments opaques (6a, 6b, 6c; 5a, 5b, 5c) aptes à appara^'tre sur les images que ledit dispositif acquiert, en ce qu'on détermine la position par rapport au repère de localisation d'un jeu de marqueurs (5a, 5b, 5c) rigidement lié au jeu d'éléments opaques, on détermine automatiquement, en fonction des positions ainsi déterminées pour ces marqueurs (5a, 5b, 5c) dans le repère de localisation, ainsi que des positions des éléments opaques (6a, 6b, 6c; 5a, b, 5c) sur les images acquises par le dispositif d'acquisition d'images ou dans la modélisation tridimensionnelle reconstruite à partir de ces images, une transformation à appliquer aux coordonnées dans le repère de localisation d'un marqueur dont la position est déterminée par les moyens de localisation, pour représenter ce marqueur dans le repère de la modélisation tridimensionnelle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments opaques (6a, 6b, 6c) sont des éléments placés dans le champ du dispositif d'acquisition lors d'une étape de calibrage du traitement de construction de la modélisation tridimensionnelle, ces éléments opaques étant rigidement liés à un jeu de marqueurs(5a, 5b, 5c). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments opaques sont les éléments opaques d'une hélice fantôme (6) utilisée lors d'une étape de calibrage du traitement de construction de la modélisation tridimensionnelle, le cylindre qui porte ces éléments opaques portant également le jeu de marqueurs. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les marqueurs (5a, 5b, 5c) du jeu utilisé pour le calibrage du système d'assistance sont des éléments opaques, ces marqueurs opaques étant placés dans le champ du dispositif d'acquisition pendant une étape d'acquisition d'image sur un patient. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on dispose les marqueurs opaques (5a, 5b, 5c) directement sur le patient. 6. Système d'assistance pour intervention chirurgicale comportant un dispositif apte à acquérir des images radiographiques, des moyens pour la construction d'une modélisation tridimensionnelle à partir d'un jeu d'images radiographiques acquis par ce dispositif et des moyens de localisation aptes à localiser dans un repère donné au moins un marqueur disposé sur un outil utilisé lors d'une intervention, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement aptes à mettre en _uvre automatiquement les traitement de détermination du