Brevet FR2816825A1 — publié le 20020524

La présente invention a pour objet un procédé d'aide à la navigation d'un instrument de chirurgie dans une zone anatomique à explorer et le dispositif de mise en oeuvre dudit procédé. Les dispositifs actuels d'aide à la chirurgie utilisent généralement des tomographes qui permettent de prendre des clichés radiographiques nets d'un seul plan de l'organisme à l'exclusion des autres, ce qui nécessite la prise de plusieurs clichés pour une reconstitution de la zone à explorer. En outre, l'utilisation de cette technique est lourde et onéreuse et est dangereuse pour le patient et le praticien, exposés à des radiations importantes. D'autres procédés connus utilisent des systèmes de radiologie faiblement ionisant dont l'image radioscopique est inscrite sur un écran vidéo après amplification du signal et qui sont constitués d'une part d'un amplificateur de brillance et d'autre part d'une source de rayons X identifiable par un point A et d'une plaque réceptrice en forme de disque de centre B. Le rayonnement émis par la source A est divergent et est contenu dans un cône de grand axe AB. La source et le récepteur sont situés l'un par rapport à l'autre à une distance fixe et sont reliés entre eux par un bras en forme de C qui peut être orienté dans toutes les directions de l'espace au moyen d'une double articulation. La procédure radiologique consiste à intercaler, entre la source A et la plaque B, la partie du corps à explorer qui est alors traversée par les rayons X dont la superposition des éléments traversés est reproduite sur une image plane au niveau de la plaque B selon une projection conique. Toutefois ces dispositifs demandent des calibrages complexes qui sont fréquemment source d'erreurs, et l'acquisition quasi continue de clichés pour connaître la position de l'instrument chirurgical dans la zone à traiter. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'aide à la navigation d'un instrument de chirurgie et le dispositif de mise en ~uvre dudit procédé présentant une grande simplicité d'utilisation tout en évitant une exposition prolongée du patient à la source de rayonnement. Le procédé d'aide à la navigation d'un instrument de chirurgie dans une zone du corps à explorer consiste essentiellement : - dans un premier temps, à prendre à un instant TO, à l'aide d'un appareil radiologique du type comportant un amplificateur de brillance et un bras en forme de C dont l'une des extrémités est munie d'une source émettant un cône de radiation et l'autre extrémité d'une plaque réceptrice, au moins une image pertinente de la zone à explorer dans une direction donnée, puis à mémoriser dans la mémoire d'un ordinateur ladite image et les coordonnées dudit cône de radiation pour conserver en mémoire un cône de radiation virtuel de la zone explorée au temps TO, - dans un deuxième temps, à retirer l'appareil radiologique, à positionner l'instrument chirurgical, associé à des moyens permettant de détecter sa position et son orientation, dans la zone précédemment explorée par l'appareil radiologique, puis à réaliser au moyen d'un calculateur une image finale par projection, dans le référentiel du cône virtuel, de l'image de l'instrument sur l'image radio prise à l'instant TO et à afficher ladite image finale sur un écran de contrôle vidéo. De manière préférentielle, le procédé selon la présente invention consiste dans une première étape à calibrer, en fonction du type d'appareil radiologique, le cône de radiation pour caractériser le mode de projection d'un objet dans ledit cône, - à réaliser au moins une image pertinente dans une direction donnée de la zone anatomique à explorer - à enregistrer dans la mémoire de l'ordinateur d'une part ladite image pertinente et d'autre part la dispersion conique des rayons émis par la source et les coordonnées X, Y, Z du cône de radiation pour former un référentiel virtuel, puis à retirer l'appareil radiologique, - puis dans un deuxième temps à positionner un instrument de chirurgie dans la zone précédemment explorée, - à calculer les coordonnées x, y, z de l'instrument et son vecteur orientation dans le référentiel virtuel puis, par application des critères de dispersion conique auxdites coordonnées virtuelles x, y, z, à calculer, selon le mode de projection conique, les coordonnées x', y', z' de l'image virtuelle de l'instrument, - à afficher sur l'écran vidéo une image finale résultant de la superposition de l'image radioscopique de la zone du corps à explorer et de la projection de l'instrument sur ladite image. L'utilisation d'un cône de radiation comme référentiel a donc pour effet de créer un référentiel virtuel qui n'est pas contraignant pour l'utilisateur et le chirurgien. Ce dernier peut ainsi contrôler sur l'écran vidéo la position relative de l'instrument qui se déplace sur l'image de ladite zone prise préalablement à l'intervention chirurgicale ce qui a pour effet d'éviter au patient une exposition prolongée à la source de radiation qui n'est active qu'au moment de la prise de l'image de la zone à explorer. Il est donc indispensable que le patient conserve la même position entre la prise de l'image de la zone à explorer et l'intervention après le retrait du appareil radiologique. Le dispositif permettant la mise en ~uvre du procédé d'assistance à la navigation d'un instrument de chirurgie dans une zone du corps à explorer est du type comprenant d'une part un appareil radiologique permettant de prendre une photo de la zone du corps à explorer à un instant TO et étant du type constitué d'un amplificateur de brillance et d'un bras en forme de C muni d'un capteur de position et dont l'une des extrémités dudit bras comporte une source émettant un cône de radiation et l'autre extrémité comporte une plaque réceptrice et d'autre part un ordinateur et un écran vidéo. Il se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend des moyens permettant de déterminer la position de l'instrument de chirurgie dans l'espace et en ce que l'ordinateur renferme des moyens électroniques et informatiques permettant de calculer et de mémoriser les coordonnées du cône de radiation de manière à créer une image finale sur un écran vidéo résultant de la projection, dans le référentiel du cône de radiation virtuel, de l'image de l'instrument sur l'image pertinente de la zone à explorer prise à l'instant TO avant l'intervention chirurgicale. Les moyens permettant de déterminer la position de l'instrument dans l'espace et notamment dans la zone explorée par l'appareil radiologique avant l'intervention chirurgicale sont constitués d'un capteur solidarisé à l'instrument et de préférence un capteur électromagnétique associé à une antenne, connectée à l'ordinateur, et placée sur la table opératoire. La position de l'instrument est ainsi déterminée par rapport à l'antenne placée sur la table opératoire. En outre les moyens de détection de la position du bras de l'appareil radiologique de brillance se présentent sous la forme d'un capteur, de préférence électromagnétique, associé à l'antenne placée sur la table opératoire. Ledit capteur permet de saisir les coordonnées du grand axe du cône de radiation au moment de la prise de l'image de la zone du corps à explorer à l'instant TO. Les avantages et les caractéristiques de la présente invention ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. - la figure 1 représente un schéma synoptique du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. - la figure 2 montre l'étape de calibration de l'appareil radiologique pour la détermination du mode de projection conique. - la figure 3 montre l'étape d'acquisition de l'image pertinente de la zone à explorer. - la figure 4 montre l'étape de navigation d'un instrument après retrait de l'appareil radiologique. la figure 5 représente un organigramme décrivant les étapes de déroulement du procédé selon la présente invention dans une application particulière à une broche Kirchner. - la figure 6 représente une vue en perspective schématique de l'instrument sous forme de vecteur équipé de marqueurs destinés à déterminer son orientation. Si on se réfère à la figure 1 on peut voir qu'un dispositif d'aide à la navigation d'un instrument chirurgical comprend un appareil radiologique 1, un ordinateur 2 et un écran vidéo 3. L'appareil radiologique 1 est constitué de manière connue d'un bras 10 en forme de C apte à être orienté dans toutes les directions de l'espace et comportant à l'une de ses extrémités une source 11 de rayons X et à son autre extrémité une plaque réceptrice 12, la distance séparant orthogonalement la source 11 et la plaque réceptrice 12 étant fixe, et d'un amplificateur de brillance 13. La source 11 émet des rayons X dont l'orientation est divergente en formant un cône de radiation (figure 2) et la superposition des éléments traversés du corps à explorer, intercalé entre la source 11 et la plaque réceptrice 12, est reproduite sur une image plane au niveau de cette dernière selon un mode de projection conique, laquelle image est mémorisée dans l'ordinateur 2 et destinée à être affichée à l'écran 3. En outre le bras 1 en forme de C est muni d'un capteur de position 14 tel que par exemple un capteur optique, ultrasonique ou magnétique, référencé, de manière à connaître les coordonnées positionnelles du bras 1. L'ordinateur 2 comprendra pour la saisie des données une carte d'acquisition vidéo haute résolution et une unité centrale pour le traitement des données. L'écran vidéo 3 sera de préférence un écran de type haute résolution pour permettre l'affichage en temps réel de l'image permettant le contrôle du déplacement de l'instrument chirurgical dans la zone à explorer. Le repérage de l'instrument chirurgical 4 dans l'espace est rendu possible à l'aide de capteurs 40 situés sur l'instrument 4 et d'un émetteur 41 à ultrason. Les capteurs 40 seront de préférence des capteurs électromagnétiques permettant de simplifier le traitement des signaux générés par ces derniers. On notera que l'instrument 4 pourra être relié directement par câble à l'ordinateur 2. Le repérage se fera par triangulation de manière à connaître les coordonnées et le vecteur orientation. L'orientation se fera grâce à quatre marqueurs 43 permettant de résoudre 12 équations de projection optique. Une antenne 42 est connectée à une entrée de l'ordinateur 2 pour la saisie des informations provenant des capteurs 40 de l'instrument 4 via l'émetteur 41 et de la position du bras 10 via le capteur 14 en vue de déterminer les coordonnées du grand axe du cône de radiation. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : Etape préliminaire (Fig 2) : - calibrage du cône de radiation 6 afin de caractériser la matrice de projection d'un objet, de type cube 5 ou grille, dans le cône 6. Ceci fera l'objet d'une saisie lors de l'installation du système mais ne devrait pas être renouvelée à chaque étape. Première étape (Fig 3) : positionnement optimal du appareil radiologique 1 de manière à saisir, sous au moins un angle, une image pertinente de la zone du corps à explorer, - saisie de l'image et enregistrement de cette dernière dans la mémoire de l'ordinateur 2 après amplification, Saisie des coordonnées X, Y, Z du cône de projection 6 caractérisé par son grand axe 60, - retrait du bras 10 appareil radiologique 1 de la zone à explorer, Deuxième étape (Fig 4) : - positionnement de l'instrument chirurgical 4, représenté sur la figure par un pointeur, sur la zone anatomique à explorer, dans la même zone que celle précédemment explorée par l'appareil radiologique, à savoir dans la région virtuelle du cône de projection des rayons, - à rapporter, par le calculateur, les coordonnées du pointeur 4', connues par rapport au référentiel commun avec le bras 10 en C, aux coordonnées du cône de radiation, enregistrées lors de la première étape - à appliquer les critères de dispersion conique aux coordonnées virtuelles du pointeur dans le cône de radiation, - à afficher sur l'écran vidéo les coordonnées de l'image 4'du pointeur virtuel 4 projeté sur l'image de la zone à explorer prise à un instant TO dans la première étape de manière à reproduire à l'écran l'image du pointeur virtuel. Le dispositif selon la présente invention présente donc une grande simplicité d'utilisation grâce au référentiel de projection conique de la source et permet au patient dans la deuxième étape correspondant à l'intervention chirurgicale ne peut plus subir d'ionisation du fait du retrait de l'appareil radiologique. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'aide à la navigation d'un instrument (4) de chirurgie dans une zone du corps à explorer comprenant d'une part un appareil radiologique (1) permettant de prendre une photo de la zone du corps à explorer à un instant TO et étant du type constitué d'un amplificateur de brillance (13) et d'un bras (10) en forme de C muni d'un capteur de position (14) et dont l'une des extrémités dudit bras (10) comporte une source (11) émettant un cône de radiation (6) et l'autre extrémité comporte une plaque réceptrice (12) et d'autre part un ordinateur (2) et un écran vidéo (13) caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40,41, 42,43) permettant de déterminer la position de l'instrument (4) de chirurgie dans l'espace et en ce que l'ordinateur (2) renferme des moyens électroniques et informatiques permettant de calculer et de mémoriser les coordonnées du cône de radiation de manière à créer une image finale sur un écran vidéo résultant de la projection, dans le référentiel du cône de radiation (6) virtuel, de l'image de l'instrument (4) sur l'image pertinente de la zone à explorer prise à l'instant TO avant l'intervention chirurgicale. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (40,41, 42, 43) permettant de déterminer la position et l'orientation de l'instrument dans l'espace et notamment dans la zone explorée par l'appareil radiologique avant l'intervention chirurgicale sont constitués de marqueurs (40) solidarisés à l'instrument (4) pour déterminer son orientation et de capteurs (40) associés à un émetteur (41) permettant d'envoyer les signaux de mesure à l'ordinateur (2) via une antenne (42) placée sur la table opératoire pour déterminer les coordonnées de la position de l'instrument (4). 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens de détection de la position du bras de l'appareil radiologique de brillance se présentent sous la forme d'un capteur (14) référencé associé à l'antenne (42) placée sur la table opératoire, ledit capteur permettant de saisir les coordonnées du grand axe du cône de radiation (6) au moment de la prise de l'image de la zone du corps à explorer à l'instant TO. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le capteur (14) est un capteur optique, ultrasonique ou magnétique. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'écran vidéo (3) est un écran haute résolution permettant l'affichage en temps réel de l'image finale.