Brevet FR2849516A1 — publié le 20040702

PROCEDE DE SIMULATION BIOMECANIQUE D'UN ENSEMBLE D'ARTICULATIONS OSSEUSES La présente invention se rapporte au domaine des logiciels de simulation biomédicale. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses d'un patient, et notamment du rachis. Ce procédé permet de calculer, estimer 10 et visualiser les conséquences d'une opération chirurgicale sur une articulation. Le système a été mis au point pour les opérations de la colonne vertébrale et en particulier les techniques de stabilisation de la colonne vertébrale. D'une manière générale, le système permet d'informer le 15 chirurgien sur l'état de l'équilibre du patient. L'art antérieur connaît déjà, par la demande de brevet américain US 5 995 738, un dispositif et une méthode pour faciliter l'implantation de composants artificiels 20 dans les articulations. L'invention décrit des dispositifs et des méthodes destinés à déterminer une position d'implant pour au moins un composant artificiel dans une articulation et à faciliter son implantation. L'invention comprend la création d'un modèle de l'articulation du 25 patient et la création d'un modèle du composant à implanter. Les modèles créés sont utilisés pour simuler le mouvement de l'articulation du patient selon la position du composant. Ce document de l'art antérieur propose donc un moyen de simulation physique et non virtuel pour analyser 30 les mouvements d'une articulation et d'un implant. Il est proposé, dans la demande de brevet américain US 6 205 411, un planificateur de chirurgie assistée par ordinateur et un système de guidage intra-opératif. L'invention concerne un appareil destiné à faciliter 35 l'implantation d'un composant artificiel dans une articulation. L'appareil comprend un prédicteur géométrique et un simulateur biomécanique du mouvement préopératif, c'est-à-dire qu'une série de simulations est effectuée sur l'implant et l'articulation avant de procéder à l'opération. Il est proposé, dans la demande de brevet américain US 5 625 577, une méthode informatique d'analyse de mouvement utilisant la dynamique. L'invention décrit une 10 méthode permettant d'analyser et d'afficher les mouvements d'un être humain. Le corps du sujet est divisé en une pluralité de segments reliés entre eux par des articulations. Une fois le corps modélisé ainsi, il est possible de simuler et d'analyser le mouvement du sujet. Il est également proposé, dans la demande de brevet PCT WO 99/06960, un système et procédé permettant de définir et d'utiliser des comportements destinés à des chaînes articulées dans des animations par ordinateur. En 20 l'occurrence, on définit pour la chaîne articulée au moins une commande telle qu'une commande de forme ou une commande de plan de résolution, et on utilise cette commande comme une contrainte reprise par le moteur d'animation pour l'animation de la chaîne avec une cinématique inverse. 25 Chaque commande comporte au moins deux clés, chaque clé comprenant un couple constitué d'un vecteur de sens effecteur et d'une contrainte associée. Dans le cas des clés de commande de forme, les contraintes associées comprennent une liste d'orientations préférentielles des 30 membres du corps. Dans le cas des clés de commande de plan de résolution, les contraintes associées comportent une orientation préférentielle du plan de résolution. Quels que soient les buts assignés, les clés de commande sélectionnées subissent une interpolation mettant en oeuvre 35 des pondérations appropriées visant à l'obtention d'une contrainte résultante à faire utiliser par le moteur d'animation. L'art antérieur connaît également, par la demande de brevet PCT WO 99/60939, un système chirurgical 5 interactif assisté par ordinateur pour aider le chirurgien à positionner des implants dans le fémur ou des vis dans les pédicules des vertèbres. Ces systèmes apportent une assistance à la navigation. Cependant, c'est une assistance axée principalement sur le positionnement, le repérage et 10 le guidage des ancillaires. Cette technique de navigation chirurgicale est assez répandue, mais ne permet pas de répondre à toutes les interrogations du chirurgien. En effet, l'utilisation de ces systèmes permet de définir la trajectoire optimale de la vis pédiculaire, mais ne permet 15 pas de savoir par exemple, si elle a été placée sur la bonne vertèbre. La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en permettant de simuler 20 une opération de correction locale ou globale de courbures de la colonne vertébrale ou de pose d'implant vertébral à partir d'images radiographiques, de séries d'acquisitions de caractéristiques mesurées in vivo sur le patient et d'une base de données d'implants. La présente invention 25 permet de plus de simuler l'état de la colonne juste après l'opération chirurgicale. L'invention consiste en un système chirurgical assisté par ordinateur, permettant au chirurgien de 30 simuler, en préopératoire, les effets sur le patient de la chirurgie correctrice qu'il envisage de mettre en application. Ce système lui permettant de simuler ainsi plusieurs stratégies opératoires, il offre au chirurgien un outil d'aide au choix de la stratégie opératoire offrant le 35 meilleur compromis entre la stabilisation et la mobilité. A cet effet, la présente invention concerne dans son acception la plus générale un procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses d'un patient, notamment du rachis, comportant: une étape d'enregistrement d'un modèle numérique tridimensionnel représentée au moins en partie par des corps rigides reliés par des articulations, dans une position de référence; * une étape de personnalisation de la géométrie dudit modèle [position relative dans l'espace de chacun desdits corps rigides] par des données spécifiques à un patient dans ladite position de référence [par exemple des 15 radiographies du patient] ; * une étape de personnalisation dudit modèle numérique par particularisation des paramètres d'interaction [de rigidité] de chacune des articulations reliant lesdits corps rigides en 20 fonction des caractéristiques constatées sur le patient; caractérisé en ce que l'étape de particularisation des paramètres d'interaction [de rigidité] consiste à : * acquérir les positions dans l'espace d'une partie au moins des corps rigides, et à procéder à 30 une interpolation pour déterminer la position calculée des autres corps rigides pour construire une table numérique comportant les positions relatives de chacun des corps rigides; * exercer au moins une contrainte déterminée 35 sur le patient et à acquérir une information sur la position générale d'équilibre résultante du patient [autre que la position de référence] ; * déterminer des fonctions analytiques permettant d'approximer les paramètres d'interaction [de rigidité] afin de reproduire les positions relatives mesurées [fonctions desdites contraintes appliquées sur le patient et des modifications géométriques observées sur le patient, et résultant de ces contraintes] et ce 10 pour chaque couple de corps rigide. De préférence, le modèle numérique est défini par des paramètres de positions géométriques des corps rigides et par des paramètres de rigidité des articulations reliant 15 les corps rigides. Avantageusement, l'étape de représentation du résultat d'une contrainte consiste à recalculer le modèle personnalisé [en position d'équilibre] résultant d'un ensemble de contraintes [par exemple implantation d'une 20 prothèse ou d'un implant] comprenant au moins une contrainte statique exercée sur au moins deux corps rigides, et imposant un positionnement relatif avec une raideur très supérieure à celle correspondant à la loi de comportement. Selon une variante, l'étape d'enregistrement du modèle numérique de l'ensemble d'articulations standard consiste à définir une alternance de corps rigides et d'articulations, et à définir pour chacun des couples de corps un ensemble de paramètres numériques caractérisant la 30 raideur globale résultant de l'action de l'ensemble des éléments intercalaires [par exemple disques intervertébraux] et des éléments de liaison [par exemple ligaments] ayant un effet sur les paramètres d'interaction [rigidités] entre les deux corps. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l'étape de personnalisation consiste à acquérir au moins une image de l'ensemble d'articulations d'un patient donné, à extraire de ladite image les informations nécessaires à la 5 construction d'un modèle réel par reconnaissance de la position des articulations visibles dans ladite image, et de modifier le modèle standard en fonction dudit modèle réel. Avantageusement, l'étape d'enregistrement d'un 10 modèle numérique consiste à définir un ensemble standard de données numériques comprenant pour chacune des articulations représentées sous la forme d'un corps rigide: *un premier descripteur géométrique de 15 position de référence, correspondant à la géométrie de l'ensemble d'articulation pour un patient " standard " dans une position "de référence", ledit descripteur étant déterminé pour chaque corps rigide de façon relative par rapport à un corps 20 adjacent; * un deuxième descripteur mécanique d'interaction avec chacun des corps adjacents, ledit descripteur mécanique étant représentatif de la loi de comportement lorsque l'ensemble 25 d'articulation est soumis à l'action d'au moins une contrainte extérieure; l'étape de personnalisation consistant à modifier ledit ensemble standard de données par des données 30 personnalisées. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux 35 figures annexées: - la figure 1 illustre l'architecture de la personnalisation mécanique du modèle; - la figure 2 représente l'architecture générale du simulateur. L'invention se distingue des produits connus de guidage chirurgicaux, utilisés pour assister le chirurgien pendant son opération. En effet, l'invention consiste notamment à modéliser la colonne vertébrale de l'individu 10 qui va être opéré, de simuler la pose de l'implant et de calculer la position d'équilibre de l'individu une fois l'implant posé. Le traitement des données étant logiciel, l'invention concerne aussi l'architecture logicielle mise 15 en place pour la réalisation de l'architecture fonctionnelle. La structure logicielle comprend plusieurs serveurs de bases de données: une base de données utilisateurs, une base de données images, une base de données vertèbres, une base de données patients et une base 20 de données implants. Les données contenues dans ces bases sont interrogées et mises à jour par différents utilisateurs afin de construire le modèle 3D de la colonne du patient puis de simuler les conséquences de la mise en place d'un implant. Le système selon l'invention est un simulateur des conséquences biomécaniques et cinématiques de l'acte chirurgical des traitements des pathologies rachidiennes sur la morphologie du patient. La Figure 2 représente l'architecture générale du simulateur. Il doit permettre à un chirurgien d'optimiser et améliorer la planification de son traitement. Ce simulateur pourra lui apporter une meilleure connaissance des propriétés géométriques et mécaniques des divers tissus de la colonne vertébrale. Il pourra aussi tester différentes approches de son geste pour permettre une correction optimale. Il doit répondre à un besoin de santé, puisque la tendance est à la recherche du confort, de la sécurité, de 5 la qualité et de la fiabilité. L'allègement des traitements médicaux se traduit par une meilleure qualité de vie postopératoire et en particulier par des hospitalisations de fréquence moindre et de durée plus courte. Enfin, il peut également avoir des retombées dans 10 le domaine de l'enseignement pour l'apprentissage des futurs chirurgiens. Le simulateur est un outil d'aide à l'analyse de la faisabilité du geste. Il permet de simuler l'équilibre pré15 opératoire, les efforts intersegmentaires correspondants tenant compte de l'effet des rigidités musculaires et ligamentaires, appréhender l'évolution de cet équilibre et de ces efforts en post-opératoire en fonction des courbures introduites par le chirurgien lors de l'opération. Le 20 chirurgien devra indiquer en entrée la déformée voulue de la zone instrumentée. Pour cela une approche dite " globale " sera utilisée. Deux radiographies sont nécessaires pour la réalisation d'une simulation. Les images à ajouter au 25 système peuvent être: - le fichier résultat de la numérisation (scan) d'une radiographie traditionnelle; - un fichier fourni par un autre appareil de radiologie (radiographie numérique). L'alimentation du système peut être manuelle (un utilisateur va fournir les fichiers d'images au système) ou automatique, les images sont stockées directement par les appareils de radiologie et récupérées via un réseau intranet/internet. Deux sortes de numérisations seront possibles numérisation manuelle: des points spécifiques doivent être repérés manuellement par un acteur sur ces images; - numérisation semi-automatique. Les points spécifiques détectés par la numérisation vont permettre de calculer les coordonnées 3D des vertèbres (données géométriques). Les données géométriques issues des images numériques vont permettre de construire un modèle de la colonne du patient en trois dimensions. Ce modèle résulte de l'adaptation d'un modèle 3D standard, prédéfini dans le système, aux caractéristiques géométriques du patient. L'utilisateur doit pouvoir visualiser le modèle 3D du rachis selon les plans frontal, sagittal et apical; de plus, il doit pouvoir le comparer aux radiographies utilisées pour sa construction. Les caractéristiques mécaniques du patient 20 (résultats issus d'acquisitions (tests cliniques)) permettent de personnaliser le modèle. Pour cette opération, un modèle géométrique standard de la colonne vertébrale est enrichi par les données mécaniques personnelles du patient concerné. Les caractéristiques biomécaniques de la colonne du patient (angle de scoliose, rotation axiale, etc.) sont calculées à partir des radiographies du patient (avant la première simulation), ou à partir du modèle résultant d'une simulation. Certains paramètres pourront être précalculés 30 (pente sacrée, angle d'incidence, gîte sagittale, courbures rachidiennes)sur les radiographies. Lors de la simulation, l'utilisateur doit avoir la possibilité de choisir des segments de colonne sur lesquels il impose des déplacements. Lors de la simulation de 35 l'équilibre, l'utilisateur va pouvoir entrer les valeurs de certains paramètres cliniques qu'il souhaite obtenir pour un segment donné. L'utilisateur doit pouvoir consulter les rigidités du rachis, la graduation sera normée. Le type de la tige utilisée pour déformer un segment peut être choisi parmi plusieurs propositions (rigidité, diamètre, etc.). A la suite d'une manipulation du modèle par l'utilisateur, le logiciel doit vérifier la validité des actions effectuées, et prévenir l'utilisateur de toute incohérence (valeur impossible à obtenir). Le simulateur doit afficher les nouvelles courbures du modèle et la nouvelle position (stature) de l'équilibre du patient. Il doit être possible de comparer la (les) courbure(s) avec la (les) courbure(s) initiale(s) (avec le modèle 3D ou la radiographie). L'évolution relative des efforts intervertébraux est quantifiée et représentée graphiquement. L'utilisateur doit pouvoir comparer les rigidités du rachis avant et après la simulation. Les efforts résultants dans la tige suite aux 20 manipulations effectuées doivent indiquer si la tige va se déformer. Des dossiers patients, contenant les informations concernant la simulation, doivent pouvoir être créés par un utilisateur et maintenus à jour par le système, (sauvegarde 25 de plusieurs simulations dans un même dossier). De plus, le système doit pouvoir retirer ou saisir les informations concernant un patient (âge, poids, taille, etc.) dans des systèmes de données externes, sous réserve de leur existence. Les droits et profils utilisateurs vont permettre de différencier les fonctionnalités disponibles pour chaque utilisateur. En fonction de leurs droits et profils, les utilisateurs auront accès à des interfaces graphiques différentes. De plus, un système de préférence pourra être 35 mis en place pour chaque utilisateur (position des menus, il page d'ouverture etc.), ainsi qu'un mécanisme de traçabilité, qui permettra de suivre les évolutions d'un dossier patient. A tout moment, et en fonction de ses droits, un 5 utilisateur peut avoir accès aux données d'entrées, c'està-dire visualiser, remplacer ou modifier les images utilisées pour la construction du modèle, les points numérisés ou les opérations effectuées pour le traitement semi- automatique de ces images, les implants placés sur le 10 modèle, les caractéristiques mécaniques du patient... L'historique d'une simulation représente la totalité des actions effectuées sur un patient (paramètres de la simulation). L'utilisateur doit pouvoir revenir sur une action passée (changer une radiographie, ressaisir les 15 points pour la numérisation, calculer de nouveaux paramètres cliniques, ou modifier les actions faîtes au cours de la simulation) La Figure 1 représente l'architecture de la personnalisation mécanique du modèle. La personnalisation mécanique du modèle est basée sur trois types de données: - les radiographies du patient avec des repères cutanés; l'acquisition de la courbure générale du rachis 25 sous différentes postures caractéristiques; - des données anthropométriques. A partir de ces données, des traitements utilisant les lois de la mécanique nous permettent d'obtenir 30 - la géométrie du patient - les paramètres cliniques; - le modèle mécanique personnalisé. La numérisation des radiographies du patient nous 35 permet d'obtenir une précision de six points par vertèbre. En effectuant une extrapolation, on arrive à une précision de douze points par vertèbre. L'étape suivante est l'acquisition de la courbure 5 générale du rachis sous différentes postures caractéristiques. Pour ce faire, lors d'un examen clinique, le patient étudié est soumis à une série de tests au cours desquels sera évaluée la ligne générale de la colonne au 10 niveau dorsal. Le positionnement du bassin et des épaules sera nécessaire pour définir les orientations des extrémités de la colonne. Le patient devra être, éventuellement, maintenu au niveau du bassin pour limiter l'intervention des membres 15 extérieurs dans l'établissement de son équilibre général, il sera effectué une acquisition à l'aide d'un appareil, des positions dans l'espace de repères cutanés identifiables liés aux vertèbres scoliotiques par rapport à un référentiel connu. Une acquisition sera effectuée patient au repos dans des conditions aussi proches que possible des conditions de prise de la radiographie calibrée patient debout au repos. Cette acquisition sera utilisée pour déterminer la ligne des centres des corps vertébraux à 25 partir de la ligne générale de la colonne. Ceci est rendu possible par le fait que la radio calibrée peut donner les coordonnées de tous ces points grâce aux repères plombés. Le positionnement des vertèbres peut donc être déterminé en fonction des repères cutanés pour une position donnée, 30 debout, au repos. Il sera ensuite établi une transformation corrigée entre les repères cutanés et le positionnement des vertèbres prenant en compte l'influence de la cinématique des vertèbres entre elles lors des mouvements du patient. A partir des données anthropométriques, on détermine les masses segmentaires et les centres de masses, permettant ensuite de déterminer les moments et les centres de masse par niveau vertébral. L'action musculaire sera dissociée de l'action inter segmentaire. Les données disponibles dans la littérature 10 permettent d'évaluer qualitativement la forme des lois de comportement admissibles pour le modèle. Les lois de comportement doivent répondre aux 15 exigences suivantes: - la plupart des lois doivent suivre des comportements impairs; - le comportement asymptotique doit être assuré ; - les phénomènes de couplage sont pris en comptes 20 - la simplicité de calcul. Les lois de comportement devront être recalculées pour chaque niveau vertébral et pour chaque patient afin de prendre en compte les singularités dues aux pathologies 25 étudiées. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même 30 de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS 1 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses d'un patient, notamment du rachis, comportant: une étape d'enregistrement d'un modèle numérique tridimensionnel représentée au moins en partie par des corps rigides reliés par des articulations, dans une position de référence; * une étape de personnalisation de la géométrie dudit modèle [position relative dans l'espace de chacun desdits corps rigides] par des données spécifiques à un patient dans ladite position de référence [par exemple des 15 radiographies du patient] ; * une étape de personnalisation dudit modèle numérique par particularisation des paramètres d'interaction [de rigidité] de chacune des articulations reliant lesdits corps rigides en 20 fonction des caractéristiques constatées sur le patient; caractérisé en ce que l'étape de particularisation des paramètres d'interaction [de rigidité] consiste à : * acquérir les positions dans l'espace d'une partie au moins des corps rigides, et à procéder à 30 une interpolation pour déterminer la position calculée des autres corps rigides pour construire une table numérique comportant les positions relatives de chacun des corps rigides; * exercer au moins une contrainte déterminée 35 sur le patient et à acquérir une information sur la position générale d'équilibre résultante du patient [autre que la position de référence] ; * déterminer des fonctions analytiques permettant d'approximer les paramètres d'interaction [de rigidité] afin de reproduire les positions relatives mesurées [fonctions desdites contraintes appliquées sur le patient et des modifications géométriques observées sur le patient, et résultant de ces contraintes] et ce 10 pour chaque couple de corps rigide. 2 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que le modèle numérique est défini par des paramètres de positions géométriques des corps rigides et par des paramètres de rigidité des articulations reliant les corps rigides. 3 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de représentation du résultat d'une contrainte consiste à recalculer le modèle personnalisé [en position d'équilibre] résultant d'un 25 ensemble de contraintes [par exemple implantation d'une prothèse ou d'un implant] comprenant au moins une contrainte statique exercée sur au moins deux corps rigides, et imposant un positionnement relatif avec une raideur très supérieure à celle correspondant à la loi de 30 comportement. 4 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étape d'enregistrement du 35 modèle numérique de l'ensemble d'articulations standard consiste à définir une alternance de corps rigides et d'articulations, et à définir pour chacun des couples de corps un ensemble de paramètres numériques caractérisant la raideur globale résultant de l'action de l'ensemble des 5 éléments intercalaires [par exemple disques intervertébraux] et des éléments de liaison [par exemple ligaments] ayant un effet sur les paramètres d'interaction [rigidités] entre les deux corps. 5 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de personnalisation consiste à acquérir au moins une image de l'ensemble d'articulations d'un patient donné, à 15 extraire de ladite image les informations nécessaires à la construction d'un modèle réel par reconnaissance de la position des articulations visibles dans ladite image, et de modifier le modèle standard en fonction dudit modèle réel. 6 - Procédé de simulation biomécanique d'un ensemble d'articulations osseuses selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'enregistrement d'un modèle numérique consiste à définir 25 un ensemble standard de données numériques comprenant pour chacune des articulations représentées sous la forme d'un corps rigide: *un premier descripteur géométrique de position de référence, correspondant à la géométrie 30 de l'ensemble d'articulation pour un patient " standard " dans une position "de référence", ledit descripteur étant déterminé pour chaque corps rigide de façon relative par rapport à un corps adjacent; * un deuxième descripteur mécanique d'interaction avec chacun des corps adjacents, ledit descripteur mécanique étant représentatif de la loi de comportement lorsque l'ensemble 5 d'articulation est soumis à l'action d'au moins une contrainte extérieure; l'étape de personnalisation consistant à modifier ledit ensemble standard de données par des données 10 personnalisées.