Brevet FR3034003A1 — publié le 20160930

Equipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux, d'une prothèse ou d'un implant osseux lors d'une intervention chirurgicale. Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des équipements chirurgicaux et plus précisément des équipements d'aide visuelle du chirurgien. De tels équipements mettent en oeuvre des systèmes magnétiques de localisation spatiale associés au patient et à l'instrumentation pour fournir des signaux de localisation spatiale qui sont traités par un système informatique pour fournir au chirurgien des informations graphiques destinées à l'assister dans une intervention par une visualisation de ces informations sur un écran placé à proximité du champ opératoire. Le terme écran est utilisé de manière générique pour désigner une interface visuelle (éc ran, tablette informatique, projecteur, lunettes). Ce domaine comprend notamment les équipements destinés à l'aide au positionnement adéquat d'un os ou d'un fragment osseux, par exemple du maxillaire lors d'une ostéotomie maxillo-mandibulaire ou dans le cadre de la chirurgie orthopédique, notamment du rachis. Ce domaine comprend également les équipements destinés à l'aide au positionnement de prothèses ou d'implants osseux en chirurgie maxillo-faciale, dentaire ou orthopédique, notamment du rachis. Dans ces applications, le risque d'erreur de position entre ce qui a été planifié et ce qui est effectivement réalisé lors de l'intervention est non négligeable et fondamental pour la sécurité du patient et le succès de l'intervention. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique différentes solutions mettant en oeuvre deux familles de solutions. 3034003 2 La première famille de solutions vise à afficher sur un écran d'ordinateur ou une console à proximité visuelle du praticien. La demande de brevet US2011275957 décrit par 5 exemple un système de navigation chirurgicale pour la chirurgie de remplacement du genou. Il met en oeuvre des capteurs inertiels composées de puces d'inertie à six degrés de liberté, dont les mesures sont traitées par une série d'algorithmes intégration, quaternions, et filtre de Kalman, 10 pour suivre la position et l'orientation des os et des instruments chirurgicaux. Le système enregistre la géométrie anatomique, calcule les centres communs et l'axe mécanique du genou, et détermine en temps réel une visualisation de l'extrémité 15 inférieure pour permettre la projection sur un écran disposé dans le champ opératoire une image agrandie de la zone opératoire. Le brevet européen EP469966 décrit un dispositif 20 chirurgical assisté par ordinateur possédant un système de coordonnées tridimensionnelles de référence qui lui est associé pour assister un chirurgien dans le positionnement d'un instrument chirurgical ou d'un implant lors d'une intervention chirurgicale, ou d'un examen, sur des parties 25 d'un patient, lesdites parties occupant des positions et des orientations dans ou sur ledit patient définies soit par une mesure physique des positions et orientations soit par la communication audit dispositif à partir d'une source d'information d'image extérieure. 30 Ce dispositif comprend : - un moyen de référence possédant un point de référence dans le système de coordonnées de référence disposés à l'extérieur et à côté dudit patient ; - des moyens pour déterminer la position et 35 l'orientation de ladite partie dudit patient dans ledit 3034003 3 système de coordonnées de référence par rapport audit point de référence et pour former des données d'affichage du patient en deux ou trois dimensions, proportionnelles auxdites positions et orientations de ladite partie ; 5 - des moyens de détermination de la position de l'instrument comprenant des moyens de détection pour détecter la position et l'orientation dudit instrument ou implant dans ledit système de coordonnées de référence par rapport audit point de référence et pour former des données d'instrument en 10 deux ou trois dimensions proportionnelles auxdites positions et orientations dudit instrument. Un électrogoniomètre dont une extrémité est lié mécaniquement au patient et est couplé mécaniquement avec le support par un cylindre avec une vis à auto-indexation. 15 Ce dispositif comprend un moyen pour convertir lesdites données d'affichage du patient en signaux objectifs pour présenter un affichage objectif sur lesdits moyens d'affichage et pour convertir lesdites données d'instrument en 20 signaux d'instrument pour présenter la position et l'orientation dudit instrument ou implant sur lesdits moyens d'affichage. La demande de brevet européen EP1523950 décrit un 25 système d'aide à l'implantation d'un implant, comprenant : - un premier élément de localisation fixé à l'implant, avec six degrés de liberté, apte à agir comme un cadre de référence dynamique, - un second élément de localisation pour la 30 détermination de la position d'un second élément de l'implant, avec six degrés de liberté, - un détecteur pour détecter ces éléments de localisation - ledit processeur traitant les informations de 35 position pour déterminer une position relative des deux 3034003 4 éléments et afficher des icônes représentant le premier et le second élément et de permettre ainsi la navigation d'au moins un dudit premier élément et dudit second élément sans nécessiter des images du patient. 5 Une deuxième famille de solutions de l'art antérieur concerne la visualisation d'une représentation symbolique calculée à partir des signaux de localisation. La demande de brevet internationale W0200280824 décrit par exemple un procédé pour assurer une bonne insertion 10 de la tête sphérique d'une prothèse fémorale dans sa cuvette. Le système comprend un outil pour la commande de l'angle mutuel entre la tige de la prothèse et la coupelle en plus d'un système de positionnement pour la définition d'un système de référence et pour la détermination et le réglage du 15 décalage et de la longueur de la jambe. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur présentent différents inconvénients. En premier lieu, certaines solutions prévoient une 20 liaison mécanique entre le référentiel patient et le référentiel mobile, lié par exemple à un ancillaire, pour enregistrer les positions et déplacements relatifs. Une telle liaison limite les gestes chirurgicaux et impose des contraintes sur le déroulement d'une intervention. 25 En second lieu, l'information fournie par les solutions de l'art antérieur produisent une représentation homothétique, c'est-à-dire conservant les angles, les parallèles et les rapports de longueurs de la zone d'intervention chirurgicale, n'apportant de ce fait pas 30 beaucoup d'informations supplémentaires au chirurgien. 3034003 5 Solutions apportées par l'invention Afin de répondre à ces inconvénients, l'invention propose une solution destinée à la visualisation sur un écran bidimensionnel d'un objet-mire tridimensionnel symbolique et 5 la superposition d'une image symbolique de la partie mobile avec des moyens techniques n'introduisant aucune gêne pour le chirurgien et lui permettant d'améliorer son geste chirurgical grâce à l'affichage d'informations intuitives et efficaces. A cet effet, l'invention concerne selon son 10 acception la plus générale un équipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux lors d'une intervention chirurgicale caractérisé en ce qu'il comporte une série de sondes électromagnétiques interagissant avec un générateur de champ électromagnétique et un calculateur traitant les 15 informations pour fournir des signaux à 6 dimensions sur la position et l'orientation de chacune des sondes ainsi qu'un processeur capteur et ordinateur 20 processeur symbolique calcule la position et l'orientation de chaque assure la communication avec l'ordinateur hôte. Cet hôte assure un traitement des signaux provenant du pour générer une représentation graphique sur un écran disposé dans le champ visuel du chirurgien, ledit processeur calculant une représentation graphique symbolique sous forme d'une mire du patient en fonction des coordonnées Cpatient/ en superposition avec la 25 représentation graphique symbolique de la première mire et de la représentation graphique de la seconde mire. De préférence, l'équipement selon l'invention comporte une base comprenant un calculateur relié à des circuits d'interface capteur amplifiant et échantillonnant les 30 signaux électriques provenant des capteurs, et assurant un prétraitement des signaux pour réduire le bruit et les anomalies des données. 3034003 6 L'invention concerne aussi un procédé d'aide au positionnement d'un fragment osseux lors d'une intervention chirurgicale caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 5 o fixation d'un marqueur à six degrés de liberté sur ledit fragment osseux o calibrage de la position relative dudit marqueur par rapport audit fragment osseux o acquisition périodique des coordonnées Cmarqueur dans 10 les six degrés de liberté dudit marqueur dans un référentiel R1 o acquisition périodique des coordonnées CPatient de la position du patient dans ledit référentiel R1 o calcul de la position et de la géométrie d'une 15 représentation graphique bidimensionnelle d'une mire en fonction desdites coordonnées Cmarqueur du marqueur [croix]] o calcul de la position et de la géométrie d'une représentation graphique bidimensionnelle d'une 20 seconde mire en fonction des coordonnées Cz du marqueur selon la position selon une desdits degrés de liberté [cercle] o représentation sur un écran d'affichage d'une représentation graphique du patient en fonction des 25 coordonnées Cpatient/ en superposition de ladite représentation graphique de la première mire et de la représentation graphique de la seconde mire [cible à atteindre]. Avantageusement le procédé selon l'invention 30 comporte une étape initiale de recalcul du référentiel des représentations graphiques sur l'écran d'affichage par rotation globale. 3034003 7 Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux décrite à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins 5 annexés où : la figure 1 représente une vue schématique d'un équipement selon l'invention. Contexte de l'exemple de réalisation 10 Un exemple de contexte est celui de la chirurgie maxillo-faciale (CMF) visant à réparer des malformations des os du visage, en particulier la mauvaise position des mâchoires (rétrognathisme, prognathisme) et l'asymétrie faciale, sont à l'origine de troubles de la mastication, de 15 l'élocution, voire de la perte des dents et de difficultés psycho-sociales venant accompagner une disgrâce faciale. La chirurgie orthognathique consiste à sectionner et repositionner les segments osseux concernés. L'une des étapes les plus cruciales de ce type 20 d'interventions est le positionnement du maxillaire. En effet, ce temps chirurgical, généralement initial, repose sur des mouvements complexes dans les 3 dimensions. Il va servir de référence pour le restant de l'intervention et déterminer son succès et l'apparence finale du patient et son sourire. 25 Cette étape-clef, est délicate, car elle impose au chirurgien de rétablir une anatomie aussi parfaite que possible en termes de symétrie et d'orthogonalité: alignement du milieu entre les incisives supérieures avec l'axe médian de du visage, positionnement horizontal du plan occlusal passant 30 par les dents. Si des repères visuels existent lorsque le chirurgien examine son patient en consultation (ligne horizontale passant par les pupilles, ligne verticale passant par le milieu du visage), ces repères disparaissent chez un 3034003 8 patient installé pour l'intervention chirurgicale dont le visage est recouvert par des draps stériles et déformé par de multiples sondes. Ainsi, en l'absence de repères, le positionnement adéquat du maxillaire repose bien souvent sur 5 l'unique évaluation visuelle et sur l'expérience du chirurgien. Equipement d'acquisition des informations de localisation L'équipement comprend une série de sondes 10 électromagnétiques (1, 2) interagissant avec un générateur de champs et un calculateur traitant les informations pour fournir des signaux à 6 dimensions sur la position et l'orientation de chacune des sondes. Un tel équipement comprend : 15 - une base (4) munie d'un générateur de champ émettant un champ électromagnétique de faible intensité qui définit un espace de détection. Ce générateur de champ comprend une antenne (3) généralement planaire fixée dans le référentiel du bloc opératoire. 20 - optionnellement un générateur de champ de table destiné à minimiser les distorsions de suivi causés par des matériaux conducteurs ou ferromagnétiques - des capteurs électromagnétiques (1, 2) échangeant avec la base des signaux électriques sont fonction 25 de la distance et l'angle entre un capteur et le générateur de champ (3). La base (4) comprend un calculateur relié à des circuits d'interface capteur amplifiant et échantillonnant les signaux électriques provenant des capteurs, et assurant un 30 prétraitement des signaux pour réduire le bruit et les anomalies des données. Le processeur calcule la position et l'orientation de chaque capteur (1, 2) et assure la communication avec l'ordinateur hôte (5). Cet ordinateur hôte (5) assure un 3034003 9 traitement des signaux provenant du processeur pour générer une représentation graphique symbolique sur un écran (6) disposé dans le champ visuel du chirurgien. 5 A titre d'exemple, cet ensemble d'acquisition électromagnétique est un ensemble Aurora® de la société Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Canada. Positionnement des sondes Au moins une sonde (1) est fixée sur le patient 10 (7), par exemple sur son front. Une autre sonde (2), mécaniquement indépendante de la première sonde (1), est fixée sur le maxillaire (8). Une troisième sonde (2') est laissée libre. Les sondes (1, 2, 2') fournissent des informations 15 sur six degrés de liberté. Il s'agit par exemple de capteurs Aurora 6DOF cathéter, de type 2 de la société Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Canada). Elles présentent un diamètre de 1,3 mm et fournissent une information d'orientation avec une précision de (0,5 0) en orientation et 20 de moins d'un millimètre en position. Le générateur de champ est positionné à une distance de consigne de 100 mm latéralement à partir de la zone de positionnement des sondes (1, 2, 2'). L'espace de suivi présente un volume d'environ 25 50x50x50 cm. La fréquence d'acquisition est de 20 Hz. La sonde (1) est fixée à la partie médiane du front à l'aide d'une bande adhésive pour suivre les mouvements de la tête au cours de la procédure. Le capteur (2) est noyé dans une gouttière 30 chirurgicale sur mesure fixée à l'arcade dentaire maxillaire. 3034003 10 Traitement des données fournies par le système de localisation L'ordinateur (5) reçoit les signaux de position et d'orientation des sondes (1, 2, 2') calculés par le processeur de la base (4) pour commander l'affichage d'une représentation 5 symbolique sur l'écran (6). Les données de localisation sont : - Les coordonnées Cmarqueur dans les six degrés de liberté du marqueur (2, 2') dans un référentiel R1 calculées à partir des signaux échangés avec la sonde (2, 2') fixée sur le 10 maxillaire, - Les coordonnées Cpatient de la position dans les six degrés de liberté du patient (7) dans ledit référentiel R1 calculées à partir des signaux échangés avec la sonde (1) fixée sur le patient (7). 15 A partir de ces données, l'ordinateur (5) procède aux traitements suivants : o calcul de la position et de la géométrie d'une représentation graphique bidimensionnelle d'une mire (10) en fonction desdites coordonnées Cmarqueur du 20 marqueur. Cette mire (10) se traduit par une représentation graphique en forme de croix, dont le centre et l'inclinaison sont déterminés par le résultat du calcul.. o calcul de la position et de la géométrie d'une 25 représentation graphique bidimensionnelle d'une seconde mire (11) en fonction des coordonnées Cz du marqueur selon la position selon une desdits degrés de liberté. Cette seconde mire (11) se traduit par une représentation graphique en forme d'anneau, dont 30 le centre et le rayon sont déterminés par le résultat du calcul. o représentation sur un écran d'affichage d'une représentation graphique du patient en fonction des coordonnées Cpatient/ en superposition de ladite 3034003 11 représentation graphique de la première mire (10) et de la représentation graphique de la seconde mire (11) correspondant à la cible à atteindre. 5 Système de navigation Le calcul de navigation commande l'affichage de la position en temps réel des deux modèles symboliques 3D du maxillaire segmenté (8) et squelette facial supérieur (7), sans aucun lien avec la forme réelle de ces deux parties. 10 Pour initialiser la position réelle du modèle facial (7) par rapport au cadre électromagnétique (3) et la position de sa représentation virtuelle, une procédure d'inscription initiale six points est effectuée. Elle consiste à acquitter les données sur six repères anatomiques faciaux, 15 sur le modèle virtuel et sur le patient (7), en utilisant un capteur dédié. La corrélation entre ces deux ensembles de points est établie en calculant la matrice de transformation Tc-rEM (rotation R, translation t) qui minimise la somme ni 11R*pi+t-qi112 où pi et qi désignent les coordonnées des n 20 points d'acquittement respectivement identifiés et mesurés. Une fois calculée, on calcule la position du modèle virtuel m dans le repère lié à (1) qui est égal à TE,4 sonde]. X x m. Cela nous permet de connaître la position du modèle virtuel dans le repère EM quel que soit le mouvement de la 25 tête du patient pendant l'intervention.. On fixe ensuite une gouttière sur l'arcade maxillaire dentaire et on enregistre la position du capteur (2) lorsque le maxillaire est maintenu en position d'étalonnage. Cette étape permet de déterminer la position du 30 maxillaire avant découpe par rapport au capteur (2). Soit M le modèle virtuel du maxillaire, sa position par rapport au repère lié à (2) est calculée de la manière suivante : Tnonci sonde2 x TEMQ sondel x TCTEM x M. 3034003 12 Supposons que la position souhaitée du maxillaire ait été calculée dans le repère lié au CT. Il s'agit d'une rotation et translation définies dans CT TCTtarget à appliquer au modèle virtuel du maxillaire. Il est aisé de calculer ce 5 mouvement souhaité dans le repère mobile (1) Ts°ndel target en se servant de TEM sondel x TCTEM Préalablement calculé. La représentation graphique comprend un réticule de couleur permettant de visualiser l'intersection de deux plans orthogonaux passant par le maxillaire, la sagittal 10 médian et le plan horizontal d'occlusion. Les côtés respectivement droit et gauche du plan vertical sont affichés avec des couleurs différenciées, par exemple rouge et jaune. Les cotés respectivement inférieur et supérieur du plan horizontal nt affichés avec des couleurs 15 différenciées, par exemple bleu et vert). Dans le fond, une croix blanche fixe orthogonale constitue la référence pour la position de l'objectif atteint. Ce réticule virtuel est déplacé en temps réel avec le maxillaire détaché réelle grâce aux données périodiquement acquises par le système 20 d'acquisition. Une correspondance parfaite se traduit par la disparition des côtés de la croix de couleur et son alignement sur la constante croix blanche. Ce réticule de couleur permet de positionner avec une grande précision le maxillaire détaché 25 La position du maxillaire est illustrée par un cercle, autour de la croix. Un petit mouvement dans le sens de la profondeur sera moins visible (orthogonal au plan du réticule) et donc moins précis. 30 La profondeur du maxillaire est donc illustrée par un cercle supplémentaire, autour de la croix. Lorsque la profondeur du maxillaire réel est éloignée de la position de la cible prévue, le cercle apparaît large et rouge. Lorsque cette position se rapproche de l'objectif, le cercle se rétrécit et vire au vert jusqu'à atteindre 1 pixel de largeur. REVENDICATIONS1 - Equipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux, d'une prothèse ou d'un implant osseux lors d'une intervention chirurgicale caractérisé en ce qu'il comporte une série de sondes électromagnétiques (1, 2) interagissant avec un générateur de champs et un calculateur traitant les informations pour fournir des signaux à 6 dimensions sur la position et l'orientation de chacune des sondes ainsi qu'un processeur qui calcule la position et l'orientation de chaque capteur (1, 2) et assure la communication avec l'ordinateur hôte (5). Cet ordinateur hôte (5) assure un traitement des signaux provenant du processeur pour générer une représentation graphique symbolique sur un écran (6) disposé dans le champ visuel du chirurgien, ledit processeur calculant une représentation graphique symbolique sous forme d'une mire (10) du patient en fonction des coordonnées Cpatien' en superposition avec la représentation graphique symbolique de la première mire et de la représentation graphique de la seconde mire (11). 2 - Equipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux, d'une prothèse ou d'un implant osseux lors d'une intervention chirurgicale selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une base (4) comprenant un calculateur relié à des circuits d'interface capteur amplifiant et échantillonnant les signaux électriques provenant des capteurs, et assurant un prétraitement des signaux pour réduire le bruit et les anomalies des données. 3 - Equipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux, d'une prothèse ou d'un implant osseux lors d'une intervention chirurgicale selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte un ordinateur (5) procédant aux traitements suivants : 3034003 14 o enregistrement de la position à six degrés de liberté par osseux o acquisition périodique des relative d'un marqueur rapport à un fragment coordonnées Cmarqueur dans 5 les six degrés de liberté dudit marqueur dans un référentiel R1 o acquisition périodique des coordonnées Cpatient de la position du patient dans ledit référentiel 121 o calcul de la position et de la géométrie d'une 10 représentation graphique bidimensionnelle d'une mire en fonction desdites coordonnées Cmarqueur du marqueu± [croix] o calcul de la position et représentation graphique 15 seconde mire en fonction marqueur selon la position de liberté [cercle] o représentation sur un représentation graphique 20 coordonnées Cpatient, en représentation graphique de la géométrie d'une bidimensionnelle d'une des coordonnées C, du selon un desdits degrés écran d'affichage d'une du patient en fonction des superposition de ladite de la première mire et de la représentation graphique de la seconde mire [cible à atteindre]. 25 4 - Equipement d'aide au positionnement d'un fragment osseux, d'une prothèse ou d'un implant osseux lors d'une intervention chirurgicale selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit ordinateur exécute une étape initiale de recalcule du référentiel 30 des représentations graphiques sur l'écran d'affichage par rotation globale.35