FR2660185A1 - System and method intended to indicate a position at which an operation is to be performed on the body of a patient - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME ET PROCEDE DESTINES A INDIQUER UNE
POSITION DEVANT ETRE OPEREE DANS LE CORPS D'UN PATIENT.SYSTEM AND METHOD FOR INDICATING A
POSITION TO BE OPERATED IN THE BODY OF A PATIENT.
La présente invention se rapporte à un système de guidage en direct destiné à guider une position dans le corps d'un patient, où une opération va être réalisée. Une utilisation particulière du système de guidage consiste à afficher une position dans le cerveau d'un patient où une opération doit être réalisée. L'affichage est réalisé, par exemple, sur un dispositif d'affichage à tube à rayon cathodique. The present invention relates to a live guidance system for guiding a position in the body of a patient, where an operation will be performed. A particular use of the guidance system is to display a position in the brain of a patient where an operation is to be performed. The display is performed, for example, on a cathode ray tube display device.
Des développements récents dans les procédures de diagnostic en neurochirurgie permettent à la position exacte d'une partie affectée d'être affichée au moyen d'une technologie d'imagerie par résonance magnétique ou de tomographie par ordinateur. Recent developments in diagnostic procedures in neurosurgery allow the exact position of an affected part to be displayed using magnetic resonance imaging or computer tomography technology.
Un problème dans les opérations neurochirurgicales est la difficulté de trouver les positions exactes des néoplasmes qui sont représentés sur les images tomographiques. A problem in neurosurgical operations is the difficulty of finding the exact positions of the neoplasms which are represented on the tomographic images.
Pendant une procédure neurochiruAgicale en cours, même pour des neurochirurgiens bien entraînés, trouver la position exacte dans le cerveau qui correspond aux images par résonance magnétique ou tomographiques est un travail qui prend du temps. Il y a également comme problème le fait que des dommages aux tissus normaux peuvent se produire au cours de procédures de recherche incertaines. During an ongoing neurochemical procedure, even for well-trained neurosurgeons, finding the exact position in the brain that corresponds to magnetic resonance or tomographic images is time-consuming work. There is also the problem that damage to normal tissue can occur during questionable research procedures.
L'objet de la présente invention est de prévoir un système qui puisse représenter exactement une position où une opération doit être réalisée. Ceci est fait avec des images tomographiques affichées sur un tube à rayon cathodique. The object of the present invention is to provide a system which can represent exactly a position where an operation must be carried out. This is done with tomographic images displayed on a cathode ray tube.
Selon la présente invention, il est prévu un système destiné à indiquer une position dans le corps d'un patient où une opération doit être réalisée et qui comporte un bras articulé comprenant une base et plusieurs segments de bras, un de ces segments de bras étant un segment de bras avant, plusieurs segments de bras et la base étant reliés l'un à l'autre par une articulation, plusieurs segments de bras étant prévus pour se déplacer, une sonde reliée à l'extrémité du segment de bras avant afin de pointer des positions chirurgicales, des moyens de détection de déplacement angulaire prévus au niveau de chacune des articulations afin de produire des signaux angulaires représentant un déplacement angulaire d'un segment de bras adjacent, un dispositif d'affichage destiné à afficher plusieurs images tomographiques du corps d'un patient combinées avec les coordonnées associées aux images tomographiques, des moyens de calcul destinés à répondre aux signaux angulaires et à produire un signal de position de bras représentant la position de la pointe de la sonde par rapport aux coordonnées bras-base, des moyens de conversion de coordonnées destinés à convertir les signaux de position de bras basés sur les coordonnées bras-base en signaux de position tomographiques correspondant aux images tomographiques sur l'affichage par rapport aux coordonnées, des moyens sensibles aux signaux de position tomographiques et à la position de la pointe afin de produire un signal vidéo de repère, des moyens d'affichage sensibles au signal vidéo de repère afin d'afficher la position de la pointe de la sonde sur le dispositif d'affichage sous forme d'un repère superposé aux images tomographiques développées sur le dispositif d'affichage. According to the present invention, there is provided a system for indicating a position in the body of a patient where an operation is to be performed and which comprises an articulated arm comprising a base and several arm segments, one of these arm segments being a front arm segment, several arm segments and the base being connected to each other by an articulation, several arm segments being provided to move, a probe connected to the end of the front arm segment in order to pointing surgical positions, angular displacement detection means provided at each of the joints in order to produce angular signals representing an angular displacement of an adjacent arm segment, a display device intended to display several tomographic images of the body of a patient combined with the coordinates associated with the tomographic images, calculation means intended to respond to ang and to produce an arm position signal representing the position of the probe tip relative to the arm-base coordinates, coordinate conversion means for converting the arm position signals based on the arm-base coordinates into tomographic position signals corresponding to the tomographic images on the display relative to the coordinates, means sensitive to the tomographic position signals and to the position of the tip in order to produce a landmark video signal, display means sensitive to the video signal in order to display the position of the probe tip on the display device in the form of a marker superimposed on the tomographic images developed on the display device.
Selon un aspect de l'invention, la sonde est réalisée de façon à être rétractée axialement. According to one aspect of the invention, the probe is made so as to be axially retracted.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé destiné à indiquer une position dans le corps d'un patient où une opération doit être réalisée en utilisant un bras articulé ayant plusieurs segments de bras comprenant une base, et un segment de bras avant, le procédé comportant le développement d'images tomographiques du corps du patient comprenant une partie affectée; le touché d'une sonde à l'extrémité du segment de bras avant sur le corps du patient; l'obtention de la position d'une pointe de la sonde, par rapport aux coordonnées bras-base connues; l'affichage des images tomographiques captées sur un dispositif d'affichage; et l'affichage de la position de la pointe de la sonde sur le dispositif d'affichage avec un repère et la superposition du repère sur les images tomographiques sur le dispositif d'affichage. According to the present invention, there is also provided a method for indicating a position in the body of a patient where an operation is to be carried out using an articulated arm having several arm segments comprising a base, and a front arm segment, the method comprising developing tomographic images of the patient's body comprising an affected part; touching a probe at the end of the front arm segment on the patient's body; obtaining the position of a tip of the probe, with respect to the known arm-base coordinates; displaying the tomographic images captured on a display device; and displaying the position of the probe tip on the display device with a marker and superimposing the marker on the tomographic images on the display device.
Ces objets ainsi que d'autres et les caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante en se référant aux dessins. These and other objects and features of the present invention will become more apparent on reading the following detailed description with reference to the drawings.
La figure 1 est une vue de côté d'un bras articulé;
La figure 2 est une vue en plan du bras articulé lorsque le bras est avancé vers le corps d'un patient;
La figure 3 est un schéma de principe représentant un système selon la présente invention;
La figure 4 est une vue de coté agrandie d'une partie d'extrémité du bras;
La figure 5 est une illustration des images tomographiques affichées sur un tube à rayon cathodique;
La figure 6 est un schéma de principe représentant une deuxième forme de réalisation de la présente invention;
La figure 7 est une illustration destinée à expliquer la deuxième forme de réalisation de la présente invention; et
La figure 8 est un ordinogramme représentant le fonctionnement de la deuxième forme de réalisation.Figure 1 is a side view of an articulated arm;
Figure 2 is a plan view of the articulated arm when the arm is advanced toward the body of a patient;
Figure 3 is a block diagram showing a system according to the present invention;
Figure 4 is an enlarged side view of an end portion of the arm;
Figure 5 is an illustration of tomographic images displayed on a cathode ray tube;
Figure 6 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention;
Figure 7 is an illustration for explaining the second embodiment of the present invention; and
Figure 8 is a flowchart showing the operation of the second embodiment.
Si l'on se réfère à la figure 1, un bras articulé comporte une base de bras 2 fixée à un bâti 1 d'une table d'opération, un premier segment de bras 2a, un deuxième segment de bras 2b, un troisième segment de bras 2c, un quatrième segment de bras 2d, un cinquième segment de bras 2e, un sixième segment de bras 2f, et une sonde 3 prévue sur une extrémité du bras articulé. Ces segments de bras 2a à 2f sont reliés de manière successive l'un à l'autre par des articulations 4a à 4f. Ces articulations 4a à 4f sont disposées de telle sorte que la sonde 3 peut être déplacée de façon universelle. Referring to FIG. 1, an articulated arm has an arm base 2 fixed to a frame 1 of an operating table, a first arm segment 2a, a second arm segment 2b, a third segment arm 2c, a fourth arm segment 2d, a fifth arm segment 2e, a sixth arm segment 2f, and a probe 3 provided on one end of the articulated arm. These arm segments 2a to 2f are successively connected to each other by articulations 4a to 4f. These joints 4a to 4f are arranged so that the probe 3 can be moved universally.
A chacune des articulations 4a à 4f sont prévus des capteurs de déplacement angulaire (non représentés), chacun d'entre eux étant prévus pour produire de façon respective un signal de sortie analogique représentant un déplacement angulaire d'un segment de bras latéral avant. At each of the joints 4a to 4f are provided angular displacement sensors (not shown), each of which is designed to respectively produce an analog output signal representing an angular displacement of a front lateral arm segment.
Si l'on se réfère à la figure 4, la sonde 3 est montée de façon coulissante dans le segment de bras 2f et possède plusieurs encoches d'encliquetage S servant d'étalonnages.Referring to FIG. 4, the probe 3 is slidably mounted in the arm segment 2f and has several snap-in notches S serving as calibrations.
Chacune des encoches S est structurée de façon à recevoir une bille chargée par ressort (non représentée) prévue dans le support afin d'être positionnée au niveau de l'encoche.Each of the notches S is structured so as to receive a spring loaded ball (not shown) provided in the support so as to be positioned at the level of the notch.
La sonde 3 est fixée au segment de bras 2f par un écrou 5.The probe 3 is fixed to the arm segment 2f by a nut 5.
Si l'on se réfère à la figure 3 qui représente un système de la présente invention, le système comporte un convertisseur analogique/numérique 7. Le convertisseur analogique/numérique 7 reçoit des signaux de sortie (signaux de déplacement angulaire) provenant des capteurs de déplacement angulaire au niveau des articulations 4a à 4f. Le système possède par ailleurs un convertisseur de coordonnées 8 sur lequel est appliqué la sortie du convertisseur analogique/numérique. Le convertisseur de coordonnées 8 procure une matrice de transformation entre les coordonnées bras-base et les coordonnées tomographiques sur l'affichage tomographique qui proviennent d'une base de données d'image tomographique 9.Le convertisseur de coordonnées 8 convertit la position de la pointe de la sonde 3 en une position sur une image tomographique au moyen de la matrice de transformation. La sortie du convertisseur de coordonnées 8 est envoyée à un dispositif d'affichage (tube à rayon cathodique) 10. Le dispositif d'affichage 10 affiche six images tomographiques de la tête d'un patient comme cela est représenté sur la figure 5. Referring to FIG. 3 which represents a system of the present invention, the system comprises an analog / digital converter 7. The analog / digital converter 7 receives output signals (angular displacement signals) coming from the sensors of angular displacement at the joints 4a to 4f. The system also has a coordinate converter 8 to which the output of the analog / digital converter is applied. The coordinate converter 8 provides a transformation matrix between the arm-base coordinates and the tomographic coordinates on the tomographic display which come from a tomographic image database 9. The coordinate converter 8 converts the position of the tip of probe 3 at a position on a tomographic image using the transformation matrix. The output of the coordinate converter 8 is sent to a display device (cathode ray tube) 10. The display device 10 displays six tomographic images of the head of a patient as shown in FIG. 5.
Ainsi, la position de la pointe de la sonde 3 est affichée sur une image tomographique sélectionnée au moyen d'un curseur 13.Thus, the position of the tip of the probe 3 is displayed on a tomographic image selected by means of a cursor 13.
La figure 2 représente une position imaginaire P de la pointe de la sonde 3, en supposant que la sonde est insérée dans la tête du patient jusqu'à la partie affectée
T. La référence L est la distance entre la position imaginaire P et la surface du crane 12. Si la sonde 3 est insérée dans le segment de bras 2f de la distance L sans insérer la sonde 3 dans le crane, en faisant buter la pointe de la sonde sur la tête, les positions des segments de bras 2a à 2f sont les mêmes que les positions des segments de bras sur la figure 2. Ainsi, en insérant la sonde 3 de la distance L, la position imaginaire P peut être affichée sur le dispositif d'affichage 10 comme cela est représenté sur la figure 5. Si les deux curseurs 13 sont représentés sur deux images tomographiques comme cela est représenté sur la figure 5, le curseur le plus grand indique que le repère est à proximité de la partie affectée comparé au curseur le plus petit. Un indicateur I sur la figure 5 représente la distance L entre la position réelle de la pointe de la sonde et la position imaginaire P.Figure 2 shows an imaginary position P of the tip of the probe 3, assuming that the probe is inserted into the patient's head up to the affected part
T. The reference L is the distance between the imaginary position P and the surface of the skull 12. If the probe 3 is inserted in the arm segment 2f of the distance L without inserting the probe 3 in the skull, making the point abut of the probe on the head, the positions of the arm segments 2a to 2f are the same as the positions of the arm segments in Figure 2. Thus, by inserting the probe 3 of the distance L, the imaginary position P can be displayed on the display device 10 as shown in Figure 5. If the two cursors 13 are shown on two tomographic images as shown in Figure 5, the largest cursor indicates that the marker is near the affected part compared to the smallest cursor. An indicator I in FIG. 5 represents the distance L between the actual position of the probe tip and the imaginary position P.
En tant que modification du système, un calculateur de position d'extrémité de sonde imaginaire 11 peut être prévu entre le convertisseur analogique/numérique 7 et le convertisseur de coordonnées 8 comme cela est représenté sur la figure 3. Le calculateur 11 calcule la distance L, et la position d'extrémité de sonde imaginaire peut donc être affichée sur le dispositif d'affichage 10 en allongeant la position d'extrémité réelle de la sonde par calcul sans insérer la sonde dans le segment de bras 2f. As a modification of the system, an imaginary probe end position calculator 11 can be provided between the analog / digital converter 7 and the coordinate converter 8 as shown in FIG. 3. The calculator 11 calculates the distance L , and the imaginary probe end position can therefore be displayed on the display device 10 by lengthening the actual end position of the probe by calculation without inserting the probe into the arm segment 2f.
Si l'on se réfère à la figure 6 représentant la deuxième forme de réalisation, le système possède un calculateur de conversion de coordonnées 14 destiné à corriger le déplacement de la partie affectée. Si le patient bouge au cours de l'opération après la détermination de la position de la pointe de la sonde, le système de la première forme de réalisation ne peut calculer la relation entre les coordonnées bras-base et les coordonnées tomographiques. Le calculateur 14 est prévu entre le convertisseur analogique/numérique 7 et le convertisseur de coordonnées 8 de façon à calculer la conversion de coordonnées lors du déplacement du patient. If reference is made to FIG. 6 showing the second embodiment, the system has a coordinate conversion calculator 14 intended to correct the displacement of the affected part. If the patient moves during the operation after determining the position of the probe tip, the system of the first embodiment cannot calculate the relationship between the arm-base coordinates and the tomographic coordinates. The computer 14 is provided between the analog / digital converter 7 and the coordinate converter 8 so as to calculate the coordinate conversion during the movement of the patient.
Le bras articulé est prévu pour se déplacer avec le déplacement du corps du patient, en gardant le contact de la sonde avec le corps du patient. The articulated arm is designed to move with the movement of the patient's body, keeping the probe in contact with the patient's body.
Si l'on se réfère à la figure 7, trois points arbitraires A, B, C, qui ne sont pas alignés, sont prévus sur la surface du crane 12. Des points A', B', C' sont positionnés après déplacement du patient. Si des vecteurs de position sont représentés par UA, UB, Uc, UA1, UB1, et UC1, le produit vectoriel V du vecteur (UB - UA) du point A au point B et du vecteur (UC - UA) du point A au point C est
V = (UB - UA) x (Uc - UA)
Si le point terminal des vecteurs est D et le vecteur de position est UD
UD = UA + V (1)
De manière similaire, les vecteurs de position après les déplacements sont
V' = (UB, - UA') x (UC' - UA'),
UD, = UA, + V' (1')
Le vecteur de position Up de la position de pointe de la sonde 3 avant le déplacement est exprimé comme suit,
Up = [ S ] (Upi - UD1) (2)
où Up, est le vecteur de position de la position
P après le déplacement.Referring to FIG. 7, three arbitrary points A, B, C, which are not aligned, are provided on the surface of the crane 12. Points A ', B', C 'are positioned after displacement of the patient. If position vectors are represented by UA, UB, Uc, UA1, UB1, and UC1, the vector product V of the vector (UB - UA) from point A to point B and of the vector (UC - UA) of point A to point C is
V = (UB - UA) x (Uc - UA)
If the vector endpoint is D and the position vector is UD
UD = UA + V (1)
Similarly, the position vectors after the displacements are
V '= (UB, - UA') x (UC '- UA'),
UD, = UA, + V '(1')
The vector of position Up of the peak position of the probe 3 before the displacement is expressed as follows,
Up = [S] (Upi - UD1) (2)
where Up, is the position vector of the position
P after moving.
(S ] est la matrice de transformation pour le déplacement et est exprimée comme suit,
[ S ] = [ U1, U2, U3 ] (U1,, U2 " U31 ] #1 (3)
U1 = -V, U1' = -V'
U2 = UB - UD, U21 = UBI - UDI
U3 = UC - UD, U3, = UC' -UD'
(4)
V et UD sont obtenus à partir de l'équation (1) basée sur les vecteurs de position UA, UB et UC, et V' et UD, sont obtenus à partir de l'équation (1') basée sur les vecteurs de position après le déplacement. Les équations (4) sont remplacées par les V, UD, V' et UDI obtenus.De plus, après que l'équation (3) ait été remplacée par les équations (4), [ S ] est obtenue en calculant la matrice inverse. Si l'équation (2) est remplacée par l'équation de résultat (3) et l'équation (1), le vecteur de position Up, après le déplacement peut être pris en considération par le vecteur de position Up avant le déplacement. (S] is the transformation matrix for the displacement and is expressed as follows,
[S] = [U1, U2, U3] (U1 ,, U2 "U31] # 1 (3)
U1 = -V, U1 '= -V'
U2 = UB - UD, U21 = UBI - UDI
U3 = UC - UD, U3, = UC '-UD'
(4)
V and UD are obtained from equation (1) based on position vectors UA, UB and UC, and V 'and UD, are obtained from equation (1') based on position vectors after moving. Equations (4) are replaced by V, UD, V 'and UDI obtained. In addition, after equation (3) has been replaced by equations (4), [S] is obtained by calculating the inverse matrix . If equation (2) is replaced by the result equation (3) and equation (1), the position vector Up after the displacement can be taken into account by the position vector Up before the displacement.
Le calculateur de conversion de coordonnées 14 réalise les calculs décrits ci-dessus et produit un signal de position corrigé. The coordinate conversion calculator 14 performs the calculations described above and produces a corrected position signal.
La figure 8 représente le fonctionnement du système. Le programme I est exécuté une première fois avant l'apparition du déplacement - lecture des coordonnées des points A, B, C avant affichage (étape S1) et calcul de V,
UD (étape S2) -, et le programme Il est exécuté à chaque apparition du déplacement (en S3) - lecture des coordonnées des points A', B', C' après déplacement (étape S4), calcul de V', U' (étape S5) et calcul de [ S ] (étape S6) -.En général, la correction est réalisée par les parties de programme III à IV - après entrée en provenance du convertisseur analogique-numérique en III, lecture de la position de la sonde Up' à intervalles réguliers (étape
S7), exécution de Up = [S] (Upi - UDI) (étape S8) et sortie de la position de sonde corrigée Up (étape S9) -.Figure 8 shows how the system works. The program I is executed a first time before the appearance of the displacement - reading of the coordinates of the points A, B, C before display (step S1) and calculation of V,
UD (step S2) -, and the program It is executed at each appearance of the displacement (in S3) - reading of the coordinates of the points A ', B', C 'after displacement (step S4), calculation of V', U ' (step S5) and calculation of [S] (step S6). In general, the correction is carried out by the program parts III to IV - after input from the analog-digital converter at III, reading of the position of the Up 'probe at regular intervals (step
S7), execution of Up = [S] (Upi - UDI) (step S8) and exit from the corrected probe position Up (step S9) -.
Selon la présente invention, du fait que la position exacte de la partie affectée peut être indiquée par le repère sur l'image tomographique, la chirurgie peut être réalisée exactement. According to the present invention, since the exact position of the affected part can be indicated by the mark on the tomographic image, the surgery can be performed exactly.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des formes de réalisation spécifiques préférées, il est évident que cette description est prévue pour illustrer et non limiter la portée de l'invention. Although the invention has been described in connection with preferred specific embodiments, it is obvious that this description is intended to illustrate and not limit the scope of the invention.
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