FR2721497A1 - Laser optical device for 3D retrospective patient image registration and surface marking - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF LUMINEUX DE LOCALISATION ET DE POINTAGE
TRIDIMENSIONNEL POUR APPLICATIONS MEDICALES
La présente invention a pour objet un dispositif lumineux de localisation et de pointage pour applications médicales. Elle a pour but de faciliter l'intervention des praticiens sur des patients qu'on a préalablement, ou en temps réel, soumis à une procédure d'acquisition, une mesure, de leurs structures internes par différentes modalités.LIGHT LOCATION AND POINTING DEVICE
THREE DIMENSIONAL FOR MEDICAL APPLICATIONS
The present invention relates to a light locating and pointing device for medical applications. It aims to facilitate the intervention of practitioners on patients who have been previously, or in real time, subjected to an acquisition procedure, a measurement, of their internal structures by different methods.
Les différentes modalités de connaissance des structures internes de patients connues à ce jour sont principalement l'imagerie densitométrique par rayons X, l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, l'imagerie par ultrasons, et l'imagerie par scintigraphie. Elles sont décrites dans la revue des "TECHNIQUES HOSPITALIERES", pages 34-35, numéro 462,
Mars 1984, France, ainsi que dans la revue "ARTS ET
METIERS MAGAZINE", Mars 1992, pages 14-15, France.The various methods of knowing the internal structures of patients known to date are mainly densitometric X-ray imaging, nuclear magnetic resonance imaging, ultrasound imaging, and scintigraphy imaging. They are described in the review of "HOSPITAL TECHNIQUES", pages 34-35, number 462,
March 1984, France, as well as in the review "ARTS ET
METIERS MAGAZINE ", March 1992, pages 14-15, France.
Cette mesure des structures se concrétise par la mise en mémoire d'informations physiques (de préférence numérisées) affectées à chaque élément de volume (ou voxel) du corps du patient sous examen, et dépendant de la modalité en question. On acquiert ainsi des images à trois dimensions, 3D, de l'intérieur du corps du patient. On a l'habitude de désigner sous le nom de volume numérique, un espace mémoire d'un ordinateur qui contient en chaque cellule mémoire une information représentative pour un voxel de l'examen médical exécuté. Les cellules mémoires de ce volume numérique ont des adresses dans cette mémoire et des contenus d'information qui sont représentatifs des lieux des éléments de volume dans le corps du patient 6L des mesures de la grandeur physique à l'endroit de ces éléments de volume. This measurement of structures takes the form of the storage of physical information (preferably digital) assigned to each volume element (or voxel) in the patient's body under examination, and depending on the modality in question. Three-dimensional, 3D images of the interior of the patient's body are thus acquired. We are used to designating under the name of digital volume, a memory space of a computer which contains in each memory cell representative information for a voxel of the medical examination performed. The memory cells of this digital volume have addresses in this memory and information contents which are representative of the locations of the volume elements in the body of the patient 6L of measurements of the physical quantity at the location of these volume elements.
Il est connu divers moyens pour visualiser les structures internes ainsi mesurées et mémorisées dans une image dite à trois dimensions. Ces moyens sont décrits dans un article intitulé "VOLUME VISUALIZATION
IN MEDECINE: TECHNIQUES AND APPLICATIONS" du à A.Various means are known for visualizing the internal structures thus measured and stored in a so-called three-dimensional image. These means are described in an article entitled "VISUALIZATION VOLUME
IN MEDICINE: TECHNIQUES AND APPLICATIONS "from to A.
POMMERT et Al, paru dans la revue H. Müller (ed):
Scientific Visualization, Springer Verlag, Berlin, 1992. Notamment, il est possible de présenter des images de vue ou de coupe qui sont synthétisées à partir du volume numérique.POMMERT et Al, published in the review H. Müller (ed):
Scientific Visualization, Springer Verlag, Berlin, 1992. In particular, it is possible to present view or section images which are synthesized from the digital volume.
Dans ce qui va suivre, on admettra qu'on a affaire à un patient possédant une affection et sur laquelle on veut intervenir. Ce patient va donc être conduit à l'hôpital pour subir une intervention. Un problème se pose pour cette intervention : le praticien ne dispose actuellement, sur le patient réel au moment de l'intervention, d'aucune information pour guider son intervention. En effet, il dispose bien, par une acquisition pré-opératoire, de la connaissance de l'endroit où la lésion se trouve dans le patient, par exemple, dans son cerveau, il peut même la faire apparaître et la voir sur un écran placé à côté de lui. In what follows, we will admit that we are dealing with a patient with an affection and on whom we want to intervene. This patient will therefore be taken to the hospital for an operation. A problem arises for this intervention: the practitioner currently does not have, on the real patient at the time of the intervention, any information to guide his intervention. Indeed, he has, by a pre-operative acquisition, of the knowledge of the place where the lesion is in the patient, for example, in his brain, he can even make it appear and see it on a screen placed next to him.
Cependant, quand il arrête de regarder l'écran, et qu'il se tourne vers le patient, il ne sait pas précisément, comment il doit intervenir compte tenu de la position qu'occupe le patient sur la table d'intervention.However, when he stops looking at the screen and turns to the patient, he does not know exactly how he should intervene, given the position the patient occupies on the intervention table.
Il a été présenté à ce sujet dans un article : "A frameless stereotactic approach to neurosurgical planning based on retrospective patient-image registration" dans la revue J. NEUROSURG., volume 79, août 1993 édité par l'Université de Chicago aux Etats
Unis, un rappel des techniques actuelles et une proposition d'une technique nouvelle de repérage de l'intervention. Les techniques actuelles consistent, en neurochirurgie, au cours de l'acquisition 3D préalable, à enserrer la tête du patient dans un cadre stéréotaxique : une sorte de carcan mécanique dans lequel la tête du patient est maintenue fixe avec tous les désagréments et aspects pénibles pour le patient qu'on peut imaginer.La technique nouvelle proposée dans cet article consiste à acquérir directement une image de la surface de la peau du patient et à rapprocher l'image de surface ainsi obtenue d'une image de surface segmentée à partir d'une acquisition 3D.It was presented on this subject in an article: "A frameless stereotactic approach to neurosurgical planning based on retrospective patient-image registration" in the journal J. NEUROSURG., Volume 79, August 1993 published by the University of Chicago in the United States
United, a reminder of current techniques and a proposal for a new technique for locating the intervention. Current techniques consist, in neurosurgery, during the prior 3D acquisition, of enclosing the patient's head in a stereotaxic frame: a sort of mechanical yoke in which the patient's head is kept fixed with all the inconveniences and painful aspects for The new technique proposed in this article consists in directly acquiring an image of the surface of the patient's skin and bringing the surface image thus obtained closer to a segmented surface image from a 3D acquisition.
L'image de surface est la description géométrique (cotes x y z) de la surface du corps du patient.The surface image is the geometric description (dimensions x y z) of the surface of the patient's body.
L'acquisition 3D décrite dans l'article est une acquisition par RMN. Rendu à ce stade, il est prévu, pour repérer un lieu d'intervention dans le patient, de déplacer un stylet de mesure, dont on s'est servi pour acquérir l'image de surface, sur la peau du patient jusqu'à ce que le stylet pointe directement vers le centre de la lésion et soit orienté perpendiculairement à la peau. A ce moment, la peau est marquée avec une encre relativement indélébile. Le jour suivant, le patient est piqué par une aiguille stérile à l'endroit de la zone pointée de manière à ce que la préparation de la peau en vue de la stériliser, ce qui enlève l'encre, ne fasse pas perdre l'information d'aide à l'intervention.The 3D acquisition described in the article is an NMR acquisition. At this stage, it is planned to locate a place of intervention in the patient, to move a measuring pen, which was used to acquire the surface image, on the patient's skin until the stylus points directly towards the center of the lesion and is oriented perpendicular to the skin. At this time, the skin is marked with a relatively indelible ink. The next day, the patient is pricked by a sterile needle at the location of the pointed area so that the preparation of the skin for sterilization, which removes the ink, does not cause information to be lost intervention assistance.
Ces dispositifs de pointage mécanique présentent différents problèmes: des problèmes d'asepsie, de confort du patient et de gène du chirurgien pendant l'intervention. De plus l'utilisation du cadre impose que l'acquisition se fasse immédiatement avant l'opération (pour que le cadre utilisé lors de l'acquisition soit présent dans la même position lors de l'intervention). Bien qu'actuellement il soit question de procéder de cette façon, il est envisagé dans l'avenir de pouvoir faire l'acquisition en volume soit bien avant soit au moment même de l'intervention chirurgicale. These mechanical pointing devices present various problems: problems of asepsis, patient comfort and the surgeon's discomfort during the intervention. In addition, the use of the frame requires that the acquisition be made immediately before the operation (so that the frame used during the acquisition is present in the same position during the intervention). Although at present it is a question of proceeding in this way, it is envisaged in the future to be able to acquire in volume either well before or at the very moment of the surgical intervention.
L'invention a pour but de remédier à ces problèmes d'ergonomie d'intervention, en faisant appel, pour l'acquisition de l'image de surface et pour le repérage sur le patient à un même appareil: un appareil optique. The object of the invention is to remedy these problems of intervention ergonomics by using, for the acquisition of the surface image and for the location on the patient, of the same device: an optical device.
Dans l'invention, pour acquérir l'image de surface, plutôt que de pointer la surface du corps du patient avec l'extrémité d'un stylet pour désigner successivement un certain nombre de points à la surface de la partie du corps du patient à imager, on utilise un rayon lumineux, par exemple, un rayon laser de faible puissance. Ce rayon laser est associé avec une caméra de telle façon que la direction du rayon laser soit connue en permanence par rapport à l'orientation de la caméra. On peut relever, dans l'image captée par la caméra, la trace de l'impact du rayonnement laser.In the invention, to acquire the surface image, rather than pointing the surface of the patient's body with the end of a stylus to successively designate a certain number of points on the surface of the part of the patient's body to imaging, a light beam is used, for example, a low power laser beam. This laser beam is associated with a camera in such a way that the direction of the laser beam is permanently known with respect to the orientation of the camera. In the image captured by the camera, the trace of the impact of the laser radiation can be noted.
On mesure les coordonnées x et y de cette trace dans l'image captée. La direction d'un rayon lumineux qui provient de cet impact, repérée par rapport à un axe principal de la caméra, peut être déduite de la mesure de ces coordonnées. Connaissant par ailleurs l'orientation du rayon laser au moment de cette mesure, on dispose de deux orientations qui permettent, par triangulation, de calculer, par rapport à un repère lié à la caméra (ou à l'ensemble caméra rayon laser), la position dans l'espace (coordonnées xyz) du point d'impact.The x and y coordinates of this trace are measured in the captured image. The direction of a light ray which comes from this impact, identified with respect to a main axis of the camera, can be deduced from the measurement of these coordinates. Knowing moreover the orientation of the laser beam at the time of this measurement, there are two orientations which make it possible, by triangulation, to calculate, with respect to a reference point linked to the camera (or to the laser beam camera assembly), the position in space (xyz coordinates) of the point of impact.
On effectue cette opération pour un certain nombre d'impacts différents obtenus en modifiant seulement l'orientation du rayon laser incident sur le corps du patient. Avec le repérage à trois dimensions de tous les points d'impact on constitue une image de surface du patient. Cette image, qui n'est par ailleurs pas destinée à être visualisée comporte, une liste de coordonnées. Cette image présente l'intérêt de correspondre au patient dans la position qu'il occupe dans l'installation médicale. This is done for a number of different impacts obtained by only changing the orientation of the incident laser beam on the patient's body. With the three-dimensional location of all the impact points, a surface image of the patient is created. This image, which is also not intended to be displayed, includes a list of coordinates. This image has the advantage of corresponding to the patient in the position he occupies in the medical facility.
Comme indiqué dans l'article cité ci-dessus, on peut rapprocher l'image de surface ainsi optiquement acquise, d'une image correspondante de surface (par exemple l'image de peau) synthétisée à partir d'une acquisition 3D préalable. On en déduit alors une translation et une rotation qu'il convient de faire subir au volume numérique pour que l'image 3D acquise vienne s'imbriquer exactement dans l'image de surface. As indicated in the article cited above, the surface image thus optically acquired can be compared with a corresponding surface image (for example the skin image) synthesized from a prior 3D acquisition. We then deduce a translation and a rotation that should be subjected to the digital volume so that the acquired 3D image comes to nest exactly in the surface image.
Dans un premier mode de fonctionnement du dispositif de l'invention, on désigne dans l'image 3D acquise un lieu à atteindre, et le système montre, sur le patient lui même, la position de ce lieu, en faisant pointer un rayon lumineux en direction de ce lieu à atteindre. Au besoin, on peut déplacer la source du rayon laser de manière à ce qu'elle occupe une position où elle ne gêne pas le praticien et où, de préférence, elle est orienté dans le sens correspondant au mode d'intervention sur le patient. In a first mode of operation of the device of the invention, a place to be reached is designated in the acquired 3D image, and the system shows, on the patient himself, the position of this place, by pointing a light ray in direction of this place to reach. If necessary, the source of the laser beam can be moved so that it occupies a position where it does not obstruct the practitioner and where, preferably, it is oriented in the direction corresponding to the mode of intervention on the patient.
Dans un deuxième mode de fonctionnement du dispositif de l'invention, on pointe manuellement le rayon laser sur un lieu du patient lui même et le système montre, dans une image visualisée de l'image 3D acquise, l'endroit où on en est de l'intervention. Bien entendu le pointage manuel peut être relayé par un dispositif motorisé. In a second mode of operation of the device of the invention, the laser beam is manually pointed at a place of the patient himself and the system shows, in a visualized image of the acquired 3D image, the place where it is intervention. Of course the manual pointing can be relayed by a motorized device.
L'invention a donc pour objet un dispositif de localisation et de pointage tridimensionnel sur un patient comportant une installation médicale pour recevoir ce patient, un moyen de repérage d'un lieu dans des données d'images pré-opératoires à trois dimensions de ce patient, un moyen d'acquisition d'une image naturelle de ce patient dans l'installation, un moyen de pointage d'un lieu sur ce patient, et un moyen pour faire correspondre le lieu pointé sur le patient au lieu repéré, caractérisé en ce que les moyens de pointage ou de repérage comportent une source lumineuse. The subject of the invention is therefore a three-dimensional location and pointing device on a patient comprising a medical installation for receiving this patient, a means of locating a place in pre-operative three-dimensional image data of this patient. , a means of acquiring a natural image of this patient in the installation, a means of pointing a place on this patient, and a means for making the place pointed on the patient correspond to the location identified, characterized in that that the pointing or locating means comprise a light source.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif mais nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent - figure 1: un dispositif conforme à l'invention; - figure 2: des étapes essentielles d'un procédé d'utilisation du dispositif de l'invention ; - figure 3: des particularités d'un dispositif optique d'acquisition de l'image de surface naturelle et de repérage. The invention will be better understood on reading the description which follows and on examining the figures which accompany it. These are only given as an indication but in no way limit the invention. The figures show - Figure 1: a device according to the invention; - Figure 2: essential steps of a method of using the device of the invention; - Figure 3: features of an optical device for acquiring the natural surface image and tracking.
La figure 1 montre un dispositif selon l'invention. L'installation médicale qui est présentée comporte un appareil de mesure 1 pour effectuer une mesure à trois dimensions, 3D, d'un patient 2 présent dans l'appareil. Dans l'exemple représenté, l'appareil est un appareil de RMN dont on ne voit que l'aimant principal extérieur. Cet appareil permet d'acquérir une image à trois dimensions du corps du patient qui sera stockée dans une mémoire 3 d'ordinateur après traitement d'acquisition et de reconstruction entrepris, notamment, sous le contrôle d'un processeur 4 contenant une unité arithmétique et logique UAL. On a représenté par ailleurs un dispositif optionnel de visualisation 5 sur lequel on peut visualiser des coupes, ou de préférence des vues, de la partie concernée du corps du patient 2 : par exemple sa tête. Figure 1 shows a device according to the invention. The medical installation which is presented comprises a measuring device 1 for performing a three-dimensional, 3D measurement, of a patient 2 present in the device. In the example shown, the apparatus is an NMR apparatus of which only the external main magnet is seen. This device makes it possible to acquire a three-dimensional image of the patient's body which will be stored in a computer memory 3 after acquisition and reconstruction processing undertaken, in particular, under the control of a processor 4 containing an arithmetic unit and UAL logic. There is also shown an optional viewing device 5 on which one can view sections, or preferably views, of the part concerned of the patient's body 2: for example his head.
La mémoire 3, le processeur 4 et l'écran 5 sont reliés à l'appareil de mesure 1 par un bus de commandes et de données. L'acquisition 3D peut être concomitante à l'intervention sur le patient, elle peut aussi avoir été effectuée bien avant. Dans ce cas seul l'exploitation des données de la mémoire 3 est à prendre en considération.The memory 3, the processor 4 and the screen 5 are connected to the measuring device 1 by a command and data bus. The 3D acquisition can be concomitant with the intervention on the patient, it can also have been carried out well before. In this case only the use of the data from memory 3 is to be taken into consideration.
Dans l'invention, on va acquérir avec un appareil optique 6, une image de surface du patient 2 alors que ce patient est placé sur un lit d'intervention 7. Selon la modalité mise en oeuvre pour l'acquisition 3D, il est possible que le lit 7 soit le même que le lit 8 de l'appareil 1. Dans le cas ou l'appareil 1 est un appareil de RMN, le dispositif d'optique 6 doit être amagnétique, ou du moins ne pas provoquer de perturbations du champ. Par contre, s'il s'agit d'acquisition de type densitométrique, d'ultrasons ou de médecine nucléaire, il est possible mécaniquement d'approcher le dispositif 6 de telle façon qu'il puisse coexister dans l'appareil 1. In the invention, we will acquire with an optical device 6, a surface image of the patient 2 while this patient is placed on an intervention bed 7. Depending on the method used for the 3D acquisition, it is possible that the bed 7 is the same as the bed 8 of the apparatus 1. In the case where the apparatus 1 is an NMR apparatus, the optical device 6 must be non-magnetic, or at least not cause disturbances of the field. On the other hand, if it is a densitometric, ultrasound or nuclear medicine acquisition, it is possible mechanically to approach the device 6 so that it can coexist in the device 1.
Le dispositif optique 6 est repéré par construction, selon des axes X, Y, Z de coordonnées, par rapport au lit 7 de l'installation d'intervention. The optical device 6 is identified by construction, along axes X, Y, Z of coordinates, relative to the bed 7 of the intervention installation.
Dans le cas où le dispositif d'intervention est différent de l'appareil 1 d'acquisition d'images 3D, où dans le cas ou étant dans un même appareil, la combinaison n'est pas possible parce que pas simultanée, il n'y a pas de repérage automatique de l'image 3D des structures acquises avec l'appareil 1 (et repérées par un repère ABC) par rapport au repère
XYZ.In the case where the intervention device is different from the device 1 for acquiring 3D images, where in the case or being in the same device, the combination is not possible because not simultaneous, there is no there is no automatic location of the 3D image of the structures acquired with the device 1 (and identified by an ABC reference) with respect to the reference
X Y Z.
Dans un premier temps, avec l'appareil optique 6, on acquiert une image de surface. Dans l'exemple décrit ici, le dispositif optique 6 comporte un ou plusieurs générateurs de rayonnement 9 émettant en direction du patient 2 des rayons D. Ces générateurs sont de préférence des générateurs de rayons lasers. Il comporte encore également une ou plusieurs caméras 10 orientées en direction du patient et susceptibles de relever une image comportant la trace du point d'impact 11 sur ce patient 2 où aboutit un rayon lumineux D. L'orientation du rayon D est gouvernée par un moteur 12 qui permet de diriger à volonté le générateur de rayonnement 9.En pratique, le moteur 12, qui est montré comme provoquant un balayage mécanique du rayon D peut être remplacé par un prisme électronique qui dévie le rayonnement laser, par un jeu de miroirs contenu dans le générateur 9 et qui sont orientables sous l'action de moteurs électriques, ou encore par un écran à cristaux liquides jouant un rôle d'obturateur et qui laisse passer par transparence un rayonnement lumineux dont le profil est défini par un motif représenté sur l'écran. Firstly, with the optical device 6, a surface image is acquired. In the example described here, the optical device 6 comprises one or more radiation generators 9 emitting rays D towards the patient 2. These generators are preferably generators of laser rays. It also also includes one or more cameras 10 oriented towards the patient and capable of picking up an image comprising the trace of the point of impact 11 on this patient 2 where a light ray D ends. The orientation of the ray D is governed by a motor 12 which makes it possible to direct the radiation generator at will 9. In practice, the motor 12, which is shown to cause a mechanical scanning of the ray D can be replaced by an electronic prism which deflects the laser radiation, by a set of mirrors contained in the generator 9 and which are orientable under the action of electric motors, or even by a liquid crystal screen acting as a shutter and which allows light radiation to pass through transparency, the profile of which is defined by a pattern shown on the screen.
Le moteur, ou la commande équivalente, peuvent être commandés par une commande automatique issue du système, ou être commandés par une action d'un opérateur pour pointer le rayon laser dans une direction choisie et pour repérer, dans le deuxième mode d'utilisation de l'invention, l'endroit où on intervient par rapport à une image visualisée de l'image 3D. The motor, or the equivalent control, can be controlled by an automatic control originating from the system, or be controlled by an action of an operator to point the laser beam in a chosen direction and to locate, in the second mode of use of the invention, the place where one intervenes with respect to a displayed image of the 3D image.
On a représenté schématiquement par des tirets 13 la liaison qui existe entre le générateur 9 et la ou les caméras 10, pour montrer qu'en permanence les orientations respectives des rayons D émis et reçus par les générateurs 9 et des caméras 10 sont connue l'une par rapport à l'autre, et en même temps par rapport au repère XYZ. Le mouvement du moteur 12 ainsi que l'acquisition par la caméra 10 sont dans l'exemple piloté par un microprocesseur 14. There is shown schematically by dashes 13 the connection which exists between the generator 9 and the camera or cameras 10, to show that permanently the respective orientations of the rays D emitted and received by the generators 9 and cameras 10 are known. one with respect to the other, and at the same time with respect to the XYZ coordinate system. The movement of the motor 12 as well as the acquisition by the camera 10 are in the example controlled by a microprocessor 14.
Il est possible, notamment si les deux appareils sont confondus, que le processeur 14 soit le même que le processeur 4, ou en relation avec celui-ci. En tous cas il est au moins en relation avec la mémoire 3. It is possible, in particular if the two devices are combined, that the processor 14 is the same as the processor 4, or in relation to the latter. In any case, it is at least related to memory 3.
L'image produite par la caméra 10 est montrée sur un écran 15. Cette visualisation n'est cependant pas indispensable au procédé de l'invention. Elle est indiquée ici pour bien faire comprendre le procédé.The image produced by the camera 10 is shown on a screen 15. This display is however not essential to the method of the invention. It is indicated here to make the process clear.
Dans l'image montrée sur l'écran 15, on distingue une trace 16 de l'impact 11 sur le corps du patient 2.In the image shown on the screen 15, there is a trace 16 of the impact 11 on the patient's body 2.
Sachant qu'on connaît les coordonnées xy de la trace 16 dans l'écran 15, et qu'on connaît par ailleurs, l'orientation principale de la caméra 10 par rapport au repère XYZ, on peut en déterminer un écart d'orientation avec lequel un rayon R, issu de l'impact 11, aboutit sur la caméra 10. Par exemple, l'axe principal d'orientation de la caméra a, par définition, une image connue située au centre de l'écran 15. On se trouve alors dans la situation suivante : par rapport au repère XYZ, on connaît une droite R (représentée par par ses coefficients directeurs) passant par l'impact 11 et une droite D (connue elle aussi par ses coefficients directeurs) passant également par l'impact 11. Par conséquent, on est capable de déterminer la position dans l'espace, par rapport au repère XYZ, de l'impact 11. On connaît ainsi la position réelle d'un point de la peau du patient.Knowing that we know the xy coordinates of the trace 16 in the screen 15, and that we also know the main orientation of the camera 10 relative to the XYZ coordinate system, we can determine an orientation difference with which a ray R, resulting from the impact 11, terminates on the camera 10. For example, the main axis of orientation of the camera has, by definition, a known image located in the center of the screen 15. We are is then in the following situation: with respect to the XYZ coordinate system, we know a line R (represented by its guiding coefficients) passing through the impact 11 and a line D (also known by its guiding coefficients) also passing through the impact 11. Consequently, we are able to determine the position in space, with respect to the XYZ coordinate system, of impact 11. We thus know the actual position of a point on the patient's skin.
En agissant, notamment au moyen du microprocesseur 14, sur le moteur 12, on dévie le rayon lumineux D et on peut acquérir une autre information relative à la position dans l'espace d'un autre point 11 et ainsi de suite. By acting, in particular by means of the microprocessor 14, on the motor 12, the light ray D is deflected and it is possible to acquire other information relating to the position in space of another point 11 and so on.
Ainsi que cela a été décrit dans l'article cité, il est possible avec la connaissance de la localisation à trois dimensions des divers lieux d'impact 11, de reconstituer une image dite, dans cette présente description, de surface naturelle du corps du patient. As described in the cited article, it is possible with the knowledge of the three-dimensional location of the various impact locations 11, to reconstruct an image known, in this present description, of the natural surface of the patient's body .
On est donc capable, de produire dans une mémoire 17 reliée au microprocesseur 14, une image de surface naturelle 18 de la partie concernée du patient notamment sa tête. Il n'est pas nécessaire de visualiser cette image de surface sur l'écran 15.We are therefore able to produce in a memory 17 connected to the microprocessor 14, a natural surface image 18 of the part concerned of the patient, in particular his head. It is not necessary to view this surface image on the screen 15.
On sait aussi à partir de la connaissance du volume numérique contenu dans la mémoire 3 déterminer par segmentation la surface correspondant à l'acquisition faite par la caméra 10. Pendant que le patient continue à rester placé dans l'installation, on met donc en correspondance l'image pré-opératoire (celle obtenue dans la machine 1) avec l'image de surface naturelle qu'on vient d'acquérir. On verra en détail par la suite comment cette mise en correspondance peut être effectuée. Une fois qu'on a effectué cette correspondance, on connaît les transformations qu'il faudrait faire subir au repère
ABC pour que l'image contenue dans le volume numérique 3, qui est repérée par rapport à ce repère ABC, vienne se superposer exactement à l'endroit réel ou se trouve le patient 2. En pratique, à ce moment, la mémoire 3 est en relation avec le microprocesseur 14 et avec la mémoire 17.De cette manière on produit une fonction de correspondance stockée dans une mémoire 19 : (A, B, C) = f(X, Y, Z). Plutôt que de stocker la fonction f, on peut aussi stocker la fonction réciproque f-l telle que (X, Y, Z) = f-1 (A, B, C).We also know from the knowledge of the digital volume contained in the memory 3 to determine by segmentation the surface corresponding to the acquisition made by the camera 10. While the patient continues to remain placed in the installation, we therefore put in correspondence the pre-operative image (that obtained in machine 1) with the natural surface image that we have just acquired. We will see in detail below how this mapping can be done. Once we have made this correspondence, we know the transformations that the benchmark should undergo
ABC so that the image contained in the digital volume 3, which is located with respect to this ABC reference, comes to be superimposed exactly on the real place where the patient is located 2. In practice, at this moment, the memory 3 is in relation with the microprocessor 14 and with the memory 17. In this way a correspondence function stored in a memory 19 is produced: (A, B, C) = f (X, Y, Z). Rather than storing the function f, we can also store the reciprocal function fl such that (X, Y, Z) = f-1 (A, B, C).
Conformément à ce qui a été évoqué précédemment, on sait qu'il existe dans le patient une structure maligne sur laquelle il faut intervenir. Cette structure, par exemple la structure 20, est présente dans le patient alors qu'on en connaît par ailleurs une image 21 dans le volume numérique mémorisé dans la mémoire 3. De la position de l'image 21 dans le volume numérique de la mémoire 3, on peut déduire, avec la transformation inverse f1, la position, par rapport au repère XYZ, de la structure 20. On procède alors de la manière suivante. Avec un clavier 22, ou tout autre instrument tel que souris ou boule de manoeuvre, on désigne l'image 21 dans le volume numérique.Cette désignation peut être notamment simplifiée en faisant apparaître sur l'écran 5, ou sur l'écran 15, l'image de vue la plus adéquate, voire même une image de coupe, a l'endroit de la structure concernée. Une fois que cette image apparaît sur cet écran, on peut pointer sur elle un index du clavier de désignation 22 et acquérir une information relative à la position de l'image 21 dans le volume numérique mémorisé dans la mémoire 3. En effet, selon du procédé de visualisation connu, chaque élément d'image, ou pixel, représenté sur l'écran 5 renvoie à une cellule mémoire de la mémoire 3, donc à un voxel dans le corps 2 repéré par rapport au repère
ABC. Compte tenu du changement d'axes évoqué, on peut retrouver un repérage par rapport au repère XYZ.Il suffit d'appliquer la fonction réciproque f-l pour connaître les coordonnées de la structure 20.In accordance with what has been mentioned previously, it is known that there exists in the patient a malignant structure on which it is necessary to intervene. This structure, for example the structure 20, is present in the patient while an image 21 is also known of it in the digital volume stored in the memory 3. From the position of the image 21 in the digital volume of the memory 3, we can deduce, with the inverse transformation f1, the position, with respect to the XYZ coordinate system, of the structure 20. We then proceed as follows. With a keyboard 22, or any other instrument such as a mouse or an operating ball, the image 21 is designated in the digital volume. This designation can in particular be simplified by making it appear on screen 5, or on screen 15, the most suitable view image, or even a section image, at the location of the structure concerned. Once this image appears on this screen, you can point to it an index of the designation keyboard 22 and acquire information relating to the position of image 21 in the digital volume stored in memory 3. Indeed, according to known visualization method, each image element, or pixel, represented on the screen 5 refers to a memory cell of the memory 3, therefore to a voxel in the body 2 identified with respect to the reference
ABC. Taking into account the change of axes mentioned, we can find a reference with respect to the reference XYZ. It suffices to apply the reciprocal function fl to know the coordinates of the structure 20.
Par la suite, on utilise à nouveau le dispositif optique 6, au moins en partie, pour produire avec le générateur 9, ou une combinaison de générateurs de rayonnements 9, un rayonnement lumineux orienté maintenant non plus successivement en différentes endroits sur le corps du patient 2, mais en direction uniquement de la structure 20. Cette action dite de repérage est alors très simple. Connaissant le repère
XYZ par rapport auquel le lit 7 et le patient 2, en situation réelle, sont repérés, il est possible d'orienter un générateur 9, aussi repéré par rapport à ce repère XYZ, vers une structure 20 dont on connaît les coordonnées dans ce repère XYZ.Subsequently, the optical device 6 is again used, at least in part, to produce with the generator 9, or a combination of radiation generators 9, a light radiation now no longer oriented successively in different places on the patient's body. 2, but only towards the structure 20. This so-called locating action is then very simple. Knowing the benchmark
XYZ with respect to which the bed 7 and the patient 2, in real situation, are identified, it is possible to orient a generator 9, also identified with respect to this reference XYZ, towards a structure 20 whose coordinates are known in this reference X Y Z.
Une mémoire 23 comporte un programme de mise en correspondance pour mettre en correspondance l'image de surface naturelle 18 avec une image de surface synthétisée extraite du volume numérique 3 et en déduire les caractéristiques du changement d'axe f'l qui conduirait à superposer les structures du volume numérique 3 à une structure réellement présente dans le corps 2. A memory 23 includes a matching program for matching the natural surface image 18 with a synthesized surface image extracted from the digital volume 3 and deducing therefrom the characteristics of the change of axis f'l which would result in superimposing the structures of the digital volume 3 to a structure actually present in the body 2.
La mémoire 23 comporte aussi le programme de repérage dont un module concerne la désignation dans l'image 3D, avec le clavier 22, du lieu 21 de la tumeur à repérer, le calcul du lieu de la tumeur 20 dans l'espace XYZ, et l'orientation du générateur 9 pour pointer sur cette tumeur. Un autre module concerne le pointage manuel d'un rayon D dans une direction choisie correspondant, par exemple, à un état d'avancement de l'opération, le calcul dans l'espace XYZ de l'impact ainsi provoqué, le calcul par la transformation f de la position de cet impact dans l'espace ABC, et la mise en surbrillance lumineuse d'un lieu 31 qui y correspond dans l'image visualisée sur l'écran 3. Ces modules empruntent à des techniques connues et peuvent être aisément programmés en fonction du langage de programmation utilisé avec les processeurs 4 et 14.Le pointage manuel peut être provoqué par action sur le clavier 22 ou sur une poignée 32 qui action directement le moteur ou le support de l'ensemble générateur 9 caméra 10. The memory 23 also includes the locating program, a module of which relates to the designation in the 3D image, with the keyboard 22, of the location 21 of the tumor to be located, the calculation of the location of the tumor 20 in the XYZ space, and the orientation of generator 9 to point to this tumor. Another module concerns the manual pointing of a radius D in a chosen direction corresponding, for example, to a state of progress of the operation, the calculation in the XYZ space of the impact thus caused, the calculation by the transformation f of the position of this impact in the space ABC, and the bright highlighting of a place 31 which corresponds to it in the image displayed on the screen 3. These modules borrow from known techniques and can be easily programmed according to the programming language used with processors 4 and 14. Manual pointing can be caused by action on the keyboard 22 or on a handle 32 which directly activates the engine or the support of the generator 9 camera 10 assembly.
La figure 2 montre les principales étapes du procédé mis en oeuvre avec le dispositif de l'invention. D'une part, on effectue une acquisition en volume, avec l'appareil 1. Ensuite, ou éventuellement pendant, on effectue une acquisition de surface naturelle en vue d'obtenir l'image de surface 18. Puis on effectue la mise en correspondance de manière à ce que les deux images soient superposables pour en déduire f. Cette mise en correspondance est faite de telle façon que les informations soient de préférences utilisables dans le repère de travail: le repère XYZ. FIG. 2 shows the main steps of the method implemented with the device of the invention. On the one hand, an acquisition in volume is carried out, with the apparatus 1. Then, or possibly during, an acquisition of natural surface is made in order to obtain the surface image 18. Then the mapping is carried out so that the two images can be superimposed to deduce f. This mapping is done in such a way that the information is preferably usable in the work coordinate system: the XYZ coordinate system.
Par la suite on peut choisir une localisation sur le patient, en agissant au moyen du clavier 22 sur l'appareil 6, de manière à ce que cet appareil 6 pointe ses rayons lumineux sur cette localisation. On fait visualiser alors par le système l'endroit localisé sur les images acquises, par exemple en montrant une coupe passant par cet endroit localisé et en illuminant dans cette coupe l'endroit de la localisation. Ou bien on choisit une localisation dans les images avec le clavier 22 et on fait apparaître avec le système sur le corps du patient une marque lumineuse correspondante.Thereafter, it is possible to choose a location on the patient, by acting by means of the keyboard 22 on the device 6, so that this device 6 points its light rays at this location. The localized place is then visualized by the system on the acquired images, for example by showing a section passing through this localized place and by illuminating in this section the place of localization. Either a location in the images is chosen with the keyboard 22 and a corresponding light mark appears with the system on the patient's body.
L'invention est particulièrement remarquable en ce que l'acquisition de la surface naturelle et le repérage sont effectués avec un dispositif optique unique: le même dispositif 6 sert pour l'acquisition de la surface naturelle et pour le repérage.The invention is particularly remarkable in that the acquisition of the natural surface and the location are carried out with a single optical device: the same device 6 is used for the acquisition of the natural area and for the location.
La figure 3 montre une particularité d'un dispositif optique 6 selon l'invention. Ce dispositif optique 6 comporte de préférence une générateur de motifs 24 susceptible de produire des motifs, des caractères, ou des dessins, de forme quelconque. Aussi bien il peut produire un point 25 lorsque le rayonnement issu du générateur de rayonnement 9 est un rayon unique D, aussi bien on peut prévoir qu'il réalisera des tracés, notamment des tracés de droites telles que 26 ou 27 d'orientations quelconques. On pourra prévoir également de faire produire par le générateur de motifs 24 des formes géométriques connues, ou bien même une forme quelconque 29 courbe, ou en ligne brisée. Ce faisant, compte tenu du besoin ressenti par le praticien, il pourra faire apparaître, pour le repérage au moment de l'intervention, le dessin le plus pratique qu'il voudra ou qu'il aura choisi pour son intervention.Par exemple, il pourra avoir choisi de faire apparaître un contour fermé dont, au cours de l'intervention, il pourra modifier la forme pour limiter les contours du champ opératoire qu'il lui est autorisé. Figure 3 shows a feature of an optical device 6 according to the invention. This optical device 6 preferably comprises a pattern generator 24 capable of producing patterns, characters, or drawings, of any shape. As well it can produce a point 25 when the radiation coming from the radiation generator 9 is a single ray D, as well it can be foreseen that it will carry out tracings, in particular tracings of straight lines such as 26 or 27 of any orientations. Provision may also be made for the generator of patterns 24 to produce known geometric shapes, or even any arbitrary shape 29, or in broken lines. In doing so, taking into account the need felt by the practitioner, he will be able to display, for identification at the time of the intervention, the most practical drawing that he will want or that he will have chosen for his intervention. may have chosen to reveal a closed contour which, during the intervention, he may modify the shape to limit the contours of the operating field that he is authorized to do.
Il peut être intéressant de prévoir un déplacement de l'appareil optique 6 au moment du repérage, de manière à ce que l'encombrement de cet appareil ne gêne pas le praticien au cours de son travail. Soit cet appareil pourra être complètement déplacé et éteint pendant une intervention et le praticien pourra demander, de temps en temps, à ce que le rayon lumineux revienne pointer à l'endroit où il doit intervenir pour vérifier qu'il est en train d'effectuer le travail comme il l'avait prévu. It may be advantageous to provide for a displacement of the optical device 6 at the time of location, so that the size of this device does not disturb the practitioner during his work. Either this device can be completely moved and turned off during an intervention and the practitioner can ask, from time to time, for the light beam to return to point at the place where it must intervene to verify that it is performing work as he had planned.
Soit, le rayonnement lumineux sera envoyé en permanence mais l'appareil optique 6 sera placé en un endroit où il ne gêne pas le praticien. En principe, on cherchera cependant à mettre l'appareil optique le plus près possible de la tête du praticien, de manière à ce que le contour lumineux projeté sur le patient soit toujours orienté vers le fond de la zone où intervient le praticien. En pratique, compte tenu de ce que l'appareil optique 6 doit être légèrement décalé au cours de cette intervention, le programme de repérage contenu dans la mémoire 23 comportera un algorithme pour tenir compte du déplacement de l'appareil 6 et pour recalculer une nouvelle orientation de pointage dépendant de ce déplacement.Le déplacement de l'appareil 6 peut être facilement mesuré avec un ou des synchrodétecteurs montés sur l'arbre du ou des moteurs 12, ou bien même en retenant pour ces moteurs 12 des moteurs pas en pas et en comptant les pas. De préférence tout l'ensemble générateur 9 - caméra 10 sera emmené par un support unique monté mobile et repéré dans l'espace XYZ. Either, the light radiation will be sent continuously but the optical device 6 will be placed in a place where it does not interfere with the practitioner. In principle, however, we will try to put the optical device as close as possible to the practitioner's head, so that the light contour projected on the patient is always oriented towards the bottom of the area where the practitioner intervenes. In practice, taking into account that the optical device 6 must be slightly offset during this intervention, the tracking program contained in the memory 23 will include an algorithm to take account of the movement of the device 6 and to recalculate a new one. pointing orientation dependent on this displacement. The displacement of the apparatus 6 can be easily measured with one or more synchrodetectors mounted on the shaft of the motor or motors 12, or even by retaining stepping motors for these motors 12 and counting the steps. Preferably the entire generator 9 - camera 10 assembly will be taken up by a single mobile mounted support and identified in the XYZ space.
Le générateur de motif 24 est relié à une banque de motifs 30. En pratique, le générateur optique 9 pourra être un dispositif à balayage pour produire rapidement les contours 26 à 29, ou bien éventuellement être un écran à cristaux liquides de type rétro éclairé ou à transparence. The pattern generator 24 is connected to a pattern bank 30. In practice, the optical generator 9 may be a scanning device for rapidly producing the contours 26 to 29, or possibly be a backlit type liquid crystal screen or transparency.
Si au lieu d'une caméra 10 on a plusieurs caméras, on évitera les occultations gênantes. Comme par ailleurs, on peut avec le clavier 22 avoir désigné au préalable l'image 21 de la structure 20, on peut en quelques secondes obtenir d'une part, l'acquisition de la surface naturelle, d'autre part, la mise en correspondance, et enfin le repérage. If instead of a camera 10 we have several cameras, we will avoid annoying occultations. As in addition, it is possible with the keyboard 22 to have previously designated the image 21 of the structure 20, one can in a few seconds obtain on the one hand, the acquisition of the natural surface, on the other hand, the setting in correspondence, and finally the location.
Le programme mis en oeuvre pour effectuer la mise en correspondance des images de surface naturelle 18 et de surface synthétisée du volume numérique peut être du type de celui décrit dans l'article J.NEUROSURG. Dans le principe d'un tel programme, on utilise un algorithme itératif de minimisation qui permet d'obtenir la meilleure transformation rigide entre les deux repères XYZ et ABC, minimisant la distance entre l'image de surface calculée à partir du système optique et l'image de surface segmentée à partir de l'image 3D. The program used to perform the mapping of the natural surface 18 and synthesized surface images of the digital volume can be of the type described in the article J. NEUROSURG. In the principle of such a program, an iterative minimization algorithm is used which makes it possible to obtain the best rigid transformation between the two marks XYZ and ABC, minimizing the distance between the surface image calculated from the optical system and l surface image segmented from the 3D image.
D'autre part, on pourra mettre en oeuvre une procédure dite de "Chamfer matching" telle qu'elle est décrite dans un article : "Image registration of multimodality 3-T medical images by chamfer matching" due à Messieurs HONGJIANG Jiang, Kerry OLTON et Richard
ROBB, publié dans la revue SPIE, volume 1660, sur un thème de : "Biomedical image processing and three dimensional microscopy" en 1992, pages 356 à 366.On the other hand, we can implement a procedure called "Chamfer matching" as described in an article: "Image registration of multimodality 3-T medical images by chamfer matching" due to Messrs HONGJIANG Jiang, Kerry OLTON and Richard
ROBB, published in the journal SPIE, volume 1660, on a theme of: "Biomedical image processing and three dimensional microscopy" in 1992, pages 356 to 366.
Un appareil optique 6 susceptible de produire une image de surface naturelle 18 est par exemple un appareil dit GRF-2 Range Imager de la Société K2T
Incorporated Etat-Unis d'Amérique.An optical device 6 capable of producing a natural surface image 18 is for example a device called GRF-2 Range Imager from the company K2T
Incorporated United States of America.
En pratique, il est seulement nécessaire d'acquérir les coordonnées des points d'impact 11 par rapport au repère XYZ. Il n'est pas du tout nécessaire de montrer l'image 18 sur un quelconque écran. Il n'est donc pas du tout nécessaire de reconstruire l'image de surface naturelle acquise avec le dispositif 6. Il est nécessaire de synthétiser l'image de surface extraite du volume numérique mémorisée dans la mémoire 3 bien qu'il ne soit pas nécessaire de la visualiser, pour en connaître la forme. In practice, it is only necessary to acquire the coordinates of the impact points 11 with respect to the coordinate system XYZ. It is not at all necessary to show image 18 on any screen. It is therefore not at all necessary to reconstruct the natural surface image acquired with the device 6. It is necessary to synthesize the surface image extracted from the digital volume stored in memory 3 although it is not necessary to visualize it, to know its form.
On utilisera de préférence pour l'image de surface naturelle, un nombre de points plus élevé sur des surfaces peu accidentées du corps du patient, par exemple son front. Ces surfaces peu accidentées présentent l'inconvénient de ne pas offrir des repères très contrastés pour le repérage. Elles offrent cependant le grand avantage d'être permanentes dans le temps : le front d'un patient se déforme peu, alors que la positon du menton dépend de la position de la bouche du patient ouverte ou fermée au moment des différentes acquisitions. Preferably, for the natural surface image, a higher number of points will be used on slightly uneven surfaces of the patient's body, for example his forehead. These slightly uneven surfaces have the drawback of not offering very contrasting marks for location. However, they offer the great advantage of being permanent over time: a patient's forehead does not deform little, while the position of the chin depends on the position of the patient's mouth open or closed at the time of the various acquisitions.
Claims (10)
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|---|---|---|---|
| FR9407672A FR2721497B1 (en) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Illuminated three-dimensional localization and pointing device for medical applications. |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR2721497B1 FR2721497B1 (en) | 1996-12-06 |
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| FR (1) | FR2721497B1 (en) |
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| Publication number | Publication date |
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