Généralités
Lors de fractures osseuses, il arrive parfois que les chirurgiens aient recours à l’utilisation de prothèses ou bien de fixations telles des plaques ou des clous, afin de maintenir des fragments osseux, pour guérir le patient.
Les différentes fixations possibles en cas de fractures osseuses.
Pour mener à bien ce type d’opération, le chirurgien est muni d’un système de guidage mécanique, qui est très encombrant. De plus, le perçage de l’os avec un foret peut parfois être très compliqué pour le chirurgien selon son orientation.
Pour répondre à ces deux problématiques, le laboratoire SYMME (Système pour la Mécatronique et Matériaux), en collaboration avec 7 chirurgiens orthopédistes, 2 entreprises et 3 centres universitaires, a développé un dispositif (nom de projet Humérus clausus) capable de détecter le contact d’un stylet avec une surface, de calculer sa trajectoire empruntée, et de mesurer son inclinaison. Toutes ces informations traitées, affichées sur un écran en temps réel, permettent aux chirurgiens de mieux se repérer sur l’os qu’ils veulent percer pour mettre les fixations sur l’os.
Dans la suite de cet article, nous présenterons les éléments et le principe de fonctionnement d’un tel dispositif, et la manipulation réalisée lors de la fête de la science édition 2021.
I. Description des éléments du dispositif.
Le dispositif présenté ici, est une caméra placée en face d’un stylet surmonté d’un dodécaèdre (figure géométrique à douze faces) avec des marqueurs placés sur chacune de ses faces. Le choix d’un dodécaèdre n’est pas anodin, car cette configuration géométrique permet d’avoir un nombre suffisant de marqueurs, pour n’importe quelle orientation du stylet, améliorant la précision du dispositif.
Schéma simplifié du dispositif.
Les marqueurs utilisés ici, sont des marqueurs ArUco, qui sont de petites images binaires (pixels noirs ou blancs) de 8 pixels de côté. Lorsque ces marqueurs sont dans le champ de vision de la caméra, le programme informatique (développé en Python) peut lire l’information contenue dans les marqueurs, afin de repérer le stylet dans l’espace.
Les différents éléments du système étant désormais définis, il est temps de se pencher sur son fonctionnement général.
II. Principe de fonctionnement.
Lorsque le stylet se déplace et change d’orientation, la vision du dodécaèdre et des marqueurs n’est plus la même. En effet, le stylet tourne, se rapproche, s’éloigne par rapport à la caméra. Ensuite, comme évoqué précédemment, les images acquises par la caméra sont traitées par un programme développé en Python (avec la librairie QT pour les interfaces graphiques plus exactement). Le traitement consiste à lire les marqueurs ArUco visibles sur les images et de récupérer les coordonnées (les positions) des quatre coins des marqueurs.
Marqueurs AruCo.
La récupération de ces coordonnées, permet de remonter à la localisation de la pointe du stylet. Comme évoqué précédemment, le fait d’avoir un dodécaèdre au sommet du stylet est bénéfique pour la précision du dispositif, critère fondamental pour le chirurgien, qui doit être de l’ordre du mm et du degré près ! En effet, quelle que soit l’orientation du stylet, 3 marqueurs au moins seront visibles sur la caméra. Avec un seul marqueur, un problème d’ambiguïté de pose survient. Pour l’illustrer, voici un schéma :
Projections d’une ligne rouge et verte sur un axe.
La projection, est une opération mathématique que l’on peut voir comme « l’ombre d’un objet ». Ici, la ligne rouge est plus grande donc sa projection est plus grande que la projection de la ligne verte. A cette échelle-ci, il est possible de distinguer laquelle de ces projections est plus grande que l’autre. En revanche, si l’on change d’échelle, il est plus compliqué de distinguer cette différence :
Projections d’une ligne rouge et verte sur un axe, après changement d’échelle.
Pour les marqueurs, on retrouve ce même problème. S’ils sont loin de la caméra (changement d’échelle) et qu’ils s’orientent légèrement, alors il sera très difficile d’avoir une précision de localisation importante, car certaines positions seront indiscernables. C’est pourquoi, le fait d’avoir plusieurs marqueurs permet de mieux faire la distinction.
Une fois toutes les données collectées et traitées, le programme Python est désormais en mesure d’afficher la localisation du stylet dans l’espace. Résultat sur la photo ci-dessous :