La chirurgie augmentée

La chirurgie augmentée

 

Introduction

Avec le nombre croissant de personnes âgées, de maladies de plus en plus complexes ou encore de problèmes liés à notre mode de vie, la santé est au cœur de notre société. La recherche est, elle aussi, en constant mouvement et les technologies de pointes, telle que la réalité augmentée, permettent d’élargir les possibilités de soin. La réalité augmentée n’est donc plus l’apanage du monde du jeu vidéo et/ou d’animation. En effet, elle a conquis le secteur industrielle grâce à la modélisation et se tourne de plus en plus vers le secteur médical.

Depuis environ 20 ans, la technologie combinée à la science œuvrent dans le même sens avec la venue de la télésanté, télémédecine qui font à présent partie de notre vie. C’est avec la technologie basée sur l’imagerie médicale que la chirurgie augmentée est apparue. C’est avec le Professeur Jacques MARESCAUX, un pionnier avant-gardiste, que la chirurgie augmentée a commencé à voir le jour en opérant à distance grâce à la téléchirurgie.

La chirurgie augmentée permet d’accroître les sens du chirurgien par le biais d’images retransmises par les scanners ou l’Imagerie à Résonnance Magnétique (IRM). Les développeurs se servent, par la suite, de ces données afin de créer la modélisation du patient pour obtenir des renseignements permettant d’affiner le geste chirurgical.

La chirurgie augmentée est-elle donc l’avenir de la science et des blocs opératoires ?

Pour être le plus pertinent possible dans notre résolution à la question, nous verrons dans un premier temps ce qu’est la réalité augmentée et son rôle dans la science. Ensuite nous parlerons du rôle de la réalité augmentée dans la chirurgie. Et enfin l’avenir de la chirurgie augmentée avec la première opération faite le 21 novembre 2017 et les innovations à venir.

La réalité augmentée et son rôle dans la science

La réalité augmentée telle que nous la connaissons aujourd’hui date de la fin du XX -ème siècle, aux environs des années 1994/1999. Cependant, le premier essai remonte à 1962. Il s’agit du « Sensorama », concept élaboré par Horton HEILIG afin de simuler des balades ou autres avec une immersion totale du sujet. Aujourd’hui cela ressemblerait beaucoup à la réalité virtuelle ou au cinéma 4D mais il prenait cependant bien comme base la réalité augmentée.

Différence entre la réalité virtuelle et réalité augmentée

Afin de ne pas confondre la réalité virtuelle avec la réalité augmentée, nous allons d’ores et déjà différencier les deux. La réalité virtuelle a pour principe de créer son propre « monde » ou sa propre « scène » qui de ce fait n’existe pas dans le monde « réel ». Ce sont donc des images animées transmises en temps réel par l’ordinateur et dépendant de l’utilisateur.

La voiture a été créé de toutes « pièces » par l’ordinateur. C’est donc de la réalité virtuelle.

La réalité augmentée, à la différence de la réalité virtuelle, utilise le monde qui nous entoure, soit un environnement bien réel tout en superposant des informations numériques (images en 2 ou 3 dimensions, du son, etc…) en même temps et le plus souvent avec possibilité d’interagir avec ce dernier.

Pokémon Go. Réalité augmentée.

Nous voyons bien que cette application mobile se sert du monde extérieur qui l’entoure, ici un supermarché, et y ajoute des éléments fictifs, ici Salamèche soit un Pokémon ainsi qu’une pokeball. Nous sommes donc bien dans de la réalité augmentée avec le mélange du monde réel et du monde virtuel.

Comment fonctionne la réalité augmentée ?

La réalité augmentée est une technologie informatique qui fonctionne grâce à un terminal permettant de filmer le monde qui l’entoure et de simuler la présence d’objets virtuels générés par l’ordinateur, comme par exemple des ustensiles chirurgicaux dans un bloc opératoire bien réel. L’utilisateur peut évoluer et interagir avec les éléments qui composent cet univers mixte.

Les récepteurs visuels et transmetteurs de l’image en réalité augmentée peuvent être différents. Par exemple, il peut s’agir d’un mobile portable ou d’une tablette tactile, de lunettes telles que les « Google Glass » ou encore de casques à réalité augmentée.

                 Google Glass                                                       Casque HoloLens Microsoft

Afin d’être le plus précis possible, ces technologies utilisent les coordonnées géographiques de l’utilisateur (GPS) ainsi que des outils permettant de suivre le sens de la vision de l’utilisateur, tel qu’une boussole et un accéléromètre, qui permettront au système logistique de suivre le mouvement de la personne.

Schéma simplifié du traitement fait lors de la réalité augmentée : Schéma simplifié réalité augmentée

La réalité augmentée est employée dans le monde d’aujourd’hui a beaucoup de niveau, outre pour les jeux vidéo et les smartphones, on la retrouve également dans la presse ou sur des sites urbains permettant de visualiser les immeubles en 3D par exemple donnant une vision réelle des rues.

Insertion dans Paris du projet de « La Tour des Cèdres »

Elle est également un atout dans le monde de la publicité rendant plus attractif un produit à promouvoir en créant une application utilisant la réalité augmentée permettant au futur acquéreur de se projeter dans sa réalité.

Application proposée par Ikea, permettant de voir, à l’échelle, ce que rendra un meuble dans son habitat.

Les premiers pas de la réalité augmentée dans la science

D’un point de vue scientifique ses applications vont de la visualisation interactive de données tridimensionnelles complexes en géologie à l’imagerie cérébrale en médecine. Elle peut être aussi utilisée dans l’étude du comportement sensori-moteur et cognitif ou encore les thérapies comportementales.

Dans la médecine, grâce à l’imagerie médicale (scanner, IRM, échographie…), la modélisation 3D fut une vraie avancée. En effet, de nombreux logiciels de modélisation ont vu le jour depuis la fin du XXème siècle. Parmi ces derniers nous pouvons citer OsiriX qui permet de modéliser les scans des patients en 3D, 3D-Docteur spécialement créé pour la médecine et permettant elle aussi de modéliser et traiter les images médicales des patients ou encore Within Medical qui permet de recréer la porosité de l’os afin de pouvoir y implanter du matériel médical comme les arthrodèses ou des vis.

Résultat obtenu grâce au logiciel Within Medical utiliser dans les opérations orthopédiques.

Nous allons voir maintenant en quoi la réalité virtuelle dans le monde de la chirurgie permet d’aider et d’accroître le geste du chirurgien.

La chirurgie augmentée

Lorsque l’on combine dans une salle d’opération la technologie au savoir-faire du chirurgien, on augmente considérablement « l’œil » de ce dernier et donc la précision de ses gestes.

Histoire et utilisation

Depuis un peu plus d’un mois nous entendons parler de la première opération réalisée en France grâce à la chirurgie augmentée. Cependant auparavant, en 2014 pour être exact, les lunettes Google Glass avait déjà permis d’opérer une patiente avec un chirurgien se situant en France et un autre au Japon. Le chirurgien japonais pouvait alors assister le chirurgien français grâce à la retransmission en direct de la vision du français.

Il en est de même en 2015 en Pologne, où le Professeur Maksymilian Opolski a sauvé la vie d’un patient en l’opérant de l’artère coronaire (opération très complexe) avec les Google Glass lui permettant d’avoir accès en direct à la modélisation 3D de l’artère du patient.

Ce que notre vison peut percevoir est donc limitée par la taille par exemple, mais avec cette technologie on enlève les limites ou du moins on les repousse afin de visualiser l’infiniment petit par exemple.

La réalité augmentée permet donc simplement d’amplifier les sens du chirurgien par le biais d’images retransmises par les scanners ou IRM. On se sert de ces données afin d’avoir le plus possible de renseignements permettant d’affiner le geste chirurgical.

En effet, la vision de corps humain est fortement complétée par le biais d’images en 3D qui permettent de savoir exactement où se situe un organe, une tumeur, voir les veines etc. Ce qui induit donc que la « main » chirurgicale peut être plus précise encore.

Dans la chirurgie, la réalité virtuelle sert à modéliser le clone du patient en un modèle 3D. Ce clone est la copie conforme du patient, cela permet donc de se « balader » à l’intérieur du corps, et d’identifier des structures anatomiques et pathologiques.

Grâce à cela, le chirurgien peut préparer une stratégie d’opération. La réalité augmentée est un mélange d’images réelles, capturées par la caméra et d’images virtuelles du même patient, reconstruites à partir de l’imagerie médicale. Cela permet de voir des structures cachées (vaisseaux, ganglions, etc…).

 

               Irm simple du cerveau                        Image du cerveau en réalité augmentée

Comme nous le montre les images ci-dessus on voit bien que la réalité augmentée permet une visualisation optimale. Ainsi pour réaliser un acte chirurgical en utilisant la réalité augmentée, il est nécessaire de combiner l’imagerie 3D de l’élément à opérer (ici l’organe), la simulation avant l’opération pour affiner le geste opératoire et la navigation, pour assister le chirurgien en temps réel, au moment de l’opération.

Le patient « virtualisé » permet au chirurgien d’améliorer et d’affiner son diagnostic et ainsi optimiser la préparation de l’opération.

Tout cela permet d’optimiser la vue réelle : le patient devient virtuellement transparent afin que le chirurgien puisse localiser les vaisseaux et les tumeurs chose qu’il ne pouvait voir avant il se servait uniquement du toucher. Cette aide est précieuse car elle a le bénéfice de rendre le geste plus sûr.

Cela permet aussi d’effectuer une opération en beaucoup moins de temps car le chirurgien sait directement ou se diriger et voit parfaitement par ou passer afin d’aller directement à l’organe visé ou bien dans le cas de tumeurs, de pouvoir savoir exactement son emplacement.

Un bénéfice énorme pour le patient car le temps d’anesthésie est réduit.

Les avantages de la chirurgie augmentée

Comme nous l’avons vu la chirurgie augmentée a de nombreux avantages :

  • Meilleure visualisation de la zone a opérée : en visualisant l'anomalie en 3D avant l’opération cela permet de préciser les gestes du chirurgien qui, allant droit au but, diminue les risques d'effets secondaires ou d’erreur humaine.

Par exemple lorsqu’on cible la vésicule biliaire, dans 0,5% des cas, la voie biliaire principale, le conduit entre le foie et l'intestin, est affecté produisant des plaies. La réalité augmentée permet de voir ce canal caché dans la graisse et on peut donc l'éviter.

  • Préparation plus efficace du geste chirurgical : les données sont plus précises et cela permet au chirurgien de savoir à l’avance où il doit aller et quel geste il doit faire en fonction de chaque individu.
  • Reduction du temps opératoire (moins de temps d’anesthésie) : le chirurgien à le temps au préalable d’étudier plus profondément le patient avant de l’opérer et donc de ne pas découvrir une fois le patient sur la table, l’intérieur de celui-ci.
  • Préparation du patient en lui expliquant le déroulé précis de son opération en le visualisant sur une tablette par exemple. Cela permet dans de nombreux cas de rassurer le patient.

Les limites

N’ayant pas assez de recul concernant la chirurgie augmentée, les limites de celle-ci restent encore difficiles à dire. Cependant on peut déjà voir que le coût des appareils tel que l’HoloLens est assez élevé, il faudra compter plus de 3 000€ pour un seul casque de la marque Microsoft.

De plus, les développeurs ne sont pas encore reconnus par la Sécurité Sociale française ce qui induit qu’il n’y a pas de remboursement possible.

Le prix serait donc la plus grosse limite à cela mais aussi le temps de développement des logiciels pourrait être un frein.

Seul le temps nous le dira même si aujourd’hui il n’y a eu que des réussites.

Et demain ?

Une première en France !

Pour la première fois au monde, des chirurgiens ont réalisé le 5 décembre 2017 une pose de prothèse d'épaule à l'aide du casque de réalité augmentée HoloLens, avec une assistance vidéo internationale. L'opération réalisée à l'hôpital Avicenne de Bobigny pouvait être suivie en direct sur la plateforme YouTube.

Lien YouTube de l’opération (âmes sensibles s’abstenir) : https://youtu.be/xUVMeib0qek

Cette opération qui avait pour assistant un casque de réalité augmentée a permis au Dr Thomas GREGORY, chef de service de chirurgie orthopédique et traumatique de l'hôpital Avicenne AP-HP (Seine-Saint-Denis), de visualiser "à travers la peau de sa patiente" avant l'opération et de compléter son acte chirurgical pendant cette dernière.

Elle fut réalisée avec quatre chirurgiens de Corée du Sud, des États-Unis, et de Grande-Bretagne, qui pouvaient conseiller le chirurgien via Skype tout au long de l'intervention.

Image prise lors de l’opération. On peut y voir le corps de la patiente ainsi qu’en superposition l’os que le chirurgien devait opérer grâce à la réalité augmentée.

Le casque HoloLens de la marque Microsoft utilisé lors de l’opération se présente ainsi :

Ce casque a été conçu en partenariat avec la NASA.

C’est un ordinateur très complet. Il utilise trois processeurs

  • Le premier est le CPU principal
  • Le deuxième est un processeur graphique (GPU)
  • Le troisième gère les hologrammes (baptisé HPU pour « Holographic Processing Unit ».

Il permet donc de simuler des hologrammes qui se fondent dans le champ de vision de l’utilisateur. Ce casque a été présenté lors de la conférence de Windows 10.

Microsoft explore de plus en plus le potentiel de HoloLens dans le secteur de la santé. Son objectif est de permettre aux chirurgiens vasculaires, thoraciques et cardiaques de manipuler des “doubles virtuels” des patients à opérer.

L’ère du futur s’invite dans la chirurgie augmentée

Des nouveaux outils (robots par exemple), de nouvelles visions grâce à la réalité augmentée et le recours à l’intelligence artificielle pour les analyses : tels sont les trois piliers de la chirurgie augmentée, selon l’IRCAD

L’IRCAD (institut de recherche contre les cancers de l’appareil digestif), mondialement connue est réputé pour sa médecine robotique médicale.  Il est situé à Strasbourg, sur le site de l’hôpital civil et forme plus de 3500 médecins chaque année, venus du monde entier afin de se former aux nouvelles technologies telle que la chirurgie augmentée). Son fondateur est Jacques Marescaux (photo ci-dessous).

Il est aussi le fondateur et chef de la direction du nouveau IHU-Strasbourg, un centre qui a pour but de développer la chirurgie mini-invasive guidée par l'image et favoriser le transfert de technologie.

En outre, il a fondé l'Institut européen de téléchirurgie (EITS), centre de formation qui permet de diffuser les travaux novateurs à l'IRCAD.

En 2000, le EITS IRCAD a créé une Université ligne virtuelle, WeBSurg. Ce site Web présente des contenus élaborés exclusivement par des professionnels de la santé, accrédités par les plus prestigieuses sociétés scientifiques internationales. WeBSurg résume la technologie de haute qualité avec des systèmes de communication multimédia à grande vitesse pour diffuser les interventions chirurgicales préenregistrées ; le site est disponible en 5 langues différentes (français, anglais, espagnol, japonais et chinois) et l'accès est gratuit, ce qui est d'une grande importance, en particulier dans les pays en voie de développement.

De plus, le Professeur Marescaux a lancé un projet Biocluster, combinant la biotechnologie, la nanotechnologie, les études d'imagerie, la robotique et les systèmes assistés par ordinateur, dans l’enceinte de l’IRCAD, qui accueillera un total de 20 start-ups dans le domaine des dispositifs médicaux.

 

La cartographie 3D

La cartographie 3D est la solution pour préparer au mieux les opérations.  Cette technologie permet de générer une sorte de clone numérique des patients. Elle donne aussi la possibilité de mettre en transparence des organes ». Avec le logiciel 3D, il est donc possible de simuler en détail l’acte chirurgical, par exemple pour voir l’impact de la pose des agrafes sur telle ou telle veine. C’est également très utile avant d’opérer, pour savoir notamment où se situe une tumeur.  Dans plus de 30% des cas, il y a un changement sur les zones opérées suite à la consultation de la cartographie 3D. Cette nouvelle technique sauve des vies. La réalisation d’une telle cartographie prend 30 minutes aujourd’hui. On utilise un modèle en ligne, réalisé par des spécialistes de l’imagerie.

Assistance lors des opérations dès que l’on a décidé, sur la base de la cartographie 3D, de l’opération à mener, on peut passer à l’opération elle-même.

Les chirurgiens ont pour l’heure trois façons de faire :

Emporter la carte 3D du patient avec soi, via une tablette. « Cela permet au chirurgien de comparer le modèle 3D à la réalité ».

Connecter la carte au robot qui aidera à faire l’opération. La carte s’affiche ainsi en duo sur l’écran, à côté des images réelles du patient

Proposer une réalité augmentée entre le direct et la carte 3D. Ceci n’est pas évident à réaliser, car le patient bouge. « Pour avoir du succès avec cette méthode, il faut un système de suivi des mouvements de la caméra ou du patient. Il faut aussi tenir compte des déformations (respirations) et un système qui intègre l’action du chirurgien. Cela se fait par la reconnaissance des pixels des images »

Cartographie 3D du crâne

Conclusion

               La recherche médicale ne cesse de se développer afin d’aider au mieux les patients et la population. D’un autre côté, la recherche technologique aussi n’arrête pas d’évoluer. Lorsque que l’on associe les deux ensembles, on obtient un résultat exceptionnel.

L’arrivée de la réalité augmentée dans les blocs opératoires et dans la médecine en générale est donc une innovation sans nom.

En effet, grâce à cette prouesse technique le médecin ou le chirurgien peut aujourd’hui se préparer avant l’opération en affichant la modélisation 3D du patient ainsi que les instruments qu’il utilisera. Il pourra donc connaître à l’avance les difficultés qu’il rencontrera et pourra passer outre.

Mais aussi, il pourra s’aider pendant l’opération avec les casques de réalité augmentée en superposant le bloc opératoire aux images de simulations en temps réel. Il affinera donc son geste et pourra voir ce que l’œil humain ne peut percevoir.

               Cela permet donc de diminuer les risques d’erreurs médical pour le patient ainsi que les temps d’anesthésie.

          La chirurgie augmentée est donc une avancée technologique grandiose tant pour la population que pour la médecine.

Références

https://www.realite-virtuelle.com/definition-realite-augmentee

https://blogrecherche.wp.imt.fr/2013/07/12/la-chirurgie-augmentee-aider-le-chirurgien-a-optimiser-son-geste/

https://www.sciencesetavenir.fr/sante/chirurgie-hololens-1ere-mondiale-pour-la-realite-augmente-de-microsoft_117099

http://sciencepost.fr/2017/10/bienvenue-lere-de-chirurgie-augmentee/

https://swissdigitalhealth.com/lircad-au-coeur-de-la-chirurgie-augmentee/

https://www.francetvinfo.fr/sante/soigner/premiere-mondiale-en-direct-une-operation-chirurgicale-en-realite-augmentee_2500127.html

https://www.ircad.fr/fr/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens

 

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