Chirurgie assistée par ordinateur (CAO)

Sous titre

L’informatique révolutionne le bloc opératoire

Logiciels de simulation, de planification et d'entrainement aux opérations, aide à la navigation dans la zone à opérer, dispositifs de réalité augmentée, robots chirurgicaux, interventions à distance...

La chirurgie assistée par ordinateur constitue un secteur en plein essor, dont le dynamisme révolutionne les blocs opératoires.

  • Des outils informatiques pour aider les chirurgiens à préparer et réaliser une intervention
  • Des robots chirugicaux pour améliorer la précision des gestes ou opérer à distance
  • Des interfaces pour la formation et l'entrainement des chirurgiens
  • Temps de lecture

    15-20 minutes

  • Dernière mise à jour

  • Niveau d'expertise

    3 sur 5

Dossier réalisé en collaboration avec Pascal Haigron, professeur des universités à l'Ecole supérieure d'ingénieurs de Rennes, responsable de l'équipe "Images et modèles pour la planification et l'assistance chirurgicale et thérapeutique" (Impact) au laboratoire "Traitement du signal et de l'image" (LTSI - unité Inserm 1099/Université de Rennes 1)  

Loupe comprendre Comprendre la chirurgie assistée par ordinateur

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© Inserm, F. Guénet U 1099 LTSI, Université de Rennes

La chirurgie assistée par ordinateur (ou CAO) regroupe tout un ensemble d'outils informatiques destinés à aider le chirurgien dans la préparation et la réalisation d’une opération. Logiciels de simulation et de planification de l'intervention, systèmes pour localiser précisément la position des instruments dans le corps du malade, traitement numérique de clichés obtenus par imagerie médicale, dispositifs de réalité augmentée, robots chirurgicaux... : la palette est large ! En ligne de mire : un geste chirurgical toujours plus précis et plus efficace... et le moins invasif possible.

Neurologie, orthopédie, cancérologie, urologie, cardiologie, gastroentérologie, chirurgie dentaire... De plus en plus de domaines recourent à la CAO, potentiellement extensible à tout type d’intervention.

Une logique en trois grandes étapes

La CAO intervient bien sûr durant l'intervention chirurgicale, mais aussi avant et après.

En amont, la CAO vise surtout à mieux planifier l'opération. Généralement, le patient passe des examens d'imagerie médicale (scanner, IRM, rayons X, ultrasons...). L’objectif est alors obtenir des images 3D ultra-détaillées de la zone anatomique à opérer. Ces images sont passées au crible de logiciels d'analyse spécifiques. Certains peuvent créer une version virtuelle de la zone, fidèle dans les moindres détails. Il devient même possible de séparer à l'écran les divers composants de cette zone : types de tissus, squelette, système artériel, zones nécrosées, tumeurs...

En explorant cette copie virtuelle sous tous les angles et à toutes les profondeurs possibles, le chirurgien peut affiner le diagnostic, et surtout planifier avec précision les gestes à effectuer durant l'opération. Des logiciels de réalité virtuelle permettent même de simuler l'opération en 3D, certains retranscrivant jusqu’aux sensations tactiles provoquées par les instruments au contact de différents types de tissus (os, vaisseaux sanguins...).

Vient alors l'étape centrale : l'intervention chirurgicale proprement dite. Ici, la CAO peut intervenir de différentes manières. Tout d'abord, des informations collectées pendant la phase de planification peuvent être incrustées sur les écrans de contrôle utilisés par le chirurgien : frontières précises entre différentes structures anatomiques, repères anatomiques, cibles à atteindre... On parle alors de réalité augmentée. Mais il est aussi possible d’utiliser les informations collectées en amont de l’opération pour programmer des robots chirurgicaux (voir plus loin).

Au-delà de l'opération, la CAO propose aussi aux chirurgiens des outils interactifs pour se former et s'entrainer sur des patients virtuels. En la matière, les solutions proposées sont plus ou moins sophistiquées : simples interfaces web avec fonctionnement par scénarios, logiciels de simulation 2D pilotés à la souris... jusqu'à des interfaces de réalité virtuelle 3D en grandeur nature.

Robots chirurgicaux

Au-delà des systèmes d'aide à la localisation et à la navigation, la CAO peut s’appuyer sur l’utilisation de différents types de robots chirurgicaux. Leur principale mission ? Améliorer la précision du geste et mieux contrôler la réalisation de l'acte interventionnel.

Certains de ces robots fonctionnent en mode esclave (ou télé-opéré). Dotés de pinces, ciseaux et autres mini-caméras, ce sont leurs bras articulés qui effectuent les gestes chirurgicaux... Mais le maître reste le chirurgien qui le pilote à distance, installé devant une console munie de joysticks.

Le plus connu de ces robots est sans doute le robot américain Da Vinci, particulièrement utilisé en urologie pour soigner le cancer de la prostate. Il possède quatre bras articulés pouvant démultiplier les gestes du chirurgien pour plus de précision, des systèmes anti-tremblements, des caméras fournissant à l'écran une vision 3D haute définition, avec possibilité d'effet grossissant... Evidemment, tout cela a un prix : le Da Vinci est vendu autour d'un million d'euros, auxquels il faut rajouter 120 000 € par an de frais de maintenance, et 150 € de consommables par opération. Certains de ses détracteurs y voient un risque de médecine à deux vitesses, et attendent des études plus solides sur son efficacité par rapport à une chirurgie classique non robotisée.

Ce type de robot permet aussi des opérations à distance. En 2001, un chirurgien français, posté devant une console à New York, a ôté la vésicule biliaire d'une patiente hospitalisée de l'autre côté de l'Atlantique... à Strasbourg ! Nom de code de cette prouesse chirurgicale : l'opération Lindbergh, en hommage au célèbre aviateur qui réalisa la première traversée de l'Atlantique sans escale en 1927.

Parmi les évolutions futures, il est question de systèmes qui opèreront en synergie avec le chirurgien. Le robot contrôlera une partie de l'action, par exemple en contraignant certains mouvements, pour empêcher l’humain de contrevenir au programme pré-planifié.

Il existe aussi des robots autonomes. Une fois programmés, ils effectuent l'intervention seuls. C'est par exemple le cas du robot de radiothérapie Cyberknife utilisé pour cibler précisément les tumeurs avec un faisceau d'irradiation. Doté d'un puissant logiciel de traitement d'images, il s'adapte en temps réel aux mouvements involontaires du malade. Plusieurs centaines de Cyberknife sont déjà utilisés aux États-Unis, au Japon et en Europe.

Quelques robots emblématiques

  • Arthrobot, un des premiers robots chirurgicaux développé pour l'orthopédie dans les années 1980
  • Cyberknife, pour la radiothérapie
  • Da Vinci et FreeHand, pour la chirurgie mini-invasive
  • Magellan et Sensei, pour la chirurgie cardiovasculaire
  • Pathfinder, Neuromate, Spine Assist et Neuroarm, pour la neurochirurgie
  • Probot, pour la chirurgie prostatique
  • Robodoc et Rio, pour la chirurgie orthopédique
  • Viky EP, robot porte endoscope motorisé pour cœliochirurgies
  • Zeus, le robot qui permit une télé-opération entre New York et Strasbourg en 2001

Pictogramme microscope Les enjeux de la recherche

Exploiter davantage de données

Dans les laboratoires académiques, la recherche touchant à ce domaine est active. En France, le Laboratoire d'excellence (Labex) CAMI regroupe six unités de recherche françaises spécialisées en CAO.

Les scientifiques essayent tout d'abord d'améliorer les logiciels de simulation et d'aide à la planification. L’objectif est de les rendre capables d'exploiter davantage de données. Par exemple, avant la pose d'un stimulateur cardiaque (pacemaker), il serait intéressant que ces logiciels puissent combiner à la fois les caractéristiques mécaniques du cœur du malade (comme son élasticité), mais aussi son activité électrique, l'état de ses tissus constitutifs, certaines informations sur son anatomie... Cette évolution passe par la fusion de données de sources diverses (IRM, scanner, ultrasons...), par le développement de nouveaux systèmes de capteurs (électromagnétiques, élastographiques...) et par la mise au point d'algorithmes plus poussés.

L'idée est aussi de tirer parti de données statistiques issues de groupes de patients ayant déjà bénéficié de l'opération à effectuer. Les avantages seraient multiples. Pour reprendre l'exemple de la pose d'un pacemaker, cela permettrait par exemple d'optimiser la voie d'accès et la zone où l'implanter, de prévoir la réaction des tissus du patient au contact de divers instruments et dispositifs implantables...

Améliorer l'assistance en temps réel

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© Inserm, P. Latron
Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image LTSI, équipe IMPACT

Pour la phase opératoire proprement dite, les chercheurs du CAMI développent aussi des logiciels d'assistance à la navigation à réalité augmentée plus perfectionnés, des robots miniaturisés moins invasifs... Ou bien encore des capteurs pour localiser encore plus finement la position des instruments chirurgicaux en temps réel dans le corps du malade : une sorte de GPS chirurgical ! Dans le même esprit, certains chercheurs développent des outils de guidage 3D pour améliorer l'implantation d'électrodes dans le cerveau pour la stimulation cérébrale profonde.

Dans le domaine du cancer, d'autres développent des logiciels permettant de mieux prendre en compte les variations naturelles de volume d'organes comme la vessie. L’idée est ici de réduire au maximum le risque d'irradiation de tissus sains durant la radiothérapie.

Des travaux portent aussi sur le retour d'effort, autrement dit sur la capacité du robot à retransmettre fidèlement au chirurgien la sensation tactile lorsqu'un instrument touche un tissu plus ou moins dur... Pour l’instant, il s’agit d’un point faible des robots télé-opérés, souvent mis en avant par les critiques.

Enfin, des études visent à l'amélioration de l'interface homme-machine pour la rendre la plus intuitive pour le chirurgien, et la moins distrayante possible !

TherA-image : un bloc opératoire hybride pour la CAO

Des chirurgiens, des chercheurs et des ingénieurs entourés d'écrans de contrôle, de systèmes de réalité augmentée, de dispositifs robotisés... Depuis 2013, le CHU de Rennes dispose d'un environnement exceptionnel conçu, développé et mis en place avec le Laboratoire du traitement du signal et de l'image (LTSI) : la plateforme TherA-image
Essentiellement dédiée au domaine cardiovasculaire, cette plateforme est un véritable bloc opératoire où sont opérés des malades. Mais TherA-image permet aussi de développer et de tester divers outils en conditions réelles : nouveaux logiciels de planification des opérations, logiciels de simulation, outils de guidage et de navigation d'instruments chirurgicaux et de dispositifs endovasculaires, outils de réalité augmentée... Les chercheurs peuvent également y réaliser des tests sur des images acquises pendant les opérations.

Et demain ?

Difficile de dire à quoi ressemblera la chirurgie dans 50 ou 100 ans. Mais à n'en pas douter, le poids de l'informatique et de la robotisation ne devrait cesser de s'y accroitre au fil des ans. Certains robots aujourd'hui esclaves pourraient gagner en autonomie. Des projets sont aussi déjà en cours pour la mise au point de robots miniaturisés plus maniables, réduisant encore un peu plus le caractère invasif de l'acte chirurgical. Certains micro-robots pourraient même être programmés pour aller délivrer des médicaments exactement où on le souhaite, ou bien encore pour patrouiller dans notre organisme afin de confirmer un diagnostic. D'autres équipes travaillent à la mise au point de lunettes à réalité augmentée, pour encore mieux assister le chirurgien pendant l'opération. Enfin, côté planification de l'acte chirurgical, certains imaginent la mise au point de clones virtuels en 3D de chaque malade, sur lesquels on pourrait simuler une foule de scénarios possibles avant de lancer l'opération. Bref, la CAO n'a probablement pas fini de nous étonner ! Mais toutes ces innovations en puissance devront avant tout prouver le bénéfice clinique qu'elles apportent... pour ne pas finir à la rubrique « gadgets » !

L’oreille et le robot – reportage - 6 min 41 – extrait de la série Des idées plein la tech’ (2012)