Technologie

Chirurgie 2.0

D’Ambroise Paré à Da Vinci

Virginie CHANTRY  •  virginie.chantry@gmail.com

© lev dolgachov • © BELGA/AFP • © 2009 Intuitive Surgical, Inc.  • © CHR Citadelle • © DIGITSOLE

La médecine en général et la chirurgie en particulier ont toujours passionné les foules. Il suffit de ­compter le nombre de séries télévisées traitant du sujet pour le constater. Prenons par exemple Grey’s Anatomy. Un hôpital dans la ville de Seattle, des aventures ahurissantes, un suivi de patients sur tablette, des chirurgiens plus talentueux les uns que les autres, nombre d’opportunités pour eux d’utiliser les dernières techniques à la mode et de ­résoudre des cas difficiles, voire désespérés. La technologie est donc bien présente, à divers ­niveaux, à l’hôpital Grey Sloan Memorial. Mais ça, c’est de la fiction ! Dans la vie réelle, qu’en est-il ? Que se passe-t-il quand un bistouri rencontre le numérique ? Enfilons notre blouse, mettons notre masque et entrons dans le bloc opératoire 2.0. La «cyber chirurgie», c’est par ici !

Il est loin le temps des chirurgiens-barbiers  dépendants des vénérés médecins et d’Ambroise Paré (1509-1590), considéré  aujourd’hui comme le père de la chirurgie moderne.  L’ère de la technologie et du numérique est bien là et le monde de la médecine n’a pas été oublié. Entre robotisation, réalité virtuelle ou augmentée et imagerie 3D, la très pointue chirurgie est également concernée. L’objectif ? S’approcher autant que possible du risque 0 pour le patient, sans toutefois remplacer l’homme par la machine. Il s’agit plutôt d’augmenter les performances du chirurgien en mettant à sa disposition des outils de nouvelle génération pour l’assister dans les procédures opératoires: sécurité, efficacité et précision sont les maîtres-mots. Bien entendu, le praticien doit être préalablement formé à l’utilisation de ces nouvelles technologies: on ne s’improvise pas chirurgien de demain !

 Lors d’une opération, les mains et les yeux du chirurgien sont des outils essentiels. Le médecin peut donc être «augmenté» de 2 façons: grâce à la robotique pour ce qui est de ses mains; au moyen de l’imagerie numérique en ce qui concerne ses yeux.

Chirurgie mini-invasive

À l’heure actuelle, une hospitalisation dure rarement plus de quelques jours, en fonction bien sûr de la pathologie. Certaines opérations sont passées, en 20 ans, d’un mois à un seul petit jour de convalescence hospitalière… Cela grâce, notamment, à la chirurgie mini-invasive guidée par l’image. Fini le temps où le chirurgien n’avait d’autre choix que d’ouvrir son patient à coups de bistouri et de plonger les mains dans ses entrailles. Bien entendu, cela est déjà connu depuis longtemps avec la chirurgie laparoscopique traditionnelle. Cependant, à l’aide d’outils robotisés, les précisions atteintes sont sans précédent, tout en se contentant d’une mini incision pour atteindre la zone à traiter. Le risque de complications en ressort fortement diminué, ainsi que le temps de convalescence et de cicatrisation. Mais cela ne peut se faire sans une idée extrêmement précise de ce qui se passe à l’intérieur du patient et donc, d’un guidage par l’image à l’aide d’une caméra.

Clonage numérique: réalité virtuelle et réalité augmentée

Dans certains hôpitaux et centres de recherche comme l’Institut hospitalo-universitaire de Strasbourg, s’entraîner sur un patient avant l’opération est déjà d’actualité. Au moyen d’outils de modélisation 3D, d’images obtenues par résonance magnétique (IRM – voir encadré ci-dessous) et de scanners (voir encadré) qui permettent d’avoir une vue claire et précise de tous les tissus de l’organisme, qu’ils soient durs ou mous, le corps du patient est «numérisé» pour obtenir in fine un modèle 3D de son corps, de la peau aux organes en passant par les veines et les os. Le chirurgien peut alors décider de l’approche et de la stratégie chirurgicale à adopter, en fonction de l’anatomie spécifique du patient, et répéter autant de fois que nécessaire les gestes – en réalité virtuelle et au moyen d’outils robotisés – qu’il devra ensuite reproduire sur le corps à soigner. Cette modélisation 3D peut également être montrée au patient afin de l’aider à visualiser sa pathologie et le traitement qui sera appliqué pour y remédier. De plus, durant l’opération, le chirurgien peut être assisté et guidé par réalité augmentée via une superposition de ce clone digital au patient. On parle dans ce cas de «transparence virtuelle».

Opération du foie réalisée à l’Institut hospitalo-universitaire de Strasbourg. Le chirurgien bénéficie d’une assistance robotisée ainsi que de la réalité augmentée: les images virtuelles de certains organes sont superposées aux images acquises en temps réel au cours de la procédure.

Il faut cependant avoir conscience que les images médicales standards, c’est-à-dire en 2D et en niveaux de gris obtenues par scanner ou IRM, ne sont pas directement exploitables pour la chirurgie virtuelle ou augmentée. Elles doivent être préalablement traitées et assemblées en images 3D par des logiciels très sophistiqués. Un code de couleur est utilisé pour différencier les organes, les veines ou encore les artères et les images sont colorées coupe par coupe. Elles sont ensuite ajoutées les unes aux autres, couche par couche, afin de (re)constituer un corps virtuel en 3 dimensions.

Le clone numérique du patient peut être utilisé par le chirurgien pour décider de la procédure à suivre et s’exercer, mais aussi comme guide visuel pendant l’opération.

Prenons le cas d’une opération mini-invasive guidée par caméra: le moniteur montre les images enregistrées par la caméra sur lesquelles sont superposées, lorsque c’est nécessaire, des images virtuelles du corps du patient. Cela peut aider, grâce à la transparence virtuelle, à mettre l’accent sur la partie à traiter, les artères proches de la zone et qu’il faut donc éviter, une tumeur à extraire difficilement repérable à l’œil nu, etc. À la clé ? Plus de précision, moins de risque d’erreur et de complication durant la procédure et un gain de temps conséquent, ce qui est bénéfique non seulement pour le chirurgien qui devra rester moins longtemps concentré, mais aussi pour le patient moins longtemps anesthésié.

Attention, la superposition du virtuel sur le réel ne se fait pas par magie: des techniciens ou spécialistes doivent être présents en régie pour effectuer ce travail en fonction des mouvements de la caméra et vérifier en temps réel que les images modélisées épousent la réalité.

Cette technique de réalité augmentée a bien entendu ses limites: si un patient doit être ouvert et que par exemple, un rétracteur est utilisé, la position des organes s’en trouve modifiée et la superposition du corps digital ne sera plus possible. Ce problème peut être contourné en utilisant l’imagerie 3D en temps réel pendant l’opération. Des images sont alors obtenues durant l’intervention chirurgicale, directement dans le bloc opératoire, à l’aide d’un matériel de pointe adéquat, comme un scanner robotisé monté sur bras mobile. Et un logiciel de traitement hyper performant assemble les images acquises par le scanner en un modèle 3D et fusionne simultanément ce dernier avec les images réelles obtenues par caméra, malgré les mouvements. Plus besoin de régie vidéo ! Le chirurgien voit alors le corps du patient en transparence virtuelle avec moins d’une seconde de décalage entre la prise d’une image et sa diffusion. Encore de quoi gagner en précision.

Assistance robotisée

Mais de quoi est faite la boîte à outils (robotisés) du parfait chirurgien «augmenté» ? De plusieurs dispositifs indispensables. En premier lieu, une console avec siège ergonomique, écran intégré et système de commande aux pieds, depuis laquelle le chirurgien effectue confortablement ses opérations. Ensuite, comme nous l’avons vu, il doit aussi être équipé d’un système de visualisation d’images pour savoir ce qu’il se passe dans le corps du patient. Dans le cas par exemple de l’outil da Vinci®, produit par la compagnie américaine Intuitive Surgical, leader mondial sur ce marché, il s’agit d’une caméra endoscopique haute définition donnant des images en couleurs naturelles avec une perception de profondeur du champ opératoire (vision binoculaire). Et le clou du spectacle: 4 bras articulés et robotisés interactifs qui donnent accès à toutes les parties du corps et sur lesquels sont montés des instruments laparoscopiques (donc miniaturisés) multiarticulés à 7 degrés de liberté, ayant donc plus d’amplitude de mouvement qu’une main. Ils servent à inciser, manipuler les tissus, suturer, etc. Le chirurgien les contrôle aux moyens de manettes depuis la console. Ses mouvements de poignets, de mains et de doigts sont «transposés» en temps réel en des mouvements des instruments dans le corps du patient, mouvements plus précis, notamment grâce à un filtre anti-tremblements, et de moindre envergure. L’un des bras est équipé de la caméra endoscopique. Cet outil robotisé permet au chirurgien de réaliser sa procédure au travers de quelques minuscules incisions dans le corps du patient, une seule si cela est faisable. Attention ! Ce type de chirurgie avec assistance robotisée ne doit pas être confondu avec la chirurgie robotisée au cours de laquelle des machines réaliseraient une opération de A à Z de façon autonome après une programmation. La présence d’un chirurgien reste indispensable !

D’ailleurs, sachez que la chirurgie assistée par robots et ordinateurs est déjà arrivée dans nos contrées. Que ce soit aux Cliniques universitaires Saint-Luc à Woluwé-Saint-Lambert, à l’UZ Brussel, au CHU Ambroise Paré à Mons ou encore au CHR de la Citadelle à Liège, robots chirurgicaux, systèmes da Vinci® ou encore scanners robotisés sont une réalité. Et vous, accepteriez-vous que votre chirurgien ait recours à ce genre d’outils si vous deviez subir une opération ? Quoi qu’il en soit, tout cela est fascinant. Et l’avenir nous réserve ­probablement encore de nombreuses avancées et performances inédites. À quand l’impression 3D d’organes ? En attendant, moi je retourne jouer au Docteur Maboul… Ma bête noire, c’est l’os de vœux… Vraiment difficile à extraire, vous ne trouvez pas ?

  • Bloc opératoire équipé de la technologie da Vinci® . La présence de 2 consoles de contrôle permet de travailler en binôme durant une opération, mais aussi de former les chirurgiens en devenir.

    Photography

  • Deux chirurgiens en action au CHR de la Citadelle de Liège. Les loupes chirurgicales font partie de la panoplie classique du chirurgien. Elles augmentent l’acuité visuelle et donc la précision des gestes.

  • Les mouvements des mains et poignets du chirurgien aux manettes de la console de contrôle sont reproduits par les instruments robotisés.

    Photography

Remarquez la précision du robot Da Vinci® qui recoud la peau d’un raisin sur le fruit .

D’autres vidéos du robot qui plie un origami ou qui peint : http://www.davincisurgery.com/da-vinci-surgery/da-vinci-surgical-system/ 


Scanner, IRM, 

c’est quoi ?

SCANNER (tomodensitomètre): Lorsque l’on réalise un scanner, des rayons X sont émis sur le corps entier ou une zone en particulier par une source rotative. Selon la densité des tissus traversés et donc leur nature, les rayons sont plus ou moins absorbés. Le corps ou l’organe est balayé (d’où le nom de «scanner») rapidement sous différents angles, ce qui permet d’obtenir, grâce à des capteurs, de nombreux clichés en coupes fines d’une dizaine de mm tout au plus. Après traitement par ordinateur, une vue en 3D de la zone étudiée peut être reconstituée. Souvent, un produit de contraste à base d’iode est injecté pour améliorer la qualité des clichés.

IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), selon Julie Absil, physicienne dans le Service de Radiologie de l’Hôpital Érasme de l’ULB à Bruxelles. Le cylindre à l’intérieur duquel le patient est couché contient une bobine supraconductrice qui génère un champ magnétique intense et permanent. Sous l’effet de ce champ, une aimantation macroscopique apparaît dans les tissus mous du corps, parallèlement au champ appliqué. En effet, les noyaux d’hydrogène (protons) contenus dans les molécules d’eau et de graisse possèdent une propriété magnétique intrinsèque qui leur permet, de manière très simplifiée, d’agir comme de petits aimants qui s’orientent en présence d’un champ magnétique. L’aimantation créée dans les tissus est ensuite perturbée de sa position d’équilibre par l’application d’ondes électro­magnétiques dans le domaine des radio­fréquences ou RF: c’est le phénomène de résonance magnétique.

À l’arrêt de cette perturbation, l’aimantation revient à son état et sa position d’équilibre plus ou moins rapidement suivant les propriétés dites de «relaxation magnétique» des tissus, tout en tournant à une certaine fréquence autour de la direction du champ magnétique principal. Cela produit une variation de flux magnétique au travers d’un circuit électrique, appelé «antenne réceptrice», aux bornes duquel une tension induite apparaît: c’est la réception du signal. Grâce à l’utilisation de petits champs magnétiques supplémentaires variables, on parvient à rendre ce signal dépendant de la position spatiale, étape nécessaire à la construction de l’image. Ensuite, au moyen d’un traitement informatique et ­d’outils mathématiques très précis qui permettent d’analyser les diverses composantes du signal, on obtient l’image finale, où chaque pixel possède un niveau de gris qui représente l’intensité de signal à cet endroit. Le niveau de gris – et de ce fait le contraste de l’image – dépend donc de la quantité de protons et des propriétés de relaxation magnétique des différents tissus mais également de nombreux paramètres liés aux ondes RF et aux champs magnétiques variables appliqués. En plus d’une résolution en contraste assez exceptionnelle, il est à noter que la précision des images (résolution spatiale) peut être inférieure au mm³. Enfin, l’IRM permet d’obtenir des informations tant morphologiques que fonctionnelles.

Techno-Zoom

Dans Retour vers le futur 2, Marty McFly, à son arrivée dans la ville de Hill Valley de 2015, enfile des chaussures qui se lacent toutes seules. Une version de ces chaussures intelligentes a été mise au point par la société française Digitsole. Leurs «smartshoes» ne possèdent pas de lacets mais sont dites «auto-serrantes» et s’adaptent automatiquement au pied grâce à un petit moteur situé à l’arrière, sur simple commande via une app qui communique par Bluetooth avec les chaussures connectées. Ultra légères, composées de cuir et de microfibre et résistantes à l’eau, elles sont équipées de capteurs qui donnent le nombre de pas, les calories dépensées, la distance parcourue, ainsi que des analyses de la posture, de la façon de marcher et de poser son pied au sol, entre autres informations associées à l’activité physique et à la santé.