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Videos Year : 2023

Humerus Clausus: Surgical navigation using monocular vision

Humerus Clausus : Navigation chirurgicale par vision monoculaire

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Abstract

The Humerus Clausus project is a Franco-Swiss partnership that aims to develop tools to assist the surgeon in the various phases of diagnosis, surgical planning, surgical navigation, and during the follow-up of the patient's rehabilitation in a context associated with orthopaedic shoulder surgery. The main contribution of this thesis is to meet the needs of surgical navigation for the care of certain pathologies of the scapulohumeral link. A real-time tracking system based on monocular vision is proposed. An original locator is developed from a set of flat markers rigidly fixed on a host object whose geometry can be arbitrary. The proposed calibration approach allows finding the relative position of the planar markers based on a set of images of this object observed from different points of view. At the end of this calibration step, the spatial position of the object is accessible regardless of its orientation towards the camera. This tracking system is robust to the problems inherent in individual plane markers, notably by avoiding the problem of pose ambiguity. In a configuration adapted to the operating room, the measurement uncertainties of this locator are sub-millimetre in position and of the order of one-tenth of a degree in rotation. The adaptation of the device to the operating room led to the development of various calibration procedures allowing the recovery of geometric primitives necessary for the specificities of surgical instruments (registration of 3D surfaces, aiming axis). This adaptation also led to the creation of a host object geometry in the form of a double-dodecahedron, which reduces the measurement uncertainties of the tool, particularly in terms of orientation. The device was tested in anatomy laboratory sessions during the placement of intramedullary nails of the humerus and during the placement of the glenoid part of an inverted prosthesis following the recommendations of surgical planning. These test results demonstrated the performance of the proposed tracking system.
Le projet Humérus Clausus est un partenariat franco-suisse qui vise à développer des outils d'assistance au chirurgien dans les diverses phases de diagnostic, de planification chirurgicale, de navigation chirurgicale et lors du suivi de la rééducation du patient dans un contexte associé à la chirurgie orthopédique de l'épaule. L'apport principal de cette thèse permet de répondre aux besoins de navigation chirurgicale pour le soin de certaines pathologies de la liaison scapulo-humérale. Un système de localisation temps réel basé sur la vision monoculaire est proposé. Un localisateur original est développé à partir d'un d'ensemble de marqueurs plans rigidement fixés sur un objet hôte dont la géométrie peut être quelconque. L'approche de calibration proposée permet de retrouver la position relative des marqueurs plans en s'appuyant un jeu d'image de cet objet observé suivant différents points de vue. A l'issue de cette étape de calibration, La position spatiale de l'objet est accessible quelle que soit son orientation face à la caméra. Cette localisation est robuste face aux contraintes inhérentes aux marqueurs plans individuels en s'affranchissant notamment du problème d'ambiguïté de pose. Dans une configuration adaptée à la salle d'opération, les incertitudes de mesures de ce localisateur sont submillimétriques en position et de l'ordre du dixième de degré en rotation. L'adaptation du dispositif à la salle d'opération a mené à l'élaboration de diverses procédures de calibration permettant de retrouver des primitives géométriques nécessaires aux spécificités des instruments chirurgicaux (recalage de surfaces 3D, axe de visée). Cette adaptation a aussi conduit à la création d'une géométrie d'un objet hôte sous la forme d'un double-dodécaèdre permettant de réduire les incertitudes de mesure de l'outil, notamment en termes d'orientation. Le dispositif a été éprouvé durant des séances en laboratoire d'anatomie lors de la pose de clous centromédullaires de l'humérus et lors de la mise en place de la partie glénoïdienne d'une prothèse inversée en suivant les préconisations d'une planification chirurgicale. Ces résultats d'essais ont montré la performance du système de localisation proposé.

Dates and versions

hal-04190125 , version 1 (29-08-2023)

Licence

Public Domain

Identifiers

  • HAL Id : hal-04190125 , version 1

Cite

Christian Elmo Kulanesan, Pierre Vacher, Ludovic Charleux, Émile Roux. Humerus Clausus : Navigation chirurgicale par vision monoculaire. 2023. ⟨hal-04190125⟩

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