THESE. présentée DEVANT L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON. pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR. par. Natalie SMITH-GUERIN

Transcription

1 N d'ordre 00 ISAL 0095 Année 2000 THESE présentée DEVANT L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Formation Doctorale : Automatique Industrielle Ecole Doctorale : Electronique, Electrotechnique et Automatique par Natalie SMITH-GUERIN Maître es Technologie Mécanique CONTRIBUTION A L AIDE ROBOTISEE AU GESTE CHIRURGICAL ; NOUVELLE APPROCHE EN OPHTALMOLOGIE Soutenue le 20 Décembre 2000 devant la commission d'examen Jury : Maurice BETEMPS Professeur LAI - INSA de Lyon Directeur André DITTMAR Ingénieur de Recherche CNRS LPM INSA de Lyon Examinateur Etienne DOMBRE Directeur de Recherche CNRS LIRMM - Montpellier Rapporteur Alain-Nicolas GILG Docteur Ophtalmologue CEO - Lyon Examinateur Alain JUTARD Professeur LAI - INSA de Lyon Directeur Jean Paul LALLEMAND Professeur LMS - SP2MI Poitiers Rapporteur Pierre MARCHE Professeur ENSIB - Bourges Examinateur Jocelyne TROCCAZ Directeur de Recherche CNRS TIMC/IMAG Grenoble Examinateur Cette thèse a été préparée au Laboratoire d'automatique Industrielle de l'insa de Lyon

2 INSA DE LYON DPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALES SEPTEMBRE 2000 ECOLES DOCTORALES ET DIPLOMES D ETUDES APPROFONDIES HABILITES POUR LA PERIODE ECOLES DOCTORALES N code national RESPONSABLE PRINCIPAL CORRESPONDANT INSA DEA INSA N code national RESPONSABLE DEA INSA CHIMIE DE LYON (Chimie, Procédés, Environnement) EDA206 M.D. SINOU UCBL sec Fax M.P. MOSZKOWICZ Sec Fax Chimie Inorganique Sciences et Stratégies Analytiques Sciences et Techniques du Déchet M.J.F.QUINSON Tél Fax M. P.MOSZKOWICZ Tél Fax ECONOMIE ESPACE ET MODELISATION DES COMPORTEMENTS (E 2 MC) EDA417 M A.BONNAFOUS LYON Sec Fax Mme M.ZIMMERMANN Fax Ville et Sociétés Dimensions Cognitives et Modélisation Mme M.ZIMMERMANN Tél Fax M. L.FRECON Tél Fax ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE (E.E.A.) EDA160 M. G.GIMENEZ INSA de LYON Fax Automatique Industrielle Dispositifs de l Electronique Intégrée Génie Electrique de Lyon Images et Systèmes M. M. BETEMPS Tél Fax M. D.BARBIER Tél Fax M. J.P.CHANTE Tél Fax Mme I.MAGNIN Tél Fax EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION (E2M2) EDA403 M. J.P.FLANDROIS UCBL Sec Fax M. S.GRENIER Fax Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques M. S.GRENIER Tél Fax INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE EDA 407 M. J.M.JOLION INSA de LYON Fax Documents Multimédia, Images et Systèmes D Information Communicants Extraction des Connaissances à partir des Données Informatique et Systèmes coopératifs pour l Entreprise M. A.FLORY Tél Fax M. J.F.BOULICAUT Tél Fax M. A.GUINET Tél Fax INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- SANTE (EDISS) EDA205 M. A.J.COZZONE UCBL Sec Fax M. M.LAGARDE Fax Biochimie M. M.LAGARDE Tél Fax MATERIAUX DE LYON UNIVERSITE LYON 1 EDA 034 M. J.JOSEPH ECL Sec Fax M. J.M.PELLETIER Fax Génie des Matériaux : Microstructure, Comportement Mécanique, Durabilité Matériaux Polymères et Composites Matière Condensée, Surfaces et Interfaces M. R.FOUGERES Tél Fax M. H.SAUTEREAU Tél Fax M. G.GUILLOT Tél Fax MATHEMATIQUES ET INFORMATION FONDAMENTALE (Math IF) EDA 409 M. NICOLAS UCBL Fax M. J.POUSIN Fax Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielles et Calcul Scientifique M. G.BAYADA Tél Fax MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE (MEGA) EDA162 M. J.BATAILLE ECL Sec Fax M. M.MIRAMOND Fax Acoustique Génie Civil Génie Mécanique Thermique et Energétique M. J.L.GUYADER Tél Fax M. M.MIRAMOND Tél Fax M. G.DALMAZ Tél Fax Mme M.LALLEMAND Tél Fax En grisé : /HV (FROHV GRFWRUDOHV HW '($ GRQW O,16$ HVW pwdeolvvhphqw SULQFLSDO

3 0DL,167,787 1$7,21$/ '(6 6&,(1&(6 $33/,48((6 '( /<21 'LUHFWHXU - 52&+$7 $8',6,2 6 3+<6,&2&+,0,(,1'8675,(//( %$%28; -& *(0330 %$//$1' % 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( %$5%,(5 ' 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( %$67,'( -3 7+(502'<1$0,48( $33/,48(( %$<$'$ * 0$3/< 0$7+e0$7,48(6 $33/,48e(6 '( /<21 %(5*(5 & 0OOH 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( %(7(036 0 $8720$7,48(,1'8675,(//( %/$1&+$5' -0 /$(36, %2,6621 & 9,%5$7,216 $&2867,48(6 %2,9,1 0 0(&$1,48( '(6 62/,'(6 %277$ + (TXLSH '(9(/233(0(17 85%$,1 %277$=,00(50$1 0 0PH (TXLSH '(9(/233(0(17 85%$,1 %28/$<( * 3URI pppulwh,1)250$7,48( %5$8 - &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 ±7KHUPLTXH GX EkWLPHQW %5,66$8 0 *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( %581(7 0 0(&$1,48( '(6 62/,'(6 %581,( /,1*(1,(5,( '(6 6<67(0(6 ',1)250$7,21 %85($8 -& 7+(502'<1$0,48( $33/,48(( &$9$,//( -< *(0330 &+$17( -3 &(*(/< &RPSRVDQWV GH SXLVVDQFH HW DSSOLFDWLRQV &+2&$7 % 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± +\GURORJLH XUEDLQH &286,1 0 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± 6WUXFWXUHV '287+($8 $ &+,0,( 25*$1,48( '8) (&$1,48( '(6 6758&785(6 '838< -& 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( (0372= + 5(&211$,66$1&( '(6 )250(6 (7 9,6,21 (6128) & *(0330 (<5$8' / 3URI pppulwh *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( )$172==, * *(0330 )$95(/ - 35,60D ± 35RGXFWLTXH HW,QIRUPDWLTXH GHV 6\VWqPHV 0DQXIDFWXULHUV )$<$5' -0 %,2/2*,( )21&7,211(//(,16(&7(6 (7,17(5$&7,216 )$<(7 0 0(&$1,48( '(6 62/,'(6 )(55$5,6%(662 * 0(&$1,48( '(6 6758&785(6 )/$0$1' / 0(&$1,48( '(6 &217$&76 )/(,6&+0$11 3 *(0330 )/25< $,1*(1,(5,( '(6 6<67(0(6 ',1)250$7,21 )28*(5(6 5 *(0330 )2848(7 5 *(0330 )5(&21 /,1)250$7,48( *(5$5' -) 0$7(5,$8; 0$&5202/(&8/$,5(6 *,0(1(= * &5($7,6 *211$5' 3 *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( *2175$1' 0 *(*(/< &RPSRVDQWV GH SXLVVDQFH HW DSSOLFDWLRQV *2877( 5 3URI pppulwh &5($7,6 *5$1*( * *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( *8(1,1 * *(0330 *8,&+$5'$17 0 %,2&+,0,( (7 3+$50$&2/2*,( *8,//27 * 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( *8,1(7 $ 35,60D ± 35RGXFWLTXH HW,QIRUPDWLTXH GHV 6\VWqPHV 0DQXIDFWXULHUV *8<$'(5 -/ 9,%5$7,216 $&2867,48(6 *8<20$5 ' *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( -$&48(75,&+$5'(7 * 0(&$1,48( '(6 6758&785(6-2/,21-0 5(&211$,66$1&( '(6 )250(6 (7 9,6,21-8//,(1 -) 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± 6WUXFWXUHV -87$5' $ $8720$7,48(,1'8675,(//(.$671(5 5 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± *prwhfkqltxh.28/280'-,$1 -,1*(1,(5,( '(6 6<67(0(6 ',1)250$7,21 /$*$5'( 0 %,2&+,0,( (7 3+$50$&2/2*,( /$/$11( 0 3URI pppulwh 0(&$1,48( '(6 6758&785(6 /$//(0$1' $ &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 ± (QHUJpWLTXH HW WKHUPLTXH /$//(0$1' 0 0PH &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 ± (QHUJpWLTXH HW WKHUPLTXH /$5($/ 3 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± *prwhfkqltxh /$8*,(5 $ 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( /$8*,(5 & %,2&+,0,( (7 3+$50$&2/2*,(

4 /(-(81( 3 *(1(7,48( 02/(&8/$,5( '(6 0,&5225*$1,60(6 /8%5(&+7 $ 0(&$1,48( '(6 &217$&76 0$57,1(= <,1*(1,(5,(,1)250$7,48( (7,1'8675,(//( 0$=,//( + 3+<6,&2&+,0,(,1'8675,(//( 0(5/( 3 *(0330 0(5/,1 - *(0330 0,//(7-3 3+<6,&2&+,0,(,1'8675,(//( 0,5$021' 0 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± +\GURORJLH XUEDLQH 025(/ 5 0(&$1,48( '(6 )/8,'(6 026=.2:,&= 3 /$(36, 1$5'21 3 3URI pppulwh %,2/2*,( )21&7,211(//(,16(&7(6 (7,17(5$&7,216 1$9$552 $ /$(36, 1285, $ 0PH 0$3/< 0$7+e0$7,48(6 $33/,48e(6 '( /<21 2'(7 & &5($7,6 277(5%(,1 0 3URI pppulwh /($36, 3$6&$8/7-3 0$7(5,$8; 0$&5202/(&8/$,5(6 3$9,& * 9,%5$7,216 $&2867,48(6 3(//(7,(5-0 *(0330 3(5$ - 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± 0DWpULDX[ 3(5$&+21 * 7+(502'<1$0,48( $33/,48(( 3(55,$7 3 *(0330 3(55,1 - (6&+,/ ± (TXLSH 6&LHQFHV +XPDLQHV GH O,QVD GH /\RQ 3,1$5' 3 3URI pppulwh 3+<6,48( '( /$ 0$7,(5( 3,121-0,1*(1,(5,( '(6 6<67(0(6 ',1)250$7,21 3/$< ' &21&(37,21 (7 $1$/<6( '(6 6<67(0(6 0(&$1,48(6 3286,1-0$3/< 0$7+e0$7,48(6 $33/,48e(6 '( /<21 35(927 3 *5$&,03 ± *URXSH GH 5HFKHUFKH HQ $SSUHQWLVVDJH &RRSpUDWLRQ HW,QWHUIDFHV 0XOWLPRGDOHV SRXU OD 3URGXFWLTXH &5($7,6 5$<1$8' 0 &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 ±7UDQVIHUWV,QWHUIDFHV HW 0DWpULDX[ 5('$5&( + $8720$7,48(,1'8675,(//( 5(<128$5' -0 81,7( '( 5(&+(5&+( (1 *(1,( &,9,/ ± 6WUXFWXUHV 5,*$/ -) &21&(37,21 (7 $1$/<6( '(6 6<67(0(6 0(&$1,48(6 5,(8725' ( 3URI pppulwh 0(&$1,48( '(6 )/8,'(6 52%(57%$8'28< - 0PH 3URI pppulwh *(1(7,48( 02/(&8/$,5( '(6 0,&5225*$1,60(6 528%< ' *( ; -- &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 58%(/ 3,1*(1,(5,( '(6 6<67(0(6 ',1)250$7,21 580(/+$57 & 0(&$1,48( '(6 62/,'(6 6$&$'85$ -) &(175( '( 7+(50,48( '( /<21 ± 7UDQVIHUWV,QWHUIDFHV HW 0DWpULDX[ 6$87(5$8 + 0$7(5,$8; 0$&5202/(&8/$,5(6 6&$9$5'$ 6 $8720$7,48(,1'8675,(//( 7+20$66(7 ' $8720$7,48(,1'8675,(//( 752&&$= 0 *(1,( (/(&75,48( (7 )(552(/(&75,48( 817(55(,1(5 5 &5($7,6 9(/(; 3 0(&$1,48( '(6 &217$&76 9,*,(5 * *(0330 9,1&(17 $ *( ,//(502= 3/ 3URI pppulwh 0$7,(5( =,00(50$11 00PH (TXLSH 'pyhorsshphqw 8UEDLQ 'LUHFWHXUV GH UHFKHUFKH &156 %(57+,(5 < 0(&$1,48( '(6 &217$&76 &277(3$7$7 1 0PH 81,7( 0,&52%,2/2*,( (7 *(1(7,48( )5$1&,26, 3 *(0330 0$1'5$1' 0$ 0PH 81,7( 0,&52%,2/2*,( *(1(7,48( 48,1621 -/ *( &+( $ 0$7(5,$8; 0$&5202/(&8/$,5(6 6(*8(/$ 5 *(0330 'LUHFWHXUV GH UHFKHUFKH,15$ )(%9$< * %,2/2*,( )21&7,211(//(,16(&7(6 (7,17(5$&7,216 *5(1,(5 6 %,2/2*,( )21&7,211(//(,16(&7(6 (7,17(5$&7,216 'LUHFWHXUV GH UHFKHUFKH,16(50 35,1*(17 $) 0PH %,2/2*,( (7 3+$50$&2/2*,( 0$*1,1, 0PH &5($7,6 *(0330 *5283( ' (78'( 0(7$//85*,( 3+<6,48( (7 3+<6,48( '(6 0$7(5,$8; &5($7,6 &(175( '( 5(&+(5&+( (7 ' $33/,&$7,216 (1 75$,7(0(17 '( /,0$*( (7 '8 6,*1$/ /$(36, /$%25$72,5( G $1$/<6( (19,5211(0(17$/( '(6 352&('(6 (7 6<67(0(6,1'8675,(/6 &(*(/< &(175( '( *(1,( (/(&75,48( '( /<21

5 Remerciements REMERCIEMENTS Je tiens tout d'abord à adresser mes remerciements à Mme Jocelyne Troccaz d'avoir accepté de présider mon jury de thèse ainsi qu à MM. Jean-Paul Lallemand et Etienne Dombre pour avoir accepté d'être rapporteurs du présent mémoire et pour leur participation au jury. Leurs remarques et questions pertinentes m ont été très précieuses. Je remercie également M. Pierre Marché de sa participation au jury ainsi que pour son attentive relecture de ce rapport mais également pour m avoir accueillie au sein de son laboratoire en tant qu ATER. Mes remerciements vont à André Dittmar dont la porte est toujours ouverte, pour sa participation au jury et pour ses idées et remarques toujours intéressantes. Je remercie particulièrement les ophtalmologues Alain-Nicolas Gilg et Carole Burillon qui ont très activement participé à ce projet et qui nous ont apporté une aide considérable et indispensable. Je souhaite adresser mes plus sincères remerciements à MM. Maurice Bétemps et Alain Jutard de m avoir fait confiance et m avoir dirigée mais également pour leur gentillesse, leur générosité et leur disponibilité. Ce fut un très grand plaisir de travailler à leurs côtés durant ces 3 années. Je tiens à saluer les spécialistes pour l aide apportée dans ce projet et notamment M. Pellarin, Dr Isaac, Dr Gagnieu et M. Provensal. J adresse ma reconnaissance à M. Serge Scavarda qui, en tant que Directeur du laboratoire, m a accueillie au sein de l équipe et pour l intérêt qu il porte aux étudiants, thésards ou non. Un grand merci à Patrick pour les films, montages, photos qu'il a réalisés sur les manipulations et pour sa disponibilité, Christophe pour tout l'aspect technique du projet, depuis les conceptions jusqu'aux réalisations des différentes pièces des montages et prototypes, Monique pour tout l'aspect logistique et gestion, Joël Favrel et Jean-Paul Calvier pour m'avoir si bien accueilli dans leurs locaux de l AIP. Merci à tous les thésards et permanents du LAI (Hakim, Samir, Xavier, Cédric, Flavio, Mazouz, Eric, Willy, Tan ) pour leur sympathique compagnie, ainsi qu à Annabelle et Mickaël, Patricia et Alex, Patrice, Laurent et Catherine, Frédéric, Laurent pour leur amitié. Enfin, je remercie surtout Guillaume, mes parents, mes sœurs et mes beaux-parents pour leur présence en ce jour important et pour leur soutient et leur amour de chaque instant. Cette thèse a eu lieu grâce à eux, elle leur est donc dédiée. 7

6 RESUME Récemment, la robotique a trouvé un nouveau type d application dans le milieu chirurgical où elle participe à l assistance du chirurgien, en complétant les informations sur le système fournies au chirurgien, en augmentant le geste de ce dernier ou encore en réalisant certaines tâches qui permettent au chirurgien de se concentrer sur la sienne. A la demande de chirurgiens ophtalmologues, nous proposons un dispositif dédié à la kératoplastie perforante (la greffe de cornée) réalisant l opération suivant les nouvelles techniques suggérées dans le but de diminuer l astigmatisme postopératoire qui apparaît et ainsi améliorer le recouvrement visuel. L opération chirurgicale consiste à prélever les cornées du donneur et du receveur par trépanation manuelle. Après la mise en place du greffon, il est suturé à la cornée récipient par un surjet (suture continue). Ces deux étapes et les outils utilisés engendrent un astigmatisme postopératoire. Nous proposons de pratiquer la découpe des cornées à l aide d un jet d eau chirurgical à basse pression dans le but de limiter l astigmatisme engendré par la trépanation. La faisabilité a été prouvée et les paramètres établis. Afin de réduire l astigmatisme dû à la suture cornéenne, nous proposons de remplacer celle-ci par une découpe des tissus de forme conique comportant des créneaux, une lentille de contact large suturée à la sclère du patient permettant d assurer une bonne étanchéité de la greffe. Un robot chirurgical a été conçu pour assister le chirurgien dans l acte opératoire tel qu il vient d être défini. L analyse de risque ainsi que le cahier des charges sont définis. La structure choisie est de type Scara qui repose sur un chariot et sur laquelle un effecteur spécifique à été conçu pour la découpe prévue. Un approfondissement de l étude de la découpe au jet d eau pulsé doit être réalisé afin de réduire sensiblement l hydratation de la cornée intervenant lors de l opération. Aussi, après la réalisation du concept, des essais permettront de valider toutes les propositions envisagées. Mots clés : Robotique chirurgicale, Kératoplastie perforante, Ophtalmologie, Jet d eau. ABSTRACT Recently, robotics has found a new kind of research field in surgery in which it is used as an assistant of the surgeon by giving more information on the state of the device to the surgeon, by augmenting wave (precision, tasks, ) or by performing tasks that allow the surgeon to keep his mind on his task. To the requirement of ophthalmologists, we propose a device to perform penetrating keratoplasty (corneal grafting) following the new techniques suggested in order to decrease the postoperative astigmatism that occurs and by this way, to increase visual recovering. The surgery consists in taking donor s and receiver s corneas by manual trephination. The graft is then put in place and sutured to the patient s cornea by a continuing suture. These two steps and the tools used create a postoperative astigmatism. In order to limit astigmatism du to the trephination, we propose to cut corneas with a low pressure surgical waterjet. Feasibility has been proved and parameters established. In order to decrease astigmatism du to the suture, we propose to replace it by a conical shape of cut including tabs followed by the suture of a large contact lens to the patient s sclera in order to be sure of the good tightness to the grafting. A surgical robot has been designed to assist the surgeon during the surgery as it was just defined. An analysis of the risks that might happen and the specifications have been determined. We chose a Scara type structure which is put on a truck and which holds a specifically designed tip. An extensive study must be carried on the pulsed waterjet cutting in order to significantly reduce hydration of the cornea that occurs. Also, some trials will have to be carried to validate the propositions made after the prototype is made. Keywords : Surgical Robotics, Penetrating keratoplasty, Ophthalmology, Waterjet.

7 Sommaire SOMMAIRE Introduction ERE PARTIE : LA PROBLEMATIQUE 1. La Robotique chirurgicale. Etat de l art Introduction Le contexte Les robots stéréotaxiques et l'imagerie médicale Un repérage avec bâti Un repérage sans bâti Les robots de simulation et d'entraînement et la réalité virtuelle La réalité virtuelle La réalité virtuelle augmentée Le casque de visualisation Le retour d'effort virtuel La télérobotique chirurgicale et les autoroutes de l'information Opérer à distance Augmenter la précision La micro-robotique et la chirurgie minimalement invasive La télérobotique La vision Les outils chirurgicaux Les robots mobiles Les caractéristiques d'un robot chirurgical...39 Conclusion L ophtalmologie Introduction La vue Quelques tentatives de robotisation de chirurgies ophtalmiques La cornée Sa structure biologique Ses caractéristiques biomécaniques Les techniques employées Les relations contrainte/déformation Les modules d'young Discussion

8 Sommaire Les indications de greffe de cornée La diminution de l'épaisseur L'augmentation de l'épaisseur La modification de la transparence La greffe de cornée Le mode opératoire Les résultats opératoires Les limitations...65 Conclusion Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Introduction Les cornées artificielles Les outils de découpe Le trépan mécanisé Le laser La suture double Une tentative de robotisation de la greffe de cornée Les insuffisances des propositions actuelles En matière d emploi des implants cornéens En matière de découpe En matière de suture...87 Conclusion EME PARTIE : NOS PROPOSITIONS ET TENTATIVES 4. La découpe au jet d eau Introduction Le jet d eau industriel Son principe et ses caractéristiques Ses avantages et inconvénients Le jet d eau en ophtalmologie Handyjet La découpe de la cornée Ses atouts Essais de découpe au jet d'eau continu Essais de découpe au jet d'eau pulsé Dispositif à galets Dispositif à plateau rotatif L'étude histologique Suite aux essais Les liquides macromoléculaires Le protocole des essais Conclusion

9 Sommaire 5. Propositions pour une assistance robotisée Introduction Comment éviter la suture? Les colles Les agrafes Les formes de découpe Les caractéristiques Les vérifications La robotisation L'analyse de risque Critères à respecter Inventaire des dangers et réductions associées Le cahier des charges La conception Le support La structure La vision L'effecteur Conclusion Conclusion et perspectives Références bibliographiques Annexes ANNEXE 1 : Quelques anomalies de la vision et les chirurgies correctives associées ANNEXE 2 : Les anomalies de la cornées et les chirurgies correctives associées ANNEXE 3 : Résultats postopératoires ANNEXE 4 : Rôle des facteurs physiologiques dans la limitation des résultats de greffe de cornée ANNEXE 5 : Plateaux de pulsation du jet d eau ANNEXE 6 : Effecteur Lexique Liste des figures

10 Introduction INTRODUCTION Dans les premiers temps, les robots avaient été conçus afin de remplacer l homme dans des tâches répétitives pénibles pour des utilisations principalement industrielles en manutention et sur de longues lignes d assemblage, de soudure, de peinture ou autres. Quelques années plus tard, la Robotique devint intelligente et les robots ont pu évoluer du moins partiellement en fonction de leur environnement ; depuis, les applications de la Robotique s étendent à de nombreux nouveaux domaines, hors du monde industriel. On peut prendre comme exemples le robot mobile qui se déplace entre des obstacles fixes ou mobiles jusqu à atteindre un but préalablement fixé, ou encore le chien jouant au football et remuant de la queue sous les caresses. Une autre nouvelle application de la Robotique, récente puisque datant de moins d une vingtaine d années, se situe dans le milieu médical et plus précisément chirurgical. De nombreux pays sont concernés par cette évolution, dont les principaux sont entre autres les Etats-Unis, le Japon, l Allemagne, mais également la France où en effet un pôle CNRS regroupe les chercheurs travaillant sur les GMCAO (Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur) qui viennent de laboratoires de Lille, Grenoble, Montpellier, Sophia- Antipolis, Clermont-Ferrand, Paris, Rennes, Brest, Lyon. Malgré cet effort international important, couplant chercheurs scientifiques et praticiens, peu de dispositifs sont réellement exploités à l heure actuelle dans les blocs opératoires (cependant parmi ceux-ci, plusieurs sont français!) mais cette tendance se généralise et représente un enjeu important pour ce nouveau siècle. L équipe Robotique du Laboratoire d Automatique Industrielle (LAI) de l INSA de Lyon a bien pressenti ce changement et a voulu contribuer à son émergence. Certains domaines chirurgicaux tels que la Neurologie et l Orthopédie connaissent déjà de nombreuses propositions d assistance au chirurgien. Par contre, d autres domaines, comme la chirurgie de l œil ou celle de l appareil auditif, n ont pas subi la même évolution. Dans une étude préliminaire sur l état de l art en matière d assistance robotique à la Chirurgie, les chercheurs du LAI ont noté entre autres que, dans l évolution de la Chirurgie motivée par la prise en compte de l apport des techniques modernes d Imagerie et de Robotique, le domaine de l Ophtalmologie restait à ce jour l un des moins explorés ; il apparaît pourtant comme un champ d investigation à l avenir des plus prometteurs ; c est donc vers celle-ci que le LAI s est tourné. Après, d une part, une étude approfondie des différentes opérations chirurgicales pratiquées en Ophtalmologie, des tâches accomplies, des résultats obtenus et des possibilités de robotisation et, d autre part, une discussion entre les différentes équipes concernées (chirurgiens ophtalmologues, chercheurs scientifiques et industriel de la microinstrumentation chirurgicale), l acte de greffe de cornée (ou kératoplastie perforante) est apparu finalement comme l intervention chirurgicale ophtalmologique candidate à une assistance robotisée. Elle concentre en effet les limitations rencontrées dans de nombreuses autres interventions du domaine [Laffite 96]. 13

11 Introduction Au dire des praticiens, lorsque l on considère l acte chirurgical en Ophtalmologie, il est fondamental d obtenir trois éléments : l immobilité du globe oculaire, la parfaite reproductibilité des gestes du chirurgien, la qualité des instruments ; toutes choses qu il est impossible d obtenir et de maintenir avec rigueur Les résultats après une telle opération sont plutôt décevants, les patients présentant souvent une déformation visuelle appelée astigmatisme post-opératoire. Celui-ci résulte de plusieurs imperfections lors de l opération, provoquées par les outils utilisés et les techniques opératoires actuelles. Devant ce constat, les chirurgiens pressentent que la Robotique permettrait de franchir les diverses difficultés rencontrées au cours du geste chirurgical, en autorisant une meilleure reproductibilité et en augmentant la performance de l instrumentation. Il s agit en fait d apporter plus de précision et de régularité lors de la découpe des cornées, ainsi que lors de la suture du greffon sur l œil du patient. Dans ce but, nous nous proposons d étudier de nouvelles techniques de découpe et de suture, moins traumatisantes, et d augmenter sensiblement la précision des gestes opératoires par l introduction de la Robotique. En fait, la recherche entreprise a pour objet l homme in fine ; elle devrait à terme aboutir à une évolution conséquente des techniques opératoires qui devraient conduire à une amélioration notable des résultats escomptés pour le patient. Il est évident que ce premier travail sur la remise en cause du processus opératoire de la kératoplastie perforante doit être considéré comme exploratoire et comme les prémices à une démarche longue et difficile devant conduire à la proposition d un protocole opératoire nouveau, intégrant : de nouveaux outils et instruments non encore expérimentés sur l homme, une assistance robotisée au geste chirurgical, une utilisation importante des techniques d imagerie médicale. Le mémoire que nous présentons ici est constitué de deux parties, dont la première est une étude détaillée de la problématique abordée, tant d un point de vue médical que d un point de vue robotique. Le premier chapitre de ce mémoire présente un état de l art de la Robotique chirurgicale en général. Les différents types de robots que l on peut rencontrer dans un bloc opératoire ou qui ont été étudiés sont décrits. Ils sont à chaque fois associés à une technologie qui complète de tels dispositifs, comme l imagerie, la réalité virtuelle, la télémanipulation. Un dernier exemple de robot est donné qui répond à des exigences de chirurgie minimalement invasive. D après cette étude bibliographique, quelques caractéristiques particulières aux robots chirurgicaux ont été établies. Le deuxième chapitre aborde le domaine ophtalmique, en commençant bien sûr par une brève description du phénomène de la vision. Puis, sont exposées les quelques tentatives menées pour robotiser certaines opérations chirurgicales dans ce domaine. La cornée étant un tissu complexe bien spécifique, la connaissance de sa structure et de ses propriétés est nécessaire à l appréhension des problèmes rencontrés lors de la greffe, en particulier lors de sa découpe. Après avoir détaillé sa structure biologique et ses caractéristiques biomécaniques, nous présentons les anomalies qui peuvent affecter ce tissu et dont le seul moyen de correction est la greffe. L acte chirurgical est alors abordé, par une description des différentes étapes constituant le mode opératoire tel qu il est réalisé actuellement. Certains résultats obtenus après des greffes de cornées sont comparés et discutés ; une réflexion sur leurs limitations, leurs origines et leur fréquence est faite, à partir 14

12 Introduction de laquelle des propositions sont avancées pour l amélioration du recouvrement visuel après une greffe de cornée. Le troisième chapitre expose différentes études menées pour l amélioration de l opération. Certains laboratoires travaillent sur les cornées artificielles, ce qui pourrait résoudre les problèmes de compatibilité et diminuer les listes d attente et vraisemblablement augmenter les chances de réussite pour certaines indications de greffe. D autres propositions concernent la découpe et plus particulièrement l emploi de nouveaux outils, moins traumatisants que le trépan, pour le prélèvement des cornées. La suture a également été l objet de recherches, dans le but de mieux régulariser les tensions du fil sur le pourtour du greffon. Une seule tentative de robot, créé pour la découpe de la cornée au trépan, a été réalisée. Toutes ces approches nouvelles conduisent théoriquement à des améliorations, mais leur utilisation ou les résultats obtenus révèlent un certain nombre d inconvénients majeurs. Après avoir bien étudié le tissu, les problèmes rencontrés lors de l opération, les tentatives d améliorations avancées ainsi que leurs limitations, de nouvelles pistes peuvent être envisagées. Celles-ci font l objet de la deuxième partie de ce mémoire. Le quatrième chapitre concerne la découpe des cornées du donneur et du receveur. Pour réaliser cette tâche, un nouvel outil de découpe est étudié. Il s agit du jet d eau sous pression. Après une présentation rapide de l utilisation du jet d eau dans l industrie, les phénomènes et caractéristiques propres à ce moyen de découpe pouvant être transposés en chirurgie sont décrits. En effet, très récemment, cet outil a trouvé des applications dans le milieu chirurgical dont quelques rares exemples, présentés ici, concernent l Ophtalmologie. Le fonctionnement du dispositif utilisé pour mener nos expériences est explicité. La majeur partie de ce chapitre concerne ces essais, qui sont détaillés et dont les résultats sont discutés. Le dernier chapitre aborde la robotisation de l opération, telle qu on l envisage. Celleci présente deux intérêts dans notre cas. Tout d abord, le robot permet de limiter l astigmatisme dû à la suture des tissus. En effet, utilisé comme support de l outil, il autorise des formes de découpe, autres que circulaires, ce qui nous conduit à proposer un type de formes de découpe bien particulier, dont la caractéristique essentiel est d engendrer un maintien naturel du greffon dans l œil du patient. Différentes formes de greffons ont été étudiées afin de déterminer la forme optimale à notre point de vue. Ensuite, bien sûr, le robot permet l obtention de formes régulières, réalisées avec une précision remarquable. La deuxième partie de ce chapitre aborde la conception du robot dédié à la greffe de cornée incluant une analyse de risque, indispensable à l introduction de nouveaux dispositifs médicaux en bloc opératoire, qui fut préliminaire à la définition du cahier des charges. Il faut noter que toutes les expérimentations qui sont exposées dans ce mémoire ont été conduites, soit sur un gel simulant d une façon assez réaliste le matériau de la cornée, soit sur des yeux d animaux (cochons) morts depuis peu. Une seule expérimentation de découpe de cornée au jet d eau a été tentée sur vivant (lapin), sans conduire à des résultats probants, à ce stade de notre étude. 15

13 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art 1. LA ROBOTIQUE CHIRURGICALE. ETAT DE L ART 1. La Robotique chirurgicale. Etat de l art Introduction 1.1. Le contexte 1.2. Les robots stéréotaxiques et l'imagerie médicale Un repérage avec bâti Un repérage sans bâti 1.3. Les robots de simulation et d'entraînement et la réalité virtuelle La réalité virtuelle La réalité virtuelle augmentée Le casque de visualisation Le retour d'effort virtuel 1.4. La télérobotique chirurgicale et les autoroutes de l'information Opérer à distance Augmenter la précision 1.5. La micro-robotique et la chirurgie minimalement invasive La télérobotique Les robots mobiles 1.6. Les caractéristiques d'un robot chirurgical Conclusion RESUME Ce chapitre est consacré à la présentation de l'art en Robotique chirurgicale. Après avoir balayé l'ensemble des domaines de la Robotique dans le milieu médical, il présentera plutôt la Robotique chirurgicale. Différentes technologies et techniques (imagerie, réalités virtuelles ou virtuelles augmentées, télérobotique et Robotique mobile) introduites dans ces systèmes d'aide à la chirurgie seront présentées et analysées pour définir ou non la possibilité de les utiliser en ophtalmologie. Différents domaines chirurgicaux avec chacun leurs particularités seront abordés et des exemples présentés. Enfin, un récapitulatif des caractéristiques d un robot chirurgical sera exposé en conclusion. 17

14 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art INTRODUCTION Ces dernières années, on a pu remarquer une émergence forte de la Robotique dans le monde médical. En effet, il est de plus en plus question d'auscultation à distance, d'aide à la réhabilitation robotisée. Ces avancées, dues à une synergie chirurgiens-ingénieurs dynamique, font faire des progrès énormes à la Santé générale (diagnostic, intervention) et notamment dans le domaine chirurgical. Par exemple, l'armée Américaine s'est lancée dans la télémédecine afin de soigner ses militaires sur le champ de bataille, à distance. La NASA, dans les années 80 a imaginé aussi la future consultation des astronautes en vol à partir de la Terre. Plus prosaïquement, une auscultation effectuée à distance peut permettre à une personne âgée, ne pouvant se déplacer ou éloignée d'un centre médical, d'être soignée. Cela peut aussi permettre à un médecin de demander l'avis à un collègue éloigné tout en lui présentant son patient. Les robots d'aide au geste médical sont également en pleine émergence. Par exemple, Dombre et son équipe proposent une sonde échographique externe robotisée qui parcourt les artères, sans invasivité, afin de détecter des plaques d'athérome* [Dégoulange 97]. Ou encore, Chavanon présente un guidage informatisé de la ponction des tissus mous appliqué à la ponction péricardique [Chavanon 97]. De nombreux robots ont été également développés pour le positionnement du patient par rapport à la source (ou inversement) pour la radiothérapie [Desblancs 98], [Schweikard 96] et [Troccaz 96]. La réhabilitation concerne le remplacement d'un organe moteur manquant. Dans ce cas, le robot effectue la tâche que le patient ne peut plus faire seul (se nourrir, tourner les pages d'un livre, se déplacer, ). Ces recherches, lancées dans les années soixante, concernent tous les publics mais particulièrement les personnes âgées depuis que l espérance de vie s allonge. D'une manière générale, tout patient cherche à retrouver son indépendance. Guittet présente différentes orientations prises pour améliorer la vie de personnes handicapées dont des orthèses*, prothèses* et téléthèses* [Guittet 88]. Ces dernières peuvent être fixées sur des fauteuils roulants dont certains ont été développés dans le but de rendre leur mobilité aux personnes handicapées moteurs. Certains sont commandés par la voix pour atteindre un but fixé (application de la Robotique mobile au milieu médical), d'autres réalisent des suivis de couloir, d'autres encore sont entièrement autonomes [Pruski 97]. De nombreux exemples sont présentés dans cet article, auxquels on peut ajouter les travaux des auteurs suivants [Hoppenot 97], [Pruski 97 bis], [Lanusse 97], etc Un autre domaine de la Robotique qui se développe rapidement est l'assistance au chirurgien. En effet, depuis seulement une vingtaine d'années des chercheurs se sont penchés sur cette nouvelle approche. En 1993, P. Cinquin parlait encore de "mythe" en pensant aux Gestes Médico-chirurgicaux Assistés par Ordinateur [Cinquin 93]. Depuis, quelques systèmes ont été développés et commercialisés, mais leur nombre va croissant. Lueth, en 1999 [Lueth 99], a répertorié dix types de robots commercialisés, certains pour l'endoscopie, d'autres pour la téléopération, l'orthopédie, la neurologie, la radiothérapie et le positionnement de microscopes. Sur ces dix robots, deux sont français et ont été développés par la société ISS (Integrated Surgery System, anciennement IMMI), basée dans la banlieue lyonnaise. Il s'agit du Neuromate et du Robodoc qui seront présentés plus loin. Tout au long de ce chapitre, chaque paragraphe sera conclu par une réflexion menée sur l intérêt et l apport que peuvent apporter les techniques présentées en ophtalmologie, objet essentiel de ce travail. 18

15 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art 1.1. LE CONTEXTE On peut se demander pourquoi faire intervenir la Robotique en chirurgie? Elle ne sert en tout cas pas, comme les robots industriels, à répéter inlassablement les mêmes tâches et donc à remplacer l'homme dans des tâches répétitives pas très passionnantes [Rabischong 98]! Le robot sert ici plutôt à aider le chirurgien à parfaire son intervention. C'est pourquoi on parle communément de "robot d'assistance". L objectif est de permettre l introduction de nouvelles technologies dans le milieu chirurgical afin d augmenter le geste du chirurgien. L efficacité et la sécurité de l acte sont améliorées et de nouvelles stratégies opératoires apparaissent comme la chirurgie minimalement invasive*. Le robot doit donc être le nouvel assistant du chirurgien, son complément. Taylor présente les capacités du chirurgien et celles, complémentaires, du robot [Taylor 96] (Cf Tab. 1.1) : Adroit Relativement rapide Très entraîné Très adaptable Chirurgien Positionnement moyennement précis Suivi de trajectoire moyennement précis Contrôle des efforts moyennement précis Maladroit dans les espaces de travail restreints Comprend et analyse Intolérant aux rayonnements ionisants Fatigable (Maladroit à la longue selon la durée de l opération, parfois sujet à de faibles tremblements, peut faire des erreurs) Vitesse variable Non adaptable Positionnement précis Robot Suivi de trajectoire précis Contrôle des efforts précis Peut exécuter des tâches de petites dimensions Tolérant aux rayonnements ionisants Infatigable Tab. 1.1 : Coopération chirurgien/robot Ce constat montre bien l'aspect complémentaire du robot, qui peut ainsi aider le chirurgien dans son travail et non le remplacer. Il permet aussi d'associer de nouvelles technologies à l'acte chirurgical afin d'en augmenter encore l'efficacité. C'est le cas par exemple d'internet (pour la diffusion de l'information), de l'imagerie multimodale (issue de plusieurs techniques d'imagerie) ou encore de la réalité virtuelle (images et retours d'efforts virtuels). Peuvent également être introduits de nouveaux outils chirurgicaux tels que le laser (pour détruire, couper ou suturer), le jet d'eau, les outils miniaturisés. L'ensemble de ces technologies permet de diminuer l'invasivité et la durée de l'opération, ce qui diminue d'autant le temps de récupération du patient. Il permet également d'augmenter la précision et le contrôle du geste, ainsi que la planification de l'acte chirurgical. Cela donne la possibilité d'optimiser l'opération. 19

16 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Ces systèmes se différencient donc en fonction des éléments entrant en jeu, ceux-ci dépendant entièrement de l'objectif fixé. Cinquin et Troccaz [Cinquin 93], [Troccaz 99] ont tenté de classer les systèmes médicaux en fonction du moyen de guidage utilisé : v Systèmes passifs : Ils fournissent au chirurgien des données qui lui permettent de comparer la tâche courante à la tâche planifiée (à réaliser). Mais c'est le chirurgien qui réalise complètement la tâche. Ces systèmes passifs peuvent être par exemple des robots de simulation, sur lesquels on planifie la tâche avant opération. v Systèmes actifs : Cette fois, le robot réalise de façon autonome la tâche, le chirurgien devient alors un superviseur. v Systèmes semi-actifs : Entre les deux autres systèmes. Le chirurgien réalise la tâche entièrement mais il est guidé par le robot (évolution dans un environnement précontraint). v Systèmes synergétiques : Ces systèmes sont des systèmes semi-actifs qui limitent le geste du chirurgien mais qui, en plus, peuvent être programmés. v Systèmes télérobotiques : Ces systèmes, comme leur nom l'indique, sont utilisés pour l'opération à distance. v Systèmes Robotiques endocorporels : Issus de la miniaturisation de systèmes existants, ils peuvent s'introduire dans le corps du patient et permettent dans la plupart des cas de pratiquer une chirurgie dite minimalement invasive*. Dans ce mémoire, nous nous limiterons à la présentation de quelques outils fréquemment employés, tels que l'imagerie, la réalité virtuelle, quelques systèmes de guidage et des cas particuliers comme la télérobotique chirurgicale et la chirurgie minimalement invasive*. Chaque technologie est en fait un élément, dont l'association avec d'autres éléments crée un système. L'un de ces éléments, que l'on retrouve dans tous les systèmes, est l'imagerie LES ROBOTS STEREOTAXIQUES ET L IMAGERIE MEDICALE L'imagerie a toujours été associée à la chirurgie mais auparavant elle n'intervenait qu'en amont puisqu'elle n'était utilisée qu'à des fins de diagnostic ou de localisation (de tumeur par exemple), et en aval pour un suivi postopératoire. Désormais, avec l'avènement de la Robotique chirurgicale, elle intervient aussi pendant l'opération. Les types d'imagerie utilisés sont ceux déjà connus comme l'irm, le scanner à rayons X, la RMN ou les ultrasons. Le tableau Tab. 1.2 ci-dessous explicite les caractéristiques de chacun. 20

17 21 Tab. 1.2 : Sources d'imagerie médicale Imagerie Rayons X IRM RMN US Vidéo Mode de fonctionnement Densité de matière Champ magnétique Emission de rayons Onde ultrasonore Réception de rayons lumineux Mise en évidence Matière osseuse ou agent de contraste Présence d'hydrogène Eléments radioactifs (réactions chimiques, composition, ) Volumes Volumes, couleurs Type d'image Morphologique Morphologique Fonctionnelle Morphologique Morphologique Invasivité Non Non Non Selon les cas Selon les cas Résolution 512x512x512 pixels 256x256x256 pixels 64x64x64 ou 128x128x128 pixels Moyenne Tres bonne Pa 2D ou 3D 3D 3D 2D ou 3D temps réel 2D temps réel Contribution à l aide robotisée au geste chirurgical ; 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art

18 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art v L imagerie par rayons X, appelé tomodensitométrie, permet d'obtenir une reconstruction tomographique d'un organe. Depuis quelques années, les chercheurs tentent d'augmenter sa vitesse d'acquisition afin de pouvoir obtenir des représentations 3D en quelques millisecondes. v L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) peut être une véritable technique d'imagerie 3D, puisqu'on peut obtenir des gradients de champ magnétique qui donnent accès à tout point d'un volume. v La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est constituée d'une source de rayons gamma. La rotation de la caméra-gamma autour du patient donne un volume 3D appelé tomoscintigraphie. En contre-partie de sa mauvaise résolution, elle permet de mettre en évidence des informations fonctionnelles (réactions chimiques, composition, ) que ne donnent pas les autres techniques. v Le dispositif à ultrasons (l'échographie) est un système d'imagerie en temps réel qui donne une résolution moyenne de l'image. Cette faible résolution provient de distorsions de l'image dues à des gradients de vitesse obtenus lorsque le tissu n'est pas homogène. La majorité des sondes échographiques réalisent des images 2D, mais des systèmes 3D apparaissent. v Les images vidéo sont bien entendu très répandues en imagerie médicale puisqu'elles fournissent une quantité considérable d'informations. Les images en couleur provenant de microscopes ou d'endoscopes sont numérisées directement par l'ordinateur et permettent un contrôle en temps réel d'une opération en endoscopie ou en microchirurgie. Les principes de ces types d'imagerie reposent sur des phénomènes qui mettent en valeur des tissus différents, c'est pourquoi de nombreux chercheurs se sont penchés sur la fusion de données multimodales, la philosophie étant de modéliser en 2D ou en 3D l'organe désiré d'une façon la plus complète possible. Le but est donc de fusionner des images fonctionnelles avec des images morphologiques. L'image obtenue permet ainsi de localiser précisément le but à atteindre en prenant en compte tous les paramètres. De plus, une fois le problème localisé, le robot peut se positionner très précisément par rapport à celui-ci ou même par rapport à une autre référence-patient. Dans le même esprit, si le système d'acquisition choisi le permet, un suivi peut être réalisé afin d'asservir le robot aux mouvements du patient ou du chirurgien. Le but est de toujours créer un référentiel patient auquel le robot se réfère. Il existe deux types de repérage que nous développons ci-dessous: Un repérage avec bâti Le principe consiste à fixer un casque annulaire dit stéréotaxique à la table et au patient afin de maintenir ce dernier en place. Ce casque porte des marques ou repères par rapport auxquels le robot se repère. Le robot peut être fixé au casque [Reinhardt 96] ou non [Badano 96]. Des images préopératoires (rayons X, images virtuelles, ) servent de référence pour une planification de chirurgie, pour un suivi opératoire ou pour une localisation du tissu cible par rapport au robot. Quelques exemples de robots pour la chirurgie neurologique sont présentés ci-dessous : 22

19 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Reinhardt [Reinhardt 96] a prévu de solidariser le robot au casque qui est fixé au crâne par des aiguilles (Cf Fig. 1.1). Il consiste en un bras articulé de quatre axes. L'imagerie est réalisée aux rayons X. Le robot se positionne en position initiale par rapport à un marqueur en plomb placé sur l'anneau puis pendant l'opération, il se repère aux aiguilles de fixation. Fig. 1.1 : Robot à casque stéréotaxique Le Neuromate (Cf Fig. 1.2) de la société ISS est un robot qui n'est pas fixé au casque (dans cette version). Un système de vision incorporé permet de suivre l'évolution de l'opération dans la boîte crânienne en temps réel. L'effecteur peut supporter différents types d'outils (laser, pipette, seringue, etc ) [Badano 96]. Fig. 1.2 : Neuromate Transposition possible en Ophtalmologie? Un tel dispositif est lourd à utiliser, contraignant, inconfortable pour le patient ainsi que pour le chirurgien. De plus, il est peu adapté aux structures ou tissus mous, déformables. Il n apparaît donc pas applicable en Ophtalmologie où le globe oculaire ne peut être complètement immobilisé et où les éléments sont déformables. 23

20 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Un repérage sans bâti Il peut exister trois types de repérage sans bâti du robot par rapport au patient : v Le dispositif peut s'aider de caractéristiques naturelles du tissu à localiser. Un exemple en chirurgie orthopédique est donné ci-dessous. Ault localise le patient par rapport à la salle d'opération par l'identification de quatre "coins" naturels du fémur. Une comparaison par rapport à un modèle préalablement défini à partir d une imagerie aux rayons X, permet de déterminer la position et l'orientation du fémur dans la salle. Il suffit alors de repérer le robot par rapport à la salle [Ault 94]. v Le dispositif peut se repérer à partir de marqueurs non naturels implantés sur l'organe concerné ou bien à l'aide de liquides marqueurs injectés qui mettent en évidence les tissus intérieurs lors de leur passage. Deux prototypes en chirurgies orthopédique et maxillofaciale sont explicités ci-dessous. Taylor a mis au point un système permettant le placement précis d'une prothèse de la hanche dans le fémur sans ciment [Taylor 92]. Des épingles en Titane sont placées dans le fémur et un scanner aux rayons X de la jambe est réalisé (Cf Fig. 1.3). Puis, pendant l'opération, le fémur est attaché solidement à la base du robot. L'implant de la hanche est modelé suivant une géométrie parfaitement compatible avec le fémur. Les épingles repères sont enlevées et l'implant placé. Des essais sur des os de cadavres ont permis de déterminer l'erreur de dimensionnement à 0.05 mm et l'erreur de placement à 0.4 mm, ce qui représente une bonne précision et permet d'implanter la prothèse de hanche dans le fémur sans ciment. Fig. 1.3 : Prothèse de la hanche par Taylor Dans un autre domaine, Péria présente la fusion d'images RMN et IRM pour permettre et améliorer le diagnostic et la planification de la chirurgie cérébrale dans le cas de désordres épileptiques ou de tumeurs [Péria 94]. La méthode d'imagerie est sans bâti et référencée sur la face du patient. L'injection de liquides marqués permet de mettre en évidence les tissus 24

21 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art intérieurs (différents suivant les produits injectés) lors de la RMN. L'IRM permet de montrer la face externe du visage du patient. La précision de localisation obtenue par cette méthode est de 2 mm. v Le robot peut se repérer par rapport au patient ou à la cible à atteindre par la superposition d'images en temps réel de l'opération sur des images réalisées préopératoirement servant de référence. La définition d'un tel procédé pouvant évoluer d'un auteur à un autre, j'adopterai celle de ceux qui la nomment réalité augmentée. Celle-ci peut permettre par exemple de contrôler que la trajectoire suivie pendant l'opération (images temps réel) correspond bien à la trajectoire planifiée auparavant à l'aide d'images préopératoires, grâce à la superposition des deux. Les robots utilisant ce principe sont souvent utilisés pour réaliser une planification de la chirurgie (préparation à l'avance sur les images préopératoires) mais aussi un asservissement en position des images préopératoires aux images en temps réel qui se déplacent avec le patient. On obtient ainsi une plus grande précision, même si le patient bouge. Voici ci-dessous un exemple en orthopédie : Le projet ROBODOC vise à choisir et positionner un implant de hanche dans le fémur [Bargar 94], un robot chirurgical usine une cavité dans l'os aux dimensions précises de l'implant. Les images préopératoires sont prises au scanner après implantation de trois épingles en titane dans l'os. A partir de ces images, le système ORTHODOC construit une image 3D sur laquelle sont superposées trois images planes. Le chirurgien choisit un implant dans la base de données et positionne sa représentation sur l'image 3D. Le fémur est fixé par rapport au robot qui se repère par recherche automatique des épingles en titane. Le robot usine ensuite le fémur suivant les dimensions définies préopératoirement. Pendant l'opération, le chirurgien suit l'évolution du robot sur un moniteur sur lequel sont visibles les images en temps réel superposées aux images utilisées pour la planification. Dans cet exemple, les images préopératoires sont utilisées pour une planification de la chirurgie, les images peropératoires pour le contrôle du fonctionnement du système. Transposition possible en Ophtalmologie? En Ophtalmologie, un repérage sans bâti est incontournable. Néanmoins, l'utilisation de marqueurs non naturels (liquides ou solides) dans l'œil semble difficilement applicable pour des raisons de bio-compatibilité (le liquide serait aussitôt absorbé) et de déformations (pour les solides). 25

22 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art 1.3. LES ROBOTS DE SIMULATION ET D ENTRAINEMENT ET LA REALITE VIRTUELLE La réalité virtuelle Sur le même principe, les robots de simulation ou d'entraînement ne se basent que sur des images virtuelles ; c'est la réalité virtuelle. Ces robots sont utilisés, soit pour l entraînement sur un patient virtuel, soit pour la simulation de l'acte chirurgical juste avant l'opération afin de planifier et d optimiser l'opération. Les modèles présentés sur l'écran sont entièrement virtuels et créés à partir de modèles construits (en éléments finis par exemple) ou issus de la fusion d'images réelles ou d'atlas. Satava a créé un modèle virtuel de l abdomen pour l'enseignement médical en chirurgie abdominale, mais aussi pour le perfectionnement des chirurgiens, sur un patient virtuel [Rosen 96]. Le modèle permet de visualiser l'abdomen de l'extérieur, comme lors d'une traditionnelle laparotomie (chirurgie de l'abdomen), mais aussi de l'intérieur du patient, comme lors d'une endoscopie. En France aussi la recherche dans ce domaine se développe. On peut citer, entre autres, les possibilités de modélisation et de navigation en trois dimensions et d'endoscopie virtuelle de Haigron [Haigron 98], de modélisation 3D par les éléments finis et d'animation sur des tissus déformables (foie) comportant des retours d'efforts, des reflets et l'apparition de sang de Cany-Gascuel [Cany-Gascuel 98], de simulation dynamique et interactive et de modélisation de collision pour une détection en temps réel [Laugier 98], ou encore de simulateurs développés pour l'endoscopie du duodénum ou pour l'échographie [Chaillou 98] La réalité virtuelle augmentée On peut aussi établir une réalité virtuelle augmentée qui consiste à superposer une image réelle sur une image virtuelle. Des exemples en neurologie, orthopédie, chirurgie abdominale sont donnés ci-dessous. Le robot Neuromate (Cf p.23) offre la possibilité, lors de la planification de la chirurgie, de superposer des images cliniques préopératoires sur les images virtuelles qui ont servi à déterminer la configuration du robot, afin de vérifier la justesse de la stratégie choisie. Joskowicz propose un système pour la correction de fractures d'os par insertion d'une broche dans le canal médullaire*, vissée dans l'os [Joskowicz 99] (Cf Fig. 1.4). Une image virtuelle 3D d'un modèle d'os est suivie en temps réel sur laquelle est superposée une image statique per-opératoire du champ opératoire qui sert au repositionnement du modèle. Un bras articulé permet la capture d images per-opératoires en fluoroscopie, un suivi optique, le positionnement en temps réel de l'objet 3D à partir de LED montées sur les instruments chirurgicaux et les vis à os. 26

23 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Fig. 1.4 : FRACAS Sur un autre principe, Peuchot [Peuchot 98] a développé un système qui permet de renvoyer sur le champ opératoire, une image de synthèse 3D créée à partir d'images prises préopératoirement des vertèbres à visser lors de problèmes de scoliose. Ceci permet ainsi au chirurgien de voir "à travers" le patient (même les parties cachées) et de poser la vis correctement en minimisant les points de suture. Bajura a voulu améliorer l'apport de l'imagerie "interne" posée directement sur le patient en rajoutant un effet de profondeur pour éviter d'avoir un effet de superposition des images à la surface du patient [Bajura 96] (Cf Fig. 1.5). Dans ce but, il a créé des trappes virtuelles ombrées dans lesquelles se trouve le modèle de l'organe considéré. Le problème est que ces trappes cachent les organes contigus (et créent alors des risques de "collision" de l'outil avec ces organes) et ceux qui sont sous le modèle. Fig. 1.5 : Superposition d'images virtuelles et réelles 27

24 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Transposition possible en Ophtalmologie? La réalité virtuelle augmentée pourrait être utilisée pour le suivi de l'outil lors de la greffe de cornée. Le problème réside toutefois dans la modélisation de la cornée qui est un matériau de caractéristiques particulières. Des auteurs présentent néanmoins des propositions de modélisation (Cf chap. 2). Un tel support permettrait de suivre l'évolution de l'outil et les déformations de la chambre antérieure. Surtout, un recalage du robot pourrait être réalisable lors de mouvements du globe oculaire Le casque de visualisation Ces images virtuelles apparaissent souvent directement dans le champ opératoire, mais elles peuvent également être visualisées dans des casques ou des lunettes spéciales portés par le chirurgien. Exemples en chirurgie abdominale : Bajura propose un environnement virtuel fabriqué à partir d'images ultrasons [Bajura 96]. Simultanément à chaque échographie, la position et l'orientation d'un casque est calculé. Un système génère un modèle 3D à partir des images planes échographiques. Les images réelles, capturées par une caméra miniature intégrée au casque, sont restituées devant l'œil gauche du casque, l'image virtuelle, projetée par une seconde caméra, apparaît devant l'œil droit (Cf Fig. 1.6). Afin de garantir une bonne image stéréo, les deux caméras (gauche et droite) sont asservies l une à l autre. Fig. 1.6 : Imagerie 3D dans un casque de visualisation 28

25 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Reichenspurner a mis au point une aide au chirurgien pour pratiquer une chirurgie de la valve mitrale (valve du cœur située entre l'oreillette et le ventricule) minimalement invasive* [Reichenspurner 99] (Cf Fig. 1.7). Pour cela il s'appuie sur une imagerie 3D de la valve en temps réel réalisée par une minicaméra 3D. Cette caméra est montée sur un bras robotisé commandé par la voix. L'image de la valve est visualisée sur un casque porté par le chirurgien, lui permettant ainsi de visualiser l'intérieur du cœur sans détourner les yeux du patient. Fig. 1.7 : Image 3D de la valve Transposition possible en Ophtalmologie? En Ophtalmologie, le chirurgien opère sous microscope, des deux mains. La visualisation du champ opératoire à travers un casque de visualisation ne présente donc pas un grand intérêt pour lui puisqu il conserve déjà ses deux mains libres pour la manipulation d outils. Néanmoins, on peut envisager que la visualisation sur un casque lui apporte un plus grand confort Le retour d effort virtuel Un autre outil virtuel est souvent utilisé en Robotique chirurgicale et notamment pour les robots de simulation, il s'agit du retour d'effort virtuel. En effet, pour un entraînement sur un patient virtuel, il est nécessaire de bien reconstruire l'environnement chirurgical (et donc retours visuels et tactiles) pour que le chirurgien retrouve les mêmes sensations qu'en bloc opératoire. Mais le retour d'effort virtuel peut aussi être très utile pour la téléchirurgie. En effet, dans ce cas, le chirurgien pilote le robot-esclave à distance, il ne peut donc se rendre compte des efforts réels. La force appliquée au patient est mesurée (par le courant de commande du moteur, par des jauges de déformation, etc ) et les moteurs placés sur l'effecteur du robot-maître recréent cette force dans la main du chirurgien. Une bonne précision de cet effort est difficile à atteindre avec les composants technologiques actuellement disponibles [Sheridan 96], mais des auteurs proposent déjà des solutions en créant cet effet sur le joystick que manipule le chirurgien ou sur un gant dont des exemples sont présentés à la suite. 29

26 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Greenleaf [Greenleaf 96] présente le gant DataGlove. Il s'agit d'un gant fin sur lequel sont collées des fibres optiques le long de la surface de chaque doigt. A l'intérieur de l'unité à laquelle elles sont reliées, des diodes luminescentes envoient des photons le long de la fibre vers un détecteur. Le signal transmis est inversement proportionnel au taux de flexion de l'articulation. L'ensemble des signaux parcourant les doigts donne un tableau de mesures qui représente la posture de la main complète. Taylor [Taylor 99] propose un système basé sur une coopération mutuelle entre le chirurgien et le robot qui tiennent ensemble l'outil. Le robot contrôle les efforts exercés par l'opérateur sur l'outil et par l'outil sur l'environnement. Ces informations sont utilisées pour réaliser un contrôle en position régulier, doux, sans tremblement et un contrôle de l effort appliqué sur le patient via l instrument. Pour la résection* au niveau du genou, Ho [Ho 95] a développé un robot guidé manuellement par le chirurgien en s'aidant d'une représentation visuelle en temps réel de l'organe. A partir des données préopératoires, des zones de contraintes artificielles ont été établies (Cf Fig. 1.8). A l'intérieur de ces zones, le chirurgien peut bouger librement l'effecteur du robot. A la limite de ces régions, l'effecteur ne peut que suivre la frontière et ne peut la traverser. A l'extérieur, les mouvements sont rendus très difficiles à réaliser et nécessitent d'importants efforts. Ces contraintes virtuelles sont logicielles, néanmoins, des contraintes mécaniques peuvent être ajoutées au système afin de prévenir tout dérapage logiciel. Fig. 1.8 : Champs de contraintes virtuelles Transposition possible en Ophtalmologie? Lors de la greffe de cornée, le retour de l'effort appliqué sur la cornée est très important puisqu'il permet de déterminer la pression intraoculaire. Les efforts appliqués sur l'œil sont faibles et la cornée, très élastique, est très sensible à un effort. Pour ces raisons, il pourrait être intéressant de faire intervenir des efforts sur des gants à la condition de les amplifier. Le principe des champs de contraintes permet d'éviter les débordements de la manipulation dans une zone non prévue mais suppose un guidage manuel du robot, ce qui n est pas notre objectif. 30

27 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art 1.4. LA TELEROBOTIQUE CHIRURGICALE ET LES AUTOROUTES DE L INFORMATION Certains systèmes d'aide robotisée au chirurgien prennent la forme de deux robots dont l'un est dit maître et le second esclave. Le premier est piloté directement par le chirurgien, le second recopie les mouvements sur le patient, c'est la télérobotique. Le chirurgien peut ainsi se trouver à distance du champ opératoire (de quelques centimètres à plusieurs milliers de kilomètres). Pour piloter le robot, il est guidé par des images virtuelles et/ou réelles. Il peut recevoir également des informations par retour d'effort si la chirurgie le nécessite. La télérobotique s'appuie sur les moyens modernes de communication pour le transfert de l'information d'un robot à un autre. Des chercheurs ont donc étudié la possibilité de réaliser un acte opératoire dans ces conditions (Internet, satellite, fibre optique, ) Opérer à distance Le problème rencontré concerne les temps et délais de transmission et de réponse. En effet, ces délais, associés au temps de transmission du signal, augmentent avec la distance. Cela pose un véritable problème pour la chirurgie car ces délais interviennent pendant la transmission des commandes au robot-esclave mais aussi pendant le retour d'information vers le robot-maître. Si ces temps sont supérieurs à 0.25 seconde, ils peuvent affecter significativement l'habileté du chirurgien à réaliser sa tâche [Bejczy 94]. Des auteurs s'appuient sur le réseau Internet [Mitsuishi 95], d'autres sur le réseau satellite [Gourdon 98] pour établir la liaison entre le maître et l'esclave. Une expérience a été menée pour tester la liaison Internet entre le maître situé à Washington et l'esclave situé à Tokyo. Les images obtenues étaient de mauvaise qualité et des dispersions entre les mouvements du joystick et ceux visualisés sur le moniteur apparaissaient. Les délais de transmission des informations obtenus ont été de 0.7 seconde/image [Mitsuishi 95]. Des chercheurs français ont tenté de réaliser une échographie à distance entre Bourges et Katmandou, l'acquisition et la compression n'ont donné finalement qu'une vitesse de transmission de 1 image toutes les 2.5 secondes pendant l'essai [Gourdon 98]. Si l une des possibilités de commande à distance réside dans la communication d images entre deux structures distantes l une de l autre, une autre possibilité est la commande vocale d une seule structure par l utilisateur présent dans la même salle. Certains auteurs commandent leurs robots à distance à l'aide d'un vocabulaire compris par ces derniers [Uecker 94], [Sturges 96]. Le système multi-utilisateurs de Uecker, AESOP (Automated Endoscopic System for Optimal Positioning) est entièrement piloté pas à pas par la voix (Cf Fig. 1.9). Au contraire, dans le système de Sturges, l'avance dans le conduit anatomique (Cf Fig. 1.19) est générée automatiquement, seul le contrôle est vocal. 31

28 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Fig. 1.9 : AESOP Transposition possible en Ophtalmologie? Pour la greffe de cornée, notre premier objectif n'est pas d'opérer à distance mais cela pourrait être envisageable par la suite Augmenter la précision La télérobotique permet donc d'opérer à distance, dans des conditions hostiles (environnement contaminé, radioactif, patient contaminé, ) ou difficilement accessibles (espace, champ de bataille, ). Mais elle permet également, grâce au renvoi des mouvements d'un robot vers un autre, d'augmenter sensiblement la précision du geste en ajoutant un réducteur d'échelle entre les deux protagonistes. En effet, si tel est le cas, l'erreur commise par le chirurgien est réduite sur le patient. Des dispositifs possèdent une bande passante qui filtre les tremblements du robotmaître avant de les transmettre au robot-esclave [Das 99] (Cf Fig. 1.10). Les mouvements du robot-maître sont mesurés avec une précision de 30 µm, ceux de l'esclave avec une précision de 12 µm (RAMS). Mitsuishi [Mitsuishi 95] a testé la suture d'un objet cylindrique mou de 4 mm de diamètre par une aiguille courbée de rayon de courbure 2 mm. L'erreur mesurée en bout de l'effecteur est de 1.5 mm toutes rotations combinées, ce qui est trop important au vu des dimensions du champ opératoire. 32

29 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Fig : RAMS Transposition possible en Ophtalmologie? La démultiplication est un aspect technologique qui peut apporter plus de précision en Ophtalmologie, dans un domaine où le champ de travail est de petites dimensions et les mouvements de manipulation ou de découpe sont de très faible amplitude (de l'ordre du millimètre) LA MICRO-ROBOTIQUE ET LA CHIRURGIE MINIMALEMENT INVASIVE Pour certaines chirurgies, l'apport de la Robotique ne répond pas aux mêmes enjeux. En chirurgie minimalement invasive*, l'objectif est de minimiser les incisions (nombre et surtout dimensions) et/ou de réaliser si possible un déplacement directement dans les canaux, cibles de la chirurgie. Les applications sont plus largement répandues en chirurgie neurologique et en chirurgie abdominale et concernent l'assistance au chirurgien pour la solochirurgie et la manipulation robotisée pour une instrumentation micro-chirurgicale améliorée [Schurr 99]. Jusqu'à maintenant, l'assistant du chirurgien positionnait et maintenait l'endoscope de façon à toujours visualiser la partie intéressante du champ opératoire avec un grossissement approprié. Le premier système de positionnement endoscopique apparaît en 1995 avec le bras AESOP [Sackier 96]. Un endoscope est un long tube à travers lequel une image du champ opératoire interne au patient est transmise au chirurgien. Ces tubes peuvent être rigides pour des espaces facilement accessibles ou bien souples lorsqu'il est nécessaire de franchir des coudes (artères, ). Pour les endoscopes rigides, l'image est transmise à travers un système de lentilles vers une caméra CCD placée en bout de l'endoscope. Cette transmission est faite par des fibres optiques dans les endoscopes souples. Une source lumineuse est acheminée par fibre optique jusqu'en bout de l'endoscope afin d'éclairer le champ opératoire. L'ensemble tient dans un tube de quelques millimètres à un centimètre de diamètre. Pour certaines opérations, en particulier celles qui nécessitent des endoscopes souples, les instruments passent par un canal directement dans l'endoscope. Pour des opérations où l'espace est moins réduit, comme en laparoscopie, l'endoscope rigide et les instruments sont insérés par des incisions différentes. De nombreux instruments peuvent être utilisés comme des pinces, ciseaux, sondes et aiguilles, 33

30 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art forceps, généralement manipulés par une poignée à gâchette. D'autres instruments non mécaniques peuvent également intervenir comme le laser, l'électrocoagulateur et les systèmes d'irrigation/aspiration. Dans ce but, les systèmes développés guident un système de vision (endoscope, laparoscope, colonoscope, ), des outils chirurgicaux ou se déplacent dans les canaux (artères, colons, ). Dans les deux premiers cas, il s'agit de manipuler un instrument (de vision ou de découpe) à distance par télérobotique et dans le dernier, il s'agit d'un robot mobile remontant l'organe jusqu'à atteindre la cible La télérobotique Comme il a été explicité précédemment, les avantages de la télérobotique sont d'une part, de permettre au chirurgien d'atteindre un organe ou un tissu à distance et, d'autre part, de réduire l'échelle de la commande entre le robot-maître et le robot-esclave pour améliorer la précision et diminuer les mouvements "parasites" (tremblements du manipulateur qui provoquent une instabilité de l'image et un manque de précision lors de la chirurgie) La vision De nombreux dispositifs de guidage de systèmes de vision (en général des mini ou micro-caméras) différents sont proposés. Ils sont commandés par pédale au pied [Schurr 99], [Sackier 96], par télécommande [Sackier 96] (Cf Fig. 1.11), par la voix [Schurr 99], par joystick [Schurr 99], par asservissement d'images [Casals 96] (Cf Fig. 1.13), par un contrôle mutuel de deux ordinateurs [Eldridge 96] (Cf Fig. 1.12) ou encore par capteur gyroscopique monté sur un casque [Kobayashi 99]. Ikuta propose aussi un robot dont les actionneurs sont semi-autonomes et se déplacent de la façon d'un ver de terre [Ikuta 94]. Fig : Commandes d AESOP Fig : RCM 34

31 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Fig : Contrôle asservi à partir d images Les outils chirurgicaux Des outils chirurgicaux ont été développés pour pratiquer des opérations chirurgicales minimalement invasives*. Ces outils sont destinés à la micro-manipulation des organes ou la résection*, la coagulation de tissus [Schurr 99]. Ils peuvent être intégrés dans un seul et même trocart* avec la caméra [Neisius 94] ou séparés [Damiano 00]. Les dispositifs de Cohn, Schurr et Kobayashi (en chirurgie abdominale), Damiano (en cardiologie) et Ikuta sont exposés ci-dessous : Cohn a mis au point un préhenseur anthropomorphe de 10 mm de diamètre et 25 mm de longueur [Cohn 94] constituée de deux doigts, d'un pouce et d'un poignet unirotationnel (Cf Fig. 1.14). Les deux doigts, en résine époxy sont composés de deux plateaux reliés par trois actionneurs hydrauliques et par un ressort. Les actionneurs permettent de modifier l'orientation du plateau final par rapport au plateau initial. Sous une pression d'huile de 33 bars, ils développent 1.9 N pour le serrage et permettent des manipulations de l'ordre du millimètre. L'ensemble, préhenseur plus poignet, est positionné en bout d'effecteur. Fig : Préhenseur anthropomorphe Le système ARTEMIS (Cf Fig. 1.15) a été réalisé par l'équipe de Schurr [Schurr 99]. Le chirurgien pilote deux systèmes maîtres contrôlant deux bras-esclaves montés sur la table d'opération qui guident l'instrument. Les modèles des bras esclaves sont représentés sur un moniteur de visualisation endoscopique 3D. ARTEMIS a été utilisé pour l'immobilisation du côlon sigmoïde et la ligature des vaisseaux sigmoïdiens (grâce à la partie flexible de l'endoscope) pour une sigmoïdectomie* laparoscopique sur cochon. 35

32 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Fig : ARTEMIS Ikuta et al. ont mis au point un endoscope polyarticulé (Cf Fig. 1.16) redondant composé de six segments et cinq articulations [Ikuta 94]. Ces articulations sont miniatures et commandées par des actionneurs piézoélectriques asservis. Leur déplacement, de type inchworm (ver de terre) est réalisé par l'allongement ou la contraction de l'élément piézoélectrique commandé par un courant. Ces déplacements engendrent une rotation dans un sens ou dans l'autre d'un segment de l'endoscope par rapport à l'autre, tel un joint de cardan. Les endoscopes maître et esclave sont conçus sur le même principe d'articulation. Tandis que l'esclave est asservi en position, le maître est asservi en effort. Fig : Endoscope polyarticulé Damiano [Damiano 00] utilise le robot chirurgical Zeus pour réaliser des anastomoses* endoscopiques. Zeus est constitué notamment de deux bras de pilotage d'instruments et d'un système esclave comprenant deux bras robotisés pour la manipulation réelle des instruments chirurgicaux (Cf Fig. 1.17). Le chirurgien manipule les deux instruments maîtres qui ont quatre degrés de liberté (3 rotations + 1 translation pour l'entrée/sortie de l'endoscope). Un troisième bras, commandé par la voix, contrôle l'endoscope ( 10 mm) équipé d une caméra et d une source lumineuse. Cette téléopération permet une réduction d'échelle des mouvements de 1/2 à 1/10. Ce système paraît donner des résultats satisfaisants, mais il 36

33 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art nécessite de répondre à de nombreux critères préopératoires très contraignants qui restreignent le nombre de patients potentiels à cette chirurgie endoscopique. Fig : ZEUS Les Japonais Kobayashi et al. ont développé un manipulateur laparoscopique pour cholescystectomie* de structure parallèle [Kobayashi 99]. Les mouvements de la barre J entraînent en rotation le laparoscope autour du point d'insertion de celui-ci dans l'abdomen (Cf Fig. 1.18). Le chirurgien porte sur la tête un capteur gyroscopique qui mesure les mouvements qu'il produit. Les informations sont envoyées à un PC qui commande en conséquence le laparoscope. La précision du robot est de 0.4 mm. Fig : Laparoscope pour cholescystestomie 37

34 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Les robots mobiles D'autres types de robots ont aussi été développés pour servir la chirurgie minimalement invasive*. En effet, et particulièrement pour la colonoscopie (visualisation interne du colon), des micro-robots mobiles semi-autonomes ou autonomes se déplacent à l'intérieur d un conduit. Ce qui peut être réalisable pour le colon ne peut l'être pour l'instant pour les canaux plus fins, tels que les vaisseaux sanguins, car la technologie actuelle ne permet pas encore de miniaturiser à cette échelle les actionneurs. Les tâches que ces robots ont à effectuer, sont les mêmes qu'auparavant, c'est-à-dire visualisation et manipulation. Certains sont commandés par la voix [Sturges 96] (Cf Fig. 1.19) ou par joystick [Ikuta 96], [Dario 99] (Cf Fig. 1.20). Tous se basent sur les principes de locomotion de différents animaux (serpent, vers de terre, ), ils sont donc généralement constitués de plusieurs modules semblables [Ikuta 96] (Cf Fig. 1.21), [Sturges 96]. Les micro-actionneurs utilisés sont en alliage à mémoire de forme [Ikuta 96], [Chaillet 99], pneumatiques, électropneumatiques. Fig : Robot mobile de Sturges Fig : Robot mobile de Dario Fig : Robot mobile d Ikuta Dans l'ensemble, le principe du robot mobile est une bonne avancée dans le traitement de tumeurs, car il permet de diminuer de façon importante les irradiations. En effet, un tel système permet d'agir localement, diminuant le trajet des irradiations et la destruction de tissus, voire de les éliminer complètement en utilisant d'autres outils chirurgicaux. De plus, ce système miniaturisé devrait être moins douloureux pour le patient. 38

35 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Transposition possible en Ophtalmologie? La Robotique mobile n a pas d applications envisageables pour le moment en Ophtalmologie, notamment pour la greffe de cornée. Mais dans un futur lointain, on peut imaginer un microrobot mobile très miniaturisé que l'on insérerait dans la cavité et qui serait outillé pour pouvoir pratiquer l'opération de l'intérieur (découpe de la cornée, ) LES CARACTERISTIQUES D UN ROBOT CHIRURGICAL Un robot chirurgical ne remplace en aucun cas le chirurgien, il le seconde afin d'améliorer la précision de l'intervention. Le panorama que nous avons présenté permet de tirer quelques éléments généraux de ce qui caractérise à l heure actuelle un robot d assistance chirurgicale. Les robots chirurgicaux sont en général des manipulateurs, dans de rares cas à structure parallèle. Tous comportent un système de vision incorporé plus ou moins élaboré suivant l'application envisagée du robot (simulation ou robot chirurgien). Certains se repèrent par rapport au patient sur un casque stéréotaxique (référence patient fixe), d'autres par imagerie. De nombreux types de systèmes comportent un retour d'effort vers le chirurgien, afin que ce dernier soit totalement immergé dans le champ opératoire. Certains dispositifs sont commandés à distance (plus ou moins longue) par un manipulateur-maître dirigé manuellement, par joystick, par la voix ou encore par un casque gyroscopique. Enfin, certains robots sont mobiles, le plus souvent autonomes ou semi-autonomes, et se déplacent à l'intérieur des canaux humains internes. A toutes ces caractéristiques, on peut d'ores et déjà ajouter les problématiques liées au bloc opératoire qui seront développées dans le chapitre 5 : v le champ de travail est en général restreint, v l'environnement du patient est plutôt encombré, v l'asepsie doit être scrupuleusement respectée (stérilisation de tous les composants), v la sécurité à très haut niveau doit être assurée, les exigences étant beaucoup plus strictes et plus nombreuses qu'en industrie manufacturière. CONCLUSION Dans ce chapitre, il a été présenté un état de l'art en Robotique chirurgicale. Ce domaine récent de la recherche est en pleine émergence et déjà la commercialisation de quelques prototypes donne à penser que la chirurgie de demain ne se pratiquera plus sans la coopération des robots. Différents composants viennent compléter le dispositif comme l'imagerie, d autres retours d'information (retour d'effort), les technologies récentes de communication (réseau satellite, Internet), la miniaturisation de dispositifs (pinces, caméras, ) et les apports de la Robotique déportée et de la Robotique mobile. 39

36 1. La robotique chirurgicale. Etat de l art Ces systèmes d'aide au chirurgien sont particulièrement nombreux dans certains domaines chirurgicaux (neurologie, orthopédie, chirurgie abdominale, ) mais les domaines d'applications s'élargissent et s'enrichissent. De nombreux exemples de robots d'aide à la chirurgie ont été présentés dans ce chapitre mais, bien sûr, la liste ne peut être exhaustive. On peut néanmoins citer les travaux de Brandt et l'équipe de Lavallée en orthopédie [Brandt 99], de Ng et Davies pour la résection* robotisée de prostate [Ng 93], du modèle SuperWoman pour la téléopération de Guerrouad [Guerrouad 90], des travaux récents en chirurgie dentaire [Dunn 96] et en chirurgie nasale [Vorbeck 98] et enfin d'études sur l'intervention des retours kinesthésiques notamment sur les simulateurs chirurgicaux [Urban 98]. Tous les types de robots et tous les domaines ne sont pas présents dans cette partie. C est le cas de l'ophtalmologie, sujet de nos travaux, qui est développée dans le chapitre suivant. 40

37 2. L'ophtalmologie 2. L OPHTALMOLOGIE 2. L ophtalmologie Introduction 2.1. La vue 2.2. Quelques tentatives de robotisation de chirurgies ophtalmiques 2.3. La cornée Sa structure biologique Ses caractéristiques biomécaniques Les techniques employées Les relations contrainte/déformation Les modules d'young Discussion Les indications de greffe de cornée La diminution de l'épaisseur L'augmentation de l'épaisseur La modification de la transparence 2.4. La greffe de cornée Le mode opératoire Les résultats opératoires Les limitations Conclusion RESUME Dans la perspective de nos travaux relatifs à la chirurgie ophtalmologique, ce chapitre présente l'œil et plus particulièrement la cornée, l'un de ses constituants. Tout d'abord, le mécanisme visuel est abordé, suivi de l évocation de quelques anomalies de la vision corrigées par un acte chirurgical, qui, dans certains cas, a fait l'objet d'un projet de robotisation. La cornée est ensuite détaillée dans sa composition et ses caractéristiques, ainsi que certaines anomalies qui peuvent l'affecter, notamment celles nécessitant une greffe de cornée. Cette opération est explicitée, tant dans son mode opératoire que dans ses résultats et limitations qui amènent à envisager la robotisation de l'acte. 41

38 2. L'ophtalmologie INTRODUCTION L'ophtalmologie est un domaine à la fois vaste et complexe. L'œil est constitué de nombreux éléments ayant chacun leurs rôles et caractéristiques propres dont l'un nous intéressera plus particulièrement, la cornée. La chirurgie (en général) dans ce domaine a beaucoup évolué ces dernières années (introduction du laser), les opérations chirurgicales étant plus fréquentes et offrant de meilleurs résultats (corrections de la myopie ou de l'hypermétropie plus nombreuses) grâce à l'apport de nouvelles technologies. Mais, malheureusement, toutes les interventions chirurgicales n'ont pas été sujettes à ce changement, c'est notamment le cas de la greffe de cornée. Le mécanisme de la vision sera d'abord expliqué, puis les différentes structures anatomiques de l'œil précisées. Des tentatives de robotisation chirurgicale en Ophtalmologie seront présentées. Ensuite, les caractéristiques biochimiques et biophysiques de la cornée ainsi que la traduction chimique des altérations cornéennes et les moyens chirurgicaux pour y remédier seront étudiés. Enfin, la technique, les résultats et les limites de la greffe de cornée seront précisés LA VUE La vue est un phénomène sensoriel complexe qui fait intervenir le globe oculaire, ses annexes et les voies neurologiques de la vision. Pour en faciliter la compréhension, nous comparerons ce processus à celui de la photographie, puisque ce n'est qu'après avoir découvert le mécanisme de la vision que l'homme inventa l'appareil photo au début du XIX e siècle. Le système visuel est constitué des éléments suivants (Cf Fig. 2.1) : v la cornée est l'équivalent d'une lentille de visée. Il s'agit d'un tissu transparent doué de deux fonctions essentielles : d'une part, il assure la protection des tissus internes vis-à-vis des éléments extérieurs (intempéries, insectes, chocs, ) et d'autre part, il possède un grand pouvoir convergent. v l iris est un rideau musculaire et pigmenté permettant notamment de régler l'ouverture de l'œil en fonction de la luminosité extérieure, jouant donc le rôle équivalent du diaphragme. v le cristallin est une lentille naturellement transparente et souple, responsable de l'accommodation en fonction de la distance de l'objet à l'œil, c'est-à-dire le réglage de l'objectif, aidée du système cilio-zonulaire (les muscles tenseurs) qui modifie sa courbure. Il s'agit d'un tissu ovoïde, constitué d'un noyau et d'une enveloppe, placé au centre et à l'arrière de l'iris. Dans un œil normal, l'accommodation n'entre en action que pour les objets compris entre 12 cm et 6 m. A moins de 12 cm des yeux, l'image est floue; au-delà de 6 m, aucune accommodation n'est nécessaire pour voir nettement. v la rétine, l'équivalent de la pellicule, est un tapis cellulaire photosensible recueillant toutes les informations relatives à l'image (forme, couleur, cinétique, etc ). Le traitement de l'image se poursuit dans le cerveau après transfert des informations lumineuses cheminant par le nerf optique. 42

39 2. L'ophtalmologie La globe oculaire contient des éléments liquidiens : v l'humeur vitrée, gel visqueux situé dans la cavité postérieure du globe, v l'humeur aqueuse, liquide remplissant la chambre antérieure délimitée par la cornée d'une part et par l'iris et le cristallin d'autre part. Sclère Nerf optique Muscles tenseurs Rétine Chambre antérieure Humeur vitrée Cornée Cristallin Iris Fig. 2.1 : Œil en coupe Tous ces tissus remplissent des fonctions différentes. Néanmoins, ils forment un tout car ils répondent à une même finalité. On comprend donc que la perte ou la défaillance de l'un d'eux puisse entraîner sinon une perte de la vue, du moins un trouble important. Quelques anomalies de ces tissus et les actes chirurgicaux à mettre en œuvre pour restaurer la vision sont détaillés en annexe QUELQUES TENTATIVES DE ROBOTISATION DE CHIRURGIES OPHTALMIQUES En chirurgie ophtalmique, les procédures nécessitent précision, minutie, habileté et application de très faibles forces, principalement du fait des petites dimensions du champ opératoire. Les recherches suscitées dans ce domaine ont été orientées sur la robotisation de certaines tâches opératoires dans le but d'augmenter la précision du geste et la sécurité du patient. En France, une étude expérimentale a été menée pour établir une comparaison entre mode manuel et mode automatique lors de l insertion d'endoscope intraoculaire [Léon 92]. Le mode automatique est réalisé à l'aide d'un robot PUMA "salle blanche" (c'est-à-dire répondant à des impératifs d asepsie sévères imposés dans le milieu médical), à six axes de rotation, trois servant au positionnement de l'effecteur et trois à son orientation. L'étude porte sur la stabilité et la précision d'une manipulation endoscopique selon différents mouvements pour comparaison entre les modes manuel et automatique. Les essais sont effectués en position fixe et en dynamique sur les mouvements longitudinaux et transversaux. Les résultats obtenus 43

40 2. L'ophtalmologie montrent des signaux de grande amplitude qui démontrent un manque de stabilité en position fixe en mode manuel, et des à-coups en mode dynamique. Ceci révèle de faibles tremblements de la part du chirurgien. Au contraire, en mode automatique, les signaux obtenus sont plus lisses et montrent de meilleures stabilité et régularité comprenant moins de mouvements parasites. Les auteurs ont donc prouvé par ces tests l'intérêt de l'apport de la robotique à la chirurgie ophtalmique. Yan et Salcudean ont développé un système robotisé maître-esclave (Cf Fig. 2.2) pour le positionnement précis d'outils chirurgicaux [Yan 94], [Salcudean 94]. L'amplitude des mouvements du maître sont réduits sur l'esclave, tandis que les efforts appliqués par ou sur l'esclave sont amplifiés et retournés vers le maître. Un bras manipulateur supporte un système de poignets maître et esclave. Deux types d'asservissements en position sont mis en œuvre : v un premier asservissement, "grossier", où le bras support suit les mouvements du poignet maître et rapproche l'axe de l'esclave de celui du maître "grossièrement", lorsque ce dernier s'éloigne trop (en dehors d'une bande autorisée), v un deuxième asservissement, "fin", où le poignet esclave recopie les mouvements du maître avec précision, après réduction d'échelle pour plus de précision. Fig. 2.2 : Système maître/esclave de Yan Les poignets maître et esclave sont constitués chacun d'un dispositif dont le principe d'actionnement repose sur une lévitation magnétique de Lorentz (système maglev). Le dispositif maglev (Cf Fig. 2.3) comporte une partie rotative magnétique appelée flotor, simple, légère, rigide et rapide, actionnée par six bobines qui agissent dans un important champ magnétique produit par un stator. Ce stator est composé de six paires d'aimants. Une bobine plate est placée entre deux aimants qui produisent un champ magnétique important. Une force magnétique de Lorentz est produite lorsqu'un courant traverse la bobine, dépendant de la longueur du fil parcouru par le courant et du champ magnétique. Le stator et le flotor étant hexagonaux et constituant six ensembles aimants/bobines, six degrés de liberté peuvent être conférés à un outil fixé à l'extrémité du poignet esclave. 44

41 2. L'ophtalmologie Fig. 2.3 : Photo du flotor et du stator Les mouvements produits par l esclave, pour une masse de flotor de 40 g, sont de l ordre de : Í translation axiale : ± 2.25 mm Í translations dans le plan de la section : ± 1.7 mm Í rotation axiale : ± 10 Í rotations dans le plan de la section : ± 4 Jensen, Glucksberg et al. ont mis au point un micromanipulateur (Cf Fig. 2.4) pour le placement précis et sûr d'une micropipette dans les vaisseaux rétiniens pour l'injection d'un produit thrombolytique* dans le cadre du traitement des occlusions de veines rétiniennes de diamètres compris entre 25 µm et 130 µm [Jensen 94] et [Jensen 97]. Il s'agit d'un robot parallèle à six degrés de liberté, de 12 cm de diamètre et 24 cm de long. Le robot est actionné par six moteurs continus engendrant des translations, via des transmissions par vis à billes. Par ces glissières, on modifie les positions des barres constituant la structure parallèle, ce qui permet à l'effecteur de prendre n'importe quelles position et orientation dans l'espace de travail. Les déplacements générés par les vis à billes sont mesurées par des codeurs laser. Le robot est piloté à partir d'un joystick à trois degrés de liberté avec deux modes de contrôle, un mode translationnel (pour pénétration dans l'œil) et un mode rotationnel (pour les mouvements à l'intérieur de l'œil), de façon à obtenir les six mouvements possibles. L'effecteur consiste en une seringue hypodermique attachée au micromanipulateur avec une inclinaison de 45. Cette seringue permet le passage de la micropipette à l'intérieur de l'œil. Un vérin hydraulique est relié aux deux instruments donnant un total de sept degrés de liberté disponibles. La micropipette est aussi contrôlée par le joystick, un bouton permettant de sélectionner l'échelle des mouvements (grossier pour la seringue et fin pour la micropipette). Le chirurgien visualise la scène opératoire par l intermédiaire d un microscope. Des essais sur des chats anesthésiés ont montré la faisabilité et l'efficacité de ce système. Il a rendu possible notamment la mesure de la pression intraoculaire avec une très bonne précision. 45

42 2. L'ophtalmologie Fig. 2.4 : Micromanipulateur de Jensen Un micromanipulateur pour l introduction d une micro-électrode dans l'œil d'un mammifère a été développé par Pournaras [Pournaras 91], système composé d'arcs de guidage et de moteurs à courant continu pour engendrer un mouvement angulaire autour du point d'entrée scléral (Cf Fig. 2.5). Ce mécanisme peut être appliqué à la mesure de PO 2 * dans la rétine et le vitré*. Le micromanipulateur est composé de deux arcs concentriques, guides des mouvements de rotation autour des axes X et Y, et quatre moteurs à courant continu utilisés pour les mouvements dans les trois directions. Deux moteurs réversibles permettent une vitesse rapide et une vitesse lente de positionnement en Z. Les moteurs en X et Y suivant les arcs permettent le déplacement du mécanisme par des systèmes de roue et vis sans fin. Des déplacements de 24 peuvent être réalisés dans les trois directions. Un codeur optique placé sur l'axe Z permet de connaître la position relative de la micro-électrode par rapport à cet axe en transformant les mouvements de rotation de la vis en signal pulsé. La précision est de 1 µm/pulsation. Une révolution de la vis entraîne une translation de l'effecteur de 0.5 mm. Lors de la commande d'arrêt des moteurs, l'inertie mécanique des composants prolonge les mouvements de quelques microns. Pour éviter ce phénomène, les moteurs sont transformés en générateurs dont la résistance des rotors absorbe l'énergie électrique en surplus. L'instrument a été conçu pour une utilisation sur différents animaux, ce qui a nécessité différents supports stéréotaxiques et des approches différentes. Fig. 2.5 : Micromanipulateur de Pournaras 46

43 2. L'ophtalmologie Desodt [Desodt 95] a mis au point un microtélémanipulateur (Cf Fig. 2.6) pour réaliser des microchirurgies qui nécessitent de travailler dans de faibles encombrements avec une très grande précision. Le positionnement se fait à l'aide de trois mobilités prismatiques. L'exécution de la tâche est réalisée par un poignet pouvant effectuer trois rotations et une translation pour l'introduction d'un instrument. Ce robot a été testé en ophtalmologie pour la kératotomie radiaire (Cf annexe 2) [Hayat 90] et la vitrectomie* [Constantino 85] mais aussi pour la cicatrisation de vaisseaux très fins. En effet, pour cette dernière, il est très difficile de pratiquer une suture classique avec fil et aiguille. C'est pourquoi les auteurs proposent une cicatrisation par laser Argon, qui, sous l'effet de la chaleur, fait coaguler le sang et ainsi cicatrise la plaie. L'effecteur est amené à une position initiale manuellement, à l'aide d'un joystick, puis automatiquement à une distance donnée de l'objectif. La distance entre l'effecteur et l'objectif est mesurée par des capteurs. Le laser agit puis se dirige vers le prochain point de cicatrisation. Fig. 2.6 : Micromanipulateur de Desodt Hunter a développé un modèle complet de l'œil qui est intégré dans un environnement virtuel pour un robot téléopéré adapté à la chirurgie ophtalmique [Hunter 95]. Le robot comprend une partie maître avec retour d'effort qui contrôle la partie esclave réalisant les micromouvements, via un ordinateur. Ce dernier est dédié au traitement d'image, au filtrage des tremblements et assure la sécurité du système (Cf Fig. 2.7). Les informations échangées entre les deux robots sont de deux types : mécanique et visuel. Deux caméras sont montées sur l'esclave et reproduisent les mouvements de la tête du chirurgien, repérés par un capteur gyroscopique placé sur un casque. Les images stéréo produites peuvent être renvoyées sur le casque ou sur l'environnement virtuel. Les outils chirurgicaux sont manipulés par le robotesclave. Chaque segment de ce robot a six actionneurs arrangés dans une configuration parallèle. Ce robot est mu par le chirurgien par le biais de pseudo-outils. Les mouvements du chirurgien sont filtrés et réduits de 1 à 100 fois avant d'être reproduits par l'esclave. Ceci améliore la précision et la sensibilité du chirurgien et diminue les tremblements inévitables. L'environnement virtuel comporte un modèle des structures anatomiques de l'œil, ses mécanismes et propriétés optiques ainsi qu'un modèle des outils chiurgicaux. Il permet un rendu réaliste des tissus opérés et de leurs réactions mécaniques pendant une manipulation ou une découpe. Il interagit avec le robot-maître comme le robot-esclave. Lorsqu'un tissu est incisé ou manipulé, une analyse en éléments finis détermine les déformations et les forces résultantes. Ces dernières sont renvoyées vers l'opérateur. Chaque élément de l'œil est 47

44 2. L'ophtalmologie modélisé comme un objet séparé avec ses propres propriétés (cornée, sclère, iris, ). Le modèle de la cornée est continu et inclut la distribution des fibres de collagène. Un appareil a été construit pour déterminer la distribution des contraintes sur le tissu permettant ainsi de simuler les effets d'une kératotomie radiaire. De nombreuses opérations peuvent être simulées ou assistées par le système maître/esclave sur les différents éléments constituant l'œil. Fig. 2.7 : Schéma de fonctionnement du système robotisé de Hunter Chaillou et son équipe ont développé un simulateur ophtalmologique pour l'apprentissage et l'entraînement des chirurgiens à l'opération de photocoagulation par laser, traitement approprié au décollement de rétine, à la rétinopathie diabétique et aux dégénérescences maculaires. Il se compose de deux ordinateurs dont l'un est utilisé pour l'interfaçage avec l'utilisateur sous Windows et l'autre pour la simulation. Lors de l'opération en bloc opératoire, le chirurgien utilise une lampe à fente supportant l'appareillage optique et le laser ainsi qu'un verre à trois miroirs posé sur l'œil. La simulation consiste à prendre des données à partir de capteurs de position, auxquelles on ajoute une modélisation des organes et instruments. De ces données est générée une image qui est projetée dans le binoculaire par l'intermédiaire d'un écran miniature [Peugnet 97] LA CORNEE La cornée est un élément prépondérant dans la chaîne optique de la transmission de la lumière dans l'œil. En cas de déformation ou d'opacité, l'image transmise est altérée. Ce paragraphe présente la composition biochimique de la cornée, ses caractéristiques biomécaniques et les moyens mis en œuvre pour leur détermination. Puis les indications de greffe sont abordées. 48

45 2. L'ophtalmologie Sa structure biologique La cornée est un tissu complexe et toutes ses caractéristiques ne sont pas encore connues. Toutefois, nous savons qu'il s'agit d'une structure hétérogène constituée de lamelles de collagène et de cellules fibroblastiques noyées dans une matrice extracellulaire. La face antérieure de la cornée est circulaire ( 13mm). Sa face postérieure présente une courbure asphérique dans le plan sagittal et répond à une forme elliptique dans le plan frontal à grand axe horizontal ( 12 mm) et petit axe vertical ( 11mm) (Cf Fig. 2.8). Son épaisseur est variable dans le plan sagittal, plus épaisse en périphérie (1 mm) qu'au centre (0.8 mm). 13 mm 11 mm Fig. 2.8 : Dimensions de la cornée Elle est constituée de cinq couches anatomiques (Cf Fig. 2.9) : v l'épithélium constitue la couche externe à renouvellement rapide (comblement des ulcérations en 48 h). Cette couche est particulièrement résistante et joue un rôle protecteur vis-à-vis des agressions extérieures, v la membrane de Bowman est une couche condensée de collagène et bien individualisée uniquement chez les primates (absente chez le lapin). v le stroma qui représente 80% à 90% de l'épaisseur totale, est composé de fibres de collagène dont l'orientation est parallèle dans un plan avec un empilement de plans successifs d'orientations différentes (agencement matriciel). C'est en partie la régularité de cet empilement de fibres qui assure la transparence de l'œil. On comprendra donc qu'un défaut dans son agencement créera une anisotropie qui rendra opaque la cornée. Le collagène confère un comportement élastique non linéaire au tissu. v la membrane de Descemet est une fine couche de membrane basale (support de l'endothélium), v l'endothélium, monocouche de cellules, est en contact avec la chambre antérieure. Cette couche de cellules joue le rôle d'une véritable "pompe à eau" qui puise l'hydratation excessive du tissu stromal pour assurer une parfaite transparence du tissu. 49

46 2. L'ophtalmologie Fig. 2.9 : Couches cornéennes Ses caractéristiques biomécaniques Les propriétés biomécaniques de la cornée sont liées à la distribution des contraintes et des déformations par région ou par couche cornéenne (effets importants les plus couramment recherchés en mécanique générale). Il paraît donc nécessaire de les étudier afin de pouvoir discuter les effets qui apparaîtront lors de nos tests de découpe par le nouvel outil que nous proposons (Cf chap. 4). En effet, nous verrons par la suite que ces caractéristiques conditionnent les résultats. Des expériences mettant en œuvre différentes techniques et des simulations sur modèles en éléments finis ont été réalisées afin de définir des relations contrainte/déformation et des valeurs du module d'élasticité (module d'young). Ces études font l objet du paragraphe suivant Les techniques employées Différentes expérimentations ont été mises en place consistant à solliciter la cornée en contrainte afin d'observer ses réponses élastiques. v La méthode la plus simple repose sur des essais de traction, très utilisée en mécanique générale (sur matériaux courants). Un échantillon de forme cylindrique est préparé et "étiré" dans un sens uniaxial. La force appliquée est en augmentation constante. Les chargements et allongements sont enregistrés, pour ensuite en déduire une relation contrainte/déformation du matériau sous contrainte uniaxiale [Fung 84]. v Une autre technique consiste à placer de fines gouttelettes de mercure sur la surface antérieure de la cornée (face tournée vers l'extérieur). La pression intraoculaire est créée par une solution saline (sérum physiologique) injectée à l'aide d'une seringue reliée à un réservoir placé plus ou moins en hauteur pour augmenter ou diminuer la pression. Celle-ci correspond à la contrainte appliquée à la cornée. Les positions des gouttelettes sont mesurées par système optique (caméra vidéo montée sur microscope, système de génération d'images décomposées monté sur microscope) et enregistrées pour différentes contraintes. 50

47 2. L'ophtalmologie Les distances entre deux ou plusieurs gouttes sont mesurées pour plusieurs pressions. Les variations de ces distances correspondent à la déformation du matériau sous contrainte. Des courbes contrainte/déformation sont obtenues dont les équations peuvent être établies et dont les pentes correspondent au module d'young [Jue 86], [Hjortdal 96] et [Shin 97]. La disposition des gouttelettes de mercure peut être judicieusement choisie de façon à pouvoir mesurer des valeurs par régions (comme l'apex (le centre), la région centrale, la périphérie) (Cf Fig. 2.10) ou encore dans des directions particulières (méridionale, circonférentielle) (Cf Fig. 2.11) [Hjortdal 96] et [Shin 97]. Fig : Régions cornéennes l m : distance méridionale l c : distance circonférentielle Fig : Directions cornéennes v Une méthode ultrasonique d'évaluation du module d'young a été mise au point pour se rapprocher le plus possible des conditions physiologiques humaines normales [Wang 96]. La pression intraoculaire est réalisée de la même façon que précédemment, mais elle reste constante à une valeur correspondant aux conditions physiologiques. Une onde longitudinale est transmise à un bloc de conversion de mode (système de renvoi d'angle) qui restitue une onde de cisaillement. Lorsque celle-ci rencontre la cornée, une partie de son énergie est absorbée par le tissu, le reste est réfléchi vers le générateur du signal longitudinal. Un oscilloscope visualise et enregistre ces ondes. De ces données, seront calculés les vitesses des ondes et le coefficient de réflexion en fonction desquels, aidé d'un modèle linéaire (élastique ou viscoélastique), on détermine le coefficient de Poisson et le module de cisaillement qui permettent d'en déduire la valeur du module d'young [Wang 96]. v Un groupe d'étude, [Coquart 92], a mis au point un modèle en éléments finis de l'œil complet permettant d'évaluer la pression intraoculaire à partir de mesures de modes de vibration de l'œil, c'est-à-dire de fréquences de résonance. 51

48 2. L'ophtalmologie Les relations contrainte/déformation Toutes ces expériences ont permis d'aboutir à des formulations de la relation contrainte/déformation qui définit le comportement de la cornée. Ces équations prennent plusieurs formes suivant les hypothèses considérées par les auteurs. En général, le comportement élastique de la cornée est considéré comme non-linéaire. Hoeltzel et al. lui donnent la forme suivante [Fung 84] : ( ) σ = α ε ε s avec : σ = contrainte ε = déformation ε s = déformation détendue (différence entre déformation à la contrainte "0" et la plus petite déformation) α, β = constantes Ces constantes reflètent le fait que l'état initial est précontraint par la pression intraoculaire physiologique. A basse pression, donc faible contrainte, le matériau est relativement souple, mais sa rigidité augmente avec la contrainte (Cf Fig et Fig. 2.13). Les mêmes remarques ont conduit [Coquart 92] à la relation suivante : 1 β a σ εe = Ae ( 1) 2 2 avec : σ e = ( σ1 σ2) + ( σ2 σ3) + ( σ3 σ1) ε e = ( ε ε ) + ( ε ε ) + ( ε ε ) e σ e représente la contrainte effective sur l'axe principal et ε e la déformation effective. σ i et ε i, pour i=1, 2, 3 représentent respectivement les contraintes et les déformations dans les 3 directions. A et a sont des constantes relatives au tissu étudié. Des études plus poussées ont été menées en différenciant les comportements des composants de la cornée ou encore les comportements par région ou par direction de la cornée. Une approche est proposée pour laquelle la membrane de Descemet est séparée du stroma. Les lamelles de collagène sont considérées de forme ondulée quasi-sinusoïdale au repos tendant à se raidir sous les contraintes [Jue 86]. Le comportement de la membrane est non linéaire, celui du stroma est non-linéaire à basse pression et se linéarise à haute pression. Les expériences ont mis en évidence que la relation contrainte/déformation pour une cornée intacte est une combinaison des relations des deux composants. La cornée intacte de l'homme se comporte comme le stroma. 52

49 2. L'ophtalmologie La relation caractérisant ce dernier est : 2π T = EI λ 2 ε ε ε avec : T = contrainte λ = amplitude moyenne des lamelles E = module d'young I = moment d'inertie dans la section de la fibre ε = déformation de la fibre ε = déformation maximale de la fibre Les conclusions tirées ici sont équivalentes à celles citées plus haut. Pourtant elles sont remises en cause par [Altman 91] car l'épaisseur des tissus, qui intervient dans la détermination de l'amplitude des contraintes, n'a pas été prise en compte. Une autre relation a été définie pour le stroma mais en tenant compte cette fois des caractéristiques différentes des fibres de collagène et de la matrice dans laquelle elles sont noyées [Pinsky 91]. Une relation non-linéaire entre le tenseur des contraintes S et le tenseur des déformations E est établie pour une lamelle sous une contrainte plane et valable pour toutes les lamelles : S S S D D = D D E 0 E D E avec les éléments de la matrice d'élasticité D : D D D D D E f Af + EgA g 1 = Af + Ag 1 ν 12 ν 21 ( Af + Ag) E f E g 1 = Af Eg + AgE f 1 ν ν Ef Af + EgA g ν21 = Af + Ag 1 ν12ν21 = D 2( Af + Ag) GfG g = AfGg + AgGf où : A f = aire des fibres de collagène dans la section traversée A g = aire de la substance de fond dans la section traversée E f = module d'young des fibres de collagène E g = module d'young de la substance de fond 53

50 2. L'ophtalmologie G f = module de cisaillement des fibres de collagène G g = module de cisaillement de la substance de fond ν 12 et ν 21 = coefficients de Poisson majeur et mineur dans le plan Pour l'ensemble du tissu, la relation est obtenue en faisant la somme des relations précédentes pour toutes les fibres : avec : t j = épaisseur de la lamelle n = nombre de lamelles N N N = n j= 1 L'élasticité de la cornée entière a été étudiée selon les directions méridionales et circonférentielles et par régions [Hjortdal 96]. Après avoir mesuré les déplacements, on déduit les déformations méridionales et circonférentielles à chaque région par : ε m ε c t j S S S j11 j22 j12 lmiop, = lm,2mmhg 1 lciop, = l 1 c,2mmhg avec : l miop, = distance méridionale entre 2 gouttes de mercure à une certaine pression intraoculaire (2, 10, 25 et 100 mmhg) l m,2 mmhg = distance méridionale entre les même gouttes à pression intraoculaire de 2 mmhg l c, IOP = distance circonférentielle entre 2 gouttes de mercure à une certaine pression intraoculaire (2, 10, 25 et 100 mmhg) l c,2 mmhg = distance circonférentielle entre les même gouttes à pression intraoculaire de 2 mmhg On peut alors établir les relations contrainte/déformation pour les deux directions pour un coefficient de Poisson ν cm = 0.5 : Direction méridionale : Direction circonférentielle : dt 4 2 ε ε α σ σ β m+ c = ( m o) ε ε α σ σ β c + m = ( c o) 3 3 j 54

51 2. L'ophtalmologie avec : σ m = contrainte méridionale σ o = contrainte pour une déformation nulle σ c = contrainte circonférentielle α, β = constantes Les modules d Young Le module d'élasticité a été évalué par les méthodes et relations précédemment exposées et définies. La méthode des ultrasons donne des valeurs différentes suivant les préparations des cornées entières en considérant que le matériau est incompressible (E = 3G) [Wang 96]. Pour une préparation saline : E cornée = (5.3±1.1).10 6 Pa, pour une préparation à base de dextran* : E cornée = (2.0±1.0).10 7 Pa. Les auteurs pensent que les cornées préparées au dextran* sont plus représentatives de la cornée humaine. Des simulations réalisées sur un modèle de la cornée en éléments finis ont permis de déterminer une valeur pour le module d'élasticité des lamelles et le module de cisaillement de la matrice [Pinsky 91] : E lamelles = Pa et G matrice = 10 4 Pa. Ces résultats apparaissent difficilement interprétables car aucune comparaison n'est possible avec d'autres études analogues et rien ne permet de déterminer le module d'élasticité du stroma complet à partir de ces données. Le module de la membrane de Descemet mesuré par la méthode des gouttelettes de mercure [Jue 86] a pour valeur : E Descemet = Pa, mais les hypothèses considérées ont été remises en cause par Hoeltzel et Altman [Altman 91]. Cette même méthode a permis de déterminer des valeurs différentes par région cornéenne (centre : de l'apex jusqu'à un rayon de 1.5 mm, para-centre : rayon compris entre 1.5 mm et 3.5 mm de l'apex, périphérie : rayon compris entre 3.5 mm et 5.5 mm de l'apex, limbe : région comprise entre 0.5 mm vers l'intérieur et 0.5 mm vers l'extérieur du sulcus) et suivant deux directions (méridionale et circonférentielle) pour plusieurs pressions intraoculaires (2-10, 10-25, mmhg 1 ) [Hjortdal 96]. Ces valeurs sont reprises dans les tableaux suivants (Tab. 2.1 et Tab. 2.2) : Direction méridionale en MPa (variance) Régions 2-10 mmhg mmhg mmhg Centre 2.87 (0.38) 8.55 (0.83) 19.5 (0.98) Para-centre 3.40 (0.29) 8.99 (0.42) 19.9 (1.05) Périphérie 3.14 (0.42) 6.56 (0.68) 15.0 (0.93) Limbe 3.40 (0.65) 6.21 (0.68) 13.1 (1.47) Tab. 2.1 : Pressions intraoculaires dans la direction méridionale 1 27 cmh 2 O = 20 mmhg = 2, Pa = pression intraoculaire physiologique moyenne 55

52 2. L'ophtalmologie Direction circonférentielle en Mpa (variance) Régions 2-10 mmhg mmhg mmhg Centre 2.87 (0.38) 8.55 (0.83) 19.5 (0.98) Para-centre 2.76 (0.30) 8.29 (0.42) 16.9 (0.74) Périphérie 2.86 (0.32) 6.75 (0.52) 15.1 (0.73) Limbe 5.92 (0.73) 13.0 (1.07) 27.5 (2.28) Tab. 2.2 : Pressions intraoculaires dans la direction circonférentielle La moyenne de ces valeurs pour la pression normale (10-25 mmhg) donne : E cornée = 8, Pa, ce qui est de l'ordre de grandeur des valeurs proposées par les autres auteurs Discussion Plusieurs réflexions ont été développées à partir des résultats des expériences ou simulations citées ci-avant. Tout d'abord, les figures suivantes provenant de [Hjortdal 96] et [Jue 86] (Cf Fig et Fig. 2.13) montrent bien la non-linéarité du comportement élastique de la cornée, les modules d'young augmentant avec les contraintes. Fig : Courbes de Hjortdal Fig : Courbes de Jue et Maurice Cette hypothèse adoptée par tous les auteurs est bien vérifiée, ce qui permet d'accepter leurs équations caractérisant ce comportement. Il s agit d une caractéristique exceptionnelle que les matériaux, bien connus, ne présentent pas. En effet, leur comportement élastique (qu ils soient plus ou moins rigides) est linéaire. Cette particularité de la cornée est très importante à prendre en compte lors des essais de découpe car elle sera un facteur important sur les effets obtenus. 56

53 2. L'ophtalmologie Pour une pression physiologique (10-25 mmhg), dans la direction méridionale, le module d'young (et donc la rigidité du tissu) décroît du centre vers le limbe avec une légère discontinuité (hausse) dans la région para-centrale. Dans la direction circonférentielle (Cf Fig. 2.11), la rigidité suit le même profil, excepté pour le limbe qui est beaucoup plus rigide que le reste du tissu. On peut résumer ceci en disant que d'une façon générale les plus grandes rigidités ont été localisées dans les régions centrales et para-centrales (Cf Fig. 2.10) décroissant en s'approchant de la périphérie. Ces expériences menées en différenciant les régions et les directions de la cornée ont montré que la répartition des déformations dans le tissu n'est pas uniforme. Certaines régions se déforment plus que d'autres et dans une direction plus que dans l'autre, sous les mêmes contraintes. Ceci peut être interprété comme le résultat d'une non-homogénéité du matériau. Simulations et expérimentations ont amené Shin et al. [Shin 97] à déterminer que les fibres de collagène ne sont pas agencées de façon régulière sur toute la surface mais que les fibres en périphérie de cornée sont disposées dans une direction circonférentielle et celles situées au centre sont orientées dans une direction méridionale. Cette constatation a bouleversé les certitudes d'alors qui prétendaient que la disposition des fibres était régulière dans tout le tissu [Bernard 96]. Après comparaison entre les déformations endothéliales et épithéliales, il ressort que l'endothélium se déforme plus que l'épithélium sous contrainte [Hjortdal 96]. Les auteurs expliquent cette différence comme provenant des différences géométriques (diamètre et épaisseur) entre les deux couches de cellules. Physiquement, il paraît évident que les plus grandes déformations apparaissent au niveau de l'application de la charge plutôt qu'à quelques millimètres ou micromètres de profondeur. Mais doit intervenir aussi la teneur en eau comme le précisent Rieu et Pelissier [Pinsky 91], car chaque constituant de la cornée a une teneur en eau différente. En effet, l'endothélium jouant le rôle de pompe à eau, il est très hydraté. Au contraire, l'épithélium est pauvre en eau. De même, au niveau du stroma, les fibres de collagène subissent les déformations de la substance de fond sous l'effet de son hydratation ou déshydratation. Une étude séparant la membrane de Descemet du stroma a montré que cette membrane est très extensible et responsable de l'élasticité de la cornée [Jue 86]. En effet, les expériences ont donné un allongement de 12% en moyenne pour des pressions comprises entre 0 et 60 cmh 2 O 1. Pour comparaison, une cornée entière s'allonge de de 0% à 1,2% [Shin 97], [Hjortdal 96]. Cette membrane éclate pour une pression supérieure à 175 cmh 2 O ( Pa). Tous les articles présentés ici considèrent qu'il existe une contrainte résiduelle sur la cornée due à la pression intraoculaire normale. Physiquement, ce phénomène est compréhensible. Il a été vérifié par l'apparition d'hystérésis lors d'essais à cycles répétitifs de fronts montants et fronts descendants de pressions [Jue 86], [Pinsky 91], [Coquart 92]. Tous les résultats et réflexions cités ci-dessus sont issus de techniques d'expérimentations, d'hypothèses et de conditions expérimentales différentes. Il est donc délicat de comparer ces résultats de façon objective en tenant compte de tous les paramètres. Néanmoins, les relations contrainte/déformation avancées ont la même forme non-linéaire et les valeurs du module d'élasticité sont comprises dans un rapport 4 (compris entre Pa et Pa) ce qui est acceptable vis-à-vis des conditions différentes d'évaluation. En terme de comparaison, nous pouvons citer quelques valeurs de modules d'élasticité pour des matériaux plus courants et dont les comportements sont parfaitement connus : 57

54 2. L'ophtalmologie v fontes et alliages de cuivre : Pa < E < Pa v alliages de zinc et d aluminium : Pa < E < Pa v thermoplastiques : Pa < E < Pa Le matériau courant se rapprochant le mieux de l'élasticité de la cornée est le PVC souple, utilisé pour tubes, tuyaux et gaines de fils électriques dont E = Pa et dont l'allongement varie entre 20 % et 50 %. Conséquences sur la découpe et la suture de la cornée? De telles caractéristiques mécaniques, complexes et inhomogènes selon les régions et les directions du tissu, laissent entrevoir certaines difficultés à contourner lors des découpes et sutures. Tout d abord, la non-linéarité du module élastique qui augmente avec les contraintes risque de perturber la découpe. Peut être faudrat-il minimiser les contraintes ou au contraire, les maximiser, afin de parvenir à un résultat. La non-homogénéité des caractéristiques réparties sur le tissu risque d engendrer des phénomènes différents suivant la position du jet d'eau. Une découpe circulaire devra être réalisée afin de prévenir ces différences et valider, ou non, la procédure. L endothélium régulant la teneur en eau de la cornée, des perturbations sur le jetd eau peuvent être engendrées. De plus, cette couche cornéenne peut être rendue difficilement découpable. Les rôles, composition et caractéristiques de la cornée ayant été présentés, il est plus aisé de comprendre les indications de greffe de cornée ainsi que les limitations de l'opération chirurgicale Les indications de greffe de cornée Certaines altérations visuelles, présentées en annexe 2, concernent les amétropies sphéro-cylindriques*. D'autres altérations cornéennes sont telles qu'elles entraînent une véritable cécité nécessitant de recourir à la greffe de cornée. Les principales indications de cette intervention chirurgicale sont présentées dans ce paragraphe La diminution de l'épaisseur Dans le kératocône (Cf Fig. 2.14), la cornée subit une modification de son épaisseur qui entraîne une déformation localisée provoquant une altération de la vision. Cette maladie, supposée d'origine génétique, peut provoquer une perte de vue dès la fin de l'adolescence. Les lentilles de contact ou les lunettes peuvent améliorer la vue des patients présentant un kératocône, mais dans certains cas, une greffe peut se révéler nécessaire pour restaurer une bonne vision. 58

55 2. L'ophtalmologie Fig : Kératocônes L'augmentation de l'épaisseur Un œdème (Cf Fig. 2.15) (gonflement de la cornée) ou une accumulation de fluide, peuvent causer une diminution de la vision. Ceci peut se produire à la suite d'une opération de la cataracte ou peut être dû à des dystrophies* ou à une inflammation de la cornée. Cette dernière perd sa transparence et se trouble, obstruant le passage de la lumière à travers l'œil. Lorsqu'une inflammation ou une infection est la cause de l'œdème, des antibiotiques ou des anti-inflammatoires qui traitent l'origine de la réaction œdémateuse peuvent être prescrits. Lorsque l'œdème devient irréversible, la greffe est souvent nécessaire. Fig : Œdème Modification de la transparence Une cornée saine peut parfois s'opacifier à cause de marques ou cicatrices laissées par une blessure ou une infection. L'opacité peut provenir également de maladies, congénitales ou non (Cf Fig. 2.16). Elle empêche le passage de la lumière à travers la cornée. S'ensuit alors une diminution de la vision. Les opacités superficielles peuvent être enlevées par kératectomie photothérapeutique par laser excimer (Cf annexe 2). Pour une cicatrice s'étendant jusqu'aux tissus postérieurs de la cornée (endothélium, Descemet), une greffe s'avère nécessaire. 59

56 2. L'ophtalmologie Fig : Opacité par herpès Ces altérations cornéennes sont les indications les plus courantes de greffe de cornée. Cette opération commence par la recherche de tissus donneurs. Les cornées ne peuvent être prélevées que sur des donneurs ayant donné explicitement leur accord, contrairement à la majorité des autres organes. Ceci ajoute à la difficulté de trouver des donneurs et explique les listes d'attente très longues en vue d'une transplantation et le faible nombre de greffes transfixiantes comparé aux corrections surfaciques. Les greffons sont alors transportés à la Banque des Yeux située à l'hôpital où ils subissent de nombreux tests avant d'être implantés. Pendant ces tests, ils sont conservés dans des chambres spéciales qui reproduisent l'environnement de l'œil, c'est-à-dire température, taux d'hydratation, etc afin de conserver le mieux possible le tissu le temps nécessaire avant transplantation LA GREFFE DE CORNEE La greffe de cornée humaine fut réalisée avec succès pour la première fois par le Dr Zirm en 1905 [Chirila 99]. En 1990, plus de greffes ont été pratiquées aux USA et ce nombre augmente [Buxton 93]. A l'hôpital Edouard Herriot de Lyon environ 120 greffes sont réalisées chaque année. Nous présentons, dans ce paragraphe, la technique opératoire actuelle, ses résultats en fonction des indications, ses limitations et leurs causes Le mode opératoire L'acte chirurgical est, pour le moment encore, entièrement manuel, réalisé sous anesthésie générale et sous microscope, grossissant environ seize fois le champ opératoire. 1- Avant l'intervention, l'épaisseur de la cornée est mesurée à l'aide d'un pachymètre à ultrasons qui permettra de définir la profondeur de découpe car les épaisseurs des cornées peuvent varier d'un patient à l'autre. 60

57 2. L'ophtalmologie 2- Le chirurgien découpe au trépan (Cf Fig. 2.17) la cornée provenant du donneur et qui a été prélevée sous la forme d'une collerette cornéo-sclérale*. Cet instrument est constitué d'une lame circulaire très fine et affûtée, creuse, qui agit comme un emporte-pièce sous une contrainte verticale et une rotation. Un gel viscoélastique est déposé sur la face endothéliale du prélèvement posé sur un "punch block", socle en téflon ou en silicone (matériaux inertes pour l'œil). Ce bloc étant concave, la cornée est posée face endothéliale vue par le chirurgien qui réalise donc la trépanation de l'endothélium vers l'épithélium. Ceci permet d'abîmer le moins possible la couche endothéliale, très importante pour la réussite de l'opération. Le chirurgien trépane la collerette cornéo-sclérale* à l'aide d'un trépan de 8.1 mm de diamètre. Fig : Trépanation du greffon et trépan 3- L'œil du patient est ensuite préparé à l'intervention. Dans ce but, un écarteur maintient les paupières ouvertes (Cf Fig. 2.18). Pour limiter les déplacements du globe oculaire, un anneau stabilisateur en titane peut être suturé sur la sclère. Une solution antiseptique est déposée. Fig : Mise en position avec écarteur de paupière 4- La découpe de la cornée du receveur se fait à l'aide d'un trépan de Hanna de diamètre 8.0 mm de l'épithélium vers l'endothélium (Cf Fig. 2.19). Le centrage adéquat du trépan s'effectue par marquage épithélial avant de réaliser la trépanation proprement dite. La découpe est achevée aux micro-ciseaux courbés en prenant soin d'éviter toute irrégularité de découpe des berges. Le diamètre du greffon est choisi légèrement plus grand que celui du récipient (œil receveur) pour assurer une meilleure étanchéité entre les deux tissus. 61

58 2. L'ophtalmologie Fig : Empreintes, trépanation et finition aux ciseaux 5- Le greffon peut alors être placé sur l'œil receveur (Cf Fig. 2.20). Fig : Mise en place du greffon 6- L'opération se termine par la suture qui comporte deux temps opératoires. Tout d'abord, le maintien en place du greffon par la suture de points cardinaux pendant la suture proprement dite. Puis, une suture continue du greffon en place (surjet) (Cf Fig. 2.21) à seize passages est ensuite réalisée, constitué d'un fil continu de 0.10 mm de diamètre. La profondeur des passages doit atteindre environ les 9/10 de l'épaisseur de la cornée afin d'éviter toute bascule (mouvement) du greffon. Aussi, les points doivent être parfaitement symétriques et régulièrement répartis sur toute la périphérie. Le chirurgien régularise la tension du fil sur tout le pourtour de la suture afin d'assurer une bonne étanchéité de l'opération (rapprochement des berges afin d'éviter la pénétration de corps étrangers et la fuite de l'humeur aqueuse). Le nœud de suture est enfoui à l'intérieur de la cornée afin d'éviter toute gêne ou irritation de la paupière. Fig : Suture 62

59 2. L'ophtalmologie 7- La chambre antérieure est remise en forme par une injection de sérum salé isotonique (sérum physiologique tamponné) (Cf Fig. 2.22), qui compense la perte d'humeur aqueuse pendant l'acte chirurgical et permet de tester l'étanchéité des sutures lorsque la cornée retrouve sa courbure spontanée. Fig : Dépôt de sérum physiologique 8- L'écarteur et l'anneau stabilisateur sont enlevés. Après l'opération, le patient suit un traitement antibiotique et corticoïde pendant plusieurs mois afin de prévenir les risques de rejet Les résultats opératoires Cinq études de résultats après greffes de cornées réalisées pour des indications différentes et s'appuyant sur des mesures réalisées régulièrement pendant plus de 12 mois après l'opération (les fils de suture ne sont enlevés que 9 à 12 mois après l'opération) sont citées dans le tableau ci-dessous (Tab. 2.3). Les résultats ne sont stables qu'après 12 mois, les résultats antérieurs permettent seulement de donner une idée de leur évolution en fonction de la gestion postopératoire du patient. Les tissus vivants ne peuvent donner de reproductibilité dans les résultats, ce qui explique que ceux donnés ci-dessous peuvent présenter quelques disparités. 63

60 2. L'ophtalmologie [Flament 86] [Pouliquen 83] [Stork 94] [Rouland 89] [Burillon 94] Indications de greffe Taux de succès Taux de succès par indication Complications Astigma tisme postop. Acuité Visuelle Nbre KP Herpès 18.5% 40.7% 19% Kératocône 17% 28.5% 100% Greffon opaque 14% Ulcère 10.6% 25.9% Trachome 7.3% Traumatisme 25.9% 9.5% Abcès 7.4% Dystrophie* 100% 28.5% Perforation 9.5% 1 mois postop. 90.5% 3 mois postop. 88% 6 mois postop. 80.9% 12 mois et + postop. 61% 51.8% 64% 73.3% 97.2% Tx rejet 22% 3.4% 1.7% Herpès 32% 36.3% 75% Kératocône 96% 97.2% Greffon opaque 52% Ulcères 53% 57.1% Trachomes 50% Traumatismes 71.4% 0% Abcès 50% Dystrophie* 64% Perforation 50% Opacification 30.2% 25.9% 12.3% 26.6% 2.8% secondaire Cataracte 25.5% 8.8% Oedèmes 8.5% 0.2% Epithélium 17.6% 0.4% Endothélium 14.7% 0.7% Hypertonie 14.7% 15% Synéchies 14.7% 0.3% Traumatisme 0.4% Herpès 0.4% 1 mois postopératoire 6.93 D 6 mois postopératoire 3.93 D 12 mois 5.6 D 2.93 D 4.4 D postopératoire et plus % AV améliorée 46.72% 68% 73.3% 96.4% % AV égale 42.34% 11% % AV diminuée 10.94% 18% > 1/10 26% 30.8% 6.6% > 5/10 19% 24% 20% 90% 1/ % 46.7% Tab. 2.3 : Résultats opératoires Le lecteur intéressé par le détail de l'étude de ces résultats pourra se reporter à l annexe 3. Un résumé des éléments contributifs de cette étude pour notre sujet est plutôt présenté ici. Le succès de l'opération réside dans l'obtention et le maintien de la transparence 64

61 2. L'ophtalmologie (ou clarté) du greffon. Ces études montrent que le taux de succès toute indication confondue, après 12 mois, varient de 51.8% à 97.2% pour une moyenne de 69.5%, ce qui représente une chance de réussite statistique faible. L'échec de l'intervention est avant tout lié au taux de rejet qui est important puisque de l'ordre de 22% des cas. Les complications sont diverses et peuvent être très importantes (jusqu'à 30% des cas), la plus importante étant une opacification secondaire du greffon en dehors des rejets de type récidive de la maladie initiale sur le greffon ou perte de vitalité du greffon (rejet pur). Aussi, de nombreuses limitations des résultats proviennent de la couche endothéliale abîmée lors d'un traumatisme et engendrant une perte cellulaire notable. L'acuité visuelle (AV) après plus de 12 mois postopératoires n'est pas très bonne : environ 45% des cas n'ont qu'une AV 1/10 et seulement 20% environ des opérés obtiennent une AV 5/10. Malgré ces faibles résultats généraux, en moyenne, 57% des patients peuvent malgré tout obtenir une amélioration de l'av, même si 27% des patients conservent le même niveau et 14% perdent en AV après l'opération. Le taux d'astigmatisme induit par l'acte chirurgical peut devenir important et atteindre 5.6 D [Flament 86] et une moyenne de 4.5 D. [Rouland 89] a montré que ce taux diminue avec le temps lié au relâchement progressif de la tension du fil de suture disposé sur la cornée. Les différents résultats montrés dans ces études ne dépendent pas de la technique employée, qui a très peu évolué, mais plutôt des indications de greffes. Même si la création de banques des yeux à la fin des années 80 a permis de contrôler les qualités optique, biologique et bactériologique des greffons distribués, l'acuité visuelle postopératoire est encore limitée par divers facteurs physiologiques et chirurgicaux Les limitations Les facteurs physiologiques qui interviennent lors d'une greffe de cornée sont détaillés dans l'annexe 4. Ne sont ici discutés que les facteurs chirurgicaux : les effets de la découpe et de la suture sur les résultats de l'opération sont étudiés. Burillon a mesuré un astigmatisme postopératoire moyen de 4.4 D, ce qui représente pour elle, un facteur majeur dans la limitation de la récupération visuelle [Burillon 94]. Cet astigmatisme provient en partie de la découpe du greffon et du récipient par trépanation. Les résultats optiques postopératoires dépendent largement de la régularité de la découpe [Burillon 94], [Rouland 89] et [Burillon 93]. La trépanation manuelle repose sur la stabilité de la cornée qui repose sur la chambre antérieure pendant l'opération [Ng 95], il est donc difficile de maintenir le trépan parfaitement vertical pendant toute la durée de la trépanation. La difficulté réside dans le fait que la cornée est un tissu mou (souple et élastique) dont la découpe est obtenue en exerçant une force verticale du trépan sur le tissu, complétée par un mouvement rotatif de va et vient pour permettre sa progression dans l'épaisseur. Fig : Schéma des formes obtenues Les formes de découpe obtenues ne sont ni parfaitement prévisibles, ni parfaitement régulières (Cf Fig. 2.23) : l'incision est souvent plus ou moins inclinée [Hanna 85], la forme circulaire est difficilement réalisable sur toute la profondeur (asymétrie axiale entre les couches endothéliales et épithéliales [Rouland 89], irrégularité du diamètre de découpe). 65

62 2. L'ophtalmologie Les contraintes appliquées sur la cornée pour permettre la découpe entraînent des déformations du tissu et des irrégularités de découpe, favorisant ainsi la création d'un astigmatisme postopératoire [Daniel 94], [Oleson 80], [Kohlhaas 94]. Ce dernier a mesuré qu'une déviation géométrique (défaut de forme entre le greffon et le receveur) de seulement 0.1 mm entre le greffon et le receveur entraînait un astigmatisme de +4 D, ce qui montre l'importance du phénomène. Les irrégularités de découpe induisent également une mauvaise étanchéité de la greffe, puisqu'on ne peut prévoir un rapprochement continu et régulier des berges du donneur et du receveur : à certains endroits un interstice peut être créé entre les deux tissus alors qu'à d'autres endroits des bourrelets (replis) de tissus peuvent apparaître. Ceci entraîne une inhomogénéité de la courbure de la cornée greffée et ainsi un astigmatisme quand il ne s'agit pas d'apparition de décalages en "marches d'escalier" entre les deux tissus (bascule du greffon). La vitalité du greffon est en partie assurée par l'endothélium qui colonise naturellement le reste de la cornée hôte, il est donc indispensable de préserver le mieux possible cette couche pendant la trépanation, un taux minimum de cellules endothéliales étant requis. Or ceci n'est pas toujours réalisé par la trépanation pour les raisons évoquées juste précédemment [Kohlhaas 94], une découpe non régulière en profondeur peut détruire un trop grand nombre de cellules endothéliales et provoquer une perte de transparence. La suture participe également à la limitation des résultats visuels après une greffe. En effet, celle-ci est assurée par un surjet continu d'environ 16 points. Ces points doivent être parfaitement symétriques et régulièrement répartis autour de la périphérie afin de ne pas introduire d'astigmatisme par déformations localisées de la courbure de la cornée [Burillon 94], [Rouland 89]. [Burillon 93] souligne cette condition en précisant que cela peut induire "des astigmatismes géants qui ruinent le résultat optique cherché". La figure suivante (Cf Fig. 2.24) met en évidence la déformation du rayon de courbure de la cornée après une suture, par la déformation des cercles concentriques envoyées sur la cornée par un appareil appelé Vidéokératome. Fig : Déformations de la cornée engendrées par des points de suture Qui plus est, la profondeur des passages du surjet doit être régulière et suffisante au risque d'entraîner une bascule du greffon [Burillon 93] et un œdème. Cette bascule peut également être le résultat d'une fuite d'humeur aqueuse lorsque la suture n'est pas homogène ou lorsque la tension du fil n'est pas suffisante (suture non étanche). Elle se traduit par un glissement du greffon dans l œil receveur (Cf Fig. 2.25). 66

63 2. L'ophtalmologie Fig : Schéma de bascule de greffon CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons abordé la problématique provenant du domaine médical cible de nos investigations, l Ophtalmologie. Nous avons particulièrement insisté sur les structures composant la cornée, leur constitution et leur comportement. De même, les indications de la greffe et les résultats obtenus ont été détaillés afin de pouvoir bien appréhender les effets que nous obtiendrons lors de la découpe et de la suture suivant les techniques que nous proposerons dans les chapitres suivants. Les techniques opératoires peuvent différer quelque peu d'un chirurgien à un autre, d'un patient à un autre (suivant l'indication) de même que les résultats sont difficilement prévisibles sur un tissu vivant. Mais, d'une façon générale, les praticiens s'accordent à dire que l'un des facteurs majeurs limitant la récupération visuelle après une kératoplastie perforante est l'astigmatisme postopératoire et que celui-ci est intimement lié à la technique chirurgicale, très difficile à réaliser si on veut obtenir des résultats optimaux. D'où la nécessité de poursuivre des efforts de recherche dans ce domaine pour améliorer la réhabilitation visuelle des patients opérés [Smith 98a], [Smith 98b], [Smith 98c]. C est la motivation de chirurgiens à vouloir œuvrer dans ce sens, insatisfaits des résultats actuels, qui nous a amené à réaliser cette étude. 67

64 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire 3. ETAT DE L ART DE LA RECHERCHE POUR L'AMELIORATION DE LA TECHNIQUE OPERATOIRE 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Introduction 3.1. Les cornées artificielles 3.2. Les outils de découpe Le trépan mécanisé Le laser 3.3. La suture double 3.4. Une tentative de robotisation de la greffe de cornée 3.5. Les insuffisances des propositions actuelles En matière d emploi des implants cornéens En matière de découpe En matière de suture Conclusion RESUME Ce chapitre présente diverses propositions formulées pour améliorer le recouvrement visuel après une greffe de cornée, en tentant de diminuer l'astigmatisme postopératoire résultant de la découpe et de la suture. De nouveaux outils de découpe ont été étudiés, dont le trépan mécanisé et le laser. Un trépan robotisé est également présenté. Différents types de sutures sont ensuite comparés. Une réflexion sur les insuffisances de ces propositions est ensuite développée. 69

65 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire INTRODUCTION En Ophtalmologie comme pour d'autres domaines médicaux, le manque de donneurs est important. L'une des raisons majeures provient de la législation qui stipule que ne peuvent être prélevés que les yeux de personnes ayant exprimé explicitement leur vœu de don par écrit. Pour d'autres organes plus couramment greffés, il suffit de ne pas s'être opposé au prélèvement pour être déclaré donneur potentiel. La décision finale appartient à la famille dans tous les cas. La Banque des Yeux est donc relativement pauvre en greffons. Il s'agit d'une des raisons pour lesquelles il est indispensable de réaliser l'opération dans les meilleures conditions possibles afin d'assurer les meilleurs résultats possibles. Les chercheurs et les chirurgiens ophtalmologues ont montré que la principale cause de la limitation des résultats de recouvrement visuel après une greffe de cornée est liée aux techniques de découpe et de suture. Comme nous l avons déjà souligné, les contraintes induites lors des opérations déforment le tissu mou ce qui entraîne un astigmatisme postopératoire. De nombreux chercheurs ont tenté de réduire ce phénomène en proposant de nouvelles techniques chirurgicales. Quelques-uns ont proposé des instruments de découpe moins traumatisants, comme le trépan mécanisé ou robotisé et le laser ; d'autres ont travaillé sur la suture, en étudiant la possibilité de combiner différentes techniques dans le but d'ajuster régulièrement les tensions du fil. Après une présentation de différents travaux illustrant ces projets, une discussion sur les insuffisances de ces propositions est développée LES CORNEES ARTIFICIELLES Les cornées artificielles, appelées kératoprothèses, sont aujourd'hui loin d être couramment utilisées en bloc opératoire et sont encore en cours de développement. Leur utilisation serait prescrite pour des cas où la greffe de cornée n'aurait que peu de chances de réussite et constituerait donc un complément à cette opération. Alors que la réussite de la greffe repose pour la plus grande part sur la qualité du tissu environnant, la réussite de la pose d'une kératoprothèse n'y est pas assujettie. Elle serait donc plus indiquée que la greffe dans des cas d'yeux secs*, de vascularisation* de la cornée, de brûlure, de syndrome Stevens- Johnson* ou encore en cas de rejets récurrents* [Allan 99]. C'est en 1789 que l'idée d'un système artificiel qui serait inséré comme remplacement complet sur toute l'épaisseur et capable de fonctionner comme un substitut à la cornée naturelle est lancée. Nous la devons à un ophtalmologue français, Guillaume Pellier de Quengsy ( 1751? ) [Chirila 99]. Il proposait que ce système soit composé d'un centre optique et d'une périphérie poreuse, concept sur lequel repose la recherche actuelle sur la cornée artificielle. Pellier présentait également la procédure chirurgicale à suivre et dessinait les outils chirurgicaux nécessaires. Même si aucune publication en son nom ne mentionne la création d'un tel dispositif, il a envisagé les complications postopératoires possibles. D'après Chirila, Nussbaum serait le premier à présenter des résultats d'expérimentations d'implants en verre sur animaux et humains (1854) et Heusser, l'un des premiers à essayer la kératoprothèse 70

66 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire à quartz. Mais les taux de réussite de ces premières expérimentations sont vraiment très faibles. Depuis une vingtaine d'années, les polymères sont introduits dans la recherche sur les implants cornéens et remplacent les matériaux constituant les premiers implants, qui n'étaient pas adaptés à la situation (PHEMA*, PMMA*, PTFE*, etc ). Ces matériaux nouveaux ont été étudiés afin de répondre au mieux aux caractéristiques nécessaires à une bonne colonisation de l'implant, à une compatibilité totale avec l'œil, à la conservation d'un caractère optique proche de la cornée et à un très faible taux de complications. La teneur en eau étant différente, les propriétés physiques sont aussi différentes : le centre permet la transmission de la lumière et assure le pouvoir réfractif de l'œil tandis que la périphérie spongieuse permet la colonisation et la croissance des cellules. la kératoprothèse de Dohlman [Hicks 97] se présente sous la forme d un "bouton de chemise" (Cf Fig. 3.1). L'opération se déroule comme lors d'une kératoplastie perforante classique. Les résultats obtenus lors d'une série d'essais en 1974 sont décevants, car 20 yeux sur 24 ont connu des complications (perte aqueuse, extrusion, détachement rétinien) dues à des problèmes de correspondance avec le stroma du receveur. Plus récemment, sur 48 kératoprothèses posées dans les années 90, 91.6% ont été retenues sous un traitement antiinflammatoire, mais dans 60.4% des cas, un glaucome est apparu. Fig. 3.1 : Kératoprothèse de Dohlman Strampelli propose l'ajout d'un tissu constitué de fragments de dent, d os ou de cartilage, dans un polymère, pour améliorer la cicatrisation [Hicks 97]. Il pense que le contact du ligament dentaire avec l'épithélium empêche la prolifération de mycoses par ce dernier et réduit le risque d'extrusion. Il rapporte que certains patients ont pu conserver la prothèse pendant plus de 20 ans mais ceci au prix d'une longue et complexe chirurgie (étalée sur plusieurs mois). Une série d'essais sur 85 patients a donné l'apparition de glaucomes pour 41% d'entre eux, un décollement rétinien pour 3.5%, la formation d'une membrane rétroprothésique* pour 3.5% et une extrusion pour cause d'inflammation dans 2.3% des cas. Cardona a développé plusieurs modèles différents de kératoprothèses [Hicks 97] dont l'une est constituée d'un plateau antérieur en Téflon posé sur l'épithélium et percé de trous pour la suture, pour la croissance du tissu et pour le passage du cylindre optique (Cf Fig. 3.2). Un grillage de Dacron* est posé sur l'anneau de Téflon. De bonnes acuités visuelles ont été relevées 7 à 9 ans après l'opération, mais également de nombreux cas de non-perception lumineuse. 71

67 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Fig. 3.2 : Kératoprothèse de Cardona Legeais a créé une prothèse de forme asphérique constituée d'un centre optique en polydiméthylsiloxane (PDMS) recouvert de polyvinylpyrrolidone de diamètre 7 mm et d'épaisseur 550 µm et d'une périphérie en polymère de fluorocarbone (PTFE) poreux [Legeais 98]. La fusion des deux parties se fait à chaud. La chirurgie à pratiquer pour l'insertion d'un tel organe est relativement simple. Elle consiste en la trépanation partielle en profondeur puis d'incisions radiales pour permettre le passage de l'implant. Le tout est refermé par suture par points séparés. Sur un essai sur treize personnes, il a noté deux exclusions, deux membranes rétroprothésiques* et une endophtalmie. Un œil sur quatre a développé une nécrose aseptique à la jonction des deux tissus. L'équipe de Chirila a choisi d'utiliser un polymère flexible, le PHEMA, pour constituer le cœur et la périphérie de l'implant, une jonction flexible et très résistante entre les deux tissus permettant d'unifier le tout. Ainsi, suivant des concentrations en eau différentes pour les deux parties de la prothèse, on obtient un cœur optique transparent et une périphérie en éponge opaque. Cette cornée artificielle est implantée dans l'œil receveur de la même façon d'un greffon naturel. Vingt kératoprothèses ont été implantées dans des cornées de lapins. Deux lapins ont subi une lacune de cicatrisation et deux autres des dommages de manipulation. Une légère conjonctivite papillaire géante* a été notée sur la moitié des lapins. Des dépôts blancs ont été remarqués sur cinq animaux sur la partie optique de l'implant. L'auteur commente ces dépôts comme calciques provenant de l'implant. Une étude histologique a montré la présence de fibres vasculaires dans la région périphérique. Une augmentation significative de la pression intraoculaire a été relevée dans les premiers mois après l'opération. Elle diminue ensuite dans la majorité des cas. Chirila [Chirila 99] a étudié la biocompatibilité d'un tissu composé de PHEMA. Les résultats montrent la présence de macrophages* et de neutrophiles* à partir de deux semaines après implantation. De plus, une microscopie a mis en évidence la présence de corps étrangers géants après 12 semaines : fibroblastes*, myofibroblastes*, eosinophiles* et de capillaires sanguins. Ces résultats expliquent que la kératoprothèse a tendance à être vascularisée et que des germes l'ont envahie. Sa survie est donc compromise [Vijayasekaran 98]. La majorité des auteurs s'accordent pour dire que le problème majeur à résoudre, pour donner une chance de pérennité aux kératoprothèses avec des complications moindres, est de permettre l'épithélialisation de l'implant. Cette couche cornéenne est la condition à respecter pour une longue durée de vie des cornées artificielles. 72

68 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire "Même encore aujourd'hui, après deux siècles de recherche, il n'existe aucune cornée artificielle avec une efficacité prouvée à long terme et un faible taux de complication." [Chirila 99]. C'est la raison pour laquelle de nombreuses équipes de chercheurs continuent à travailler sur l'amélioration de l'opération chirurgicale de la greffe de cornée, qui a encore un bel avenir devant elle LES OUTILS DE DECOUPE Dans ce but, des chercheurs se sont penchés sur les causes de l'astigmatisme postopératoire et ont cherché à y remédier. L'une d'elle étant la découpe des tissus, de nouveaux outils ont été proposés afin de diminuer les effets "secondaires" de la tâche, et donc la déformation de la courbure de la cornée. Une des premières démarches entreprises dans ce sens est l'amélioration de l'outil commun utilisé, le trépan, par sa mécanisation voire sa motorisation. Des améliorations ont été notées, mais les limites d'un outil coupant mécanique ont été montrées. C'est alors qu'a été présenté le laser comme outil de découpe. Ces deux types de "couteaux" sont présentés dans ce sous-chapitre Le trépan mécanisé C est Erasmus Darwin qui, en 1794, suggère que la découpe de la cornée soit réalisée à l'aide d'un trépan, "instrument circulaire avec des bords comme des scies" [Hessburg 80]. Depuis, de nombreux chirurgiens et chercheurs ont mis en avant les effets que pouvaient engendrer la découpe de cornée par la trépanation manuelle classique sur les résultats visuels après une greffe de cornée. Certains expliquent que le problème majeur provient d un manque de stabilité de la cornée pendant la trépanation, cette dernière reposant sur la chambre antérieure [Ng 95]. Ceci entraîne des irrégularités des berges et des risques importants d'extrusion des éléments intraoculaires dans certains cas. Cet acte prédispose l'opération à une forte morbidité et de pauvres résultats visuels. Aussi, l'astigmatisme postopératoire pourrait être réduit si le chirurgien avait la possibilité de découper les tissus de façon bien circulaire avec des berges rectilignes et régulières [Hessburg 80]. Pour cela, il est nécessaire de diminuer la pression appliquée à la cornée pour pouvoir trépaner en contrant la résistance du tissu. De plus, en diminuant cette contrainte, on diminue la déformation du tissu mou ce qui engendre moins d'irrégularités et une meilleure perpendicularité des berges. Pour obtenir de telles caractéristiques, il est nécessaire de bien fixer l'œil et d'assurer une bonne stabilité du trépan sur le globe [Hanna 85]. Il a été remarqué également et déjà présenté (Cf 2.4.3) qu'une trépanation endommage et entraîne la perte de nombreuses cellules endothéliales, indispensables à la prise de la greffe. Un mauvais contrôle de la trépanation, des formes des berges et donc de la dimension de la couche postérieure de la cornée, peut augmenter le déficit en cellules. Pour toutes ces raisons, les chercheurs travaillent à l élaboration de nouveaux trépans qui diminueraient ces effets secondaires. 73

69 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Sur cette idée, Barraquer a développé un système motorisé adaptable à plusieurs trépans Une équipe a tout simplement imaginé un guidage mécanique du trépan [Belmont 93]. Le guide externe du trépan comprend une base rectangulaire posée sur une chambre antérieure artificielle dont une pression intraoculaire de 20 mmhg est maintenue par l'injection d'un sérum salé isotonique. Sur cette chambre est posé un gel viscoélastique qui protège l'endothélium de la collerette cornéo-sclérale* posée sur cette chambre et maintenue en place par un anneau de fixation. Un autre guide tient un cylindre creux autour duquel se positionne le trépan. Un système de plateau aplatit la cornée pour pouvoir réaliser une découpe de surface plane et obtenir des berges perpendiculaires. Le trépan est entraîné dans sa descente par une vis qui permet de contrôler le mouvement (Cf Fig. 3.3). L'incrément est de 0.1 mm par tour. Le greffon est découpé par actionnement de la vis jusqu'à la fin de sa course. L œil récipient est découpé par douze tours, la finition est réalisée aux micro-ciseaux courbés. Fig. 3.3 : Trépan de Belmont Des mesures postopératoires d'astigmatisme ont été réalisées par trois procédés différents (kératométrie, réfraction et vidéokératographie) sur des tissus greffés par trépan classique et par trépan guidé pour comparaison. Pour cela, trois groupes d'étude ont été créés : le premier est constitué de donneurs et receveurs dont la trépanation a été réalisée à l'aide d'un trépan classique, le deuxième est constitué de donneurs dont la trépanation est classique et de receveurs trépanés par le trépan guidé, enfin, le troisième groupe concerne des donneurs et receveurs trépanés par le trépan guidé. Les résultats, dont les mêmes tendances ont été relevées suivant les types de mesure, ont montré que l'utilisation du trépan guidé diminue l'astigmatisme (6.5 D pour le groupe 1, 3.0 D pour le groupe 2 et 2.5 D pour le groupe 3 par la méthode de la kératométrie), mais aussi qu'il est important d'utiliser le même procédé de découpe pour le greffon et le receveur. D'autres équipes de recherche ont proposé de motoriser le mouvement du trépan guidé. Le principe est de permettre de diminuer au maximum la pression nécessaire pour découper, d'offrir une rotation très régulière sans vibration à une vitesse choisie et de laisser le chirurgien se concentrer sur le positionnement de l'outil. Sur cette idée, Barraquer a développé un système motorisé adaptable à plusieurs trépans [Barraquer 84]. Le chirurgien choisit un trépan manuel qu'il fixe à un support, léger, petit et très maniable (Cf Fig. 3.4). Ce support est connecté via un câble flexible à l'unité de contrôle qui permet de réguler la vitesse de rotation du trépan. Elle comprend une pédale de pied pour mettre en route ou arrêter le moteur. 74

70 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Fig. 3.4 : Trépan de Barraquer Un autre type de trépan mécanisé a été proposé par [Hessburg 80]. Il consiste en un tube creux avec une lame circulaire extrêmement fine et aiguisée à une extrémité (Cf Fig. 3.5). Il est contenu dans un tube par l'intermédiaire d'un système vis/écrou. A l'extrémité de ce tube, qui est posé sur la cornée, un anneau de succion* est ajouté. La lame pénètre dans la cornée doucement, grâce à son mouvement de rotation engendré par le système vis/écrou. Ainsi les efforts de coupe sont diminués. Le chirurgien suit l'opération sous microscope. Fig. 3.5 : Trépan de Hessburg Tous ces trépans motorisés sont largement aidés par l'action de l'anneau de succion* qui permet le maintien en place de la cornée mais aussi de diminuer sa réaction de résistance à la découpe (d'autant plus importante qu'il s'agit d'un tissu mou). C'est d'ailleurs bien ce qu'avance Hanna puisqu'il évoque la stabilité et la fixité du trépan sur le globe par fixation pneumatique. La résistance de la cornée à la découpe est neutralisée, mais en plus, elle diminue lorsque la vitesse du trépan augmente. L'anneau permet également de diminuer les défauts de profondeur de découpe dus à la non sphéricité de la cornée [Hanna 85]. Afin d'étayer ces remarques, Ng a réalisé des essais de découpe par trois trépans différents en vue d'une étude histologique comparative [Ng 95]. Une telle étude consiste à découper de très fines tranches du tissu à observer que l'on prépare de façon à pouvoir observer sous microscope la structure constitutionnelle du tissu après l'essai réalisé. Ici il s'agit en l'occurrence d'observer les formes de découpe (profondeur, régularité et perpendicularité). Six yeux sont découpés à l'aide d'un trépan de Franceschetti, trépan manuel classique, six par un 75

71 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire trépan de Hanna comprenant un système de succion et six par le trépan de Hessburg-Baron avec succion présenté dans [Hessburg 80]. Les globes sont tout de suite fixés dans une solution à 4% de formol pour les conserver en l'état avant toute modification. Puis des tranches sont préparées pour l'étude. Un chirurgien extérieur à la série d'essais et auquel on a caché l'instrument utilisé pour chaque échantillon, classe les résultats en fonction de la profondeur, de la régularité et de la perpendicularité de la découpe. Pour cela, il s'appuie sur une échelle allant de 1 à 10 pour donner le pourcentage de profondeur de découpe, une échelle allant de 0 à 2 pour les irrégularités (0 pour une très grande irrégularité jusqu'à 2 pour une faible irrégularité) et une échelle allant de 0 à 4 pour la perpendicularité des berges (0 : pour peu de perpendicularité jusqu'à 4 pour une bonne perpendicularité). Ce classement est fait pour chaque berge puis pour chaque échantillon qui est alors noté de 0 (cas le plus défavorable) à 32 (meilleur taux possible). Les essais de découpe ont permis aux auteurs de déterminer que les trépans avec succion sont plus faciles d'utilisation et qu'ils diminuent l'affaissement de la chambre antérieure. Les scores par trépan donnent, sur 32, une moyenne de pour le trépan de Franceschetti, pour celui de Hessburg-Baron et pour le trépan de Hanna qui semble donc ici globalement le trépan offrant de meilleurs résultats. Les moyennes des scores obtenus suivant les différents critères montrent que la profondeur de découpe obtenue avec le système de succion (Hessburg-Baron : 9/10, Hanna : 8.9/10) est plus importante que sans (Franceschetti : 6.5/10), elle limite donc la nécessité de finition aux ciseaux. Sans succion, la découpe dépasse de peu la moitié de la profondeur de la cornée. La régularité des berges de découpe est bien meilleure avec le trépan de Hanna (1.7/2) et donne peu d'irrégularités comparé aux deux autres trépans qui donnent des berges apparemment difficilement prévisibles (Franceschetti : 1.25/2, Hessburg-Baron : 1.0/2). La perpendicularité des découpes est à peu près bonne avec le trépan de Hanna (3.5/4) et plutôt mauvaise pour les deux autres (Hessburg-Baron : 1.6/4, Franceschetti : 0.91/4). Cette étude permet finalement de conclure que la succion de la cornée pendant la trépanation permet d'améliorer les résultats en diminuant la déformation du tissu, mais que ces améliorations ne dépendent pas que de cette succion puisque les résultats ne sont pas parfaits et que l'on note parfois de grandes différences entre les trépans de Hanna et de Hessburg- Baron. Ces réflexions sont corroborées par la comparaison de découpes du greffon par différents trépans, effectuées par Pflugfelder [Pflugfelder 92]. Elle porte sur des trépans manuels de type Cottingham et Katena-Lieberman, un trépan motorisé (Barraquer-Mateus, vitesse de rotation de 30 tr/min), un trépan avec succion (Hessburg-Baron) et un trépan avec succion et guidé par un système vis/écrou (Hanna). L'étude porte sur la reproductibilité, l'acircularité et la perpendicularité des berges, par photogrammétrie. Ce principe consiste à photographier (grossissement de 21.4 X) l'ombre de l'échantillon sur plusieurs sections par rotation régulière du globe (16 rotations de 22.5 ). Sur ces photos sont mesurés les diamètres endothélial, épithélial et midstromal (à 300 µm de l'épithélium), ainsi que l'angle de découpe entre le niveau midstromal et l'épithélium. Les résultats les meilleurs ont été obtenus par le trépan de Hanna, comme dans l'étude précédente, qui allie guidage et succion. Principalement, les berges les plus perpendiculaires sont celles engendrées par la découpe au trépan de Hanna qui néanmoins présente un défaut d'angle de 18 en moyenne. Le plus mauvais angle a été mesuré pour le trépan motorisé de Barraquer-Mateus et vaut 45 ±17, ce qui est énorme, quand on sait que le but serait d'atteindre 0 de défaut. Cet effet doit pouvoir s'expliquer par le fait que l'œil n'est pas maintenu fixe. Cette étude a donc mis en avant une fois de plus l'importance du maintien en position de l'œil et le guidage du trépan. 76

72 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Kohlhaas et Daniel ont réalisé des études sur les pertes endothéliales* causées par la trépanation. Kohlhaas fait la comparaison entre la trépanation manuelle et motorisée, tandis que Daniel compare les effets des vitesses de rotation et des couples utilisés. Les essais menés par Kohlhaas consistent à utiliser un trépan motorisé pour découper la cornée du donneur et un trépan manuel pour celle du receveur [Kohlhaas 94]. La motorisation permet de diminuer la pression nécessaire à la découpe ainsi que la vitesse de découpe, ce qui diminue les déformations du tissu et donc aussi les pertes endothéliales*. Ils montrent que les pertes cellulaires sont 1.5 à 2 fois plus importantes par trépanation manuelle que par trépanation motorisée. Par contre, ils ont remarqué qu'une trop grande vitesse de découpe pouvait arracher des cellules endothéliales. Daniel a réalisé une étude très complète et détaillée sur les pertes cellulaires du receveur [Daniel 94]. La trépanation est réalisée sur des yeux de porcs fraîchement énucléés*, par un trépan guidé mécaniquement pour assurer une bonne reproductibilité. Le mouvement de découpe est assuré par un système vis/écrou qui détermine également mécaniquement la profondeur de découpe (longueur de filetage). Les cellules endothéliales sont visualisées indirectement par coloration de Alizarinrot : le manque de cellules est visible par la coloration rouge de la membrane de Descemet, le cytoplasme des cellules endothéliales intactes est incolore tandis qu'il paraît rouge quand les cellules sont endommagées. Les mesures sont faites sous microscope en quatre points de la circonférence (0, 90, 180 et 270 ). Quatre combinaisons de tests ont été effectuées : efforts de coupe de 49 mn et 392 mn et vitesses de rotation de 840 tr/min et 30 tr/min. Chaque combinaison est testée avec un outil neuf et un outil ayant déjà fait l objet d une utilisation, ce qui fait huit combinaisons validées par dix yeux chacune. La combinaison optimale a été déterminée comme étant celle dont la trépanation a été réalisée pour une vitesse de 840 tr/min et un effort de 49 mn. Les largeurs des pertes endothéliales* ont été mesurées et donnent une moyenne de 31 µm. Elles augmentent avec l effort et principalement lorsque la vitesse diminue. L'utilisation d'une lame non neuve augmente de 600% la perte cellulaire. La qualité de la lame intervient également dans le temps de découpe, qui ne varie ni avec la vitesse ni avec l effort, et dans la variance des résultats. Ceci est vérifié par la difficulté de prédiction des résultats lorsqu'ils dépendent de la qualité de l'outil. L effort influe sur cette variance, qui est moins importante à 49 mn qu'à 392 mn, ce qui confirme qu'un faible effort est mieux adapté à la découpe cornéenne. Par contre, la différence de vitesse ne semble pas influer sur la variance. Avec un outil neuf, les auteurs ont réussi à réaliser des trépanations complètes sur toute la profondeur (réalisable en posant un anneau cornéo-scléral sur une chambre antérieure artificielle pour laquelle la pression intraoculaire est maintenue constante mais pas dans des conditions normales de greffe sur patient où la pression varie). La baisse importante de vitesse diminue fortement la profondeur de pénétration, ce qui n'est pas le cas lorsqu'on augmente l effort. Dans le pire des cas (30 tr/min et 392 mn), la profondeur de découpe n'a atteint que 24% de l'épaisseur du tissu. Ces essais montrent l importance des paramètres entrant en jeu lors de la trépanation et notamment la prédominance des effets induits par un changement de vitesse comparé au changement d effort. Mais on note également l importance de l outil utilisé dont la moindre modification peut engendrer de grandes pertes sur la qualité de la découpe. 77

73 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Toutes ces études permettent finalement de dire que la succion de la cornée pendant la trépanation permet d'améliorer les résultats en diminuant la déformation du tissu mais que ceci n est pas suffisant avec un tel type d'outil et peut encore être amélioré. En effet, le problème majeur est le contact mécanique, direct, de l'outil sur la cornée qui, même s il est minimisé, engendre toujours un effort sur le tissu pendant la découpe Le laser C'est sur cette remarque que se sont appuyés d'autres chercheurs et c est pour cette raison qu'ils ont essayé d'utiliser un nouvel outil de découpe de la cornée, non mécanique cette fois, le laser. Il existe différents types de laser créés par des sources diverses et qui engendrent des phénomènes différents. La lumière laser peut être émise de façon continue ou pulsée suivant que l'énergie d'excitation est continue ou intermittente. La puissance d'un laser pulsé est de 10 3 à 10 6 supérieure à celle d'un laser continu. La lumière laser peut être concentrée et envoyée sur une petite surface. Le laser couramment étudié en Ophtalmologie est le laser excimer (excited dimer), pulsé, dont la longueur d onde est de 193 nm. L'une des interactions possibles entre le tissu (dont la cornée) et le laser (dont le laser excimer) est l'absorption de l'énergie du laser par le tissu, pour les longueurs d'onde inférieures à 300 nm. Grâce à cette absorption, un effet photochimique peut se produire. Ces lasers de courtes longueurs d'ondes et de faible densité d'énergie entraînent la photo-ablation (photodécomposition ablative) des tissus. Celle-ci se produit car les photons sont de très haute énergie, supérieure à celle des liaisons carbone-carbone. L'absorption de cette énergie casse les liaisons intermoléculaires et les fragments sont éjectés à vitesse supersonique (1000 m/s à 3000 m/s) permettant l'évacuation de l'énergie en excès et évitant la création de dommages thermiques aux tissus adjacents. Un laser est caractérisé par : v la durée de l impulsion qui dépend des éléments utilisés pour créer le faisceau (10 ns à 20 ns pour Ar-F), v le flux qui est la densité d'énergie par unité de surface (mj/cm 2 ). Pour un Ar-F, ce flux est au minimum de 50 mj/cm 2 et au maximum de 600 mj/cm 2. La quantité de tissu ôtée augmente avec le flux, v la fréquence des impulsions qui se situe généralement entre 5 et 15 Hz. En effet, le temps de diffusion de la chaleur dans la cornée est de 1 seconde, donc des taux de répétition supérieurs à 1 Hz permettent théoriquement à la chaleur de s'accumuler, mais des fréquences trop rapides peuvent aussi entraîner une déshydratation du tissu, Différents lasers ont été essayés en Ophtalmologie. Lors d'une attaque par laser CO 2, l'énergie est absorbée par le tissu adjacent provoquant des effets de coagulation et de carbonisation. Le laser hydrogène-fluor entraîne de larges zones de dommages thermiques et structurels adjacentes aux excisions [Loertscher 87]. Le laser Erbium:Yag peut être utilisé pour pratiquer des brûlures thermiques stromales. Mais le laser utilisé pour les traitements de la cornée est le laser excimer. Les traitements se font donc par photo-ablation cellulaire. 78

74 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire La première application de ce type a été réalisée par Taboada et Reed en 1981 sur des cornées de lapins [Hanna 92]. Parmi toutes les longueurs d'ondes pouvant être générées par les lasers excimers, le laser argon-fluor (Ar-F, 193 nm) semble le mieux indiqué pour la cornée, provoquant le moins de dommages. Le laser excimer est utilisé couramment en bloc opératoire notamment pour la correction de myopie et hypermétropie, astigmatisme et kératectomie, mais tout problème structurel (hydratation, affection, pathologie inflammatoire ou infectieuse, etc..) contre-indique son utilisation. Les résultats obtenus pour ces traitements sont assez bons notamment pour les faibles myopies (-1 à 6 D). Les complications observées sont l'apparition de douleurs pendant 24 h à 48 h, une hypertonie (pression intraoculaire élevée) pendant les trois premières semaines, un décentrement lors du remodelage cornéen et l'apparition d'un haze*. Pour le moment, la technique est trop récente pour assurer un recul suffisant pour déterminer les effets à long terme possibles [Dufier 94]. Pour la kératoplastie perforante également, l'utilisation du laser excimer comme outil de découpe des tissus donneur et receveur a été étudiée, mais n'est pas encore régulièrement pratiquée cliniquement. Son avantage serait de pouvoir prélever les cornées sans appliquer de contraintes mécaniques par une découpe non-mécanique. Le dispositif de Lang [Lang 89] repose sur une structure composée d un lit et d un processus de génération du faisceau laser, déjà couramment utilisée pour la correction de la myopie (Cf Fig. 3.6). Fig. 3.6 : Dispositif de Lang Le faisceau délivré par la source est acheminé dans la structure par un jeu de miroirs et de lentilles. Le spot de dimension 1.5 mm x 1.5 mm décrit un cercle par l'intermédiaire de miroirs motorisés (1 rotation par seconde). La fréquence de pulsation est de 30 Hz, le flux sur la cornée est de 700 mj/cm². Le temps nécessaire à la trépanation d'un diamètre de 8.0 mm est de 3 à 4 min (6000 à 8000 tirs). Le faisceau laser ne s'applique pas directement sur la cornée. Sur cette dernière un masque de métal est positionné, différent pour le donneur (diamètre extérieur de 8.5 mm) et pour le receveur (diamètre intérieur de 8.0 mm) (Cf Fig. 3.7). Le faisceau suit donc les contours de ces derniers, ainsi la moitié seulement de la surface du faisceau attaque la cornée. Ce système permet, selon les auteurs, d'obtenir des berges parfaitement droites à l'intérieur de la découpe pour le donneur et à l'extérieur pour le receveur. 79

75 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Fig. 3.7 : Masques receveur et donneur Un jet d'air est constamment dirigé vers le site de l'ablation pour trois raisons : v refroidir le masque, v retirer les productions de gaz (particules brûlées évaporées), v assécher et enlever les gouttes d'humeur aqueuse. Une série d'essais sur 20 yeux humains a été menée montrant des berges relativement lisses approximativement parallèles à l'axe optique mais non rigoureusement régulières (Cf Fig. 3.8 et Fig. 3.9). A B Zoom Fig. 3.8 : Découpes du donneur et du receveur Fig. 3.9 : Zoom de la berge de découpe sur le receveur de la Fig. 3.8B Les mêmes auteurs ont également proposé l'utilisation de masques de forme elliptique pour une meilleure conformité avec l'œil. Une étude a été menée sur 10 yeux humains suivant le même protocole que dans l'étude précédente. Les berges obtenues sont du même type que pour la découpe circulaire et une bonne apposition des deux tissus a été remarquée. Le principal avantage de cette nouvelle forme de découpe est que le placement des points de suture est plus facile et plus précis, car le greffon ne tourne pas dans l'œil receveur. 80

76 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Différentes formes, divers diamètres et des angles variables de découpe ont été comparés par Husinsky [Husinsky 91]. Le montage proposé ici consiste à fixer la cornée sur un support réglable. Le faisceau laser frappe un miroir à 45 qui le renvoie dans la direction verticale. Puis ce dernier traverse un masque, qui réduit ses dimensions, et une lentille convergente (Cf Fig. 3.10). Fig : Dispositif laser de Husinsky Un ordinateur assure l'interface entre l'utilisateur et le mécanisme laser. Le chirurgien entre les données propres à la cornée, le temps et les autres paramètres de coupe sont automatiquement calculés et la trépanation automatiquement réalisée. Des expériences ont permis de montrer que le choix de l'angle d'incidence du laser permet d'offrir divers avantages, différents suivant les cas : v les découpes parallèles à l'axe optique entraînent un minimum de perturbations optiques, v les incisions divergentes par rapport à l'axe optique protègent mieux les cellules endothéliales et permettent une meilleure étanchéité, v les incisions convergentes vers l'axe optique donnent les plus petites et les plus proches surfaces de raccordement entre les deux tissus. Ces phénomènes ont été remarqués également par [Lang 89]. Serdarevic et al. ont étudié l'évolution de la cicatrisation sur une période de trois mois après kératoplastie perforante pratiquée par laser excimer sur des lapins [Serdarevic 88]. Ils n'ont pas noté de différences significatives par rapport à la cicatrisation après découpe par trépan classique. Après trois mois, les greffons sont clairs, la couche endothéliale est entièrement reformée et la membrane de Descemet quasiment achevée. Ces résultats montrent que l'utilisation du laser excimer pour la découpe de cornée ne perturbe pas le phénomène de cicatrisation et n'a pas endommagé irréversiblement les tissus. 81

77 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Les résultats étant prometteurs, les chercheurs ont ensuite abordé des études plus approfondies des effets du laser sur la cornée. C'est ainsi que Dougherty a voulu mesurer les taux d'ablation des composants secs de la cornée (collagène) et du tissu hydraté sur vingt globes oculaires de bœufs fraîchement énucléés* [Dougherty 94]. Le faisceau du laser est de section circulaire de 4.0 mm de diamètre, il attaque l'œil à une fréquence de 10 Hz pour un flux de 180 mj/cm². Chaque cornée reçoit 1200 impulsions. Le taux de déshydratation causé par la trépanation est désigné comme correspondant à la différence de poids entre les cornées trépanées et les témoins. Le taux d'ablation du tissu hydraté est défini ainsi : Masse hydratée enlevée Nbre d impulsions * surface d'ablation Puis le taux d'ablation des composants secs (TAMS) par : Masse sèche enlevée Nbre d impulsions * surface d'ablation Le taux d'ablation du tissu hydraté est de 44 µg/cm²/impulsion en moyenne. Le taux d'ablation de tissu hydraté augmente avec le taux d'hydratation du tissu. Le taux d'ablation de matière sèche est 4 fois moins important que le taux d'ablation de tissu hydraté (10 µg/cm²/impulsion) et il diminue lorsque l'hydratation augmente. Les auteurs ont déduit de ces résultats que l'eau contenue dans le stroma doit masquer l'efficacité du laser. Seiler et Wollensack ont effectué les mêmes essais sur des cornées humaines, mais avec un flux de 205 mj/cm² [Dougherty 94]. Ils ont obtenu un taux d'ablation de stroma hydraté de 55 µg/cm² ce qui confirme les résultats précédents, l'ordre de grandeur étant identique. La différence provient très certainement des différences physiologiques et structurelles entre les deux tissus. Dougherty a ensuite déduit de ces résultats les effets produits sur la correction dioptrique. En effet, cette dernière dépendant directement du rayon de courbure de la cornée, elle est donc proportionnelle à la profondeur d'ablation et donc au taux d'ablation donc : TAMS à hydratation non P. Correction dioptrique effective = TAMS à hydratation P. Correction dioptrique désirée Avec TAMS : taux d'ablation de matière sèche P : physiologique Si l'ablation est faite sur une cornée normalement hydratée, alors la correction effective est celle attendue. Si elle est faite alors que le taux d'hydratation est inférieur à la normale, on obtient une sur-correction et inversement, une hydratation supérieure génère une souscorrection. Ce phénomène peut permettre de prévoir efficacement et précisément le résultat postopératoire. 82

78 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Récemment, Seitz a évalué l'épaisseur résiduelle (non découpée) de la cornée humaine après kératoplastie au laser de surface 1.5 mm x 1.5 mm, sous une énergie de 18 à 20 mj/impulsion et une fréquence de 25 impulsions/s [Seitz 98]. Les valeurs moyennes sont de 27% pour les donneurs (9% minimum) et 32% pour les receveurs (10% minimum). Ces résultats montrent qu'une découpe aux ciseaux est néanmoins nécessaire sur 1/3 de l'épaisseur cornéenne, ce qui est conséquent. Des études ont été menées afin de pouvoir comparer la découpe au laser par rapport aux découpes bien connues par trépans. Serdarevic a comparé les formes de découpes et l'évolution de la greffe pendant trois mois obtenues après une découpe au laser, au trépan manuel et au trépan à succion [Serdarevic 88]. Il a effectué les découpes par laser excimer, trépan manuel de Franceschetti et par trépan avec succion de Hanna. Les observations au microscope montrent que la découpe est plus régulière et plus précise avec le laser qu'avec les trépans. Des distorsions et disruptions* de l'épithélium peuvent être remarquées sur les cornées découpées aux trépans (Cf paragraphe 3.2.1). Au contraire, le laser coupe nettement l'épithélium et le collagène stromal semble intact. Les pertes endothéliales* sont de deux à cinq fois inférieures par le laser comparé au trépan motorisé. Le laser diminue donc les effets négatifs de la trépanation. De plus, le processus de cicatrisation n'est pas modifié et reste équivalent à celui obtenu par trépanation classique. L'équipe allemande de Seitz a comparé les effets de décentration du greffon et de rupture endothéliale après découpes par laser et par trépan motorisé. L'évaluation de cette décentration a été réalisée à l'aide de la projection de cercles concentriques correspondant à la pupille et d'ellipses concentriques correspondant au limbe. Il apparaît que la découpe nonmécanique par laser permet de diviser par plus de deux fois la décentration du greffon par rapport à la découpe traditionnelle (0.23 mm / 0.58 mm) [Langenbucher 98]. Les pertes endothéliales* sont importantes mais elles sont peu à peu comblées aussi bien pour la découpe par trépan que pour la découpe par laser. Après six semaines, le taux cellulaire est redevenu normal et aucune complication n'est intervenue. Néanmoins, la comparaison des données obtenues par les deux techniques de trépanation, montrent que le laser engendre moins de pertes quel que soit le temps d'observation [Küchle 98]. La découpe au laser a intéressé de nombreux laboratoires. Le laser excimer semble être le laser le mieux adapté à la découpe de la cornée. Cette technique non-mécanique présente quelques avantages comparée au trépan mais également plusieurs inconvénients. On peut citer entre autres, les effets thermiques non négligeables sur la cornée de cet outil, un recul insuffisant nécessaire pour définir ses effets à long terme, et surtout, son coût d'installation et de maintenance très élevé comparé au trépan jetable. 83

79 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire 3.3. LA SUTURE DOUBLE Une deuxième cause de l'apparition de l'astigmatisme postopératoire réside dans la suture pratiquée pour le maintien du greffon sur l'œil receveur. En effet, il est très difficile pour le chirurgien d'assurer une parfaite constance et régularité dans la disposition des passages du surjet (ou dans la disposition des points) et dans la tension du fil. Il a été montré qu'un défaut de régularité pouvait engendrer une non homogénéité de la courbure de la cornée. Afin de rendre possible un ajustement régulier de la tension de la suture le long de la circonférence, des chercheurs ont testé de nouveaux types de suture dont la suture combinée. Cette technique consiste à réaliser un surjet continu auquel on superpose des points séparés (en général 8), qui, par enlèvement unitaire, permettent de rétablir l'équilibre des forces appliquées sur le tissu. Sur 15 patients ayant bénéficié d'une kératoplastie perforante, Bonnet a obtenu un astigmatisme moindre comparé au surjet continu simple [Bonnet 94]. Filatov et son équipe, ont déterminé que la technique combinée engendre une réhabilitation visuelle plus rapide et retarde l'apparition de l'astigmatisme. Malgré tout, après 4 ans, l'astigmatisme est équivalent avec les deux techniques [Filatov 96]. Au Maroc, la comparaison entre une suture de points séparés et une suture continue (surjet) a été étudiée sur 100 patients lors d'une chirurgie de la cataracte [Daoudi 93]. Les résultats montrent que la valeur moyenne de l'astigmatisme est moins importante avec le surjet qu'avec les points séparés. Des chercheurs ont tenté de réduire l'importance de l'astigmatisme postopératoire induit par la suture en introduisant des sutures continues et combinées. Dans la majorité des cas, il s'est révélé que le surjet est moins traumatisant que la suture séparée, mais, en aucun cas, il n'élimine ni ne diminue significativement cet astigmatisme UNE TENTATIVE DE ROBOTISATION DE LA GREFFE DE CORNEE Par contre, pour réduire l'astigmatisme induit par la découpe des tissus, quelques chercheurs, très peu à vrai dire, ont proposé d'apporter la précision et la reproductibilité de la robotique à l'acte chirurgical. C'est ainsi que Tejima, a présenté en 1988 une petite structure légère polyarticulée à sept degrés de liberté [Tejima 88]. Elle est composée d'un bras de positionnement et d'une partie effecteur (Cf Fig. 3.11). Le bras à quatre degrés de liberté détermine la position et une première orientation du trépan. Sa structure est solidaire à la table et constituée de cinq barres actionnées par des moteurs à courant continu asservis en position. Le champ d'action est faible (150 mm) mais suffisant pour ce type de chirurgie. Le positionnement vertical est réalisé par une vis de 1 mm de course, actionnée également par un moteur à courant continu. Le bras est en alliage d'aluminium et en acier inoxydable pour des raisons de corrosion et de légèreté. L'effecteur possède trois degrés de liberté dont deux pour ajuster l'orientation et un 84

80 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire pour la trépanation. Le trépan jetable utilisé est maintenu par un aimant. Il est guidé verticalement par une vis motorisée de 0.2 mm de pas dont l'avancée est contrôlée de façon à assurer la sécurité de l'iris et du cristallin. Un système de succion composé de deux cylindres est placé en bout du trépan et maintient en place la cornée contre l'outil. D'après les auteurs, ceci permet d'obtenir des formes parfaitement cylindriques et donc de diminuer l'apparition d'astigmatisme postopératoire, mais il permet aussi de trépaner sur toute la profondeur du tissu, éliminant ainsi l'utilisation de ciseaux. L'opération est programmée et dirigée via un ordinateur. Le trépan est amené juste au-dessus de la cornée, puis descendu jusqu'au contact. L'asservissement en position est réalisé à partir de la mesure de la hauteur du trépan par rapport à la cornée prise par un micromètre pneumatique. Le début et la fin de la trépanation sont observés par un brusque changement de couple au niveau des moteurs, l'augmentation annonçant le début de l'action et la chute indiquant la fin de la trépanation et stoppant le trépan. Fig : Robot de Tejima A notre connaissance, aucune suite n a été portée à ce jour à ce dispositif, aucun essai n a été réalisé sur l homme, aucun développement de prototype supplémentaire ni aucune commercialisation n est connue. De même, nous ne connaissons aucun autre système robotisé qui aurait été développé pour cette application LES INSUFFISANCES DES PROPOSITIONS ACTUELLES Dans le but de réduire l apparition de l astigmatisme postopératoire responsable de la limitation du recouvrement visuel après une kératoplastie perforante, des chercheurs travaillent à l élaboration de prothèses de cornées, étudient de nouveaux moyens de découpes moins traumatisant comme le trépan mécanisé et le laser, et tentent de diminuer les déformations induites par la suture en proposant de nouvelles techniques. Mais chacune de ces propositions, même si elle présente des avantages, comporte des inconvénients qui limitent les améliorations envisagées. 85

81 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire En matière d emploi des implants cornéens Afin d écourter les attentes de greffon et pallier en partie au manque de donneurs, certains chercheurs tentent de développer des implants cornéens qui pourraient remplacer le greffon humain. Le manque de donneurs n'apparaîtrait plus comme un frein à la chirurgie, l'opération pourrait être pratiquée aussitôt et sans délai, mais les rejets pourraient également être limités. Même si la recherche dans ce sens a commencé à la fin du XIX e siècle, aucun type d'implant viable n est encore disponible. Le problème est complexe car il s'agit de trouver un matériau qui permette d'éviter les rejets et de favoriser la cicatrisation. De nombreuses propositions ont été faites mais toutes ont montré des taux de rejets et des taux de complications importants (plus de 50%) et une durée de vie très limitée. De notre avis et compte tenu des études et essais exposés plus haut, il est possible de dire que l'avenir proche de la greffe de cornée ne réside pas dans l'implant. Pour cette raison, la majorité des chercheurs travaillent plutôt pour l'amélioration de la technique opératoire En matière de découpe L un des caractères limitatifs de l opération actuelle se situe au niveau de la découpe des tissus. Depuis que l'acte opératoire existe, celle-ci est réalisée manuellement à l aide d un trépan. De nombreux chercheurs ont essayé de diminuer l'astigmatisme dû à cette découpe en motorisant ou en guidant mécaniquement l'outil, ou encore en immobilisant la cornée par un système de succion. Des améliorations notoires ont été remarquées, notamment par une augmentation de la précision de découpe. Néanmoins, les formes obtenues ne sont toujours pas parfaites et un manque de correspondance entre le greffon et l œil receveur persiste qui maintient un astigmatisme irrégulier. L'acuité visuelle est encore jugée inacceptable par Daniel [Daniel 94]. Des dommages endothéliaux importants et différents sur le donneur et le receveur sont toujours visibles. De plus, le prix d'un trépan mécanique est très élevé (environ F) comparé au trépan classique (50 F) qui ne se justifie pas au regard des améliorations apportées. Les chirurgiens préfèrent donc continuer à utiliser un trépan manuel qui, de plus, est jetable! Même si des améliorations ont été rapportées, elles ne sont cependant pas suffisantes pour imposer ce genre d'outil au bloc opératoire. D autres chercheurs ont proposé un outil de découpe non mécanique de la cornée. Le laser permet en effet de réduire l'astigmatisme postopératoire car il n'applique pas d'efforts directs sur la cornée. Les berges obtenues sont plus facilement prévisibles, quasiment droites. Mais l inconvénient majeur de cet instrument est l'apport de chaleur non négligeable aux cellules adjacentes à la découpe. En effet, Spörl et al. ont montré que le comportement mécanique de la cornée, et notamment son élasticité, est modifié par le changement de température [Spörl 97]. Ils ont établi que l'élasticité du tissu diminue davantage pour des températures supérieures à 90 C le module d'young étant de 10 5 N/m² pour une cornée élastique et N/m² pour une cornée moins élastique. Ils ont également noté une hystérésis lors d'essais de contrainte/relaxation par élévation brusque de température. Un accroissement rapide de la contrainte est observé suivi d un relâchement (qui apparaît après baisse de la température). La mesure de la longueur des fibres de collagène a mis en évidence un rétrécissement de celles-ci à partir de 70 C. La résistance à la traction diminue lorsque la température augmente. 86

82 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire Bende et son équipe ont étudié la répartition et l'ampleur de l'augmentation de la température autour de l'incision à l'aide d'un thermocouple, placé dans le stroma ou dans l'endothélium, plus ou moins près de l'attaque au laser [Bende 88]. Le laser utilisé est un laser excimer de section de faisceau 6 mm x 0.15 mm, le flux est compris entre 10 mj/cm² et 360 mj/cm², l'énergie en sortie de laser est de 200 mj/impulsion et la fréquence des tirs varie de 5 Hz à 50 Hz. Les essais ont été réalisés sur des yeux de lapins fraîchement énucléés*. Une élévation maximale de température de 20 C a été relevée pour une fréquence de 50 Hz et un flux de 360 mj/cm². Cette température est la plus élevée à l'endroit même de l'incision et décroît ensuite exponentiellement en s'en éloignant. La température croît avec la fréquence de pulsation et plus vite pour les faibles flux ( 100 mj/cm²). Sur une zone de 40 µm de rayon autour de l'impact, les cellules endothéliales ne semblent pas être évaporées, la largeur d'incision mesurée est de 150 µm. Les ondes de choc générées par le processus de l'ablation et les effets thermiques doivent être à l origine de ce phénomène. Afin de ne pas dénaturer la cornée, il est donc préférable d'éviter des augmentations de température de plus de 11 C. Les instruments de découpe de la cornée proposés améliorent les résultats visuels, mais ils apportent également des effets secondaires non négligeables En matière de suture L'astigmatisme n'est pas seulement engendré par la découpe mais également par la suture. La technique traditionnelle appliquée consiste en un simple surjet continu. Des propositions de sutures combinées ou de sutures par points séparés uniquement ont été faites. Mais même si elles permettent d'ajuster la tension dans le fil pendant la cicatrisation, elles ne permettent pas d'envisager une réduction significative de l'astigmatisme induit. En effet, tant que des tensions sont appliquées à la cornée, celle-ci se déforme. La difficulté de positionner précisément les points de suture ou les points de passage du surjet favorise aussi les déformations du tissu. La solution résiderait plutôt, à notre avis, dans l'évitement de cette suture. CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons présenté des propositions de perfectionnement des techniques chirurgicales de découpe et de suture utilisées couramment en bloc opératoire afin d'améliorer les résultats visuels postopératoires. Les suggestions faites ont leurs limites et n offrent pas une solution parfaite donnant une diminution significative de l'astigmatisme postopératoire puisque, si elles éliminent certaines causes de perturbations, elles en apportent également d autres. On peut remarquer que les travaux effectués concernent une seule cause de l'astigmatisme. En effet, certains ont travaillé sur la découpe, d autres sur la suture. Mais aucune équipe n a réellement proposé de dispositif complet permettant de diminuer l astigmatisme provenant de la découpe ainsi que celui provenant de la suture. 87

83 3. Etat de l art de la recherche pour l'amélioration de la technique opératoire De ces constatations, nous avons conclu de la nécessité de formuler des propositions touchant à la fois la découpe et la suture : v un nouvel outil de découpe qui permettrait d'une part, de ne pas engendrer de contraintes directes sur l'œil et, d'autre part, n'apporterait pas de chaleur dans le tissu et donc aucune dénaturation de la cornée, v une nouvelle technique qui permettrait de maintenir le greffon et l'œil receveur solidaires sans contraintes donc sans suture directement appliquée sur la cornée. 88

84 4. La découpe au jet d'eau 4. LA DECOUPE AU JET D EAU 4. La découpe au jet d eau Introduction 4.1. Le jet d eau industriel Son principe et ses caractéristiques Ses avantages et inconvénients 4.2. Le jet d eau en Ophtalmologie 4.3. Handyjet 4.4. La découpe de la cornée Ses atouts Essais de découpe au jet d'eau continu Essais de découpe au jet d'eau pulsé Dispositif à galets Dispositif à plateau rotatif L'étude histologique Suite aux essais Les liquides macromoléculaires Le protocole des essais Conclusion RESUME Ce chapitre présente la découpe de la cornée au jet d'eau chirurgical, méthode que nous proposons pour réduire l'astigmatisme dû à la découpe. Il se décompose en quatre parties. La première décrit rapidement le principe du jet d'eau industriel, ses caractéristiques et quelquesunes de ses applications. La deuxième expose quelques études menées sur l utilisation du jet d eau en Ophtalmologie. La troisième introduit le dispositif chirurgical utilisé pour notre étude et la quatrième détaille les essais réalisés. Deux types d'essais ont été réalisés, en continu et en pulsé, qui sont explicités, analysés et complétés d'une étude histologique et d une comparaison avec la découpe au trépan et au laser. La conclusion de ces résultats inclut le protocole suivi pour la découpe de cornées. 89

85 4. La découpe au jet d'eau INTRODUCTION L objectif du projet est de réduire l astigmatisme postopératoire dû d une part à la découpe et d autre part à la suture. Dans la première perspective, l utilisation de fraises de dentiste tournant à très grande vitesse (environ tr/min) à été envisagée. Cette dernière permettait de supposer une découpe rapide, agissant sur toute l'épaisseur en une seule passe, dispensant ainsi de la finition aux ciseaux. Un test a été réalisé avec une fraise classique et une fraise en carbure. Dans le premier cas, la matière s'est enroulée autour de l'outil, aucun effet de découpe n'est survenu. Dans le deuxième cas, la matière était arrachée, déchirée par la fraise carbure. L'idée a été abandonnée car pas du tout adaptée pour un tissu mou se déformant pendant la découpe. Pour les mêmes raisons, nous avons rejeté la découpe par un scalpel motorisé à lame diamant. En effet, dans son mouvement, l'instrument entraîne la cornée dans son déplacement si elle n est pas entièrement maintenue en place, notamment tout près de l outil. La mise en œuvre d'un tel système serait complexe et ne permettrait pas au chirurgien de visualiser la découpe. Les découpes réalisées par contact direct avec le tissu ne présentent pas d avantages significatifs pour la réduction des déformations cornéennes engendrées. C est pourquoi, nous nous proposons d étudier un outil de découpe non mécanique. Le jet d eau est un instrument couramment utilisé en industrie qui permet de découper de nombreux tissus, ce qui laisse donc penser qu il pourrait être adapté à la cornée. De plus, il semble efficace sur les tissus vivants mous puisqu il est déjà utilisé en bloc opératoire pour la découpe du foie. En effet, des études de découpes lamellaires de la cornée ont été publiées. Dans ce chapitre, nous aborderons donc l étude de la faisabilité de la découpe de la cornée au jet d eau pour la greffe de cornée, comprenant principalement la présentation des essais menés en jet continu puis pulsé, des résultats obtenus (qualitatifs et histologiques) et d'une comparaison aux techniques de découpes par trépan et par laser LE JET D EAU INDUSTRIEL Le jet d'eau est utilisé industriellement depuis des années pour découper quasiment tout matériau pour tous les secteurs d'activités comme des composites, cartons, mousses de polystyrène, amiante, composants électroniques, moquettes et tapis, cuirs et peaux, caoutchoucs, produits alimentaires surgelés, mais également des matériaux durs comme le titane, la céramique, le marbre, le verre, le granit, etc Son principe et ses caractéristiques Le principe consiste à mettre sous une très haute pression un filet d'eau qui, sous l'impact, détruit la matière. Une installation industrielle (Cf Fig. 4.1) est constituée entre autres d un module de traitement de l eau (adoucisseur et filtre), d un surpresseur et d une ou plusieurs têtes de coupe (buses). Le diamètre de la buse (donc du jet d'eau), la pression de découpe et la vitesse d'avance sont choisis en fonction de l'épaisseur et de la dureté du matériau. En général, sont choisies une buse de diamètre compris entre 0.1 mm et 1.2 mm, une pression de 2000 bars à 4000 bars et une vitesse d'avance de moins de 10-3 m/s à plus de 3 m/s. 90

86 4. La découpe au jet d'eau 91

87 4. La découpe au jet d'eau Afin d'améliorer les capacités de découpe, sur des matériaux plus durs ou plus complexes (céramique, cobalt, composites, ), des abrasifs peuvent être ajoutés, choisis en fonction de la performance du jet d eau souhaitée. L'enlèvement de matière se fait par chocs répétés Ses avantages et inconvénients Le jet d'eau a toujours été comparé au laser qui est utilisé également comme outil de coupe dans l'industrie depuis quelques décennies. Ses avantages sont : v aucun apport thermique donc aucune modification structurelle du matériau (contrairement au laser), v aucune pollution car utilisation d'un jet d'eau dénaturé filtré (pas d'oxydation), v une flexibilité d'utilisation par la possibilité de coupler plusieurs têtes de découpe, v une facilité de mise en œuvre (contrairement au laser), v une évacuation des débris de coupe par le jet, v l'obtention d'une coupe franche et nette (comme le laser), v un très faible effort appliqué donc pas d'apport énergétique donc pas de déformation locale au niveau de la coupe (comme le laser), v la possibilité de couper des matériaux souples ou très durs, v la possibilité d'intervenir dans tout secteur d'activité (au contraire du laser). Ses inconvénients sont : v moins rapide que le laser ou le plasma (environ dix fois moins rapide) car il nécessite des vitesses d'avance inférieures, v moins précis que le laser ou le plasma, v très bruyant (à cause des chocs), v coût d'exploitation élevé par une faible durée de vie de certains composants, v projections d'eau. 92

88 4. La découpe au jet d'eau Le jet d'eau est devenu en quelques années un outil de découpe performant et d'utilisation courante comme le prouvent les quelques exemples de pièces coupées au jet d'eau suivants : Rétroviseurs, tableaux de bords, pare-chocs, tapis de sol de voiture, éléments d'habillage de cabine d'avion, entourage de hublot, circuits imprimés, céramique et plastique de décoration (logos), puzzles, couches culottes, poisson, volaille, etc 4.2. LE JET D EAU EN OPHTALMOLOGIE Peu d applications ont été développées pour l Ophtalmologie. Une étude a été réalisée sur la possibilité de remplacer le phacoémulsificateur à ultrasons par le jet d'eau pour déchirer le cristallin lors de la chirurgie de la cataracte [Wilhelm 99]. L'opération à lieu à ciel ouvert, après trépanation manuelle de la cornée, sous un jet d'eau de diamètre 1.2 mm incliné de 45 ou 90 par rapport à l'horizontale. L'enveloppe et le noyau du cristallin sont rompus sous une pression comprise entre 8 et 10 bars pour les deux inclinaisons. Les résultats sont très prometteurs et les auteurs confiants dans l'avenir du jet d'eau en Ophtalmologie. En ce qui concerne la cornée, trois mécanismes de découpe par le jet d'eau peuvent se produire [Krueger 98] : v la découpe a lieu lorsqu'on applique le jet d'eau de façon perpendiculaire aux fibres qui sont alors divisées, v la séparation du tissu le long d'un passage à faible résistance (haute sécabilité) est réalisée lorsque l'instrument écarte les deux parties en l occurrence deux couches de lamelles, v l'érosion est une séparation accompagnée d'une perte de tissu en creusant dans le tissu. L'érosion est possible avec un jet d'eau plus large et légèrement oblique qui agit comme un décapant. Quelques équipes de chercheurs proposent de tels dispositifs destinés à la découpe lamellaire de la cornée. L un a été développé par Lipshitz et Bass [Lipshitz 96]. Il comporte trois unités : un générateur de pression, un robot trois axes porte-outil et l outil (Cf Fig. 4.3). Un anneau de succion* immobilise l'œil et crée une pression déformant la cornée en fonction de l'épaisseur à prélever. Le jet d'eau, de diamètre 50 µm et de pression 280 bars, est appliqué perpendiculairement à l'axe optique et aspiré par une capsule de l autre côté de l œil. Une simulation est réalisée au préalable avec un laser He-Ne couplé au jet d'eau. Le chirurgien suit l'opération sur un écran vidéo et peut actionner une pédale d arrêt d'urgence à tout moment. Des essais de découpe sur des yeux de lapins et de bœufs ont montré l'efficacité d'un tel outil, donnant un bon état de surface, n'entraînant pas de dommages ni de complications, l'incision se faisant par séparation. La découpe est très rapide (1 à 2 secondes) et ne nécessite qu'une seule passe. La re-formation épithéliale est rapide et normale en 48 heures. La pression intraoculaire reste quasiment inchangée pendant l'opération. La mise en œuvre d'un tel outil, sa maintenance et son utilisation sont beaucoup plus simples et moins onéreuses comparées au laser. 93

89 4. La découpe au jet d'eau Fig. 4.3 : Jet d eau chirurgical de Lipshitz La société Visijet Inc. a développé un système équivalent, appelé Hydrokeratome, dont la pression est engendrée par un compresseur. Une pression de 840 bars est obtenue pour un diamètre de jet de 36 µm. Le principe est identique à celui présenté précédemment, à la différence que plusieurs mouvements de va-et-vient sont réalisés à travers la cornée. Les mouvements du jet sont créés par la déformation d'une structure à quatre barres pilotée par des actionneurs électromécaniques [Imafidon 98]. La découpe est réalisée en 1 à 3 secondes et les constatations observées par les auteurs sont identiques à celles énoncées auparavant. Gordon et son équipe ont mis au point deux systèmes de jet d'eau, HydroBlade et HydroBrush [Gordon 97], [Gordon 98], [Parolini 98]. Le premier est similaire aux cas précédents, développé pour la découpe lamellaire sous une pression de 1400 bars et un diamètre de 33 µm. Un plateau circulaire (appelé gabarit), situé à l intérieur d un trépan, aplatit la cornée selon l épaisseur de prélèvement désirée (Cf Fig. 4.4) et l immobilise par aspiration. Le trépan découpe circulairement la cornée pendant que le jet d eau assure la découpe lamellaire. Cette dernière peut ne pas être complète et conserver une partie de tissu intacte dans le but de pratiquer un LASIK. Fig. 4.4 : Principe de Gordon 94

90 4. La découpe au jet d'eau Des essais ont été réalisés sur des yeux humains fraîchement énucléés*. La moitié des cornées est découpée par HydroBlade sous une pression intraoculaire de 18 mmhg et sur une épaisseur de 150 µm, pour comparaison, l autre moitié est découpée par un kératome sur une épaisseur de 160 µm, sous une pression intraoculaire de 65 mmhg réalisée par un anneau de succion*. Les échantillons sont sectionnés en deux pour leur étude histologique sous microscope. Les observations ont permis de mettre en évidence que le kératome déchire le tissu, contrairement au jet d'eau qui s infiltre entre les lamelles et ne coupe que quelques fibres. Avec ce dernier, un bon état de surface est obtenu pour un temps d'opération de 0.8 seconde. La découpe à l'hydrobrush nécessite une pression intraoculaire moins importante que la découpe mécanique, qui explique l obtention d une meilleure coupe. Aucune onde de choc n'a été remarquée et seule une faible élévation de température apparaît. Le deuxième système de jet d'eau de Gordon, HydroBrush (Cf Fig. 4.5), est utilisé pour pratiquer une déépithélialisation* de la cornée. Il s'agit d'un système manuel composé d'une poignée, constituée d'une chambre à haute pression (380 bars à 420 bars) connectée à une cartouche de 15 ml de solution saline et d'une tête, composée d'un gabarit et d'un rubis de diamètre compris entre 100 µm et 120 µm. Sur le gabarit sont dessinées deux marques parallèles entre elles et perpendiculaires au jet d'eau, qui définissent la zone active de déépithélialisation*. Le gabarit est incliné de 15 par rapport à l horizontale, augmentant le diamètre du jet d'eau qui se comporte alors comme une brosse. Un masque est posé sur l'œil de façon à n'exposer que la partie à ôter et à maintenir le globe. Fig. 4.5 : Hydrobrush de Parolini La procédure commence par le maintien du flux immobile pendant deux secondes. Puis le gabarit est déplacé perpendiculairement au flux, pendant deux secondes dans un sens et pendant deux secondes dans le sens opposé. Des essais comparatifs avec une déépithélialisation* mécanique ont été réalisés sur des lapins. Le temps opératoire mesuré est de 2 min par la lame et de 6 s par le jet d'eau. L'épithélialisation postopératoire est plus rapide avec le nouvel outil qui donne une surface uniforme, des berges régulières et conserve intacte la membrane (de quelques µm d épaisseur) séparant le stroma de l'épithélium. Au contraire, avec la lame, cette membrane n'a conservé que quelques fragments, ce qui montre la nonrégularité de la surface obtenue. L'épaisseur de la cornée augmente de 50 % dans les 24 premières heures pour les deux outils. Ce gonflement diminue rapidement par la suite. Après 78 h, l'apparence est à peu près identique dans les deux cas, l'épithélium s'étant déjà en partie ou entièrement reformé. En résumé, l'étude a montré que la technique de la déépithélialisation* au jet d'eau présentait de nombreux avantages. 95

91 4. La découpe au jet d'eau 4.3. HANDYJET Le bistouri à eau Handyjet, de Saphir Médical, est un dispositif commercialisé pour la découpe du foie dans la chirurgie hépatique. La découpe pratiquée traditionnellement au scalpel laisse échapper une grande quantité de sang (environ 1 litre) pendant le temps de la découpe et de la suture des vaisseaux. Le jet d'eau permet une découpe sélective des tissus ( Cf Fig. 4.6) sans sectionner les vaisseaux lymphatiques ni sanguins, ce qui s'avère très intéressant dans ce cas. Ainsi l'acte chirurgical est fondamentalement modifié : le chirurgien découpe le tissu du foie puis clampe les vaisseaux pendant leur suture avant de les sectionner [Tavakoli 98]. Fig. 4.6 : Découpe sélective du foie (image Saphir Médical SA) Le dispositif est constitué d une bouteille d azote médical à 200 bars qui approvisionne un caisson de mise sous pression dans lequel est placée une poche de liquide. La pression dans le container est programmable (jusqu à 70 bars sont admis) et contrôlée en permanence par un capteur. Par compression de la poche de solution, l eau est expulsée à la pression sélectionnée vers une pièce à main munie d un clamp permettant de couper le jet à tout moment (Cf Fig. 4.7). Cette pièce à main comporte une buse (tige métallique) au bout de laquelle est serti un rubis synthétique (Cf Fig. 4.8) percé d un trou de diamètre très fin (généralement compris entre 0.08 mm et 0.6 mm) définissant le diamètre du jet d eau. 96

92 4. La découpe au jet d'eau Fig. 4.7 : Dispositif de Saphir Médical Fig. 4.8 : Rubis (grossi 40 fois) Ce système présente l'avantage de ne comporter que des constituants peu coûteux et jetables (pièce à main, flexible, poche et eau) comparé à la stérilisation par autoclave* très longue et très onéreuses à l'installation et à l'utilisation LA DECOUPE DE LA CORNEE Le jet d'eau a montré son efficacité à découper différents matériaux dans l'industrie sous de fortes pressions. Mais il est également adapté au milieu chirurgical puisque des expérimentations concluantes ont été réalisées notamment sur le foie, mais également en Ophtalmologie pour la découpe lamellaire. Cette constatation amène à formuler la possibilité de découper la cornée, cette fois suivant l axe optique, pour la greffe Ses atouts A ce jour, aucune étude traitant de la découpe de la cornée parallèlement à l'axe optique n'a été rapportée, mais à partir des remarques élaborées lors d études sur l utilisation du jet d eau dans l industrie et à partir des premiers résultats obtenus en Ophtalmologie en découpe lamellaire, il est possible d établir quelques suppositions quant aux résultats de la découpe de cornées perpendiculairement à la surface. A partir des connaissances sur le jet d eau industriel, on peut présumer que les avantages présentés par rapport au faisceau laser sont également valables en Ophtalmologie et notamment pour nos conditions opératoires. Sont concernés, la facilité de mise en œuvre et d utilisation, la non nécessité de maintenance particulière (dont la préparation), sa rapide exploitation, son faible encombrement et son poids réduit qui lui permettent de s insérer aisément dans l'espace déjà très réduit autour de la tête du patient et d'être déplacé de bloc en bloc. Le dispositif du laser excimer utilisé en Ophtalmologie ne présente pas ces avantages mais, de par son volume pesant, nécessite une pièce opératoire qui lui soit entièrement dédiée. 97

93 4. La découpe au jet d'eau D un autre point de vue, on peut supposer que le jet d'eau peut réduire les contraintes appliquées lors de la découpe car aucun contact direct avec le tissu n est réalisé. Comparé aux trépans (manuels ou motorisés), les déformations du tissu devraient donc être limitées. Les berges en seraient mieux définies, plus franches et plus régulières. Ces formes, par leur régularité, seraient plus répétables et autoriseraient une meilleure correspondance entre le donneur et le receveur, diminuant le risque d apparition de replis et interstices et les altérations visuelles qui en résultent. Une meilleure étanchéité de la greffe s ensuivrait également, favorisant la réussite de l opération. La découpe, franche et faiblement traumatisante, devrait diminuer les pertes de cellules endothéliales trop importantes lors du prélèvement par trépan. Celles-ci conditionnent le résultat de l opération car elles participent activement à la colonisation de l implant. De leur nombre dépendent donc, la vitesse d intégration du greffon dans son nouvel environnement et la vitesse de cicatrisation et ainsi, sa réussite. Comparé au laser, l atout majeur du jet d eau devrait être de ne pas introduire d élévation de température dans le tissu localement ou plus largement, ou de façon négligeable, permettant la préservation des cellules adjacentes à la découpe. Ce remarques théoriques ayant été établies à partir de données bibliographiques, il convient dès lors de les vérifier expérimentalement. Les premiers essais ont été réalisés dans le but de déterminer la faisabilité ou non d'une telle découpe et dans le cas positif, de déterminer les paramètres adéquats. Le choix de la matière expérimentale est guidé par la législation. En effet, il est prévu de valider les conditions, le déroulement, les risques, les résultats d une proposition concernant l humain avant de pouvoir l introduire. Ces vérifications ne sont pas pratiquées directement sur des cadavres quand il s agit d une opération spécifique d un tissu localisé. Pour la cornée, on préfère travailler sur des yeux énucléés*. Ces tissus proviennent de cornées prélevées sur des donneurs authentifiés en vue d une greffe mais qui n ont pu être implantés pour cause de non recevabilité établie par des tests (présence de germes, de virus, etc ). Le faible nombre de donneurs potentiels limite sensiblement le nombre de cornées humaines disponibles pour réaliser des essais de recherche. C est la raison pour laquelle les chercheurs en Ophtalmologie travaillent sur des yeux d animaux, principalement le cochon dont la structure cornéenne est la plus proche de l homme. Certaines études sont également réalisées sur des lapins albinos dont les yeux sont très réactifs pour mener des tests dans le pire des cas Essais de découpe au jet d'eau continu Les premiers essais effectués au sein du laboratoire avaient pour objectif de vérifier la faisabilité de la découpe telle que nous l avons présentée plus haut. A cette fin, un jet d'eau continu tente de percer (partiellement) ou de traverser (entièrement) la cornée ponctuellement puis circulairement [Smith 99b]. Nous avons fait varier certains paramètres (diamètre de jet, pression, durée d application du jet, ) afin d établir des domaines de valeurs à respecter. Tous ces essais sont réalisés sur des yeux de porcs fraîchement énucléés*. 98

94 4. La découpe au jet d'eau Série 1 : Essais ponctuels pour faisabilité. Conditions de découpe : v jet continu v cornée non déépithélialisée v dispositif avec aspiration v essais ponctuels v maintien manuel du jet d'eau Œil n Pression Diamètre Durée d application Observations 1 20 bars 0.30 mm auréole blanche de rayon de 2/3 mm 2 15 bars 0.30 mm non percée 17 bars non percée 3 18 bars 0.30 mm non percée 19 bars percée 4 19 bars 0.30 mm 18 s percée 5 19 bars 20 bars 21 bars 22 bars 23 bars 0.30 mm 10 s 20 s 30 s 70 s 30 s 45 s 40 s 48 s 15 s non percée non percée non percée non percée non percée non percée non percée non percée non percée 6 20 bars 0.30 mm 33 s à peine percée 7 20 bars 0.30 mm 22 s percée 8 18 bars 0.15 mm + 60 s non percée 9 30 bars 35 bars 38 bars 0.15 mm non percée non percée non percée bars 25 bars 30 bars bars 35 bars 0.20 mm auréole blanche 5 mm non percée non percée 0.20 mm léger blanchiment non percée On remarque avec la percée de la cornée, une légère hydratation sous la forme d'une tâche localisée autour du point d'impact (yeux n 1, 3, 4, 10, 11). Les lamelles cornéennes absorbent l eau, ce qui blanchit et opacifie localement la cornée. On observe des différences entre les yeux n 6 et 7 qui ne doivent pas être considérées significatives puisque, comme il a été mentionné précédemment, les tissus vivants présentent quelques différences dans leur structure ou géométrie. De plus, il est très difficile de garantir des conditions expérimentales parfaitement identiques pour chaque œil, notamment en ce qui concerne la température ambiante dont la moindre variation peut modifier le comportement de la cornée. D autre part, une différence de tension lors du maintien de la cornée entraîne une variation de pression intraoculaire qui affecte la résistance du tissu à la découpe. Néanmoins, on peut remarquer 99

95 4. La découpe au jet d'eau une percée en 20 à 30 secondes en moyenne à 20 bars pour un diamètre de jet de 0.3 mm (yeux n 1, 3, 6, 7). Réduire le diamètre du rubis diminue l'efficacité de la découpe. Pour compenser, soit on conserve la même pression et la durée doit être largement augmentée (œil n 8), soit on augmente la pression pour maintenir une durée moyenne d application (yeux n 7, 8, 9, 10, 11) : diamètre 0.30 mm 20 bars diamètre 0.20 mm 35 bars diamètre 0.15 mm 38 bars Un dernier phénomène est intéressant à noter ici qui corrobore des données établies par différents auteurs (Cf Chap. 2) concernant la résistance de la cornée croissante avec la contrainte. En effet, les essais sur les yeux n 5 et 9 montrent qu augmenter la contrainte en continu (ici par le biais de la pression ou de la durée d application croissantes) ne permet pas de percer la cornée. C'est la raison pour laquelle aucune percée n est obtenue sur les yeux n 5 et 9 même après plusieurs tentatives. Série 2 : Evaluation de l'influence de la distance jet d'eau / œil. Conditions de découpe : v jet continu v dispositif sans aspiration v cornée non déépithélialisée v essais ponctuels v maintien manuel du jet d'eau v les yeux 7 à 10 ont été dégelés après 5 h de congélation, puis déépithélialisés Œil n Pression Diamètre Durée Distance jet / œil Observations 1 20 bars 0.20 mm 10 s 0 mm tâche blanchâtre 2 20 bars 0.20 mm 3 min 3 mm non percée 3 20 bars 0.20 mm 2 min 3 mm non percée 4 30 bars 0.20 mm 1 min 2 min 30 s 3 mm tâche blanchâtre cornée entièrement blanche et dure 5 30 bars 0.20 mm 2 min 3 mm tâche blanchâtre 6 30 bars 0.20 mm 3 min 3 mm Non percée Œil n Pression Diamètre Durée Aspiration Distance jet / œil Observations 7 20 bars 0.20 mm sans 0 mm profondeur 1.5 mm 8 20 bars 0.20 mm 1 min 30 s sans 3 mm découpe sur 4/5 épaisseur 9 20 bars 0.20 mm 5 s avec 3 mm première atteinte en 5s bars 0.20 mm 2 min 45 s avec 0 mm épaisseur hydratée de 6 mm environ découpe incomplète bars 0.20 mm 1 min avec 0 mm percée sur 2 mm de profondeur environ 100

96 4. La découpe au jet d'eau Ces résultats montrent que pour un même diamètre de jet, augmenter la pression augmente l'efficacité de la découpe (plus rapide) (yeux n 2, 3, 4, 5), fait déjà vérifié industriellement. Nous pouvons valider également la distance de cohérence du jet très limitée puisque très rapidement, le jet perd de son efficacité. Ainsi, à 3 mm de la cornée, le résultat est moins satisfaisant que lorsqu on applique le jet directement sur le tissu. Il est finalement préférable de se positionner le plus près possible du tissu (yeux n 1, 7 comparés aux yeux 2, 3). La déépithélialisation* préalable est un paramètre primordial pour obtenir une découpe rapide (yeux n 7, 8, 9 comparés aux yeux n 2, 3, 6). En effet, l'épithélium est une couche cornéenne particulièrement résistante qui doit protéger l'œil des éléments extérieurs (intempéries, insectes, ), qui de plus, se reconstitue en 48 heures. Désormais, tous les essais seront réalisés sur cornées déépithélialisées. Certains yeux ont été coupés en deux à l'endroit de l'attaque du jet d'eau afin de juger des effets du jet sur l'épaisseur du tissu. Il se trouve que celui-ci se gonfle significativement, son épaisseur étant multipliée par 4 ou 5 (œil n 8). L'hydratation apparaît donc importante. Cet effet semble augmenter le temps de l'opération, puisque l'hydratation croît en même temps que la profondeur de la découpe (yeux n 7, 8). Série 3 : Buse maintenue mécaniquement. Conditions de découpe : v jet continu v dispositif sans aspiration v cornée déépithélialisée v essais ponctuels v maintien mécanique du jet d'eau Œil n Pression Diamètre Durée Surface hydratée Observations 1 15 bars 0.20 mm 2 min 50% Gonflement localisé autour de l'impact 2 17 bars 0.20 mm 1 min 50% Cornée à demi gonflée 2 trous visibles 3 17 bars 0.20 mm 1 min 50% Mêmes remarques Cette série d'essais a mis en évidence qu'un maintien parfaitement fixe du jet d'eau augmente l'efficacité de ce dernier. En effet, pour un rubis de diamètre 0.20 mm, on obtient une percée aussi profonde en 1 ou 2 minutes à des pressions de 15 à 17 bars en maintien fixe qu'avec une pression de plus de 35 bars en maintien manuel (Cf série 1). Un parallèle peut être fait avec les résultats publiés par différents auteurs sur des études comparant le trépan manuel et le trépan mécanisé ou motorisé. De plus, on peut noter avec intérêt que dans ce cas l'hydratation paraît plus locale que lors d'un maintien manuel. Elle semble moins se diffuser sur la surface cornéenne, mais plutôt autour de l'impact. Elle représente 50% de la surface cornéenne dans les trois cas. Série 4 : Essais de découpes circulaires. Conditions de découpe : v jet continu v cornée déépithélialisée v découpes circulaires v maintien manuel du jet d'eau v yeux frais 101

97 4. La découpe au jet d'eau Œil n Pression Diamètre Durée Aspiration Observations 1 20 bars 0.20 mm 4 min sans traversée 2 20 bars 0.20 mm 3 min avec Blanchissement mais pas complet 3 20 bars 0.20 mm 5 min sans traversée L'expérience menée sur ces yeux montre que la durée nécessaire à la découpe d'un cercle n'est pas plus importante que pour une attaque ponctuelle (4 à 5 minutes contre 4 minutes). Cela montre que l'avancée du jet et probablement sa vitesse jouent un rôle très important dans l'efficacité de la découpe. La trépanation s'est révélée complète par l'éjection d'un liquide noir qui est un pigment qui recouvre la rétine et qui peut provenir aussi de l'iris. Dès que le jet a traversé la cornée, il détruit les éléments situés en arrière dont l'iris et la rétine. Il s impose donc de contrôler l'avance du jet dans l'épaisseur soit par un suivi de positionnement selon l'épaisseur soit par un dispositif lui interdisant d'avancer plus loin que la cornée. Suite à ces essais, on peut souligner également que la trépanation n'est pas complète sur toute la périphérie. En effet, comme c'est le cas pour le laser et pour le trépan, dès que le jet débouche dans la chambre antérieure en un point, la pression dans cette chambre chute, la cornée n'est plus sous tension et le jet perd toute son efficacité. Série 5 : Etude des épaisseurs d'hydratation et épaisseurs découpées en jet continu. Conditions de découpe : v jet continu v cornée déépithélialisée v découpe ponctuelle v durée d application fixée à 4 minutes v maintien fixe mécanique du jet d'eau v yeux frais Œil n Pression Diamètre Prof. découpe Epaisseur hydratée Découpe/ épaisseur hydratée Observations 1 23 bars 0.20 mm 2 mm 7.6 mm 26% 2 23 bars 0.20 mm 4 mm 5 mm 80% percée Moy. 3 mm 6.3 mm 53% 3 20 bars 0.20 mm 5.2 mm 6.3 mm 82% 4 20 bars 0.20 mm 1.3 mm 6 mm 22% 5 20 bars 0.20 mm 6.2 mm 7.4 mm 84% 6 20 bars 0.20 mm 2 mm 8.4 mm 24% 7 20 bars 0.20 mm 1.7 mm 8.1 mm 21% Moy mm 7.24 mm 46.6% 8 17 bars 0.20 mm 3.8 mm 6.8 mm 56% percée 9 17 bars 0.20 mm 5.2 mm 8.2 mm 63% percée bars 0.20 mm 1.4 mm 6.4 mm 22% Moy mm 7.13 mm 47% bars 0.08 mm bars 0.08 mm mm - 102

98 4. La découpe au jet d'eau bars 0.08 mm 4 mm 6.6 mm 61% bars 0.08 mm bars 0.08 mm bars 0.08 mm bars 0.08 mm 1.9 mm 3.1 mm 61% Blancheur et mesures localisées bars 0.08 mm 1.7 mm 3.3 mm 51% Idem bars 0.08 mm 1.4 mm 2.6 mm 54% Idem Moy mm 3.9 mm 56.75% bars 0.08 mm 1.7 mm 4 mm 42% Blancheur plus importante bars 0.08 mm 3.8 mm 8.2 mm 46% Mesures au centre de la cornée bars 0.08 mm 2.5 mm 5 mm 50% Blancheur et mesures localisées Moy mm 5.73 mm 46% Les résultats obtenus ici ne sont pas tous du même ordre de grandeur, même si les conditions des essais sont les mêmes. Il s'agit d'un problème inhérent à la manipulation de tissus vivants qui ne permettent pas forcément une bonne reproductibilité. La discussion portera ici sur les moyennes (en gras) afin de minimiser les erreurs d'interprétation provenant de ces dispersions. Il apparaît que pour un diamètre de jet de 0.20 mm, l'hydratation augmente ainsi que la profondeur découpée lorsque la pression diminue. Par contre, l'effet inverse se produit pour une buse de 0.08 mm de diamètre. Pour ce dernier, une pression minimum de 30 bars est nécessaire pour obtenir une découpe. Si dans le cas du diamètre de 0.20 mm l'efficacité semble augmenter avec la pression, ce n'est pas le cas pour 0.08 mm où l'efficacité semble plutôt diminuer. Peut être existe-t-il une pression seuil à partir de laquelle les caractéristiques du jet deviennent moins intéressantes pour notre application. Les profondeurs de découpe évoluent peu en fonction de la pression (environ 0.1 mm par bar) par contre l'épaisseur hydratée peut varier plus significativement. L'efficacité de la découpe dépend donc directement de cette dernière. Afin de réduire significativement l'hydratation, nous préconisons une découpe au jet d'eau pulsé. En effet, un jet pulsé devrait produire cet effet par une augmentation de l'efficacité d'attaque et l'apport diminué d'eau. 103

99 4. La découpe au jet d'eau Essais de découpe au jet d'eau pulsé Dans cette partie, les essais menés sur le jet d eau pulsé sont détaillés. Ceux-ci ont été réalisés à l aide de plusieurs dispositifs. En effet, le premier ayant montré quelques limitations, nous avons été amenés à proposer un deuxième type de pulsation Dispositif à galets Le système de pulsation du jet utilisé dans les séries de tests qui suivent (séries 6 et 7) est un prototype de la société Saphir Medical. Il consiste en un ensemble de galets entraînés en rotation par un moteur de façon synchronisée afin de comprimer simultanément les flexibles d arrivée d eau et d aspiration. Série 6 : Série préliminaire de jet pulsé. Conditions de découpe : v jet pulsé v diamètre de jet de 0.20 mm v dispositif avec aspiration v cornée déépithélialisée v découpe ponctuelle v maintien fixe mécanique du jet d'eau v yeux décongelés après 20 heures au freezer Œil n Pression Durée Surface Lieu d'attaque Observations hydratée 1 15 bars 1 min 50% Trou net 2 15 bars 2 min 50% Trou net 3 17 bars 1 min 75% Trou net 4 17 bars 2 min 85% Trou net 5 20 bars 1 min 50% Trou net 6 20 bars 1 min 75% Trou net 7 20 bars 4 min 100% Apex 8 20 bars 5 min 50% Périphérie Hydratation localisée 9 25 bars 2 min 100% Apex Trou net bars 3 min 50 s 50% Périphérie Hydratation localisée Ici, des résultats sont visibles dès 15 bars, comme dans la série 3 en jet continu, pour un maintien fixe. L hydratation semble être équivalente quelle que soit la pression, dont la moyenne est de 64%. Quelques dispersions peuvent être remarquées qui proviennent probablement du globe oculaire (différence de pression intraoculaire, œil moins bien conservé, ). L'impact du jet est nettement plus franc qu'en continu ce qui laisse supposer que son efficacité est supérieure. Les quatre derniers yeux ont subi une exposition plus longue puis ils ont été coupés en deux le long du canal percé par le jet. On remarque alors qu'une attaque positionnée en périphérie de la cornée entraîne une hydratation localisée autour de l'impact alors qu'une attaque située au niveau du centre de la cornée engendre une hydratation plus diffuse qui s'étend sur quasiment toute la surface du tissu. Lors d une greffe, la découpe de la cornée est réalisée sur un diamètre de 8 mm ce qui la situe dans une région périphérique du tissu. Dans ce cas, l'hydratation devrait être minimale. Lorsqu'on observe les cornées 104

100 4. La découpe au jet d'eau coupées, on note deux types d'hydratation sur l'épaisseur (Cf Fig. 4.9). Une première, antérieure, est très opaque, très blanche et très dure. Sa profondeur correspond à la profondeur de la découpe. Ensuite, une deuxième couche, postérieure, est moins épaisse et moins blanche. Elle se situe sous la découpe. Ces deux couches correspondent à une hydratation de la cornée, la première est plus blanche car elle correspond à une zone plus fortement hydratée par le contact direct avec le jet d'eau, la seconde correspond à une amorce d'hydratation audevant de la découpe. Canal de perçage Forte hydratation Faible hydratation Fig. 4.9 : Hydratation Série 7 : Etude des épaisseurs d'hydratation et épaisseurs découpées en jet pulsé. Conditions de découpe : v jet pulsé v diamètre de jet de 0.20 mm v cornée déépithélialisée v découpe ponctuelle v yeux frais Œil n Pression Durée Fréquen ce Prof. découpe Epaisseur hydratée Découpe/ épaisseur hydratée Nbre d impulsions Prof/imp bars 40 s 1.27 Hz bars 4 min 1.16 Hz 5 mm 9 mm 55% µm 3 20 bars 4 min 1.17 Hz 5.1 mm 9.8 mm 52% µm 4 17 bars 2 min 30 s 1.18 Hz 2.2 mm 7.7 mm 28% µm 5 17 bars 4 min 1.17 Hz 3.3 mm 9.4 mm 35% µm 6 17 bars 4 min 1.18 Hz 3.3 mm 9.1 mm 36% µm Tout d abord, on constate dans cette série que les résultats sont plus reproductibles, constants pour une même pression. Pour deux essais réalisés dans les mêmes conditions, les résultats sont quasiment identiques (yeux 2, 3 et 5, 6) et aucune aberration n'est visible. Connaissant la fréquence de pulsation (et donc le nombre d impulsions), il est possible, après avoir mesuré la profondeur découpée, de déterminer un taux de profondeur de tissu découpée par impulsion (prof/imp.). Ce taux reste constant et permet ainsi de déterminer un nombre d impulsions nécessaires au prélèvement. On montre donc que le jet pulsé est plus facilement contrôlable que le jet continu. De plus, on remarque également que les résultats obtenus sont meilleurs pour une pression de 20 bars, comparés à ceux obtenus pour 17 bars seulement. En effet, on mesure 50% de l'épaisseur découpée dans le premier cas, contre 35% dans le deuxième. 105

101 4. La découpe au jet d'eau Une remarque identique a été faite aussi pour le jet continu dans la série 5. Ci-dessous, un tableau récapitule les principales performances obtenues pour le continu (issus de la série 5) et pour le pulsé (issus du tableau ci-dessus), obtenues pour un diamètre de buse de 0.20 mm et pour deux pressions de 17 et 20 bars. Pression Prof. découpe Epaisseur hydratée Découpe/épaisseur hydratée Continu 20 bars 3.28 mm 7.24 mm 46.6% Pulsé 20 bars 5 mm 9.5 mm 53% Continu 17 bars 3.47 mm 7.13 mm 47% pulsé 17 bars 3.3 mm 9.2 mm 36% Par comparaison, on note que même si le pulsé semble plus hydrater la cornée, il est plus efficace que le continu à 20 bars Dispositif à plateau rotatif Lors des essais précédents avec le dispositif décrit plus haut, il apparaît une perte de charge importante dans le flexible. En effet, nous avons noté que pour un faible diamètre de buse (0.08 mm), le jet sort à peine pulsé et semble plutôt continu. Ce phénomène s explique par l élasticité du tuyau qui a tendance à absorber l effet de pulsation. A ce sujet, Tavakoli a étudié et démontré le phénomène de "respiration" du flexible [Tavakoli 98], [Dittmar 98]. Afin de ne pas être gêné par ce dernier lors de nos essais, nous avons conçu un système de pulsation par plateau situé en sortie du jet, hachant celui-ci sans introduire d'effet dissipatif (Cf Fig. 4.10). Fig : Dispositif pulsé par plateau Trois plateaux de même diamètre et de même épaisseur ont été fabriqués (Cf Fig. 4.11). L'un contient 4 trous oblongs réguliers, un autre, 16 et un troisième 16 perçages de longueurs irrégulières et répartis pseudo-aléatoirement. Les trois possèdent un rapport identique d'ouverture et de fermeture de 50%. 106

102 4. La découpe au jet d'eau Fig : Plateaux de pulsation Pour les plateaux réguliers, les perçages, de diamètre 5 mm, sont disposés sur un diamètre de 104,4 mm (déterminé par le reste du montage) divisé en 64 portions identiques d'angle 5.63, secteur correspondant à un cercle de 5 mm de diamètre (Cf annexe 5). Pour le plateau de 4 trous, chacun est constitué de 8 portions et est espacé de 8 portions. Pour le plateau de 16 trous, les espaces pleins et creux sont réalisés comme précédemment mais constitués de 2 portions chacun (Cf annexe 5). Pour le dernier plateau, nous avons choisi de déterminer une séquence de pulsation pseudo-aléatoire, à partir d une séquence binaire pseudo-aléatoire de longueur 64 conforme au schéma sur la Fig (Cf annexe 5). Ouverture Fermeture θ T Fig : Résultat de l'acquisition 107

103 4. La découpe au jet d'eau T représente un tour de plateau, soit 360, décomposé en 64 portions θ de Le temps d échantillonnage t θ, correspondant à une portion θ, dépend de la vitesse de rotation V m du plateau (exprimé en tr / s) : t θ = 1 / (64 V m ) La fréquence unitaire de pulsation (fréquence maximum d apparition des "tops"), F (en Hz), est directement proportionnelle à t θ. F = 1 / t θ Pour les mêmes vitesses de rotation que celles utilisées pour les autres plateaux, on obtient respectivement les fréquences unitaires de pulsation suivantes : Vm=181 tr/min F=193 Hz Vm=695 tr/min F=741 Hz Vm=1214 tr/min F=1295 Hz Vm=1771 tr/min F=1889 Hz Vm=2476 tr/min F=2641 Hz Les essais qui suivent ont été réalisés avec ce nouveau dispositif. Afin de maintenir bien fermement la cornée pendant la découpe et de protéger les éléments postérieurs (iris et rétine), un gel viscoélastique (Cf Fig. 4.13) est désormais injecté dans la chambre antérieure. Ce gel présente en plus l'avantage d'être régulièrement utilisé en Ophtalmologie et d'être parfaitement toléré, sans aucun effet secondaire connu. Il est injecté à l'aide d'une seringue qui passe directement dans la cornée au niveau de la limite limbique. Fig : Gel viscoélastique 108

104 4. La découpe au jet d'eau Série 8 : Etude de découpe en jet pulsé avec le plateau de 16 trous réguliers. Conditions de découpe : v jet pulsé v diamètre de jet de 0.36 mm v pression de 20 bars v cornée déépithélialisée v gel viscoélastique v découpe ponctuelle v yeux frais v eau déminéralisée (yeux 1 à 3) v sérum physiologique (solution NaCl à 0.9 g/l) (yeux 4 à 6) Œil Vitesse du Fréquence de Observations n plateau pulsation tr/min 33 Hz Pénétration et destruction très rapides tr/min 333 Hz Hydratation relativement peu importante tr/min 800 Hz L'eau ressort tr/min 33 Hz Pénétration et destruction assez rapides tr/min 333 Hz Hydratation identique au continu tr/min 800 Hz L'eau ressort Ce type d'essais a permis de mettre en évidence la rapidité de pénétration et de destruction de la cornée avec un jet pulsé à haute fréquence, le tout étant réalisé en quelques secondes. Cette remarque permet de confirmer l'efficacité supérieure du pulsé sur le continu. Mais il faut prendre en compte également ici que le diamètre de la buse est plus important que dans les autres cas pour une même pression. Cela doit ajouter à l'efficacité, puisque nous avons montré dans les essais précédents (série 1) que lorsque le diamètre diminue, la pression doit être augmentée. La découpe plus rapide et la quantité d eau utilisée diminuée par la pulsation font que l'hydratation est moins importante que dans les tests effectués précédemment. Surtout, ces résultats montrent que le gel viscoélastique maintient fermement la cornée pendant la découpe. Cette dernière étant bien tendue, la découpe est plus aisée. Après perforation, les yeux ont été sectionnés pour visualiser les effets de la découpe à l'intérieur de l'œil. Il s'est révélé que l'iris et le fond de l'œil (cristallin, rétine, ) n'ont pas été touchés sous les conditions destructrices. Le gel visqueux présente donc l'intérêt supplémentaire de protéger les éléments intérieurs de l'œil en stoppant le jet. Celui-ci paraît même ressortir. Ces tests confirment la tenue de la cornée grâce au gel visqueux et confirment une efficacité supérieure aux tests précédents. Néanmoins, il paraît que l'eau dénaturée donne de meilleurs résultats que le sérum physiologique (plus grande rapidité de la découpe et moins d'hydratation). Ce dernier doit être un peu plus visqueux que l'eau et doit subir des pertes de charge le long du tuyau. Il paraît également que la vitesse maximale donne de moins bons résultats. Par une fréquence de pulsation trop importante, le jet est trop haché et le cycle perturbé. Une fréquence moyenne de l'ordre de 300 Hz est préférable, qui laisse au jet la latitude de se reformer entre chaque coupure. 109

105 4. La découpe au jet d'eau Série 9 : Etude de découpe en jet pulsé avec différents plateaux. Conditions de découpe : v jet pulsé v diamètre de jet de 0.36 mm v pression de 20 bars v découpe linéaire v gel de polyacrilamide Des tests comparatifs entre les trois plateaux de pulsation : basses fréquences (4 trous), hautes fréquences (16 trous) et fréquences aléatoires, puis avec le jet continu sont réalisés. On fait varier la vitesse d'avance du robot. Les découpes sont linéaires sur 5 cm pour chaque vitesse. On vérifie la profondeur et la qualité de la découpe effectuée sur une plaque de gel de polyacrilamide. Ce gel, transparent et "mou" comme la cornée, permet de tester l'influence de certains paramètres sans faire intervenir les disparités du vivant. Il est obtenu par mélange d'eau et de catalyseurs dont on choisit la concentration suivant la "dureté" désirée. La découpe optimale est celle qui permet d'obtenir un meilleur état de surface et la profondeur de découpe la plus importante pour les différentes fréquences de pulsation et les différentes vitesses d'avances du robot. Vitesses d'avance du robot Jet Jet pulsé cont inu 12 Hz 46 Hz 81 Hz 118 Hz 165 Hz 48 Hz 185 Hz 324 Hz 472 Hz 660 Hz 0.21 m/s - - C C C C C C C C C 0.42 m/s - C C C C C C C C C C 0.63 m/s - C C C C C C C C C O 0.85 m/s - C O O C C C C C C O 1.1 m/s D C C C C C C O C C C 1.6 m/s C - O O C C C O C C C 2.1 m/s C - C C C C C C C C C 2.6 m/s C - C C C C C C C C C 3.2 m/s C - C O C C - O D D D 3.7 m/s O - C C C C - C D D D 4.2 m/s O - - C C C - C D D D 4.8 m/s C - - C C C - C D D D 5.3 m/s D O D D D 5.8 m/s D C D D D 6.3 m/s D C D D D 6.9 m/s D C D D D 7.4 m/s D C D D D 7.9 m/s D C D D D 8.5 m/s D D D D 9.0 m/s D D D D 10.6 m/s D D D D 110

106 4. La découpe au jet d'eau Avec : C pour découpe O pour découpe optimale D pour déchirement - pour aucune observation On note que la vitesse linéaire du robot qui convient le mieux pour une découpe au jet continu est comprise entre 3.7 m/s et 4.2 m/s. Au-delà de cette vitesse, on observe plutôt des déchirements du tissu qu'une découpe nette. D une façon générale, la vitesse du robot doit être comprise entre 0.21 m/s et 5.3 m/s pour travailler dans les meilleures conditions. Pour des vitesses inférieures, aucune découpe n est possible, quelle que soit la fréquence de pulsation et le choix du jet. Le robot se déplace trop rapidement pour avoir le temps d attaquer le tissu en profondeur et provoque des déchirements plutôt que des découpes nettes. Ces phénomènes ont déjà été rapportés lors d utilisations industrielles pour des pressions et vitesses supérieures et un jet continu. Il semble que ce soit également valable pour le jet pulsé. Il est à noter également qu il existe un temps de stabilisation de la fréquence de 15 secondes, à partir du moment où l eau est envoyée. Ce paramètre est à prendre en compte lors de l analyse des résultats. Ce temps provient du fait que le jet applique une force sur le plateau qui est déjà en rotation. L équilibre des forces se fait au bout des 15 secondes. Dans le pire des cas, il ne faut pas excéder 1.1 m/s pour les premières fréquences (12 Hz et 48 Hz), 3.2 m/s pour 46 Hz et 185 Hz, et 5.3 m/s pour 81 Hz et plus. Pour le plateau à basses fréquences (12 Hz, 46 Hz, 81 Hz, 118 Hz et 165 Hz), la découpe est optimale pour une fréquence de 46 Hz à une vitesse d avance du robot de 1.6 m/s ou 81 Hz pour 3.2 m/s. Pour le plateau hautes fréquences (48 Hz, 185 Hz, 324 Hz, 472 Hz et 660 Hz) les paramètres sont plus importants. On peut choisir une vitesse du robot de 1.1 m/s à 3.2 m/s pour une fréquence de 185 Hz ou entre 0.65 m/s et 0.85 m/s pour une fréquence de 660 Hz. Pour ce dernier, les premiers résultats corrects sont visibles à partir de 185 Hz. Série 10 : Etude de découpe en jet pulsé aléatoirement. Conditions de découpe : v jet pulsé dont la fréquence donnée est la fréquence unitaire v diamètre de jet de 0.36 mm v pression de 20 bars v découpe linéaire v gel de polyacrilamide Vitesses d avance du robot Jet pulsé 193 Hz Jet pulsé 741 Hz Jet pulsé 1295 Hz Jet pulsé 1889 Hz 0.21 m/s C C C C C 0.42 m/s C C C C C 0.63 m/s C C C C C 0.85 m/s C C C C C 1.1 m/s C C C C C 1.6 m/s C C C C C 2.1 m/s - C C C C 2.6 m/s - C C C C 3.2 m/s - C D D O 3.7 m/s - C D D D 4.2 m/s - C D D D 4.8 m/s - C D D D Jet pulsé 2641 Hz 111

107 4. La découpe au jet d'eau 5.3 m/s - - D D D 5.8 m/s - - D D D 6.3 m/s - - D D D 6.9 m/s - - D D D 7.4 m/s - - D D D 7.9 m/s - - D D D 8.5 m/s - - D D D 9.0 m/s m/s Avec : C pour découpe O pour découpe optimale D pour déchirement - pour aucune observation Toutes fréquences confondues, une découpe nette est obtenue pour des vitesses ne dépassant pas 3.2 m/s. Au-delà, des déchirements tissulaires apparaissent. Le compromis optimal est constitué d une fréquence de pulsation unitaire de 2641 Hz et une vitesse du robot de 3.2 m/s. Comparé aux résultats de la série 9, les vitesses d avance du robot sont inférieures pour obtenir des découpes nettes ( 3.2 m/s maximum contre jusqu à 5.3 m/s). Finalement, l aléatoire n est pas plus efficace que le pulsé régulier puisqu il est nécessaire de monter plus haut en fréquence. De plus, la vitesse d avance doit être inférieure ce qui augmente la durée de la découpe. Après comparaison, il apparaît que le pulsé le plus efficace est à 81 Hz et 3.2 m/s pour le plateau basses fréquences et 185 Hz et 3.2 m/s pour le plateau hautes fréquences L'étude histologique Après avoir montré la faisabilité de la découpe de la cornée au jet d'eau et déterminé certains paramètres, il s'est avéré nécessaire d'étudier les effets de la découpe sur le tissu à l'échelle microscopique. Nous avons donc effectué une étude histologique comparative entre les jets d'eau continu, pulsé à basses fréquences, pulsé à hautes fréquences et la découpe au trépan. Dans ce but, quatre types d'essais ont été réalisés au laboratoire, dans les mêmes conditions sur six yeux pour chaque série : v yeux fraîchement énucléés* (moins de 6 heures), v cornées déépithélialisées (excepté pour le trépan), v pose d'un gel viscoélastique, v dispositifs fixes de maintien de l'œil et du jet d'eau, v découpe circulaire de diamètre 8 mm. 112

108 4. La découpe au jet d'eau Les paramètres de découpe sont, bien sûr, différents selon le type de jet : v Jet continu : vitesse d'avance du robot = 1.1 m/s. v Plateau faibles fréquences : vitesse du robot = 0.85 m/s, diamètre de la buse = 0.36 mm, pression = 20 bars, fréquence de pulsation = 48 Hz, nombre de tours = 2 à 3. v Plateau hautes fréquences : vitesse du robot = 3.2 m/s, diamètre de la buse = 0.36 mm, pression = 20 bars, fréquence de pulsation = 660 Hz, nombre de tours = 3 à 4. Dès que la découpe de l'œil est réalisée, le globe est plongé dans du liquide de Bouin pour le fixer en son état. Les préparations nécessaires à l histologie ont été exécutées par le Dr Isaac au Centre Hospitalier de Lyon Sud. Des coupes de 3 mm d'épaisseur sont réalisées parallèlement à l'axe optique. Elles sont enrobées de paraffine sous forme de blocs. Des coupes très fines du bloc de 4 µm d épaisseur sont alors pratiquées puis colorées par le procédé HPS (Hémalun violet qui met en valeur les noyaux, Phloxine rose, Safran jaune qui tinte le tissu conjonctif). Ces échantillons sont enfin examinés au microscope optique. Les figures suivantes montrent les découpes obtenues pour divers instruments (*) délimitées de chaque côté par des berges. * * Fig : Découpe au trépan * * + Fig : Découpe continue 113

109 4. La découpe au jet d'eau * + + * * + Fig : Découpe pulsée à basse fréquence + * + * + * Fig : Découpe pulsée à haute fréquence On note que la découpe au trépan ne donne pas de découpes très droites, ni franches (Cf Fig. 4.14). Des déchirements tissulaires apparaissent sur les berges mais la structure même du tissu cornéen n'est pas modifiée. Ceci est conforme aux résultats d'une telle découpe déjà publiés (Cf Fig. 4.18) [Ng 95]. On note une hydratation importante pour la découpe au jet continu (Cf Fig. 4.15). La découpe paraît moins nette que par jet pulsé. Une hydratation fine apparaît en bordure de découpe, mais les cellules ne semblent pas abîmées. De même en s'éloignant de la berge, l'hydratation consiste en l'apparition de bulles (+) qui n'altèrent pas le tissu alentour. Les berges ne sont pas moins nettes que celles obtenues par le trépan. Lors de la découpe au jet pulsé à basse fréquence, l'hydratation est moins importante qu en continu mais plus importante qu à haute fréquence (Cf Fig. 4.16). La découpe est plus nette et relativement droite. Sur les photos de la découpe par jet d'eau pulsé à haute fréquence, l'hydratation est visiblement réduite comparée aux techniques précédentes (Cf Fig. 4.17). La découpe semble relativement droite par rapport à la découpe au trépan. On remarque l'hydratation en périphérie et la conservation des cellules intactes. * Fig : Découpes au trépan vues par Ng [Ng 95] * 114

110 4. La découpe au jet d'eau * Fig : Coupe histologique après découpe au laser par Serdarevic [Serdarevic 88] Fig : Coupes histologiques après découpe au laser par Seitz [Seitz 98] * Fig : Coupe histologique après découpe au laser par Lang [Lang 89] Comparé aux découpes de cornées aux trépans manuels ou mécanisés, le jet d'eau engendre des berges un peu plus nettes et plus droites. Comparé aux découpes de cornées au laser, les berges obtenues par découpe au jet d'eau ne sont pas vraiment moins droites ni moins régulières [Burillon 00]. Le jet d'eau présente surtout l'énorme avantage de ne pas créer de dommages tissulaires. En effet, on remarque nettement (Cf Fig. 4.21) des déchirures de tissu au niveau de la coupe qui n'apparaissent pas au jet d'eau. De plus, le laser apporte localement une élévation importante de la température qui crée un dépôt (montré par la flèche) le long des berges (Cf Fig et Fig. 4.20). Le jet d'eau entraîne certes une hydratation générale du tissu et locale le long des berges, mais celle-ci ne détruit ni ne modifie la structure du tissu (pas de nécroses). Aucune hausse de température notable n est donc produite. Ce phénomène 115

111 4. La découpe au jet d'eau est, de plus, réversible ; cet état n'est donc pas permanent. Il a tendance à protéger les cellules plutôt que les détruire. La découpe au jet d'eau n'est bien sûr pas parfaite ; elle présente cependant de nombreux avantages par rapport à la découpe au trépan ou au laser. Le problème majeur pour l'instant est l'hydratation trop conséquente qui dévie un peu le jet et empêche la parfaite linéarité de la découpe [Smith-Guérin 00] Suite aux essais L'ensemble des découpes de cornées effectuées au jet d'eau ont montré la faisabilité du procédé et les conditions à respecter. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport aux découpes aux trépans ou au laser par sa neutralité vis-à-vis du tissu. Un problème subsiste malgré tout dû à l'ampleur de l'hydratation, qui doit être réduite Les liquides macromoléculaires Afin de diminuer l'hydratation de la cornée pendant la découpe, des essais de découpe avec d'autres liquides ont été réalisés. Deux produits ont été testés dont une solution salée à 70 g/l de NaCl (Chlorure de Sodium) et de l'hydroxyéthylamidon à 10%. Le premier est un dérivé du sérum physiologique (0.9 g/l de NaCl) à plus forte concentration en ions chlorure et sodium qui sont de grosses molécules. Le deuxième est un liquide dit macromoléculaire dont les molécules sont particulièrement volumineuses. Ces liquides ont donc la propriété de réduire le phénomène osmotique puisque la taille de leurs molécules les empêche d'être absorbés par n'importe quel tissu, notamment la cornée. Tout d'abord nous avons vérifié qu'en effet, ils minimisaient l'hydratation cornéenne. Pour cela, deux yeux provenant de deux porcs ont été trépanés puis coupés en deux. Un échantillon de chaque œil est plongé dans un bain de chacune des deux substances. Pour un même œil, une moitié est plongée dans la solution de NaCl et l'autre dans l'hydroxyethylamidon. De cette façon, l'hydratation est facilitée par exposition directe aux différentes couches du tissu, ce qui permet de se placer dans le cas le plus défavorable. Après une immersion de 5 heures dans les bains, les épaisseurs des échantillons ont été mesurées. Les échantillons plongés dans la solution de NaCl présentent une épaisseur de 5 mm et ceux plongés dans l'hydroxyethylamidon une épaisseur de 1.7 mm. Il semble donc que ce dernier convienne le mieux pour résoudre le problème de l'hydratation. Ensuite, des essais de découpe avec ces solutions ont été effectués, mais sans succès. En effet, si leur atout est de limiter l'osmose par la taille de leurs molécules, celle-ci freine la vitesse du fluide dans le flexible et dans la buse, ce qui rend totalement inefficace le procédé [Smith 99a] Le protocole des essais Entre les premiers essais de découpe effectués et les derniers, les observations ont régulièrement fait évoluer le protocole des essais. Finalement, celui suivi dernièrement et le plus évolué est présenté ici. Lorsqu'on travaille sur du vivant, le protocole des essais est d'autant plus complexe et strict que la moindre modification d'un des paramètres peut compromettre la reproductibilité des résultats. Il est vrai que cette reproductibilité n'existe pas au sens automatique ou robotique car tout être vivant est différent. Chaque patient ou animal possède une cornée qui 116

112 4. La découpe au jet d'eau diffère des autres par sa composition, (un peu plus ou un peu moins de cellules) ou sa géométrie (un diamètre horizontal légèrement inférieur ou supérieur aux autres, etc ). v Les globes oculaires sont prélevés sur des animaux tout juste morts et utilisés dans les quelques heures qui suivent (pas plus de six heures). Il est impératif de travailler sur des yeux dits frais et dans les plus brefs délais car ceux-ci, dès qu'ils ne sont plus alimentés ni maintenus dans leur milieu naturel, se dénaturent très rapidement. Ils perdent leur élasticité, ils se déshydratent. Ces modifications perturbent la découpe. Les globes sont montés sur un support qui permet leur maintien en place. v La cornée est ensuite déépithélialisée, c'est-à-dire que sa couche épithéliale est retirée parce qu elle est particulièrement résistante puisqu'elle protège le reste de la cornée des incidents extérieurs (insectes, intempéries, etc ). De plus, elle se reforme sans problème en 48 heures. Il suffit de protéger l'œil avec un pansement après l opération, pour éviter toute infection et toute irritation. Les premiers essais effectués ont montré la nécessité de cette déépithélialisation*. Elle peut être effectuée de différentes façons. Les yeux utilisés pour les tests présentés ici ont été déépithélialisés par la pose d'alcool à 30 pendant 20 à 30 secondes. La couche cornéenne est alors retirée par frottements à l'aide d'une microsponge (bâtonnet dont l extrémité est en polystyrène). Un rinçage important s ensuit pour ne pas dénaturer les couches sous-épithéliales. v Un gel viscoélastique est alors inséré dans la chambre antérieure. Très visqueux, il remplit la chambre et tend ainsi la cornée. Durcie, cette dernière est plus facile à couper. De plus, il protège l'iris et le cristallin en les séparant nettement de la cornée, par augmentation de l'épaisseur de l'espace libre. Les essais ont montré qu'il stoppe également le jet d'eau qui ricoche dessus. v Enfin, l'œil est prêt à être découpé. Cette procédure présente l avantage d être praticable dans les mêmes conditions sur l œil humain. CONCLUSION L'ensemble des découpes de cornées effectuées au jet d'eau ont montré la faisabilité du procédé. Elle présente certains avantages par rapport aux découpes au trépan ou au laser par la possibilité de découpe non-mécanique sans apport de chaleur. Un problème subsiste malgré tout qui est l'ampleur de l'hydratation qui devra être réduite. Le choix du liquide est important ; jusqu'à présent, il semble que l'eau déminéralisée soit la mieux adaptée à la découpe. Le meilleur compromis déterminé pour le jet continu est une pression de 23 bars avec un rubis de diamètre 0.20 mm. Le meilleur compromis pour le jet pulsé est une fréquence de pulsation de 81 Hz pour un diamètre de rubis de 0.36 mm sous une pression de 20 bars et une vitesse d'avance du robot de 3.2 m/s. Le jet d'eau pulsé montre une meilleure efficacité que le continu. La pulsation aléatoire n'a pas amélioré l'efficacité de la découpe. 117

113 5. Propositions pour une assistance robotisée 5. PROPOSITIONS POUR UNE ASSISTANCE ROBOTISEE 5. Propositions pour une assistance robotisée Introduction 5.1. Comment éviter la suture? Les colles Les agrafes Les formes de découpe Les caractéristiques Les vérifications 5.2. La robotisation L'analyse de risque Critères à respecter Inventaire des dangers et réductions associées Le cahier des charges La conception Le support La structure La vision L'effecteur Conclusion RESUME Ce chapitre présente diverses propositions formulées dans le but de limiter voire d éliminer la suture du greffon sur l'œil receveur. Plusieurs techniques sont discutées telles que la colle et l'agrafe ophtalmiques. Devant les effets provoqués par celles-ci, nous proposons de remplacer la suture cornéenne par une découpe des deux tissus suivant une forme particulière. Ceci n'est envisageable que grâce à l'introduction de la Robotique pendant l'opération. Afin de réaliser un robot chirurgical dédié à cet acte opératoire, une analyse de risque a été entreprise et un cahier des charges établi, qui ont amené à présenter une première ébauche de structure. 119

114 5. Propositions pour une assistance robotisée INTRODUCTION Lors d une greffe de cornée, le chirurgien procède en deux étapes ; d'une part, la découpe du greffon et le prélèvement de la cornée à remplacer du patient, et, d'autre part, la suture du greffon sur l'œil receveur. La première partie a été abordée dans le chapitre précédent, la seconde fait l'objet du présent chapitre. L'inconvénient de la technique de suture actuelle est d'engendrer des contraintes dans le tissu greffé et ainsi de créer un astigmatisme. Proposer un moyen de maintenir solidaires les deux tissus sans déformation est le thème du premier sous-chapitre. Diverses techniques nouvelles de suture sont étudiées et discutées avant d'avancer une proposition qui fait intervenir la robotisation de l'opération. Le deuxième sous-chapitre aborde donc la conception d'un robot chirurgical dédié à la greffe de cornée. L'introduction de nouveaux matériels dans un bloc opératoire nécessite de répondre à des normes d'hygiène et de sécurité particulières à ce milieu. Une analyse de risque s'est révélée être une étape préliminaire primordiale avant l'élaboration du robot. Cette étude a permis de définir précisément le cahier des charges du dispositif en vue d'une utilisation en milieu chirurgical, et a débouché sur une première conception de l appareillage COMMENT EVITER LA SUTURE? Comment peut-on maintenir le greffon en place dans l'œil receveur, sans mouvements possibles, sans utiliser la technique de la suture cornéenne pratiquée actuellement et sans introduire de déformations dans le tissu importé? Une première solution peut résider dans l'utilisation de colles ophtalmiques Les colles Une étude bibliographique montre que ce type d'assemblage est étudié depuis relativement peu de temps en ophtalmologie [Lagoutte 88]. En effet, les premiers essais datent des années 50. Ces colles, constituées de fibrines, sont rapidement abandonnées car elles n'assurent pas une suture suffisamment solide. Dans les années 60, un nouveau type de colle apparaît à base de cyanoacrylate. La technique doit être complétée par un surjet. Non seulement la nécessité d'une suture réapparaît et ne résout plus le problème de l'astigmatisme, mais, de plus, une toxicité non négligeable pour la cornée et le cristallin (qui engendre des cataractes) est remarquée. Dans les années 80, certaines colles ophtalmiques sont constituées de dérivés de cyanoacrylate (N-butyl cyanoacrylate), moins toxiques, qui présentent l'avantage de polymériser rapidement à température ambiante sans apport de catalyseurs ou d'autres produits [Moschos 97], [Leahey 93]. D'autres colles sont constituées d'un mélange de fibrinogène humain comme solution adhésive, de thrombine comme catalyseur et de chlorure de calcium [Lagoutte 88], [Kim 89]. La technique est simple et pratiquée sous microscope sous anesthésie locale. La pose d'un viscoélastique ou l'injection d'air peuvent reformer la chambre antérieure si celle-ci est plate [Lagoutte 88], [Leahey 93]. Lors d'une perforation supérieure à 3 mm, un viscoélastique [Leahey 93] ou une suture réticulaire [Moschos 97] sont un support à l'adhésif et l'empêchent d'atteindre la chambre antérieure. La colle est déposée directement. Une lentille de contact recouvre largement le dépôt afin de le protéger des battements de paupières qui ont tendance à l'expulser. 120

115 5. Propositions pour une assistance robotisée Ces adhésifs ophtalmiques ont été étudiés dans des cas de perforations cornéennes menaçantes ou franches [Moschos 97], [Leahey 93], d'ulcères cornéens [Lagoutte 88] et de kératoplasties lamellaires de 8.0 mm de diamètre sur la moitié de l'épaisseur du tissu [Kim 89]. Dans tous les cas, la prescription est limitée aux cornées dont les tissus environnants sont sains et ne présentent aucune inflammation ni infection et aux perforations de petites dimensions (en moyenne 3 mm de diamètre) [Leahey 93]. Souvent, des autogreffes sont pratiquées limitant d autant plus le risque d'infection [Kim 89]. Le temps d'adhérence peut varier de quelques jours à quelques mois. Malgré le champ restreint des indications pour l'utilisation de colles, les complications sont nombreuses (1 cas sur 3 contre 1 cas sur 8 pour la suture). Il peut s'agir d'infections (plus de 6% [Moschos 97]), d'hypotonies, d'ulcères, d'endophtalmitis, d'opacités (25% [Kim 89]), d'irrégularités de la jonction donneur / receveur, d'inflammations, de hazes, de réactions de la chambre antérieure et d'ouverture du lenticule [Kim 89]. A partir d'une étude histologique, Kim a noté un recouvrement non total de l'arrangement parallèle des fibres et une modification de l'épaisseur cornéenne plus importante. Dans certains cas, plusieurs applications (jusqu'à 6) se sont avérées nécessaires pour chaque œil. Dans 68% des cas, Leahey a dû pratiquer une deuxième intervention chirurgicale, dont 43 % étaient des greffes de cornées [Leahey 93]. Finalement, ces études ont montré que l'utilisation d'un adhésif ophtalmique peut permettre d'éviter certaines énucléations, de stabiliser des ulcères et d'attendre un greffon. Dans tous les cas, il s'agit d'indications temporaires et non permanentes d'études préliminaires, la Food and Drug Administration (institution américaine délivrant les autorisations légales d'utilisation des nouveaux produits et procédés médicaux) n'ayant toujours pas approuvé leur utilisation. De plus, l'émergence de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de suture amènent à sa dépréciation [Kim 89]. Il n est pas envisageable de réaliser le maintien du greffon dans l'œil receveur par cette technique plutôt que par la suture pour plusieurs raisons : v la pose de cette colle à l'interstice entre les deux tissus ne devrait pas être aisée, v la colle a été testée sur de plus petites dimensions que la surface de contact d'une greffe transfixiante. Le risque inflammatoire s'en trouverait augmenté, v la viabilité est restreinte et inférieure au temps nécessaire au greffon pour s'intégrer complètement au tissu receveur (de 9 à 12 mois en moyenne), v pour le moment, la colle engendre trop de complications, souvent graves et nécessitant une seconde intervention, pour prendre le risque de perdre un greffon, tissu déjà relativement rare et de traumatiser plus encore la cornée du patient Les agrafes Les agrafes chirurgicales sont utilisées depuis quelques années en guise de suture. Mais récemment c'est en micro-chirurgie qu'elles sont étudiées lors d endoscopie. A l'heure actuelle, aucune application en ophtalmologie n'existe à notre connaissance. Une telle technique paraît peu adaptée à la greffe de cornée car elle introduirait des tensions dans les tissus, comme lors d'une suture traditionnelle. De plus, il serait indispensable d'assurer un très bon positionnement des agrafes régulièrement réparties sur la circonférence du greffon. Les inconvénients de cette technique seraient équivalents à ceux obtenus par suture cornéenne. 121

116 5. Propositions pour une assistance robotisée Les formes de découpe Les moyens de suture sans fil énoncés ci-dessus ne présentent pas d'avantages comparés à la suture traditionnelle, ou leur utilisation est rendue non envisageable à l'heure actuelle par l'occurrence d'effets secondaires importants. Afin de limiter l'astigmatisme dû à la suture, il paraît donc nécessaire d'éviter tout type de suture directement sur la cornée. Dans ce but, nous proposons de prélever les cornées suivant des formes particulières qui permettraient de maintenir en place le greffon dans l'œil receveur sans aucune suture. Une lentille de contact large serait néanmoins posée sur l'ensemble et suturée à la sclère. De telles découpes, dont les caractéristiques sont présentés ci-dessous, ne sont réalisables que par l'apport de la Robotique, qui de plus, assurerait précision et reproductibilité de l'opération Les caractéristiques Les formes prélevées des cornées du donneur et du receveur présentent deux particularités : la première réside dans sa conicité, la seconde dans la création de créneaux radiaux [Smith 00]. La forme conique, dont la plus grande base est située postérieurement (Cf Fig. 5.1), et la présence de créneaux présentent plusieurs avantages dans la greffe de cornée : v tout d'abord, elle permet un bon positionnement du greffon dans son récipient, évitant ainsi de créer replis et interstices entre les deux tissus (Cf Fig. 5.2), v ensuite, sous la pression intraoculaire, le greffon est "poussé" vers l'extérieur, contre la lentille qui lui confère ainsi une bonne courbure., v il est également "plaqué" contre les berges de l'œil receveur ce qui augmente l'étanchéité de l ensemble, v la présence de créneaux radiaux annule le mouvement de rotation du greffon dans l'œil receveur dans le plan frontal (Cf Fig. 5.3). Afin de respecter les symétries du tissu de façon à ne pas introduire de déformations géométriques, un nombre pair de créneaux régulièrement répartis sur la circonférence est choisi. Fig. 5.1 : Découpe conique, vue en coupe Fig. 5.2 : Replis et interstices, vue en coupe 122

117 5. Propositions pour une assistance robotisée Globe oculaire Cornée du patient Greffon Fig. 5.3 : Rotation du greffon dans l'œil récipient, vue de dessus Les angles de conicité et les formes et dimensions des créneaux sont à choisir de façon à déterminer les compromis permettant un meilleur maintien du greffon dans l'œil du patient sous la pression intraoculaire [Sanfelix 99]. Des angles compris entre 10 et 40 par rapport à l'axe visuel vertical ont été comparés ainsi que les formes représentées ci-dessous (Cf Fig. 5.4). Pour des raisons d'encombrement et d'envergure du robot, il n'est pas possible d'obtenir des angles supérieurs à 40 degrés a 3b 4a 4b Fig. 5.4 : Formes de découpe, vue de dessus Les tests ont été réalisés sur des modèles de cornée faits de gel de polyacrilamide à 76% d'eau. Ce polymère a une consistance relativement proche de la cornée, il est souple, élastique et mou. Ce type de matériau est couramment utilisé comme modèle pour des études électromagnétiques ou de conductivités thermiques [Bini 84]. Il est obtenu à partir 123

118 5. Propositions pour une assistance robotisée d acrylamide et de bis-acrylamide que l'on dilue dans une quantité variable d'eau. L'ajout d'un catalyseur entraîne la polymérisation. Le gel est formé dans un moule composé de deux parties complémentaires (Cf Fig. 5.5). Fig. 5.5 : Moules pour gels de polyacrilamide L'une est une demi-sphère convexe de diamètre 70 mm, l'autre, une demi-sphère concave de diamètre 60 mm. La partie pleine est percée en son centre afin d'éliminer tout effet de capillarité lors de la solidification et afin de faciliter le démoulage. Le modèle, englobé entre ces deux éléments, prend ainsi une forme sphérique de 5 mm d'épaisseur, approchant celle de la cornée. Ces simplifications géométriques ne gênent pas la simulation car la non sphéricité de la cornée est faible. Les dimensions sont cinq fois supérieures aux dimensions du tissu réel. Ce changement d'échelle est nécessaire à une visualisation simple et rapide des phénomènes pouvant intervenir, sans microscope. Les dimensions de la découpe seront également multipliées par 5 pour atteindre un diamètre compris entre 37.5 mm et 42.5 mm (7.5 mm et 8.5 mm réels) sur une épaisseur de 5 mm (1 mm pour la cornée). Il est à noter que l'angle de découpe n'est pas présent sur tout le périmètre. En effet, lors des déplacements radiaux effectués pour réaliser les créneaux, le jet d'eau est maintenu rectiligne. Cette simplification a été proposée de façon à obtenir une découpe plus nette car un changement d'orientation de l'outil demande quelques secondes pendant lesquelles l'eau continue à s'écouler et se concentre en ce point. Un cumul d'eau sous le gel se produit qui soulève ce dernier, pendant qu'une légère absorption d'eau apparaît. Lors des essais, le modèle en polyacrilamide est laissé en place sur la partie convexe du moule. Une légère pression de la main sur le gel chasse l'air et fait adhérer le gel au moule. La découpe est réalisée au jet d'eau continu de diamètre 0.20 mm, sous une pression comprise entre 20 et 30 bars et guidé par le robot dont la vitesse d'avance est de 1.1 m/s. Ce dernier, pour les essais, est un robot industriel Staübli, RX 90, dont la précision donnée par le constructeur est de 0.02 mm. Ce robot est programmé pour réaliser les différentes découpes prévues (Cf Fig. 5.6). 124

119 5. Propositions pour une assistance robotisée Fig. 5.6 : Découpes de gels de polyacrilamide Après la découpe du gel, la tenue du greffon de polyacrilamide dans le gel receveur est testée afin de vérifier le maintien du greffon sans suture sous la pression intraoculaire. La valeur physiologique de cette dernière correspond à environ 20 cm d'eau. Les greffons et récipients de polyacrilamide sont disposés dans le fond percé d'une colonne de PVC (Cf Fig. 5.7). Cette colonne est remplie d'eau jusqu'à ce que le greffon tombe. La hauteur d'eau correspondante donne alors la pression maximale supportée par le greffon avant de s'échapper de son gel receveur. Fig. 5.7 : Colonne d'eau Les résultats de ces essais ont montré que la forme 1 (Cf Fig. 5.4) ne pouvait pas empêcher le greffon de tourner dans le receveur. La forme 2 n'a pas été réalisée car elle ne remplissait pas la condition de symétrie. Les formes 4a et 4b ne se sont pas révélées suffisantes pour éviter la rotation. La forme apparemment la plus adéquate est la forme 3a / 3b car elle limite la rotation sans toutefois l'empêcher complètement. Deux propositions ont alors été faites pour améliorer ces résultats : augmenter la surface des créneaux en augmentant leur nombre ou en augmentant leur largeur. Deux nouvelles formes 125