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U sPÉclnr ÊrÊ ree+INFORMATIQUE

a

&MEDEGINE

2

Table des maTières

Jusqu’à l’âme

René Berger 1

Informatique et Institut de Physiologie

Yves de Ribeaupierre 2

Logiciel de commande du robot chirurgical Minerva

Yves Piguet 3

Stockage d’images tridimensionnelles sur le serveur d’images GigaView

Benoît Genmart 5

Traitement numérique de l’image microendoscopique

Fatemeh Taleblou , Gianni Pante & Christian Depeursinge 6

Système d’entraînement pour chirurgie endoscopique utilisant la réalité virtuelle

Damien Tappy & Charles Baur 8

EDITORIAL

JUsQU’À l’Âmepar René Berger, Professeur honoraIre de l'Université de Lausanne

Les médecins se sont très tôt intéressés à leur(s) prochain(s) qui, défaillant quelque part par définition, leur offraient (et leur offrent toujours) un atelier de choix, souvent même un chantier à cœur ouvert.

Témoin, après les clystères d’auguste mémoire, les autopsies immortalisées par le génie d’un Léonard de Vinci ou les écorchés sublimés par celui de Vésale. De quoi s’interroger sur l’étrange mariage entre l’art et le cadavre, comme si l’artiste, après s’être consacré longtemps à représenter ses semblables (comme c’est bien dit!), sous leur apparence noble, séduisante de vivants (que n’a-t-on pas dit d’Apelle, portraitiste officiel d’Alexandre le Grand, et de Zeuxis, maître du clair-obscur ?), ont résolu sur le tard de s’en prendre aussi à l’homme, cet inconnu (bien avant Carrell). Se détour-nant de l’extérieur, reconnaissable et repérable, ils déci-dent de s’aventu-rer vers l’intérieur insolite, fait d’os, de téguments, d’hu-meurs, de sanie, de muscles, de ten-dons. L’envers du décor soudain pro-mu au premier plan ? A quoi avaient préludé tout au long du moyen âge, il est vrai, tant de scènes

avec le mental. Jusqu’à l’hybris (encore lui!), de ce chirurgien célèbre, qui se plaisait à répéter qu’il n’avait jamais vu d’âme sous son scalpel [2]. Accueillons avec allégresse les recherches qui ébranlent les fondements de la science et de la culture. En prenant toutefois la précaution de mettre au jour l’humour implicite dont elles témoignent, souvent à l’insu de leurs auteurs… Si la métaphysique échappe de nos jours au philosophe, dont le concept a joué si longtemps le rôle de scalpel, il serait imprudent de croire qu’elle est aux mains des savants, physiologistes, biologistes, médecins, techni-ciens, informaticiens, cognitivistes de tous crins œuvrant,

comme ils le procla-ment, en équipes multi ou interdisciplinaires. Se faisant fort de mettre la main à la pâte, si l’on peut dire, ab ovo, ils conjuguent les ressources de l’ordi-nateur avec celles du fœtus pour annoncer, par exemple, dans une information toute récente, que «La micro-injection des spermato-zoïdes se révèle peu nocive», d’autant que «cette technique, ne semble pas, compa-rée à la fécondation in vitro classique, à l’origine d’un taux supérieur de malfor-mations.» [3]. Sans que l’on sache si cette

3de martyre, qui mêlent la chair suppliciée au resplendis-sement des auréoles, comme si la chirurgie, préfigurant l’investigation informatique, prenait des garanties sur la sainteté, en tout cas sur l’âme. Ce que Rembrandt porte à son point de perfection dans sa sublime Leçon d’anatomie, qui harmonise la floraison vénéneuse du cadavre avec les fraises amidonnées des praticiens tendus par la concentration.

On comprend dès lors la fortune des rayons X, qui livrent sur commande la photo de notre identité intérieure, quitte à assaisonner le patient, surtout le technicien, de quelques radiations intempestives. Mais voici qu’à son tour l’électronique met ses escadrons d’électrons à disposition pour traquer toujours de plus près notre for(t) intérieur – paradoxe d’autant plus déconcertant que, plus l’outil s’affine, plus le secret insidieusement se dérobe. Ce qui, loin de décourager médecins, techniciens, informaticiens, aiguise leur zèle, jusqu’à l’hybris. Que commet gaillardement J.P. Changeux, qui déclare au terme de l’Homme neuronal : «Les possibilités combina-toires liées au nombre et à la diversité des connexions du cerveau de l’homme paraissent en effet suffisantes pour rendre compte des capacités humaines. Le clivage entre activités mentales et neuronales ne se justifie pas. Désormais, à quoi bon parler d’Esprit ?» [1]. A quoi l’on serait tenté de souscrire si l’auteur ne pouvait s’empêcher de faire une boutade, ce qui est la moins bonne manière, en l’occurrence, d’en finir avec l’Esprit ! Innombrables nonobstant les tentatives de la même farine, qui flattent, sous prétexte de science, un matérialisme complaisant, voire complice. Et les assauts de se multiplier pour faire rendre gorge, si l’on peut dire, au cerveau, jusqu’ici récalcitrant. Forts de la mise en batterie complémentaire de la technique RMN, résonance magnétique nucléaire et de celle de la caméra à positrons (ou positons), les scientifiques s’auto-hypnotisent à suivre à la trace le trajet d’une pensée, sous-entendu, la pensée elle-même? Et les analyses de proliférer, toujours plus fines, et l’ombre de la pensée, toujours plus nette, de se profiler sous l’œil de l’expérimentateur qui finit, la self-fulfilling prophecy aidant, par confondre l’ombre avec la proie, le cérébral

nouvelle technique, à bien des égards révolutionnaire, peut doter l’embryon d’un minimum d’âme, puisque les spermatozoïdes ne connaissent guère, dans leur course d’obstacles suicidaire entre les 0 et les 1, que l’ultime et unique vainqueur, le 1 de l’Ovule, à partir de quoi commencent la Dyade, et l’aventure de chacun. Ou, en serait-on venu, comme l’annonçait il y a quelque quarante ans déjà Norbert Wiener dans son étonnant God and Golem Inc., à faire de l’âme une S.A., une société anonyme, seule apte à pénétrer dans le XXIe siècle?[4].

NOTES

1. Jean-Pierre Changeux, L’homme neuronal, éd. Fayard, Paris, 1983, p. 334, qui récidive, entre autres, dans Les neurones de la raison, La Recherche, no. 244, juin 1992, pp. 705-713, (avec une abondante bibliographie, surtout anglo-saxonne).

2. Je cite de mémoire parce que j’ai oublié (ou refoulé) son nom, que je serai reconnaissant au lecteur de m’indiquer, soit par fax 323 07 54, soit E-mail [email protected])

3. Le Monde, 3-4 juillet 1994. A noter, pour dissiper ces brumes biologiques, le chef-d’œuvre de Paul Klee, intitulé Ab ovo, tout de lumière et de tendresse.

4. Norbert Wiener, God and Golem Inc. , A Comment on Certain Points where Cybernetics Impinges on Religion, MIT Press, Cambridge (Mass.),1964. dans lequel l’avertissement qu’il donne reste d’une actualité troublante : «If you are playing a war game with a certain conventional interpretation of victory, victory will be the goal at any cost, even at the cost of the extermination of your side, unless this condition of survival is explicitly contained in the definition according to which you program the machine... A goal-seeking mechanism will not necessarily seek our goals unless we design it for that purpose». n

Flash informatiqueLes articles de ce journal ne reflètent que l’opinion de leurs auteurs. Toute reproduction, même partielle, n’est autorisée qu’avec l’accord de la rédaction et des auteurs.

Rédacteur en chef: J. Dousson , [email protected]é de rédaction: J.-D. Bonjour, J.-M. Chenais,

M. Crvca nin, L. Desimone, J.-J. Dumont, P.-A. Haldy, P. - J . Par i s , F. Rou le t , Ch. Simm & J. Virchaux

Composition: A. Raposo de BarbosaImpression: REPROTirage: 4000 exemplairesAdresse: SIC-SA EPFL 1015 – Lausanne & 021/693 22 42 & 22 47Prochaine parution: 25 octobre 1994Délai de rédaction: 6 octobre 1994 – 12h00

Émergence d’une nouvelle synergie entre Informatique et Neurosciences

Alessandro Villa 9

Informatique et unités de soins: une expérience originale

Luc Heimendinger & Christiane Roth 11

LAENNEC CD-ROM: Programme d’enseignement assisté par ordinateur multimédia pour la faculté de médecine

Raphaël Bonvin & Philippe Leueneberger 12

FI spécial été 94 — page 1

4


inFormaTiQUe eT insTiTUT de Physiologiepar Yves de Ribeaupierre, Institut de Physiologie, Faculté de médecine, Université de Lausanne

L’institut de Physiologie de l’Université de Lausanne n’est pas situé sur le site de Dorigny mais au 7 de la rue du Bugnon, donc proche du CHUV. Cette position décentrée par rapport au campus ne l’a pas protégé contre l’invasion du Virus Informatique. Comme le montre les autres articles de ce Flash, ce virus a déjà injecté quelques nouveaux éléments dans le patrimoine génétique de la faculté de médecine! Dans ce qui suit nous décrirons quelques applications de l’informatique qui fleurissent dans notre institut, et qui concernent la recherche et l’enseignement.

RECHERCHECŒur embryonnaire de poulet

Le but de cette recherche est de développer un

un microprocesseur 6809, les données étant transférées par ligne série à un Mac .

A plus long terme les étudiants utiliseront certainement des «PowerBook» pour résumer leurs cours. Les résultats des travaux pratiques pourraient alors être intégrés dans de telles notes. Ces considérations nous ont fait choisir Hypercard comme programme de visualisation et de mise en forme des données. Les figures présentées ici sont les cartes d’acquisition d’Hypercard, dépourvues de leurs boutons de manipulations.

Les figures 6 et 7 illustrent les premiers enregistre-ments informatisés réalisés lors des travaux pratiques de physiologie et destinés aux étudiants en médecine et en biologie. Ils permettent de caractériser les paramètres mécaniques et électriques des cœurs de grenouilles.

La mesure de la vitesse de conduction nerveuse est d’un point de vue pédagogique intéressante car l’expé-rimentateur peut être son propre sujet d’expérience…

La figure 8 représente schématiquement la situation. Un module de stimulation et de mesure est relié au sujet

Figure 2: Microscope

Figure 3: Temps réel

battements, la vitesse de contraction de l’oreillette et du ventricule, dont la figure 5 donne un aperçu.

ENSEIgNEMENTCŒur de grenouille et ConduCtion

5modèle physiologique (par opposition à une simulation numérique) pour l’étude des mécanismes responsables du dysfonctionnement du cœur hypoxique. A long terme ce modèle pourrait servir en pathophysiologie cardiaque. Au temps t = 0 mettons des œufs fécondés de poules dans un incubateur à 37° C, ce qui déclenche le développement des embryons (il faut bien commencer par le début).

Après 96 heures d’incubation le cœur bat déjà depuis 66 heures, mais ne présente ni vascularisation ni innervation. Comme le montre la figure 1 ce cœur est un tube replié d’environ 3 mm de long.

Lorsqu’il est isolé et placé dans un milieu convena-blement oxygéné, ce cœur continue de battre pendant plusieurs heures. C’est un modèle idéal pour étudier l’effet de l’oxygène sur cet organe. En effet ses petites dimensions rendent les temps de diffusion négligeables par rapport à l’évolution des autres paramètres physiolo-giques. Pour contrôler son environnement physiologique le cœur est placé dans une chambre à 2 compartiments. Le cœur se trouve dans les 200 microlitres de liquide phy-siologique du premier compartiment. Dans le deuxième compartiment on peut contrôler précisément la pression partielle d’oxygène. Les deux compartiments sont séparés par une membrane de silicone très perméable aux gaz. Le tout est placé dans une enceinte thermostatée à 37° C et sous l’objectif d’un microscope. L’image agrandie du cœur est projetée sur des photodiodes positionnées précisément le long du tube cardiaque. Le courant de ces photos diodes est ainsi modulé par les mouvements du cœur. Un microprocesseur 6809 gère l’acquisition des données et transmet les signaux digitalisés sur 8 bits par l’intermédiaire d’un port série (SR 232) à un Mac. Le Mac assure une visualisation en temps réel de l’évolution des battements cardiaques et crée des fichiers de data qui seront analysés par la suite. La figure 2 représente très schématiquement l’installation de mesure.

La figure 3 montre les enregistrements bruts tels qu’ils apparaissent sur l’écran lors de l’expérience.

Les enregistrements bruts (figure 4) sont analysés pour en extraire des paramètres tels que la fréquence des

Figure 4: Enregistrements bruts

Figure 5: Paramètres physiologiques

nerveuse

A moyen terme le but est d’utiliser l’ordinateur pour permettre à l’étudiant de comparer des mesures qu’il obtient durant les travaux pratiques à des simulations ou des données de la littérature. Pour cela notre électronicien a développé des modules d’acquisition comportant des convertisseurs A/D et D/A ainsi que des préamplis et des capteurs capacitifs de mouvement. Le tout géré par

Figure 6: Cœur mécanogramme

Figure 7: Cœur ECG

Figure 8: Vitesse conduction


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d’expérience par deux paires d’électrodes. Par la pre-mière paire d’électrodes on délivre une courte impulsion électrique au niveau du poignet (durée de 0.025 ms avec une tension variant de 40 à 90 volt, suivant la résistance cutanée). Cette impulsion provoque une sti-mulation du nerf cubital dont les potentiels d’actions se propagent jusqu’au muscle fléchisseur du 5ème doigt qui est stimulé. L’étudiant ressent et observe la contraction musculaire dont il enregistre le potentiel d’action grâce à l’autre paire d’électrodes.

Les figures 9 et 10 sont les enregistrements fait lors d’une stimulation au niveau du poignet et illustrent la variabilité biologique.

La figure 11 est un enregistrement fait sur le même sujet mais avec une stimulation plus éloignée du muscle, soit au niveau du coude. Le fait que la réponse soit plus petite ne signifie pas que le signal s’atténue en se propageant, mais que le contact des électrodes aux niveau du coude est moins bon. Les flèches sur les 3 enregistrements indiquent le début de la dépolarisation du muscle. En utilisant les trois enregistrements on peut construire le graphique de la figure 12 et en déduire

Figure 9: Stimulation poignet I

Figure 10: Stimulation poignet II

Figure 11: Stimulation coude I

la vitesse de propagation de l’influx nerveux.Remarque pour les amateurs de statistiques: Sans

être douloureuses les stimulations sont légèrement désagréables, cela explique le peu de points que les étudiants utilisent pour faire passer une droite de régression, rarement plus de trois!

En utilisant les fonctions d’Hypercard l’étudiant peut facilement commenter ses mesures et imprimer un rapport d’une page comportant, en format réduit, les 8 graphiques les plus significatifs.

CONCLuSION

La physiologie générale est un bon domaine d’appli-cation de la microinformatique. Car les débits d’informa-tion des canaux de mesures sont en général modestes. L’utilisation de modules communiquant par ligne série du type RS 232 est souple. Elle permet une évolution par étape. La simulation et la modélisation en physiologie n’ont pas été abordées ici bien que l’informatique y joue un rôle de plus en plus important. n

Figure 12: Graphique délais/distance

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logiciel de commande dU roboT chirUrgical minerva

par Yves Piguet*, Institut de Microtechnique, EPFL (*actuellement à l'Institut d'automatique)


En septembre dernier, les deux premières opérations du robot Minerva sur des patients couronnaient cinq ans de recherche, de développements, d’essais et de collaboration entre l’Institut de microtechnique de l’EPFL et le Service de neurochirurgie du CHUV. De nouveaux horizons s’ouvraient ainsi pour la robotique à l’IMT. Mais au niveau du développement, quels problèmes nouveaux a-t-il fallu résoudre par rapport aux robots industriels? Cet article tente d’y répondre en ce qui concerne la partie informatique de la commande. Deux aspects importants du logiciel ne seront pas abordés ici: l’imagerie (c’est-à-dire la récupération des images du scanner, leur traitement pour l’extraction des repères qui permettent leur localisation dans l’espace et leur affi-chage) et les changements de coordonnées (le passage des coordonnées cartésiennes du point du cerveau à atteindre aux consignes à donner aux axes du robot).

uN ROBOT DéDIé à LA STéRéOTAxIE

Les opérations stéréotaxiques du cerveau consistent à introduire une sonde de faible diamètre (2 à 3 mm) dans le cerveau à travers un trou percé dans le crâne. Le point cible est repéré sur des images scanner. Un cadre de référence fixé sur le crâne permet de passer du référentiel image, défini par les traces de ce cadre

sur les images scanner, au référentiel à trois dimensions dans lequel la position des instruments est fixée. Les opérations que l’on réalise actuellement avec cette technique comprennent les biopsies (prélèvements de tissus pour des analyses), l’évacuation des abcès et des hématomes, la mesure électrique de l’activité neuronale, la thalamotomie (destruction de cellules) et l’implantation de sources radioactives pour l’irradiation de tumeurs.

L’opération manuelle se fait en plusieurs étapes. Tout d’abord, un système de fixation sur le crâne est mis en place et sera conservé jusqu’à la fin de l’opération; il permet de garder une référence de positionnement par rapport au crâne et au cerveau. Le cadre de référence est fixé sur ce système. Un certain nombre d’images scanner sont prises, puis le patient est transporté en salle d’opération. Le cadre de référence est remplacé par un tube guide-sonde qui peut être réglé dans n’importe quelle position à l’aide de règles graduées. Les coordonnées du point cible et des éléments du cadre qui apparaissent sur l’image sont introduites dans un ordinateur portatif qui permet de calculer les angles à reporter sur le système de positionnement. On procède ensuite à la découpe de la peau, au perçage du crâne, puis à celui de la dure-mère. Enfin, l’intervention proprement dite a lieu. Au total, l’opération dure de deux à quatre heures.

Le but de Minerva est d’automatiser le plus possible

l’opération en travaillant à l’intérieur du scanner (cf. figure 1). Le transfert de l’information entre le scanner et le système de positionnement est remplacé par une connexion informatique. Ceci a pour avantages d’éviter le déplacement du patient, de réduire les risques d’erreurs et de permettre la prise d’images de contrôle au cours de l’opération. Le robot effectue toutes les manipulations. Le chirurgien peut ainsi se concentrer sur l’intervention elle-même et donner ses ordres au robot.

Main�Computer

Imaging�system

Robot�Control�

Unit

PC computer

Figure 1: schéma de principe du système Minerva


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RéPARTITION DES TâCHES ENTRE SuN ET PC

Le logiciel de commande du robot Minerva est réparti sur une station de travail Sun et un compatible PC. Le logiciel sur Sun comprend deux parties: la gestion des images scanner (communication avec le scanner, traitement, détection des barres et changements de coordonnées référentiel image - référentiel cadre BRW, et affichage), et la commande du robot proprement dite. Les commandes données au robot sont envoyées par ligne série au PC qui est chargé des points suivants:z réception des commandes, décodagez vérification de la possibilité de lancer la commande

(est-ce que les sondes sont retirées si l’on veut bouger le robot?)

z changements de coordonnées entre celles du cadre de référence et les articulations du robot

z vérification des risques de collisions entre le robot, le cadre, le support du cadre et le scanner

z commande du robot proprement dite (par l’intermédiaire d’un système ARIA de la société Demaurex)

z mesures de forces entre le robot et le patientz écriture dans un fichier de toutes les commandes

reçues de la Sun et des mes sages qui lui sont retournés (boîte noire).

CONTRôLE DES OPéRATIONS

Une préoccupation constante a été de choisir un compromis acceptable entre la liberté accordée à l’uti-lisateur pour le laisser exécuter ce qu’il juge opportun d’une part, et les restrictions qu’impose le programme pour éviter un acte dangereux d’autre part.

Tout d’abord, une remarque sur le dialogue homme-machine s’impose. La commande du robot située sur PC sert d’intermédiaire entre la couche interface-utilisateur, située sur la station de travail, et les cartes d’axes. Il a fallu conce voir un protocole de communication entre la station de travail et le PC qui soit fiable, rapide et — si possible — simple. On a choisi d’avoir un système


risques et examinons quelles solutions on peut y apporter.z Endommagement du robot: certaines restrictions de

mouvement sont évidentes (fins de course des axes); d’autres nécessitent des calculs plus importants (risques de collisions entre le robot et le scanner).

z Valeurs par défaut: dans les premières versions du pro-gramme, un certain nombre de paramètres pouvaient être spécifiés par des commandes qui ne déclenchent aucun mouvement par elles-mêmes. Il a été décidé de les supprimer et de ne pas avoir de valeur par défaut, dans le but d’éviter que le concepteur et l’utilisateur n’aient une idée différente sur le fonctionnement normal du système. Le PC ne retient pratiquement plus aucune information en dehors de la position du point-cible, des angles d’approche et de la position du crâne. Lorsqu’il a besoin de connaître l’état du robot, il lit directement l’état des capteurs.

z Erreur dans l’énoncé d’une commande: est-ce qu’une commande non recon nue ou un nombre erroné d’argu-ments doit simplement être signalé à l’utilisa teur ou arrêter le robot? La seconde solution s’est imposée.

z Mouvements mettant en jeu la sécurité du patient: on touche ici aux décisions les plus difficiles à prendre. Certains choix ne peuvent être faits que par le chi-rurgien; mais d’autres semblent plus évidents, tels que:

z déplacement de la cible ou des angles d’approche lorsque le couteau est avancé. Même si quelques millimètres de marge sont suffisants pour permettre des mouvements sans risque, il a paru plus sûr et peu contraignant d’exi ger que le bras soit complètement reculé. Dans cette position, un capteur inductif est activé. De même, le bras ne peut être re culé que si aucune sonde ne se trouve dans le cerveau.

z Le perçage de la dure-mère, qui doit être fait après le perçage de l’os. Est-ce que le système doit mémoriser les étapes précédentes pour savoir ce qu’il est possible de faire? Dans le cas où l’on doit faire redémarrer la commande en pleine opération, il faudrait alors soit court-circuiter ces sé curités, soit informer le système de ce qui a déjà été fait. Comme l’utilisa teur donne ses ordres par l’intermédiaire de la station de tra vail qui

espaces sont envoyés par la Sun.Pour faciliter les essais effectués en laboratoire

en l’absence de la station de travail, on peut taper les commandes directement au clavier. Des fonctions d’éditions minimales (gestion du backspace, rappel des commandes précédentes) sont disponibles. Dans ce cas, il n’y a évidemment plus ni timeout ni check-sum, mais un message rappelle continuellement que ce mode de fonctionnement ne doit pas être utilisé pour les opérations réelles.1123 10:18:52.43 C outil+ 51124 10:18:52.43 R 100(Begin "outil+ 5")1125 10:18:52.48 S.U. moved from 3 to 41126 10:19:41.04 R 135(Tool biopsy configured)1127 10:19:41.09 R 135(Tool biopsy initialized)1128 10:19:41.26 R 010(Ok)1129 10:21:06.72 C biopsie -50 10 41130 10:21:06.78 R 100(Begin "biopsie -50 10 4")1131 10:21:06.83 R 135(Tool biopsy configured)1132 10:21:06.89 R 135(Tool biopsy initialized)1133 10:21:06.89 R 135(Calibrating)1134 10:21:26.50 R 138(Logging measures in "04102126.ICR")1135 10:22:48.01 R 135(Calibration done)1136 10:23:08.82 R 135(Waiting for the probe)1137 10:23:08.82 R 139(Pause)1138 10:27:55.20 C finpause1139 10:27:55.42 R 110(Ok)1140 10:27:55.75 R 138(Logging measures in "04102755.BIO")1141 10:27:55.81 R 135(Going close to the knife)1142 10:28:25.96 R 135(Beginning Inserting Probe)

1143 10:28:37.83 R 010(Ok)

Figure 3: extrait de la boîte noire du PC

Dans le sens PC – Sun, les contraintes sont moins sévères: une erreur n’aurait pas de conséquences graves, car les messages servent essentiellement à ren seigner l’utilisateur de manière qualitative sur le déroulement de chaque étape (il y a donc une grande redondance). Les messages s’inspirent de ce que l’on trouve dans les protocoles FTP ou NNTP: ils sont identifiés par un code numérique qui indique aussi l’état du robot (mouvement en cours d’exécution ou robot prêt pour une nouvelle commande). En plus, ils contiennent une description textuelle et d’éventuels paramètres qui sont exploités par la Sun pour afficher, par exemple, l’avance d’une sonde sous forme graphique.

9maître-esclave où l’esclave (le PC) reçoit des commandes et les exécute en ren voyant un ou plusieurs messages de confirmation, d’information ou d’erreur. Par conséquent, il n’y a pas de dialogue à l’initiative du PC: le PC ne peut pas poser de questions à l’utilisateur, telles que «le mouvement que vous demandez peut être dangereux; êtes-vous sûr que vous voulez quand même l’exécuter ?». Le PC (et en premier lieu le développeur) doit savoir dans quels cas il faut accepter ou refuser une commande.

La station Sun présente à l’utilisateur une liste des étapes de l’opération dans l’ordre logique d’exécution. Elle indique ce qui devrait être fait, ce qui pourrait l’être (par exemple recommencer le choix de la position-cible et de la trajectoire d’entrée) et ce qui est interdit (par exemple bouger le robot lorsque une sonde est introduite dans le cerveau) (cf. figure 2).

Figure 2: tableau de commande de l’opération (sur Sun)

Pour clarifier les choses, répertorions les différents

sert de tableau de commande général, il a semblé plus simple de déplacer en amont ce genre de sécurité.

z Arrêt d’urgence: n’importe quel mouvement peut être interrompu soit par le bouton d’arrêt d’urgence électrique, soit par logiciel, soit encore par une erreur quelconque. Cela cause deux problèmes à résoudre impérativement:

z l’opération interrompue doit pouvoir être reprise, si possible avec la même commande. C’est souvent facile à réaliser: si on a besoin d’un certain instrument pour exécuter une commande, par exemple, on ne le charge que s’il est encore sur le magasin d’instruments. Le perçage de l’os pose ce pendant un problème dans la mesure où la détection de l’extérieur du crâne est utilisée comme référence pour la suite. Quelques millimètres déjà per cés mais “oubliés” signifieraient qu’on risque de surestimer l’épaisseur restante. Dans ce cas, on est obligé de mémoriser la position de l’extérieur du crâne une fois pour toutes. Si l’on veut percer ailleurs, il faudra l’indi quer spécifiquement.

z Le système — et l’utilisateur — ne doivent pas partir du principe que chaque commande est exécutée jusqu’au bout. Ce serait désastreux lors du choix de la cible par exemple. Dans ce cas, les étapes suivantes sont in terdites s’il est interrompu.

PROTOCOLE DE COMMuNICATION

Le PC et la Sun communiquent par interface série RS-232. Dans le sens Sun – PC, il faut assurer, si ce n’est une transmission fiable à 100%, du moins une détection des erreurs pour éviter des mouvements incontrôlés. De plus, il ne faut pas que, suite à une interruption de la liaison, on ne puisse plus transmettre d’arrêt d’urgence. Les commandes sont constituées d’un mot-clef et de paramètres numériques compréhensibles directement par l’utilisateur. Chaque ligne de commande est terminée par un octet de checksum et un saut de ligne. Le PC possède un watchdog qui arrête le robot si aucun caractère n’est reçu pendant plus de 0,2 s. Entre les commandes, des

Tous les messages transmis sont enregistrés dans un fichier qui sert de boîte noire (cf. figure 3). Cela permettrait, en cas de problème, de savoir exactement ce qui s’est passé et d’en déterminer plus facilement la cause. C’est également très utile pour garder une trace des essais. Pour les étapes nécessitant une analyse plus fine, telles que le perçage ou l’insertion d’une sonde, les forces mesurées sur l’instrument (qui servent en premier lieu à contrôler l’opération) sont enregistrées dans des fichiers séparés.

CONCLuSION

La commande logicielle de Minerva a demandé de résoudre des problèmes de natures très diverses. L’aspect robotique et système temps-réel est basé sur une librairie fournie par le constructeur de la commande électronique et ressemble évidemment à d’autres commandes de robots. La sécurité a une place primordiale. On peut arrêter le système en cas de problème (bouton d’arrêt d’urgence que l’on retrouve sur toutes les machines), mais il faut être capable de poursuivre l’opération rapidement et sans aucun risque. Et enfin, il faut trouver un juste milieu entre le contrôle total du robot par le chirurgien et les ingénieurs et la supervision des mouvements par l’ordinateur.

Du point de vue de l’ingénieur, le développement de Minerva a été particulièrement intéressant parce qu’il intègre des domaines techniques très différents (mécanique, électronique, capteurs, informatique, mathématiques) et qu’il demande une collaboration étroite avec le monde médical, qui a souvent une façon très différente d’aborder les problèmes.

Je tiens à remercier les autres membres de l’équipe Minerva: Dominique Glauser, Pierre Flury et Marc Epitaux. n


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sTockage d’images Tridimensionnelles sUr le serveUr d’images gigaview

par Benoit Gennart, Laboratoire de Systèmes Périphériques, EPFL


Les interfaces graphiques et multimédia exigent l’utilisa-tion d’outils informatiques pour la visualisation d’images numérisées. Dans les domaines de la modélisation scientifique, l’imagerie médicale, la cartographie et les arts graphiques, il y a un besoin urgent pour de très grandes capacités de stockage, avec accès rapide et visualisation interactive d’images numérisées.

Un serveur d’images à haute performance doit fournir aux utilisateurs connectés au réseau un ensemble de services d’accès immédiat aux images numérisées. Ces services comprennent entre autres l’extraction de parties d’images, le rééchantillonnage pour les opérations de zoom, l’extraction de sections 2-D à partir d’une image 3-D, et l’accès à des séquences d’image à un rythme régulier.

D’autres travaux de recherches dans le domaine ont visé à aug-menter le débit de transfert entre l’unité centrale et les disques en utilisant la technologie RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks[3]). L’accès aux données est parallélisé, mais la gestion des fichiers et le traitement des données restent séquentiels.

Constatant le problème que posent la sélection, l’accès et la visualisation d’images de grandes

organisation des données, intégrée dans le système de fichiers MDFS (système de fichier multidimensionnel), permet de sélectionner très rapidement les parties de l’image requises par l’utilisateur, sans avoir à relire l’image entière à chaque opération. De plus, la quantité de données à lire dépend uniquement de la taille de la fenêtre de visualisation, et non de la taille de l’image stockée sur le serveur d’images. Quand on sait que l’image tridimensionnelle d’un corps humain complet (National Library of Medecine, Visible Human Project, Bethesda, Maryland) représente environ 20Goctets de

de conserver une base de données d’images numérisées et d’y accéder instantanément.

LE SERVEuR PARALLèLE gIgAVIEw

L’architecture du GigaView comporte une interface SCSI-2, un processeur d’interface ainsi que plusieurs nœuds de stockage intelligents (Figure 1). Chaque nœud de stockage comporte un processeur connecté à un ou plusieurs disques. L’archi tecture peut être adaptée

aux besoins de l’utilisateur: si les besoins de stockage sont importants, on associera deux ou quatre disques à chaque nœud de stockage; si par contre les besoins de calcul sont essentiels, on augmen-tera le nombre de nœuds de stockage (et donc le nombre de processeurs), mais avec seulement un disque par nœud. Une architecture de base comporte quatre nœuds de stockage avec chacun un disque de 1Goctet, pour un total de 4Goctets. Une architecture performante com-portera par exemple 8 nœuds de stockage, chacun avec 4 Figure 1: L’architecture parallèle du serveur GigaView

SCSI-2, ATM, FDDI

processeurd'interface

reseau de connexion

processeurslocaux

noeuds destockage

interfacereseau

nouvelletechnologie

disques standardsinterface SCSI-2

11dimensions dans une base de données de grande taille, le Laboratoire de Systèmes Périphériques (LSP, Département d’Informatique) a développé un système de stockage et de restitution rapide d’images numérisées [1,2]. Ce serveur d’images, appelé GigaView, possède une architecture multiprocesseur multidisque qui supporte efficacement non seulement le stockage mais aussi la restitution et le traitement d’images numérisées à deux et à trois dimensions.

Le GigaView est déjà utilisé comme serveur de cartes topographiques (1:25'000ème), intégré à HyperBird, le système d’information géographique (SIG) développé par la maison BSI à Lausanne. Il permet d’accéder en temps réel à n’importe quelle partie de carte, avec transition correcte d’une carte à l’autre, association des données altimétriques aux cartes, intégration des données vectorielles et passage aux plans d’ensemble (1:5'000ème) et cadastraux (1:500ème).

Pour les besoins d’une démonstration, le LSP a acquis et stocké sur le serveur GigaView une image tridimen-sionnelle résultant d’une analyse au scanner à résonance magnétique nucléaire (RMN). Cette image représente environ 100Moctets de données (384x512x512 pixels de 8 bits). Le GigaView permet de visualiser au rythme de plusieurs images par seconde, des coupes dans l’image tridimensionnelle, selon n’importe quel plan principal. Les images proviennent directement des disques du serveur, sans pas-ser par une coûteuse opération de pré char ge ment des données en mémoire.

D’où provient la performan-ce? Tout d’abord de la subdi-vision de l’image tridimension-nelle en cubes de petite taille (32x32x32 pixels) appelés éléments volumiques. Cette

données, cette propriété du système de fichier MDFS prend toute son importance.

La performance provient ensuite de la répartition des éléments volumiques sur les différents disques du serveur GigaView. En répartissant intelligemment les éléments volumiques sur les disques de l’architecture, il est possible de multiplier le débit d’accès aux données par le nombre de disques dans l’architecture, et ce, quelle que soit la partie de l’image sélectionnée.

La performance provient enfin de l’existence de processeurs associés aux disques du serveur. Ceux-ci permettent de sélectionner en parallèle dans les éléments volumiques les données demandées par l’utilisateur. Les processeurs permettent aussi des opérations plus sophistiquées telles que la rotation d’image, la (dé)compression, ou tout autre traitement numérique localisé appliqué aux images.

Le GigaView est aussi adapté au stockage d’images bidimensionnelles, telles que des radiographies. Il permet

disques de 2 Goctets, pour un total de 64Goctets. Par l’intermédiaire de son port SCSI–2, le GigaView se connecte à un Macintosh ou une station de travail UNIX.

Pour obtenir une bonne efficacité, il faut que la charge résultant d’un accès image soit répartie équita-blement sur chacun des disques. Les recherches faites au LSP montrent qu’en spécifiant de manière adéquate la taille des éléments volumiques, on obtient une bonne répartition de la charge pour n’importe quelle fenêtre de visualisation. On obtient ainsi un accroissement des performances pratiquement linéaire pour des architectures comportant jusqu’à 8 nœuds de disques fonctionnant en parallèle.

L’architecture GigaView est caractérisée aussi bien par le système de fichiers parallèle multidimensionnel (MDFS) que par un ensemble de nœuds de stockage formés de processeurs et de disques assurant l’accès et le prétraitement parallèle des données. Selon le type d’application rencontré, l’architecture GigaView peut être adaptée aux systèmes matériels suivants: Serveur back-end performant, com po sé de proces-

seurs et disques magnétiques, connecté à un Mac-intosh, un PC ou une station UNIX par le biais d’un bus SCSI-2.À Serveur multi-CD-ROM ca-pable d’accéder en parallèle à des données réparties sur plusieurs CD-ROMs.À Serveur UNIX multiprocesseur haut de gamme incorporant plusieurs sous-systèmes périphériques SCSI-2.

La solution 2 est particulièrement avantageuse. Elle permet de bénéfi-cier du coût de distribution des don-nées sur CD-ROM, tout en palliant à son manque de débit de transfert.

LE SySTèME DE FICHIER MDFS

Dans le système de fichier MDFS (Figure 2), l’image

XY

Z


Figure 2: L’organisation des données tridimensionnelles, à gauche par section, et à droite par éléments volumiques

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tridimensionnelle est créée à partir d’une série d’images bi-dimensionnelles numérisées (gauche). Ces images représentent les sections d’un solide prises à intervalle régulier. Nous les appellerons les sections originales et feront l’hypothèse qu’elles sont orientées selon les axes X et Y.

Stocker l’image tridimensionnelle par sections pré-sente un défaut essentiel: pour accéder aux données de l’image, il faut charger du disque en mémoire les sections originales qui intersectent la fenêtre de visualisation, retirer de chaque section originale les données qui font partie de la fenêtre de visualisation, et les recopier au bon endroit dans la fenêtre de visualisation. Cette opération est facile lorsque la fenêtre de visualisation coïncide avec une des sections originales, mais devient critique dans tous les autres cas: le temps d’accès dépend du plan d’accès choisi. Pour contourner le défaut du stoc-kage par section, MDFS réorganise les données sur le disque en cubes appelés éléments volumiques. Chaque élément volumique contient un ensemble tridimensionnel de pixels contigus.

Pour fixer les idées, considérons une image tridimen-sionnelle de 2048x2048x2048 pixels de 8bits (soit 8Goctets de données, pour une image tridimensionnelle de bonne qualité), stockée sur un système conventionnel disposant d’un disque qui permet d’accéder aux données au rythme de 2Moctets/sec. Sélectionner une fenêtre de visualisation de 512x512 pixels de 8 bits (250Koctets) dans une image tridimensionnelle organisée par section prendrait, selon le plan XY: 0.3s, selon le plan XZ: 5.4s et selon le plan YZ: 2600s. Si l’on considère l’organisa-

tion des données en éléments volumiques de 32x32x32 pixels de 8 bits, le temps d’accès pour la même fenêtre de visualisation est de 4s seulement, quel que soit le plan d’accès. Ce temps d’accès est nettement meilleur, et peut être obtenu sans le bénéfice du parallélisme. Avec une architecture GigaView comportant 8 disques, le temps d’accès descend en dessous de la seconde,


soit un temps d’accès pratiquement instantané.Le LSP poursuit le développement du GigaView, en

y intégrant des primitives de synchronisation permettant de supporter les applications multimédia, et en ajoutant des fonctions de chargement de programmes utilisateurs sur les processeurs locaux. Pour plus d’informations contacter Benoit Gennart. tél: (021) 693 - 3941; fax: (021) 693 - 6680.

RéFéRENCES

[1] R. D. Hersch. Parallel storage and retrieval of pixmap images. In Proc. 12th IEEE Symposium on Mass Storage System, IEEE Press, 221-226, Monterey, 1993.

[2] Benoit Gennart and R. D. Hersch. Multimedia Per-formance Behavior of the GigaView Parallel Image Server. In Proc. 13th IEEE Symposium on Mass Storage System, IEEE press, 90-98, Annecy, 1994.

[3] D. A. Patterson, G. A. Gibson, and R. H. Katz. The case for RAID: redundant arrays of inexpensive disks. In Proceedings ACM SIGMOD Conference, pages 106-113, Chicago, IL, May 1988. n

Figure 3: Accès aux données tridimensionnelles selon les trois plans principaux

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TraiTemenT nUmériQUe de l’image microendos-coPiQUe

par Fatemeh Taleblou, Lab. Optique Appliquée, EPFL & Gianni Pante, Ingénierie des logiciels, GPIL & Christian Depeursinge, Lab. Optique Appliquée, EPFL

INTRODuCTION

La microendoscopie permet l’observation des cavités internes d’accès difficile telles que: artères coronaires, vaisseaux périphériques, canal bilinaire et pancréa-tiques, ventricules cérébraux, trompes en gynécologie, petites articulations, œil, etc. Le micro endoscope, avec un diamètre inférieur à 1mm, est constitué d’un réseau de fibres optiques et il est muni d’une micro lentille.

Cet article présente le processus du traitement numérique de l’image microendoscopique, dans le but d’optimiser la qualité de ces images. Le traitement est réparti en deux phases:z reconstitution de l’imagez rehaussement de l’image

Dans l’image obtenue par le microendoscope, on constate la pré-sence du réseau des cœurs du faisceau de fibres. Ce réseau est constitué des régions presque circulaires, dont cha-cune correspond à un cœur (figure 1). Le but de la reconstitution de l’image est d’éliminer ce réseau ou autrement dit de combler les espaces inter-cœur, afin que la distribution d’intensité soit uniformisée.

RECONSTITuTION DE L’IMAgE OBTENuE à TRAVERS LE FAISCEAu DE FIBRES

L’image du réseau des cœurs des fibres est obtenue en exposant la fibre à un éclairage blanc et uniforme. Les

cœurs sont de tailles et de formes diffé-rentes et ils sont composés d’un ensemble de pixels. La somme des intensités de ces pixels définissent l’intensité intégrée au niveau de chaque cœur.

Pour éliminer le réseau des cœurs, il faut calculer de nouvelles valeurs d’intensité pour les pixels situés dans les régions inter-cœur. Ce calcul est fait en interpolant les intensités des 3 cœurs les plus proches.

Pour pouvoir déterminer ces cœurs voisins, il faut localiser chaque cœur par les coordonnées (xB,yB) du barycentre de la surface correspondante. Cette surface est déterminée par les pixels qui appartiennent au cœur. Par la méthode de segmentation par croissance de régions, on regroupe les pixels contigus appartenant au même cœur et on calcule le barycentre de la surface de l’ensemble de ces pixels.

La figure 2-a représente la configura-tion des cœurs dans l’image du réseau

Après avoir reconstitué l’image, on s’intéresse à l’extraction des informations utiles à l’interprétation de l’image. L’amélioration du contraste en particulier est importante. Les différentes méthodes de rehaussement de l’image ont été étudiées dans ce but.

gaine externe (revêtement noir)

enveloppecoeur

0.422 mm

0.310 mm

3 -4 µm

gaine interne (silice)

~

~

Figure 1. Section d’une fibre multicœur Sumitomo


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de fibres. Dans la figure 2-b, chaque point lumineux correspond au barycentre d’un cœur.

Afin que tous les pixels de l’image soient compris dans le calcul de l’intensité, la surface attribuée à chaque cœur est délimitée par les médiatrices des segments reliant le cœur à chacun de ses voisins.

Ainsi la surface du faisceau des fibres est divisée en polygones adjacents et chaque pixel de l’image appartient à une et seulement une surface.

La nouvelle valeur d’intensité du pixel est une fonction de sa distance aux trois cœurs voisins et de l’intensité de ces derniers. La figure 3-a représente l’image à l’aide du microendoscope d’un thrombus dans un vaisseau. La figure 3-b représente l’image reconstituée.

REHAuSSEMENT DE L’IMAgE RECONSTI-TuéE

Le rehaussement du contraste est important en trai-tement de l’image, lorsque la perception visuelle de l’information est générée par la faible valeur du contraste de l’objet observé.

Il comprend l’ensemble des méthodes qui modifient l’apparence d’une image, de façon à améliorer la détectabilité de l’objet recherché.

Une grande variété de méthodes basées sur la redé-finition de la valeur des pixels de l’image originale, par la modification d’histogramme, a été proposée.

Dans ce cas, le rehaussement est obtenu en redé-ployant l’histogramme des intensités pour donner un poids égal à tous les niveaux de gris. Ainsi, on force les échantillons des niveaux très denses à occuper d’autres nivaux moins denses et l’échelle des gris est élargie. Ceci a pour conséquence d’augmenter sensiblement le contraste. La transformation est présentée par une fonction F qui attribue à chaque pixel une nouvelle valeur de niveau de gris:

Itrp = F(I

p, x,y, q

1,...,q

m)

Itrp: valeur transformée du pixel p

Ip: valeur originale du pixel p


Figure 2-a: Réseau de 6000 cœurs

Figure 2-b: Matrice des barycentres des cœurs

Figure 4-a: L’image rehaussée selon la méthode globale

Figure 4-b: L’image rehaussée selon la méthode locale

15 x,y: coordonnées du pixel p q

1,..., q

m: paramètres de transformation

Il existe deux approches principales pour ce traite-ment: une approche globale et une approche locale.

l’approChe globaleEn ce qui concerne l’approche globale, la fonction

F est appliquée à chaque pixel indépendamment de son voisinage et elle est déterminée à partir de l’histo-gramme cumulé de toute l’image. Cette méthode est peu coûteuse en temps de calcul, mais pour l’amélioration du contraste, elle n’est pas optimale.

l’approChe loCaleL’autre approche, locale (AHE: Adaptive Histogram

Equalization), prévoit des régions de voisinage centrées sur chaque pixel et la fonction F est calculée selon l’his-togramme cumulé de la région considérée.

Ainsi, la nouvelle valeur du pixel est obtenue en fonction des caractéristiques de son voisinage. Comme on pouvait s’y attendre, les résultats sont plus satisfaisants mais il y a deux problèmes: z rehaussement exagéré du bruit dans des régions

homogènes où l’histogramme des intensités présente des pics.

z temps de calcul assez important dû au traitement individuel de chaque pixel de l’image.

Afin de résoudre ces deux problèmes, d’autres méthodes de l’égalisation ont été développées à partir de la méthode AHE: z «CLAHE» (Contrast Limited Adaptive Histogram Equa-

lization).z «MHE» (Moving Histogram Equalization).

Les figures 4-a et 4-b représentent respectivement le résultat du rehaussement de l’image originale (voir la figure 3-a) selon la méthode globale et locale.

CHOIx Du SySTèME ADéquAT Aux uTILI-

Figure 3-a: L’image originale

Figure 3-b: L’image reconstituée

SATEuRS

Étant donné que les médecins sont les utilisateurs principaux du logiciel développé, le choix d’un système accessible au point de vue économique et facile à transporter est indispensable.

D’autre part, la briéveté du temps d’exécution de l’ensemble du traitement est un facteur primordial pour les médecins.

Pour ces raisons, on a choisi une application Macin-tosh pour que le médecin puisse piloter le système faci-lement et de manière autonome. Cette application est développée en C++ sous l’environnement Metrowerker CodeWarrior pour PowerPC et elle comprend les pro-cédures du traitement numérique de l’image obtenue à travers le réseau des fibres.

L’application Vidéo Monitor, permet au médecin de visualiser sur le moniteur les images reçues par la caméra connectée au microendoscope et de les enregistrer sous fichier. Ensuite, il pourra appliquer les traitements correspondants à la calibration et la reconstitution de ces images.

Avec PowerMac, la reconstitution de l’image se fait environ en 0.8 seconde et pour le rehaussement selon la méthode globale, le temps de calcul est de l’ordre de 1 seconde.

L’étape suivante serait l’acquisition et le traitement en temps réel des séquences d’images microendoscopiques. Le traitement sera effectué de manière transparente à l’utilisateur qui pourra alors ajuster les paramètres de l’image en jugeant immédiatement de l’effet obtenu.

En conclusion, l’amélioration de la qualité de l’image microendoscopique constitue un verrou technologique. Elle est déterminante dans le développement des techniques d’intervention minimales invasives. Or, ce développement promet d’être très important dans le futur de la microchirurgie, car il permet d’améliorer le confort du patient tout en réduisant les coûts hospitaliers. n


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sysTème d’enTraînemenT PoUr chirUrgie en-doscoPiQUe UTilisanT la réaliTé virTUelle

par Damien Tappy & Charles Baur, Groupe Vision, Institut de Microtechnique, EPFL

LA CHIRuRgIE NON INVASIVE

Les progrès réalisés les dernières années en chirurgie ont été marqués par un nouveau type de chirurgie dite chirurgie non invasive. En effet, la tendance générale en chirurgie est de réduire les traumatismes des opérations, en diminuant notamment la taille de l’accès de la zone à opérer.

En chirurgie endoscopique, le prin-cipe revient à ne pas ouvrir le corps du patient comme on avait l’habitude de le faire, mais à pratiquer des micro incisions (appelés trocarts) qui serviront de passage pour l’insertion d’outils chirurgicaux (pinces, ciseaux, aspira-teurs, pointes coagulantes, etc.).

Le premier constat est que la vision directe de la zone d’intervention du chirurgien est supprimée. Par consé-quent, il est nécessaire d’introduire une micro caméra par l’un des trocarts: c’est ce qu’on appelle l’endoscope. Cet endoscope est raccordé par un faisceau de fibres optiques ou via une CCD à un moniteur couleur et on visualise l’image prise par la caméra. On visualise ainsi l’intérieur du corps

telle médecine et on peut prétendre sans risque que dans 3 à 4 ans la chirurgie endoscopique couvrira 60 à 70% des opérations, contre 40% aujourd’hui.

LES LIMITES DE CETTE CHIRuR-gIE

La plupart des désavantages de cette chirurgie touche directement le chirurgien, le patient lui subit les conséquences. En effet le principe même de cette méthode implique une perte de référence complète sur deux plans principaux: le toucher et la vision (le chirurgien opère en regardant une télévision: c’est ce que les Américains appellent la chirurgie Nintendo.

Le chirurgien doit donc apprendre un nouveau métier: c’est une nouvelle tech-nique qu’il faut maîtriser, des nouveaux repères, des nouvelles sensations qu’il lui faut acquérir. Pour cela il faut s’entraîner, et le malade n’est certainement pas le cobaye idéal pour faire ses premiers pas. La plupart des chirurgiens se sont entraînés sur des animaux, en particulier des cochons. Si on fait abstraction de toutes questions éthiques, les animaux

Surgical Ghost: virtual world3D Tools �

+ Endoscope

Graphic�Workstation

Display (stereoready)

Virtual�representation�of the working

area

User�(visual part)

Endoscope Tool

Entrance point: �- inverse robot�- 3D sensors �- force feedback actuators

Surgical Ghost: real world

User hand

17du patient: le chirurgien opère donc via un écran vidéo.

L’étendue des opérations croît de plus en plus, et elle couvre aujourd’hui beaucoup de spécialités: la chirurgie O.R.L., et particulièrement endonasale, la chirurgie abdominale, l’obstétrique ou la neurochirurgie.

LES AVANTAgES DE CETTE MéTHODE

Les avantages d’une telle méthode sont multiples et touchent non seulement la santé du patient mais aussi les aspects économiques.

En ce qui concerne la santé du malade, les bénéfices de cette chirurgie sont considérables. Étant donné que la partie du corps incisée est minime, la morbidité postopératoire peut être réduite (cicatrisation plus aisée, moins de risque d’infection). Le malade se remet beaucoup plus vite d’une opé-ration puisqu’elle est beaucoup moins destructrice.

Du point de vue économique, le gain est loin d’être négligeable. En effet comme le patient récupère très vite de l’opération, il peut quitter l’hôpital rapidement. A titre d’exemple, suite à une ablation d’une tumeur au poumon, un patient est de retour chez lui deux jours après l’opération (au lieu de deux semaines pour la même intervention en chirurgie classique); et il obtient quinze jours d’arrêt de travail (au lieu de deux mois).

Ces chiffres sont suffisamment par-lants pour comprendre l’intérêt d’une

ont été un bon moyen d’apprentissage, mais à l’heure actuelle, il est interdit d’opérer des animaux dans un nombre de pays toujours plus élevé.

Les chirurgiens n’ont donc plus de choix, en l’absence d’autres méthodes d’entraînement réalistes, ils font leurs premiers essais sur le malade. Les risques d’erreurs sont donc beaucoup plus importants et le danger d’une médecine à deux vitesses n’est pas à écarter: les chirurgiens expérimentés seront beaucoup plus chers que les novices.

LE SIMuLATEuR DE CHIRuRgIE ENDOSCOPIquE

Il est indispensable que les chirur-giens aient rapidement une bonne maîtrise de leurs instruments et des gestes opératoires avant d’opérer leur patient. Il en va de la santé du malade et de la crédibilité de la chirurgie. C’est pourquoi le corps médical exerce une forte pression sur les ingénieurs afin qu’ils mettent au point des techniques d’enseignement.

Le Dr Cuttat du service chirurgie du CHUV et le Groupe Vision de l’EPFL ont décidé d'unir leurs efforts pour mettre au point un simulateur de chirurgie endoscopique le plus près possible de la réalité. Ce réalisme doit être respecté sur les points suivants:

la visualisation: La vision 3D sur écran n’est plus

un problème et son utilisation devient même fréquente en réalité virtuelle Simulateur de chirurgie endoscopique: l’outil tire la paroi de l’intestin

l’outil appuie sur la paroi de l’intestinphase d’approche de l’outil


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(Virtual Reality: VR). Notons que de ce point de vue, la contrainte la plus importante se situe au niveau du réa-lisme de l’image. Il est inconcevable que les chirurgiens s’entraînent sur des images type dessins animés. On ne peut donc pas se contenter d’images de synthèses car la connaissance actuelle dans ce domaine donne des résultats trop éloignés de la réalité pour ce genre d’appli-cation, nécessitant le temps réel (au moins 30 images/seconde). Nous devons donc utiliser des images vidéos prises à l’aide d’un endoscope que nous appliquons sur des objets 3D virtuels. Ces images peuvent être soit en 2D soit en 3D.

la déformationLes organes du corps humain sont en général défor-

mables avec des propriétés différentes pour chacun d’entre eux. Nous devrons donc modéliser ces organes et appliquer à chacun d’entre eux une équation de déformation selon une contrainte.

Nous devrons également étudier et modéliser le comportement de tels systèmes lors de la rupture (cisail-lement, rupture à la traction ou sous une pression interne trop forte, etc.).

le retour de forCeMême si la sensation de toucher est fortement réduite

lors de chirurgie endoscopique, elle reste fondamentale lors de l’apprentissage d’une opération. C’est le seul moyen de restituer le contact physique entre la main du chirurgien et les organes.

le temps réelCeci signifie que le calculateur est capable de détecter

les entrées faites par l’utilisateur et d’y réagir en modifiant instantanément le monde simulé. C’est également un facteur déterminant dont on ne peut absolument pas se passer si l’on veut respecter le qualificatif de VR based.

Un des aspects du problème consistera à concevoir un système capable d’une part de recevoir tous les outils de la chirurgie endoscopique, et d’autre part de pouvoir définir leur position 3D. En outre, la boîte noire dans laquelle seront introduits les outils devra être capable de générer un retour de force.

Le but est donc de mettre au point un véritable simulateur de chirurgie (dans un premier temps endos-copique). Dans sa phase initiale ce nouvel outil ne sera pas adapté à tous les patients, mais il sera conçu de façon à simuler les réactions d’un malade dit standard. Ce sera alors un véritable outil d’apprentissage et d’entraînement. N’importe quel incident pourra être simulé et n’importe quelle innovation pourra être tentée. Un tel simulateur constituerait un progrès considérable pour le milieu médical.

Dans un deuxième temps, des mises à jour de l’environnement standard sur la base de l’étude d’un patient particulier pourront être réalisées. Cela pourrait permettre de tester en salle d’opération les gestes avant de les exécuter. Dans un tel contexte, il est même envisa-geable d’exécuter de véritables opérations à distance. Des cas simples comme des sutures ont déjà été réalisés aux USA via un tel mode.

TRAVAIL EN COuRS

L’idée proposée par le Groupe Vision consiste à adapter à ce nouveau domaine les outils VR testés avec succès dans le cadre des robots (classiques & mobiles) et à développer des outils manquants, en particulier pour ce qui est de la capacité à déformer les modèles virtuels 3D. Un premier pas a été fait dans ce sens lors d’un projet de semestre. L’application développée simule la déformation d’un intestin 3D virtuel texturé avec des images réelles et ceci en temps réel. Pour respecter le temps réel, la plate-forme utilisée est de type Onyx Reality Engine 2. Les déformations ont été calculées par la méthode des différences finies. Une illustration des résultats est donnée par les images du simulateur de chirurgie endoscopique sur la page précédente.

Un autre outil qui reste à développer est un système incluant un retour de force. Cette boîte noire dans laquelle on aurait la possibilité d’introduire des outils chirurgicaux et un endoscope, afin d’opérer une zone virtuelle visua-lisée sur le moniteur, est en cours d’évaluation à l’IMT.

Le mariage de la VR, de la robotique et de la vision constitue un gain fondamental pour l’avenir de la chirurgie endoscopique. On ne peut pas imaginer que la chirurgie se passe de telles méthodes: ce qui était hier de la science fiction devient de plus en plus réalité dans beaucoup de laboratoires de recherche. Beaucoup d’universités l’ont compris et c’est sans aucun doute l’un des axes de recherche prioritaires pour les prochaines années. n

émergence d’Une noUvelle synergie enTre inFormaTiQUe eT neUrosciences

Émergence d’une nouvelle synergie entre informatique et neurosciences

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une des préoccupations prioritaires de la recherche biomédicale actuelle est constituée par les neurosciences compte tenu de l’impact des maladies du système nerveux sur la santé publique. Une estimation de l’Association pour la décennie du cerveau en Suisse, indique pour notre pays le chiffre de 300'000 individus touchés par une de ces maladies. Le coût direct (traitement hospitalier et réhabilitation) avoisine les 4 milliards de francs par année, mais en s’appuyant sur une étude précise faite aux USA, il est possible de considérer qu’à ce chiffre s’ajoutent 11 à 12 milliards de francs par année dus aux coûts indirects correspondant à l’impact socio-économique des patients dans leur milieu [1]. Plus de quatre-vingt dix pour-cent de ces individus souffrent de symptômes qui débilitent à divers titres leurs fonctions intellectuelles supérieures, ce qu’il est convenu d’appeler les fonctions cognitives.

Le concept même de cognition ne saurait être conçu indépendamment de ses fondements neurobiologiques avant tout et de sa relation avec la représentation mentale, la logique et les théories computationnelles des perfor-mances animales et humaines [2]. Par exemple, chez des rats exposés dès la naissance à un environnement caractérisé par une série croissante de nouveautés, le cortex cérébral présente une épaisseur plus grande que celui de rats élevés dans un milieu invariant [3].

Lorsque l’objet de la recherche se réduit à la corré-lation entre activité mentale et états cérébraux, il appa-raît que l’approche qui a caractérisé l’avènement des sciences cognitives va en se mutilant en même temps que s’accomplit son action. Dans le référentiel causal binaire de Popper et Eccles [4], la causalité ascendante bottom-up pourrait expliquer le résultat expérimental précédent en affirmant objectivement que le changement morphologique du cortex cérébral est dû à une succes-sion de stimuli inconnus produisant un accroissement de comportement exploratoire chez un animal naïf. Dans le même paradigme causal, l’analyse descendante top-down empruntée souvent à la psychologie, voire

même à la psychanalyse, mais presque toujours se référant à des notions anthropomorphiques, permettrait d’affirmer que l’épaississement du cortex cérébral est causé par des expériences (au sens anglais experience et pas experiment) enrichies d’événements surprenants et intéressants.

La confrontation entre les causalités bottom-up et top-down tout en donnant l’impression d’une impasse pourrait se résoudre en une métamorphose vers un autre type de démarche. De la sorte, la recherche en neuros-ciences échapperait à une réduction qui soit une simple finalité causale. C’est cette attitude, en se fondant sur l’articulation dynamique des connaissances complexes acquises par les sciences cognitives, qui va servir de ligne directrice à la neuro-heuristique [5]. Ainsi l’expé-rience se renouvelle à chaque étape de l’avancement de la recherche sans se réduire à une expertise. Une telle démarche doit sans cesse faire appel aux nouvelles technologies qui constituent le moteur de l’émergence, dont l’énergie fait la différence entre la somme des parties et le tout. Parmi les nouvelles technologies, la biologie moléculaire et l’informatique sont certainement les plus marquantes en neurosciences.

La technologie novatrice la plus utilisée au laboratoire de neuro-heuristique, que j’ai pu constituer au début de 1994 au sein de l’Institut de Physiologie de l’Université de Lausanne [6], est l’Informatique. Grâce aux subsides octroyés par la D.G. XII de l’Union Européenne, par l’Office Fédéral de l’Éducation et de la Science et par le Fonds National de la Recherche Scientifique nous formons une équipe de deux chercheurs postgrades, trois doctorants et un ingénieur. En plus de la collaboration du Laboratoire de neurophysiologie sensorielle (F. et Y. de Ribaupierre) et de l’Institut de Physiologie de l’Université de Fribourg (E. Rouiller), nous bénéficions de visites régulières de professeurs et chercheurs postgrade en provenance des universités de Berkeley et de Los Angeles, ainsi que du Polytechnique de Milan et des universités d’Oxford, Padoue, Paris-Orsay et Salamanque.

Figure 1: Panneau frontal du logiciel LabView

L’informatique intervient à tous les niveaux de cette approche. L’acquisition de données bioélectriques est réalisée par des Macintosh IIfx avec des cartes d’interface NuBus et le logiciel LabView.

A la figure 1 on peut observer le panneau frontal élaboré à l’aide de ce logiciel par Christian Eriksson pour le contrôle des tests comportementaux effectués avec des rats. Le labyrinthe d’entraînement a été réalisé par André Singy et l’interface ainsi que les contrôleurs des capteurs et actionneurs connectés au Mac IIfx ont été conçus et réalisés par Christian Haeberli. Parmi les résultats obtenus dans ces tests (performances, temps de réaction, temps d’exploration, etc.) il est possible de définir un espace multidimensionnel dans lequel on peut observer des trajectoires d’apprentissage.


par Alessandro Villa, Institut de Physiologie, Laboratoire Neuro-Heuristique, Université de Lausanne

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Émergence d’une nouvelle synergie entre Informatique et Neurosciences

La plasticité sensorielle du système nerveux central appliquée à l’étude du système auditif constitue le thème central de nos recherches. Cela signifie la recherche des mécanismes qui permettent à un indi-vidu d’associer un son particulier à un événement signifiant. Que se passe-t-il dans le cerveau lorsque l’individu est confronté au choix conflictuel entre plusieurs réponses possibles? Cette question est abordée par la présentation simultanée d’indices auditifs conflictuels. Apparemment simple, le fil conducteur de ces recherches évoque des problèmes complexes dont l’articulation nécessite une approche différente de l’approche cognitiviste courante, ce qui a amené à la fondation du laboratoire de neuro-heuristique. Les membres de notre laboratoire ont des formations comprenant la neurobio-logie, la pharmacologie, l’anatomie, la physique, l’informatique et l’électronique. Afin de dépasser le cloisonnement disciplinaire, l’interaction de ces branches devrait permettre l’émergence de la neuro-heuristique par un processus de transdisciplinarité.

S

PexplorationGO task

NO-GO task

Figure 2: Dynamique d'apprentissage d'un ratA la figure 2 on voit un tel exemple élaboré par Jan Eriksson, qui

montre la dynamique d’apprentissage d’un rat passant beaucoup de temps en exploration au début des sessions de tests autour d’un

attracteur S. Ce graphe montre clairement que l’apprentissage ne s’effectue pas linéairement au cours du temps. Après un nombre critique de jours, variable d’un individu à l’autre, le rat améliore ses performances brusquement en se stabilisant autour d’un attracteur P.

Depuis de nombreuses années [7] des recherches fondées sur les réseaux de neuro-mimes (parfois incorrectement appelés réseaux de neurones artificiels!) ont été développés comme modèles des réseaux de neurones accessibles à l’expérimentation électrophysiologique. La figure 3 montre l’évolution de l’activité d’un réseau de 10'000 neuromimes correspondant à un petit morceau de cortex cérébral d’environ 1 mm2.

Grâce aux nouvelles technologies informa-tiques, des moyens d’investigation sans précédent sont apparus pour la recherche. Toutefois, la complexité des problèmes qui se posent en neuro-sciences est d’une telle envergure que l’apport informatique ne saurait se réduire uniquement à sa performance computationnelle et à sa dimension disciplinaire. En inaugurant une autre approche du problème, la neuro-heuristique tente de proposer un paradigme émergeant de la synergie entre informatique et neurosciences.

Figure 4: Simulation SIRENE

21en agrégats (t=3 msec) qui se maintient tout en se déplaçant à l’intérieur du réseau.

Mais les simulations de réseaux de neuro-mimes sont utilisées aussi pour étudier l’influence des projections de régions modulatrices du tronc cérébral (là où se trouvent les centres végétatifs et de régulation des fonctions vitales) vers les centres supérieurs du cerveau, tels que le thalamus et le cortex cérébral (8). Notamment au laboratoire de Neuro-Heuristique le programme de simulation SIRENE, écrit en Lisp, le langage bien connu en intelligence artificielle, permet d’étudier l’influence

du locus cœruleus, un noyau noradréner-gique du tronc cérébral, sur les caractéristiques spatio-temporelles des décharges neuronales dans les circuits du tha-lamus et du cortex céré-bral (figure 4). C’est un exemple d’une nouvelle approche en recherche biomédicale puisque les médicaments agis-sant sur cette voie nora-dréner gique sont utilisés quotidiennement pour le traitement d’états pathologiques, tels que la schizophrénie et les désordres affectifs, et que, comme mentionné précédemment, ces pathologies comptent désormais parmi les plus importantes dans la casuistique des af-fections du système nerveux.

Figure 3: Simulation dans l'environnement NextStep

RéFéRENCES

[1] Decade of the brain in Switzerland (1993), publié par l’Association pour la décennie du cer-veau en Suisse présidé par le Prof. P.J. Magistretti de l’Université de Lausanne; National Foundation for Brain Research (1991) The Cost of Disorders of the Brain, NFBR Cost Study, 1250 24th St. N.W., Suite 300, Washington, D.C. 20037, USA.

[2] Segundo J.P. (1985) Mind and Matter, Matter and Mind ?, J. Theoret. Neurobiol. 4: 47-58; Jeannerod M. (1992) The Where in the Brain determines the When in the Mind, Behavioral & Brain Sciences 15: 212-213; Searle J.R. (1985) Du cerveau au savoir, Hermann, Paris, France; Tiberghien G. (1993) Questions de mo dé lisation et de simulation cognitives, in: Intell igence natu-relle et intelligence artificielle (J.-F- Le Ny, Ed.), pp. 43-69, PUF, Paris, France.

[3] Diamond M.C., Connor J.R. (1981) A search for the potential of the aging brain, Brain Neurotransmitters and Receptors in Aging and Age-related Disorders, Aging Series vol.17 (Enna S.J., Samorajski T., Beer B., Eds.), Raven Press/ New York, N.Y. USA.

[4] Popper K.R., Eccles J.C. (1981) The Self and Its Brain, Springer International, New York, N.Y. USA.

[5] Le terme de Neuro-Heuristique a été suggéré par René Berger en février 1994 après une série de réunions de notre groupe transdisciplinaire Ganesha.

[6] Cet institut de la Faculté de Médecine est dirigé par le Prof. Eric Jéquier et se trouve à la Rue du Bugnon 7, CH-1005 Lausanne, Tel 021/692.5500, Fax 021/692.5505, E-mail: [email protected]

[7] Villa A.E.P., Zurita P. (1987) SImulation de REseaux de NEurones: an interactive software written in LISP to study the behavior of a neural network, Neuroscience 22: S847.

[8] Villa A.E.P. (1992) Les catastrophes cachées du cerveau, Le nouveau Golem 1: 33-63.n


Cette simulation a été réalisée par Sean Hill dans l’environ-nement NextStep sur une station HP 9000-712/60. Dans la représentation 3D (à gauche de la figure 3) le niveau vertical représente le niveau de dépolarisation de la membrane cellulaire (c’est-à-dire l’état d’activation de la cellule). Cette variable est représentée par des niveaux de gris pour la représentation 2D (à droite de la figure 3), la couleur claire correspondant au maximum d’activation. On note un foyer d’activité spontanée (à t=0 msec) suivi par un stimulus pendant 1 msec. Bien que l’activation par le stimulus soit distribuée sur l’ensemble du réseau (neuromimes en clair à t=1 msec), on note que les interactions entre cellules provoquent l’émergence d’une activité coordonnée

22

Informatique et unités de soins: une expérience originale

Informatique et unités de soinsUne exPérience originale

par Luc Heimendinger, Groupe Santé, Société Unisys & Dr Christiane Roth, Direction médicale, Centre Hospitalier Universitaire Vaudois

CONTExTE

Le présent article se propose de décrire et discuter brièvement une expérience originale d’informatique dans les unités de soins du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV). Si nombre de domaines d’activités hospitalières sont plus ou moins largement informatisés, il reste beaucoup à faire dans l’unité de soins, en termes de gestion et de dossier unique du patient. Les raisons de

tion du personnel utilisant l’application. En revanche, il a été impossible d’observer des gains de temps, car l’information a continué d’être collectée à la main en parallèle dans le dossier habituel pour des raisons médico-légales. L’intégration de SAX au système central a été particulièrement appréciée pour l’acquisition auto-matique de données administratives. On imagine sans peine le bénéfice que les médecins et soignants retireront d’une large intégration aux systèmes d’information des laboratoires, de la pharmacie et de la radiologie.

A l’issue des tests, tous les groupes d’utilisateurs se sont prononcés en faveur de l’informatique dans l’unité

Ce produit est développé par le Centre Régional d’Informatique Hospitalière (CRIH) d’Aquitaine, en France. La conception du produit remonte au dernier tiers des années quatre-vingts. Il fonctionne nativement sur des plates-formes Unix Hewlett-Packard et Sun et a été porté sur IBM Power-PC. C’est une architecture basée sur un serveur, des stations X et des imprimantes, dont une couleur et au format A3 pour les plannings de soins. L’application est écrite en langage C, sous X-Window et OSF-Motif, et elle repose sur une base de données Oracle (voir le schéma 2).

Le logiciel est conçu pour offrir un dossier unique et intégré de patient, ainsi qu’une gestion de l’activité de l’unité de soins (voir l’essentiel des fonctionnalités de SAX sur le schéma 3).

DéMARCHE

La recherche de logiciels a porté sur la zone franco-phone pour des raisons de compréhension et d’analogie de méthodes de soins. Il existe plusieurs bonnes solutions nord américaines, mais leur traduction est une entreprise de taille et les façons de soigner outre-Atlantique diffèrent sensiblement des nôtres.

Les deux services testeurs au CHUV se sont attribués

Ethernet

Serveur UNIX

Station X Station X

ORACLEX-Window, OSF-MOTIFSAX

L. Heimendinger, X. Ferrot

Serveurs deservicesmédico-techniques

Systèmecentral

. . .

HOPITAL

PATIENT

DOSSIER PATIENT

Gestionadministrativedu patient

Comptabilitéfacturation

Gestionmédico-

économique

Paie et gestiondu personnel

Servicestechniques

Archivesmédicales

. . .

Unité de soins

Repas,linge,etc.

Transports

Servicesmédico-techniques,blocs opératoires

Laboratoires

Pharmacie. . .

L. Heimendinger

23la disparité des niveaux d’informatisation sont multiples, nous en retiendrons deux.

A l’instar de ce qui se faisait dans les entreprises, on a commencé par automatiser la gestion administrative, la facturation, la communication de résultats divers, etc. On était orienté domaine, les modèles étaient connus. Le temps passant, on a évolué vers un concept centré patient. C’est à lui qu’on rattache toutes les informations qui le concernent.

Dans l’unité de soins, les informations sont tradi-tionnellement traitées et transmises oralement ou par l’intermédiaire du dossier manuscrit. Aujourd’hui encore la demande en informatisation reste timide et, pour les utilisateurs hospitaliers, l’informatique doit faire la preuve de son efficacité sur le terrain de la communication, de la simplification de tâches répétitives et de la planification.

Fort de ce constat et à la lumière des résultats des travaux de divers groupes, le CHUV décidait de définir et d’éprouver une solution informatique dans deux ser-vices, dans le but d’améliorer la gestion de production et la connaissance de l’information traitée au cœur de l’hôpital, c’est-à-dire dans l’unité de soins (voir schéma 1).

HISTORIquE SuCCINCT

Dès 1990, la direction du CHUV chargea des groupes de travail pluridisciplinaires d’étudier ce que devrait être un système d’information clinique. Dans le même temps, mais indépendamment, le Groupement des Hôpitaux Régionaux Vaudois (GHRV) initiait une démarche de réflexion sur l’informatisation du dossier unique du patient, la communication inter hospitalière et interdisciplinaire. Après l’évaluation des solutions à disposition à ce moment-là, le CHUV a décidé de tester le logiciel SAX (Soins Assistés sous uniX), bientôt rejoint dans la démarche par le GHRV, puis l’Hôpital Cantonal Universitaire de Genève, conférant ainsi au projet une dimension de collaboration intercantonale et multihospitalière coordonnée.LE LOgICIEL SAx

les fonctionnalités suivantes: en O.R.L. (chirur-gie), la prescription médicale avec ses effets sur le planning de soins; en médecine interne et en radiologie, la communication, grâce à la génération d’une demande d’examen informatisée. L’HCUG a évalué les fonction-nalités liées à la prescription infirmière, en médecine interne et en neurochirurgie. Le GHRV a testé le produit dans son ensemble incluant également des professions para-médicales (physiothérapie, ergothérapie, diététique) en plus des médecins et infirmiers, conformément aux exigences pluri- et interdis-ciplinaires du cahier des charges. Les tests ont duré trois mois en moyenne, précédés de périodes de paramétrisation de la base de données plus ou moins longues, selon la complexité des fonctionnalités à évaluer et les moyens mis en œuvre par les hôpitaux. Les principaux interlocuteurs furent des médecins, des infirmiers, du personnel paramédical, des informaticiens, les directions des hôpitaux et des partenaires externes, industriels et consultants, à hauteur de vingt-cinq personnes par hôpital environ.

RéSuLTATS ET PERSPECTIVES

Les gains attendus se situaient à plusieurs niveaux:•améliorationdelacommunicationgrâceàl’emploi

de dictionnaires communs,•univocitédestermesemployés,•réductiondesretranscriptionsmultiples,•miseàjourautomatiqueàpartird’unesaisieunique,•meilleuredisponibilitédudossierdupatient,•intégrationauxautressystèmes,•etc.

L’expérience nous a permis de vérifier ces gains. D’autres sont apparus, comme par exemple la valorisa-

de soins et en faveur également du logiciel SAX, à la condition expresse d’améliorer, corriger et adjoindre certaines fonctionnalités, de manière à les adapter au fonctionnement spécifique de chaque établissement. C’est en mettant à disposition une information complète et sûre que l’informatique contribue à l’amélioration rationnelle et économique de la qualité des soins.n

Entrée du patient

Fiche administrative

Anamèse médicale

Anamnèse infirmière

Soins InfirmiersThérapeutiques

Administratives

GESTION US

PRESCRIPTIONS

ANAMNESE

Paramètres Vitaux

Médicaments à administrer

TransmissionInfirmière

SOINS

Planning général des soins

Planning individuel des soins

Validation des soins Saisie des résultats

Prescription de sortie

Patients sous régime

SORTIE

Bilan standard Biologique Complémentaire

Interv. Chirurgicales

Actes médicaux Sortie

Commande Pharmacie

Commande Ambulance

Commande Brancard

Rendez-vous

Gestion du personnel

Gestion des lits

Sectorisation

X. Ferrot


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Laennec CD-ROM: Programme d’enseignement assisté par ordinateur multimédia pour la faculté de médecine

laennec cd-romprogramme d’enseignement assisté par ordinateur multi-

média pour la faculté de médecinepar Dr. Raphaël Bonvin & Prof. Philippe Leueneberger, Centre Hospitalier Universitaire Vaudois

Laennec CD-ROM est un tutoriel de l’examen clinique en pneumologie destiné aux étudiants en médecine dès la troisième année ainsi qu’aux jeunes médecins-assistants. Il est conçu comme un outil d’auto-apprentissage mais il se prête également très bien pour illustrer un cours. Le programme est bilingue (français et allemand) et est compatible Macintosh et Windows. Il utilise une inter-face graphique simple et intuitive qui le rend accessible même à un utilisateur néophyte en informatique, ce qui est encore fréquemment le cas parmi les étudiants en médecine.

Menu principal de programme avec l’accès aux trois modules de Laennec

Anatomie des segments pulmonaires

Chaque chapitre est composé de sous-chapitres et de pages. L’utilisateur peut à tout instant naviguer librement d’un chapitre à l’autre. Il peut également parcourir un index d’une centaine de mots, lui permettant d’accéder à la partie du programme traitant plus spécifiquement du sujet.

observations cliniques sont basées sur des cas réels admis à l’hôpital. La présentation de ces cas cliniques a pour objectif d’illustrer un mode d’approche systéma-tique du malade.

Chaque étape de cette démarche est marquée d’un diagnostic différentiel que l’utilisateur doit choisir. Pour terminer, le diagnostic final doit être introduit ainsi qu’une proposition de traitement. Par la suite, l’utilisateur a encore la possibilité de revoir tout ou une partie du cas et de lire un résumé de la pathologie présentée.

Examen clinique, auscultation pulmonaire

25DESCRIPTION DE PROgRAMME

Laennec CD-ROM s’articule autour de trois modules:

tutoriel de l’examen CliniqueCe module enseigne les différents examens cliniques

en pneumologie. Il présente quatre chapitres (inspection, palpation, percussion, auscultation).

Cyanose, simulation

Rappel anatomique

Technique des mains, percussion

Sons auscultatoires, râle crépitant fin

exerCiCe des Cas CliniquesAprès avoir choisi un patient, l’utilisateur peut consulter

l’anamnèse de son patient, effectuer un examen clinique, ordonner différents examens para-cliniques (laboratoire, radiologie, exploration fonctionnelle, etc.).

L’utilisateur peut choisir parmi huit cas cliniques. Les

Examen para-clinique, imagerie (CT-scan)

biographie de rené théophile hya-Cinthe laenneC

Ce dernier module présente un bref aperçu de la vie de l’inventeur du stéthoscope.

Le premier stéthoscopeCONCEPTION ET RéALISATION Du PRO-gRAMME


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Laennec CD-ROM: Programme d’enseignement assisté par ordinateur multimédia pour la faculté de médecine

L’idée de réaliser un tel programme a surgi d’un manque ressenti entre l’enseignement de l’auscultation pulmonaire dispensé en troisième année et son utilisation pratique durant les stages cliniques de cinquième année.

Une maquette du chapitre de l’auscultation fut d’abord réalisée en 1990 au CEMCAV (Centre d’enseignement médical et de communication audiovisuelle de la Faculté de Médecine de Lausanne) dans le but de tester l’envi-ronnement auteur (Authorware™) et de présenter l’idée de base en vue d’un travail de doctorat.

Début 1992, le concept du programme a été pro-gressivement établi.

D’un programme sur l’auscultation, Laennec CD-ROM est devenu un tutoriel de l’examen clinique en pneumologie avec des cas cliniques comme exercice. Dans un premier temps, le contenu du tutoriel a été défini. Parallèlement, l’interface et le concept de la navigation ont été mis au point. Le programme a été testé à une dizaine de reprises au cours du développement par des personnes issues du public cible. Ces personnes ne connaissaient pas le programme et ne recevaient que des informations générales sur son utilisation. Elles devaient ensuite parcourir le programme. L’auteur et plus tard également l’infographiste observaient l’utilisateur et notaient ses réactions et ses commentaires spontanés. L’exercice se terminait par une discussion dirigée sur l’utilisation et le contenu du programme.

Une autre source importante de feed-back a consisté en deux présentations en auditoire du programme aux étudiants de troisième et quatrième années de médecine de la Faculté de Lausanne. Les présentations durèrent 40 minutes, puis les étudiants furent invités à répondre à quelques questions et à faire part de leurs commentaires.

Toutes ces informations ont été très utiles pour améliorer le programme et pour s’assurer qu’il ne s’éloignait pas trop du public cible.

Le but de ce programme n’était pas de plagier les excellents livres existants. Il aurait été inutile d’investir autant d’énergie dans l’élaboration d’un simple tourne-

Les sons ont été enregistrés sur un Nagra à l’aide d’un stéthoscope modifié équipé d’un microphone. Ces sons ont été ensuite digitalisés à l’aide du convertisseur intégré au Quadra 950 ou à l’aide d’un studio digital, le Dyaxis System de Revox, puis retravaillés.

Les animations ont été créées à l’aide de MacroMind Director 3.1 puis converties au format QuickTime.

Les séquences vidéo ont été enregistrées en studio puis digitalisées à l’aide de la carte VideoVision Studio de Radius. Elles ont été ensuite comprimées en utilisant le codec Compact Video de Apple disponible avec QuickTime. Toutes les séquences QuickTime ont été comprimées de telle manière qu’elles ne dépassent pas un débit de 100 KB/sec, ce qui se fait au détriment de la taille de l’image ou de sa qualité (10 à 15 images par secondes, 320 x 240 pixels ou plus petit). Mais elles peuvent ainsi être utilisées dans un lecteur CD-ROM simple, la vitesse présentant un débit maximal d’environ 150 KB/sec.

LA TRADuCTION

L’idée de réaliser une version allemande du pro-gramme s’est rapidement imposée. La correction de la traduction a été confiée au Professeur E. Russi, titulaire de la chaire de Pneumologie de l’Hôpital Universitaire du Zurich. La révision critique du contenu associée au processus de contrôle de la traduction a également donné l’assurance que le contenu n’était pas trop entaché de doctrines locales.

La traduction ne représente qu’une part mineure dans le développement d’un tel programme. En tra-duisant le programme, l’investissement initial en temps et en argent se trouve mieux exploité. Cette approche bilingue a passablement modifié la structure interne du programme pour permettre une traduction plus aisée. Ceci ouvre à présent la possibilité d’autres traductions (italien et anglais).

polices attachées à un document ou à une application comme le fait le système Macintosh. L’utilisateur doit donc installer ces polices de caractères au début du lancement du programme.

CHOIx Du SuPPORT DE DISTRIBuTION

Avec plus de 400 MB de données, seul le CD-ROM entrait en ligne de compte. Ce média nous permettait également de réaliser un CD hybride Macintosh et Windows, simplifiant énormément la distribution du programme !

Toutes les données (DOS et Macintosh) ont été transférées sur un support formaté HFS (Macintosh). Les fichiers DOS ont été rendus invisibles pour le Finder du Macintosh. Comme premastering, un CD Write-Once (au format Yellow Book mode 1) a été réalisé à partir de ce volume en lui donnant deux tables des matières localisées à deux endroits différents sur CD. La première table pour le monde Macintosh contient tous les accès au contenu du volume (fichiers Mac et DOS). La deu-xième table au format ISO 9660 ne contient que les pointeurs des fichiers DOS. Ainsi, une fois le CD introduit dans un des deux types de machines, seuls les fichiers nécessaires sont visibles à l’utilisateur. Cette approche rend également possible le partage de données pour les deux mondes sans être obligé de les dupliquer (ce premastering a été effectué par CTM Développement à Genève).

PLATE-FORME DE DéVELOPPEMENT ET D’uTILISATION

Un Quadra 950 24/1 GB a été utilisé comme station de développement. Pour le transfert sur Win-dows, un 486 66DX-2 16/500 MB a été utilisé. Les deux machines étaient reliées entre elles par un réseau Ethernet avec TCP/IP.

27page de piètre utilité, vu que la lisibilité d’un texte à l’écran reste bien inférieure à celle d’un imprimé. L’idée était plutôt de chercher à utiliser le médium informatique pour ses qualités intrinsèques : marier l’image, le son, les animations et le texte en une présentation non linéaire. Pour exploiter judicieusement ces différents véhicules de l’information, il a fallu créer des images pertinentes, enregistrer les auscultations et filmer les gestes pour les substituer avantageusement au texte descriptif et abstrait. De plus, le programme se devait d’être interactif pour atteindre un meilleur transfert d’informations, en permet-tant à l’utilisateur de choisir lui-même les informations ou les connaissances dont il a besoin (choose & do) et de l’impliquer activement dans le processus d’apprentissage (learning by doing).

L’information a dû donc être segmentée, de telle sorte qu’un concept puisse être développé et présenté sur une page-écran. Là où une page ne suffit pas, un menu sous forme de boutons conceptuels fournit un accès aux pages contenant les différents sujets à approfondir. Chaque page est donc un équilibre, un compromis entre le texte, l’image, l’esthétique visuelle, la clarté de l’idée développée et le contenu lui-même. La notion d’esthétique est importante. L’écran possède sa typographie comme la possède le papier. Sans tomber dans le piège d’une mode, la présentation a été particulièrement soignée pour que l’utilisateur exposé aux médias de tous les jours ne se lasse pas trop vite (trop de texte) ou ne se laisse pas trop distraire du contenu lui-même (couleurs trop vives et images inutiles).

La source des images est très variable. Les dessins ont été réalisés dans des programmes graphiques tels Photoshop ou Illustrator. Les photos ont été réalisées en studio puis tirées sur diapositives. Celles-ci furent directement digitalisées ou stockées sur un CD Photo de Kodak. Les photos ont été ensuite retravaillées dans Photoshop. Toutes les images sont en 256 couleurs et possèdent la même palette (CLUT). Pour la version Macintosh, certaines images sont affichées en 24 bit si la machine le permet (sous Windows, Authorware ne gère pas encore les images de plus de 8 bits).

PROgRAMMATION

Laennec CD-ROM a été développé avec Au-thorware™ Professionnal pour Macintosh et Windows de MacroMédia.

La programmation d’Autorware™ se fait à l’aide d’objets appelés icônes que l’on dispose sur un flow-chart. Chacune de ces icônes correspond à une fonction (comme l’affichage d’un élément graphique ou son effa-cement, différents branchements, les interactions avec l’utilisateur, etc.) et contient toute une série de paramètres qui peuvent être modifiés selon les besoins. L’avantage de ce genre d’outil pour l’assemblage de programmes multimédia est le gain de temps. Pour le projet Laennec CD-ROM, le temps dédié à la programmation est estimé à 15 - 20 %.

DéVELOPPEMENT D’uNE VERSION POuR wINDOwS

La réalisation d’une version pour Windows s’est décidée tardivement.

Les essais de conversion des fichiers Authorware™ pour Mac en Windows se révélèrent très prometteurs et très stables. Une stratégie semblable à celle de la traduction fut appliquée. La version Macintosh a été considérée comme la version «maîtresse» et convertie pour la plate-forme Windows. Des transferts furent réalisés régulièrement au cours du développement de Laennec CD-ROM et les modifications furent apportées en amont, de telle sorte que la conversion finale ne demanda en fait quasiment aucune intervention.

Le problème des différences dans les tables ASCII pour les caractères non-standard (tous les caractères accentués) entre les deux plates-formes n’est pas pris en charge par la conversion de Authorware. L’idée a été d’utiliser une police de caractères Windows correspon-dant en tout point à celle utilisée dans l’environnement Mac. L’inconvénient est que Windows ne peut gérer des

Les stations cibles pour l’utilisation du programme ont été les suivantes:z un Macintosh IIcx avec 4 MB de RAM, écran 14'’

256 couleurs, système 7.x avec QuickTime 1.6.1, lecteur CD-ROM

z un 486 SX 25 Mhz avec 4 MB de RAM, écran 256 couleurs 640 x 480, carte son, Windows 3.11 avec QuickTime for Windows 1.1, lecteur CD-ROM

Le programme peut être copié en totalité sur disque dur pour une utilisation optimale et occupe alors plus de 200 MB.

TEMPS DE RéALISATION Du PROJET

Le développement de Laennec CD-ROM s’est étendu de mars 1992 à juin 1994 et a représenté une tâche à plein temps du premier auteur. Le travail d’infographie a été réalisé en deuxième partie de l’édification du système, d’avril à décembre 1993. Les Professeurs Leuenberger et Russi ont collaboré à la réalisation du tutoriel dans le cadre de leur activité de recherche en enseignement de la médecine.

PARTICIPANTS Au PROJET

Dr. Raphaël Bonvin: auteur, réalisateur, conception gra-phique, interface, programmation, traduction

Prof. Philippe Leuenberger: auteur et responsable du contenu scientifique

Béatrice Boog: réalisation infographieProf. E. Russi: correction de la traduction de l’original

français en allemandCEMCAV: photos, vidéo n


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