Département de microtechnique, Institut d'imagerie et optique appliquée IOA

Eye-guided laser surgery

Schönenberger, Klaus ; Salathé, René-Paul (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1996 ; no 1524.

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    Summary
    The application of lasers in microsurgery and in particular in neurosurgery offers many advantages such as, e.g., hemostasis, no-touch (i.e. aseptic) procedures, and pinpoint accuracy. However, these advantages can often not be fully exploited since adequate laser beam delivery techniques are not available. Traditionally micromanipulators attached to the surgical microscope and also laser-handpieces are used. Such techniques require that one hand of the surgeon is used to direct the laser beam, leaving only one hand free for the adjustments of the microscope, suctioning, and dissection. Moreover, precise and continuous aiming along complex targets in deep confined anatomical spaces is extremely difficult with such systems. In this work, we present a novel technique for laser surgery which allows to overcome the basic pitfalls of the traditional delivery techniques. The idea is to slave the laser position to the surgeons line of sight. Such an eye guided laser surgery allows to free completely the surgeon's hands and enables him to easily guide the laser along any target line in the object field of the microscope by simply looking at it. The goal of this thesis work consisted in demonstrating the technical feasibility of this idea by developing an experimental prototype. In a first step the problems of eye tracking on an operating microscope are addressed. Among the different possibilities to detect the position of gaze, we have chosen a video based technique. A special eyepiece allowing to obtain the infrared image of the surgeon's eye and an optimized infrared illumination source allowing to enhance the contrast of the eye image are described. The second step consisted in critically reviewing the different solutions to couple a laser beam to the operating microscope and in discussing all aspects concerning the system soft- and hardware. The technical performances of this first eye-guided laser aiming system are then analyzed. The results confirm that the speed of response of the system is sufficient for microsurgery. The resolution of the laser aiming in the operating field depends on the magnification of the microscope. A value of 62 micrometers is achieved at the highest magnification. A second part of the thesis is concerned with the study of some aspects of human vision relevant to the ability of the surgeon to control the laser with his regard. The most important issues in this context are saccadic eye movements, the fixation characteristics and ocular dominance. They have been investigated by measuring the corresponding characteristics of test persons on the eye guided laser system. The eye movements during laser aiming consists of a succession of rapid saccades and longer fixations of the eye. The dynamics of these jerks constitutes a problem with respect to laser dosimetry. We demonstrate that adequate filtering allows to obtain a smooth laser aiming with a constant laser energy deposition. The stability of fixation is analyzed with respect to ocular dominance and it is shown that there is no disturbing influence on the ability to maintain stable laser aiming. The system is slightly sensitive to head motions of the surgeon. A 3-D mathematical model has been developed to describe this sensitivity. The model has been verified experimentally. It constitutes to our knowledge the first description of the sensitivity of the eye tracking technique to head motions. It allows to optimize the parameters of the prototype in order to limit the effect of head movements on the accuracy of the eye tracking. The experiments on eye guided laser aiming with test persons also revealed that untrained persons are able to perform complex laser aiming and point addressing tasks with this first prototype with a minimum of training. The use of the eye guided laser system in real operating conditions is described in the last part of this work. Different surgeons were able to perform the first eye guided laser assisted microvascular anastomoses in vivo on the rat. One of them used the system for the first time and his successful interventions clearly demonstrated the important ergonomic advantages of this highly evolved man-machine interface.
    Résumé
    L'utilisation du laser en microchirurgie et en particulier en neurochirurgie offre un certain nombre d'avantages tels que par exemple l'hémostase, la précision et l'asepsie. Néanmoins, ces avantages ne peuvent souvent pas être pleinement exploités étant donné l'inexistence de moyens adéquats pour appliquer le faisceau laser au point a traiter. En règle générale on se sert d'un micromanipulateur intégré au microscope opératoire ou d'une pièce-à-main. Avec ce genre d'instruments, une des mains du chirurgien est occupée à diriger le faisceau laser. Il ne reste ainsi au chirurgien qu'une main libre pour les taches telles que régler le microscope, succionner ou disséquer. De plus, un guidage précis et continu du laser est extrêmement malaisé avec ce genre de systèmes. Dans ce travail, une nouvelle technique pour la chirurgie laser est présentée, qui permet de s'affranchir des désavantages des autres techniques. L'idée principale est d'asservir la position du laser à la direction du regard du chirurgien. Ce genre de chirurgie laser guidé par le regard libère complètement les deux mains du chirurgien et permet à ce dernier de guider le laser le long d'une ligne quelconque en la suivant simplement du regard. Le but de ce travail de thèse consistait en la démonstration de la faisabilité du concept en développant un prototype expérimental. Dans une première étape, les problèmes inhérents à l'intégration sur le microscope opératoire d'un système de poursuite de l'oeil (eyetracker), sont adressés. Parmi les différents principes permettant la détection de la position de l'oeil, nous avons choisi une technique basée sur l'analyse d'image vidéo. Un oculaire spécial permettant d'obtenir une image infrarouge de l'oeil, ainsi qu'un dispositif d'illumination infrarouge optimisé, ont été réalisés. Avec cette combinaison, des images d'oeil fortement contrastées sont générées. La deuxième étape consistait en l'étude critique des moyens de couplage du laser dans le microscope opératoire, et en la discussion de tous les aspects techniques et informatiques. Les performances techniques de ce premier système de guidage d'un laser par le regard son ensuite analysées. Les résultats obtenus confirment que la vitesse de réponse du système est suffisante pour son application en microchirurgie. La résolution du pointage du laser dans le plan opératoire dépend du grossissement du microscope. Ainsi, au plus fort grossissement cette résolution est de 62 micromètres. Une seconde partie de cette thèse traite de l'étude de certains aspects de la vision humaine, qui ont une importance pour la capacité du chirurgien à contrôler le laser avec son regard. Dans ce contexte, les sujets les plus importants sont les mouvements saccadiques des yeux, les caractéristiques de fixation et la dominance oculaire. Ces aspects ont été examinés en mesurant leurs caractéristiques avec différentes personnes sur le prototype. Les mouvements oculaires pendant le guidage du laser, sont une succession de saccades rapides et de périodes plus longues de fixation. La dynamique de ces mouvements constitue un important problème pour la dosimétrie de l'application du laser. Nous démontrons qu'un filtrage adéquat permet d'obtenir un mouvement régulier avec une déposition d'énergie constante. La stabilité de fixation est analysée en relation avec la dominance oculaire et il est démontré que celle-ci n'a pas d'effet notable sur la capacité de maintenir la fixation. Le système présente une légère sensibilité à des mouvements de tête du chirurgien. Un modèle mathématique tridimensionnel à été développé pour décrire cette sensibilité. Ce modèle a été vérifié expérimentalement. Il constitue, à notre connaissance la première description de la sensibilité de la technique de poursuite de l'oeil, à des mouvements de la tête. Il permet l'optimisation de certains paramètres du prototype dans le but d'abaisser l'effet de cette sensibilité sur la précision du pointage. Les expériences portant sur le guidage du laser par différentes personnes ont également révélé que des personnes inexpérimentées sont capables de réaliser des tâches de guidage du laser sur des cibles ponctuelles ou le long de figures complexes, avec un minimum d'entraînement. L'utilisation du système laser guidé par le regard dans des conditions opératoires réelles est l'objet de la dernière partie de ce travail. Des chirurgiens ont réalisé, pour la première fois, des micro-anastomoses vasculaires assistées par laser dans des conditions in vivo sur le rat. L'un des chirurgiens utilisait le système pour la première fois et le succès obtenu lors de son intervention démontre les importants avantages d'ergonomie de cette interface hommemachine hautement évoluée.