Acquisition d’image

La réorientation autonome de la coupole nécessite de récupérer le signal vidéo de la caméra se situant dans la poignée centrale de la coupole (figure 5.2b) et de le traiter. La prise d’images est assurée par un bloc SONY FCB-EX1000P (résolution de 0.44Mpixels) qui permet l’observation de la scène chirur-gicale malgré le haut niveau d’éclairement. Ce choix est justifié également par ses caractéristiques qui facilite son intégration dans la coupole (poids, compacité, connectique, . . . ). Le signal (composite) créé par cette caméra est envoyé à un boîtier de numérisation Dazzle (DVC-100). Celui-ci renvoie le flux par liaison USB à l’ordinateur portable Asus G51J (système d’exploitation Windows 7, 1GB de mémoire vive, processeur Intel i7 famille 7200M), chargé du traitement d’images. Ce choix simule la puissance de calcul finale post étude. Les programmes du traitement d’images sont développés en C⁺⁺et utilisent des bibliothèques OpenCV permettant une récupération très simple des images de la scène opératoire.

Les conditions d’exploitation sont très spécifiques et diffèrent de celles habituellement rencontrées pour des applications de reconnaissance d’objets. En effet, la luminance perçue par la caméra est dans notre cas démultipliée en raison de la puissance du projecteur pouvant atteindre 125klux. Ce problème de fort éclairement est l’une des principales difficultés de cette étude. Compte-tenu des dimensions de la tache lumineuse (180mm pour un Powerled300 placé à une distance de 1m de la scène), l’image obtenue est fortement contrastée malgré notre choix de caméra, comme le montre la figure5.4a. Il est alors difficile de reconnaître des objets au-delà de la région couverte par la tache.

Ceci entraîne trois cas de figures :

1. les gestes du chirurgien sont effectués dans la tache lumineuse. Il est possible d’accomplir une réorientation de la coupole sans trop de difficulté, l’éclairage ayant le temps de centrer le faisceau lumineux sur la zone d’intérêt du chirurgien ;

2. les gestes du chirurgien sont effectués en dehors de la tache lumineuse. Aucune reconnaissance n’étant possible en dehors de la tache lumineuse il n’y a donc pas de réorientation de la coupole.

Pour amener le système à éclairer une zone d’intérêt placée en dehors de la tache lumineuse, le chirurgien peut effectuer une série de "zones d’intérêt temporaires" permettant au système de converger vers la zone d’intérêt réelle. Le temps nécessaire à cette opération est trop important par rapport à une réorientation manuelle, le chirurgien privilégie donc cette dernière option ;

3. les gestes du chirurgien sont à la frontière de la tache lumineuse. La mise en mouvement de la coupole n’est pas assurée car la zone d’intérêt peut ne pas être "reconnue" ce qui empêche toute réorientation du système.

Il apparaît donc primordial de trouver une solution au problème de saturation de l’image qui limite fortement l’intérêt du système si nous maintenons les caractéristiques du projecteur (puissance, diamètre de tache, . . . ). Plusieurs solutions ont été envisagées :

1. l’adjonction d’un matériau diffusant ;

2. l’ajout de projecteurs supplémentaires éclairant à la périphérie de la tache principale ; 3. l’application d’un filtre à densité neutre ;

4. l’application d’un filtre à transmission variable.

Remarque : Une possibilité aurait été de modifier les paramètres internes à la caméra, notamment diminuer le temps d’exposition de la caméra. Cette solution s’avère ici impossible à mettre en œuvre en raison de l’inaccessibilité de ce paramètre pour le matériel choisi.

La première solution consiste à accoler un matériau diffusant (verre dépoli par exemple) à la source de lumière pour la rendre moins directive. Comme le montre la figure5.4b, cette technique permet une exploitation plus importante de l’image. Cependant, elle reste insuffisante compte-tenu de l’assombrisse-ment des bords de l’image et de l’inhomogénéité de la couleur sur le carton témoin.

Une seconde technique consiste à ajouter des projecteurs supplémentaires éclairant la périphérie de la tache principale, ceci toujours dans le but de diminuer le contraste dans l’image. A l’éclairage est ajouté quatre projecteurs basse puissance de type LUCEA (de la société MAQUET) d’un éclairement de 10klux chacun. Il n’a malheureusement pas été possible d’intégrer les tests effectués pour cette solution à ce manuscrit.

Troisième technique éprouvée au cours de cette étude, l’ajout d’un filtre à densité neutre au niveau de la pupille d’entrée de la caméra, jouant le rôle d’atténuateur de lumière afin d’obtenir un contraste moins grand. Le problème est que modifier uniformément la luminance n’affecte pas le contraste. Dans notre cas, il s’agit de diminuer fortement l’éclairement au centre sans affecter le reste de l’image. Coller une surface opaque sur la caméra, nous permet d’obtenir une image exploitable dans sa globalité (figure

(a) Image d’origine. (b) Avec surface dépolie accolée à l’éclairage.

(c) Objet opaque collé à la pupille d’entrée de la caméra.

(d) Utilisation d’un filtre apo-disant.

(e) Utilisation d’un filtre apodisant en conditions réelles.

Fig. 5.4 – Différentes techniques pour la diminution du contraste.

5.4c). Cependant, le centre de l’image est non visible et empêche toute désignation au centre. Une erreur statique (distance entre la zone d’intérêt réelle et celle désignée) apparaît et dépend du diamètre de l’ob-jet utilisé. Cette erreur empêche a fortiori tout réajustement optimal de la coupole. Bien qu’inadaptée, cette solution donne une idée de l’approche à suivre.

La solution retenue consiste à utiliser un filtre à transmission variable. Ces filtres dits apodisants se distinguent des filtres neutres par leur capacité à uniformiser la luminance malgré une répartition d’éclai-rement inhomogène. Le profil de transmission utilisé s’approche d’une loi gaussienne ; l’image obtenue donne satisfaction (figure5.4e). Sur cette image, nous pouvons remarquer tout de même certaines varia-tions de luminance dues à l’écart entre le profil de la coupole et celui du filtre (formation de halos sombres concentriques et de réflexions de certaines parties de l’image). A défaut d’autres solutions plus adaptées et malgré l’existence d’anneaux opaques dans l’image, ce dispositif sera conservé pour l’intégralité des tests à venir.

Remarque : Dans le cas d’interventions en chirurgie majeure, cadre de notre étude, la réglementa-tion oblige d’utiliser deux coupoles afin de prévenir tout défaut. Il est donc légitime de se demander si les problèmes évoqués pour une coupole ne sont pas démultipliés avec l’utilisation d’une seconde coupole. Comme nous le verrons par la suite, l’emploi d’une source additionnelle améliore le rendu dans l’image. Ceci est dû à la différence entre les distributions du filtre et de la coupole. En effet, l’augmentation de l’éclairement contrebalance les régions sombres là où la transmission était trop éle-vée. L’utilisation du prototype avec des éclairages opératoires supplémentaires ne pose donc pas de problème pour l’exploitation de l’image dans sa totalité.

En résumé :

Un prototype d’un éclairage opératoire motorisé a été développé. Les normes très draconiennes du milieu chirurgical ont été respectées et nous permettent d’utiliser le prototype en bloc opératoire. Cette activité a nécessité de nombreuses modifications très consommatrices en temps. La caméra, soumise au fort éclairement de la coupole, a été munie d’un filtre apodisant afin de rendre les images exploitables.

Le profil de transmission de ce filtre ne correspond pas exactement à celui de la distribution de lumière fournie par la coupole. Ceci entraîne une légère inhomogénéité dans l’image acceptable dans cette étude. L’ensemble des traitements (désignation de la zone d’intérêt, calcul de la loi de commande) sera assuré par un ordinateur portable.