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Cours de robotique médicale

David.Daney sophia.inria.fr

Projet CoprinINRIA Sophia Antipolis

D. Daney INRIA Cours robotique médicale 200x 1 / 44

Historique

IEEE International Conferenceon Robotics and Automation

1992 3/423 articles

2002 40/689 articles

2004

I 25 (Medical),I 15 (biologie),I 10 (rehabilitation)

Industriel

1989 Computer Motion(AESOP, Zeus)

1992 Integrated Surgical System(Robodoc, Neuromate)

1995 Intuitive Surgical(da Vinci)

Pourquoi cette explosion ?


Comparaison Homme/Machine

La Machine

++ Précision géométrique

++ Précision dans le contrôle desefforts

++ Capacité à travailler enenvironnement hostile

++ Répétabilité

++ Pas de fatigue Inconvénients

– Peu de capacités à décider,apprendre et s’adapter

– Modèles incomplets

– Fiabilité limitée

L’homme

++ Capteurs naturels performants

++ Dextérité

++ Coordination

++ Capacité de raisonnement et depensée

++ Adaptation des compétences

– Sujet à la fatigue

– Tremblements

– Imprécision

– Incapacité de voir au travers destissus

– Sensible aux radiations


Intérêt de la collaboration Homme-Machine

Meilleure précisionSécurité accrueTraumatismes diminuésDiminution du nombre d’interventionsTemps d’hospitalisation réduit


Particularités de l’application de la robotique aumédicale

C’est un système complet :

structure mécanique,

Interface Homme-Machine (IHM),

des composants électroniques,

un contrôleur logiciel.

qui doit être sécurisé a toutes les niveaux.Problematiques:

Interaction intime avec un environement humain(comportement imprevisible patient/chirurgien)

Collisions,

Espace de travail limité.


Différence entre robot industriel et robotique médicale1/4

L’automatisation d’une tâche devient difficile

Le facteur humainconditions change en fonction du patient et du personnelmédicalLes contraintes cliniquesChaque opération, même spécialisée, est différente


Le facteur humain 2/4

PatientCondition changante

Position de la table d’opération

Caractérisatiques des organes

Caractérisatiques des tissus

accessibilité des organes

...

Sans possiblités de phase de test...

Personnel médical

Chirurgiens

Anesthésistes

infirmiers

Conséquence ...


Le facteur humain 3/4

Planification nécessaire :

? phase préopératoire

phase perception

phase décision

Le plan d’action doit être modifiable et adaptatif (diagnostic,complication, comportement patient etc ...)

IHM adaptée :

Interface orienté métier


Les contraintes cliniques 4/4

Utilisation pour des actes medicaux sprécifiques(neurochirurgie, arthroplastie,...)Champ stérile (autoclave, drap stérile)Espace de travail encombré par des appareils médicaux(radiologie, anesthésie, chirurgie, etc ...)

◦ Contrainte de positionnement(peut-être différent entre deux opérations de même nature)

→ Prendre en compte les obstacles→ Repositionner du robot (transportable, enlevé en cas de

complication)


De la spécialisation de la robotique médicale 1/2

Procédure chirurgicale utilisant des robots industriel + sécurisation

◦ [CASPAR] Stäubli RX

◦ [ROBODOC] SCARA (proche des robots Sankyo Seiki SR et IBM7576)

◦ [Drake 91], PUMA 200, résection des tumeurs du cerveau

◦ [Kazanzides 92], IBM SCARA 7576 modifié, arthroplastie sur lahanche

◦ [Kienzle 95], PUMA 560, Placement des prothèses de genou

◦ [Knappe 02], PA10 de Mitsubishi Heavy Industry, études defaisabilité en chirurgie orthopédique

◦ [Michelin 02], PA10 de Mitsubishi Heavy Industry, chirurgieendoscopique


De la spécialisation de la robotique médicale 2/2

La robotique médicale se spécialise

◦ Zeus et AESOP (Computer Motion),

◦ da Vinci (Intuitive Surgical),

◦ Hippocrate (SINTERS),

◦ Evolution 1 (URS Ortho),

◦ Surgiscope (ISIS),

◦ EndoAssist (Armstrong Healthcare),

◦ ...


Classification des robots médicaux 1/7

[Lavallée 91]: degré d’autonomie de robots

Systèmes passifs, ni moteurs, ni autonomieSystèmes semi-actifs, positionneurs et guides d outils(la puissance est coupée lors de l’intervention proprement)Systèmes actifs, une partie de l’intervention est autonome(les axes de ces derniers étant motorisés)

Intérêt : notion de sécurité



[Troccaz 01] ajoute les notionssystèmes synergiquesSystèmes mus par l’actionnement du chirurgien, mais limitant etcontraignant (dynamiquement) les gestes de celui-ci, par constructionmécanique ou logiciellesystèmes de téléchirurgie + microsystèmes robotisés(redondant avec systèmes actifs ou synergiques)



[Dario 96]

macro-robotique(robots de réhabilitation, d’intervention chirurgicale, stimulationfonctionnelle)micro-robotique(endoscopes et robots pour la chirurgie minimallementinvasive)bio-robotique(implants électroniques, bionique, robionique)



[Dohi 93]

robots de diagnostic et de biopsie,robots thérapeutiques,robots de réhabilitation,robots aide-soignants,robots de transport d’échantillons,robots de recherche,robots d’entraînement



[Thérond 96], coopération entre le système mécanique et lesacteurs médicaux

coopération chirurgien/robot(le robot apporte précision et répétabilité),coopération patient/robot(le robot apporte autonomie au patient handicapé)coopération personnel hospitalier/robot(le robot assiste le personnel médical en le soulageant detâches répétitives ou physiquement éprouvantes)



[Hein 01]

les systèmes automatiques qui exécutent la tâche planifiée defaçon autonome,les systèmes de télémanipulation pour lesquels le chirurgienn’est pas directement sur le lieu de l’opération,les systèmes par contrôle interactif qui sont un mélange desdeux précédents le chirurgien est à proximité du patient.



[Davies 93a]

système(allant de la simple pince chirurgicale au bras motorisé)techniques de perception(qualitative et quantitative, en pré, per ou postopératoire)


Domaines médicals d’applications

◦ arthroplastie [Taylor 91],◦ neurochirurgie [Glauser 91]◦ ponctions chirurgicales [Davies 91]

chirurgie minimallement invasive [Guthart 00] [Ginhoux02]échographie [Pierrot 99],prise de sang [Zivanovic 00],chirurgie maxillo-faciale [Lueth 98],greffe de cornée [Smith 00]...


La robotique médicale

1 Manipulation en milieu médical2 Prothèse (substitutif), orthèse (correctif), téléthèse (supplétif).3 Outils de visualisation et d’intervantion:

I Endoscope : appareil permettant l’exploration visuelle du corpshumaine(∅ ≤ 10 mm), leur robotisation peut permettrel’outillage d’une endoscopie.

I ET Laparoscopie (abdomen), colioscopie (intestin),arthroscopie (articulation), Fibroscopie bronchique (bronche),fibroscopie oeso-gastro-duodénale (oesophage), hystéroscopie(utérus).

I exemple : M2A capsule


La robotique médicale

4 Robotique chirurgicale :systèmes robotisé intégration de différentes techniques(informatique, mécanique, automatique, imagerie médicale,vision par ordinateur, communication à distancevia internet ...)

Figure: Zeiss MKM, 1994, porte microscope

5 Autres : micro/nano-robot, robots nettoyeurs, animaux virtuelde companie, modélisation moléculaire, télé-echography(TER) ...


Manipulateur en milieu médicales

Fournir un positionnement, un mouvement, une trajectoire ...

au malade : table chirurgicaleà un appareil : source d’imagerie médicale (X, IRM, RMN, US,Vidéo)en milieu pharmaceutique

Figure: Genomics Institute of the Novartis Foundation

Micro-manipulation


Les prothèses, orthèses et autres téléthèses

Prothèse substitutif, orthèse correctif, téléthèse supplétifMini historique

Les béquilles (le terme apparait en 1611)Ambroise PARE (1510-1590), prothèse de cuisse,reproductible à une plus grande échelle

ApplicationsPersonnes handicapées, convalescentes, agées ...



TypesProthéses :

Interne (hanche)Externe (membres inférieurs, supérieurs),la robotique permet une meilleur approximation desmouvements réels des membres

Orthéses :MembresAmplificateur de force



Téléthèse :

Aide au mouvement (commande vocal, simplifié)Aide à la manipulationAide au déplacementAide à la localisation (ex : aveugle)



Téléthèse :

Figure: MANUS armFigure: care-o-bot, aide à la presonne



Prothèse/orthése à movement de plus en plus compliquéles téléthèses ∼ problème de robotique classiqueCommande directe via les nerfsTravail sur les matériaux (poid, rigidité/souplesse, mémoire deforme etc ..)

film prothèse


Les endoscopes

Mini historiqueEn 1806, Philippe BOZZINI (1775-1809), médecin italien vivant enAllemagne, réalise la première endoscopie grâce à un spéculum de

son invention combiné à un système de miroirs et de lentilles, etdont la source lumineuse est une bougie de cire. Il appelle son

appareil le Lichtleiter.

Figure: Endoscope

laparoscope, chaîne fermée Vs laparoscope, chaîneouverte

endoscope


La médecine à distance

∼ 1980 la télémédecineSoigner indirectement dans des milieux hostiles.

Militaire (US) : soigner les soldats sur le champ de batailleEspace (Nasa) : soigner dans l’espaceBateau de commerce

à donné naissance à :

? diagnostic → sytème expert, intelligence artificiel? Opération → robotique chirurgicale


La robotique chirurgicale

Depuis 1994, 850 opérations chirurgicales ...

ThoraciqueViscèraleOrthopédieNeurologieRadiothérapie

DaVinci



Qu’est ce que c’est ? :

Intégration de système : laparoscope + microscope + tabled’opération + médecine à distance ...

À quoi ca sert ? :

OpérerSimulation : entrainement du chirurgien

une simulation



Pourquoi ? :

Meilleur précisonPlus surMoins de traumatismeDiminue le nombre d’opérationConfort post-operatoireMeilleur rétablissement

une opération



Exemple d’application

porte endoscopeporte outils (orthopédie)porte microscopeautre ... Récolte de peau

Avantages : Maitre - esclave

Limitation de l’espace de travailRetour d’effortTélé opération

Maitre - esclaveMaitre - esclave + retour d’effort


La sécurité des robots médicaux


Les normes européennes

Modification de la norme ISO 9000 → Directive 93/42/CEECertification EN 4600 permet le marquage CE et classe les robots

suivant:

Classe I : faible degré de risque.Classe IIa : degré moyen de risque.Classe IIb : potentiel élevé de risque.Classe III : potentiel très sérieux de risque.


Critères de classement

durée d utilisation du dispositif :de quelques minutes (temporaire) à plusieurs années(implantable),le caractère invasif ou non du dispositif,le type chirurgical ou non du dispositif,le caractère actif ou non du dispositif,la partie vitale ou non du corps concernée par le dispositif(systèmes circulatoires et nerveux centraux).


Classification des risques

Degré de Criticité Événement Événement Événementrisque mécanique électrique logiciel

Degré 0 Tolérable : Vibrations Électrocution de faible Mauvaisele robot à le potentiel d’infliger du bras puissance du patient utilisationun choc mineur à un humain ou de l’opérateur de l’IHM

Degré 1 Grave : Chute Coupure Pertele robot peut de l’outil de l’alimentation de contrôle

blesser un humain chirurgical de puissance de l IHMDegré 2 Très grave Chute Coupure Erreur de

le robot peut mettre d’un élément d’un des fils lecture des effortsen péril un humain mécanique lourd moteurs appliqués

Degré 3 Désastreuse : Basculement Électrocution de forte Calcul de lale robot peut causer de la structure sur le puissance du patient génération de

le décès d un humain patient ou l opérateur ou de l’opérateur trajectoire faussé


Principe de conception

[Davies 93a]

degré de redondance dans son contrôle et ses capteurs,

la possibilité de concevoir un système à l’aide de composantsintrinsèquement sûrs(c’est-à-dire la capacité de réduire le niveau de risque parconstruction),

la fiabilité des composants utilisés pour la fabrication.


Conception Électromécanique 1/2

Composants intrinséquement sûrs

Limitation physique plus que logiciel (puissance des actionneurs,butée mécanique) exemple : BloodBot, prise de sang, insertion <20mm, neurochirurgie, prostatectomie

Rapport de réduction (diminution des vitesses) : Pb reversibilitéexemple : + la neurochirurgie, - la chirurgie minimalement invasive

Limitateur de couples mécaniques si obstacle, le robot s’arrete ; pasles moteurs

Décrochage rapide de l’outils (fusible mécanique) AESOP,l’endoscope et le bras se déconnecte si effort trop important surl’optique

Freinage fiable, même en cas de coupure de courant : Pbréversibilité, légère secousse pour actionner/desactionner les feins,freins à manque d courant, évite l’éfondrement de la structure



Redondance

Doubler certains composants (panne, détérioration)exemple : frein pour le NeuroMate, Neurochirurgie stéréotaxique

Utilisation de capteurs absolues et non relatifs→ Doubler les capteurs de positionnement



Architecture Mécanique

Intégrer les câbles

Contrôle orienté sécuritéexemple : collisions, courant moteur s’accroit anormalement

Modélisation du robot (ddl, redondance, butées, liaisons ...)exemple : Neurochirurgie, débattement d’insertion de la sonde= +/− 30O

Modélisation mathématique

Modélisation de la planification pré-opératoire (logiciel CAO →placement du robot et autres appareils)


Sécurité électrique

Composants intrinséquement sûrs

I Pédale homme mort (Dead Man Switck, DMS)I Boutons d’arrêt d’urgence (+Procédure de redémarrage)

Redondance

I soit en parallèle : carte chien de garde, entrée-sortieI soit en série : bouton d’arrêt d’urgence, relais éléctriques

Conception éléctrique

I Système de coupure si pb élétrique détéctéI Immunité aux champs électriques, aux décharges

électrostatiques, au bruit électrique, etc...I Blindage des câbles électriques, utilisation de fils torsadés,

séparation des circuits électriques des parties alimentations(puissance) et signaux (faibles tensions), utilisation detransformateurs d’isolement


IHMDeux sources d’erreurs :

Disfonctionnement logicielle ou matérielle de l’IHM

Mauvaise utilisation de l’IHM

Solutions :

Brider l’interface

Pour chaque phase de l’opération

I Étude sémantique qui définit l’action du chirurgien pour endéduire une description fonctionnelle haut-niveau de l interface ;

I Étude syntaxique qui définit l’ordre des séquencesd’interactions, afin de structurer les actions possibles entre lutilisateur et l’interface

I Étude lexical qui décrit le type d’objet utilisé pour concevoir linterface : boutons logiciels ou matériel, avertisseurs sonores,diodes lumineuses, boîtes de dialogues logicielles ou écransLCD, etc...


Développement logiciel

Programmation en blocs fonctionnels(contrôle articulaire, contrôle Cartésien, communication avec lespériphériques et les capteurs (un par unité périphérique parexemple), communication et IHM, processus de sécurité, etc.)

En cas de conflit, d’erreur, priorité aux variables de sécurité

Multiplier les processeurs (Pb : synchonisation)(exemple : calcul d’images, contrôle d’effort, contrôle du robot)

Redondance logiciellebutée, espace de travail (robot synergique)

Alarmes logicielles(effort trop grand, vérification de positionnemnt (aiguille), CASPERmouvements anormaux du patient détecté)

Simulation de l’opération


Prothèses, orthèses et téléthèses

Figure:


téléthese

Figure: Manus

Bras manipulateur monté sur un fauteil électrique : Manus(comerc), Friend Bras manipulateur monté sur une base fixe :AFMASTER (comerc), Handyl (comerc) Bras manipulateur montésur une base mobile : MOVAID, ARPH, HTSC


ProthèseOtto Bock

Figure: C Leg

Figure: Hand


Prothèse du bras

Animated Prosthetics

Figure: ACS 1025


Main artificiel DLR

German Aerospace Center (DLR)

Figure: DRL, Hand II


Bras artificiel DLRGerman Aerospace Center (DLR)

Figure: DRL, LWR

Figure: DRL, LWR


Bras + Main DLRGerman Aerospace Center (DLR)

Figure: DRL, LWRFigure: DRL, Commande Maitre-esclave


Application DLR

German Aerospace Center (DLR)

Figure: DRL, LWR


Exosquelette

Figure: BLEXX

Figure: Springwalker


La robotique s’inspire de l’hommeMuscle pneumatique - Shadow

Figure: Biped

Figure: Hand


Main artificiel - Cyberhandhttp://www-arts.sssup.it/Cyberhand/introduction/

biomechand.htmConsortium:

Scuola Superiore di Studi Universitari e di PerfezionamentoSant’Anna, Pisa, Italy

Inail RTR Centre, Viareggio, Italy

Centro Nacional de Microelectronica, Barcelona, Spain

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert,Germany

Universidad Autonoma de Barcelona, Barcelona, Spain

Center for Sensory-Motor Interaction, Aalborg University, Aalborg,Denmark

Figure: CyberhandD. Daney INRIA Cours robotique médicale 200x 55 / 44

http://www-arts.sssup.it/Cyberhand/introduction/biomechand.htm

http://www-arts.sssup.it/Cyberhand/introduction/biomechand.htm

Main artificiel - Cyberhand8 ddl/finger (dont 2 passif)

Figure: RTR

Figure: Gant


Commander le vivant

Figure: Robot fish


Interaction homme-machine

Commander de cafard

Commander par la pensée

Projet DEMAR


Prothèse des yeux

Doheny Eye Institute (Univ. Southern California)

Figure:


Chirurgie orthopédique

Ortomarquet

Figure: Caspar



Intergrated Surgical Systems

Figure: Robodoc



Figure: Robodoc Figure: Système de vision


Endoscopie - AESOP 3000

Computer Motion

Figure:


Endoscopie - EndoAssit

Armstrong

Figure:


Chirurgie minimallement invasive - da Vinci

Intuitive Surgical

Figure: Vue générale



Figure: Surgeon consolFigure: Patient-side cart



Figure: Endoscope 3D

Figure: Instruments


Chirurgie minimallement invasive - ZeusComputer Motion

Figure:

Figure:


Chirurgie minimallement invasive - Zeus

Figure: MaitreFigure: Esclave


Orthopédie - CASPAR

URS

Figure:


Orthopédie - ROBODOC

ISS

Figure:


Orthopédie - Acrobot

Imperial College/Acrobot Company

Figure: Vue générale


Orthopédie - Acrobot

Figure: Tâche

Figure: Détails


Échographie - Hippocrate

SINTERS/LIRMM/EDF

Figure:


Télé-échographie - Syrtech, Térésa, TER, Otelo

LVR - Sinters - France-télécom R&D - Praxim - CHU Tours,Grenoble

Figure: TER Figure: TER

Maitre - esclave


Neurochirurgie - Neuromate

ISS

Figure:


Neurochirurgie - PathFinder

Armstrong

Figure:

Brochure


Ponction péricardique - PaDyC

TIMC

Figure:


Prévévement cutané - SCALPP

SINTERS/LIRMM

Figure:


Prise de sang - BloodBot

Imperial College

Figure:


Guidage - Surgiscope

Elekta IGS

Figure:


D’autres architecture possible

Figure: Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation(IPA) - PI

Figure: Technion-Israel Institute of Technology


Steerable Endoscope for Laparoscopic Surgery

"Endo-Periscope"

Figure: Endoscope


Endoscope - M2A GIVEN IMAGING

Figure: M2A capsule

Figure: M2A image

Figure:

Inside the M2A Capsule

1. Optical dome

2. Lens holder

3. Lens

4. Illuminating LEDs (Light Emitting Diode)

5. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) imager

6. Battery

7. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) transmitter

8. Antenna


Outils - MIPS

Figure: MIPS


Outils - DLR

Figure: Pince retour d’effort


Endoscope - Sant’Anna

Figure:


Endoscope - MUSYC

A MUltifunctional mini-robot SYstem for endosCopy

Figure:


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