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Projet CT-BotAssistance robotique aux interventionspercutanées sous scanner à rayons X

Laurent Barbé, Bernard Bayle, Olivier Piccin et Michel de Mathelin

LSIIT équipe Automatique, Vision et Robotique UMR CNRS 7005Université Louis Pasteur de Strasbourg

Groupe de Recherche en Robotique : GT1 Robotique MédicaleParis, le 27 mai 2008

Contexte médical

La radiologie interventionnelle ?technique médicale mini-invasive

accès aux organes par voies naturelles ou percutanéestypes d’interventions :

diagnostic : biopsie, etc.traitement : radio-fréquences, vertébroplastie, pose de cathéter, etc.

guidage des instruments par imagerie : IRM, échographique ou scanner

Avantagesmoins traumatisantes pour le patient

moins de problèmes post-opératoires

Laurent Barbé (LSIIT) Projet CT-Bot 2 / 26

Motivations

Interventions percutanées sous scannerscanner à rayons X plus répandu que IRM

qualité et résolution de l’image par rapport à l’échographie

Scanner à rayons X

DANGER POUR l’EQUIPE MEDICALE

Problématiques liées aux interventions manuellesutilisation des rayons X

nombre d’interventions limitééquipements spéciaux

positionnement initial long (nocif aussi pour le patient)

perception des efforts d’interaction utile pour le radiologue

ObjectifConcevoir un système pour protéger le radiologue des sur-expositions


Plan de la présentation

1 Robotisation du geste percutanéDescription et analyse d’une insertion d’aiguilleProcédure robotiquePrincipe de fonctionnement

2 Système maître-esclaveSystème esclave d’insertion d’aiguilleSystème maître

3 Expériences de téléopération in vivo

4 Conclusions - perspectives


Déroulement d’une intervention manuelle (radio-fréquence)

Objectifs Destruction d’une tumeur hépatique uniquement en insérant une aiguille dansle foie, sans recourir à une intervention chirurgicale ouverte

Consultation pré-opératoirelocalisation de la cible

planification du geste

Déroulement intervention1 repérage du point d’entrée sur la peau2 préparation du patient : stérilisation,

anesthésie, etc.3 incision de la peau au point d’entrée4 insertion : destruction de la tumeur puis

extraction (Alternance prise d’image -insertion)


Analyse d’une insertion d’aiguille

Analyser les efforts d’insertion - Objectifscomprendre le comportement des tissus

caractériser les efforts d’insertions

Caractéristiques du comportementDiversité des tissus rencontrés :

inhomogène, non linéaire, avec plusieursruptures

la peaules tissus adipeux ou graisseuxles tissus musculairesles fascias : membranes fibreusesles organes

différent d’un individu à l’autre

mouvements physiologiques


Évolution des efforts au cours d’une insertion

Analyse des effortsforce comprise entre ≈ -1,5 N et 6 N (max. ≈ 15-20 N (contact os))

variations importantes des propriétés biomécaniques au cours de l’insertion

changements abrupts lors du passage d’un tissu


Procédure robotique

Découplage de l’insertion en deux sous-tâches [Maurin05]positionnement et orientation de la trajectoire d’insertion (5 ddl, en vert)

insertion et rotation propre de l’aiguille (2 ddl, en rouge)

Positioningplatform

Insertiondevice

baseStrapped


Insertion robotisée

Modalités souhaitées par le radiologuerester présent dans la chaîne d’action/décision

commander à distance l’insertion

avoir toutes les informations du patient à proximité

Système maître-esclavemanipulateur maître : permet au radiologue de faire l’intervention à distance

manipulateur esclave : réalise l’intervention en suivant les instructions duradiologue

Nécessité du retour d’effortssécurité du patient lorsque l’aiguille est enfoncée

informations primordiales lors de l’insertion


Système télérobotique pour l’insertion d’aiguille

Schéma de principe de la téléopération dédiée à l’insertion d’aiguille sous scanner

Images scanner Acquisition d’images

Rés

eau

Radiologue PatientInterface maître Manipulateur esclave

Système de téléopérationSystème maître + opérateur humain

Système de communication bilatéral

Système esclave + environnement


Système télérobotique pour l’insertion d’aiguille

ObjectifsDonner l’impression à l’utilisateur de manipuler directement les objets d’un site éloigné.

Intérêtsopérer à distance

filtrer les tremblements

augmenter l’ergonomie

accroître la dextérité

fournir plus d’informations (IHM)

Difficultésstabilité : retour d’efforts/visuel

interaction avec des organes vivantsefforts non-linéaires

sécurité du patient

performances


Système de positionnement CT-Bot

Système robotique CT-Bot du LSIIT [Maurin05]positionnement de l’aiguille à partir des images Scanner

système robotique à 5 ddl, structure parallèle

placé directement sur le patient

enfoncement manuel de l’aiguille

CT−scan plane


Système esclave d’insertion d’aiguille

Cahier des chargesenfoncement de l’aiguille et orientation du biseau

préhension et relâchement de l’aiguille⇒ mouvements physiologiques

fixation sur le CT-Bot

Contraintescompatibilité avec les rayons X (pas de métal dans la coupe scanner)

rapport course d’enfoncement/encombrementProblème : aiguille de ≈ 150 mm pour une course max. ≈ 60 mm

sécurité et asepsie

mesurer les efforts



Arbre flexible

1. Mécanisme d’entraînementen translation

2. Mécanisme d’entraînementpour serrage/deserrage

Aiguille

Mandrin

4. Plateforme du CT-Bot

Système de préhension

5. Mécanisme d’insertion

Loquet

130

mm

150

mm

3. Système de mesure d’efforts



Système de préhension

1 mandrin à deux mors

point d’entrée = second point desaisie

centrage automatique de l’aiguille39 mm

28m

m



Fonctionnement en conditions réelles


Système maître - Cahier des charges

Objectifs - Cahier des chargesoffrir au radiologue un outil pour l’insertion d’aiguille à distance

orienter le biseau de l’aiguille (sans retour d’efforts)

restituer les efforts selon l’axe d’insertion

répondre aux exigences de sécurité liées à l’utilisation médicale

ContraintesInterface à retour d’efforts dédiée aux interventions percutanées :

limiter l’encombrement + faciliter la prise en main

course du mouvement ≈ 120 mm

reproduire l’ergonomie du geste percutané

mesure des efforts

limiter les frottements, les effets d’inertie

compenser la gravité


Système maître - Prototype

(a) (b)

Performances du système maîtreretour d’effort : 7 N en continu, 18 N en max.

encombrement : course de 115 mm / 195 mm de longergonomie :

organe terminal = aiguille de vertébroplastieinclinaison de l’interface

électronique, alimentation, actionnement dans une boîte de 195×180×155 mm


Expériences de téléopération in vivo (1/3)

Système maître Système esclave

Conditions expérimentalesexpériences réalisées sur un cochon anesthésié

utilisation du système CT-Master et du planteur monté sur une structure passive

insertion réalisée dans l’abdomen avec une aiguille de biopsie



Structure de commande bilatérale



Résultats de suivi en position et en efforts

Une petite vidéo des essais in vivo.Laurent Barbé (LSIIT) Projet CT-Bot 24 / 26

Etat actuel du projet - Perspectives

Système maître-esclavesystème d’enfoncement d’aiguille :

préhension de l’aiguille par mandrinadaptation à la plate-forme de positionnement CT-Botcompatibilité avec le scanner

interface à retour d’efforts dédiée à l’insertion d’aiguille

Retour d’expériencesvalidation de la précision du système de positionnement CT-Bot

fonctionnement du principe de préhension

téléopération avec retour d’efforts in vivo

Perspectivestester le système complet in vivo sous scanner

améliorer le système de préhension

améliorer le retour d’efforts : augmentation de la perception, etc.


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Documents