AGATHE
AXE 2 – Conception et optimisation de dispositifs en interaction physique
Cette recherche vise l’innovation méthodologique en conception de dispositifs comanipulés d’assistance au geste médico-chirurgical. D’une manière générale, l’effort porte sur l’élaboration et l’exploitation de modèles avancés des interactions machine-patient et/ou machine-opérateur, ainsi que sur l’intégration technologique et sur la validation expérimentale.
A. Structures fines longue portée à actionnement réparti
Les applications potentielles des structures flexibles longue portée à actionnement réparti intéressent les chirurgies endoluminales ou cavitales en général et les techniques opératoires avant-gardistes non-invasives comme la NOTES ( Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery ) en particulier. Dans ce contexte, nos objectifs en termes de performance et d’intégration sont ambitieux et nous conduisent à nous appuyer sur les apports de la mécatronique actuelle ainsi que sur la complémentarité de disciplines diverses : imagerie, micro-électronique, nanotechnologie, etc. En particulier, l’accent est mis sur l’utilisation de moyens innovants d’actionnement.
Fig. 1. Dispositif d’imagerie endomicroscopique du projet PERSEE.
On peut citer par exemple, le projet PERSEE ( 2011ACTI2148 ) dans lequel on souhaite contrôler précisément les mouvements d’un fibroscope de micro-endoscopie confocale à des fins de mosaicing d’images cellulaires en surface d’organe (foie, pancréas). Le dispositif porteur développé intègre un actionnement hydraulique dans un diamètre hors-tout de 5mm et un contrôle précis du balayage par asservissement visuel 2D, cf. Fig. 1.
On trouve un autre exemple de ces travaux de conception dans le cadre du BQR UroBotique. Un uréthéroscope actif (diamètre 3mm hors tout) a été conçu pour l’assistance à la pulvérisation laser des
lithiases rénales ( 2010ACLI1581 ). Un actionneur déporté à base d’AMF contrôle les déplacements fins du tir laser en complément du contrôle manuel des grands mouvements. La zone cible est repérée grâce à un traitement temps réel de l’image endoscopique retournée.
B. Systèmes haute-mobilités en interaction avec le vivant
Nos travaux en matière de systèmes à haute mobilité (robots dextres porte-instrument, orthèse du membre supérieur.) sont marqués par la recherche d’optimalité. En particulier, nos développements font appel à des méthodes avancées de simulation et d’optimisation en mécanique (logiciels de simulation multi-physique, algorithmes génétiques, modèles éléments finis ou analytiques), ( 2010ACTI2279 , 2011ACLI2188 ).
C. Assistance aux gestes cinématiquement contraints
En chirurgie, les gestes pratiqués sont souvent cinématiquement contraints par les mouvements physiologiques des organes opérés ou par les contraintes aux points d’insertion des instruments. Dans ce contexte, la comanipulation série offre de nombreuses possibilités d’innovation. Les questions conceptuelles portent ici sur le choix des mobilités internes à la chaîne main-outil-organe (localisation, types) et sur le mode de commande de ces mobilités au regard des questions d’ergonomie, ( 2010ACLI1499 ).
A titre d’exemple, dans le projet ID2U, le but était de proposer un instrument comanipulé de laparoscopie satisfaisant à l’ensemble des spécifications : encombrement, ergonomie, dextérité, facilité de mise en œuvre. Nous avons mené une étude quantitative des meilleures solutions en termes de cinématique distale, ( 2010ACLI1499 ) et de mode de couplage à l’aide d’un simulateur de laparoscopie développé en interne. Suite à cette étude, un instrument à 7 ddl dont 4 commandables a été prototypé et validé expérimentalement.
Une autre question fondamentale porte sur l’intégration de capteurs dans des dispositifs de taille très réduite et avec des contraintes de stérilisation drastiques. En particulier, la mesure d’efforts entre la partie distale d’un instrument et les organes est une difficulté d’autant moins triviale que l’instrument est manipulé par un opérateur qui applique lui-même des efforts sur le dispositif, efforts qu’il faut être capable de distinguer. Un agencement structurel original permet de résoudre ce problème de la mesure des efforts distaux par un capteur en «base » fixé à la poignée, ( 2011ACTI2338 ).
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Résultats marquants – Jaimy : un transfert réussi vers l’exploitation clinique
En laparoscopie, le chirurgien qui manipule des instruments longs et fins, insérés dans l’abdomen à travers des canules, perd beaucoup en dextérité par rapport à la chirurgie ouverte. Afin d’augmenter cette dextérité, il est nécessaire d’ajouter aux instruments des mobilités intracorporelles. Les solutions disponibles pour une utilisation clinique ne sont pas satisfaisantes d’un point de vue ergonomique ou économique. Il y a quelques années, la société Endocontrol nous a posé la question suivante : comment réaliser un instrument doté de mobilités distales robotisées, suffisantes pour la réalisation de gestes complexes comme des sutures, insérable dans des canules de 5 mm de diamètre, avec un coût de réalisation compatible avec les contraintes médico-économiques qui pèsent sur la pratique de la chirurgie ? Plusieurs problèmes importants se sont posés, parmi lesquels le choix d’une cinématique distale minimale, le choix d’un mode de contrôle, l’agencement des commandes, l’intégration mécatronique (axe 2). Pour pouvoir les traiter, nous avons développé un simulateur qui a permis l’évaluation de diverses solutions candidates par prototypage virtuel. Des campagnes expérimentales d’évaluation ont permis de mesurer l’impact des choix de commande (axe 3) et d’ergonomie de la poignée non seulement sur les performances du gestes mais aussi sur la posture de l’utilisateur (axe 1). Le 20 décembre 2011, le Professeur Brice Gayet, de l’Institut Mutualiste Montsouris et membre de l’équipe Agathe a réalisé la première chirurgie sur patient humain (myotomie de Heller en ambulatoire) avec l’instrument Jaimy, nom choisi par Endocontrol pour le produit commercial issu de ces recherches et breveté en co-propriété UPMC-Endocontrol (axe 4).
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