Robots continus multi-actionnés pour la chirugie mini-invasive – MACROS
MACROS
Robots continus multi-actionnés pour la chirugie mini-invasive – MACROS
Enjeux et objectifs
Les structures flexibles tels que les cathéters et les endoscopes sont de plus en plus utilisées en chirurgie, notamment grâce à la possibilité qu'elles offrent d'atteindre des cibles anatomiques profondes avec un accès minimalement invasif. Ces dispositifs sont toutefois très complexes à manoeuvrer, and les procédures complexes sont en général seulement réalisées par un nombre très réduit de centres de par le monde, certaines restant irréalisables manuellement. Pour cette raison, des dispositifs robotisés ont été développés. Des méthodes de conception et de navigation spécifiques à ces dispositifs robotiques ont également été dévelopées. Cependant, elles sont limitées par un certain nombre de simplifications : ces méthodes sont souvent conçues pour une technologie d'actionnement particulière, et surtout considèrent l'anatomie patient comme étant parfaitement fixe et connue (grâce à l'imagerie préoprétoire). Le projet MACROS ambitionne d'aller un cran plus loin, en développant des méthodes généric de conception pour les robots continus, utilisant un ou plusieurs actionneurs répartis le long du robot.
Premièrement, des méthodes de planification et de commande pour la navigation des robots continus seront développées. Ces méthodes vont rendre la navigation plus sûre, dans le sens où l'incertitude sera prise en compte afin de minimiser les potentielles forces d'interaction avec les tissus. CEtte incertitude provient typiquement de mouvements de l'environnement (mouvements physiologiques principalement), ou d'erreurs de recalage entre les donées préopératoires (utilisées dans la planification) et la position du patient lors de l'opération.
Les algorithmes de planification développés sont une première étape en vue de développer des algorithmes génériques pour la conception de robots continus. Ceux-ci seront développés dans un second temps. Des indicateurs de performance, mettant en relation les capacités physiques des différents actuinneurs existant d'une part, et le problème clinique considéré (par exemple diamètre du point d'accès, dynamique des mouvements de la cible anaotmique) d'autre part, seront développés. L'algorithme finalement développé utilisera ces indicateurs et la méthode de planification préalablement développée, afin de proposer une structure d'actionnement (position, nombre, et nature des actionneurs) qui permettra de réaliser des gestes complexes, tout en minimisant les forces d'interaction non désirées avec l'an
La validation sera dans un premier temps réalisée en simulation. Ensuite, des prototypes exérimataux permettant une validation approfondie sera fabriqué au laboratoire ICube. Nous développerons un environnement en impression 3D, contenant un ensemble de chambres pneumatiques. Ceci fournira un environnement physique dans lequel des mouvements physiologiques pourront être simulés de manière contrôlée. Finalement, un prototype de robot continu multi-actionneurs optimisé sera réalisé et validé sur le modèle. Les résultats seront comparés à ceux de solutions existantes disponibles au laboratoire, tel qu'un robot à tubes concentriques ou un endoscope flexible robotisé.
L'application des résultats dans un contexte de chirurgie cardiaque sont à l'étude.
B. Rosa, V. Bordoux, and F. Nageotte, «Combining differential
5/7kinematics and optical flow for automatic labelling of continuum
robots in minimally invasive surgery«, Frontiers in Robotics and
AI, Full text at: 10.3389/frobt.2019.00086
B. Rosa and M.T. Chikhaoui, Modeling and control strategies for
flexible devices. In Endorobotics, 25 pages. A paraître
C. da Costa Rocha, N. Padoy, and B. Rosa. (2019, May). Self-
supervised surgical tool segmentation using kinematic
information. In 2019 International Conference on Robotics and
Automation (ICRA) (pp. 8720-8726). IEEE.
Les structures flexibles tels que les cathéters et les endoscopes sont de plus en plus utilisées en chirurgie, notamment grâce à la possibilité qu'elles offrent d'atteindre des cibles anatomiques profondes avec un accès minimalement invasif. Ces dispositifs sont toutefois très complexes à manoeuvrer, and les procédures complexes sont en général seulement réalisées par un nombre très réduit de centres de par le monde, certaines restant irréalisables manuellement. Pour cette raison, des dispositifs robotisés ont été développés. Des méthodes de conception et de navigation spécifiques à ces dispositifs robotiques ont également été dévelopées. Cependant, elles sont limitées par un certain nombre de simplifications : ces méthodes sont souvent conçues pour une technologie d'actionnement particulière, et surtout considèrent l'anatomie patient comme étant parfaitement fixe et connue (grâce à l'imagerie préoprétoire). Le projet MACROS ambitionne d'aller un cran plus loin, en développant des méthodes généric de conception pour les robots continus, utilisant un ou plusieurs actionneurs répartis le long du robot.
Premièrement, des méthodes de planification et de commande pour la navigation des robots continus seront développées. Ces méthodes vont rendre la navigation plus sûre, dans le sens où l'incertitude sera prise en compte afin de minimiser les potentielles forces d'interaction avec les tissus. CEtte incertitude provient typiquement de mouvements de l'environnement (mouvements physiologiques principalement), ou d'erreurs de recalage entre les donées préopératoires (utilisées dans la planification) et la position du patient lors de l'opération.
Les algorithmes de planification développés sont une première étape en vue de développer des algorithmes génériques pour la conception de robots continus. Ceux-ci seront développés dans un second temps. Des indicateurs de performance, mettant en relation les capacités physiques des différents actuinneurs existant d'une part, et le problème clinique considéré (par exemple diamètre du point d'accès, dynamique des mouvements de la cible anaotmique) d'autre part, seront développés. L'algorithme finalement développé utilisera ces indicateurs et la méthode de planification préalablement développée, afin de proposer une structure d'actionnement (position, nombre, et nature des actionneurs) qui permettra de réaliser des gestes complexes, tout en minimisant les forces d'interaction non désirées avec l'anatomie.
La validation sera dans un premier temps réalisée en simulation. Ensuite, des prototypes exérimataux permettant une validation approfondie sera fabriqué au laboratoire ICube. Nous développerons un environnement en impression 3D, contenant un ensemble de chambres pneumatiques. Ceci fournira un environnement physique dans lequel des mouvements physiologiques pourront être simulés de manière contrôlée. Finalement, un prototype de robot continu multi-actionneurs optimisé sera réalisé et validé sur le modèle. Les résultats seront comparés à ceux de solutions existantes disponibles au laboratoire, tel qu'un robot à tubes concentriques ou un endoscope flexible robotisé.
Coordination du projet
Benoît ROSA (Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357))
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
ICube Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357)
Aide de l'ANR 253 800 euros
Début et durée du projet scientifique :
- 48 Mois