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 Dossier complet sur la robotique médicale Robots chirurgiens : la comanipulation, avenir de la chirurgie ?

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vetetistosore
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MessageSujet: Dossier complet sur la robotique médicale Robots chirurgiens : la comanipulation, avenir de la chirurgie ?   Sam 12 Nov - 17:31

Guillaume Morel Enseignant chercheur en robotique.


"Biographie":
 

La robotique connaît aujourd'hui des avancées spectaculaires et rapides, permettant de remplacer l'Homme par des machines, dans de nombreux domaines.
Pour de nombreuses applications cependant, comme la chirurgie, ce concept trouve ses limites, soit parce que nous ne sommes pas prêts à laisser une machine remplacer un être humain, soit parce que la tâche est si compliquée qu’il est même impossible de la décrire, de la transformer en instructions mathématiques pour une machine. Pour autant, dans ces applications, les robots conservent des propriétés mécaniques intéressantes comme la précision, la dextérité, la fluidité des mouvements, etc. On cherche donc actuellement à développer un nouveau type de machines, selon le principe de comanipulation, qui est l’objet de ce dossier.

La comanipulation chirurgicale. © Nimur, Wikipédia, CC by sa 3.0
Ce dossier propose de découvrir la comanipulation chirurgicale en présentant les différents types de comaniplateurs, les domaines d'application de cette technique et ses perspectives futures. Vous pourrez également découvrir plusieurs robots chirurgiens.
Citation :
Apparu pour la première fois dans une pièce de théâtre de l’écrivain tchécoslovaque Karel Čapek en 1920, le mot « robot » vient du verbe « travailler » dans les langues slaves (« rabotat » en Russe par exemple).





Le robot : remplaçant de l'Homme ?


Dans cette pièce, intitulée R.U.R. (Rossum's Universal Robots), les robots sont des humains organiques artificiels. Si le robot est aujourd’hui habituellement une machine mécanique, il reste étymologiquement destiné à faire un travail.

Le robot se distingue des autres machines par la complexité des mouvements qu’il peut produire en composant des mouvements élémentaires (mais en cela il est comparable aux automates) et surtout par son « intelligence », ou disons ses capacités décisionnelles en autonomie. Les robots sont donc, initialement, des machines destinées à remplacer l’Homme, faites pour travailler à sa place.



Modèle ancien de l'évolution de l'homme, aujourd'hui abandonné. © DR

Mais dans le domaine de la chirurgie, le remplacement des humains par les robots n'est pas encore envisageable, techniquement et psychologiquement.

Citation :
Les systèmes de comanipulation constituent un nouveau type de machines, techniquement issu de la robotique, mais qui s’apparentent plus à des outils qu’à des machines.



Le robot Neuromate est l'un des premiers robots utilisés en chirurgie. Il sert à placer un instrument dans le cerveau. En fait, le robot positionne un guide de manière rigide, recalé par rapport au crâne du patient. Le chirurgien fait lui-même le geste en contrôlant la pénétration de l'instrument. C'est une forme de partage des commandes élémentaire, qui peut être vue comme une première réalisation de la comanipulation, même si les mouvements du robot et ceux du chirurgien ne sont pas synchronisés : ils sont séquentiels. © Renishaw
Que l’on parle d’outil, d’instrument ou d’ustensile, on désigne en fait un objet, utilisé par un être vivant pour exercer une action, en général mécanique, sur son environnement. Michel Serres, comme beaucoup d’autres avant lui, y voit un apanage de l’humanité, une moyen pour l’Homme, par nature polyvalent, de se spécialiser par un prolongement artificiel du corps.

C’est si vrai que l’outil est ainsi parfois installé comme une prothèse : nous faisons ici référence aux prothèses-outils, dispositifs autrefois utilisés pour rendre une fonction de production à un amputé du membre supérieur.

Définition du comanipulateur

Nous pouvons nous hasarder à définir un comanipulateur de la façon suivante : nous appellerons comanipulateur tout système actif réalisant une tâche, le plus souvent au contact de l'environnement, et pouvant être piloté par contact direct par un opérateur. Il a pour vocation d'augmenter les performances de manipulation de l'opérateur.

Citation :
Au-delà de la première définition très large que nous avons donnée en introduction, qui englobe de nombreux types de machines et notamment tous les instruments actifs, il nous faut distinguer deux catégories de comanipulateurs : série et parallèle.


Il existe deux types de comanipulateurs : série et parallèle.

Comanipulateur série

Définition : un comanipulateur série est un système qui présente des mobilités venant s'ajouter à celles de l'opérateur. Le mécanisme du comanipulateur est donc mis en série avec la chaîne cinématique que constituent le bras et la main de l'opérateur. Il s'agit d'un instrument que l'opérateur saisit manuellement par son extrémité dite proximale et qui peut produire un mouvement indépendant de son extrémité dite distale, en interaction avec l'environnement.



Le robot MC2E permet de manipuler un instrument autour d'un point d'incision, tout en laissant libre l'accès à la poignée. Grâce à un capteur, il peut mesurer les efforts appliqués sur la poignée et ceux appliqués sur les organes. Le robot peut utiliser ces informations pour améliorer le ressenti des contacts instrument-organes pour le chirurgien. © Isir
Ainsi, une simple visseuse électrique est un comanipulateur série rudimentaire à un degré de liberté de rotation. Cet exemple permet d'illustrer une notion fondamentale caractérisant les systèmes de comanipulation : la réalisation du geste résulte d'une coordination entre les actions directes de l'opérateur et celles qu'il commande à la machine. Ainsi, ceux qui, parmi les lecteurs, ont déjà essayé d'utiliser une visseuse électrique savent que la force d'appui axiale appliquée par l'opérateur doit être synchronisée avec l'exercice du couple de vissage (action simultanée de l'opérateur sur la visseuse et de la visseuse sur la vis), tout en modulant la vitesse. On peut noter également que la machine est aussi capable d'actions autonomes, comme la limitation de couple permettant d'éviter la dégradation des têtes de vis. Enfin, s'agissant de l'interface, elle prend souvent la forme d'une gâchette, c'est-à-dire qu'on réalise le couplage entre le mouvement des doigts et celui de la visseuse.

Comanipulateur parallèle

Définition : un comanipulateur parallèle est un système capable d'exercer sur un instrument des efforts venant s'ajouter à ceux produits par l'opérateur. L'instrument est alors un solide dont la partie proximale est reliée à deux chaînes cinématiques parallèles (le bras de l'opérateur et le robot), la partie distale étant en contact avec l'environnement.

Un exemple simple est celui des équilibreurs pneumatiques utilisés dans l’industrie pour assister les ouvriers. Ce sont des pistons exerçant une force de rappel constante, accrochés au plafond par une rotule passive, auxquels on suspend des outils lourds dans les ateliers des usines afin de soulager les ouvriers de leur poids.

Avec un comanipulateur parallèle, les efforts de l'opérateur s'ajoutent à ceux qui sont exercés par le système actif pour produire les mouvements de l'objet manipulé, alors qu'avec un comanipulateur série, se sont les vitesses qui s'ajoutent.

Trois paradigmes de la comanipulation.

Il est à noter que d'autres façons de coupler les actions mécaniques d'un opérateur humain et celles d'une machine sont envisageables. Les exosquelettes actifs, par exemple, sont des mécanismes parallèles avec plusieurs points d'attache (cf. Fig. 2.c). Ils fonctionnent assez différemment des comanipulateurs parallèles définis ci-avant et sortent du cadre de ce dossier.

Aujourd’hui, la plupart des dispositifs robotiques utilisés en routine clinique pour la pratique chirurgicale fonctionnent selon l’un des deux modes de commande décrits ci-après.

Citation :
Aujourd’hui, la plupart des dispositifs robotiques utilisés en routine clinique pour la pratique chirurgicale fonctionnent selon l’un des deux modes de commande : automatique et téléopération. Voici ici le mode automatique.

Un robot pour la chirurgie.

Principe et application du mode automatique

Le mode automatique consiste en l'exécution d'un plan préparé avant l'opération, après un recalage géométrique au début de l’opération. Le robot Caspar est un exemple techniquement réussi, au plan technologique, de ce type de système : il a été conçu il y a plus de dix ans pour des applications de chirurgie orthopédique.

Concrètement, le chirurgien qui doit poser un implant osseux travaille sur des images 3D de son patient et découpe virtuellement l’os, pour y placer une prothèse. Ceci se passe sur un ordinateur. Dans la salle d’opération, l’équipe place le robot, qui repère l’os (recalage) et qui découpe avec une très grande précision la forme voulue, de façon automatique, sans intervention du chirurgien. Les avantages de ce robot sont principalement sa précision et sa fiabilité. Mais il y a plusieurs inconvénients.


Le robot Caspar fraisant un fémur pour la pose d’une prothèse de hanche.

Les inconvénients du mode automatique

D’abord, le mode automatique reste aujourd'hui limité à des gestes pour lesquels la géométrie et la dynamique de l'environnement ne varient pas, afin que la planification géométrique reste possible. C'est pourquoi toutes les interventions assistées sur des tissus déformables, ou sujets à des mouvements physiologiques, ne peuvent exploiter cette approche.

Ensuite, l’acceptation d’une machine telle que celle-ci dans un bloc opératoire pose problème, car le chirurgien est mis hors de la boucle pendant l’intervention. Ce n’est pas toujours bien accepté. Ici, interviennent les fameux facteurs humains… Il n’est pas impossible que ceux-ci soient à l’origine du relatif insuccès de Caspar : après avoir été déployé dans de nombreux centres cliniques, son utilisation reste aujourd’hui limitée et elle a été abandonnée dans de nombreux endroits.

Citation :
Face aux inconvénients du mode automatique, on utilise donc très souvent le mode : téléopérer. Le praticien pilote le robot interventionnel à distance, par l'intermédiaire d'une interface électromécanique qui enregistre les déplacements de ses mains pour les imposer aux instruments. La supervision se fait alors grâce à un retour d'informations sous forme d'images. Le robot emblématique de la catégorie est le robot da Vinci de la société Intuitive Surgical.


Le robot da Vinci, de la société Intuitive Surgical. De gauche à droite : la console de commande, le système à quatre bras s’installant au-dessus du patient, la colonne d’endoscopie avec l’image des instruments à l’intérieur du patient.

Il est exploité en chirurgie laparoscopique, c’est-à-dire qu’une caméra et deux instruments longs, sont insérés dans le patient à travers de petites incisions.

Outre la dextérité distale et l'intuitivité de l'interface et des commandes, ce qui est essentiellement caractéristique de la téléopération est la distance entre l'opérateur et le site opératoire. L'étymologie ne nous contredira pas ! La mise à distance entre le praticien et le patient pour des applications médicales présente principalement deux avantages.




Les avantages de la mise à distance

La voie est ouverte pour les interventions à longue distance (jusqu'à plusieurs milliers de kilomètres, comme l'a démontré l'opération Lindberg en 2001. L'intérêt médical et socio-économique de cette modalité reste cependant à prouver. Les coûts d'infrastructure et d'organisation, ainsi que la nécessité de disposer de deux sites équipés par des appareils compatibles et de connexions sécurisées à très haut débit semblent des obstacles insurmontables si on les met en rapport avec les bénéfices médicaux, lesquels restent mineurs à notre avis ;
Lorsqu'il est installé dans le poste de pilotage du robot, le praticien bénéficie d'un confort accru par rapport aux interventions conventionnelles pour lesquelles il travaille penché sur le patient, dans une position qui peut être très éprouvante. C'est un avantage indéniable de l'utilisation des systèmes téléopérés, surtout si l'intervention dure longtemps. Dans ce cas, il n'est pas uniquement question de confort du praticien, mais aussi et surtout de qualité du geste pratiqué, tant la fatigue est un facteur de dégradation des performances de manipulation.

Les inconvénients de la mise à distance

Cependant, pour de nombreuses indications, les données anatomiques et médicales permettent un choix des voies d'abord et un positionnement du patient conduisant à des conditions de confort tout à fait satisfaisantes pour une pratique mini-invasive conventionnelle. Pour ces interventions, le gain en confort apporté par la mise à distance du chirurgien est nettement moins critique.

L'introduction d'une distance entre le patient et le chirurgien n'est donc pas toujours d'un grand intérêt fonctionnel. D'aucuns y trouvent même des inconvénients sérieux, le premier d'entre eux étant sans doute la perte de contact physique entre le praticien et « son » patient. De plus, même si la dextérité est conservée, voire supérieure par rapport au geste manuel (comme avec le système da Vinci), la sensation tactile est altérée par le filtrage électromécanique du système, quand elle n'est pas simplement absente. L'augmentation de la distance pose aussi question sur la sécurité des conversions.


En chirurgie laparoscopique conventionnelle, le chirurgien manipule directement les instruments qui pénètrent à l’intérieur du patient. Il n’est pas tenu à distance. © Département d'urrologie - clinique des franciscaines - Versailles

Enfin, la présence dans le champ opératoire, auprès du patient, reste souhaitable pour de nombreux praticiens, car elle leur permet d'appréhender la situation générale du patient au-delà des organes sur lesquels ils interviennent.

Da Vinci : un système à améliorer

En résumé, si on se considère le système da Vinci comme le système de référence en intervention téléopérée, les avantages indéniables qu'il apporte ne sont finalement pas dans la mise à distance mais dans les autres fonctions : ergonomie et dextérité. La mise à distance est, le plus souvent, le prix à payer. On peut parier que si on donnait à un chirurgien la possibilité d'être au contact de son patient, dans la configuration opératoire à laquelle il est habitué lorsqu’il intervient sans robot, mais avec les mêmes capacités interventionnelles augmentées que procure le da Vinci, il choisirait cette option dans de nombreux cas.

C’est dans ce contexte que les dispositifs de comanipulation que nous avons présentés dans la première partie trouvent leur intérêt : ils préservent la colocalisation du chirurgien et du patient, lesquels contribuent simultanément à la réalisation du geste.

La robotique de comanipulation en orthopédie

Citation :
Les fonctions que peuvent offrir les systèmes de comanipulation sont très nombreuses et leur utilité pour l'assistance au geste chirurgical prend des formes très variées. Le robot chirurgien Mako, lui, est spécialisé dans la chirurgie orthopédique.

Le robot Mako, comanipulateur parallèle pour la chirurgie orthopédique

La robotique de comanipulation en orthopédie

Historiquement, une des premières fonctions exploitées par la comanipulation est la possibilité de bloquer les déplacements de l'instrument ou, alternativement, de les laisser libre.

En orthopédie ou en neurochirurgie, cette fonction permet, lorsqu'elle est couplée à un système de navigation réalisant un recalage sur un modèle du patient en trois dimensions, d'interdire la pénétration de l'instrument dans des zones dangereuses, où il pourrait engendrer des dégâts. Elle permet ainsi de créer un guide, c'est-à-dire une zone géométrique à l'intérieur de laquelle le chirurgien peut contrôler les déplacements.

En orthopédie, cette zone sera définie par le chirurgien avant l’opération, et correspond par exemple à la partie de l’os à enlever pour implanter une prothèse.

Mako, le robot chirurgien orthopédique

L'image ci-dessus montre le robot Mako. Il est composé d'une base mobile et d'un système optique utilisé pour recaler le robot sur les os (à gauche sur l'image ci-dessus). Le chirurgien comanipule le robot (à droite de l'image), avec une main placée sur l’instrument et une sur un corps intermédiaire. Cette seconde main peut servir à reconfigurer le robot sans bouger l’instrument, bénéficiant en cela de la redondance cinématique du robot.



En robotique de comanipulation, un autre système disponible est le système Sculptor Acrobot.


Le comanipulateur parallèle Acrobot Sculptor.

Les caractéristiques d'Acrobot Sculptor

L’idée générale est la même que sur la page précédente, mais c’est le bras noir, fixé sur l’os, qui permet de mesurer la position et l’orientation de l’os. Ceci évite les problèmes d’occlusion du champ de vue qui peuvent apparaître lorsqu’on utilise un localisateur optique.

Une autre particularité du système Sculptor, visible sur la photo ci-dessus, est la forme du poignet du robot : il est constitué de trois axes qui concourent tous au centre de la fraise sphérique qui réalise l’usinage de l’os. Ainsi, seuls les trois premières articulations du robot, constituant le porteur, sont utiles pour contrôler la position et les efforts au niveau de la fraise.

Citation :
Le même principe que sur le système précédent, est exploité dans le système Surgicobot, développé par des chercheurs et industriels français dans le cadre d’un projet financé par l’Agence nationale de la recherche.


Le comanipulateur parallèle Surgicobot.


Caractéristiques de Surgicobot

Ici, les articulations du poignet sont passives, c’est-à-dire non motorisées. Ainsi, avec seulement trois moteurs (ce qui diminue le coût et le poids du comanipulateur), le robot peut exercer des contraintes, ou guides, sur la pointe de l’instrument alors que l’orientation de l’instrument est choisie librement par l’opérateur.

De plus, le système de localisation est un capteur embarqué sur le robot, constitué d’une caméra et d’un projecteur laser qui permet de s’adapter en temps réel aux mouvements du patient. Ceci est important par exemple dans la chirurgie des vertèbres, qui bougent durant l’opération du fait de la respiration du patient.

Citation :
Mais les applications de la comanipulation ne sont pas limitées à la mise en œuvre de guides pour l’usinage en orthopédie. Elles sont utiles également en microchirurgie.



Schéma de principe du système Micron pour l’assistance à la microchirurgie. On exploite ici le principe de comanipulation série.

En microchirurgie (par exemple de l'œil, ou de l'oreille), les gestes sont si fins que les limites physiques des capacités humaines de manipulation (résolution géométrique, précision, sensibilité aux efforts) sont atteintes ; la comanipulation est alors une façon d'augmenter ces capacités.

Le principe du filtrage actif pour la microchirurgie

Les efforts ressentis par le chirurgien peuvent être ainsi multipliés grâce à un dispositif actif, ce qui permet une perception augmentée. Alternativement, un filtrage actif des hautes fréquences peut contribuer à limiter les microtremblements, ce qui peut être réalisé soit par un comanipulateur série, soit par un comanipulateur parallèle.

Un bon exemple de filtrage actif est celui du système Micron pour l’assistance à la chirurgie de l’œil, développé à Carnegie Mellon University aux États-Unis. Le système est tenu dans la main mais la pointe n’est pas solidaire du manche. Un système à actionneurs piézoélectriques permet de faire bouger la pointe avec une très grande dynamique. Dans le manche, des accéléromètres, similaires à ceux qui sont embarqués dans une manette Wii, enregistrent les mouvements de la poignée, donc du chirurgien.

Un filtrage intelligent permet de distinguer les mouvements à basse fréquence (lents), qui correspondent aux mouvements intentionnels et les mouvements à haute fréquence (rapides), qui sont les tremblements. Les actionneurs sont commandés pour compenser les mouvements rapides, selon un principe d’annulation qui ressemble à celui des casques antibruit.

Citation :
La comanipulation peut également s’avérer intéressante dans le domaine de la chirurgie laparoscopique. Ici, le passage par des trocarts engendre des efforts importants, qui sont souvent prépondérants vis-à-vis des efforts « utiles » du geste chirurgical.



La chirurgie laparoscopique.

Pour cette chirurgie, un comanipulateur peut être exploité pour compenser les perturbations au niveau du trocart et rendre la manipulation laparoscopique transparente du point de vue des efforts.

C’est ce que permet le robot MC2E développé à l’Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique. Ce comanipulateur s’installe sur un patient et permet de tenir les instruments en parallèle du chirurgien. Grâce à une technique brevetée, le robot peut mesurer la force exercée par les instruments sur les organes. Il peut ainsi permettre de la restituer finement au chirurgien, qui a une bien meilleure sensation de ce qu’il applique sur les organes. Mieux, dans certaines configurations, le robot peut amplifier cette force. Ainsi, le chirurgien peut travailler en toute sécurité et avec une grande délicatesse requise dans les gestes fins.

Le robot MC2E en vidéo

On montre quatre vidéos ci-dessous qui illustrent le travail effectué pour réaliser ce robot.

Sur la première, on voit la conception cinématique du robot, qui permet de réaliser quatre mouvements indépendants pour l’instrument autour du point d’incision lui permettant de pénétrer à l’intérieur du patient.


On voit ici la conception cinématique du robot MC2E.
Sur la seconde, on voit les capacités de contrôle des forces du robot. Ici, la force commandée est nulle, de sorte que tout contact avec un élément extérieur (main du chirurgien, organe) conduit à un mouvement de correction, rendant le système « transparent ».


Capacités de contrôle du robot MC2E.
Sur la troisième, on voit comment le robot est installé sur le patient (ici, un cochon pour des essais préliminaires) et comment il effectue quelques mouvements de calibrage.


Installation du robot MC2E.

Sur la dernière, on voit le chirurgien qui comanipule et qui ressent les efforts appliqués sur les organes, à l’intérieur du patient, avec plus de précision que s’il manipulait seul l’instrument.



Citation :
Une autre fonction que peut assurer un comanipulateur (en série cette fois) est la commande de mobilités distales actives ; le comanipulateur prend alors la forme d'un instrument articulé actif tenu dans la main.


À gauche : le simulateur utilisé pour la conception d’instruments de chirurgie laparoscopique actifs. À droite : une vue de l’instrument Jaimy, issu de ces recherches, qui sera prochainement mis sur le marché par la société Endocontrol. © Gauche : Isir-UPMC/Endocontrol
Citons un autre projet financé par l’Agence nationale de la recherche, baptisé Sime (Synergic Interfaces for Motion Extension).

Les robots pour la mobilité distale en chirurgie

Nous cherchons à y concevoir des instruments de chirurgie disposant de mobilités distales (à l’intérieur du patient) commandés par des moteurs installés dans la poignée. Ici, au-delà des problèmes mécatroniques (intégration des actionneurs et capteurs dans un petit volume), la difficulté est de savoir comment commander le robot avec les mains pour que l’usage de l’instrument soit intuitif. Cela oblige les roboticiens (Institut des systèmes intelligents et de robotique) à travailler avec des spécialistes des neurosciences du mouvement (Institut des sciences du mouvement, Marseille), qui connaissent les modes de fonctionnement des utilisateurs comme la synchronisation main-œil.

Le partenariat inclut également des chirurgiens de l’Institut mutualiste Montsouris (Paris) et une startup grenobloise, Endocontrol, qui doit industrialiser et commercialiser les résultats. Pour le prototypage de ces outils, un simulateur est développé qui permet de tester différents modes de commande, différents placements de boutons, mais aussi d’enregistrer la posture des chirurgiens pendant qu’ils pratiquent les exercices, afin d’optimiser le placement des mains pour limiter la fatigue.

Citation :
On a vu, donc, que la comanipulation, c’est-à-dire la mise en synergie des moyens robotiques et des capacités de manipulation humaine, offrent de nombreuses perspectives dans le domaine de la robotique chirurgicale.


La comanipulation en chirurgie.

Prendre en compte à la fois le robot et le chirurgien

Mais nous n’en sommes qu’au début de la recherche dans ce domaine, et on se tourne aujourd’hui vers la prise en compte de l’opérateur, de ses gestes et de ses intentions, dans la commande du robot. En effet, l’opérateur n’est donc pas seulement un environnement particulier pour le robot : il est consubstantiel au système de comanipulation. Et, pour les roboticiens qui le conçoivent, cela change tout.

À la fin du XXe siècle, le déploiement à grande échelle d’outils logiciels a conduit les informaticiens à travailler avec des ergonomes, des psychologues, des anthropologues ou encore des spécialistes des sciences cognitives sur ce que l’on a appelé les interfaces homme-machine, ou encore les facteurs humains dans le pilotage des systèmes à base de technologies informatiques. De la même façon, les outils mécaniques avancés que constituent les comanipulateurs ne peuvent être conçus qu’avec une vision globale de l’ensemble outil-utilisateur.

La chirurgie de demain

Les recherches, aujourd’hui, sont donc orientées vers la prise en compte des connaissances issues du domaine des neurosciences : comment interpréter les gestes que fait un chirurgien ? Comment partager les commandes ? Comment donner des informations augmentées, tactiles ou visuelles, qui s’intègrent de façon intuitive dans l’espace perceptif du chirurgien ? Autant de questions que nous commençons seulement à traiter et qui, nous l’espérons, aboutiront prochainement à une nouvelle forme d’outils intelligents, intimement liés à leurs utilisateurs.

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