Academic literature on the topic 'Robotiques Medicale'

Dans ce travail de thèse, nous examinons les principaux facteurs affectant la transparence d'un schéma de téléopération dans le contexte de la robotique médicale.Afin de déterminer ces facteurs, une analyse approfondie de l'état de l'art a été réalisée ce qui a permis de proposer une nouvelle classification de schémas de téléopération avec retour haptique.Le rôle de ces principaux facteurs a été analysé.Ces facteurs sont liés à l'architecture de commande appliquée, aux perturbations provoquées par les mouvements physiologiques des tissus manipulés ainsi qu'à la précision du modèle d'interaction robot-tissue.Les performances du schéma de téléopération à architecture 3-canaux ont été analysées en simulation pour choisir une architecture de commande dédiée aux applications médicales.Ensuite, l'influence des mouvements physiologiques de l'environnement manipulé sur la transparence du système a été analysée et un nouveau modèle d'interaction avec des tissus mous a été proposé.Un schéma de commande de téléopération basé modèle d'interaction a été proposé en se basant sur une analyse de passivité du port d'interaction robot-environnement.Enfin, l'importance de la précision du modèle d'interaction (robot-tissue) sur la transparence du schéma de téléopération avec retour d'effort basé-modèle a été analysée.Cette analyse a été validée en théorie et expérimentalement en implémentant le modèle Hunt-Crossly dans une commande utilisant un AOB pour réaliser une téléopération avec retour haptique.En conclusion de ce travail, les résultats de cette thèse ont été discutés et les perspectives futures ont également été proposées
This thesis investigates the major factors affecting teleoperation transparency in medical context.A wide state of art survey is carried out and a new point of view to classify haptic teleoperation literature is proposed in order to extract the decisive factors providing a transparent teleoperation.Furthermore, the roles of three aspects have been analysed.First, The role of the applied control architecture.To this aim, the performances of 3-channel teleoperation are analysed and guidelines to select a suitable control architecture for medical applications are proposed.The validation of these guidelines is illustrated through simulations.Second, the effects of motion disturbance in the manipulated environment on telepresence are analysed.Consequently, a new model of such moving environment is proposed and the applicability of the proposed model is shown through interaction port passivity investigation.Third analysed factor is the role of the interaction model accuracy on the transparency of interaction control based haptic teleoperation.This analysis is performed theoretically and experimentally by the design and implementation of Hunt-Crossly in AOB interaction control haptic teleoperation.The results are discussed and the future perspectives are proposed

Les techniques d'insertion d'aiguille font partie des interventions chirurgicales les plus courantes. L'efficacité de ces interventions dépend fortement de la précision du positionnement des aiguilles dans un emplacement cible à l'intérieur du corps du patient. L'objectif principal dans cette thèse est de développer un système robotique autonome, capable d'insérer une aiguille flexible dans une structure déformable le long d'une trajectoire prédéfinie. L’originalité de ce travail se trouve dans l’utilisation de simulations inverses par éléments finis (EF) dans la boucle de contrôle du robot pour prédire la déformation des structures. La particularité de ce travail est que pendant l’insertion, les modèles EF sont continuellement recalés (étape corrective) grâce à l’information extraite d’un système d’imagerie peropératoire. Cette étape permet de contrôler l’erreur des modèles par rapport aux structures réelles et ainsi éviter qu'ils divergent. Une seconde étape (étape de prédiction) permet, à partir de la position corrigée, d’anticiper le comportement de structures déformables, en se reposant uniquement sur les prédictions des modèles biomécaniques. Ceci permet ainsi d’anticiper la commande du robot pour compenser les déplacements des tissus avant même le déplacement de l’aiguille. Expérimentalement, nous avions utilisé notre approche pour contrôler un robot réel afin d'insérer une aiguille flexible dans une mousse déformable le long d'une trajectoire (virtuelle) prédéfinie. Nous avons proposé une formulation basée sur des contraintes permettant le calcul d'étapes prédictives dans l'espace de contraintes offrant ainsi un temps d'insertion total compatible avec les applications cliniques. Nous avons également proposé un système de réalité augmentée pour la chirurgie du foie ouverte. La méthode est basée sur un recalage initial semi-automatique et un algorithme de suivi peropératoire basé sur des marqueurs (3D) optiques. Nous avons démontré l'applicabilité de cette approche en salle d'opération lors d'une chirurgie de résection hépatique. Les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse ont conduit à trois publications (deux IROS et un ICRA) dans les conférences internationales puis à un journal (Transactions on Robotics) en cours de révision
Needle-based interventions are among the least invasive surgical approaches to access deep internal structures into organs' volumes without damaging surrounding tissues. Unlike traditional open surgery, needle-based approaches only affect a localized area around the needle, reducing this way the occurrence of traumas and risks of complications \cite{Cowan2011}. Many surgical procedures rely on needles in nowadays clinical routines (biopsies, local anesthesia, blood sampling, prostate brachytherapy, vertebroplasty ...). Radiofrequency ablation (RFA) is an example of percutaneous procedure that uses heat at the tip of a needle to destroy cancer cells. Such alternative treatments may open new solutions for unrespectable tumors or metastasis (concerns about the age of the patient, the extent or localization of the disease). However, contrary to what one may think, needle-based approaches can be an exceedingly complex intervention. Indeed, the effectiveness of the treatment is highly dependent on the accuracy of the needle positioning (about a few millimeters) which can be particularly challenging when needles are manipulated from outside the patient with intra-operative images (X-ray, fluoroscopy or ultrasound ...) offering poor visibility of internal structures. Human factors, organs' deformations, needle deflection and intraoperative imaging modalities limitations can be causes of needle misplacement and rise significantly the technical level necessary to master these surgical acts. The use of surgical robots has revolutionized the way surgeons approach minimally invasive surgery. Robots have the potential to overcome several limitations coming from the human factor: for instance by filtering operator tremors, scaling the motion of the user or adding new degrees of freedom at the tip of instruments. A rapidly growing number of surgical robots has been developed and applied to a large panel of surgical applications \cite{Troccaz2012}. Yet, an important difficulty for needle-based procedures lies in the fact that both soft tissues and needles tend to deform as the insertion proceeds in a way that cannot be described with geometrical approaches. Standard solutions address the problem of the deformation extracting a set of features from per-operative images (also called \textit{visual servoing)} and locally adjust the pose/motion of the robot to compensate for deformations \cite{Hutchinson1996}. [...]To overcome these limitations, we introduce a numerical method allowing performing inverse Finite Element simulations in real-time. We show that it can be used to control an articulated robot while considering deformations of structures during needle insertion. Our approach relies on a forward FE simulation of a needle insertion (involving complex non-linear phenomena such as friction, puncture and needle constraints).[...]

Cette thèse décrit la conception et l'évaluation de systèmes robotiques de ponctions percutanées d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Les ponctions percutanées d'aiguilles sont devenues de plus en plus communs dans la diagnostique et le traitement d'un assortiment de maladies humaines. Des exemples d'interventions fréquentes sont les biopsies, les ablations de tumeurs par radiofréquence, la cryothérapie, le drainage et la curiethérapie, entre autres. Le couplage de l'imagerie médicale avec l'insertion d'une aiguille donne suite à un nombre de difficultés pour le clinicien, tels que l'alignement précis de l'aiguille à la trajectoire planifiée dans l'image, la réalisation de trajectoires complexes et hors-plans difficiles à visualiser, et la compensation du mouvement et déformation des tissus mous. La robotique peut être utilisé pour assister à ces procédures pour simplifier les défis et potentiellement améliorer leur précision, leur bénéfices cliniques et leurs taux d'inclusion. Cette thèse expose les défis techniques et cliniques auxquels il faut faire typiquement face pendant la conception et l'évaluation de tels robots de ponction, tout en restant sur les aspects qui les différentient d'autres robots médicaux. Une revue de l'état de l'art est utilisé pour décrire ces défis et pour présenter les divers solutions déjà proposés pour leur faire face. Sur cette base, deux tels systèmes robotiques, développés pendant cette thèse, sont décrits en détail, donnant ainsi des exemples concrètes des nombreuses contraintes imposés dans le cadre de ponctions d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Le premier système, s'appelant PROSPER, est dédié aux interventions prostatiques transpérinéales guidés par imagerie ultrasonique, en particulier la curiethérapie. Le robot est fixé à la table chirurgicale et une sonde échographique 3D transrectale lui est rigidement relié, permettant ainsi un calibrage préopératoire entre l'espace du robot et l'espace image. Le protocole développé pour ce système inclue un recalage écho-écho peropératoire pour compenser le mouvement et la déformation de la prostate pendant l'insertion des aiguilles. Ce chapitre expose les défis d'un système qui n'est pas physiquement présent dans l'espace de l'image et qui tient en compte le divers contraintes intrinsèques à l'environnement des tissus mous. Le deuxième système s'appelle LPR et est destiné à la radiologie interventionnelle des régions thoraciques et abdominopelviennes, sous guidage TDM et IRM. Il est fixé sur le corps du patient et positionne et insère une aiguille selon une trajectoire et visant une cible choisis par le radiologue dans l'image. Le robot est calibré à l'image en peropératoire par moyens de mires multimodales incorporés dans la structure du robot. Il est entièrement compatible avec les deux modalités d'imagerie en terme de qualité d'image et contraintes de taille. Par rapport au robot PROSPER, ce chapitre montre comment la présence du robot dans l'espace de l'image donne suite à un nombre d'autres défis qui doivent être considérés pour permettre son acceptabilité clinique. Dans les descriptions des deux systèmes, l'accent est mis sur les solutions innovantes mises en place dans le but de fournir des vrais bénéfices cliniques aux patients ainsi qu'aux cliniciens. Des prototypes de chaque système ont été développés et évalués sur des fantômes synthétiques en termes de leur précision et compatibilité préclinique.

La radiologie interventionnelle percutanée permet le diagnostic ou le traitement de tissus cancéreux grâce à l'utilisation d'aiguilles et d'un guidage par imageur. Bénéfique pour le patient, ce type de procédure clinique est en revanche complexe pour le radiologue. Afin de lui apporter une assistance et de contrôler l'aiguille de manière déportée, nous proposons dans ces travaux de réaliser des dispositifs robotisés compliants, donc monoblocs, et multi-matériaux en exploitant la fabrication additive multi-matériaux. Pour y parvenir, nous proposons plusieurs solutions pour réaliser les fonctions cinématique, d'actionnement et de perception. En particulier, nous proposons une nouvelle liaison compliante, la liaison HSC, ainsi qu'un nouvel actionneur pneumatique pour l'insertion d'aiguille. Nous démontrons finalement les apports de la fabrication additive pour la robotique médicale en combinant l'ensemble de ces solutions dans un dispositif assurant un contrôle à distance de l'aiguille
Percutaneous interventional radiology permits the diagnosis or the treatment of cancer tissues thanks to the use of needles and imaging devices. Being minimally invasive, such procedures are beneficial for the patient, but for the radiologist, they are highly complex. In order to assist the physician and remotely control the needle, we propose in this work the design and the manufacturing of multi-material compliant devices by taking advantage of multi-material additive manufacturing. To perform the design of such device, we propose several solutions in terms of kinematics, actuation and sensing. In particular, we developed a new compliant joint, the HSC joint, as well as a new pneumatic actuator for needle insertion. In the end, we demonstrate in the thesis the contributions of multi-material additive manufacturing for medical robotics, by combining all those solutions into a single device that remotely controls both the orientation and the insertion of the needle

Cette thèse porte sur la conception et la validation expérimentale d’une architecture de téléopération avec retour d’effort pour la chirurgie endoluminale. Dans cette perspective, un robot chirurgical, à échelle mésoscopique, a été utilisé en tant que dispositif téléopéré. Ce robot, nommé SPRINT, a été développé dans le cadre du projet Européen ARAKNES (FP7, bourse no. 224565). L’objectif de ce projet, est d’insérer les degrés de liberté robotisés nécessaires aux manipulations chirurgicales à l’intérieur de la cavité péritonéale, ce qui permet d’apporter une assistance active durant la chirurgie laparoscopique à trocart unique. Pour répondre à cette problématique, plusieurs études ont été menées. Tout d’abord, une analyse détaillée du processus de conception des robots chirurgicaux a été réalisée, afin de garantir le transfert des technologies issues de la recherche vers le bloc opératoire. Puis, la mise en œuvre d’une architecture logicielle générique et temps réel a été décrite, servant de base au système actuel. Ce dernier est constitué d’un contrôleur adaptatif qui utilise un observateur d’état actif (AOB) ainsi qu’un modèle viscoélastique de tissus mous du type Kelvin- Boltzmann. Une telle association permet d’améliorer les performances du système de téléopération par rapport aux contributions précédentes qui utilisaient des modèles moins réalistes de tissus, tel que le modèle élastique. Dans ce contexte, deux schémas de téléopération de type “position-position” et “position-force” ont été proposés afin de répondre aux contraintes matérielles de la plateforme ARAKNES. La transparence et la stabilité, i.e. les deux paramètres qui permettent de quantifier les performances des systèmes téléopérés, des schémas proposés ont été étudiées. De plus, les effets d’une mise à l’échelle des positions qui sont commandées par le chirurgien, ainsi que des efforts ressentis par ce dernier, ont été examinés du point de la performance du système téléopéré. Enfin, la possibilité d’effectuer une commande sans-fil des robots chirurgicaux a été aussi abordée afin d’augmenter les libertés de mouvement des méso-robots et d’explorer les possibilités d’amélioration en termes de performance mécanique et de miniaturisation
This dissertation deals with the design, implementation and experimental validation of a force-reflecting teleoperation architecture for robotic assisted endoluminal surgery. For this purpose, a meso-scale surgical robot was used as target device to be teleoperated. This robot, codenamed SPRINT, was developed during the ARAKNES European project (FP7, grant agreement no. 224565). The key idea of ARAKNES was to transfer the robot’s degrees of freedom required for surgery inside the peritoneal cavity, allowing to provide robotic assistance in single port laparoscopic surgery. In order to attain the objectives of this work, several studies were carried out : First, the specifics of surgical robotic design were investigated with the objective of guar- anteeing the technology transfer from research centers into the operating room. Second, a generic real-time software architecture for surgical robots was described, serving as support for the current implementation of the teleoperation control system. The latter system employs an adaptive controller which is based on an active state observer (AOB) and a viscoelastic Kelvin-Boltzmann soft-tissue environment model. This com- bination allows improving the performance with respect to previous works in the field that use less realistic soft-tissue environment models, such as the elastic model. In this context, two teleoperation schemes of types “position–position” and “position–force” were proposed in order to fulfill the hardware requirements of ARAKNES. Both schemes were analyzed in terms of their transparency and stability, i.e. the two parameters that allow quantifying the performance of teleoperated systems. Furthermore, the effects of scaling the po- sitions and the forces which are respectively commanded and felt by the surgeon, were examined regarding the surgeon’s performance, and also the system’s performance. Finally, the possibility of performing wireless control of surgical robots was also explored in order to increase the freedom of movement and, possibly, to improve the mechanical performance and/or miniaturization of the surgical robots that were employed

Cette thèse concerne le développement d'un cadre de contrôle robotique pour l'élastographie ultrasonore quantitative. L'élastographie ultrasonore est une technique qui dévoile les paramètres élastiques du tissu qui sont généralement liés à une pathologie. Cette thèse propose trois nouvelles approches robotiques différentes pour pour assister la procédure d'élastographie. La première approche concerne le contrôle d'un robot actionnant une sonde à ultrasons pour effectuer un mouvement de palpation nécessaire pour l'élastographie par ultrasons. L'élasticité du tissu est utilisée pour concevoir une loi d'asservissement afin de maintenir un tissu d'intérêt rigide dans le champ de vision de la sonde ultrasonore. De plus, l'orientation de la sonde est contrôlée par un utilisateur humain pour explorer différentes vues du tissu pendant que l'élastographie est effectuée. La seconde approche exploite le recalage d'images déformables avec des images ultrasonores pour estimer l'élasticité tissulaire et aider à la compensation automatique par asservissement visuel ultrasonore d'un mouvement introduit dans le tissu. La troisième approche offre une méthodologie pour ressentir l'élasticité du tissu en déplaçant une sonde virtuelle dans l'image ultrasonore avec un dispositif haptique pendant que le robot effectue un mouvement de palpation. Les résultats expérimentaux des trois approches robotiques obtenus sur des fantômes constitués de tissus démontrent l'efficacité des méthodes proposées et ouvre des perspectives intéressantes pour l'élastographie ultrasonore assistée par robot
This thesis concerns the development of a robotic control framework for quantitative ultrasound elastography. Ultrasound elastography is a technology that unveils elastic parameters of a tissue, which are commonly related with certain pathologies. This thesis proposes three novel robotic approaches to assist examiners with elastography. The first approach deals with the control of a robot actuating an ultrasound probe to perform palpation motion required for ultrasound elastography. The elasticity of the tissue is used to design a servo control law to keep a stiff tissue of interest in the field of view of the ultrasound probe. Additionally, the orientation of the probe is controlled by a human user to explore other tissue while elastography is performed. The second approach exploits deformable image registration of ultrasound images to estimate the tissue elasticity and to help in the automatic compensation by ultrasound visual servoing of a motion introduced into the tissue. The third approach offers a methodology to feel the elasticity of the tissue by moving a virtual probe in the ultrasound image with a haptic device while the robot is performing palpation motion. Experimental results of the three robotic approaches over phantoms with tissue-like offer an excellent perspective for robotic-assistance for ultrasound elastography

Le contexte de cette thèse est la conception d'assistants robotiques aux gestes chirurgicaux guidés par IRM. Cette conception est rendue délicate par l’environnement qui impose des contraintes de compacité, de légèreté et de compatibilité. La présence du patient dans cet environnement impose également des impératifs de sécurité qui limitent les architectures robotiques viables. Cette thèse vise à évaluer le potentiel applicatif des mécanismes de tenségrité, et plus généralement des systèmes précontraints, qui présentent de nombreuses propriétés intéressantes qui justifient d’envisager leur emploi dans ce contexte, notamment pour leur capacité de raideur variable bénéfique à la sécurité du patient. Afin de juger de la pertinence de leur utilisation, nous nous concentrons sur l’analyse, la conception et la commande de ces systèmes peu connus des roboticiens, étapes nécessaires à leur évaluation. Nos contributions incluent le développement d’outils numériques pour permettre leur analyse, de méthodes de synthèse pour générer des architectures à raideur variable adéquates, et de stratégies de commande pour piloter leur configuration et leur raideur
This thesis is focused on the design of robotic assistants for MRI-guided surgeries. This design is submitted to several constraints due to the MR-environment, such as compactness, lightness, or compatibility. Safety issues related to the patient within the scanner also restrict the choice of suitable robotic solutions. This thesis thus aims at evaluating the applicative potential of tensegrity mechanisms, and more generally prestressed systems, that exhibit numerous interesting properties for this context. In particular, their stiffness can be adjusted, which is opportune for the patient safety. The relevance of our approach is assessed through the analysis, the design and the control of these systems that are required to fulfil their evaluation. Our contributions include the development of numerical tools for their analysis, synthesis methods for the generation of suitable variable stiffness designs, and control strategies for the simultaneous control of their configuration and their stiffness

L'introduction de systèmes robotisés dans les salles opératoires a fait évoluer la chirurgie moderne, ouvrant aux chirurgiens de nouvelles possibilités. La présence de tels systèmes en salle opératoire croît chaque année. Les progrès des robots médicaux sont étroitement liés au développement de nouvelles techniques permettant de mieux contrôler les interactions entre la machine et les tissus biologiques. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une commande en force basée sur un modèle, conçue pour améliorer la stabilité et la robustesse du contrôle en vue d'applications médicales. Une étude sur la modélisation des tissus mous ainsi que le choix d'un modèle compatible temps-réel sont présentés. Après cette analyse, le modèle de Kelvin Boltzmann a été choisi et implémenté dans le schéma de contrôle en force proposé, basé sur des observateurs actifs. La stabilité et la robustesse de la commande sont analysées en théorie et au travers d'expérimentations. Les performances de la commande en force sont également mesurées, en tenant compte des perturbations dues aux mouvements physiologiques. Finalement, afin d'améliorer la qualité du rejet des perturbations, une boucle de commande supplémentaire est ajoutée au moyen d'une estimation des perturbations basée sur le modèle de Kelvin Boltzmann et des séries de Fourier
The introduction of robotic systems inside the operating room has changed the modern surgery, opening new possibilities to surgeons. The number of robotic systems inside the operation room is increasing every year. The progress of medical robots are associated to the development of new techniques to better control the interaction between the robot and living soft tissues. This thesis focus on the development of a model based force control designed to improve stability and robustness of force control addressed to medical applications. A study of soft tissue modeling is presented and a suitable model to be used in a real-time control is selected. After the analysis, the Kelvin Boltzmann model was chosen to be inserted in the proposed force control scheme based on Active Observers. Stability and robustness are theoretically and experimentally analyzed. The performance of the proposed force control is also investigated under physiological motion disturbances. At the end, to improve the disturbance rejection capability, an extra control loop is added using a disturbance estimation based on the Kelvin Boltzmann model and a Fourier series

Le contexte de cette thèse est le développement d'outils pour améliorer la perception de la raideur des tissus dans le cadre de la chirurgie laparoscopique assistée par comanipulation. Lors de procédures manuelles, cette perception est distordue, notamment par l'effet levier, conséquence des contraintes cinématiques imposées par le trocart. Cette thèse s'articule ainsi autour de deux parties. Dans une première partie, nous étudions l'effet levier et les distorsions qu'il produit dans le cadre d'un outil comanipulé. Nous y introduisons ainsi un modèle permettant l’analyse en raideur d’un outil comanipulé par un chirurgien et un robot. Sur cette base, nous développons une stratégie de compensation pour laquelle nous avons mis en place une expérience de validation. Dans une deuxième partie, nous abordons la conception d’une nouvelle architecture à cinématique RCM, intégrant structure et actionnement pour des applications de robotique légère. Nous présentons notamment une démarche de conception de systèmes origamis articulés produits à l’aide de procédés de fabrication multi-matériaux
The context of this work is the development of tools in order to improve the tissues stiffness perception for cobot-assisted laparoscopic surgery. During manual procedures, this perception is distorted, notably by the fulcrum effect, due to the kinematic constraints induced by the trocar. This thesis is developed in two parts. In a first part, we study the fulcrum effect and how it distorts the perception of a user manipulating the tool in collaboration with a robot. From this model, we propose a strategy in order to compensate for this distortion. A validation experiment for this strategy is then proposed. In a second part, we discuss the design of a new architecture with RCM kinematics, integrating both structure and actuation for lightweight robotic applications. In this context, we present an approach to design articulated origami systems, manufactured using multi-material processes

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit.