Assistance pour la chirurgie coronarienne

Les développements pour l'assistance robotique en chirurgie cardiaque sont principale- ment concentrés sur l'aide à la chirurgie coronarienne. Actuellement, la plupart des travaux dans ce domaine ont pour objectif de proposer une synchronisation automatique du mou- vement de l'instrument avec les mouvements du c÷ur. L'idée est d'orir au chirurgien une stabilisation virtuelle du c÷ur. Le mouvement du c÷ur est extrait à partir d'informa- tions visuelles. Une commande est ensuite générée pour synchroniser les mouvements de l'instrument avec ceux de la surface du c÷ur. Ainsi, la distance c÷ur - instrument reste constante. Cette commande est superposée à la commande envoyée par la console maître pour exécuter les gestes du chirurgien. Trois axes de recherche sont identiés :

1. modélisation du comportement,

2. estimation du mouvement de la surface du c÷ur,

3. conception d'une architecture de commande capable d'assurer le suivi par un robot. 1.3.2.1 Modélisation

Deux directions existent au sein des travaux de modélisation. Une première direc- tion concerne la modélisation globale du comportement [Nash, 1998, Sermesant, 2003, Mourad, 2003]. Les problèmes considérés dans ces travaux s'éloignent de notre sujet puisque l'objectif est de proposer des modèles de comportement complets pour le diag- nostic, la simulation et l'amélioration de la compréhension de ce système complexe.

1.3. Assistance robotique pour la chirurgie cardiaque

L'autre direction propose d'intégrer la modélisation comme un outil pour augmenter la robustesse des algorithmes de commande au travers de l'estimation de mouvement. Thakral et al. [Thakral et al., 2001] ont utilisé les résultats obtenus pour identier un modèle basé sur une série de Fourier adaptative. Le modèle obtenu approxime les mesures avec une erreur moyenne de 10%. Ortmaier et al. [Ortmaier et al., 2005] ont développé un modèle implicite pour la prédiction des trajectoire de points de la surface du c÷ur. La prédiction est basée sur les valeurs mesurées passées pour reconstruire la structure dynamique sous-jacente qui a engendré ces mesures. Le réglage des paramètres de ce modèle (longueur du vecteur de mesures et latence entre la dernière mesure utilisée et la première mesure prédite) repose sur l'emploi des signaux ECG et respiratoire. Les travaux présentés par le LSIIT dans [Cuvillon et al., 2005] sont orientés vers un modèle LPV (Linear Parameter Varying) pour prédire l'évolution de la position de la trajectoire de la surface du c÷ur basée sur un modèle dynamique, fonction du volume respiratoire et de la détection du complexe QRS de l'ECG.

1.3.2.2 Estimation du mouvement

Le mouvement cardiaque a été étudié par diérentes équipes de recherche. Thakral et al. [Thakral et al., 2001] ont utilisé un système de mesure laser pour extraire les déplace- ments de la surface du c÷ur suivant la direction perpendiculaire à l'épicarde.

La première étude des mouvements du c÷ur suivant les 3 dimensions a été réalisée par Koransky et al. [Koransky et al., 2003]. Les mesures ont été réalisées en utilisant le système Sonomicrometry— de Sonometrics. Cet appareil utilise une mesure ultrasonore. Des capteurs piezoélectriques ("sonomicrometry cristal"), de diamètre inférieur à 2mm, sont xés sur l'artère coronaire gauche stabilisée mécaniquement. Ces travaux ont permis de montrer qu'une forte réduction des déplacements de la coronaire est obtenue après stabilisation même si des déplacements résiduels existent toujours.

Gröger et Ortmaier [Ortmaier et al., 2005] se sont intéressés à ces mouvements rési- duels à l'intérieur de la zone stabilisée mécaniquement en utilisant l'information visuelle fournie par un endoscope à la cadence de 25 images/seconde. Les déplacements sont esti- més dans un plan parallèle au plan image. L'estimation repose sur un suivi de marqueurs naturels de la surface du c÷ur par une mesure de similarité entre deux régions d'intérêt normalisée (SSD, "Sum of Square Dierences"), basée sur un modèle ane à six para- mètres. Finalement, seuls les deux translations et une rotation dans le plan ont permis d'obtenir des résultats ables. Une correction de l'image initiale a été introduite par com- pensation des variations d'illumination. Une élimination des réexions spéculaires a aussi été apportée selon la méthode décrite dans [Gröger et al., 2001].

Cuvillon et al. [Cuvillon et al., 2005] ont étudié la dynamique du c÷ur en exploitant des images acquises à haute cadence (500 Hz). Dans cette étude, la région d'intérêt est stabilisée grâce au stabilisateur mécanique Octopus— déjà mentionné sur lequel les auteurs ont disposé quatre LED qui servent de marqueurs actifs. Diérentes séries de mesures ont été collectées en fonction de la raideur du stabilisateur. Les auteurs ont ainsi pu caractériser les mouvements du c÷ur en situation libre ou contrainte. De plus, ils ont comparé les mouvements cardiaques avec ou sans ventilation. Ils ont ainsi montré que la déformation du c÷ur due au cycle cardiaque est modulée sous l'eet de la respiration.

1.3.2.3 Conception de l'architecture de commande

Les premiers résultats in-vivo sur la compensation de mouvements en chirurgie car- diaque sont dus à Nakamura et al. [Nakamura et al., 2001]. Ils ont développé un robot léger à quatre ddl montable sur l'écarteur sternal et contrôlé par asservissement visuel pour suivre un marqueur articiel xé à la surface du c÷ur. La cadence de l'asservisse- ment est de 1 ms, et le système montre un bon comportement pour le suivi suivant les deux dimensions parallèles au plan image. Néanmoins, l'erreur de suivi reste relativement importante (quelques millimètres) par rapport aux contraintes d'une tâche de suture.

Ginhoux et al. [Ginhoux et al., 2005, Ganglo et al., 2006] ont aussi obtenu des ré- sultats in vivo. Ils ont considéré le problème de la compensation de mouvement suivant les trois directions de l'espace cartésien, en suivant une mire rigide active disposée sur le c÷ur. Cette mire est composée de quatre LED, facilement détectables dans les images acquises à 500 Hz. L'architecture de commande repose sur un contrôleur prédicif adaptatif qui considère les mouvements physiologiques observés comme des perturbations à rejeter. La compensation des mouvements suivant le plan tangent à la surface du c÷ur est satis- faisante, mais le robot utilisé induit des erreurs importantes suivant l'axe perpendiculaire à cause de sa bande passante.

Cavusoglu et al. [Cavusoglu et al., ] présentent une architecture de commande pré- dictive pour la compensation de mouvement. Une expérimentation a été menée sur le contrôle d'un robot pour le suivi de mouvements de translation suivant une direction ; le robot est asservi pour suivre les déplacements estimés par le système Sonomicrometry—). De nouveaux résultats sont présentés dans [Bebek et Cavusoglu, 2006] qui montrent une amélioration du suivi des trajectoires lorsque le contôleur prédictif intègre la mesure ECG, du fait de la détection de faibles variations dans les mouvements quasi-périodiques.

D'autres approches plus originales ont été proposées pour compenser les mouvements du c÷ur lors d'une intervention. Trejos et al. [Trejos et al., 1999] ont étudié la possibilité de mettre en place un support mobile sur lequel le chirurgien viendrait poser sa main. Ainsi le chirurgien a l'impression que sa main suit le point désiré sur l'artère coronaire. Patronik et al. [Patronik et al., 2004] ont orienté leurs développements vers une solution diérente. Il s'agit de positionner un mini-robot mobile capable de se déplacer sur la surface du c÷ur et ainsi réaliser une intervention ou administrer des produits tout en évitant les problèmes liés aux mouvements cardiaques. Les tests préliminaires ont montré la faisabilité de se déplacer sur l'épicarde sans abîmer les tissus cardiaques, mais pour l'instant aucune intervention n'a été réalisée puisque le système n'est pas instrumenté.