La radiologie interventionnelle

4.1.3 Approche proposée . . . 86

4.2 Stratégie de positionnement en mode autonome . . . 92

4.2.1 Système robotique . . . 92 4.2.2 Modélisation . . . 92 4.2.3 Prototype . . . 97 4.2.4 Stratégie de commande . . . 99 4.2.5 Validations expérimentales . . . 100

4.3 Stratégie de guidage en mode comanipulé . . . 104

4.3.1 Description . . . 105 4.3.2 Stratégie de guidage . . . 107 4.3.3 Simulations et résultats . . . 109

4.4 Perspectives . . . 114

Ce chapitre introduit les problématiques de la radiologie interventionnelle, notamment sous le guidage de l’imagerie à rayons X. Nous proposons une procédure robotisée originale où l’assistant peut être à la fois lié à la table d’opération et au patient, permettant ainsi le posi-tionnement et l’orientation d’une aiguille tout en respectant les mouvements physiologiques du patient.

4.1 Vers une application médicale

4.1.1 La radiologie interventionnelle

La radiologie interventionnelle est une technique médicale très peu invasive, pour laquelle les traumatismes faisant suite aux interventions restent limités. En radiologie intervention-nelle non vasculaire, le radiologue insère des aiguilles ou des outils en forme d’aiguille à travers la peau. Ces interventions sont effectuées à l’aide du guidage d’imageurs médicaux : fluoroscope, scanner à rayons X, IRM, ou encore échographe. Ces dispositifs d’imagerie, historiquement uniquement utilisés à des fins diagnostics, sont ainsi utilisés à des fins théra-peutiques [Goldberg 2005]. Parmi les actes les plus intéressants, on peut mentionner l’ablation de tumeurs cancéreuses. Pour cela, une ou plusieurs aiguilles doivent être insérées jusqu’aux cibles anatomiques à traiter. À titre d’illustration, la figure 4.1 montre la réalisation d’une cryoablation d’une tumeur, où des aiguilles d’un type particulier sont guidées à travers la peau jusque dans la tumeur, afin de la détruire par cryoablation. Dans ce cas, les aiguilles qui sont creuses permettent le passage successif d’argon liquide, détendu à leur extrémité pour réaliser la congélation à -180˚ C, puis d’hélium gazeux, pour réchauffer les tissus à +30˚ C. Les tissus sont alors détruits grâce à plusieurs cycles de congélation/décongélation [Tsoumakidou 2013].

Aiguilles

Tumeur

FIGURE 4.1 – Cryoablation guidée par scanner à rayons X, images CHU Strasbourg [Tsoumakidou 2013].

Avant d’envisager de telles procédures, un examen pré-opératoire est réalisé : il permet de compléter le diagnostic et de vérifier si l’intervention est nécessaire, et si elle est possible ou non. Si une intervention a lieu, elle suit alors le mode opératoire décrit à la figure 4.2 [Kadir 2006]. Le patient est installé et anesthésié, si nécessaire, soit par anesthésie générale, soit localement avec sédation. L’étape de recalage consiste alors à mettre en correspondance

Anesthésie du patient (locale ou générale)

Localisation de la tumeur Marquage au stylo du point d’entrée

sur la peau Début

Petite incision (2-3 mm) au point d’entrée

Insertion de quelques millimètres de l’aiguille Oui Non Oui Correction de la trajectoire Fin Trajectoire correcte ? Cible atteinte ? Installation du patient dans l’imageur

Recalage de l’imageur avec les images pré-opératoires

Acquisition d’image

Non

Traitement de la cible

Retrait de l’aiguille

Insertion de quelques millimètres de l’aiguille Oui Non Correction de la trajectoire Trajectoire correcte ? Cible atteinte ? Acquisition d’image Non

FIGURE4.2 – Procédure lors d’une intervention percutanée guidée par imagerie.

les objectifs planifiés dans les images avec la scène. À l’issue de ce recalage, le point d’entrée de l’aiguille sur la peau est marqué. La stérilisation du patient, et l’installation du champ opératoire sont alors effectuées. L’acte débute par une incision de la peau, permettant de faciliter la pénétration de l’aiguille et de limiter le déplacement de germes situés sur la peau vers l’intérieur de la plaie. L’intervention consiste ensuite en une alternance de positionne-ments et d’insertions de l’aiguille, de vérifications de trajectoire et de corrections si nécessaire. Le caractère séquentiel de ces opérations est particulièrement marqué pour les procédures guidées par imagerie à rayons X où la visualisation n’est pas effectuée en temps réel, pour limiter l’exposition aux rayons X. Notons également que la vérification de la trajectoire de l’aiguille n’est utile que lorsque cette dernière est déjà insérée de plusieurs millimètres. En effet, durant cette phase de vérification, le radiologue ne tient pas l’aiguille, qui risque alors de se déplacer sous les effets de la gravité et de la respiration du patient. Une fois que l’aiguille est en place, le traitement peut être réalisé sous la surveillance du radiologue. L’aiguille est enfin extraite, généralement après une dernière prise d’image pour vérification.

Pour effectuer de telles interventions, le scanner à rayons X est un des imageurs les plus populaires. Il permet d’obtenir des images d’excellente résolution spatiale et restera l’imageur le plus adapté pour certaines procédures [Solomon 2010], puisqu’il permet de visualiser clai-rement certaines cibles anatomiques difficilement distinguables par les autres imageurs. Les développements récents qui visent à améliorer la résolution du scanner à rayons X, à diminuer

de technologie sera encore viable dans les prochaines décennies malgré la présence de rayons ionisants [Ima 2006]. La présence des rayons X concerne le patient, directement positionné dans le champ du scanner, mais surtout le praticien qui répète les expositions au cours de son activité. En effet, à chaque intervention, le radiologue se trouve à proximité du scanner, y compris lors des phases d’acquisition d’images où les doses de rayons X absorbées sont les plus importantes [Vano 1998]. À long terme, cette exposition peut devenir nocive, malgré les équipements de protection (tabliers de plomb, lunettes), provoquant des problèmes de santé allant de simples irritations de peau à des cancers (principalement leucémie, cancer du sein ou de la thyroïde) [Cousins 2004, Venneri 2009]. Les étapes regroupées dans le cadre en pointillés sur la figure 4.2 sont les plus critiques en termes de complexité et vont largement contribuer à la réussite de l’opération. Une aiguille mal positionnée empêchera par exemple une complète destruction de la tumeur et/ou altérera des tissus sains.

C’est pourquoi la communauté de la robotique médicale étudie depuis maintenant presque deux décennies le développement d’assistants robotisés (voir par exemple [Stoianovici 2003, Maurin 2008, Bricault 2008, Barrett 2005]). En permettant de manipuler les aiguilles, un tel système protège le radiologue des rayons X, notamment lors des phases d’acquisition d’images. On peut aussi attendre d’un tel dispositif qu’il accélère la procédure tout en garantissant une meilleure précision du geste, notamment lors d’interventions complexes. Ce type de dispositif doit toutefois répondre à de nombreuses contraintes qui posent des problèmes de conception délicats. Premièrement, le dispositif doit être sûr d’utilisation. Il doit pouvoir cohabiter en toute sécurité avec le patient et l’équipe médicale. Dans cette optique, même si certains dis-positifs de radiologie préexistent, basés sur des robots industriels [Art 2014], on peut penser qu’un robot d’assistance aux gestes serait d’autant plus intéressant qu’il serait intrinsèque-ment pensé pour limiter les risques lors d’interactions. Par ailleurs, un tel système doit être conçu pour assister le radiologue lors de la procédure médicale, et le guider dans l’exécution de ses gestes tout en lui laissant sa liberté de décision. Un système robotique téléopéré semble être la solution pour les interventions sous imageurs à rayons X [Stoianovici 2003, Piccin 2009], cependant l’utilisation d’un robot manipulé de façon collaborative, pourrait également être envisagée. L’idée d’une telle manipulation partagée, déjà développée en chirurgie orthopé-dique [Francoise 2011] ou ophtalmologique [Mitchell 2007], est tout aussi intéressante dans le cas de procédures pratiquées avec des imageurs médicaux, où la robotisation vise notamment à améliorer l’ergonomie ou le guidage du geste [Poquet 2013]. Dans le cas d’interventions guidées par imagerie à rayons X, le robot pourrait aider le praticien la plupart du temps, guider ses gestes, et se substituer ponctuellement à lui durant les phases critiques.