Les syst`emes d´eport´es : guidage d’outils

Sous imagerie ´echographique 3D, un syst`eme robotique constitu´e d’un manipulateur d’instrument de laparoscopie `a six ddl est propos´e dans [Novotny 2007] pour permettre le positionnement automatique de l’extr´emit´e de l’instrument vers une cible (voir fi- gure2.13). Le suivi temps r´eel de l’instrument dans le volume ´echographique est r´ealis´e `

a l’aide d’une d´etection de ligne 3D qui permet de retrouver l’axe de l’instrument et grˆace `a la mise en place d’un marqueur sp´ecifique sur l’instrument. Ce marqueur est constitu´e d’un manchon cylindrique adapt´e `a l’axe de l’instrument et de trois an- neaux fix´es sur ce manchon visibles sous imagerie ´echographique, qui permettent de d´eterminer l’orientation de l’objet dans le volume ´echographique. La cible `a atteindre est munie d’un marqueur en forme de croix qui peut ˆetre efficacement d´etect´e `a l’aide d’une transform´ee de Radon [Radon 1917]. Le traitement du volume 3D permet ainsi de retrouver les six param`etres de position et orientation de l’outil ainsi que la position de la cible. Ces donn´ees de position sont alors exprim´ees dans le rep`ere du robot et l’erreur observ´ee est minimis´ee `a l’aide d’un correcteur proportionnel d´eriv´e (PD).

(a) (b)

Fig. _{2.13 – Positionnement d’un outil sur une cible par asservissement vi-} suel [Novotny 2007]. (a) Environnement exp´erimental. (b) D´etection de l’outil dans l’image ´echographique.

N´eanmoins les approches bas´ees position souffrent d’une assez faible pr´ecision en termes de positionnement puisque le contrˆole est r´ealis´e sur des positions estim´ees dans le rep`ere du robot. La pr´ecision obtenue d´epend donc fortement de la pr´ecision du robot et de l’exactitude de la calibration entre le rep`ere image et le rep`ere du robot. Au contraire, les asservissements visuels bas´es image offrent une meilleure robustesse `a d’´eventuelles erreurs de calibrations et permettent d’atteindre de meilleures pr´ecisions de positionnement. Un tel asservissement direct est mis en place dans [Hong 2004] pour ins´erer automatiquement une aiguille par exemple pour une application de chol´ecystotomie percutan´ee o`u l’aiguille est introduite dans la v´esicule biliaire pour effectuer un drai- nage. Dans la m´ethode propos´ee l’aiguille est rigidement fix´ee `a la sonde ´echographique

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de mani`ere `a ce que sa direction d’insertion soit contenue dans le plan image de la sonde, et l’ensemble est fix´e sur l’effecteur d’un bras robotique `a cinq ddl passifs. Ces cinq ddl permettent de positionner le syst`eme au point d’insertion sur la peau du patient puis le manipulateur d’aiguille `a deux ddl actifs permet de r´ealiser l’insertion automatique de l’aiguille en compensant d’´eventuels mouvements physiologiques ou involontaires du patient (voir figure2.14). Pour cela, les images ´echographiques sont trait´ees de sorte `a extraire la position de la v´esicule biliaire, segment´ee `a l’aide d’un contour actif, ainsi que l’extr´emit´e de l’aiguille d´etect´ee `a l’aide d’une transform´ee de Hough. Ces posi- tions dans l’image constituent les primitives visuelles courantes utilis´ees dans la boucle d’asservissement visuel. Elles ne permettent cependant que de contrˆoler deux ddl (une translation le long de l’axe de l’aiguille et une rotation autour du point d’insertion) qui correspondent `a des mouvements dans le plan de la sonde.

(a) (b)

Fig. _{2.14 – (a) L’aiguille li´ee m´ecaniquement `a la sonde 2D est actionn´ee selon deux} ddl [Hong 2004]. (b) D´etection de l’extr´emit´e de l’aiguille par la transform´ee de Hough.

Un travail plus r´ecent s’est attach´e `a contrˆoler tous les mouvements non contraints d’un forceps introduit dans un trocart, c’est-`a-dire les trois rotations et la translation le long de l’axe de l’instrument [Vitrani 2005, Vitrani 2007], pour atteindre une posi- tion d´esir´ee. A partir de l’image courante et de l’image d´esir´ee fournies par une sonde 2D d´eport´ee, une boucle d’asservissement visuel est impl´ement´ee dans le contrˆoleur pour d´eplacer l’outil tout en le contraignant `a rester dans le plan de l’image US. Pour commander les quatre ddl de l’instrument, un minimum de quatre indices visuels est n´ecessaire. Dans [Vitrani 2005], les coordonn´ees planaires des deux points image cor- respondant `a l’intersection des deux mˆachoires du forceps avec le faisceau US sont choisies pour r´ealiser cette commande. Soit P1 et P2 les centres de gravit´e respectifs de

ces deux points, le vecteur d’information visuelle consid´er´e est s = [xP1, yP1, xP2, yP2].

Par la suite, de nouvelles primitives visuelles ont ´et´e retenues. Dans [Vitrani 2007], les coordonn´ees du milieu du segment [P1P2], sa longueur et son orientation par rapport `a

l’horizontale de l’image sont choisies comme nouveaux indices visuels afin d’assurer une meilleure robustesse de la commande s′ = [xP, δ, yP, θ]. Un tel asservissement r´ef´erenc´e

image permet de se dispenser de capteur de position sur la sonde puisqu’une estima- tion grossi`ere de la pose de la sonde par rapport au robot est suffisante pour calculer la matrice d’interaction. La m´ethode ainsi d´evelopp´ee a ´et´e valid´ee in vivo sur un coeur de cochon (voir figure2.15).

(a) (b)

Fig. _{2.15 – (a) Exp´erimentation in vivo r´ealis´ee sur cochon de l’approche d’asservisse-} ment visuel propos´ee par Vitrani et al. [Vitrani 2007]. (b) D´etection automatique des deux points d’intersection de l’instrument avec le plan de la sonde, qui sont utilis´es comme information visuelle.

Dans [Sauv´ee 2008], une approche pr´edictive a ´et´e propos´ee pour garantir la conver- gence d’un instrument chirurgical de type forceps vers une position d´esir´ee tout en res- pectant des contraintes de visibilit´e de l’objet dans l’image et d’´evitement des but´ees du bras robotique. L’intersection des deux mˆachoires de l’instrument avec le plan de coupe ´echographique g´en`ere deux points dans l’image qui sont d´etect´es par un traitement automatique de l’image (seuillage, op´erateurs morphologiques et d´etection d’´el´ements connexes). La donn´ee de ces deux points image permet de retrouver la position de l’instrument qui est alors utilis´ee en entr´ee du contrˆoleur pr´edictif pour asservir les mouvements de l’instrument chirurgical mont´e sur un manipulateur `a six ddl. L’ap- proche a ´et´e valid´ee dans une bassine d’eau avec un robot Mitsubishi PA 10 ´equip´e d’un forceps et une sonde immobile d´eport´ee (voir figure2.16).

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(a) (b) (c)

Fig. _{2.16 – (a) Robot `a six ddl manipulant un forceps dans une bassine}

d’eau [Sauv´ee 2008]. (b) D´etail de la sonde observant l’outil dans une configuration d´eport´ee. (c) D´etection des informations visuelles dans l’image.