Une classe d'intervention : la chirurgie des tissus mous

La chirugie des tissus mous est confrontée à des problèmes spéciques. Des solutions adaptées doivent alors être proposées pour la modélisation, l'observation et l'action. 1.2.3.1 Problématique

Deux problèmes majeurs existent en chirurgie des tissus mous : la mobilité des organes et la déformation des tissus.

Mobilité

La mobilité des organes concerne particulièrement les organes des cavités abdomi- nale et thoracique. Les viscères sont des organes glissant les uns contre les autres. Leur mouvement est engendré par la respiration qui déforme le diaphragme mais aussi par les poumons qui voient leur volume augmenter à chaque inspiration. Cette mobilité est va- riable selon les organes, et diérents niveaux de mobilité peuvent être répertoriés. Une classication proposée dans [Barbe et al., 1996] établit trois types de mobilité : limitée, prévisible, imprévisble.

Les structures à mobilité limitée sont des organes dont le déplacement par rapport à la durée de l'intervention est faible. Elles n'entraînent pas de perturbation dans la réalisation du geste. Seules les modications à plus long terme peuvent perturber l'intervention. Par exemple en radiothérapie pour le cancer de la prostate, il est nécessaire d'eectuer une nouvelle localisation à chaque séance [Troccaz et al., 2000].

Les structures à mobilité prévisible concernent particulièrement les organes de la cage thoracique (déplacement du c÷ur) et de l'abdomen. Les études menées par Davies et al [Davies et al., 1994] par analyse d'images échographiques ont montré un déplacement des reins au cours de la respiration d'amplitude comprise ente 10 et 40 mm en respiration normale. Des modèles peuvent alors être développés pour tenir compte de ces déplacements pendant l'intervention.

La mobilité imprévisible survient de façon anarchique. Les mouvements involontaires du patient peuvent être classés dans cette catégorie. Les interventions sur f÷tus durant la

1.2. La robotique médicale

grossesse doivent forcément s'eectuer avec un retour visuel, puisqu'il est pratiquement impossible de prévoir le comportement intra-utérin de l'enfant.

Déformations

Plusieurs facteurs peuvent entraîner une déformation des organes mous. En premier lieu, la position opératoire modie la disposition de certains organes. Cela peut poser des problèmes lorsqu'une planication pré-opératoire est réalisée dans une position diérente. L'ouverture de la cage thoracique lors d'une sternotomie modie complètement l'architec- ture de la cage thoracique. Le déplacement d'organes maintenus par des écarteurs pendant une intervention peut aussi modier la forme géométrique des organes voisins.

Les déformations peuvent être engendrées par une modication des conditions de pres- sion du milieu dans lequel se trouvent les organes. L'exemple le plus marquant est celui du comportement du cerveau lors de l'ouverture de la boîte cranienne. La dépression en- gendrée induit un aaissement du cerveau ("brain shift" en anglais) [Roberts et al., 1998] qui provoque une modication anatomique par rapport à la planication réalisée en pré- opératoire.

L'action mécanique des instruments de chirurgie provoque une déformation des tis- sus. Ceci se remarque particulièrement lors de ponctions. Dans le cas d'une aiguille, les déformations sont non linéaires puisque les matériaux contraints ne présentent pas des propriétés mécaniques linéaires [DiMaio et Salcudean, 2003]. La perforation du foie par exemple montre un comportement bien spécique. Dans une première phase, les eorts augmentent rapidement pour un petit déplacement, jusqu'à la perforation de la première couche de tissu (capsule de Glisson, membrane élastique). Puis, l'eort diminue forte- ment avec une progession rapide dans le tissu hépatique (parenchyme, corps spongieux) [Cotin, 1997].

Enn, le fonctionnement de l'organe peut inuer de façon très importante sur la forme de celui-ci. La déformation du c÷ur pendant le cycle cardiaque entraîne des déplacements très importants. Dans l'étude présentée dans [Cuvillon et al., 2005], les auteurs ont es- timé que les déplacements de la paroi cardiaque pendant une phase d'apnée (arrêt du respirateur) atteignaient 15 mm. De plus la dynamique des mouvements est élevée, les accélérations maximales étant voisines de 2g (g = 9.81 m.s−2_).

1.2.3.2 Interventions concernées

La chirurgie des tissus mous est assez vaste et rassemble diérentes spécialités chirur- gicales. Nous distinguons trois types d'applications :

La neurochirurgie avec les problèmes induits par le "Brain Shift".

L'imagerie interventionnelle où la progression de l'aiguille entraîne la déformation des tissus et où la mobilité de certains organes complique la procédure percutanée.

La chirurgie mini-invasive (abdominale et thoracique) est confrontée à la fois au problème de mobilité des organes mais aussi au problème de déformation générée par l'action du chirurgien.

1.2.3.3 Apport de l'assistance informatisée et robotisée

L'assistance informatisée a permis aux chirurgiens et aux scientiques de modéliser le comportement des organes déformables et mobiles. Les objectifs sont soit d'estimer le comportement mécanique des tissus mous manipulés, soit d'estimer les déplacements des organes.

De nombreux travaux ont concerné la modélisation des déformations dues à la pression d'une aiguille de ponction, en particulier pour évaluer les eorts mis en jeu. La robotisa- tion de ce type de geste est en eet particulièrement intéressante comme nous l'avons vu au paragraphe 1.2.1.1. Il est important de pouvoir caractériser le geste en terme d'eort, à la fois pour prévoir lors de la planication le comportement de l'organe pendant l'inter- vention percutanée, mais aussi pour orir un retour d'eort au chirugien et un outil de simulation [DiMaio et Salcudean, 2003, Maurin et al., 2004]. La connaissance des eorts mis en jeu permet aussi de dimensionner la conception mécanique et de concevoir l'archi- tecture de commande des systèmes qui doivent réaliser ces interventions automatiquement [Maurin, 2005].

Lorsque l'intervention induit des modications de la forme et/ou de la position des tis- sus, il faut pouvoir mettre en correspondance les images utilisées pendant la planication avec les nouvelles données acquises en per-opératoire (soit par IRM [Black et al., 1997], soit par échographie 3D [Comeau et al., 2000]). Le recours aux systèmes d'imagerie 3D pendant l'intervention peut s'avérer intéressant. La modélisation des tissus permet d'ap- pliquer une déformation du modèle recalé sur les images pré-opératoires pour qu'il s'ajuste aux données per-opératoires [Clatz et al., 2005].

L'estimation des déplacements en chirugie mini-invasive représente un apport considé- rable pour le chirurgien. En eet, à partir de la prédiction du mouvement de l'organe ciblé, il est possible de mettre en place une procédure de compensation automatique. Les tra- vaux du LSIIT de Strasbourg ont permis de proposer une compensation automatique des mouvements du foie en chirurgie laparoscopique [Ganglo et al., 2006]. L'idée retenue est de rejeter la perturbation observée en vision laparoscopique en contrôlant les déplacements du robot de façon répétitive. Ces travaux ont aussi été adaptés pour la compensation de mouvements en chirugie cardiaque