Programme du cours

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Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO)

Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg Master ISTI – spécialité PARI – parcours IRMC

Michel de Mathelin, Florent Nageotte,

Stéphane Nicolau, Jacques Gangloff, Bernard Bayle

Année 2006-2007

Cours intégré : 20 h

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Programme du cours

• Introduction: Objectifs, historique et spécificités

• Chapitre I: Capteurs et recalage per-opératoire

• Chapitre II: Réalité Augmentée

• Chapitre III: Architecture robotique

• Chapitre IV: Positionnement et suivi de trajectoire

• Chapitre V: Co-manipulation et télé-manipulation

• Chapitre VI: Futures directions et perspectives

Etude de cas : Les procédures percutanées en radiologie interventionnelle

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Références

• J. Troccaz, dans Applications non manufacturières de la robotique. Hermès, Paris, 2000.

• IARP Workshop on Medical Robotics, Hidden Valley, mai 2004:

http://www.nsf.gov/eng/roboticsorg/IARPMedicalRoboticsWorkshopReport.htm

• CARS Workshop on Medical Robotics, Berlin, juin 2005:

http://www.caimr.georgetown.edu/Medical%20Robotics%20Workshop/main.htm

• 2^nd European summer school in medical robotics, Montpellier, septembre 2005:

http://www.lirmm.fr/manifs/UEE/accueil.htm

• Journées nationales de la recherche robotique, JNRR’05, Guidel, octobre 2005: http://jnrr05.irisa.fr

• IEEE Transactions on Robotics & Automation, special issue on medical robotics, vol 19(5), octobre 2003.

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A Définition et objectifs (1)

• Gestes (médico-chirurgicaux) assistés par ordinateur (GMCAO/GAO) – Computer Aided Surgery (CAS) Procédures médicales ou chirurgicales assistées pendant l’intervention ou le traitement (geste) par un dispositif informatique ou robotique et des systèmes de mesure per- opératoires

Les GMCAO s’appuient sur la robotique médicale de manière privilégiée mais non-exclusive

• Objectifs du cours

Donner les connaissances et les outils pour le développement de systèmes pour les GMCAO en prenant en compte les

spécificités du domaine médical

INTRODUCTION

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A Définition et objectifs (2) INTRODUCTION

Les GMCAO s’inscrivent dans les étapes d’un processus de traitement médical :

Examens Diagnostic Intervention ou

thérapie

Suivi

Pré-opératoire Per-opératoire

Post-opératoire

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A Définition et objectifs (3) INTRODUCTION

Les GMCAO combinent trois types d’actions:

Acquisition d’information Pré, per, post-opératoire

Traitement d’information Pré, per, post-opératoire

Intervention et traitement Per-opératoire

Homme

Modèle Animal

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A Définition et objectifs (4) INTRODUCTION

Exemples:

Dispositifs imageurs: Video, Endoscope, IRM, IRMf, TDM, Echographie, PET- scan, …

Moniteurs de signaux électriques,

Localisateurs optiques, magnétiques, …

Acquisition d’information

Exemples:

Traitement d’images

médicales, Visualisation 3D, Simulation (patient virtuel), Planification d’intervention, Recalage et navigation, Modélisation bio-

mécanique…

Traitement d’information

Exemples:

Robots médico- chirurgicaux,

Dispositifs de réalité augmentée,

Systèmes de radio-thérapie,

…

Dispositifs d’intervention

Homme

Modèle Animal

Les GMCAO s’appuient sur différents dispositifs matériels et logiciels:

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B Classifications (1)

• Les systèmes robotiques peuvent être classifiés de différentes manières:

1. Motorisation des mobilités :

• Passif

• Semi-actif (motorisation partielle et activité partielle durant la procédure)

• Actif (motorisation partielle ou totale et activité continue)

2. Domaines d’application :

• Orthopédie

• Chirurgie mini-invasive (cardio-thoracique, viscéral, urologie, gynécologique, …)

• Neuro-chirurgie

• Radiologie et radiothérapie

• Maxillo-facial

• Autres…

INTRODUCTION

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B Classifications (2)

• Classification de ce cours:

3. Méta-tâches (robotiques) :

• Positionnement : positionner/orienter un instrument en un point de l’espace prédéfini par rapport au patient

• Suivi de trajectoire: faire suivre à un instrument une trajectoire prédéfinie par rapport au patient

• Co-manipulation : manipuler manuellement un instrument contraint (en position, vitesse, effort) par un système robotique

• Télé-manipulation : télé-manipuler (à distance) un instrument

• Exploration: explorer avec un certain degré d’autonomie un environnement incertain

• Simulation: réaliser l’une des tâches précédentes dans un environnement virtuel

INTRODUCTION

La co-manipulation et de la télémanipulation se distinguent du positionnement et du suivi de trajectoire par la présence de l’homme dans la boucle d’asservissement avec un risque d’instabilité supplémentaire lié à son comportement.

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C Historique (1) INTRODUCTION

• Fin des années 80:

– Systèmes robotiques de la première génération : Transformation de robots industriels

• Les années 90 et début 2000:

– Systèmes robotiques de la deuxième génération :

Robots spécialement conçus pour dupliquer et améliorer les gestes médicaux-chirurgicaux existants

• Aujourd’hui et futur:

– Systèmes robotiques de la troisième génération :

Robots spécialement conçus pour de nouveaux gestes médicaux-chirurgicaux difficiles à réaliser autrement

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• Fin des années 80:

– Systèmes robotiques de la première génération : – Transformation de robots industriels

conception inspirée de la robotique industrielle + Développement de la navigation

• Utilisation des avantages des robots industriels:

– Précision : positionnement des outils inférieur au mm – Répétabilité : le geste est toujours identique

– Planification : réalisation d’un geste planifié – Force : compensation du poids de l’instrument

• Applications médicales principales:

– Chirurgie osseuse – Neuro-chirurgie

– Radiologie - radiothérapie

C Historique (2)

INTRODUCTION

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C Historique (3) INTRODUCTION

• Chirurgie osseuse:

– Le robot est utilisé pour forer, couper ou meuler (usiner) précisément les os pour l’insertion de prothèses (hanche, genou, …)

Exemples commerciaux:

• ROBODOC (ISS):

– Développement chez IBM (1986) Transformation d’un robot

de l’industrie électronique

• CASPAR (Maquet):

– Transformation d’un robot Staübli

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C Historique (4) INTRODUCTION

• Neurochirurgie:

– Le robot est utilisé pour positionner précisément dans le cerveau une sonde ou une aiguille

+ porte microscope robotisé Exemples commerciaux :

• Neuromate (ISS):

– Développement au CHU de Grenoble (1985)

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C Historique (5) INTRODUCTION

• Radiologie:

– Le robot est utilisé pour déplacer précisément une source de rayonnement autour du patient

– Le patient est placé sur un lit ou un siège robotisé qui le déplace par rapport à une source de rayonnement fixe

• Exemples commerciaux :

• Cyberknife (Acurray)

• Exemples de laboratoire :

• Protonthérapie (Orsay, Boston), …

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C Historique (6) INTRODUCTION

• Avantages:

– Positionnement des instruments plus précis (sous condition d’un bon recalage)

– Suivi de trajectoires plus précis – Filtrage des tremblements

– Compensation du poids des instruments

• Inconvénients:

– Recalage robot-patient

– Procédure souvent plus longue

– Personnel compétent supplémentaire – Coût

– Encombrement

– Gestion de la sécurité plus difficile

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C Historique (7) INTRODUCTION

• Les années 90 (et début 2000):

– Systèmes robotiques de la deuxième génération :

Robots spécialement conçus pour dupliquer et améliorer les gestes médicaux-chirurgicaux existants

• Robots avec des architectures dédiées (pour manipuler les instruments) – Précision égale ou supérieure à l’homme

– Dextérité augmentée (plus de degrés de liberté)

– Co-manipulation (restriction des mouvements, compensation des efforts, filtrage des tremblements)

– Télé-opération (travail à distance, milieu hostile, démultiplication)

• Domaines d’application: chirurgie osseuse, neuro-chirurgie, radio-thérapie + – Chirurgie mini-invasive

– Télé-Echographie – Autres

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C Historique (8) INTRODUCTION

• La chirurgie mini-invasive:

– Opération chirurgicale pratiquée à travers des points d’incision

– Utilisation d’un système de vision endoscopique

• Indications

– Chirurgie digestive – Gynécologie

– Urologie

– Chirurgie cardio-thoracique

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C Historique (9) INTRODUCTION

• Avantages:

– Récupération post-opératoire plus courte – Risques d’infection plus faible

– Réduction du coût hospitalier

– Posture fatigante du chirurgien

– Vision indirecte avec manque d’information de profondeur

– Mouvements limités à 4 degrés de libertés et inversés – Manque de sensation de force et de palpation

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C Historique (10) INTRODUCTION

• Exemple: la chirurgie mini-invasive robotisée:

Robots tenant l’endoscope:

AESOP (Computer Motion) Endo-Assist (Armstrong-Healthcare)

Commandé par la voix

Commandé par les

mouvements de la tête

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C Historique (11) INTRODUCTION

• Robots commerciaux télé-opérés tenant les instruments:

ZEUS (Computer Motion)

5 degrés de liberté

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C Historique (12) INTRODUCTION

• Robots télé-opérés tenant les instruments:

DaVinci (Intuitive Surgical)

6 degrés de liberté

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C Historique (13) INTRODUCTION

• Avantages:

– Confort pour le chirurgien

– Augmentation de la précision du geste (filtrage des tremblements, démultiplication des mouvements)

– Augmentation de la dextérité (5 ou 6 degrés de libertés au lieu de 4) – Remplacement de l’assistant tenant l’endoscope

– Opération à distance possible (opération Linbergh du Pr. Marescaux en 2001)

– Représentation de l’instrument plus difficile dans l’espace – Perte de la sensation de contact avec les organes

– Perte de vue possible des instruments

– Augmentation de la durée des interventions – Coût très élevé (achat et maintenance)

• La chirurgie mini-invasive robotisée:

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C Historique (14) INTRODUCTION

• Autres exemples:

• (Télé)-échographie:

– The Ultrasound robot, Hippocrate, …

• Radiologie interventionnelle:

– RCM-Paky-Acubot/JHU, Casper/TIMC (à vérifier), …

• Orthopédie:

– Acrobot/(Imperial College et Acrobot Ltd)

• Neuro-chirurgie:

– Neurobot/(Imperial College)

• Autres:

– Dermarob, Probot /(Imperial College), Bloodbot/(Imperial College), …

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C Historique (15) INTRODUCTION

• Aujourd’hui (> 2000) et futur:

– Systèmes robotiques de la troisième génération :

Robots, souvent petits et légers, spécialement conçus pour de nouveaux gestes et traitements médico-chirurgicaux difficiles ou impossibles à réaliser autrement

• Petits robots légers ou miniaturisés avec des architectures dédiées – Systèmes robotiques montés sur le patient

– Compensation des mouvements physiologiques – Instruments robotisés

– Plus économiques

• Principales applications médicales: potentiellement toutes !

– Chirurgie mini-invasive (LER, Heartlander, MC2E, U. Tokyo, Nagoya U., …) – Radiologie interventionnelle (IRM/JHU, CT-bot, IRM/TIMC, robots japonais, …) – Radiothérapie

– Orthopédie (Mars, Crigos/Hemholtz Inst., Arthrobot/KAIST, Mbars/CMU, Praxiteles, …) – Neuro-chirurgie (Hitachi, …)

– Chirurgie maxillo-faciale

– Télé-échographie (TER, Teresa, …)

– Autres (Steady-hand robot/JHU, Micron/CMU, Endoscopy Pill, Smart capsule, …)

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D Spécificités des GMCAO (1) INTRODUCTION

• Sécurité

Le système robotique doit créer moins d’incidents que l’approche classique et ne pas créer d’incidents d’un nouveau type:

– Redondance de capteurs

– Limitation des vitesses, efforts et de l’espace de travail – Architecture robotique intrinsèquement sécurisée

– Fusibles mécaniques, électriques et logiciels – Procédures de récupération manuelle

– Procédure d’initialisation automatique

– Allongement de la durée d’intervention raisonnable – Médecin dans la boucle

– Autres

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D Spécificités des GMCAO (2) INTRODUCTION

• Salle d’opération

Prise en compte des contraintes de la salle d’opération:

– Encombrement

– Ergonomie et IHM

– Personnel médical (formation)

– Compatibilité avec les autres équipements – Normalisation

– Certification – Autres

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D Spécificités des GMCAO (3) INTRODUCTION

• Stérilité (asepsie)

Le système doit respecter les règles d’hygiène en vigueur:

– Les parties en contact avec le patient doivent passer à l’autoclave ou bien sont jetables (consommables)

– Les autres parties peuvent être emballées de manière stérile (pour éviter de contaminer les soignants)

– Le système peut être facilement désinfecté chimiquement dans les cas où c’est nécessaire

– Autres

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E Avantages potentiels des GMCAO INTRODUCTION

• Rapidité

• Précision

• Répétitivité

• Recalage automatique

• Simulation

• Contraintes en position, vitesse et effort

• Augmentation du retour sensoriel

• Compensation d’efforts importants

• Démultiplication des mouvements et des efforts

• Action à distance

• Suivi de trajectoire automatique

• Manipulation en espace confiné ou hostile

• Exploitation de mesures en temps-réel et fusion de données

• Augmentation de la dextérité et des degrés de liberté

• Filtrage

Il s’agit de ce que la robotique au sens large peut apporter indépendamment de l’application

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F Conditions de réussite INTRODUCTION

• Un nombre significatif d’avantages potentiels réalisés

• Une amélioration significative du résultats pour le patient (tests cliniques comparatifs à l’appui)

• Un rapport coût du système/bénéfice pour le patient avantageux

• Une prise en compte des 3 S (Sécurité, Stérilité, Salle d’opération)

Réussite technologique différent de réussite médicale et de réussite commerciale

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G Etude de cas (1) INTRODUCTION

• Procédures percutanées guidées par imagerie scanner

Radio-fréquences Thérapie laser Vertébroplasties

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G Etude de cas (2) INTRODUCTION

• Insertion d’aiguille robotisée dans le scanner

Objectifs:

- Protection des rayons-X - Précision de 1 mm

- Indication du point d’entrée - Planification et simulation

du geste à partir des images pré-opératoires

-Télé-opération avec retour d’efforts

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G Etude de cas (3) INTRODUCTION

• Insertion d’aiguille robotisée dans le scanner

Difficultés à résoudre :

- Compatibilité avec les rayons-X - Transparence dans le plan de coupe

- Compatibilité avec les dimensions du scanner

- Compatibilité avec les mouvements physiologiques - Compatibilité avec les différents formats d’aiguille - Recalage des images pré-opératoires avec les images

per-opératoires

- Télé-opération avec retour d’effort :

effort maximum <2kg et sensibilité = 20 gr - Sécurité

- Stérilité