1 Introduction 27
1.1 Contexte de la recherche . . . 27
1.2 L’endoscopie digestive par rapport `a la chirurgie . . . 29
1.3 Plate-forme universelle de triangulation en endoscopie digestive . . . 32
1.4 Objectifs et originalit´e de la recherche . . . 33
1.5 Contenu et contribution de la th`ese . . . 33
1.6 Suggestions de lecture . . . 34
I Contexte m´edical et ´etat de l’art 35 2 Contexte m´edical 37 2.1 Syst`eme digestif . . . 37
2.1.1 G´en´eralit´e . . . 37
2.1.2 R´esum´e des propri´et´es dimensionnelles . . . 39
2.2 Endoscopie digestive actuelle . . . 43
2.2.1 Salle d’endoscopie digestive . . . 43
2.2.2 Classification de l’exploration du tube digestif . . . 45
2.2.3 Diff´erents types d’endoscope . . . 45
2.2.4 Diff´erents types d’instrument . . . 48
2.2.5 Op´erations pouvant ˆetre aid´ees par un syst`eme de triangulation . . . 51
2.2.6 Instruments permettant de pallier le manque de triangulation . . . 55
2.2.7 Avantages d’une plate-forme de triangulation par rapport `a l’existant . . . . 57
2.2.8 Avantages d’une plate-forme de triangulation universelle . . . 57
2.3 Evolution des voies d’acc`es en endoscopie flexible . . . .´ 57
2.3.1 Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) . . . 57
2.3.2 Single Port Access (SPA) . . . 58
3 Etat de l’art´ 59 3.1 Plate-formes de triangulation `a corps flexible totalement d´edi´ees . . . 60
3.1.1 Anubis - Karl Storz/IRCAD (France) . . . 60
3.1.2 Isis-scope - IRCAD (France) . . . 62
3.1.3 EndoSamurai - Olympus (Japon) . . . 63
3.1.4 Scorpion - Jikey University (Japon) . . . 65
3.1.5 Master - Nanyang University of Singapore/EndoMaster (Singapour) . . . . 70
3.1.6 Cobra & IOP - USGI Medical (USA) . . . 75
3.1.7 DDES - Boston Scientific (USA) . . . 77
3.2 Plate-formes de triangulation `a corps rigide totalement d´edi´ees . . . 79
3.2.1 Intuitive Surgical (USA) . . . 79
3.2.2 SPRINT - ARAKNES (Italie) . . . 79
3.2.3 HVSPS - Technische Universit¨at M ¨unchen (Allemagne) . . . 81
3.2.4 Single Port System - University of Waseda (Japon) . . . 88
3.2.5 SPIDER - Transenteryx (USA) . . . 90
3.2.6 IREP - Columbia University (USA) . . . 93
3.3 Plate-formes de triangulation sans corps totalement d´edi´ees . . . 95
3.3.1 ARES (Italie) . . . 95
3.3.2 SSSA Modular - ARAKNES (Italie) . . . 98
3.3.3 DRP pour NOTES - University of Nebraska (USA) . . . 99
3.3.4 MAGS - University of Texas (USA) . . . 101
3.4 Les plate-formes de triangulation `a corps flexible outils d´edi´es uniquement . . . 103
3.4.1 ViaCath - EndoVia (USA) . . . 103
3.5 Plate-formes de triangulation `a corps rigide: outils d´edi´es uniquement . . . 106
3.5.1 Dexterous Robot Platform pour SPA - University of Nebraska (USA) . . . 106
3.6 Les plate-formes de triangulation: vision d´edi´ee uniquement `a corps flexible . . . . 108
3.6.1 Flexible Endoscopic Surgical System - Pentax (Japon) . . . 108
3.6.2 Robotized Anubiscope - Karl Storz/IRCAD (France) . . . 109
3.6.3 SplitScope (USA) . . . 111
3.6.4 Syst`eme SciMed Life Systems (SMLS) (USA) . . . 113
3.7 Plate-formes de triangulation inclassables par manque d’informations publi´ees . . . 113
3.7.1 Shangai-Anrei NOTES Project (Chine) . . . 113
3.8 Ports d’acc`es de triangulation . . . 114
3.9 Tableaux r´ecapitulatifs . . . 117
II D´eveloppement d’une plate-forme de recherche universelle en endoscopie di- gestive: Endomina 123 4 Sp´ecifications techniques 125 4.1 Analyse fonctionnelle . . . 129
4.2 Cahier des charges . . . 130
4.2.1 Contraintes g´eom´etriques . . . 130
4.2.2 Contraintes cin´ematiques . . . 132
4.2.3 Contraintes li´ees aux forces . . . 132
4.2.4 Contraintes li´ees aux mat´eriaux . . . 133
4.2.5 Contraintes temporelles . . . 133
4.2.6 Contraintes r´eglementaires . . . 133
5 Concept et innovation 135 5.1 Solutions conceptuelles . . . 135
5.1.1 Structure de la plate-forme . . . 135
5.1.2 Moyens de guidage . . . 140
5.2 Brevet . . . 144
5.3 R´ecapitulatif du choix du concept `a d´evelopper . . . 144
6 Plate-forme de recherche 145 6.1 Dispositif global . . . 145
6.2 Plate-forme de triangulation: Endomina . . . 147
6.2.1 Partie distale . . . 148
6.2.2 Partie m´ediane . . . 152
6.2.3 Partie proximale . . . 152
6.3 Sp´ecificit´e du design de la plate-forme . . . 156
6.3.1 D’un point de vue fabrication et assemblage . . . 156
6.3.2 D’un point de vue s´ecurit´e . . . 158
6.3.3 D’un point de vue packaging . . . 158
6.3.4 D’un point de vue st´erilisation . . . 158
6.4 Syst`eme de connexion rapide de la plate-forme . . . 159
6.4.1 Connexion des pieds `a la station de motorisation . . . 159
6.4.2 Connexion des doigts de pied `a la station de motorisation . . . 160
6.4.3 D´econnexion des doigts de pied `a la station de motorisation . . . 160
7 V´erification du prototype 161 7.1 V´erification des performances . . . 161
7.1.1 Position centrale de travail et amplitudes de travail . . . 161
7.1.2 Autres contraintes g´eom´etriques . . . 162
7.1.3 Contraintes cin´ematiques . . . 162
7.1.4 Contraintes li´ees aux forces . . . 162
7.1.5 Contraintes li´ees aux mat´eriaux . . . 163
7.1.6 Contraintes de fonctionnement . . . 163
7.1.7 Contraintes temporelles . . . 163
7.2 Contraintes r´eglementaires . . . 164
8 Validation du prototype 165 8.1 Tests ex-vivo . . . 165
8.2 Etudes animales . . . 167´
8.3 Etudes cliniques . . . 168´
III M´ethodologie de conception de guidages flexibles pour le domaine m´edical 175 9 Pr´eambule 177 10 Mod`eles de guidages flexibles 183 10.1 Mod`eles g´en´eraux . . . 185
10.1.1 Mod`eles de base . . . 185
10.1.2 Nombres adimensionnels . . . 189
10.1.3 Etude de sensibilit´e . . . 189´
10.2 Application au cas particulier d’un guidage soumis `a la flexion en “arc `a fl`eches” . . 192
10.2.1 Flexion d’un segment . . . 192
10.2.2 Flexion de moment variable de deux segments en s´erie . . . 195
11 Formules analytiques des rigidit´es flexionnelle et axiale d’un guidage 197 11.1 Cas d’une poutre homog`ene uniforme . . . 197
11.2 Cas d’un ressort h´elico¨ıdal . . . 198
11.2.1 Rigidit´e axiale d’un ressort h´elico¨ıdal . . . 198
11.2.2 Rigidit´e flexionnelle d’un ressort h´elico¨ıdal . . . 199
11.2.3 Rigidit´e flexionnelle et axiale d’un ´elastom`ere renforc´e par un ressort . . . 201
12 R´esolution num´erique des mod`eles 203 12.1 Flexion pure . . . 203
12.1.1 R´esolution . . . 204
12.1.2 Solutions sous forme d’abaques . . . 207
12.2 Deux flexions pures en s´erie . . . 215
12.2.1 Hypoth`ese . . . 215
12.2.2 Aspect th´eorique . . . 215
12.2.3 M´ethode de r´esolution . . . 216
12.2.4 Solutions sous forme d’abaques . . . 218
13 Banc d’essai 223 13.1 Banc d’essai en traction . . . 223
13.1.1 Utilisation . . . 224
13.2 Banc d’essai en flexion . . . 224
13.2.1 Calibration . . . 225
13.2.2 D´efinition de l’origine . . . 225
13.2.3 Pr´e-traitement . . . 226
13.2.4 Traitement . . . 227
13.2.5 Post-traitement . . . 227
13.2.6 Utilisation . . . 227
14 Validation de la mod´elisation 229 14.1 Pr´eambule . . . 229
14.2 Echantillons utilis´es lors des tests . . . 229´
14.3 M´ethodologie de r´ealisation des tests . . . 229
14.4 M´ethodologie de validation pour le mod`ele en flexion . . . 231
14.5 Calcul d’erreur sur les r´esultats exp´erimentaux . . . 235
14.6 D´etermination de la variation exp´erimentale surφ. . . 235
14.7 Tests effectu´es, r´esultats obtenus et interpr´etations des r´esultats . . . 236
14.7.1 Composant 1 . . . 237
14.7.2 Composant 2 . . . 238
14.7.3 Composant 3 . . . 239
14.7.4 Composant 4 . . . 240
14.7.5 Composant 5 . . . 241
14.7.6 Composant 6 . . . 242
14.7.7 Composant 7 . . . 243
14.7.8 Composant 8 . . . 244
14.7.9 Composant 9 . . . 245
14.7.10 Composant 10 . . . 246
14.7.11 Composant 11 . . . 247
14.7.12 Composant 12 . . . 248
14.7.13 Composant 13 . . . 249
14.8 R´ecapitulatif des r´esultats obtenus et interpr´etation g´en´erale . . . 250
14.9 Domaine de validit´e de la mod´elisation . . . 252
14.10 Rigidit´es flexionnelles de quelques outils d’endoscopie digestive . . . 253
14.11 Tests en traction . . . 253
14.12 Conclusion . . . 254
15 M´ethodologie de conception 255 15.1 M´ethodologie . . . 255
15.2 Domaine d’utilisation . . . 257
15.3 R`egle de conception pour le choix des param`etres g´eom´etriques a et e . . . 257
15.4 R`egle de conception g´en´erale . . . 259
15.5 Les diff´erents cas ´etudi´es . . . 259
15.6 Cas de la flexion d’un segment: positionnement de Y etθ. . . 260
15.6.1 D´etermination du L, a, e et KF . . . 261
15.6.2 D´etermination de F et K . . . 266
15.6.3 D´etermination des param`etres de fabrication d’un ´elastom`ere renforc´e par un ressort correspondant au K calcul´e . . . 268
15.7 Cas de la flexion d’un segment: positionnement de x etθ . . . 270
15.8 Cas de la flexion d’un segment: Positionnement de x et y . . . 271
15.9 Cas de la flexion de deux segments en s´erie: Positionnement de x, y etθ . . . 273
15.9.1 Comparaison avec la plate-forme d’Endomina . . . 276
15.9.2 Optimisations possibles . . . 277
15.10 Conclusion . . . 278
IV Conclusions et Perspectives 279 16 Conclusions et Perspectives 281 V Annexes 285 Annexes relatives `a la partie I 288 A Unit´es utilis´ees en endoscopie digestive 289 B M´ethodologie de d´eveloppement des plate-formes de triangulation 291 B.1 Anubis, ISIS-SCOPE et Robotized anubiscope - Karl Storz/IRCAD . . . 291
B.2 EndoSamurai - Olympus . . . 292
B.3 Scorpion - Jikey University . . . 293
B.4 Master - Nanyang University of Singapore/EndoMaster . . . 294
B.5 Cobra & IOP - USGI Medical . . . 295
B.6 DDES - Boston Scientific . . . 296
B.7 Intuitive Surgical . . . 297
B.8 HVSPS - Technische Universit¨at M ¨unchen . . . 298
B.9 Single Port System - University of Waseda . . . 299
B.10 SPIDER - Transenteryx . . . 300
B.11 IREP - Columbia University . . . 301
B.12 ARES - Scuola Superior Sant’Anna . . . 302
B.13 ARAKNES - Scuola Superior Sant’Anna . . . 303
B.14 DRP (SPA & NOTES) - University of Nebraska . . . 304
B.15 MAGS - University of Texas . . . 304
B.16 ViaCath - EndoVia . . . 305
B.17 Flexible Endoscopic Surgical System - Pentax . . . 306
B.18 SplitScope . . . 306
B.19 Syst`eme SciMed Life Systems . . . 306
C Etat de l’art de la propri´et´e intellectuelle des plate-formes de triangulation´ 307 C.1 Anubis - Karl Storz/IRCAD . . . 307
C.2 EndoSamurai - Olympus . . . 308
C.3 Scorpion - Jikey University . . . 309
C.4 Master - Nanyang University of Singapore/EndoMaster . . . 309
C.5 Cobra & IOP - USGI Medical . . . 310
C.6 DDES - Boston Scientific . . . 310
C.7 ARES - Scuola Superior Sant’Anna . . . 311
C.8 SPRINT & ARAKNES - Scuola Superior Sant’Anna . . . 311
C.9 SSSA Modular - Scuola Superior Sant’Ann . . . 311
C.10 HVSPS - Technische Universit¨at M ¨unchen . . . 312
C.11 DRP (SPA & NOTES) - University of Nebraska . . . 312
C.12 Single Port System - University of Waseda . . . 313
C.13 IREP - Columbia University . . . 313
C.14 SPIDER - Transenteryx . . . 314
C.15 ViaCath - EndoVia . . . 314
C.16 SplitScope . . . 314
C.17 Intuitive Surgical . . . 315
C.18 MAGS - University of Texas . . . 315
C.19 Flexible Endoscopic Surgical System - Pentax . . . 315
C.20 Syst`eme SciMed Life Systems . . . 316
Annexes relatives `a la partie II 318 D Forces exerc´ees dans le corps humain 319 E R´ecapitulatif des tests de biocompatibilit´e 321 F Choix des mat´eriaux minimisant le rayon de courbure (m´ethode d’Ashby) 323 G Liste des pi`eces de la plate-forme 327 G.1 Doigt de pied . . . 328
G.2 Pied . . . 329
G.3 Jambe . . . 331
G.4 Talon . . . 332
G.5 Epaule . . . 333´
G.6 Bras . . . 334
G.7 Coude . . . 337
G.8 Main . . . 337
G.9 Muscles . . . 339
G.10 Nerf . . . 340
G.11 Hypotube . . . 340
G.12 ´Epaulette . . . 340
G.13 Colle et Primaire . . . 341
Annexes relatives `a la partie III 344 H D´eveloppement de la mod´elisation: Sollicitations de base 345 H.1 Traction/Compression . . . 345
H.1.1 Hypoth`eses . . . 345
H.1.2 Cas de section et de module de Young constant sur la longueur de la poutre 346 H.1.3 Cas de section et de module de Young non-constant sur la longueur de la poutre . . . 346
H.1.4 Cas d’un ressort . . . 347
H.1.5 Forme adimensionelle . . . 347
H.2 Flexion pure autour de Z . . . 348
H.2.1 Hypoth`eses . . . 348
H.2.2 Cas de section et de module de Young constants sur la longueur . . . 348
H.2.3 Ecriture sous la forme d’´equations adimensionnelles diff´erentielles du pre-´ mier ordre . . . 351
H.2.4 Cas de section et de module de Young non constants sur la longueur de la poutre . . . 352
H.2.5 Cas d’un ressort . . . 352
H.3 Flexion pure autour de Y . . . 353
H.3.1 Hypoth`eses . . . 353
H.3.2 Cas de section et de module de Young constants sur la longueur . . . 353
H.3.3 Ecriture sous la forme d’´equations adimensionnelles diff´erentielles du pre-´ mier ordre . . . 356
H.3.4 Cas de section et de module de Young non constants sur la longueur de la poutre . . . 357
H.3.5 Cas d’un ressort . . . 357
H.4 Flexion simple autour de Z . . . 358
H.4.1 Contribution due au moment fl´echissant . . . 358
H.4.2 Contribution due `a l’effort tranchant . . . 359
H.5 Flexion simple autour de Y . . . 364
H.6 Torsion autour de X . . . 365
I Combinaison des sollicitations de base 369 I.1 Flexion pure dans un plan autre que les plans principaux . . . 369
I.2 Flexion simple dans un plan autre que les plans principaux . . . 372
I.3 Flexion simple en parall`ele suivie d’une flexion simple coplanaire en s´erie . . . 375
J Formule analytique de la rigidit´e flexionnelle d’un ressort h´elico¨ıdal 377 J.1 Calcul de la flexion due `a la torsion dans la section de la spire . . . 380
J.2 Calcul de la flexion due `a la flexion dans la section de la spire . . . 381
J.3 Calcul de la rigidit´e flexionnelle d’un ressort . . . 383
J.4 Rigidit´e flexionnelle d’un ressort h´elico¨ıdal . . . 384
K Calcul du moment d’inertie du guidage d’Endomina 385
L Abaques de conception pour la double flexion en s´erie 387
