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Cours de robotique médicale
David.Daney sophia.inria.fr
Projet Coprin
INRIA Sophia Antipolis
D. Daney INRIA Cours robotique médicale 200x 1 / 44

Historique
IEEE International Conference
on Robotics and Automation
1992 3/423 articles
2002 40/689 articles
2004
.., 25 (Medical),
.., 15 (biologie),
.., 10 (rehabilitation)
Industriel
1989 Computer Motion
(AESOP, Zeus)
1992 Integrated Surgical System
(Robodoc, Neuromate)
1995 Intuitive Surgical
(da Vinci)
Pourquoi cette explosion ?

Comparaison Homme/Machine
La Machine
++ Précision géométrique
++ Précision dans le contrôle des
efforts
++ Capacité à travailler en
environnement hostile
++ Répétabilité
++ Pas de fatigue Inconvénients
– Peu de capacités à décider,
apprendre et s’adapter
– Modèles incomplets
– Fiabilité limitée
L’homme
++ Capteurs naturels performants
++ Dextérité
++ Coordination
++ Capacité de raisonnement et de
pensée
++ Adaptation des compétences
– Sujet à la fatigue
– Tremblements
– Imprécision
– Incapacité de voir au travers des
tissus
– Sensible aux radiations

Intérêt de la collaboration Homme-Machine
Meilleure précision
Sécurité accrue
Traumatismes diminués
Diminution du nombre d’interventions
Temps d’hospitalisation réduit

Particularités de l’application de la robotique au
médicale
C’est un système complet :
structure mécanique,
Interface Homme-Machine (IHM),
des composants électroniques,
un contrôleur logiciel.
qui doit être sécurisé a toutes les niveaux.
Problematiques:
Interaction intime avec un environement humain
(comportement imprevisible patient/chirurgien)
Collisions,
Espace de travail limité.

Différence entre robot industriel et robotique médicale
1/4
L’automatisation d’une tâche devient difficile
Le facteur humain
conditions change en fonction du patient et du personnel
médical
Les contraintes cliniques
Chaque opération, même spécialisée, est différente

Le facteur humain 2/4
Patient
Condition changante
Position de la table d’opération
Caractérisatiques des organes
Caractérisatiques des tissus
accessibilité des organes
...
Sans possiblités de phase de test...
Personnel médical
Chirurgiens
Anesthésistes
infirmiers
Conséquence ...

Le facteur humain 3/4
Planification nécessaire :
* phase préopératoire
phase perception
phase décision
Le plan d’action doit être modifiable et adaptatif (diagnostic,
complication, comportement patient etc ...)
IHM adaptée :
Interface orienté métier

Les contraintes cliniques 4/4
Utilisation pour des actes medicaux sprécifiques
(neurochirurgie, arthroplastie,...)
Champ stérile (autoclave, drap stérile)
Espace de travail encombré par des appareils médicaux
(radiologie, anesthésie, chirurgie, etc ...)
◦ Contrainte de positionnement
(peut-être différent entre deux opérations de même nature)
→ Prendre en compte les obstacles
→ Repositionner du robot (transportable, enlevé en cas de
complication)

De la spécialisation de la robotique médicale 1/2
Procédure chirurgicale utilisant des robots industriel + sécurisation
◦ [CASPAR] Stäubli RX
◦ [ROBODOC] SCARA (proche des robots Sankyo Seiki SR et IBM
7576)
◦ [Drake 91], PUMA 200, résection des tumeurs du cerveau
◦ [Kazanzides 92], IBM SCARA 7576 modifié, arthroplastie sur la
hanche
◦ [Kienzle 95], PUMA 560, Placement des prothèses de genou
◦ [Knappe 02], PA10 de Mitsubishi Heavy Industry, études de
faisabilité en chirurgie orthopédique
◦ [Michelin 02], PA10 de Mitsubishi Heavy Industry, chirurgie
endoscopique

De la spécialisation de la robotique médicale 2/2
La robotique médicale se spécialise
◦ Zeus et AESOP (Computer Motion),
◦ da Vinci (Intuitive Surgical),
◦ Hippocrate (SINTERS),
◦ Evolution 1 (URS Ortho),
◦ Surgiscope (ISIS),
◦ EndoAssist (Armstrong Healthcare),
◦
...

Classification des robots médicaux 1/7
[Lavallée 91]: degré d’autonomie de robots
Systèmes passifs, ni moteurs, ni autonomie Systèmes
semi-actifs, positionneurs et guides d outils
(la puissance est coupée lors de l’intervention proprement)
Systèmes actifs, une partie de l’intervention est autonome
(les axes de ces derniers étant motorisés)
Intérêt : notion de sécurité

• [Troccaz 01] ajoute les notions
• systèmes synergiques
• Systèmes mus par l’actionnement du chirurgien, mais limitant et
contraignant (dynamiquement) les gestes de celui-ci, par construction
mécanique ou logicielle
• systèmes de téléchirurgie + microsystèmes robotisés
• (redondant avec systèmes actifs ou synergiques)

[Dario 96]
macro-robotique
(robots de réhabilitation, d’intervention chirurgicale, stimulation
fonctionnelle)
micro-robotique
(endoscopes et robots pour la chirurgie minimallement
invasive)
bio-robotique
(implants électroniques, bionique, robionique)

[Dohi 93]
robots de diagnostic et de biopsie,
robots thérapeutiques,
robots de réhabilitation,
robots aide-soignants,
robots de transport d’échantillons,
robots de recherche,
robots d’entraînement

[Thérond 96], coopération entre le système mécanique et les
acteurs médicaux
coopération chirurgien/robot
(le robot apporte précision et répétabilité),
coopération patient/robot
(le robot apporte autonomie au patient handicapé)
coopération personnel hospitalier/robot
(le robot assiste le personnel médical en le soulageant de
tâches répétitives ou physiquement éprouvantes)

• [Hein 01]
• les systèmes automatiques qui exécutent la tâche planifiée de
façon autonome,
• les systèmes de télémanipulation pour lesquels le
chirurgien n’est pas directement sur le lieu de l’opération,
• les systèmes par contrôle interactif qui sont un mélange des
deux précédents le chirurgien est à proximité du patient.

[Davies 93a]
système
(allant de la simple pince chirurgicale au bras motorisé)
techniques de perception
(qualitative et quantitative, en pré, per ou postopératoire)

Domaines médicals d’applications
◦ arthroplastie [Taylor 91],
◦ neurochirurgie [Glauser 91]
◦ ponctions chirurgicales [Davies 91]
chirurgie minimallement invasive [Guthart 00] [Ginhoux02]
échographie [Pierrot 99],
prise de sang [Zivanovic 00],
chirurgie maxillo-faciale [Lueth 98],
greffe de cornée [Smith 00]
...

La robotique médicale
1 Manipulation en milieu médical
2 Prothèse (substitutif), orthèse (correctif), téléthèse (supplétif).
3 Outils de visualisation et d’intervantion:
.., Endoscope : appareil permettant l’exploration visuelle du corps
humaine(∅≤ 10 mm), leur robotisation peut permettre l’outillage
d’une endoscopie.
.., ET Laparoscopie (abdomen), colioscopie (intestin),
arthroscopie (articulation), Fibroscopie bronchique (bronche),
fibroscopie oeso-gastro-duodénale (oesophage), hystéroscopie
(utérus).
.., exemple : M2A capsule

La robotique médicale
4 Robotique chirurgicale :
systèmes robotisé intégration de différentes techniques
(informatique, mécanique, automatique, imagerie médicale,
vision par ordinateur, communication à distancevia internet ...)
Figure: Zeiss MKM, 1994, porte microscope
5 Autres : micro/nano-robot, robots nettoyeurs, animaux virtuel
de companie, modélisation moléculaire, télé-echography
(TER) ...

Manipulateur en milieu médicales
Fournir un positionnement, un mouvement, une trajectoire ...
au malade : table chirurgicale
à un appareil : source d’imagerie médicale (X, IRM, RMN, US,
Vidéo)
en milieu pharmaceutique
Figure: Genomics Institute of the Novartis Foundation
Micro-manipulation

Les prothèses, orthèses et autres téléthèses
Prothèse substitutif, orthèse correctif, téléthèse supplétif
Mini historique
Les béquilles (le terme apparait en 1611)
Ambroise PARE (1510-1590), prothèse de cuisse,
reproductible à une plus grande échelle
Applications
Personnes handicapées, convalescentes, agées ...

Types
Prothéses :
Interne (hanche)
Externe (membres inférieurs, supérieurs),
la robotique permet une meilleur approximation des
mouvements réels des membres
Orthéses :
Membres
Amplificateur de force

Téléthèse :
Aide au mouvement (commande vocal, simplifié)
Aide à la manipulation
Aide au déplacement
Aide à la localisation (ex : aveugle)

Téléthèse :
Figure: MANUS arm
Figure: care-o-bot, aide à la presonne

Prothèse/orthése à movement de plus en plus compliqué
les téléthèses ∼ problème de robotique classique
Commande directe via les nerfs
Travail sur les matériaux (poid, rigidité/souplesse, mémoire de
forme etc ..)
film prothèse

Les endoscopes
Mini historique
En 1806, Philippe BOZZINI (1775-1809), médecin italien vivant en
Allemagne, réalise la première endoscopie grâce à un spéculum de
son invention combiné à un système de miroirs et de lentilles, et
dont la source lumineuse est une bougie de cire. Il appelle son
appareil le Lichtleiter.
Figure: Endoscope
laparoscope, chaîne fermée Vs
ouverte
laparoscope, chaîne
endoscope

La médecine à distance
∼ 1980 la télémédecine
Soigner indirectement dans des milieux hostiles.
Militaire (US) : soigner les soldats sur le champ de bataille
Espace (Nasa) : soigner dans l’espace
Bateau de commerce
à donné naissance à :
* diagnostic → sytème expert, intelligence artificiel
* Opération → robotique chirurgicale

La robotique chirurgicale
Depuis 1994, 850 opérations chirurgicales ...
Thoracique
Viscèrale
Orthopédie
Neurologie
Radiothérapie
DaVinci

Qu’est ce que c’est ? :
Intégration de système : laparoscope + microscope + table
d’opération + médecine à distance ...
À quoi ca sert ? :
Opérer
Simulation : entrainement du chirurgien
une simulation

Pourquoi ? :
Meilleur précison
Plus sur
Moins de traumatisme
Diminue le nombre d’opération
Confort post-operatoire
Meilleur rétablissement
une opération

Exemple d’application
porte endoscope
porte outils (orthopédie)
porte microscope
autre ... Récolte de peau
Avantages : Maitre - esclave
Limitation de l’espace de travail
Retour d’effort
Télé opération
Maitre - esclave
Maitre - esclave + retour d’effort

La sécurité des robots médicaux

Les normes européennes
Modification de la norme ISO 9000 → Directive 93/42/CEE
Certification EN 4600 permet le marquage CE et classe les robots
suivant:
Classe I : faible degré de risque.
Classe IIa : degré moyen de risque.
Classe IIb : potentiel élevé de risque.
Classe III : potentiel très sérieux de risque.

Critères de classement
durée d utilisation du dispositif :
de quelques minutes (temporaire) à plusieurs années
(implantable),
le caractère invasif ou non du dispositif,
le type chirurgical ou non du dispositif,
le caractère actif ou non du dispositif,
la partie vitale ou non du corps concernée par le dispositif
(systèmes circulatoires et nerveux centraux).

Classification des risques
Degré de
risque
Criticité Événement
mécanique
Événement
électrique
Événement
logiciel
Degré 0 Tolérable :
le robot à le potentiel
d’infliger un choc mineur à un
humain
Vibrations
du bras
Électrocution de
faible puissance du
patient ou de
l’opérateur
Mauvaise
utilisation
de l’IHM
Degré 1 Grave :
le robot peut
blesser un humain
Chute
de l’outil
chirurgical
Coupure
de
l’alimentation
de puissance
Perte
de contrôle
de l IHM
Degré 2 Très grave
le robot peut mettre
en péril un humain
Chute
d’un élément
mécanique lourd
Coupure
d’un des fils
moteurs
Erreur de
lecture des efforts
appliqués
Degré 3 Désastreuse :
le robot peut causer
le décès d un humain
Basculement
de la structure sur le
patient ou l opérateur
Électrocution de forte
puissance du patient
ou de l’opérateur
Calcul de la
génération de
trajectoire faussé

Principe de conception
• [Davies 93a]
• degré de redondance dans son contrôle et ses capteurs,
• la possibilité de concevoir un système à l’aide de composants
intrinsèquement sûrs
• (c’est-à-dire la capacité de réduire le niveau de risque par
construction),
• la fiabilité des composants utilisés pour la fabrication.

Conception Électromécanique 1/2
Composants intrinséquement sûrs
Limitation physique plus que logiciel (puissance des actionneurs,
butée mécanique) exemple : BloodBot, prise de sang, insertion <
20mm, neurochirurgie, prostatectomie
Rapport de réduction (diminution des vitesses) : Pb reversibilité
exemple : + la neurochirurgie, - la chirurgie minimalement invasive
Limitateur de couples mécaniques si obstacle, le robot s’arrete ; pas
les moteurs
Décrochage rapide de l’outils (fusible mécanique) AESOP,
l’endoscope et le bras se déconnecte si effort trop important sur
l’optique
Freinage fiable, même en cas de coupure de courant : Pb
réversibilité, légère secousse pour actionner/desactionner les feins,
freins à manque d courant, évite l’éfondrement de la structure

Redondance
Doubler certains composants (panne, détérioration)
exemple : frein pour le NeuroMate, Neurochirurgie stéréotaxique
Utilisation de capteurs absolues et non relatifs
→ Doubler les capteurs de positionnement

Architecture Mécanique
Intégrer les câbles
Contrôle orienté sécurité
exemple : collisions, courant moteur s’accroit anormalement
Modélisation du robot (ddl, redondance, butées, liaisons ...)
exemple : Neurochirurgie, débattement d’insertion de la sonde
= + / −30O
Modélisation mathématique
Modélisation de la planification pré-opératoire (logiciel CAO →
placement du robot et autres appareils)

Sécurité électrique
Composants intrinséquement sûrs
.., Pédale homme mort (Dead Man Switck, DMS)
.., Boutons d’arrêt d’urgence (+Procédure de redémarrage)
Redondance
.., soit en parallèle : carte chien de garde, entrée-sortie
.., soit en série : bouton d’arrêt d’urgence, relais éléctriques
Conception éléctrique
.., Système de coupure si pb élétrique détécté
.., Immunité aux champs électriques, aux décharges
électrostatiques, au bruit électrique, etc...
.., Blindage des câbles électriques, utilisation de fils torsadés,
séparation des circuits électriques des parties alimentations
(puissance) et signaux (faibles tensions), utilisation de
transformateurs d’isolement

IHM
Deux sources d’erreurs :
Disfonctionnement logicielle ou matérielle de l’IHM
Mauvaise utilisation de l’IHM
Solutions :
Brider l’interface
Pour chaque phase de l’opération
.., Étude sémantique qui définit l’action du chirurgien pour en
déduire une description fonctionnelle haut-niveau de l interface ;
.., Étude syntaxique qui définit l’ordre des séquences
d’interactions, afin de structurer les actions possibles entre l
utilisateur et l’interface
.., Étude lexical qui décrit le type d’objet utilisé pour concevoir l
interface : boutons logiciels ou matériel, avertisseurs sonores,
diodes lumineuses, boîtes de dialogues logicielles ou écrans
LCD, etc...

Développement logiciel
Programmation en blocs fonctionnels
(contrôle articulaire, contrôle Cartésien, communication avec les
périphériques et les capteurs (un par unité périphérique par
exemple), communication et IHM, processus de sécurité, etc.)
En cas de conflit, d’erreur, priorité aux variables de sécurité
Multiplier les processeurs (Pb : synchonisation)
(exemple : calcul d’images, contrôle d’effort, contrôle du robot)
Redondance logicielle
butée, espace de travail (robot synergique)
Alarmes logicielles
(effort trop grand, vérification de positionnemnt (aiguille), CASPER
mouvements anormaux du patient détecté)
Simulation de l’opération

Prothèses, orthèses et téléthèses
Figure:

téléthese
Figure: Manus
Bras manipulateur monté sur un fauteil électrique : Manus
(comerc), Friend Bras manipulateur monté sur une base fixe :
AFMASTER (comerc), Handyl (comerc) Bras manipulateur monté
sur une base mobile : MOVAID, ARPH, HTSC

Prothèse
200X 47 / 44
Otto Bock

Prothèse du bras
Animated Prosthetics
Figure: ACS 1025

Main artificiel DLR
German Aerospace Center (DLR)
Figure: DRL, Hand II

Bras artificiel DLR

Bras + Main DLR
200X 51 / 44

Application DLR
Figure: DRL, LWR

La robotique s'inspire de l'homme
"
200X 54/44
Muscle pneumatique - Shadow

Main artificiel - Cyberhand
http://www-a r t s.s ss u p.it/Cyb e r h an d /in tro du ctio n /
biomechand.htm
Consortium:
Scuola Superiore di Studi Universitari e di Perfezionamento
Sant’Anna, Pisa, Italy
Inail RTR Centre, Viareggio, Italy
Centro Nacional de Microelectronica, Barcelona, Spain
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert,
Germany
Universidad Autonoma de Barcelona, Barcelona, Spain
Center for Sensory-Motor Interaction, Aalborg University, Aalborg,
Denmark

Main artificiel - Cyberhand
200X 56 / 44
8 ddl/finger (dont 2 passif)

Commander le vivant
Figure: Robot fish

Interaction homme-machine
Commander de cafard
Commander par la pensée
Projet DEMAR

Prothèse des yeux
Doheny Eye Institute (Univ. Southern California)
Figure:

Chirurgie orthopédique
200X 60/ 44
Ortomarquet
Figure: Gaspar

200X 61/ 44
lntergrated Surgical Systems
Figure: Robodoc

"
200X 62/44
D Daney INRIA que médicale

Endoscopie - AESOP 3000
Computer Motion
Figure:

Endoscopie - EndoAssit
Armstrong
Figure:

Chirurgie minimallement invasive - da Vinci
Intuitive Surgical
Figure: Vue générale

Chirurgie minimallement invasive- da Vinci
200X 66 / 44

Chirurgie minimallement invasive - da Vinci
200x 67/"
44

Chirurgie minimallement invasive- Zeus
200X 68/ 44
Computer Motion

Chirurgie minimallement invasive - Zeus

Orthopédie - CASPAR
URS
Figure:

Orthopédie - ROBODOC
ISS
Figure:

Orthopédie - Acrobot
Imperial College/Acrobot Company
Figure: Vue générale

Orthopédie - Acrobot
200X 73/ 44
- "'"' Q.

Échographie - Hippocrate
SINTERS/LIRMM/EDF
Figure:

Télé-échographie- Syrtech, Térésa, TER, Otelo
200X 75/ 44
LVR - Sinters - France-télécom R&D - Praxim - CHU Tours,
Grenoble
Figure: TER
Maitre- esclave

Neurochirurgie - Neuromate
ISS
Figure:

Neurochirurgie - PathFinder
Armstrong
Figure:
Brochure

Ponction péricardique - PaDyC
TIMC
Figure:

Prévévement cutané - SCALPP
SINTERS/LIRMM
Figure:

Prise de sang - BloodBot
Imperial College
Figure:

Guidage - Surgiscope
Elekta IGS
Figure:

D'autres architecture possible
200X 82 / 44
Figure: Fraunhofer lnstitute for Manufacturing Engineering and Automation
1
PA - P1 t5> - "'"' o.

Steerable Endoscope for Laparoscopic Surgery
"Endo-Periscope"
Figure: Endoscope

Endoscope - M2A GIVEN IMAGING
Figure: M2A capsule

Outils - MIPS
Figure: MIPS

Outils - DLR
Figure: Pince retour d’effort

Endoscope - Sant’Anna
Figure:

Endoscope - MUSYC
A MUltifunctional mini-robot SYstem for endosCopy
Figure:

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