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1 - COMPATIBILITÉ DES SYSTÈMES ROBOTIQUES AVEC LES SALLES D’OPÉRATION

2 - PRISE EN COMPTE DES DÉCISIONS MÉDICALES ET INTERFAÇAGE AVEC LES MÉDECINS

3 - VERS LA RÉALISATION DE TÂCHES AUTONOMES EN ROBOTIQUE MÉDICALE

4 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : S7789 v1

Prise en compte des décisions médicales et interfaçage avec les médecins
Robotique médicale - Contraintes, spécificités et défis

Auteur(s) : Florent NAGEOTTE, Salih ABDELAZIZ

Date de publication : 10 janv. 2022

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RÉSUMÉ

La robotique médicale consiste à utiliser des systèmes de positionnement motorisés pour réaliser des procédures médicales sur des patients. Les robots médicaux ont investi de nombreux domaines médicaux sous des apparences variables, allant de bras robotiques conventionnels à des systèmes miniatures attachés au patient. Dans tous les cas, l’environnement des salles d’opération et les interactions avec les patients rendent ces systèmes spécifiques et très différents des robots industriels. Cet article traite de trois problématiques liées au développement de ces systèmes : la conception de robots compatibles avec les salles d’IRM, l’utilisation d’informations préopératoires pour guider les gestes et l’automatisation de procédures permettant de gérer les mouvements et les contacts.

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ABSTRACT

Medical robotics – Constraints, specificities and challenges

Medical robotics consists in using motorized positioning systems for performing medical procedures onto patients. The medical robots have entered many medical fields under different appearances: from conventional robotic arms to miniature systems mounted onto the patient. In all cases, the environment of the operating room and the interactions with the patients make these systems specific and different from industrial robots. This article discusses three issues linked to the development of these systems: the design of robots compatible with MRI, the use of pre-operative images for guiding gestures, and the automatization of procedures allowing to handle motions and contacts.

Auteur(s)

  • Florent NAGEOTTE : Maître de conférence - ICube, Université de Strasbourg, CNRS, Strasbourg, France

  • Salih ABDELAZIZ : Maître de conférence - LIRMM, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France

INTRODUCTION

Les robots médicaux traités dans cet article sont des systèmes utilisés pour assister les médecins et chirurgiens dans la réalisation de procédures médicales sur des patients. Ils sont généralement constitués d’une structure mécanique motorisée située dans la salle d’opération, à côté du patient au moment de l’opération, qui est dans certains cas en apparence similaire à un bras robotique industriel. À cela s’ajoute une interface humain/machine permettant à un utilisateur médical de commander le positionnement ou les mouvements du bras robotique. Cette interface peut prendre des formes très variées allant d’un simple ensemble de périphériques informatiques conventionnels (écran, clavier, souris) à des systèmes mécatroniques évolués appelés interfaces haptiques. L’interface humain/machine permet également à l’utilisateur d’accéder aux outils de décision médicale, en particulier les images médicales. L’ensemble est contrôlé par un système logiciel et électronique faisant le lien entre l’interface humain/machine et la structure motorisée et assurant la réalisation des commandes de l’utilisateur.

Les premiers robots médicaux ont été introduits au milieu des années 1980 pour des applications dans le domaine de la neurochirurgie. Un robot industriel de type PUMA-260 a été utilisé sur 22 patients au Long Beach Hospital en Californie. En France, le robot Speedy développé au laboratoire TIMC à Grenoble fut introduit en 1989 également pour la neurochirurgie. Le premier robot commercial fut le système Robodoc utilisé pour la chirurgie orthopédique de la hanche, disponible à partir de 1992. Le développement des robots médicaux s’est fortement accéléré à la fin des années 1990 et au début des années 2000 dans le domaine de la chirurgie minimalement invasive laparoscopique, en particulier avec le système Da Vinci.

Les robots ont aujourd’hui investi une grande partie des domaines médicaux en raison des principaux avantages suivants :

  • précision et prédictibilité : ces caractéristiques sont particulièrement intéressantes en orthopédie et neurochirurgie ;

  • dextérité : en chirurgie minimalement invasive, les robots permettent de contrôler des mobilités à l’intérieur du corps du patient de façon intuitive grâce aux principes de la télémanipulation ;

  • contrôle simultané de nombreux degrés de liberté (DDL) et d’instruments multiples : la télémanipulation offre également la possibilité à une seule personne de contrôler plus de deux instruments. Cela permet d’envisager de réaliser de la chirurgie minimalement invasive seul, sans assistant pendant les phases médicales ;

  • stabilisation et filtrage des tremblements : en microchirurgie (chirurgie de l’œil, neurochirurgie), la structure mécanique du robot ou ses modes de commandes peuvent avantageusement être utilisés pour éliminer les mouvements involontaires de l’utilisateur ;

  • travail en environnement difficile d’accès : les robots permettent d’accéder au centre des imageurs médicaux. Ils permettent également de protéger le praticien dans le cas d’imageurs ionisants par la commande à distance. Ces caractéristiques sont particulièrement intéressantes dans le cas des gestes en radiologie interventionnelle ;

  • déplacement de charges lourdes : en radiothérapie, les robots permettent de déplacer et de positionner un accélérateur linéaire à rayons X avec une large plage d’orientations.

Certains de ces avantages sont aussi mis à profit en robotique industrielle, mais les caractéristiques de l’environnement médical génèrent des développements spécifiques.

Les architectures mécaniques doivent adapter le robot aux gestes médicaux et à l’espace disponible dans les salles d’opération ou d’imagerie. Par exemple, les robots de radiologie interventionnelle doivent se conformer à l’espace disponible dans l’imageur. Les robots de chirurgie laparoscopique doivent assurer le passage des instruments par les points d’incision dans l’abdomen. En outre, les solutions d’actionnement doivent être compatibles avec les salles d’opération. Le robot doit aussi pouvoir exécuter précisément une tâche spécifiquement définie pour un patient. Pour cela, il doit utiliser des images de planification préopératoire. Enfin, les robots médicaux travaillent en interaction avec le patient et doivent donc assurer la sécurité de celui-ci, travailler en contact avec les tissus et s’adapter aux mouvements naturels du patient.

Cet article présente quelques technologies et méthodes utilisées dans le domaine de la robotique médicale en mettant l’accent sur les spécificités liées à ce champ d’application.

La première section discute des aspects permettant d’assurer la compatibilité des systèmes robotiques avec les salles d’opération et d’imagerie en traitant le cas particulier des salles d’IRM qui présentent le plus grand défi actuel en termes de contraintes. La deuxième section s’intéresse à la problématique de l’interfaçage entre le geste médical défini par le médecin et le mouvement réalisé par le robot. Enfin, la dernière section traite des méthodes permettant de réaliser des gestes autonomes dans les cas difficiles d’interactions entre les instruments robotiques et les tissus ou dans le cas de mouvements physiologiques.

D’autres aspects importants du domaine ne sont pas abordés dans cet article. Outre la compatibilité avec les imageurs, les robots médicaux doivent être adaptés au geste médical. Par exemple, en chirurgie laparoscopique, il faut imposer les contraintes cinématiques du passage des instruments par le point d’incision, ce qui peut être réalisé par une architecture mécanique adéquate, comme cela sera évoqué brièvement dans la première section. Pour qu’un système robotique devienne un dispositif médical, la sécurité pour le patient et l’utilisateur médical est primordiale. Ces aspects sont généralement assurés à la fois par des solutions mécaniques, électroniques et logicielles associées à des méthodes d’analyse de risques et de tests rigoureuses. Cet article n’aborde pas non plus les systèmes intracorporels basés sur la micro et nanorobotique qui sont des pistes encourageantes d’évolution des systèmes robotiques médicaux.

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KEYWORDS

interventional radiology   |   Medical robotics   |   MRI compatibility   |   registration   |   control based on medical images

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7789


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2. Prise en compte des décisions médicales et interfaçage avec les médecins

L’une des différences fondamentales entre robotique industrielle et robotique médicale relève de la définition de la tâche à réaliser. Dans le domaine industriel, la tâche est généralement prédéfinie en termes de trajectoire et de chemin. Le chemin à réaliser peut donc être démontré au robot manuellement ou défini sur la base d’une CAO, et la trajectoire peut ensuite être optimisée.

Dans le domaine médical, la tâche est spécifique au patient à traiter et n’est généralement à réaliser qu’une seule fois. De plus, elle n’a de sens que lorsqu’elle est exprimée dans un repère propre au patient. Il n’y a donc pas de possibilité de démontrer la trajectoire a priori. La trajectoire à réaliser est généralement définie par le médecin en charge du traitement sur la base d’images médicales du patient.

En robotique médicale, il existe deux principales familles de techniques permettant au médecin de transférer la définition de la tâche médicale à réaliser au robot :

  • en temps interactif, le médecin définit au vol les mouvements à réaliser (par exemple, par l’intermédiaire d’une interface de télémanipulation) ;

  • avant l’opération, par l’intermédiaire d’un logiciel – on parle alors de planification préopératoire. La définition est faite dans le repère d’un imageur médical et la difficulté consiste à la transférer dans un repère associé au robot (repère de base ou de l’effecteur).

Les deux approches peuvent être combinées, soit par un partage des DDL du robot, soit par une combinaison au niveau de l’espace des tâches. Par exemple, en comanipulation, les contraintes sur la tâche sont généralement définies de façon préopératoire, mais le mouvement est réalisé par le médecin par l’application d’efforts ou de mouvements sur l’instrument comme pour le système Stryker Mako ou sur le système Acrobot ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PAYNE (M.M.) -   Charles Theodore Dotter. The father of intervention.  -  In Texas Heart Institute journal, p. 28–38 (2001).

  • (2) - FÉDÉRATION NATIONALE DES MÉDECINS RADIOLOGUES -   Le médecin radiologue de France.  -  Numéros de 2018, https://www.fnmr.org/fr/pages/archives---le-medecin-radiologue-de-france.

  • (3) - NEWMAN (P.G.), ROZYCKI (G.S.) -   The history of Ultrasound.  -  Surgical Clinics of North America, vol. 78(2), pp. 179-195 (1998).

  • (4) - THOMAS (A.M.K.) -   The Development of Computer-Assisted Tomography.  -  Nobel Prizes that Changed Medicine, pp. 151-170 (2011).

  • (5) - ABRAMOVITCH (K.), RICE (D.D.) -   Basic Principles of Cone Beam Computed Tomography.  -  Dental Clinics of North America, vol. 58, p. 463–484 (2014).

  • (6) - HANSEN...

1 Sites Internet

Fédération nationale des médecins radiologues – Le médecin radiologue de France, numéros de 2018

https://www.fnmr.org/fr/pages/archives---le-medecin-radiologue-de-france

Philips – DynaTRIM Targeted Trans-Rectal Interventional MRI.

https://www.usa.philips.com/healthcare/product/HC784008/dynatrim-targeted-trans-rectal-interventional-mri

Global cancer observatory

https://gco.iarc.fr

http://globocan.iarc.fr

Micronor – MRI Safe Encoders

https://micronor.com/products/rotary-encoders-mri/

Stryker/Mako

https://www.stryker.com/us/en/portfolios/orthopaedics/joint-replacement/mako-robotic- arm-assisted-surgery.html

Adechotech – Robot de télééchographie Melody

https://www.adechotech.fr/produit/

Accuray – CyberKnife S7

https://www.accuray.com/cyberknife/

Renishaw – Système robotique Neuromate

https://www.renishaw.fr/fr/systeme-robotise-neuromate-pour-neurochirurgie-stereotaxique--10712

NDI – Produits de navigation optique (Polaris) et de suivi électromagnétique (Aurora)

https://www.ndigital.com/products/

Atracsys – Produits de navigation optique

https://www.atracsys-measurement.com/...

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