Contribution à la chirurgie minimalement invasive : conception d'un coloscope intelligent

par Guillaume Thomann

Thèse de doctorat en Automatique industrielle

Sous la direction de Tanneguy Redarce et de Maurice Bétemps.

Soutenue en 2003

à Lyon, INSA , en partenariat avec LAI - Laboratoire d'Automatique Industrielle (Lyon, INSA) (laboratoire) .

mots clés

• Robotique en médecine
• Coloscopie
• Endoscopie

Résumé

La Robotique trouve de plus en plus ses repères dans le monde de la Médecine. En Chirurgie, elle participe activement au développement de nouvelles méthodes opératoires et complète le savoir faire des chirurgiens. Cette approche est de plus en plus recherchée ; l'efficacité du chirurgien s'en trouve renforcée. Suite à de nombreuses discussions, notamment avec des chirurgiens gastro-entérologues, nous proposons une nouvelle structure robotique permettant d'améliorer les conditions d'intervention en coloscopie. Effectivement, ces spécialistes insistent sur le fait que de trop nombreux préjudices sont causés aux parois intestinales lors de cette intervention. Celle-ci consiste à explorer l'intérieur du côlon pour confirmer un diagnostic ou, plus fréquemment, pour intervenir en cas de détections préalables d'anomalies pouvant évoluer en cancer. Nous proposons de reconsidérer la partie distale du coloscope dans le but de limiter ses contacts avec l'intestin. L'intelligence de ce nouvel actionneur réside dans sa capacité à se tenir toujours éloigné des parois intestinales ; cela est réalisé par une régulation consistant à rester au centre de l'intestin. La conception de l'actionneur spécifique EDORA (Extrémité Distale à ORientation Automatique) a été nécessaire. Il utilise des soufflets métalliques et un actionnement électro-pneumatique. Une maquette de faisabilité le mettant en œuvre, montre ses réactions en inclinaison par rapport aux mouvements transversaux perturbateurs. Son modèle mathématique a été établi, et validé expérimentalement. Suite à une étude découplée du système pneumatique-mécanique, un modèle de comportement est présenté en utilisant la méthode d'identification proposée par Levenberg-Marquardt. Il est validé et conforté par des essais expérimentaux. EDORA-01 est équipé de 3 capteurs optiques sans contact qui permettent d'estimer la position de la tête du coloscope par rapport à la paroi. Les trois informations obtenues pilotent les trois asservissements de pression dans les trois chambres de l'EDORA-01. Ces commandes permettent de maintenir au mieux la tête du coloscope au centre d'un tube représentant le côlon. L'efficacité de la commande étant prouvée, elle pourra être appliquée ultérieurement sur un prototype plus abouti.

Titre traduit

= Contribution to the minimaly invasive surgery (MIS) design of an intelligent coloscope

Résumé

The field of robotics is increasingly finding its place in the medical world. Taking an active part in the development of new operational methods, robotic technologies also supplement the task of the surgeon in the operating theatre. Due to their effectiveness in reinforcing the surgeons performance, robotic solutions are becoming increasingly required. After consulting thoroughly with specialists, in particular with gastro-enterologists, a new robotic structure has been proposed to allow improved conditions for the procedure of colonoscopy. This is in order to reduce the common injuries involving contact with the intestinal wall during the operation, which consists of exploring the colon to confirm a diagnosis or, more frequently, to intervene in the event of the detection of anomalies capable of evolving into cancer. It is proposed to redesign the distal segment of the colonoscope with the aim of limiting its contact with the intestine. The automation of this new actuator lies in its capacity to sense and control its distance from the intestinal wall. The design of a specific actuator EDORA (Distale Extremity with Automatique ORientation)is performed, using metal bellows and an electro-pneumatic actuation. A feasibility model indicated that the actuator reacts in a differential relationship to its transverse movements. A static mathematical model was formulated, and validated. Thanks to a uncoupled study from the pneumatic-mechanic system, a matched model is presented by using the Levenberg-Marquardt identification method. It is validated and consolidated by experimental tests. The EDORA-01 is equipped with 3 optical sensors without contact which make possible to estimate the position of the head of the coloscope compared to the wall. The three informations obtained control the three pressures in the three rooms of the EDORA-01. These controls make possible to maintain the head of the coloscope in the center of a tube representing the colon. The control efficiency being proven, it could be applied later on to a new prototy