Conception, modélisation et planification de mouvements d'un robot de résection pour la neurochirurgie

Design, modelling and movement planning of a resection robot for neurosurgery

• Auteur / Autrice : Carole Martin
• Direction : Grigore Gogu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 03/11/2010
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Mécanique et Ingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Ingénieries
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bidaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Dombre, Gérard Poisson, Jean-Jacques Lemaire, Frédéric Chapelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Étienne Dombre, Gérard Poisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tumorectomie

Cerveau -- Chirurgie

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robotique neurochirurgicale

Résection de tumeur

Robot à câbles

Modélisation

Robot redondant

Espace de travail dynamique

Génération de trajectoire

Neurosurgical robotics

Résumé

Depuis son apparition la robotique chirurgicale s’avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d’un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l’espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d’une tumeur témoin, et la réalisation d’un démonstrateur offre des perspectives d’expérimentations en conditions simulées.

Since the beginning of surgical robotics, surgical robots continue to find their place in clinical routine. They improve the quality and safety of operations, and comfort for the surgeon. This work addresses the design, modeling and path planning of a robotic system for brain tumor resection. The characterization of the surgical task (adaptability to the high diversity of tumor shapes, limited and evolving workspace) points out the requirements for the robot design and resection path planning. A modular robot with seven degrees of freedom is selected (high dexterity) and is actuated by wires. A kinematic (geometric) model is built.Motion planning of the redundant robot in evolving and path depending workspace is based on an interactive path planning. The method uncouples the degrees of freedom and defines elementary procedures, which are assembled in an arbitrary sequence by the neurosurgeon.A discretization method allows computing the procedure space that presents the possible locations, orientations and sizes of resected areas with respect to the robot limitations to bound procedure choices. A simulation on a real tumor case reveals that the chosen robotic concept associated to the interactive motion planning method allows removing the tumor for the most part. A demonstrator is realized and will provide opportunities for experiments in simulated conditions.