Exploitation de l’effet gyroscopique pour la stabilisation active de l’épicarde : vers une chirurgie des coronaires à coeur battant

Exploiting the gyroscopic effect for epicard active stabilization : towards beating-heart coronary surgery

• Auteur / Autrice : Julien Gagne
• Direction : Jacques Gangloff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes adaptatifs

Gyroscopes

Robotique en médecine

Appareils et matériel

Chirurgie

Coronaropathies

Mots clés libres

Stabilisateur cardiaque actif

Observateur d'état de Kalman

Résumé

Les stabilisateurs passifs utilisés aujourd'hui en chirurgie cardiaque ne permettent pas une immobilisation suffisante de la surface du cœur. Il est proposé de compenser activement et en temps réel les déplacements résiduels grâce à un dispositif adaptable composé d'un gyrodyne qui génère, sans lien au sol, un couple gyroscopique. L'utilisation d'un accéléromètre pour l'instrumentation permet également de s'affranchir des références externes. Le principe de fonctionnement et le modèle sont décrits ainsi que la démarche de conception. Les aspects techniques de la réalisation d'un premier prototype baptisé GyroLock sont détaillés. Le bruit de mesure et les erreurs potentielles sur les paramètres du modèle sont identifiés comme étant importants et conditionnent le problème de commande, l'utilisation d'un gyrodyne présentant également des contraintes spécifiques. Deux approches de commande sont envisagées : une commande basée sur un observateur de Kalman incluant un modèle de la perturbation, et une commande adaptative utilisant le principe de corrélation. Les simulations montrent l'efficacité théorique des deux méthodes. Les résultats expérimentaux réalisés sur table ont montré, dans ce cas, les limites de la commande basée observateur. L'approche adaptative s'est révélée efficace, grâce à un niveau de robustesse supérieur par rapport aux erreurs de modèle. Le dispositif utilisant la commande adaptative a finalement été testé avec succès sur sujet porcin, en conditions réelles, validant ainsi l'approche proposée. Une étude préliminaire concernant l'extension de la compensation à deux directions est finalement présentée.

Actual passive stabilizers used in cardiac surgery does not constrain enough the heart surface to guarantee a proper stabilization. An adaptable device is proposed allowing to actively compensate for residual displacement in real time thanks to Control Moment Gyroscope (CMG) actuation; able to generate a gyroscopic torque without grounding constraint. The use of an accelerometer for measurement allows also to free from external reference. The working principle and the model are described as well as the design approach. The technical aspects for the realization of the first prototype, called GyroLock, are detailed. Measurement noise and potential model parameters errors are significant and should be considered in the choice of the control method. Using a CMG includes also specific additional constraints. Two control approaches are considered : a control based on a Kalman observer including a disturbance model and an adaptive control using correlation principle. Simulations highlight the theoretical efficiency of both methods. Table experiments show the limitations of the observer approach in this case. The adaptive method is more efficient thanks to a better robustness concerning model parameters errors. Finally, the device using adaptive control has been successfully tested on a pig in real conditions, validating the proposed approach. A preliminary study concerning the motion compensation for two directions is presented at the end.