Assistance au fraisage par comanipulation en chirurgie orthopédique

Assistance milling comanipulation in orthopedic surgery

• Auteur / Autrice : Vincent Françoise
• Direction : Guillaume Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fraisage (travail des métaux)

Chirurgie orthopédique

Robotique en médecine

Résumé

Le fraisage de volumes osseux au cours de certaine chirurgie orthopédique comme la laminectomie est une étape délicate devant être réalisée avec une grande précision. En chirurgie conventionnelle, seuls les clichés radiographiques du patient permettent d'identifier les régions à retirer et les régions à protéger. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs modes de commande d'un robot de comanipulation pour assister et sécuriser ce type de fraisage. L'apport du dispositif, en terme de précision, est évalué expérimentalement par le fraisage de formes à géométrie donnée. Une première solution propose d'utiliser le robot pour imposer des contraintes virtuelles, définies suivant un profil d'effort particulier, sur l'environnement de travail de l'utilisateur afin de séparer l'espace de travail en une région libre et une région interdite. Cette modalité ne fournit cependant pas une séparation assez fine de ces deux régions pour l'utilisateur. Une seconde modalité est alors proposée pour améliorer la précision : un retour visuel, constitué d'un barre-graphe unidimensionnel à LED , est positionné sur l'outil de fraisage. Placée dans le champ de vision de l'utilisateur lors de la tâche, l'information transmise est relative à la position de l'outil vis-à-vis de la frontière entre les deux régions. Dans la dernière partie de ces travaux, nous proposons une solution pour compenser les mouvements physiologiques du patient et recaler les modèles géométriques en temps réel. Un capteur à lumière structurée, implémenté directement sur le poignet du robot, permet de mesurer les mouvements relatifs de l'environnement vis-à-vis de l'outil comanipulé.

In orthopedic surgeries, such as laminectomy, bone milling is a critical step which has to be performed with high accuracy. During conventional surgery, parts to be removed and sensible areas are localised by the surgeon only with the patient radiographs. In this thesis, a comanipulated robot is used to propose several kinds of assistance to improve the milling task accuracy. Our contributions, in term of accuracy, are experimentally evaluated with milling tasks of specific geometry forms. Firstly, the robot is used to apply virtual fixtures on the tool tip. These constraints are defined with specific force profiles to split the working space in two parts: a free and a forbidden areas. However, this modality does not provide accurate feeling of the bondary between these two areas. Then a second kind of assistance is designed to improve significantly the milling accuracy by using a tool mounted visual display which is composed of a unidimentional LED bargraph. With this configuration, the transmited information, which depends on the position of the tool tip from the boundary, always stay in the user visual field. In the last part of this work, we proposed a solution for physiological motion compensation in order to adjust patient geometrical models in real time. A structured light sensor is implemented directly on the robot wrist to measure the movements of the environment from the comanipuled tool.