Robustesse à la variabilité du comportement mécanique du point d'insertion en chirurgie mini-invasive robotisée. Application à la biopsie de prostate

Robustness to the variability of the mechanical behaviour of the insertion point in minimally invasive robotic surgery. Application to prostate biopsy

• Auteur / Autrice : Rémi Chalard
• Direction : Marie-Aude Vitrani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Perdereau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Mozer, Nabil Zemiti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cinquin, Tanneguy Redarce

Mots clés

Mots clés contrôlés

Manipulateurs (mécanismes)

Servomécanismes

Chirurgie assistée par ordinateur

Robotique en médecine

Robots -- Systèmes de commande

Biopsie

Prostate

Chirurgie mini-invasive

Robots -- Mouvements

Mots clés libres

Robot anthropomorphique à poignet libre

Déplacement automatique

Chirurgie mini-invasive

Estimation du point d’insertion

Commande

Biopsie de prostate

Free wrist anthropomorphic robot

Automatic displacement

Keyhole surgery

Insertion point estimation

Control law

Prostate biopsies

Résumé

La chirurgie mini-invasive (MIS) permet au chirurgien d'opérer un patient sans avoir à l'inciser entièrement. Cette chirurgie consiste à insérer des instruments chirurgicaux à travers des orifices artificiels ou naturels. Bien que très avantageux pour le patient, elle entraîne de nombreuses contraintes pour le chirurgien. Afin d'améliorer les conditions de chirurgie pour le praticien, des systèmes robotisés ont été développés. Ces solutions permettent de comanipuler ou télémanipuler l'outil chirurgical en se basant sur le modèle du bras de levier pour traduire le problème de contrôle d'un instrument à travers un orifice. Ces travaux montrent qu'une petite erreur de calibration dans le modèle de la littérature peut entraîner une grande erreur statique et une divergence lors de déplacements automatiques en MIS. Pour assurer une minimisation des efforts appliqués sur la zone d'insertion, la thèse se concentre sur les robots anthropomorphiques à poignet libre. Pour réaliser des déplacements automatiques précis, il faut pouvoir connaître à tout instant et le plus précisément possible l'interaction entre le poignet du robot et la pointe de l'instrument. Pour cela, deux estimateurs sont implémentés dans une commande sur un robot à poignet libre et testés sur un set-up expérimental simulant l'insertion d'un instrument chirurgical à travers un orifice. Après avoir démontré la nécessité de prendre en compte les déformations des tissus pour des opérations telles que la biopsie de la prostate, la commande est utilisée dans une boucle d'asservissement visuel. Cet asservissement visuel permet de contrôler le positionnement d'une sonde échographique pour des biopsies de prostate.

Minimally Invasive Surgery (MIS) allows the surgeon to operate without cutting open the patient. This kind of surgery, which consists in the insertion of surgical tools through artificial or natural orifices, is spreading rapidly. Even though this technique presents numerous advantages for the patient, it presents many constraints for the surgeon. Many robotic devices have been developed to improve the working conditions of the surgeons. These solutions are based on a teleoperation or a co-manipulation of the surgical tool. The lever arm model has been used in the control of the instrument through an orifice. In this thesis, it is shown that a small calibration error in the lever arm problem can lead to a big static error and even to a divergence during automatic displacements in a Minimally Invasive Surgery context. To minimize the efforts applied to the insertion area, this thesis focuses on a free-wrist anthropomorphic robot. To automatically move with accuracy, the interaction between the robot wrist and the tool point needs to be known at every time step. Two estimators have been developed and implemented in a control law for a wrist free anthropomorphic robot. This control law has been tested on a experimental setup simulating the insertion of a surgical tool through an orifice. The need to take the tissues deformations into account once demonstrated for surgeries such as prostate or uterine biopsy, the control law has been used in a visual servoing loop based on ultrasound images. This visual servoing can be used to control the position of an ultrasound probe for prostate biopsies.