Étude d'un robot d'assistance pour la chirurgie endoscopique otologique et sinusienne

Study of an assistance robot for endoscopic otological and sinus surgery

• Auteur / Autrice : Guillaume Michel
• Direction : Damien Chablat, Philippe Bordure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Caroline Cao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Chablat, Philippe Bordure, Caroline Cao, Valérie Franco-Vidal, Philippe Poignet, Mohamed Amine Laribi, Laurence Nouaille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Franco-Vidal, Philippe Poignet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oto-rhino-laryngologie

Robotique en médecine

Chirurgie endoscopique

Mots clés libres

Chirurgie endoscopique

Robotique chirurgicale

ORL

Mécanisme parallèle

Optimisation

Endoscopic surgery

Surgical robotics

ENT

Parallel mechanism

Optimization

Résumé

La chirurgie endoscopique de l’oreille et des sinus permet de favoriser des voies mini invasives et de visualiser des zones difficiles à atteindre. Elles ne sont cependant pas toujours aisées, car immobilisent une main du chirurgien pour le maintien de l’endoscope. L’objectif de cette thèse est alors de concevoir un robot d’assistance pour ce type de chirurgie endoscopique. La thèse débute par un rappel des régions anatomiques de l’oreille et des sinus, puis par la réalisation d’un atlas géométrique, d’après scanners, permettant la définition des dimensions de ces espaces de travail robotiques et de leurs variations. Après un état de l’art des robots déjà existants pour la chirurgie de l’oreille et des sinus, nous introduisons notre robot porte-endoscope par une analyse fonctionnelle. Elle est confrontée à une veille de brevets, qui mène ensuite à un dépôt de brevet, publié en 2021. Une étude de marché est ensuite présentée, montrant l’intérêt des utilisateurs des spécialités concernées. La phase de conception du robot débute alors, par l’analyse de différents choix d’architecture, autour de variations d’un mécanisme à centre de rotation déporté, couplant un mécanisme sphérique à 2 DDL avec un double parallélogramme. Un nouvel algorithme d’optimisation a été réalisé, basé sur l’algorithme de Nelder Mead, permettant l’optimisation de mécanismes parallèles. Les modalités du contrôle de ce robot par suivi d’image ont enfin été définies, à l’aide d’un algorithme utilisant le CamShift.

Endoscopic ear and sinus surgery promotes minimally invasive pathways and allows a better view of areas difficult to access. However, they are not always easy, as they immobilize a surgeon’s hand to hold the endoscope. The objective of this thesis is to design an assistance robot for this type of endoscopic surgery. The thesis begins with a reminder of the anatomical regions of the ear and sinuses, then with a geometrical atlas based on scans. These measurements size these robotic workspaces and their variations. After a state of the art of the existing robots for ear and sinus surgery, we introduce our endoscope holder robot with a functional analysis. This analysis is confronted with a patent watch, which leads to a patent filing, published in 2021. Then, a marketing study is presented, showing the interest of users of the specialties concerned. The robot design phase begins, with analysis of different architectures, variations of a remote center of motion mechanism, made by coupling two degrees of freedom spherical mechanism with double parallelograms. A new optimization algorithm has been introduced, based on the Nelder Mead algorithm. It allows the optimization of parallel mechanisms. Robot control by image tracking has finally been defined, with an algorithm using CamShift.