Conception et étude d'un robot collaboratif pour la curiethérapie de la prostate

Design and study of a collaborative robot for prostate brachytherapy

• Auteur / Autrice : Aziza Ben Halima
• Direction : Julien Bert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies biomédicales
• Date : Soutenance le 02/03/2022
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de traitement de l’information médicale (Brest ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Dimitris Visvikis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Bert, Dimitris Visvikis, Yassine Haddab, Hadrien Courtecuisse, Chafiaa Hamitouche, Mouna Souissi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassine Haddab, Hadrien Courtecuisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Médecine nucléaire -- Appareils et matériel

Robotique en médecine

Curiethérapie

Prostate -- Cancer

Mots clés libres

Curiethérapie

Robotique médicale

Comanipulation

Brachytherapy

Medical robotics

Comanipulation

Résumé

La curiethérapie à faible débit de dose est une technique de radiothérapie interne pour le cancer précoce de la prostate. Elle consiste à déposer des grains radioactifs dans l’organe à l’aide d’aiguilles insérées manuellement à travers le périnée sous guidage d’imagerie ultrason. Malgré le succès clinique, ce traitement est empreint de nombreuses approximations induisant des effets secondaires non-négligeables. La plupart des robots développés pour cette intervention se confrontent aux limites de la robotique médicale à savoir un encombrement et une acceptabilité ne correspondant pas aux contraintes cliniques. Dans cette thèse, nous avons abordé le problème différemment en proposant un robot de 6 ddl parallèle pour minimiser son encombrement et collaboratif pour améliorer son acceptabilité par les cliniciens. Après la détermination de la cinématique, les dimensions optimales des paramètres géométriques du robot ont été obtenues par optimisation via un algorithme génétique. Aussi, nous avons proposé et étudié la conception de l’effecteur et du mécanisme de compensation de gravité. Pour évaluer expérimentalement la compatibilité de notre solution avec les exigences de la procédure médicale, nous avons adapté le modèle 3D pour réaliser un prototype par impression 3D. Ensuite, nous avons développé un banc expérimental qui mesure en temps réel la pose de l’aiguille via un localisateur magnétique, mais aussi par calcul via la cinématique. Le prototype montre des performances très intéressantes pour l’application médicale localisée et l’erreur moyenne entre la position mesurée et ciblée est de 2,4 mm sur le plan de positionnement et de 0,78 mm le long de l’axe de l’insertion.

Low dose rate brachytherapy is an internal radiotherapy technique for early prostate cancer. It consists of depositing radioactive seeds in the organ using needles inserted manually through the perineum under ultrasound imaging guidance. Despite the clinical success, this treatment is marked by many approximations inducing non-negligible side effects. Most of the robots developed for this intervention come up against the limits of medical robotics, namely size and acceptability that do not correspond to clinical constraints.In this thesis, we approached the problem differently by proposing a robot of 6-DOF parallel to minimize its size and collaborative to improve its acceptability by clinicians. After determining the kinematics, the optimal dimensions of the geometric parameters of the robot were obtained by optimization via a genetic algorithm. We proposed the design of the end-effector and the gravity compensation mechanism. To experimentally evaluate the compatibility of our solution with the requirements of the medical procedure, we adapted the 3D model to realize a prototype by 3D printing.Then, we developed an experimental bench that measures the placement of the needle in real time via a magnetic tracker, but also by calculation via kinematics. The prototype shows very interesting performance for the localized medical application and the average error between the measured and targeted position is 2.4 mm on the positioning plane and 0.78 mm along the axis of the insertion.