Solution robotique multi-échelle pour la chirurgie de l'oreille moyenne

Multi-scale System for Middle Ear Surgery

• Auteur / Autrice : Jae Hun So
• Direction : Jérôme Szewczyk, Brahim Tamadazte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique médicale
• Date : Soutenance le 17/05/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Perdereau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Tavernier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florent Nageotte, Sandrine Voros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces utilisateur (informatique)

Cholestéatome de l'oreille moyenne

Chirurgie

Oreille moyenne

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robotique chirurgicale

Interface homme-machine

Chirurgie de l'oreille moyenne

Contrôle-commande

Robot flexible

Asservissement visuel

Surgical robotics

Human-machine interface

Middle ear surgery

Résumé

Le cholestéatome est une maladie de l'oreille moyenne qui, en absence de traitement, peut entraîner des complications graves. Le seul traitement possible est l'intervention chirurgicale. Cependant, cette méthode est invasive et entraîne une incidence élevée de cholestéatome résiduel, qui conduit à de nouvelles interventions post-opératoires. Un nouveau système robotique permettant de retirer efficacement tous les tissus infectés est proposé dans ce manuscrit. Le système robotique développé est composé d'un bras robotique (système à l'échelle macro) au bout duquel est attaché un micro-outil flexible (système à l'échelle micro). Cette solution robotique innovante appelle au développement parallèle de nouvelles procédures chirurgicales en ayant pour objectif de rendre la résection robotisée du cholestéatome facile, intuitive et rapide. Dans ce manuscrit, les problèmes et les spécificités chirurgicales liés aux différentes phases de la chirurgie sont détaillés et les solutions optimales pour résoudre ces problèmes sont également proposées. Dans un premier temps, ce travail se focalise sur la principale contrainte pour la phase pré-opératoire: faciliter le positionnement de la partie distale du robot dans l'orifice perforée. Les solutions proposées recourent à des méthodes de contrôle partagées vision/force dans lesquelles le mouvement linéaire est contrôlé par l'opérateur (par force ou position) et le mouvement de rotation est géré par un contrôleur basé sur vision. Ensuite, d'autres architectures de contrôle sont développées afin de contrôler l'organe terminal du micro-outil à l'intérieur de l'oreille moyenne durant la phase per-opératoire. Les boucles de contrôle intègrent un opérateur humain qui gère le mouvement du bout de l'outil. Enfin, la dernière contribution porte sur la gestion automatique du robot pour détecter et éliminer le cholestéatome résiduel avec une source laser embarquée dans le micro-outil. Tous les contrôleurs proposés ont été soumis à plusieurs validations expérimentales et ont montré de bons résultats en termes de précision.

Cholesteatoma is a disease affecting the middle ear, which can potentially lead to severe complications (e.g., hearing loss or facial palsy) in the absence of treatment. The sole treatment is a surgical intervention (resection). However, such a method is invasive and induces a high incidence of residual cholesteatoma, leading to second interventions. Thus, a novel robotic system has been proposed to tackle the problem of residual cholesteatoma by efficiently removing all the infected tissues. The proposed robotic system is composed of a robotic arm (macro-scale part), to which a flexible micro-tool (micro-scale part) is attached at its distal part. However, different challenges had to be solved for developing the new surgical procedures integrating the robotic solution, wherein the expected objectives were to make the robotized cholesteatoma resection easy, intuitive, and fast. Across this thesis, surgical issues and requirements related to surgical phases (i.e., preoperative, per-operative phases for the cholesteatoma resection) are detailed and the ideal solutions for tackling them are proposed. First, we deal with the main preoperative phase concern: an easy installation of the tool-tip inside the incision hole. The proposed solutions use shared vision/force control methods in which the linear motion is controlled by the operator (by force or position) and the rotational motion is managed by a vision-based controller. Then, control architectures are developed for controlling the tool-tip inside the middle ear during the per-operative phase. The control loops include a human operator and handle the tool-tip motion. Finally, the last contribution bears on automatically managing the developed robot to detect and eliminate the residual cholesteatoma with an embedded laser source. All the proposed controllers have shown good results in terms of accuracy after several experimental validations.