Conception d’un dispositif neurochirurgical robotisé à base de matériaux actifs pour le suivi de trajectoire courbe

Design of a robotic neurosurgical device based on active materials for curved trajectory tracking

• Auteur / Autrice : Dimitri Gouot
• Direction : Yuri Lapusta, Jean-Jacques Lemaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 17/05/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Claire Haegelen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan Antonio Corrales Ramón, Frédéric Chapelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Volodymyr Loboda, Octavian Pop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique en médecine

Neurochirurgie

Mots clés libres

Neurochirurgie

Cerveau

Tumeur

Robots souples et continues

Matériaux actifs et intelligents

Polymères électro-actifs

Impression 4D

Extrusion de Nafion R1100

Polymères échangeurs d’ions

Planification de trajectoires neurochirurgicales

Neurosurgery

Brain

Tumor

Soft and continuous robots

Active and smart materials

Electroactive polymers

4D printing

Nafion R1100 extrusion

Ion exchange polymers

Neurosurgical path planning

Résumé

L’objectif de ces travaux de thèse est de répondre à la problématique suivante : Suivre des trajectoires courbes dans le cerveau, dans l’objectif de réaliser diverses opérations de neurochirurgie. Pour répondre à cela il est nécessaire de développer un dispositif robotisé capable de progresser dans le cerveau, tout en respectant les contraintes de la neurochirurgie.La première étape consiste à définir les contraintes liées à la neurochirurgie, ainsi que les objectifs à atteindre. Cela amène à la définition d’une liste des exigences. Pour compléter cette liste, il est nécessaire de répondre à une autre problématique, celle de définir la notion de trajectoire courbe en neurochirurgie et de caractériser une trajectoire type désirée.Un algorithme de génération de trajectoire courbe pour la neurochirurgie, basé sur l’utilisation de courbes de Bézier, en intégrant l’opérateur et son savoir dans le tracé, est développé. Une fois la trajectoire type créée et validée par le chirurgien, elle est définie, grâce à des critères que nous avons établis. Ces critères ont ensuite été reportés dans la liste des exigences afin de la compléter.Une étude bibliographique sur les matériaux dits actifs ou intelligents est présentée. La réflexion permettant de choisir le matériau permettant de répondre au mieux à la problématique et aux exigences posées.Une deuxième étude bibliographique sur la fabrication des IPMCs est exposée, et aboutit à la création ainsi qu’à la mise en place du procédé de fabrication. Ce procédé de fabrication se divisent en deux grandes étapes, la mise en forme du polymère par impression 3D et la création des électrodes par electroless plating method. Ce procédé a permis la production de plusieurs actionneurs de formes cylindrique. Des verrous restent à résoudre pour débloquer l’actionnement des IPMCs produits.Même si des verrous sont encore présents, les résultats obtenus sont prometteurs. Une collaboration avec des spécialistes, notamment en chimie, devrait conduire à la production d’actionneurs fonctionnelles et donc du prototype conçu.

The goal of this thesis is to answer the following problem: To follow curved trajectories in the brain, in order to perform various neurosurgical operations. To answer this question, it is necessary to develop a robotic device able to progress in the brain, while meeting the constraints of neurosurgery.The first step is to define the constraints related to neurosurgery, as well as the objectives to be achieved. This leads to the definition of a list of requirements. To complete this list, it is necessary to answer another problem, that of defining the notion of curved trajectory in neurosurgery and to characterize a desired typical trajectory.An algorithm of generation of curved trajectories for neurosurgery, based on the use of Bézier curves, by integrating the operator and his knowledge is developed. Once the typical trajectory is created and validated by the surgeon, it is defined, thanks to the presetend criteria that we have established. These criteria were then transferred to the list of requirements to complete it.A bibliographical study about the materials qualified as active or intelligent materials is presented. The reflection allowing to choose the material allowing to answer in the best to the problematic and to the requirements.A second bibliographical study concerning the manufacturing of IPMCs is exposed, and leads to the design and the implementation of the manufacturing process. This manufacturing process is divided into two main steps, the shaping of the polymer by 3D printing and the creation of electrodes by electroless plating method. This process has allowed the production of several actuators of cylindrical shape. Locks remain to be solved to allow the actuation of the IPMCs manufactured.Even if some locks are still present, the preliminary results obtained are promising. A collaboration with specialists, in particular in chemistry, should lead to the production of functional actuators and so of the designed prototype.