Robot continuum hybride pour la chirurgie de l'oreille moyenne : conception, fabrication et démonstration

Hybrid continuum robot for middle ear surgery : design, fabrication and demonstration

• Auteur / Autrice : Dang Viet Anh Nguyen
• Direction : Kanty Rabenorosoa, Jérôme Szewczyk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Yassine Haddab
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Vander poorten, Alexandre Kruszewski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Design

Microrobots

Mots clés libres

Robot à tube concentrique

Actionnement hybride

Conception de robots continus

Modélisation

Chirurgie au laser de l'oreille moyenne

Cholestéatome

Concentric tube robot

Hybrid actuation

Continuum Robot design

Modeling

Middle ear laser surgery

Cholesteatoma

Résumé

Le cholestéatome est une maladie fréquente qui envahit l'oreille moyenne et peut entraîner de graves complications (perte d'audition ou infections cérébrales, par exemple), qui ne peuvent être traitées que par une intervention chirurgicale ouverte. L'incidence élevée du cholestéatome résiduel (23-25%) induit un deuxième examen douloureux du patient, ainsi que des coûts supplémentaires. Ce manuscrit présente donc un robot hybride à tube concentrique (RTC), qui couvre le volume de l'oreille moyenne pour l'ablation laser exhaustive du cholestéatome résiduel en utilisant deux accès : l'un par le conduit auditif, l'autre par un trou mastoïdien. Le système microrobotique reprend la compacité d'un robot à tube concentrique tout en améliorant la dextérité à son extrémité distale à l'aide d'un poignet cranté, actionné par un tendon. Un modèle cinéto-statique est dérivé pour décrire la configuration du robot en présence de la fibre optique laser. En outre, l'actionnement couplé sur le CTR et la sensibilité du modèle de poignet aux paramètres de conception sont également discutés, et le modèle de poignet est validé. Les contraintes anatomiques sont reconstruites à l'aide d'images de tomodensitométrie du crâne, puis les paramètres de conception du robot sont sélectionnés parmi les configurations possibles qui évitent les collisions entre le microrobot et le modèle d'oreille et maximisent le volume de couverture. Un prototype de RTC hybride est fabriqué en utilisant des méthodes conventionnelles d'usinage et de mise en forme de tube ainsi que des techniques de microfabrication. Ensuite, une commande en boucle ouverte basée sur un modèle est utilisée pour effectuer certaines tâches de positionnement sur le prototype du robot. Les protocoles expérimentaux sont proposés pour évaluer la répétabilité du robot, le déploiement du robot à l'intérieur de l'oreille moyenne pour atteindre un emplacement spécifique du cholestéatome résiduel sur le fantôme d'oreille moyenne imprimé en 3D, et l'ablation au laser de véritables cellules de cholestéatome sur le prototype pour évaluer le volume enlevé en fonction des paramètres du laser.

Cholesteatoma is a frequent disease invading the middle ear, which can lead to serious complications (e.g., hearing loss or brain infections) and only be treated through an open surgery. The high incidence of residual cholesteatoma (23-25%) induces a painful second examination of the patient, along with additional costs. Thus, this manuscript presents a hybrid concentric tube robot (CTR), which covers the middle ear volume for exhaustive laser ablation of residual cholesteatoma by using two accesses: one through the auditory canal, and the other through a mastoid hole. The microrobotic system takes the compactness of a concentric tube robot while improving the dexterity at its distal end using a notched wrist, actuated by a tendon. A kineto-static model is derived to describe the robot configuration in the presence of the laser optical fiber. Besides, the coupled actuation on the CTR and the sensitivity of the wrist model to the design parameters are also discussed, and the wrist model is validated. The anatomical constraints are reconstructed using CT scan images of the skull, then the robot design parameters are selected through the possible configurations that avoid collision between the microrobot and the ear model and maximize the coverage volume. A prototype of the hybrid CTR is fabricated by using conventional machining and shape-setting methods together with microfabrication techniques. Then, a model-based open loop control is utilized to perform some positioning tasks on the robot prototype. The experimental protocols are proposed to assess the robot repeatability, deployment of the robot inside the middle ear to reach some specific location of residual cholesteatoma on the 3D printed middle ear phantom, and laser ablation of real cholesteatoma cells are shown on the benchtop prototype to evaluate the removed volume according the laser parameters.