CONCEPTION DU SYSTÈME DE COMMANDE

CONCEPTION DU SYSTÈME DE COMMANDE

Sténose des membres inférieurs

La sténose correspond à un rétrécissement anormal des artères.  Les causes de cette condition de rétrécissement sont diverses, mais la principale est l’athérosclérose (Mohler, 2010). Le premier symptôme de la maladie occlusive artérielle périphérique des membres inférieurs est une sensation de douleur en marchant ou lors d’exercice physique léger. Si la condition s’aggrave, la douleur persiste même en condition de repos. Puisque la sténose diminue l’apport en sang aux tissus (l’ischémie), elle diminue aussi l’apport en oxygène et peut entraîner la mort des cellules et la formation d’ulcère nécrotique. Dans les rares cas extrêmes, une amputation est nécessaire (Norgren et al.,2007).

Imagerie des vaisseaux sanguins

Pour confirmer le diagnostic et localiser la sténose, il faut se tourner vers l’imagerie médicale. Il existe plusieurs méthodes pour cartographier les vaisseaux sanguins en trois dimensions (Bushberg, 2002) :
• la tomodensitométrie;
• l’angiographie par soustraction intraveineuse et intra-artérielle;
• l’angiographie par résonance magnétique.
Les deux premières méthodes ont recours aux rayons-X et à une injection d’agent contraste via cathéter. L’angiographie par résonance magnétique a l’avantage de ne pas avoir recours aux rayons ionisants, mais l’appareil coûte beaucoup plus cher et la durée de l’examen est aussi plus longue. Pour ces trois méthodes, il est nécessaire ou préférable d’injecter un agent contraste de façon à obtenir une image suffisamment précise pour planifier une intervention.
L’échographie, utilisée pour évaluer la sévérité de la sténose, a l’avantage d’être une alternative non invasive et peu dispendieuse. Elle permet de capter des images de coupes dans l’axe de la sonde en mode B. Avec l’échographie Doppler, il est même possible d’évaluer la vitesse du flux sanguin (Bushberg, 2002). Cette méthode n’est cependant pas suffisamment précise pour planifier une intervention. En générale, l’échographie à l’aide d’une sonde matricielle 3D (Panza, 2001), ou une sonde à balayage mécanique (Gee et al.,  2003) ou une échographie par sonde conventionnelle combinée à un capteur de mouvement (Sheehan et al., 2003b) permettent une cartographie 3D suffisamment précise pour la planification d’une intervention.

Robots médicaux pour l’échographie

Programme MARTE

Les intervenants du programme européen MARTE (Mobile And Robotised TeleEchography) en collaboration avec le partenaire Robosoft ont conçu le robot commercial à 4 degrés de liberté ESTELE  pour la télé-échographie abdominale et fœtale. Les efforts de recherche du programme MARTE sont concentrés sur le système de communication visant à faire à distance des examens échographiques. En effet, il est une extension du programme OTELO (mObile Tele-Echography using an ultra-Light rObot), qui a produit des prototypes du même nom (Delgorge et al., 2005). Le programme OTELO de son côté succédait le projet SYRTECH et le projet TERESA (Gourdon et al., 1999; Vieyreset al., 2003).
Ces robots sont compacts pour être transportables et se déposent directement sur le patient lors de l’examen. L’espace de travail restreint à l’abdomen rend impossible un balayage des membres tels que requis pour le diagnostic de la maladie occlusive artérielle périphérique des membres inférieurs.

TER (Télé Échographie Robotique)

Comme les robots de la section précédente, le robot français TER est aussi conçu pour la télé-échographie (Vilchis et al., 2003). La grande différence structurelle est qu’il est muni de courroies lui permettant de se déplacer sur l’abdomen du patient . Le système de courroies ne permet malheureusement pas d’obtenir une précision pouvant permettre de faire de la reconstruction 3D des artères.

Robot de Ehime University, Japon

Similaire au robot TER de la section précédente, le groupe de recherche d’Ehime University place son robot par-dessus le patient pour faire un examen de l’abdomen (Masuda et al.,2001). Cependant, les courroies sont remplacées par un mécanisme rigide de pantographes. Malgré que ce mécanisme rigide améliore la précision du positionnement, ce robot ne permet pas de couvrir un espace suffisant pour faire un balayage des membres inférieurs.

RUDS de University of Tokyo

Un autre groupe de recherche japonais a aussi développé un système robotique pour la télééchographie. Il s’agit du RUDS (Remote Ultrasound Diagnostic System) Koizumi et al. (2003; 2008; 2002). Pour ce prototype, beaucoup d’efforts ont été concentrés dans l’amélioration du système de commande d’impédance, telle que démonté par les publications de Koizumi et al. (2003; 2008; 2002). Ce système a la particularité d’utiliser des guides angulaires pour le manipulateur . De plus, le patient est en position assise pour passer l’examen qui se fait pour le haut du corps. Donc, ce robot n’est pas conçu pour un examen des membres inférieurs.

Robot de University of British Columbia

Le robot de University of British Columbia (UBC) sert à faire l’examen de l’artère carotide (Salcudean et al., 1999). La sonde échographique est connectée à un actionneur permettant une rotation dans son axe vertical. Cet assemblage du porte-outil est ensuite fixé à l’extrémité d’un double-pantographe. Son architecture fait en sorte que cinq des six actionneurs sont concentrés à la base . L’examen se fait à l’aide d’une manette de type manche à balai permettant la commande du robot à distance. La commande de ce robot à six degré de liberté est basé sur un contrôle force et vitesse.
Plusieurs types de commande guidée par imagerie ont été appliquées sur ce prototype (Abolmaesumi et al., 2002). Encore une fois, puisque ce robot ne fait qu’un balayage du cou, il n’est pas conçu pour l’examen des artères des membres inférieurs

Sécurité et commande des robots médicaux

La sécurité est un sujet très important dans le domaine de la robotique. Pour les robots industriels, les mesures de sécurité ne consistent généralement qu’à empêcher la présence humaine dans l’espace de travail du manipulateur. De leur côté, les robots médicaux interagissent avec le patient et le personnel médical. Donc, les règles en place dans le domaine industriel ne peuvent s’appliquer dans le domaine de la santé. Cependant, de nouvelles normes permettant l’interaction humain-robot ont récemment fait leur apparition.
Davies (1996) a entamé plusieurs réflexions dans le domaine de la sécurité des robots médicaux. L’approche est de voir les robots comme des machines ne pouvant causer de blessures, mais en même temps comme des systèmes non infaillibles. Donc, il privilégie une conception qui prévoit la défaillance sécuritaire.
Dans cette ligne de pensées, Davies propose une série de mesures pour assurer la sécurité des patients et du personnel médical. Voici quelques-unes de ces mesures :
• Utiliser un ratio élevé des réducteurs de vitesse entre les articulations et les actionneurs pour permettre l’utilisation d’actionneurs à faible couple en plus de ralentir la vitesse de mouvement du robot.
• Utiliser des capteurs redondants reliés à des systèmes de commande indépendants qui font de la validation croisée afin de détecter les erreurs.
• Utiliser des limites mécaniques afin de restreindre la zone de travail à celle de la tâche.
• Éviter d’utiliser un contrôleur basé sur des algorithmes de commande adaptative ou d’intelligence artificielle.
• Limiter la force maximale appliquée en fonction de la tâche.
• Prévoir un mécanisme permettant de déplacer manuellement et facilement le robot en cas de défaillance.

Description du robot ETS 3D-US

Tel que conçu par Lessard (2008; 2007), le robot ETS 3D-US a une sonde attachée à une barre télescopique connectée à l’aide de joints de Cardan aux extrémités de deux mécanismes cinq barres planaires. Ces derniers sont montés sur une base qui peut se déplacer horizontalement, permettant ainsi une grande couverture horizontale. Ce système à six degrés de liberté est actionné par six moteurs. Le premier actionneur, de type linéaire, permet à la base de se déplacer le long de la jambe. Deux autres actionneurs se trouvent à la base de chaque mécanisme cinq barres. Le dernier actionneur est lié à l’outil à l’extrémité des mécanismes à cinq barres. Cette architecture de robot parallèle a l’avantage d’assurer que la partie mobile est légère puisque les moteurs sont situés à la base. De plus, il est beaucoup plus compact que les autres systèmes d’imagerie tels que le système d’imagerie par résonance magnétique.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Maladie occlusive artérielle périphérique
1.1.1 Sténose des membres inférieurs
1.1.2 Imagerie des vaisseaux sanguins
1.2 Robots médicaux pour l’échographie
1.2.1 Programme MARTE
1.2.2 TER (Télé Échographie Robotique)
1.2.3 Robot de Ehime University, Japon
1.2.4 RUDS de University of Tokyo
1.2.5 Robot de University of British Columbia
1.2.6 Hippocrate
1.2.7 Ultrasound Robotic Scanner (URS) d’Integral Technologies Inc.
1.2.8 ETS 3D-US de l’École de technologie supérieure
1.3 Sécurité et commande des robots médicaux
1.4 Objectif du projet de recherche
1.4.1 Objectifs du mémoire
1.4.2 Organisation du mémoire
CHAPITRE 2 MODÉLISATION
2.1 Description du robot ETS 3D-US .
2.2 Cahier de charge
2.3 Représentation du système
2.3.1 Système de référence
2.3.2 Représentation de l’orientation
2.4 Particularités du système
2.4.1 Mécanisme à cinq barres
2.4.2 Axe prismatique
2.4.3 Joint de Cardan
2.5 Modèle géométrique
2.6 Modèle géométrique inverse
2.7 Cinématique différentielle
CHAPITRE 3 CONCEPTION DU SYSTÈME DE COMMANDE
3.1 Banc d’essai
3.1.1 Le matériel mécanique
3.1.2 Le matériel électronique et informatique
3.2 Sécurité
3.3 Hypothèses simplificatrices
3.4 Modélisation dynamique
3.4.1 Inerties des joints
3.4.2 Modèle de friction des actionneurs
3.5 Asservissement
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET VALIDATION
4.1 Protocole de validation
4.2 Génération de trajectoire
4.3 Trajectoire désirée
4.4 Expérimentation
CONCLUSION

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