Télé-opération avec retour d’effort pour la chirugie mini-invasive

D’une voie classique à une voie mini-invasive

   Les interventions chirurgicales servent en général à réparer un traumatisme grave, à soigner une infection, extraire une structure pathologique, libérer un organe compressé ou encore à corriger une malformation. Ces interventions consistent alors à atteindre un organe à traiter après incision sur un patient anesthésié en milieu stérile. Ainsi, lors d’une intervention, le chirurgien doit accéder librement aux tissus et organes parfois profonds situés dans le corps du patient. Il procède alors, selon les méthodes classiques, à une voie d’abord par une large incision et un dégagement du site. Cette voie d’abord large favorise l’acte chirurgical en offrant au chirurgien une meilleure exposition du champ opératoire, un grand espace de travail et surtout en lui permettant d’utiliser toutes ses capacités sensorielles pour réaliser son geste. Quels que soient le traumatisme, l’infection, la pathologie, etc . . ., le recours à la chirurgie s’avère très lourd pour le patient. Une intervention classique nécessite une ouverture pour accéder à l’organe malade et peut malheureusement causer des dommages parfois d’ordre plus élevé que l’opération curative. Avec un risque d’infection, des saignements importants et un grand délabrement tissulaire, les grandes incisions réalisées par le chirurgien, augmentent les risques de complication pendant l’intervention. En phase postopératoire, elles provoquent des effets secondaires indésirables chez le patient avec des douleurs importantes, un temps de récupération long et un aspect esthétique la plupart du temps très gênant pour le patient. C’est donc pour une voie d’abord plus respectueuse du patient, qu’est apparue, depuis plusieurs années, une nouvelle technique de chirurgie : la chirurgie mini-invasive (minimally invasive surgery, MIS). En limitant la taille de la voie d’abord, cette technique s’impose progressivement comme une nécessité pour réduire le traumatisme chirurgical chez les patients. Notamment utilisée en chirurgie de l’appareil digestif et en chirurgie cardiaque, elle impose la réalisation de petites incisions (de l’ordre de 1 à 2 [cm]) et l’utilisation d’instruments chirurgicaux spécifiquement conçus. Ainsi illustré sur la Figure 1.1, le chirurgien procède à l’incision de quelques petites ouvertures. Sur chacune des incisions, il met en place un trocart à travers lequel il peut introduire un instrument chirurgical. En chirurgie abdominale, le chirurgien augmente l’espace de travail en injectant du gaz carbonique à travers l’un des trocarts. Il introduit ensuite une caméra endoscopique connectée à un moniteur vidéo puis deux instruments. Ces derniers, dédiés à la chirurgie mini-invasive, sont en forme de tige de diamètre variant entre 8 et 10 [mm] et de longueur d’environ 30 [cm]. Ils sont conçus pour tenir compte du passage à travers le trocart et de la distance entre le point d’incision et l’organe à atteindre. Généralement, ces instruments sont équipés d’une pince ou d’un scalpel dont le chirurgien peut modifier la configuration et l’orientation. Les images transmises par la caméra endoscopique, permettent au chirurgien de visualiser les mouvements et les gestes qu’il effectue avec ses instruments à l’intérieur du corps du patient. Pour ce dernier, l’acte mini-invasif est un confort indéniable comparé à la chirurgie ouverte classique. La taille limitée des incisions signifie un traumatisme réduit et beaucoup moins de douleurs post-opératoires. Ceci implique un séjour plus court à l’hôpital et une récupération plus rapide. Les cicatrices étant également plus petites, le patient y trouve un intérêt esthétique certain (Figure 1.1(c)).

La chirurgie cardiaque : l’acte mini-invasif à cœur battant

   Mis à part les problèmes liés à une voie d’abord large, la chirurgie cardiaque se caractérise par une difficulté supplémentaire définie par le fait que le cœur est un organe en mouvement. Les contractions cardiaques ainsi que les mouvements respiratoires induisent des déplacements à forte dynamique et d’amplitudes importantes par rapport au geste à réaliser. Dans le cas d’un pontage coronarien par exemple, les sutures sont réalisées sur des artères d’environ 2 [mm] de diamètre pour des déplacements de la paroi cardiaque estimés à 15 [mm] avec une accélération maximale de 2g (g = 9.81 [m/s2]) [Cuvillon, 2006]. De plus, cette activité doit être assurée en permanence pour irriguer en oxygène tous les organes du corps. Afin de s’affranchir du mouvement du cœur, les chirurgiens ont proposé une méthode pour court-circuiter son travail et opérer sur un cœur arrêté. Son principe consiste à mettre en place une machine, appelée machine cœur-poumon (Figure 1.2), qui réalise une circulation extra-corporelle (CEC) assurant ainsi les fonctions de pompe et d’oxygénation du sang. Cependant, cette pratique est très certainement une des plus éprouvantes des interventions chirurgicales. En effet, elle nécessite non seulement une ouverture du sternum pour exposer le cœur (sternotomie) mais en plus un arrêt momentané de l’organe avec mise en place d’une circulation extra-corporelle. Dans certaines conditions et afin d’alléger les traumatismes chirurgicaux liés à une voie d’abord large, une sternotomie partielle peut être effectuée. L’incision se fait alors au niveau supérieur du sternum sur une longueur allant jusqu’à 5 [cm] maximum. La visibilité du chirurgien devient alors très limitée malgré une agressivité chirurgicale proche de celle d’une sternotomie classique. Néanmoins, mis à part les traumatismes chirurgicaux induits par la voie d’abord, une part non négligeable des complications observées lors d’une intervention chirurgicale cardiaque, est attribuée à l’arrêt cardiaque et l’utilisation de la CEC. Des phénomènes inflammatoires très importants, un risque hémorragique non négligeable, une agression myocardique plus ou moins sévère, des complications neurologiques ou encore des saignements per-opératoires peuvent être constatés [Eagle et al., 2004]. De plus, la convalescence du patient nécessite très souvent du temps, du fait de l’apparition d’une fatigue due à un ralentissement de l’activité physique, à la maladie cardiaque elle-même et bien souvent à l’anxiété provoquée par l’intervention chirurgicale et le séjour hospitalier. Ces différentes limitations ont conduit certaines équipes chirurgicales à examiner des techniques moins invasives visant à minimiser les risques inhérents liés à cette chirurgie cardiaque « classique ». Exclusivement réservée au pontage coronarien, une solution mécanique permettant de limiter les mouvements du cœur a été proposée [Borst et al., 1996]. Le chirurgien accède alors à la surface du cœur en effectuant une petite incision entre deux côtes du thorax (mini-thoracotomie). Il utilise un écarteur sur lequel il fixe un stabilisateur mécanique (Figure 1.3). Le mécanisme, par action d’aspiration ou de pression, permet la stabilisation locale d’une région d’intérêt se trouvant à la surface du cœur. L’intérêt de cette technique est double puisque d’une part, elle permet de travailler sur une zone stabilisée sans avoir recours à une CEC, et d’autre part, elle limite la voie d’abord et ses effets indésirables [Wijeysundera et al., 2005].

Limitations de la chirurgie mini-invasive

   Si les procédures mini-invasives présentent des avantages incontestables pour les patients, elles rendent le travail du chirurgien beaucoup plus délicat. En effet, le principe même de la chirurgie mini-invasive, contraint le geste du chirurgien et limite ses capacités sensorielles dans le cas d’une voie d’abord plus réduite et rend ce geste encore plus difficile à réaliser dans le cas d’une intervention chirurgicale cardiaque à cœur battant. Parmi les difficultés, nous pouvons citer :
– La vision – les images transmises par la caméra endoscopique sont des images en deux dimensions (2D). Le chirurgien perd la notion de relief et doit mentalement situer l’emplacement de ces instruments par rapport aux organes. Ceci rend l’acte chirurgical mentalement fatiguant (Figure 1.4).
– La mobilité – le chirurgien manipule les instruments chirurgicaux autour d’un point fixe placé à la surface du corps du patient (le trocart). De ce fait, leurs déplacements le long du plan tangent à la peau deviennent impossibles. Leurs mobilités à l’intérieur du corps du patient se réduisent et passent de six degrés de liberté (ddl) habituels (trois translations et trois rotations) à seulement quatre (trois translations et une rotation).
– L’effet fulcrum – la contrainte de mobilité et du passage par le trocart induit une inversion des déplacements de l’instrument par rapport à ceux du chirurgien. Ce dernier doit mentalement prendre en considération cette inversion.
– Les mouvements physiologiques – la respiration et les battements cardiaques provoquent des déplacements périodiques des organes que le chirurgien doit mentalement suivre. Lors d’une intervention chirurgicale cardiaque, le recours à une minithoracotomie et une stabilisation mécanique n’est pas une solution tout à fait satisfaisante puisque des mouvements résiduels à l’intérieur de la zone « stabilisée » ont été enregistrés [Lemma et al., 2005]. Ces mouvements, variant de 1, 5 à 2, 4 [mm], compliquent le travail du chirurgien qui doit les compenser pour pouvoir effectuer des gestes sur des artères d’un diamètre moyen d’environ 2 [mm].
– La précision – les instruments dédiés à cette pratique sont fins et de longueur allant jusqu’à 30 [cm]. Cette longueur importante permet certes d’atteindre un grand espace de travail, mais amplifie les tremblements du chirurgien. Les gestes qui demandent une grande precision mais qui sont considérés comme classiques et habituels en chirurgie, deviennent très difficiles à réaliser.
– La sensation – le frottement induit par le fait que les instruments sont en contact permanent avec le trocart, réduit la sensation et la sensibilité haptique du chirurgien. Il peut toujours ressentir le contact entre son instrument et l’organe, mais il est incapable de le caractériser. La palpation devient alors impossible à réaliser.
– La coordination – le chirurgien manipulant les instruments, il lui est impossible de déplacer la caméra endoscopique. C’est donc un assistant qui manipule la caméra suivant les gestes et les demandes du chirurgien. En plus de la coordination totale que cet assistant doit avoir avec le chirurgien, il est confronté à une partie des contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive à savoir la mobilité, la précision et les mouvements physiologiques. Au travers cette synthèse de la procédure chirurgicale mini-invasive, nous avons montré qu’aussi avantageuse qu’elle puisse l’être pour les patients, elle l’est beaucoup moins pour le chirurgien. Le plus souvent, elle complique le travail de l’équipe médicale et les gestes du chirurgien.

Assistance au geste chirurgical en orthopédie

   Lors de la mise en place d’une prothèse orthopédique, la découpe de l’os doit être la plus précise possible pour s’adapter à la forme de la prothèse. La qualité de la découpe limite les risques de reprise chirurgicale et augmente la durée de vie de la prothèse. La recherche d’un geste chirurgical de plus grande qualité est l’une des principales raisons qui ont favorisé l’introduction des systèmes robotiques en chirurgie orthopédique. Les premiers robots orthopédiques utilisés dans les salles d’opération sont le robot ROBODOC (ISS) [Taylor et al., 1993] pour la chirurgie du genou et le robot CASPAR (URS) pour celle de la hanche [Meister et al., 1998]. Malgré leurs apports respectifs indéniables pour la spécialité, ces deux robots ont fait apparaître des contraintes d’encombrement, de coût et de planification très exigeante en temps de réalisation sans pour autant apporter une réelle valeur ajoutée. De plus, leur fonctionnement autonome rend le chirurgien totalement passif par rapport au geste dont il est le seul spécialiste. La solution proposée par le robot BRIGIT [Maillet et al., 2005] permet au chirurgien de planifier les coupes et de réaliser l’intervention après le positionnement par le robot d’un guide de coupe en s’aidant directement des structures anatomiques du patient. La phase de planification est intuitive pour le chirurgien qui configure le plan de coupe et réalise lui même l’acte chirurgical [Maillet, 2006].

Assistance au geste chirurgical mini-invasif

   Les premières solutions robotisées apportées aux problèmes de la chirurgie mini-invasive exposés au §1.1.1.2, ont été l’assistance à la coordination. Ces solutions ont permis de libérer l’assistant qui synchronise la position de la caméra endoscopique avec la position des instruments manipulés par le chirurgien. Parmi les robots porte endoscope, citons le robot Aesop (Computer Motion) commandé par la voix [Allaf et al., 1998] ou les robots encore commercialisés tels que le robot EndoAssist (Armstrong Healthcare) contrôlé par les mouvements de la tête [Aiono et al., 2002] et le robot LapMan (MedSYS) que le chirurgien commande grâce à un joystick appelé LapStick2 et fixé sur l’instrument chirurgical [Polet et Donnez, 2004]. Ces trois solutions s’affranchissent de la contrainte du passage par le trocart grâce à des articulations passives permettant une libre inclinaison de l’endoscope par rapport à un centre de rotation déporté. Trouvant ces robots encombrants, Berkelman et al [Berkelman et al., 2002] proposent un robot porte-endoscope à câbles qui se place directement sur l’abdomen du patient. Appelé LER pour Light Endoscope Robot, son avantage réside, comme son nom l’indique, dans sa petite taille et sa position qui n’encombre pas la table d’opération et qui permet une compensation naturelle des mouvements physiologiques. De plus et afin d’alléger le travail du chirurgien, ce robot dispose non seulement d’un système de commande vocale mais aussi de positionnement automatique de l’endoscope par rapport aux instruments chirurgicaux [Berkelman et al., 2003a]. Inspirée du robot porte-endoscope Aesop, la société Computer Motion a développé le premier système commercial télé-opéré Zeus. L’objectif de ce système était de fournir des solutions aux contraintes engendrées par la chirurgie mini-invasive telles que la coordination, la mobilité à l’intérieur du corps du patient et la précision des gestes du chirurgien (cf. §1.1.1.2). Il était composé d’un couple de robots maître/esclave, permettant au chirurgien de télé-opérer, à partir d’une station de commande, des outils placés au niveau de l’organe terminal d’un bras articulé. Ce dernier était constitué d’un ensemble de trois bras de type Aesop (un robot porte-endoscope et deux porte-outils). La station de commande comportait deux bras maîtres et un écran vidéo sur lequel le chirurgien peut visualiser les images transmises par la caméra endoscopique. Après le rachat de Computer Motion par la société Intuitive Surgical, le robot Da Vinci est devenu aujourd’hui le seul produit commercial dédié à la chirurgie mini-invasive télé-opérée [Guthart et Salisbury, 2000]. Dans le paragraphe 1.1.2.2 dédié aux systèmes télé-opérés, nous détaillerons ces deux systèmes ainsi que d’autres solutions télé-opérées proposées pour pallier les contraintes liées à la chirurgie mini-invasive. Afin de s’affranchir de la contrainte de mobilité due au passage par le trocart (cf. §1.1.1.2), des solutions proposent d’équiper l’extrémité des instruments d’un dispositif permettant l’orientation de l’outil chirurgical et/ou fermeture/ouverture d’une pince. Ce qui permet d’augmenter la dextérité du chirurgien à l’intérieur du corps du patient. Les problèmes posées par l’instrumentation médicale mini-invasive posent alors deux contraintes majeures : la première concerne le dimensionnement de ces structures qui ne doit pas dépasser le diamètre inférieur du trocart au travers duquel elles seront introduites. La seconde, liée à ce petit dimensionnement, concerne la technique d’actionnement des degrés de liberté à intégrer au bout de l’instrument de chirurgie. Cet actionnement peut être local à proximité de la partie terminale et disposant d’une micro-motorisation [Sallé et al., 2004], ou distant utilisant une transmission mécanique rigide [Arata et al., 2005] ou à câbles [Madhani et al., 1998]. C’est d’ailleurs une transmission à câbles qu’utilisent les instruments Hyper Finger à 9 ddl [Ikuta et al., 2003] et EndoWristTM3 à 3 ddl du système télé-opéré Da Vinci (Intuitive Surgical). Exposée à la même contrainte de dimensionnement, la conception d’un instrument de mesure, tel un capteur d’effort [Berkelman 1pour Automatic Endoscopic  et al., 2003b], pose un autre problème lié à la stérilisation et la bio-compatibilité des matériaux avec les tissus. Des solutions utilisant un alliage bio-compatible [Peirs et al., 2004] ou considérant un capteur d’effort détachable et stérilisable [Seibold et al., 2005] ont été proposées.

Vers des systèmes télé-opérés avec retour en effort

   Les résultats cliniques faisant suite à ces expériences ont montré l’intérêt que présente le retour en effort pour des applications de chirurgie mini-invasive télé-opérée. En augmentant la perception du chirurgien, il diminue l’agressivité des actes et le délabrement tissulaire des organes. Dans le cas d’une intervention chirurgicale cardiaque, la difficulté de réaliser un acte totalement endoscopique à cœur battant, montre en plus de l’intérêt du retour en effort, l’utilité de considérer un mécanisme permettant au robot de suivre ou de compenser les mouvements de l’organe. Ce suivi permettra d’améliorer les performances du stabilisateur mécanique et, à terme, de le remplacer. Il allégera ainsi le travail du chirurgien qui pourra se concentrer uniquement sur son geste chirurgical. Ainsi, par rapport à une plate-forme de télé-opération standard (comme celle utilisée pour le robot Da Vinci), celle qui intègre un retour en effort met en place une architecture et une technologie différente, des instruments de mesure supplémentaires et une loi de commande adaptée. Dans ce contexte, il est essentiel de faire un tour d’horizon des systèmes de télé-opération offrant un retour en effort. L’état de l’art que nous proposons dans la suite, dépasse le cadre strict des systèmes de télé-opération dédiés à la chirurgie mini-invasive et concerne des applications diverses. Le but de cette synthèse est d’offrir une vue globale sur ces architectures ainsi que sur leurs performances.

Table des matières

Introduction Générale
1 La robotique médicale et les systèmes de télé-opération 
1.1 L’intervention chirurgicale et l’assistance robotique 
1.1.1 L’intervention chirurgicale
1.1.1.1 La chirurgie mini-invasive
1.1.1.2 Limitations de la chirurgie mini-invasive
1.1.1.3 Vers une assistance robotique
1.1.2 La robotique médicale
1.1.2.1 Les systèmes existants
1.1.2.2 Autonomie et degré d’interaction
1.1.2.3 Conclusion
1.1.3 Les limitations des systèmes télé-opérés
1.1.3.1 La chirurgie mini-invasive et le toucher
1.1.3.2 La chirurgie mini-invasive et le cœur battant
1.1.3.3 Vers des systèmes télé-opérés avec retour en effort
1.2 Télé-opération avec retour d’effort
1.2.1 Présentation générale
1.2.1.1 Définitions
1.2.1.2 Caractéristiques
1.2.1.3 Représentation
1.2.2 Différentes architectures
1.2.2.1 Architectures de télé-opération
1.2.2.2 Discussion
1.2.3 Analyse des systèmes de télé-opération
1.2.3.1 Stabilité
1.2.3.2 Transparence
1.2.3.3 Le compromis Stabilité/Transparence
1.3 Contributions 
2 Télé-opération et commande en effort d’un robot d’assistance au geste chirurgical 
2.1 Introduction
2.2 La chirurgie mini-invasive et le retour d’effort 
2.3 Architecture de télé-opération avec retour d’effort 
2.3.1 Schéma global de télé-opération
2.3.2 Commande en effort du système esclave
2.3.2.1 Modélisation du site distant
2.3.2.2 Synthèse de la commande par retour d’état
2.3.2.3 Observateur actif de l’état
2.3.3 Synthèse du schéma global de télé-opération
2.4 Analyse expérimentale 
2.4.1 Plate-forme expérimentale
2.4.2 Résultats expérimentaux
2.4.2.1 Déplacement en espace libre
2.4.2.2 Interaction avec un objet mou
2.4.2.3 Interaction avec un objet de rigidité moyenne
2.5 Conclusion 
3 Transparence et stabilité du schéma de télé-opération 
3.1 Introduction 
3.2 Estimation de la raideur de l’environnement et commande adaptative
3.2.1 Stratégies d’estimation paramétrique
3.2.2 Filtre de Kalman étendu pour l’estimation de la raideur
3.2.2.1 Estimation d’un paramètre inconnu par un filtre de Kalman étendu
3.2.2.2 Adaptation de la stratégie de commande
3.2.2.3 Validation expérimentale de la commande adaptative
3.2.3 Compensation des erreurs de modélisation
3.2.3.1 Représentation et compensation des erreurs de modélisation
3.2.3.2 Estimation de l’état en position
3.2.3.3 Validation expérimentale de la commande adaptative avec prise en compte des erreurs de modélisation
3.2.4 Télé-opération et estimation en ligne de la raideur de l’environnement
3.2.5 Conclusion
3.3 Transparence et stabilité du schéma de télé-opération
3.3.1 Transparence du schéma de télé-opération
3.3.2 Stabilité du schéma de télé-opération
3.3.3 Compromis stabilité/transparence et commande adaptative
3.4 Télé-opération et interaction avec des tissus ex-vivo
3.4.1 Interaction avec des tissus ex-vivo
3.4.2 Insertion d’aiguille télé-opérée
3.5 Conclusion 
4 Vers la chirurgie mini-invasive à cœur battant 
4.1 Introduction
4.2 Chirurgie mini-invasive et passage par le trocart 
4.2.1 Les solutions existantes
4.2.1.1 La cinématique contrainte
4.2.1.2 La commande contrainte
4.2.2 Commande par découplage dynamique
4.2.2.1 Découplage Tâche-Posture
4.2.2.2 Télé-opération et commande dynamique de l’organe terminal
4.2.2.3 Gestion de la contrainte du trocart
4.2.3 Analyse expérimentale
4.3 Vers la compensation des mouvements physiologiques 
4.3.1 Assistance en chirurgie cardiaque
4.3.2 La commande en effort et le rejet de perturbations périodiques
4.3.3 Rejet de perturbations périodiques en effort
4.3.3.1 Estimation des perturbations en effort
4.3.3.2 Compensation des perturbations
4.3.3.3 Synthèse de la commande référencée modèle
4.3.4 Analyses expérimentales
4.4 Conclusion
Conclusion Générale
Publications
Bibliographie
A Modèle géométrique et dynamique du robot D2M2

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