Conception, modélisation et planification de mouvements d'un robot de résection pour la neurochirurgie

Carole Martin

Description

Sous la direction de Grigore Gogu
Thèse soutenue le 03 novembre 2010: Clermont Ferrand 2
Depuis son apparition la robotique chirurgicale s’avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d’un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l’espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d’une tumeur témoin, et la réalisation d’un démonstrateur offre des perspectives d’expérimentations en conditions simulées.
-Robotique neurochirurgicale
-Résection de tumeur
-Robot à câbles
-Modélisation
-Robot redondant
-Espace de travail dynamique
-Génération de trajectoire
Since the beginning of surgical robotics, surgical robots continue to find their place in clinical routine. They improve the quality and safety of operations, and comfort for the surgeon. This work addresses the design, modeling and path planning of a robotic system for brain tumor resection. The characterization of the surgical task (adaptability to the high diversity of tumor shapes, limited and evolving workspace) points out the requirements for the robot design and resection path planning. A modular robot with seven degrees of freedom is selected (high dexterity) and is actuated by wires. A kinematic (geometric) model is built.Motion planning of the redundant robot in evolving and path depending workspace is based on an interactive path planning. The method uncouples the degrees of freedom and defines elementary procedures, which are assembled in an arbitrary sequence by the neurosurgeon.A discretization method allows computing the procedure space that presents the possible locations, orientations and sizes of resected areas with respect to the robot limitations to bound procedure choices. A simulation on a real tumor case reveals that the chosen robotic concept associated to the interactive motion planning method allows removing the tumor for the most part. A demonstrator is realized and will provide opportunities for experiments in simulated conditions.
Source: http://www.theses.fr/2010CLF22063/document

Sujets

• Modélisation

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 80
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

N˚d’ordre : D.U. 2063
EDSPIC : 493
Université BLAISE PASCAL - Clermont II
École Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur
THÈSE
présentée par
Carole Martin
pour obtenir le grade de
Docteur d’Université
Spécialité : Génie Mécanique
Conception, modélisation et planification
de mouvements d’un robot de résection
pour la neurochirurgie
Soutenue publiquement le 3 Novembre 2010 devant le jury :
Philippe BIDAUD Professeur des universités, Université Pierre et Marie Curie Président
Etienne DOMBRE Directeur de recherche CNRS, LIRMM Rapporteur
Gérard POISSON Professeur des universités, Université d’Orléans Rapporteur
Grigore GOGU Professeur des universités, IFMA Directeur
Jean-Jacques LEMAIRE Professeur des universités, Université d’Auvergne Examinateur
Frédéric CHAPELLE Maître de conférences, IFMA Co-encadrant,
Examinateur
Laboratoire de Mécanique et Ingénieries (LaMI)
Université Blaise Pascal (UBP) - Institut Français de Mécanique Avancée (IFMA)
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Remerciements
Je souhaite remercier en premier lieu Philippe BIDAUD, président du Jury, ainsi que
Etienne DOMBRE et Gérard POISSON, pour avoir accepté de rapporter mon travail et
avoir ouvert plusieurs pistes de travail pour la suite.
Cette thèse s’est déroulée dans le Laboratoire de Mécanique et Ingéniéries (Aubière),
et à ce titre je remercie Pascal RAY, directeur du laboratoire, pour m’y avoir accueillie et
fait découvrir ce sujet de recherche. Un grand merci à lui également pour m’avoir soutenue
et conseillée.
Je tiens à remercier également Grigore GOGU, pour avoir dirigé ces travaux, et Jean-
JacquesLEMAIRE,initiateurduprojet,poursonexpertisemédicaleetsesencouragements
continus. Mes plus vifs remerciements vont à Frédéric CHAPELLE, qui m’a encadrée du-
rant ces travaux, malgré la maladie. Il a fait preuve de beaucoup de courage quotidienne-
ment et je lui en suis reconnaissante.
Le démonstrateur issu de ces travaux n’aurait sans doute pas vu le jour sans la partici-
pation active de Nicolas BLANCHARD, Julien CHAPUT, Hugues PERRIN et Christophe
VALAT. Merci à eux pour leur aide dans la réalisation du prototype et lors des tests de
résection d’oeuf. Je suis aussi reconnaissante à Omar AIT-AIDER qui a pris beaucoup de
son temps pour mettre au point le procédé de mesure par vision lors de la validation ex-
périmentale du prototype. Mes remerciements vont encore à Viorel ACHIM pour m’avoir
permis d’assister à une opération de neurochirurgie, Jérôme COSTE pour son implication
dans le développement des gels simulant le cerveau, ainsi que Jacques MEYRIEUX pour
m’avoir aimablement prêté la pompe à vide du SAMU pour mes expériences.
Travaillant sur le même projet, je transmets également mes remerciements à Matthieu
ALRIC et Fabien TIXIER pour leur collaboration, ainsi que Benoît BOCKSTAHLER et
Mickaël LAPLACE pour leur contribution et leur intéressement lors de leur stage.
J’exprime ma profonde gratitude à Emmanuel DUC pour son soutien constant et
ses conseils judicieux tout au long de ma thèse, et tout particulièrement à Anne-Marie
ADEVAH-POEUF pour le réconfort et l’aide qu’elle m’a apportés, et qui m’ont permis de
progresser énormément.
Je remercie tous les membres du laboratoire et amis, qui ont apporté joie et bonne
humeur tous les jours de ces trois ans de thèse : Pierre, Benoît, Greg (le petit), Guillaume,
Greg (le grand), Sylvain, Cécile, Su, Vincent, Thomas, Agnès, Miguel, Hélène, Flavien,
Khaled, Jaqueline.
Enfin, je remercie celui qui a été à mes côtés pendant ces trois ans, m’a soutenue
inconditionnellement et supportée pendant les moments difficiles. Fred, un grand merci à
toi.
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Résumé/Abstract
Depuis son apparition la robotique chirurgicale s’avère bénéfique pour les patients et
pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent
surlaconception,lamodélisationetlaplanificationdemouvementsd’unsystèmerobotique
destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de
résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail
restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa
stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept
degrésdeliberté.Unemodélisationgéométriquedelasolutionestproposée.Laplanification
de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa
trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage
des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être
choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée
pour déterminer l’espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien
aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique
associéeàlaméthodeinteractivedegénérationdetrajectoirepermetderéséquerunegrande
partie d’une tumeur témoin, et la réalisation d’un démonstrateur offre des perspectives
d’expérimentations en conditions simulées.
Since the beginning of surgical robotics, surgical robots continue to find their place in
clinical routine. They improve the quality and safety of operations, and comfort for the
surgeon. This work addresses the design, modeling and path planning of a robotic system
for brain tumor resection. The characterization of the surgical task (adaptability to the high
diversity of tumor shapes, limited and evolving workspace) points out the requirements for
the robot design and resection path planning. A modular robot with seven degrees of freedom
is selected (high dexterity) and is actuated by wires. A kinematic (geometric) model is built.
Motion planning of the redundant robot in evolving and path depending workspace is based
on an interactive path planning. The method uncouples the degrees of freedom and defines
elementary procedures, which are assembled in an arbitrary sequence by the neurosurgeon.
A discretization method allows computing the procedure space that presents the possible
locations, orientations and sizes of resected areas with respect to the robot limitations to
bound procedure choices. A simulation on a real tumor case reveals that the chosen robotic
concept associated to the interactive motion planning method allows removing the tumor
for the most part. A demonstrator is realized and will provide opportunities for experiments
in simulated conditions.
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Mots clés : robotique neurochirurgicale, résection de tumeur, robot à câbles, modéli-
sation, robot redondant, espace de travail dynamique, génération de trajectoire.
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Table des matières
Introduction 9
1 Contexte 13
1.1 Le traitement actuel des tumeurs cérébrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Les différentes méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 L’opération chirurgicale d’ablation de tumeur . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.3 Avantages de l’utilisation d’un système robotique . . . . . . . . . . . 14
1.2 Aperçu de la robotique neurochirurgicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Types de robots utilisés en neurochirurgie . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Importance du degré d’autonomie des robots médicaux . . . . . . . . 19
1.3 Définition d’un système multi-robots de résection de tumeurs cérébrales . . 21
1.3.1 Robot porteur : le Surgiscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Dispositif de fixation au crâne et d’ouverture . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.3 Robot de déploiement pour accéder à la tumeur . . . . . . . . . . . . 23
1.3.4 Robot d’ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.5 Autres fonctionnalités à intégrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.6 Rôle du neurochirurgien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Problématique et objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 Objectif de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Systèmes potentiellement utilisables pour la