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Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant

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Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l Université Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Spécialité : Robotique
par Wael Bachta
Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant
Conception et commande d un stabilisateur cardiaque actif
Soutenue publiquement le 9 décembre 2008
Membres du Jury
Directeur de Thèse : JacquesGangloff, Professeur, ULP, Strasbourg
Rapporteur Externe : GuillaumeMorel, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris
Rapporteur Externe : FrançoisPierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier
Rapporteur Interne : Rémy Willinger, Professeur, ULP
Examinateur : TobiasOrtmaier, Professeur, Université Leibniz, Hannovre
Examinateur : PierreRenaud, Maître de Conférences, INSA, Strasbourg
Invité : EdouardLaroche, Professeur, ULP, Strasbourg Remerciements
Ma gratitude va tout dabord à lensemble des membres du jury, qui mont fait lhonneur
daccepterdévaluermathèseetplusparticulièrementà messieursGuillaumeMoreletFrançois
Pierrot, pour lintérêt quils ont témoigné à légard de mon travail en consentant à en être les
rapporteurs.
Je remercie très sincèrement Jacques, mon directeur de thèse, de mavoir offert lopportu
nité de travailler sur une thématique aussi passionnante. Tes connaissances pluridisciplinaires,
tes conseils avisés, ta grande disponibilité et ton soutien infaillible tout au long de ma thèse
montétéduneprécieuseaide.Jaiégalementbeaucoupappréciédepartagertonenthousiasme
et ton désir ...

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Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Spécialité : Robotique par Wael Bachta Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant Conception et commande d un stabilisateur cardiaque actif Soutenue publiquement le 9 décembre 2008 Membres du Jury Directeur de Thèse : JacquesGangloff, Professeur, ULP, Strasbourg Rapporteur Externe : GuillaumeMorel, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris Rapporteur Externe : FrançoisPierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier Rapporteur Interne : Rémy Willinger, Professeur, ULP Examinateur : TobiasOrtmaier, Professeur, Université Leibniz, Hannovre Examinateur : PierreRenaud, Maître de Conférences, INSA, Strasbourg Invité : EdouardLaroche, Professeur, ULP, Strasbourg Remerciements Ma gratitude va tout dabord à lensemble des membres du jury, qui mont fait lhonneur daccepterdévaluermathèseetplusparticulièrementà messieursGuillaumeMoreletFrançois Pierrot, pour lintérêt quils ont témoigné à légard de mon travail en consentant à en être les rapporteurs. Je remercie très sincèrement Jacques, mon directeur de thèse, de mavoir offert lopportu nité de travailler sur une thématique aussi passionnante. Tes connaissances pluridisciplinaires, tes conseils avisés, ta grande disponibilité et ton soutien infaillible tout au long de ma thèse montétéduneprécieuseaide.Jaiégalementbeaucoupappréciédepartagertonenthousiasme et ton désir dinnovation. Et puis un grand merci à toi Pierre. Je te remecrcie de ta grande patience au tout début de mathèse,lorsquetuminitiaisàlaconceptionmécanique,puisdetesconstantsencouragements et conseils, de ton profond investissement et de ta grande disponibilité tout au long de ces trois années,etcejusquedansladernièrelignedroite.Tuétaistoujourspartantpourdonneruncoup de main, toujours disponible pour relire un article. Létendue de tes compétences, ta force de proposition et ta grande rigueur mont permis de progresser et de faire avancer ce projet, tandis que ta gentillesse et ta bonne humeur ont rendu notre collaboration très plaisante. Je remercie égalementEdouardde sa contribution sur lesaspectsrelevant de lautomatique. Tes vastes connaissances mont aidé à progresser très rapidement sur des techniques avancées de lautomatique, et cela dans un cadre de travail agréable. Merci à Sophie, ma tutrice pédagogique, qui ma accueilli avec beaucoup de gentillesse à lIUTdeHaguenau.Sabonnehumeuretsesconseilsjudicieuxontaccompagnéetfacilitémes premiers pas de moniteur. JeremercietouslescollèguesdeléquipeAVRpourlabonneambiance,enparticulier"lesvieux" (Florent, Philippe et Laurent), pour leurs conseils, leur aide et les bons moments passés dans leur bureau. Merci à Michel de Mathelin, de mavoir accueilli au sein de son équipe. JeremercielensembledescollèguesdelIRCADpourlenvironementdetravailtrèsagréable. Merci à Antonello et Alain pour les inoubliables expériences in vivo. Jeremerciemesamispourleursoutien,plusparticulièrementCarine,Julie,Virginie,Hamza et Jean Louis pour leur présence le jour de ma soutenance. Merciàmesparentsetmapetitesoeur,pourleuramouretleursoutieninconditionnel.Merci à papa, qui est venu assister à ma soutenance. Enfin, un grand merci à toi Barbara pour mavoir soutenu et encouragé avec abnégation. Merci de ton attention et merci davoir partagé avec moi les moments de joie comme les mo ments de doute. 1 2 Table des matières Introduction 7 1 État de lart et contributions 11 1.1 Anatomie, fonctionnement et pathologies du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Revascularisation des coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Angioplastie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 Pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.3 Angioplastie ou pontage coronarien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 Techniques de pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.1 Pontage coronarien sur un cœur à larrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2 Pontage coronarien à cœur battant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4 Compensation robotisée des mouvements physiologiques . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.1 Compensation du tremblement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.2 Compensation des mouvements dûs à la respiration . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.3 Compensation du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5 Contributions de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2 Analyse et prédiction du comportement cardiaque 37 2.1 Analyse des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.2 Rappel des propriétés du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.3 Propriétés des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2 Comportement viscoélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.2 Analyse des données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Prédiction du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.1 État de lart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.2 La modulation damplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3 Comparaison des résultats de prédiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3 Table des matières 2.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3 Conception de stabilisateurs cardiaques actifs 71 3.1 Contexte de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2 Choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.1 Mécanismes compliants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.2 Actionnement piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3 Stabilisateur à un degré de liberté : Cardiolock 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.1 Choix de la cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.3.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.4 Stabilisateur à deux degrés de liberté : Cardiolock 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.4.1 Cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.4.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4 Commande dun stabilisateur cardiaque actif 107 4.1 Méthodologie de commande et danalyse de la robustesse . . . . . . . . . . . . . 108 4.1.1 CommandeH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108∞ 4.1.2 –analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.2 Modélisation et identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.2 Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3 Synthèse de lois de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.1 Correcteur sans connaissance a priori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.2 Correcteur avec connaissance de la fréquence cardiaque . . . . . . . . . . 125 4.3.3 Correcteur avec utilisation dun modèle du mouvement cardiaque . . . . . 127 4.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.5 Expérience in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Conclusion 143 4 Liste des publications 147 Bibliographie 149 5 Table des matières 6 Introduction Malgré une prise de conscience récente, les déséquilibres alimentaires et la forte consom mation de graisses ont de graves conséquences dans les sociétés occidentales. Les pathologies cardiaques sont par exemple en constant développement avec un nombre important de cas de sténosedesartèrescoronaires,i.e.unrétrécissementdesartèresalimentantlemusclecardiaque. Sensuit alors lischémie du myocarde, un manque doxygène du muscle cardiaque, voire un in farctus. Dans cette dernière situation, une personne sur deux décède dans les 24 heures qui suivent. A lheure actuelle, le pontage coronarien est la technique de référence pour rétablir une ir rigation correcte du myocarde. Ce geste chirurgical consiste à court circuiter la partie sténosée duneartèrecoronaireàlaidedungreffonartérielouveineuxprélevésurlepatient.Lapproche conventionnelle pour effectuer ce type dopération suppose le remplacement temporaire du sys tème cœur poumons par un appareil externe, qui assure loxygénat ion et la circulation san guine. Cela permet aux chirurgiens dopérer sur un cœur à larrêt. Lutilisation dune machine cœur poumons sest avérée dangereuse car elle peut entraîner de s séquelles postopératoires im portantes, telles que des complications neurologiques. On assiste donc au développement de la chirurgie cardiaque à coeur battant, avec lutilisation de stabilisateurs mécaniques pour sta biliser une zone dintérêt sur le cœur qui continue de battre. Les stabilisateurs passifs disponibles aujourdhui laissent apparaître un mouvement résiduel qui peut nuire à la qualité de lintervention. Ce mouvement, évalué par plusieurs groupes de recherche, présente une amplitude incompatible avec la précision requise lors dun pontage. Il contient de plus des composantes fréquentielles élevées qui dépassent la possibilité de suivi de la main humaine. Le geste chirurgical est encore plus difficile dans le cas dun pontage coro narien totalement endoscopique, qui présente pourtant un intérêt majeur, et qui devrait en con séquence se développer : il permet un rétablissement plus rapide pour le patient et évite les effets secondaires dune opération à coeur ouvert. Plusieurs travaux de recherche en robotique se sont attachés à la résolution du problème posé par lexistence de ce mouvement cardiaque résiduel. Lapproche classique proposée dans la littérature est un schéma de téléopération. Un robot esclave porteur des instruments chirur gicaux et dun système de vision est asservi en temps réel pour suivre de façon synchrone le mouvementrésiduelducoeur.Lesinstrumentsgardentainsiunepostureconstanteaveclazone à opérer, et une image dun coeur virtuellement stable est fournie au chirurgien. Ce dernier utilise une console maître afin de réaliser les gestes utiles de chirurgie sans se soucier des mou vements résiduels. Le robot esclave doit réaliser les gestes transférés depuis la console en plus 7 Introduction de la compensation du déplacement résiduel du coeur. Lapproche décrite ci dessus, qui donne de bons résultats expérimentaux, peut savérer dan gereuse. En effet, un robot médical fournissant les accélérations nécessaires à la compensa tion des mouvements cardiaques peut représenter un danger pour son environnement. De plus, la conception dun système esclave compatible avec une approche de pontage totalement en doscopique, et capable de compenser le mouvement résiduel, constitue encore un défi tech nologique. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une solution alternative qui consiste à réaliser une "stabilisation active" de la zone opérée du coeur. Il sagit de combiner lusage dun stabilisa teur cardiaque robotisé avec lobtention dune mesure extéroceptive des mouvements résiduels pour annuler en temps réel tout défaut de stabilisation. Ainsi, la zone dintérêt sur le coeur est stable par rapport à la table dopération. La suture peut alors être réalisée par un robot dédié qui est soit commandé de façon automatique, soit télémanipulé. Comme un stabilisateur cardiaque robotisé est utilisé au contact du cœur, il convient dans un premier temps de caractériser linteraction entre un stabilisateur et le muscle cardiaque. Ceci nous permet, dans un deuxième temps, de proposer des architectures mécaniques perti nentes pourla réalisationdunstabilisateurcardiaqueactif.Ilsagit,enfin, délaborerdesloisde commande performantes qui permettent un rejet efficace de la perturbation que constituent les efforts appliqués par le cœur. Le manuscrit est ainsi logiquement organisé selon cette structure, et composé de quatre chapitres : État de lart et contributions : Dans ce chapitre, il sagit tout dabord de rappeler les pro priétés anatomiques du cœur, les pathologies laffectant, et de souligner limportance des cas dischémie du cœur. Nous présentons dans second temps les techniques de ravascularisation du myocarde pour mettre en avant lintérêt du pontage coronarien à cœur battant. Ceci permet de mettreenexerguelesfaiblesperformancesdesdispositifsdestabilisationactuels.Unétatdelart des approches de compensation robotisée du mouvement cardiaque nous permet finalement de situer notre approche et mettre en avant les contributions de ce travail. Analyse et prédiction du comportement cardiaque : Dans ce chapitre, nous nous atta chons, à travers plusieurs expérimentations in vivo, à réunir tous les éléments caractérisant lin teraction entre le muscle cardiaque et un stabilisateur. Ces informations sont nécessaires au di mensionnement dun dispositif de stabilisation robotisé et à sa commande. Nous analysons tout dabordletorseurdactionmécaniqueducœurentermesdamplitudeetdecontenufréquentiel. Ces données sont indispensables à la phase de conception dun stabilisateur actif. Le dispositif ayantvocationàêtreutiliséaucontactducœur,soncomportementdynamiqueestaltéréparles propriétés mécaniques du myocarde. Le deuxième volet du chapitre est donc consacré à liden tification dun modèle viscoélastique du muscle cardiaque. Le modèle obtenu nous fournit des élémentsprécieuxpourlanalysederobustessedesloisdecommandequenousélaboronsparla suite. Après avoir souligné lapport de la commande prédictive dans le contexte de la chirurgie car diaque, nous réalisons ensuite un état de lart des approches de prédiction du mouvement car diaque. Nous prenons le temps de décrire ces méthodes en détail et de confronter leurs perfor mances en utilisant des données recueillies in vivo. Nous proposons une méthode de prédiction originale et qui se montre performante en comparaison des approches existantes. 8