Chapitre 2 Etat de l`Art - l`endoscopie industrielle, la Robotique

Transcription

Etat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la Robotique Chirurgicale, la Coloscopie
Partie 2
Etat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la
Robotique Chirurgicale, la Coloscopie
Guillaume Thomann
Thèse en Robotique Chirurgicale / 2003
Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
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2
PARTIE 2 ETAT DE L'ART - L'ENDOSCOPIE INDUSTRIELLE, LA ROBOTIQUE
CHIRURGICALE, LA COLOSCOPIE............................................................................................................ 38
2
ETAT DE L'ART .......................................................................................................................................... 40
2.1
Introduction....................................................................................................................................... 40
2.2
L'endoscopie industrielle................................................................................................................... 41
2.2.1
2.2.2.
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.4
La partie locomotion autonome ..................................................................................................................... 42
La tête pliable de l'endoscope .................................................................................................................... 46
Conclusion ..................................................................................................................................................... 51
La robotique chirurgicale ................................................................................................................. 51
Introduction.................................................................................................................................................... 51
Chirurgie Minimalement Invasive ................................................................................................................. 52
Chirurgie Assistée par Ordinateur.................................................................................................................. 53
Validation médicale ....................................................................................................................................... 54
Conclusion ..................................................................................................................................................... 55
L’endoscopie médicale et la coloscopie ............................................................................................ 55
2.4.1 L'endoscopie médicale ................................................................................................................................... 56
2.4.2 La coloscopie ................................................................................................................................................. 57
2.4.2.1
La partie locomotion autonome............................................................................................................. 57
2.4.2.2
La tête flexible de l'endoscope .............................................................................................................. 61
2.4.3 Conclusion ..................................................................................................................................................... 68
2.5
Conclusion ........................................................................................................................................ 68
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2
Etat de l'Art
2.1
Introduction
De tout temps, les hommes ont cherché à inventer, à innover, à découvrir. Il y a notamment
l'infiniment grand, l'espace, les planètes, les systèmes solaires. Mais à l'inverse, l'infiniment
petit est aussi objet de découvertes, source de surprises. Les explorations d'endroits
inaccessibles, qu'ils soient microscopiques ou macroscopiques sont toujours sources de
motivation.
L’endoscopie permet, dans certaines circonstances, de pallier ces besoins de
découvertes. Le mot "endoscopie" provient de deux mots grecs : endon (dedans) et skopein (la
vue). La tâche d'endoscopie consiste donc à parcourir l'intérieur d'un objet afin de réaliser tout
d'abord des fonctions de perception (vision, mesures chimiques, température, …), mais aussi
d'intervention (nettoyage, dépôt, ablation, … ). Ce terme est généralement utilisé en médecine
peu invasive pour soigner les parties internes du corps humain comme l'estomac, le cœur, le
cerveau ou les vaisseaux eux-mêmes.
Par définition, un endoscope chirurgical permet d’observer l'intérieur d’un organe du
corps humain. Il est évidemment nécessaire de fournir un éclairage et des moyens de vision. La
phase d'intervention est assurée par un cathéter qui peut être creux. Lorsqu'une inspection se fait
dans des vaisseaux tortueux de l'ordre du millimètre, on parle de fibroscopie.
Dans un premier temps, nous nous focaliserons sur l'endoscopie industrielle.
Effectivement, la recherche de nombreux exemples permettent de couvrir un large panorama, de
réalisations et d’applications, qui peuvent être utiles à la conception d’un nouveau coloscope.
Différents aspects seront abordés : après un rapide rappel sur les actionneurs et microactionneurs, nous détaillerons l'état des recherches concernant la locomotion autonome. Nous
expliquerons ensuite l'évolution de cette simple locomotion par l'apparition de structures
pouvant progresser dans des tubes non-rectilignes.
La Robotique chirurgicale sera ensuite détaillée et vue sous différents aspects :
principalement la Chirurgie Minimalement Invasive et la Chirurgie Assistée par Ordinateur (une
partie de l'étude se trouvant en ANNEXE 2).
Pour finir, une partie détaillée sur la coloscopie, donnera l’état des différentes
recherches effectuées dans le monde et nous aidera à nous situer par rapport à elles.
Nous détaillerons, dans les paragraphes suivants, les principales
stratégies de locomotion et d'inclinaison de la tête d’un endoscope et
nous conclurons par une réflexion menée sur l'intérêt et l'apport de ces
stratégies en Coloscopie.
Guillaume Thomann
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2.2
L'endoscopie industrielle
"L'inspection d'une cavité à l'aide d'un endoscope". C'est par cette définition simple, qui nous
ouvre de nombreuses perspectives, que nous allons aborder le monde de l'endoscopie
industrielle.
En général, l'endoscope est poussé dans un tuyau ou une cavité par une source
mécanique externe. De temps en temps, les tubes ne sont pas rectilignes ou une direction est à
choisir lors d'une bifurcation. Dans ces cas-là, l'endoscope doit être capable de se déformer, soit
pour épouser la forme du tube, soit pour choisir une direction.
Lorsque nous établissons un état des recherches actuelles, nous remarquons souvent
une distinction entre la partie locomotion et la partie inclinaison de l'endoscope.
Pour pouvoir créer un mouvement de locomotion, comme d'ailleurs un mouvement
d'inclinaison, il faut utiliser des actionneurs qui vont créer le mouvement souhaité. Un
actionneur a donc pour rôle d'agir sur un processus à partir d'ordres émis par un système
d'information.
A échelle réduite, notamment en endoscopie, des besoins de développement de microactionneurs contournent le problème de la miniaturisation. Dans [DARIO 92], il est indiqué que,
face à la difficulté de minimiser la taille des moteurs classiques, d’autres types d'actionneurs
sont apparus soulignant pour chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Face à la diversité
de ces actionneurs, la solution la plus ingénieuse est de choisir un actionneur approprié, c’est-àdire ayant des performances en accord avec l’application spécifique à réaliser.
[BOURJAULT 02] propose une classification simplifiée des principes de microactionnement utilisables en micro-robotique. Quatre types d'énergie sont alors proposés :
électromagnétique, thermique, fluidique et chimique. Nous n'allons pas ici détailler tous ces
micro-actionneurs, mais uniquement aborder deux types qui sont les plus utilisés en milieu
endoscopique : les actionneurs fluidiques, les actionneurs thermiques et plus précisément ceux à
Alliage à Mémoire de Forme (AMF).
[AROUS 95] propose une classification des actionneurs fluidiques, effectuée en
considérant le type du système et le principe physique utilisé. Il explique que la miniaturisation
des systèmes a poussé à créer ce type d'actionneurs. Nous retrouvons dans une des catégories
proposées, les micro-actionneurs de type muscle, qui sont les plus adaptés pour des applications
d'endoscopie (nous allons y revenir dans le paragraphe 3.3, page 82). Ce type d'actionneur en
caoutchouc est flexible et peut, entre autres, changer de volume et se contracter en longueur.
Les actionneurs à AMF sont des actionneurs thermiques, qui subissent une
transformation de phase solide/solide pour se déformer. Ces actionneurs s'éduquent au cours de
la fabrication ; il est possible de choisir les formes initiales et déformées de la structure ainsi
que son seuil thermique de changement de phase. Ces caractéristiques ne sont pas aisément
ajustables. Les AMF engendrent de grands déplacements et retrouvent, après refroidissement,
leur forme initiale. Ils présentent d’importants défauts d’hystérésis. Ils sont souvent utilisés
pour les applications d'endoscopie, que ce soit en locomotion autonome ou pour l'inclinaison de
l'outil.
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2.2.1
La partie locomotion autonome
Dans un premier temps, nous nous concentrons donc uniquement sur la partie locomotion. Lors
d'inspection, ce sont souvent les endroits éloignés des orifices d'ouverture et difficiles d'accès
qui ont besoin d'être examinés et vérifiés. C'est pour cela que des moyens de locomotion
autonome ont été mis en œuvre dans l'industrie.
La locomotion autonome consiste en un mouvement de l'endoscope sans aide
extérieure. L'outil progresse donc par ses propres moyens à l'intérieur de la cavité ou du tuyau.
Pour un tuyau dont les dimensions sont assez réduites, un moyen parmi d'autres est le plus
utilisé : le déplacement du ver, locomotion peristaltique ou de type "Inch-Worm". Ce type
d’avance nécessite au moins trois sections distinctes qui assurent chacune une fonction précise
soit d’élongation, soit de blocage. Les deux modules de blocage, qui assurent le maintien du
corps dans le tube, sont séparés par le module d’élongation, qui réalise le pas.
Une étude du Laboratoire d’Automatique Industrielle de l’INSA de Lyon
[ANTHIERENS 99] basée sur la conception d'un micro-robot à actionneurs électropneumatiques, s'intéresse à l'inspection de tuyaux générateurs de vapeur en centrale nucléaire.
Le micro-robot (figure 2.1) conçu, se déplace dans des tubes verticaux de 17 mm de diamètre et
pouvant mesurer plusieurs mètre de long. Ici, la locomotion péristaltique est utilisée grâce à
deux modules de blocage sur parois et le module d'allongement. La fonction d’élongation est
réalisée par des soufflets métalliques, dont nous donnons les propriétés dans le chapitre suivant.
Ce robot est capable de transporter une charge supérieure à 1 kg à l'intérieur d'un tube réel de
centrale nucléaire. Sa précision de positionnement sur une course de 90 mm est inférieure à 60
µm. Ce robot est donc capable d'arriver rapidement à une position donnée pour l'inspecter
précisément. Par contre, l’alimentation électro-pneumatique impose des fils d’alimentation
électrique et également des tuyaux pour transporter le fluide sous pression.
L'énergie fluidique, plus particulièrement pneumatique, est aussi utilisée pour le robot
[SUZUMORI 96] développé par l'équipe de Recherche et développement de Toshiba au Japon.
Il est constitué de 24 pattes réalisées en micro-actionneurs flexibles (Flexibles Micro Actuator
ou FMA) et se déplace dans des tubes de 15 cm de diamètre (figure 2.2). Les pattes de 16 mm
de diamètre et de 60 mm de long (définies dans le paragraphe 2.2.2, page 50) sont alimentées
sous 3.5 bars et permettent au robot d'évoluer à 40 mm.s-1 à l'horizontal. Dans un tube vertical,
le robot peut emporter une charge de 160 g.
Figure 2.1. Photo du robot de
[ANTHIERENS 99]
Guillaume Thomann
Figure 2.2. Photo du robot à 24 pattes en
FMA de [SUZUMORI 96]
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Un autre robot de Toshiba peut, lui aussi inspecter des tuyaux industriels [TOSHIBA
97]. En effet, grâce à ses roues placées en opposition autour du corps, ce mini-robot roule dans
des tuyaux de 23 mm de diamètre (figure 2.3). Il est également équipé d'une micro-caméra qui
observe l'environnement dans lequel il se déplace et d'une pince qui lui permet de dégager le
tube des objets pouvant l'obstruer. Le mouvement d'avance est fourni par des micro-moteurs
électriques, ce qui impose des fils d'alimentation. Il mesure 11 cm de long et semble être étudié
pour la locomotion en tube faiblement incliné.
Figure 2.3. Photo du robot d'inspection Toshiba
Les trois robots présentés ci-dessus ont chacun leurs avantages et inconvénients. Leur
inconvénient majeur est sans doute le fait qu'ils ne peuvent pas prendre de virages lors de
l'inspection du tube.
[IWASHINA 94] et [HAYASHI 95], du Tokyo Institue of Technology, Faculty of
Engineering, ont conçu un système à roues pour progresser dans un tube en créant une
trajectoire de roulement hélicoïdale. Le module d'avance fonctionne dans des tubes de 20 mm
de diamètre. Il est composé de 2 plateaux de 3 roues, placées à 120° autour de l'axe du tube
(figure 2.4). Ces roues sont plaquées, par des pattes, sur les parois du tube. Lors de la rotation
du système, les roues, qui ont un angle d'hélice, engendrent une trajectoire hélicoïdale. Ainsi,
l'ensemble progresse longitudinalement dans un tube. L'énergie mécanique de rotation est
fournie par un câble flexible depuis un moteur externe au tube. Ce système peut avancer dans
des tubes cintrés avec un rayon de courbure de 200 mm. Le poids de la charge transportable est
de 650 grammes et sa vitesse atteint 34 mm.s-1 .
Figure 2.4. Module de roulement hélicoïdal
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Le Precision and Intelligence Laboratoire, Tokyo Institute of Technology a conçu un
robot pour des tubes de 25 mm de diamètre [YOSHIDA 96]. Il fonctionne suivant le mouvement
"Inch-worm" et utilise des actionneurs à base de soufflets métalliques Les deux modules de
blocage prennent appui sur les parois en écartant une bague fendue par l'intermédiaire d'un
soufflet. L'actionneur principal est composé lui de deux soufflets métalliques de 8 mm de
diamètre et d'un système de poulies (figure 2.5). Lorsqu'un seul soufflet est sous pression, la
structure s'allonge et fléchi d'un coté. Lorsque les deux sont commandé simultanément,
l'ensemble s'allonge et crée un pas. Il réalise des pas de 2 mm en portant des charges de 30
grammes. Il est capable de franchir des bifurcations en T en 31 cycles et en Y en 20 cycles, le
cycle correspondant à la commande d’un actionneur.
Figure 2.5. Schémas du robot "Inch-worm" à soufflets et à poulies
Des robots, utilisant des actionneurs à AMF, ont aussi été imaginés. C'est le cas du
robot serpent [LIBERSA 98] du Laboratoire de Mécanique des Solides de l'Université de
Poitiers. Ce robot possède 5 modules identiques ayant chacun deux états stables. Ces modules
sont de forme carrée et possèdent des cotés flexibles qui s'articulent en liaison pivot autour de
chaque coin. Les cotés opposés fléchissent deux par deux vers l'intérieur ou l'extérieur (figure
2.6). La déformation s'effectue par l'intermédiaire de fils en AMF, qui relient les cotés opposés
en leur milieu et engendrent ainsi le flambage de la structure. La méthode de chauffage utilisée
est l'effet Joule (méthode directe) et la commande s'effectue en tout ou rien. L'arrêt du
chauffage permet un refroidissement passif par convection naturelle, mais celui-ci est lent par
rapport au chauffage.
Conçu en forme de train, chaque module est capable de prendre appui sur les parois ou
de s'allonger pour fournir ainsi un mouvement d'avance. Sur les 5 éléments, à chaque instant,
deux d'entre eux sont dédiés au maintien sur le tube. L'excitation successive des modules
suivant une onde, crée un mouvement d'avance en sens opposé (figure 2.6). L'avantage de cette
structure est qu'il utilise une seule structure mécanique pour réaliser les fonctions d'accroche au
tube et d'avance. De plus, les AMF travaillent en opposition et réduisent donc leur temps de
réponse car l'un constitue le rappel de l'autre. Enfin, l'ensemble est facilement miniaturisable,
cependant, il reste encore délicat de trouver un matériau de raideur adéquate en faibles
dimensions pour constituer les poutres de flexion. Mais ce robot peut être capable de prendre de
faibles rayons de courbure.
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Figure 2.6. Schéma du module à deux états stables [LIBERSA 98] et de la séquence d'avance du
robot
De même que le robot [ANTHIERENS 99] présenté figure 2.1, le robot proposé par
[TOUAIBIA 98], du Laboratoire d'Automatique de Besançon, fonctionne lui aussi avec un
mouvement de type "Inch-Worm". Ce qui impose la présence de 3 modules, dont deux dédiés au
support du robot tandis que le troisième assure l'écart ou le rapprochement des appuis, créant
ainsi le pas d'avance. L'actionneur central est ici un ressort en AMF qui s'oppose à un ressort
passif qui a pour rôle de réduire le temps de réponse au refroidissement. Les modules de
blocage disposent de trois pattes actionnées également par AMF et d’un ressort de rappel (figure
2.7). La commande de ces actionneurs se fait par chauffage direct. L'objectif de ce robot est de
progresser dans des canalisations de 10 mm de diamètre.
pieds
Ressorts en FMA
Figure 2.7. Schéma
du robot actionné
par AMF et de sa
séquence d'avance
"Inch-Worm"
Ressort passif
Fils en FMA
Le but de la coloscopie étant d'explorer le gros intestin, il serait tout à fait possible
d'envisager utiliser un des moyens de locomotion cités ci-dessus pour faire progresser l'outil.
Par contre, le côlon étant souple, tortueux, visqueux, il faudrait adapter les systèmes d'accroche
du robot et le rendre très flexible.
Transposition possible en Coloscopie ?
Nous avons décidé, en accord avec les chirurgiens et autres spécialistes,
d’éviter tout contact avec les parois intestinales. C’est pour cela que nous
ne voulons pas utiliser de moyens de locomotion autonome. Nous allons
uniquement automatiser la tête de l'endoscope. Par contre, les AMF sont
adaptatifs à des applications médico-chirurgicales.
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Nous avons ici évoqué quelques robots autonomes qui peuvent progresser à distance
dans des canalisations de différentes tailles. Certains peuvent prendre des bifurcations, d'autres
avancer dans des tuyaux qui ont des rayons de courbure plus ou moins importants et d'autres
enfin suivent simplement un conduit rectiligne. Ils ont tous leurs performances propres : la
vitesse d'avance, la charge à emporter, le rayon de courbure plus ou moins important à prendre.
Mais dans beaucoup d'environnements de plus en plus variés à explorer, des courbures
importantes ou des bifurcations sont à prendre en compte pendant la progression de l'endoscope.
Pour évoluer dans ces environnements complexes, d'autres idées apparaissent.
2.2.2. La tête pliable de l'endoscope
Nous voyons apparaître des développements de structures dédiés à l'inclinaison de la tête de
l'endoscope. La poussée de l'endoscope est généralement manuelle, bien que des structures
permettent une combinaison inclinaison/progression.
Un premier exemple de mouvement de flexion s'inspire directement des animaux
annélides [CHOI 02], de l'Université de Sungkyunkwan en Corée. A la base du processus, trois
électrodes placées judicieusement autour d'un élastomère diélectrique constituent un actionneur
appelé ANTLA. Ce sont les combinaisons des tensions envoyées à ces électrodes, qui
fournissent les degrés de mobilité de l'actionneur. Chaque segment en anneau (figure 2.8),
composé de trois actionneurs ANTLA, est ainsi capable d’engendrer des mouvements
d'inclinaison et d'allongement (figure 2.9).
Figure 2.9. Schéma montrant les
mouvements possibles d'un anneau
Figure 2.8. Photo d'un segment en anneau
Figure 2.10. Photo des mouvements
d'inclinaison du robot de [CHOI 02]
Guillaume Thomann
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Enfin, la figure 2.10 montre les faibles amplitudes des inclinaisons obtenues avec ce
robot. Sa hauteur est de 65 mm, son diamètre de 30 mm, mais sa particularité est d’être creux
(22 mm de diamètre). Il est ainsi possible d'imaginer que ce robot puisse être équipé de
nombreux autres outils, capteurs ou actionneurs.
La tête d'endoscope active développée au Fondamental Research Departement,
Mitsubishi Cables Industries est actionnée par des AMF [MAEDA 96]. La section pliable de cet
endoscope mesure 30 mm de long et est recouverte d'un tube de polyuréthanne de 2 mm de
diamètre extérieur. Les actionneurs sont deux ressorts en AMF dont les extrémités sont
solidaires d'un anneau mobile en translation autour de l'endoscope. Un fil de traction relie
l'extrémité de la tête de l'endoscope à cet anneau (figure 2.11). Ainsi, lors du chauffage d'un
ressort, l'anneau de déplace entraînant la courbure de la tête de l'endoscope. Un déplacement de
3 mm de l'anneau provoque une courbure de 60°de la tête. Sur ce principe, un angle assez
important de rotation est obtenu, mais avec un seul degré de mobilité.
Toujours en utilisant des AMF, un bras polyarticulé actionné par deux plaques, est
proposé par société Olympus à Tokyo [ARAMAKI 95]. Le corps d'1 mm de diamètre est équipé
d'une plaque en AMF, posée sur le dessus et divisée en 3 secteurs et d'une autre, divisée en 2
portions, qui assure le fléchissement latéral (figure 2.12).
Figure 2.11. Schéma de l'actionneur en
AMF du robot de [MAEDA 96]
Figure 2.12. Schéma de l'endoscope
actionné par AMF de [ARAMAKI 95]
Les sollicitations indépendantes des différentes parties des plaques procurent des
déplacements variés en 3 dimensions. Ce bras de 80 mm de long rencontre des problèmes de
précision de positionnement à son extrémité. En effet, le chauffage indirect des AMF est à
l'origine de dispersions thermiques non négligeables qui, en plus de diminuer le rendement
énergétique, interfèrent sur les différentes parties d'actionneurs normalement non-excitées. De
plus, comme tous les AMF, les temps de réponse s'avèrent relativement longs.
Guillaume Thomann
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Sur le même principe de fonctionnement que la tête d'endoscope précédente, celle
proposée par le Yamagata Recherche Institute of Technologique (Japon) [MINETA 01] utilise
trois actionneurs à AMF disposés à 120° sur la périphérie d'un ressort qui joue le rôle de corps
central (figure 2.13). Ces actionneurs ont une forme en "S" et ont donc un plus grand pouvoir
d'extension (jusqu'à 40 % de la longueur initiale). Chaque actionneur est bien entendu connecté
individuellement au ressort central, ce qui procure un mouvement en trois dimensions à
l'ensemble du système. La longueur du cathéter actif est de 12.4 mm et son diamètre extérieur
de 0.9 mm. Il commence à se courber à partir d'un courant de 40 mA, arrive à un angle
maximum de 50° à 60 mA pour un rayon de courbure de 8 mm. Les temps de réponse en
chauffage et refroidissement sont identiques (car les actionneurs sont placés à 120° les uns des
autres) et sont de l'ordre de 0.5 seconde.
Un autre endoscope articulé et actionné par des alliages à mémoire de forme a été
développé à l'Université de Tohoku à Sendaï (Japon) en collaboration avec Mistubishi. Cet outil
permet d'inspecter des tubes de diamètre supérieur à 3 mm (figure 2.14) [LIM 96]. Il est
composé de 4 modules identiques, de 6 mm de longueur, encapsulés dans une gaine de 2.8 mm
de diamètre. Chaque module micro-usiné est constitué d'un corps rigide et d'une articulation
souple qui lui permet de s'orienter par rapport au précédent. L'alimentation indépendante des
alliages permet l'orientation des modules entre eux suivant 3 directions avec des amplitudes
atteignant 32°.
Figure 2.13. Photo de l'endoscope actionné par AMF de
[MINETA 01]
Figure 2.14. Schéma de l'endoscope à AMF de [LIM 96]
Un projet, plus complet, d'endoscopie industrielle est présentée par [FERREIRA 02],
du Laboratoire Vision et Robotique de Bourges. L'outil multi-fonctionnel décrit ici, est une tête
miniature, orientable par deux actionneurs en AMF. Deux ressorts de rappel et une tige rigide
permettent aux AMF (placés à 90° l'un de l'autre), de commander la tête de l'endoscope dans
toutes les directions. Elle intègre différents instruments d'expertise (une micro-caméra, un
capteur ultrasonore), d'intervention et de localisation (capteurs de contact, micro-antennes
magnétiques)(figure 2.15).
L'outil mesure 25 mm de diamètre et la tête a une orientation maximale de ± 60°, avec
une résolution angulaire de 0.2°.
Guillaume Thomann
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Un joystick permet de manœuvrer avec précision l'insertion de l'endoscope à l'intérieur
du tuyau (une locomotion autonome est en cours d'investigation). Les mouvements de la microcaméra sont contrôlés par un traqueur magnétique de type FoB (Flock of Bird), relié à des
lunettes stéréoscopiques montées sur la tête de l'opérateur.
Les AMF sont donc très prisés pour réaliser, par exemple, des mouvements
d'orientation de la tête d'un endoscope. Les temps de réaction élevés lors du refroidissement
sont leur principal handicap, en particulier en atmosphère confinée, mais des techniques
diverses (ressort de rappel mis en opposition, …) peuvent le diminuer.
Par contre, les AMF peuvent engendrer des amplitudes très importantes suivant leur
utilisation et leur fabrication.
Cependant, d'autres types d’actionneurs sont également utilisés pour obtenir des
mouvements de flexion de l'endoscope, en particulier les actionneurs fluidiques que nous
abordons maintenant.
Figure 2.15. Représentation du Micro-Endoscope de [FERREIRA 02]
Le robot mobile de [FUKUDA 89], du Science University of Tokyo, Department of
Mechanical Engineering, présente les avantages de pouvoir progresser et s'orienter dans un
tuyau de seulement 50 mm de diamètre intérieur. Un alliage de métal, capable d'absorber de
l'hydrogène par changement de température, est utilisé ici. Ce système, réversible, permet de
faire varier le volume de gaz embarqué, pour fournir au mécanisme l'énergie nécessaire pour se
mouvoir. Ce robot, constitué de 12 actionneurs de type muscle en caoutchouc entouré de Nylon,
progresse avec un mouvement de type "Inch-Worm". Les quatre actionneurs d'allongement
mesurent 70 mm de long et les huit actionneurs de contact font 35 mm de long. Le robot est
capable de s'adapter à des changements de diamètre et de prendre des bifurcations de type L et
T (figure 2.16).
Guillaume Thomann
49
configuration
initiale
mouvement
d'accroche
inclinaison
Figure 2.16. Schéma des différentes configurations possibles du robot de [FUKUDA
89] et sa photo
Nous pouvons faire état également de l'actionneur fluidique de [SUZUMORI 91]
[SUZUMORI 92]. Il a été développé par le Centre de Recherche et Développement de Toshiba
en collaboration avec le Département de Mécanique de l'Ingénieur de l'Université Nationale de
Yokohama (Japon). Ce micro-actionneur flexible est commandé électropneumatiquement. Il
présente trois degrés de liberté qui sont à peu près comparables aux mouvements que peut
réaliser un doigt. La structure de cet actionneur est montrée figure 2.17. Il est fait de caoutchouc
renforcé de fibres sur sa périphérie, ce qui limite fortement les déformations radiales. Trois
chambres internes contrôlées indépendamment permettent à cet actionneur de réaliser le
mouvement décrit plus haut. Ainsi, lorsque les pressions dans les trois chambres augmentent
simultanément, l'actionneur s'allonge. Et lorsqu'une pression augmente dans une chambre,
l'actionneur se plie dans le sens opposé.
Figure 2.17. Schéma des différents éléments constitutifs du robot à trois chambres de
[SUZUMORI]
La conception de notre outil de coloscopie impose une grande flexibilité
mécanique. Nous allons donc nous inspirer de ces exemples pour
concevoir la partie distale du coloscope permettant une inclinaison
importante et un temps de réponse faible.
Guillaume Thomann
50
2.2.3
Conclusion
Nous avons présenté dans cette première partie des exemples de robots endoscopiques capables
de se mouvoir par leur propre moyen et d'autres capables de se plier pour prendre des
bifurcations ou des virages.
Beaucoup de robots utilisent le moyen de locomotion péirstaltique pour progresser
dans un tuyau, mais d'autres progressent en roulant sur les parois. Ce sont les principes et donc
les techniques d'alimentation qui diffèrent d'un robot à l'autre. L'énergie fluidique, thermique ou
encore une combinaison des deux procurent des caractéristiques différentes et adaptées à chaque
exploration.
Des robots capables de s'adapter à des rayons de courbure, ou conçus pour prendre des
bifurcations sont aussi présentés. Ici aussi, les moyens d'alimentation, comme les techniques de
conception, diffèrent d'un robot à l'autre.
Mais finalement, nous réalisons que les alliages à mémoire de forme ou les actionneurs
fluidiques sont les plus souvent utilisés en endoscopie industrielle.
2.3
La robotique chirurgicale
2.3.1
Introduction
Depuis les quinze dernières années, les robots ont fait leur apparition dans les salles d'opération.
Les technologies de Robotique sont maintenant régulièrement utilisées dans des buts
d'endoscopie en Chirurgie Minimalement Invasive (plus communément appelé Minimaly
Invasive Surgery ou MIS), qui regroupe, par exemple, la chirurgie orthopédique ou le guidage
des instruments vers des tumeurs en neurochirurgie.
Pour comprendre les avantages de l'utilisation d'un robot en chirurgie, [HOWE 99]
considère les différentes caractéristiques entre l'homme et la machine.
Une différence-clé est la précision et l'exactitude, ou plus généralement l'habileté à
utiliser une quantité importante et détaillée d'informations : une utilisation combinée d'images
3D d'une base de données, et de capteurs intra-chirurgicaux par exemple, permet aux robots de
guider avec précision les instruments chirurgicaux dans les organes du patient.
Une autre différence importante est la conception de structures spéciales. Elles
permettent aux robots de travailler par des incisions plus petites que celles qui seraient utiles
pour des mains humaines, mais peuvent également travailler à de petites échelles ... où les
mains de l’homme arrivent à leurs limites !
Les humains sont cependant supérieurs lors d'intégrations de diverses sources
d'information, d'utilisation d'informations qualitatives et de prises de décisions. Ils ont une
bonne coordination yeux-mains et un sens développé du toucher.
Une définition du mot "robot" a été proposée dans [GUITTET 88] : "Un robot est un
appareil automatique adaptable à un environnement complexe, remplaçant ou prolongeant une
ou plusieurs fonctions de l'homme agissant sur son environnement". Cette définition laisse
Guillaume Thomann
51
entrevoir deux types de machines assez fondamentalement différentes dans leurs rapports avec
l'homme : les machines de substitution et les machines de coopération.
Les machines de substitution opèrent seules après avoir été programmées par l'homme
et les machines de coopération opèrent sous le contrôle direct de l'homme. En fait, dans l'état
actuel des techniques, c'est le plus souvent la fonction de prolongation des fonctions de l'homme
qui est en jeu. Le remplacement de l'homme n'est total que dans certains cas isolés.
Ainsi, les systèmes robotiques chirurgicaux sont mieux décrits comme "une extension
des capacités humaines" que comme "les remplaçants des chirurgiens".
Finalement, avant d'aborder la robotique chirurgicale, nous pouvons citer trois cas pour
lesquels les recherches effectuées relèvent vraiment de la Robotique :
- la microchirurgie, où l'appareillage de micro-manipulation peut être beaucoup plus
précis que celui manié directement par le chirurgien.
- l'endochirurgie, qui permet des opérations in situ grâce à une miniaturisation du
manipulateur et à sa commande à distance,
- la téléchirurgie, où le praticien exerce son art à une très grande distance, par
exemple depuis son cabinet à terre, pour opérer un patient à bord d'un bateau en
mer.
L'apport de nouvelles technologies dans le milieu chirurgical permet donc d'augmenter
l'aisance du geste du chirurgien notamment grâce aux "robot d'assistance". L'efficacité et la
sécurité de l'acte sont améliorées et de nouvelles stratégies opératoires apparaissent.
2.3.2
Chirurgie Minimalement Invasive
Dans les dernières années, beaucoup de procédures chirurgicales ont évolué pour être
compatibles avec les Chirurgies Minimalement Invasives.
La chirurgie traditionnelle requiert une incision assez grande pour que le chirurgien
puisse observer et placer directement ses outils ou ses doigts sur les organes à opérer. Ainsi, des
dégâts sont souvent faits à la peau, aux muscles, aux os et aux autres tissus à traverser pour
rechercher la région malade du patient. Les résultats des préjudices causés au patient sont un
long séjour à passer à l'hôpital et des complications possibles dues au traumatisme chirurgical.
Actuellement, la tendance est à l'orientation des procédures chirurgicales vers la MIS,
ce qui implique un traumatisme limité au patient, soit en réduisant la taille de l'incision à
environ 1cm, soit en utilisant des cathéters ou endoscopes à travers des vaisseaux sanguins, les
conduits intestinaux, ou toutes autres structures tubulaires.
La MIS consiste donc à atteindre et à intervenir sur la partie malade du patient en
inffligeant le minimum de traumatisme aux organes environnants. Ainsi, les risques postopératoires et les risques d'infection sont réduits et le patient peut retrouver une activité normale
très tôt après l'intervention chirurgicale.
Les différentes méthodes d'intervention que nous allons décrire maintenant sont en
accord avec la MIS, qui est devenue un maître-mot dans le domaine de l'intervention
chirurgicale.
Guillaume Thomann
52
La Chirurgie Minimalement Invasive est incontournable dans notre cas.
Le prototype que nous voulons concevoir est destiné à réduire au
minimum les douleurs infligées au patient et également la période de
convalescence à l'hôpital.
2.3.3
Chirurgie Assistée par Ordinateur
Il faut savoir qu'une intervention médicale est toujours compliquée et peut nécessiter de
nombreuses activités pré et post-opératoires. Comme l'exécution d'une opération est maintenant
une succession d'activités standard, il est nécessaire que ces activités soient regroupées
ensemble sur des interfaces communes, par des moyens de communication de haute
performance, d'où l'utilisation d'un ordinateur très perfectionné.
Ainsi, pour réaliser une intervention chirurgicale, nous pouvons séparer les tâches
comme suit :
- l'acquisition de données pour pouvoir poser un diagnostic et récupérer des images
donnant les caractéristiques de ce mal,
- la reconstruction et l'enregistrement des images qui consistent, par l'intermédiaire
d'algorithmes connus, à reformer l'image 3D d'une portion du malade contenant
avec précision la position du mal, sa forme et toutes les autres caractéristiques,
- la planification opératoire : le chirurgien, à partir des données obtenues, peut
décider de la trajectoire à effectuer avec le robot lors de la future intervention. Il
peut réfléchir à différentes trajectoires, par exemple celle qui infligera le moins de
traumatismes au patient et donc, entre autres, une convalescence plus courte.
Nous voyons donc que la chirurgie n'est plus simplement un maniement d'outils
chirurgicaux, dans le corps du patient. Elle devient très souvent, avec l'aide d'outils
informatiques, plus préventive et plus sûre.
La Chirurgie Assistée par Ordinateur n'est pas tout à fait découplée de la TéléManipulation, se pratiquant sur une console à distance de la table d'opération, ou de la Réalité
Virtuelle, qui fait appel à des images stockées en mémoire d'un ordinateur. Elle est au contraire
une utilisation possible de ces technologies.
L'ordinateur devient incontournable dès que l'on introduit, dans la salle
d'opération, des aspects calculatoires, et avec stockage d'informations.
Nous devrons donc certainement assister le chirurgien d'un ordinateur
lors des futures opérations de coloscopie.
Guillaume Thomann
53
Nous avons présenté ci-dessus, des exemples de techniques chirurgicales et leur
transposition éventuelle en coloscopie. Certaines sont compatibles avec les modifications que
nous voulons apporter à l'utilisation des coloscopes actuels, d'autres sont trop spécifiques par
rapport aux idées retenues dans le cahier des charges du premier chapitre.
2.3.4
Validation médicale
Une fois les recherches "terminées", validées en laboratoire, une longue période de validation
médicale est encore à satisfaire.
Nous avons vu ci-dessus que la robotique chirurgicale est un domaine très actif de la
recherche depuis les dix à vingt dernières années ; et les innovations continuent à affluer. Dans
ce dernier paragraphe, nous nous proposons d’expliquer les principaux problèmes que rencontre
la recherche et aussi les principales contraintes d'acceptations médicales.
Il y a sans conteste l'apport de la précision, de la stabilité de mouvement et de la
dextérité. Mais vu le développement rapide de la robotique médicale, les robots n'ont pas été
optimisés pour effectuer des tâches spécifiques de chirurgie. Il y a eu une dérive de la robotique
industrielle dont la fonction principale était la répétabilité et non pas la précision en position
plus importante en chirurgie.
Le chirurgien opérant en télé-opération par l'intermédiaire d'un robot, même avec un
bon retour d'effort, n'aura jamais les mêmes sensations que lorsqu'il opérait directement sur le
patient. Intégrer les informations tactiles reste un problème qui peut encore beaucoup évoluer,
même pour les objets rigides.
En télé-opération, d'énormes progrès ont été effectués en ce qui concerne le suivi
visuel automatique des outils, dans la zone de travail du chirurgien.
En considérant également toutes les connaissances anatomiques et les techniques
d'opération des chirurgiens, il est plus raisonnable de concevoir dans un premier temps des
robots semi-autonomes qui travailleraient en collaboration avec le chirurgien, que des robots
complètement autonomes !
[HOWE99], de l'Université d'Harvard à Cambridge, indique que la sûreté concerne
évidemment la robotique chirurgicale et les organismes de normalisation exigent qu'elle soit
suivie pour chaque intervention clinique. Mais vu la complexité des systèmes actuels, il n'y a
aucune technique sûre qui garantisse la sûreté des systèmes robotiques en toute circonstance.
Les robots assureront leurs succès dans le monde de la chirurgie seulement si des
résultats significatifs sont obtenus sur les patients, s'ils reviennent moins chers que la chirurgie
traditionnelle, ou les deux. Malheureusement, dans la plupart des cas, les résultats ne peuvent
pas être évalués immédiatement après l'intervention chirurgicale. Par exemple, 15 ans peuvent
être nécessaires pour mesurer la différence de durabilité entre un remplacement robotique ou
manuel d'une hanche.
Le coût du robot entre également en jeu : leur prix peut atteindre le million d'euros.
Mais comme ces robots sont de plus en plus vendus, leur prix décroît. De plus, certains d'entres
eux sont conçus pour des tâches spécifiques. Avec plus de maturité, un système robotique sera
Guillaume Thomann
54
plus flexible et pourra être utilisé pour plusieurs procédures dans une spécialité chirurgicale, ce
qui réduira encore les coûts.
La validation est évidemment incontournable dans le domaine médical.
Une fois notre coloscope construit dans sa version finale, il nous faudra
franchir l’étape de la validation.
2.3.5
Conclusion
Nous avons introduit, dans cette partie, la robotique dans le monde de la chirurgie. Il est
clairement décrit que la Robotique est présente dans un très large panel d’applications
médicales. Bien qu’étant constamment en pleine évolution, elle tend à être de plus en plus
encrée dans le milieu chirurgical. Un complément d'informations sur la Robotique Chirurgicale
est proposées en ANNEXE 2.
Finalement, la robotique promet beaucoup en termes d'évolution chirurgicale et déjà
beaucoup de procédures ont évolué en ce sens. Des chirurgiens travaillant aussi dans le domaine
de la recherche affirment leurs besoins de se familiariser avec les technologies de robotique. Il
en est de même pour les chercheurs en robotique qui créent des outils en accord avec les
demandes des chirurgiens. Ces groupes de recherche qui ont créé des systèmes demandant
d'étroites collaborations entre la robotique, l'informatique et les chirurgiens, ont amorcé une
nouvelle ère d'interdisciplinarité entre ces domaines.
2.4
L’endoscopie médicale et la coloscopie
Comme nous l'avons défini en introduction de l'endoscopie industrielle, l'endoscopie consiste à
inspecter l'intérieur d'un objet. En médecine, les organes internes du corps humain peuvent être
inspectés en insérant un endoscope par les orifices naturels : oreilles, gorges, rectum …ou par
de petites incisions faites dans la peau, comme par exemple en laparoscopie. L'endoscopie est
donc tout à fait en phase avec la MIS qui consiste à infliger le moins de traumatismes possibles
au patient.
Pour [TENDICK 98], du Department of Surgery, University of California in San
Francisco, et [DARIO 96] du ARTS/MiTech Laboratory, Scuola Superiore Sant'Anna à Pise, la
MIS est étudiée et mise en avant comme une chirurgie tout à fait à la portée des applicationsMachine. Les micro-systèmes, MEMS (Micro Electro Mechanical System) ou Micromachines,
sont des systèmes miniaturisés regroupant plusieurs technologies, comme l'Electronique et la
Mécanique, par exemple. Les endoscopes en sont une parfaire illustration car, mis à part les
moyens de locomotion qui eux font appel à la robotique, il faut aussi éclairer l'orifice, filmer et
enregistrer les images et intervenir en cas de besoin. Toutes ces commandes sont réalisables
uniquement avec l'apport d'autres technologies. Tous les dispositifs que nous allons évoquer
sont pour la plupart des MEMS.
Guillaume Thomann
55
Nous allons dans un premier temps nous attarder sur quelques applications
d'endoscopes, comparer les techniques d'exploration et les structures de ces outils.
Ensuite nous détaillerons les recherches effectuées dans le monde de la coloscopie.
Nous développerons séparément la partie locomotion autonome de la partie inclinable des
coloscopes, comme nous l'avons fait pour l'endoscopie industrielle.
2.4.1 L'endoscopie médicale
Il existe en ce moment en chirurgie, un nombre très important d'interventions endoscopiques
telles que la gastroscopie, la coloscopie, la bronchoscopie, l'endoscopie cardiaque, … Et
chacune de ces explorations est une endoscopie spécifique à un organe ou à une région du corps
humain.
Un exemple de recherche concerne les traitements des cancers des conduits biliaires.
Actuellement, le traitement est lourd pour soigner cette maladie, c'est pourquoi [LAFON 99], de
l'INSERM à Lyon, développe une application par ultrasons compatible avec les techniques
classiques d'endoscopie digestive. Il s'agit ici de brûler rapidement et profondément par
ultrasons le tissu malade dans un environnement préalablement inondé. Dans ce cas,
l'endoscope est introduit par la bouche du patient et le chirurgien le dirige jusqu’au tissu malade
où il commence l'intervention.
Dans le corps humain, il est malheureusement possible de trouver de temps en temps
des anévrismes. Ces petites poches de sang peuvent devenir très dangereuses pour l'homme si
elles grossissent et menacent de se rompre. La technique actuelle consiste à mettre en place une
endoprothèse, par l'intermédiaire d'un endoscope classique. Au Laboratoire Systèmes
Complexes à Evry, [JOLI 02] propose, pour faciliter la mise en place de cette prothèse, la
conception mécanique d'un nouvel actionneur basé sur la déformation de trois soufflets
cylindriques en nickel. La déformation de ces derniers, principalement en inclinaison, est
obtenue en y envoyant de l'eau physiologique sous pression. Ce cathéter, de 5.3 mm de
diamètre, est en fait composé de deux actionneurs à soufflets de part et d'autre de
l'endoprothèse. Le premier permet de choisir le bon chemin pour arriver à l'endroit de
l'anévrisme et le second permet de donner une bonne orientation générale de l'outil avant de
libérer la prothèse.
Pour circuler dans les vaisseaux sanguins, un autre outil est proposé par le Department
of Machine Intelligence and Systems Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku
University [PARK 99]. Ce cathéter actif possède des circuits d'interface CMOS intégrés pour le
contrôle et la communication (C&C IC). Des bobines en micro AMF sont utilisées comme
actionneurs pour créer un mouvement avec de nombreux ddl. Les C&C IC commandent, à l'aide
de trois fils, les liens de l’actionneur situé dans le corps humain. Ce cathéter a un diamètre
extérieur de 2 mm.
Un dernier exemple proposé par [DEPEURSINGE 99], du Swiss Federal Institute of
Technologie à Lausanne, nous montre que la miniaturisation des endoscopes n'est pas évidente,
qu'il y a surtout des critères d'imagerie à prendre en compte Effectivement, jusqu'où peut aller
la miniaturisation des endoscopes ? L'apparition d'endoscopes ultra fins appelé micro-
Guillaume Thomann
56
endoscopes laisse entrevoir de nouvelles applications en chirurgie cardiaque : l'observation de
très petites artères, voir les plaques d'adhénome dans les artères coronaires et examiner les
valves du cœur. Ou bien aussi en gynécologie, ou alors en urologie pour observer et détruire les
caillots présents dans la vessie. Mais les progrès sont surtout à faire dans le domaine de
l'imagerie, car la miniaturisation des outils entraîne une dégradation de la qualité de l'image.
De nombreux domaines d'exploration et d'intervention sont donc envisageables en
endoscopie médicale, que ce soir le cœur, les vaisseaux sanguin, les poumons, le cerveau aussi.
Lors de chaque intervention, l'appareil diffère et la technique également.
2.4.2 La coloscopie
Un grand nombre d'articles parus entre autres dans la revue "Gastrointestinale Endoscopy" et
dans "Endoscopy" de 1999 à 2002 sont repris par [WAYE 02]. Ils insistent sur l'importance que
donnent les chirurgiens et les médecins au fait de diminuer les douleurs et traumatismes subis
par les patients pendant les opérations de coloscopie.
Nous pouvons nous référer maintenant une fois de plus aux statistiques évoquées dans
le premier chapitre ou encore à [SCHULLMANN 02], du Department of Gastroenterology,
Ruhr-Universität Bochum en Allemagne. Il détaille les origines possibles du cancer du côlon et
explique les traitements suivis par les patients ou encore les syndromes héréditaires. Nous
comprenons alors mieux les enjeux d'une recherche approfondie dans ce domaine.
La coloscopie, actuellement, n'est pas confortable et est crainte par les patients ; elle
est réalisée sous anesthésie générale, ce qui peut engendrer des complications.
L'opération de coloscopie peut, de la même manière que l'endoscopie industrielle, être
séparée en deux types de mouvements qui peuvent être facilement dissociables : le mouvement
de locomotion et celui d'orientation de la partie finale de l'outil.
Dans [PHEE 97] de l'Université Technologique de Nanyang à Singapore, ces deux
aspects sont également abordés séparément. Les problèmes de la locomotion concernent surtout
l'activation et l'alimentation des actionneurs et la commande de leurs séquences. Quant à
l'extrémité inclinable de l'outil, les difficultés majeures sont son activation à distance et les
difficultés pour négocier les coudes de faibles rayons de courbure du côlon, sans le toucher.
Il est certain que, concernant le côlon, les deux aspects sont difficilement dissociables.
Il apparaît néanmoins que, dans le monde, nous trouvons un nombre important de recherches
concernant l'un ou l'autre de ses mouvements.
2.4.2.1 La partie locomotion autonome
Nous avons déjà évoqué avec [ANTHIERENS 99] l'utilisation de soufflets métalliques pour
créer un mouvement péristaltique pour un robot industriel. En robotique médicale et notamment
en coloscopie, ce même type de locomotion est souvent utilisé pour faire progresser un robot de
façon autonome dans le côlon. C'est le cas pour [DARIO 97], qui donne la structure générale du
robot, dont les soufflets travaillent principalement en compression et en élongation, avec des
pressions de travail qui dépendent évidemment du matériau du soufflet : ici le silicone. Il
retrace aussi toutes les démarches effectuées depuis le début des recherches en 1995 pour
Guillaume Thomann
57
réaliser ce robot autonome, de 18 mm de diamètre, 50 mm de long contracté et 80 mm allongé,
capable de progresser seul dans le côlon.
Pour l'utilisation de ce robot autonome, le mouvement d'"Inch-Worm" proposé est
réalisé par actionnement électro-pneumatique [DARIO 99] (figure 2.18).
Figure 2.18. Photographie et schéma du robot de coloscopie proposé par [DARIO 99]
Des servovalves du commerce sont utilisées dans un premier temps, pour réaliser le
circuit pneumatique qui commande l'élongation et la compression du soufflet central, mais aussi
pour réaliser les phases d'accroche sur l'intestin. Pour cette phase, des petits trous sont disposés
tout autour des deux modules situés aux extrémités du robot et lors d'une aspiration par ces
orifices, les parois de l'intestin viennent se coller sur l'outil, ce qui réalise l'adhérence. De l'air
est ensuite envoyé pour faire décoller l'intestin et faire progresser le coloscope.
Pour surveiller et commander à sa guise ce robot, une première Interface HommeMachine (IHM) a été développée. Cette IHM permet de bien décomposer et de vérifier les 7
phases utiles à un pas de progression du robot.
Le développement d'un système de caméra active y est ensuite intégré au Corea
Institute of Science and Technologie à Séoul par [KIM 02 (1)] : il s'agit ici de permettre au
chirurgien de changer l'orientation de la caméra à son aise pour faciliter la prise de décision et
le diagnostic. Pour cela, un nouvel outil basé sur le fonctionnement d'un élastomère diélectrique
est développé. En utilisant huit surfaces précontraintes, 5 ddl sont créés : 4 pour choisir la
direction de la caméra et le dernier pour en affiner le focus.
Une IHM plus commune est aussi proposée car les chercheurs expliquent qu'il est
difficile au chirurgien de diagnostiquer et de pratiquer les interventions tout en devant diriger
l'outil. Cette IHM consiste donc en un système visuel monté directement sur la tête du
chirurgien et en un joystick pour diriger le coloscope.
Lors des premiers essais effectués avec ce robot, [CARROZZA 97], du ARTS/MiTech
Laboratory, Scuola Superiore Sant'Anna à Pise, a remarqué que la locomotion autonome était
vraiment très difficile dans le colon, notamment à cause de la structure du côlon qui est fragile
Guillaume Thomann
58
et glissante. Ces essais ont montré que l'actionneur arrière glisse souvent et que le module
d'extension casse de temps en temps.
D'autres problèmes sont apparus avec le nouveau prototype développé et présenté par
[PHEE 01] du même Laboratoire MiTech à Pise (figure 2.19). Ce robot mesure 24 mm de
diamètre, 115 mm rétracté et 195 mm allongé.
Soufflets principaux
Systèmes d'accroches : principal et secondaire
Figure 2.19. Photographie du robot de [PHEE 01]
Des "problèmes d'accordéon" (figure 2.20) apparaissent lorsque l'outil se trouve dans
des endroits très courbés, c'est-à-dire que la paroi intestinale se plie en même temps que l'outil
qui ne peut alors progresser.
Point de référence sur
l'intestin
Figure 2.20. Effet accordéon obtenu avec le robot [PHEE 01]
Une solution a alors été proposée, celle de rajouter une
aide mécanique à la progression par succion. Ce nouvel outil a été
testé dans un intestin de porc pour différents rayons de courbure
et les résultats prouvent que le robot peut progresser lentement, à
2.9 cm.min-1 dans le côlon avec un "effet accordéon" réduit.
Ce projet très complet rassemble beaucoup de
chercheurs et principalement deux laboratoires différents (Le
Centre des Micro-Systèmes Intelligents à Séoul en Corée, et le
Laboratoire MiTech en Italie).
Un autre robot autonome a été développé au Département d'Ingénierie Mécanique,
CALTECH, à Passadéna [SLATKIN 95]. Il mesure 22.2 mm de diamètre et 183 mm à 200 mm
de long suivant son état contracté ou allongé. Composé de trois accrocheurs et deux extenseurs
(figure 2.21), il utilise lui aussi le principe de locomotion "Inch-Worm". Les accrocheurs se
présentent sous forme de ballons qui, en se gonflant, viennent adhérer aux parois de l'intestin.
Deux conduits d'air (admission et échappement) sont disposés dans l'axe du robot pour les trois
ballons. Ces derniers sont chacun équipé d'une vanne d'admission et d'une vanne d'échappement
qui s'ouvre et se ferme alternativement. Une séquence bien définie d'ouverture et de fermeture
permet des fixations alternées des ballons à la paroi. Des tests encourageants ont été réalisés sur
les porcs (figures 2.22 à 2.24). Ces tests mettaient eux aussi en avant les problèmes de
glissement du robot dans l'intestin.
Guillaume Thomann
59
Figure 2.21. Photographie du robot de
[SLATKIN 95]
Figure 2.22. Mise en place du robot dans
l'intestin du porc
Figure 2.23. Coloscope en position
contractée dans l'intestin
Figure 2.24. Coloscope en position gonflée
dans l'intestin
Une autre idée de conception de coloscope a été proposée par [ROVETTA 97], du
Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano. De petites dimensions peuvent être obtenues
en utilisant des matériaux piézo-électriques. C'est le cas pour ce prototype composé d'anneaux
en céramique autour d'une tige rigide. Pour la progression, un courant électrique alternatif de
haute fréquence est envoyée dans les anneaux qui peuvent alors prendre une forme ovale. Une
séquence bien définie permet une ondulation de la tige centrale et une progression du prototype
dans le conduit intestinal. Ce prototype mesure environ 49mm de long et 1.3mm de diamètre, il
peut aller en avant, en arrière et également se plier.
Les MEMS sont toujours présents pour la conception de robots autonomes. Une
illustration en est encore faite avec le robot proposé par l'Université Jiaotong de Shanghai [LIN
97]. Pour ce dernier, la force électromagnétique est utilisée. Effectivement, un aimant
permanent et une structure en bobine sont embarqués judicieusement dans ce robot. En
envoyant un courant dans cette bobine, une force est créée. C’est cette force qui fera avancer le
robot avec, là aussi, un déplacement de type "Inch-Worm".
Guillaume Thomann
60
Nous remarquons que beaucoup de robots autonomes utilisent un mouvement de type
"Inch-Worm" pour progresser. C'est effectivement un mouvement assez facile à mettre en place
en utilisant des techniques parfois complètement différentes.
L'institut Coréen des Sciences et Technologies de Séoul propose un exemple différent
[KIM 02 (2)]. Effectivement, il remarque les difficultés qu'ont les robots utilisant le type de
locomotion. Ils glissent et ont du mal à progresser dans les endroits à rayons de courbure
faibles. Ainsi, il se base sur le moyen de locomotion d'un insecte possédant de nombreuses
pattes, qui ont un mouvement en ellipsoïde à leur extrémité. Le prototype construit mesure
125mm de long et de 30 à 40 mm de diamètre suivant la position des pattes. De petits pignons,
une longue vis sans fin, un axe de pivotement et un pied en silicone sont utilisés pour réaliser le
mouvement des pattes et pour l'adhésion.
Suivant la surface où évolue ce robot ou encore la différence de phase entre chaque
patte, sa vitesse peut varier de 1 mm.sec-1 à 3.9 mm.sec-1 . Des progrès de miniaturisation sont
encore à faire pour que ce robot puisse être utilisé dans le colon.
Des nombreux projets sont actuellement menés concernant la locomotion autonome
d'un robot dans le côlon. Cette locomotion n'est bien entendu possible qu'en prenant appui sur
les parois intestinales, ce qui peut, provoquer des désagréments, voire des lésions au patient.
La MEMS est présente car les robots utilisent toutes sortes d'énergies différentes pour
créer le mouvement nécessaire à la progression. Effectivement, chacune a son avantage, mais
apparemment aucune ne satisfait pour le moment les problèmes de glissement dans le côlon aux
endroits où le rayon de courbure est faible.
Pour cela, d'autres types de recherches concernent uniquement la tête du coloscope.
C'est cette partie qui pénètre en premier dans le côlon et qui ouvre le chemin au reste de l'outil.
C'est donc elle qu'il faut améliorer.
2.4.2.2 La tête flexible de l'endoscope
Effectivement, la tête du coloscope est actuellement actionnée par deux molettes situées sur le
coloscope et dont le chirurgien se sert pour l'orienter suivant deux axes différents. Il se sert
également de son expérience, de l'écran vidéo qu'il fixe constamment lors de l'opération, mais
aussi des sensations de butée qu'il peut ressentir lorsqu'il entre en contact avec l'intestin.
Donc en général, pour que tout se passe bien lors d'une opération, il faut que le
chirurgien soit expérimenté et qu'il ait une bonne vision et de bonnes sensations.
Nous avons déjà évoqué les actionneurs à trois chambres qui se plient sous l'action
d'une pression à l'intérieure de l'une d'entre elles. Cette technique est utilisée par
[DOGRAMADZI 98] (figure 2.25). A l'extrémité du coloscope utilisé, cette structure permet, en
appliquant un fluide à des pressions de 0 à 4 bars, d'obtenir des angles de courbure de 55°. C'est
peu par rapport aux performances des outils chirurgicaux actuels, mais c'est encourageant vu les
contraintes imposées par le milieu. De plus, cet actionneur est équipé de bobines en AMF
noyées dans le caoutchouc. Un courant envoyé dans ces bobines permet un allongement de la
tête du coloscope (figure 2.26).
Guillaume Thomann
61
Pour la localisation de tout le coloscope dans l'intestin, 12 micro-bobines sont
disposées le long de l'outil. Trois gros générateurs de champs magnétiques fournissent, chaque
demi-seconde, une impulsion captée par
ces bobines, ce qui permet de recréer en
3D la forme du coloscope sur un écran.
Cet actionneur est conçu dans
un but d'insertion sans intervention
humaine.
Figure 2.25.Tête d'outil du robot de
[DOGRAMADZI 98] montrant les trois
chambres de pression
Figure 2.26. Bobines en AMF
permettant une extension de la
tête du robot
Pour orienter la tête du coloscope à souhait, [ZHANG 02], de la Robotics Institute,
Beijing l'University of Aeronotics, propose l'utilisation d'un joystick du commerce. Des moteurs
pas-à-pas sont utilisés à la place des molettes, pour incliner la partie distale de l'outil. Pour
justifier cette utilisation, il met en avant une moins grande période d'apprentissage par les
chirurgiens novices et, à long terme, une plus grande maniabilité du coloscope. Le joystick est
utilisé pour toutes les fonctions d'orientation de la tête du coloscope et pour l'observation, mais
pas pour la progression. Les outils chirurgicaux insérés dans la tête peuvent eux aussi être
commandés à partir de la manette de jeu. Les résultats ne sont pas très convainquants pour le
moment, notamment pour une manœuvre en vitesse de la tête de l'outil.
Pour améliorer encore le robot de [DARIO 99], plusieurs recherches ont été menées.
Une nouvelle version du coloscope a été conçue à l'aide d'un soufflet en silicone de 50 mm de
long qui contient des ressorts en AMF, disposés à 120° les uns des autres [MENCIASSI 02]. La
figure 2.27 montre le robot en position inclinée. Les expériences menées in vitro ont montré que
le robot pouvait progresser sans tête pliable, pour des angles de l'intestin inférieurs à 90°. Par
contre, pour des angles supérieurs à 90°, une action supplémentaire de courbure est absolument
nécessaire.
Pour cela, une section inclinable a été rajoutée dans une nouvelle version. Elle mesure
3 cm de long, permet une inclinaison supplémentaire de 90° (figure 2.28) et un comportement
télescopique très pratique pour une bonne visualisation du côlon. Elle est composée de trois
petits ressorts en AMF avec une disposition à 120°. Pour améliorer la réponse lors du
refroidissement des ressorts en AMF, un courant d'air froid est présent dans le soufflet en
silicone. Le temps que met la tête du coloscope pour se plier à 90° (pour un courant de 0.8 A) et
Guillaume Thomann
62
pour retrouver sa position initiale est de 3 secondes. Des essais dans des intestins de porcs ont
été effectués (figure 2.29).
Figure 2.27. Photo du robot inclinable de
[MENC 02]
Ici, c'est le robot lui-même qui engendre toutes les forces dont il a besoin, d'où de
bonnes possibilités pour une autre génération de capsules autonomes.
Figure 2.28. Ci-dessus : photo de la tête
télescopique du robot de [MENCIASSI 02]
Figure 2.29. Ci-contre : des essais dans
l'intestin de porc
En reprenant l'idée des AMF, le Laboratoire de Robotique de Paris à l'Université Pierre
et Marie Curie [CHAPELLE 02] présente la conception d'un système de micro-endoscopie
(figure 2.30). Ce système, peut également être utilisé pour des opérations de coloscopie.
Ici, la technique choisie pour utiliser les actionneurs de façon pertinente est
l'algorithme génétique. Ainsi, lorsqu'un module de l'endoscope touche la paroi du côlon, il
change de direction automatiquement et les modules suivants prennent la même trajectoire. La
recherche d'une trajectoire correcte (c'est-à-dire sans enroulement du coloscope sur lui-même et
en évitant de trop nombreux contacts) est très coûteuse en temps de calcul. La figure 2.31 nous
montre une simulation de la position du coloscope dans un coude de l'intestin.
Figure 2.30. Photo de la Structure de
l'Endoscope
Guillaume Thomann
63
Figure 2.31. Simulation de
franchissement d'un obstacle
Le
côlon
sigmoïde
représente
les
30
premiers
centimètres du côlon. Dans cette
zone, ils peuvent être considérés dans
un plan. C'est pour y intervenir que le
Department of Physical Engineering,
Tokyo Institute of Technology a développé un actionneur en AMF [HIROSE 86]. Le prototype
ayant à réaliser principalement un mouvement plan, une position spéciale des ressorts en AMF
est proposée (figure 2.32).
De 13 mm de diamètre et de 21.5 cm de long, ce sigmoïdoscope peut se plier avec un
angle maximum de 60°. Des essais ont été effectués dans un modèle d'intestin en caoutchouc
(figure 2.33).
Figure 2.32. Ci-dessus : position des ressorts en
FMA et autres actionneurs utiles
Figure 2.33. A droite : progression du sigmoïdoscope dans le modèle d'intestin
Ce prototype, qui peut se plier de 30° en une seconde, est commandé par un joystick. A
l'extérieur du corps, un servomoteur agit sur une partie linéaire du robot pour fournir le
mouvement d'avance. Ainsi, le chirurgien réalise l'opération sans même toucher son outil. Nous
pouvons légitimement nous poser la question du retour tactile qu'a le chirurgien.
Guillaume Thomann
64
En utilisant également des AMF, [PEIRS 97], du Department of Mecanical
Engineering, Katholieke Universiteit Leuven, en Belgique, décrit la conception d'un actionneur
pour réaliser un mouvement de courbure de la tête du robot de [DARIO 97]. Cette idée, qui se
rapproche de l'idée de [DE SARS 02], fut la première proposée pour ce robot. L'actionneur peut
être considéré comme une simple vertèbre dont plusieurs, en série, forment une colonne
vertébrale. Chaque actionneur est contrôlé électro-mécaniquement de façon binaire, ce qui
facilite grandement la commande de la totalité de la colonne. Entre chaque actionneur, une
rotation d'axe vertical de 90° est imposée, ce qui permet un mouvement en 3D. Chaque
actionneur peut effectuer une rotation de 15°.
Sur le même outil de coloscopie [DARIO 99], de 15 mm de diamètre et de 50 mm de
long dans son état contracté, [PEIRS 00] développe un manipulateur pour orienter la caméra et
les outils du chirurgien. Il consiste en deux modules commandés par un moteur électropneumatique et des pignons de réduction (figure 2.34). Chaque module fait 12.4 mm de
diamètre et 20 mm de long (figure 2.35). Avec la caméra, la longueur arrive à 40 mm. Ces
dimensions sont encore trop importantes et les recherches se poursuivent pour les diminuer,
pour pouvoir intégrer cet outil déformable tout au bout du coloscope. Une version d'un diamètre
de 8.5 mm est en cours d'expérimentation (figure 2.36).
Figure 2.34. Conception d'un module simple
Figure 2.35. Photo des modules
Figure 2.36. Ci-contre : Photo des positions
extrêmes du manipulateur de [PEIRS 00] de 8.5
mm de diamètre.
Guillaume Thomann
65
Une comparaison entre deux plates-formes hydraulique et électrique [PEIRS 01] est
également exposée (figure 2.37). La première est plus compacte et engendre de plus gros
efforts, alors que la seconde est plus facile à contrôler et facilement miniaturisable.
Une comparaison plus complète des performances des différents manipulateurs conçus
y est également présentée. Elles sont reprises dans le tableau 2.1.
Figure 2.37. Photo de la plate-forme hydraulique de [PEIRS 01]
Le tableau suivant reprend les spécificités de chacun des coloscopes présentés cidessus. La comparaison de ces caractéristiques pourra nous guider vers une conception en
accord avec notre cahier des charges.
Guillaume Thomann
Institut national des sciences appliquées de Lyon
66
E tat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la Robotique Chirurgicale, la Coloscopie
Actionneur
Dimensions Mouvements
Amplitude
totales
[DOGRA
Fluidique
L : 50 mm inclinaison et 55° dans toutes
MADZ 98] (hydraulique) φ : 12 mm
allongement
les directions
[ZHANG Electroméca Adaptable
inclinaison
120° à 160°
02]
nique
sur
suivant deux
suivant la
l'endoscope
directions
direction
[MENC
AMF
L : 30 mm inclinaison et 90° dans toutes
02]
φ : 18 mm
allongement
les directions
[CHAPEL
AMF
L : 52 mm inclinaison et
6.2° / segment
LE 02]
φ : 8 mm
allongement
(13 segments)
[HIROSE
AMF
L : 215 mm inclinaison et 60° / segment (5
86]
φ : 13 mm
allongement
segments)
[PEIRS
Electroméca L : 48 mm Inclinaison en
15° / segment
97]
nique
φ : 15 mm "tout ou rien"
(12 segments)
[PEIRS
Electroméca L : 40 mm
inclinaison
± 40° suivant 1
00]
nique
φ : 12.4 mm
axe de rotation
[PEIRS
inclinaison
de – 45° à +60°
00]
nique
φ : 8.5 mm
suivant 1 axe de
rotation
[PEIRS
Hydraulique L : 30 mm inclinaison et
35° maximum
01]
(plate-forme) φ : 12 mm
allongement
suivant 3
directions
[PEIRS
Electrique
L : 50 mm inclinaison et
35° maximum
01]
(plate-forme) φ : 15 mm
allongement
suivant 3
directions
[COHN
inclinaison
80° dans toutes
95]
nique
φ : 19 mm
les directions
Tableau 2.1. Tableau récapitulatif des caractéristiques de chaque
Guillaum e Thomann
Thè se en Robotique Chirurgicale / 2003
Insti tut national des sciences appliquées de Lyon
Dynamique
Spécificités du coloscope
temps réel
Rapide et sans intervention
humaine pour le guidage
temps réel
Commande par joystick,
manœuvrabilité faible pour
le moment
3 secondes Robot autonome, très souple
(cycle total) dans l'ensemble, mais lent
80°.s-1
Dimensions faibles, mais
algorithme de calcul lent.
30°.s-1
Mouvement plan, vitesses
d'inclinaisons faibles
temps réel
Bonne vitesse de réaction,
mais ddl limités
52°.s-1
1 ddl, dimensions faibles,
angle d'inclinaison faible
-1
1 ddl, dimensions faibles et
44°.s
angle de rotation faible
Contacts
avec le côlon
Non
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
-
Oui
9.5°.s-1
Oui
temps réel
2 ddl, encombrant, mal
adapté à la coloscopie
partie distale présentée
67
-
E tat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la Robotique Chirurgicale, la Coloscopie
2.4.3 Conclusion
De nombreuses recherches concernent la progression et l'orientation du coloscope. En ce qui
concerne la progression autonome, les contacts avec les parois intestinales semblent a priori
indispensables et des problèmes de glissement sont souvent mis en avant. La courbure de la tête
du coloscope est obtenue, elle aussi, par diverses techniques et donc avec des performances
différentes. Les AMF permettent de bonnes inclinaisons, mais sont en général trop lents. Les
différents essais proposés par [PREIS 00 et 01] ne permettent pas d'angles de rotation
importants de la tête du coloscope. D'autres techniques encore, manquent de manœuvrabilité ou
de ddl.
Mais le but principal est toujours le même : minimiser les contacts ou bien faciliter ou
encore améliorer la possibilité de courbure de la tête de l'outil par rapport aux performances
actuelles. [MENC 02] est parvenu à augmenter les angles d'inclinaison du robot et de la tête,
mais des problèmes de temps de réaction et de glissements sur les parois intestinales empêche le
robot d'être en accord avec notre cahier des charges.
C'est donc toujours les contacts que l'on essaie de minimiser. C'est pour cela que des
recherches similaires sont entreprises par le College of Electrical and Mechanical Engineering,
National University of Science and Technology in Rawalpindi au Pakistan [KHAN 96] et par la
Nanyang Technological University de Singapore [PHEE 98]. Elles décrivent un système de
traitement d'image qui permet au colonoscope de naviguer automatiquement dans le colon. En
fait, l'éclairement du côlon fourni par l'endoscope est utilisé ici pour déterminer si la paroi est
proche ou pas de l'outil. Effectivement, en éclairant vers la profondeur de l'intestin, il n'y aura
aucune réflexion et l'image apparaîtra très sombre à l'écran. Au contraire, sur les parois proches,
il y aura un éclairement important. C'est ce contraste qui sera utilisé par un algorithme pour
pouvoir mieux orienter la tête du coloscope.
A défaut de ne pas toucher les parois intestinales, le Department of Medical Physics,
University College of London propose une méthode pour contrôler les forces appliquées par
l'endoscope [MOSSE 98]. Cet outil mécanique est en fait une poignée de forme tubulaire qui
peut s'adapter sur les coloscopes courants.
Des efforts sont faits pour améliorer les conditions d'opération de coloscopie :
minimiser ou mieux éviter les contacts entre coloscope et intestin. Mais il est très difficile de
concilier vitesse de réaction avec minimisation des contacts, ou encore angle d'inclinaison
important et dimensions réduites.
2.5
Conclusion
Nous avons remarqué lors de l'état de l'art sur l'endoscopie, la grande diversité des
actionnements qui sont utilisés. Chaque technologie présente un compromis sur ces
performances d'actionnement et satisfait donc quelques applications particulières. Les
technologies employées le plus souvent en industrie, sont fluidiques, thermiques ou électrique
pour un mode de locomotion le plus souvent péristaltique.
En ce qui concerne les opérations chirurgicales, de nombreuses applications sont en
train d'évoluer. L'endoscopie médicale, qui concerne de nombreuses interventions dans les
Guillaum e Thomann
Thè se en Robotique Chirurgicale / 2003
Insti tut national des sciences appliquées de Lyon
68
conduits naturels du corps humain, se développe très rapidement ceci notamment grâce à la
capacité de miniaturisation.
Pour la coloscopie, qui consiste à inspecter et à intervenir dans côlon, deux aspects
sont à différencier :
- la partie locomotion autonome qui concerne l'aptitude du robot à progresser seul
dans le côlon. Ici, le mode de locomotion proposé le plus souvent est également de
type "Inch-Worm", en venant prendre appui sur les parois intestinales et en
s'allongeant en utilisant généralement de l'énergie pneumatique et des soufflets.
- la partie distale du coloscope est, elle aussi, en pleine évolution. Des techniques
d'actionnements AMF, fluidiques ou encore électromécaniques sont souvent
présentes pour améliorer ses performances. Le but étant surtout de rendre moins
dangereuse la procédure d'intervention.
Les propositions les plus séduisantes sont certainement [DOGRAMADZI 98],
concernant l'énergie fluidique et l'idée d'éviter les contacts avec les parois intestinales et
[MENC 02] dont les résultats sont très prometteurs avec le robot réalisé en AMF et soufflets en
silicone.
Notre but étant de minimiser, voire d'éviter les contacts, entre l'outil et les parois
intestinales, nous allons dans le prochain chapitre, détailler la conception de notre maquette de
faisabilité de tête de coloscope.
Guillaume Thomann
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Guillaume Thomann
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Guillaume Thomann
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Chapitre 2 Etat de l`Art - l`endoscopie industrielle, la Robotique

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