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Robotique médicale

Jean-Michel Prima - 25/06/2013

L'asservissement visuel au service de la robotique médicale

Alexandre Krupa devant la plate-forme robotique du centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique Alexandre Krupa devant la plate-forme robotique du centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique

Apparus il y a 20 ans, les robots médicaux ouvrent une nouvelle ère de chirurgie mini-invasive. Au centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique, Alexandre Krupa étudie la façon dont l'asservissement visuel pourrait doter ces machines d'un contrôle encore plus précis.  Ses derniers travaux exploitent l'information dense contenue dans les images échographiques pour piloter une sonde robotisée. Objectifs : positionner automatiquement cet appareil et compenser le mouvement physiologique du patient en temps réel durant l'opération.

Précision et non-invasivité sont les maîtres mots de la chirurgie robotisée. Mais la plupart des robots médicaux s'utilisent via un télémanipulateur. Ce dispositif permet de reproduire les gestes du médecin et de déplacer le vrai instrument chirurgical dans le corps du patient. Question : un pilotage par asservissement visuel augmenterait-il d'un cran les capacités de ces robots, améliorant in fine la dextérité du chirurgien ? Certainement, estime Alexandre Krupa, un des premiers scientifiques français à défricher ce nouveau champ de recherche.
Après des travaux d'abord focalisés sur l'endoscopie (cf. encadré), le chercheur s'est tourné vers l'ultrason. “Cette modalité s'avère moins invasive ” et peu onéreuse. De plus, “contrairement à l'IRM, elle produit des images en temps réel.  Enfin, elle ne soumet pas le patient à des rayonnements ionisants comme le ferait un scanner. Pour toutes ces raisons, l'asservissement visuel utilisant des images échographiques pourrait servir à quantité d'applications cliniques.” Biopsie ou cryo-ablation par exemple. “Amener une aiguille au centre d'une tumeur est un geste très compliqué car le chirurgien ne voit généralement pas ce qui se trouve au-delà du plan fourni par une sonde ultrasonore 2D classique.

Télé-échographie

Autre domaine d'application prometteur : la télé-échographie. Projet de recherche auquel Inria vient de participer, Prosit s'est conclu par la mise au point d'un robot portable permettant au radiologue de pratiquer un examen à distance. La machine est disposée sur le corps du patient par un non spécialiste. Le radiologue prend ensuite le contrôle d'une sonde fictive haptique. Par le biais de l'asservissement visuel, “la sonde robotisée peut être déplacée automatiquement pour conserver une vue optimale des tissus mous en mouvement. ” Durant son exploration, l'expert peut choisir d'activer un mode mixte vision/télé-opération quand il souhaite maintenir automatiquement l'organe visé dans le plan échographique. Le radiologue peut également enregistrer des sections anatomiques d'intérêt puis demander ultérieurement à la machine de re-positionner la sonde automatiquement pour retrouver cette même section.

Le speckle n'est pas du bruit

L'échographie présente toutefois un inconvénient. Sa piètre qualité d'image exige des algorithmes de détection particulièrement performants. “Mes premières approches se basaient sur l'information visuelle géométrique. ” Ces méthodes consistent à segmenter les contours d’un organe d’intérêt et à calculer des caractéristiques géométriques qui alimenteront ensuite les lois de commande. “Cela fonctionne bien, sauf quand la section de l’organe observée comporte des formes complexes dont les frontières avec le reste de la scène se révèlent peu aisément détectables. Il devient alors difficile d'extraire d'une façon robuste l'information géométrique pertinente dont on a besoin pour contrôler le robot.
Avant d'aller plus loin, il fallait donc lever ce verrou scientifique. “Durant une mise à disposition à l'Université Johns Hopkins de Baltimore, en 2006, j'ai initié une nouvelle classe d'approches qui exploite l'information contenue dans le speckle. ” Contrairement à ce qu'on pourrait croire, “le speckle n’est pas un bruit. Il résulte des réflexions multiples de l’onde ultrasonore dans les micro-structures des tissus. Il présente par conséquent une cohérence spatiale. ” En exploitant cette propriété, il devient alors possible de calculer la position relative entre la sonde et la partie de l'organe que l'on cible.
Cette approche basée sur le speckle permet de considérer des structures difficilement détectables par d'autres moyens. Elle a été étudiée dans le cadre de USComp. Dirigé par Alexandre Krupa, ce projet de recherche visait à asservir une sonde pour compenser le mouvement physiologique du patient en temps réel. “Nous avons étendu cette méthode au suivi de cibles dans des volumes écho-cardiographiques 3D,  dans le cadre d'une collaboration avec le Children’s Hospital de Boston et la Harvard Medical School de Boston. Par asservissement visuel basé sur l'information dense contenue dans les images échographiques, notre solution localise l'extrémité d'un nouvel outil inventé pour retirer des morceaux de tissus durant des opérations à cœur battant. L'instrument est fixé à l’extrémité d’un robot à tubes concentriques qui pénètre par la veine cave. ” Ce tandem de technologies de pointe a été validé lors d'expériences in vivo sur des porcs.

Recalage multimodal

Le recours à l'information dense excelle également dans le recalage d'images ; ce qui ouvre encore de nouvelles perspectives applicatives. Cette fois-ci dans la superposition de données pré-opératoires sur des images per-opératoires. Un chirurgien pourrait ainsi récupérer la vue d'une zone d'intérêt qu'il avait préalablement identifiée et la superposer sur l'image courante. En allant encore plus loin, la scène pourrait s'enrichir d'informations générées par d'autres modalités d'images. De telles expériences de recalage multimodal ont déjà débuté.

Bien positionner l'instrument

Amorcés vers l'an 2000, les premiers travaux d'Alexandre Krupa ont porté sur le positionnement automatique d'un instrument chirurgical durant une opération laparascopique. “On introduit l'instrument dans l'abdomen via un trocart sur un point d'incision. Au début, il  n'apparaît pas dans le champ de vision de l'endoscope. Parfois, il en sort aussi durant l'opération elle-même. À ces moments critiques, il existe un risque de contact accidentel avec un organe. À l'extrémité de l'instrument, nous avons donc monté un pointeur laser qui projette un point lumineux à la surface de l'organe. Ce marqueur optique reste dans le champ de la caméra même si l'instrument en sort. Il permet de connaître sa position par rapport à la scène. Par asservissement visuel, le robot fait ensuite descendre l'instrument et le place automatiquement au centre de l'image endoscopique.
Il est possible également de spécifier une distance à respecter entre l'outil et la cible ; ce qui ouvre une possibilité : “Compenser les mouvements du patient. Synchroniser non seulement l'instrument, mais aussi la caméra, avec le battement du cœur durant une opération cardiaque par exemple. ” Le mode stabilisé ainsi obtenu permettrait au chirurgien de travailler avec une plus grande précision.

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