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Projet MARGSurg – Markerless Augmented Reality for the Future Orthopedic Surgery

Dans le cadre du projet MARSurg, nous ciblons les segments du remplacement des articulations. La solution visée a pour ambition d’être générique et facilement adaptable à d’autres disciplines de la chirurgie orthopédique et au-delà. Axé sur l’efficacité, le démonstrateur MARSurg concernera le placement optimal des prothèses dans la chirurgie du genou, dans le but d’effectuer régulièrement des transpositions et des tests de vérification sur d’autres chirurgies orthopédiques (comme l’épaule ou la hanche).

Le contexte

Avec le vieillissement de la population, le nombre d’interventions chirurgicales pour le remplacement des articulations défaillantes (hanche, genou, épaule, etc.) est en forte croissance. Cela représente plus d’un tiers du marché des dispositifs médicaux implantables.

En chirurgie orthopédique, le positionnement 3D des articulations défaillantes et des prothèses artificielles de remplacement est un critère important de la réussite de la chirurgie. Ces informations géométriques et cinématiques sont généralement obtenues à l’aide d’un ensemble d’instruments métalliques spécifiques très souvent invasifs. L’estimation de position spatiale des prothèses a fait des progrès significatifs avec le développement de l’imagerie médicale et des méthodes de navigation assistées par ordinateur et de la robotique. Cependant, même si ces méthodes apportent une réelle valeur ajoutée clinique pour le patient (meilleur fonctionnement des prothèses, meilleure acceptabilité par les patients, durée de vie améliorée, etc.), elles présentent plusieurs limites : complexité d’utilisation, coût important, et elles ne répondent pas entièrement aux exigences en termes de précision. 

C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet ANR PRCE MARSurg – Markerless Augmented Reality for the Future Orthopedic Surgery, qui vise à développer une solution innovante de navigation chirurgicale à fort potentiel scientifique, technologique et clinique. Cette plateforme sera fondée sur l’utilisation de la Réalité Augmentée (RA) et des méthodes de vision par ordinateur et d’Intelligence Artificielle (machine learning), pour estimer les paramètres géométriques et cinématiques des articulations et les restituer, en temps réel, au chirurgien pendant l’intervention chirurgicale. 

Les objectifs

Dans ce contexte, plusieurs objectifs à la fois technologiques, scientifiques et cliniques sont visés dans le cadre de MARSurg. Parmi ces objectifs, on peut citer : 

• Mettre en place un nouveau protocole chirurgical pour le remplacement total des articulations du genou en garantissant une moindre invasivité tout en améliorant les fonctionnalités de la prothèse de remplacement (stabilité, durée de vie, etc.) ;
• Développer un nouveau système préindustriel comprenant une plateforme logicielle de réalité augmentée qui fournira de manière intuitive toutes les informations dont le chirurgien a besoin durant l’intervention chirurgicale ; 
• Améliorer les méthodes de l’état de l’art sur le calcul de pose 3D sans marqueurs artificiels en utilisant des méthodes géométriques et d’intelligence artificielle ; 
• Faire progresser les méthodes de l’état de l’art sur la segmentation et le recalage d’images 3D issues de caméras dites RGB-D (une caméra qui fournit simultanément une image couleur et une carte de profondeur caractérisant la distance des objets vus dans l’image), notamment dans le contexte d’applications cliniques ;
• Accélérer le transfert industriel des méthodes développées pour faire de Pixee Medical un leader mondial en chirurgie orthopédique. 

Les résultats

Le projet MARSurg vise à développer une plateforme logicielle générique pour la chirurgie orthopédique (au-delà de la chirurgie du genou) en ciblant le remplacement des articulations défaillantes par des prothèses articulaires artificielles. Pour ce faire, plusieurs disciplines scientifiques seront abordées, comme la perception visuelle, en utilisant des caméras de profondeur, la vision par ordinateur, l’intelligence artificielle, le génie logiciel et la réalité augmentée. Un démonstrateur final de la plateforme de réalité augmentée qui sera développée sera testée et évaluée dans des conditions proches de celles d’un bloc opératoire, en présence de chirurgiens spécialistes. 

Partenariats et collaborations

Le projet d’une durée de 4 ans est coordonné par Brahim Tamadazte, Chargé de Recherche CNRS et membre de l’ISIR, Sorbonne Université. Le consortium du projet est également composé de :

• l’Inria Rennes Bretagne-Atlantique, représenté par Eric Marchand, Professeur des Universités à Rennes 1,
• et de Pixee Medical, une entreprise française spécialisée dans le développement de solutions innovantes pour la chirurgie du genou, représentée par Anthony Agustinos, responsable R&D.   

Ce projet vise le développement d’un manipulateur souple pour la cueillette. La cueillette de fruit ou de légume nécessite une préhension compliante et dextre pour garantir l’intégrité de l’objet ainsi qu’une structure porteuse souple pour pouvoir naviguer entre les branches sans les abimer. L’objectif est de développer un robot trompe continu, sans articulation et actionné par des moteurs déportés et des câbles, à l’image des tendons dans une main humaine. Le projet se décline en 3 principales problématiques bien connues dans le domaine de la robotique, à savoir la conception, la modélisation et la commande. Ces 3 aspects sont en réalité très imbriqués pour ce genre de systèmes complexes. Une bonne conception avec une bonne intégration des actionneurs et des capteurs facilite énormément la commande par le biais d’une modélisation adéquate qui répond à la fois à un certain réalisme et une efficacité de calcul. 

Le contexte

Dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique et de convergence technologique inédite (numérique, intelligence artificielle, etc.), l’agriculture doit se réinventer pour produire mieux, dans le respect de l’environnement et de la santé humaine. La robotique agricole est l’un des leviers de cette transformation. Elle constitue une solution prometteuse pour répondre aux enjeux environnementaux et sanitaires, qui sont posés actuellement en France et ailleurs dans tous les pays développés. L’urgence climatique imposera une réduction de plus en plus forte de l’utilisation des intrants (produits phytosanitaires, eau, etc.) et des énergies fossiles. Par ailleurs, la filière agricole souffre d’un manque d’attractivité et d’une image négative chez beaucoup de jeunes (ruralité, tâches répétitives, épuisement, difficultés économiques, isolement, etc.). La numérisation et la robotisation permettront la valorisation de ce métier et déchargera l’agriculteur des tâches répétitives et fatigantes telles que le désherbage, le portage, la cueillette et l’entretien régulier des cultures. 

Les objectifs

L’objectif scientifique majeur est de pouvoir répondre aux trois problématiques que sont la conception, la modélisation et la commande, dans une approche simultanée et intégrée, parfois dite de co-design (hardware et software).

Le robot visé s’apparente à une trompe, d’environ un mètre et capable d’atteindre plusieurs configurations stables d’une façon continu. Il est constitué d’un matériau souple, sans articulation, et actionnée par des câbles. Une solution à 3 segments et 6 câbles est aujourd’hui testée pour la saisie d’objet en environnement peu contraint. Dans un second temps, augmenter le nombre de segment et de câbles accroitra la redondance cinématique de la trompe, ce qui permettra d’optimiser la prise et/ou d’éviter d’éventuels obstacles dans l’environnement.

Un corps déformable a par définition un nombre infini de paramètres. Cela constitue une première difficulté dans la caractérisation mathématique de ce genre de système. La commande de ce type de modèle peut être résolue par une approche de commande optimale qui consiste à minimiser un critère coût sous contraintes. Celles-ci représentent les conditions géométriques et élasto-mécaniques du système. La difficulté scientifique serait d’incorporer un modèle de déformation non linéaire en grand déplacement avec une gestion des contacts unilatéraux (robot-objet et auto-collision robot-robot). Plusieurs voies sont en cours d’étude : 1) Utilisation du logiciel SOFA, 2) Réduction de modèle POD, 3) Modèle de Cosserat et MPC.

La commande nécessiterait tout de même de développer des modules d’estimation tels que :

• l’estimation de l’état du robot,
• la perception de l’environnement, identification et localisation de l’objet,
• et la localisation des contacts robot-objet.

Les résultats

Les résultats attendus pour le projet consiste à avoir : 

• Un prototype fonctionnel à 6 moteurs commandés en couple ;
• Une commande de la configuration de la trompe ;
• Une prise stable d’un objet axisymétrique ;
• Une mise en place de capteurs extéroceptifs pour l’estimation temps réel de la configuration de la trompe.

Partenariats et collaborations

Les membres du réseau Roboterrium – Equipex Tirrex sont partenaires du projet.

Projet « Le langage et sa sémantique » 

Le contexte

Ce groupe de travail s’intéresse aux différentes formes de langage (texte écrit et langage oral, parole et signaux sociaux, geste, visage, etc.) ainsi qu’à la notion de sémantique qui en découle. A l’intersection entre le traitement automatique du langage, la perception, les sciences cognitives et la robotique, le langage soulève de nombreux enjeux dérivant de l’analyse à la génération, que ce soit dans un contexte individuel ou interactif.

Voici une liste non exhaustive d’exemples d’applications tirées de nos domaines de recherche : 

• Prise en compte des hésitations, du rire et autres signaux sociaux
• Lien parole et comportements non verbaux ;
• Dialogues contextualisés (historique, tâche, interaction) / Systèmes de questions-réponses ;
• Synthèse textuelle d’information et d’interaction ;
• Recommandation et recherche d’information ;
• Analyse et représentation de la sémantique ;
• Variation de style ou de contenu.

Les objectifs

L’objectif de ce groupe est de rassembler des chercheuses et chercheurs ayant des expertises différentes autour du langage. A ce jour, les activités mises en place sont essentiellement des groupes de discussion ou présentation scientifiques dans l’objectif de faire émerger des centres d’intérêts communs.

Sur le long terme, un des enjeux sera de mettre en place des co-supervisions de stagiaires et/ou doctorantes et doctorants autour de cette thématique ou des mini-projets scientifiques.

Partenariats et collaboration

Le projet « Le langage et sa sémantique » est un projet fédérateur, interne à l’ISIR, qui n’implique pas de collaboration extérieure au laboratoire.

Contact du projet : projet-federateur-langage(at)listes.isir.upmc.fr

Projet Lexikhum : Communication Kinesthesique Humain-Machine

Le but de ce projet est de construire un lexique d’unités de sens kinesthésiques qui permettraient d’aborder l’interaction physique homme-robot comme une phrase combinant ces unités de sens. L’émergence de ces unités de sens est étudié dans des interactions humain-humain et le projet est d’en extraire les parties programmables en faisant des modèles computationnels pour construire des partenaires virtuels, capable de produire une interaction aussi naturelle qu’avec un humain. Ses unités de sens visent à être développées et étudiées par une équipe pluridisciplinaire composée de chercheures et chercheurs qui placent le caractère cognitif de cette interaction au cœur de leur recherches. La quantification de la qualité des interactions humain-humain et humain-partenaire virtuel est un apport espéré de ce projet, car il donnera une base d’unités avec une connaissance précise de son caractère vraisemblable et de sa compréhensibilité lorsque cela vient d’un humain et lorsque cela vient d’un partenaire virtuel.

Le contexte

L’automatisation au cœur de notre quotidien – Les mutations technologiques à l’œuvre dans les systèmes complexes (comme en aéronautique) ont profondément modifié l’interaction entre l’humain et la machine. Au fil de cette évolution, les opératrices et opérateurs se sont retrouvés face à des systèmes de plus en plus complexes et de plus en plus automatisés. Si le public a bien souvent été fasciné par l’ingéniosité de tels systèmes, de nombreuses tragédies plus ou moins récentes montrent à quel point l’interaction entre l’humain et les automatismes reste un problème sensible. Ainsi, de nombreux travaux soulignent les conséquences négatives en matière de sécurité et de performance d’une automatisation des systèmes : difficultés pour détecter les erreurs ou pannes du système (Kessel & Wickens, 1982), pour comprendre son état courant (Sarter, Woods, & Billings, 1997) et pour déterminer les actions appropriées pour la suite de la tâche (Endsley, 1999). Ces difficultés d’interaction entre l’humain et l’automatisme constituent un enjeu de recherche majeur. Ce projet a pour ambition de participer à la compréhension et la compensation de ces difficultés d’interaction entre l’humain et les automatismes.

La difficile mais nécessaire intelligibilité des systèmes – L’opacité des agents artificiels est considérée comme une cause majeure de ces difficultés (Christoffersen & Woods, 2002 ; Dekker & Woods, 2002). En effet, le manque d’informations renvoyées par le système sur son propre fonctionnement et, en amont, par le manque de dialogue possible portant sur le statut de l’information transmise, sont des éléments centraux dans les difficultés rencontrées par les opératrices et opérateurs. Les systèmes complexes actuels ont tendance à développer des cascades de réactions automatiques qui diminuent, voire éliminent la capacité des opérateurs à prédire leur fonctionnement et provoquent des événements démesurés et imprévisibles (Taleb, 2012). Ce manque d’information renvoie à ce que l’on a classiquement appelé « l’opacité du système ». L’opacité des systèmes artificiels a tendance à rendre difficile la compréhension des intentions de ces agents artificiels. Cet état de fait est de nature à engendrer des difficultés d’anticipation/compréhension des actions de mon partenaire artificiel, générant par là même des difficultés en termes de coordination, d’acceptabilité et de sentiment de contrôle. En ce sens, l’intelligibilité des systèmes artificiels (par exemple, le fait de produire un comportement clair, prévisible et compréhensible) constitue un défi majeur par la communauté en ingénierie des systèmes.

Nous pensons qu’il est possible d’utiliser le sens haptique (combinaison du sens du toucher et de la kinesthésie) afin de rendre les systèmes artificiels plus intelligibles, plus prédictibles. Cependant, si nous considérons l’existence d’une communication, alors nous devons pouvoir envoyer et recevoir des messages clairs et complets sans perturber la tâche, ou en tout cas de manière comparable à un partenaire humain. Pour cela, nous souhaitons tout d’abord identifier les informations nécessaires à la coopération. Ensuite, nous souhaitons produire des messages kinesthésiques permettant de transmettre ces informations. Nous ferons notamment évoluer nos modèles pour obtenir un comportement dont le message est le plus clair possible pour l’utilisatrice et l’utilisateur. Le taux de compréhension de ce message chez les personnes testées sera notre mesure principale. Nous espérons ainsi construire un lexique, une base de messages, dont l’utilisation effective autant que la validité sera mesurée statistiquement, le projet étant à terme de combiner ces messages pour construire une communication complexe et augmenter ainsi les capacités de communication des machines lors des interactions humain-robot. Nous appellerons ces messages des unités de sens kinesthésiques. Ces unités pourront s’agencer en messages complexes appelés discours kinesthésiques, autrement dit des enchaînements d’unités de sens kinesthésiques qui mettent au clair l’intention, le statut de l’information. Nous évaluerons finalement l’impact de ces messages sur l’utilisabilité et l’acceptabilité de fonctions d’assistance au pilotage, ainsi que leur impact sur le sentiment de contrôle de l’opératrice et l’opérateur humain.

Les objectifs

L’objectif de ce projet est de rendre intelligible les machines à travers l’interaction kinesthésique. Pour atteindre cet objectif quatre sous-objectifs ont été identifiés :

• définir un cadre théorique de la communication kinesthésique,
• analyser les conditions de l’action conjointe et leurs modèles psychologiques pour l’interaction humain-humain,
• comprendre et modéliser les mécanismes en jeux dans une telle communication (il s’agira de construire un lexique de l’interaction kinesthésique),
• implémenter ce lexique dans des agents artificiels afin d’améliorer leur intelligibilité par l’opératrice et l’opérateur humain et supporter la coopération humain machine.

Les résultats

Le laboratoire a développé un robot permettant d’étudier les interactions à un degré de liberté : SEMAPHORO-1D (Système d’Evaluation de la Manipulation Physique Homme-Robot).

Ce système a permis de mettre en valeur une unité de sens kinesthésique pour la négociation binaire (Gauche-Droite). Cette unité de sens est paramétrable et permet de montrer un comportement plus ou moins dominant (Roche et Saint-Bauzel ICRA19, THRI accepted).  Cette interface a permis aussi d’étudier la notion d’agentivité dans la décision collaborative et a montré à l’heure actuelle que les partenaires virtuelles ne permettent pas de produire un sentiment de contrôle de l’interaction. Ce sentiment de contrôle a été mesuré avec des mesures de l’ « intentional binding » (Grynszpan et al.,  Concog 19). Enfin cette interface à permis de montrer que l’interaction kinesthésique est un moyen implicite et rapide pour transmettre la confiance (Piezzulo, Roche et Saint-Bauzel, Nature ScR 20).

Partenariats et collaborations

Le projet scientifique collaboratif ANR réuni les chercheurs et chercheurs suivant :

• Bruno Berberian, Chargé de Recherche à l’ONERA dans le laboratoire DTIS, spécialisé dans l’ergonomie et la mesure de performance de l’interaction,
• Camille Debras, Maître de Conférences à l’Université Paris-Nanterre, spécialiste en gestualité et linguistique,
• Ouriel Grynszpan, Professeur à l’Université Paris-Saclay – laboratoire LIMSI, spécialisé dans les sciences cognitives et les questions d’intelligence sociale,
• Aliyah Morgenstern, Professeur à l’Université de Paris Nanterre – laboratoire MoDyCo, spécialiste en Linguistique développementale et langue des signes,
• Ludovic Saint-Bauzel, Maître de Conférence à Sorbonne Université – laboratoire ISIR, spécialisés dans les sciences de l’ingénieur et de l’information et les sciences du vivant,
• Claudia Savina Bianchini, Maître de Conférences à l’Université Poitiers – laboratoire FORELLIS, spécialiste de linguistique et plus particulièrement dans la gestualité par la langue des signes.

Ce projet est aussi source d’une collaboration internationale avec :

• Giovanni Pezzulo Chercheur au CNR (Centre National de Recherche Italien) dans le laboratoire ISTC (Institut des Sciences et Technologies de la Cognition).

Micro-chirurgie Robotisée du Cholestéatome

Les interventions chirugicales dans l’oreille moyenne (comme par exemple l’ablation d’un cholestéatome) sont fréquentes et très risquées. Aux difficultés manipulatoires s’ajoutent les problèmes liés à la vision indirecte par microscope. Dans le projet ANR muRocs, nous étudions la faisabilité d’une robotisation du geste de cholestéatomie. Celle-ci passe par la mise en œuvre d’un instrument fin type endoscope polyarticulé porté par un bras porteur. La tâche incombant à l’ISIR dans ce projet est de développer les moyens d’un interfaçage intuitif et performant entre l’opérateur et le système robotisé. En particulier, différents modes de pilotage sont comparés et l’utilisation de l’imagerie multimodale est explorée.

Le contexte

Le cholestéatome est une maladie grave de l’oreille moyenne dont l’incidence est de 1/10000 par an et qui consiste en une croissance cancéreuse des tissus pouvant aller jusqu’à atteindre le cerveau. Le traitement le plus efficace de la maladie à l’heure actuelle est l’opération chirurgicale. Celle-ci consiste à réséquer le cholestéatome (en grattant d’abord puis par ablation laser des résidus) en passant soit par le canal tympanique, soit par un passage fraisé dans la mastoïde. Cette opération est exemplaire des difficultés de la micro-chirurgie : accès étroit, outils peu maniables, tissus fragiles (nerf optique, chaîne tympano-ossiculaire), vision indirecte réduite. En conséquence, le taux d’échec est élevé (25%) et le besoin est grand d’amélioration de la procédure notamment en termes d’instrumentation. Le projet muRocs (consortium ANR PRC 2018, CHU Besançon porteur) vise à robotiser le geste de résection du cholestéatome pour le rendre moins invasif, moins risqué et plus performant. Dans ce projet, l’ISIR s’intéresse à l’ergonomie du nouveau système robotisé, en particulier en termes de commandabilité et d’immersion de l’opérateur dans la scène chirurgicale.

Les objectifs

• Nous souhaitons développer un système dextre capable d’accéder, par voie mini-invasive, à la cavité de l’oreille moyenne et d’atteindre tous les points de cette cavité avec une orientation choisie. Pour ce faire, nous nous orientons vers un ensemble macro-micro composé d’un bras manipulateur prolongé par un instrument fin polyarticulé type micro-endoscope.

• L’exploitation de la structure macro-micro redondante ci-dessus nécessite de mettre au point une interface de pilotage adaptée. Les solutions que nous envisageons de tester sont de deux types : les approches téléopérées et les approches co-manipulées.

• Dans le cadre de la cholestéatomie, il est primordial de parvenir à une résection totale du cholestéatome sous peine de prendre le risque d’une ré-opération du patient à court terme. Pour se faire, outre disposer d’un système robotique suffisamment dextre, il est nécessaire de disposer de moyens fins de visualisation et de repérage du tissu à reséquer. Les modalités endoscopique et OCT sont envisagées.

Les résultats

• Nous avons mis en œuvre un système macro-micro sériel composé du robot Franka à 7 ddl et d’un micro-endoscope de 3mm de diamètre et possédant 2 ddl. Le micro-endoscope a été motorisé et intégré à l’extrémité du bras porteur de façon à constituer une chaîne cinématique redondante à 9ddl entièrement commandable.

• Une étude est en cours pour évaluer différentes solutions de pilotage. Entre autres solutions, la téléopération directe de l’extrémité du dispositif via un joystick à 6 ddl nécessite d’être complétée par une gestion automatique des redondances cinématiques (mouvements internes). La comanipulation du dispositif via une poignée et un capteur d’effort sur le terminal du bras porteur doit quant à elle être complétée par un micro-joystick embarqué pour le pilotage des ddl intracorporels.

• Un premier retour visuel augmenté a été mis au point. Il fusionne les informations issues de la vision endoscopique et de la pose instantanée du robot. Il prend la forme d’une scène numérique 3D temps-réel du site d’opération. L’intégration de la modalité OCT via une sonde embarquée en bout d’instrument est à l’étude.

Partenariats et collaborations

muROCs (Micro-Robot for Cholesteatoma Surgery) est un projet ANR PRC 2018

Le consortium ANR muROCs est porté par le CHU de Besançon (Laurent Tavernier et Olivier Gaiffe).

Il comprend également :

• l’Institut Femto-ST (Nicolas Andreff et Kanty Rabenorosoa),
• l’Institut de l’audition (Yann Nguyen),
• l’ISIR.

Dans ce projet, les partenaires cliniques apportent leur expérience en chirurgie mini-invasive de l’oreille. En particulier, le Dr Nguyen est pionnier en matière de chirurgie robotisée de l’oreille moyenne car il fut un des premiers utilisateurs du robOtol, robot conçu à l’ISIR et commercialisé par la société Collin Médical. Le laboratoire Femto-ST est quant à lui en charge de développer un instrument dextre miniature capable d’atteindre tous les points du site opératoire. Cet instrument est basé sur la technologie hybride câbles – tubes concentriques.

Cathéters pour la NRI actionnés par Alliages à Mémoire de Forme

Pour répondre aux besoins de contrôlabilité en matière d’instruments de neuroradiologie interventionnelle, nous avons développé une méthode brevetée de fabrication de cathéters actifs intégrant des fils en Alliage à Mémoire de Forme (NiTi). Une étape de modélisation poussée a permis d’optimiser les dimensions de ces cathéters actifs qui ont été ensuite testés et validés sur modèles silicone et sur modèle animal. Les plus petits prototypes réalisés présentent des diamètres de l’ordre du millimètre et des angles de courbure supérieurs à 90°. Aujourd’hui, cette technologie a été transférée via la start-up Basecamp Vascular qui industrialise le procédé mis au point.

Le contexte

Le cathétérisme actif solution aux difficultés de la navigation endovasculaire

Actuellement, les cathéters utilisés en cardiologie ou en radiologie interventionnelle (par exemple pour l’embolisation des anévrismes cérébraux) sont des outils complètement passifs, introduits manuellement. De plus, le retour visuel offert aux radiologues durant l’intervention se réduit à des images radio de faible résolution et le plus souvent en 2D. Dans ce contexte, les cathéters sont difficilement contrôlables et leur progression est lente voire impossible jusqu’à la cible anatomique. En neuroradiologie par exemple (navigation jusqu’au cerveau), on estime à 20% le taux d’échec de la navigation du fait d’une anatomie trop tortueuse au niveau des troncs supra-aortique (carotide).

L’ISIR collabore avec le service de neuroradiologie interventionnelle (NRI) de la Fondation Ophtalmologique de Rothschild (FOR) depuis de nombreuses années sur le thème du cathétérisme actif pour la NRI. Le but du projet CATANE est de mettre au point et valider des cathéters motorisés, commandables dans leur partie distale pour améliorer les conditions de navigation artérielle : négociation des embranchements, pointage de la cible. L’approche retenue est celle des actionneurs miniatures à base d’Alliages à Mémoire de Forme (AMF) intégrés directement à l’extrémité des cathéters.

Les objectifs

• Nous visons la mise au point de techniques de réalisation robuste de cathéters ou guides actifs actionnés par fils en AMF intégrés en tête d’instrument. La principale difficulté rencontrée sur ce terrain est celle de la miniaturisation du dispositif d’accrochage des actionneurs à la périphérie de supports dont le diamètre avoisine le millimètre.

• Nous souhaitons également développer des modèles mathématiques du comportement des structures type cathéter ou guide actif. Le but ici est de parvenir à prédire le mouvement que produit une telle structure en réponse à une activation électrique donnée de manière à maîtriser la chaîne de conversion énergétique du signal de commande jusqu’au déplacement.

• Nous cherchons également à utiliser les modèles de comportement établis à des fins de conception optimale. L’actionnement par AMF a pour avantage une grande variabilité de solution en termes de nombre et de localisation des actionneurs. Nous souhaitons donc mettre au point des outils d’optimisation dimensionnelle et topologique des cathéters ou guides actifs pour répondre le plus efficacement possible à un besoin médical donné.

• Enfin, cette recherche adresse également la question de l’Interfaçe Homme-Machine (IHM) de ces dispositifs. Nous voulons proposer les meilleures interfaces de commande possibles dans un contexte d’instruments à multiple degré de mobilité (notamment actifs) et dans un contexte de visualisation de la scène opératoire rendue complexe par la vision radiographique intermittente. Cet aspect s’intègre parfaitement à la problématique générale du cockpit chirurgical développée dans l’équipe.

Les résultats

• Une méthode d’assemblage des cathéters/guides actifs à base de fils en AMF a été mise au point et brevetée. Sur la base de ce procédé différents prototypes ont été réalisé lesquels ont montré de bonnes performances, en particulier en termes de temps de réponse (~1s) et de durée de vie (>100 cycles d’activation). La méthode de réalisation a été brevetée à l’international (WO2011116961A1) et une licence exclusive d’exploitation a été accordée à la société Basecamp Vascular.

• Un modèle analytique de la fonction de transfert de nos cathéters/guides actifs a été développé et validé expérimentalement. Ce modèle a servi de base pour le dimensionnement de dispositifs variés correspondant à des spécialités médicales et des tâches de navigation différentes et présentant chacune des exigences particulières : neuroradiologie interventionnelle, chirurgie vasculaire, intervention des voie billio-pancréatiques.

• Ces dispositifs ont été validés expérimentalement sur fantôme anatomique (par exemple cathéter miniature de diamètre 1,2mm à deux actionneurs AMF pour la navigation dans le réseau artériel crânien) ou sur modèle animal (par exemple un guide actif de diamètre 2,1mm à deux courbures en série pour la navigation dans l’aorte abdominale et ses ramifications.

Partenariats et collaborations

La société Basecamp Vascular industrialise les cathéters actifs de l’Isir.

Le projet CATANE a tout d’abord été soutenu par le labex CAMI (Computer Assisted Medical Interventions) qui a financé le recrutement d’un ingénieur en 2013 puis par la SATT Lutech sous forme d’une aide à la maturation entre 2014 et 1015. Aujourd’hui, les technologies développées et en particulier celle décrite dans le brevet WO2011116961A1, ont été transférées à la start-up Basecamp Vascular créée en 2016. Son président est le Dr Raphaël Blanc, neuroradiologue interventionnel à la Fondation ophtalmologique Rothshild à Paris. Le Dr Blanc est associé au projet CATANE depuis son origine.

Dans ce projet, nous proposons de travailler à faciliter les gestes en chirurgie mini-invasive en abordant plus particulièrement les questions des interfaces et des interactions homme-machine.

Des interfaces modulaires pour faciliter la chirurgie mini-invasive

Ces modules sont conçus pour s’intégrer pleinement dans le parcours de soin et la pratique courante. Pour cela nous adressons tout particulièrement la question des interfaces et des interactions Chirurgien-Machine.

Les principaux thèmes de recherche portent sur :

• La commande de robots porte-instruments comanipulé pour l’assistance aux gestes (guides virtuels),
• La réalité augmentée (affichage et manipulation des objets virtuels dans une scène réelle, interfaces tangibles),
• Les interactions chirurgien-machine (changement de mode de commande, analyse de traces d’apprentissage),
• Les interactions au bloc opératoire (observations, entretiens, protocoles).

Le contexte

La chirurgie ambulatoire permet au patient de regagner son domicile le jour même de son intervention. Cette chirurgie apporte de nombreux bénéfices aux patients comme aux professionnels de santé, en termes de qualité des soins et d’organisation. La chirurgie dite « mini-invasive » est l’une des techniques permettant aux patients d’avoir un temps d’hospitalisation réduit voire d’être pris en charge en ambulatoire.

Le chirurgien pratique de petites incisions (quelques millimètres) qui permettent l’introduction d’une caméra et des instruments opératoires. La manipulation des instruments de chirurgie mini-invasive est compliquée et éprouvante pour le chirurgien : la dextérité est réduite, le champ de vision est limité, la perception des efforts entre les organes et les instruments est considérablement dégradée. Tous ces facteurs conduisent à ce que la chirurgie mini-invasive est sous utilisée dans la pratique clinique.

Les objectifs

L’objectif principal de ce projet est de démocratiser la chirurgie mini-invasive en proposant aux chirurgiens différents modules technologiques combinables entre eux. Il s’agit d’assister le chirurgien en facilitant les gestes et la perception des organes pour qu’il opère de façon mini-invasive aussi facilement qu’en chirurgie ouverte.