Équipe AVR - Automatique Vision et Robotique

Chirurgie transluminale

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Contexte

La chirurgie abdominale par voie transluminale est une approche révolutionnaire qui consiste à introduire les instruments dans la cavité abdominale par un orifice naturel du patient à l'aide d'un endoscope flexible. Après incision d'une paroi interne (estomac, paroi interne du vagin, colon), l'endoscope flexible est amené dans la cavité abdominale jusqu'à l'organe cible (appendice, vésicule biliaire, ovaires...). Cette approche permet d'effectuer des diagnostics grâce au retour visuel offert par l'endoscope, mais également des actions thérapeutiques avec l'utilisation de micro-instruments de chirurgie. Les essais menés jusqu'à présent ont été réalisés pour la plupart à l'aide d'outils de gastroentérologie : des gastroscopes munis de un à deux canaux opérateurs permettant le passage de micro-instruments. L'approche transluminale, qui ne nécessite aucune incision dans la paroi abdominale contrairement à la laparoscopie ou la chirurgie ouverte, est indolore et permet un rétablissement immédiat du patient.

La chirurgie abdominale par voie transgastrique telle que pratiquée aujourd'hui est à la frontière entre deux spécialités médicales. En effet, elle a pour but le traitement thérapeutique des organes de la cavité abdominale, spécialité des chirurgiens abdominaux, mais elle utilise les outils et emprunte les voies naturelles de gastroentérologie propre aux gastroentérologues. Les gastroscopes utilisés pour effectuer les opérations ont une partie distale active orientable selon deux directions orthogonales à l'aide de deux molettes présentes sur la poignée. Cette interface de contrôle n'est pas intuitive. Une fois le gastroscope introduit dans le patient, la navigation jusqu'à la zone d'intervention ne se fait qu'à partir du retour visuel offert par la caméra de l'endoscope. L'interface non-intuitive et le peu d'information visuel font du gastroscope un outil difficile à manier pour un non initié. Les chirurgiens doivent être formés et entraînés à l'utilisation de gastroscope pour atteindre la dextérité nécessaire au bon déroulement de l'intervention. De plus, une intervention par l'approche transgastrique nécessite l'utilisation simultanée du gastroscope et de micro-instruments de chirurgie. La présence et la coordination de plusieurs praticiens (un par instrument et un pour l'endoscope) sont alors indispensables pour accomplir l'opération. Les mouvements physiologiques des organes et du patient (respiration, mouvements du corps) sont des sources de perturbations sur l'endoscope flexible. La compensation de ces perturbations nécessite une coordination entre vision et mouvement de l'endoscope très complexe. Une bonne précision requiert donc un entraînement poussé du chirurgien. Il est intéressant d'envisager des solutions robotiques pour simplifier l'utilisation de tels outils.

Objectifs et Problématiques

  • Apports de solutions d'assistance aux chirurgiens par l'utilisation de systèmes robotiques
  • Automatisation de mouvements en endoscopie flexible
  • Compensation des mouvements respiratoires en endoscopie flexible
  • Suivi d'indices visuels et d'instruments chirurgicaux dans les images endoscopiques


Travaux réalisés

Développement d'un endoscope motorisé

La première étape du projet a consisté à motoriser un gastroscope classique. Les molettes servant à orienter manuellement la tête de l'endoscope selon deux directions orthogonales ont été remplacées par deux moteurs. La commande du système est possible en utilisant une manette (type joystick) ou en définissant une consigne de direction directement dans l'image endoscopique. Pour ce prototype, l'enfoncement et la rotation de l'endoscope restent manuelles, de même que la manipulation des instruments de diagnostic ou d'intervention dans les canaux opérateur de l'endoscope. Les tests effectués in vivo à l'IRCAD sur un sujet porcin ont montré l'intérêt d'un tel système pour améliorer le déplacement et le contrôle de l'endoscope autour d'une position de travail nominale.

Compensation de mouvements physiologiques

Malgré la motorisation partielle de l'endoscope, les interventions à l'aide d'endoscopes flexibles restent très délicates. Deux principales difficultés ont été identifiées. L'une est liée aux mouvements physiologiques. Lors d'une opération de découpe ou de brulure par exemple, le praticien doit simultanément agir sur l'instrument pour réaliser la tâche et manipuler l'endoscope pour le stabiliser par rapport à la cible anatomique qui est en mouvement du fait de la respiration du patient. La seconde difficulté provient du fait que les mouvementa appliqués sur le corps de l'endoscope par l'utilisateur au niveau de sa partie proximale (enfoncement) résultent en des mouvements difficilement prédictibles au niveau de la tête de l'endoscope (la forme de l'endoscope est imposée par les contacts avec les organes environnants).

Pour apporter des éléments de réponse à ces problématiques, nous avons basé nos travaux sur les asservissements visuels. L'idée générale est de créer un lien virtuel entre la caméra endoscopique et une cible anatomique identifiée, de sorte que les mouvements physiologiques et les mouvements appliqués sur l'endoscope soient efficacement et automatiquement rejetés. Ainsi, l'utilisateur de l'endoscope n'a plus besoin de se préoccupper du suivi de la cible mais seulement de la manipulation des instruments. L'utilisation des informations visuelles fournie par la caméra endoscopique est particulièrement adaptées pour atteindre cet objectif, puisqu'elle fournit directement une relation entre position de la cible et de l'endoscope.

Extraction de l'information visuelle

La cible anatomique est définie par l'utilisateur en sélectionnant une fenêtre rectangulaire dans les images endoscopiques. Cette zone sert ensuite de référence à des algorithmes de suivi visuel. L'utilisateur peut redéfinir la référence à tout moment. La position de consigne de la région d'intérêt dans l'image est également définie en cliquant dans l'image endoscopique.

Commande répétitive

Dans une première approche nous avons développé un asservissement visuel classique qui permet d'asservir la région d'intérêt dans l'image. Toutefois, les imperfections mécaniques du système (jeux, zones mortes, retards) limitent fortement le compromis entre bande passante et stabilité de l'asservissement et ne permettent pas de rejeter les perturbations décrites précédemment.

Afin de rejeter efficacement les perturbations liées au mouvement respiratoire, l'asservissement visuel a donc été couplé à un mécanisme de commande répétitive. Deux types de correcteurs ont été implémentés et testés : un correcteur de type PRC (Prototype repetitive Controller) et un correcteur de type prédictif (GPC) associé à un modèle de perturbation périodique. Ces correcteurs offrent des comportements très similaires en rejet de perturbations périodiques.

Les vidéos suivantes montrent des tests effectués in vivo à l'ircad en utilisant un correcteur PRC.

[1]

Les résultats obtenus pour le suivi d'organes sont très satisfaisants. Toutefois plusieurs comportements doivent être améliorés pour envisager une utilisation clinique du système.

  • Le réglage des correcteurs nécessite de connaître un modèle du système endoscopique. Or, les gains du système dépendent de la distance de la caméra endocopique à l'organe, qui est généralement inconnue. Un mauvais réglage peut potentiellement rendre le système instable.
  • Le comportement en suivi de consigne du correcteur PRC est problématique car les consignes sont suivies avec une période de perturbation de retard (de l'ordre de 4s).
  • Le comportement des correcteurs en rejet de perturbations non périodiques est gênant : ces perturbations sont considérées comme périodiques et ne sont rejetées qu'après un période de la perturbation périodique.

Ces limitations sont particulièrement gênantes en endoscopie flexible où la caméra est embarquée sur le système portant les instruments. Ainsi, dans le cas de notre endoscope motorisé, l'enfoncement de l'endoscope est contrôlé manuellement et ces mouvements manuels agissent comme des perturbations inconnues et non périodiques sur l'asservissement visuel et induisent des modifications de profondeur (et donc de modèle).

Identification in situ du modèle du système

L'estimation de la profondeur qui intervient dans le modèle du système est un problème délicat. D'autre part l'endoscope a également un comportement non linéaire (jeux aux changements de direction) en raison de la perte de tension des câbles reliant la tête aux moteurs. Ces jeux dépendent de la configuration de la tête de l'endoscope mais aussi de la forme du corps de l'endosocope. Comme celle-ci est généralement inconnue et imposée par les organes, il est très difficile d'obtenir un modèle précis du système.

Nous avons donc opté pour une estimation in situ des jeux (largeur de l'hystéresis) et de la matrice de gains statique reliant la vitesse des moteurs à la vitesse de la cible dans l'image. Cette estimation est réalisée une fois que l'endoscope a été amené près de sa position de travail et que la cible a été définie par l'utilisateur. Les gains et jeux sont estimés en mesurant les déplacements de la cible lors de mouvements en boucle ouverte contrôlés. La principale difficulté ici réside dans la présence des mouvements respiratoires qui perturbent la mesure. L'effet de la perturbation est donc initialement appris lorsque l'endoscope n'est pas actionné, puis elle est soustraite des mouvements mesurés lors du déplacement de l'endoscope.

Cette technique d'estimation in situ permet d'utiliser le système sans avoir besoin de régler quoi que ce soit dans le correcteur. Ce travail a été soumis à la revue IEEE Transactions on Robotics. La vidéo suivante montre le comportement en rejet de perturbation périodique dans le cas d'un apprentissage in situ automatique. Contrairement à la vidéo précédente, aucun réglage n'est nécessaire ici.

[2]

Améliorations de la commande répétitive

Les perturbations engendrées par le déplacement manuel de l'endoscope peuvent être décomposées selon 2 axes : les changements de profondeur selon l'axe de la caméra et les perturbations perpendiculaires à cet axe. Nous avons développé des algorithmes de commande permettant de gérer au mieux ces 2 types de perturbations. Les variations de profondeur sont estimées à partir des modifications de la cible anatomique dans l'image en utilisant un modèle de transformation homographique. Ces variations de profondeur sont utilisées pour mettre à jour le tampon des commandes passées intervenant dans l'algorithme de commande répétitive, de sorte que les actions appliquées correspondent à la nouvelle profondeur de la cible (L.Ott et al. TBME09). Ce travail a reçu le prix du meilleur papier étudiant à la conférence Biorob08 (L.Ott et al., Biorob 08).

La commande répétitive classique ne permet pas de rejeter l'autre partie des perturbations ou produit des répétitions inappropriées. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un algorithme de commande à commutation. Un observateur permet de détecter l'arrivée d'une perturbation non prévue. La commande répétitive est alors déroutée pour une période, ce qui évite de répéter les actions de commandes de rejet de cette perturbation (L.Ott et al., Icra09 et ECC09).

Ces algorithmes de commande ont été testés avec succès lors de plusieurs opérations in vivo menées sur modèle porcin à l'IRCAD à Strasbourg. Les améliorations dans le rejet des perturbations dues au mouvement manuel de l'endoscope sont importantes et n'affectent pas le rejet des perturbations prédites. Ainsi, la vidéo suivante montre la différence de comportement du système avec et sans commutation dans le cas d'une perturbation appliquée sur l'endoscope.

[3]

Conclusion

L'ensemble de ces résultats montre la faisabilité d'un couplage entre commande manuelle et automatique d'un endoscope flexible. Il est donc tout à fait possible d'envisager un mode de commande coopératif chirurgien / asservissement visuel pour les endoscopes flexibles pour des applications intraluminales (gastroscopie) ou transluminales.

Développement d'un système télémanipulé pour la chirurgie transluminale

Développement d'un système robotique pour la chirurgie à trocart unique

Participants

  • Doctorants :
    • L. Ott
    • N. Masson
    • B. Bardou


Proposition de thèse en lien avec le projet

Descriptif du sujet

Ce sujet de thèse sera financé par un CDD du CNRS et sur le projet ISIS du pôle de Compétitivité sur les Innovations Thérapeutiques "Alsace - Biovalley" Les dossiers de candidature doivent être envoyés avant le 30 avril 2010 à
Pr. Michel de Mathelin
IRCAD,
1 place de l'hôpital
67091 Strasbourg Cedex

N'hésitez pas à nous contacter si vous avez besoin d'aide pour les compléter.



Publications en lien avec le projet

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Partenaires

  • [IRCAD] (Institut de Recherche contre les Cancers de l'Appareil Digestif, Dir. Pr. J. Marescaux)
  • Karl Storz

Financements

  • Projet Anubis dans le cadre du pôle de compétitivité "Innovations thérapeutiques"
  • Projet Isis dans le cadre du pôle de compétitivité "Alsace - Biovalley"
  • Région Alsace via l'attribution d'allocations pour les doctorants

Contacts