Application d'une approche basée sur un modèle pour le développement de robots microchirurgicaux

Les techniques et outils microchirurgicaux permettent aux chirurgiens d’effectuer des procédures complexes sur les nerfs, les vaisseaux sanguins et les minuscules structures des tissus humains avec une précision exceptionnelle. Bien que la microchirurgie soit très prometteuse pour l’amélioration des résultats pour les patients, opérer dans des espaces de travail étroitement contraints à des échelles submillimétriques nécessite une stabilité et une dextérité extraordinaires. Un chirurgien qualifié peut connecter des vaisseaux d’un diamètre compris entre 0,3 et 0,8 millimètres (mm). Cependant, le tremblement physiologique inévitable de la main du chirurgien limite l'efficacité de telles procédures d'anastomose. De plus, les défis liés à l’espace de travail et à la cinématique dans une anatomie confinée peuvent nécessiter plusieurs itérations de design, à la fois longues et coûteuses.

Les robots microchirurgicaux peuvent aider les chirurgiens à surmonter les limitations imposées par les espaces de travail étroits, les tremblements des mains et la fatigue. Le design de ces robots introduit cependant une nouvelle série de défis. Premièrement, pour réduire le temps passé par les chirurgiens à apprendre de nouveaux outils, les robots doivent être capables d’assister différents types de procédures, et non pas une seule. Deuxièmement, contrairement aux robots industriels utilisés dans des espaces de travail sans humains à proximité, les robots microchirurgicaux sont utilisés directement sur des humains et doivent donc être conçus avec la sécurité des patients comme priorité absolue. Enfin, pour minimiser les dommages aux tissus et réduire les temps de récupération des patients, les robots doivent être peu invasifs, travaillant idéalement à travers une seule et petite incision.

De nombreuses décisions de design reposent sur la minimisation du caractère intrusif tout en garantissant au chirurgien suffisamment de degrés de liberté pour effectuer les procédures efficacement. Il n’existe pas de réponse universelle à cette question de compromis et, par conséquent, les équipes de design de robots microchirurgicaux se sont souvent largement appuyées sur des approches d’essais et d’erreurs. Elles doivent spécifier les exigences, créer un design pour répondre à ces exigences, puis assembler un prototype. Les équipes de design testent ensuite le prototype pour affiner davantage les exigences avant de répéter ce cycle. Souvent, plusieurs itérations de ce cycle sont nécessaires et les temps de cycle sont ralentis par la nécessité de créer ou de reconstruire le prototype hardware à chaque itération.

À l’Université du Zhejiang, mes collègues et moi avons appliqué une approche centrée sur le design et basée sur des modèles, au développement de systèmes pour la chirurgie mini-invasive assistée par robot. En utilisant cette approche, nous avons récemment conçu un manipulateur robotique pour les procédures d'anastomose et d'ophtalmologie basé sur une structure en parallélogramme. Nous avons effectué des analyses informatiques et des tests de simulation avec Simulink^® et Simscape Multibody™ pour visualiser la trajectoire de l'effecteur final du manipulateur et confirmer que le design répond aux exigences de sécurité et d'opérabilité chirurgicale (Figure 1). Cette approche accélère le développement et nous permet d'identifier et de résoudre de nombreux problèmes de design avant d'investir du temps et des ressources dans la construction d'un prototype hardware.

Design de la structure mécanique

Nous avons commencé notre processus de conception en définissant les exigences et les objectifs de design du manipulateur microchirurgical. Ceux-ci comprenaient, par exemple, un objectif de précision inférieur à 10 micromètres pour la pointe, une plage de mouvement de 20 x 20 x 20 mm et un mécanisme de changement rapide pour l'effecteur final du système qui permettra aux chirurgiens de remplacer rapidement les instruments au cours d'une procédure.

Un élément clé du design du système est le mécanisme de centre de rotation distant (RCM), qui limite les degrés de liberté (DOF) de l'instrument à trois DOF ​​de rotation (ψ, ϕ, et θ) autour de l'incision et un DOF translationnel (Z) dans le sens de l'insertion de l'instrument. Nous avons conçu une structure à double parallélogramme qui permet le mouvement de l'effecteur final dans tout l'espace de travail avec les plages de mouvement suivantes : ψ : ±45° ；ϕ : ±75° ；θ : 360° ;  Z : 32 mm. Après avoir d'abord analysé cette structure via un modèle mathématique basé sur les premiers principes, nous avons créé un assemblage CAO dans SolidWorks^® (Figure 2).

Réalisation d’une analyse basée sur la simulation dans Simscape Multibody

L’étape suivante consistait à exporter l'assemblage CAO depuis SolidWorks à l'aide du plug-in Simscape Multibody Link, puis à importer le fichier de description multicorps XML résultant dans Simscape Multibody pour créer un modèle Simscape™ de notre design (Figure 3). Nous avons ajouté des moteurs au niveau des articulations ϕ, ψ et Z pour le contrôle du mouvement et effectué plusieurs simulations à l'aide d'un capteur de position pour suivre la position et le mouvement de l'effecteur final.

En analysant et en traçant les résultats de ces simulations dans MATLAB^®, nous avons visualisé la portée de l'effecteur terminal dans l'espace cubique pour les procédures d'anastomose et dans l'espace sphérique pour les procédures ophtalmiques (Figure 4). Il s'agit de garantir la sécurité du patient et une forte probabilité de succès chirurgical, tous les points de l'anatomie étant accessibles au cours d'une procédure. Cette évaluation nécessite d'utiliser la cinématique du robot pour développer un nuage de points et évaluer les trajectoires observées lors des interventions chirurgicales traditionnelles.

Figure 4. Plusieurs vues de l'espace de travail pour les procédures ophtalmiques (gauche) et les procédures d'anastomose (droite).

Nous avons également effectué des simulations dans lesquelles nous avons suivi le mouvement et la trajectoire de l'effecteur final, par exemple, pour confirmer que le design répondait aux exigences chirurgicales d'un mouvement d'arc à la surface de l'œil (Figure 5).

Principaux avantages d'une approche basée sur un modèle

Dans notre recherche, nous voyons plusieurs avantages clés à l’approche basée sur un modèle que nous avons adoptée. L’un des plus précieux est la possibilité d’itérer rapidement le design pour s’assurer qu’il est entièrement fonctionnel dans le domaine numérique avant de passer à une implémentation physique. C'est une chose de créer un design sur papier ou dans un logiciel de CAO et de savoir qu’il devrait fonctionner en théorie, mais lorsque nous le voyons fonctionner dans un environnement virtuel via la simulation avec Simulink et Simscape, nous obtenons inévitablement des informations supplémentaires pour l'améliorer.

Grâce aux modèles numériques facilement disponibles dans l'approche basée sur des modèles, nous pouvons réduire encore davantage les délais de développement en utilisant la technologie d'impression 3D pour un prototypage rapide du mécanisme du robot en combinaison avec l'analyse de simulation. Les tests matériels du design dérivé de l'approche basée sur un modèle montrent que le prototype maintient avec succès le point RCM sur l'œil du patient (Figure 6).

De plus, travailler dans Simulink et Simscape permet aux nombreux étudiants qui travaillent dans notre équipe de se mettre à jour et de coordonner plus facilement leurs efforts. Les étudiants passent de projet en projet avant d'obtenir leur diplôme, et une approche basée sur un modèle les aide à transmettre ce qu'ils ont fait aux autres. Les modèles sont plus faciles à expliquer et à comprendre, de sorte que lorsque le groupe suivant souhaite étendre ou généraliser le travail de l’équipe précédente, il sait par où commencer et quoi faire.

Enfin, maintenant que nous avons démontré la faisabilité du design mécanique, nous sommes prêts à commencer le développement du système de contrôle et, ce faisant, à optimiser davantage la structure. L’approche Model-Based Design avec MATLAB et Simulink contribuera à ces deux efforts, nous permettant de valider la sécurité du système complet via la simulation et de raccourcir le cycle de développement global.