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WO2019081850A1 - Système médical - Google Patents

Système médical

Info

Publication number
WO2019081850A1
WO2019081850A1 PCT/FR2018/052640 FR2018052640W WO2019081850A1 WO 2019081850 A1 WO2019081850 A1 WO 2019081850A1 FR 2018052640 W FR2018052640 W FR 2018052640W WO 2019081850 A1 WO2019081850 A1 WO 2019081850A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
medical device
signal
medical
depth
force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2018/052640
Other languages
English (en)
Inventor
Maurice Bourlion
Olivier Frezal
Guillaume Morel
Stéphane BETTE
Thibault CHANDANSON
Florian RICHER
Valentin KERSPERN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
SpineGuard SA
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
SpineGuard SA
Sorbonne Universite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to JP2020522908A priority Critical patent/JP7703323B2/ja
Priority to IL274108A priority patent/IL274108B2/en
Priority to BR112020008009-8A priority patent/BR112020008009A2/pt
Priority to MX2020004222A priority patent/MX2020004222A/es
Priority to SG11202003597RA priority patent/SG11202003597RA/en
Priority to US16/757,937 priority patent/US11399902B2/en
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM, SpineGuard SA, Sorbonne Universite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to EP18808424.8A priority patent/EP3700417A1/fr
Priority to CN201880078867.5A priority patent/CN111542266B/zh
Publication of WO2019081850A1 publication Critical patent/WO2019081850A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US17/334,566 priority patent/US11344372B2/en
Priority to US17/659,167 priority patent/US20220233250A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
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    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the invention relates to a medical system.
  • the invention relates to a medical system of the type comprising: - a robotic arm comprising a base and an effector member, the robotic arm being configured to allow movement of the effector member relative to the base,
  • control unit connected to the robotic arm and configured to deliver a control signal which controls the displacement of the effector member relative to the base.
  • the invention is particularly applicable to the field of surgery in which the robotic arm controlled by means of the control unit is used to assist a surgeon in performing at least part of his movements, during surgery on an anatomical structure.
  • the use of such a medical system aims in particular to improve the accuracy of the gesture and to prevent damage to particularly sensitive tissues of the anatomical structure.
  • the medical system can be used to control a movement of a medical device, whether it is an implant or a tool or a medical or surgical instrument, in relation to a structure bone as an anatomical structure.
  • the medical system can then limit the risks of damage associated with the attack of functional tissues, such as nervous system tissues, near the bone structure.
  • the importance of controlling the movement of the medical device is even greater than it may be to fix an implant in the pedicle of a vertebra of the spine, in the immediate vicinity of the functional tissues that are the spinal cord , nerve endings and vascular structures.
  • the movement of the medical device is generally controlled by a navigation system comprising a tracking device and a display device.
  • the tracking device generally comprises targets, of any suitable nature, integral with the medical device and one or more target detection organs.
  • the control unit can thus detect a position of the medical device in a reference frame determined by the tracking device and display it on the display device in superposition with a representation of the anatomical structure.
  • Such a medical system requires a navigation device providing a very accurate representation of the anatomical structure.
  • Such a representation is usually the result of acquiring a large number of images in ways that expose the patient and medical staff to significant amounts of harmful radiation, such as X-rays.
  • harmful radiation such as X-rays.
  • the known medical system presents a risk to the health more or less long terms of the patient and the medical staff.
  • the invention aims to overcome the problems mentioned above.
  • the invention proposes a medical system of the aforementioned type further comprising a medical device intended to penetrate into an anatomical structure, the anatomical structure comprising different media and having a variable electrical characteristic according to the capabilities of the media to conduct a electric current, the medical device comprising a body adapted to penetrate the anatomical structure, the medical device being configured to emit a variable warning signal according to the electrical characteristic when the body is moved in the anatomical structure, the medical device being connected to the control unit,
  • the body of the medical device extends between a distal end intended to come into contact with the anatomical structure and a proximal end opposite the distal end, and has an outer surface, the body comprising:
  • At least one first electrode comprising a first contact surface arranged on the outer surface of the body, at the distal end, to come into contact with the anatomical structure
  • At least one second electrode comprising a second contact surface arranged on the outer surface of the body, at the distal end, to come into contact with the anatomical structure at a distance from the first contact surface
  • the medical device further comprises:
  • an electrical generator connected to the first and second electrodes and adapted to apply at least one electrical measurement current between the first and second contact surfaces
  • a processing device connected to the electrical generator and to the first and second electrodes and adapted to determine a measurement parameter relating to the electrical characteristic from said at least one electric measuring current, and to output the warning signal corresponding to the measurement parameter
  • control unit is configured to output the control signal according to the warning signal.
  • the invention makes it possible to control the movement of the robotic arm from a feedback loop based on a warning signal representative of the relative position of the body of the medical device and the anatomical structure.
  • control made from the actual position of the body of the medical device relative to the anatomical structure improves the reliability and safety of the medical system.
  • it eliminates the use of a navigation device or, at least, to use navigation devices based on a less accurate representation of the anatomical structure, for example resulting from the acquisition of MRI or ultrasound images. It is thus possible to limit or even eliminate the harmful radiation to which the patient and the medical staff can be subjected so as to reduce the risks to their health.
  • the body of the medical device may extend in a direction of penetration and the control signal may include instructions for:
  • the displacement of the body comprises a plurality of displacement parameters among which the direction of penetration, one of the direction of advance and a direction of recoil opposite to the direction of advance of the direction of penetration, one of a variable speed of advance and a variable advance effort.
  • the aforementioned provisions make it possible in particular to modify at least one of the displacement parameters when a critical position of the body of the medical device with respect to the anatomical structure is detected via the crossing of the critical threshold by the warning signal.
  • the control signal may include instructions for stopping the movement of the medical device body relative to the anatomical structure when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the control signal may include instructions for moving the body in the direction of recoil of the penetration direction when the warning signal reaches the critical threshold.
  • control signal may comprise instructions for limiting one of the advance speed and the advance force of the body of the medical device in the direction of advance when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the body of the medical device may be mounted on the effector member of the robotic arm and the control signal may include instructions for moving the effector member in the advancing direction as long as the warning signal does not reach the critical threshold.
  • the control signal may then include instructions for, as long as the warning signal does not reach the critical threshold:
  • the medical system may be implemented in the context of co-manipulation by being adapted to allow movement of the body of the medical device by an external action exerted on the medical device.
  • Co-manipulation here means the simultaneous manipulation of the body of the medical device by the robotic arm and another agent exerting the external action.
  • the effector member of the robotic arm may then include a stop member and the control signal may include instructions for contacting the abutment member of the effector member with the medical device when the warning signal reaches the threshold. critical.
  • the robotic arm may comprise segments and joints connecting the segments to each other, at least one of the joints being equipped with at least one reversible actuator controlled by the control signal, the control signal comprising instructions for allowing the effector member to be displaced by an external action exerted on the effector member as long as the warning signal does not reach the critical threshold.
  • control signal may include instructions for, when the warning signal reaches the critical threshold:
  • the effector member of the robotic arm may comprise a duct adapted to receive the body of the medical device.
  • a portion of the conduit and in particular an upper edge defining an upper opening through which the body of the medical device is inserted into the conduit may form the abutment member used to control the movement of the medical device body when the signal of warning reaches the critical threshold.
  • the effector member may comprise a support movable relative to the conduit and the body of the medical device may be mounted on the support, the control signal comprising instructions to move the support relative to the conduit.
  • the medical system may comprise a force measuring device connected to the control unit and configured to emit a force signal corresponding to a force exerted on the body of the medical device, the control unit being configured to deliver the control signal according to the effort signal.
  • the control signal may include instructions for:
  • the control signal may include instructions for stopping the movement of the medical device body relative to the anatomical structure when the effort signal reaches the stress threshold.
  • control signal may include instructions for moving the body in the direction of recoil of the penetration direction when the force signal reaches the force threshold.
  • control signal may comprise instructions for limiting one of a speed of advance and a force advance of the body of the medical device in the direction of advance when the signal of effort reaches the effort threshold.
  • the medical system may include a depth sensing device connected to the control unit and configured to output a depth signal corresponding to a depth at which the body of the medical device has penetrated the anatomical structure, the control unit being configured to output the control signal as a function of the depth signal.
  • the control signal may include instructions for:
  • the control signal may include instructions for stopping the movement of the medical device body relative to the anatomical structure when the warning signal reaches the depth threshold.
  • control signal may include instructions for moving the body in the direction of recoil of the penetration direction when the depth signal reaches the depth threshold.
  • control signal may comprise instructions for limiting one of the advance speed and the forward force of the body of the medical device in the direction of advance when the depth signal reaches the depth threshold.
  • warning signal providing information on the electrical characteristic of the medium with at least one of the force and depth signals to discriminate between different media having similar electrical current carrying capabilities or to define more precisely a position of the body relative to the anatomical structure so as to adapt the control signal accordingly.
  • a plurality of predefined signatures may be registered in the control unit, each signature comprising a reference warning signal resulting from a variation of a measurement parameter relating to the electrical characteristic during a penetration of the body of the medical device in an anatomical reference structure.
  • the control signal may comprise a plurality of sets of displacement parameters, each set of displacement parameters being associated with one of the signatures.
  • the control unit can then be configured to:
  • each signature may further include at least one of:
  • a reference force signal resulting from a variation of a force parameter relative to the force exerted on the body of the medical device during a penetration of the body of the medical device into the reference anatomical structure
  • a reference depth signal resulting from a variation of a depth parameter relative to the depth at which the body of the medical device has penetrated into the anatomical reference structure.
  • the displacement parameters of each set may be different from the displacement parameters of the other sets.
  • Each signature may include in particular one or more critical thresholds and, where appropriate, one or more depth thresholds and one or more effort thresholds.
  • the anatomical structure may comprise a first medium having a first ability to conduct the electric current and a second medium having a second ability to conduct the electric current, the first capacitance being lower than the second capacitance.
  • the control unit can then be configured to detect an interface between the second medium and the first medium when the warning signal varies in a first direction of variation and exceeds a first critical threshold.
  • the anatomical structure may be a bone structure with cortical bone as the first medium and cancellous bone as the second medium.
  • a parameter A representative measurement of the conductivity as an electrical characteristic can then be selected and the interface between the cancellous bone and the cortical bone can be detected when the warning signal decreases below the first critical threshold.
  • the first medium may form a boundary with a third medium comprising a fluid having a third ability to conduct the current, the third capacity being greater than the first and second abilities.
  • the control unit can then be configured to detect a gap in the first medium when, after having varied in the first direction of variation with respect to the first critical threshold, the warning signal varies in a second direction of variation opposite to the first one. direction of variation and exceeds a minimum value of the measurement parameter representative of the second medium with a determined difference.
  • the control unit assigns an initial value to the minimum value of the measurement parameter and continuously measures a current value of the measurement parameter. As long as the warning signal does not exceed the determined deviation, if the current value of the measurement parameter is lower than the minimum value of the measurement parameter, the control unit assigns the current value of the measurement parameter to the value minimum of the measurement parameter.
  • the cortical bone may form a boundary to a third medium consisting of soft tissues and blood.
  • the gap in the cortical bone can be detected when the warning signal increases above the minimum value of the representative conductivity of the cancellous bone and with a determined difference.
  • the body of the medical device may have a longitudinal axis and the medical device may further comprise a driving device configured to drive the body in rotation about the longitudinal axis, the control signal including instructions for:
  • Each signature may include at least one training speed
  • the control signal may include instructions for interrupting the rotation of the medical device body when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the control signal may include instructions for driving the body in a second direction of rotation, the second direction of rotation being opposite the first direction of rotation, when the warning signal reaches the critical threshold.
  • control signal may comprise instructions for limiting the driving speed of the body in the first direction of rotation when the warning signal reaches the critical threshold.
  • control signal could include instructions to increase the driving speed in the first direction of rotation when the warning signal reaches the critical threshold and / or, where appropriate, when the force signal reaches the force threshold and / or when the depth signal reaches the depth threshold, in particular to facilitate the penetration of the body into the anatomical structure.
  • the measurement parameter can be an electrical voltage, an intensity of the electric current, the electrical characteristic itself chosen from conductivity and resistivity, or be the result of a treatment, such as an integration, an average or other, one or more electrical measuring currents. An absolute value at a given instant or a variation over a given period can then be compared with the corresponding critical threshold.
  • the measuring electric current has a measurement period less than the ratio of a critical distance of the body of the medical device in the direction of advance of the penetration direction to the advancing speed of the body of the medical device, the critical distance being in particular less than or equal to 1 mm.
  • the electrical generator can be connected to the control unit and the control unit can be adapted to measure the advance speed of the body of the medical device and to control the electrical generator to apply the electrical measurement current.
  • the robotic arm may extend from the base to an effector end opposite the base, the effector member being disposed at the effector end of the robotic arm.
  • the invention can be implemented in a method of penetrating a body of a medical device into an anatomical structure comprising different media and having a variable electrical characteristic depending on the capabilities of the media to conduct an electric current, the penetration method providing for:
  • a control unit delivering a control signal as a function of the warning signal.
  • the penetration process can provide for:
  • the penetration method can provide for stopping the movement of the body of the medical device relative to the anatomical structure when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the penetration method may provide for moving the body in a direction of retreat of the penetration direction, the direction of recoil being opposite the direction of advance, when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the penetration method can provide for limiting one of a feed rate and an advance force of the body of the medical device in the direction of advance when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the penetration method may include mounting the body of the medical device on the effector member of the robotic arm and moving the effector member in the advancing direction as long as the warning signal is not reached. not the critical threshold.
  • the penetration method may provide for movement of the body of the medical device by an external action on the medical device and placing an end member of the effector member in contact with the medical device when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the effector member of the robotic arm may comprise a duct adapted to receive the body of the medical device.
  • the effector member may comprise a support movable relative to the duct and the body of the medical device can be mounted on the support, the penetration method can provide to move the support relative to the conduit.
  • the medical system may comprise a force measuring device connected to the control unit and configured to emit a force signal corresponding to a force exerted on the body of the medical device, the penetration method providing for delivering the signal of control according to the effort signal.
  • the penetration process can provide for:
  • the medical system may include a depth sensing device connected to the control unit and configured to output a depth signal corresponding to a depth at which the body of the medical device has penetrated the anatomical structure, the penetration method providing for output the control signal as a function of the depth signal.
  • the penetration process can provide for:
  • the penetration method may provide for rotating the body of the medical device about a longitudinal axis of the body in a first direction of rotation at a driving speed.
  • the penetration method may provide for interrupting the rotation of the body of the medical device when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the penetration method may provide for driving the body in a second direction of rotation, the second direction of rotation being opposite the first direction of rotation, when the warning signal reaches the critical threshold.
  • the penetration method can provide for limiting the driving speed of the body in the first direction of rotation when the warning signal reaches the critical threshold.
  • FIG. 1 is a representation of a medical system according to a first embodiment of the invention, the medical system comprising a robotic arm and a medical device connected to a control unit, the medical device comprising a body adapted to penetrate in an anatomical structure having a variable electrical characteristic, the medical device emitting a variable warning signal according to the electrical characteristic, the medical device being mounted on an effector member of the robotic arm and the control unit delivering a control signal which controls a displacement of the effector member relative to a base of the robotic arm according to the warning signal, in particular to modify a displacement of the body of the medical device when the warning signal reaches a critical threshold,
  • FIG. 2 is a representation of the medical device of the medical system of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a representation of a medical system according to a second embodiment of the invention, the body of the medical device being displaced by an external action exerted on the medical device, the body of the medical device being inserted in a conduit. mounted on the effector member, the control unit delivering the control signal according to the warning signal, in particular for modifying a displacement of the body of the medical device when the warning signal reaches the critical threshold,
  • FIG. 4 is a representation of a medical system according to a third embodiment of the invention, the effector member comprising a conduit and a support movable relative to the conduit, the body of the medical device being mounted on the support and the control signal including instructions for moving the carrier relative to the conduit,
  • FIG. 5 is a representation of the evolution of at least one of the displacement parameters chosen from a feed rate and a driving speed of the body of the rotating medical device as a function of the evolution of the electrical characteristic during body penetration into a vertebral pedicle from an entry point into an outer layer of cortical bone to a first exit point in the outer layer of cortical bone opposite the entry point , FIG.
  • FIG. 6 is a representation of the evolution of at least one of the displacement parameters chosen from a feed rate and a rotational speed of the body of the medical device as a function of the evolution of the electrical characteristic at during the penetration of the body into a vertebral pedicle from the point of entry into the outer layer of cortical bone to a second exit point in an inner layer of cortical bone delimiting the vertebral foramen,
  • FIG. 7 is a representation of the evolution of at least one of the displacement parameters chosen from a feed rate and a rotational speed of the body of the medical device as a function of the evolution of the electrical characteristic at during the penetration of the body into a vertebral pedicle from the point of entry into the outer layer of cortical bone to a depth threshold,
  • FIG. 8 is a representation illustrating a use of the warning signal to detect a slippage of the body of the medical device on the outer layer of cortical bone and to deliver one of the displacement parameters chosen from a speed of advance and a rotational speed of the body of the corresponding medical device,
  • FIG. 9 is a representation illustrating a use of the warning signal to detect a crossing of one of the transverse processes to deliver one of the displacement parameters chosen from a feed rate and a rotation speed of the body of the corresponding medical device,
  • FIG. 10 is a representation illustrating a use of the warning signal to detect a passage of the body at the junction between the vertebral pedicle and the vertebral body,
  • FIG. 11 is a representation illustrating a use of the warning signal to detect the penetration of the body into the outer layer of cortical bone after it has passed through one of the transverse processes
  • FIG. 12 is a representation illustrating a use of a coupling of the warning signal with a force signal corresponding to a resultant force exerted on the body of the medical device by the anatomical structure to discriminate two different positions of the body of the device medical.
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment of a medical system 10 according to the invention.
  • the medical system 10 shown is particularly applicable to the field of orthopedic surgery and spinal surgery to provide a surgeon with assistance during a surgical procedure to set up an implant on the spine. one or more vertebrae 1 of the spine of a patient.
  • the assistance of the medical system 10 may be partial, controlling only a portion of the surgeon's gestures, total, controlling the gestures in place of the surgeon, or a combination of both.
  • the medical system 10 thus makes it possible to improve the precision of the gestures and to prevent the risks of damage related to an attack of particularly sensitive functional tissues, such as the spinal cord, the nerve endings and the vascular structures.
  • a vertebra 1 is a bone structure internally comprising a foramen 2 through which the spinal cord and vascular structures pass.
  • the vertebra 1 On one dorsal surface, the vertebra 1 has a spinous process 3 extending in a sagittal plane and two transverse processes 4 extending substantially on either side of the foramen 2 in a frontal plane, in the vicinity of which the nerve endings pass.
  • the vertebra 1 is delimited externally by an outer layer 5 of cortical bone.
  • the foramen 2 is itself delimited by an inner layer 6 of cortical bone.
  • Between the outer and inner layers 6 of cortical bone is spongy bone 7.
  • the inner and outer layers 6 of cortical bone each constitute a first medium having a first ability to conduct electrical current.
  • the cancellous bone constitutes a second medium having a second ability to conduct an electric current, which second capacity is greater than the first capacitance.
  • the soft tissues and fluids, such as blood, surrounding the outer layer of cortical bone and within the inner layer of cortical bone constitute a third medium having a third ability to conduct the current, the third capacity being greater than the first and second abilities.
  • the invention described in connection with an application to a vertebra 1 and more generally to a bone structure is not limited to such an application. It also applies to any anatomical structure having different media and having an electrical characteristic, such as conductivity or resistivity, variable depending on the ability of the media to conduct an electric current.
  • the medical system 10 comprises a robotic arm 11 and a medical device 25 connected to an electronic control unit 50.
  • the robotic arm 11 comprises a base 12 and an effector member 14 arranged, in the embodiment shown, at an effector end opposite the base 12.
  • the robotic arm 11 is configured to allow movement of the effector member 14 relative to
  • the robotic arm 11 comprises several segments interconnected by joints.
  • a first segment constitutes the base 12 on which a first end of a second segment 13 is mounted via a first hinge 16 having a suitable number of degrees of freedom.
  • a third segment 15 carrying the effector member 14 is mounted on the second end of the second segment 13 via a second joint 17 also having a number of appropriate degree of freedom.
  • At least one of the joints 16, 17 is equipped with at least one actuator.
  • the actuators of the joints may be reversible, that is to say that they allow relative movement of the segments relative to each other under the effect of external action exerted on the robotic arm 11 by a user of the robotic arm 11 and, in particular, the surgeon. At least one of the reversible actuators is controlled by the control unit 50.
  • the medical device 25 is intended to penetrate into an anatomical structure. With regard to entering a vertebra 1, it is important to ensure accurate positioning of the medical device 25 to avoid damage or worse to cross the inner layer 6 of cortical bone delimiting the foramen 2 or the outer layer 5 cortical bone in the vicinity of nerve endings.
  • the medical device 25 is therefore configured to issue a variable warning signal according to the electrical characteristic as it is moved into the anatomical structure.
  • the medical device 25 is an instrumented drilling device operating according to a principle similar to that of the hand tool described in the patent application WO 03/068076 and marketed under the name of PediGuard ®.
  • the invention is not limited to this type of medical device.
  • the invention can be implemented with other types of medical or surgical tools or instruments, and in particular a probe, a square tip, a spatula, a curette or a tap.
  • the medical device of the medical system 10 could also be the implant itself to put into place in the anatomical structure, such as a screw and, in particular, a pedicle screw.
  • the drilling device 25 comprises a body 26 in the form of a drill adapted to penetrate into the bone structure of the vertebra 1.
  • the Drill 26 extends along a longitudinal axis L between a proximal end 26a and a distal end 26b forming a point 27 through which it penetrates the bone structure.
  • the drill 26 has a generally cylindrical outer surface of circular section about the longitudinal axis L and provided with one or more helical cutting edges in the vicinity of the point 27.
  • the body 26 could, however, have any other shape, in particular cylindrical of polygonal section or other.
  • the drill 26 comprises a first electrode 28, cylindrical and of conductive material, extending inside the drill 26 parallel to the longitudinal axis L.
  • the first electrode 28 is disposed in a central bore of the drill 26 and extends coaxially with the longitudinal axis L to a free end having a first contact surface 29 which is flush with the outer surface of the drill 26 at the tip 27.
  • the drill 26 also comprises a second electrode 30, annular and of conductive material, extending along the longitudinal axis L around the first electrode 28.
  • the second electrode 30 is formed by a portion of the drill 26 itself. , then made of a conductive material.
  • the second electrode 30 has a second contact surface 31 composed of a cylindrical portion parallel to the longitudinal axis L corresponding to a lateral surface of the drill 26, and an annular portion transverse to the longitudinal axis L corresponding to a surface distal of the drill 26.
  • a layer of electrically insulating material is interposed between the first 28 and second 30 electrodes such that the first 29 and second 31 contact surfaces can contact each other at a distance from each other. the anatomical structure during the penetration of the drill 26 into the anatomical structure.
  • the invention is however not limited to the embodiment and arrangement previously described of the body 26, the first 28 and second 30 electrodes and the layer of electrically insulating material.
  • the first 28 and second 30 electrodes could not be arranged coaxially and, for example, each be made by a rod of conductive material immersed in the body 26.
  • the first electrode 28 and the second electrode 30 could each have a point or other contact surface 29, 31 flush with the lateral surface or the distal surface of the body 26.
  • the body 26 could still support two or more first two electrodes 28 and two or more second electrodes 30.
  • the medical device 25 also comprises a housing 35 to which the proximal end 26a of the drill 26 is secured.
  • the housing 35 includes a housing that encloses the electronic components allowing the medical device 25 to issue the appropriate warning signal.
  • the components comprise in particular an electric generator 36 and an electrical treatment device 37 mounted on an electronic card 38.
  • the electric generator 36 is connected to the first 28 and second 30 electrodes and adapted to apply one or more measurement electric currents between the first and second electrodes. and second 31 contact surfaces.
  • the processing device 37 is connected to the electrical generator 36 and to the first 28 and second 30 electrodes and adapted to determine a measurement parameter relating to the electrical characteristic from the electric current or currents of measurement, and to emit the warning signal corresponding to the measurement parameter.
  • the measurement parameter can in particular be an electrical voltage, an intensity of the electric current, the electrical characteristic itself chosen from conductivity and resistivity, or be the result of a treatment, such as an integration, an average or the like. , one or more electric measuring currents.
  • the housing 35 may also enclose a supply device supplying electric power to the electrical generator 36 and the processing device 37. It may also include a communication interface communicating with the control unit 50 by any appropriate means, wired or without thread.
  • the electric generator 36 and the treatment device 37, as well as the other electronic components of the medical device could be deported relative to the body of the medical device. They could for example be carried by the robotic arm 11 or be integrated with the control unit 50.
  • the drilling device 25 To drive the body 26 in rotation about the longitudinal axis L, the drilling device 25 comprises a driving device, such as a geared motor assembly.
  • the drive device is mounted in a housing 40 secured to the effector member 14 of the robotic arm 11 so that once secured to the driving device, the drill 26 of the drilling device is mounted on the effector member 14 of the robotic arm 1 1.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of the medical system 10 'according to the invention.
  • This second embodiment differs from the first embodiment essentially in that it is specially adapted to be implemented in the context of a co-manipulation.
  • the drilling device 25 is independent of the robotic arm 11 and the movement of the drill can be obtained by an external action exerted on the drilling device 25 by the surgeon, for example.
  • the actuators or at least a part of them are reversible, that is to say they can follow the movement of the drill imposed by the external action outside of particular situations identified later.
  • the effector member 14 of the robotic arm 11 comprises a stop member for controlling the movement of the drill 26 at the appropriate time as will be apparent from the following description.
  • the effector member 14 of the robotic arm 1 1 comprises a duct 20 adapted to receive the drill 26.
  • the duct 20 can serve as a guide for the drill 26 but also as a stop.
  • Part of the conduit 20 and, in particular, an upper edge 21 defining an upper opening through which the drill 26 is inserted into the conduit 20 may form the stop element which will come into contact with the drilling device to control moving as needed.
  • the driver of the drill 26 is independent of the effector member 14 and can be carried by a drill, not shown, held by hand by the surgeon.
  • a co-manipulation can also be obtained with the medical system 10 according to the first embodiment, the surgeon exerting the external action on the drilling device 25 either directly, by manipulating the drilling device 25, or indirectly, by manipulating the effector member 14.
  • the drilling device 25 could also be manipulated by co-manipulation via another robotic arm that the robotic arm 11 having the stop element.
  • the stop member may be made in any other suitable manner to come into contact with the drilling device 25 and control the movement of the drill 26.
  • FIG. 4 represents a medical system 10 "according to a third embodiment of the invention.
  • the effector member 14 of the robotic arm 11 comprises a conduit 20 similar to that previously described in relation to the second embodiment.
  • the effector member 14 also comprises a support 22 movable relative to the conduit 20 and on which the drill 26 can be mounted.
  • the support 22 is displaceable in translation along a central axis of the conduit 20.
  • any other displacement of the support 22 with respect to the conduit 20 could be provided.
  • the support 22 carries the casing 40 housing the driving device to which the drill can be secured to be rotated through the conduit 20.
  • the conduit 20 can then serve as a guide and stop element.
  • control unit 50 is configured to deliver a control signal which controls the displacement of the effector member 14 with respect to the base 12 as a function of the warning signal emitted by the drilling device 25 when the drill 26 enters the vertebra 1.
  • FIG. 5 illustrates the control signal delivered during the penetration of the drill 26 into the pedicle 8 of a vertebra 1 from an entry point A in the outer layer 5 of cortical bone to a first exit point C in the outer layer 5 of cortical bone next to the entry point A.
  • the longitudinal axis L of the drill 26 is placed in a predetermined direction of penetration T and the tip 27 of the drill 26 is brought into contact with the outer layer 5 of cortical bone at the point of entry A. Examples of determination the point of entry and direction of penetration T of the body of a medical device intended to penetrate into an anatomical structure are described in documents FR 3 017 042 and FR 3 017 043.
  • the measurement parameter representative of the electrical characteristic taken into consideration is an intensity of an electrical measurement current flowing between the first and second contact surfaces 31 representative of a conductivity of the medium in which the point 27 of the drill 26.
  • the warning signal emitted therefore corresponds to this intensity.
  • the tip 27 of the drill 26 is in contact with cortical bone.
  • the tip 27 of the drill 26 approaches the cancellous bone. Since the conductivity of the cortical bone is less than that of the cancellous bone, the intensity that can flow between the first 29 and second 31 contact surfaces increases.
  • the intensity remains substantially unchanged and the warning signal forms a bearing.
  • the tip 27 approaches the cortical bone and begins drilling the outer layer of cortical bone, the measured intensity decreases.
  • the tip 27 of the drill 26 approaches the interface D between the cortical bone and the medium consisting of soft tissues and fluids, such as blood, of which the conductivity is higher than that of cortical bone and cancellous bone.
  • the measured intensity thus increases until a new level is reached, when the drill 27 has passed through the outer layer of cortical bone.
  • a similar warning signal may be obtained during the penetration of the drill 26 into the pedicle 8 of a vertebra 1 from the entry point A into the outer cortical bone layer 5.
  • a second exit point C in the inner layer 6 of cortical bone delimiting the foramen 2.
  • the drill 26 passes again successively cortical bone in the outer layer 5 of cortical bone, the cancellous bone and cortical bone in the inner layer of cortical bone before reaching a medium consisting of soft tissues and fluids, such as blood, in the foramen 2.
  • the warning signal can then be used to determine a position of the tip 27 of the drill 26 relative to the bone structure of the vertebra 1.
  • a critical position refers to a position whose discrimination against other positions is of interest. It may be a position presenting a risk to the patient but not necessarily.
  • the critical threshold is an absolute value or a variation of a reference parameter comparable to the measurement parameter.
  • the reference parameter may be predetermined from test results on anatomical reference structures, it may be selected by a user or defined in any appropriate manner.
  • control unit 50 can detect the interface B between the cancellous bone and the cortical bone when the warning signal corresponding to the intensity between the first 29 and second 31 contact surfaces varies in decreasing and exceeds a first critical threshold SCI.
  • the control unit 50 can also detect a gap in one of the inner 6 and outer 5 cortical bone layers when the signal warning increases again by exceeding a minimum value of the representative measurement parameter of the cancellous bone with a determined difference.
  • the deviation from the minimum value of the representative measurement parameter of the cancellous bone constitutes a second critical threshold SC2.
  • the minimum value of the representative measurement parameter of the cancellous bone can be differentially defined during the drilling of the vertebra 1.
  • the control unit 50 assigns an initial value to the minimum value of the measurement parameter and continuously measures a current value of the measurement parameter. As long as the warning signal does not exceed the first critical threshold SC, if the current value of the measurement parameter is lower than the minimum value of the measurement parameter, the control unit 50 assigns the current value of the measurement parameter to the minimum value of the measurement parameter.
  • the anatomical structure comprises:
  • a third medium defined by the first medium and comprising a fluid having a third capacity to conduct the current, the third capacity being greater than the first and second capacitors,
  • control unit 50 can be configured to:
  • the warning signal varies in a second direction of variation opposite the first direction of variation and exceeds a minimum value of the parameter of Representative measure of the second medium with a determined difference.
  • the minimum value of the measurement parameter representative of the second medium can be obtained as described above in relation to the bone structure.
  • the displacement of the drill 26 is defined by several displacement parameters among which the direction of penetration T, one of a direction of advance (approximation with respect to the bone structure) and a direction of recoil (distance from to the structure bones) opposite one another to the direction of penetration T, one of a forward speed variable in the direction of advance, a recoil speed variable in the direction of recoil, of a variable advance effort in the direction of advance and a variable recoil effort in the direction of recoil.
  • the control unit delivers a control signal allowing the drill to move in the direction of advance of the penetration direction T with respect to the bone structure of the vertebra 1.
  • control unit 50 allows a movement of the drill 26 by controlling:
  • control unit 50 can:
  • the displacement of the drill 26 towards the target position would be carried out with an advance force to be applied during the advance compared to to the bone structure in the direction of advance of the direction of penetration.
  • the advance force may then be one or more advance forces in any appropriate direction, one or more advance torques in any appropriate direction or a combination thereof, depending on the medical device implemented.
  • control unit 50 allows a movement of the drill 26 by controlling:
  • the drill 26 is then moved with a speed of advance or an effort in advance imposed by the surgeon.
  • control unit 50 controls a modification of the displacement of the drill 26 by modifying at least one of the displacement parameters.
  • control signal may comprise instructions for reducing the speed of advance of the drill 26 in the direction of advance when the warning signal reaches the first critical threshold SCI.
  • control signal may include instructions for reducing the driving speed of the drill 26 in the first direction of rotation when the warning signal reaches the first critical threshold SCI. In the case of effort control, it would be the effort in advance that would be reduced.
  • the control signal may comprise instructions for stopping the displacement of the drill 26 relative to the bone structure of the vertebra 1 and interrupt the rotation of the drill 26.
  • control unit 50 can stop the drill 26 by affecting the current position to the set position of drill 26, the current position thus becoming the set position, and imposing the drill a zero speed, in case of piloting speed, or a zero force, in case of piloting effort.
  • the drill 26 being inserted into the conduit 20 mounted on the effector member 14 and the drill 26 being displaced by an external action exerted on the drilling device 25, when the crossing of the first critical threshold SCI is detected, the upper edge 21 of the conduit 20 forming the abutment element can be brought into abutment against the drilling device 25 in order to be used to control the movement of the drill 26.
  • the control unit 50 can:
  • control unit 50 could control a movement of the drill 26 in the direction of recoil with one of the recoil speed and the recoil force when the warning signal reaches the second critical threshold SC2, such that the drill 26 moves away from the bone structure.
  • the control signal could also include instructions for driving the drill 26 in a second direction of rotation, opposite the first direction of rotation when one of the first and second SC2 critical thresholds SC2 is exceeded.
  • any other control of the displacement of the drill 26 and, more generally, the body of the medical device could be provided by the delivery of the appropriate control signal with the corresponding displacement parameters.
  • the control unit 50 could deliver a control signal comprising instructions of stopping, moving in the direction of advance and in the direction of recoil on determined ranges to follow respiratory movements of the patient.
  • the control signal could also be adapted according to the risks represented by the attack on a particular environment.
  • the detection of the attack on a cortical bone layer by crossing a corresponding critical threshold, of the type of the first critical threshold SCI described previously, could lead to the unity control 50 to limit the speed of advance but to increase the drive speed in the first direction of rotation to account for a hardness of the cortical bone greater than that of the cancellous bone.
  • the measurement electric current has a measuring period that is less than the ratio of a critical distance of the drill 26 in the direction of advance of the direction of penetration T on the speed of advance of the drill 26, the critical distance being in particular less than or equal to 1 mm.
  • the electric generator 36 of the drilling device 25 can then be connected to the control unit 50 and the control unit 50 can be adapted to measure the speed of advance of the drill 26 and to control the electric generator 36 so that it applies the appropriate measuring electric current.
  • the control unit 50 can output the control signal according to one or more other signals.
  • the combination of the warning signal providing information on the electrical characteristic of the medium with other signals can discriminate different media having similar electrical current carrying capabilities.
  • the actual position of the drill 26 relative to the bone structure of the vertebra can thus be defined more precisely.
  • the control signal can then be adapted accordingly.
  • the medical system may include in particular a depth detection device connected to the control unit 50 and configured to emit a depth signal corresponding to a depth at which the drill 26 has penetrated into the bone structure of the vertebra 1.
  • the device depth detection is of any suitable type.
  • the depth detection device may, for example, comprise one or more position sensors integrated in the robotic arm 11 and making it possible to determine the depth from the movements of the actuators.
  • the depth detection device may comprise one or more external sensors, for example optical, identifying a marking on the drill 26.
  • the control unit 50 can determine which of the inner 6 and outer 5 cortical bone layers is reached after having passed through the cancellous bone and, if necessary, deliver different control signals depending on the cortical bone layer reached.
  • the reduction in feed rate could be greater when the inner cortical bone layer 6 is reached than when the outer layer of cortical bone is reached.
  • it could be provided to impose a speed of recoil and a drive in the second direction of rotation when an attack on the inner layer 6 of cortical bone, where it would be expected a reduction in the speed of advance and drive speed in the first direction of rotation upon an attack on the outer layer of cortical bone.
  • Figure 7 illustrates an example of a control signal from a depth threshold SP1 is reached.
  • the control signal modifies the movement of the drill 26 when one of a critical threshold SCI and SC2 and the depth threshold SP is reached.
  • the control signal may include instructions for allowing the drill 26 to move in the direction of advance of the penetration direction T with a feed rate from the entry point A of the outer cortical bone layer 5. as long as the depth signal does not reach the depth threshold SPl.
  • the displacement of the drill 26 continues until the depth signal reaches the depth threshold SP1 indicating that the tip 27 of the drill 26 is positioned at a target depth, for example corresponding to a length of a pedicle screw to be implanted.
  • the control signal imposes a zero speed on the drill 26 to stop it, it being understood that any other modification of the displacement of the drill 26 could be provided.
  • the control signal could comprise instructions for moving the drill 26 in the direction of recoil of the penetration direction T, or for limiting one of the feed speed and the feed force of the feed. forest 26.
  • a plurality of predefined signatures may be recorded in the control unit 50.
  • Each signature comprises a reference warning signal resulting from a variation of the measurement parameter relating to the electrical characteristic during a penetration of the drill 26 in a reference anatomical structure.
  • Each signature may also combine the reference warning signal with a reference depth signal resulting from a variation of a depth parameter relative to the depth at which the drill 26 has penetrated into the anatomical reference structure.
  • Each signature may correspond to a set of displacement parameters of which at least one part may differ from the displacement parameters of the other sets of displacement parameters.
  • each set of displacement parameters may notably comprise the critical threshold (s), the depth threshold (s) or other.
  • the warning signal can thus be analyzed differently, in particular with respect to the exceeding of certain critical thresholds, as a function of the actual position of the drill 26 relative to the bone structure of the vertebra 1.
  • the control unit 50 can then be configured to:
  • the variation of the intensity as a measurement parameter with respect to the depth illustrated in FIG. 6 may constitute an interior gap signature representative of a drilling of a vertebra 1 from an entry point opposite the pedicle. 8 and in a path leading to a breach in the inner layer 6 of cortical bone.
  • the variation of the intensity as a measurement parameter with respect to the depth illustrated in FIG. 7 may constitute an expected signature representative of a drilling of a vertebra 1 that may be qualified as suitable for the setting up of a screw. pedicle from an entry point opposite the pedicle 8 and along a path leading to a determined depth through the pedicle 8.
  • Fig. 8 illustrates the detection of a slip of the drill 26 on the outer cortical bone layer 5 from one of the aforementioned internal or expected gap signatures.
  • the tip 27 of the drill 26 positioned on the predetermined entry point A slides and is found at another location A 'on the outer layer 6 of cortical bone, distant from the predetermined point of entry A.
  • the intensity as a measurement parameter should be constant at a level corresponding to that of the cortical bone and then increase in the intensity of cancellous bone when the depth signal reaches a third depth threshold SP3, for example of the order of 5 mm, corresponding to the interface between the cortical bone and the cancellous bone.
  • the tip 27 of the drill is in the soft tissues and fluids surrounding the vertebra 1 whose conductivity is higher than that of the spongy bone.
  • the warning signal exceeds the second critical threshold SC2 representative of a breach in the cortical bone and the control unit imposes a zero speed on the drill 26 .
  • FIG. 9 illustrates the detection of a crossing of one of the transverse processes 4 from one of the aforementioned interior or expected gap signatures and shown in dotted lines.
  • the inner gap signature no breach should be detected by exceeding the second critical threshold SC2 by the warning signal until a fourth depth threshold SP4 is reached.
  • the tip 27 of the drill 26 is positioned on a predetermined location A 'but the penetration direction T leads it to successively pass through the outer layer 5 of cortical bone, the cancellous bone and again the outer layer 5 of cortical bone of the transverse process 4.
  • the warning signal then exceeds the second critical threshold SC2 representative of a gap in the cortical bone before the fourth depth threshold SP4 is reached.
  • the control unit which was able to impose a reduced feedrate when the first critical threshold SCI identifying the interface C "between the cancellous bone and the cortical bone is detected, imposes a zero speed when the second threshold critical SC2.
  • Figure 10 illustrates the signature of a passage of the tip 27 of the drill 26 in the pedicle 8 in which the density of the cancellous bone can increase leading to a decrease in the conductivity.
  • This reduction can be identified by a third critical threshold SC3, for example defined differentially, that is to say by a variation of the measurement parameter, in a spatial window determined between fifth SP5 and sixth SP6 depth thresholds.
  • the warning signal must not exceed the second critical threshold SC2 representative of a breach resulting from the attainment of one of the inner and outer layers 6 of cortical bone.
  • the driving speed of the drill 26 may for example increase.
  • Figure 11 illustrates the signature of a crossing of one of the transverse processes 4 followed by a new penetration into the outer layer 5 of cortical bone.
  • the variations of the measurement parameter could be obtained as a function of time.
  • the medical system 10 may also comprise a force measuring device connected to the control unit 50 and configured to emit a force signal corresponding to a force exerted on the drill 26, which force exerted on the drill 26 may comprise one or more forces in all relevant directions, one or more pairs in all relevant directions, or a combination thereof.
  • the force measuring device can be of any suitable type. It may, for example, include one or more force sensors integrated in the robotic arm 11 and for determining the force on the drill 26 from forces and / or torques exerted by the actuators.
  • the control unit 50 can then control the displacement of the drill 26 according to the force signal in addition to controlling it according to the warning signal and, if necessary, the depth signal.
  • the control unit 50 can allow the drill 26 to move in the direction of advance as long as the force signal does not reach a force threshold SF, and change the displacement of the drill 26 when the force signal reaches the stress threshold (SF).
  • a reference force signal resulting from a variation of a force parameter relative to the force exerted on the drill 26 during the penetration of the drill 26 into the anatomical reference structure may be provided in each signature and combined with the reference warning signal and, if applicable, with the reference depth signal.
  • FIG. 12 is a representation illustrating a combination of the warning and effort signals for discriminating two different positions of the drill 26.
  • the drill 26 In a first direction of penetration T1, the drill 26 exits the outer cortical bone layer 5 an exit point B facing the pedicle 8.
  • the drill 26 leaves the outer layer 5 of cortical bone at an exit point D "of one of the apophyses 4 Crossing the outer layer 5 of cortical bone to reach the cancellous bone in the first direction of penetration T1 and the crossing of the outer layer 5 of cortical bone to reach soft tissue in the second direction of penetration
  • This may lead to the delivery of similar warning signs, but cancellous bone with hardness greater than that of the soft tissues will lead to an increase in the be characterized by exceeding the determined SF effort threshold.
  • the control unit 50 detects the position of the drill 26 in the second direction T2 and modifies the displacement, for example by imposing a speed VT2 zero at drill 26.
  • the stress signal may, for example, be used to discriminate cortical and fatty cysts whose conductivities are close.
  • the robotic arm 11 is a Barrett Wam 7-axis arm, and naturally reversible. This reversibility allows it to be manipulated by hand so that it can easily be place in the desired configuration. It is controlled by a control unit 50 consisting of a control PC operating the proprietary libbarrett API, itself based on the Xenomai real-time system.
  • the software interface with the drilling device 25 is through a tinyTILE card incorporating a Bluetooth-compatible microcontroller. This card communicates with the control PC via a virtual USB serial port.
  • the drill 26 is driven by the driving device comprising a geared motor unit fixed to the effector end of the robotic arm 11.
  • This block consists of a Fiat Maxon EC45 motor (P / N 350910) and a SGP67S 50 gearbox: 1. Its characteristics are as follows:
  • the intervention performed is the following.
  • the drill 26 is mounted on a drill mounted in advance on the robotic arm 11 and whose speed can be modulated.
  • the surgeon is placed next to the vertebra 1 and the robotic arm 11.
  • the robotic arm is in "locked” mode, it keeps the drilling device 25 in place.
  • the surgeon For manipulation, the surgeon catches the drilling device 25 and presses a pedal to "unlock” the robotic arm 11. It can then freely modify the position and orientation of the drill 26 by co-manipulation. The surgeon places the instrument "ready to drill” (alignment in the direction of penetration, in contact with the point of entry). When the position is correct, he releases the pedal and the robotic arm 11 returns to locked mode.
  • the surgeon triggers insertion in automatic mode.
  • the drive device is started at the driving speed ⁇ (for example, 300 rpm).
  • the robot advances in the direction of advance of the penetration direction at the feedrate v1 (for example, 1 mm / s) and starts monitoring the warning signal
  • the value of the warning signal may decrease to reach a stable reference value.
  • the control unit 50 identifies this reference online because it can vary from one patient to another.
  • the control unit continuously tracks the warning signal and controls the advance as long as the warning signal is close to the reference and the variation of the warning signal is "slow enough".
  • a stop of the robotic arm and a slowing of the drive speed ⁇ 2 are controlled.
  • the position is recorded and a piercing of the cortex is initiated.
  • the drilling of the cortex for example at a feed rate v2 of 0.2 mm / s, is performed until a gap is detected which controls the stop of the robotic arm 11 and the drill.
  • the drilling device is removed from the vertebra.
  • the robotic arm 11 only compensates for its own weight. It is therefore freely movable by hand because of the great reversibility of its cable transmission system.
  • the servo scheme takes as input a desired orientation, a desired initial position and a feedrate.
  • the desired positions and orientations are initialized (respectively Xdes ⁇ - Xini and é> d es ⁇ -
  • Vdes being the drilling speed defined by the user (vector oriented along the axis of the hole), and ⁇ being the cycle time of the robot controller (2ms).
  • the controller then calculates a force to be applied via a derivative proportional corrector:
  • Kpp and Kdp are the proportional and derivative gains in position, respectively.
  • the orientation control is performed with an independent PD controller calculating the moment M:
  • Kpo and Kdo are the proportional and derivative gains in orientation, respectively, ee is the error in orientation, ⁇ is the rotational speed, (/ r ) 46 represents the first three columns of the transpose of the natural Jacobian matrix of the robot .
  • the gains are adjusted to obtain an appropriate stiffness (maintaining the line of the drill) and good amortization, by trial and error. Payout values settled:
  • the feed rate is requested from the robot.
  • the error is proportional to the force applied.
  • the desired position is in front of the tip and the proportional corrector is comparable to a spring which "Pulls" the instrument.
  • the resistant force becomes large, it corresponds to a big mistake, it is useless to continue to advance the desired position at full speed, which is why the force is saturated.
  • the warning signal measured by the bit 26 is filtered before being sent via Bluetooth.
  • This filter is in the form:
  • a (t) a s (t) + (1 - a) a (t - T)
  • the warning signal is used to stop the robotic arm just before a breach is made.
  • the algorithm chosen is the following.
  • the imminence of a gap is detected when the signal rises above its minimum value s m in with a difference greater than a threshold sc 2 .
  • the thresholds sci and sc 2 are imposed before the experiment (adjustment made from first tests).
  • the minimum reference value S min is not very repeatable from one piercing to another; it is calculated automatically online.
  • the speed of rotation of the motor is not controlled explicitly: it sends to the motor a command equal to 24 Volts which corresponds to a motor no-load speed of the order of 80 revolutions per minute. This command remains in an open loop during all drilling. It should be noted that when the drill is deeply depressed, the resistance is strong and the speed of rotation decreases.
  • One of the advantages of limiting the axial force is that it also limits (mechanically) the drilling-resistant torque which prevents the drill from getting stuck.
  • Triggering the piercing is therefore simply a matter of setting a positive feed rate.
  • a recoil of the robotic arm 11 can then be observed.

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Abstract

Système médical (10) comprenant : - un bras robotisé (11), - une unité de commande (50) configurée pour délivrer un signal de commande, - un dispositif médical (25) destiné à pénétrer dans une structure anatomique, le dispositif médical (25) étant configuré pour émettre un signal d'avertissement variable en fonction d'une caractéristique électrique variable de la structure anatomique, le dispositif médical (25) comprenant un corps (26) avec des première et deuxième électrodes, un générateur électrique adapté pour appliquer au moins un courant électrique de mesure entre les première et deuxième électrodes, et un dispositif de traitement (37) adapté pour déterminer un paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique à partir dudit au moins un courant électrique de mesure, et pour émettre le signal d'avertissement correspondant au paramètre de mesure, dans lequel l'unité de commande est configurée pour délivrer le signal de commande en fonction du signal d'avertissement.

Description

Système médical
L'invention se rapporte à un système médical.
En particulier, l'invention se rapporte à un système médical du type comprenant : - un bras robotisé comportant une base et un organe effecteur, le bras robotisé étant configuré pour permettre un déplacement de l'organe effecteur par rapport à la base,
- une unité de commande connectée au bras robotisé et configurée pour délivrer un signal de commande qui commande le déplacement de l'organe effecteur par rapport à la base.
L'invention s'applique tout particulièrement au domaine de la chirurgie dans lequel le bras robotisé commandé par l'intermédiaire de l'unité de commande est utilisé pour assister un chirurgien dans la réalisation d'au moins une partie de ses gestes, au cours d'une intervention chirurgicale sur une structure anatomique. Le recours à un tel système médical vise notamment à améliorer la précision du geste et à prévenir une atteinte à des tissus particulièrement sensibles de la structure anatomique.
Par exemple, en chirurgie orthopédique ou en chirurgie de la colonne vertébrale, le système médical peut être utilisé pour contrôler un déplacement d'un dispositif médical, que ce soit un implant ou un outil ou un instrument médical ou chirurgical, par rapport à une structure osseuse comme structure anatomique. Le système médical peut alors limiter les risques de dommage liés à l'atteinte de tissus fonctionnels, tels que des tissus du système nerveux, à proximité de la structure osseuse. L'importance de contrôler le déplacement du dispositif médical est d'autant plus grande qu'il peut s'agir de fixer un implant dans le pédicule d'une vertèbre de la colonne vertébrale, à proximité immédiate des tissus fonctionnels que sont la moelle épinière, les terminaisons nerveuses et les structures vasculaires.
Au cours de l'intervention chirurgicale, le déplacement du dispositif médical est généralement contrôlé par un système de navigation comprenant un dispositif de repérage et un dispositif d'affichage. Le dispositif de repérage comporte généralement des cibles, de toute nature appropriée, solidaires du dispositif médical et un ou plusieurs organes de détection des cibles. L'unité de commande peut ainsi détecter une position du dispositif médical dans un référentiel déterminé par le dispositif de repérage et l'afficher sur le dispositif d'affichage en superposition à une représentation de la structure anatomique.
Toutefois, un tel système médical n'offre pas une fiabilité et une sécurité satisfaisante en ce qu'il ne fournit aucune information sur la position effective du dispositif médical par rapport à la structure anatomique. Un décalage entre la position affichée sur le dispositif d'affichage et la position effective du dispositif médical peut avoir des conséquences désastreuses pour le patient.
De plus, un tel système médical nécessite un dispositif de navigation fournissant une représentation très précise de la structure anatomique. Une telle représentation est généralement le résultat de l'acquisition d'un grand nombre d'images selon des modalités exposant le patient et le personnel médical à des quantités importantes de rayonnements nocifs, tels que des rayons X. Outre un traitement long et complexe des images pour obtenir la représentation appropriée que cela impose, le système médical connu présente un risque pour la santé à plus ou moins long termes du patient et du personnel médical.
L'invention vise à pallier les problèmes évoqués ci-dessus.
A cet effet, l'invention propose un système médical du type précité comprenant en outre un dispositif médical destiné à pénétrer dans une structure anatomique, la structure anatomique comportant des milieux différents et présentant une caractéristique électrique variable en fonction des capacités des milieux à conduire un courant électrique, le dispositif médical comprenant un corps adapté pour pénétrer dans la structure anatomique, le dispositif médical étant configuré pour émettre un signal d'avertissement variable en fonction de la caractéristique électrique lorsque le corps est déplacé dans la structure anatomique, le dispositif médical étant connecté à l'unité de commande,
dans lequel le corps du dispositif médical s'étend entre une extrémité distale destinée à venir en contact avec la structure anatomique et une extrémité proximale opposée à l'extrémité distale, et présente une surface extérieure, le corps comprenant :
- au moins une première électrode comportant une première surface de contact agencée sur la surface extérieure du corps, à l'extrémité distale, pour venir en contact avec la structure anatomique,
- au moins une deuxième électrode comportant une deuxième surface de contact agencée sur la surface extérieure du corps, à l'extrémité distale, pour venir en contact avec la structure anatomique à distance de la première surface de contact,
dans lequel le dispositif médical comprend en outre :
- un générateur électrique connecté aux première et deuxième électrodes et adapté pour appliquer au moins un courant électrique de mesure entre les première et deuxième surfaces de contact,
- un dispositif de traitement connecté au générateur électrique et aux première et deuxième électrodes et adapté pour déterminer un paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique à partir dudit au moins un courant électrique de mesure, et pour émettre le signal d'avertissement correspondant au paramètre de mesure,
et dans lequel l'unité de commande est configurée pour délivrer le signal de commande en fonction du signal d'avertissement.
Ainsi, l'invention permet de commander le déplacement du bras robotisé à partir d'une boucle de rétroaction basée sur un signal d'avertissement représentatif de la position relative du corps du dispositif médical et de la structure anatomique. Une telle commande réalisée à partir de la position effective du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique permet d'améliorer la fiabilité et la sécurité du système médical. En outre, il permet de s'affranchir de l'utilisation d'un dispositif de navigation ou, tout au moins, d'avoir recours à des dispositifs de navigation basés sur une représentation moins précise de la structure anatomique, par exemple résultant de l'acquisition d'images IRM ou ultrasonores. Il est ainsi possible de limiter voire de supprimer les rayonnements nocifs auxquels le patient et le personnel médical peuvent être soumis de sorte à réduire les risques pour leur santé.
Le corps du dispositif médical peut s'étendre selon une direction de pénétration et le signal de commande peut comprendre des instructions pour :
- permettre un déplacement du corps du dispositif médical dans un sens d'avance de la direction de pénétration par rapport à la structure anatomique tant que le signal d'avertissement n'atteint pas au moins un seuil critique,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Le déplacement du corps comprend une pluralité de paramètres de déplacement parmi lesquels la direction de pénétration, l'un du sens d'avance et d'un sens de recul opposé au sens d'avance de la direction de pénétration, l'un d'une vitesse d'avance variable et d'un effort d'avance variable. Les dispositions précitées permettent notamment de modifier au moins l'un des paramètres de déplacement lorsqu'une position critique du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique est détectée par l'intermédiaire du franchissement du seuil critique par le signal d'avertissement.
Le signal de commande peut comprendre des instructions pour arrêter le déplacement du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique. En variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour déplacer le corps dans le sens de recul de la direction de pénétration lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Selon une autre variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour limiter l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du corps du dispositif médical dans le sens d'avance lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Dans un mode de réalisation, le corps du dispositif médical peut être monté sur l'organe effecteur du bras robotisé et le signal de commande peut comprendre des instructions pour déplacer l'organe effecteur dans le sens d'avance tant que le signal d'avertissement n'atteint pas le seuil critique.
Le signal de commande peut alors comprendre des instructions pour, tant que le signal d'avertissement n'atteint pas le seuil critique :
- déterminer une position courante dans laquelle se trouve le corps du dispositif médical,
- déplacer le corps vers une position de consigne située en aval dans le sens d'avance de la position courante du corps avec l'un d'une vitesse d'avance et d'un effort d'avance,
et pour, lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique :
- soit affecter la position courante à la position de consigne du corps et imposer au corps l'un d'une vitesse nulle, d'un effort nul, d'une vitesse de recul opposée à la vitesse d'avance et d'un effort de recul opposé à l'effort d'avance,
- soit réduire l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du corps dans le sens d'avance.
Dans un autre mode de réalisation, le système médical peut être mis en œuvre dans le cadre d'une co -manipulation en étant adapté pour permettre le déplacement du corps du dispositif médical par une action extérieure exercée sur le dispositif médical. La co- manipulation s'entend ici comme la manipulation simultanée du corps du dispositif médical par le bras robotisé et un autre agent exerçant l'action extérieure. L'organe effecteur du bras robotisé peut alors comporter un élément de butée et le signal de commande peut comprendre des instructions pour mettre l'élément de butée de l'organe effecteur en contact avec le dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
En particulier, le bras robotisé peut comprendre des segments et des articulations reliant les segments entre eux, au moins l'une des articulations étant équipée d'au moins un actionneur réversible commandé par le signal de commande, le signal de commande comprenant des instructions pour permettre le déplacement de l'organe effecteur par une action extérieure exercée sur l'organe effecteur tant que le signal d'avertissement n'atteint pas le seuil critique.
Lorsque le corps du dispositif médical est déplacé par une action extérieure dans le sens d'avance avec l'un d'une vitesse d'avance et d'un effort d'avance qui n'est jusqu'alors pas commandé par l'unité de commande, le signal de commande peut comprendre des instructions pour, lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique :
- soit imposer au corps l'un d'une vitesse nulle, d'un effort nul, d'une vitesse de recul opposée à la vitesse d'avance et d'un effort de recul opposé à l'effort d'avance,
- soit réduire l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du corps dans le sens d'avance, qui devient commandé par l'unité de commande.
L'organe effecteur du bras robotisé peut comporter un conduit adapté pour recevoir le corps du dispositif médical.
Une partie du conduit et en particulier un bord supérieur délimitant une ouverture supérieure au travers de laquelle le corps du dispositif médical est inséré dans le conduit peut former l'élément de butée utilisé pour contrôler le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Lorsque le corps du dispositif médical est monté sur l'organe effecteur du bras robotisé, l'organe effecteur peut comporter un support déplaçable par rapport au conduit et le corps du dispositif médical peut être monté sur le support, le signal de commande comprenant des instructions pour déplacer le support par rapport au conduit.
Le système médical peut comporter un dispositif de mesure d'effort connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal d'effort correspondant à un effort exercé sur le corps du dispositif médical, l'unité de commande étant configurée pour délivrer le signal de commande en fonction du signal d'effort.
Le signal de commande peut comprendre des instructions pour :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal d'effort n'atteint pas au moins un seuil d'effort,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort. Le signal de commande peut comprendre des instructions pour arrêter le déplacement du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort.
En variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour déplacer le corps dans le sens de recul de la direction de pénétration lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort.
Selon une autre variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour limiter l'un d'une vitesse d'avance et d'un effort d'avance du corps du dispositif médical dans le sens d'avance lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort.
Le système médical peut comporter un dispositif de détection de profondeur connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal de profondeur correspondant à une profondeur à laquelle le corps du dispositif médical a pénétré dans la structure anatomique, l'unité de commande étant configurée pour délivrer le signal de commande en fonction du signal de profondeur.
Le signal de commande peut comprendre des instructions pour :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal de profondeur n'atteint pas au moins un seuil de profondeur,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur.
Le signal de commande peut comprendre des instructions pour arrêter le déplacement du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil de profondeur.
En variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour déplacer le corps dans le sens de recul de la direction de pénétration lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur.
Selon une autre variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour limiter l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du corps du dispositif médical dans le sens d'avance lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur.
Ces dispositions permettent de combiner le signal d'avertissement fournissant une information sur la caractéristique électrique du milieu avec au moins l'un des signaux d'effort et de profondeur pour discriminer différents milieux présentant des capacités à conduire le courant électrique analogues ou pour définir de manière plus précise une position du corps par rapport à la structure anatomique de manière à pouvoir adapter le signal de commande en conséquence.
Une pluralité de signatures prédéfinies peut être enregistrée dans l'unité de commande, chaque signature comprenant un signal d'avertissement de référence résultant d'une variation d'un paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique au cours d'une pénétration du corps du dispositif médical dans une structure anatomique de référence. Le signal de commande peut comprendre une pluralité d'ensembles de paramètres de déplacement, chaque ensemble de paramètres de déplacement étant associé à l'une des signatures. L'unité de commande peut alors être configurée pour :
- au cours de la pénétration du corps du dispositif médical dans une structure anatomique, enregistrer en continu le paramètre de mesure et comparer la variation du paramètre de mesure aux signatures, et
- si la variation du paramètre de mesure correspond à l'une des signatures, délivrer le signal de commande avec l'ensemble de paramètres de déplacement associé à la signature.
Le cas échéant, chaque signature peut comprendre en outre au moins l'un de :
- un signal d'effort de référence résultant d'une variation d'un paramètre d'effort relatif à l'effort exercé sur le corps du dispositif médical au cours d'une pénétration du corps du dispositif médical dans la structure anatomique de référence,
- un signal de profondeur de référence résultant d'une variation d'un paramètre de profondeur relatif à la profondeur à laquelle le corps du dispositif médical a pénétré dans la structure anatomique de référence.
Les paramètres de déplacement de chaque ensemble peuvent être différents des paramètres de déplacement des autres ensembles.
Chaque signature peut notamment comprendre un ou plusieurs seuils critiques et, le cas échéant, un ou plusieurs seuils de profondeur et un ou plusieurs seuils d'effort.
La structure anatomique peut comprendre un premier milieu présentant une première capacité à conduire le courant électrique et un deuxième milieu présentant une deuxième capacité à conduire le courant électrique, la première capacité étant inférieure à la deuxième capacité. L'unité de commande peut alors être configurée pour détecter une interface entre le deuxième milieu et le premier milieu lorsque le signal d'avertissement varie dans un premier sens de variation et dépasse un premier seuil critique.
Par exemple, la structure anatomique peut être une structure osseuse avec de l'os cortical comme premier milieu et l'os spongieux comme deuxième milieu. Un paramètre de mesure représentatif de la conductivité comme caractéristique électrique peut alors être choisi et l'interface entre l'os spongieux et l'os cortical peut être détectée lorsque le signal d'avertissement diminue en-dessous du premier seuil critique.
Le premier milieu peut former une frontière avec un troisième milieu comprenant un fluide présentant une troisième capacité à conduire le courant, la troisième capacité étant supérieure aux première et deuxième capacités. L'unité de commande peut alors être configurée pour détecter une brèche dans le premier milieu lorsqu'après avoir varié dans le premier sens de variation par rapport au premier seuil critique, le signal d'avertissement varie dans un deuxième sens de variation opposé au premier sens de variation et dépasse une valeur minimale du paramètre de mesure représentatif du deuxième milieu avec un écart déterminé.
L'unité de commande affecte une valeur initiale à la valeur minimale du paramètre de mesure et mesure en permanence une valeur courante du paramètre de mesure. Tant que le signal d'avertissement ne dépasse pas l'écart déterminé, si la valeur courante du paramètre de mesure est inférieure à la valeur minimale du paramètre de mesure, l'unité de commande affecte la valeur courante du paramètre de mesure à la valeur minimale du paramètre de mesure.
Dans le cas d'une structure osseuse, l'os cortical peut former une frontière à un troisième milieu constitué de tissus mou et de sang. La brèche dans l'os cortical peut être détectée lorsque le signal d'avertissement augmente au-dessus de la valeur minimale de la conductivité représentative de l'os spongieux et avec un écart déterminé.
Le corps du dispositif médical peut présenter un axe longitudinal et le dispositif médical peut comprendre en outre un dispositif d'entraînement configuré pour entraîner le corps en rotation autour de l'axe longitudinal, le signal de commande comprenant des instructions pour :
- permettre une rotation du corps dans un premier sens de rotation à une vitesse d'entraînement, tant que le signal d'avertissement n'atteint pas un seuil critique,
- modifier la rotation du corps lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Chaque signature peut comprendre au moins une vitesse d'entraînement
Le signal de commande peut comprendre des instructions pour interrompre la rotation du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique. En variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour entraîner le corps dans un deuxième sens de rotation, le deuxième sens de rotation étant opposé au premier sens de rotation, lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Selon une autre variante, le signal de commande peut comprendre des instructions pour limiter la vitesse d'entraînement du corps dans le premier sens de rotation lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Dans d'autres applications, par exemple pour lesquels les risques de dommage liés à l'atteinte de tissus fonctionnels sont limités voire inexistants notamment du fait de l'absence de tissus fonctionnels à proximité immédiate, le signal de commande pourrait comprendre des instructions pour augmenter la vitesse d'entraînement dans le premier sens de rotation lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique et/ou, le cas échéant, lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort et/ou lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur, afin notamment de faciliter la pénétration du corps dans la structure anatomique.
Le paramètre de mesure peut être une tension électrique, une intensité du courant électrique, la caractéristique électrique elle-même choisie parmi la conductivité et la résistivité, ou être le résultat d'un traitement, tel qu'une intégration, une moyenne ou autre, d'un ou plusieurs courants électriques de mesure. Une valeur absolue à un instant donné ou une variation sur une période déterminée peut alors être comparée au seuil critique correspondant.
Le courant électrique de mesure a une période de mesure inférieure au rapport d'une distance critique du corps du dispositif médical dans le sens d'avance de la direction de pénétration sur la vitesse d'avance du corps du dispositif médical, la distance critique étant en particulier inférieure ou égale à 1 mm.
Le générateur électrique peut être connecté à l'unité de commande et l'unité de commande peut être adaptée pour mesurer la vitesse d'avance du corps du dispositif médical et pour commander le générateur électrique pour appliquer le courant électrique de mesure.
Le bras robotisé peut s'étendre depuis la base jusqu'à une extrémité effectrice opposée à la base, l'organe effecteur étant disposé à l'extrémité effectrice du bras robotisé.
L'invention peut être mise en œuvre dans un procédé de pénétration d'un corps d'un dispositif médical dans une structure anatomique comportant des milieux différents et présentant une caractéristique électrique variable en fonction des capacités des milieux à conduire un courant électrique, le procédé de pénétration prévoyant de :
- émettre un signal d'avertissement variable en fonction de la caractéristique électrique lorsque le corps pénètre la structure anatomique, et
- commander un déplacement d'un organe effecteur d'un bras robotisé par rapport à une base du bras robotisé par une unité de commande délivrant un signal de commande en fonction du signal d'avertissement.
Le procédé de pénétration peut prévoir de :
- permettre un déplacement du corps du dispositif médical dans un sens d'avance d'une direction de pénétration dans laquelle s'étend le corps par rapport à la structure anatomique tant que le signal d'avertissement n'atteint pas au moins un seuil critique,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Le procédé de pénétration peut prévoir d'arrêter le déplacement du corps du dispositif médical par rapport à la structure anatomique lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
En variante, le procédé de pénétration peut prévoir de déplacer le corps dans un sens de recul de la direction de pénétration, le sens de recul étant opposé au sens d'avance, lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Selon une autre variante, le procédé de pénétration peut prévoir de limiter l'un d'une vitesse d'avance et d'un effort d'avance du corps du dispositif médical dans le sens d'avance lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Dans un mode de réalisation, le procédé de pénétration peut prévoir de monter le corps du dispositif médical sur l'organe effecteur du bras robotisé et de déplacer l'organe effecteur dans le sens d'avance tant que le signal d'avertissement n'atteint pas le seuil critique.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé de pénétration peut prévoir de permettre le déplacement du corps du dispositif médical par une action extérieure exercée sur le dispositif médical et de mettre un élément de butée de l'organe effecteur en contact avec le dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
L'organe effecteur du bras robotisé peut comporter un conduit adapté pour recevoir le corps du dispositif médical.
Lorsque le corps du dispositif médical est monté sur l'organe effecteur du bras robotisé, l'organe effecteur peut comporter un support déplaçable par rapport au conduit et le corps du dispositif médical peut être monté sur le support, le procédé de pénétration peut prévoir de déplacer le support par rapport au conduit.
Le système médical peut comporter un dispositif de mesure d'effort connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal d'effort correspondant à un effort exercé sur le corps du dispositif médical, le procédé de pénétration prévoyant de délivrer le signal de commande en fonction du signal d'effort.
Le procédé de pénétration peut prévoir de :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal d'effort n'atteint pas au moins un seuil d'effort,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort.
Le système médical peut comporter un dispositif de détection de profondeur connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal de profondeur correspondant à une profondeur à laquelle le corps du dispositif médical a pénétré dans la structure anatomique, le procédé de pénétration prévoyant de délivrer le signal de commande en fonction du signal de profondeur.
Le procédé de pénétration peut prévoir de :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal de profondeur n'atteint pas au moins un seuil de profondeur,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur.
Le procédé de pénétration peut prévoir d'entraîner le corps du dispositif médical en rotation autour d'un axe longitudinal du corps dans un premier sens de rotation à une vitesse d'entraînement.
Le procédé de pénétration peut prévoir d'interrompre la rotation du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
En variante, le procédé de pénétration peut prévoir d'entraîner le corps dans un deuxième sens de rotation, le deuxième sens de rotation étant opposé au premier sens de rotation, lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
Selon une autre variante, le procédé de pénétration peut prévoir de limiter la vitesse d'entraînement du corps dans le premier sens de rotation lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif, la description étant faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation d'un système médical selon un premier mode de réalisation de l'invention, le système médical comprenant un bras robotisé et un dispositif médical connectés à une unité de commande, le dispositif médical comprenant un corps adapté pour pénétrer dans une structure anatomique présentant une caractéristique électrique variable, le dispositif médical émettant un signal d'avertissement variable en fonction de la caractéristique électrique, le dispositif médical étant monté sur un organe effecteur du bras robotisé et l'unité de commande délivrant un signal de commande qui commande un déplacement de l'organe effecteur par rapport à une base du bras robotisé en fonction du signal d'avertissement, en particulier pour modifier un déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint un seuil critique,
- la figure 2 est une représentation du dispositif médical du système médical de la figure 1,
- la figure 3 est une représentation d'un système médical selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le corps du dispositif médical étant déplacé par une action extérieure exercée sur le dispositif médical, le corps du dispositif médical étant inséré dans un conduit monté sur l'organe effecteur, l'unité de commande délivrant le signal de commande en fonction du signal d'avertissement, en particulier pour modifier un déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique,
- la figure 4 est une représentation d'un système médical selon un troisième mode de réalisation de l'invention, l'organe effecteur comportant un conduit et un support déplaçable par rapport au conduit, le corps du dispositif médical étant monté sur le support et le signal de commande comprenant des instructions pour déplacer le support par rapport au conduit,
- la figure 5 est une représentation de l'évolution d'au moins l'un des paramètres de déplacement choisi parmi une vitesse d'avance et une vitesse d'entraînement du corps du dispositif médical en rotation en fonction de l'évolution de la caractéristique électrique au cours de la pénétration du corps dans un pédicule vertébral depuis un point d'entrée dans une couche extérieure d'os cortical jusqu'à un premier point de sortie dans la couche extérieure d'os cortical en regard du point d'entrée, - la figure 6 est une représentation de l'évolution d'au moins l'un des paramètres de déplacement choisi parmi une vitesse d'avance et une vitesse de rotation du corps du dispositif médical en fonction de l'évolution de la caractéristique électrique au cours de la pénétration du corps dans un pédicule vertébral depuis le point d'entrée dans la couche extérieure d'os cortical jusqu'à un deuxième point de sortie dans une couche intérieure d'os cortical délimitant le foramen vertébral,
- la figure 7 est une représentation de l'évolution d'au moins l'un des paramètres de déplacement choisi parmi une vitesse d'avance et une vitesse de rotation du corps du dispositif médical en fonction de l'évolution de la caractéristique électrique au cours de la pénétration du corps dans un pédicule vertébral depuis le point d'entrée dans la couche extérieure d'os cortical jusqu'à un seuil de profondeur,
- la figure 8 est une représentation illustrant une utilisation du signal d'avertissement pour détecter un glissement du corps du dispositif médical sur la couche extérieure d'os cortical et pour délivrer l'un des paramètres de déplacement choisi parmi une vitesse d'avance et une vitesse de rotation du corps du dispositif médical correspondant,
- la figure 9 est une représentation illustrant une utilisation du signal d'avertissement pour détecter une traversée de l'une des apophyses transverses pour délivrer l'un des paramètres de déplacement choisi parmi une vitesse d'avance et une vitesse de rotation du corps du dispositif médical correspondant,
- la figure 10 est une représentation illustrant une utilisation du signal d'avertissement pour détecter un passage du corps à la jonction entre le pédicule vertébral et le corps vertébral,
- la figure 11 est une représentation illustrant une utilisation du signal d'avertissement pour détecter la pénétration du corps dans la couche extérieure d'os cortical après qu'il a traversé l'une des apophyses transverses,
- la figure 12 est une représentation illustrant une utilisation d'un couplage du signal d'avertissement avec un signal d'effort correspondant à un effort résultant exercé sur le corps du dispositif médical par la structure anatomique pour discriminer deux positions différentes du corps du dispositif médical.
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation d'un système médical 10 selon l'invention. Sans y être limité, le système médical 10 représenté s'applique tout particulièrement au domaine de la chirurgie orthopédique et de la chirurgie de la colonne vertébrale pour offrir à un chirurgien une assistance au cours d'une intervention chirurgicale pour mettre en place un implant sur une ou plusieurs vertèbres 1 de la colonne vertébrale d'un patient. L'assistance du système médical 10 peut être partielle, en ne contrôlant qu'une partie des gestes du chirurgien, totale, en contrôlant les gestes à la place du chirurgien, ou une combinaison des deux. Le système médical 10 permet ainsi d'améliorer la précision des gestes et de prévenir les risques de dommage liés à une atteinte de tissus fonctionnels particulièrement sensibles, tels que la moelle épinière, les terminaisons nerveuses et les structures vasculaires.
Comme représenté sur les figures 5 à 12, une vertèbre 1 est une structure osseuse comportant intérieurement un foramen 2 dans lequel passe la moelle épinière et des structures vasculaires. Sur une face dorsale, la vertèbre 1 présente une apophyse épineuse 3 s 'étendant dans un plan sagittal et deux apophyses transverses 4 s 'étendant sensiblement de part et d'autre du foramen 2 dans un plan frontal, au voisinage desquelles passent les terminaisons nerveuses. La vertèbre 1 est délimitée extérieurement par une couche extérieure 5 d'os cortical. Le foramen 2 est lui-même délimité par une couche intérieure 6 d'os cortical. Entre les couches extérieure 5 et intérieure 6 d'os cortical se trouve de l'os spongieux 7. Les couches intérieure 6 et extérieure 5 d'os cortical constituent chacune un premier milieu présentant une première capacité à conduire un courant électrique. L'os spongieux constitue un deuxième milieu présentant une deuxième capacité à conduire un courant électrique, laquelle deuxième capacité est supérieure à la première capacité. Les tissus mous et les fluides, tels que le sang, entourant la couche extérieure 5 d'os cortical et à l'intérieur de la couche intérieure 6 d'os cortical constituent un troisième milieu présentant une troisième capacité à conduire le courant, la troisième capacité étant supérieure aux première et deuxième capacités.
L'invention décrite en relation avec une application à une vertèbre 1 et plus généralement à une structure osseuse n'est pas limitée à une telle application. Elle s'applique également à toute structure anatomique comportant des milieux différents et présentant une caractéristique électrique, telle qu'une conductivité ou une résistivité, variable en fonction des capacités des milieux à conduire un courant électrique.
Le système médical 10 comprend un bras robotisé 11 et un dispositif médical 25 connectés à une unité de commande 50 électronique. Le bras robotisé 11 comporte une base 12 et un organe effecteur 14 agencé, dans le mode de réalisation représenté, à une extrémité effectrice opposée à la base 12. Le bras robotisé 11 est configuré pour permettre un déplacement de l'organe effecteur 14 par rapport à la base 12. En particulier, le bras robotisé 11 comprend plusieurs segments reliés entre eux par des articulations. Dans le mode de réalisation représenté, un premier segment constitue la base 12 sur laquelle une première extrémité d'un deuxième segment 13 est montée par l'intermédiaire d'une première articulation 16 présentant un nombre de degré de liberté approprié. Un troisième segment 15 portant l'organe effecteur 14 est monté sur la deuxième extrémité du deuxième segment 13 par l'intermédiaire d'une deuxième articulation 17 présentant elle aussi un nombre de degré de liberté approprié. Au moins l'une des articulations 16, 17 est équipée d'au moins un actionneur. Comme il apparaîtra de la suite de la description, les actionneurs des articulations peuvent être réversibles, c'est-à-dire qu'ils permettent un déplacement relatif des segments les uns par rapport aux autres sous l'effet d'une action extérieure exercée sur le bras robotisé 11 par un utilisateur du bras robotisé 11 et, en particulier, le chirurgien. Au moins l'un des actionneurs réversibles est commandé par l'unité de commande 50.
Le dispositif médical 25 est destiné à pénétrer dans une structure anatomique. S'agissant de pénétrer dans une vertèbre 1, il est important d'assurer un positionnement précis du dispositif médical 25 pour éviter d'endommager ou pire de traverser la couche intérieure 6 d'os cortical délimitant le foramen 2 ou la couche extérieure 5 d'os cortical au voisinage des terminaisons nerveuses. Le dispositif médical 25 est donc configuré pour émettre un signal d'avertissement variable en fonction de la caractéristique électrique lorsqu'il est déplacé dans la structure anatomique.
Dans le mode de réalisation représenté, le dispositif médical 25 est un dispositif de forage instrumenté fonctionnant selon un principe analogue à celui de l'outil à main décrit dans la demande de brevet WO 03/068076 et commercialisé sous le nom de PediGuard ®. Bien que décrite en relation avec un dispositif de forage, l'invention n'est pas limitée à ce type de dispositif médical. En particulier, l'invention peut être mise en œuvre avec d'autres types d'outils ou instruments médicaux ou chirurgicaux, et notamment une sonde, une pointe carrée, une spatule, une curette ou un taraud. Le dispositif médical du système médical 10 pourrait également être l'implant lui-même à mettre en place dans la structure anatomique, tel qu'une vis et, en particulier, une vis pédiculaire.
Comme représenté sur la figure 2, le dispositif de forage 25 comprend un corps 26 sous la forme d'un foret adapté pour pénétrer dans la structure osseuse de la vertèbre 1. Le foret 26 s'étend selon un axe longitudinal L entre une extrémité proximale 26a et une extrémité distale 26b formant une pointe 27 par laquelle il pénètre la structure osseuse. Le foret 26 présente une surface extérieure globalement cylindrique de section circulaire autour de l'axe longitudinal L et pourvue d'une ou plusieurs arêtes coupantes hélicoïdales au voisinage de la pointe 27. Le corps 26 pourrait, toutefois, présenter toute autre forme, notamment cylindrique de section polygonale ou autre.
Le foret 26 comprend une première électrode 28, cylindrique et en matériau conducteur, s'étendant à l'intérieur du foret 26 parallèlement à l'axe longitudinal L. En particulier, la première électrode 28 est disposé dans un alésage central du foret 26 et s'étend coaxialement à l'axe longitudinal L jusqu'à une extrémité libre présentant une première surface de contact 29 qui affleure la surface extérieure du foret 26 à la pointe 27.
Le foret 26 comprend également une deuxième électrode 30, annulaire et en matériau conducteur, s'étendant selon l'axe longitudinal L autour de la première électrode 28. En particulier, la deuxième électrode 30 est formée par une partie du foret 26 lui- même, alors réalisé en un matériau conducteur. La deuxième électrode 30 présente une deuxième surface de contact 31 composée d'une portion cylindrique parallèle à l'axe longitudinal L correspondant à une surface latérale du foret 26, et une portion annulaire transversale par rapport à l'axe longitudinale L correspondant à une surface distale du foret 26.
Une couche de matériau électriquement isolant, non représentée, est interposée entre les première 28 et deuxième 30 électrodes de telle manière que les première 29 et deuxième 31 surfaces de contact puissent venir en contact à distance l'une de l'autre avec les tissus de la structure anatomique au cours de la pénétration du foret 26 dans la structure anatomique.
L'invention n'est toutefois pas limitée à la réalisation et à l'agencement précédemment décrits du corps 26, des première 28 et deuxième 30 électrodes et de la couche de matériau électriquement isolant. Les première 28 et deuxième 30 électrodes pourraient ne pas être agencées de manière coaxiale et, par exemple, être réalisées chacune par une tige en matériau conducteur plongée dans le corps 26. Par ailleurs, la première électrode 28 et la deuxième électrode 30 pourraient chacune présenter une surface de contact 29, 31 ponctuelle ou autre affleurant la surface latérale ou la surface distale du corps 26. Le corps 26 pourrait encore supporter deux ou plus de deux premières électrodes 28 et deux ou plus de deux deuxièmes électrodes 30. Le dispositif médical 25 comprend également un boîtier 35 auquel l'extrémité proximale 26a du foret 26 est solidarisée. Le boîtier 35 comporte un logement qui enferme les composants électroniques permettant au dispositif médical 25 d'émettre le signal d'avertissement approprié. Les composants comprennent notamment un générateur électrique 36 et un dispositif de traitement 37 électrique montés sur une carte électronique 38. Le générateur électrique 36 est connecté aux première 28 et deuxième 30 électrodes et adapté pour appliquer un ou plusieurs courants électriques de mesure entre les première 29 et deuxième 31 surfaces de contact. Le dispositif de traitement 37 est connecté au générateur électrique 36 et aux première 28 et deuxième 30 électrodes et adapté pour déterminer un paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique à partir du ou des courants électriques de mesure, et pour émettre le signal d'avertissement correspondant au paramètre de mesure.
Le paramètre de mesure peut notamment être une tension électrique, une intensité du courant électrique, la caractéristique électrique elle-même choisie parmi la conductivité et la résistivité, ou être le résultat d'un traitement, tel qu'une intégration, une moyenne ou autre, d'un ou plusieurs courants électriques de mesure.
Le boîtier 35 peut également enfermer un dispositif d'alimentation alimentant en énergie électrique le générateur électrique 36 et le dispositif de traitement 37. Il peut également inclure une interface de communication communiquant avec l'unité de commande 50 par tout moyen approprié, filaire ou sans fil.
Dans d'autres modes de réalisation, le générateur électrique 36 et le dispositif de traitement 37, de même que les autres composants électroniques du dispositif médical, pourraient être déportés par rapport au corps du dispositif médical. Ils pourraient par exemple être portés par le bras robotisé 11 ou être intégrés à l'unité de commande 50.
Pour entraîner le corps 26 en rotation autour de l'axe longitudinal L, le dispositif de forage 25 comprend un dispositif d'entraînement, tel qu'un ensemble motoréducteur.
Dans le premier mode de réalisation représenté, le dispositif d'entraînement est monté dans un carter 40 solidaire de l'organe effecteur 14 du bras robotisé 11 de sorte qu'une fois solidarisé au dispositif d'entraînement, le foret 26 du dispositif de forage est monté sur l'organe effecteur 14 du bras robotisé 1 1.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du système médical 10' selon l'invention. Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce qu'il est spécialement adapté pour être mis en œuvre dans le cadre d'une co-manipulation. Comme indiqué précédemment, le dispositif de forage 25 est indépendant du bras robotisé 11 et le déplacement du foret peut être obtenu par une action extérieure exercée sur le dispositif de forage 25 par le chirurgien, par exemple.
Les actionneurs ou au moins une partie d'entre eux sont réversibles, c'est-à-dire qu'ils peuvent suivre le déplacement du foret imposés par l'action extérieure en dehors de situations particulières identifiées ultérieurement.
L'organe effecteur 14 du bras robotisé 11 comporte néanmoins un élément de butée permettant de contrôler le déplacement du foret 26 au moment opportun comme il apparaîtra de la suite de la description. Dans le mode de réalisation représenté, sans y être limité, l'organe effecteur 14 du bras robotisé 1 1 comporte un conduit 20 adapté pour recevoir le foret 26. Le conduit 20 peut servir de guide pour le foret 26 mais également d'élément de butée. Une partie du conduit 20 et, en particulier, un bord supérieur 21 délimitant une ouverture supérieure au travers de laquelle le foret 26 est inséré dans le conduit 20 peut former l'élément de butée qui viendra en contact avec le dispositif de forage pour en contrôler le déplacement au besoin.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif d'entraînement du foret 26 est indépendant de l'organe effecteur 14 et peut être porté par une perceuse, non représentée, tenue à la main par le chirurgien.
Il est à noter qu'une co-manipulation peut également être obtenue avec le système médical 10 selon le premier mode de réalisation, le chirurgien exerçant l'action extérieure sur le dispositif de forage 25 soit directement, en manipulant le dispositif de forage 25, soit indirectement, en manipulant l'organe effecteur 14. Le dispositif de forage 25 pourrait également être manipulé en co-manipulation par l'intermédiaire d'un autre bras robotisé que le bras robotisé 11 comportant l'élément de butée. En outre, l'élément de butée peut être réalisé de toute autre manière appropriée pour venir en contact avec le dispositif de forage 25 et pouvoir contrôler le déplacement du foret 26.
Les autres caractéristiques du système médical 10' selon le deuxième mode de réalisation sont analogues à celles du système médical 10 selon le premier mode de réalisation et ne sont pas à nouveau décrites en détails. L'on se référera à la description qui en a déjà été faite pour plus de détails.
La figure 4 représente un système médical 10" selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
L'organe effecteur 14 du bras robotisé 11 comporte un conduit 20 analogue à celui précédemment décrit en relation avec le deuxième mode de réalisation. L'organe effecteur 14 également comporte un support 22 déplaçable par rapport au conduit 20 et sur lequel le foret 26 est peut être monté. En particulier, dans le troisième mode de réalisation représenté, le support 22 est déplaçable en translation selon un axe central du conduit 20. En variante, tout autre déplacement du support 22 par rapport au conduit 20 pourrait être prévu. Le support 22 porte le carter 40 logeant le dispositif d'entraînement auquel le foret peut être solidarisé pour être entraîné en rotation au travers du conduit 20. Comme indiqué précédemment, le conduit 20 peut alors servir de guide et d'élément de butée.
Selon l'invention, l'unité de commande 50 est configurée pour délivrer un signal de commande qui commande le déplacement de l'organe effecteur 14 par rapport à la base 12 en fonction du signal d'avertissement émis par le dispositif de forage 25 lorsque le foret 26 pénètre la vertèbre 1.
La figure 5 illustre le signal de commande délivré au cours de la pénétration du foret 26 dans le pédicule 8 d'une vertèbre 1 depuis un point d'entrée A dans la couche extérieure 5 d'os cortical jusqu'à un premier point de sortie C dans la couche extérieure 5 d'os cortical en regard du point d'entrée A.
L'axe longitudinal L du foret 26 est placé selon une direction de pénétration T prédéterminée et la pointe 27 du foret 26 est mise en contact avec la couche extérieure 5 d'os cortical au niveau du point d'entrée A. Des exemples de détermination du point d'entrée et de direction de pénétration T du corps d'un dispositif médical destiné à pénétrer dans une structure anatomique sont décrits dans les documents FR 3 017 042 et FR 3 017 043.
Sur la figure 5, le paramètre de mesure représentatif de la caractéristique électrique pris en considération est une intensité d'un courant électrique de mesure circulant entre les première 29 et deuxième 31 surfaces de contact représentative d'une conductivité du milieu dans lequel se trouve la pointe 27 du foret 26. Le signal d'avertissement émis correspond donc à cette intensité.
Au niveau du point d'entrée A, la pointe 27 du foret 26 est en contact avec de l'os cortical. A l'approche de l'interface B entre l'os cortical et l'os spongieux de la couche extérieure 5 d'os cortical, la pointe 27 du foret 26 approche l'os spongieux. La conductivité de l'os cortical étant inférieure à celle de l'os spongieux, l'intensité pouvant circuler entre les première 29 et deuxième 31 surfaces de contact croît. Au cours de la traversée de l'os spongieux en passant par l'un des pédicules 8 et jusqu'à rencontrer la couche extérieure 5 d'os cortical au niveau du point de sortie C, l'intensité reste sensiblement inchangée et le signal d'avertissement forme un palier. Au niveau du point de sortie C, lorsque la pointe 27 approche de l'os cortical et entame le forage de la couche extérieure 5 d'os cortical, l'intensité mesurée décroît. Au cours du forage de la couche extérieure 5 d'os corticale, la pointe 27 du foret 26 s'approche de l'interface D entre l'os cortical et le milieu constitué de tissus mous et de fluides, tels que le sang, dont la conductivité est plus élevée que celles de l'os cortical et de l'os spongieux. L'intensité mesurée augmente donc jusqu'à atteindre un nouveau palier, lorsque le foret 27 a traversé la couche extérieure 5 d'os cortical.
Comme illustré sur la figure 6, un signal d'avertissement analogue peut être obtenu au cours de la pénétration du foret 26 dans le pédicule 8 d'une vertèbre 1 depuis le point d'entrée A dans la couche extérieure 5 d'os cortical jusqu'à un deuxième point de sortie C dans la couche intérieure 6 d'os cortical délimitant le foramen 2. En effet, le foret 26 traverse à nouveau successivement de l'os cortical dans la couche extérieure 5 d'os cortical, de l'os spongieux et de l'os cortical dans la couche intérieure 5 d'os cortical avant d'atteindre un milieu constitué de tissus mous et de fluides, tels que le sang, dans le foramen 2.
Le signal d'avertissement peut alors être utilisé pour déterminer une position de la pointe 27 du foret 26 par rapport à la structure osseuse de la vertèbre 1.
En choisissant un ou plusieurs seuils critiques chacun représentatif d'une position critique de la pointe 27 du foret 26 par rapport à la structure osseuse de la vertèbre 1 et en comparant une valeur absolue à chaque instant ou une variation sur une période déterminée du paramètre de mesure au seuil critique correspondant, il est possible de contrôler le déplacement du foret 26 par l'intermédiaire du signal de commande. Une position critique s'entend d'une position dont la discrimination par rapport à d'autres positions présente un intérêt. Il peut s'agir d'une position présentant un risque pour le patient mais pas nécessairement. Afin de pouvoir réaliser la comparaison, le seuil critique est une valeur absolue ou une variation d'un paramètre de référence comparable au paramètre de mesure. Le paramètre de référence peut être prédéterminé à partir de résultats d'essais sur des structures anatomiques de référence, il peut être choisi par un utilisateur ou défini de toute manière appropriée.
Par exemple, l'unité de commande 50 peut détecter l'interface B entre l'os spongieux et l'os cortical lorsque le signal d'avertissement correspondant à l'intensité entre les première 29 et deuxième 31 surfaces de contact varie en décroissant et dépasse un premier seuil critique SCI . L'unité de commande 50 peut également détecter une brèche dans l'une des couches intérieure 6 et extérieure 5 d'os cortical lorsque le signal d'avertissement croît à nouveau en dépassant une valeur minimale du paramètre de mesure représentatif de l'os spongieux avec un écart déterminé. L'écart par rapport à la valeur minimale du paramètre de mesure représentatif de l'os spongieux constitue un deuxième seuil critique SC2.
La valeur minimale du paramètre de mesure représentatif de l'os spongieux peut être définie de manière différentielle au cours du forage de la vertèbre 1. L'unité de commande 50 affecte une valeur initiale à la valeur minimale du paramètre de mesure et mesure en permanence une valeur courante du paramètre de mesure. Tant que le signal d'avertissement ne dépasse pas le premier seuil critique SC, si la valeur courante du paramètre de mesure est inférieure à la valeur minimale du paramètre de mesure, l'unité de commande 50 affecte la valeur courante du paramètre de mesure à la valeur minimale du paramètre de mesure.
Plus généralement, lorsque la structure anatomique comprend :
- un premier milieu présentant une première capacité à conduire le courant électrique,
- un deuxième milieu présentant une deuxième capacité à conduire le courant électrique, la deuxième capacité étant supérieure à la première capacité, et
- un troisième milieu délimité par le premier milieu et comprenant un fluide présentant une troisième capacité à conduire le courant, la troisième capacité étant supérieure aux première et deuxième capacités,
l'unité de commande 50 peut être configurée pour :
- détecter une interface entre le deuxième milieu et le premier milieu lorsque le signal d'avertissement varie dans un premier sens de variation et dépasse un premier seuil critique,
- détecter une brèche dans le premier milieu lorsqu'après avoir varié dans le premier sens de variation par rapport au seuil, le signal d'avertissement varie dans un deuxième sens de variation opposé au premier sens de variation et dépasse une valeur minimale du paramètre de mesure représentatif du deuxième milieu avec un écart déterminé.
La valeur minimale du paramètre de mesure représentatif du deuxième milieu peut être obtenue comme décrit précédemment en relation avec la structure osseuse.
Le déplacement du foret 26 est défini par plusieurs paramètres de déplacement parmi lesquels la direction de pénétration T, l'un d'un sens d'avance (rapprochement par rapport à la structure osseuse) et d'un sens de recul (éloignement par rapport à la structure osseuse) opposés l'un à l'autre de la direction de pénétration T, l'un d'une vitesse d'avance variable dans le sens d'avance, d'une vitesse de recul variable dans le sens de recul, d'un effort d'avance variable dans le sens d'avance et d'un effort de recul variable dans le sens de recul.
Tant que le signal d'avertissement n'atteint pas de seuil critique, l'unité de commande délivre un signal de commande autorisant un déplacement du foret dans le sens d'avance de la direction de pénétration T par rapport à la structure osseuse de la vertèbre 1.
Dans le premier mode de réalisation de la figure 1 , dans lequel le foret 26 est monté sur l'organe effecteur 14, l'unité de commande 50 autorise un déplacement du foret 26 en commandant :
- un entraînement en rotation du foret 26 dans un premier sens de rotation à une vitesse d'entraînement de telle manière que les arêtes coupantes du foret 26 puissent enlever de la matière, et
- un déplacement de l'organe effecteur 14 dans le sens d'avance de telle sorte que le foret 26 se déplace vers la structure osseuse.
Pour déplacer l'organe effecteur 14, l'unité de commande 50 peut :
- déterminer une position courante dans laquelle se trouve le foret 26,
- déplacer le foret 26 vers une position de consigne située en aval dans le sens d'avance de la position courante du foret 26 avec une vitesse d'avance.
Dans cas d'un pilotage en effort à la place d'un pilotage en vitesse comme décrit ci- dessus, le déplacement du foret 26 vers la position de consigne serait effectué avec un effort d'avance à appliquer lors de l'avance par rapport à la structure osseuse dans le sens d'avance de la direction de pénétration. L'effort d'avance peut alors être une ou plusieurs forces d'avance selon toutes directions appropriées, un ou plusieurs couples d'avance selon toutes directions appropriées ou une combinaison de ceux-ci, en fonction du dispositif médical mis en œuvre.
De façon similaire, dans le troisième mode de réalisation de la figure 4, dans lesquels le foret 26 est monté sur le support 22 de l'organe effecteur 14, l'unité de commande 50 autorise un déplacement du foret 26 en commandant :
- un entraînement en rotation du foret 26 dans le premier sens de rotation à la vitesse d'entraînement, et
- un déplacement du support 22 par rapport au conduit 20. En co-manipulation, dans le deuxième mode de réalisation de la figure 3, dans lequel le foret 26 est déplacé par une action extérieure exercée sur le dispositif de forage 25, l'unité de commande 50 autorise un déplacement du foret 26 :
- soit en ne délivrant aucun signal de commande, les articulations 16, 17 étant libres d'être déplacés sous l'effet de l'action extérieure exercée sur le dispositif de forage 25,
- soit en commandant un entraînement des actionneurs des articulations 16, 17 pour qu'ils suivent l'action extérieure exercée sur le dispositif de forage 25.
Le foret 26 est alors déplacé avec une vitesse d'avance ou un effort d'avance imposé par le chirurgien.
En revanche, lorsque le signal d'avertissement atteint l'un des seuils critiques, l'unité de commande 50 commande une modification du déplacement du foret 26 en modifiant au moins l'un des paramètres de déplacement.
En particulier, sur les figures 5 et 6, le signal de commande peut comprendre des instructions pour réduire la vitesse d'avance du foret 26 dans le sens d'avance lorsque le signal d'avertissement atteint le premier seuil critique SCI . En outre, le signal de commande peut comprendre des instructions pour réduire la vitesse d'entraînement du foret 26 dans le premier sens de rotation lorsque le signal d'avertissement atteint le premier seuil critique SCI . Dans le cas du pilotage en effort, ce serait l'effort d'avance qui serait réduit.
Lorsque le signal d'avertissement atteint le deuxième seuil critique SC2 (écart par rapport à la valeur minimale du paramètre de mesure représentatif de l'os spongieux), le signal de commande peut comprendre des instructions pour arrêter le déplacement du foret 26 par rapport à la structure osseuse de la vertèbre 1 et interrompre la rotation du foret 26.
Dans les premier et troisième modes de réalisation des figures 1 et 4, dans lesquels le foret 26 est monté sur l'organe effecteur 14, l'unité de commande 50 peut arrêter le foret 26 en affectant la position courante à la position de consigne du foret 26, la position courante devenant ainsi la position de consigne, et en imposant au foret une vitesse nulle, en cas de pilotage en vitesse, ou un effort nul, en cas de pilotage en effort.
En co-manipulation, dans le deuxième mode de réalisation de la figure 3, le foret 26 étant inséré dans le conduit 20 monté sur l'organe effecteur 14 et le foret 26 étant déplacé par une action extérieure exercée sur le dispositif de forage 25, lors de la détection du franchissement du premier seuil critique SCI, le bord supérieur 21 du conduit 20 formant l'élément de butée peut être amené en butée contre le dispositif de forage 25 afin d'être utilisé pour contrôler le déplacement du foret 26. En particulier, une fois l'élément de butée en contact avec le dispositif de forage 25, l'unité de commande 50 peut :
- réduire l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du foret 26 dans le sens d'avance lors de la détection du franchissement du premier seuil critique SCI,
- imposer au foret 26 l'un d'une vitesse nulle et d'un effort nul lors de la détection du franchissement du deuxième seuil critique SC2.
En variante, l'unité de commande 50 pourrait commander un déplacement du foret 26 dans le sens de recul avec l'un de la vitesse de recul et de l'effort de recul lorsque le signal d'avertissement atteint le deuxième seuil critique SC2, de telle sorte que le foret 26 s'écarte de la structure osseuse. Le signal de commande pourrait également comprendre des instructions pour entraîner le foret 26 dans un deuxième sens de rotation, opposé au premier sens de rotation lorsque l'un des premier SCI et deuxième SC2 seuils critiques est dépassé.
En variante, tout autre contrôle du déplacement du foret 26 et, plus généralement du corps du dispositif médical, pourrait être prévu par la délivrance du signal de commande approprié avec les paramètres de déplacement correspondants. En particulier, lorsque le signal d'avertissement atteint un seuil critique correspondant à une brèche dans de l'os cortical, du type du deuxième seuil critique SC2 décrit précédemment, l'unité de commande 50 pourrait délivrer un signal de commande composant des instructions d'arrêt, de déplacements dans le sens d'avance et dans le sens de recul sur des plages déterminées pour suivre des mouvements respiratoires du patient. Le signal de commande pourrait également être adapté en fonction des risques que représente l'atteinte à tel ou tel milieu. Par exemple, en l'absence de risque majeur immédiat, la détection de l'atteinte à une couche d'os cortical par le franchissement d'un seuil critique correspondant, du type du premier seuil critique SCI décrit précédemment, pourrait conduire l'unité de commande 50 à limiter la vitesse d'avance mais à augmenter la vitesse d'entraînement dans le premier sens de rotation pour tenir compte d'une dureté de l'os cortical supérieure à celle de l'os spongieux.
Afin d'assurer un contrôle en continu et en temps réel du déplacement du foret 26, le courant électrique de mesure à une période de mesure inférieure au rapport d'une distance critique du foret 26 dans le sens d'avance de la direction de pénétration T sur la vitesse d'avance du foret 26, la distance critique étant en particulier inférieure ou égale à 1 mm. Le générateur électrique 36 du dispositif de forage 25 peut être alors connecté à l'unité de commande 50 et l'unité de commande 50 peut être adaptée pour mesurer la vitesse d'avance du foret 26 et pour commander le générateur électrique 36 de telle manière qu'il appliquer le courant électrique de mesure approprié.
Pour améliorer le contrôle du déplacement du foret 26, outre le signal d'avertissement, l'unité de commande 50 peut délivrer le signal de commande en fonction d'un ou plusieurs autres signaux. La combinaison du signal d'avertissement fournissant une information sur la caractéristique électrique du milieu avec d'autres signaux peut permettre de discriminer différents milieux présentant des capacités à conduire le courant électrique analogues. La position effective du foret 26 par rapport à la structure osseuse de la vertèbre peut ainsi être définie de manière plus précise. Le signal de commande peut alors être adapté en conséquence.
Le système médical peut notamment comporter un dispositif de détection de profondeur connecté à l'unité de commande 50 et configuré pour émettre un signal de profondeur correspondant à une profondeur à laquelle le foret 26 a pénétré dans la structure osseuse de la vertèbre 1. Le dispositif de détection de profondeur est de tout type approprié. Le dispositif de détection de profondeur peut, par exemple, comprendre un ou plusieurs capteurs de position intégrés au bras robotisé 11 et permettant de déterminer la profondeur à partir des déplacements des actionneurs. En variante, le dispositif de détection de profondeur peut comprendre un ou plusieurs capteurs externes, par exemple optiques, repérant un marquage sur le foret 26.
Ainsi, sur les figures 5 et 6, à partir de la combinaison des signaux d'avertissement et de profondeur, l'unité de commande 50 peut déterminer laquelle des couches intérieure 6 et extérieure 5 d'os cortical est atteinte après avoir traversé de l'os spongieux et, le cas échéant, délivrer des signaux de commande différents en fonction de la couche d'os cortical atteinte. Par exemple, la réduction de la vitesse d'avance pourrait être plus importante lorsque la couche intérieure 6 d'os cortical est atteinte que lorsque la couche extérieure 5 d'os cortical est atteinte. Ou encore, il pourrait être prévu d'imposer une vitesse de recul et un entraînement dans le deuxième sens de rotation lors d'une atteinte à la couche intérieure 6 d'os cortical, là où il serait prévu une réduction de la vitesse d'avance et de la vitesse d'entraînement dans le premier sens de rotation lors d'une atteinte à la couche extérieure 5 d'os cortical.
La figure 7 illustre un exemple de signal de commande à partir d'un seuil de profondeur SP1 est atteint. Le signal de commande modifie alors le déplacement du foret 26 lorsque l'un d'un seuil critique SCI et SC2 et du seuil de profondeur SP est atteint. Le signal de commande peut comprendre des instructions pour permettre le déplacement du foret 26 dans le sens d'avance de la direction de pénétration T avec une vitesse d'avance, depuis le point d'entrée A de la couche extérieure 5 d'os cortical tant que le signal de profondeur n'atteint pas le seuil de profondeur SPl .
En l'absence de détection du dépassement de l'un des seuils critiques SCI, SC2 par le signal d'avertissement, le déplacement du foret 26 se poursuit jusqu'à ce que le signal de profondeur atteigne le seuil de profondeur SPl indiquant que la pointe 27 du foret 26 est positionnée à une profondeur cible, par exemple correspondant à une longueur d'une vis pédiculaire à implanter. Sur la figure 7, lorsque le seuil de profondeur SPl est atteint, le signal de commande impose une vitesse nulle au foret 26 pour l'arrêter, étant entendu que toute autre modification du déplacement du foret 26 pourrait être prévue. Par exemple, le signal de commande pourrait comprendre des instructions pour déplacer le foret 26 dans le sens de recul de la direction de pénétration T, ou encore pour limiter l'un de la vitesse d'avance et de l'effort d'avance du foret 26.
Selon des dispositions particulières, plusieurs signatures prédéfinies peuvent être enregistrée dans l'unité de commande 50. Chaque signature comprend un signal d'avertissement de référence résultant d'une variation du paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique au cours d'une pénétration du foret 26 dans une structure anatomique de référence.
Chaque signature peut également combiner le signal d'avertissement de référence avec un signal de profondeur de référence résultant d'une variation d'un paramètre de profondeur relatif à la profondeur à laquelle le foret 26 a pénétré dans la structure anatomique de référence.
A chaque signature peut correspondre un ensemble de paramètres de déplacement dont au moins une partie peut différer des paramètres de déplacement des autres ensembles de paramètres de déplacement. Outre les paramètres de déplacements définis précédemment, chaque ensemble de paramètres de déplacement peut notamment comprendre le ou les seuils critiques, le ou les seuils de profondeur ou autre.
Le signal d'avertissement peut ainsi être analysé de manière différente, notamment par rapport au dépassement de certains seuils critiques, en fonction de la position effective du foret 26 par rapport à la structure osseuse de la vertèbre 1.
L'unité de commande 50 peut alors être configurée pour :
- au cours de la pénétration du foret 26 dans la vertèbre 1 , enregistrer en continu le paramètre de mesure et comparer la variation du paramètre de mesure aux signatures, et - si la variation du paramètre de mesure correspond à l'une des signatures, délivrer le signal de commande avec l'ensemble de paramètres de déplacement correspondant à la signature.
Par exemple, la variation de l'intensité comme paramètre de mesure par rapport à la profondeur illustrée sur la figure 6 peut constituer une signature de brèche intérieure représentative d'un forage d'une vertèbre 1 depuis un point d'entrée en regard du pédicule 8 et selon une trajectoire conduisant à une brèche dans la couche intérieure 6 d'os cortical.
La variation de l'intensité comme paramètre de mesure par rapport à la profondeur illustrée sur la figure 7 peut constituer une signature attendue représentative d'un forage d'une vertèbre 1 pouvant être qualifié d'adapté pour la mise en place d'une vis pédiculaire depuis un point d'entrée en regard du pédicule 8 et selon une trajectoire conduisant à une profondeur déterminée au travers du pédicule 8.
La figure 8 illustre la détection d'un glissement du foret 26 sur la couche extérieure 5 d'os cortical à partir de l'une des signatures de brèche intérieure ou attendue précitées. La pointe 27 du foret 26 positionnée sur le point d'entrée A prédéterminé glisse et se retrouve à un autre emplacement A' sur la couche extérieure 6 d'os cortical, distant du point d'entrée A prédéterminé.
Conformément à la signature attendue représentée en trait mixte, l'intensité comme paramètre de mesure, devrait être constante à un niveau correspondant à celui de l'os cortical puis augmenter au niveau de l'intensité de l'os spongieux lorsque le signal de profondeur atteint un troisième seuil de profondeur SP3, par exemple de l'ordre de 5 mm, correspondant à l'interface entre l'os cortical et l'os spongieux.
Or dans le cas d'un glissement du foret 26, au lieu de se trouver dans l'os cortical, la pointe 27 du foret est dans les tissus mous et les fluides entourant la vertèbre 1 dont la conductivité est plus élevée que celle de l'os spongieux. Avant que le signal de profondeur n'ait atteint le troisième seuil de profondeur SP3 le signal d'avertissement dépasse le deuxième seuil critique SC2 représentatif d'une brèche dans l'os cortical et l'unité de commande impose une vitesse nulle au foret 26.
La figure 9 illustre la détection d'une traversée de l'une des apophyses transverses 4 à partir de l'une des signatures de brèche intérieure ou attendue précitées et représentée en trait mixte.
Selon la signature de brèche intérieure, aucune brèche ne devrait être détectée par un dépassement du deuxième seuil critique SC2 par le signal d'avertissement avant qu'un quatrième seuil de profondeur SP4 soit atteint. Lors de la traversée de l'apophyse transverse 4, la pointe 27 du foret 26 est positionnée sur un emplacement A' prédéterminé mais la direction de pénétration T la conduit à traverser successivement la couche extérieure 5 d'os cortical, l'os spongieux et à nouveau la couche extérieure 5 d'os cortical de l'apophyse transverse 4. Le signal d'avertissement dépasse alors le deuxième seuil critique SC2 représentatif d'une brèche dans l'os cortical avant que le quatrième seuil de profondeur SP4 soit atteint. L'unité de commande, qui a pu imposer une vitesse d'avance réduite lorsque le premier seuil critique SCI identifiant l'interface C" entre l'os spongieux et l'os cortical est détecté, -impose une vitesse nulle lorsque le deuxième seuil critique SC2.
La figure 10 illustre la signature d'un passage de la pointe 27 du foret 26 dans le pédicule 8 dans lequel la densité de l'os spongieux peut augmenter conduisant à une diminution de la conductivité. Cette diminution peut être identifiée par un troisième seuil critique SC3, par exemple défini de manière différentielle c'est-à-dire par une variation du paramètre de mesure, dans une fenêtre spatiale déterminée entre des cinquième SP5 et sixième SP6 seuils de profondeur. Dans cette fenêtre spatiale, le signal d'avertissement ne doit pas dépasser le deuxième seuil critique SC2 représentatif d'une brèche résultant de l'atteinte de l'une des couches intérieure 6 et extérieure 5 d'os corticale. Lors du passage du pédicule 8, la vitesse d'entraînement du foret 26 peut par exemple augmenter.
La figure 1 1 illustre la signature d'une traversée de l'une des apophyses transverses 4 suivie d'une nouvelle pénétration dans la couche extérieure 5 d'os cortical.
Bien que représentées sur les figures en fonction de la profondeur, les variations du paramètre de mesure pourraient être obtenues en fonction du temps.
Le système médical 10 peut également comporter un dispositif de mesure d'effort connecté à l'unité de commande 50 et configuré pour émettre un signal d'effort correspondant à un effort exercé sur le foret 26, lequel effort exercé sur le foret 26 peut comprendre une ou plusieurs forces selon toutes directions pertinentes, un ou plusieurs couples selon toutes directions pertinentes ou une combinaison de ceux-ci. Le dispositif de mesure d'effort peut être de tout type approprié. Il peut, par exemple, comprendre un ou plusieurs capteurs d'effort intégrés au bras robotisé 11 et permettant de déterminer l'effort sur le foret 26 à partir d'efforts et/ou de couples exercés par les actionneurs.
L'unité de commande 50 peut alors commander le déplacement du foret 26 en fonction du signal d'effort en plus de le commander en fonction du signal d'avertissement et, le cas échéant, du signal de profondeur. En particulier, l'unité de commande 50 peut permettre le déplacement du foret 26 dans le sens d'avance tant que le signal d'effort n'atteint pas un seuil d'effort SF, et modifier le déplacement du foret 26 lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort (SF). Un signal d'effort de référence résultant d'une variation d'un paramètre d'effort relatif à l'effort exercé sur le foret 26 au cours de la pénétration du foret 26 dans la structure anatomique de référence peut être prévu dans chaque signature et combiné au signal d'avertissement de référence et, le cas échéant au signal de profondeur de référence.
La figure 12 est une représentation illustrant une combinaison des signaux d'avertissement et d'effort pour discriminer deux positions différentes du foret 26. Selon une première direction de pénétration Tl, le foret 26 sort de la couche extérieure 5 d'os cortical au niveau d'un point de sortie B en regard du pédicule 8. Selon une deuxième direction de pénétration T2, le foret 26 sort de la couche extérieure 5 d'os cortical au niveau d'un point de sortie D" de l'une des apophyses transverses 4. La traversée de la couche extérieure 5 d'os cortical pour atteindre l'os spongieux selon la première direction de pénétration Tl et la traversée de la couche extérieure 5 d'os cortical pour atteindre des tissus mous selon la deuxième direction de pénétration peuvent conduire à la délivrance de signaux d'avertissement analogues. En revanche, l'os spongieux dont la dureté est supérieure à celle des tissus mous va conduire à une augmentation du signal d'effort qui pourra être caractérisée par le dépassement du seuil d'effort SF déterminé. Dans ces conditions, lorsque le signal d'avertissement augmente du fait du passage de l'os cortical à l'un de l'os spongieux et des tissus mous, le signal d'effort peut être suivi et si le signal d'effort FT2 ne dépasse le seuil d'effort SF après qu'un seuil de profondeur SP7, par exemple égale à 5 mm, l'unité de commande 50 détecte la position du foret 26 selon la deuxième direction T2 et modifie le déplacement, par exemple en imposant une vitesse VT2 nulle au foret 26.
Une telle discrimination peut être obtenue pour d'autres tissus que l'os spongieux et les tissus mous. Le signal d'effort peut, par exemple, être utilisé pour discriminer de los cortical et un kyste graisseux dont les conductivités sont voisines.
Exemple
Matériel
Le bras robotisé 11 est un bras Barrett Wam à 7 axes, et naturellement réversible. Cette réversibilité lui permet d'être manipulable à la main afin de pouvoir facilement le placer dans la configuration souhaitée. Il est piloté par une unité de commande 50 constituée d'un PC de contrôle exploitant l'API propriétaire libbarrett, elle-même basée sur le système temps-réel Xenomai.
L'interface logicielle avec le dispositif de forage 25 se fait au travers d'une carte tinyTILE intégrant un microcontrôleur compatible Bluetooth. Cette carte communique avec le PC de contrôle via un port série virtuel USB.
Le foret 26 est entraîné par le dispositif d'entraînement comprenant un bloc motoréducteur fixé à l'extrémité effectrice du bras robotisé 11. Ce bloc se compose d'un moteur Maxon EC45 Fiat (réf. 350910) et d'un réducteur SGP67S 50: 1. Ses caractéristiques sont les suivantes :
- Vitesse nominale en charge : 78 tours par minutes
- Couple nominal : 2,80 N.m
- Courant nominal : 3 A Le bras robotisé 11 est commandé pour permettre :
1. Le positionnement de l'instrument par le chirurgien « à la main », avant l'insertion (mode co-manipulé)
2. L'insertion automatique de l'instrument, grâce à une boucle de rétroaction (contre-réaction ou feedback) de la mesure de conductivité du tissu produite en temps réel par le dispositif de forage 25.
L'intervention réalisée est la suivante.
Avant la manipulation, le foret 26 est monté sur une perceuse montée d'avance sur le bras robotisé 11 et dont la vitesse peut être modulée. Le chirurgien est placé à côté de la vertèbre 1 et du bras robotisé 11. Le bras robotisé est en mode « bloqué », il maintient le dispositif de forage 25 en place.
Pour la manipulation, le chirurgien attrape le dispositif de forage 25 et appuie sur une pédale pour « débloquer » le bras robotisé 11. Il peut alors modifier librement la position et l'orientation du foret 26 par co-manipulation. Le chirurgien place l'instrument « prêt à percer » (alignement dans la direction de pénétration, au contact du point d'entrée). Lorsque la position est correcte, il lâche la pédale et le bras robotisé 11 repasse en mode bloqué.
Au besoin, des ajustements peuvent être apportés au point d'entrée et à la direction de pénétration. Via l'interface (éventuellement avec un opérateur), le chirurgien déclenche l'insertion en mode automatique. Le dispositif d'entraînement est lancé à la vitesse d'entraînement ωι (par exemple, 300 tours/minute). Le robot avance selon le sens d'avance de la direction de pénétration à la vitesse d'avance vl (par exemple, 1 mm/s) et lance la surveillance du signal d'avertissement
Au cours des 5 premiers mm, la valeur du signal d'avertissement peut diminuer pour atteindre une valeur stable, dite de référence. L'unité de commande 50 identifie cette référence en ligne car elle peut varier d'un patient à l'autre.
L'unité de commande suit en continu le signal d'avertissement et commande l'avance tant que le signal d'avertissement est proche de la référence et la variation du signal d'avertissement est « assez lente ».
Lorsque ces conditions ne sont plus respectées : un arrêt du bras robotisé et un ralentissement de la vitesse d'entraînement ω2 (par exemple, 100 tr/min) sont commandés.
La position est enregistrée et un perçage de la corticale est initié.
Le perçage de la corticale, par exemple à une vitesse d'avance v2 de 0,2 mm/s, est réalisé jusqu'à détecter une brèche qui commande l'arrêt du bras robotisé 11 et de la perceuse.
Le dispositif de forage est retiré de la vertèbre.
Contrôle-commande
Deux contrôleurs ont été développés.
Lors des phases de placement manuel et de repositionnement, le bras robotisé 11 ne fait que compenser son propre poids. Il est donc librement déplaçable à la main du fait de la grande réversibilité de son système de transmission à câbles.
Pour la réalisation du perçage, un schéma de commande spécifique a été développé. Le schéma de l'asservissement prend en entrée une orientation désirée, une position initiale désirée et une vitesse d'avance.
Les modes de fonctionnement qu'il met en œuvre sont les suivants.
A la mise en route, la position Xini et l'orientation 6mi du robot sont enregistrées.
Les positions et orientations désirées sont initialisées (resp. Xdes <— Xini et é>des <—
Oini). Tant que la force appliquée par le bras robotisé 11 sur la vertèbre 1 (force estimée via les courants moteurs et un modèle cinématique du robot) est inférieure à une valeur seuil F, la position désirée est incrémentée, de la manière suivante :
Figure imgf000034_0001
Vdes étant la vitesse d'avance du perçage défi nie par l'utilisateur (vecteur orienté selon l'axe du perçage), et ΔΓ étant le temps de cycle du contrôleur du robot (2ms).
Le contrôleur calcule ensuite une force à appliquer via un correcteur proportionnel dérivé :
Figure imgf000034_0002
où Kpp et Kdp sont les gains proportionnel et dérivé en position, respectivement.
Cette force est ensuite comparée a t max puis saturée si elle dépasse cette valeur. Enfin, les couples articulaires pour le contrôle de la position sont calculés via le modèle de transmission statique du robot :
Figure imgf000034_0003
où (/r)i3 représente les trois premières colonnes de la transposée de la matrice jacobienne naturelle du robot.
Le contrôle de l'orientation est réalisé avec un correcteur PD indépendant calculant le moment M :
Figure imgf000034_0004
où Kpo et Kdo sont les gains proportionnel et dérivé en orientation, respectivement, ee est l'erreur en orientation, ω est la vitesse de rotation, (/r)46 représente les trois premières colonnes de la transposée de la matrice jacobienne naturelle du robot.
Les gains sont réglés pour obtenir une raideur appropriée (maintien en ligne de la perceuse) et un bon amortissement, par essais-erreurs. Valeurs de gains réglés:
- Contrôleur en orientation : Kpo = 18 et Kdo = 0,087
- Contrôleur en position : Kvv = 5000 et Kdp = 60
Lorsque le perçage commence, la vitesse d'avance est demandée au robot.
Le contact entre l'instrument et l'os produit un effort résistant. Cet effort crée une erreur de suivi. Les vitesses étant faibles, on peut estimer que :
F = Kpp {Xdes ~ X)— Kdp V ~ Kpp {Xdes ~ X)
Donc l'erreur est proportionnelle à la force appliquée. Ainsi la position désirée se situe en avant de la pointe et le correcteur proportionnel est assimilable à un ressort qui « tire » l'instrument. Lorsque la force résistante devient grande, cela correspond à une grande erreur, il est inutile de continuer à faire progresser la position désirée à pleine vitesse, c'est pourquoi la force est saturée.
Le signal d'avertissement mesuré par le foret 26 est filtré avant d'être envoyé via Bluetooth. Ce filtre se présente sous la forme:
a(t) = a s(t) +(1 - a) a(t - T)
avec a = 1/3, s(t) étant le signal brut mesuré au temps t, a(t) la valeur du signal filtré au temps t et T la période d'acquisition (environ 200 ms).
On souhaite arrêter la progression du robot lorsque des variations rapides du signal sont observées et un retard de plus d'une seconde peut engendrer une brèche en fin de perçage. On intègre donc dans la commande du robot en prétraitement du signal un algorithme qui inverse le filtre :
= a(t) - (\ - a)a(t - \)
a
Ceci permet de retrouver la valeur brute du signal à l'instant t à partir du signal filtré et, par la même occasion, d'annuler les retards.
Le signal d'avertissement est utilisé pour arrêter le bras robotisé juste avant qu'une brèche soit faite. L'algorithme retenu est le suivant.
On détecte une pénétration dans la corticale lorsque le signal d'avertissement descend en dessous d'un seuil critique sci.
Lorsque l'on a pénétré la corticale, on détecte l'imminence d'une brèche quand le signal remonte au-dessus de sa valeur minimale smin avec un écart supérieur à un seuil sc2.
Dans les expériences réalisées, les seuils sci et sc2 sont imposés avant l'expérience (réglage effectué à partir de premiers essais). En revanche la valeur minimale de référence Smin n'est pas très répétable d'un perçage à l'autre ; elle est donc calculée automatiquement en ligne.
L'interprétation du signal de l'instrument peut être décrite par le pseudo-code suivant :
Initialisation : smin <—∞ ; fl g 'cortical = 0
En boucle, pour chaque nouvelle valeur reçue du signal s(t) :
1. Calculer la valeur minimale du signal :
Si s(t) < Smin, alors smÎn <— s(t) 2. Détecter l'entrée dans la corticale :
Si s(t) < si et flagcorticai = 0, alors fl gCOrticai <— 1
3. Dans la corticale, détecter l'imminence d'une brèche :
Si flagcorticai = 1 et (s(t) - smin) > s2, alors arrêt du perçage.
Les seuils ont été réglés à : s = 0,15 V et s2 = 0,3 V
Lors du perçage, la vitesse de rotation du moteur n'est pas contrôlée explicitement : on envoie au moteur une commande égale à 24 Volts qui correspond à une vitesse à vide du moteur de l'ordre de 80 tours par minutes. Cette commande reste en boucle ouverte pendant tout le perçage. Il est à noter que lorsque le foret est beaucoup enfoncé, la résistance est forte et la vitesse de rotation diminue. Un des intérêts de la limitation de la force axiale est que cela limite aussi (mécaniquement) le couple résistant au perçage ce qui permet d'éviter que le foret ne se bloque.
Déclencher le perçage revient donc simplement à fixer une vitesse d'avance positive.
Arrêt de l'alimentation du moteur de mise en rotation du foret.
Affectation de la position désirée du robot à la position courante, ce qui a pour effet d'arrêter immédiatement l'application d'une force.
Un recul du bras robotisé 11 peut alors être observé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système médical (10, 10', 10") comprenant :
- un bras robotisé (11) comportant une base (12) et un organe effecteur (14), le bras robotisé (11) étant configuré pour permettre un déplacement de l'organe effecteur (14) par rapport à la base (12),
- une unité de commande (50) connectée au bras robotisé (11) et configurée pour délivrer un signal de commande qui commande le déplacement de l'organe effecteur (14) par rapport à la base (12),
- un dispositif médical (25) destiné à pénétrer dans une structure anatomique (1), la structure anatomique (1) comportant des milieux différents et présentant une caractéristique électrique variable en fonction des capacités des milieux à conduire un courant électrique, le dispositif médical (25) comprenant un corps (26) adapté pour pénétrer dans la structure anatomique (1), le dispositif médical (25) étant configuré pour émettre un signal d'avertissement variable en fonction de la caractéristique électrique lorsque le corps (26) est déplacé dans la structure anatomique (1), le dispositif médical (25) étant connecté à l'unité de commande (50),
dans lequel le corps (26) du dispositif médical (25) s'étend entre une extrémité distale (26b) destinée à venir en contact avec la structure anatomique et une extrémité proximale (26a) opposée à l'extrémité distale (26b), et présente une surface extérieure, le corps comprenant :
- au moins une première électrode (28) comportant une première surface de contact (29) agencée sur la surface extérieure du corps (26), à l'extrémité distale (26b), pour venir en contact avec la structure anatomique (1),
- au moins une deuxième électrode (30) comportant une deuxième surface de contact (31) agencée sur la surface extérieure du corps (26), à l'extrémité distale (26b), pour venir en contact avec la structure anatomique (1) à distance de la première surface de contact (29),
dans lequel le dispositif médical (25) comprend en outre :
- un générateur électrique (36) connecté aux première (28) et deuxième (30) électrodes et adapté pour appliquer au moins un courant électrique de mesure entre les première (29) et deuxième (31) surfaces de contact,
- un dispositif de traitement (37) connecté au générateur électrique (36) et aux première (28) et deuxième (30) électrodes et adapté pour déterminer un paramètre de mesure relatif à la caractéristique électrique à partir dudit au moins un courant électrique de mesure, et pour émettre le signal d'avertissement correspondant au paramètre de mesure,
le système médical (10, 10', 10") étant caractérisé en ce que l'unité de commande (50) est configurée pour délivrer le signal de commande en fonction du signal d'avertissement.
2. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 1, dans lequel une pluralité de signatures prédéfinies est enregistrée dans l'unité de commande, chaque signature comprenant un signal d'avertissement de référence résultant d'une variation du paramètre de mesure au cours d'une pénétration du corps du dispositif médical dans une structure anatomique de référence, le signal de commande comprenant une pluralité d'ensembles de paramètres de déplacement, chaque ensemble de paramètres de déplacement étant associé à l'une des signatures, l'unité de commande étant configurée pour :
- au cours de la pénétration du corps du dispositif médical dans la structure anatomique, enregistrer en continu le paramètre de mesure et comparer la variation du paramètre de mesure aux signatures, et
- si la variation du paramètre de mesure correspond à l'une des signatures, délivrer le signal de commande avec l'ensemble de paramètres de déplacement associé à la signature.
3. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 2, comportant en outre au moins l'un de :
- un dispositif de mesure d'effort connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal d'effort correspondant à un effort exercé sur le corps du dispositif médical,
- un dispositif de détection de profondeur connecté à l'unité de commande et configuré pour émettre un signal de profondeur correspondant à une profondeur à laquelle le corps du dispositif médical a pénétré dans la structure anatomique,
l'unité de commande étant configurée pour délivrer le signal de commande en fonction d'au moins l'un du signal d'effort et du signal de profondeur,
dans lequel système médical (10, 10', 10"), chaque signature comprend en outre au moins l'un de : - un signal d'effort de référence résultant d'une variation d'un paramètre d'effort relatif à l'effort exercé sur le corps du dispositif médical au cours d'une pénétration du corps du dispositif médical dans la structure anatomique de référence,
- un signal de profondeur de référence résultant d'une variation d'un paramètre de profondeur relatif à la profondeur à laquelle le corps du dispositif médical a pénétré dans la structure anatomique de référence.
4. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de mesure d'effort est configuré pour émettre le signal d'effort correspondant à un couple exercé sur le corps du dispositif médical, le signal d'effort de référence résultant d'une variation du paramètre d'effort relatif au couple exercé sur le corps du dispositif médical au cours d'une pénétration du corps du dispositif médical dans la structure anatomique de référence.
5. Système médical (10, 10', 10") selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le corps (26) du dispositif médical (25) s'étend selon une direction de pénétration (T) et dans lequel le signal de commande comprend des instructions pour :
- permettre un déplacement du corps (26) du dispositif médical (25) dans un sens d'avance de la direction de pénétration (T) par rapport à la structure anatomique tant que le signal d'avertissement n'atteint pas un seuil critique (SCI, SC2),
- modifier le déplacement du corps (26) du dispositif médical (25) lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique (SCI, SC2).
6. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 5, dans lequel corps (26) du dispositif médical (25) est monté sur l'organe effecteur (14) du bras robotisé (11) et le signal de commande comprend des instructions pour déplacer l'organe effecteur (14) dans le sens d'avance tant que le signal d'avertissement n'atteint pas le seuil critique (SCI, SC2).
7. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 5 adapté pour permettre le déplacement du corps du dispositif médical par une action extérieure exercée sur le dispositif médical, dans lequel l'organe effecteur du bras robotisé comporte un élément de butée et le signal de commande comprend des instructions pour mettre l'élément de butée de l'organe effecteur en contact avec le dispositif médical lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique.
8. Système médical (10', 10") selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l'organe effecteur du bras robotisé comporte un conduit adapté pour recevoir le corps du dispositif médical.
9. Système médical (10") selon la revendication 8 lorsqu'elle dépend de la revendication 6, dans lequel l'organe effecteur du bras robotisé comporte un support déplaçable par rapport au conduit et le corps du dispositif médical est monté sur le support, le signal de commande comprenant des instructions pour déplacer le support par rapport au conduit.
10. Système médical (10, 10', 10") selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 lorsqu'elle dépend de la revendication 3, dans lequel chaque signature comprend au moins un seuil critique.
11. Système médical (10, 10', 10") selon l'une quelconque des revendications 5 à 10 lorsqu'elle dépend de la revendication 3, dans lequel le signal de commande comprend des instructions pour :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal d'effort n'atteint pas un seuil d'effort,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal d'effort atteint le seuil d'effort.
12. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 11, dans lequel chaque signature comprend au moins un seuil d'effort.
13. Système médical (10, 10', 10") selon l'une quelconque des revendications 5 à 12 lorsqu'elle dépend de la revendication 3, dans lequel le signal de commande comprend des instructions pour :
- permettre le déplacement du corps du dispositif médical dans le sens d'avance tant que le signal de profondeur n'atteint pas un seuil de profondeur,
- modifier le déplacement du corps du dispositif médical lorsque le signal de profondeur atteint le seuil de profondeur.
14. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 13, dans lequel chaque signature comprend au moins un seuil de profondeur.
15. Système médical (10, 10', 10") selon l'une quelconque des revendications 1 à
14, dans lequel le corps du dispositif médical présente un axe longitudinal et le dispositif médical comprend en outre un dispositif d'entraînement configuré pour entraîner le corps en rotation autour de l'axe longitudinal, le signal de commande comprenant des instructions pour :
- permettre une rotation du corps (26) dans un premier sens de rotation à une vitesse d'entraînement, tant que le signal d'avertissement n'atteint pas un seuil critique (SCI, SC2), - modifier la rotation du corps (26) lorsque le signal d'avertissement atteint le seuil critique (SCI, SC2).
16. Système médical (10, 10', 10") selon la revendication 15 lorsqu'elle dépend de la revendication 2, dans lequel chaque signature comprend au moins une vitesse d'entraînement.
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