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WO2022195210A1 - Robot médical collaboratif pour sécuriser le guidage d'instruments - Google Patents

Robot médical collaboratif pour sécuriser le guidage d'instruments Download PDF

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Publication number
WO2022195210A1
WO2022195210A1 PCT/FR2022/050456 FR2022050456W WO2022195210A1 WO 2022195210 A1 WO2022195210 A1 WO 2022195210A1 FR 2022050456 W FR2022050456 W FR 2022050456W WO 2022195210 A1 WO2022195210 A1 WO 2022195210A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tool guide
control unit
medical
patient
practitioner
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/FR2022/050456
Other languages
English (en)
Inventor
Mohammed Foued AOUACHRIA
Lucien Blondel
Bertin Nahum
Fernand Badano
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.)
Quantum Surgical
Original Assignee
Quantum Surgical
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
Application filed by Quantum Surgical filed Critical Quantum Surgical
Priority to EP22712985.5A priority Critical patent/EP4308030A1/fr
Priority to KR1020237034643A priority patent/KR20230156749A/ko
Priority to JP2023549828A priority patent/JP7762726B2/ja
Priority to US18/551,001 priority patent/US20240156553A1/en
Priority to IL305848A priority patent/IL305848A/en
Priority to CA3212790A priority patent/CA3212790A1/fr
Publication of WO2022195210A1 publication Critical patent/WO2022195210A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B2090/3937—Visible markers

Definitions

  • the present invention belongs to the field of robotic devices to assist a practitioner during a medical or surgical intervention. More particularly, the invention relates to a medical robot comprising a robotic arm equipped with a tool guide for guiding and releasing a medical instrument during a minimally invasive or percutaneous medical intervention.
  • Medical procedures performed minimally invasively or percutaneously may require a practitioner to insert one or more medical instruments (e.g., needle, probe, catheter, etc.) into a patient's body until at a certain depth to reach a target anatomical area (for example a tumor in the liver, lung, kidney, or bone).
  • medical instruments e.g., needle, probe, catheter, etc.
  • a target anatomical area for example a tumor in the liver, lung, kidney, or bone.
  • the result of the intervention is highly dependent on the skill of the practitioner.
  • the precision of the gesture can be improved thanks to the assistance of remote-controlled medical robots.
  • the success of the intervention remains partially dependent on the skill of the practitioner and may require the continuous acquisition of medical images of the patient, which involves subjecting the patient to high doses of irradiation.
  • the robotic arm can be equipped with a tool guide to guide a medical instrument.
  • the practitioner indicates for example on a pre-interventional medical image a trajectory that the medical instrument must follow to reach a target area of the patient's anatomy of interest, and the robotic arm moves automatically into a position such that the guide- tool makes it possible to guide the medical instrument according to the planned trajectory.
  • the practitioner prefferably to manually move the robotic arm to bring the tool guide closer to the patient's anatomy of interest or to disengage the tool guide after (possibly partial) insertion of the medical instrument.
  • the movement of the robotic arm should be fluid and responsive.
  • the movement of the robotic arm must be controlled with precision and at low speed, in order to reach the insertion position of the medical instrument with precision and without risking injury to the patient with the medical instrument or tool guide. Also, it is advisable to avoid jerky movements of the robotic arm generated by tremors of the practitioner.
  • the present invention aims to remedy all or part of the drawbacks of the prior art, in particular those set out above.
  • the present invention provides a medical robot to assist a practitioner during a medical intervention on a patient's anatomy of interest.
  • the medical robot includes a robotic arm having at a distal end a tool guide for guiding a medical instrument.
  • the medical robot also includes a control unit configured to control movement of the robotic arm.
  • the tool guide is coupled to a force sensor.
  • the control unit is configured to determine, using the force sensor, a force exerted by the practitioner on the tool guide and to calculate a displacement speed of the tool guide as a function of a gain factor applied to the force thus determined.
  • the value of said gain factor is variable and calculated as a function of the force exerted by the practitioner on the tool guide.
  • the control unit is configured to control the movement of the robotic arm according to the speed thus calculated.
  • the practitioner moves the robotic arm by exerting a force with his hand on the tool guide attached to the end of the robotic arm.
  • the force sensor allows the control unit to control the speed of movement of the robotic arm according to the force exerted by the practitioner.
  • the speed of movement of the tool guide is in fact calculated by applying a gain factor to the force exerted by the practitioner on the tool guide.
  • the force exerted by the practitioner on the tool guide is for example determined by the control unit from the forces and moments measured by the force sensor by a series of operations which may include filtering, noise reduction , compensation of the weight of the tool guide, a transposition in a frame of the tool guide, etc.
  • the greater the force exerted by the practitioner on the tool guide the greater the speed of movement of the tool guide calculated by the control unit.
  • the robotic arm moves quickly, fluidly and responsively.
  • the robotic arm moves at low speed to guarantee precision and safety.
  • the gain factor varies as a function of the force exerted by the practitioner on the tool guide makes it possible to avoid jerks in the movement of the robotic arm caused by tremors of the practitioner (the tremors correspond to a force of low amplitude varying with a high frequency).
  • the gain factor varies linearly with the force exerted by the practitioner on the tool guide when this force varies between a minimum value F min and a maximum value F max .
  • the invention may also include one or more of the following characteristics, taken separately or in all technically possible combinations.
  • the gain factor corresponds to a proportional parameter of a “Proportional, Integral, Derivative” corrector implemented by the control unit.
  • the control unit calculates, using a feedback loop, a speed of movement of the tool guide aimed at canceling the force exerted by the practitioner.
  • a PID controller can be used.
  • PID is the acronym for "Proportional, Integral, Differentiator", it is a closed loop control system commonly used in industry.
  • the invention is in fact based on the assumption that movements generated by a low amplitude force exerted by the practitioner will involve tremors. The proposed solution therefore does not require a frequency analysis. to detect tremors. Making this assumption makes it possible to simplify the problem and to use a PID corrector
  • control unit is further configured to prohibit the movement of the tool guide in at least one direction.
  • direction corresponds to a degree of freedom of the tool guide in a three-dimensional reference (x, y, z) in which it fits. This may in particular be a translation along each of the x, y or z axes or a rotation around each of these axes.
  • Such provisions make it possible to control the movement of the robotic arm, for example to prevent the tool guide from colliding with the medical instrument when the robotic arm is disengaged following the partial or total insertion of the medical instrument in the patient's body and the release of the medical instrument from the tool guide.
  • control unit is further configured to limit the displacement of the tool guide in a single direction corresponding for example to a main axis of the tool guide.
  • Such arrangements make it possible to control the movement of the robotic arm, for example to bring the robotic arm back to a position which corresponds to the position in which the medical instrument has been inserted.
  • the value of the gain factor is defined as follows:
  • G(f) is the gain factor
  • K is a constant
  • is the force exerted by the practitioner on the tool guide determined by the control unit using the force sensor
  • F mm and F max correspond respectively to a minimum value and a maximum value for the force exerted by the practitioner.
  • , F min and F max correspond to norms of a force (intensities of a force measured in Newtons).
  • F min is equal to 2N and F max is equal to 60N.
  • control unit is configured to calculate the speed of movement of the tool guide also as a function of a distance between a current position of the tool guide and a target position that the tool guide must reach.
  • Such provisions make it possible in particular to further limit the speed approach of the tool guide as the tool guide approaches its target position, to increase accuracy and safety when the medical instrument is close to the patient's anatomy of interest .
  • the robotic arm is an articulated arm having at least six degrees of freedom.
  • Using at least six degrees of freedom in the robotic arm ensures that any position in space can be reached by the tool guide. Furthermore, if the medical instrument has axial symmetry (for example if the medical instrument is a needle), then five degrees of freedom is sufficient because it is not necessary to perform a rotation around the axis of medical instrument symmetry. This additional degree of freedom makes it possible to be in a situation of redundancy and to have an infinity of possible configurations of the robotic arm for a given position. This confers a certain flexibility because the practitioner can then choose the optimal configuration of the robotic arm, for example according to the constraints inherent in the intervention room (space available for the nursing staff, presence of obstacles, visibility of the tool guide by a possible navigation system, etc.).
  • the control unit when the medical robot is used in an "insertion of the medical instrument" mode, is configured to prevent any movement of the tool guide and to determine, using of the force sensor, a force exerted on the medical device.
  • the tool guide includes means for automatically releasing the medical instrument on command from the control unit.
  • the control unit is configured to command the tool guide to release the medical instrument when the force exerted on the medical instrument is greater than a predetermined threshold value or when a variation in the force exerted on the medical instrument on a given period of time is greater than a predetermined threshold value.
  • Such arrangements make it possible in particular to immediately release the medical instrument, during the phase of insertion of the medical instrument (that is to say when the medical instrument is held in the tool guide to guide its insertion into the patient's body), for example if the patient exerts an unexpected force on the medical device due to respiratory movements when the patient should be in apnea.
  • the tool guide comprises at least one marker detectable by a navigation system and the control unit is configured for: - receive, from said navigation system, first information relating to a position of the tool guide in a reference of the navigation system,
  • Such arrangements make it possible to automatically and precisely move the robotic arm to bring the tool guide into a target position at which the medical instrument can be inserted into the patient's body to perform the surgical intervention.
  • the target position of the tool guide can in particular be determined according to a trajectory that the medical instrument must follow planned on a pre-interventional medical image.
  • the second information corresponds to a position, in the reference of the navigation system, of a patient reference intended to be positioned on the patient close to the anatomy of interest.
  • the patient reference comprises at least one marker detectable by the navigation system and at least one radiopaque marker.
  • the trajectory is defined relative to the position of the patient reference using a pre-intervention medical image on which is visible the patient's anatomy of interest and the radiopaque marker of the patient reference.
  • the control unit is configured to determine the target position of the tool guide from the position of the patient reference and from the planned trajectory.
  • control unit is configured to:
  • Such provisions are particularly advantageous in the situation where the robotic arm must be disengaged after partial insertion of the medical instrument, for example to allow the acquisition of a medical image in order to check whether the medical instrument is inserted correctly, and that the robotic arm must then be returned to the initial position in which the medical instrument was inserted, for example to finalize the insertion of the medical device.
  • the tool guide comprises means for automatically releasing the medical instrument on command from the control unit.
  • the control unit is configured to command the tool guide to release the medical instrument when the control unit receives information from the navigation system indicating an unexpected movement of the patient reference.
  • FIG. 1 a schematic representation of a medical robot according to the invention to assist a practitioner during a medical intervention on a patient's anatomy of interest
  • FIG. 2 a schematic representation of the robotic arm of the medical robot
  • FIG. 3 a schematic representation of the tool guide intended to be attached to the end of the robotic arm
  • FIG. 4 a representation of the tool guide highlighting a device for holding a medical instrument at the end of the tool guide
  • FIG. 5 a representation of the tool guide highlighting the positioning of the medical instrument on the tool guide as well as markers detectable by a navigation system
  • FIG. 6 a schematic representation of a patient reference intended to be positioned on the patient close to the anatomy of interest
  • FIG. 7 an illustration of the cooperation between the medical robot according to the invention and a navigation device
  • FIG. 8 graphs representing in particular the speed and the acceleration undergone by the tool guide as a function of the force exerted on the tool guide by the practitioner, in a case where the speed is defined as a function of a constant gain factor applied to the exerted force,
  • FIG. 9 graphs similar to those shown in Figure 8 in a case where the speed is defined according to a variable gain factor applied to the force exerted, the gain factor varying according to the force exerted.
  • FIG. 1 schematically represents a medical robot 10 according to the invention.
  • the medical robot 10 is used to assist a practitioner during a medical intervention on an anatomy of interest of a patient 20 positioned on an intervention table 21 .
  • a medical intervention carried out by a minimally invasive or percutaneous route This type of intervention generally requires the insertion by the practitioner of one or more medical instruments (for example a needle, a probe, a catheter, etc.) in the body of the patient until a certain depth to reach an area anatomical target in the anatomy of interest (e.g. a tumor in the liver, lung, kidney, etc.).
  • medical instruments for example a needle, a probe, a catheter, etc.
  • the medical robot 10 comprises a base 11 .
  • the base 11 of the medical robot 10 is equipped with motorized wheels, which allows the medical robot 10 to move in different directions by translational and/or rotational movements.
  • the medical robot 10 further comprises an articulated robotic arm 13, one end of which is connected to the base 11. At the other end of the robotic arm 13 is fixed a tool guide 14 intended to guide a medical instrument 15, such as for example a needle, probe, catheter, electrode, etc.
  • a medical instrument 15 such as for example a needle, probe, catheter, electrode, etc.
  • the medical robot 10 can then be used to help a practitioner to position, maintain, or guide the medical instrument 15 during the medical intervention.
  • the medical robot 10 then plays the role of a third hand for the practitioner.
  • the robotic arm 13 comprises six rotary joints 131 to 136 conferring six degrees of freedom making it possible to position and/or move the medical instrument 15 in any position in space. three-dimensional.
  • the joints 131 to 135 of the robotic arm 13 are not aligned and have an offset relative to each other, which allows a greater number of possible configurations of the robotic arm 13.
  • Each joint comprises at least one encoder making it possible to know its angular position in real time.
  • a configuration of the robotic arm 13 then corresponds to a set of parameter values taken by the joints 131 to 136 (for example the value of an angle of rotation for each joint).
  • the rotoid joint 136 corresponds to a rotation around the main axis of the tool guide 14.
  • the tool guide 14 is fixed on the robotic arm 13 via a flange 17.
  • the tool guide has a main axis 145 shown in Figure 3 by a dotted line .
  • the tool guide 14 is coupled to a force sensor 16 to allow the control unit 12 to determine a force exerted on the tool guide 14.
  • This force can in particular be exerted by the practitioner when he manually moves the arm robotic 13.
  • This force can also correspond to a force exerted on the tool guide 14 via the medical instrument 15 by the patient's body (for example following an accidental movement of the patient during the insertion of the medical instrument).
  • the force sensor makes it possible to measure a total force corresponding to the resultant of the forces and moments undergone by the force sensor 16 (including not only the force exerted by the practitioner but also the weight of the tool guide 14 , the weight of the medical device 15, etc.).
  • the control unit is configured to determine the force exerted by the practitioner on the tool guide 14 as a function of the resultant of the forces and the moments undergone by the force sensor 16. total the force corresponding to the weight of the tool guide 14, the force corresponding to the weight of the medical instrument 15 if the latter is held by the tool guide 14, a torque due to the difference between the measurement point and the center mass of the tool guide, and/or any compensation linked to measurement noise. It is also possible to carry out filtering on the measurements made by the force sensor 16.
  • the tool guide 14 comprises a body 141 with a base 142 intended to be fixed to the flange 17 using screws 143, as well as a holding system 146 comprising two moving parts relative to each other.
  • the holding system 146 is intended to hold the medical instrument 15 at the level of the end of the body 141 of the tool guide 14 opposite the base 142.
  • the two mobile parts of the holding system 146 can be driven by a system of drive such as a gear, cam, reverse threaded screw and/or actuator linear, in order to block or release the medical instrument 15.
  • the linear actuator can be reversible (the holding system 146 of the tool guide 14 can then be opened manually or automatically on command from the control unit 12) or not reversible (the holding system 146 of the tool guide 14 can only be opened automatically on command from the control unit).
  • the tool guide 14 makes it possible, for example, to guide medical instruments of different diameters. For example, such a guide makes it possible to guide medical instruments whose diameter is between
  • the gauge is a unit of measurement commonly used to define the external diameter of a medical instrument such as a needle, a probe or a catheter (11 gauges correspond to an external diameter of 2.946 mm; 21 gauges correspond to an external diameter of 0.812mm).
  • the medical robot 10 includes a control unit 12 configured to control the movement of the robotic arm 13.
  • the control unit 12 includes for example one or more processors 122 and a memory 121 (hard disk magnetic, electronic memory, optical disk, etc.) in which a computer program product is stored, in the form of a set of program code instructions to be executed to implement the various steps of a method of positioning of the robotic arm 13.
  • a navigation system 30 can be used to supply the control unit 12 of the medical robot 10 with information relating to a current position of the tool guide 14 and to a target position that the guide -tool must reach.
  • the current position and the target position provided are for example initially defined in a reference of the navigation system 30 then transformed into positions in a reference of the medical robot 10 by the control unit 12.
  • the control unit 12 can then be configured to move automatically (in a so-called “autopilot” mode, without the intervention of the practitioner) the robotic arm 13 so that it reaches the target position.
  • position corresponds to the combination of the position and the orientation of an object in a given reference frame which is generally a three-dimensional coordinate system.
  • pose is used in Anglo-Saxon literature to represent this combination of the position and orientation of an object in space.
  • the navigation system 30 is an optical navigation system.
  • the navigation system 30 comprises at least two sensors optics 31 corresponding for example to two sensors of a stereoscopic camera operating in the field of infrared radiation or in the field of visible light.
  • the tool guide 14 includes studs 144 intended to accommodate optical markers 147.
  • the tool guide 14 includes at least three optical markers 147 such that the position of the guide - tool 14 can be determined in the three spatial dimensions of the reference system of the navigation system 30.
  • the respective positions of the optical markers 147 of the tool guide with respect to each other are known a priori by the navigation device 30 and/or by the control unit 12.
  • the geometric shape of each optical marker 147 can also be known a priori.
  • the optical markers 147 are spherical in shape.
  • optical markers 147 makes it possible to define a plane and therefore a direct orthonormal three-dimensional reference with a z axis normal to the plane and x and y axes in the plane so that the reference is direct. This thus makes it possible to determine the position and orientation of the marker formed from the optical markers 147 which represent the tool guide 14.
  • the three axes x, y and z make it possible to define six degrees of freedom, namely a translation according to each x, y or z axes and a rotation around each of these axes.
  • Optical markers 147 can be passive or active. Passive optical markers reflect optical radiation emitted by another element, such as the navigation system 30 for example. example in the Polaris® navigation systems manufactured by the company Northern Digital Inc.), or to black and white patterns visible by a stereoscopic camera (this is what is used for example in the MicronTracker® navigation system of the company ClaroNav). Active optical markers themselves emit optical radiation, for example infrared radiation, detectable by the navigation system 30.
  • a patient reference 22 is positioned on the patient 20 near the anatomy of interest.
  • FIG. 6 schematically represents the patient reference 22.
  • the patient reference 22 comprises at least three optical markers 23, so that the position of the patient reference 22 can be determined in the three spatial dimensions of the reference system of the navigation system 30.
  • the respective positions of the optical markers 23 of the patient reference 22 relative to each other are known a priori by the navigation system 30 and/or by the control unit 12.
  • the geometric shape of each optical marker 23 can also be known a priori.
  • the patient reference 22 comprises at least three optical markers 23, so that the position of the patient reference 22 can be determined in the three spatial dimensions of the reference system of the navigation system 30.
  • the respective positions of the optical markers 23 of the patient reference 22 relative to each other are known a priori by the navigation system 30 and/or by the control unit 12.
  • the geometric shape of each optical marker 23 can also be known a priori.
  • the patient reference 22 can also be known a priori.
  • the 22 comprises three optical markers 23 of spherical shape.
  • the spherical shape optimizes the reflection of optical radiation.
  • What was mentioned above for the active or passive type of the optical markers 147 of the tool guide 14 is also true for the optical markers 23 of the patient reference 22. Again, it would be possible to use a single optical marker having a characteristic three-dimensional geometric shape in place of the three optical markers
  • the optical sensors 31 of the navigation system 30 and the various optical markers 147, 23 are designed to operate with optical radiation of the infrared type. It is further considered that the optical labels 147, 23 are passive labels.
  • the optical sensors 31 are configured to emit infrared radiation. This infrared radiation is reflected by the various optical markers 147, 23 towards the optical sensors 31.
  • the optical sensors 31 are configured to receive this reflected infrared radiation.
  • the navigation system 30 can then determine the distance between an optical marker 147, 23 and an optical sensor 31 by measuring the time taken by an infrared ray to make the round trip between said optical sensor 31 and said optical marker 147, 23 By knowing the distance between each optical marker 147, 23 and each optical sensor 31, and by knowing a priori the arrangement of the optical markers 147, 23 relative to each other on the tool guide 14 and on the patient reference 22 , it is possible to determine the position of the tool guide 14 and of the patient reference 22 in the reference frame of the navigation system 30.
  • the target position that the tool guide 14 must reach can in particular be defined from the position of the patient reference 22.
  • the patient reference 22 also includes radio- opaque
  • the radiopaque markers 24 which are visible on a medical image acquired by a medical imaging device (for example by computed tomography, by magnetic resonance, by ultrasound, by tomography, by emission of positions, etc.).
  • the respective positions radiopaque markers 24 relative to each other are known a priori by the navigation device 30 and/or by the control unit 12.
  • the geometric shape of the radiopaque markers 24 can also be known a priori .
  • the patient reference 22 includes at least three radio-opaque markers 24.
  • the radio-opaque markers 24 can be, for example, ceramic balls. It should however be noted that a single radiopaque marker having a characteristic three-dimensional geometric shape could be used instead of the three spherical radiopaque markers 24 .
  • the planning comprises the determination, on the pre-interventional image 40, of the trajectory 41 to be followed by the medical instrument 15 (for example a needle) between an entry point at the level of the patient's skin 20 and a target point (for example a tumor) in the anatomy of interest of the patient 20.
  • the determination of the trajectory can also be carried out on a preoperative image acquired several days before the intervention (image acquired without the patient having the patient reference).
  • the preoperative image can then be registered with the preoperative image 40 on which the patient reference is visible, in order to obtain a relative position of the patient reference 22 with respect to the trajectory.
  • the navigation system 30 is configured to supply the control unit 12 of the medical robot 10 with the current position of the tool guide 14 in the reference frame of the navigation system 30.
  • the control unit 12 of the medical robot 10 knows the current position of the tool guide 14 in the reference frame of the medical robot 10 (via the encoders of the joints 131 to 136).
  • the control unit 12 can therefore determine the transformation to be carried out to define a position in the reference frame of the medical robot 10 from a position in the reference frame of the navigation device 30.
  • the navigation system 30 is also configured to provide the unit of controls 12 of the medical robot the position of the patient reference 22 in the reference frame of the navigation system 30.
  • the control unit 10 can then define the position of the patient reference 22 in the reference frame of the medical robot 10.
  • the control unit 12 of the medical robot 10 knows the position of the target position that the tool guide 14 must reach with respect to the position of the patient reference 22.
  • the control unit 12 can therefore determine the target position to be reached by the tool guide 14 from the information supplied by the navigation system 30.
  • the control unit 12 can then be configured to move automatically (in a so-called “autopilot” mode, without intervention practitioner) the robotic arm 13 so that it reaches the target position.
  • the movements of the robotic arm 13 are for example conditioned on the selection of a piloting mode on a user interface of the medical robot 10 and on the activation of the mode selected by a control pedal 19.
  • a so-called “cooperative manual piloting” mode corresponds to a mode in which the practitioner can manually move the robotic arm 13 himself with, however, control of the movement of the robotic arm 13 by the control unit 12 (in order to limit the speed and/or the possible directions of movement of the robotic arm 13).
  • a so-called “automatic pilot” mode corresponds to a mode in which the robotic arm 13 is completely controlled by the control unit 12. The robotic arm 13 is then moved automatically, without the intervention of the practitioner.
  • a so-called "cooperative manual approach control” mode corresponds for example to a mode in which the practitioner moves the robotic arm 13 to approach the tool guide 14 to an approach position 101 relatively close to the anatomy of interest. of the patient and so that the robotic arm 13 enters the field of vision of the navigation system 30.
  • this mode it is interesting to control the speed of movement of the robotic arm 13 according to the force exerted by the practitioner on the arm robotic arm 13.
  • movement of the robotic arm 13 is generally allowed in all directions.
  • the robotic arm can then be moved automatically (in the "autopilot" mode) from the approach position 101 to the insertion position 102.
  • the insertion position 102 corresponds to the target position at which the tool guide 14 so that the medical instrument 15 can follow the planned trajectory.
  • a so-called “manual cooperative release control” mode corresponds for example to a mode in which, after partial insertion of the medical instrument 15 into the body of the patient 20, the medical instrument 15 can be released from the maintenance 146 of the tool guide 14 and the robotic arm 13 can be disengaged manually by the practitioner from the insertion position 102 to a disengaged position 103.
  • Such provisions make it possible to move the patient 20 to produce a medical control image after the partial insertion of the medical instrument 15 (for example to verify that the trajectory taken by the medical instrument corresponds with the planned trajectory).
  • control unit 12 may be advantageous to configure the control unit 12 to control the robotic arm 13 so as to prohibit the movement of the tool guide 14 in at least one direction, or even to limit the movement of the tool guide 14 in a single direction corresponding to the main axis 145 of the tool guide 14 (the disengagement direction follows the main axis 145 of the tool guide 14 in a direction going from the holding device 146 towards the base 142).
  • the control unit 12 when the “manual cooperative disengagement piloting” mode is activated, the control unit 12 is configured to memorize, as a reference position, the current position of the tool guide 14 with respect to the position of the patient reference 22. The reference position is therefore the position of the tool guide 14 at a first instant ti at which the “manual cooperative disengagement piloting” mode is activated.
  • a so-called "return cooperative manual piloting” mode corresponds for example to a mode in which, after having performed the control image, the robotic arm 13 is moved manually by the practitioner so that the tool guide 14 resumes the position of reference that had been recorded when the “cooperative manual pilot release” mode had been selected.
  • This reference position corresponds to the insertion position 102 (target position that the tool guide 14 must reach).
  • the “return cooperative manual piloting” mode is therefore used to return the tool guide 14 from the disengaged position 103 to the insertion position 102, in order to finalize the insertion of the medical instrument 15.
  • the tool guide 14 does not exceed the insertion position 103 (otherwise the tool guide 14 would not be returned to the correct position to finalize the insertion, and there would also be a collision between the partially inserted medical instrument and tool guide 14). It may be advantageous to control the robotic arm 13 so as to limit the movement of the tool guide 14 in the direction along the main axis 145 of the tool guide 14 (the return direction follows the main axis 145 of the tool guide). tool 14 in a direction going from the base 142 towards the holding device 146).
  • control unit 12 may be advantageous to configure the control unit 12 to control the speed of movement of the tool guide 14 according to the distance between the current position of the tool guide 14 and the target position that the guide- tool 14 must reach (corresponding to the recorded reference position).
  • the control unit 12 is configured to calculate the difference between the position of the tool guide at the second instant and the reference position (position of the tool guide 14 at the first instant ti).
  • the speed of movement of the tool guide 14 is controlled so that the shorter the calculated distance (i.e. the closer the tool guide 14 is to its target position), the lower the speed of movement. , until reaching zero speed when the target position is reached.
  • the control unit 12 is configured to determine if the difference between the position reached by the tool guide 14 and the reference position is less than a predetermined threshold. If so, then it is considered that the target position has been reached. It should be noted that the position of the tool guide 14 is defined relative to the position of the patient reference 22. When the target position is reached, the practitioner can finalize the insertion of the medical instrument 15.
  • the predetermined threshold is for example equal to one millimeter, or even to a tenth of a millimeter (0.1 mm), or even to three hundredths of a millimeter (0.03 mm).
  • the practitioner moves the robotic arm 13 by exerting a force with his hand on the tool guide 14.
  • the movement of the robotic arm 13 is however controlled by the control unit 12 which exerts a control in force (control of the speed of movement of the tool guide 14) and in position (control of the directions of movement of the tool guide 14).
  • the force control is governed by an admittance control law.
  • the speed of movement of the tool guide 14 is controlled by the control unit 12.
  • the speed of movement of the tool guide 14 is calculated according to the force exerted by the practitioner on the tool guide 14, said force being determined by the control unit using the force sensor 16.
  • the force thus determined corresponds to an input datum of a servo loop.
  • the output data of this control loop is a Cartesian speed of movement of the tool guide 14.
  • the control loop is for example operated at a frequency of 125 Hz (in this case the value of the speed of movement of the guide -tool 14 is updated every 8 ms).
  • the control unit 12 calculates a speed of movement of the tool guide 14 making it possible to cancel the force exerted by the practitioner on the tool guide.
  • the difference also called error
  • the servo loop algorithm aims to define a displacement speed that causes the error to tend towards zero.
  • a PID corrector can be used (PID is the acronym for "Proportional, Integral, Differentiator", it is a loop control system closed commonly used in industry).
  • the error (that is to say the difference between the determined force and the desired force) is the input data of the PID corrector which outputs a speed allowing an error which tends towards zero.
  • the speed of movement of the tool guide 14 is calculated by applying a gain factor to the determined force:
  • G the gain factor
  • the force determined by the control unit (force exerted by the practitioner on the tool guide 14)
  • the displacement speed of the tool guide 14.
  • the gain factor G corresponds to the gain factor of the “proportional” part of the PID corrector.
  • the robotic arm 13 moves quickly, fluidly and responsively.
  • the robotic arm 13 moves at low speed to guarantee precision and security.
  • the value of the gain factor is defined so as to be variable as a function of the force exerted by the practitioner on the tool guide.
  • the gain factor varies linearly with this force when this force varies between a minimum value F m in and a maximum value F ma x.
  • the value of the gain factor G(f) can be defined as follows:
  • K is a constant
  • is the force determined by the control unit (force exerted by the practitioner on the tool guide 14)
  • F m in and F max correspond respectively to a minimum value and a maximum value for the force that can be exerted by the practitioner.
  • the gain is indefinite if
  • the gain is zero if
  • the gain factor varies according to the force exerted by the practitioner on the tool guide makes it possible to avoid jerks in the movement of the robotic arm 13 generated by tremors of the practitioner (the tremors correspond to a force of low amplitude varying with high frequency).
  • the variability of the gain factor as a function of the force exerted by the practitioner on the tool guide makes it possible to guarantee precision and safety in the movement of the tool guide 14 when the tool guide 14 is close to the anatomy of interest of the patient.
  • such a definition of the gain factor allows continuity of the speed of movement of the tool guide 14 when the force exerted by the practitioner on the tool guide varies between F min
  • the speed of movement of the tool guide 14 can also be calculated in the form: [Math.3]
  • FIG. 8 corresponds to a case where the gain factor G is constant when the force exerted by the practitioner on the tool guide determined by the control unit varies between F min and F max .
  • FIG. 9 corresponds to a case where the gain factor varies according to the determined force (G is defined as in the expression Math.1).
  • Each of Figures 8 and 9 has four graphs.
  • the graph of part a) of FIGS. 8 and 9 represents the speed (
  • the graph of part b) of FIGS. 8 and 9 represents the acceleration (
  • the graph of part c) of FIGS. 8 and 9 represents the force determined (
  • the graph of part d) of FIGS. 8 and 9 represents the acceleration (
  • the gain factor G is constant when the determined force varies between F min and F max .
  • the gain factor G is zero when the force determined is less than F m in.
  • the travel speed of the tool guide 14 is capped at a maximum speed V max when the determined force is greater than F max .
  • varies linearly between zero and Vmax when
  • is zero when
  • undergone by the tool guide 14 then takes a constant value A when
  • undergone by the tool guide 14 is zero when
  • the gain factor G varies linearly with the determined force
  • the gain factor G is zero when the force determined is less than F min .
  • the displacement speed of the tool guide 14 is capped at a maximum speed V max when the determined force is greater than F max .
  • varies exponentially between zero and V max when
  • is zero when
  • undergone by the tool guide 14 varies linearly between a minimum value A min and a maximum value A max when
  • undergone by the tool guide 14 is zero when
  • the value A min is however significantly lower than the value A.
  • undergone by the tool guide 14 represented in part d) of FIG. 9 are much less significant than the variations represented in part d) of FIG. 8.
  • the value of the gain factor G as a function of the determined force makes it possible to avoid jerks in the movement of the robotic arm 13 caused by tremors of the practitioner.
  • the definition of the gain factor G proposed by the equation [Math.1] is only a non-limiting example. It is of course conceivable to define the gain factor G in a different way while varying it according to the determined force. The choice of a particular definition of the gain factor G is only one variant of the invention.
  • the speed calculated at the output of the PID corrector is multiplied by a selection matrix.
  • This selection matrix makes it possible to select the directions to be position-slaved by applying a multiplicative coefficient equal to zero in the forbidden directions and a multiplicative coefficient equal to one in the authorized directions.
  • the speed obtained after application of the selection matrix corresponds to the speed of movement of the tool guide 14.
  • control unit 12 may be advantageous to configure the control unit 12 to control the robotic arm 13 so as to prohibit the movement of the tool guide 14 in at least one direction. , or even to limit the movement of the tool guide 14 in a single direction corresponding to the main axis 145 of the tool guide 14, in particular to disengage the tool guide 14 in the disengaged position 103 (mode of "cooperative manual piloting of disengagement ”) or to return the tool guide 14 from the disengaged position 103 to the insertion position 102 (“return cooperative manual piloting” mode).
  • control unit 12 may be advantageous to configure the control unit 12 to control the speed of movement of the tool guide 14 according to the distance between the current position of the tool guide 14 and the target position that the tool guide 14 must reach.
  • the speed of movement of the tool guide 14 can in particular be controlled so that the shorter this distance (that is to say the closer the tool guide 14 is to its target position), the more the speed of movement is low, until reaching zero speed when the target position is reached.
  • the control unit 12 of the medical robot 10 can also be configured to detect a situation of risk of injury by the medical instrument 15, for example when the patient 20 performs an unexpected movement while the medical instrument 15 is not not yet released from the tool guide. Such a situation may indeed lead to injury of the patient by the medical device (e.g. damage to healthy tissue of the anatomy of interest or another part of the body of the patient by the medical device). Measures can then be taken to avoid injuring the patient when such a situation is detected.
  • a situation of risk of injury by the medical instrument 15 for example when the patient 20 performs an unexpected movement while the medical instrument 15 is not not yet released from the tool guide.
  • Such a situation may indeed lead to injury of the patient by the medical device (e.g. damage to healthy tissue of the anatomy of interest or another part of the body of the patient by the medical device). Measures can then be taken to avoid injuring the patient when such a situation is detected.
  • the tool guide 14 of the medical robot 10 comprises an actuator making it possible to instantly release the medical instrument 15.
  • the actuator is controlled by the control unit 12 of the medical robot to separate the two mobile parts of the holding device 146, thus releasing the medical instrument 15.
  • the control unit 12 is configured to command the tool guide 14 to release the medical instrument 15 when a particular situation of risk of injury is detected.
  • a particular situation of risk of injury is detected when the control unit 12 receives information from the navigation system 30 indicating an unexpected movement of the patient reference 22 (change of position of the patient reference 22 representing unexpected patient movement 20).
  • a mode of “insertion of the medical instrument” can be selected via the user interface and activated via the control pedal 19.
  • the control unit 12 is configured to prohibit any movement of the tool guide 14 and the control unit 12 is configured to determine, using the force sensor, a force exerted on the medical instrument 15.
  • a particular situation of risk of injury is for example detected when the force exerted on the medical instrument is greater than a predetermined threshold value (an unexpected movement of the patient 20 has the consequence of exerting a force on the force sensor 16 via the medical instrument 15).
  • a particular situation of risk of injury is detected when a variation in the force exerted on the medical instrument over a given period of time is greater than a predetermined threshold value.
  • the automatic release of the medical instrument 15 can be accompanied by an automatic release of the robotic arm 13 in the release direction (direction along the main axis 145 of the tool guide 14 towards the base 11 of the medical robot).
  • the fact of defining the speed of movement of the tool guide 14 from a gain factor which varies according to the force exerted by the practitioner allows a controlled, precise movement without jerks of the robotic arm 13 when the practitioner manually moves the tool guide 14 by exerting a low amplitude force.
  • the movement of the robotic arm 13 remains fluid and responsive when the practitioner exerts a high amplitude force on the tool guide 14.
  • the force and position control of the robotic arm 13 makes it possible to release the tool guide 14 in a secure manner after (possibly partial) insertion of the medical instrument 15. If necessary, the invention also makes it possible to bring the guide -tool 14 to the insertion position in a safe and precise manner.
  • the automatic emergency release of the medical instrument 15 makes it possible to avoid injuring the patient when the latter makes an unexpected movement during the medical intervention.
  • the invention has been described using an optical navigation system. However, nothing would prevent the use, in a variant, of an electromagnetic navigation system instead of the optical navigation system.
  • the various “markers” detectable by the navigation system would then correspond to electromagnetic sensors whose position can be determined by the navigation system in a generated electromagnetic field.

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Abstract

L'invention concerne un robot médical (10) pour assister un praticien lors d'une intervention médicale sur une anatomie d'intérêt d'un patient (20). Le robot médical comporte un bras robotisé (13) équipé à une extrémité d'un guide-outil (14) destiné à guider un instrument médical (15). Le robot médical (10) comporte également une unité de contrôle (12) configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé (13). Le guide-outil (14) est couplé à un capteur de force. Lorsque le robot médical (10) est utilisé dans un mode de « pilotage manuel coopératif », l'unité de contrôle (12) est configurée pour déterminer, à l'aide du capteur de force, une force exercée par le praticien sur le guide-outil (14) et pour calculer une vitesse de déplacement du guide-outil en fonction d'un facteur de gain appliqué à la force déterminée. Avantageusement, la valeur du facteur de gain est variable et calculée en fonction de la force déterminée.

Description

Robot médical collaboratif pour sécuriser le guidage d’instruments
Domaine de l’invention
La présente invention appartient au domaine des dispositifs robotisés pour assister un praticien lors d’une intervention médicale ou chirurgicale. Plus particulièrement, l’invention concerne un robot médical comportant un bras robotisé équipé d’un guide-outil pour guider et relâcher un instrument médical lors d’une intervention médicale mini-invasive ou percutanée.
Etat de la technique
Les interventions médicales effectuées par voie mini-invasive ou percutanée peuvent nécessiter l’insertion par un praticien d’un ou plusieurs instruments médicaux (par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, etc.) dans le corps d’un patient jusqu’à une certaine profondeur pour atteindre une zone anatomique cible (par exemple une tumeur dans le foie, un poumon, un rein, ou un os).
Lorsque le geste d’insertion de l’instrument médical est entièrement réalisé par le praticien, le résultat de l’intervention est fortement dépendant de l’habilité du praticien. La précision du geste peut être améliorée grâce à l’assistance de robots médicaux télécommandés. Là encore, le succès de l’intervention reste partiellement dépendant de l’habilité du praticien et peut nécessiter d’acquérir des images médicales du patient en continu, ce qui implique de soumettre le patient à des doses d’irradiation élevées.
Afin d’améliorer encore la précision du geste d’insertion et de limiter les doses d’irradiation sur le patient, il est possible d’utiliser des bras robotisés commandés automatiquement. Le bras robotisé peut être équipé d’un guide-outil pour guider un instrument médical. Le praticien indique par exemple sur une image médicale pré interventionnelle une trajectoire que l’instrument médical doit suivre pour atteindre une zone cible de l’anatomie d’intérêt du patient, et le bras robotisé se déplace automatiquement dans une position telle que le guide-outil permette de guider l’instrument médical selon la trajectoire planifiée.
Il est avantageux que le praticien puisse déplacer manuellement le bras robotisé pour approcher le guide-outil de l’anatomie d’intérêt du patient ou pour dégager le guide-outil après une insertion (éventuellement partielle) de l’instrument médical. Lorsque le bras robotisé est déplacé manuellement par le praticien, et lorsque le guide- outil est relativement éloigné de l’anatomie d’intérêt du patient, il convient que le mouvement du bras robotisé soit fluide et réactif. En revanche, lorsque le guide-outil est relativement proche de l’anatomie d’intérêt du patient, il faut que le mouvement du bras robotisé soit contrôlé avec précision et à faible vitesse, pour atteindre la position d’insertion de l’instrument médical avec exactitude et sans risquer de blesser le patient avec l’instrument médical ou le guide-outil. Aussi, il convient d’éviter des mouvements saccadés du bras robotisé engendrés par des tremblements du praticien.
Dans ce but, il est envisageable de faire une étude fréquentielle des efforts exercés par le praticien à l’aide d’un accéléromètre pour déterminer si l’on est ou non en présence de tremblements. Une telle solution s’avère cependant relativement complexe à implémenter, et elle nécessite d’intégrer un capteur supplémentaire (l’accéléromètre) au robot médical.
Il est également nécessaire de prendre des mesures pour s’assurer que le patient ne puisse pas être blessé par l’instrument médical pendant l’intervention, par exemple si le patient fait un mouvement inattendu lorsque le bras robotisé guide l’instrument médical au cours de son insertion dans le corps du patient. L’insertion de l’instrument médical est généralement réalisée pendant que le patient est en apnée. Il convient donc également de s’assurer que le patient ne puisse pas être blessé par l’instrument médical dans le cas où les mouvements respiratoires reprendraient avant que l’instrument médical ne soit libéré du guide-outil.
Exposé de l’invention
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.
A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention, un robot médical pour assister un praticien lors d’une intervention médicale sur une anatomie d’intérêt d’un patient. Le robot médical comporte un bras robotisé comportant à une extrémité distale un guide-outil destiné à guider un instrument médical. Le robot médical comporte également une unité de contrôle configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé. Le guide-outil est couplé à un capteur de force. Lorsque le robot médical est utilisé dans un mode de « pilotage manuel coopératif », l’unité de contrôle est configurée pour déterminer, à l’aide du capteur de force, une force exercée par le praticien sur le guide-outil et pour calculer une vitesse de déplacement du guide- outil en fonction d’un facteur de gain appliqué à la force ainsi déterminée. Avantageusement, la valeur dudit facteur de gain est variable et calculée en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil. L’unité de contrôle est configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé en fonction de la vitesse ainsi calculée.
Ainsi, le praticien déplace le bras robotisé en exerçant une force avec sa main sur le guide-outil fixé à l’extrémité du bras robotisé. Le capteur de force permet à l’unité de contrôle de contrôler la vitesse de déplacement du bras robotisé en fonction de la force exercée par le praticien. La vitesse de déplacement du guide-outil est en effet calculée en appliquant un facteur de gain à la force exercée par le praticien sur le guide- outil . La force exercée par le praticien sur le guide-outil est par exemple déterminée par l’unité de contrôle à partir des forces et des moments mesurés par le capteur de force par une série d’opérations pouvant inclure du filtrage, de la réduction de bruit, une compensation du poids du guide-outil, une transposition dans un repère du guide-outil, etc. Plus la force exercée par le praticien sur le guide-outil est importante, et plus la vitesse de déplacement du guide-outil calculée par l’unité de contrôle est grande. Ainsi, lorsque le guide-outil est relativement loin du patient et que le praticien exerce une force importante sur le guide-outil, le bras robotisé se déplace de façon rapide, fluide et réactive. Par contre, lorsque le praticien exerce une force de faible amplitude sur le guide-outil parce que le guide-outil est proche du corps du patient, le bras robotisé se déplace à faible vitesse pour garantir précision et sécurité.
En outre, et comme cela sera expliqué par la suite, le fait que le facteur de gain varie en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil permet d’éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé engendrées par des tremblements du praticien (les tremblements correspondent à une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée).
Par exemple le facteur de gain varie linéairement avec la force exercée par le praticien sur le guide-outil lorsque cette force varie entre une valeur minimale Fmin et une valeur maximale Fmax.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de réalisation, le facteur de gain correspond à un paramètre proportionnel d’un correcteur « Proportionnel, Intégral, Dérivé » mis en oeuvre par l’unité de contrôle.
L’unité de contrôle calcule, à l’aide d’une boucle d’asservissement, une vitesse de déplacement du guide-outil visant à annuler la force exercée par le praticien. Dans ce but, un correcteur PID peut être utilisé. PID est l’acronyme de « Proportionnel, Intégral, Dérivateur », c’est un système de contrôle en boucle fermée couramment utilisé dans l’industrie. L’invention repose en effet sur l’hypothèse que des mouvements engendrés par une force de faible amplitude exercée par le praticien vont comporter des tremblements. La solution proposée ne nécessite donc pas d’analyse fréquentielle pour détecter des tremblements. Faire cette hypothèse permet de simplifier la problématique et d’utiliser un correcteur PID
Dans des modes particuliers de réalisation, l’unité de contrôle est en outre configurée pour interdire le déplacement du guide-outil selon au moins une direction.
Le terme « direction » correspond à un degré de liberté du guide-outil dans un repère tridimensionnel (x, y, z) dans lequel il s’inscrit. Il peut s’agir notamment d’une translation selon chacun des axes x, y ou z ou d’une rotation autour de chacun de ces axes.
De telles dispositions permettent d’asservir le déplacement du bras robotisé par exemple pour éviter que guide-outil n’entre en collision avec l’instrument médical lorsque le bras robotisé est dégagé suite à l’insertion partielle ou totale de l’instrument médical dans le corps du patient et à la libération de l’instrument médical du guide-outil.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’unité de contrôle est en outre configurée pour limiter le déplacement du guide-outil selon une seule direction correspondant par exemple à un axe principal du guide-outil.
De telles dispositions permettent d’asservir le déplacement du bras robotisé par exemple pour ramener le bras robotisé dans une position qui correspond à la position dans laquelle l’instrument médical a été inséré.
Dans des modes particuliers de réalisation, la valeur du facteur de gain est définie ainsi :
[Math.1 ]
Figure imgf000006_0001
où G(f) est le facteur de gain ; K est une constante ; |f| est la force exercée par le praticien sur le guide-outil déterminée par l’unité de contrôle à l’aide du capteur de force ; Fmm et Fmax correspondent respectivement a une valeur minimale et une valeur maximale pour la force exercée par le praticien. |f|, Fmin et Fmax correspondent à des normes d’une force (intensités d’une force mesurées en Newtons). Dans la suite de la description, et sauf indication contraire, lorsque l’on parle de la « force » exercée par le praticien ou par l’instrument médical, on entend par abus de langage « l’intensité de la force ». Par exemple, Fmin est égale à 2N et Fmax est égale à 60N.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’unité de contrôle est configurée pour calculer la vitesse de déplacement du guide-outil en outre en fonction d’une distance entre une position courante du guide-outil et une position cible que le guide- outil doit atteindre.
De telles dispositions permettent notamment de limiter davantage la vitesse d’approche du guide-outil au fur et à mesure que le guide-outil s’approche de sa position cible, afin d’augmenter la précision et la sécurité lorsque l’instrument médical est proche de l’anatomie d’intérêt du patient.
Dans des modes particuliers de réalisation, le bras robotisé est un bras articulé présentant au moins six degrés de liberté.
L’utilisation d’au moins six degrés de liberté au niveau du bras robotisé permet de garantir que n’importe quelle position dans l’espace peut être atteinte par le guide- outil. En outre, si l’instrument médical présente une symétrie axiale (par exemple si l’instrument médical est une aiguille), alors cinq degrés de liberté sont suffisants car il n’est pas nécessaire d’effectuer une rotation autour de l’axe de symétrie de l’instrument médical. Ce degré de liberté supplémentaire permet d’être en situation de redondance et d’avoir une infinité de configurations possibles du bras robotisé pour une position donnée. Cela confère une certaine flexibilité car le praticien peut alors choisir la configuration optimale du bras robotisé par exemple en fonction de contraintes inhérentes à la salle d’intervention (espace disponible pour le personnel soignant, présence d’obstacles, visibilité du guide-outil par un éventuel système de navigation, etc.).
Dans des modes particuliers de réalisation, lorsque le robot médical est utilisé dans un mode d’ « insertion de l’instrument médical », l’unité de contrôle est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil et pour déterminer, à l’aide du capteur de force, une force exercée sur l’instrument médical. Le guide-outil comprend des moyens pour relâcher automatiquement l’instrument médical sur commande de l’unité de contrôle. L’unité de contrôle est configurée pour commander le guide-outil de relâcher l’instrument médical lorsque la force exercée sur l’instrument médical est supérieure à une valeur seuil prédéterminée ou lorsqu’une variation de la force exercée sur l’instrument médical sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée.
De telles dispositions permettent notamment de relâcher immédiatement l’instrument médical, pendant la phase d’insertion de l’instrument médical (c’est-à-dire lorsque l’instrument médical est maintenu dans le guide-outil pour guider son insertion dans le corps du patient), par exemple si le patient exerce une force inattendue sur l’instrument médical à cause de mouvements respiratoires alors que le patient devrait être en apnée.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil comporte au moins un marqueur détectable par un système de navigation et l’unité de contrôle est configurée pour : - recevoir, en provenance dudit système de navigation, une première information relative à une position du guide-outil dans un repère du système de navigation,
- recevoir, en provenance dudit système de navigation, une deuxième information relative à une position cible, dans le repère du système de navigation, que le guide- outil doit atteindre,
- déterminer la position cible, dans un repère du robot médical, à l’aide de la deuxième information,
- déplacer le bras robotisé, dans un mode de « pilotage automatique », sans intervention du praticien, pour que le guide-outil atteigne la position cible.
De telles dispositions permettent de déplacer automatiquement et avec précision le bras robotisé pour amener le guide-outil dans une position cible à laquelle l’instrument médical peut être inséré dans le corps du patient pour réaliser l’intervention chirurgicale.
La position cible du guide-outil peut notamment être déterminée en fonction d’une trajectoire que doit suivre l’instrument médical planifiée sur une image médicale pré-interventionnelle. Dans ce but, dans des modes particuliers de réalisation, la deuxième information correspond à une position, dans le repère du système de navigation, d’une référence patient destinée à être positionnée sur le patient à proximité de l’anatomie d’intérêt. La référence patient comporte au moins un marqueur détectable par le système de navigation et au moins un marqueur radio-opaque. La trajectoire est définie relativement à la position de la référence patient à l’aide d’une image médicale pré-interventionnelle sur laquelle est visible l’anatomie d’intérêt du patient et le marqueur radio-opaque de la référence patient. L’unité de contrôle est configurée pour déterminer la position cible du guide-outil à partir de la position de la référence patient et à partir de la trajectoire planifiée.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’unité de contrôle est configurée pour :
- mémoriser, en tant que position de référence, une position à un premier instant du guide-outil par rapport à la position de la référence patient,
- déterminer si une différence entre une position à un deuxième instant du guide-outil et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé.
De telles dispositions sont particulièrement avantageuses dans la situation où le bras robotisé doit être dégagé après une insertion partielle de l’instrument médical, par exemple pour permettre l’acquisition d’une image médicale afin de vérifier si l’instrument médical est inséré convenablement, et que le bras robotisé doit ensuite être ramené à la position initiale à laquelle l’instrument médical a été inséré, par exemple pour finaliser l’insertion de l’instrument médical.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil comprend des moyens pour relâcher automatiquement l’instrument médical sur commande de l’unité de contrôle. L’unité de contrôle est configurée pour commander le guide-outil de relâcher l’instrument médical lorsque l’unité de contrôle reçoit une information en provenance du système de navigation indiquant un déplacement inattendu de la référence patient.
Il est ainsi possible d’éviter de blesser le patient avec l’instrument médical lorsque le patient fait un mouvement inattendu pendant l’insertion de l’instrument médical dans le corps du patient.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 9 qui représentent :
[Fig. 1] une représentation schématique d’un robot médical selon l’invention pour assister un praticien lors d’une intervention médicale sur une anatomie d’intérêt d’un patient,
[Fig. 2] une représentation schématique du bras robotisé du robot médical,
[Fig. 3] une représentation schématique du guide-outil destiné à être fixé à l’extrémité du bras robotisé,
[Fig. 4] une représentation du guide-outil mettant en évidence un dispositif de maintien d’un instrument médical à l’extrémité du guide-outil,
[Fig. 5] une représentation du guide-outil mettant en évidence le positionnement de l’instrument médical sur le guide-outil ainsi que des marqueurs détectables par un système de navigation,
[Fig. 6] une représentation schématique d’une référence patient destinée à être positionnée sur le patient à proximité de l’anatomie d’intérêt,
[Fig. 7] une illustration de la coopération entre le robot médical selon l’invention et un dispositif de navigation,
[Fig. 8] des graphiques représentant notamment la vitesse et l’accélération subie par le guide-outil en fonction de la force exercée sur le guide-outil par le praticien, dans un cas où la vitesse est définie en fonction d’un facteur de gain constant appliqué à la force exercée,
[Fig. 9] des graphiques similaires à ceux représentés à la figure 8 dans un cas où la vitesse est définie en fonction d’un facteur de gain variable appliqué à la force exercée, le facteur de gain variant en fonction de la force exercée.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
La figure 1 représente schématiquement un robot médical 10 selon l’invention. Le robot médical 10 est utilisé pour assister un praticien lors d’une intervention médicale sur une anatomie d’intérêt d’un patient 20 positionné sur une table d’intervention 21 .
On se place à titre d’exemple non limitatif dans le cas d’une intervention médicale effectuée par voie mini-invasive ou percutanée. Ce genre d’intervention nécessite généralement l’insertion par le praticien d’un ou plusieurs instruments médicaux (par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, etc.) dans le corps du patient jusqu’à une certaine profondeur pour atteindre une zone anatomique cible dans l’anatomie d’intérêt (par exemple une tumeur dans le foie, un poumon, un rein, etc.).
Le robot médical 10 comporte une base 11 . Dans l’exemple considéré, la base 11 du robot médical 10 est équipée de roues motorisées, ce qui permet au robot médical 10 de se déplacer selon différentes directions par des mouvements de translation et/ou de rotation.
Le robot médical 10 comporte en outre un bras robotisé 13 articulé dont une extrémité est reliée à la base 11. A l’autre extrémité du bras robotisé 13 est fixé un guide-outil 14 destiné à guider un instrument médical 15, comme par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, une électrode, etc. Le robot médical 10 peut alors être utilisé pour aider un praticien à positionner, maintenir, ou guider l’instrument médical 15 au cours de l’intervention médicale. Le robot médical 10 joue alors le rôle d’une troisième main pour le praticien.
Dans l’exemple considéré et illustré sur la figure 2, le bras robotisé 13 comporte six articulations rotoïdes 131 à 136 conférant six degrés de liberté permettant de positionner et/ou déplacer l’instrument médical 15 dans n’importe quelle position de l’espace tri-dimensionnel. Avantageusement, les articulations 131 à 135 du bras robotisé 13 ne sont pas alignées et présentent un décalage les unes par rapport aux autres, ce qui permet un plus grand nombre de configurations possibles du bras robotisé 13. Chaque articulation comprend au moins un codeur permettant de connaître en temps réel sa position angulaire. Une configuration du bras robotisé 13 correspond alors à un ensemble de valeurs de paramètres prises par les articulations 131 à 136 (par exemple la valeur d’un angle de rotation pour chaque articulation). L’articulation rotoïde 136 correspond à une rotation autour de l’axe principal du guide-outil 14. Il convient de noter qu’il n’est toutefois pas nécessaire d’effectuer une rotation autour de l’axe de symétrie de l’instrument médical (cinq degrés de liberté sont en effet suffisants pour guider et relâcher un instrument médical). Ce degré de liberté supplémentaire permet d’être en situation de redondance et d’avoir une infinité de configurations possibles du bras robotisé 13 pour une position donnée du guide-outil 14. Cette situation de redondance est particulièrement utile pour s’adapter à des contraintes liées à la position du patient ou à la configuration de la salle d’intervention.
Tel qu’illustré sur la figure 3, le guide-outil 14 est fixé sur le bras robotisé 13 par l’intermédiaire d’une bride 17. Le guide-outil comporte un axe principal 145 représenté sur la figure 3 par une ligne en pointillé. Le guide-outil 14 est couplé à un capteur de force 16 pour permettre à l’unité de contrôle 12 de déterminer une force exercée sur le guide-outil 14. Cette force peut notamment être exercée par le praticien lorsqu’il déplace manuellement le bras robotisé 13. Cette force peut également correspondre à une force exercée sur le guide-outil 14 via l’instrument médical 15 par le corps du patient (par exemple suite à un mouvement accidentel du patient pendant l’insertion de l’instrument médical).
Il convient de noter que le capteur de force permet de mesurer une force totale correspondant à la résultante des forces et des moments subis par le capteur de force 16 (incluant non seulement la force exercée par le praticien mais aussi le poids du guide- outil 14, le poids de l’instrument médical 15, etc.). L’unité de contrôle est configurée pour déterminer la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14 en fonction de la résultante des forces et des moments subis par le capteur de force 16. Il convient par exemple pour cela de retrancher à la force totale la force correspondant au poids du guide-outil 14, la force correspondant au poids de l’instrument médical 15 si celui-ci est maintenu par le guide-outil 14, un couple dû à la différence entre le point de mesure et le centre de masse du guide-outil, et/ou une compensation éventuelle liée aux bruits de mesure. Il est également envisageable de procéder à du filtrage sur les mesures effectuées par le capteur de force 16.
Tel qu’illustré sur les figures 4 et 5, le guide-outil 14 comporte un corps 141 avec une base 142 destinée à être fixée à la bride 17 à l’aide de vis 143, ainsi qu’un système de maintien 146 comportant deux parties mobiles l’une par rapport à l’autre. Le système de maintien 146 est destiné à maintenir l’instrument médical 15 au niveau de l’extrémité du corps 141 du guide-outil 14 opposée à la base 142. Les deux parties mobiles du système de maintien 146 peuvent être entraînées par un système d’entrainement tel qu’un engrenage, une came, une vis à filets inversés et/ou actionneur linéaire, afin de bloquer ou libérer l’instrument médical 15. L’actionneur linéaire peut être réversible (le système de maintien 146 du guide-outil 14 peut alors être ouvert manuellement ou automatiquement sur commande de l’unité de contrôle 12) ou non réversible (le système de maintien 146 du guide-outil 14 ne peut être ouvert que de façon automatique sur commande de l’unité de contrôle). Le guide-outil 14 permet par exemple de guider des instruments médicaux de différents diamètres. Par exemple, un tel guide permet de guider des instruments médicaux dont le diamètre est compris entre
11 et 21 gauges. La gauge est une unité de mesure couramment utilisée pour définir le diamètre externe d’un instrument médical telle qu’une aiguille, une sonde ou un cathéter (11 gauges correspondent à un diamètre externe de 2.946 mm ; 21 gauges correspondent à un diamètre externe de 0.812 mm).
Tel qu’illustré sur la figure 1 , le robot médical 10 comporte une unité de contrôle 12 configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé 13. L’unité de contrôle 12 comporte par exemple un ou plusieurs processeurs 122 et une mémoire 121 (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans laquelle est mémorisée un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre les différentes étapes d’un procédé de positionnement du bras robotisé 13.
Tel qu’illustré sur la figure 7, un système de navigation 30 peut être utilisé pour fournir à l’unité de contrôle 12 du robot médical 10 des informations relatives à une position courante du guide-outil 14 et à une position cible que le guide-outil doit atteindre. La position courante et la position cible fournies sont par exemple initialement définies dans un repère du système de navigation 30 puis transformées en positions dans un repère du robot médical 10 par l’unité de contrôle 12. L’unité de contrôle 12 peut alors être configurée pour déplacer automatiquement (dans un mode dit de « pilotage automatique », sans intervention du praticien) le bras robotisé 13 de telle sorte qu’il atteigne la position cible. Le système de navigation 30 et l’unité de contrôle
12 du robot médical 10 peuvent s’échanger des données via des moyens de communication (filaire ou sans fil).
Dans la présente demande, le terme « position » correspond à la combinaison de la position et de l’orientation d’un objet dans un repère donné qui est généralement un système de coordonnées en trois dimensions. Le terme « pose » est employé dans la littérature anglo-saxonne pour représenter cette combinaison de la position et de l’orientation d’un objet dans l’espace.
Dans l’exemple considéré, le système de navigation 30 est un système de navigation optique. Le système de navigation 30 comporte au moins deux capteurs optiques 31 correspondant par exemple à deux capteurs d’une caméra stéréoscopique fonctionnant dans le domaine des rayonnements infrarouges ou dans le domaine de la lumière visible.
Tel qu’illustré sur les figures 4 et 5, le guide-outil 14 comporte des plots 144 destinés à accueillir des marqueurs optiques 147. Avantageusement, le guide-outil 14 comporte au moins trois marqueurs optiques 147 de telle sorte que la position du guide- outil 14 puisse être déterminée dans les trois dimensions spatiales du référentiel du système de navigation 30. Les positions respectives des marqueurs optiques 147 du guide-outil les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le dispositif de navigation 30 et/ou par l’unité de contrôle 12. Avantageusement, la forme géométrique de chaque marqueur optique 147 peut également être connue a priori. Dans l’exemple illustré à la figure 5, les marqueurs optiques 147 sont de forme sphérique.
L’utilisation d’au moins trois marqueurs optiques 147 permet de définir un plan et donc un repère tridimensionnel orthonormé direct avec un axe z normal au plan et des axes x et y dans le plan de façon que le repère soit direct. Cela permet ainsi de déterminer la position et l’orientation du repère formé à partir des marqueurs optiques 147 qui représentent le guide-outil 14. Les trois axes x, y et z permettent de définir six degrés de liberté, à savoir une translation selon chacun des axes x, y ou z et une rotation autour de chacun de ces axes.
Les marqueurs optiques 147 peuvent être passifs ou actifs. Des marqueurs optiques passifs réfléchissent un rayonnement optique émis par un autre élément, comme par exemple le système de navigation 30. Des marqueurs optiques passifs peuvent correspondre par exemple à des sphères réfléchissantes détectables par une caméra stéréoscopique infrarouge (c’est ce qui est utilisé par exemple dans les systèmes de navigation Polaris® fabriqués par la société Northern Digital Inc.), ou à des motifs noir et blanc visibles par une caméra stéréoscopique (c’est ce qui est utilisé par exemple dans le système de navigation MicronTracker® de la société ClaroNav). Des marqueurs optiques actifs émettent eux-mêmes un rayonnement optique, par exemple un rayonnement infrarouge, détectable par le système de navigation 30.
Tel qu’illustré sur la figure 7, l’ensemble des marqueurs 147 présents sur le guide-outil 14 correspondent à une référence robot 18.
Il convient toutefois de noter qu’un seul marqueur optique présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions pourrait être utilisé à la place de l’ensemble des marqueurs optiques 147 sphériques.
Une référence patient 22 est positionnée sur le patient 20 à proximité de l’anatomie d’intérêt. La figure 6 représente schématiquement la référence patient 22. La référence patient 22 comporte au moins trois marqueurs optiques 23, de telle sorte que la position de la référence patient 22 puisse être déterminée dans les trois dimensions spatiales du référentiel du système de navigation 30. Les positions respectives des marqueurs optiques 23 de la référence patient 22 les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le système de navigation 30 et/ou par l’unité de contrôle 12. Avantageusement, la forme géométrique de chaque marqueur optique 23 peut également être connue a priori. Dans l’exemple illustré à la figure 6, la référence patient
22 comporte trois marqueurs optiques 23 de forme sphérique. La forme sphérique permet d’optimiser la réflexion du rayonnement optique. Ce qui a été mentionné précédemment pour le type actif ou passif des marqueurs optiques 147 du guide-outil 14 est également vrai pour les marqueurs optiques 23 de la référence patient 22. La encore, il serait envisageable d’utiliser un seul marqueur optique présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions à la place des trois marqueurs optiques
23 sphériques.
Dans la suite de la description, on considère à titre d’exemple nullement limitatif que les capteurs optiques 31 du système de navigation 30 et les différents marqueurs optiques 147, 23 sont conçus pour fonctionner avec un rayonnement optique de type infrarouge. On considère en outre que les marqueurs optiques 147, 23 sont des marqueurs passifs. Les capteurs optiques 31 sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge est réfléchi par les différents marqueurs optiques 147, 23 vers les capteurs optiques 31. Les capteurs optiques 31 sont configurés pour recevoir ce rayonnement infrarouge réfléchi. Le système de navigation 30 peut alors déterminer la distance entre un marqueur optique 147, 23 et un capteur optique 31 en mesurant le temps pris par un rayon infrarouge pour faire le trajet aller-retour entre ledit capteur optique 31 et ledit marqueur optique 147, 23. En connaissant la distance entre chaque marqueur optique 147, 23 et chaque capteur optique 31 , et en connaissant a priori l’agencement des marqueurs optiques 147, 23 les uns par rapport aux autres sur le guide-outil 14 et sur la référence patient 22, il est possible de déterminer la position du guide-outil 14 et de la référence patient 22 dans le référentiel du système de navigation 30.
La position cible que le guide-outil 14 doit atteindre peut notamment être définie à partir de la position de la référence patient 22. Dans ce but, et tel qu’illustré sur la figure 6, la référence patient 22 comprend également des marqueurs radio-opaques
24 qui sont visibles sur une image médicale acquise par un dispositif d’imagerie médicale (par exemple par tomodensitométrie, par résonance magnétique, par ultrasons, par tomographie, par émission de positions, etc.). Les positions respectives des marqueurs radio-opaques 24 les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le dispositif de navigation 30 et/ou par l’unité de contrôle 12. Avantageusement, la forme géométrique des marqueurs radio-opaques 24 peut également être connue a priori. De préférence, la référence patient 22 comporte au moins trois marqueurs radio- opaques 24. Les marqueurs radio-opaques 24 peuvent être par exemple des billes en céramique. Il convient toutefois de noter qu’un unique marqueur radio-opaque présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions pourrait être utilisé à la place des trois marqueurs radio-opaques 24 sphériques.
Il est ainsi possible de planifier l’intervention médicale à partir d’une image médicale pré-interventionnelle 40 du patient muni de la référence patient 22. Cette image médicale pré-interventionnelle 40 est mémorisée dans la mémoire 121 de l’unité de contrôle 12. Il est alors possible, à partir de l’image médicale pré-interventionnelle 40, de définir la position cible que doit prendre le guide-outil 14 pour guider l’instrument médical 15 pour effectuer l’intervention médicale. La planification comprend la détermination, sur l’image pré-interventionnelle 40, de la trajectoire 41 devant être suivie par l’instrument médical 15 (par exemple une aiguille) entre un point d’entrée au niveau de la peau du patient 20 et d’un point cible (par exemple une tumeur) dans l’anatomie d’intérêt du patient 20. La référence 42 sur la figure 7 représente l’ensemble des marqueurs radio-opaques 24 de la référence patient 22 visibles sur l’image pré interventionnelle 40 (cela représente donc l’image de la référence patient 22 sur l’image pré-interventionnelle 40). La position cible du guide-outil 14 permettant de suivre la trajectoire 41 peut alors être définie par rapport à la position de la référence patient 22.
Il convient de noter que la détermination de la trajectoire peut également être réalisée sur une image pré-opératoire acquise plusieurs jours avant l’intervention (image acquise sans que le patient ne soit muni de la référence patient). L’image pré-opératoire peut alors être recalée avec l’image pré-interventionnelle 40 sur laquelle la référence patient est visible, afin d’obtenir une position relative de la référence patient 22 par rapport à la trajectoire.
Dans l’exemple considéré, le système de navigation 30 est configuré pour fournir à l’unité de contrôle 12 du robot médical 10 la position courante du guide-outil 14 dans le référentiel du système de navigation 30. Or, l’unité de contrôle 12 du robot médical 10 connaît la position courante du guide-outil 14 dans le référentiel du robot médical 10 (via les codeurs des articulations 131 à 136). L’unité de contrôle 12 peut donc déterminer la transformation à opérer pour définir une position dans le référentiel du robot médical 10 à partir d’une position dans le référentiel du dispositif de navigation 30. Le système de navigation 30 est également configuré pour fournir à l’unité de contrôle 12 du robot médical la position de la référence patient 22 dans le référentiel du système de navigation 30. L’unité de contrôle 10 peut alors définir la position de la référence patient 22 dans le référentiel du robot médical 10. Or, grâce à l’image pré interventionnelle 40, l’unité de contrôle 12 du robot médical 10 connaît la position de la position cible que doit atteindre le guide-outil 14 par rapport à la position de la référence patient 22. L’unité de contrôle 12 peut donc déterminer la position cible que doit atteindre le guide-outil 14 à partir des informations fournies par le système de navigation 30. L’unité de contrôle 12 peut alors être configurée pour déplacer automatiquement (dans un mode dit de « pilotage automatique », sans intervention du praticien) le bras robotisé 13 de telle sorte qu’il atteigne la position cible.
Les déplacements du bras robotisé 13 sont par exemple conditionnés à la sélection d’un mode de pilotage sur une interface utilisateur du robot médical 10 et à l’activation du mode sélectionné par une pédale de commande 19.
Un mode dit de « pilotage manuel coopératif » correspond à un mode dans lequel le praticien peut déplacer lui-même manuellement le bras robotisé 13 avec toutefois un contrôle du déplacement du bras robotisé 13 par l’unité de contrôle 12 (afin de limiter la vitesse et/ou les directions possibles de déplacement du bras robotisé 13).
Un mode dit de « pilotage automatique » correspond à un mode dans lequel le bras robotisé 13 est complètement contrôlé par l’unité de contrôle 12. Le bras robotisé 13 est alors déplacé de façon automatique, sans l’intervention du praticien.
Il existe plusieurs modes de « pilotage manuel coopératif ».
Un mode dit de « pilotage manuel coopératif d’approche » correspond par exemple à un mode dans lequel le praticien déplace le bras robotisé 13 pour approcher le guide-outil 14 à une position d’approche 101 relativement proche de l’anatomie d’intérêt du patient et pour que le bras robotisé 13 entre dans le champ de vision du système de navigation 30. Dans ce mode, il est intéressant de contrôler la vitesse de déplacement du bras robotisé 13 en fonction de la force exercée par le praticien sur le bras robotisé 13. Dans ce mode, le déplacement du bras robotisé 13 est généralement autorisé dans toutes les directions.
Le bras robotisé peut ensuite être déplacé automatiquement (dans le mode de « pilotage automatique ») de la position d’approche 101 à la position d’insertion 102. La position d’insertion 102 correspond à la position cible à laquelle doit être positionnée le guide-outil 14 pour que l’instrument médical 15 puisse suivre la trajectoire planifiée.
Un mode dit de « pilotage manuel coopératif de dégagement » correspond par exemple à un mode dans lequel, après une insertion partielle de l’instrument médical 15 dans le corps du patient 20, l’instrument médical 15 peut être libéré du dispositif de maintien 146 du guide-outil 14 et le bras robotisé 13 peut être dégagé manuellement par le praticien de la position d’insertion 102 vers une position dégagée 103. De telles dispositions permettent de déplacer le patient 20 pour réaliser une image médicale de contrôle après l’insertion partielle de l’instrument médical 15 (par exemple pour vérifier que la trajectoire prise par l’instrument médical correspond avec la trajectoire planifiée). Dans ce mode, il peut être avantageux de configurer l’unité de contrôle 12 pour asservir le bras robotisé 13 de sorte à interdire le déplacement du guide-outil 14 selon au moins une direction, voire pour limiter le déplacement du guide-outil 14 selon une seule direction correspondant à l’axe principal 145 du guide-outil 14 (la direction de dégagement suit l’axe principal 145 du guide-outil 14 selon une direction allant du dispositif de maintien 146 vers la base 142). Dans des modes particuliers de réalisation, lorsque le mode de « pilotage manuel coopératif de dégagement » est activé, l’unité de contrôle 12 est configurée pour mémoriser, en tant que position de référence, la position courante du guide-outil 14 par rapport à la position de la référence patient 22. La position de référence est donc la position du guide-outil 14 à un premier instant ti auquel le mode de « pilotage manuel coopératif de dégagement » est activé.
Un mode dit de « pilotage manuel coopératif de retour » correspond par exemple à un mode dans lequel, après avoir effectué l’image de contrôle, le bras robotisé 13 est déplacé manuellement par le praticien pour que le guide-outil 14 reprenne la position de référence qui avait été enregistrée lorsque le mode de « pilotage manuel coopératif de dégagement » avait été sélectionné. Cette position de référence correspond à la position d’insertion 102 (position cible que le guide-outil 14 doit atteindre). Le mode de « pilotage manuel coopératif de retour » est donc utilisé pour ramener le guide-outil 14 de la position dégagée 103 vers la position d’insertion 102, afin de finaliser l’insertion de l’instrument médical 15. Il est important que, dans son déplacement, le guide-outil 14 ne dépasse pas la position d’insertion 103 (autrement le guide-outil 14 ne serait pas ramené à la bonne position pour finaliser l’insertion, et il y aurait en outre une collision entre l’instrument médical partiellement inséré et le guide- outil 14). Il peut être avantageux d’asservir le bras robotisé 13 de sorte à limiter le déplacement du guide-outil 14 dans la direction selon l’axe principal 145 du guide-outil 14 (la direction de retour suit l’axe principal 145 du guide-outil 14 selon un sens allant de la base 142 vers le dispositif de maintien 146). D’autre part, il peut être avantageux de configurer l’unité de contrôle 12 pour contrôler la vitesse de déplacement du guide- outil 14 en fonction de la distance entre la position courante du guide-outil 14 et la position cible que le guide-outil 14 doit atteindre (correspondant à la position de référence enregistrée). Ainsi, pour un deuxième instant h, l’unité de contrôle 12 est configurée pour calculer la différence entre la position du guide-outil au deuxième instant et la position de référence (position du guide-outil 14 au premier instant ti). La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est contrôlée de sorte que plus la distance calculée est courte (c’est-à-dire plus le guide-outil 14 est proche de sa position cible), et plus la vitesse de déplacement est faible, jusqu’à atteindre une vitesse nulle lorsque la position cible est atteinte. L’unité de contrôle 12 est configurée pour déterminer si la différence entre la position atteinte par le guide-outil 14 et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé. Si c’est le cas, alors il est considéré que la position cible est atteinte. Il convient de noter que la position du guide-outil 14 est définie par rapport à la position de la référence patient 22. Lorsque la position cible est atteinte, le praticien peut finaliser l’insertion de l’instrument médical 15. Le seuil prédéterminé est par exemple égal à un millimètre, voire à un dixième de millimètre (0,1 mm), voire même à trois centièmes de millimètre (0,03 mm).
Lorsqu’un mode de « pilotage manuel coopératif » est activé, le praticien déplace le bras robotisé 13 en exerçant une force avec sa main sur le guide-outil 14. Le déplacement du bras robotisé 13 est toutefois contrôlé par l’unité de contrôle 12 qui exerce un asservissement en force (contrôle de la vitesse de déplacement du guide- outil 14) et en position (contrôle des directions de déplacement du guide-outil 14).
L’asservissement en force est régi par une loi de contrôle par admittance. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est contrôlée par l’unité de contrôle 12. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est calculée en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14, ladite force étant déterminée par l’unité de contrôle à l’aide du capteur de force 16.
Plus précisément, la force ainsi déterminée correspond à une donnée d’entrée d’une boucle d’asservissement. La donnée de sortie de cette boucle d’asservissement est une vitesse cartésienne de déplacement du guide-outil 14. La boucle d’asservissement est par exemple opérée à une fréquence de 125 Hz (dans ce cas la valeur de la vitesse de déplacement du guide-outil 14 est mise à jour toutes les 8 ms).
L’unité de contrôle 12 calcule une vitesse de déplacement du guide-outil 14 permettant d’annuler la force exercée par le praticien sur le guide-outil. Autrement dit, la différence (également appelée erreur) entre la valeur de cette force déterminée à un instant courant (à chaque itération de la boucle d’asservissement) et la valeur de la force souhaitée (force nulle) est égale à la force déterminée. L’algorithme de la boucle d’asservissement vise à définir une vitesse de déplacement faisant tendre l’erreur vers zéro. Pour corriger cette erreur, un correcteur PID peut être utilisé (PID est l’acronyme de « Proportionnel, Intégral, Dérivateur », c’est un système de contrôle en boucle fermée couramment utilisé dans l’industrie). L’erreur (c’est-à-dire l’écart entre la force déterminée et la force souhaitée) est la donnée d’entrée du correcteur PID qui donne en sortie une vitesse permettant d’avoir une erreur qui tend vers zéro.
Dans la suite, par souci de simplification, on ne considère que la partie « proportionnelle » du correcteur PID. Autrement dit, on fait comme si la partie « intégrale » et la partie « dérivative » étaient nulles.
La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est calculée en appliquant un facteur de gain à la force déterminée :
[Math.2]
\v\ = G x l/l où G est le facteur de gain, |f| est la force déterminée par l’unité de contrôle (force exercée par le praticien sur le guide-outil 14) et |v| est la vitesse de déplacement du guide-outil 14. Le facteur de gain G correspond au facteur de gain de la partie « proportionnelle » du correcteur PID.
Autrement dit, plus la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14 est importante, et plus la vitesse de déplacement du guide-outil 14 calculée par l’unité de contrôle 12 est grande. Ainsi, lorsque le guide-outil 14 est relativement loin du patient et que le praticien exerce une force importante sur le guide-outil 14, le bras robotisé 13 se déplace de façon rapide, fluide et réactive. Par contre, lorsque le praticien exerce une force de faible amplitude sur le guide-outil 14 parce que le guide-outil 14 est proche de l’anatomie d’intérêt du patient, le bras robotisé 13 se déplace à faible vitesse pour garantir précision et sécurité.
Lorsque le guide-outil 14 est relativement proche de l’anatomie d’intérêt du patient, il faut toutefois que le mouvement du guide-outil 14 soit contrôlé avec précision et à faible vitesse, pour atteindre la position d’insertion 102 de l’instrument médical avec exactitude. Aussi, il convient d’éviter des mouvements saccadés du bras robotisé 13 engendrés par des tremblements du praticien. Dans ce but, la valeur du facteur de gain est définie de sorte à être variable en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil. Par exemple le facteur de gain varie linéairement avec cette force lorsque cette force varie entre une valeur minimale Fmin et une valeur maximale Fmax. La valeur du facteur de gain G(f) peut être définie ainsi :
[Math.1]
Figure imgf000019_0001
où K est une constante, |f| est la force déterminée par l’unité de contrôle (force exercée par le praticien sur le guide-outil 14), Fmin et Fmax correspondent respectivement a une valeur minimale et une valeur maximale pour la force pouvant être exercée par le praticien. Le gain est indéfini si |f| est supérieur à Fmax : lorsque |f| est supérieur à Fmax, la vitesse est plafonnée à une vitesse maximale Vmax. Le gain est nul si |f| est inférieur à F min : la vitesse est nulle si la force |f| est inférieure à Fmm.
Le fait que le facteur de gain varie en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil permet d’éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé 13 engendrées par des tremblements du praticien (les tremblements correspondent à une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée). La variabilité du facteur de gain en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide- outil permet de garantir précision et sécurité dans le déplacement du guide-outil 14 lorsque le guide-outil 14 est proche de l’anatomie d’intérêt du patient. En outre, une telle définition du facteur de gain permet une continuité de la vitesse de déplacement du guide-outil 14 lorsque la force exercée par le praticien sur le guide-outil varie entre Fmin
Ct F max·
Alternativement à ce qui a été décrit en référence à l’équation Math.2, la vitesse de déplacement du guide-outil 14 peut également être calculée sous la forme : [Math.3]
\v\ = G x (l/l - Fmin)
Les figures 8 et 9 décrivent cela plus en détail. La figure 8 correspond à un cas où le facteur de gain G est constant lorsque la force exercée par le praticien sur le guide- outil déterminée par l’unité de contrôle varie entre Fmin et Fmax. La figure 9 correspond à un cas où le facteur de gain varie en fonction de la force déterminée (G est défini tel que dans l’expression Math.1). Chacune des figures 8 et 9 comporte quatre graphiques. Le graphique de la partie a) des figures 8 et 9 représente la vitesse (|v|) de déplacement du guide-outil 14 en fonction de la force déterminée (|f|). Le graphique de la partie b) des figures 8 et 9 représente l’accélération (|a|) subie par le guide-outil 14 en fonction de la force déterminée (|f|). Le graphique de la partie c) des figures 8 et 9 représente la force déterminée (|f|) en fonction du temps (t) lorsque le praticien déplace le guide-outil 14 avec une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée (mouvement lent avec tremblements). Le graphique de la partie d) des figures 8 et 9 représente l’accélération (|a|) subie par le guide-outil 14 en fonction du temps (t) lorsque la force déterminée varie tel qu’illustré sur le graphique de la partie c) (mouvement lent avec tremblements).
Dans le scénario correspondant à la figure 8, le facteur de gain G est constant lorsque la force déterminée varie entre Fmin et Fmax. Le facteur de gain G est nul lorsque la force déterminée est inférieure à Fmin. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est plafonnée à une vitesse maximale Vmax lorsque la force déterminée est supérieure à Fmax. Tel qu’illustré sur la partie a) de la figure 8, |v| varie linéairement entre zéro et Vmax lorsque |f| varie entre Fmm et Fmax. |v| est nulle lorsque |f| est inférieure à Fmm. Tel qu’illustré sur la partie a) de la figure 8, l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 prend alors une valeur constante A lorsque |f| varie entre Fmm et Fmax. L’accélération |a| subie par le guide-outil 14 est nulle lorsque |f| est inférieure à Fmin ou supérieure à Fmax. Il apparaît alors sur la partie d) de la figure 8 que, lorsque |f| oscille autour de Fmm (force de faible amplitude exercée par le praticien avec des tremblements, tel qu’illustré sur la partie c) de la figure 8), alors l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 passe brusquement de la valeur nulle à la valeur A à chaque fois que la force déterminée |f| passe au-dessus de Fmin. Inversement, l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 passe brusquement de la valeur A à la valeur nulle à chaque fois que la force déterminée |f| passe en-dessous de Fmin. Une telle situation conduit à un mouvement saccadé du guide-outil 14.
Dans le scénario correspondant à la figure 9, le facteur de gain G varie linéairement avec la force déterminée |f| lorsque |f| varie entre Fmin et Fmax. Le facteur de gain G est nul lorsque la force déterminée est inférieure à Fmin. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est plafonnée à une vitesse maximale Vmax lorsque la force déterminée est supérieure à Fmax. Tel qu’illustré sur la partie a) de la figure 9, |v| varie de façon exponentielle entre zéro et Vmax lorsque |f| varie entre Fmin et Fmax. |v| est nulle lorsque |f| est inférieure à Fmin. Tel qu’illustré sur la partie a) de la figure 9, l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 varie linéairement entre une valeur minimale Amin et une valeur maximale Amax lorsque |f| varie entre Fmin et Fmax. L’accélération |a| subie par le guide-outil 14 est nulle lorsque |f| est inférieure à Fmm ou supérieure à Fmax. Il apparaît alors sur la partie d) de la figure 9 que, lorsque |f| oscille autour de Fmm (force de faible amplitude exercée par le praticien avec des tremblements, tel qu’illustré sur la partie c) de la figure 9), alors l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 passe de la valeur nulle à la valeur Amin à chaque fois que la force déterminée |f| passe au-dessus de Fmin, |a| varie de façon continue et linéaire avec |f| quand |f| est supérieure à Fmin, et |a| passe de la valeur Amm à la valeur nulle à chaque fois que la force déterminée |f| passe en-dessous de Fmin. La valeur Amin est toutefois significativement plus faible que la valeur A. Les variations de l’accélération |a| subie par le guide-outil 14 représentées sur la partie d) de la figure 9 sont nettement moins importantes que les variations représentées sur la partie d) de la figure 8. Ainsi, en faisant varier la valeur du facteur de gain G en fonction de la force déterminée permet d’éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé 13 engendrées par des tremblements du praticien. Il convient de noter que la définition du facteur de gain G proposée par l’équation [Math.1] n’est qu’un exemple non limitatif. Il est bien sûr envisageable de définir le facteur de gain G de façon différente tout en le faisant varier en fonction de la force déterminée. Le choix d’une définition particulière du facteur de gain G n’est qu’une variante de l’invention.
Pour l’asservissement en position, la vitesse calculée en sortie du correcteur PID est multipliée par une matrice de sélection. Cette matrice de sélection permet de sélectionner les directions devant être asservies en position en appliquant un coefficient multiplicatif égal à zéro dans les directions interdites et un coefficient multiplicatif égal à un dans les directions autorisées. La vitesse obtenue après application de la matrice de sélection correspond à la vitesse de déplacement du guide-outil 14.
Comme cela a déjà été mentionné précédemment, en mode de « pilotage manuel coopératif » il peut être avantageux de configurer l’unité de contrôle 12 pour asservir le bras robotisé 13 de sorte à interdire le déplacement du guide-outil 14 selon au moins une direction, voire pour limiter le déplacement du guide-outil 14 selon une seule direction correspondant à l’axe principal 145 du guide-outil 14, notamment pour dégager le guide-outil 14 dans la position dégagée 103 (mode de « pilotage manuel coopératif de dégagement ») ou pour ramener le guide-outil 14 de la position dégagée 103 vers la position d’insertion 102 (mode de « pilotage manuel coopératif de retour »).
D’autre part, comme cela a déjà été mentionné précédemment pour le mode de « pilotage manuel coopératif de retour », il peut être avantageux de configurer l’unité de contrôle 12 pour contrôler la vitesse de déplacement du guide-outil 14 en fonction de la distance entre la position courante du guide-outil 14 et la position cible que le guide- outil 14 doit atteindre. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 peut notamment être contrôlée de sorte que plus cette distance est courte (c’est-à-dire plus le guide-outil 14 est proche de sa position cible), et plus la vitesse de déplacement est faible, jusqu’à atteindre une vitesse nulle lorsque la position cible est atteinte.
Pour le mode de « pilotage manuel coopératif d’approche », il n’y a pas d’asservissement de position : le déplacement du guide-outil 14 n’est contraint dans aucune direction. Seul un asservissement en force est opéré dans ce mode.
L’unité de contrôle 12 du robot médical 10 peut en outre être configurée pour détecter une situation de risque de blessure par l’instrument médical 15, par exemple lorsque le patient 20 effectue un mouvement inattendu alors que l’instrument médical 15 n’est pas encore libéré du guide-outil. Une telle situation peut en effet conduire à une blessure du patient par l’instrument médical (par exemple un endommagement des tissus sains de l’anatomie d’intérêt ou d’une autre partie du corps du patient par l’instrument médical). Des mesures peuvent alors être prises pour éviter de blesser le patient lorsqu’une telle situation est détectée.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil 14 du robot médical 10 comporte un actionneur permettant de libérer instantanément l’instrument médical 15. L’actionneur est commandé par l’unité de contrôle 12 du robot médical pour écarter les deux parties mobiles du dispositif de maintien 146, libérant ainsi l’instrument médical 15. L’unité de contrôle 12 est configurée pour commander le guide-outil 14 de relâcher l’instrument médical 15 lorsqu’une situation particulière de risque de blessure est détectée.
Selon un premier exemple, une situation particulière de risque de blessure est détectée lorsque l’unité de contrôle 12 reçoit une information en provenance du système de navigation 30 indiquant un déplacement inattendu de la référence patient 22 (changement de position de la référence patient 22 représentatif d’un mouvement inattendu du patient 20).
Selon un deuxième exemple, un mode d’ « insertion de l’instrument médical » peut être sélectionné via l’interface utilisateur et activé via la pédale de commande 19. Dans ce mode, l’unité de contrôle 12 est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil 14 et l’unité de contrôle 12 est configurée pour déterminer, à l’aide du capteur de force, une force exercée sur l’instrument médical 15. Une situation particulière de risque de blessure est par exemple détectée lorsque la force exercée sur l’instrument médical est supérieure à une valeur seuil prédéterminée (un mouvement inattendu du patient 20 a pour conséquence d’exercer une force sur le capteur de force 16 via l’instrument médical 15). Selon un autre exemple, une situation particulière de risque de blessure est détectée lorsqu’une variation de la force exercée sur l’instrument médical sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée
La libération automatique de l’instrument médical 15 peut être accompagnée d’un dégagement automatique du bras robotisé 13 dans la direction de dégagement (direction selon l’axe principal 145 du guide-outil 14 vers la base 11 du robot médical).
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés.
En particulier, le fait de définir la vitesse de déplacement du guide-outil 14 à partir d’un facteur de gain qui varie en fonction de la force exercée par le praticien permet un déplacement contrôlé, précis et sans saccades du bras robotisé 13 lorsque le praticien déplace manuellement le guide-outil 14 en exerçant une force de faible amplitude. Le déplacement du bras robotisé 13 reste fluide et réactif lorsque le praticien exerce une force de forte amplitude sur le guide-outil 14. L’asservissement en force et en position du bras robotisé 13 permet de dégager le guide-outil 14 de façon sécurisée après une insertion (éventuellement partielle) de l’instrument médical 15. Si nécessaire, l’invention permet en outre de ramener le guide-outil 14 à la position d’insertion de façon sûre et précise. Enfin, la libération automatique d’urgence de l’instrument médical 15 permet d’éviter de blesser le patient lorsque celui-ci fait un mouvement inattendu pendant l’intervention médicale.
Il convient de noter que l’invention a été décrite en utilisant un système de navigation optique. Rien n’empêcherait toutefois d’utiliser, dans une variante, un système de navigation électromagnétique à la place du système de navigation optique. Dans ce cas, les différents « marqueurs » détectables par le système de navigation (marqueurs présent sur la référence patient 22, marqueurs présents sur le guide-outil 14) correspondraient alors à des capteurs électromagnétiques dont la position peut être déterminée par le système de navigation dans un champ électromagnétique généré.

Claims

Revendications
1. Robot médical (10) pour assister un praticien lors d’une intervention médicale sur une anatomie d’intérêt d’un patient (20), ledit robot médical (10) comportant un bras robotisé (13) comportant à une extrémité distale un guide-outil (14) destiné à guider un instrument médical (15), ainsi qu’une unité de contrôle (12) configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé (13), ledit guide-outil (14) étant couplé à un capteur de force (16) et, lorsque le robot médical (10) est utilisé dans un mode de « pilotage manuel coopératif », l’unité de contrôle (12) est configurée pour :
- déterminer, à l’aide du capteur de force (16), une force exercée par le praticien sur le guide-outil (14),
- calculer une vitesse de déplacement du guide-outil (14) en fonction d’un facteur de gain appliqué à ladite force ainsi déterminée,
- contrôler le déplacement du bras robotisé (13) en fonction de la vitesse ainsi calculée caractérisé en ce que la valeur dudit facteur de gain est variable et calculée en fonction de ladite force exercée par le praticien sur le guide-outil.
2. Robot médical (10) selon la revendication 1 dans lequel le facteur de gain correspond à un paramètre proportionnel d’un correcteur « Proportionnel, Intégral, Dérivé » mis en oeuvre par l’unité de contrôle (12).
3. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel l’unité de contrôle (12) est en outre configurée pour interdire le déplacement du guide-outil (14) selon au moins une direction.
4. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l’unité de contrôle (12) est en outre configurée pour limiter le déplacement du guide- outil (14) selon une seule direction correspondant à un axe principal (145) du guide- outil (14).
5. Robot médical selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la valeur du facteur de gain est définie ainsi :
Figure imgf000025_0001
où G(f) est le facteur de gain, K est une constante, |f| est la force exercée par le praticien sur le guide-outil (14) déterminée par l’unité de contrôle (12) à l’aide du capteur de force (16), Fmm et Fmax correspondent respectivement a une valeur minimale et une valeur maximale pour la force exercée par le praticien.
6. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’unité de contrôle (12) est configurée pour calculer la vitesse de déplacement du guide-outil (14) en outre en fonction d’une distance entre une position courante du guide-outil (14) et une position cible que le guide-outil doit atteindre.
7. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le bras robotisé (13) est un bras articulé présentant au moins six degrés de liberté.
8. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel, lorsque le robot médical (10) est utilisé dans un mode d’ « insertion de l’instrument médical », l’unité de contrôle (12) est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil (14), l’unité de contrôle (12) est configurée pour déterminer, à l’aide du capteur de force (16), une force exercée sur l’instrument médical (15), le guide-outil
(14) comprend des moyens pour relâcher automatiquement l’instrument médical
(15) sur commande de l’unité de contrôle (12), et l’unité de contrôle (12) est configurée pour commander le guide-outil (14) de relâcher l’instrument médical (15) lorsque la force exercée sur l’instrument médical (15) est supérieure à une valeur seuil prédéterminée ou lorsqu’une variation de la force exercée sur l’instrument médical (15) sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée.
9. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le guide-outil (14) comporte au moins un marqueur (147) détectable par un système de navigation (30) et l’unité de contrôle (12) est configurée pour :
- recevoir, en provenance dudit système de navigation (30), une première information relative à une position du guide-outil (14) dans un repère du système de navigation (30),
- recevoir, en provenance dudit système de navigation (30), une deuxième information relative à une position cible, dans le repère du système de navigation (30), que le guide-outil (14) doit atteindre, - déterminer la position cible, dans un repère du robot médical (10), à l’aide de la deuxième information,
- déplacer le bras robotisé (13), dans un mode de « pilotage automatique », sans intervention du praticien, pour que le guide-outil (14) atteigne la position cible.
10. Robot médical (10) selon la revendication 9 dans lequel la deuxième information correspond à une position, dans le repère du système de navigation (30), d’une référence patient (22) destinée à être positionnée sur le patient (20) à proximité de l’anatomie d’intérêt, ladite référence patient (22) comportant au moins un marqueur
(23) détectable par le système de navigation (30) et au moins un marqueur radio- opaque (24), et l’unité de contrôle (12) est configurée pour déterminer la position cible du guide-outil (14) à partir de la position de la référence patient (22) et à partir d’une trajectoire que doit suivre l’instrument médical (15) pour effectuer l’intervention médicale, ladite trajectoire étant définie relativement à la position de la référence patient (22) à l’aide d’une image médicale pré-interventionnelle (40) sur laquelle est visible l’anatomie d’intérêt du patient et ledit au moins un marqueur radio-opaque
(24) de la référence patient (22).
11 . Robot médical (10) selon la revendication 10 dans lequel l’unité de contrôle (12) est configurée pour :
- mémoriser, en tant que position de référence, une position à un premier instant du guide-outil (14) par rapport à la position de la référence patient (22), déterminer si une différence entre une position à un deuxième instant du guide- outil (14) et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé.
12. Robot médical (10) selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 dans lequel le guide-outil (14) comprend des moyens pour relâcher automatiquement l’instrument médical (15) sur commande de l’unité de contrôle (12), et l’unité de contrôle (12) est configurée pour commander le guide-outil (14) de relâcher l’instrument médical (15) lorsque l’unité de contrôle (12) reçoit une information en provenance du système de navigation (30) indiquant un déplacement inattendu de la référence patient (22).
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