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WO2023218156A1 - Connexion plug'n play - Google Patents

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Publication number
WO2023218156A1
WO2023218156A1 PCT/FR2023/050697 FR2023050697W WO2023218156A1 WO 2023218156 A1 WO2023218156 A1 WO 2023218156A1 FR 2023050697 W FR2023050697 W FR 2023050697W WO 2023218156 A1 WO2023218156 A1 WO 2023218156A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
surgical
simulation tool
haptic controller
tool
connector
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/FR2023/050697
Other languages
English (en)
Inventor
Tom LORENT BOURDO
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.)
Virtualisurg SAS
Original Assignee
Virtualisurg SAS
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 Virtualisurg SAS filed Critical Virtualisurg SAS
Priority to CA3257361A priority Critical patent/CA3257361A1/fr
Priority to EP23729817.9A priority patent/EP4523203A1/fr
Priority to AU2023268000A priority patent/AU2023268000A1/en
Priority to IL316952A priority patent/IL316952A/en
Priority to JP2024566861A priority patent/JP2025517215A/ja
Publication of WO2023218156A1 publication Critical patent/WO2023218156A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • A61B2560/02—Operational features
    • A61B2560/0223—Operational features of calibration, e.g. protocols for calibrating sensors

Definitions

  • the present invention relates to a system for connecting a surgical simulation tool to a haptic controller in a surgical training platform.
  • the present invention therefore lies in the field of educational and teaching tools, methods and materials. More particularly, the invention relates to a connection system for a surgical procedure training kit, intended for the training of surgeons.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a safe, practical, precise, realistic, easy to use and readily available training device, making it possible to give any surgical student a chance to train in an environment safe without any risk of injury to yourself, a patient or an animal.
  • the user must, in in addition, being able to easily connect a surgical simulation tool to the platform and be able to manipulate it without fear of tearing it off during the simulation. Also, the user must be able to change the tools compatible with the simulation as they wish, without difficulty, and in a fluid manner.
  • This invention therefore relates to a surgical training platform configured to interface a haptic controller with a surgical simulation tool comprising:
  • At least one surgical simulation tool having at least one free end extending along a first axis Ai
  • at least one haptic controller comprising a connection system configured to connect mechanically and electrically, in a reversible manner, the at least one tool of surgical simulation, the control system further including a system for recognizing each surgical simulation tool configured to obtain identification information specific to the surgical simulation tool connected to the haptic controller, and communicating the identification information to the control system so that the control system recognizes each surgical simulation tool connected to the haptic controller.
  • connection system comprises at least one connector extending along a second axis A2, the at least one connector comprising a first coupling element complementary to a corresponding coupling element of the free end of each surgical simulation tool, the coupling elements of the connector and the free end of each surgical simulation tool are configured to cooperate in a co-axial manner by alignment of the axes Ai and A2, so that the connection between the haptic controller and each surgical simulation tool is made axially, once connected to each other, each movement of the surgical simulation tool induces a corresponding movement of the mobile haptic controller.
  • the platform according to the present invention allows a robust mechanical and electrical connection between the tool and the haptic controller, while allowing the user to change tools without leaving their simulation.
  • the platform according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or combined with each other:
  • connection system of the haptic controller makes it possible to connect at least two different surgical simulation tools, the at least one connector is configured to cooperate with the free end of the surgical simulation tool,
  • the at least one connector is a key-lock type locking connector configured to cooperate with the free end of the surgical simulation tool
  • connection system comprises a first fixed connector to the haptic controller and a second connector fixed to the free end of the surgical simulation tool, the two connectors being configured to cooperate with each other
  • the haptic controller comprises a movable arm, the movable arm having a free end intended to cooperate with the connection system
  • connection system allows the passage of electric current between the haptic controller and the connected surgical simulation tool, so as to supply the surgical simulation tool with current
  • connection system allows the passage of electric current between the system control and the connected surgical simulation tool, so as to supply current to the surgical simulation tool
  • each connector includes a magnet so that the connection is magnetized.
  • Figure 1 is an overall perspective view of a dismantled platform according to the present invention
  • FIG. 2 is an overall perspective view of a disassembled platform according to the present invention, shown with two different surgical training tools each of which can be connected to the platform,
  • Figure 3 is a view similar to Figure 2 from a different angle
  • Figure 4 A is a perspective view of a training platform mounted according to the invention, connected to a surgical training tool, comprising a single training module,
  • Figure 4B is a perspective view of a training platform mounted according to the invention, comprising two training modules, connected to two surgical training modules,
  • FIG. 5 is a perspective view of a kit according to the present invention, manipulated by a user according to a first embodiment
  • FIG. 6 is a perspective view of a kit according to the present invention, manipulated by a user according to a second embodiment
  • Figure 7 is an exploded view of a control module
  • FIG. 8A is a perspective view of a calibration element associated with the display device according to the invention.
  • Figure 8B is a perspective view of the calibration module
  • Figure 9A is a perspective view of a haptic controller connector according to the invention.
  • FIG. 9B is a perspective view of a surgical training tool connector according to the invention.
  • Figure 10 is a perspective view of a surgical training tool
  • Figure 11 is a perspective view of an example of virtual environment according to the invention
  • FIG. 12 and 13 are detailed views of a connection between a surgical simulation tool and the platform according to two different embodiments
  • Figure 14 is a perspective view of a haptic controller according to the invention, with all the joints.
  • the present invention relates to a surgical training platform (for example modular) 10 configured to interface a virtual environment 100 comprising at least one mobile virtual surgical element 102 (see Figure 11) .
  • This virtual environment also includes a virtual patient 104 and different decorative elements 106.
  • a user manipulating the modular platform 10 interacts with the virtual environment 100 in which all kinds of surgical operations are possible.
  • the modular platform 10 comprises:
  • a virtual reality display device 12 configured to show/display to the user the virtual environment 100
  • each training module comprising a haptic controller 18, possibly another optional module (not shown) capable of providing an additional function when simulation,
  • the display device 12 forms the link between the different training modules 16 and the virtual environment 100.
  • the drive modules 16 and calibration modules 14 are the only element(s) manipulated by the user and the rendering of these manipulations is not visible. than in the virtual environment 100.
  • Each drive module is an autonomous entity comprising several plastic parts assembled together. These parts can be 3D printed. All of these parts will be described as this description progresses.
  • each mobile virtual surgical element 102 and each virtual movement of each of these mobile virtual surgical elements 102 present in the virtual environment 100 is made visible to the user by the display device 12.
  • the display device 12 (visible in Figures 5 and 6) can be a fixed element in space (such as a screen) or a mobile element in space, for example, configured to be carried by the user during the surgical operation.
  • the display device 12 may include several displays, allowing several users to view the virtual environment 100. The different displays may be mobile or fixed. More precisely, as visible in Figures 5 and 6, the display system 12 can be a screen placed on a surface near or at a distance from the different modules 14, 16.
  • the display device 12 may be a virtual reality headset, adjustable to the user and capable of providing audio feedback. More specifically, it may be an HP reverb® headset with two screens with a resolution of 2160x2160 pixels. Each screen has a display frequency of 90 Hz.
  • the display device 12 is connected to the control system 20 preferably by a cable (for example a displayport or HDMI cable).
  • the display device 12 is associated with a mobile calibration tool 22 (see Figure 8B).
  • the mobile calibration tool 22 can take the form of a classic joystick as for example illustrated in Figure 8B but it can also take a different shape.
  • the calibration module 14 is an independent part shown in Figure 8 A. As visible in Figure 8B, the calibration module 14 includes a footprint 24 complementary to the mobile calibration tool 22. Thus, the calibration module 14 makes it possible to position the mobile calibration tool 22 associated with the display device 12 at a known and fixed distance from the drive module 16, in particular from the haptic controller 18 thereof (see Figure 4A).
  • the calibration module 14 is preferably made of plastic. It is preferably printed in 3D.
  • the calibration module 14 may include magnets, as will be explained in detail below.
  • the calibration module 14 can also be provided with an electrical connector allowing the connection of an electronic circuit for identifying the calibration module 14 by the control system 20. For this, the same device comprising a voltage divider bridge is used. than that used for the key-lock connector of the haptic controller 18, which will be described a little below.
  • the haptic controller 18 makes it possible to know the position and relative orientation of an object attached to it (see below), we then obtain the position and orientation of this object relative to the tool. mobile calibration 22.
  • the calibration module 14 also makes it possible to locate the user in relation to the drive module 16. Indeed, the position of the mobile calibration tool 22 relative to the display device 12 being known, we can then know the position and orientation of the object connected to the haptic controller 18 relative to the user who is wearing the display device 12 (see Figures 5 and 6).
  • the different drive modules 16 connected to each other or to the calibration module 14 can be positioned and located by the display device 12, given that once the different modules 14, 16 are connected to each other , they are all at a fixed and known distance from the calibration module 14 and therefore from the mobile calibration tool 22 (see Figures 4A and 4B).
  • the possible identification of the different modules 16 through an electronic system can make it possible to know this distance in a “plug and play” manner.
  • the mobile calibration tool 22 associated with the display device 12 serves as a calibration reference for each module training, therefore of each haptic controller 18 and therefore of each of the physical elements manipulated by the user of the platform 10.
  • a shock can lead to untimely movement of the drive module(s) 16 and therefore of the calibration module 14 which is connected to it, for example in relation to the display system 12. This can lead to a break in calibration between the virtual environment 100 and the position of the user. This can be avoided by the use of an electronic system comprising an accelerometer making it possible, on the one hand, to detect this type of unwanted movement and, on the other hand, to adapt the digital positioning of the virtual environment 100 to the new position of the calibration module 14 with the mobile calibration tool 22.
  • the different drive modules 16 can be connected together, so as to form a control console 26 (see Figure 4B).
  • the control console 26 thus comprises at least one drive module 16 (see Figure 2). More particularly, all of the modules 14, 16 are configured to be fixed to each other in a reversible manner in a known configuration (see Figures 4 A and 4B). This allows the modularity of the platform 10 according to the invention.
  • the drive module(s) 16 forming the control console 26 can either be connected directly to each other, or connected to each other by means of spacer modules 28 (see Figures 4A and 4B) .
  • the spacer modules 28 are made of plastic and are preferably produced by 3D printing, layer deposition or sintering. According to other embodiments, they can be manufactured by molding or other process subsequently.
  • the spacing modules 28 are connection parts making it possible to create a known spacing (hence a positioning) between the different modules 14, 16 of the platform 10.
  • Each calibration module 14 or drive module 16 comprises for this purpose, a base 30 having a specific shape (see Figure 7).
  • the shapes of the different bases 30 of the different modules 14, 16 are complementary to each other, so as to obtain a stable and suitable nesting of the different modules 14, 16, 28 between them.
  • the known appearance of the bases 30 of the different modules 14, 16, 28 makes it easy to determine the relative position of the modules 14, 16, 28 in space.
  • the calibration modules 14 and drive modules 16 are connected to each other by means of the spacing modules 28 in order to increase the stability of the control console and the platform 10 as a whole when the latter is assembled. .
  • each base 30 of each module 14, 16, 28 comprises at least one magnet 32 intended to cooperate with a corresponding magnet 32 of a base 30 of a complementary module 14, 16, 28, thus forming a connection point magnetic.
  • the magnets 32 are grouped in threes at each magnetic connection point.
  • the polarity of the magnets 32 is chosen so that the spacing modules 28 and the others modules (calibration modules 14 and drive modules 16) attract each other.
  • the physical connection may, in addition, include an electronic connector 34 allowing electronic communication between the different modules 14, 16, 28 and the control system 20 (see Figures 1, 2, 7 and 8A).
  • each spacing module 28 can accommodate at each magnetic connection point , in addition, an electronic connector 34 intended to cooperate with a connector electronics of the base 30 of the calibration and/or training modules 16. Electronic communication between the different modules 14, 16, 28 is therefore ensured, whether the calibration modules 14 and training modules 16 are connected together directly to the means of a spacing module 28.
  • Each electronic connector 34 can be connected to a cable to connect the electronic connector of the corresponding connected module.
  • These electronic connectors 34 can, for example, take the form of spring-mounted/retractable pin connectors.
  • each electronic connector 34 associated with a drive module 16 comprises, for example, a voltage divider bridge generating a voltage specific to each drive module 16. This makes it possible to identify the drive module 16 by reading the voltage generated by the voltage divider bridge.
  • the electronic connector 34 is part of a more complex electronic circuit capable of engaging in digital communication (for example meeting the “UART” standard).
  • the control system 20 comprises a microcontroller itself electrically connected, through the connectors 34 and potentially the spacing modules 28, to the calibration modules 14 and drive modules 16. This connection will be detailed below.
  • the different calibration modules 14 and/or drive 16 integrate a voltage divider system. THE microcontroller then reads the voltage and is capable of identifying the module(s) 14, 16 which respond(s) with this voltage.
  • the calibration modules 14 and/or drive modules 16 each include an electronic card 42 allowing digital communication with the microcontroller of the drive module 16. They identify each other and are capable of exchange information concerning a user action but also feedback to the user of the control system 20 (we can imagine for example a module which lights up in red if an error is made in the manipulation).
  • each drive module 16 comprises a haptic controller 18.
  • Each haptic controller 18 includes a connection system 35 configured to mechanically connect, in a reversible manner, a surgical training tool or a surgical simulation tool 36.
  • the surgical training platform is specifically configured to interface the haptic controller 18 with at least one surgical simulation tool 36.
  • the surgical training kit thus formed (see Figures 5 and 6), therefore comprises a modular surgical training platform 16, an example of which is described in the present description and at least one surgical simulation tool 36 configured to be connected to the controller haptic 18 of said platform 10.
  • the kit according to the present invention may include three types of surgical simulation tools 36: the tools represented to the user in virtual reality 100 called "simple”, the tools represented to the user in virtual reality lOO called "complex”, and
  • the complex surgical simulation tools 36 are complex electronic tools which integrate a microcontroller capable of communicating directly with the control system 20.
  • the surgical training tools 36 represented to the user, simple or complex, are modified surgical tools or copies thereof.
  • the simulation enabled by the platform 10 according to the present invention thus matches all or part of the physical actions to which these objects are subjected with the behaviors of the virtual twins in the virtual environment 100 displayed by the display device 12 (see Figures 5 and 6).
  • the tools not shown make it possible to simulate sensations, for example for palpation of organ(s) inside a patient.
  • Each surgical simulation tool 36 having at least one free end extending along a first axis Ai.
  • the haptic controller 18 of each drive module 16 comprises a robot with a pivoting arm, the robot with a pivoting arm having a free end intended to cooperate with the system connection 35.
  • the haptic controller 18 is movable in at least six degrees of freedom obtained by means of various elbows and rotating parts cooperating with each other so as to form joints Ji, J2, J3, J4 , J5, Jé. More precisely, and as visible in Figure 6, the first three joints (distal joints) are operable by the user while the last three joints (proximal joints) are passive.
  • the surgical simulation tool 36 In order to maximize the realism of the simulation, the surgical simulation tool 36, once connected to the haptic controller 18, must have its tip (or its end free) positioned where the haptic feedback would occur in reality, i.e. at the haptic point of the haptic arm.
  • This haptic point is designated as “HIP” in Figure 14.
  • the haptic controller 18 simulates force feedback related to collision or interactions in the virtual world of the tip (or end) of the simulation tool surgical 36 manipulated with an element of the virtual environment 100. This is the point at which the interactions and collisions are calculated to be able to simulate them without creating a shift or a haptic inconsistency, uncomfortable and disturbing, for the user.
  • this haptic point HIP makes it possible to simulate the penetration of a patient's body, for example by the needle of a syringe, by simulating the constraint exerted by the patient's body on the needle. It is therefore very important that the surgical simulation tool 36 and the haptic controller 18 are connected with precision and robustness.
  • connection system 35 of the haptic controller 18 is universal, in the sense that it makes it possible to connect at least two different surgical training tools 36 (see Figure 2).
  • connection system 35 comprises at least one connector 35a extending along a second axis A2.
  • This connector 35a comprises a first coupling element 44a complementary to a corresponding coupling element 44b of the free end of each surgical simulation tool 36
  • connection system 35 comprises at least one locking connector 35a of the key-lock type configured to be fixed to the haptic controller 18 and to any surgical training tool 36 so as to ensure their removable connection (see figures 3, 9A and 9B).
  • the coupling elements 44a, 44b of the connector 35a and the free end of each surgical simulation tool 36 are configured to cooperate coaxially by aligning the axes Ai and A2, so that the connection 35 between the haptic controller 18 and each surgical simulation tool 36 is done axially.
  • each movement of the surgical simulation tool 36 induces a corresponding movement of the mobile haptic controller 18.
  • the connectors 35a, 35b also allow transmission of rotation along the axis of the end of the haptic controller 18 to the drive module 16.
  • the at least one connector 35a is configured to cooperate with the free end of the surgical simulation tool 36.
  • the connection system 35 comprises two connectors 35a, 35b, in particular two connectors 35a, 35b with locking 35a, 35b of the key-lock type: a first connector 35a attached to the haptic controller 18 and configured to cooperate removably with a corresponding second connector 35b attached to the surgical training tool 36.
  • the two connectors 35a, 35b can both be attached reversibly, either to the haptic controller 18, or to the surgical training tool 36.
  • the two connectors 35a, 35b are obtained by 3D printing, either by layer deposition, or by sintering.
  • Figure 9A represents the first connector 35a (here the lock) of the haptic controller 18 and Figure 9B represents the second connector 35b (here the key) intended to cooperate with the surgical training tool 36.
  • Fixing the first connector 35a on the haptic controller 18 can be done in several ways. In the case of illustration 9 A, a jack interface already present originally on the haptic controller 18 was used to fix it. In other embodiments, one could consider sticking the first connector 35a or adapting to another haptic controller 18 by creating a form of interface specific to the latter.
  • the second connector 35b is preferably fixed by gluing to the surgical training tool 36. This mainly involves bonding at the distal stem of the surgical driving tool 36.
  • the 3D model of the second connector 35b is adapted by providing, on the face not visible in FIG. 9B, a drilling corresponding to the end of the distal rod 360 of the surgical driving tool 36. Then the distal rod is glued into the second connector 35b by means, for example, of epoxy.
  • This manufacturing process is not the only one that is implemented. According to alternative embodiments, one could also imagine 3D printing a reproduction of a surgical training tool 36 whose model would contain the second connector 35b.
  • connection 35, of the lock key type by alignment of the axes Ai and A2 ensures a collinearity constraint along the axis the surgical training tool 36 and the haptic controller 18) are therefore completely constrained in all directions.
  • the connection system 35 may comprise, on each side of the “key-lock” system, at least one magnet 38 (see figure 9A, 9B).
  • the magnets 38 used are cubic magnets having a magnetization force of 1.1 kg.
  • the magnets 38 used are neodymium magnets (cubic).
  • ring magnets 38 are used. These allow a stainless steel rod to pass inside themselves and avoid any impact of shear forces, increasing the stability of the connection 35. This value allows both solidity of the attachment but also easy disconnection of the surgical training tool 36, with the desired aim of creating a “plug and play” interface.
  • the magnets 38 provide a contact constraint between the two connectors 35a, 35b.
  • connection 35 may further comprise a screw configured to cooperate along an axis normal to the axes Ai and A2 once aligned, so as to be normal to the pivot of the haptic controller 18 (see Figure 13).
  • connection 35 may be keyed to prevent rotation of the coupling elements 44a, 44b relative to each other. This ensures a firm link between connection 35 and haptic controller 18.
  • the coupling elements 44a, 44b of the connector 35a and the free end of each surgical simulation tool 36 include a combination of a hole intended to cooperate with a protruding rod in the tool to avoid any force effect shear which would lead to untimely disconnection of the coupling elements 44a, 44b
  • the two connectors 35a, 35b are thus completely constrained in all directions, except the direction collinear with the axis A2 of the end of the haptic controller 18.
  • the magnetization makes it possible to constrain/maintain the connection 35 also in this axial direction according to Ai and A2.
  • the breaking force of this constraint (and therefore breaking the “key-lock” connection 35) is weaker along the axis A1-A2 because the force of the magnets 38 is not very great.
  • the result obtained is therefore that the two connectors 35a, 35b separate by pulling on the surgical driving tool 36 with greater force than is necessary to cause the movement of the haptic controller 18.
  • magnets 38 facilitates the connection and disconnection between the surgical training tool and the haptic controller 18.
  • the magnets 38 allow a simple connection/disconnection gesture (“plug and play” type) without screws or slides: the user approaches the surgical training tool 36 of the haptic controller 18 and the latter connects alone by the action of the magnets 38.
  • the key-lock type connection system 35 has three distinct and complementary functionalities:
  • connection system 35 thus has an electronic component.
  • Each of the connectors 35a, 35b thus comprises a slot, a groove or a hollow 37 intended for the insertion of an electrical connector (not shown in Figures 9A, 9B).
  • this electrical connector is a JST electrical connector having pins, retractable or not, but other types of connectors electric can be used.
  • the male part of the electrical connector is inserted into the slot 37 of the first connector 35a fixed to the end of the haptic controller arm 18.
  • the female part of the electrical connector is inserted into the slot 37 of the second connector 35b of the surgical driving tool 36.
  • FIG. 12-13 it is a spring-loaded “pogo pin” placed in a circular manner around the alignment axes Ai and A2.
  • the coupling elements 44a, 44b of the connector 35a and the free end of each surgical simulation tool 36 are aligned using a key (for example a protuberance on the lock and light/holes on the key of the 'tool).
  • a keyed connection 35 allows alignment of the electrical pins and prevents unintentional contact between non-compatible pins.
  • Certain embodiments integrate a spring because the use of spring-loaded pins makes perfect contact between all the pins and allows almost zero friction.
  • the use of 38 magnets ensures powerful contact between all pins.
  • a cable 39 connects the pins of the electrical connector to the control system 20.
  • this cable 39 is connected to the control module 16.
  • the cable 39 can be disconnected from the control module 16, as visible in Figure 12. This connection between the cable 39 and the control module 16 is preferably made by means of “plug and play” or “snap fit” magnetic connectors.
  • connection system 35 Another advantage of the connection system 35 according to the present invention is the simplicity with which it is possible to change the surgical simulation tool 36 to the haptic controller 18. It is necessary that this change be simple and rapid so as not to clutter learning complex manipulations. It is therefore necessary to provide a “plug and play” device, as the present invention does.
  • Each haptic controller 18 is, moreover, configured to measure each movement in the space of the surgical training tool 36 once it is connected to the haptic controller 18.
  • Each haptic controller 18 is thus provided with at least one translation or external rotation sensor 19 fixed on the different movable elements of the haptic controller 18 (see Figure 1), so as to sense the position and the three-dimensional orientation of any object connected to the haptic controller 18 of the drive module 16.
  • complex surgical training tools 36 presenting a resting state and at least one activation state, such as pressing a trigger or rotating the an element and comprising an on-board electronic card.
  • the haptic controller 18 makes it possible to measure the external movements (movements in space) of each connected surgical simulation tool 36.
  • connection system 35 can also play one or more roles other than the identification of the surgical training tool 36 connected to a haptic controller 18:
  • the complex surgical simulation tools 36 have a microcontroller capable of communicating directly with the control system 20, and this means of communication is therefore preferred.
  • the connection to the haptic controller 18 through the connection system 35 is especially useful physically and mechanically.
  • the advantage that this connection system 35 presents for complex tools is that, by connecting the tool, it is possible to detect whether the tool is plugged in or not.
  • connection system 35 allows the passage of electric current between the haptic controller 18 or the control system 20 directly and the surgical simulation tool 36 connected, so as to supply it with current.
  • the haptic controller 18 is bypassed (with respect to the power supply) and the power supply does not pass through it.
  • the platform 10 makes it possible to connect several drive modules 16 to each other, to the calibration module 14 and to the control system 20, the platform 10 thus makes it possible to determine the positioning in space of several surgical training tools 36 connected to the different haptic controllers 18. If the control console 26 comprises several training modules 16, the platform 10 allows the determination of the positioning of several surgical training tools 36 simultaneously, as soon as these are connected to a haptic controller 18.
  • the control system 20 of the platform 10 further comprises a recognition system 40 of each surgical simulation tool 36. More precisely, the recognition system 40 of the control system 20 is configured to obtain a specific identification information of each surgical simulation tool 36 connected to the haptic controller 18. The recognition system 40 is configured to communicate the identification information to the control system 20 so that the control system 20 recognizes each surgical simulation tool 36 connected to the haptic controller 18.
  • the recognition system 40 of the surgical training tool 36 is thus configured to:
  • the recognition system 40 of the surgical training tool 36 is thus configured to read an electronic identification chip located inside the surgical simulation tool 36, in especially so-called simple tools.
  • each surgical simulation tool 36 which is connected to the haptic controller 18 to enable the control system 20 to generate, where appropriate, a mobile virtual surgical element 102 corresponding in the virtual space 100. In all cases, it is necessary to have an identification so that the control system 20 can adapt the haptic response to the tool used.
  • the platform 10 uses a wireless connection and/or an electrical connection to identify the connected surgical tool (see Figure 3).
  • the recognition system 40 comprises a microcontroller 42 preferably located in the base 30 of the drive module 16, as visible in FIG. 7.
  • the microcontroller 42 is connected to the surgical simulation tool 36 by means of the connection system 35, by the cable 39.
  • the recognition system 40 in the case of a simple surgical training tool further comprises, at the level of the connection system 35 between the tool 36 and the haptic controller 18, an electronic device such as a voltage divider bridge in order to allow recognition of the tool 36.
  • the recognition system 40 of the control system 20 recovers and analyzes the information from the microcontroller of the complex surgical training tool 36. In this case, wireless communication is sufficient for identification.
  • the control system 20 of the platform 10 is configured to: o identify the different modules 14, 16, 28 connected to each other, o receive and analyze the data linked to the movement(s) of each surgical tool of drive 36 connected to a haptic controller 18, o generate the virtual environment 100, o interface, where appropriate, each mobile virtual surgical element 102 of the virtual environment 100 with a corresponding real element, o generate specific haptic feedback in relationship with the connected tool, the movements of the user (therefore of the haptic controller 18) and virtual reality 100.
  • the control system 20 thus generates, for the tools requiring it, a virtual image of each surgical simulation tool 36 connected to the haptic controller 18.
  • the virtual environment 100 also includes decorative elements 106 that cannot be moved and/or cannot be manipulated. It can for example be an endoscopy screen 108 or a lamp which can be manipulated virtually by the users with, for example, a click on a button to turn them on. These decorative elements 106 do not have corresponding real elements.
  • control system 20 Based on the information received from the recognition system 40 and the information collected at the haptic controller 18, the control system 20 is configured to transform/reproduce each movement in the space of each surgical simulation tool 36 connected to a haptic controller 18 of the control console 26 in a virtual movement corresponding to its virtual image 102 in the virtual environment 100.
  • control system 20 comprises: - line measurement unit (or microcontroller 42) configured to: o identify the tools 36 and/or the connected modules 14, 16, o collect the specific movement data (or internal movements) of the connected surgical training tool 36 ,
  • a central unit configured to: o generate the virtual environment 100, o receive and analyze the data linked to the movement(s) of each connected surgical simulation tool 36, o interface each virtual surgical tool 102 of the environment virtual 100 with a corresponding real element.
  • the measurement unit (or microcontroller 42) is part of the drive module 16.
  • the control system 20 is further configured, as mentioned above, to generate a feedback signal (or haptic signal) allowing the haptic controller 18 to in turn generate a corresponding haptic signal, depending on what is happening. passes into the virtual environment 100.
  • the control system 20 causes the haptic controller 18 to generate specific haptic feedback when virtual tool 102 corresponding to the surgical training tool 36 manipulated by the user comes into contact with a another virtual tool 102 or another virtual element such as a decor element 106, of the virtual environment 100. This makes it possible to accentuate the immersive aspect of the simulation and to give an increased sense of reality; the interactions visible in the virtual environment 100 are also felt by the user.
  • haptic signal is understood as a signal actively generated by the platform 10 according to the present invention. It is to be differentiated from the notion of “tactile feedback” which is a simple passive feedback, automatically generated by the human body in reaction to the manipulation of animate or inanimate objects.
  • Some of the complex surgical simulation tools 36 include a rotating distal rod 360. These tools 36 thus have a wheel allowing the rotation of the distal rod 360 and therefore of their axis.
  • this distal rod 360 is connected to the connection system 35, it is then impossible for the control system 20 to measure/determine both the position in space of the surgical simulation tool 36 and the specific rotation of the distal rod 360: it is in fact necessary to transmit the general rotation of the surgical simulation tool 36 relative to the axis of the haptic controller 18 so that its virtual twin (virtual tool 102) can be oriented similarly in the virtual environment 100 without losing the specific rotation of the distal rod 360 induced by the operation of the surgical simulation tool 36.
  • virtual twin virtual tool 102
  • connection system 35 presents a particular embodiment with an arch part 45.
  • the arch part 45 as shown in Figure 10, allows the free rotation of an orientation wheel of rod on the surgical driving tool 36 without losing the information on the orientation of the tool 36 itself.
  • the arch piece 45 is fixed on the grippable body of the tool 36 on the one hand and on the distal rod 360 secured to the second connector 35b on the other hand.
  • the distal rod 360 is cut so that the part under the arch piece 45 can be freely rotated without affecting the rotation at the key lock mechanism of the connection system 35, at the end of the haptic controller 18.
  • the arch part 45 is preferably printed using a 3D printer by layer deposition, but any other plastic manufacturing process can be used such as, for example, laser sintering.
  • the arch part 45 is preferably designed in two parts so that it can easily be dismantled, the two parts are assembled by means of screws.
  • each drive module 16 is thus a central element located at the convergence of the different elements of the platform 10 according to the present invention.
  • Each drive module 16 is organized, as already mentioned, around a base 30 which allows the different elements to be fixed: the microcontroller 42 and its connection cable 39 to a connection system 35 intended to connect the surgical training tool 36 to the control system 20,
  • haptic controller 18 comprising a robot for acquiring three-dimensional movement by polar reference, magnets 34, 38, and, optionally
  • one or more electrical connectors for example retractable pin connectors as seen above.

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Abstract

Plateforme d'entraînement chirurgical (10) configurée pour interfacer un contrôleur haptique (18) avec un outil de simulation chirurgicale (36).

Description

CONNEXION PLUG’N PLAY
DOMAINE DE L’INVENTION
[0001] La présente invention concerne un système de connexion d’un outil de simulation chirurgicale à un contrôleur haptique dans le une plate-forme de formation chirurgicale. La présente invention se situe donc dans le domaine des outils, méthodes et matériels d’éducation et d’enseignement. Plus particulièrement, l’invention concerne un système de connexion pour un kit d’entrainement à un acte chirurgical, destiné à la formation des chirurgiens.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0002] À ce jour, la plupart des formations chirurgicales sont réalisées en conditions réelles, sur des patients, par le biais d'un compagnonnage chirurgical. Cette méthode nécessite des ressources humaines importantes, présente des contraintes matérielles élevées et peut générer un stress important pour l'étudiant qui peut entraîner des difficultés de concentration et/ou de mémorisation.
[0003] Des alternatives existent, comme par exemple le Pelvitrainer EoSim SurgTrac® ou certaines sessions sur animaux. Cependant, ces formations/méthodes ne sont accessibles qu'à un petit nombre d'internes en chirurgie et présentent un certain nombre de limites évidentes : le Pelvitrainer est une simple boîte dans laquelle on insère des trocarts et une caméra avec la possibilité de pratiquer des sutures sur des matériaux inertes comme de la mousse. Le modèle animal présente des problèmes évidents en termes de qualité de formation car les similarités/corrélations anatomiques avec l'homme sont limitées. Le modèle animal pose également des problèmes éthiques.
[0004] Le but de la présente invention est donc de fournir un dispositif d'entraînement sûr, pratique, précis, réaliste, facile à utiliser et facilement disponible, permettant de donner à tout étudiant en chirurgie une chance de s'entraîner dans un environnement sûr sans aucun risque de se blesser, de blesser un patient ou un animal. L’utilisateur doit, en outre, pouvoir facilement connecter un outil de simulation chirurgicale à la plateforme et pourvoir manipuler ce dernier sans craindre de l’arracher lors de la simulation. Également, l’utilisateur doit pouvoir changer les outils compatibles avec la simulation à sa guise, sans gêne, et de manière fluide.
RÉSUMÉ
[0005] Cette invention concerne donc une plateforme d’entraînement chirurgical configurée pour interfacer un contrôleur haptique avec un outil de simulation chirurgicale comprenant :
- un système de contrôle,
- au moins un outil de simulation chirurgicale présentant au moins une extrémité libre s’étendant selon un premier axe Ai, au moins un contrôleur haptique comportant un système de connexion configuré pour connecter mécaniquement et électriquement, de manière réversible, l’au moins un outil de simulation chirurgicale, le système de contrôle incluant en outre un système de reconnaissance de chaque outil de simulation chirurgicale configuré pour obtenir une information d’identification spécifique à l’outil de simulation chirurgicale connecté au contrôleur haptique, et communiquer l’information d’identification au système de contrôle de manière à ce que le système de contrôle reconnaisse chaque outil de simulation chirurgicale connecté au contrôleur haptique.
L’invention se caractérise en ce que le système de connexion comprend au moins un connecteur s’étendant selon un deuxième axe A2, l’au-moins un connecteur comprenant un premier élément de couplage complémentaire d’un élément de couplage correspondant de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale, les éléments de couplages du connecteur et de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale sont configurés pour coopérer de manière co-axiale par alignement des axes Ai et A2, de manière à ce que la connexion entre le contrôleur haptique et chaque outil de simulation chirurgicale se fasse de manière axiale, une fois connectés l’un à l’autre, chaque déplacement de l’outil de simulation chirurgicale induit un mouvement correspondant du contrôleur haptique mobile. [0006] Ainsi, la solution permet d'atteindre l'objectif précité. En particulier, la plateforme selon la présente invention permet une connexion mécanique et électrique robuste entre l’outil et le contrôleur haptique, tout en permettant à l’utilisateur de changer d’outil sans sortir de sa simulation.
[0007] La plateforme selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément les unes des autres ou combinées entre elles :
- le système de connexion du contrôleur haptique permet de connecter au moins deux outils de simulation chirurgicale différents, l’au moins un connecteur est configuré pour coopérer avec l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale,
- l’au moins un connecteur est un connecteur à verrouillage de type clé- serrure configuré pour coopérer avec l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale,
- la connexion entre le contrôleur haptique et l’extrémité libre de l’au moins un outil de simulation chirurgicale assure une contrainte de colinéarité selon le premier axe Ai de l’au-moins un connecteur, le système de connexion comprend un premier connecteur fixé au contrôleur haptique et un deuxième connecteur fixé à l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale, les deux connecteurs étant configurés pour coopérer entre eux, le contrôleur haptique comprend un bras mobile, le bras mobile présentant une extrémité libre destinée à coopérer avec le système de connexion,
- le système de connexion permet le passage de courant électrique entre le contrôleur haptique et l’outil de simulation chirurgicale connecté, de manière à alimenter l’outil de simulation chirurgicale en courant, le système de connexion permet le passage de courant électrique entre le système de contrôle et l’outil de simulation chirurgicale connecté, de manière à alimenter l’outil de simulation chirurgicale en courant, chaque connecteur comprend un aimant de manière à ce que la connexion soit aimantée. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0008] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'illustration, d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins annexés :
La figure 1 est une vue globale en perspective d'une plate-forme démontée selon la présente invention,
- La figure 2 est une vue globale en perspective d’une plateforme démontée selon la présente invention, représentée avec deux outils chirurgicaux d’entraînement différents chacun pouvant être connecté à la plateforme,
La figure 3 est une vue similaire à la figure 2 sous un angle différent,
La figure 4 A est une vue en perspective d’une plateforme d’entraînement montée selon l’invention, connectée à un outil chirurgical d’entraînement, comportant un seul module d’entraînement,
La figure 4B est une vue en perspective d’une plateforme d’entraînement montée selon l’invention, comportant deux modules d’entraînement, connectée à deux d’entraînement chirurgical,
- La figure 5 est une vue en perspective d’un kit selon la présente invention, manipulé par un utilisateur selon un premier mode de réalisation,
- La figure 6 est une vue en perspective d’un kit selon la présente invention, manipulé par un utilisateur selon un deuxième mode de réalisation,
La figure 7 est une vue explosée d’un module de contrôle,
- La figures 8A est une vue en perspective d’un élément de calibration associé au dispositif d’affichage selon l’invention,
La figure 8B est une vue en perspective du module de calibration,
La figure 9A est une vue en perspective d’un connecteur de contrôleur haptique selon l’invention,
- La figure 9B est une vue en perspective d’un connecteur d’outil chirurgical d’entraînement selon l’invention,
- La figure 10 est une vue en perspective d’un outil d’entrainement chirurgical, La figure 11 est une vue en perspective d’un exemple d’environnement virtuel selon l’invention
- Les figures 12 et 13 sont des vues en détail d’une connexion entre un outil de simulation chirurgicale et la plateforme selon deux modes de réalisation différents,
La figure 14 est une vue en perspective d’un contrôleur haptique selon l’invention, avec toutes les articulations.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Description d’un exemple de plateforme de simulation chirurgicale
[0009] Dans un souci de clarté, un exemple de plateforme de simulation chirurgicale est détaillé ci-après, afin de placer la connexion selon la présente invention, dans un contexte technique.
[0010] [Comme visible sur les figures 5 et 6, la présente invention concerne une plateforme d’entraînement chirurgical (par exemple modulaire) 10 configurée pour interfacer un environnement virtuel 100 comprenant au moins un élément chirurgical virtuel mobile 102 (voir figure 11). Cet environnement virtuel comprend également un patient virtuel 104 et différents éléments de décors 106. Ainsi, un utilisateur manipulant la plateforme modulaire 10 interagit avec l’environnement virtuel 100 dans lequel toutes sortes d’opérations chirurgicales sont possibles.
[0011] Comme visible sur la figure 1, la plateforme modulaire 10 selon la présente invention comprend :
- un dispositif d’affichage de réalité virtuelle 12 configuré pour montrer/afficher, à l’utilisateur, l’environnement virtuel 100,
- un module de calibration 14 connecté au dispositif d’affichage virtuel 12, au moins un module d’entraînement 16, chaque module d’entraînement comportant un contrôleur haptique 18, éventuellement un autre module facultatif (non représenté) pouvant assurer une fonction annexe lors de la simulation,
- un système de contrôle 20. [0012] Dans le cadre de la présente invention, le dispositif d’affichage 12 fait le lien entre les différents modules d’entraînement 16 et l’environnement virtuel 100. Par souci de simplification, il ne sera considéré que deux types de modules dans cette description : les modules d’entraînement 16 et de calibration 14. Toutefois, tout se traspose à d’autres modules fonctionnels. Dans cet exemple simplifié, le(s) module(s) d’entraînement 16 est/sont le(s) seul(s) élément(s) manipulé(s) par l’utilisateur et le rendu de ces manipulations n’est visible que dans l’environnement virtuel 100. Chaque module d’entraînement est une entité autonome comportant plusieurs pièces en plastique assemblées entre elles. Ces pièces peuvent être imprimées en 3D. L’ensemble de ces pièces sera décrit au fur et à mesure de la présente description. Ainsi, chaque élément chirurgical virtuel mobile 102 et chaque mouvement virtuel de chacun de ces éléments chirurgicaux virtuels mobiles 102 présents dans l’environnement virtuel 100 est rendu visible à l’utilisateur par le dispositif d’affichage 12.
[0013] Plus particulièrement, le dispositif d’affichage 12 (visible en figures 5 et 6) peut être un élément fixe dans l’espace (tel un écran) ou un élément mobile dans l’espace, par exemple, configuré pour être porté par l’utilisateur pendant l’opération de chirurgie. Le dispositif d’affichage 12 peut comporter plusieurs afficheurs, permettant à plusieurs utilisateurs de visualiser l’environnement virtuel 100. Les différents afficheurs peuvent être mobiles ou fixes. Plus précisément, comme visible sur les figures 5 et 6, le système d’affichage 12 peut être un écran posé sur une surface à proximité ou à distance des différents modules 14, 16. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif d’affichage 12 peut être un casque de réalité virtuelle, ajustable à l'utilisateur et pouvant fournir un retour audio. Plus particulièrement, il peut s’agir d'un casque HP reverb® possédant deux écrans d'une résolution de 2160x2160 pixels. Chaque écran a une fréquence d'affichage de 90 Hz. Le dispositif d’affichage 12 est relié au système de contrôle 20 de préférence par un câble (par exemple un câble displayport ou hdmî).
[0014] De manière connue en soi, le dispositif d’affichage 12 est associé à un outil de calibration mobile 22 (voir figure 8B). L’outil de calibration mobile 22 peut prendre la forme d’une manette classique comme par exemple illustré en figure 8B mais il peut aussi prendre une forme différente. [0015] Le module de calibration 14 est une pièce indépendante représentée en figure 8 A. Comme visible sur la figure 8B, le module de calibration 14 comporte une empreinte 24 complémentaire de l’outil de calibration mobile 22. Ainsi, le module de calibration 14 permet de positionner l’outil de calibration mobile 22 associé au dispositif d’affichage 12 à une distance connue et fixe du module d’entraînement 16, en particulier du contrôleur haptique 18 de celui-ci (voir figure 4A). Le module de calibration 14 est de préférence en plastique. Il est préférentiellement imprimé en 3D. De même que pour les modules d’entraînement 16, le module de calibration 14 peut comporter des aimants, comme il sera expliqué en détail plus bas. Le module de calibration 14 peut également être muni d’un connecteur électrique permettant la connexion d’un circuit électronique d’identification du module de calibration 14 par le système de contrôle 20. On utilise pour cela le même dispositif comportant un pont diviseur de tension que celui utilisé pour le connecteur clé-serrure du contrôleur haptique 18, qui sera décrit un peu plus bas.
[0016] Le contrôleur haptique 18 permettant de connaître la position et l’orientation relative d’un objet qui y est rattaché (voir plus bas), on obtient alors la position et l’orientation de cet objet par rapport à l’outil de calibration mobile 22. Dans le cas où le dispositif d’affichage 12 est un dispositif mobile configuré pour être porté par l’utilisateur, le module de calibration 14 permet en outre de localiser l’utilisateur par rapport au module d’entraînement 16. En effet, la position de l’outil de calibration mobile 22 par rapport au dispositif d’affichage 12 étant connue, on peut alors connaître la position et l’orientation de l’objet connecté au contrôleur haptique 18 par rapport à l’utilisateur qui porte le dispositif d’affichage 12 (voir figures 5 et 6).
[0017] De même, les différents modules d’entraînement 16 connectés entre eux ou au module de calibration 14 peuvent être positionnés et localisés par le dispositif d’affichage 12, étant donné qu’une fois les différents modules 14, 16 connectés entre eux, ils sont tous à une distance fixe et connue du module de calibration 14 et donc de l’outil mobile de calibration 22 (voir figures 4A et 4B). La possible identification des différents modules 16 à travers un système électronique (voir plus bas) peut permettre de connaître cette distance de manière « plug and play ». Ainsi, l’outil de calibration mobile 22 associé au dispositif d’affichage 12 sert de référence de calibration pour chaque module d’entraînement, donc de chaque contrôleur haptique 18 et donc de chacun des éléments physiques manipulés par l’utilisateur de la plateforme 10.]
[0018] Dans la présente demande, la notion de « plug and play » décrit une action simple, n’impliquant qu’un nombre limité de gestes, de préférence un seul. Une connexion « plug and play » décrit ainsi une connexion qui se fait d’un seul geste.
[0019] Un choc (mouvement brusque de l’utilisateur ou une erreur de manipulation, par exemple) peut entraîner un déplacement intempestif du ou des modules(s) d’entraînement 16 et donc du module de calibration 14 qui y est connecté, par rapport au système d’affichage 12. Ceci peut mener à une rupture de calibration entre l’environnement virtuel 100 et la position de l’utilisateur. Ceci peut être évité par l’utilisation d’un système électronique comportant un accéléromètre permettant, d’une part, de détecter ce type de mouvements intempestifs et, d’autre part, d’adapter le positionnement numérique de l’environnement virtuel 100 à la nouvelle position du module de calibration 14 avec l’outil de calibration mobile 22.
[0020] Les différents modules d’entraînement 16 peuvent être connectés entre eux, de manière à former une console de pilotage 26 (voir figure 4B). La console de pilotage 26 comprend ainsi au moins un module d’entraînement 16 (voir figure 2). Plus particulièrement, l’ensemble des modules 14, 16 sont configurés pour être fixés les uns aux autres de manière réversible dans une configuration connue (voir figures 4 A et 4B). Ceci permet la modularité de la plateforme 10 selon l’invention.
[0021] Le(s) module(s) d’entraînement 16 formant la console de pilotage 26 peuvent être soit connectés directement les uns aux autres, soit connectés entre eux au moyen de modules d’espacement 28 (voir figures 4A et 4B). Les modules d’espacements 28 sont en plastique et sont préférentiellement réalisées par impression 3D, en dépôt de couche ou en frittage. Selon d’autres modes de réalisations, elles peuvent être fabriqué par moulage ou autre procédé ultérieurement. Les modules d’espacement 28 sont des pièces de connexion permettant de créer un espacement (donc un positionnement) connu entre les différents modules 14, 16 de la plateforme 10. [0022] Chaque module de calibration 14 ou d’entraînement 16 comprend à cet effet, une base 30 présentant une forme spécifique (voir figure 7). Les formes des différentes bases 30 des différents modules 14, 16 sont complémentaires les unes des autres, de manière à obtenir un emboîtement stable et adapté des différents modules 14, 16, 28 entre eux. L’aspect connu des bases 30 des différents modules 14, 16, 28 permet de déterminer facilement la position relative des modules 14, 16, 28 dans l’espace. De préférence, les modules de calibration 14 et d’entraînement 16 sont connectés entre eux au moyen des modules d’espacement 28 afin d’augmenter la stabilité de la console de pilotage et de la plateforme 10 dans son ensemble lorsque celle-ci est assemblée.
[0023] Selon le mode de réalisation représenté en figures 1, 2, 7 et 8A, la connexion physique des différents modules 14, 16, 28 entre eux se fait au moyen un système d’emboîtement magnétique permettant l’emboîtement facile de différents modules 14, 16, 28 entre eux. Plus précisément, chaque base 30 de chaque module 14, 16, 28 comporte au moins un aimant 32 destiné à coopérer avec un aimant 32 correspondant d’une base 30 d’un module 14, 16, 28 complémentaire, formant ainsi un point de connexion magnétique. Préférentiellement, les aimants 32 sont regroupés par trois à chaque point de connexion magnétique. Dans le cas de figure où les modules de la console de pilotage 26 et le module de calibration sont reliés entre eux par des modules d’espacement 28, la polarité des aimants 32 est choisie de sorte que les modules d’espacement 28 et les autres modules (modules de calibration 14 et modules d’entraînement 16) s’attirent. La présence d’un système d’emboîtement magnétique permet de stabiliser l’emboîtement entre les différents modules 14, 16, 28 et de limiter les désemboîtements intempestifs en cas de maladresse de l’utilisateur ou de secousse involontaire.
[0024] La connexion physique peut, en outre, inclure un connecteur électronique 34 permettant la communication électronique entre les différents modules 14, 16, 28 et le système de contrôle 20 (voir figures 1, 2, 7 et 8A).
[0025] Optionnellement, dans le cas où les modules de calibration 14 et les modules d’entraînement 16 sont reliés entre eux au moyen de modules d’espacement 28, chaque module d’espacement 28 peut accueillir au niveau de chaque point de connexion magnétique, en sus, un connecteur électronique 34 destiné à coopérer avec un connecteur électronique de la base 30 des modules de calibrations et/ou d’entraînement 16. La communication électronique entre les différents modules 14, 16, 28 est donc assurée, que les modules de calibration 14 et d’entraînement 16 soient reliés entre eux directement au moyen d’un module d’espacement 28.
[0026] Chaque connecteur électronique 34 peut être connecté à un câble pour relier le connecteur électronique du module connecté correspondant. Ces connecteurs électroniques 34 peuvent, par exemple, prendre la forme de connecteurs à pins sur ressort/pin rétractables. Dans certains modes de réalisation, chaque connecteur électronique 34 associé à un module d’entraînement 16 comporte par exemple, un pont diviseur de tension générant une tension spécifique à chaque module d’entraînement 16. Ceci permet d’identifier le module d’entraînement 16 par la lecture de la tension générée par le pont diviseur de tension. Dans d’autres modes de réalisation, le connecteur électronique 34 fait partie d’un circuit électronique plus complexe capable d'engager une communication numérique (par exemple répondant à la norme « UART »).
[0027] De nombreuses technologies permettant d’identifier des modules physiques à la connexion à l’aide de technologies électroniques existent, mais elles ne sont toutefois pas utilisées dans un cadre de réalité virtuelle pour l’éducation à la chirurgie.
[0028] En résumé, cette connexion électronique permet :
- l’identification des modules 14, 16 par le système de contrôle 20, et/ou
- la transmission des informations de déplacement du contrôleur haptique 18 (voir plus bas).
Description de la connexion avec l’outil de simulation chirurgicale
[0029] Le système de contrôle 20 comporte un microcontrôleur lui-même connecté électriquement, à travers les connecteurs 34 et potentiellement les modules d'espacements 28, aux modules de calibration 14 et d’entraînement 16. Cette connexion sera détaillée plus bas.
[0030] Dans un premier mode de réalisation/fonctionnement les différents modules de calibration 14 et/ou d’entraînement 16 intègrent un système diviseur de tension. Le microcontrôleur lit alors la tension et est capable d'identifier le(s) module(s) 14, 16 qui répond(ent) par cette tension. Dans un mode de réalisation/fonctionnement alternatif, les modules de calibration 14 et/ou d’entraînement 16 comportent chacun une carte électronique 42 permettant une communication numérique avec le microcontrôleur du module d’entraînement 16. Ils s'identifient et sont capables d'échanger des informations concernant une action de l'utilisateur mais aussi un retour vers l'utilisateur du système de contrôle 20 (on peut imaginer par exemple un module qui s'illumine en rouge si une erreur est faite dans la manipulation).
[0031] Comme mentionné ci-dessus et comme visible en figures 1, 2 et 3, chaque module d’entraînement 16 comporte un contrôleur haptique 18.
[0032] Comme visible sur les figures 2 et 3. Chaque contrôleur haptique 18 comporte un système de connexion 35 configuré pour connecter mécaniquement, de manière réversible, un outil chirurgical d’entraînement ou un outil de simulation chirurgicale 36.
[0033] Plus particulièrement, la plateforme d’entraînement chirurgical selon la présente invention est spécifiquement configurée pour interfacer le contrôleur haptique 18 avec au moins un outil de simulation chirurgical 36.
[0034] Pour rendre le dispositif d’apprentissage de chirurgie par réalité virtuelle proposé par la plateforme 10 selon la présente invention plus immersif et plus réaliste il est intéressant que l’utilisateur puisse manipuler des outils physiques pour contrôler la simulation qui s’affiche dans le système d’affichage 12. De manière bien connue en soi, plus ces outils physiques sont proches de l’outil chirurgical original, plus la simulation est immersive.
[0035] C’est pourquoi la présente invention fonctionne, en kit, avec une série d’outils de simulation chirurgicale 36 (voir figure 2). Le kit d'entraînement chirurgical ainsi formé (voir figures 5 et 6), comprend donc une plateforme modulaire 16 d'entraînement chirurgical dont un exemple est décrit dans la présente description et au moins un outil de simulation chirurgicale 36 configuré pour être connecté au contrôleur haptique 18 de ladite plateforme 10. Le kit selon la présente invention peut comporter trois types d’outils de simulation chirurgicale 36 : les outils représentés à l’utilisateur dans la réalité virtuelle 100 dit « simples », les outils représentés à l’utilisateur dans la réalité virtuellelOO dit « complexes », et
- les outils non représentés à l’utilisateur dans la réalité virtuelle 100.
[0036] Les outils de simulation chirurgicale 36 complexes sont des outils électronisés complexes qui intègrent un microcontrôleur capable de communiquer directement avec le système de contrôle 20.
[0037] Les outils chirurgicaux d’entraînement 36 représentés à l’utilisateur, simples ou complexes, sont des outils chirurgicaux modifiés ou des copies de ceux-ci. La simulation permise par la plateforme 10 selon la présente invention, fait ainsi correspondre tout ou partie des actions physiques auxquelles ces objets sont soumis avec des comportements des jumeaux virtuels dans l’environnement virtuel 100 affiché par le dispositif d’affichage 12 (voir figures 5 et 6). Les outils non représentés permettent de simuler des sensations par exemple pour une palpation d’organe(s) à l’intérieur d’un patient.
[0038] Chaque outil de simulation chirurgicale 36 présentant au moins une extrémité libre s’étendant selon un premier axe Ai.
[0039] Comme visible dans le mode de réalisation illustré en figures 2 et 3, le contrôleur haptique 18 de chaque module d'entraînement 16 comprend un robot à bras pivotant, le robot à bras pivotant présentant une extrémité libre destinée à coopérer avec le système de connexion 35.
[0040] Comme représenté en figure 14, le contrôleur haptique 18 est mobile selon au moins six degrés de liberté obtenus au moyen de divers coudes et pièces rotatives coopérant les uns avec les autres de manière à former des articulations Ji, J2, J3, J4, J5, Jé. Plus précisément, et comme visible sur la figure 6, les trois premières articulations (articulations distales) sont actionnables par l’utilisateur alors que les trois dernières articulations (articulations proximales) sont passives.
[0041] Afin de maximiser le réalisme de la simulation, l'outil de simulation chirurgicale 36, une fois connecté au contrôleur haptique 18, doit avoir sa pointe (ou son extrémité libre) positionnée là où le retour haptique se produirait dans la réalité, c’est-à-dire au point haptique du bras haptique. Ce point haptique est désigné comme « HIP » sur la figure 14. Le contrôleur haptique 18 simule les retours de force liés à la collision ou aux interactions dans le monde virtuel de la pointe (ou de l’extrémité) de l’outil de simulation chirurgicale 36 manipulé avec un élément de l’environnement virtuel 100. C’est le point sur lequel les interactions et collisions sont calculées pour pouvoir les simuler sans créer un décalage ou une incohérence haptique, inconfortables et perturbants, pour l’utilisateur. La prise en compte de ce point haptique HIP, permet de simuler la pénétration du corps d’un patient, par exemple par l’aiguille d’une seringue, en simulant la contrainte exercée par le corps du patient sur l’aiguille. Il est donc très important que l’outil de simulation chirurgicale 36 et le contrôleur haptique 18 soient connectés avec précision et robustesse.
[0042] Le système de connexion 35 du contrôleur haptique 18 est universel, dans le sens où il permet de connecter au moins deux outils chirurgicaux d’entraînement 36 différents (voir figure 2).
[0043] Le système de connexion 35 comprend au moins un connecteur 35a s’étendant selon un deuxième axe A2. Ce connecteur 35a comprend un premier élément de couplage 44a complémentaire d’un élément de couplage correspondant 44b de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale 36
[0044] Plus précisément le système de connexion 35 comprend au moins un connecteur à verrouillage 35a de type clé-serrure configuré pour être fixé au contrôleur haptique 18 et à tout outil chirurgical d’entraînement 36 de manière à assurer leur connexion amovible (voir figures 3, 9A et 9B).
[0045] Les éléments de couplages 44a, 44b du connecteur 35a et de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale 36 sont configurés pour coopérer de manière coaxiale par alignement des axes Ai et A2, de manière à ce que la connexion 35 entre le contrôleur haptique 18 et chaque outil de simulation chirurgicale 36 se fasse de manière axiale.
[0046] Une fois connectés l’un à l’autre, chaque déplacement de l’outil de simulation chirurgicale 36 induit un mouvement correspondant du contrôleur haptique mobile 18. Ainsi, les connecteurs 35a, 35b permettent aussi une transmission de la rotation selon l’axe de l’extrémité du contrôleur haptique 18 vers le module d’entraînement 16.
[0047] Dans un mode de réalisation représenté en figure 13, l’au moins un connecteur 35a est configuré pour coopérer avec l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale 36.
[0048] Sur le mode de réalisation représenté sur les figures 3, 4 A et 4B le système de connexion 35 comprend deux connecteurs 35a, 35b, en particulier deux connecteurs 35a, 35b à verrouillage 35a, 35b de type clé-serrure : un premier connecteur 35a fixé au contrôleur haptique 18 et configuré pour coopérer de manière amovible avec un second connecteur 35b correspondant fixé à l'outil chirurgical d’entraînement 36. Les deux connecteurs 35a, 35b peuvent tous deux être fixés de manière réversible, soit au contrôleur haptique 18, soit à l’outil chirurgical d’entraînement 36. Les deux connecteurs 35a, 35b, sont obtenus par impression 3D, soit par dépôt de couche, soit par frittage Sur l'exemple des figures 9A et 9B, la figure 9A représente le premier connecteur 35a (ici la serrure) du contrôleur haptique 18 et la figure 9B représente le deuxième connecteur 35b (ici la clé) destiné à coopérer avec l’outil chirurgical d’entraînement 36. La fixation du premier connecteur 35a sur le contrôleur haptique 18 peut se faire de plusieurs manières. Dans le cas de l’illustration 9 A, une interface jack déjà présente originellement sur le contrôleur haptique 18 a été utilisée pour le fixer. Dans d’autres modes de réalisations, on pourrait envisager de coller le premier connecteur 35a où de s’adapter à un autre contrôleur haptique 18 en créant une forme d’interface spécifique à ce dernier. La fixation du deuxième connecteur 35b à l’outil chirurgical d’entraînement 36 se fait préférentiellement par collage. Il s’agit principalement de collage au niveau de la tige distale de l’outil chirurgical d’entraînement 36. On adapte le modèle 3D du deuxième connecteur 35b en ménageant, sur la face non visible sur la figure 9B, un perçage correspondant à l’extrémité de la tige distale 360 de l’outil chirurgical d’entraînement 36. Puis la tige distale est collée dans le deuxième connecteur 35b au moyen, par exemple, d’époxy. Ce procédé de fabrication n’est pas le seul qui est mis en œuvre. Selon des modes de réalisations alternatifs, on pourrait aussi imaginer imprimer en 3D une reproduction d’un outil chirurgical d’entraînement 36 dont le modèle contiendrait le deuxième connecteur 35b.
[0049] La connexion 35, de type clé serrure par alignement des axes Ai et A2 assure une contrainte de colinéarité selon l'axe X du connecteur 35a de l’extrémité libre du contrôleur haptique 18. Les deux connecteurs 35a, 35b (et donc l’outil chirurgical d’entraînement 36 et le contrôleur haptique 18) sont donc complètements contraints selon toutes les directions.
[0050] Afin de stabiliser la connexion réversible entre le contrôleur haptique 18 et l’outil chirurgical d’entraînement 36, le système de connexion 35 peut comporter, de chaque côté du système « clé-serrure » au moins un aimant 38 (voir figure 9A, 9B). De préférence, les aimants 38 utilisés, sont des aimants cubiques présentant une force d’aimantation de 1,1kg. De préférence, les aimants 38 utilisés sont des aimants en néodyme (cubiques). Dans un mode de réalisation alternatif, on utilise des aimants 38 annulaires. Ceux-ci permettent de faire passer une tige en inox à l’intérieur d’eux même et d’éviter tout impact de forces de cisaillement, augmentant la stabilité de la connexion 35. Cette valeur permet à la fois une solidité de l’accrochage mais aussi une déconnexion facile de l’outil chirurgical d’entraînement 36, dans l’optique souhaité de créer une interface « plug and play ». En effet, les aimants 38 assurent une contrainte de contact entre les deux connecteurs 35a, 35b.
[0051] La connexion 35 peut en outre comprendre une vis configurée pour coopérer selon un axe normal aux axes Ai et A2 une fois alignés, de manière à être normale au pivot du contrôleur haptique 18 (voir figure 13). Dans un mode de réalisation alternatif, la connexion 35 peut être clavetée pour éviter la rotation des éléments de couplage 44a, 44b les uns par rapport aux autres. Ceci permet d’assurer un lien ferme entre la connexion 35 et le contrôleur haptique 18.
[0052] Toujours dans un souci de renforcement de la connexion 35, dans certains modes de réalisation, les éléments de couplages 44a, 44b du connecteur 35a et de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale 36 incluent une combinaison d’un trou destiné à coopérer avec une tige protubérante dans l’outil pour éviter tout effet de forces de cisaillement qui mènerait à une déconnexion intempestive des éléments de couplage 44a, 44b
[0053] Les deux connecteurs 35a, 35b sont ainsi complètements contraints selon toutes les directions, sauf la direction colinéaire à l’axe A2 de l’extrémité du contrôleur haptique 18. L’aimantation permet de contraindre/maintenir la connexion 35 également dans cette direction axiale selon Ai et A2. Toutefois, la force de rupture de cette contrainte (et donc de rupture de la connexion 35 « clé-serrure ») est plus faible selon l'axe A1-A2 car la force des aimants 38 n'est pas très grande. Le résultat obtenu est donc que les deux connecteurs 35a, 35b se séparent en tirant sur l'outil chirurgical d’entraînement 36 de manière plus forte que ce qu'il faut pour entrainer le mouvement du contrôleur haptique 18. Ainsi, il faut donc maintenir le contrôleur haptique 18 pour parvenir à déconnecter l’outil chirurgical d’entraînement 36. La présence d’aimants 38 facilite la connexion et la déconnexion entre l’outil chirurgical d’entraînement et le contrôleur haptique 18. En effet, les aimants 38 permettent un geste de connexion/déconnexion simple (de type « plug and play ») sans vis ou glissière : l’utilisateur approche l’outil chirurgical d’entraînement 36 du contrôleur haptique 18 et celui-ci se connecte seul par l'action des aimants 38.
[0054] Le système de connexion 35 de type clé-serrure selon la présente invention dispose de trois fonctionnalités distinctes et complémentaires :
- il permet un accrochage facile et «plug and play » de l’outil chirurgical d’entraînement 36 à l’aide d’aimants 38, il permet de transmettre le mouvement en rotation selon un axe central au contrôleur haptique 18,
- il permet, dans certains cas, de connecter électriquement un outil chirurgical d’entraînement 36 module d’entraînement 16.
[0055] Le système de connexion 35 présente ainsi une composante électronique. Chacun des connecteurs 35 a, 35b comporte ainsi une lumière, une gorge ou un creux 37 destiné à l’insertion d’un connecteur électrique (non représenté sur les figures 9A, 9B). Dans un mode de réalisation préférentiel, ce connecteur électrique est un connecteur électrique JST présentant des pins, rétractables ou non, mais d’autres types de connecteurs électriques peuvent être utilisés. De manière préférentielle, la partie mâle du connecteur électrique est insérée dans la lumière 37 du premier connecteur 35a fixé à l’extrémité du bras contrôleur haptique 18. Dans ce mode de réalisation, la partie femelle du connecteur électrique est insérée dans la lumière 37 du deuxième connecteur 35b de l’outil chirurgical d’entraînement 36. Dans un autre mode réalisation (figure 12-13), il s’agit de « pogo pin » sur ressort placés de manière circulaire autour des axes d’alignement Ai et A2. Les éléments de couplages 44a, 44b du connecteur 35a et de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale 36 sont alignés à l’aide d’un détrompeur (par exemple une protubérance sur la serrure et lumière/trous sur la clef de l’outil). Une connexion 35 clavetée permet l'alignement des pins électrique et empêche un contact involontaire entre des pins non compatibles. Certains modes de réalisation intègrent un ressort car l’utilisation de pins sur ressort rend le contact parfait entre tous les pins et permet un frottement quasi nul. L’utilisation des aimants 38 assure un contact puissant entre tous les pins.
[0056] Comme visible sur les figures 2 et 3, un câble 39 relie les pins du connecteur électrique au système de contrôle 20. De préférence, ce câble 39 est connecté au module de contrôle 16. Selon un mode de réalisation préférentiel, le câble 39 peut être déconnecté du module de contrôle 16, comme visible sur la figure 12. Cette connexion entre le câble 39 et le module de contrôle 16 se fait préférentiellement au moyen d’une connectique magnétique « plug and play » ou « snap fit ».
[0057] Un autre avantage du système de connexion 35 selon la présente invention est la simplicité avec laquelle il est possible de changer l’outil de simulation chirurgicale 36 au contrôleur haptique 18. Il est nécessaire que ce changement simple et rapide pour ne pas encombrer l’apprentissage de manipulations complexes. Il est donc nécessaire de proposer un dispositif « plug and play », comme le fait la présente invention.
[0058] Chaque contrôleur haptique 18 est, en outre, configuré pour mesurer chaque mouvement dans l’espace de l’outil chirurgical d’entraînement 36 une fois celui-ci connecté au contrôleur haptique 18. Chaque contrôleur haptique 18 est ainsi muni d’au moins un capteur de translation ou de rotation externe 19 fixé sur les différents éléments mobiles du contrôleur haptique 18 (voir figure 1), de manière à capter la position et l’orientation tri-dimensionnelle de tout objet connecté au contrôleur haptique 18 du module d’entraînement 16.
[0059] Deux catégories de mise en mouvement sont distinguables :
- ceux que 1 ’ on pourrait qualifier d’ externes, communs à tous les outils chirurgicaux d’entraînement 36, et qui correspondent à la position et à l’orientation tridimensionnelle de l’outil chirurgical d’entraînement dans l’espace, et
- ceux que l’on pourrait qualifier d’internes, spécifique à certains outils chirurgicaux d’entraînement 36 dits complexes, présentant un état en repos et au moins un état d’activation, tel que l’enfoncement une gâchette ou la rotation d’un élément et comportant une carte électronique embarquée.
[0060] Ces catégories correspondent aux trois types d’outils de simulation chirurgicale 36 compris dans le kit d’entraînement chirurgical selon la présente invention.
[0061] Le contrôleur haptique 18 selon la présente invention permet de mesurer les mouvements externes (mouvements dans l’espace) de chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté.
[0062] Dans le cas des outils de simulation chirurgicale 36 complexes et de certains outils de simulation chirurgicale 36 dits simples, le système de connexion 35 peut également jouer un ou plusieurs autres rôles que l’identification de l’outil chirurgical d’entraînement 36 connecté a contrôleur haptique 18 :
- il peut permettre la récupération des informations sur le déplacement d’éléments propres de l’outil, comme l’action d’une gâchette, par exemple. Par ailleurs, et/ou il peut permettre l’alimentation de l’électronique interne de l’outil chirurgical d’entrainement 36 connecté au contrôleur haptique 18, il peut permettre une communication électronique entre l’outil chirurgical d’entraînement 36 et le module d’entraînement 16.
[0063] Toutefois, comme mentionné ci-dessus, les outils de simulation chirurgicale 36 complexes possèdent un microcontrôleur capable de communiquer directement avec le système de contrôle 20, et c’est donc ce moyen de communication est privilégié. Dans ce cas, la connexion au contrôleur haptique 18 au travers du système de connexion 35 est surtout utile physiquement et mécaniquement. L’avantage que présente ce système de connexion 35 pour les outils complexes est que, par la connexion de l’outil on peut détecter si l’outil est pluggé ou non.
[0064] Concernant l’alimentation de l’outil 36 connecté, selon les modes de réalisation, le système de connexion 35 permet le passage de courant électrique entre le contrôleur haptique 18 ou le système de contrôle 20 directement et l’outil de simulation chirurgicale 36 connecté, de manière à l’alimenter en courant. Dans le deuxième mode de réalisation, le contrôleur haptique 18 est contourné (en ce qui concerne l’alimentation électrique) et l’alimentation électrique ne passe pas par lui.
[0065] Comme la modularité de la plateforme 10 selon l’exemple détaillé ci-dessus permet de connecter plusieurs modules d’entraînement 16 entre eux, au module de calibration 14 et au système de contrôle 20, la plateforme 10 permet ainsi de déterminer le positionnement dans l’espace de plusieurs outils chirurgicaux d’entraînement 36 connectés aux différents contrôleurs haptiques 18. Si la console de pilotage 26 comporte plusieurs modules d’entraînement 16, la plateforme 10 permet la détermination du positionnement de plusieurs outils chirurgicaux d’entraînement 36 simultanément, dès que ceux-ci sont connectés à un contrôleur haptique 18.
[0066] Le système de contrôle 20 de la plateforme 10 selon l’invention comporte en outre un système de reconnaissance 40 de chaque outil de simulation chirurgicale 36. Plus précisément, le système de reconnaissance 40 du système de contrôle 20 est configuré pour obtenir une information d’identification spécifique de chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté au contrôleur haptique 18. Le système de reconnaissance 40 est configuré pour communiquer l’information d’identification au système de contrôle 20 de manière à ce que le système de contrôle 20 reconnaisse chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté au contrôleur haptique 18.
[0067] Le système de reconnaissance 40 de l’outil chirurgical d’entraînement 36 est ainsi configuré pour :
- lire la tension issue d’un pont diviseur de tension spécifique à chaque outil chirurgical d’entraînement 36, communiquer avec le système de contrôle 20, de manière à ce que le système de contrôle 20 reconnaisse chaque outil chirurgical d’entraînement 36 connecté au contrôleur haptique 18.
[0068] Dans un mode de réalisation alternatif, le système de reconnaissance 40 de l’outil chirurgical d’entraînement 36 est ainsi configuré pour lire une puce d’identification électronique située à l’intérieur de l’outil de simulation chirurgicale 36, en particulier les outils dits simples.
[0069] Il est en effet nécessaire d’identifier chaque outil de simulation chirurgicale 36 qui est connecté au contrôleur haptique 18 pour permettre au système de contrôle 20 de générer, le cas échéant, un élément chirurgical virtuel mobile 102 correspondant dans l’espace virtuel 100. Dans tous les cas, il est nécessaire d’avoir une identification pour que le système de contrôle 20 puisse adapter la réponse haptique à l’outil utilisé.
[0070] Cependant, dans le cas où le système de contrôle exécute un logiciel très directionnel indiquant à l’utilisateur quel outil de simulation chirurgicale utiliser, cette identification n’est pas nécessaire car la simulation ne fonctionne qu’avec un seul outil prédéterminé ou plusieurs outils 36 dans un ordre prédéfini.
[0071] Selon l’outil chirurgical d’entraînement 36 considéré, la plateforme 10 utilise une connexion sans fil et/ou une connexion électrique pour identifier l’outil chirurgical connecté (voir figure 3).
[0072] Dans le cas d’un outil de simulation chirurgicale 36 simple, le système de reconnaissance 40 comprend un microcontrôleur 42 préférentiellement localisé dans la base 30 du module d’entraînement 16, comme visible sur la figure 7. Le microcontrôleur 42 est relié à l’outil de simulation chirurgicale 36 au moyen du système de connexion 35, par le câble 39. Le système de reconnaissance 40, dans le cas d’un outil chirurgical d’entraînement simple comprend en outre, au niveau du système de connexion 35 entre l’outil 36 et le contrôleur haptique 18, un dispositif électronique tel qu’un pont diviseur de tension afin de permettre la reconnaissance de l’outil 36. [0073] Dans le cas d’un outil chirurgical d’entraînement complexe, le système de reconnaissance 40 du système de contrôle 20 récupère et analyse les informations issues du microcontrôleur de l’outil chirurgical d’entraînement 36 complexe. Dans ce cas, la communication sans fil suffit à l'identification.
[0074] Le système de contrôle 20 de la plateforme 10 est configuré pour : o identifier les différents modules 14, 16, 28 connectés entre eux, o recevoir et analyser les données liées au(x) mouvement(s) de chaque outil chirurgical d’entraînement 36 connecté à un contrôleur haptique 18, o générer l’environnement virtuel 100, o interfacer, le cas échéant, chaque élément chirurgical virtuel mobile 102 de l’environnement virtuel 100 avec un élément réel correspondant, o générer un retour haptique spécifique en rapport avec l’outil connecté, les mouvements de l’utilisateur (donc du contrôleur haptique 18) et la réalité virtuelle 100.
[0075] Le système de contrôle 20 génère ainsi, pour les outils le nécessitant, une image virtuelle de chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté à contrôleur haptique 18.
[0076] Comme déjà mentionné plus haut, l’environnement virtuel 100 comporte également des éléments de décors 106 non déplaçables et/ou non manipulables. Il peut par exemple s’agir d’un écran d'endoscopie 108 ou d’une lampe qui peuvent être manipulés en virtuel par l’utilisateurs avec, par exemple, un clic sur un bouton pour les allumer. Ces éléments de décors 106 n’ont pas d’éléments réels correspondants.
[0077] En se basant sur les informations reçues du système de reconnaissance 40 et des informations collectées au niveau du contrôleur haptique 18, le système de contrôle 20 est configuré pour transformer/reproduire chaque mouvement dans l’espace de chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté à un contrôleur haptique 18 de la console de pilotage 26 en un mouvement virtuel correspondant de son image virtuelle 102 dans l’environnement virtuel 100.
[0078] Dans le cas particulier d’une connexion avec un outil de simulation chirurgicale 36 simple, le système de contrôle 20 comporte : - line unité de mesure (ou microcontrôleur 42) configurée pour : o identifier les outils 36 et/ou les modules 14, 16 connectés, o récolter les données de mouvements propres (ou mouvements internes) de l’outil chirurgical d’entraînement 36 connecté,
- une unité centrale configurée pour : o générer l’environnement virtuel 100, o recevoir et analyser les données liées au(x) mouvement(s) de chaque outil de simulation chirurgicale 36 connecté, o interfacer chaque outil chirurgical virtuel 102 de l’environnement virtuel 100 avec un élément réel correspondant.
[0079] Dans ce cas particulier, comme illustré en figures 1 et 7, l’unité de mesure (ou microcontrôleur 42) fait partie du module d’entraînement 16.
[0080] Le système de contrôle 20 est en outre configuré, comme mentionné plus haut, pour générer un signal de retour (ou signal haptique) permettant au contrôleur haptique 18 de générer à son tour un signal haptique correspondant, en fonction de ce qui se passe dans l’environnement virtuel 100. Ainsi, le système de contrôle 20 conduit le contrôleur haptique 18 à générer un retour haptique spécifique lorsque outil virtuel 102 correspondant à l'outil chirurgical d’entraînement 36 manipulé par l’utilisateur entre en contact avec un autre outil virtuel 102 ou un autre élément virtuel tel qu’un élément de décor 106, de l’environnement virtuel 100. Ceci permet d’accentuer l’aspect immersif de la simulation et de donner un sens de la réalité accru ; les interactions visibles dans l’environnement virtuel 100 sont également ressenties par l’utilisateur.
[0081] Dans la présente demande, la notion de « signal haptique » est entendue comme un signal généré activement par la plateforme 10 selon la présente invention. Il est à différencier de la notion de « retour tactile » qui est un simple retour passif, généré automatiquement par le corps humain en réaction à la manipulation d’objets animés ou inanimés.
[0082] Certains des outils de simulation chirurgicale complexes 36, comme par exemple celui représenté en figure 10, comportent une tige distale 360 rotative. Ces outils 36 disposent ainsi d’une molette permettant la rotation de la tige distale 360 et donc de leur axe. Lorsque cette tige distale 360 est connecté au système de connexion 35, il est alors impossible, pour le système de contrôle 20 de mesurer/déterminer à la fois la position dans l’espace de l’outil de simulation chirurgicale 36 et la rotation spécifique de la tige distale 360 : il faut en effet transmettre la rotation générale de l’outil de simulation chirurgicale 36 par rapport à l’axe du contrôleur haptique 18 pour que son jumeau virtuel (outil virtuel 102) puisse être orienté similairement dans l’environnement virtuel 100 sans perdre la rotation spécifique de la tige distale 360 induite par le fonctionnement de l’outil de simulation chirurgicale 36.
[0083] Pour résoudre ce problème, le système de connexion 35 présente un mode de réalisation particulier avec une pièce d’arche 45. La pièce d’arche 45, comme représenté en figure 10 permet la libre rotation d’une roue d’orientation de tige sur l’outil chirurgical d’entraînement 36 sans pour autant perdre l’information de l’orientation de l’outil 36 lui- même. La pièce d’arche 45 est fixée sur le corps préhensible de l’outil 36 d’une part et sur la tige distale 360 solidaire du deuxième connecteur 35b d’autre part. La tige distale 360 est coupée de manière que la partie sous la pièce d’arche 45 puisse être librement soumise à rotation sans conséquence sur la rotation au niveau du mécanisme clé serrure du système de connexion 35, à l’extrémité du contrôleur haptique 18.
[0084] La pièce d’arche 45 est préférentiellement imprimée à l’aide d’une imprimantes 3D par dépôt de couche, mais tout autre procédé de fabrication plastique peut être utilisé comme par exemple le frittage laser. La pièce d’arche 45 est préférentiellement conçue en deux parties pour pouvoir facilement être démontable, les deux parties sont assemblées au moyen de vis.
[0085] On constate ainsi que la plateforme 10 selon l’invention se construit autour du/des module(s) d’entraînement 16. Chaque module d’entraînement 16 est ainsi un élément central se trouvant à la convergence des différents éléments de la plateforme 10 selon la présente invention. Chaque module d’entraînement 16 s’organise, comme déjà mentionné, autour d’une base 30 qui permet de fixer les différents éléments : le microcontrôleur 42 et son câble de connexion 39 vers un système de connexion 35 destiné à connecter l’outil chirurgical d’entrainement 36 au système de contrôle 20,
- un contrôleur haptique 18 comportant un robot d’acquisition de mouvement tri- dimensionnel par repaire polaire, des aimants 34, 38, et, éventuellement
- un ou plusieurs connecteurs électrique (par exemple des connecteurs à pins rétractables comme vu ci-dessus).
[0086] Ces différents éléments réunis permettent, une fois connectés au dispositif d’affichage de réalité virtuelle 12, au moyen du module de calibration 14, de relier, dans un cadre de simulation d’intervention chirurgicale, la manipulation d’objets de chirurgie physiques à leurs jumeau virtuels dans une simulation en réalité virtuelle. La plateforme 10 permet une connexion simple mais mécaniquement et électriquement robuste permettant à un utilisateur d’utiliser la plateforme 10 en toute sécurité et toute sérénité, sans devoir se soucier de devoir faire attention à comment l’outil de simulation chirurgicale 36 est manipulé et sans être handicapé par un système de connexion lourd et/ou encombrant..

Claims

REVENDICATIONS
1. Plateforme d’entraînement chirurgical (10) configurée pour interfacer un contrôleur haptique (18) avec un outil de simulation chirurgicale (36) comprenant :
- un système de contrôle (20), au moins un outil de simulation chirurgicale (36) présentant au moins une extrémité libre s’étendant selon un premier axe Ai,
- au moins un contrôleur haptique (18) comportant un système de connexion (35) configuré pour connecter mécaniquement et électriquement, de manière réversible, l’au moins un outil de simulation chirurgicale (36), le système de contrôle incluant en outre un système de reconnaissance de chaque outil de simulation chirurgicale (36) configuré pour obtenir une information d’identification spécifique à l’outil de simulation chirurgicale (36) connecté au contrôleur haptique (18), et communiquer l’information d’identification au système de contrôle (20) de manière à ce que le système de contrôle (20) reconnaisse chaque outil de simulation chirurgicale (36) connecté au contrôleur haptique (18), caractérisé en ce que
- le système de connexion (35) comprend au moins un connecteur (35a) s’étendant selon un deuxième axe A2, l’au-moins un connecteur (35a) comprenant un premier élément de couplage (44a) complémentaire d’un élément de couplage correspondant (44b) de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale (36),
- les éléments de couplages (44a, 44b) du connecteur (35a) et de l’extrémité libre de chaque outil de simulation chirurgicale (36) sont configurés pour coopérer de manière co-axiale par alignement des axes Ai et A2, de manière à ce que la connexion (35) entre le contrôleur haptique (18) et chaque outil de simulation chirurgicale (36) se fasse de manière axiale,
- une fois connectés l’un à l’autre, chaque déplacement de l’outil de simulation chirurgicale (36) induit un mouvement correspondant du contrôleur haptique mobile (18). Plateforme d’entraînement chirurgical (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système de connexion (35) du contrôleur haptique (18) permet de connecter au moins deux outils de simulation chirurgicale (36) différents. Plateforme d’entraînement chirurgical (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’au moins un connecteur (35a) est configuré pour coopérer avec l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale (36). Plateforme d’entraînement chirurgical (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’au moins un connecteur (35a) est un connecteur à verrouillage de type clé-serrure configuré pour coopérer avec l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale (36). Plateforme d’entraînement chirurgical (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la connexion (35) entre le contrôleur haptique (18) et l’extrémité libre de l’au moins un outil de simulation chirurgicale (36) assure une contrainte de colinéarité selon le premier axe Ai de l’au-moins un connecteur (35a). Plateforme d’entraînement chirurgical (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de connexion (35) comprend un premier connecteur (35a) fixé au contrôleur haptique (18) et un deuxième connecteur (35b) fixé à l’extrémité libre de l’outil de simulation chirurgicale (36), les deux connecteurs (35a, 35b) étant configurés pour coopérer entre eux. Plateforme d'entraînement chirurgical (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le contrôleur haptique (18) comprend un bras mobile, le bras mobile présentant une extrémité libre destinée à coopérer avec le système de connexion (35). Plateforme d'entraînement chirurgical (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de connexion (35) permet le passage de courant électrique entre le contrôleur haptique (18) et l’outil de simulation chirurgicale (36) connecté, de manière à alimenter l’outil de simulation chirurgicale (36) en courant. Plateforme d'entraînement chirurgical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le système de connexion (35) permet le passage de courant électrique entre le système de contrôle (20) et l’outil de simulation chirurgicale (36) connecté, de manière à alimenter l’outil de simulation chirurgicale (36) en courant. Plateforme d'entraînement chirurgical (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque connecteur (35a, 35b) comprend un aimant (38) de manière à ce que la connexion (35) soit aimantée.
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