Prostate biopsies assisted by comanipulated probe-holder: first in man

International audiencePurpose: a comanipulator for assisting endorectal prostate biopsies is evaluated through a first-in man clinical trial. This lightweight system, based on conventional robotic components, possesses 6 degrees of freedom. It uses 3 electric motors and 3 brakes. It features a free mode, where its low friction and inertia allow for natural manipulation of the probe and a locked mode, exhibiting both a very low stiffness and a high steady state precision. Methods: Clinical trials focusing on the free mode and the locked mode of the robot are presented. The objective is to evaluate the practical usability and performance of the robot during clinical procedures. A research protocol for a prospective randomized clinical trial has been designed. Its specific goal is to compare the accuracy of biopsies performed with and without the assistance of the comanipulator. Results:The accuracy is compared between biopsies performed with and without the assistance of the comanipulator, across the 10 first patients included in the trial. Results show a statistically significant increase of the precision.. This work is partially funded french state funds managed by the ANR within the Investissements d'Avenir programme (Labex CAMI) under reference ANR-11-LABX-0004. 2 Marie-Aude Vitrani et al

Ultrasound image-based comanipulation for enhanced perception of the contacts with a distal soft organ

Abstract-In this paper, the concept of ultrasound imagebased force enhancement is introduced. It consists of a robotic comanipulation system that assists a surgeon performing an ultrasound exam through a minimally invasive access. The robot is programmed in such a way that the surgeon's feeling of the distal contact between the probe and the organ is enhanced, despite disturbances raising from interactions with the trocar or the natural orifice through which the probe is inserted. Contrarily to existing approaches for force enhancement, the proposed method does not require any distal, nor proximal force sensor. Rather, forces to be applied by the comanipulator are computed from the measurement of the organ deformations in the ultrasound image. In the paper, an example application to computer-assisted prostate biopsy procedures is given. A first implementation of the concept is then presented, involving an endorectal ultrasound probe and a one degree of freedom robot. In vitro experiments validate that the proposed mode of assistance significantly helps the detection of contacts between the probe and a balloon simulating a prostate despite large friction disturbances

Étude du plectre de clavecin : modélisation et résultats expérimentaux

Le clavecin est un instrument à cordes pincées dont la mécanique peut être décrite simplement. Les plectres sont notamment modélisés par des poutres de type encastrée-libre classiques, avec une section constante le long de leur fibre neutre. Pourtant, le processus d'harmonisation réalisé par le facteur, c'est-à-dire l'ensemble des opérations qui donnent au clavecin une réponse uniforme sur toute sa tessiture, semble montrer que la géométrie réelle des plectres, qui a été négligée jusqu'à présent dans leur description, est primordiale pour obtenir un modèle satisfaisant de l'interaction qui a lieu entre ceux-ci et les cordes. Un dispositif expérimental mettant en ?uvre un doigt robotisé permet de valider cette hypothèse avant de poursuivre plus loin dans cette voie

Asservissement Visuel à partir d'Images Echographiques. Application à la chirurgie intra-cardiaque.

The goal of this research is to propose a robotic system to assist a surgeon performing ultrasound-guided interventions. To this aim, a system exploiting ultrasound-based visual servoing is developed, thanks to which the surgeon can select the desired position of an instrument in an ultrasound image. The robot then automatically moves the instrument toward the specified position. The considered application is the repair of a mitral valve in beating heart surgery. The principal contributions of this work are the modeling of the ultrasound system, the modeling of the robotic system and its control. Several control laws using an inverse kinematic model are then proposed. They are evaluated through stability analysis by the indirect method of Lyapunov and simulations. Lastly, the proposed system is implemented and validated through experiments in vitro and in vivo on pig during beating heart surgery.L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un système robotique basé sur un asservissement visuel échographique pour l'assistance au chirurgien lors d'interventions écho-guidées. Ce système permet au chirurgien de sélectionner la position désirée d'un instrument dans une image échographique et de commander un robot pour qu'il déplace l'instrument jusqu'à la position spécifiée. L'application considérée est la réparation d'une valve mitrale à coeur battant.Les principales contributions de ce travail se situent au niveau de la modélisation de l'imageur échographique, de la modélisation du système robotique et de sa commande. Plusieurs lois de commande à découplage par modèle cinématique inverse sont alors proposées. Elles sont évaluées à travers des études de stabilité par la méthode indirecte de Lyapunov et des simulations.Enfin, le système proposé est mis en oeuvre et validé à travers des expériences in vitro et in vivo sur cochon, à coeur battant

Assistance à la manipulation de sonde échographique

Je conduis mon activité de recherche au sein de l’équipe AGATHE (Assistance aux Gestes et Applications THErapeutiques) de l’ISIR (Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique).Dans cette équipe, mon travail porte plus particulièrement sur le couplage entre robotique et l’imagerie échographique pour la chirurgie. Après avoir travaillé sur un dispositif automatique pendant ma thèse (asservissement visuel pour la chirurgie intra-cardiaque) puis sur un dispositif de navigation (thèse de Jacky Nizard sur la reconstruction de la pose de la tête foetale dans le bassin maternel), je m’intéresse à la mise en oeuvre de dispositifs d’assistance aux gestes thérapeutiqueséchoguidés. Il s’agit de définir les fonctions que le système robotique doit réaliser, de concevoir le dispositif (notamment son instrumentation), de le modéliser et de le commander et enfin de le valider expérimentalement in vitro et in vivo.Ce manuscrit en plus de l'introduction et de la conclusion comporte 4 chapitres qui traitent des différents aspects des recherches conduites autour de trois applications : cancer du sein, cancer de la prostate, suivi de la tête foetale pendant le travail. Tout d'abord, la mise en oeuvre des dispositifs échoguidés ne peut se faire sans étalonnage ni recalage entre robot, sonde échographique, patients... C'est l'objet du chapitre 2. Dans le chapitre 3 sont résumées les principales contributions portant sur l'assistance robotique à la manipulation d'une sonde échographique. Plusieurs fonctions d'assistance sont présentées ainsi que les méthodes qu'il a fallu développer pour évaluer leur efficacité. Il s'agit tout d'abord des fonctions élémentaires qui permettent de manipuler librement la sonde ou de la maintenir dans une position désirée, avec précision, mais une raideur limitée. La synthèse et l'évaluation de fonctions de guidage d'un plan échographique vers des cibles anatomiques sont ensuite décrites. Enfin, une méthode d'augmentation de la perception des contacts avec les organes exploitant les images échographiques est proposée.Le chapitre 4 est consacré aux résultats cliniques. Dans une première partie sont présentés des résultats sur l'analyse de gestes, pour l'application de la biopsie de prostate et celle du suivi de la tête f÷tale lors de l'accouchement. Une seconde partie permet de décrire le protocole et les résultats de la validation clinique du robot Apollo.Le chapitre 5 rassemble enfin des résultats particuliers de mes travaux qui fondent mon projet de recherche pour les années futures. Il s'agit de l'étude de fonctions d'assistance partielle. L'idée est d'exploiter les capacités de l'opérateur à intégrer une aide partielle, en ce sens qu'elle n'est pas entièrement actionnée, pour limiter la complexité du dispositif robotique. Ainsi, le robot n'applique plus un guide strict et complet, mais des indications qui peuvent être utiles au sujet manipulant pour mieux contrôler son geste, ou percevoir des guides virtuels. Une première expérience, avec une approche naïve consistant à désactiver certains degrés de liberté, fait apparaître l'intérêt de cette approche, tout en soulignant qu'il est important de prendre en compte la façon dont l'utilisateur gère les contacts entre l'instrument comanipulé et le patient. Deux autres exemples sont alors proposés avec des robots à trois degrés de liberté actifs guidant des gestes au contact : le guidage partiel vers une cible anatomique recalée pour l'examen échographique du sein, et l'émulation proximale de forces distales lorsque l'instrument passe par un orifice (le contrôle des forces sur l'orifice étant ici assuré par l'utilisateur)

Asservissement visuel à partir d'images échographiques (application à la chirurgie intra-cardiaque)

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un système robotique basé sur un asservissement visuel échographique pour l'assistance au chirurgien lors d'interventions écho-guidées. Ce système permet au chirurgien de sélectionner la position désirée d'un instrument dans une image échographique et de commander un robot pour qu'il déplace l'instrument jusqu'à la position spécifiée. L'application considérée est la réparation d'une valve mitrale à coeur battant. Les principales contributions de ce travail se situent au niveau de la modélisation de l'imageur échographique, de la modélisation du système robotique et de sa commande. Plusieurs lois de commande à découplage par modèle cinématique inverse sont alors proposées. Elles sont évaluées à travers des études de stabilité par la méthode indirecte de Lyapunov et des simulations. Enfin, le système proposé est mis en oeuvre et validé à travers des expériences in vitro et in vivo sur cochon, à coeur battant.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Applying Virtual Fixtures to the Distal End of a Minimally Invasive Surgery Instrument

International audienceThe comanipulation paradigm, in which a user and a robot simultaneously hold a tool, allows for gesture guidance. In particular, virtual fixtures, which are geometrical constraints imposed to the tool by the robot, have received great interest in the domain of surgical applications. So far, this concept has been implemented in the context of open surgery. This paper explores the application of virtual fixtures for minimally invasive surgery, in which the tool is inserted in the patient through a fulcrum. Here, a key issue is to return to the surgeon forces that are virtually applied at the instrument distal tip, while the robot is physically attached to the instrument proximal handle. To this aim, two approaches are investigated. A first approach consists of applying a full wrench at the proximal end of the instrument that is equal to the wrench constituted by a pure force applied to the instrument's distal tip. A second approach consists of applying a pure force to the instrument proximal end, thanks to a lever model about the fulcrum. The two approaches are compared through experiments, during which naive subjects blindly perform virtual object palpa-tion and robot-guided movements. During experiments, indicators involving motion and force analysis are computed. The user capacity to distinguish between several virtual objects is evaluated as well. Although drastically different, the two approaches provide assistance with a similar level of efficiency. Index Terms-Force feedback, human-robot interaction, medical robotics