COMOROS - Contrôle et modélisation des robots mous en chirurgie

Coordinateur : Christian Duriez Inria de l’Université de Lille CRIStAL

Équipe : DEFROST du Groupe Thématique : CO2.

Dates : 04/17 - 04/19

Résumé :

Les interventions chirurgicales sont souvent effectuées à l’aide d’instruments faits de matériaux rigides qui interagissent avec les tissus biologiques délicats tels que les organes internes, les parois des vaisseaux sanguins et de petites cavités. Cette très grande différence de rigidité entre les instruments et les tissus humains est l’une des sources de danger dans de nombreuses interventions chirurgicales. L’utilisation de robots en matériaux souples, aussi appelés « soft-robots », pourrait limiter ces risques en réduisant les pressions de contact et les concentrations de contraintes. Leur déformabilité intrinsèque augmenterait également la capacité de manœuvrer dans les espaces confinés de l’anatomie.
Cependant, ce concept prometteur de l’utilisation de robots souples pour les interventions chirurgicales ne peut être mis en œuvre dans la pratique, faute de méthodes précises et génériques pour la modélisation et le contrôle de ces robots souples. Cet obstacle scientifique, identifié comme un verrou scientifique majeur par les états de l’art majeurs du domaine des robots déformables, devient encore plus complexe à résoudre lorsqu’il s’agit d’interagir avec un environnement aussi complexe que l’anatomie humaine.
En s’appuyant sur notre expérience en simulation de tissus mous, modèles de contact, applications chirurgicales et robotique souple, notre ambition dans ce projet est de :

• 1/ Développer des méthodes numériques robustes et génériques pour résoudre la mécanique des milieux continus sur ces systèmes mécatroniques mous. Nous nous baserons notamment sur des techniques de réduction de modèle (model order reduction), qui permettent de répondre aux fortes contraintes de temps réel dû aux applications robotiques et qui puissent aussi être utilisées pour des analyses de sensibilité aux paramètres dont on ne connait pas précisément la valeur.
• 2/ Apporter un modèle mécanique digital de l’anatomie du patient et une modélisation des interactions avec les robots souples afin d’anticiper les efforts imposés par le robot sur les tissus. Mais aussi, changer le paradigme en utilisant les capacités d’un robot souple à se conformer à son environnement pour devenir un capteur, capable de mettre à jour les propriétés mécaniques de ce modèle digital.
• 3/ Repenser la génération de mouvement et le contrôle du robot en téléopération avec retour de force, de manière à être compatible avec le grand nombre de degrés de liberté des robots souples. Montrer que l’on peut obtenir des méthodes de contrôle robuste, tenant compte des incertitudes sur les modèles, avec des garanties sur la précision et la stabilité.

En plus de ces trois piliers scientifiques, le projet vise également le développement de logiciels avec des performances compatibles avec le temps-réel et des fonctionnalités qui s’enrichiront au fur et à mesure du projet. Nous mettrons aussi l’accent sur la validation expérimentale des modèles et des méthodes en construisant des prototypes et en les testant dans des environnements réalistes.

Abstract

Surgical procedures are often carried out using instruments made of stiff materials that interact with delicate biological tissues such as internal organs, blood vessel walls and small cavities. This incompatibility of stiffness is one of the sources of danger in many surgical procedures. The use of robots made of soft materials, also called soft robots, would limit such risks by reducing contact pressures and stress concentrations. Their intrinsic deformability would also increase the ability to manoeuvre in confined spaces.
However, the promising concept of using soft robots for surgical procedures cannot be practically implemented, due to the lack of precise modelling and control methods for soft robots. This scientific obstacle, identified as a pending issue by major surveys in this field, becomes particularly challenging when interacting with an environment as complex as the human anatomy.
Drawing on our background in soft tissue simulation, contact models, surgical applications, and soft robotics our ambition in this project is to :

• 1/ Develop accurate and generic numerical methods for continuum mechanics, adapted to strong real-time constraints in order to demonstrate the ability to model soft mechatronics systems.
• 2/ Reconsider parametrisation methodologies of digital models of the patient anatomy through observation of mechanical interactions with soft robots via embedded sensors and medical imaging.
• 3/ Rethink motion generation and teleoperation control with force-feedback so as to be compatible with the large number of degrees of freedom of soft robots and be based on accurate, rapidly computed deformable models and interaction models.

The project also targets the development of software with required performance and features, as well as the experimental validation of models and methods using prototypes in realistic environments.