CA3212790A1 - Robot medical collaboratif pour securiser le guidage d'instruments - Google Patents

Abstract

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

Description

Robot médical collaboratif pour sécuriser le guidage d'instruments Domaine de l'invention La présente invention appartient au domaine des dispositifs robotisés pour assister un praticien lors d'une intervention médicale ou chirurgicale. Plus particulièrement, l'invention concerne un robot médical comportant un bras robotisé
équipé d'un guide-outil pour guider et relâcher un instrument médical lors d'une intervention médicale mini-invasive ou percutanée.
Etat de la technique Les interventions médicales effectuées par voie mini-invasive ou percutanée peuvent nécessiter l'insertion par un praticien d'un ou plusieurs instruments médicaux (par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, etc.) dans le corps d'un patient jusqu'à une certaine profondeur pour atteindre une zone anatomique cible (par exemple une tumeur dans le foie, un poumon, un rein, ou un os).
Lorsque le geste d'insertion de l'instrument médical est entièrement réalisé
par le praticien, le résultat de l'intervention est fortement dépendant de l'habilité du praticien.
La précision du geste peut être améliorée grâce à l'assistance de robots médicaux télécommandés. Là encore, le succès de l'intervention reste partiellement dépendant de l'habilité du praticien et peut nécessiter d'acquérir des images médicales du patient en continu, ce qui implique de soumettre le patient à des doses d'irradiation élevées.
Afin d'améliorer encore la précision du geste d'insertion et de limiter les doses d'irradiation sur le patient, il est possible d'utiliser des bras robotisés commandés automatiquement. Le bras robotisé peut être équipé d'un guide-outil pour guider un instrument médical. Le praticien indique par exemple sur une image médicale pré-interventionnelle une trajectoire que l'instrument médical doit suivre pour atteindre une zone cible de l'anatomie d'intérêt du patient, et le bras robotisé se déplace automatiquement dans une position telle que le guide-outil permette de guider l'instrument médical selon la trajectoire planifiée.
Il est avantageux que le praticien puisse déplacer manuellement le bras robotisé pour approcher le guide-outil de l'anatomie d'intérêt du patient ou pour dégager le guide-outil après une insertion (éventuellement partielle) de l'instrument médical.
Lorsque le bras robotisé est déplacé manuellement par le praticien, et lorsque le guide-outil est relativement éloigné de l'anatomie d'intérêt du patient, il convient que le mouvement du bras robotisé soit fluide et réactif. En revanche, lorsque le guide-outil est

2 relativement proche de l'anatomie d'intérêt du patient, il faut que le mouvement du bras robotisé soit contrôlé avec précision et à faible vitesse, pour atteindre la position d'insertion de l'instrument médical avec exactitude et sans risquer de blesser le patient avec l'instrument médical ou le guide-outil. Aussi, il convient d'éviter des mouvements saccadés du bras robotisé engendrés par des tremblements du praticien.
Dans ce but, il est envisageable de faire une étude fréquentielle des efforts exercés par le praticien à l'aide d'un accéléromètre pour déterminer si l'on est ou non en présence de tremblements. Une telle solution s'avère cependant relativement complexe à implémenter, et elle nécessite d'intégrer un capteur supplémentaire (l'accéléromètre) au robot médical.
Il est également nécessaire de prendre des mesures pour s'assurer que le patient ne puisse pas être blessé par l'instrument médical pendant l'intervention, par exemple si le patient fait un mouvement inattendu lorsque le bras robotisé
guide l'instrument médical au cours de son insertion dans le corps du patient.
L'insertion de l'instrument médical est généralement réalisée pendant que le patient est en apnée. Il convient donc également de s'assurer que le patient ne puisse pas être blessé
par l'instrument médical dans le cas où les mouvements respiratoires reprendraient avant que l'instrument médical ne soit libéré du guide-outil.
Exposé de l'invention La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.
A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention, un robot médical pour assister un praticien lors d'une intervention médicale sur une anatomie d'intérêt d'un patient. Le robot médical comporte un bras robotisé
comportant à une extrémité distale un guide-outil destiné à guider un instrument médical.
Le robot médical comporte également une unité de contrôle configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé. Le guide-outil est couplé à un capteur de force.
Lorsque le robot médical est utilisé dans un mode de pilotage manuel coopératif , l'unité de contrôle est configurée pour déterminer, à l'aide du capteur de force, une force exercée par le praticien sur le guide-outil et pour calculer une vitesse de déplacement du guide-outil en fonction d'un facteur de gain appliqué à la force ainsi déterminée.
Avantageusement, la valeur dudit facteur de gain est variable et calculée en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil. L'unité de contrôle est configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé en fonction de la vitesse ainsi calculée.
Ainsi, le praticien déplace le bras robotisé en exerçant une force avec sa main

3 sur le guide-outil fixé à l'extrémité du bras robotisé. Le capteur de force permet à l'unité
de contrôle de contrôler la vitesse de déplacement du bras robotisé en fonction de la force exercée par le praticien. La vitesse de déplacement du guide-outil est en effet calculée en appliquant un facteur de gain à la force exercée par le praticien sur le guide-outil. La force exercée par le praticien sur le guide-outil est par exemple déterminée par l'unité de contrôle à partir des forces et des moments mesurés par le capteur de force par une série d'opérations pouvant inclure du filtrage, de la réduction de bruit, une compensation du poids du guide-outil, une transposition dans un repère du guide-outil, etc. Plus la force exercée par le praticien sur le guide-outil est importante, et plus la vitesse de déplacement du guide-outil calculée par l'unité de contrôle est grande. Ainsi, lorsque le guide-outil est relativement loin du patient et que le praticien exerce une force importante sur le guide-outil, le bras robotisé se déplace de façon rapide, fluide et réactive. Par contre, lorsque le praticien exerce une force de faible amplitude sur le guide-outil parce que le guide-outil est proche du corps du patient, le bras robotisé se déplace à faible vitesse pour garantir précision et sécurité.
En outre, et comme cela sera expliqué par la suite, le fait que le facteur de gain varie en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil permet d'éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé engendrées par des tremblements du praticien (les tremblements correspondent à une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée).
Par exemple le facteur de gain varie linéairement avec la force exercée par le praticien sur le guide-outil lorsque cette force varie entre une valeur minimale Fmin et une valeur maximale F..
Dans des modes particuliers de réalisation, l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de réalisation, le facteur de gain correspond à un paramètre proportionnel d'un correcteur Proportionnel, Intégral, Dérivé
mis en oeuvre par l'unité de contrôle.
L'unité de contrôle calcule, à l'aide d'une boucle d'asservissement, une vitesse de déplacement du guide-outil visant à annuler la force exercée par le praticien. Dans ce but, un correcteur PID peut être utilisé. PID est l'acronyme de Proportionnel, Intégral, Dérivateur , c'est un système de contrôle en boucle fermée couramment utilisé dans l'industrie. L'invention repose en effet sur l'hypothèse que des mouvements engendrés par une force de faible amplitude exercée par le praticien vont comporter des tremblements. La solution proposée ne nécessite donc pas d'analyse fréquentielle

4 pour détecter des tremblements. Faire cette hypothèse permet de simplifier la problématique et d'utiliser un correcteur PID
Dans des modes particuliers de réalisation, l'unité de contrôle est en outre configurée pour interdire le déplacement du guide-outil selon au moins une direction.
Le terme direction correspond à un degré de liberté du guide-outil dans un repère tridimensionnel (x, y, z) dans lequel il s'inscrit. Il peut s'agir notamment d'une translation selon chacun des axes x, y ou z ou d'une rotation autour de chacun de ces axes.
De telles dispositions permettent d'asservir le déplacement du bras robotisé
par exemple pour éviter que guide-outil n'entre en collision avec l'instrument médical lorsque le bras robotisé est dégagé suite à l'insertion partielle ou totale de l'instrument médical dans le corps du patient et à la libération de l'instrument médical du guide-outil.
Dans des modes particuliers de réalisation, l'unité de contrôle est en outre configurée pour limiter le déplacement du guide-outil selon une seule direction correspondant par exemple à un axe principal du guide-outil.
De telles dispositions permettent d'asservir le déplacement du bras robotisé
par exemple pour ramener le bras robotisé dans une position qui correspond à
la position dans laquelle l'instrument médical a été inséré.
Dans des modes particuliers de réalisation, la valeur du facteur de gain est définie ainsi :
[Math .1]
G (f) = K x (1 + IfI Fmin ) si Fmin IfI Fmõ
Fmõ ¨ Fmin où G(f) est le facteur de gain ; K est une constante ; If I est la force exercée par le praticien sur le guide-outil déterminée par l'unité de contrôle à l'aide du capteur de force ; Fmm et F. correspondent respectivement a une valeur minimale et une valeur maximale pour la force exercée par le praticien. If l Fmm et F. correspondent à des normes d'une force (intensités d'une force mesurées en Newtons). Dans la suite de la description, et sauf indication contraire, lorsque l'on parle de la force exercée par le praticien ou par l'instrument médical, on entend par abus de langage l'intensité de la force . Par exemple, Fmin est égale à 2N et F. est égale à 60N.
Dans des modes particuliers de réalisation, l'unité de contrôle est configurée pour calculer la vitesse de déplacement du guide-outil en outre en fonction d'une distance entre une position courante du guide-outil et une position cible que le guide-outil doit atteindre.
De telles dispositions permettent notamment de limiter davantage la vitesse d'approche du guide-outil au fur et à mesure que le guide-outil s'approche de sa position cible, afin d'augmenter la précision et la sécurité lorsque l'instrument médical est proche de l'anatomie d'intérêt du patient.
Dans des modes particuliers de réalisation, le bras robotisé est un bras articulé

5 présentant au moins six degrés de liberté.
L'utilisation d'au moins six degrés de liberté au niveau du bras robotisé
permet de garantir que n'importe quelle position dans l'espace peut être atteinte par le guide-outil. En outre, si l'instrument médical présente une symétrie axiale (par exemple si l'instrument médical est une aiguille), alors cinq degrés de liberté sont suffisants car il n'est pas nécessaire d'effectuer une rotation autour de l'axe de symétrie de l'instrument médical. Ce degré de liberté supplémentaire permet d'être en situation de redondance et d'avoir une infinité de configurations possibles du bras robotisé pour une position donnée. Cela confère une certaine flexibilité car le praticien peut alors choisir la configuration optimale du bras robotisé par exemple en fonction de contraintes inhérentes à la salle d'intervention (espace disponible pour le personnel soignant, présence d'obstacles, visibilité du guide-outil par un éventuel système de navigation, etc.).
Dans des modes particuliers de réalisation, lorsque le robot médical est utilisé
dans un mode d' insertion de l'instrument médical , l'unité de contrôle est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil et pour déterminer, à l'aide du capteur de force, une force exercée sur l'instrument médical. Le guide-outil comprend des moyens pour relâcher automatiquement l'instrument médical sur commande de l'unité de contrôle. L'unité de contrôle est configurée pour commander le guide-outil de relâcher l'instrument médical lorsque la force exercée sur l'instrument médical est supérieure à
une valeur seuil prédéterminée ou lorsqu'une variation de la force exercée sur l'instrument médical sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée.
De telles dispositions permettent notamment de relâcher immédiatement l'instrument médical, pendant la phase d'insertion de l'instrument médical (c'est-à-dire lorsque l'instrument médical est maintenu dans le guide-outil pour guider son insertion dans le corps du patient), par exemple si le patient exerce une force inattendue sur l'instrument médical à cause de mouvements respiratoires alors que le patient devrait être en apnée.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil comporte au moins un marqueur détectable par un système de navigation et l'unité de contrôle est configurée pour :

6 - recevoir, en provenance dudit système de navigation, une première information relative à une position du guide-outil dans un repère du système de navigation, - recevoir, en provenance dudit système de navigation, une deuxième information relative à une position cible, dans le repère du système de navigation, que le guide-outil doit atteindre, - déterminer la position cible, dans un repère du robot médical, à l'aide de la deuxième information, - déplacer le bras robotisé, dans un mode de pilotage automatique , sans intervention du praticien, pour que le guide-outil atteigne la position cible.
De telles dispositions permettent de déplacer automatiquement et avec précision le bras robotisé pour amener le guide-outil dans une position cible à laquelle l'instrument médical peut être inséré dans le corps du patient pour réaliser l'intervention chirurgicale.
La position cible du guide-outil peut notamment être déterminée en fonction d'une trajectoire que doit suivre l'instrument médical planifiée sur une image médicale pré-interventionnelle. Dans ce but, dans des modes particuliers de réalisation, la deuxième information correspond à une position, dans le repère du système de navigation, d'une référence patient destinée à être positionnée sur le patient à proximité
de l'anatomie d'intérêt. La référence patient comporte au moins un marqueur détectable par le système de navigation et au moins un marqueur radio-opaque. La trajectoire est définie relativement à la position de la référence patient à l'aide d'une image médicale pré-interventionnelle sur laquelle est visible l'anatomie d'intérêt du patient et le marqueur radio-opaque de la référence patient. L'unité de contrôle est configurée pour déterminer la position cible du guide-outil à partir de la position de la référence patient et à partir de la trajectoire planifiée.
Dans des modes particuliers de réalisation, l'unité de contrôle est configurée pour :
- mémoriser, en tant que position de référence, une position à un premier instant du guide-outil par rapport à la position de la référence patient, - déterminer si une différence entre une position à un deuxième instant du guide-outil et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé.
De telles dispositions sont particulièrement avantageuses dans la situation où

le bras robotisé doit être dégagé après une insertion partielle de l'instrument médical, par exemple pour permettre l'acquisition d'une image médicale afin de vérifier si l'instrument médical est inséré convenablement, et que le bras robotisé doit ensuite être ramené à la position initiale à laquelle l'instrument médical a été inséré, par exemple

7 pour finaliser l'insertion de l'instrument médical.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil comprend des moyens pour relâcher automatiquement l'instrument médical sur commande de l'unité
de contrôle. L'unité de contrôle est configurée pour commander le guide-outil de relâcher l'instrument médical lorsque l'unité de contrôle reçoit une information en provenance du système de navigation indiquant un déplacement inattendu de la référence patient.
Il est ainsi possible d'éviter de blesser le patient avec l'instrument médical lorsque le patient fait un mouvement inattendu pendant l'insertion de l'instrument médical dans le corps du patient.
Présentation des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à
9 qui représentent :
[Fig. 1] une représentation schématique d'un robot médical selon l'invention pour assister un praticien lors d'une intervention médicale sur une anatomie d'intérêt d'un patient, [Fig. 2] une représentation schématique du bras robotisé du robot médical, [Fig. 3] une représentation schématique du guide-outil destiné à être fixé à
l'extrémité
du bras robotisé, [Fig. 4] une représentation du guide-outil mettant en évidence un dispositif de maintien d'un instrument médical à l'extrémité du guide-outil, [Fig. 5] une représentation du guide-outil mettant en évidence le positionnement de l'instrument médical sur le guide-outil ainsi que des marqueurs détectables par un système de navigation, [Fig. 6] une représentation schématique d'une référence patient destinée à
être positionnée sur le patient à proximité de l'anatomie d'intérêt, [Fig. 7] une illustration de la coopération entre le robot médical selon l'invention et un dispositif de navigation, [Fig. 8] des graphiques représentant notamment la vitesse et l'accélération subie par le guide-outil en fonction de la force exercée sur le guide-outil par le praticien, dans un cas où la vitesse est définie en fonction d'un facteur de gain constant appliqué à
la force exercée, [Fig. 9] des graphiques similaires à ceux représentés à la figure 8 dans un cas où la vitesse est définie en fonction d'un facteur de gain variable appliqué à la force exercée,

8 le facteur de gain variant en fonction de la force exercée.
Dans ces figures, des références identiques d'une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente schématiquement un robot médical 10 selon l'invention.
Le robot médical 10 est utilisé pour assister un praticien lors d'une intervention médicale sur une anatomie d'intérêt d'un patient 20 positionné sur une table d'intervention 21.
On se place à titre d'exemple non limitatif dans le cas d'une intervention médicale effectuée par voie mini-invasive ou percutanée. Ce genre d'intervention nécessite généralement l'insertion par le praticien d'un ou plusieurs instruments médicaux (par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, etc.) dans le corps du patient jusqu'à une certaine profondeur pour atteindre une zone anatomique cible dans l'anatomie d'intérêt (par exemple une tumeur dans le foie, un poumon, un rein, etc.).
Le robot médical 10 comporte une base 11. Dans l'exemple considéré, la base 11 du robot médical 10 est équipée de roues motorisées, ce qui permet au robot médical 10 de se déplacer selon différentes directions par des mouvements de translation et/ou de rotation.
Le robot médical 10 comporte en outre un bras robotisé 13 articulé dont une extrémité est reliée à la base 11. A l'autre extrémité du bras robotisé 13 est fixé un guide-outil 14 destiné à guider un instrument médical 15, comme par exemple une aiguille, une sonde, un cathéter, une électrode, etc. Le robot médical 10 peut alors être utilisé pour aider un praticien à positionner, maintenir, ou guider l'instrument médical 15 au cours de l'intervention médicale. Le robot médical 10 joue alors le rôle d'une troisième main pour le praticien.
Dans l'exemple considéré et illustré sur la figure 2, le bras robotisé 13 comporte six articulations rotoïdes 131 à 136 conférant six degrés de liberté
permettant de positionner et/ou déplacer l'instrument médical 15 dans n'importe quelle position de l'espace tri-dimensionnel. Avantageusement, les articulations 131 à 135 du bras robotisé 13 ne sont pas alignées et présentent un décalage les unes par rapport aux autres, ce qui permet un plus grand nombre de configurations possibles du bras robotisé
13. Chaque articulation comprend au moins un codeur permettant de connaître en temps réel sa position angulaire. Une configuration du bras robotisé 13 correspond alors à un ensemble de valeurs de paramètres prises par les articulations 131 à 136 (par exemple la valeur d'un angle de rotation pour chaque articulation).
L'articulation rotoïde

9 136 correspond à une rotation autour de l'axe principal du guide-outil 14. Il convient de noter qu'il n'est toutefois pas nécessaire d'effectuer une rotation autour de l'axe de symétrie de l'instrument médical (cinq degrés de liberté sont en effet suffisants pour guider et relâcher un instrument médical). Ce degré de liberté supplémentaire permet d'être en situation de redondance et d'avoir une infinité de configurations possibles du bras robotisé 13 pour une position donnée du guide-outil 14. Cette situation de redondance est particulièrement utile pour s'adapter à des contraintes liées à
la position du patient ou à la configuration de la salle d'intervention.
Tel qu'illustré sur la figure 3, le guide-outil 14 est fixé sur le bras robotisé 13 par l'intermédiaire d'une bride 17. Le guide-outil comporte un axe principal représenté sur la figure 3 par une ligne en pointillé. Le guide-outil 14 est couplé à un capteur de force 16 pour permettre à l'unité de contrôle 12 de déterminer une force exercée sur le guide-outil 14. Cette force peut notamment être exercée par le praticien lorsqu'il déplace manuellement le bras robotisé 13. Cette force peut également correspondre à une force exercée sur le guide-outil 14 via l'instrument médical 15 par le corps du patient (par exemple suite à un mouvement accidentel du patient pendant l'insertion de l'instrument médical).
Il convient de noter que le capteur de force permet de mesurer une force totale correspondant à la résultante des forces et des moments subis par le capteur de force 16 (incluant non seulement la force exercée par le praticien mais aussi le poids du guide-outil 14, le poids de l'instrument médical 15, etc.). L'unité de contrôle est configurée pour déterminer la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14 en fonction de la résultante des forces et des moments subis par le capteur de force 16. Il convient par exemple pour cela de retrancher à la force totale la force correspondant au poids du guide-outil 14, la force correspondant au poids de l'instrument médical 15 si celui-ci est maintenu par le guide-outil 14, un couple dû à la différence entre le point de mesure et le centre de masse du guide-outil, et/ou une compensation éventuelle liée aux bruits de mesure. Il est également envisageable de procéder à du filtrage sur les mesures effectuées par le capteur de force 16.
Tel qu'illustré sur les figures 4 et 5, le guide-outil 14 comporte un corps avec une base 142 destinée à être fixée à la bride 17 à l'aide de vis 143, ainsi qu'un système de maintien 146 comportant deux parties mobiles l'une par rapport à
l'autre.
Le système de maintien 146 est destiné à maintenir l'instrument médical 15 au niveau de l'extrémité du corps 141 du guide-outil 14 opposée à la base 142. Les deux parties mobiles du système de maintien 146 peuvent être entrainées par un système d'entrainement tel qu'un engrenage, une came, une vis à filets inversés et/ou actionneur

10 PCT/FR2022/050456 linéaire, afin de bloquer ou libérer l'instrument médical 15. L'actionneur linéaire peut être réversible (le système de maintien 146 du guide-outil 14 peut alors être ouvert manuellement ou automatiquement sur commande de l'unité de contrôle 12) ou non réversible (le système de maintien 146 du guide-outil 14 ne peut être ouvert que de 5 façon automatique sur commande de l'unité de contrôle). Le guide-outil 14 permet par exemple de guider des instruments médicaux de différents diamètres. Par exemple, un tel guide permet de guider des instruments médicaux dont le diamètre est compris entre

11 et 21 gauges. La gauge est une unité de mesure couramment utilisée pour définir le diamètre externe d'un instrument médical telle qu'une aiguille, une sonde ou un cathéter 10 (11 gauges correspondent à un diamètre externe de 2.946 mm ; 21 gauges correspondent à un diamètre externe de 0.812 mm).
Tel qu'illustré sur la figure 1, le robot médical 10 comporte une unité de contrôle 12 configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé 13.
L'unité de contrôle 12 comporte par exemple un ou plusieurs processeurs 122 et une mémoire 121 (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans laquelle est mémorisée un produit programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre les différentes étapes d'un procédé de positionnement du bras robotisé 13.
Tel qu'illustré sur la figure 7, un système de navigation 30 peut être utilisé
pour fournir à l'unité de contrôle 12 du robot médical 10 des informations relatives à une position courante du guide-outil 14 et à une position cible que le guide-outil doit atteindre. La position courante et la position cible fournies sont par exemple initialement définies dans un repère du système de navigation 30 puis transformées en positions dans un repère du robot médical 10 par l'unité de contrôle 12. L'unité de contrôle 12 peut alors être configurée pour déplacer automatiquement (dans un mode dit de pilotage automatique , sans intervention du praticien) le bras robotisé 13 de telle sorte qu'il atteigne la position cible. Le système de navigation 30 et l'unité
de contrôle

12 du robot médical 10 peuvent s'échanger des données via des moyens de communication (filaire ou sans fil).
Dans la présente demande, le terme position correspond à la combinaison de la position et de l'orientation d'un objet dans un repère donné qui est généralement un système de coordonnées en trois dimensions. Le terme pose est employé
dans la littérature anglo-saxonne pour représenter cette combinaison de la position et de l'orientation d'un objet dans l'espace.
Dans l'exemple considéré, le système de navigation 30 est un système de navigation optique. Le système de navigation 30 comporte au moins deux capteurs optiques 31 correspondant par exemple à deux capteurs d'une caméra stéréoscopique fonctionnant dans le domaine des rayonnements infrarouges ou dans le domaine de la lumière visible.
Tel qu'illustré sur les figures 4 et 5, le guide-outil 14 comporte des plots destinés à accueillir des marqueurs optiques 147. Avantageusement, le guide-outil 14 comporte au moins trois marqueurs optiques 147 de telle sorte que la position du guide-outil 14 puisse être déterminée dans les trois dimensions spatiales du référentiel du système de navigation 30. Les positions respectives des marqueurs optiques 147 du guide-outil les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le dispositif de navigation 30 et/ou par l'unité de contrôle 12. Avantageusement, la forme géométrique de chaque marqueur optique 147 peut également être connue a priori. Dans l'exemple illustré à la figure 5, les marqueurs optiques 147 sont de forme sphérique.
L'utilisation d'au moins trois marqueurs optiques 147 permet de définir un plan et donc un repère tridimensionnel orthonormé direct avec un axe z normal au plan et des axes x et y dans le plan de façon que le repère soit direct. Cela permet ainsi de déterminer la position et l'orientation du repère formé à partir des marqueurs optiques 147 qui représentent le guide-outil 14. Les trois axes x, y et z permettent de définir six degrés de liberté, à savoir une translation selon chacun des axes x, y ou z et une rotation autour de chacun de ces axes.
Les marqueurs optiques 147 peuvent être passifs ou actifs. Des marqueurs optiques passifs réfléchissent un rayonnement optique émis par un autre élément, comme par exemple le système de navigation 30. Des marqueurs optiques passifs peuvent correspondre par exemple à des sphères réfléchissantes détectables par une caméra stéréoscopique infrarouge (c'est ce qui est utilisé par exemple dans les systèmes de navigation Polaris fabriqués par la société Northern Digital Inc.), ou à des motifs noir et blanc visibles par une caméra stéréoscopique (c'est ce qui est utilisé par exemple dans le système de navigation MicronTracker de la société ClaroNav).
Des marqueurs optiques actifs émettent eux-mêmes un rayonnement optique, par exemple un rayonnement infrarouge, détectable par le système de navigation 30.
Tel qu'illustré sur la figure 7, l'ensemble des marqueurs 147 présents sur le guide-outil 14 correspondent à une référence robot 18.
Il convient toutefois de noter qu'un seul marqueur optique présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions pourrait être utilisé à
la place de l'ensemble des marqueurs optiques 147 sphériques.
Une référence patient 22 est positionnée sur le patient 20 à proximité de l'anatomie d'intérêt. La figure 6 représente schématiquement la référence patient 22. La référence patient 22 comporte au moins trois marqueurs optiques 23, de telle sorte que la position de la référence patient 22 puisse être déterminée dans les trois dimensions spatiales du référentiel du système de navigation 30. Les positions respectives des marqueurs optiques 23 de la référence patient 22 les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le système de navigation 30 et/ou par l'unité de contrôle 12.
Avantageusement, la forme géométrique de chaque marqueur optique 23 peut également être connue a priori. Dans l'exemple illustré à la figure 6, la référence patient 22 comporte trois marqueurs optiques 23 de forme sphérique. La forme sphérique permet d'optimiser la réflexion du rayonnement optique. Ce qui a été mentionné
précédemment pour le type actif ou passif des marqueurs optiques 147 du guide-outil 14 est également vrai pour les marqueurs optiques 23 de la référence patient 22. La encore, il serait envisageable d'utiliser un seul marqueur optique présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions à la place des trois marqueurs optiques 23 sphériques.
Dans la suite de la description, on considère à titre d'exemple nullement limitatif que les capteurs optiques 31 du système de navigation 30 et les différents marqueurs optiques 147, 23 sont conçus pour fonctionner avec un rayonnement optique de type infrarouge. On considère en outre que les marqueurs optiques 147, 23 sont des marqueurs passifs. Les capteurs optiques 31 sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge est réfléchi par les différents marqueurs optiques 147, 23 vers les capteurs optiques 31. Les capteurs optiques 31 sont configurés pour recevoir ce rayonnement infrarouge réfléchi. Le système de navigation 30 peut alors déterminer la distance entre un marqueur optique 147, 23 et un capteur optique 31 en mesurant le temps pris par un rayon infrarouge pour faire le trajet aller-retour entre ledit capteur optique 31 et ledit marqueur optique 147, 23. En connaissant la distance entre chaque marqueur optique 147, 23 et chaque capteur optique 31, et en connaissant a priori l'agencement des marqueurs optiques 147, 23 les uns par rapport aux autres sur le guide-outil 14 et sur la référence patient 22, il est possible de déterminer la position du guide-outil 14 et de la référence patient 22 dans le référentiel du système de navigation 30.
La position cible que le guide-outil 14 doit atteindre peut notamment être définie à partir de la position de la référence patient 22. Dans ce but, et tel qu'illustré sur la figure 6, la référence patient 22 comprend également des marqueurs radio-opaques 24 qui sont visibles sur une image médicale acquise par un dispositif d'imagerie médicale (par exemple par tomodensitométrie, par résonance magnétique, par ultrasons, par tomographie, par émission de positions, etc.). Les positions respectives

13 des marqueurs radio-opaques 24 les uns par rapport aux autres sont connues a priori par le dispositif de navigation 30 et/ou par l'unité de contrôle 12.
Avantageusement, la forme géométrique des marqueurs radio-opaques 24 peut également être connue a priori. De préférence, la référence patient 22 comporte au moins trois marqueurs radio-opaques 24. Les marqueurs radio-opaques 24 peuvent être par exemple des billes en céramique. Il convient toutefois de noter qu'un unique marqueur radio-opaque présentant une forme géométrique caractéristique en trois dimensions pourrait être utilisé à la place des trois marqueurs radio-opaques 24 sphériques.
Il est ainsi possible de planifier l'intervention médicale à partir d'une image médicale pré-interventionnelle 40 du patient muni de la référence patient 22.
Cette image médicale pré-interventionnelle 40 est mémorisée dans la mémoire 121 de l'unité
de contrôle 12. Il est alors possible, à partir de l'image médicale pré-interventionnelle 40, de définir la position cible que doit prendre le guide-outil 14 pour guider l'instrument médical 15 pour effectuer l'intervention médicale. La planification comprend la détermination, sur l'image pré-interventionnelle 40, de la trajectoire 41 devant être suivie par l'instrument médical 15 (par exemple une aiguille) entre un point d'entrée au niveau de la peau du patient 20 et d'un point cible (par exemple une tumeur) dans l'anatomie d'intérêt du patient 20. La référence 42 sur la figure 7 représente l'ensemble des marqueurs radio-opaques 24 de la référence patient 22 visibles sur l'image pré-interventionnelle 40 (cela représente donc l'image de la référence patient 22 sur l'image pré-interventionnelle 40). La position cible du guide-outil 14 permettant de suivre la trajectoire 41 peut alors être définie par rapport à la position de la référence patient 22.
Il convient de noter que la détermination de la trajectoire peut également être réalisée sur une image pré-opératoire acquise plusieurs jours avant l'intervention (image acquise sans que le patient ne soit muni de la référence patient). L'image pré-opératoire peut alors être recalée avec l'image pré-interventionnelle 40 sur laquelle la référence patient est visible, afin d'obtenir une position relative de la référence patient 22 par rapport à la trajectoire.
Dans l'exemple considéré, le système de navigation 30 est configuré pour fournir à l'unité de contrôle 12 du robot médical 10 la position courante du guide-outil 14 dans le référentiel du système de navigation 30. Or, l'unité de contrôle 12 du robot médical 10 connaît la position courante du guide-outil 14 dans le référentiel du robot médical 10 (via les codeurs des articulations 131 à 136). L'unité de contrôle 12 peut donc déterminer la transformation à opérer pour définir une position dans le référentiel du robot médical 10 à partir d'une position dans le référentiel du dispositif de navigation 30. Le système de navigation 30 est également configuré pour fournir à l'unité
de

14 contrôle 12 du robot médical la position de la référence patient 22 dans le référentiel du système de navigation 30. L'unité de contrôle 10 peut alors définir la position de la référence patient 22 dans le référentiel du robot médical 10. Or, grâce à
l'image pré-interventionnelle 40, l'unité de contrôle 12 du robot médical 10 connaît la position de la .. position cible que doit atteindre le guide-outil 14 par rapport à la position de la référence patient 22. L'unité de contrôle 12 peut donc déterminer la position cible que doit atteindre le guide-outil 14 à partir des informations fournies par le système de navigation 30.
L'unité de contrôle 12 peut alors être configurée pour déplacer automatiquement (dans un mode dit de pilotage automatique , sans intervention du praticien) le bras robotisé
13 de telle sorte qu'il atteigne la position cible.
Les déplacements du bras robotisé 13 sont par exemple conditionnés à la sélection d'un mode de pilotage sur une interface utilisateur du robot médical 10 et à
l'activation du mode sélectionné par une pédale de commande 19.
Un mode dit de pilotage manuel coopératif correspond à un mode dans .. lequel le praticien peut déplacer lui-même manuellement le bras robotisé 13 avec toutefois un contrôle du déplacement du bras robotisé 13 par l'unité de contrôle 12 (afin de limiter la vitesse et/ou les directions possibles de déplacement du bras robotisé 13).
Un mode dit de pilotage automatique correspond à un mode dans lequel le bras robotisé 13 est complètement contrôlé par l'unité de contrôle 12. Le bras robotisé
13 est alors déplacé de façon automatique, sans l'intervention du praticien.
Il existe plusieurs modes de pilotage manuel coopératif .
Un mode dit de pilotage manuel coopératif d'approche correspond par exemple à un mode dans lequel le praticien déplace le bras robotisé 13 pour approcher le guide-outil 14 à une position d'approche 101 relativement proche de l'anatomie d'intérêt du patient et pour que le bras robotisé 13 entre dans le champ de vision du système de navigation 30. Dans ce mode, il est intéressant de contrôler la vitesse de déplacement du bras robotisé 13 en fonction de la force exercée par le praticien sur le bras robotisé 13. Dans ce mode, le déplacement du bras robotisé 13 est généralement autorisé dans toutes les directions.
Le bras robotisé peut ensuite être déplacé automatiquement (dans le mode de pilotage automatique ) de la position d'approche 101 à la position d'insertion 102. La position d'insertion 102 correspond à la position cible à laquelle doit être positionnée le guide-outil 14 pour que l'instrument médical 15 puisse suivre la trajectoire planifiée.
Un mode dit de pilotage manuel coopératif de dégagement correspond par exemple à un mode dans lequel, après une insertion partielle de l'instrument médical

15 dans le corps du patient 20, l'instrument médical 15 peut être libéré du dispositif de maintien 146 du guide-outil 14 et le bras robotisé 13 peut être dégagé
manuellement par le praticien de la position d'insertion 102 vers une position dégagée 103.
De telles dispositions permettent de déplacer le patient 20 pour réaliser une image médicale de contrôle après l'insertion partielle de l'instrument médical 15 (par exemple pour vérifier 5 .. que la trajectoire prise par l'instrument médical correspond avec la trajectoire planifiée).
Dans ce mode, il peut être avantageux de configurer l'unité de contrôle 12 pour asservir le bras robotisé 13 de sorte à interdire le déplacement du guide-outil 14 selon au moins une direction, voire pour limiter le déplacement du guide-outil 14 selon une seule direction correspondant à l'axe principal 145 du guide-outil 14 (la direction de 10 dégagement suit l'axe principal 145 du guide-outil 14 selon une direction allant du dispositif de maintien 146 vers la base 142). Dans des modes particuliers de réalisation, lorsque le mode de pilotage manuel coopératif de dégagement est activé, l'unité de contrôle 12 est configurée pour mémoriser, en tant que position de référence, la position courante du guide-outil 14 par rapport à la position de la référence patient 22. La position 15 de référence est donc la position du guide-outil 14 à un premier instant ti auquel le mode de pilotage manuel coopératif de dégagement est activé.
Un mode dit de pilotage manuel coopératif de retour correspond par exemple à un mode dans lequel, après avoir effectué l'image de contrôle, le bras robotisé 13 est déplacé manuellement par le praticien pour que le guide-outil .. reprenne la position de référence qui avait été enregistrée lorsque le mode de pilotage manuel coopératif de dégagement avait été sélectionné. Cette position de référence correspond à la position d'insertion 102 (position cible que le guide-outil 14 doit atteindre). Le mode de pilotage manuel coopératif de retour est donc utilisé pour ramener le guide-outil 14 de la position dégagée 103 vers la position d'insertion 102, .. afin de finaliser l'insertion de l'instrument médical 15. Il est important que, dans son déplacement, le guide-outil 14 ne dépasse pas la position d'insertion 103 (autrement le guide-outil 14 ne serait pas ramené à la bonne position pour finaliser l'insertion, et il y aurait en outre une collision entre l'instrument médical partiellement inséré
et le guide-outil 14). Il peut être avantageux d'asservir le bras robotisé 13 de sorte à
limiter le déplacement du guide-outil 14 dans la direction selon l'axe principal 145 du guide-outil 14 (la direction de retour suit l'axe principal 145 du guide-outil 14 selon un sens allant de la base 142 vers le dispositif de maintien 146). D'autre part, il peut être avantageux de configurer l'unité de contrôle 12 pour contrôler la vitesse de déplacement du guide-outil 14 en fonction de la distance entre la position courante du guide-outil 14 et la position cible que le guide-outil 14 doit atteindre (correspondant à la position de référence enregistrée). Ainsi, pour un deuxième instant t2, l'unité de contrôle 12 est

16 configurée pour calculer la différence entre la position du guide-outil au deuxième instant t2 et la position de référence (position du guide-outil 14 au premier instant ti). La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est contrôlée de sorte que plus la distance calculée est courte (c'est-à-dire plus le guide-outil 14 est proche de sa position cible), et plus la vitesse de déplacement est faible, jusqu'à atteindre une vitesse nulle lorsque la position cible est atteinte. L'unité de contrôle 12 est configurée pour déterminer si la différence entre la position atteinte par le guide-outil 14 et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé. Si c'est le cas, alors il est considéré
que la position cible est atteinte. Il convient de noter que la position du guide-outil 14 est définie par rapport à la position de la référence patient 22. Lorsque la position cible est atteinte, le praticien peut finaliser l'insertion de l'instrument médical 15. Le seuil prédéterminé est par exemple égal à un millimètre, voire à un dixième de millimètre (0,1 mm), voire même à trois centièmes de millimètre (0,03 mm).
Lorsqu'un mode de pilotage manuel coopératif est activé, le praticien déplace le bras robotisé 13 en exerçant une force avec sa main sur le guide-outil 14. Le déplacement du bras robotisé 13 est toutefois contrôlé par l'unité de contrôle 12 qui exerce un asservissement en force (contrôle de la vitesse de déplacement du guide-outil 14) et en position (contrôle des directions de déplacement du guide-outil 14).
L'asservissement en force est régi par une loi de contrôle par admittance. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est contrôlée par l'unité de contrôle 12. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est calculée en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14, ladite force étant déterminée par l'unité de contrôle à l'aide du capteur de force 16.
Plus précisément, la force ainsi déterminée correspond à une donnée d'entrée d'une boucle d'asservissement. La donnée de sortie de cette boucle d'asservissement est une vitesse cartésienne de déplacement du guide-outil 14. La boucle d'asservissement est par exemple opérée à une fréquence de 125 Hz (dans ce cas la valeur de la vitesse de déplacement du guide-outil 14 est mise à jour toutes les 8 ms).
L'unité de contrôle 12 calcule une vitesse de déplacement du guide-outil 14 permettant d'annuler la force exercée par le praticien sur le guide-outil.
Autrement dit, la différence (également appelée erreur) entre la valeur de cette force déterminée à un instant courant (à chaque itération de la boucle d'asservissement) et la valeur de la force souhaitée (force nulle) est égale à la force déterminée. L'algorithme de la boucle d'asservissement vise à définir une vitesse de déplacement faisant tendre l'erreur vers .. zéro. Pour corriger cette erreur, un correcteur PID peut être utilisé (PID
est l'acronyme de Proportionnel, Intégral, Dérivateur , c'est un système de contrôle en boucle

17 fermée couramment utilisé dans l'industrie). L'erreur (c'est-à-dire l'écart entre la force déterminée et la force souhaitée) est la donnée d'entrée du correcteur PID qui donne en sortie une vitesse permettant d'avoir une erreur qui tend vers zéro.
Dans la suite, par souci de simplification, on ne considère que la partie proportionnelle du correcteur PID. Autrement dit, on fait comme si la partie intégrale et la partie dérivative étaient nulles.
La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est calculée en appliquant un facteur de gain à la force déterminée :
[Math.2]
lv I = G x If' où G est le facteur de gain, If I est la force déterminée par l'unité de contrôle (force exercée par le praticien sur le guide-outil 14) et Ivl est la vitesse de déplacement du guide-outil 14. Le facteur de gain G correspond au facteur de gain de la partie proportionnelle du correcteur PID.
Autrement dit, plus la force exercée par le praticien sur le guide-outil 14 est importante, et plus la vitesse de déplacement du guide-outil 14 calculée par l'unité de contrôle 12 est grande. Ainsi, lorsque le guide-outil 14 est relativement loin du patient et que le praticien exerce une force importante sur le guide-outil 14, le bras robotisé 13 se déplace de façon rapide, fluide et réactive. Par contre, lorsque le praticien exerce une force de faible amplitude sur le guide-outil 14 parce que le guide-outil 14 est proche de l'anatomie d'intérêt du patient, le bras robotisé 13 se déplace à faible vitesse pour garantir précision et sécurité.
Lorsque le guide-outil 14 est relativement proche de l'anatomie d'intérêt du patient, il faut toutefois que le mouvement du guide-outil 14 soit contrôlé
avec précision et à faible vitesse, pour atteindre la position d'insertion 102 de l'instrument médical avec exactitude. Aussi, il convient d'éviter des mouvements saccadés du bras robotisé 13 engendrés par des tremblements du praticien. Dans ce but, la valeur du facteur de gain est définie de sorte à être variable en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil. Par exemple le facteur de gain varie linéairement avec cette force lorsque cette force varie entre une valeur minimale Fmin et une valeur maximale Fmax.
La valeur du facteur de gain G(f) peut être définie ainsi :
[Math .1]
G(f) = K x (1+ IfI Fmin ) Si Fmin IfI Fmõ
Fmõ ¨ Fmin où K est une constante, If I est la force déterminée par l'unité de contrôle (force exercée par le praticien sur le guide-outil 14), Fmin et Fmax correspondent respectivement a une

18 valeur minimale et une valeur maximale pour la force pouvant être exercée par le praticien. Le gain est indéfini si if I est supérieur à F. : lorsque lfl est supérieur à F., la vitesse est plafonnée à une vitesse maximale V.. Le gain est nul si if I
est inférieur à Fmin : la vitesse est nulle si la force If' est inférieure à Fmm.
Le fait que le facteur de gain varie en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil permet d'éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé 13 engendrées par des tremblements du praticien (les tremblements correspondent à une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée). La variabilité du facteur de gain en fonction de la force exercée par le praticien sur le guide-outil permet de garantir précision et sécurité dans le déplacement du guide-outil 14 lorsque le guide-outil 14 est proche de l'anatomie d'intérêt du patient. En outre, une telle définition du facteur de gain permet une continuité de la vitesse de déplacement du guide-outil 14 lorsque la force exercée par le praticien sur le guide-outil varie entre Fmin et Fmax=
Alternativement à ce qui a été décrit en référence à l'équation Math.2, la vitesse de déplacement du guide-outil 14 peut également être calculée sous la forme :
[Math .3]
lv I = G x (If I ¨ Fmin) Les figures 8 et 9 décrivent cela plus en détail. La figure 8 correspond à un cas où le facteur de gain G est constant lorsque la force exercée par le praticien sur le guide-outil déterminée par l'unité de contrôle varie entre Fmin et F.. La figure 9 correspond à
un cas où le facteur de gain varie en fonction de la force déterminée (G est défini tel que dans l'expression Math.1). Chacune des figures 8 et 9 comporte quatre graphiques.
Le graphique de la partie a) des figures 8 et 9 représente la vitesse (M) de déplacement du guide-outil 14 en fonction de la force déterminée (if I). Le graphique de la partie b) des figures 8 et 9 représente l'accélération (lai) subie par le guide-outil 14 en fonction de la force déterminée (if I). Le graphique de la partie c) des figures 8 et 9 représente la force déterminée (if I) en fonction du temps (t) lorsque le praticien déplace le guide-outil 14 avec une force de faible amplitude variant avec une fréquence élevée (mouvement lent avec tremblements). Le graphique de la partie d) des figures 8 et 9 représente l'accélération (lai) subie par le guide-outil 14 en fonction du temps (t) lorsque la force déterminée varie tel qu'illustré sur le graphique de la partie c) (mouvement lent avec tremblements).
Dans le scénario correspondant à la figure 8, le facteur de gain G est constant lorsque la force déterminée varie entre Fmin et Fmax. Le facteur de gain G est nul lorsque la force déterminée est inférieure à Fmin. La vitesse de déplacement du guide-outil 14

19 est plafonnée à une vitesse maximale V. lorsque la force déterminée est supérieure à F.. Tel qu'illustré sur la partie a) de la figure 8, Ivl varie linéairement entre zéro et V. lorsque If I varie entre Fmin et F.. Ivl est nulle lorsque If' est inférieure à Fmin. Tel qu'illustré sur la partie a) de la figure 8, l'accélération lai subie par le guide-outil 14 prend alors une valeur constante A lorsque If I varie entre Fmin et Fmax.
L'accélération lai subie par le guide-outil 14 est nulle lorsque If' est inférieure à Fmin ou supérieure à F.. Il apparaît alors sur la partie d) de la figure 8 que, lorsque If I oscille autour de Fmin (force de faible amplitude exercée par le praticien avec des tremblements, tel qu'illustré sur la partie c) de la figure 8), alors l'accélération lai subie par le guide-outil 14 passe brusquement de la valeur nulle à la valeur A à chaque fois que la force déterminée If' passe au-dessus de Fmin. Inversement, l'accélération lai subie par le guide-outil 14 passe brusquement de la valeur A à la valeur nulle à chaque fois que la force déterminée If' passe en-dessous de Fmin. Une telle situation conduit à un mouvement saccadé du guide-outil 14.
Dans le scénario correspondant à la figure 9, le facteur de gain G varie linéairement avec la force déterminée If' lorsque If I varie entre Fmin et F..
Le facteur de gain G est nul lorsque la force déterminée est inférieure à Fmin. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 est plafonnée à une vitesse maximale Vmax lorsque la force déterminée est supérieure à F.. Tel qu'illustré sur la partie a) de la figure 9, Ivl varie de façon exponentielle entre zéro et Vmax lorsque If I varie entre Fmin et F.. Ivi est nulle lorsque If' est inférieure à Fmin. Tel qu'illustré sur la partie a) de la figure 9, l'accélération lai subie par le guide-outil 14 varie linéairement entre une valeur minimale Amin et une valeur maximale Amax lorsque If' varie entre Fmin et Fmax.
L'accélération lai subie par le guide-outil 14 est nulle lorsque If' est inférieure à Fmin ou supérieure à F..
II apparaît alors sur la partie d) de la figure 9 que, lorsque If I oscille autour de Fmin (force de faible amplitude exercée par le praticien avec des tremblements, tel qu'illustré sur la partie c) de la figure 9), alors l'accélération lai subie par le guide-outil 14 passe de la valeur nulle à la valeur Amin à chaque fois que la force déterminée If I passe au-dessus de Fmin, lai varie de façon continue et linéaire avec If I quand If I est supérieure à Fmin, et lai passe de la valeur Amin à la valeur nulle à chaque fois que la force déterminée If' passe en-dessous de Fmin. La valeur Amin est toutefois significativement plus faible que la valeur A. Les variations de l'accélération lai subie par le guide-outil 14 représentées sur la partie d) de la figure 9 sont nettement moins importantes que les variations représentées sur la partie d) de la figure 8. Ainsi, en faisant varier la valeur du facteur de gain G en fonction de la force déterminée permet d'éviter des saccades dans le déplacement du bras robotisé 13 engendrées par des tremblements du praticien.

Il convient de noter que la définition du facteur de gain G proposée par l'équation [Math.1] n'est qu'un exemple non limitatif. Il est bien sûr envisageable de définir le facteur de gain G de façon différente tout en le faisant varier en fonction de la force déterminée. Le choix d'une définition particulière du facteur de gain G
n'est qu'une 5 variante de l'invention.
Pour l'asservissement en position, la vitesse calculée en sortie du correcteur PID est multipliée par une matrice de sélection. Cette matrice de sélection permet de sélectionner les directions devant être asservies en position en appliquant un coefficient multiplicatif égal à zéro dans les directions interdites et un coefficient multiplicatif égal à
10 un dans les directions autorisées. La vitesse obtenue après application de la matrice de sélection correspond à la vitesse de déplacement du guide-outil 14.
Comme cela a déjà été mentionné précédemment, en mode de pilotage manuel coopératif il peut être avantageux de configurer l'unité de contrôle 12 pour asservir le bras robotisé 13 de sorte à interdire le déplacement du guide-outil 14 selon 15 au moins une direction, voire pour limiter le déplacement du guide-outil 14 selon une seule direction correspondant à l'axe principal 145 du guide-outil 14, notamment pour dégager le guide-outil 14 dans la position dégagée 103 (mode de pilotage manuel coopératif de dégagement ) ou pour ramener le guide-outil 14 de la position dégagée 103 vers la position d'insertion 102 (mode de pilotage manuel coopératif de retour ).

20 D'autre part, comme cela a déjà été mentionné précédemment pour le mode de pilotage manuel coopératif de retour , il peut être avantageux de configurer l'unité
de contrôle 12 pour contrôler la vitesse de déplacement du guide-outil 14 en fonction de la distance entre la position courante du guide-outil 14 et la position cible que le guide-outil 14 doit atteindre. La vitesse de déplacement du guide-outil 14 peut notamment être contrôlée de sorte que plus cette distance est courte (c'est-à-dire plus le guide-outil 14 est proche de sa position cible), et plus la vitesse de déplacement est faible, jusqu'à
atteindre une vitesse nulle lorsque la position cible est atteinte.
Pour le mode de pilotage manuel coopératif d'approche , il n'y a pas d'asservissement de position : le déplacement du guide-outil 14 n'est contraint dans aucune direction. Seul un asservissement en force est opéré dans ce mode.
L'unité de contrôle 12 du robot médical 10 peut en outre être configurée pour détecter une situation de risque de blessure par l'instrument médical 15, par exemple lorsque le patient 20 effectue un mouvement inattendu alors que l'instrument médical 15 n'est pas encore libéré du guide-outil. Une telle situation peut en effet conduire à une blessure du patient par l'instrument médical (par exemple un endommagement des tissus sains de l'anatomie d'intérêt ou d'une autre partie du corps

21 du patient par l'instrument médical). Des mesures peuvent alors être prises pour éviter de blesser le patient lorsqu'une telle situation est détectée.
Dans des modes particuliers de réalisation, le guide-outil 14 du robot médical comporte un actionneur permettant de libérer instantanément l'instrument médical 5 15. L'actionneur est commandé par l'unité de contrôle 12 du robot médical pour écarter les deux parties mobiles du dispositif de maintien 146, libérant ainsi l'instrument médical 15. L'unité de contrôle 12 est configurée pour commander le guide-outil 14 de relâcher l'instrument médical 15 lorsqu'une situation particulière de risque de blessure est détectée.
10 Selon un premier exemple, une situation particulière de risque de blessure est détectée lorsque l'unité de contrôle 12 reçoit une information en provenance du système de navigation 30 indiquant un déplacement inattendu de la référence patient 22 (changement de position de la référence patient 22 représentatif d'un mouvement inattendu du patient 20).
Selon un deuxième exemple, un mode d' insertion de l'instrument médical peut être sélectionné via l'interface utilisateur et activé via la pédale de commande 19.
Dans ce mode, l'unité de contrôle 12 est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil 14 et l'unité de contrôle 12 est configurée pour déterminer, à
l'aide du capteur de force, une force exercée sur l'instrument médical 15. Une situation particulière de risque de blessure est par exemple détectée lorsque la force exercée sur l'instrument médical est supérieure à une valeur seuil prédéterminée (un mouvement inattendu du patient 20 a pour conséquence d'exercer une force sur le capteur de force 16 via l'instrument médical 15). Selon un autre exemple, une situation particulière de risque de blessure est détectée lorsqu'une variation de la force exercée sur l'instrument médical sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée La libération automatique de l'instrument médical 15 peut être accompagnée d'un dégagement automatique du bras robotisé 13 dans la direction de dégagement (direction selon l'axe principal 145 du guide-outil 14 vers la base 11 du robot médical).
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes .. caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés.
En particulier, le fait de définir la vitesse de déplacement du guide-outil 14 à
partir d'un facteur de gain qui varie en fonction de la force exercée par le praticien permet un déplacement contrôlé, précis et sans saccades du bras robotisé 13 lorsque le praticien déplace manuellement le guide-outil 14 en exerçant une force de faible amplitude. Le déplacement du bras robotisé 13 reste fluide et réactif lorsque le praticien exerce une force de forte amplitude sur le guide-outil 14.

22 L'asservissement en force et en position du bras robotisé 13 permet de dégager le guide-outil 14 de façon sécurisée après une insertion (éventuellement partielle) de l'instrument médical 15. Si nécessaire, l'invention permet en outre de ramener le guide-outil 14 à la position d'insertion de façon sûre et précise.
Enfin, la libération automatique d'urgence de l'instrument médical 15 permet d'éviter de blesser le patient lorsque celui-ci fait un mouvement inattendu pendant l'intervention médicale.
Il convient de noter que l'invention a été décrite en utilisant un système de navigation optique. Rien n'empêcherait toutefois d'utiliser, dans une variante, un système de navigation électromagnétique à la place du système de navigation optique.
Dans ce cas, les différents marqueurs détectables par le système de navigation (marqueurs présent sur la référence patient 22, marqueurs présents sur le guide-outil 14) correspondraient alors à des capteurs électromagnétiques dont la position peut être déterminée par le système de navigation dans un champ électromagnétique généré.

Claims (12)

Revendications

1. Robot médical (10) pour assister un praticien lors d'une intervention médicale sur une anatomie d'intérêt d'un patient (20), ledit robot médical (10) comportant un bras robotisé (13) comportant à une extrémité distale un guide-outil (14) destiné à
guider un instrument médical (15), ainsi qu'une unité de contrôle (12) configurée pour contrôler le déplacement du bras robotisé (13), ledit guide-outil (14) étant couplé à
un capteur de force (16) et, lorsque le robot médical (10) est utilisé dans un mode de pilotage manuel coopératif , l'unité de contrôle (12) est configurée pour :
- déterminer, à l'aide du capteur de force (16), une force exercée par le praticien sur le guide-outil (14), - calculer une vitesse de déplacement du guide-outil (14) en fonction d'un facteur de gain appliqué à ladite force ainsi déterminée, - contrôler le déplacement du bras robotisé (13) en fonction de la vitesse ainsi calculée caractérisé en ce que la valeur dudit facteur de gain est variable et calculée en fonction de ladite force exercée par le praticien sur le guide-outil.

2. Robot médical (10) selon la revendication 1 dans lequel le facteur de gain correspond à un paramètre proportionnel d'un correcteur Proportionnel, Intégral, Dérivé mis en uvre par l'unité de contrôle (12).

3. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel l'unité de contrôle (12) est en outre configurée pour interdire le déplacement du guide-outil (14) selon au moins une direction.

4. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l'unité de contrôle (12) est en outre configurée pour limiter le déplacement du guide-outil (14) selon une seule direction correspondant à un axe principal (145) du guide-outil (14).

5. Robot médical selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la valeur du facteur de gain est définie ainsi :
où G(f) est le facteur de gain, K est une constante, lfl est la force exercée par le praticien sur le guide-outil (14) déterminée par l'unité de contrôle (12) à
l'aide du capteur de force (16), Fmm et Fmax correspondent respectivement a une valeur minimale et une valeur maximale pour la force exercée par le praticien.

6. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l'unité de contrôle (12) est configurée pour calculer la vitesse de déplacement du guide-outil (14) en outre en fonction d'une distance entre une position courante du guide-outil (14) et une position cible que le guide-outil doit atteindre.

7. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le bras robotisé (13) est un bras articulé présentant au moins six degrés de liberté.

8. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel, lorsque le robot médical (10) est utilisé dans un mode d' insertion de l'instrument médical , l'unité de contrôle (12) est configurée pour interdire tout déplacement du guide-outil (14), l'unité de contrôle (12) est configurée pour déterminer, à
l'aide du capteur de force (16), une force exercée sur l'instrument médical (15), le guide-outil (14) comprend des moyens pour relâcher automatiquement l'instrument médical (15) sur commande de l'unité de contrôle (12), et l'unité de contrôle (12) est configurée pour commander le guide-outil (14) de relâcher l'instrument médical (15) lorsque la force exercée sur l'instrument médical (15) est supérieure à une valeur seuil prédéterminée ou lorsqu'une variation de la force exercée sur l'instrument médical (15) sur une période de temps donnée est supérieure à une valeur seuil prédéterminée.

9. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le guide-outil (14) comporte au moins un marqueur (147) détectable par un système de navigation (30) et l'unité de contrôle (12) est configurée pour :
- recevoir, en provenance dudit système de navigation (30), une première information relative à une position du guide-outil (14) dans un repère du système de navigation (30), - recevoir, en provenance dudit système de navigation (30), une deuxième information relative à une position cible, dans le repère du système de navigation (30), que le guide-outil (14) doit atteindre, - déterminer la position cible, dans un repère du robot médical (10), à
l'aide de la deuxième information, - déplacer le bras robotisé (13), dans un mode de pilotage automatique , sans intervention du praticien, pour que le guide-outil (14) atteigne la position cible.

10. Robot médical (10) selon la revendication 9 dans lequel la deuxième information correspond à une position, dans le repère du système de navigation (30), d'une référence patient (22) destinée à être positionnée sur le patient (20) à
proximité de l'anatomie d'intérêt, ladite référence patient (22) comportant au moins un marqueur (23) détectable par le système de navigation (30) et au moins un marqueur radio-opaque (24), et l'unité de contrôle (12) est configurée pour déterminer la position cible du guide-outil (14) à partir de la position de la référence patient (22) et à partir d'une trajectoire que doit suivre l'instrument médical (15) pour effectuer l'intervention médicale, ladite trajectoire étant définie relativement à la position de la référence patient (22) à l'aide d'une image médicale pré-interventionnelle (40) sur laquelle est visible l'anatomie d'intérêt du patient et ledit au moins un marqueur radio-opaque (24) de la référence patient (22).

11. Robot médical (10) selon la revendication 10 dans lequel l'unité de contrôle (12) est configurée pour :
- mémoriser, en tant que position de référence, une position à un premier instant du guide-outil (14) par rapport à la position de la référence patient (22), - déterminer si une différence entre une position à un deuxième instant du guide-outil (14) et la position de référence est inférieure à un seuil prédéterminé.

12. Robot médical (10) selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11 dans lequel le guide-outil (14) comprend des moyens pour relâcher automatiquement l'instrument médical (15) sur commande de l'unité de contrôle (12), et l'unité
de contrôle (12) est configurée pour commander le guide-outil (14) de relâcher l'instrument médical (15) lorsque l'unité de contrôle (12) reçoit une information en provenance du système de navigation (30) indiquant un déplacement inattendu de la référence patient (22).