FR2972132A1

FR2972132A1 - Dispositif d'assistance a la manipulation d'un instrument ou outil

Info

Publication number: FR2972132A1
Application number: FR1151687A
Authority: FR
Inventors: Anja Marx; Marie Aude Vitrani; Guillaume Morel; Razvan Iordache; Serge Muller
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Pierre et Marie Curie Paris 6; General Electric Co
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Pierre et Marie Curie Paris 6; General Electric Co
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-07
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: JP2012179361A; FR2972132B1; CN102652675A; US9795361B2; JP5975676B2; US20130231561A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil, comportant : - une structure (100) mécanique articulée sur un support (15), sur laquelle un instrument ou outil (S) peut être fixé ; - des motorisations (11, 12, 13) actionnant la structure (100) mécanique articulée, selon un nombre de degrés de liberté inférieur à celui que ladite structure (100) confère à l'instrument ou outil (S) ; - une commande (16) automatique de ces moyens de motorisation ; caractérisé en ce que ladite commande (16) pilote les motorisations (11, 12,13) pour faciliter la satisfaction d'une contrainte sur des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil (S), lesdites motorisations (11, 12, 13) ne pouvant pas seules, indépendamment d'une manipulation par un opérateur, satisfaire entièrement ladite contrainte.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil au moyen d'une structure mécanique articulée. Elle trouve notamment mais non limitativement application en imagerie par exemple dans le cadre d'un examen échographique du sein des anomalies détectées en tomosynthèse du sein.

ETAT DE LA TECHNIQUE La tomosynthèse est une méthode d'imagerie en rayons X permettant io d'obtenir une représentation tridimensionnelle (3D) d'un objet d'intérêt sous la forme d'une série de coupes successives. Ces coupes sont reconstruites à partir de projections de l'objet d'intérêt sous diverses angulations. Pour ce faire, l'objet d'intérêt est généralement placé entre une 15 source émettrice de rayons X et un détecteur de rayons X. La source et/ou le détecteur sont mobiles, de sorte que la direction de projection de l'objet sur le détecteur peut varier (typiquement sur une plage angulaire de 300). On obtient ainsi plusieurs projections de l'objet d'intérêt sous différentes angulations, à partir desquelles on peut reconstruire une 20 représentation tridimensionnelle de l'objet d'intérêt, généralement par une méthode de rétroprojection bien connue de l'homme du métier. La tomosynthèse est particulièrement utilisée dans le dépistage et diagnostic du cancer du sein. Dans ce cas on parle de la tomosynthèse du sein ou de la mammographie 3D. 25 La figure 1 illustre schématiquement un dispositif 1 d'imagerie pour l'acquisition d'images de projection bidimensionnelle (2D) d'un organe B et pour la reconstruction en une image 3D de cet organe par tomosynthèse. Des rayons X, issus d'une source 4 sont émis selon différentes angulations vers l'organe B. Après avoir traversé l'organe B, ils sont 30 détectés par un détecteur 3 formant un ensemble d'images de projection.

Une représentation tridimensionnelle de l'organe B, typiquement en coupes (images) tomographique parallèles au détecteur 3 est reconstruite par une méthode de reconstruction tomographique bien connue de l'homme du métier.

Comme en mammographie classique 2D, le sein de la patiente est en particulier comprimé entre le détecteur 3 et une pelote 2 de compression pendant l'examen de tomosynthèse. Le praticien va analyser des coupes tomographiques pour détecter une éventuelle lésion. io Il peut arriver que le praticien souhaite conduire un examen complémentaire au moyen par exemple d'une sonde échographique sur une zone qu'il aura identifiée. Habituellement, l'examen d'échographie mammaire s'effectue avec la patiente étendue sur le dos ou légèrement tournée sur le côté. Le sein n'est 15 pas compressé. Pour localiser les lésions à évaluer avec la sonde échographique, le radiologue doit « superposer » mentalement l'image 3D de tomosynthèse sur le sein de la patiente. Cette superposition est très difficile, car la patiente est debout (ou assise) avec le sein compressé en tomosynthèse et allongée 20 sur le dos avec le sein non comprimé en échographie. Une solution à ce problème est d'effectuer l'examen échographique tout de suite après l'examen de tomosynthèse, avec la patiente dans la même position. Le sein de la patiente est compressé avant l'examen de tomosynthèse et décompressé une fois l'examen échographique terminé. Le 25 système de tomosynthèse doit être équipe avec une pelote de compression compatible avec l'examen échographique (la pelote doit être « transparente » aux ondes sonores émises par la sonde échographique). Dans ce cas-là, les images acquises par la sonde échographique et les coupes tomographiques correspondent à une même position du sein de 30 la patiente.

Toutefois pour amener la sonde au niveau de la lésion éventuelle, le praticien doit se servir des images tomographiques comme référence pour localiser la lésion. Ceci n'est pas sans difficulté car le praticien doit mentalement reconstruire à partir des images tomographiques la localisation dans l'espace de la lésion éventuelle. On connait déjà, en robotique, des dispositifs qui permettent d'assister un utilisateur au cours de la manipulation d'un instrument ou outil. Pour ce faire, le dispositif d'assistance permet d'imposer une io contrainte cinématique à l'instrument ou outil pour le positionner afin que l'utilisateur puisse effectuer une tâche. On précise que l'on entend par tâche une action définie selon un certain de nombre de degrés de liberté que l'utilisateur souhaite exercer avec l'instrument ou outil. 15 Ces dispositifs sont aujourd'hui complexes, encombrants et onéreux étant donnés qu'ils nécessitent de nombreuses motorisations. On connait par ailleurs, des dispositifs d'assistance dont la structure mécanique articulée est actionnée selon un nombre de degrés de liberté inférieur à celui que la structure confère à l'instrument ou outil. 20 Par exemple, en chirurgie, on connait déjà des bras articulés qui vont pré-positionner l'extrémité du bras sur laquelle est articulé l'outil. Une fois le bras ainsi pré-positionné, l'utilisateur peut faire effectuer à son outil un mouvement de translation ou de rotation particulier tandis que le bras reste contraint dans cette position. 25 De tels bras articulés ne permettent toutefois pas de guider l'utilisateur dans le mouvement qu'il donne à l'instrument ou à l'outil. Dans le cas particulier évoqué ci-dessus, ces dispositifs connus ne permettraient pas de guider le positionnement de la sonde échographique.

En effet, le nombre de motorisation est non seulement inférieur au nombre de degrés de liberté de l'outil mais aussi inférieur au nombre de degré de liberté nécessaire pour réaliser la tâche. Il existe donc un besoin pour un dispositif d'assistance à la manipulation d'un outil ou d'un instrument au moyen d'une structure mécanique articulée qui soit simple, peu onéreuse avec un nombre de motorisations réduit mais qui permette un réel guidage du mouvement de l'outil ou de l'instrument.

io PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet d'assister un praticien pour cibler et analyser une lésion dans une région d'intérêt au moyen d'un instrument ou outil qui permet de balayer une zone comportant une lésion éventuelle. Selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif d'assistance 15 à la manipulation d'un instrument ou outil, comportant : une structure mécanique articulée sur un support, sur laquelle un instrument ou outil peut être fixé ; des motorisations actionnant la structure mécanique articulée, selon un nombre de degrés de liberté inférieur à celui que ladite structure confère à l'instrument ou outil ; une commande automatique de ces moyens 20 de motorisation. Le dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil selon le premier aspect de l'invention est caractérisé en ce que ladite commande pilote les motorisations pour faciliter la satisfaction d'une contrainte sur des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou 25 outil, lesdites motorisations ne pouvant pas seules, indépendamment d'une manipulation par un opérateur, satisfaire entièrement ladite contrainte. D'autres aspects du dispositif selon l'invention sont les suivants : - les paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil correspondent à un nombre de degrés de liberté supérieur à celui 30 des degrés de liberté sur lesquels agissent les motorisations ; la commande pilote les motorisations pour que la structure mécanique confère à l'outil, en fonction des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil, une force ; la structure mécanique articulée est un bras comportant une articulation portant ou adapté à porter l'outil, l'effort étant transmis à l'instrument ou outil au niveau de cette articulation ; l'outil est une sonde échographique. Selon un second aspect, l'invention concerne un ensemble comportant un dispositif d'imagerie mammographique 3D comportant une io source de rayons X, un détecteur et une pelote de compression ; et un dispositif d'assistance à la manipulation selon le premier aspect de l'invention dans lequel l'outil est une sonde échographique. D'autres aspects de l'ensemble selon l'invention sont les suivants : la force est nulle lorsque le plan image de la sonde contient la 15 lésion et croit à mesure que la sonde s'éloigne de la cible ; la force est élastique et est définit par F =kit où k est une constante de raideur et où est la distance entre la sonde et la lésion ; la composante verticale de la force selon un axe perpendiculaire à 20 un plan contenant la pelote est nulle.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non 25 limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre la figure 1 déjà présentée : la figure 2 illustre un ensemble de ciblage et analyse conforme à un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 illustre une vue détaillée d'un dispositif d'assistance 30 conforme à un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 illustre le principe de l'assistance à la manipulation d'un instrument ou d'un outil conforme à un mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 illustre l'assistance à la manipulation d'un instrument ou d'un outil conforme à un mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Ensemble de ciblaqe et analyse La figure 2 illustre un ensemble de ciblage et analyse d'une lésion io d'un sein d'une patiente. L'ensemble de ciblage et analyse comprend un dispositif 1 d'imagerie médicale du type celui de la figure 1 ainsi qu'un dispositif 10 d'assistance à la manipulation d'un outil ou instrument tel qu'une sonde échographique S. L'outil ou instrument peut bien entendu être tout dispositif médical 15 qu'un praticien peut utiliser pour effectuer un examen ou procéder à une intervention chirurgicale. Dans le cas du ciblage et analyse d'une lésion du sein, la sonde échographique permet d'acquérir des images 2D du sein de la patiente selon un plan image U sécant à un plan contenant la pelote 2 de 20 compression. La figure 4 illustre une telle configuration. L'ensemble de ciblage et analyse comprend une unité 20 d'acquisition et de traitement des images acquises par le dispositif 1 d'imagerie médicale. Bien entendu ces deux fonctions peuvent être mises en oeuvre dans deux unités séparées. 25 Cette unité 20 d'acquisition et de traitement est programmée à la mise en oeuvre de procédé de traitement (par exemple de reconstruction d'une image 3D à partir d'images de projection 2D). Il peut s'agir par exemple d'un ordinateur, un processeur, un microcontrôleur, un micro-ordinateur, un automate programmable, un ou plusieurs circuits intégrés spécifiques d'application, d'autres circuits programmables, ou d'autres dispositifs qui incluent un ordinateur tel qu'une station de travail. En outre, l'unité 20 d'acquisition et de traitement est avantageusement programmée au calcul d'une position d'un objet d'intérêt tel qu'une lésion éventuelle du sein d'un(e) patient(e) et au calcul de la contrainte que le dispositif d'assistance 10 doit appliquer à la sonde S. De manière alternative, le calcul de la contrainte peut être effectué antérieurement par un autre dispositif. Toujours de manière alternative, la position d'un objet d'intérêt tel qu'une lésion éventuelle du sein d'un(e) io patient(e) peut être déterminée par l'utilisateur sur la base des images qu'il visualise à travers l'unité d'affichage 40. L'unité 20 d'acquisition et de traitement est couplée à une unité de stockage 8 qui peut être intégrée ou séparée de l'unité 25 d'acquisition et de traitement. 15 L'unité de stockage 30 peut être formée par un disque dur ou tout autre moyen de stockage amovible (un cd-rom, une disquette etc.). Il peut s'agir d'une mémoire ROM/RAM de l'unité 20 de traitement et d'acquisition, un CD-ROM, une clé USB, une mémoire d'un serveur central. L'unité 20 d'acquisition et de traitement peut comprendre un dispositif 20 de lecture (non représenté) par exemple un lecteur de disquettes ou un lecteur de CD-ROM, pour lire les instructions du procédé de traitement d'un support d'instructions (non représenté), comme une disquette ou un CD-ROM. En variante, elle peut exécuter des instructions d'un procédé de traitement stockées dans des micro-logiciels (non représentés). 25 Enfin, pour l'affichage des images issues soit du dispositif 1 d'imagerie médicale soit de la sonde échographique S, l'ensemble de ciblage et analyse comprend une unité d'affichage 40. L'unité d'affichage 40 est par exemple un écran d'ordinateur, un moniteur, un écran plat, un écran plasma ou tout type de dispositif 30 d'affichage connu du commerce. L'unité d'affichage 40 permet à un praticien radiologue de contrôler la représentation 3D du sein (échantillonnage du volume, orientation des coupes, etc.) et/ou l'affichage des images 2D acquises ainsi que le ciblage et analyse d'une lésion au moyen de la sonde échographique S.

Dispositif d'assistance à la manipulation de la sonde échoqraphique S La figure 3 illustre schématiquement un dispositif 10 d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil tel qu'une sonde échographique S. io Le dispositif d'assistance comporte une structure 100 mécanique articulée sur un support 15. A son extrémité 14 opposée au support 15, la structure 100 porte la sonde S échographique. Une telle structure 100 est par exemple un bras articulé du type 15 PHANToM Omni robot distribué par SensAble Technologies, Inc., Woburn, MA. Cette structure 100 confère à la sonde échographique S un certain nombre de degrés de liberté, en l'occurrence six. Elle présente en outre un certain nombre (ici trois) de motorisations 20 11, 12, 13 qui l'actionnent selon un certain nombre de degrés de liberté, en l'occurrence trois. De manière générale la structure 100 présente un nombre de motorisations qui actionnent la sonde S selon un nombre de degrés de liberté inférieur au nombre de degrés de liberté conféré par la structure 100. 25 Le dispositif d'assistance comprend en outre une commande 16 automatique des motorisations qui pilote les motorisations selon une contrainte sur des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument. Ce pilotage facilite la satisfaction d'une contrainte sur les paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument.

En particulier, les paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil S correspondent à un nombre de degrés de liberté supérieur à celui des degrés de liberté sur lesquels agissent les motorisations 11, 12, 13.

En effet, les motorisations ne peuvent pas seules, indépendamment de la manipulation par l'utilisateur, satisfaire entièrement la contrainte. De cette manière, le dispositif d'assistance permet d'aider l'outil à vérifier une contrainte correspondant à un nombre de degrés de liberté supérieur au nombre de degrés de liberté sur lesquels agissent les io motorisations 11, 12, 13. Dans le cas de l'assistance à la manipulation de la sonde échographique S pour cibler et analyser une lésion éventuelle du sein d'une patiente, comme cela est illustré sur la figure 4, la commande 16 donne aux motorisations 11, 12, 13 une consigne tendant à positionner la sonde 15 échographique S sur le plan n de la pelote 2 de compression du dispositif 1 d'imagerie médicale ou au voisinage du plan n de la pelote 2 de compression, de manière à ce que la lésion éventuelle soit visible par la sonde échographique S. Ainsi, elle pilote les trois motorisations 11, 12, 13 en leur fixant une 20 contrainte de manière à ce que la sonde échographique S soit mobile selon quatre degrés de liberté (représentés par les doubles flèches sur la figure 4) pour la sonde échographique S : deux translations sur la pelote 2 de compression, une rotation le long d'un vecteur normal à la pelote 2 de compression, 25 une rotation autour de l'intersection entre la pelote 2 de compression et un plan image U de la sonde échographique S. Par exemple, l'assistance conférée par la structure 100 mécanique articulée se traduit physiquement par une force transmise à la sonde échographique S dépendant de la position de la sonde échographique S sur 30 la pelote 2 de compression.

Alors que cette force seule ne suffit pas à guider la sonde échographique pour respecter une contrainte arbitraire, il a été constaté qu'elle est comprise intuitivement par l'utilisateur comme un indicateur quant à la manière de manipuler la sonde échographique S et que le guidage partiel ainsi réalisé donnait d'excellents résultats. Exemple d'application en tomosynthèse du sein Comme on l'a déjà mentionné, le dispositif d'assistance à la manipulation permet d'aider un praticien à positionner une sonde échographique S au niveau ou au voisinage de la lésion éventuelle détectée io dans les coupes issues du dispositif 1 d'imagerie médicale. Pour ce faire, la sonde échographique S est en contact avec la pelote 2 de compression, P étant un point de contact. Elle est en outre tenue par le praticien au dessus de son articulation sur la structure mécanique 100. C'est en fonction de la position de la lésion éventuelle par rapport à la 15 sonde S que les motorisations sont pilotées par la commande 16 du dispositif d'assistance. La structure 100 comporte des capteurs de mouvement qui lui permettent de connaitre la position et l'orientation de la sonde S dans un référentiel. 20 En fonction de cette position et orientation, l'unité de traitement 20 calcule les coordonnées du vecteur d reliant la lésion éventuelle ou cible notée 1 à son projeté lu sur le plan image U. La commande 16 reçoit en entrée ce vecteur d et pilote les motorisations 11, 12, 13. 25 Notamment, elle pilote ces motorisations pour que la structure 100 transmette au niveau de son articulation 14 une force F à la sonde S. Une telle force P dépend selon les cas de plusieurs paramètres. Pour expliciter la génération de l'effort F on se réfère à la figure 5. On définit deux repères orthonormés directs : Fp =(P,.xP,ÿP,P) un repère d'origine P, un point de la sonde, il peut par exemple être un point de contact entre la sonde et le plan contenant la pelote de compression 2, repère attaché à la sonde échographique S avec Zp un vecteur normal au plan U image de la sonde S échographique et ÿp le vecteur directeur de l'axe de symétrie du faisceau d'ultrason ; Fo =(O,xo,o,zo) un repère d'origine O attaché au plan n correspondant à la face la pelote de compression 2 sur laquelle la sonde échographique S est manipulée avec zo un vecteur normal io au plan n. La sonde échographique S est maintenue par le praticien au point H tel que PH =- PH ÿp . La structure mécanique 100 applique un effort F sur PT la sonde au point T tel que PT ÿp . Ce point T correspond à la jonction entre la sonde et la structure mécanique articulée. II s'agit de 15 l'extrémité 14 de la structure. La force est nulle lorsque le plan image U de la sonde S contient la lésion éventuelle de manière à laisser le praticien manipuler la sonde échographique S selon les degrés de libertés tels que la lésion éventuelle reste visible dans l'image échographique. 20 En outre, l'effort est tel qu'il croît lorsque la sonde échographique S s'éloigne de la cible I. La force F peut en particulier être choisie pour créer un rappel élastique si elle est définie par F = là où k est une constante de raideur. La force comporte trois composantes définies dans le repère Fo 25 attaché au plan n. De manière alternative, pour éviter des perturbations au niveau du contact entre la sonde échographique S et la pelote 2 de compression, la composante verticale de l'effort selon l'axe zo est nulle. Dans ce cas, la force F s'exprime par F = k[d - (d.o )o ]. Pour des raisons de stabilité il est souhaitable d'amortir les oscillations à l'extrémité du bras. Pour limiter les oscillations, on peut calculer la force F

par F = k[d - (d.zo )o 1 +c Ad où c est un coefficient d'amortissement constant. 4t

Toujours de manière alternative, la force peut prendre en compte la vitesse VT à l'extrémité 14 de la structure 100 mécanique. Dans cas, la force F s'exprime par F=k[d-(d.zo)zo]+cOd+cTvTou cT est une autre At

constante d'amortissement. io Enfin, la force F peut décharger le praticien du poids de la sonde S échographique. Dans ce cas, la force F s'exprime par

F = k[d - (d.zo)zo]+c -d +cTVT +mgzo où m est la masse de la sonde S 4t

échographique et g est la constante de gravitation. Résultats

15 Le dispositif a été testé expérimentalement avec un premier panel d'utilisateurs qui montre une amélioration en termes de précision et de durée du geste. En effet, la distance moyenne et la distance maximale entre le plan U image de la sonde échographique S et la cible I sont réduites grâce au dispositif et la durée d'exécution est diminuée. 20

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil (S), comportant : une structure (100) mécanique articulée sur un support (15), sur laquelle un instrument ou outil (S) peut être fixé ; des motorisations (11, 12, 13) actionnant la structure (100) mécanique articulée, selon un nombre de degrés de liberté inférieur à celui que ladite structure (100) confère à l'instrument ou io outil (S) ; une commande (16) automatique de ces moyens de motorisation ; caractérisé en ce que ladite commande (16) pilote les motorisations (11, 12,13) pour faciliter la satisfaction d'une contrainte sur des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil (S), lesdites motorisations 15 (11, 12, 13) ne pouvant pas seules, indépendamment d'une manipulation par un opérateur, satisfaire entièrement ladite contrainte.
2. Dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil selon la revendication 1 dans lequel les paramètres de position et/ou de 20 vitesse de l'instrument ou outil (S) correspondent à un nombre de degrés de liberté supérieur à celui des degrés de liberté sur lesquels agissent les motorisations (11, 12, 13).
3. Dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil 25 selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel ladite commande (16) pilote les motorisations pour que la structure (100) mécanique confère à l'outil, en fonction des paramètres de position et/ou de vitesse de l'instrument ou outil, une force (F ). 15
4. Dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la structure mécanique articulée est un bras comportant une articulation portant ou adapté à porter l'outil, l'effort (F) étant transmis à l'instrument ou outil au niveau de cette articulation.
5. Dispositif d'assistance à la manipulation d'un instrument ou outil selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel l'outil est une sonde (S) échographique.
6. Ensemble d'imagerie comportant : un dispositif d'imagerie mammographique comportant une source (4) de rayons X, un détecteur (3) et une pelote (2) de compression ; et un dispositif d'assistance à la manipulation selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel l'outil est une sonde (S) échographique.
7. Ensemble selon la revendication 6 dans lequel la force (F) est 20 nulle lorsque le plan image (U) de la sonde (S) contient la lésion (I) et croit à mesure que la sonde (S) s'éloigne de la cible (I).
8. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 7 dans lequel la force est élastique et est définit par F = kd où k est une constante de raideur et où 25 d est la distance entre la sonde (S) et la lésion (I).
9. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 8 dans lequel la composante verticale de la force selon un axe perpendiculaire (zo) à un plan (n) contenant la pelote (2) est nulle.