FR2974322A1 - Robot d'usinage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine des robots d'usinage, et en particulier un robot d'usinage (501) à au moins trois degrés de liberté en série. Ce robot d'usinage (501) comporte au moins un premier rail (505) en forme d'arc de cercle centré autour d'un premier axe de rotation (R1), un premier chariot (506) avec un actionneur (507) pour déplacer le premier chariot (506) sur le premier rail (505) autour du premier axe de rotation (R1), un deuxième rail (513) en forme d'arc de cercle centré autour d'un deuxième axe de rotation (R2) sensiblement perpendiculaire au premier axe de rotation (R1), le deuxième rail (513) étant monté pivotant sur le premier axe de rotation (R1) et solidaire au premier chariot (506), un deuxième chariot (514) avec un actionneur (516) pour déplacer le deuxième chariot (514) sur le deuxième rail (513) autour du deuxième axe de rotation (R2), et une tête d'usinage (504) montée sur le deuxième chariot (514) avec un vérin (521) pour déplacer la tête d'usinage (504) dans un axe de translation (T) par rapport au deuxième chariot (514).

Description

La présente invention concerne un robot d'usinage, en particulier d'usinage de masse osseuse pour des applications chirurgicales.

De nombreuses maladies telles que l'arthrose ou les rhumatismes ou encore certains types d'accidents conduisent à des dégradations des différentes articulations et notamment des grosses articulations telles que la hanche, le genou, l'épaule etc. Ces problèmes ou accidents se traduisent plus particulièrement par la destruction des cartilages constituant la surface d'articulation. Cette dégradation, notamment des cartilages, peut conduire à un handicap sérieux pour le patient qui en est victime et même à une incapacité lourde.

Dans ce domaine, on connaît bien les éléments de prothèse utilisés pour l'articulation du genou ou de la hanche.

Les éléments de prothèse utilisés dans ce cas nécessitent selon les techniques actuelles une résection importante des surfaces articulaires, cette résection se traduisant soit par la réalisation d'une surface plane à l'extrémité de l'os concerné, soit par la réalisation de plusieurs surfaces planes angulées les unes par rapport aux autres constituant une approximation de la surface réelle d'articulation.

Ce type d'éléments de prothèse nécessite pour sa mise en place une résection importante de l'os. Cette résection nécessite à son tour la mise en oeuvre d'un matériel chirurgical lourd pour définir précisément le plan ou les plans de la surface de résection à réaliser. En outre, la surface de résection étant plane ou constituée par plusieurs portions de plan, il est nécessaire de prévoir un ancrage très important en profondeur de l'élément de prothèse dans la partie de l'os associé à la surface articulaire pour assurer la solidarisation de la prothèse. Ces éléments d'ancrage tels que vis, broches, plots, etc. nécessitent le forage de trous d'ancrage importants dans l'os à traiter. Ce forage ou perçage important nécessite à son tour la mise en oeuvre d'un matériel chirurgical lourd. En outre, l'importance du forage ou du perçage dans l'os peut entraîner des conséquences dommageables pour la partie de l'os qui a subi cette perforation, notamment en ce qui concerne sa résistance mécanique

lorsque des contraintes sont appliquées aux os constituant cette articulation lors de mouvements effectués puisque, par sa longueur, L'élément d'ancrage reporte l'effort en une zone de l'os qui n'est pas prévue pour supporter cet effort.

En outre, des tels éléments de prothèse connus n'offrent pas aux praticiens un choix suffisant de gamme pour répondre aux degrés de liberté articulaire choisis. Enfin, les moyens d'ancrage restent encore un élément d'interrogation en ce qui concerne leur solidité, leur stabilité et leur usure.

Afin de résoudre ces inconvénients, le brevet français FR 2 737 970 décrit des éléments de prothèse articulaire qui permettent de diminuer l'importance de la résection à réaliser sur les têtes d'os de l'articulation à traiter et qui par leur forme particulière permettent de réduire très sensiblement l'importance des moyens d'ancrage mécanique de l'élément de prothèse et de la forme de la résection. Les prothèses décrites dans ce brevet permettent de reconstituer la forme anatomique qu'avait initialement la tête de l'os et de limiter le plus possible l'importance de l'enlèvement d'os à réaliser pour la mise en place de l'élément de prothèse. En outre, du fait que la résection à réaliser est plus limitée que dans les techniques antérieures, cela présente l'avantage que si une nouvelle intervention s'avérait nécessaire, le praticien disposerait encore d'une réserve de matière osseuse utilisable pour une nouvelle résection en vue de la mise en place d'un nouvel élément de prothèse.

La résection à réaliser pour la mise en place de ces éléments de prothèse présente une surface complexe. En outre, une grande précision est souhaitable dans cette résection pour assurer une bonne fixation des éléments de prothèse. Typiquement, un praticien opère la résection manuellement à l'aide de guides. Toutefois, ces guides offrent une assistance limitée à l'heure de couper une surface complexe dans l'os. Ainsi, la précision dans la résection dépendra en grande partie de la dextérité de chaque praticien. En outre, si la prothèse est individualisée, la transposition des dimensions et position individuelles de la résection aux guides utilisés peut être difficile.

Récemment, afin d'assister les praticiens et de leur permettre d'obtenir une plus grande précision dans leurs opérations, il a été proposé d'utiliser des dispositifs robotiques dans la chirurgie. Toutefois, pour une application telle que l'usinage d'une surface de résection complexe dans une masse osseuse, un robot d'usinage doit répondre à des contraintes qui peuvent être contradictoires. Ainsi, d'une part, lors de l'usinage de la matière osseuse, les forces en jeu sont particulièrement importantes. Pour maintenir la précision de l'usinage, le robot d'usinage devra donc présenter un degré important de rigidité face à ces contraintes mécaniques. D'autre part, la tête d'usinage du robot doit être capable d'accéder à tous les points nécessaires, avec toutes les orientations appropriées, pour accéder à la matière à usiner tout en permettant l'évacuation de la matière usinée. Le robot doit donc aussi être hautement manoeuvrable.

Un degré de liberté d'un robot est normalement appelé axe. Il peut être un axe de rotation ou un axe de translation. Parmi les robots d'usinage connus de la personne du métier on distingue entre ceux présentant plusieurs axes en série ou en parallèle. Toutefois, les robots présentant plusieurs axes en parallèle se distinguent par une cinématique particulièrement complexe qui complique leur pilotage.

Dans le domaine de la robotique il est courant de désigner les configurations des robots d'usinage avec plusieurs axes en série par la nature de leurs axes, en commençant par le premier axe, c'est-à-dire celui qui est fixe par rapport à une base du robot, avec un R pour chaque axe de rotation et un T pour chaque axe de translation. Ainsi un robot à trois axes de translation en série, aussi appelé de type cartésien, reçoit la dénomination TTT. Un tel robot d'usinage TTT présente l'avantage d'une rigidité considérable par rapport aux contraintes d'usinage. Toutefois, il présente l'inconvénient d'une manoeuvrabilité limitée. En particulier, l'orientation de la tête d'usinage reste fixe, ce qui peut empêcher l'usinage de surfaces complexes. Afin de répondre à cet inconvénient, il a aussi été proposé d'ajouter deux axes de rotation, de manière à obtenir un robot d'usinage à configuration TTTRR. Toutefois, un tel robot TTTRR présente

un encombrement extérieur très considérable, ce qui peut aussi représenter un inconvénient important, en particulier pour un usage chirurgical.

Les robots d'usinage à plus de deux axes de rotation en série peuvent présenter une manoeuvrabilité importante avec un encombrement relativement réduit. Toutefois, ceci est aussi normalement associé à une souplesse excessive pour la précision d'usinage souhaitée, au moins si on veut limiter la masse totale du robot.

L'invention vise donc à proposer un robot d'usinage qui permette d'accéder des positions d'atteinte difficile même avec des orientations peu favorables, tout en offrant une rigidité élevée face aux contraintes mécaniques avec une masse limitée.

Pour cela, dans au moins un mode de réalisation, un robot d'usinage à au moins trois degrés de liberté en série comporte un premier rail en forme d'arc de cercle centré autour d'un premier axe de rotation, un premier chariot avec un actionneur pour déplacer le premier chariot sur le premier rail autour du premier axe de rotation, un deuxième rail en forme d'arc de cercle centré autour d'un deuxième axe de rotation sensiblement perpendiculaire au premier axe de rotation, le deuxième rail étant monté pivotant sur le premier axe de rotation et solidaire au premier chariot, un deuxième chariot avec un actionneur pour déplacer le deuxième chariot sur le deuxième rail autour du deuxième axe de rotation, et une tête d'usinage montée sur le deuxième chariot avec un vérin pour déplacer la tête d'usinage dans un axe de translation par rapport au deuxième chariot.

Ainsi, ce robot d'usinage offre une manoeuvrabilité élevée avec une haute rigidité et un encombrement modéré. Comme la rotation autour des premier et deuxième axes de rotation n'est pas effectuée par pivotement, mais par déplacement des premier et deuxième chariots sur les premier et deuxième rails, ces premier et deuxième rails en forme d'arc de cercle contribuent à la rigidité de l'ensemble avec un encombrement moindre que les axes de translation d'un robot d'usinage TTT à portail.

Afin d'encore augmenter la manoeuvrabilité de la tête d'usinage, la tête d'usinage peut aussi être articulée autour d'un troisième axe de rotation par rapport au deuxième chariot, ou même aussi autour d'un quatrième axe de rotation par rapport au deuxième chariot, lesdits troisième et quatrième axes de rotation étant non-parallèles. Ces configurations RRTR et RRTRR permettent à la tête d'usinage d'atteindre encore plus de positions et orientations différentes sans compromettre excessivement la rigidité de l'ensemble.

Afin d'adapter ce robot d'usinage à des applications chirurgicales, et en particulier à la résection de masses osseuses, principalement pour la mise en place de prothèses, la tête d'usinage peut être adaptée à l'usinage d'une masse osseuse in vivo, et en particulier comporter une fraise. Une fraise est particulièrement approprié pour créer des surfaces de résection complexes. Toutefois, d'autres outils d'usinage, tels que, par exemple, des scies et/ou des mèches de forage, pourraient aussi être reçus dans la tête d'usinage, alternativement ou en complément à un outil de fraisage.

Pour un actionnement particulièrement précis du déplacement des chariots autour du premier et/ou du deuxième axe de rotation, l'actionneur du premier chariot peut comporter un pignon engagé sur une crémaillère du premier rail et l'actionneur du deuxième chariot peut aussi comporter un pignon engagé sur une crémaillère du deuxième rail.

Afin de permettre le pilotage conjoint des différents axes du robot, le robot peut comporter en outre une unité de commande connectée à des actionneurs desdits premier et deuxième chariots et de la tête d'usinage.

Par « actionneurs » on entend, dans le cadre de la présente description, non seulement les actionneurs des mouvements autour des différents axes de rotation de la tête d'usinage, mais aussi le vérin linéaire, et même le ou les actionneurs du ou des outils d'usinage.

Dans au moins un mode de réalisation, l'unité de commande est programmée pour commander l'usinage d'une masse osseuse de manière

à créer une surface de résection de la masse osseuse adaptée à recevoir un élément de prothèse de forme et dimensions prédéterminées. En particulier, la surface de résection peut être une surface complexe adaptée à assurer une fixation fiable de l'élément de prothèse en minimisant une quantité de matière osseuse enlevée.

Pour cela, si l'élément de prothèse est un élément de prothèse d'articulation, la surface de résection peut avoir été calculée à partir d'une surface initiale définie sur base de prises d'images de l'articulation du patient, soumise ensuite à une optimisation itérative sur base d'une simulation dynamique et statique de l'articulation avec l'élément de prothèse utilisant un modèle mathématique personnalisé à partir d'informations spécifiques à l'articulation du patient et paramétré avec des caractéristiques de la surface de résection et de l'élément de prothèse.

Dans chaque étape de cette optimisation itérative, les contraintes statiques et dynamiques s'exerçant sur l'élément de prothèse sont comparées à des seuils prédéterminés et des caractéristiques de la surface de résection et/ou de l'élément de prothèse son modifiées en cas de dépassement d'au moins un de ces seuils.

La présente invention concerne aussi un dispositif chirurgical. Afin de faciliter une intervention chirurgicale, une table d'opérations peut aussi être fixée par rapport au robot d'usinage de cette invention pour former, avec le robot d'usinage, le dispositif chirurgical. Un tissu à opérer, et en particulier une masse osseuse du patient, peut ainsi être fixé et repéré sur la table d'opérations pour permettre l'usinage par le robot.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de deux modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un robot d'usinage RRT suivant un premier mode de réalisation ; la figure 1A est une vue de détail du robot d'usinage de la figure 1 ;

la figure 2 est un schéma du système de commande du robot d'usinage de la figure 1 ; les figures 3A à 3H sont de vues en coupe simplifiées de, respectivement, un premier à huitième types d'éléments de prothèse mis en place sur des résections correspondantes ; la figure 4 illustre en perspective une résection réalisée sur l'extrémité supérieure du tibia, les figures 4A et 4B illustrent en perspective des éléments de prothèse à mettre en place sur la résection de la figure 4 ; la figure 4C est une vue en coupe de l'élément de prothèse de la figure 4A mis en place sur la résection de la figure 4 la figure 5 est une vue en perspective d'une résection réalisée sur l'extrémité inférieure de l'humérus ; la figure 5A est une vue en perspective d'un élément de prothèse à mettre en place sur la résection de la figure 5 ; la figure 5B est une vue en coupe de l'élément de prothèse de la figure 5A mis en place sur la résection de la figure 5 la figure 6 est une vue en perspective d'une résection réalisée sur la tête de l'humérus ; la figure 6A est une vue en perspective d'un élément de prothèse à mettre en place sur la résection de la figure 6 ; la figure 6B est une vue en coupe de l'élément de prothèse de la figure 6A mis en place sur la résection de la figure 6 la figure 7 illustre un type de fraise utilisable par le robot de la figure 1 ; la figure 8 est une vue en perspective d'un robot d'usinage RRTRR suivant un deuxième mode de réalisation ; la figure 9 est un schéma du système de commande du robot d'usinage de la figure 8 ; les figures 10A à 10C illustrent deux types de fraise utilisables par le robot de la figure 8 ; les figures 11A et 11B illustrent une résection adaptée à recevoir un élément de prothèse dont l'élément d'ancrage est en forme de queue d'aronde ; et la figure 11C illustre un élément de prothèse adapté à être mis en place sur la résection des figures 11A et 11C.

La figure 1 illustre un robot d'usinage 501 suivant un premier mode de réalisation de l'invention. Ce robot 501 est un robot à trois degrés de liberté en série du type RRT. Le robot 501 est fixé à une table d'opérations 502, sur laquelle peut prendre place un patient 503 à opérer.

Par rapport à la table d'opérations 502, le robot 501 présente un premier axe de rotation R1. Pour le déplacement de la tête d'usinage 504 du robot 501 autour de l'axe R1, le robot 501 comporte un premier rail 505 en forme d'arc de cercle centré autour de ce premier axe de rotation R1, et un premier chariot 506 pouvant se déplacer, sur le rail 505, autour de l'axe R1. Le rail 505 est fixé à ses deux extrémités 505a et 505b par rapport à la table d'opérations 502, offrant ainsi un repère fixe pour les mouvements de la tête d'usinage 504. Dans le mode de réalisation illustré, le déplacement du chariot 506 sur le rail 505 est actionné par un actionneur 507 à pignon 508 en engagement avec une crémaillère 509 sur le rail 505, comme illustré en détail sur la figure 1A. Dans le mode de réalisation illustré, le chariot 506 présente aussi quatre roues 510 pour assurer le guidage du chariot 506 sur le rail 505. Dans le mode de réalisation illustré, l'actionneur 506 comporte un moteur à courant continu sans balais 511, et un réducteur 512 interposé entre ce moteur 511 et le pignon de sortie 508. Toutefois, d'autres types d'actionneurs, entre autres des actionneurs électriques ou fluidiques, fixés sur le chariot ou sur le rail, pourraient alternativement être considérés par la personne du métier en fonction des circonstances.

En aval du premier axe de rotation R1, le robot 501 illustré présente un deuxième axe de rotation R2, sensiblement perpendiculaire au premier axe de rotation R1. Pour le déplacement de la tête d'usinage autour de ce deuxième axe de rotation R2, le robot 501 comporte un deuxième rail 513 en forme d'arc de cercle centré autour de ce deuxième axe de rotation R2, et un deuxième chariot 514 pouvant se déplacer, sur le rail 510, autour de l'axe R2. Les extrémités 513a, 513b du deuxième rail sont alignées avec le premier axe de rotation R1 et fixés à des pivots 515 permettant le pivotement de ce deuxième rail 513 autour du premier axe de rotation R1, et le deuxième rail 513 est couplé au premier chariot 506, de manière à

être entraîné par le premier chariot 506 dans son pivotement autour du premier axe de rotation R1. Dans le mode de réalisation illustré, le déplacement du deuxième chariot 514 sur le deuxième rail 513 est aussi actionné par un actionneur 516 à pignon 517 en engagement avec une crémaillère 518 sur le rail 513, de manière analogue au déplacement du premier chariot 506 sur le premier rail 505. Dans le mode de réalisation illustré, le deuxième chariot 514 présente aussi quatre galets 518 pour assurer le guidage du chariot 514 sur le rail 513 et l'actionneur 516 comporte aussi un moteur à courant continu sans balais 519, et un réducteur 520 interposé entre ce moteur 519 et le pignon de sortie 517. Ici aussi, d'autres types d'actionneurs, entre autres des actionneurs électriques ou fluidiques, fixés sur le chariot ou sur le rail, pourraient toutefois être alternativement considérés par la personne du métier en fonction des circonstances.

Ainsi, cette structure offre deux degrés de liberté en rotation. Grâce aux quatre points d'appui formés par les deux extrémités 505a et 505b du premier rail 505 et les deux extrémités 513a et 513b du deuxième rail 513, cet ensemble présente une grande rigidité face aux forces transmises par la tête d'usinage 504.

Un vérin linéaire 521 interposé entre le deuxième chariot 514 et la tête d'usinage 504 permet encore de déplacer la tête d'usinage dans un axe de translation radial T par rapport au deuxième chariot 511. Dans le mode de réalisation illustré ce vérin linéaire 521 est un vérin électrique à courant continu. Toutefois, d'autres types de vérins, électriques ou par exemple fluidiques, pourraient alternativement être considérés par la personne du métier en fonction des circonstances.

La tête d'usinage 504 est adaptée à recevoir un outil d'usinage, et en particulier une fraise, et l'entraîner en rotation pour l'usinage d'une masse osseuse du patient 503. Comme, pour une position donnée, le robot 501 de type RRT de ce premier mode de réalisation ne permet pas d'orienter librement la tête d'usinage 504, il est préférable d'utiliser une fraise sphérique 550, telle que celle illustrée sur la figure 7.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, chaque actionneur 507,516, le vérin 521 et la tête d'usinage 504 sont connectés à une unité de commande 522, par exemple sous forme d'un ordinateur électronique programmable, laquelle peut aussi être connectée à des capteurs de position 531, 532, et 533 pour déterminer la position du robot 501 dans, respectivement, chacun des axes R1, R2, et T, ainsi qu'à des capteurs de couple et/ou force 534, 535, 536 et 537, sur, respectivement chacun des axes R1, R2 et T, ainsi que sur le moteur de la tête d'usinage 504, comme illustré sur la figure 2. Ainsi, l'unité de commande 522 peut être programmée pour commander conjointement ces différents actionneurs du robot 501 de manière à usiner une forme prédéterminée. En particulier, l'unité de commande 522 peut être programmée pour usiner une surface de résection de la masse osseuse adaptée à recevoir une prothèse de forme et dimensions prédéterminées, et en particulier une surface complexe adaptée à assurer une fixation fiable de l'élément de prothèse en minimisant une quantité de matière osseuse enlevée.

Avant de décrire en détail la forme des éléments de prothèse, on va rappeler leurs principes généraux. Les éléments de prothèse sont implantés dans des résections réalisées au préalable par le chirurgien, par exemple sur les surfaces articulaires. Grâce au robot d'usinage 501, il est possible d'obtenir une relation géométrique étroite entre la forme de la résection et la forme de l'élément de prothèse à mettre en place. On obtient ainsi une liaison mécanique de grande qualité entre l'élément de prothèse et l'os correspondant.

Comme le montre la figure 3A, chaque élément de prothèse est limité par une surface de contact C, par une surface de fixation F et par une surface périphérique P qui raccorde les deux surfaces C et F. En outre, la surface de fixation F est munie d'au moins un élément d'ancrage A qui fait saillie hors de la face de fixation F.

Si maintenant on considère la résection réalisée par le chirurgien dans la surface articulaire pour permettre la mise en place de l'élément de prothèse, celle-ci comprend une surface d'appui B, un rebord périphérique en saillie par rapport à la surface d'appui B qui est référencé R et au

moins un orifice d'ancrage D. Cette organisation générale de l'élément de prothèse et de la résection correspondante se retrouve quelle que soit la surface articulaire pour laquelle est mis en place l'élément de prothèse.

Grâce au robot d'usinage 501, il est possible d'obtenir une concordance géométrique sensiblement parfaite entre la surface de fixation F et la surface d'appui B de la résection. L'élément de prothèse est ainsi encastré dans la résection. De même, il est possible d'obtenir un contact sensiblement parfait après mise en place de la surface périphérique P de la prothèse et du rebord périphérique R de la résection. Enfin, il y a également coïncidence entre l'élément d'ancrage A et le trou d'ancrage D.

Dans le cas de l'élément de prothèse de la figure 3A, les surfaces respectivement de fixation F et de contact C, en section par des plans, sont limitées par une succession d'arcs de cercle El, E2 à En, qui sont raccordés entre eux tangentiellement en présentant des rayons de courbure différents. Ainsi, chaque portion de surface de fixation comporte son propre "centre instantané de rotation", ce qui améliore encore la tenue de l'élément de prothèse. Dans sa partie courante, l'élément de prothèse présente une épaisseur e qui est sensiblement constante. La surface d'appui B de la résection présente bien sûr une forme correspondant à celle de la surface de fixation F. On comprend que grâce d'une part à la présence de la surface périphérique P de l'élément de prothèse qui est en appui sur le rebord en saillie R de la résection et de la forme particulière de la surface de fixation, l'élément de prothèse mis en place est déjà liée mécaniquement à l'os. On comprend qu'ainsi, il est possible que l'élément d'ancrage A soit simplement constitué par un ergot qui pénètre dans l'orifice D de la résection. Il n'est plus nécessaire de prévoir un système de broches, de vis, plots ou similaire.

En ce qui concerne la surface de contact C qui est destinée à coopérer avec la surface de contact de l'élément de prothèse conjugué de l'articulation, elle est réalisée de préférence de telle manière qu'elle se conforme exactement à la forme anatomique de la surface articulaire. Après mise en place de l'élément de prothèse dans la résection, on

reconstitue ainsi exactement la surface articulaire anatomique initiale. Il faut ajouter que la résection est réalisée de telle manière que, lorsque cela est possible, elle n'affecte pas les points d'attache des ligaments et des muscles, ni de la capsule articulaire et les surfaces articulaires environnantes.

En première approximation, la surface périphérique P a la forme d'un tronc de cône non circulaire. Selon la nature de la surface articulaire, le sommet du cône peut être disposé du côté de la surface de contact ou du côté de la surface de fixation. L'angle b entre la direction de l'épaisseur de la prothèse et la surface périphérique est compris entre 5° et 85°.

Dans le cas de l'élément de prothèse représenté sur la figure 3B, la surface de contact C' et la surface de fixation F sont sensiblement planes et parallèles entre elles dans leurs parties courantes, l'épaisseur étant sensiblement constante. La surface périphérique P' est en première approximation un tronc de cône dont le demi-angle au sommet est de l'ordre de 5° à 45°. Le rebord périphérique R' présente une forme conjuguée de la forme de la surface périphérique P'. Pour ce type d'éléments de prothèse, la résection effectuée est assimilable à un lamage réalisé par le chirurgien dans la surface articulaire.

Le sommet du cône non circulaire sur lequel est disposée la surface périphérique P' peut être disposé du côté de la surface de fixation F comme sur la figure 3B. Pour certaines surfaces articulaires, notamment dans le cas des vertèbres, le sommet du cône peut être disposé du côté de la surface de contact C.

Dans le cas des figures 3A et 3B, la surface périphérique de fixation P ou P' est nettement distincte de la surface de fixation F ou F.

Dans le cas de l'élément de prothèse de la figure 3C, la surface périphérique P1 est une solution de continuité de la surface de fixation F1, ces deux surfaces se confondant sensiblement. Il va également de soi que dans ce cas, seule la partie centrale ZC de l'élément de prothèse présente une épaisseur sensiblement constante. Cependant dans ce cas encore,

l'élément de prothèse est encastré dans la résection et la surface périphérique P1 coopère avec le rebord R1 de la résection pour participer à la fixation de la prothèse.

Dans le cas de la figure 3D, la surface périphérique P2 se distingue nettement de la surface de fixation F2, mais la section droite par un plan de cette surface périphérique n'est plus un segment rectiligne, comme dans le cas des figures 3A et 3B, mais une portion de courbe. La surface périphérique est alors une surface gauche qui n'est plus assimilable à un tronc de cône.

Quel que soit le type d'éléments de prothèse considérés, on comprend que la surface périphérique P, P' joue un rôle déterminant en coopérant avec le rebord en saillie de la résection. En effet, ce contact permet la répartition optimale de la transmission des efforts entre l'os et la prothèse, ce qui permet, comme on l'a déjà expliqué, d'éviter un ancrage par vis, broches ou plats de dimensions importantes ou analogue de la prothèse sur l'os.

On comprend que si l'on considère un élément de prothèse complet proprement dit, selon le plan de section considéré, on pourra avoir une configuration similaire à celle de la figure 3A ou bien une configuration similaire à celle de la figure 3B, 3C, ou 3D, ou encore, selon les plans de coupe considérés, une combinaison de ces différentes configurations.

Dans les exemples d'élément de prothèse décrits en liaison avec les figures 3A à 3H, l'élément d'ancrage est constitué par un ou plusieurs ergots de forme générale conique ou tronconique qui fait saillie dans la surface de fixation et le trou d'ancrage a une forme conjuguée qui débouche dans le fond de la résection. Toutefois, comme la surface périphérique P, P' joue le rôle déterminant dans l'ancrage des éléments de prothèse, en coopérant avec le rebord en saillie de la résection, il est même envisageable de se passer de tels ergots, et de les remplacer par une couche adhésive interposée entre la surface de fixation de l'élément de prothèse et le fond de la résection, comme illustré sur les figures 3E à 3H, lesquelles, à part le remplacement de l'élément d'ancrage A par une

couche adhésive 306, correspondent, respectivement, aux figures 3A à 3D et reçoivent les mêmes chiffres de référence pour des éléments équivalents. Dans ces circonstances, la surface de fixation peut être rendue rugueuse afin de favoriser l'adhésion au fond de la résection. En se référant maintenant aux figures 4 à 5, on va décrire plusieurs exemples concrets d'éléments de prothèse correspondant à différentes articulations.

10 Sur les figures 4 à 4C, on a représenté les deux éléments de prothèse 10 et 12, utilisés pour l'extrémité supérieure du tibia. La figure 4 montre les deux résections 16 et 18 qui sont réalisées en conservant les surfaces pré et rétrospinales, et donc les insertions LCA et LCD, des ménisques et de la capsule. Chaque résection comporte un rebord d'appui 15 en saillie 22, une surface d'appui 24 et trois trous d'ancrage 26, 28 et 30. Chaque élément de prothèse comporte une surface de fixation 30 qui est sensiblement plane dans laquelle font saillie trois éléments d'ancrage 32, 34 et 36. La surface périphérique 38 a une forme générale de tronc de cône, les différences d'épaisseur dans la zone périphérique étant dues au 20 fait que la surface de contact doit se raccorder tangentiellement à l'os.

Comme le montre mieux la figure 4C, les éléments de prothèse 10 et 12 sont du type à surface de fixation et de contact sensiblement planes.

25 Les figures 5, 5A et 5B illustrent l'élément de prothèse 50 utilisé à l'extrémité inférieure de l'humérus 52. La surface d'appui de la résection 54 comporte une première portion en forme sensiblement cylindrique 56 et deux portions sensiblement planes 58, 59. La surface de fixation de l'élément de prothèse 50 a bien sûr la forme correspondante. Elle 30 comporte trois éléments d'ancrage 60, 62 et 64. La surface de contact 66 correspond à la surface articulaire anatomique. Dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe d'articulation, on voit que la résection 54 définit deux rebords en saillie 70 et 72 destinés à coopérer avec les surfaces périphériques 74 et 76 de la prothèse. De même, les 35 portions 78 et 80 de la surface périphérique de l'élément de prothèse sont destinées à coopérer avec les rebords en saillie 82 et 84. Pour améliorer5

encore la tenue de l'élément de prothèse, les surfaces 58 et 59 définissent un léger pincement. Comme on le voit mieux sur la figure 2B, selon le plan de coupe adopté pour cette figure, qui est perpendiculaire à l'axe de l'articulation, l'élément de prothèse est du type représenté sur la figure 1B. En revanche, on comprend que, dans un plan de section contenant l'axe de l'articulation, on aurait une section d'élément de prothèse de la forme représentée sur la figure 1A.

Enfin, les figures 6, 6A et 6B illustrent la résection de la tête de l'humérus et la forme de l'élément de prothèse correspondant 92. La résection définit une portion de surface assimilable à une calotte sphérique 94 raccordée à une portion 96 plus ou moins assimilable à une surface cylindrique. En outre, cette résection présente un rebord en saillie 98 qui fait tout le tour de la résection. On comprend que, dans ce cas, la résection laisse subsister en fait une partie de l'os qui est saillante par rapport au rebord périphérique 98. En ce qui concerne l'élément de prothèse 92, il comporte une surface de fixation 100 qui correspond aux surfaces 94 et 96 de la surface d'appui de la résection et un pourtour et une surface périphérique 102 qui correspond au rebord en saillie 98. On a représenté également sur ces figures les trous d'ancrage 104 et les éléments d'ancrage 106.

Le calcul de la forme de l'élément de prothèse et de la surface de résection peut être effectué à partir de formes initiales définies sur base de prises d'images de l'articulation du patient, soumises ensuite à une optimisation itérative sur base d'une simulation dynamique et statique de l'articulation avec l'élément de prothèse utilisant un modèle mathématique personnalisé à partir d'informations spécifiques à l'articulation du patient et paramétré avec des caractéristiques de la surface de résection et de l'élément de prothèse. Dans chaque étape de cette optimisation itérative, les contraintes statiques et dynamiques s'exerçant sur l'élément de prothèse sont comparées à des seuils prédéterminés et des caractéristiques de la surface de résection et/ou de l'élément de prothèse son modifiées en cas de dépassement d'au moins un de ces seuils.35

Si ces étapes de calcul sont effectuées directement sur un ordinateur à partir d'images numériques, on pourra ainsi en tirer directement des instructions d'usinage servant à programmer l'unité de commande 522 pour réaliser la résection.

Bien que le robot d'usinage 501 du mode de réalisation illustré sur la figure 1 soit généralement adapté à l'usinage des surfaces de résection illustrées sur les figures 3 à 6, le fait que sa tête d'usinage 504 ne soit pas librement orientable dans chaque position pose certaines limites d'utilisation. En particulier, le robot d'usinage 501 n'est pas optimisé pour l'usinage de certaines formes en saillie. En outre, l'utilisation de fraises sphériques telle que celle illustrée sur la figure 7 empêche l'usinage direct d'angles vifs dans des surfaces concaves.

Ainsi, dans un deuxième mode de réalisation plus adaptable illustré sur la figure 8, le robot d'usinage 501 présente deux degrés de liberté supplémentaires en rotation. Ce robot d'usinage 501 présente ainsi une configuration de type RRTRR, avec deux articulations pivotantes 523,524 interposées en série entre le vérin 521 et la tête d'usinage 504. Les autres composants de ce robot d'usinage 501 du deuxième mode de réalisation sont sensiblement équivalents à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence.

Les articulations pivotantes 523,524 présentent des axes de rotation respectifs R3,R4 sensiblement orthogonaux, et sont motorisées par des actionneurs respectifs 525, 526. Ces actionneurs 525, 526 comportent chacun, dans ce deuxième mode de réalisation, un moteur à courant continu sans balais 527, 528 et un réducteur 529, 530 et sont aussi connectés, comme les actionneurs 506,516, le vérin 521 et la tête d'usinage 504, à l'unité de commande 522. L'unité de commande 522 est aussi connectée à des capteurs de position 538 et 539, et de couple 540 et 541 sur, respectivement, les axes R3 et R3, comme illustré sur la figure R9. Ainsi, l'unité de commande 522 peut aussi commander des changements d'orientation de la tête d'usinage 504 sans varier sa position, ce qui par exemple permet d'utiliser des différentes formes de fraise, telles que celles des fraises 550a à 550c illustrées, respectivement, sur les

figures 10A à 10C, et de réaliser d'autres résections, comme par exemple une résection 210 adaptée à recevoir un élément de prothèse 200 avec un élément d'ancrage en queue d'aronde, comme illustré sur les figures 11A à 11C.

Sur la figure 11C, on a représenté l'élément de prothèse 200 avec sa surface de contact 202, sa surface de fixation 204 et sa surface périphérique 206. L'élément d'ancrage est constitué par une forme en queue d'aronde 208 qui est raccordée à l'élément de prothèse proprement dit par sa surface de fixation 204, l'ensemble ne formant bien sûr qu'une seule pièce.

Comme le montrent les figures 11A et 11B, la résection 210 comporte une première partie 212 destinée à recevoir l'élément de prothèse proprement dit et une deuxième partie 214 formant trou d'ancrage. La partie 214 a une forme conjuguée de l'élément d'ancrage 208 en queue d'aronde. Pour permettre la mise en place de la prothèse et notamment son élément d'ancrage 208, la partie 214 de la résection présente une première extrémité 214a débouchante et une deuxième extrémité 214b non débouchante constituée par la partie restante de l'os. L'élément de prothèse 200 est mis en place dans la résection 210 par coulissement selon la direction de la flèche F.

Grâce à la présence de la surface de fixation 204 et de la surface périphérique 206 combinée avec la présence de l'élément d'ancrage 208 en queue d'aronde 208, l'élément de prothèse est parfaitement immobilisé dans la résection 210 sauf selon sa direction d'introduction F.

Pour remédier à cet inconvénient, on peut prévoir une vis ou broche de largueur réduite dont la tête fait saillie dans la face "avant" de l'élément d'ancrage, c'est-à-dire celle qui reste atteignable après la mise en place de la prothèse dans la résection. Ce type de prothèse est particulièrement bien adapté au cas des vertèbres ou même des plateaux tibiaux.35

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, les deux articulations pivotantes 523,524 du deuxième mode de réalisation pourraient être substituées par une seule articulation sphérique. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Robot d'usinage (501) à au moins trois degrés de liberté en série, caractérisé en ce qu'il comporte : un premier rail (505) en forme d'arc de cercle centré autour d'un premier axe de rotation (R1) ; un premier chariot (506) avec un actionneur (507) pour déplacer le premier chariot (506) sur le premier rail (505) autour du premier axe de rotation (R1) ; un deuxième rail (513) en forme d'arc de cercle centré autour d'un deuxième axe de rotation (R2) sensiblement perpendiculaire au premier axe de rotation (R1), le deuxième rail (513) étant monté pivotant sur le premier axe de rotation (R1) et solidaire au premier chariot (506) ; un deuxième chariot (514) avec un actionneur (516) pour déplacer le deuxième chariot (514) sur le deuxième rail (513) autour du deuxième axe de rotation (R2) ; et une tête d'usinage (504) montée sur le deuxième chariot (514) avec un vérin (521) pour déplacer la tête d'usinage (504) dans un axe de translation (T) par rapport au deuxième chariot (514).
2. 2. Robot d'usinage (501) suivant la revendication 1, dans lequel la tête d'usinage (504) est aussi articulée autour d'un troisième axe de rotation (R3) par rapport au deuxième chariot (514).
3. 3. Robot d'usinage (501) suivant la revendication 2, dans lequel la tête d'usinage (504) est aussi articulée autour d'un quatrième axe de rotation (R4) par rapport au deuxième chariot (514), lesdits troisième et quatrième axes de rotation (R3,R4) étant non-parallèles.
4. 4. Robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la tête d'usinage (504) est adaptée à l'usinage d'une masse osseuse in vivo.
5. 5. Robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la tête d'usinage (504) comporte un outil de fraisage (550,550a,550b,550c).
6. 6. Robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'actionneur (507) du premier chariot (506) comporte un pignon (508) engagé sur une crémaillère (509) du premier rail (505).
7. 7. Robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'actionneur (516) du deuxième chariot (514) comporte un pignon (517) engagé sur une crémaillère (518) du deuxième rail (513).
8. 8. Robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre une unité de commande (522) connectée à des actionneurs (507,519,521) desdits premier et deuxième chariots (506,514) et de la tête d'usinage (504).
9. 9. Robot d'usinage (501) suivant la revendication 8, dans lequel l'unité de commande (522) est programmée pour commander l'usinage d'une masse osseuse de manière à créer une surface de résection de la masse osseuse adaptée à recevoir un élément de prothèse de forme et dimensions prédéterminées.
10. 10. Robot d'usinage (501) suivant la revendication 9, dans lequel la surface de résection est une surface complexe adaptée à assurer une fixation fiable de l'élément de prothèse en minimisant une quantité de matière osseuse enlevée.
11. 11. Dispositif chirurgical comprenant un robot d'usinage (501) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 et une table d'opérations (502) pouvant être fixée par rapport au robot d'usinage (501).