WO2021064331A1 - Dispositif robotisé d'intervention chirurgicale à bras articulé commandé pour le suivi d'un trajet - Google Patents

Dispositif robotisé d'intervention chirurgicale à bras articulé commandé pour le suivi d'un trajet Download PDF

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WO2021064331A1
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articulated arm
robotic surgical
surgical intervention
surgical instrument
instructions
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PCT/FR2020/051724
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Stéphane MAZALAIGUE
Armand CZAPLINSKI
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Collin
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Priority to US17/764,375 priority patent/US20220331026A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a robotic device for surgical intervention, in particular in the otolaryngological field, but not only.
  • a robotic device comprising: an articulated arm with actuating motors, a distal end of which is intended to carry a surgical instrument; an articulated arm control device for movement of a functional end of the surgical instrument along a path; and means for processing movement instructions provided by the control device to convert them into individual instructions for controlling each of the actuating motors of the articulated arm.
  • Such a device is described in the article by Miroir et al, entitled “RobOtol: from design to evaluation of a robot for middle ear surgery", published on the occasion of the IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems held October 18-22, 2010 in Taipei (TW). It has an architecture and kinematics that are particularly well suited to otological surgeries in the middle or inner ear of patients. These interventions are sensitive to false movements, so robotic assistance is a great help.
  • a robotic surgical intervention device comprising: an articulated arm with actuating motors, a distal end of which is intended to carry a surgical instrument; an articulated arm control device for movement of a functional end of the surgical instrument along a path; and means for processing movement instructions provided by the control device to convert them into individual instructions for controlling each of the actuating motors of the articulated arm; further comprising an automatic reverse actuator of the articulated arm, the actuation of which causes, independently of any instruction to move the control peripheral, the sending of individual reverse control instructions to each of the actuating motors of the articulated arm for reverse displacement of the functional end of the surgical instrument along the path made.
  • any backtracking can be performed automatically by trigger and without the aid of the control peripheral, with the guarantee that the reverse path is strictly followed. In the aforementioned delicate situations, this prevents any deviation from the desired withdrawals, including in constricted or crevice volumes and regardless of any instructions issued by the control device when the automatic reverse rollback is triggered.
  • the robotic device is configured so that the actuation of the automatic reverse return trigger causes a suspension. processing of new move instructions provided by the control peripheral.
  • the processing means comprise means for storing in memory an ordered series of successive arrangements of the articulated arm during the controlled movement of the functional end along the path; and the processing means are configured so that actuation of the automatic backtracking trigger causes successive returns of the articulated arm step by step from a last disposition to a first recorded disposition of this ordered series.
  • each recorded arrangement of the ordered series of successive arrangements of the articulated arm comprises a set of positions of its actuating motors.
  • the recording means are configured to record in memory the successive arrangements of the articulated arm at regular time intervals.
  • the memory in which the ordered series of successive arrangements of the articulated arm is recorded is configured as a stack structure.
  • the automatic reverse return trigger comprises a pedal or a speed variator stop push button for the automatic reverse return of the articulated arm as a function of pressure exerted by an operator.
  • the processing means are configured to stop the automatic backtracking in progress and to resume the processing of new movement instructions supplied by the control peripheral as soon as no pressure is exerted on the trigger any longer. automatic backtracking by the operator.
  • control device is a handle on a 6D base.
  • a robotic surgical intervention device according to the invention can be configured and sized for an intervention in middle or internal ear surgery of a patient, the surgical instrument itself being an instrument. intervention in the patient's middle or internal ear surgery.
  • Figure 1 shows schematically the general structure of a robotic device for surgical intervention, according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 illustrates the successive steps of a method of surgical intervention using the robotic device of Figure 1, according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates an example of a scenario produced by executing the method of FIG. 2.
  • a robotic device for surgical intervention comprises an articulated arm 10 with actuating motors carrying a surgical instrument 12.
  • the non-limiting example illustrated in this figure is more precisely that of a robotic device for an application in otological surgery of the middle or internal ear of a patient, the architecture and kinematics of which are optimized in accordance with the teaching of the document by Miroir et al above.
  • the articulated arm 10 thus has, from its base to its end carrying the surgical instrument 12, three motorized prismatic links in series followed by three motorized rotoidal links in series.
  • a first prismatic connection L1, actuated by a first motor M1 allows the translational movement of a first member 14 of the articulated arm 10 along the axis Z1 (for example vertical) of a first local orthogonal Cartesian coordinate system ( X1, Y1, Z1) linked to the first motor M1.
  • the first motor M1 is attached to the robotic device so that the first local coordinate system (X1, Y1, Z1) has the same directions as a global orthogonal Cartesian coordinate system (X0, Y0, Z0) linked to a fixed base of the robotic device.
  • the axis of movement of the first member 14 is therefore parallel to Z0.
  • a second prismatic link L2, actuated by a second motor M2 carried by one end of the first member 14, allows the movement in translation of a second member 16 of the articulated arm 10, along the axis Z2 of a second local orthogonal Cartesian coordinate system (X2, Y2, Z2) linked to the second motor M2.
  • the second local coordinate system (X2, Y2, Z2) is returned by a right angle with respect to the Y1 axis of the first local coordinate system (X1, Y1, Z1) so that its Z2 axis is parallel to the X1 axis.
  • the axis of movement of the second member 16 is therefore parallel to X0.
  • a third prismatic link L3, actuated by a third motor M3 carried by one end of the second member 16, allows the translational movement of a third member 18 of the articulated arm 10, along the Z3 axis of a third mark Local orthogonal Cartesian (X3, Y3, Z3) linked to the third motor M3.
  • the third local coordinate system (X3, Y3, Z3) is returned by a right angle with respect to the X2 axis of the second local coordinate system (X2, Y2, Z2) so that its Z3 axis is parallel to the Y2 axis. -even parallel to the Y1 axis.
  • the axis of movement of the third member 18 is therefore parallel to Y0.
  • a fourth rotoidal link L4 actuated by a fourth cylindrical motor M4 and carried by one end of the third member 18, allows the rotational movement of a fourth member 20 of the articulated arm 10, around the axis Z4 of a fourth local orthogonal Cartesian coordinate system (X4, Y4, Z4) linked to the fourth motor M4.
  • X6, Y6, Z6 a sixth Local orthogonal Cartesian coordinate system
  • the three respective axes of rotation Z4, Z5 and Z6 of the three rotoidal links converge at a same central point of the functional distal end 24 of the surgical instrument 12, thus doing from this point a pivot point.
  • any instruction to actuate at least one of the motors M4, M5, M6 of the rotary links causes a rotation of the surgical instrument 12 around its pivot point without any displacement of the latter in the global frame of reference (X0, Y0, Z0).
  • the surgical instrument 12 has a proximal end 26 for fixing to the articulated arm 10, more precisely to a corresponding fixing end of the arm 10 linked to the motor M6.
  • This fixing is for example advantageously carried out in accordance with the locking system described in patent FR 2 998 344 B1, but this is not an obligation. Any other fastening system suitable for the intended application is also suitable.
  • the surgical instrument 12 may have a rectilinear shape so its main axis Zp, around which is defined a local Cartesian coordinate system (Xp, Yp, Zp) which is linked to it, is that which connects a central point of its end proximal 26 for attachment to the pivot point of its functional distal end 24.
  • a local Cartesian coordinate system (Xp, Yp, Zp) which is linked to it, is that which connects a central point of its end proximal 26 for attachment to the pivot point of its functional distal end 24.
  • the axis Zp merges with the axis Z6.
  • FIG. 1 it may be a surgical instrument with deviated portions such as that described in patent application FR 3,066,378 A1.
  • its main axis Zp around which the local Cartesian coordinate system (Xp, Yp, Zp) which is linked to it is always defined, is that of a rectilinear distal portion of this instrument, offset with respect to the Z6 axis. which always connects the central point of its proximal end 26 of attachment to the pivot point of its functional distal end 24.
  • the robotic surgical intervention device further comprises a control peripheral 28 of the articulated arm 10, such as a handle on a 6D base (from the English "joystick 6D") or any other equivalent device, adapted to allow a displacement of the functional distal end 24 of the surgical instrument 12 along a desired path according to three degrees of freedom in translation and three degrees of freedom in rotation by actuation of the six motors M1 to M6. It may also include a screen 30, in particular for displaying and monitoring any movement of the surgical instrument 12 during the operating phase along its path.
  • a control peripheral 28 of the articulated arm 10 such as a handle on a 6D base (from the English "joystick 6D") or any other equivalent device, adapted to allow a displacement of the functional distal end 24 of the surgical instrument 12 along a desired path according to three degrees of freedom in translation and three degrees of freedom in rotation by actuation of the six motors M1 to M6. It may also include a screen 30, in particular for displaying and monitoring any movement of the surgical instrument 12 during the operating phase along its path
  • the robotic surgical intervention device further comprises means for processing movement instructions supplied by the control peripheral 28 to convert them into individual control instructions for each of the motors M1 to M6 of the articulated arm 10. These processing means take the form of an electronic circuit 32.
  • the robotic surgical intervention device further comprises a trigger 34 for automatic rearward return of the articulated arm 10.
  • a trigger 34 for automatic rearward return of the articulated arm 10. This is for example a pedal device or a speed variator stop push button. return automatic rear of the articulated arm 10 as a function of pressure exerted by an operator. Its function when it is actuated, for example by pressure of the foot in the case of a pedal, to cause, independently of any instruction to move the control peripheral 28, the sending of individual instructions of reverse control of each of the six motors M1 to M6 for reverse displacement of the functional end 24 of the surgical instrument 12 along the path produced.
  • the trigger 34 is advantageously a pedal since its actuation by the foot frees the hands of the practitioner.
  • the electronic circuit 32 is connected to the articulated arm 10 in order to transmit to it the individual control instructions of the motors M1 to M6 and to receive in return as often as he wishes the Cartesian or angular positions of the motors M1 to M6. It is connected to the control peripheral 28 in order to receive its movement instructions. These last are generally expressed in the total reference mark (X0, Y0, Z0). It is connected to the reverse trigger 34 to detect its actuation and consequently initiate the automatic reverse return of the articulated arm 10.
  • central processing unit 36 such as a microprocessor designed to send to the articulated arm 10 the individual control instructions, to receive from the control peripheral 28 the movement instructions and to receive from the articulated arm 10 the positions of motors M1 to M6.
  • memory 38 in which is stored at least one computer program, intended to be executed by the central unit 36, performing the aforementioned conversion and automatic rollback.
  • Two computer programs 40 and 42, selectable by a soft switch 44 are shown in Figure 1.
  • the first computer program 40 includes instructions for implementing the conversion of the movement instructions supplied by the control peripheral 28 into individual control instructions. each of the motors M1 to M6, and for the implementation of the recording of the respective positions of the latter at the desired instants.
  • the second computer program 42 includes instructions for implementing the automatic rollback.
  • the electronic circuit 32 as shown schematically in Figure 1 can for example be implemented in a computer device such as a conventional computer comprising a processor associated with one or more memories for storing data files and computer programs whose instructions are intended to be executed by the processor, such as the instructions of programs 40, 42 and of the software switch 44 which can also constitute a computer program .
  • These programs are shown as separate, but this distinction is purely functional. They could just as easily be grouped together in all possible combinations in one or more software. Their functions could also be at least partly micro programmed or micro wired in dedicated integrated circuits.
  • the computer device implementing the electronic circuit 32 could be replaced by an electronic device composed solely of digital circuits (without a computer program) for carrying out the same actions.
  • the first computer program 40 includes instructions 46 performing a Jacobian conversion of the instructions supplied by the control peripheral 28, expressed in the global reference (X0, Y0, Z0), into individual control instructions. each of the motors M1 to M6 for actuating the articulated arm 10 using Jacobian parameters stored in memory. This Jacobian converter function is well known to those skilled in the art and will not be detailed.
  • the individual control instructions provided by executing the computer program 40 are to be transmitted by the central unit 36 to the articulated arm 10.
  • the first computer program 40 further comprises instructions 48 performing a recovery, for example at regular time intervals when the surgical instrument 12 is in motion, of the positions of the motors M1 to M6 to record them in memory 38 , more precisely in a portion 50 of the memory 38 dedicated to data storage.
  • This portion of memory 50 is advantageously structured in a stack, that is to say in memory of LIFO type (standing for "Last In First Out").
  • the data retrieval is performed by the central unit 36.
  • the successive arrangements of the articulated arm 10 retrieved at regular time intervals during the controlled movement of the functional end 24 along the path followed, i.e. to say more precisely the respective successive positions of the motors M1 to M6 in the example of FIG. 1, are recorded in LIFO memory 50 according to an ordered series.
  • the second computer program 42 includes instructions 52 performing a reading of the successive positions respective motors M1 to M6 recorded in LIFO memory 50 for successive returns of the articulated arm 10 step by step from the last to the first set of these successive positions.
  • the instructions 52 On each reading of a new set of positions of the motors M1 to M6 making it possible to go up in the reverse direction the path followed by the functional end 24 of the surgical instrument 12, the instructions 52 generate the individual instructions for controlling the motors M1 to Corresponding M6. The latter are transmitted to the articulated arm 10 by the central unit 36 and the set of positions read is then deleted from the LIFO memory 50.
  • the software switch 44 allows selection of the execution of one or the other of the computer programs 40, 42 depending on whether the pedal 34 is actuated or not.
  • the first computer program 40 is selected. Any movement instruction provided by the control peripheral 28 is taken into account by the central unit 36 and converted into individual control instructions for each of the motors M1 to M6 by executing this program.
  • the successive positions of the motors M1 to M6 are stored in an ordered list by stacking in the LIFO memory 50. Pressing the foot on the pedal 34 makes it possible to orient the software switch 44 on an execution of the. second computer program 42.
  • the new movement instructions possibly sent by the control peripheral 28 are then no longer taken into account.
  • Figure 2 illustrates the successive steps of a method of surgical intervention using the robotic device of Figure 1.
  • the pedal 34 is not actuated and an operator engages the displacement of the functional distal end 24 of the surgical instrument 12 carried by the articulated arm 10 using the control device 28.
  • the central unit 36 executes the instructions 46 and 48 of the first computer program 40 to convert the instructions supplied by the control peripheral 28 into individual instructions for controlling the motors M1 to M6 and to regularly record their successive positions so as to keep in LIFO 50 memory the path followed by the surgical instrument 12. It will be noted that the fact of recording the successive positions of the motors M1 to M6 at regular time intervals advantageously allows to keep information on the speed of movement of the surgical instrument 12 since the distance traveled by its functional distal end 24 between two recordings is proportional to its speed of movement.
  • a next step 104 the practitioner wishes to initiate a rapid and automatic backtracking of the surgical instrument 12 along the path already taken. To do this, he presses pedal 34.
  • the central unit 36 then executes the instructions 52 of the second computer program 42 to achieve this automatic backtracking as explained above, the speed of the backtracking being able to be a function of the pressure exerted on the pedal 34.
  • step 108 the practitioner releases the pedal 34 so that the rapid and automatic backtracking is interrupted, whether the LIFO memory 50 is emptied or not.
  • the process can then resume at step 100 or 104.
  • FIG. 3 illustrates an example of a scenario produced by executing the method of FIG. 2.
  • the LIFO memory 50 is empty and the functional distal end 24 of the surgical instrument 12 is at an initial point P1.
  • the functional distal end 24 moves: from point P1 to a point P2 at high speed, hence the recording of a small number of successive movement information in LIFO 50 memory; then from point P2 to a point P3 at average speed, hence the recording of an intermediate number of information on successive displacements in LIFO memory 50; then from point P3 to a point P4 at average speed, hence the recording of an intermediate number of information on successive displacements in LIFO memory 50; then from point P4 to point P5 at slow speed, hence the recording of a large number of information on successive movements in LIFO memory 50; then from point P5 to point P6 at high speed, hence the recording of a small number of information on successive movements in LIFO 50 memory.
  • the operator decides to activate the rapid and automatic reverse rewind of the surgical instrument 12 by pressing the pedal 34 (step 104).
  • step 106 results in the execution of step 106 during which the functional distal end 24 returns: from P6 to P5 in rapid return, hence the unstacking of the successive displacement information previously recorded between P5 and P6; then from P5 to P4 in rapid return, from where the unstacking of the successive displacement information previously recorded between P4 and P5; then from P4 to P3 in rapid return, hence the unstacking of the successive displacement information previously recorded between P3 and P4.
  • step 102 marking the end of the scenario illustrated in FIG. 3 the functional distal end 24 moves: from point P3 to a point P7 at high speed, hence the recording of a small number of information on successive movements in LIFO 50 memory; then from point P7 to point P8 at slow speed, hence the recording of a large number of information on successive movements in LIFO 50 memory.
  • the surgical intervention method of Figure 2 and its example scenario of Figure 3 can easily be generalized to the implementation of other interventions than those on the middle or inner ear of a patient.
  • the successive arrangements of the articulated arm 10 are recorded in the form of positions of the motors, but they could be in other forms, such as for example the successive 6D positions of the surgical instrument 12.

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Abstract

Ce dispositif robotisé d'intervention chirurgicale comporte un bras articulé (10), à moteurs d'actionnement (M1, M2, M3, M4, M5, M6), dont une extrémité distale est destinée à porter un instrument chirurgical (12), un périphérique de commande (28) du bras articulé (10) pour un déplacement d'une extrémité fonctionnelle (24) de l'instrument chirurgical (12) le long d'un trajet, et des moyens (32) de traitement d'instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande (28) pour les convertir en instructions de commande des moteurs d'actionnement du bras articulé (10). Il comporte en outre un déclencheur (34) de retour arrière automatique du bras articulé (10), dont l'actionnement provoque l'envoi d'instructions individuelles de commande inverse de chacun des moteurs d'actionnement (M1, M2, M3, M4, M5, M6) du bras articulé (10) pour un déplacement inverse de l'extrémité fonctionnelle de l'instrument chirurgical (12) le long du trajet réalisé.

Description

Description
Titre : Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale à bras articulé commandé pour le suivi d’un trajet
[0001] La présente invention concerne un dispositif robotisé d’intervention chirurgicale, notamment dans le domaine oto-rhino-laryngologique mais pas seulement.
[0002] Elle s’applique plus particulièrement à un dispositif robotisé comportant : un bras articulé à moteurs d’actionnement dont une extrémité distale est destinée à porter un instrument chirurgical ; un périphérique de commande du bras articulé pour un déplacement d’une extrémité fonctionnelle de l’instrument chirurgical le long d’un trajet ; et des moyens de traitement d’instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande pour les convertir en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs d’actionnement du bras articulé.
[0003] Un tel dispositif est décrit dans l’article de Miroir et al, intitulé « RobOtol : from design to évaluation of a robot for middle ear surgery », publié à l’occasion de la conférence IEEE/RSJ International Conférence on Intelligent Robots and Systems qui s’est tenue du 18 au 22 octobre 2010 à Taipei (TW). Il présente une architecture et une cinématique particulièrement bien adaptées aux interventions chirurgicales otologiques de l’oreille moyenne ou interne de patients. Ces interventions sont sensibles aux faux mouvements de sorte que l’assistance robotisée est une aide précieuse.
[0004] Néanmoins, même avec cette aide, le praticien peut réaliser un mauvais geste lorsqu’il manipule le périphérique de commande compte tenu du volume confiné dans lequel il doit généralement opérer. Si dans la plupart des cas, la précision du geste chirurgical est telle qu’un léger écart est sans conséquence et aisément rattrapable, il existe des situations particulières dans lesquelles la tolérance est nulle ou quasi nulle. C’est le cas par exemple pour opérer un désengagement d’un instrument chirurgical otologique à l’intérieur de l’oreille d’un patient. Le trajet suivi par l’extrémité fonctionnelle de l’instrument chirurgical pour son engagement peut être complexe compte tenu d’anfractuosités dans lesquelles elle est amenée à évoluer, de sorte que son retrait peut s’avérer délicat s’il doit tenir compte du chemin emprunté. Par ailleurs, un tel retrait peut être souhaité dans une situation d’urgence de sorte qu’il doit alors être rapide. Cette rapidité d’exécution ajoute un stress pour le praticien et un risque accru de mauvais geste.
[0005] Plus généralement, dans tout type d’intervention chirurgicale assistée d’un dispositif robotisé porteur d’un instrument chirurgical et manipulé à l’aide d’un périphérique de commande, les situations dans lesquelles la moindre imprécision en cas de retrait rapide souhaité d’un instrument chirurgical peut avoir de lourdes conséquences sont multiples.
[0006] Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif robotisé qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
[0007] Il est donc proposé un dispositif robotisé d’intervention chirurgicale comportant : un bras articulé à moteurs d’actionnement dont une extrémité distale est destinée à porter un instrument chirurgical ; un périphérique de commande du bras articulé pour un déplacement d’une extrémité fonctionnelle de l’instrument chirurgical le long d’un trajet ; et des moyens de traitement d’instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande pour les convertir en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs d’actionnement du bras articulé ; comportant en outre un déclencheur de retour arrière automatique du bras articulé, dont l’actionnement provoque, indépendamment de toute instruction de déplacement du périphérique de commande, l’envoi d’instructions individuelles de commande inverse de chacun des moteurs d’actionnement du bras articulé pour un déplacement inverse de l’extrémité fonctionnelle de l’instrument chirurgical le long du trajet réalisé.
[0008] Ainsi, tout retour arrière peut être réalisé automatiquement par déclencheur et sans l’aide du périphérique de commande avec la garantie que le trajet inverse est rigoureusement suivi. Dans les situations délicates précitées, cela prévient de tout écart par rapport aux retraits souhaités, y compris dans des volumes retreints ou à anfractuosités et quelles que soient les éventuelles instructions émises par le périphérique de commande lorsque le retour arrière automatique est déclenché.
[0009] De façon optionnelle, le dispositif robotisé est configuré pour que l’actionnement du déclencheur de retour arrière automatique provoque une suspension du traitement de nouvelles instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande.
[0010] De façon optionnelle également : les moyens de traitement comportent des moyens d’enregistrement en mémoire d’une série ordonnée de dispositions successives du bras articulé pendant le déplacement commandé de l’extrémité fonctionnelle le long du trajet ; et les moyens de traitement sont configurés pour que l’actionnement du déclencheur de retour arrière automatique provoque des retours successifs du bras articulé de proche en proche d’une dernière disposition vers une première disposition enregistrées de cette série ordonnée.
[0011] De façon optionnelle également, chaque disposition enregistrée de la série ordonnée de dispositions successives du bras articulé comporte un ensemble de positions de ses moteurs d’actionnement.
[0012] De façon optionnelle également, les moyens d’enregistrement sont configurés pour enregistrer en mémoire les dispositions successives du bras articulé à intervalles de temps réguliers.
[0013] De façon optionnelle également, la mémoire dans laquelle est enregistrée la série ordonnée de dispositions successives du bras articulé est configurée en structure de pile.
[0014] De façon optionnelle également, le déclencheur de retour arrière automatique comporte une pédale ou un bouton poussoir d’arrêt à variateur de vitesse du retour arrière automatique du bras articulé en fonction d’une pression exercée par un opérateur.
[0015] De façon optionnelle également, les moyens de traitement sont configurés pour arrêter le retour arrière automatique en cours et reprendre le traitement de nouvelles instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande dès qu’aucune pression n’est plus exercée sur le déclencheur de retour arrière automatique par l’opérateur.
[0016] De façon optionnelle également, le périphérique de commande est un manche sur socle 6D. [0017] De façon optionnelle également, un dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon l’invention peut être configuré et dimensionné pour une intervention en chirurgie d’oreille moyenne ou interne d’un patient, l’instrument chirurgical étant lui- même un instrument d’intervention en chirurgie d’oreille moyenne ou interne du patient.
[0018] L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
[0019] [Fig.1 ] la figure 1 représente schématiquement la structure générale d’un dispositif robotisé d’intervention chirurgicale, selon un mode de réalisation de l’invention,
[0020] [Fig.2] la figure 2 illustre les étapes successives d’un procédé d’intervention chirurgicale à l’aide du dispositif robotisé de la figure 1 , selon un mode de réalisation de l’invention, et
[0021] [Fig.3] la figure 3 illustre un exemple de scénario réalisé par exécution du procédé de la figure 2.
[0022] En référence à la figure 1 , un dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon un mode de réalisation de l’invention comporte un bras articulé 10 à moteurs d’actionnement porteur d’un instrument chirurgical 12. L’exemple non limitatif illustré sur cette figure est plus précisément celui d’un dispositif robotisé pour une application en chirurgie otologique d’oreille moyenne ou interne d’un patient dont l’architecture et la cinématique sont optimisées conformément à l’enseignement du document de Miroir et al précité. Le bras articulé 10 présente ainsi, depuis sa base jusqu’à son extrémité porteuse de l’instrument chirurgical 12, trois liaisons prismatiques motorisées en série suivies de trois liaisons rotoïdes motorisées en série.
[0023] Une première liaison prismatique L1 , actionnée par un premier moteur M1 , permet le déplacement en translation d’un premier membre 14 du bras articulé 10 selon l’axe Z1 (par exemple vertical) d’un premier repère cartésien orthogonal local (X1 , Y1 , Z1) lié au premier moteur M1. Le premier moteur M1 est fixé au dispositif robotisé de sorte que le premier repère local (X1 , Y1 , Z1) présente les mêmes directions qu’un repère cartésien orthogonal global (X0, Y0, Z0) lié à une base fixe du dispositif robotisé. L’axe de déplacement du premier membre 14 est donc parallèle à Z0.
[0024] Une deuxième liaison prismatique L2, actionnée par un deuxième moteur M2 porté par une extrémité du premier membre 14, permet le déplacement en translation d’un deuxième membre 16 du bras articulé 10, selon l’axe Z2 d’un deuxième repère cartésien orthogonal local (X2, Y2, Z2) lié au deuxième moteur M2. Le deuxième repère local (X2, Y2, Z2) est retourné d’un angle droit par rapport à l’axe Y1 du premier repère local (X1 , Y1 , Z1) de sorte que son axe Z2 est parallèle à l’axe X1. L’axe de déplacement du deuxième membre 16 est donc parallèle à X0.
[0025] Une troisième liaison prismatique L3, actionnée par un troisième moteur M3 porté par une extrémité du deuxième membre 16, permet le déplacement en translation d’un troisième membre 18 du bras articulé 10, selon l’axe Z3 d’un troisième repère cartésien orthogonal local (X3, Y3, Z3) lié au troisième moteur M3. Le troisième repère local (X3, Y3, Z3) est retourné d’un angle droit par rapport à l’axe X2 du deuxième repère local (X2, Y2, Z2) de sorte que son axe Z3 est parallèle à l’axe Y2 lui-même parallèle à l’axe Y1 . L’axe de déplacement du troisième membre 18 est donc parallèle à Y0.
[0026] Une quatrième liaison rotoïde L4, actionnée par un quatrième moteur M4 cylindrique et porté par une extrémité du troisième membre 18, permet le déplacement en rotation d’un quatrième membre 20 du bras articulé 10, autour de l’axe Z4 d’un quatrième repère cartésien orthogonal local (X4, Y4, Z4) lié au quatrième moteur M4.
[0027] Une cinquième liaison rotoïde L5, actionnée par un cinquième moteur M5 cylindrique et porté par une extrémité du quatrième membre 20, permet le déplacement en rotation d’un cinquième membre 22 du bras articulé 10, autour de l’axe Z5 d’un cinquième repère cartésien orthogonal local (X5, Y5, Z5) lié au cinquième moteur M5.
[0028] Enfin, une sixième liaison rotoïde L6, actionnée par un sixième moteur M6 cylindrique et porté par une extrémité du cinquième membre 22, permet le déplacement en rotation de l’instrument chirurgical 12, autour de l’axe Z6 d’un sixième repère cartésien orthogonal local (X6, Y6, Z6) lié au sixième moteur M6.
[0029] Selon la configuration particulièrement intéressante de la figure 1 , les trois axes de rotation respectifs Z4, Z5 et Z6 des trois liaisons rotoïdes convergent en un même point central de l’extrémité distale fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12, faisant ainsi de ce point un point pivot. Cela signifie qu’en l’absence de tout actionnement des moteurs M1 , M2, M3 des liaisons prismatiques, toute instruction d’actionnement d’au moins l’un des moteurs M4, M5, M6 des liaisons rotoïdes provoque une rotation de l’instrument chirurgical 12 autour de son point pivot sans aucun déplacement de ce dernier dans le repère global (X0, Y0, Z0). [0030] L’instrument chirurgical 12 présente une extrémité proximale 26 de fixation au bras articulé 10, plus précisément à une extrémité de fixation correspondante du bras 10 liée au moteur M6. Cette fixation est par exemple avantageusement réalisée conformément au système de verrouillage décrit dans le brevet FR 2 998 344 B1 , mais ce n’est pas une obligation. Tout autre système de fixation adapté à l’application visée convient également.
[0031 ] L’instrument chirurgical 12 peut présenter une forme rectiligne de sorte son axe principal Zp, autour duquel est défini un repère cartésien local (Xp, Yp, Zp) qui lui est lié, est celui qui relie un point central de son extrémité proximale 26 de fixation au point pivot de son extrémité distale fonctionnelle 24. Dans ce cas, non illustré sur la figure 1 , l’axe Zp se confond avec l’axe Z6.
[0032] En variante et comme illustré sur la figure 1 , il peut s’agir d’un instrument chirurgical à portions déviées tel que celui décrit dans la demande de brevet FR 3 066 378 A1 . Dans ce cas, son axe principal Zp, autour duquel est toujours défini le repère cartésien local (Xp, Yp, Zp) qui lui est lié, est celui d’une portion distale rectiligne de cet instrument, désaxée par rapport à l’axe Z6 qui relie toujours le point central de son extrémité proximale 26 de fixation au point pivot de son extrémité distale fonctionnelle 24.
[0033] Le dispositif robotisé d’intervention chirurgicale comporte en outre un périphérique de commande 28 du bras articulé 10, tel qu’un manche sur socle 6D (de l’anglais « joystick 6D ») ou tout autre dispositif équivalent, adapté pour permettre un déplacement de l’extrémité distale fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12 le long d’un trajet souhaité selon trois degrés de liberté en translation et trois degrés de liberté en rotation par actionnement des six moteurs M1 à M6. Il peut en outre comporter un écran 30, notamment pour l’affichage et le suivi de tout déplacement de l’instrument chirurgical 12 en phase opératoire le long de son trajet.
[0034] Le dispositif robotisé d’intervention chirurgicale comporte en outre des moyens de traitement d’instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande 28 pour les convertir en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs M1 à M6 du bras articulé 10. Ces moyens de traitement prennent la forme d’un circuit électronique 32.
[0035] Le dispositif robotisé d’intervention chirurgicale comporte en outre un déclencheur 34 de retour arrière automatique du bras articulé 10. Il s’agit par exemple d’un dispositif à pédale ou d’un bouton poussoir d’arrêt à variateur de vitesse du retour arrière automatique du bras articulé 10 en fonction d’une pression exercée par un opérateur. Il a pour fonction lorsqu’il est actionné, par exemple par pression du pied s’il s’agit d’une pédale, de provoquer, indépendamment de toute instruction de déplacement du périphérique de commande 28, l’envoi d’instructions individuelles de commande inverse de chacun des six moteurs M1 à M6 pour un déplacement inverse de l’extrémité fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12 le long du trajet réalisé. En pratique chirurgicale, le déclencheur 34 est avantageusement une pédale puisque son actionnement par le pied permet de libérer les mains du praticien.
[0036] Le circuit électronique 32 est connecté au bras articulé 10 afin de lui transmettre les instructions individuelles de commande des moteurs M1 à M6 et de recevoir en retour aussi souvent qu’il le souhaite les positions cartésiennes ou angulaires des moteurs M1 à M6. Il est connecté au périphérique de commande 28 afin de recevoir ses instructions de déplacement. Ces dernières sont généralement exprimées dans le repère global (X0, Y0, Z0). Il est connecté au déclencheur de retour arrière 34 pour détecter son actionnement et engager en conséquence le retour arrière automatique du bras articulé 10.
[0037] Il présente une unité centrale de traitement 36, telle qu’un microprocesseur conçu pour émettre vers le bras articulé 10 les instructions individuelles de commande, pour recevoir du périphérique de commande 28 les instructions de déplacement et pour recevoir du bras articulé 10 les positions des moteurs M1 à M6. Il présente en outre une mémoire 38 dans laquelle est enregistré au moins un programme d’ordinateur, destiné à être exécuté par l’unité centrale 36, réalisant la conversion et le retour arrière automatique précités. Deux programmes d’ordinateur 40 et 42, sélectionnables selon un commutateur logiciel 44 sont représentés sur la figure 1 .
[0038] Conformément à un mode de réalisation possible de la présente invention, le premier programme d’ordinateur 40 comporte des instructions pour la mise en oeuvre de la conversion des instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande 28 en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs M1 à M6, et pour la mise en oeuvre de l’enregistrement des positions respectives de ces derniers aux instants souhaités. Le deuxième programme d’ordinateur 42 comporte quant à lui des instructions pour la mise en oeuvre du retour arrière automatique.
[0039] On notera que le circuit électronique 32 tel que représenté schématiquement sur la figure 1 peut par exemple être mis en oeuvre dans un dispositif informatique tel qu’un ordinateur classique comportant un processeur associé à une ou plusieurs mémoires pour le stockage de fichiers de données et de programmes d’ordinateurs dont les instructions sont destinées à être exécutées par le processeur, telles que les instructions des programmes 40, 42 et du commutateur logiciel 44 qui peut lui aussi constituer un programme d’ordinateur. Ces programmes sont représentés comme distincts, mais cette distinction est purement fonctionnelle. Ils pourraient tout aussi bien être regroupés selon toutes les combinaisons possibles en un ou plusieurs logiciels. Leurs fonctions pourraient aussi être au moins en partie micro programmées ou micro câblées dans des circuits intégrés dédiés. Ainsi, en variante, le dispositif informatique mettant en oeuvre le circuit électronique 32 pourrait être remplacé par un dispositif électronique composé uniquement de circuits numériques (sans programme d’ordinateur) pour la réalisation des mêmes actions.
[0040] Plus précisément, le premier programme d’ordinateur 40 comporte des instructions 46 réalisant une conversion jacobienne des instructions fournies par le périphérique de commande 28, exprimées dans le repère global (X0, Y0, Z0), en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs M1 à M6 d’actionnement du bras articulé 10 à l’aide de paramètres jacobiens stockés en mémoire. Cette fonction de convertisseur jacobien est bien connue de l’homme du métier et ne sera pas détaillée. Les instructions individuelles de commande fournies par exécution du programme d’ordinateur 40 sont à transmettre par l’unité centrale 36 au bras articulé 10.
[0041] Le premier programme d’ordinateur 40 comporte en outre des instructions 48 réalisant une récupération, par exemple à intervalles de temps réguliers lorsque l’instrument chirurgical 12 est en mouvement, des positions des moteurs M1 à M6 pour les enregistrer en mémoire 38, plus précisément dans une portion 50 de la mémoire 38 dédiée au stockage de données. Cette portion de mémoire 50 est avantageusement structurée en pile, c’est-à-dire en mémoire de type LIFO (de l’anglais « Last In First Out »). La récupération des données est exécutée par l’unité centrale 36. Ainsi, les dispositions successives du bras articulé 10 récupérées à intervalles de temps réguliers pendant le déplacement commandé de l’extrémité fonctionnelle 24 le long du trajet suivi, c’est-à-dire plus précisément les positions successives respectives des moteurs M1 à M6 dans l’exemple de la figure 1 , sont enregistrées en mémoire LIFO 50 selon une série ordonnée.
[0042] Plus précisément également, le deuxième programme d’ordinateur 42 comporte des instructions 52 réalisant une lecture des positions successives respectives des moteurs M1 à M6 enregistrées en mémoire LIFO 50 pour des retours successifs du bras articulé 10 de proche en proche du dernier vers le premier ensemble de ces positions successives. A chaque lecture d’un nouvel ensemble de positions des moteurs M1 à M6 permettant de remonter en sens inverse le trajet suivi par l’extrémité fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12, les instructions 52 engendrent les instructions individuelles de commande des moteurs M1 à M6 correspondantes. Ces dernières sont transmises au bras articulé 10 par l’unité centrale 36 et l’ensemble de positions lu est alors supprimé de la mémoire LIFO 50.
[0043] Le commutateur logiciel 44 permet de sélectionner l’exécution de l’un ou l’autre des programmes d’ordinateurs 40, 42 selon que la pédale 34 est actionnée ou pas. Par défaut, c’est le premier programme d’ordinateur 40 qui est sélectionné. Toute instruction de déplacement fournie par le périphérique de commande 28 est prise en compte par l’unité centrale 36 et convertie en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs M1 à M6 par exécution de ce programme. En outre, à intervalles de temps réguliers, les positions successives des moteurs M1 à M6 sont enregistrées en liste ordonnée par empilement dans la mémoire LIFO 50. Une pression du pied sur la pédale 34 permet d’orienter le commutateur logiciel 44 sur une exécution du deuxième programme d’ordinateur 42. Les nouvelles instructions de déplacement éventuellement émises par le périphérique de commande 28 ne sont alors plus prises en compte. Ce sont les données de positions successives des moteurs M1 à M6 enregistrées en mémoire LIFO 50 qui sont dépilées les unes après les autres dans l’ordre inverse de leur enregistrement pour reconstituer le trajet inverse suivi par l’instrument chirurgical 12. Si le dispositif électronique 32 est programmé pour être sensible à la pression exercée sur la pédale 34, le retour arrière du bras robotisé 10 qui en résulte est par exemple d’autant plus rapide que la pression est forte. Dans un mode de réalisation préféré, dès que la pédale 34 est relâchée, le retour arrière automatique s’interrompt, que la mémoire LIFO 50 soit vidée ou pas, et le commutateur logiciel 44 rebascule sur l’exécution du premier programme d’ordinateur 40.
[0044] La figure 2 illustre les étapes successives d’un procédé d’intervention chirurgicale à l’aide du dispositif robotisé de la figure 1 .
[0045] Au cours d’une première étape 100, la pédale 34 n’est pas actionnée et un opérateur engage le déplacement de l’extrémité distale fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12 porté par le bras articulé 10 à l’aide du périphérique de commande 28. [0046] Au cours d’une étape suivante 102, l’unité centrale 36 exécute les instructions 46 et 48 du premier programme d’ordinateur 40 pour convertir les instructions fournies par le périphérique de commande 28 en instructions individuelles de commande des moteurs M1 à M6 et pour enregistrer régulièrement leurs positions successives de manière à conserver en mémoire LIFO 50 le trajet suivi par l’instrument chirurgical 12. On notera que le fait de procéder aux enregistrements des positions successives des moteurs M1 à M6 à intervalles de temps réguliers permet avantageusement de conserver une information de vitesse de déplacement de l’instrument chirurgical 12 puisque la distance parcourue par son extrémité distale fonctionnelle 24 entre deux enregistrements est proportionnelle à sa vitesse de déplacement.
[0047] Au cours d’une étape suivante 104, le praticien souhaite engager un retour arrière rapide et automatique de l’instrument chirurgical 12 le long du trajet déjà effectué. Il appuie pour cela sur la pédale 34.
[0048] Au cours d’une étape suivante 106, l’unité centrale 36 exécute alors les instructions 52 du deuxième programme d’ordinateur 42 pour réaliser ce retour arrière automatique comme expliqué précédemment, la vitesse du retour arrière pouvant être fonction de la pression exercée sur la pédale 34.
[0049] Enfin, au cours d’une dernière étape 108, le praticien relâche la pédale 34 de sorte que le retour arrière rapide et automatique s’interrompt, que la mémoire LIFO 50 soit vidée ou pas. Le procédé peut ensuite reprendre à l’étape 100 ou 104.
[0050] La figure 3 illustre un exemple de scénario réalisé par exécution du procédé de la figure 2.
[0051] Initialement (i.e. première exécution de l’étape 100), la mémoire LIFO 50 est vide et l’extrémité distale fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12 est en un point initial P1.
[0052] Pendant l’exécution de l’étape 102, l’extrémité distale fonctionnelle 24 se déplace : du point P1 à un point P2 en vitesse rapide, d’où l’enregistrement d’un petit nombre d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50 ; puis du point P2 à un point P3 en vitesse moyenne, d’où l’enregistrement d’un nombre intermédiaire d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50 ; puis du point P3 à un point P4 en vitesse moyenne, d’où l’enregistrement d’un nombre intermédiaire d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50 ; puis du point P4 à un point P5 en vitesse lente, d’où l’enregistrement d’un grand nombre d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50 ; puis du point P5 à un point P6 en vitesse rapide, d’où l’enregistrement d’un petit nombre d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50.
[0053] Arrivé au point P6, l’opérateur décide d’actionner le retour arrière rapide et automatique de l’instrument chirurgical 12 en appuyant sur la pédale 34 (étape 104).
[0054] Il en résulte l’exécution de l’étape 106 pendant laquelle l’extrémité distale fonctionnelle 24 revient : de P6 à P5 en retour rapide, d’où le dépilement des informations de déplacements successifs précédemment enregistrées entre P5 et P6 ; puis de P5 à P4 en retour rapide, d’où le dépilement des informations de déplacements successifs précédemment enregistrées entre P4 et P5 ; puis de P4 à P3 en retour rapide, d’où le dépilement des informations de déplacements successifs précédemment enregistrées entre P3 et P4.
[0055] Revenu au point P3, l’opérateur décide d’interrompre le retour arrière rapide et automatique de l’instrument chirurgical 12 en relâchant la pédale 34 (étape 108).
[0056] Il décide ensuite de diriger l’extrémité distale fonctionnelle 24 de l’instrument chirurgical 12 vers un autre trajet et revient de ce fait à une nouvelle exécution de l’étape 100.
[0057] Pendant une nouvelle exécution de l’étape 102 marquant la fin du scénario illustré sur la figure 3, l’extrémité distale fonctionnelle 24 se déplace : du point P3 à un point P7 en vitesse rapide, d’où l’enregistrement d’un petit nombre d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50 ; puis du point P7 à un point P8 en vitesse lente, d’où l’enregistrement d’un grand nombre d’informations de déplacements successifs en mémoire LIFO 50. [0058] Le procédé d’intervention chirurgicale de la figure 2 et son exemple de scénario de la figure 3 sont aisément généralisables à la mise en oeuvre d’autres interventions que celles sur l’oreille moyenne ou interne d’un patient.
[0059] Il apparaît clairement qu’un dispositif robotisé tel que celui décrit précédemment permet une intervention chirurgicale sécurisée dans certaines situations où un retrait rapide de l’instrument chirurgical sans faux mouvement ou écart par rapport au trajet précédemment suivi est souhaité.
[0060] On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment. [0061 ] Elle est avantageusement appliquée à l’architecture et à la cinématique du bras articulé 10 de la figure 1 , mais elle est généralisable à d’autres architectures et cinématiques par adaptation des conversions et informations de dispositions correspondantes.
[0062] Les dispositions successives du bras articulé 10 sont enregistrées sous la forme de positions des moteurs, mais elles pourraient l’être sous d’autres formes, telles que par exemple les positions 6D successives de l’instrument chirurgical 12.
[0063] Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention au mode de réalisation exposé dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

Revendications
[1] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale comportant : un bras articulé (10), à moteurs d’actionnement (M1 , M2, M3, M4, M5, M6), dont une extrémité distale est destinée à porter un instrument chirurgical (12) ; un périphérique de commande (28) du bras articulé (10) pour un déplacement d’une extrémité fonctionnelle (24) de l’instrument chirurgical (12) le long d’un trajet ; et des moyens (32) de traitement d’instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande (28) pour les convertir en instructions individuelles de commande de chacun des moteurs d’actionnement (M1 , M2, M3, M4, M5, M6) du bras articulé (10) ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre un déclencheur (34) de retour arrière automatique du bras articulé (10), mécaniquement actionnable par un opérateur, dont l’actionnement provoque, indépendamment de toute instruction de déplacement du périphérique de commande (28), l’envoi d’instructions individuelles de commande inverse de chacun des moteurs d’actionnement (M1 , M2, M3, M4, M5, M6) du bras articulé (10) pour un déplacement inverse de l’extrémité fonctionnelle (24) de l’instrument chirurgical (12) le long du trajet réalisé.
[2] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon la revendication 1 , configuré pour que l’actionnement du déclencheur de retour arrière automatique (34) provoque une suspension du traitement de nouvelles instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande (28).
[3] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon la revendication 1 ou 2, dans lequel : les moyens de traitement (32) comportent des moyens (36, 48) d’enregistrement en mémoire (50) d’une série ordonnée de dispositions successives du bras articulé (10) pendant le déplacement commandé de l’extrémité fonctionnelle (24) le long du trajet ; et - les moyens de traitement (32) sont configurés pour que l’actionnement du déclencheur de retour arrière automatique (34) provoque des retours successifs du bras articulé (10) de proche en proche d’une dernière disposition vers une première disposition enregistrées de cette série ordonnée.
[4] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon la revendication 3, dans lequel chaque disposition enregistrée de la série ordonnée de dispositions successives du bras articulé (10) comporte un ensemble de positions de ses moteurs d’actionnement (M1 , M2, M3, M4, M5, M6).
[5] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les moyens d’enregistrement (36, 48) sont configurés pour enregistrer en mémoire (50) les dispositions successives du bras articulé (10) à intervalles de temps réguliers.
[6] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la mémoire (50) dans laquelle est enregistrée la série ordonnée de dispositions successives du bras articulé (10) est configurée en structure de pile.
[7] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le déclencheur de retour arrière automatique (34) comporte une pédale ou un bouton poussoir d’arrêt à variateur de vitesse du retour arrière automatique du bras articulé (10) en fonction d’une pression exercée par l’opérateur.
[8] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon la revendication 7, dans lequel les moyens de traitement (32) sont configurés pour arrêter le retour arrière automatique en cours et reprendre le traitement de nouvelles instructions de déplacement fournies par le périphérique de commande (28) dès qu’aucune pression n’est plus exercée sur le déclencheur de retour arrière automatique (34) par l’opérateur.
[9] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le périphérique de commande (28) est un manche sur socle 6D.
[10] Dispositif robotisé d’intervention chirurgicale selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, configuré et dimensionné pour une intervention en chirurgie d’oreille moyenne ou interne d’un patient, l’instrument chirurgical (12) étant lui-même un instrument d’intervention en chirurgie d’oreille moyenne ou interne du patient.
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