Conception et réalisation d'un robot d'insertion d'aiguille pour les procédures percutanées sous imageur scanner

par Benjamin Maurin

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique

Sous la direction de Michel De Mathelin.

Soutenue en 2005

à Strasbourg 1 .


  • Résumé

    Cette thèse concerne la conception et la réalisation d'un assistant robotique pour les procédures percutanées par retour scanner (tomodensitométrie à rayons X, TDM), utilisées en radiologie pour guider manuellement des aiguilles jusqu'à des tumeurs. Le suivi de trajectoire implique l'acquisition renouvelée d'images TDM, donc une sur-exposition nocive. Nous avons proposé un assistant qui se substitue au bras du radiologue pendant les phases initiales d'alignement et de maintien de l'aiguille. La tâche d'insertion est séparée en deux sous-tâches comple��mentaires et mutuellement exclusives: l'une est le positionnement par un manipulateur actif, l'autre est l'insertion par un dispositif d'enfoncement passif. A partir d'un cahier des charges précis nous avons donné une solution cinématique parallèle à cinq degrés de liberté. Après l'étude des modèles classiques: géométrique inverse, direct et cinématique, nous avons proposé des résultats de simulation illustrant la mobilité et l'espace de travail du manipulateur. Puis, nous avons décrit la réalisation issue de la conception assistée par ordinateur: actionneurs piézo-électriques, simulation et commande en position avec génération de trajectoire sans collision entre deux consignes. Pour placer automatiquement un intrument suivant une trajectoire définie dans une image TDM, nous avons exposé une méthode stéréotaxique d'estimation de pose par marqueur tridimensionnel. Ce problème géométrique est résolu analytiquement ou numériquement, puis utilisé dans algorithme d'appariement automatique pour le calcul de la pose. Des premières expérimentations en conditions cliniques terminent ce travail: positionnement automatique à partir d'une image TDM, pointage par laser et avec une aiguille, enfoncement manuel avec guidage sur des petites cibles. Ces résultats, réalisés sur un mannequin, sont une première évaluation de la précision de l'ensemble du système robotique et de la robustesse des méthodes de reconstruction de pose.

  • Titre traduit

    Design and engineering of a needle insertion robot for percutaneous procedures with computed tomography guidance


  • Résumé

    This thesis deals with the design and engineering of a robotic assistant for percutaneous procedures with CT-scan visual feedback. CT-scan is commonly used by radiologists to manualy guide needles into tumors. While constantly checking the position of the needle, radiologists are repeatedly exposed to harmful X-rays. To cope with this issue, we propose a novel robotic system that will replace the arm of the radiologist for the initial alignment and while he holds the needle. The insertion task is split up in two complementary and mutually exclusive subtasks: the first is the positionning of the needle axis with an active robotic arm, the second is the insertion itself, currently done with a passive guide. From the specifications of the system, we define the kinematics of a parallel robotic arm with five degrees of freedom. The modeling of the structure is given: first the inverse and forward kinematics, then the velocity kinematics. Using these models, we have been able to characterize the workspace and the mobility of the device. Based on the computer aided design of the device, we describe the specific actuators, a realistic simulator and a position control algorithm with path planning for collision avoidance. In order to automatically position the needle with respect to a path specified in a CT-slice, a stereotaxic-like method to register a three-dimensional fiducial in the CT-scan reference frame is proposed. The registration is performed using a closed-form solution or an iterative method that can be further employed in an automatic matching algorithm. As a proof of feasibility, we finally show some experiments of automatic pointing of a target with a laser beam using CT-scan visual references. Similar experiments are also performed with a needle and an abdominal phantom in clinical conditions. Manual needle insertions with robotic guidance are performed on small targets in order to validate the accuracy and the robustness of the whole robotic system.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (VI-208 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 199-208

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2005;4962
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