Utilisation d'un robot sous-actionné pour la détection du cancer du sein

Utilization of an under-actuated robot for co-manipulated guidance for breast cancer detection

• Auteur / Autrice : Anja Marx
• Direction : Guillaume Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sein -- Échographie

Cancer du sein

Interfaces utilisateur (informatique)

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la co-manipulation. Dans les systèmes co-manipulés, le robot et l'utilisateur accomplissent une tâche d'une manière collaborative. Il existe trois types de co-manipulation. La co-manipulation orthodique est notamment utilisée pour la rééducation des membres où le robot et l'humain sont liés dans plus qu'un point. Dans un système de co-manipulation sérielle, le robot se situe entre l'utilisateur et l'outil qui est contrôlé par le robot. Cette thèse se situe dans le contexte de la co-manipulation parallèle. Dans cette classe, le robot et l'humain manient l'outil directement et en même temps. Ce principe de co-manipulation parallèle a été appliqué dans un contexte médical, plus précisément au diagnostic du cancer du sein. Aujourd'hui, la procédure standard pour ces examens est basée sur des imageries consécutives du sein utilisant d'abord la mammographie (MX) et puis l'échographie (U/S). Cette image U/S en 2D représente une coupe de l'objet. Les images MX peuvent être superposées comme des ``couches d'images'' afin d'obtenir un modèle 3D du sein. Ce fait relève la difficulté principale de cet examen d'imagerie. Pendant l'examen échographique, le radiologue doit localiser une zone d'intérêt précédemment définie dans les images MX en se servant seulement de la coupe 2D du sein. Il est à noter que la patiente doit adopter des positions différentes pour chaque examen. Elle est debout avec un sein comprimé entre une pelote de compression et le détecteur du système pour une mammographie. Cependant pour l'échographie, la patiente est couchée sur le dos. Cette différence de posture de la patiente représentent la deuxième difficulté de l'examen du sein. Le système proposé dans cette thèse facilite la procédure d'examens combinés en gardant la même géométrie du sein. De plus, un bras robotisé guidant la sonde échographique est rajouté au système de mammographie existant. Ainsi, un système de co-manipulation parallèle, qui permet la manipulation simultanée de la sonde échographique par le robot et l'utilisateur, a été mis en place. Jusqu'à présent, plusieurs systèmes de co-manipulation parallèle ont été présentés dans le domaine médical. Tous ont comme point commun d'avoir au moins autant de degrés de liberté (DDL) actionnés que la tâche à effectuer. Ceci implique un coût élevé du système entier ainsi qu'un possible encombrement causé par la structure robotisée. L'intérêt de ce travail est d'analyser des solutions alternatives permettant une amélioration significative du geste médical tout en réduisant l'encombrement dût au robot ainsi que son coût. D'un point de vue robotique, l'innovation consiste à proposer des guidages d'outils d'une manière sous-actionnée. Le robot ne fourni donc pas d'assistance couvrant tous les DDL de la tâche mais une aide partielle ayant comme but d'améliorer les gestes du radiologue. Des mesures comme la distance à la cible et le temps d’examen ont été choisies comme indicateur de performance. Les résultats d'une première série de tests ont démontré qu'un guidage complètement actionné améliore les performances des utilisateurs comparé à aucun guidage. Pour qualifier des améliorations des examens avec un guidage sous-actionné, différents modes de sous-actionnements ont été testés. Les résultats montrent que même un guidage partiel augmente d'une manière significative la qualité des examens échographiques. La précision a pu être augmentée en diminuant la durée de l'intervention. La réduction des DDL nécessite néanmoins une adaptation de la commande du robot à l'architecture du système. Il a été observé dans cette thèse qu'une simple réduction des DDL peut induire des instabilités reliées à l'architecture du système. Elle doit donc être adaptée en fonction du sous-actionnement de chaque cas.

This research is situated in the emerging field of co-manipulation systems where robot and user perform a task in a collaborative way. It is applied to the medical context of breast cancer diagnosis where the standard procedure today is the succession of an initial mammography (MX) examination and a supplementary Ultrasound (U/S) scan. The surgeon's task is to localize the target lesion defined in the MX images using 2D U/S. One difficulty of this procedure results from the fact that breast geometry changes for both examinations due to different patient's positions. A second difficulty is the mental correlation of two different image types. MX provides a 3D view, whereas U/S only displays a cross section of the object. The proposed system facilitates this combined examination by keeping the breast geometry and by adding a U/S probe guidance robot to the mammography system. A 6DOF parallel co-manipulation system is set up where the robot and user simultaneously impact on the probe. A robot control is developed for active task assistance. Its relevance is evaluated in vitro and showed a significant increase in examination quality when using robot guidance compared to the standard examination. The novel aspect treated in this thesis is under-actuated co-manipulation, where the robot has less DOF than the task requires. The initial idea is that, although the robot cannot perform the task autonomously, it may bring partial assistance that still improves the movement. This involves adaptation in terms of robot control and system architecture. It is shown in this work that, in case of under-actuation, simple reduction from a fully-actuated robot control to the remaining robot DOF is not sufficient to guarantee system stability. System architecture needs to be adapted accordingly. To quantify examination improvements when using under-actuated guidance, different under-actuated robot controls have been compared. The main outcome of this thesis is that even an under-actuated robot system increases task precision significantly while decreasing execution time.