Insertion robotisée d'aiguille pour le petit animal

par Ahmed Ayadi

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique. Robotique médicale

Sous la direction de Pierre Graebling et de Jacques Gangloff.

Soutenue en 2008

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008) .

mots clés

• Insertion robotisée d'aiguille
• Mire virtuelle
• Asservissement visuel
• Maladies animales -- Soins infirmiers -- Automatisation
• Vision par ordinateur en médecine

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse est la conception et le développement d’un système d’insertion robotisée d’aiguille pour le petit animal. Le dispositif proposé se compose d’un scanner à rayons X, d’un robot et d’un système de vision. Dans le protocole proposé, l’animal attaché à son lit, est passé au scanner afin d’acquérir son modèle CT. Le biologiste définit alors l’étape d’insertion en choisissant deux points dans les données CT : le point d’entrée au niveau de la peau et la cible à atteindre. Ensuite, l’animal et son lit sont déplacés hors du scanner et placés devant le robot. Ce protocole nécessite deux recalages. Le premier permet d’identifier la position de l’animal par rapport au robot suite à son déplacement. Ainsi, les deux points choisis par le biologiste dans les images scanner peuvent être définis dans le repère du robot. La solution proposée est basée sur la projection de lumière structurée sur une cible de recalage. Cette dernière est identifiée également dans les images scanner. Le deuxième recalage consiste à positionner et orienter d’une manière automatique et précise l’aiguille par rapport à la cible. Les deux méthodes proposées sont indépendantes du modèle d’aiguille et de sa fixation au robot. La première méthode proposée est basée sur la création d’une mire virtuelle obtenue suite au déplacement du robot avec un pas fixe et suite à l’extraction de l’aiguille dans l’image caméra. Cette solution conduit à une procédure longue, dont la précision n’a pas été jugée suffisante. La seconde approche proposée est basée sur l’asservissement visuel 2D stéréoscopique. Les paramètres visuels sont extraits directement des images de l’aiguille et tiennent compte de leur redondance. Les premiers tests effectués montrent une précision inférieure à 1 mm et 0,05 rad pour le positionnement de l’aiguille.

Titre traduit

Robotic needle insertion for small animal

Résumé

The aim of this work is the design and development of a robotic needle insertion system for the small animal. The system is composed of an X-ray scanner, a robot and a vision system. In the proposed protocol, the animal attached to its bed is scanned in order to acquire its CT-model. From these data, the biologist specifies the input and target points. Then, the bed with the animal is removed from the CT-scan to the robotic cell. This protocol requires two registrations. The first registration identifies the position of the animal with respect to the robot after its displacement. So, the two points selected by the biologist in the CT-images can be defined in the robot frame. The proposed solution is based on the projection of structured light on a specific lid which is also identified in the CT-images. The second registration consists in orienting automatically and precisely the needle with respect to the target. The two proposed methods are independent from the needle model and its attachment to the robot. The first method is based on a virtual calibration grid created by pre-defined needle tip motions performed by the robot and followed by the extraction of the needle in the camera image. This approach leads to a long procedure, whose accuracy not satisfactory. The second approach is based on 2D stereo visual servoing. The visual parameters are extracted directly from the needle in the images and take into account their redundancy. The first experimental results show a precision less than 1 mm and 0. 05 rad for positioning the needle.