Simulateur d’étude de micro-endoscopes à actionneurs distribués

èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001
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SIMULATEUR D’ETUDE DE MICRO-ENDOSCOPES A ACTIONNEURS
DISTRIBUES
* * +Christofer KÜHL , Georges DUMONT , Guillermo B. ANDRADE
* +ENS Cachan, Antenne de Bretagne IRISA/INRIA de Rennes
Campus de Ker Lann, 35170 Bruz Campus de Beaulieu, 35042 Rennes Cedex

Résumé :
Un simulateur d’étude de micro-endoscopes polyarticulés à actionneurs à alliage à mémoire (AMF) de forme est
en cours de développement. Au-delà de l’aspect navigation virtuelle, l’objectif à terme de ce simulateur est le
prototypage virtuel d’un tel système. Nous décrivons dans cette article la manière dont on passe d’une base de
données médicale (issue d’une IRM), à une navigation virtuelle d’endoscope « intelligent » intégrant des
interfaces visuelle et haptique. Ensuite nous exposons les perspectives d’utilisation de ce simulateur dans le but
d’une meilleure adaptation possible de l’outil au patient.
Abstract :
A training simulator of active endoscopes using shape memory alloy (SMA) actuators is being developed.
Beyond the virtual navigation, the final goal of this simulator is the virtual prototyping of active endoscopes.
This article describes the way we use to navigate virtually through a medical data base (got from magnetic
resonance imaging) with an “intelligent” endoscope which integrates visual and haptic interfaces. Then, the
perspectives of use of this simulator are displayed, with the research of the best adaptation of the tool to the
patient.
Mots clés :
micro-endoscopes, prototypage virtuel, modèle de contact, Interface haptique,
simulation multi-physique, optimisation
1 Introduction
Les recherches en cours dans le domaine de la micro-endoscopie sont nombreuses compte
tenu de la forte demande des médecins de réaliser des appareils moins invasifs pour
l’inspection du corps humain. Une des voies de recherche porte sur la réalisation
d’endoscopes polyarticulés pilotés par des actionneurs à AMF (Scewczyk et al. (2000) ou
encore Park et Esashi (1999)).
Notre article montre les différentes étapes de la réalisation d’un simulateur d’étude
utilisant cette technologie et intégrant une interface haptique. La réalisation du simulateur est
fortement modulaire et est alors gérée par la plate-forme GASP.
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L’intérêt de la réalisation d’un simulateur est triple : il permet la formation des futurs
chirurgiens, l’entraînement pré-opératoire, et pour finir l’aide au choix de l’endoscope le
mieux adapté par des techniques de prototypage virtuel.
Nous commençons par présenter les différents modules du simulateur qui permettent la
description de l’endoscope, puis nous détaillons la procédure de conception qui est basée sur
les algorithmes génétiques.
2 Présentation de l’endoscope

FIG. 1 : Description de l’endoscope

La construction des micro-endoscopes est réalisée au sein du groupement de laboratoires
MESI (Micro-Equipements : Systèmes et Interfaces) comprenant le LRP, l’IRISA et l’ENS
Cachan. Ils doivent être flexibles et s’adapter à la courbure de l’environnement. Ils se
présentent sous la forme d’un assemblage de modules de longueurs différentes et reliés entre
eux par des liaisons pivots possédant deux orientations relatives possibles (figure 1). Ils sont
conçus de telle sorte qu’on puisse y loger un réseau optique et électrique.
3 Description du simulateur
L’objectif du simulateur est de pouvoir naviguer virtuellement dans le corps d’un patient,
à partir de la reconstitution de son tube digestif obtenu par une IRM.
La gestion du simulateur s’effectue sur la plate-forme GASP (Donikian et al. (1998)). Elle
s’intègre dans le projet SIAMES de l’IRISA. Le principal objectif de GASP est de proposer
une simulation modulaire pouvant être exécutée sur différentes configurations matérielles. La
plate-forme gère la synchronisation et les échanges de données entre les processus coopérants
même si les fréquences de calcul sont différentes, assurant ainsi un « temps réel dilaté ». Elle
est développée en utilisant les spécificités de la programmation orientée objet.







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Simulation Modeleur 3D
Couplage
caméra
Affichage Modèle SMR graphique dynamique Newton-Euler Utilisateur
Matlab Noyau
Commande Interface Modèle de
haptique contact

Interaction Retour
d’effort

Modélisation
Optimisation

FIG. 2 : Organisation de la plate-forme

Nous allons dans la suite expliciter les différents modules de la figure 2.
3.1 Construction du tube digestif
A partir d’une image scanner du patient, on obtient un fichier sous forme de voxels
décrivant la forme du tube digestif du patient.
Ce format de données n’incluant pas la notion de distance, nous effectuons un pré-
traitement de cette base de données (dévoxelisation) pour reconstruire un fichier directement
utilisable par le module de simulation mécanique. Ce traitement permet l’extraction de la
frontière du tube digestif, ainsi que la construction de cartes de distances.
3.2 Simulation mécanique
La simulation du mouvement de l’endoscope est réalisée à partir d’un algorithme de
Newton-Euler récursif (Andrade (2000)).
On génère de manière automatique dans une interface graphique un endoscope constitué
de cylindres en liaison pivot les uns par rapport aux autres. Sont paramétrées la longueur de
chacun des segments ainsi que l’orientation relative des axes des pivots.


FIG. 3 : Vue de l’endoscope dans une base de données médicale

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Le modèle de simulation tient alors compte des effets inertiels de l’endoscope et des effets
de la pesanteur. Il reste alors à définir les interactions entre l’endoscope et le milieu
environnant et l’intervention des actionneurs.
3.3 Interaction endoscope / Tube digestif
Cette interaction se faisant entre un corps rigide (les articulations de l’endoscope d’une
part) et un corps mou (les tissus humains d’autre part), on assure le calcul de la réaction par
une méthode de compliance.
La première étape du calcul d’une force de réaction consiste en la détection d’une collision
entre l’endoscope et la canalisation. La détection se fait simplement de manière géométrique
dans le simulateur : la surface des cylindres est discrétisée et on teste pour chacun des points
s’il y a collision.
Si un point de collision est détecté, on cherche le point le plus proche sur la paroi du tube
digestif. Ces deux points donnent la direction de la force de réaction, et leur distance donne le
module de la réaction (on rajoute un effet visqueux afin d’amortir le mouvement de
pénétration). Ce calcul de distance est rendu possible par un pré-traitement de la base de
données constituant le tube digestif indiquant la distance de chaque point du tube à la paroi.
Nous définirons un protocole expérimental permettant d’identifier les paramètres du
modèle de compliance.
On remarquera que la détection du contact est relativement aisée dans le cadre de la
simulation puisqu’elle est simplement géométrique. Dans le cas de l’intervention réelle, le
problème est différent puisqu’on ne dispose plus a priori du modèle géométrique du tube
digestif. Le choix du type de capteurs reste à définir.
3.4 Commande de l’endoscope
Nous avons développé un module définissant un contrôleur qui commande le modèle
mécanique. Son objectif est de piloter l’orientation articulaire de l’endoscope pour permettre
une introduction plus aisée dans la canalisation virtuelle. Il est basé sur la description
géométrique des liaisons entre deux segments adjacents ainsi que sur les caractéristiques
géométriques et comportementales de l’actionneur en AMF (Troisfontaine et Bidaud (1998)).
Toute la difficulté réside dans la réalisation des lois de pilotage de l’endoscope. L’objectif
est bien entendu d’adapter au mieux la courbure de l’endoscope à celle du tube digestif afin
de minimiser leurs interactions.
Différentes stratégies de commande doivent alors être mises en œuvre (Szewczyk et al.
(1999)) :
• orientation par l’opérateur en fonction de la vision ;
• commande par rétropropagation de la courbure ;
• contrôle de telle manière que les efforts d’int