L'invention de la main robotique progresse pour la chirurgie cérébrale mini-invasive

Une petite main robotique conçue pour améliorer la neurochirurgie est un pas de plus vers la pratique clinique. L'outil microrobotique est créé par une équipe de chercheurs de l'Université de Toronto dirigée par Eric Diller, professeur agrégé au département de génie mécanique et industriel de la Faculté des sciences appliquées et du génie. Exploité par un système électromagnétique, le dispositif permet aux chirurgiens d'accéder zones du cerveau difficiles à atteindre avec un niveau minimal d'invasivité, promettant un traitement et une récupération plus rapides pour les patients. "Nous concevons le mécanisme qui entraîne cette main robotique, qui va essentiellement agir comme la main d'un chirurgien", a déclaré Diller. "Nous utilisons également des champs magnétiques pour faire bouger cette petite main, ce qui est notre approche unique pour le faire." L'équipe présentera ses dernières découvertes lors de la Conférence internationale IEEE 2023 sur la robotique et l'automatisation (ICRA) plus tard ce printemps. Leur nouveau document de conférence examine la faisabilité des outils nouvellement développés pour s'assurer qu'ils sont prêts pour les essais précliniques. "Personne d'autre n'a développé ces outils magnétiques sans fil auparavant", déclare Diller. "Nous devions donc catégoriser les différents types d'éléments opératoires de base qu'un chirurgien effectuerait, tels que tirer sur les tissus, se rétracter et appliquer une force pour couper dans les tissus. "Nous avons déterminé que pour la chirurgie cérébrale - y compris les procédures ciblant l'épilepsie ou l'ablation tumeurs – nous pouvons obtenir suffisamment de force pour effectuer les tâches de neurochirurgie nécessaires. » Les conceptions présentées dans la nouvelle étude sont une extension de deux articles précédents publiés en 2021 en collaboration avec James Drake, chirurgien en chef à l'Hôpital pour enfants malades ( SickKids) et professeur de chirurgie à la faculté de médecine Temerty de l'U de T. Depuis lors, l'équipe a développé un système de bobine électromagnétique à l'échelle clinique, qui a été conçu et construit par Adam Schonewille, ancien étudiant en génie de l'U de T, ancien étudiant de l'Université de Diller. Le système a un volume de travail qui est approximativement de la taille d'une tête humaine adulte, avec tous les électroaimants situés sous une surface plane - une exigence de conception pour l'équipe de Drake à SickKids, puisque les chirurgiens ont besoin d'un accès sans entrave au patient. "Les robots chirurgicaux existants occupent déjà beaucoup d'espace dans la salle d'opération, nous voulions donc que notre système soit aussi discret que possible tout en donnant au champ magnétique la force nécessaire pour accomplir le travail", explique Cameron Forbrigger, qui a obtenu son doctorat. de U of T Engineering l'année dernière et est l'auteur principal du nouvel article. "Ce système électromagnétique est une avancée majeure pour la faisabilité de notre approche chirurgicale, et nous avons constaté beaucoup d'intérêt de la part de chercheurs internationaux dans notre domaine." Une contribution importante de la thèse de doctorat de Forbrigger a impliqué la modélisation de la façon dont la conception magnétique d'un outil façonne sa réponse au champ magnétique. À l'aide de ce modèle, il a pu classer les conceptions d'outils en fonction de leurs performances prévues. "Cela accélère notre processus de conception car nous n'avons pas besoin de créer un outil et de le tester pour savoir comment il se comportera", dit-il. "Ce modèle nous a également permis de développer une stratégie de contrôle qui calcule automatiquement le champ magnétique optimal nécessaire pour déplacer l'outil dans un mouvement souhaité." L'équipe s'efforce également de surmonter un défi important auquel sont confrontés de nombreux robots chirurgicaux : l'acquisition d'informations en temps réel sur l'emplacement et l'orientation de l'outil. Les chirurgiens utilisant l'outil devront l'insérer dans un canal dans le cerveau et savoir où il se trouve. Pour simuler cela, l'équipe de recherche utilise des cerveaux "fantômes" en caoutchouc, insérant l'outil long et fin dans le modèle qui a la même taille et la même forme qu'un vrai cerveau. Alors que la caméra sur la pointe de l'outil fournit des informations de localisation, Diller dit que le retour n'est pas très précis en raison de son mauvais point de vue. Pour surmonter ce défi visuel, le doctorant Erik Fredin, le deuxième auteur de l'article de conférence, développe un algorithme de vision par ordinateur utilisant l'apprentissage automatique, qui est crucial pour l'utilité de l'outil. Les résultats de la vision par ordinateur montrent qu'il peut détecter les angles de l'outil lorsque l'opérateur le contrôle. La prochaine étape vers l'utilisation clinique et la commercialisation consistera à déplacer le système et les outils électromagnétiques à l'hôpital SickKids pour des essais sur des animaux vivants. "Les chirurgiens peuvent être sceptiques quant à l'efficacité d'un nouvel outil chirurgical jusqu'à ce qu'ils le voient testé dans un scénario réaliste - et à juste titre", déclare Forbrigger, qui est maintenant chercheur post-doctoral à l'ETH Zürich. "Nous avons déployé beaucoup d'efforts pour démontrer quantitativement les performances des outils, mais nous avons maintenant atteint le point où les modèles animaux sont la prochaine étape critique vers un développement ultérieur."