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5/ La caméra et la vision 3D

 

a) Description

 

Le robot  Da Vinci possède de nombreuses innovations. L'une d'entre elle  est sa caméra 3D en HD. Cette dernière est à la pointe de la technologie puisqu'elle a elle même recueilli plusieurs dizaine de brevets. C'est un système de vision très abouti qui s'intitule " Insite Vision System" créé par Intuitive Surgical. La caméra est fixée sur un des quatres bras du robot et l'image qu'elle crée est retransmise au niveau de la console et sur l'écran du chariot d'imagerie grâce à trois  fibres optiques qui permettent la restranscription de l'image obtenue. Ainsi le chirurgien, assis à sa console voit le champ opératoire en 3D tandis que les assistants peuvent visualiser l'opération sur l'écran en 2D.

Voici la caméra postée sur un des bras du robot, nous pouvons aussi apercevoir les deux fibres optiques allant jusqu'à la console opératoire.( boitier de couleur noir)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'objectif lors de la conception de cette caméra était d'avoir une immersion totale en reproduisant au mieux la vision humaine, notamment au niveau des couleurs et aussi d'avoir un zoom de 10-12x. Le chirurgien est donc beaucoup plus précis dans ses gestes. 

Voici la vision du chirurgien. Nous remarquons en effet que l'image est zoomée.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Auparavant le chirurgien était limité à une vision en 2D, il y avait donc un manque de réalisme, ce qui pouvait entraîner une diminution de la précision.

Le chirurgien peut contrôler cette caméra à l'aide des pédales situées au niveau des pieds sur la console.

 

 

 

b) Explication

 

Ainsi, le robot est doté d'une vision tridimensionnelle étendue  grâce à deux sources lumineuses et à une caméra double (permet la vision en 3D). Il faut bien faire la différence avec la vision 2D. C'est la vision que nous procure nos télévisions, on ne perçoit pas la profondeur ainsi que le sentiment de réalité. Nous allons d'abord  expliquer le principe des images en relief. Ensuite, nous allons tenter de vous faire comprendre  le procédé utilisé par le robot qui permet d'arriver à procurer cette sensation aux yeux. Mais tout d'abord voici un schéma montrant la différence 3D/2D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tout d'abord, la perception du relief repose en grande partie sur notre capacité à voir le monde qui nous entoure avec nos deux yeux, éloignés en moyenne de 65mm. En fait, nous observons les objets autour du nous de deux angles différents ; avec l'oeil gauche et avec l'oeil droit. Chaque oeil, en effet, envoie une image différente au cerveau car ils sont séparés dans l'espace.

Le cerveau les superpose pour restituer les distances et la profondeur, c'est à dire le relief afin d'assurer la vision tridimensionnelle(3D).

 

Voici un schéma montrant le trajet de la lumière sous forme de messages nerveux jusqu'au cerveau qui lui l'analyse en rendant compte de la profondeur, des formes et des couleurs..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'ensemble de la rétine crée un message nerveux acheminé jusqu'au cerveau par des voies nerveuses. Il va ensuite être analysé par le cortex visuel et d'autres aires secondaires. Il en résulte une perception globale en 3D.

 

 

C'est ce processus de superposition assuré par le cerveau, nommé vision stéréoscopique, que la caméra 3D du robot utilise pour reproduire notre propre vision et ainsi permettre une immersion totale du chirurgien.

 

Cette caméra cherche donc à produire des images stéréoscopiques,c'est la première étape :

C'est à dire à filmer le champ opératoire avec deux caméras, une pour chaque oeil. Ainsi, la tête de la la caméra, dite stéréscopique, est composée de deux caméras regroupées dans un boitier. Elle sont placées comme nos deux yeux, c'est à dire à 65mm l'une de l'autre. Elle permet non seulement de voir en relief mais aussi de zoomer, c'est pour ça que notre vision simple ne nous suffit pas dans cette situation. A ce niveau-là, nous disposons de deux séquences d'une même scène.

 

Mais afin d'assurer la vision du relief(3D), il faut que ces deux séquences soient traitées pour n'en former qu'une seule. Ce traitement est assuré par le DoCo qui est le transformateur situé en bas de la colonne vidéo(=chariot d'imagerie). En effet la caméra est reliée et alimentée par le DoCo, où le signal des deux caméras est transformé en un seul signal ce qui permet d'avoir une  seule image et d'assurer la vision 3D.

 

 

6/ Les nombreux instruments du robot

 

Le robot chirugien Da Vinci est équipé des instruments de la technologie EndoWrist, marque déposée par Intuitive Surgical. "Endo" correspond au mot endoscopie et "Wrist" au poignet.

 

3 des 4 bras sont équipés de ces équipements car le dernier est équipé de la caméra. Ces instruments permettent une chirurgie mini-invasive. Ils fonctionnent selon un axe de rotation, le même que le poignet, puisqu'ils remplacent les mains du chirurgien et des assistants. Ils sont aussi articulés ce qui apporte dextérité, contrôle et précision au chirurgien. Contraiment à nos mains, ces instruments sont aussi plus petits.

Ils ont également  été créés pour apporter au chirurgien  une grande capacité de mouvement , les rendre plus précis et permettre des micro-incisions grâce à la chirurgie mini-invasive. En effet la précision des gestes du chirurgien est augmentée car le robot lui permet  de choisir l'échelle à laquelle ses mouvements vont être retranscrits. Ainsi un large mouvement réalisé à la console pourra être traduit en un minuscule mouvement.

 

 De plus, ils sont inspirés du poignet de l'homme mais ils permettent aussi de dépasser ses  limites grâce à un axe de rotation allant au delà de 360°, comme le montre l'image à gauche.  Avec le schéma à droite, on peut se rendre compte de la position que prennent les instruments lors de l'opération. On observe qu'ils sont pliés de façon à ne pas endommager les tissus internes. La main de l'homme serait incapable de garder cette position pour travailler. Ces instruments sont donc une réel avancée technologique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les câbles internes des instruments sont similaires aux tendons humains. Ils ont une grande réactivité, les sutures sont donc rapides et précises.

 

Il en existe une quarantaine, chacun ayant leurs particularités. Entre autres :

- Ciseaux

- Scalpels

- Agripeurs

- Aiguilleur

- Clip

- Instrument à énergie d'ultrasons

- Lasers

- Intruments permettant la coagulation du sang

- Ecarteur

 

Ils existent en version 8mm et 5mm, ainsi qu'en version articulée. Le résultat: une avancée technologique et de nouvelles possibilités d'opérations .

Voici une pallette d'instruments EndoWrist, elle montre aussi la taille de ces instruments ( par rapport à la pièce de monnaie).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le robot est équipé des dernieres innovations technologiques, notament en matière de transmission de données. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ Introduction

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il existe, à travers le monde, plusieurs robots utilisés pour réaliser des opérations chirurgicales plus ou moins spéficiques.

 

Le robot que nous allons vous présenter dans notre site, se nomme "Da Vinci". C'est un robot appartennant au domaine médical. Il est utilisé pour réaliser de multiples opérations chirurgicales notamment dans le domaine de l'urologie, la chirurgie digestive et la gynécologie. Il est  dirigé par un chirurgien.

 

Dans le monde de la médecine, il existe une grande variété d'opérations chirurgicales. Il y a des opérations réalisées avec des caméras, d'autres sans.

Par exemple, on distingue dans les opérations avec caméras: l'endoscopie et la laparoscopie. Il existe aussi plusieurs types de chirurgies.

Notre robot utilise la technique de la chirurgie mini-invasive, la laparoscopie ainsi que l'endoscopie. De plus, il n'a pas d'intelligence artificielle, c'est à dire qu'il est commandé entièrement par le chirurgien. C'est une technologie très récente, apparue au début des années 2000 qui équipe de plus en plus de centres hospitaliers aujourd'hui, dans plusieurs pays du monde (USA, Europe, Inde). Le robot tend à apporter une amélioration des opérations  au niveau du temps d'intervention, du rétablissement des patients  ainsi qu'au niveau du confort du chirurgien. Il tend aussi à réduire le personnel mobilisé. Cette nouvelle chirurgie semble offrir de meilleures perspectives d'avenir.

 

Da Vinci à été conçu pour être utilisé lors d'opérations chirurgicales par l'entreprise qui se nomme Intuitive Surgical. A l'origine, le nom de cette entreprise fut trouvé car la chirurgie avec ce robot était "intuitive". Elle fut créée en 1995. L'idée de fabriquer des robots chirurgicaux était déjà bien pensée.

Intuitive Surgical est une multinationale américaine dont le siège est situé à Sunnywale en Californie comme le montre cette photo de la facade du bâtiment.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C'est aussi  le leader dans le  domaine des robots chirurgicaux puisqu'elle a fusionné avec son principal concurrent "Computer Motion" en 2003. Elle jouit actuellement d'une situation de monopole.

 

Voici maintenant l'histoire et le parcours du robot Da Vinci

 

 

 

2/ Histoire du robot

 

Le robot chirurgien Da Vinci porte ce nom en honneur à Léonard de Vinci. Grand homme du 16ème siècle, il a fait de nombreuses découvertes sur l'anatomie du corps humain, qui sont illustrées dans son célèbre dessin de L'Homme de Vésuve. Il a également participé à des autopsies et tout ce travail a abouti à la création du tout premier robot jamais créé. Il portait le nom de « Leonardo's robot ». Il fut créé en 1495 et découvert dans les années 50. Léonard de Vinci était intrigué par les mécanismes et les automatismes. Voici ce fameux robot illustré à travers cette image montage.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le premier prototype du robot chirurgien a été développé dans la fin des années 1980 sous contrat avec l'armée. En effet, elle était interéssée par les capacités de télé-transmission des robots chirurgicaux. La NASA a également manifesté son interêt pour cette technologie qui permettait d'opérer dans l'espace depuis la Terre. Les ingénieurs ont eu l'idée d’intégrer la chirurgie mini-invasive pour limiter les saignements et la durée des opérations. Malheureusement, ce projet n'a pas abouti.

 

Le premier robot chirurgien approuvé par la FDA (Food and Drug Administration) fut dévéloppé en 1993 par Computer Motion. La première version du robot Da Vinci date de 1999. Les deux entreprises étaient donc en concurrence au tout début. Mais Computer Motion fut rachetée par Intuitive Surgical en 2003. Elle est désormais la seule entreprise commercialisant un robot chirurgien. Elle  jouit donc d'une situation de monopole et profite des compétences de son rival. La première télé-opération transatlantique fut réalisée en avril 2009 entre New-York et la France.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le nombre de robots vendus dans les hôpitaux et les cliniques a fortement augmenté lors de ces dernières années surtout aux USA. En effet, en France, aujourd'hui, il y en a trois fois plus qu'en 2009, soit 60, et 1400 aux Etats-Unis. Un robot chirurgien dernière génération coûte aujourd'hui entre 1,5 et 2 millions d'euros. Ce prix est dû aux nombreuses années de recherche non lucratives et aux centaines d'inventions brevetées pour la création de ce robot. Le coût d'une opération peut s'élever jusqu'à 4000€ puisque les instruments  doivent être changés toutes les 10 à 20 opérations  et ils coûtent 2000€ pièce. Le  coût de la maintenance du robot  s'élève aussi  à 100 000€ par an. Ces coûts importants sont la raison pour laquelle seulement les pays développés(ou presque) en sont équipés, bien que des investisseurs privés permettent parfois d'équiper des centres hospitaliers dans les pays émergeants.

Voici un graphique illustrant le nombre de robots Da Vinci vendus en France et aux USA au cours du temps.

On remarque que les Américains possèdent beaucoup plus de robots.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3/ Le robot et la chirurgie

 

Ce robot est un robot qui utilise la chirurgie mini invasive en opposition avec la chirurgie " à ciel ouvert", ces deux types de chirurgies sont diamétralement opposés :

 

D'une part, la chirurgie mini invasive permet au chirurgien d'atteindre sa cible par des incisions de l'ordre du centimètre grâce à l'utilisation d'instruments longs et fins, couplés à un système d'imagerie vidéo. En effet, avec  la chirurgie mini invasive, on peut rentrer des instruments laparoscopiques et endoscopiques(=caméra) pour visualiser le champ opératoire.

L'exploration par laparoscopie permet de visualiser l’intérieur des organes, à l'aide d'une incision, dans l'abdomen par exemple.

Ce type d'examen s'oppose à l'endoscopie où la caméra et les instruments sont introduits uniquement par voie naturelle (ex: anus). Il existe plusieurs types d’endoscopie suivant la région que l'on veut observer ( exemple : coelioscopie pour les organes abdominaux, fibroscopie qui permet de visualiser l'intérieur de l'œsophage et de l'estomac) . De plus, la caméra retransmet sur écran les images recueillies durant son parcours dans le corps. La laparoscopie permet soit d’établir un diagnostic, soit de traiter une maladie.

 

Pour synthétiser, nous pouvons dire que la chirurgie mini invasive permet de rentrer des instruments laparocospiques dans certains cas. Ils peuvent aussi être insérés par d'autres voies comme la bouche ou l'anus; ce sera donc le cas lors d'une endoscopie.

 

D'autre part, la chirurgie " à ciel ouvert", définie comme la chirurgie traditionnelle, impose de faire de larges incisions, aux conséquences post-opératoires non négligeables. Ainsi, il n'y  pas besoin de caméra car la vision est directe.

 

Voici une comparaison  de ces deux types de chirurgie par des images ( mini invasive à gauche et la chirurgie " à ciel ouvert" à droite de l'écran) montrant leurs différences.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4/ Les différents éléments du robot

 

Le robot est composé de trois parties bien distinctes. En effet, son fonctionnement est assuré par le chariot côté patient, le chariot d'imagerie ainsi que la console opératoire.

 

Console opératoire :

 

C'est l'endroit où le chirurgien opère le patient, il est assis confortablement. L'appareil est composé d'une console opératoire ou ergonomique , comprenant un écran de visualisation et des manettes de commande (télémanipulateurs). Elle est également  équipée d'un système optique 3D et de pédales.

 

-Les poignées de télémanipulation :   elles permettent la manipulation de deux bras en même temps, une augmentation des degrés de liberté. De plus, le geste opératoire est plus fin grâce à la démultiplication des mouvements. Différents réglages permettent d'optimiser cette démultiplication en fonction des opérations. Les tremblements éventuels du chirurgien sont aussi supprimés par un système de filtrage éléctronique.  Leur utilisation est également  intuitive et adaptée à la main  de l'homme.

Voici une vidéo montrant un membre de notre équipe les utilisant (lors de la visite du CHP de Saint Grégoire qui est équipée d'un robot Da Vinci )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le pédalier : la console opératoire possède des pédales comme celles d'une voiture par exemple. Ainsi, les pieds commandent la coagulation, la mise au point (netteté du champ opératoire +focale), le déplacement de la caméra, dont 1 des 4 bras est équipé (zoom par exemple) et permettent de changer les bras utilisés au cours de l'intervention chirurgicale.

De plus les pédales sont équipées de la "SmartPedal Technology" ; cette technologie permet d'assigner automatiquement l'instrument contrôlé par la main droite aux pédales de droite, et l'instrument contrôlé par la main gauche aux pédales de gauche. C'est une technologie du robot.

 

-Le système optique , ou visionneuse stéréo,offre une vision tridimensionnelle du champ opératoire pour permettre au chirurgien une meilleure vision des reliefs avec des couleurs lumineuses et réalistes. Ce système affiche également des messages de textes et d'icônes qui rendent compte de l'état de fonctionnement du système en temps réel.

 

Voici une vue globale de la console opératoire. On peut apercevoir les pédales en bas de l'image, les poignées de télémanipulation au centre et le système de vision en haut

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le chariot côté patient :

 

C'est l'endroit ou le patient est opéré, c'est la table d'opération, en voici une image. On peut remarquer qu'il est également incliné sur la table d'opération.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Au cours d'une opération, le robot peut-être équipé au maximum de trois instruments EndoWrist et d'une caméra 3D. Ces bras sont dirigés par le chirurgien qui est placé à la console opératoire. Pour accéder à l'organe à opérer, l'assistant du chirurgien introduit et met en place dans le corps du patient les instruments EndoWrist au travers de petites incisions (1 à 2cm). Ils vont être enfoncés jusqu'à un cercle noir qui délimite l'endroit où l'on arrêtera de plonger les instruments dans le corps :  c'est une délimitation.

Ensuite les bras pourront, grâce à un axe de rotation délimité par ce cercle noir,  bouger dans le corps du patient sans faire de dommage.

Voici une vidéo prise, elle aussi, lors de notre visite au CHP, montrant comment les instruments bougent dans le corps du patient. On y voit également la délimitation interne/externe au corps du patient.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chaque bras possède plusieurs articulations. C'est la chirurgie mini invasive et de plus c'est le principe de la laparoscopie qui est ici utilisé. En effet, la caméra 3D est elle aussi introduite dans le corps grâce a une petite incision.

Le patient, anésthésié, est entouré d'un système de bras que le chirurgien manipule depuis la console opératoire et les poignées de télémanipulation. Le système permet une rotation des bras a 540°. De plus, les instruments EndoWrist  permettent une grande liberté de mouvement grâce à leur 6 axes de rotation qui permettent en plus de supprimer les tremblements,  le chirurgien peut également effectuer des mouvements plus grands qui seront réduits au niveau des bras du robot grâce au système informatique. Les bras sont équipés de différents instruments selon l'opération réalisée, ce sont des instruments EndoWrist. Ce sont des pinces à disséquer, des ciseaux, un porte anguille,un bistouri par exemple.

 

Les instruments EndoWrist sont équipés de 6axes de rotation comme le montre ce schéma réalisé par un membre de notre équipe.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour conclure sur ce sujet, voici une image de la disposition des parties du robot au cours d'une opération réelle. On reconnait facilement la console opératoire, le chariot d'imagerie et le chariot côté patient.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le chariot d'imagerie : le cerveau du robot

 

Le chariot d'imagerie est composé d'un écran disposé en haut du chariot. Ce sont les assistants du chirurgien ainsi que les infirmières qui le regardent pour pouvoir suivre en direct les actions de ce dernier, tout au long de l'opération.

C'est aussi le cerveau du robot.

 

Cet écran est relié par un câble optique à la caméra 3D du robot de la même manière que le système optique de la console. Cet écran est lui aussi muni d'une nouvelle technologie puisqu'il est tactile, ce qui permet aux assistants du chirurgien d'écrire dessus. Ceci  peut s'avérer très utile puisque tout ce qu'ils écrivent sera retransmis en direct sur le système optique de la console du chirurgien. Ce dernier pourra donc visionner tout cela en temps réel et ainsi voir les recommandations des assistants car un chirurgien n'opère jamais seul.

Sous cet écran on trouve le "cerveau" du robot, c'est le coeur du robot. Il comporte tout le système informatique. Par exemple, c'est lui qui analyse si les instruments sont utilisables ou non ( +de 10 opérations ou non), il analyse également la situation et vérifie si les conditions de sécurité sont respectées. (exemple : si les instruments sont stérilisés)

Le voici sur ces deux  images :

Notons qu'içi, deux chirurgiens opèrent. Ils ont une console opératoire chacun, ce dispositif est utilisé notamment pour la formation de nouveaux chirurgiens.

Représentation imagée de

la première télé-opération

Représentation de la table d'opération au cours d'une opération

7/ La fibre optique pour transmettre les informations

Les nombreux câbles qui équipent le robot sont composés de fibres optiques. Cette technologie qui permet la transmission de données est moderne et innovante. Elle est aujourdh'ui en cours de déploiement sur tout le territoire national pour remplacer les câbles classiques en cuivre qui étaient utilisés pour la transmission de données (téléphone, internet, télévision). La fibre optique est une fibre de verre qui conduit uniquement la lumière. En effet, celle-ci peut être guidée à travers une fibre optique et ainsi être déviée de sa trajectoire initalement rectiligne. (voir image à droite)

 

La fibre optique utilise la réflèxion totale pour conduire les rayons lumineux sans perte même sur des longues distances. L'angle incident du rayon lumineux incident est tel qu'il n'y ni réfraction, ni transmission et seulement réflèxion du rayon. La lumière peut également transporter des informations, et c'est sous cette forme que ces informations voyagent à travers la fibre optique. (voir schéma réflexion des rayons lumineux dans la fibre ci-contre)

La fibre optique confère une vitesse de transmission record: en effet, rien ne va plus vite que la lumière. Elle voyage à 200 000 km/s dans le verre. Grâce à cette technologie, on peut dépasser par 10 ou 20 les débits internet. Dans le cas du robot chirurgien, la vitesse de transmission est primordiale: les actions du chirurgien à la console doivent être transmises en temps réel au chariot d'imagerie où se trouve le système informatique, être traitées et renvoyées aux moteurs des bras du robots. Ou encore, les informations inscrites sur l'écran tactile par les assistants doivent être transmises sans délai au chirurgien. Ces actions doivent être instantannées. Même si le câblage par cuivre sur une petite distance comme celle-ci n'aurai pas beaucoup d'influence, Intuitive Surgical a opté pour l'option sécurité en préférant s'équiper de la meillleure technologie.

Comparaison d'un câble en cuivre (en haut) et d'une fibre optique (en bas)

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