Brevet FR2671507A1 — publié le 19920717

"Dispositif de télémanipulation d'appareils médicaux" La présente invention concerne un dispositif de télémanipulation d'appareils médicaux du genre comprenant une tête de traitement ou de diagnostic généralement monté sur un arceau porteur associé à un support dans une configuration comportant des moyens de guidage et d'entraînement du support en mouvements de translation, ainsi que des moyens de guidage et d'entraînement de l'arceau en rotations sur son support. Les mouvements de translation peuvent commodément s'opérer selon trois axes octhogonaux, respectivement transversal (X), longitudinal (Y) et vertical (Z) en référence à une table de support du patient, tandis que deux mouvements de rotations permettent respectivement un déplacement de l'arceau dans son plan et une rotation de ce plan autour d'un axe généralement horizontal, soit pour faire varier l'inclinaison du plan de l'arceau avec un débattement limité de part et d'autre d'un plan vertical, soit pour en provoquer un retournement complet. Les appareils ainsi conçus peuvent être structurés autour d'un élément central comportant - soit un instrument d'imagerie ou de diagnostic: générateur radiologique amplificateur de brillance sonde ultrasonique gamma-caméra lecteur optique ou vidéo - soit un agent thérapeutique ou tâte de traitement coupelle piézo-électrique de lithotriptie générateur électrohydraul ique générateur électromagnétique source de traitement thermique émetteur gamma Cet élément central doit être piloté et positionné dans l'espace avec une très grande précision autour du corps du patient. De plus les énergies souvent utilisées rendent absolument impératif une sécurité totale des commandes, avec verrouillages automatiques et contrôle de validation. Les dispositions mécaniques varient beaucoup d'un appareil à l'autre, et sont surtout fonction du poids et de l'encombrement de la "tête" à déplacer. Néanmoins, la configuration la plus commune avec arceau porteur présente de nombreux avantages - réduction de l'encombrement et de la taille de la machine, "contenant" le patient allongé en position centrale. - meilleure répartition des masses et des contrepoids. - possibilité de retournement complet en inversant l'arceau. - déplacements centrés sur le "point focal". Pour assurer les divers déplacements requis, on trouve actuellement un ensemble de commandes selon plusieurs dispositions - commandes séparées le plus souvent, comme sur la console d'un amplificateur de brillance, les manoeuvres asservies étant positionnées proches de leur lieu d'effection (axe de rotation), sans aucune commande centralisée. - commandes regroupées sur console dans les appareils de radio ou de thérapie utilisant de hautes énergies les mouvements sont généralement pilotés par des inverseurs juxtaposés. Parfois des manettes regroupent 2 ou 4 mouvements. - pilotage informatisé ou assisté par ordinateur, sur menus ou programmes d'aide utilisant ou non des assistances graphiques. Ces systèmes empruntent généralement les commandes de l'ordinateur (manette dédiée ou boule de commande). - console ergonomique dans les meilleurs cas, avec un début d'intégration des mouvements (mais au minimum 3 commandes dont 2 manettes). Ces dispositions présentent un certain nombre d'inconvénients qui les rendent mal adaptées à l'évolution technologique actuelle - Elles sont relativement complexes et nécessitent le plus souvent un apprentissage et une accoutumance. Cet aspect est tempéré par le fait d'utilisateurs fixes ou en petit nombre pour une même machine. - Les nouveaux appareils tendent cependant vers une utilisation multidisciplinaire ou vers une utilisation par des praticiens moins accoutumés, tels des chirurgiens trouvant dans leur emploi une substitution à leurs techniques de référence. De plus les nouvelles machines présentent souvent une plus grande complexité dans les déplacements. Un autre élément important est l'utilisation de plus en plus fréquente en thérapie, avec emploi de hautes énergies. Ceci nécessite un positionnement à la fois très précis, rapide et sur. - Les modes actuels de commande répondent mal à ces critères, ou le font au prix d'un manque flagrant d'unicité et d'ergonomie. On ne retrouve pas en matière biomédicale les fruits des progrès faits en ce domaine dans l'industrie aéronautique ou dans les télémanipulateurs de la robotique actuelle. - Par exemple le retournement d'un arceau (haut-bas) implique l'inversion d'un certaine nombre de commandes qu'il n'est pas facile de gérer. - Les commandes de rotation sont en général conçues autour d'un centre inférieur (le plan de la console) et ne reproduisent donc pas des mouvements d'une tête soutenue par arceau au dessus d'un point focal. - Les moyens de contrôle actuels sont enfin souvent dépourvus de dispositifs de sécurité et de verrouillage rendus obligatoires par les dangers des nouveaux agents thérapeutiques. La présente invention a pour objet de regrouper en dispositif de télémanipulation l'ensemble des commandes des déplacements d'un arceau en tenant compte des impératifs de retournement et d'inversion de l'ensemble avec une ergonomie parfaite et une facilité d'emploi immédiate par son aspect logique et intuitif. Le dispositif est destiné à tout système comportant une tête de diagnostic ou de traitement nécessitant un positionnement spatial précis. L'utilisateur aura à sa disposition un véritable bras robotique reproduisant fidèlement les mouvements exacts de la tête, quelle que soit sa position de départ ; la manipulation sera à la fois logique, facile, précise et intuitive. Enfin, le dispositif assure le verrouillage permanent des fonctions inutilisées et apporte une sécurité totale et simplifiée. Le dispositif proposé à cet effet selon l'invention comporte une console disposée face à l'opérateur, un bras ayant un axe s'étendant sensiblement horizontalement de la console vers l'opérateur ; au bout de ce bras un socle portant une manette de commande de translations horizontales, disposée sur une première face, une manette de commande de rotations sur une seconde face opposée à la précédente, ledit socle étant adapté à tourner autour dudit axe, cette rotation entraînant la commande des rotations d'inclinaisons de l'arceau et un inverseur de signe associé à une commande de translations horizontales étant adapté à changer d'état selon que la seconde face du socle est orientée vers le haut ou vers le bas. C'est cette faculté d'orientation de la seconde face du socle vers le haut et vers le bas qui semble constituer un aspect dominant de l'invention en amenant la manette de commande des rotations vers le haut, au-dessus de son axe de pivotement, lorsque l'élément central, tête de traitement ou de diagnostic, se trouve au-dessus de la table de support du patient, tandis que ladite manette de commande des rotations se trouve orientée vers le bas, au dessus de son centre de rotation, lorsque la tâte se trouve au-dessous de la table. Grâce à cette concordance des positions relatives de la manette de commande des rotations par rapport à son point de pivotement, d'une part, et de la tête de traitement ou de diagnostic par rapport à la zone cible, d'autre part, la commande conservera dans tous les cas de figures le caractère intuitif souhaitable pour faciliter le travail du praticien. La conformité des mouvements de translations demeure de son côté assurée au prix d'un simple changement du sens de la commande des mouvements de translation susceptibles d'être affectés par le retournement du socle. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés ou la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une installation de traitement et/ou diagnostic la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle du dispositif de télémanipulations la figure 3 est une vue semblable d'une forme de réalisation simplifiée. Suivant la forme de réalisation choisie et représentée Figure 1, un appareil de traitement est constitué autour d'un élément central 10 source de rayonnement, monté sur un arceau porteur 11 en position diamétralement opposée à un élément détecteur 12. L'arceau est monté dans une gaine 13 s'étendant de part et d'autre d'une table 14 de support du patient. L'arceau 11 est adapté à se déplacer le long de son guide constitué par la gaine 13 sous l'action d'un premier entraînement schématisé par un moteur 15 agissant par l'intermédiaire d'un pignon 16 sur une crémaillère 17 porté par l'arceau : Il s'agit donc ici d'un mouvement de rotation de l'arceau dans son plan. La gaine 13 de l'arceau est portée de son côté par un axe 20 d'orientation horizontale tourillonné dans un support palier 21 disposé au sommet d'une colonne verticale 22 et adapté à être entraîné en rotation par un moteur asservi indiqué schématiquement en 23. Ce second mouvement de rotation a donc pour effet de faire tourner le plan médian de l'arceau autour de l'axe horizontal 20. La colonne 22 est elle-même adaptée à se déplacer par coulissement dans un guide vertical approprié 24 sous l'action d'un entraînement illustré schématiquement en 25 avec un moteur réversible 26. On réalise donc ainsi un mouvement de translation verticale. Le guide vertical 24 repose sur une plateforme 27 adaptée à se déplacer selon une direction horizontale dite longitudinale Y, étant portée à cet effet par deux vis 28,29 orientées selon cette direction et destinées à être entraînées en rotation par un servo-moteur 30; ces vis sont tourillonnées dans des coulisseaux 31,32 portés par une paire de tiges guides 33 orientées selon une direction orthogonale X. L'ensemble formé par la plateforme 27 et ses coulisseaux 31,32 constitue donc un chariot adapté à se déplacer selon la direction dite transversale X, ce déplacement étant produit au moyen de deux vis 35,36 tourillonnées dans des coulisseaux 37,38 portées par une paire de tiges guides 39 et adaptées à être entraînées en rotation par un servo-moteur 40. On a donc réalisé ainsi de manière en soi connue cinq mouvements indépendants de l'arceau, à savoir - les deux mouvements de translation horizontale selon les directions X et Y, soit TX et TY qui peuvent être respectivement qualifiées de transversale -et de longitudinale en référence à un patient normalement installé sur la table 14, - le mouvement de translation verticale soit TZ, - le mouvement de rotation de l'arceau dans son plan, soit Rx ; et - le mouvement de rotation en inclinaison du plan autour de son axe 20, soit Ry. On a vu que chacun de ces cinq mouvements comporte un moteur affecté à la commande de ce mouvement; des dispositions sont prises par ailleurs pour que chacun des mouvements soit automatiquement verrouillé en l'absence d'une commande correspondante. La réalisation de cette condition de verrouillage automatique résulte de l'irréversibilité de la commande par vis dans le cas des translations TX et TY. Elle implique la mise en oeuvre de moteurs-freins ou de moteurs à impulsions par exemple dans le cas de la translation verticale TZ et des rotations Rx et Ry. Chacun des cinq mouvements comporte naturellement des limitations par un système approprié de butées ; les translations horizontales TX et TY sont limitées par les débattements des coulisseaux 31,32 et 37,38 sur leurs guides respectifs ; les translations verticales TZ comportent naturellement des butées de fin de course haute et basse ; la rotation Tx de l'arceau dans son plan, sont limitées normalement à + 45 ; en ce qui concerne enfin la rotation Ry de l'arceau sur son axe horizontal 20, la possibilité est ménagée d'un retournement complet, susceptible donc de faire passer l'élément central 10 au dessus de la table.Il existe naturellement ainsi deux positions privilégiées et verrouillées de l'arceau dans le plan vertical avec des possibilités de débattements angulaires limitées, par exemple de + 15 de part et d'autre de chacune de ces deux positions privilégiées. Le dispositif de télémanipulation conforme à l'invention pour la commande des cinq mouvements ainsi organisés, comporte de manière générale une console 41 disposée à la portée commode de l'opérateur à côté du lit 14 sensiblement en regard de la position moyenne de la colonne 22, donc de l'arceau. Comme il est visible sur la Figure 2, la console présentant ici la forme générale d'un pupitre comporte en saillie sur sa face 42 affrontée à l'opérateur un bras 43 s'étendant sensiblement horizontalement à travers une fente 44, ce bras ayant un axe 45 adapté à tourillonner dans le corps dudit bras. Cet axe porte en regard de l'extrémité extérieure du bras un socle 46, tandis qu'à l'intérieur de la console il traverse un émetteur 50 de commande d'inclinaisons pour aboutir à un palier (non détaillé) solidaire d'un chariot 51 de commande de translations horizontales. Bénéficiant de deux degrés de liberté par coulissement le long des tiges-guides 52,53 respectivement orientées selon les directions X et Y, ce chariot commande par ses déplacements respectifs deux émetteurs de commande 54 de position X et 55 de position Y, émetteurs représentés schématiquement sous forme de potentiomètres. C'est également sous forme de potentiomètre que l'on a figuré l'émetteur 50 de commande de rotations d'inclinaisons. A cet émetteur est accouplé aussi, comme indiqué en 50', un inverseur de signe associé à l'émetteur 55. Le socle 46 disposé en bout du bras 43, solidarisé en rotation avec l'axe 45, porte sur une première face 56, qui est tournée vers le haut dans la position illustrée, une manette dite de translation 57. Cette manette étant solidaire du corps de socle permet, par déplacement du bras selon son axe, de déplacer le curseur de l'émetteur 54 de translation tranversale, et par déplacement du bras selon une direction perpendiculaire audit axe, de déplacer le curseur de l'émetteur 55 de translation horizontale. Les mouvements de translation horizontale du chariot 51 sont constamment verrouillés par un moyen d'immobilisation (non détaillé) et la manette 57 est équipée d'un moyen de libération de ce verrouillage par simple toucher. Sur une seconde face 58, opposée à la première, le socle porte une manette 60 de commande de rotations articulée sur un axe 61 parallèle à l'axe longitudinal Y et solidarisée avec le curseur d'un potentiomètre 62 incorporé dans le socle et représentant un émetteur de commande des rotations x de l'arceau dans son plan. Sur une troisième face, ici face postérieure, de socle se trouve enfin un commutateur 63 à trois positions constituant organe de commande de translation verticale (TZ) : il s'agit d'un simple inverseur à deux positions de part et d'autre d'une position centrale d'arrêt et de verrouillage en faisant basculer le bouton de ce commutateur de part ou d'autre de cette position centrale, on provoque l'alimentation du moteur de translation verticale 26 dans le sens de la montée ou de la descente de l'arceau. La manette 60 de commande des rotations comporte enfin deux boutons poussoirs 65,66 montés électriquement en parallèle et adaptés à provoquer l'un ou l'autre une libération du verrouillage des mouvements de translation horizontale. Dans la présente forme de réalisation les deux commandes de translation horizontale TX et TY, d'une part, et les deux commandes de rotation Rx et Ry d'autre part, sont donc réalisées par des asservissements de position mettant en oeuvre des servo-moteurs asservis à des émetteurs de positions respectifs. Seule la translation verticale est effectuée ici par une simple commande de mouvement. Quoi qu'il en soit, toutes les commandes demeurent verrouillées en permanence pour n'âtre libérées que sur intervention positive de l'opérateur. Par ailleurs les débattements des organes émetteurs de positions 50 et 62 pour les rotations et 54,55 pour les translations horizontales sont avantageusement équipées de butées de fin de course (non détaillées) correspondant aux limitations des mouvements réels imposées à l'arceau. On va considérer maintenant de façon détaillée les commandes des divers mouvements, translations, d'une, et rotations, d'autre part. Les translations horizontales sont asservies aux déplacements de l'ensemble du bras 43 par rapport à la console 41 dans le plan horizontal. Normalement ce bras est verrouillé en translation et pour autoriser un mouvement de translation X ou Y il faut soit toucher la manette 57 de commande des translations, soit enfoncer l'un ou l'autre des boutons poussoirs 65,66 ménagés sur la manette 60 de commande des rotations. Le socle 46 étant normalement verrouillé en rotation, la translation X s'obtient par déplacement du bras 43 selon son grand axe : l'action sur le potentiomètre 54 contrôle le déplacement de l'arceau dans son plan par le moteur 40. La translation Y s'obtient en déplaçant le bras 43 perpendiculairement à son grand axe : l'action sur le potentiomètre 55 commande les déplacements de l'arceau dans le sens perpendiculaire à son plan par le moteur 30. La translation en élévation (Z) est commandée par l'inverseur 63 qui peut être actionné par le pouce de l'opérateur, que celui-ci utilise l'une ou l'autre des deux manettes 57 ou 60. Une poussée vers le haut de l'inverseur provoque l'élévation de l'arceau, une poussée vers le bas en provoque l'abaissement, tandis que le relâchement de l'inverseur rétablit automatiquement le verrouillage dans la nouvelle position atteinte. Les rotations sont commandées par la manette 60 et ces commandes demeurent très simples et intuitives. La rotation x autour de l'axe 61, donc dans le plan vertical du bras, contrôle le mouvement semblable de rotation de l'arceau dans son plan. En revanche, l'entraînement en rotation du socle 46 avec son axe 45 contrôle par l'émetteur de position 50, le même mouvement d'inclinaison (rotation y) de l'arceau autour de son axe horizontal 20. De même que pour les translations, ces deux mouvements se déverrouillent au contact de la manette 60 dont le relâchement entraîne le verrouillage dans la nouvelle position. Il est possible de combiner les divers mouvements de translation et de rotation. Pour une translation simple X ou Y ou X + Y seule la manette 57 des translations horizontales est sollicitée avec la possibilité d'agir en X ou en Y soit isolément, soit simultanément. Le dispositif demeure bloqué en rotation (manette 60 non touchée). Pour une rotation simple x ou y ou x + y, la manette 60 des rotations est seule sollicitée avec la possibilité d'agir en x et en y isolément ou simultanément. Le dispositif demeure bloqué en translations (manette 57 non touchée). Pour une commande combinée en rotation et translation l'opérateur utilise la manette 60 des rotations en enfonçant le bouton poussoir 65 (figure 2) ce qui déverrouille les translations. Il peut dès lors entraîner dans un même mouvement la manette 60 en lui imprimant une inclinaison désirée, tout en déplaçant son centre de rotation, donc le bras 43, dans le plan horizontal. Un opérateur entraîné peut combiner ainsi quatre mouvements simultanés. Partant de la situation illustrée aux figures 1 et 2, où la tête de diagnostic ou de traitement 18 est en position inférieure au-dessous de la table 16, on pourra pour de nombreuses applications décider la manoeuvre de retournement consistant à placer ladite tâte en position supérieure : ce sera le cas par exemple dans les lithotripteurs extracorporels en utilisation biliaire. Dans le dispositif selon l'invention ce retournement s'obtient par retournement du socle 46 avec rotation correspondante de l'axe 45 qui traverse le bras 43. En raison de la très grande amplitude du mouvement de l'arceau cette manoeuvre est subordonnée à une autorisation clairement validée qui prendra en général place dans une séquence plus complexe, hors de l'utilisation normale, impliquant par exemple un recul du support de l'arceau, retrait du patient, etc... A la suite d'une telle manoeuvre de retournement la manette 60 des rotations est donc venue se placer en position supérieure, et la manette 57 des translations en position inférieure : la tête à piloter a donc suivi son organe de commande en rotation. Les autres commandes conservent leurs fonctions inchangées à l'exception de celle de la translation longitudinale Y qui s'est trouvée inversée en 50'. Le bouton poussoir 65 n'est plus accessible sous le pouce, mais il est remplacé par le second bouton 66, qui, maintenant placé audessous de la manette 60, vient naturellement en main. La figure 3 illustre une forme de réalisation simplifiée de l'invention, évitant l'installation de potentiomètres de translation dans la console : celle-ci se réduisant à un simple boîtier 70 monté sur pied 71, ne contient plus que le potentiomètre 50, émetteur de position en rotation y accouplé à l'inverseur 50' avec un bras se réduisant à l'axe 45 qui porte à son extrémité libre un socle 46' contenant tout le reste de l'appareillage. Le socle devient ainsi un boîtier de télécommande contenant, en plus du potentiomètre 62 de commande des rotations x que l'on retrouve inchangé en association avec la manette 60 de commande des rotations, un ensemble de potentiomètres de commande des translations horizontales X et Y schématisé en 54', 55' sous l'action de la manette 57' articulée en 57". La fonction de commande des translations horizontales demeure inchangée sauf qu'elle s'opère ici par des mouvements angulaires et non plus par des mouvements de translation de la manette 57'. La commande des translations verticales (non détaillée surla figure 3) reste inchangée Dans cette forme de réalisation simplifiée il n'est plus possible de commander simultanément d'une seule main les rotations et les translations : les deux manettes doivent dans ce cas être manipulées simultanément. Les boutons poussoirs 65,66, n'étant plus nécessaires, sont supprimées. Tous les autres aspects sont par contre préservés: - ergonomie totale - conservation des fonctions en position inverse; - sécurité des verrouillages et des validations. REVENDICATIONS 1. Dispositif de télémanipulation d'appareils médicaux du genre comprenant une tête de traitement ou de diagnostic sur arceau porteur associé à un support dans une configuration comportant des moyens de guidage et d'entraînement du support en mouvements de translation selon trois axes orthogonaux respectivement transversal (X), longitudinal (Y) et vertical (Z), ainsi que des moyens de guidage et d'entraînement de l'arceau sur son support en rotations, d'une part, de type dit x dans son plan et, d'autre part, du type dit y d'inclinaisons de ce plan, une commande indépendante étant prévue pour chacun de ces cinq types de mouvements caractérisé en ce qu'il comporte une console (41) disposée face à l'opérateur, un bras (43) ayant un axe (45) s'étendant sensiblement horizontalement de la console vers l'opérateur, au bout de ce bras un socle (46) portant une manette (57) de commande de translations horizontales X et Y disposée sur une première face (56), une manette (60) de commande de rotations x et y sur une seconde face opposée à la précédente et un moyen (63) de commande de translations verticales Z sur une troisième face, ledit socle étant adapté à tourner autour dudit axe, cette rotation entraînant la commande (50) des rotations d'inclinaisons y et un inverseur de signe (50') de la commande des translations horizontales longitudinales Y étant adapté à changer d'état selon que la seconde face du socle est orientée vers le haut ou vers le bas. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de rotations y au moins comporte un asservissement de positions. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras (43) est oriente selon l'axe transversal des mouvements de translation X du support d'arceau. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bras (43) est mobile par rapport à la console avec deux degrés de liberté selon les deux axes de translations horizontales X et Y. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les commandes (54,55) en translation horizontale sont du type à asservissement en position avec des émetteurs ménagés à l'intérieur de la console. 6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la commande (63) en translation verticale Z est du type à commande de mouvements. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un verrouillage automatique individuel de chacun des cinq mouvements, chacun de ces verrouillages étant libérable par le contact de la manette de commande correspondante. 8. Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mouvements des manettes de commande sont limités par des butées correspondant aux limitations des mouvements réels imposées à l'arceau. 9. Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'association à la manette de commande de rotation d'un bouton (65,66) de déverrouillage des mouvements de translation.