Brevet FR2876271A1 — publié le 20060414

La présente invention concerne un dispositif de guidage et de manipulation à structure parallèle pour un instrument chirurgical, pouvant trouver des applications en micro-chirurgie ou en robotique chirurgicale, plus particulièrement lors d'interventions de chirurgie minimalement invasive pratiquées sous endoscopie. La chaîne cinématique des dispositifs de robotique chirurgicale est fort complexe pour permettre de manipuler un instrument chirurgical au travers d'un orifice ou d'un trocart chirurgical, constituant un référentiel d'articulation fixe externe au robot. Ces dispositifs associent le plus souvent, des mouvements de bras support et d'articulations distales ou dits "endo-wrists" pour positionner l'instrument, générant des mouvements très importants pour des déplacements utiles de l'instrument de quelques centimètres. De tels dispositifs décrits en particulier par les brevets US 6 723 106 et US 6 645 196 mettent en oeuvre des moyens de calcul complexes et coûteux contrôlant des systèmes du type à double parallélogramme ou à articulations redondantes passives. Néanmoins, en utilisation au bloc opératoire, l'approche des bras et des instruments de ces robots est le plus souvent pratiquée de façon manuelle pour positionner le point d'articulation sur la paroi corporelle du patient. Il est manifeste que de tels dispositifs s'avèrent indispensables pour l'abord des techniques dites de moindre invasion pour la chirurgie thoracique et notamment cardiaque, mais l'utilisation de tels robots s'avère très confidentielle parce que trop coûteuse. La présente invention vise à éviter ces inconvénients en fournissant un dispositif simple de guidage et de manipulation d'un instrument chirurgical, permettant d'améliorer la précision du geste chirurgical tout en réduisant la fatigue du praticien, à un coût abordable le rendant accessible à un plus grand nombre de praticiens. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de guidage et de manipulation d'un instrument chirurgical flexible et amovible dans une cavité opératoire, l'instrument chirurgical étant maintenu dans une embase creuse, destinée à être portée par un bras manipulateur ou un support mécanique, ledit dispositif de guidage étant caractérisé en ce qu'au moins trois actionneurs, déplaçables individuellement et guidés en translation dans l'embase, relient: - un segment maître, articulé par une rotule sur l'embase, du côté d'un organe de manoeuvre de l'instrument chirurgical, à 2876271 2 - un segment esclave, présentant un point virtuel d'articulation sphérique situé entre les actionneurs et sensiblement sur l'axe de l'embase, et duquel débouche une partie active, telle que pince, ciseaux, etc... de l'instrument chirurgical, lesdits actionneurs assurant l'asservissement du segment esclave dans une position angulaire homothétique de celle du segment maître. Ainsi, le dispositif objet de la présente invention ne nécessite aucun dispositif cinématique externe, ce qui le rend moins onéreux et accessible au plus grand nombre de praticiens. Dans une forme de réalisation possible, les actionneurs sont reliés au segment maître et/ou au segment esclave par des biellettes réparties symétriquement sur le segment maître et/ou le segment esclave, et articulées élastiquement sur les actionneurs, au moins une biellette maître et/ou esclave étant encastrée sur le segment maître et/ou le segment esclave, les autres biellettes étant articulées dans des plans radiaux du segment maître et/ou du segment esclave. Le fait d'encastrer une des biellettes dans le segment correspondant permet de lever l'indétermination sur le positionnement du segment esclave, singularité des systèmes à trois actionneurs qui autorisent deux positions du segment esclave pour une seule position du segment maître. Les articulations élastiques des biellettes sur l'actionneur correspondant sont avantageusement constituées de fils ou de câbles semi- rigides sertis à leurs deux extrémités, et réalisées notamment en alliage à mémoire de forme pour bénéficier des propriétés super-élastiques de ces matériaux. Suivant l'implantation plus ou moins éloignée des articulations élastiques par rapport à l'axe du segment, correspondant, les actionneurs rigides amplifient ou réduisent la valeur du coefficient d'homothétie de l'asservissement angulaire du segment esclave. Selon une autre forme de réalisation envisageable, les actionneurs sont reliés au segment maître et/ou au segment esclave par des fils ou des câbles semi-rigides, réalisés notamment en alliage à mémoire de forme et sertis à leurs deux extrémités, d'une part sur les actionneurs et d'autre part sur le segment maître et/ou le segment esclave. Le fil ou câble semi-rigide assure alors les fonctions de biellette rigide et d'articulation élastique avec l'actionneur et avec le segment 2876271 3 correspondant. Cette forme de réalisation qui permet de s'affranchir totalement de biellettes implique toutefois une longueur libre suffisante pour autoriser les déplacements relatifs des divers éléments. La rotule assurant l'articulation du segment maître sur l'embase peut par exemple être munie d'une bague de serrage hémisphérique assurant l'immobilisation angulaire de l'instrument chirurgical, par exemple pour assurer une préhension permanente ou écarter des tissus ou organes. Tous les composants du dispositif objet de l'invention sont facilement et rapidement dissociables, après démontage de la bague hémisphérique, afin d'en permettre le nettoyage, la décontamination, la stérilisation et la maintenance. Les actionneurs sont avantageusement guidés en translation dans un fourreau retenu en translation dans l'embase et libre en rotation sur l'axe de l'embase. Le point de fixation du dispositif sur le support ou bras manipulateur et le point d'introduction de l'instrument dans la cavité opératoire, souvent matérialisé par un trocart, constituent deux points fixes matérialisant l'axe de l'embase du dispositif. Tous les mouvements de l'instrument se font en considérant cet axe comme fixe et n'étant déplacé qu'occasionnellement en approche manuelle, ce qui en soit ne constitue nullement un désavantage en regard des instruments des robots qui, comme mentionné précédemment, nécessitent un accostage manuel. Toutefois, l'embase peut comporter un mécanisme de déplacement axial, du type vis-écrou ou pignon-crémaillère, s'interposant entre le support et l'embase et permettant d'ajuster la pénétration du dispositif dans la cavité opératoire. L'embase étant scindée en deux parties distinctes maître et esclave, l'asservissement angulaire du segment esclave au segment maître peut être réalisé à distance par deux actionneurs mobiles, chacun scindé en deux parties distinctes, maître et esclave, et un actionneur référent fixé à un étrier coulissant librement sur la partie maître de l'embase. En effet, l'asservissement angulaire du segment esclave est strictement dépendant des seules positions relatives des trois actionneurs rigides. Comme ces positions peuvent s'interpréter par rapport à l'un des trois actionneurs considéré comme référent, cette disposition permet de ne prendre 2876271 4 en compte que deux actionneurs mobiles dans le cas d'un asservissement à distance. Dans ce contexte, le segment maître comporte avantageusement des capteurs de position axiale et de position angulaire de l'organe de manoeuvre de l'instrument chirurgical, auxquels sont asservis des actionneurs de déplacement axial et angulaire de la partie active de l'instrument chirurgical. Les parties esclaves des deux actionneurs mobiles peuvent être mues par des dispositifs linéaires, de type vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, asservis à des capteurs de position des parties maîtres des deux actionneurs mobiles. En variante, la transmission de mouvement entre les parties maîtres et esclaves des deux actionneurs mobiles peut être assurée par deux éléments flexibles. Le dispositif objet de l'invention permet de guider, de positionner et de manipuler la partie active d'un instrument chirurgical dans n'importe quelle position d'un espace hémisphérique centré à l'intérieur de la cavité opératoire et pouvant atteindre un rayon d'une dizaine de centimètres, espace qui s'avère généralement suffisant pour les interventions de microchirurgie ou de chirurgie endoscopique. En dissociant l'instrument chirurgical et son dispositif de guidage et de manipulation, l'invention apporte une simplification notable aux systèmes de transmission de mouvement à structure parallèle, tels que décrits par exemple dans les demandes de brevets français n 2 672 836 et 2 628 670, ces derniers comportant de quatre à six actionneurs. Cette dissociation permet en outre l'interchangeabilité simple et rapide des instruments sans changement de position du dispositif de guidage et de manipulation, ainsi que le désassemblage rapide de tous les composants pour le nettoyage, la décontamination, la stérilisation et la maintenance. Plus précisément, le dispositif objet de l'invention constitue un système à quatre degrés de liberté (trois degrés en rotation et un degré en translation), auxquels il faut ajouter deux degrés de liberté pour l'instrument guidé (un degré en translation et un degré en rotation par rapport à l'axe de la partie distale du dispositif). Les singularités des dispositifs à trois actionneurs sont levées par 35 les dispositions constructives décrites ci-dessus, l'invention conservant 2876271 5 néanmoins le caractère réversible de la plupart des dispositifs à structure parallèle. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention pour le guidage et la manipulation d'un instrument chirurgical; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une vue longitudinale d'un instrument chirurgical manipulable au moyen du dispositif selon l'invention; - les figures 4 et 5 illustrent deux variantes de réalisation de l'invention qui permettent de manipuler à distance un instrument chirurgical; - la figure 6 montre un instrument chirurgical susceptible d'être manipulé à distance, au moyen d'un dispositif tel qu'illustré en figures 4 et 5. En se référant tout d'abord à la figure 1, le dispositif de guidage et de manipulation C comporte une embase fixe 1 creuse, de forme sensiblement cylindrique, destinée à être portée par un bras manipulateur A, tel que décrit par exemple dans le brevet français n 2 711 506 au nom du Demandeur, et dans laquelle est maintenu un instrument chirurgical B flexible et amovible. L'embase 1 comporte un mécanisme de déplacement axial 7, du type visécrou ou pignon-crémaillère, s'interposant entre le bras manipulateur A et l'embase 1 et permettant d'ajuster la pénétration du dispositif de guidage et de manipulation C dans la cavité opératoire. L'embase 1 est surmontée en zone proximale d'un segment maître 2, constitué d'un guide creux de forme sensiblement cylindrique, articulé par une rotule 3 sur l'embase 1, du côté d'une poignée de manoeuvre 20 de l'instrument chirurgical B. La rotule 3 est munie d'une bague de serrage hémisphérique 8 assurant l'immobilisation angulaire de l'instrument chirurgical B. En zone distale, une partie active 21 (pince, ciseaux, etc. ) de l'instrument chirurgical B débouche de l'embase 1 par un segment esclave 4...DTD: Le segment esclave 4 présente un point virtuel d'articulation sphérique situé sensiblement sur l'axe de l'embase 1, entre trois actionneurs 2876271 6 rigides 5 qui assurent l'asservissement du segment esclave 4 au segment maître 2, dans une position angulaire homothétique de celle du segment maître 2. Comme l'indique plus particulièrement la figure 2, les actionneurs rigides 5 sont déplaçables individuellement et guidés en translation dans un fourreau 9, retenu en translation dans l'embase 1 et libre en rotation sur l'axe de l'embase 1. Les actionneurs rigides 5 sont reliés au segment esclave 4 par trois biellettes 16 réparties symétriquement sur le segment esclave 4 et articulées élastiquement sur les actionneurs 5 par des articulations élastiques 6 constituées de fils en alliage à mémoire de forme sertis à leurs deux extrémités. Parmi ces trois biellettes 16, une est encastrée totalement dans le segment esclave 4 pour lever l'indétermination (singularité des systèmes à trois 15 actionneurs) sur le positionnement du segment esclave 4. Les deux autres biellettes 16 sont articulées dans un plan radial du segment esclave 4. Dans la forme de réalisation représentée au dessin, elles sont en fait traversées par un fil en alliage à mémoire de forme encastré dans le segment esclave 4, et sont guidées dans des fentes radiales du segment esclave 4. Les articulations élastiques 6 se comportent comme des joints de Cardan tout en compensant les déplacements respectifs des points d'encastrement des fils en alliage à mémoire de forme dans le segment esclave 4. Suivant l'implantation plus ou moins éloignée des articulations élastiques 6 par rapport à l'axe du segment esclave 4, les actionneurs rigides 5 amplifient ou réduisent la valeur du coefficient d'homothétie de l'asservissement angulaire du segment esclave 4. Les actionneurs rigides 5 sont reliés d'autre part au segment maître 2 par trois fils 17 en alliage à mémoire de forme sertis d'une part sur les actionneurs 5 et d'autre part sur le segment maître 2, c'est-à-dire encastrés sur la rotule 3, et de ce fait contraints en déplacement latéral. Les fils 17 assurent les fonctions de biellette rigide et d'articulation élastique d'une part avec la rotule 3, et d'autre part avec l'actionneur 5 35 correspondant. 2876271 7 Dans cette disposition constructive, le point d'articulation sur la rotule 3, la "biellette" en alliage à mémoire de forme et l'actionneur 5 ne travaillent pas toujours dans un même plan, ce qui implique des déplacements relatifs des points d'encastrement du fil 17 dans la rotule 3, de sorte que la forme du fil 17 contraint réalise un "Z" pour compenser ces déplacements, ce que ne permettraient pas des cardans ou des accouplements élastiques de type Oldham. L'instrument chirurgical B comporte, en zones proximale et distale, des parties cylindriques rigides 22 et 23, reliées par une partie flexible 24 de diamètre inférieur (voir figure 3) destinée à coulisser dans les alésages des segments maître 2 et esclave 4 et du fourreau 9. Etant de diamètres supérieurs aux diamètres de ces alésages, les parties 22 et 23 maintiennent avec précision l'instrument B dans le dispositif C. Les figures 4 et 5 illustrent deux modes de réalisation dans lesquels l'asservissement angulaire du segment esclave 4 au segment maître 2 est réalisé à distance, l'embase étant scindée en deux parties distinctes 1' et 1", respectivement maître et esclave. Un premier actionneur 51 est fixé à un étrier 12 coulissant librement sur la partie maître 1' de l'embase. Ce premier actionneur 51 est considéré comme référent de position pour les deux autres actionneurs mobiles, chacun scindé en deux parties distinctes 52' et 52", respectivement maître et esclave, entre lesquelles le mouvement est transmis. Dans la forme de réalisation illustrée en figure 4, la transmission de mouvement entre les parties maîtres 52' et esclaves 52" des deux actionneurs mobiles est assurée par deux éléments flexibles 10 montés dans une gaine 11 et reliant l'étrier 12 à la partie esclave 1" de l'embase. Dans la variante de réalisation illustrée en figure 5, les parties esclaves 52" des actionneurs mobiles sont mues par des dispositifs linéaires 14, de type vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, asservis à des capteurs de position 13 des parties maîtres 52' des actionneurs mobiles. Les capteurs de position 13 sont solidaires de l'étrier 12. Comme le montre mieux la figure 6, le segment maître 2 comporte des capteurs de position axiale 26 et de position angulaire 28 de la poignée de manoeuvre 20 de l'instrument chirurgical B. Des actionneurs de déplacement axial 25 et angulaire 27 de la partie active 21 de l'instrument chirurgical B sont asservis à ces capteurs 26 2876271 8 et 28, et permettent à l'instrument chirurgical B de coulisser et de tourner autour de son axe principal dans le dispositif de guidage et de manipulation C. La partie active 21 est mise en fonction par un actionneur 29, asservi à un capteur de position axiale 30 solidaire de la poignée de manoeuvre 20. Les trois actionneurs 25, 27 et 29 permettent d'ajuster la pénétration de l'instrument B dans la cavité opératoire, d'orienter sa partie active 21 dans la cavité opératoire et d'actionner celle-ci. L'ensemble ne nécessitent ainsi au total que cinq actionneurs, deux pour le dispositif C et trois pour l'instrument B, dans son utilisation à distance. Un sixième actionneur pourrait éventuellement être prévu pour assurer le déplacement axial de l'embase 1 par rapport au bras manipulateur A. Des moyens de retour d'effort (non représentés) sont avantageusement prévus pour restituer la sensibilité du chirurgien dans la préhension des tissus et organes opérés, ainsi que des moyens, de préférence stéréoscopiques, de restitution de l'image de la zone opérée. Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux des modes de réalisation envisagés ici 20 mais en embrasse au contraire toutes les variantes. 9 REVENDICATIONS 1- Dispositif de guidage et de manipulation d'un instrument chirurgical flexible et amovible dans une cavité opératoire, l'instrument chirurgical (B) étant maintenu dans une embase (1) creuse, destinée à être portée par un bras manipulateur (A) ou un support mécanique, ledit dispositif de guidage (C) étant caractérisé en ce qu'au moins trois actionneurs (5), déplaçables individuellement et guidés en translation dans l'embase (1), relient - un segment maître (2), articulé par une rotule (3) sur l'embase (1), du côté d'un organe de manoeuvre (20) de l'instrument chirurgical (B), à - un segment esclave (4), présentant un point virtuel d'articulation sphérique situé entre les actionneurs (5) et sensiblement sur l'axe de l'embase (1), et duquel débouche une partie active (21) de l'instrument chirurgical (B), lesdits actionneurs (5) assurant l'asservissement du segment esclave (4) dans une position angulaire homothétique de celle du segment maître (2). 2- Dispositif de guidage et de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs (5) sont reliés au segment maître (2) et/ou au segment esclave (4) par des biellettes (16) réparties symétriquement sur le segment maître (2) et/ou le segment esclave (4), et articulées élastiquement sur les actionneurs, au moins une biellette (16) étant encastrée sur le segment maître (2) et/ou le segment esclave (4), les autres biellettes (16) étant articulées dans des plans radiaux du segment maître (2) et/ou du segment esclave (4). 3- Dispositif de guidage et de manipulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les articulations élastiques (6) des biellettes (16) sur l'actionneur (5) correspondant sont constituées de fils ou de câbles semi-rigides sertis à leurs deux extrémités, et réalisées notamment en alliage à mémoire de forme. 4- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les actionneurs (5) sont reliés au segment maître (2) et/ou au segment esclave (4) par des fils (17) ou des câbles semi-rigides, réalisés notamment en alliage à mémoire de forme et sertis à leurs deux extrémités, d'une part sur les actionneurs (5) et d'autre part sur le segment maître (2) et/ou le segment esclave (4). 2876271 10 5- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la rotule (3) assurant l'articulation du segment maître (2) sur l'embase (1) est munie d'une bague de serrage hémisphérique (8) assurant l'immobilisation angulaire de l'instrument chirurgical (B). 6- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les actionneurs (5) sont guidés en translation dans un fourreau (9) retenu en translation dans l'embase (1) et libre en rotation sur l'axe de l'embase (1). 7- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'embase (1) comporte un mécanisme de déplacement axial (7), du type vis-écrou ou pignon- crémaillère, s'interposant entre le support (A) et l'embase (1). 8- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, l'embase (1) étant scindée en deux parties distinctes, maître (1') et esclave (1"), l'asservissement angulaire du segment esclave (4) au segment maître (2) est réalisé à distance par deux actionneurs mobiles, chacun scindé en deux parties distinctes, maître (52') et esclave (52"), et un actionneur (51) référent fixé à un étrier (12) coulissant librement sur la partie maître (1') de l'embase (1). 9- Dispositif de guidage et de manipulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que les parties esclaves (52") des actionneurs mobiles sont mues par des dispositifs linéaires (14), de type vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, asservis à des capteurs de position (13) des parties maîtres (52') des actionneurs mobiles. 10- Dispositif de guidage et de manipulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que la transmission de mouvement entre les parties maîtres (52') et esclaves (52") des actionneurs mobiles est assurée par deux éléments flexibles (10). 11- Dispositif de guidage et de manipulation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le segment maître (2) comporte des capteurs de position axiale (26) et de position angulaire (28) de l'organe de manoeuvre (20) de l'instrument chirurgical (B), auxquels sont asservis des actionneurs de déplacement axial (25) et angulaire (27) de la partie active (21) de l'instrument chirurgical (B).