Brevet FR3130125A1 — publié le 20230616

Procédé et système de simulation du comportement mécanique d’un corps Procédé pour simuler le comportement mécanique d’un corps (200), comportant les étapes consistant à : configurer à partir d’un jumeau numérique (231) une maquette dynamique (100) comportant une interface (101) déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs (103) dont la course et la réponse mécanique sont ajustées pour reproduire avec l’interface (101) la géométrie externe du corps (200) et simuler son comportement mécanique, le jumeau numérique (231) ayant été préalablement généré en faisant une acquisition de la géométrie externe d’une partie au moins dudit corps (200) et de sa réponse locale à l’application d’une force (F1, F2, F3, F1’, F2’, F3’) Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé et système de simulation du comportement mécanique d’un corps La présente invention concerne la simulation du comportement mécanique d’un corps, en particulier mais non exclusivement en vue de faciliter la télé-opération par le médecin d’une sonde lors du diagnostic d’un patient à distance. Les demandes de télé-opération se multiplient chaque année, surtout dans le domaine médical. Il s’agit de répondre au besoin de fournir rapidement un accès médical là où un médecin n'est pas toujours disponible. La revue Springer 2021 « Medical Robotics for Ultrasound Imaging : Current Systems and Future Trends » donne un aperçu des systèmes à ultrasons robotiques les plus récents qui sont apparus au cours des cinq dernières années. Parmi ces systèmes, le système MELODY de la société française Adechotech utilise, du côté du patient, une potence qui doit être manipulée à la main, avec un effecteur au bout, portant une sonde esclave à déplacer sur le corps du patient. Cet effecteur est asservi aux mouvements d’une sonde maître du côté de l’opérateur à distance. La manipulation de la sonde maître se fait sans procurer de retour haptique ni de représentativité du corps en cours d’exploration. De plus, ce système nécessite l’assistance d’une personne sur place à côté du patient pour manipuler la sonde esclave, ce qui limite son usage aux situations où une telle assistance humaine est disponible. Un système analogue RADIUS a été développé à l’institut des machines et matériaux de Corée du Sud en 2017, qui comporte un dispositif maître comportant une plateforme montée sur vérins et capable d’enregistrer les mouvements d’une sonde manipulée par le médecin, et un dispositif esclave muni de poignées, à appliquer sur le patient, comportant un mécanisme pour déplacer une sonde esclave en réponse aux mouvements de la sonde maître. Un tel système de télédiagnostic ne comporte pas de retour haptique et n’offre pas de représentativité du corps exploré. De plus, il nécessite également la présence d’un assistant à côté du patient pour maintenir le dispositif esclave (http://koreabizwire.com/s-korean-institute-develops-remote-ultrasound-diagnostic-system/102708). Afin de surmonter les difficultés liées au manque de représentativité du corps exploré côté maître, des recherches ont été réalisées récemment pour proposer du retour d’effort à l’opérateur. Les travaux de l’Université de Catania, publiés en 2020 dans l’article Bucolo et al. « Force Feedback Assistance in Remote Ultrasound Scan Procedures » , en sont le meilleur exemple. Le système développé permet la réalisation du diagnostic par un robot collaboratif piloté à distance par le mouvement d’une sonde par un opérateur, sans besoin d’un assistant humain côté patient, ainsi que la mesure par le robot de la résistance mécanique opposée par le patient, et la restitution de cette mesure à l’opérateur. Le système opère en boucle fermée en utilisant une surface dynamique de forme générale prédéfinie côté opérateur, composée de chambres pneumatiques contrôlées par des électro-clapets, permettant de modéliser les changements de raideur du corps exploré côté maître. Cependant, un tel système s’avère relativement peu réactif et manquer de résolution, et ne permet notamment pas de simuler convenablement des butées franches représentatives de la présence d’obstacles tels que des os dans le corps humain. Sa lenteur le rend difficilement compatible avec les contraintes temporelles de la plupart des interventions. Il demeure donc un besoin pour perfectionner encore les procédés et systèmes d’exploration haptique à distance, notamment en termes de confort pour l’opérateur, d’efficacité et de rapidité, afin de faciliter le développement du télédiagnostic, notamment dans le domaine médical, et plus généralement de la télé-opération. Il existe également un besoin pour faciliter la formation d’opérateurs manipulant une sonde ou tout autre dispositif sur un corps, en fournissant une réponse haptique réaliste. Procédé pour simuler le comportement mécanique d’un corps L’invention vise à répondre selon un premier de ses aspects à l’un au moins de ces besoins, et a pour objet un procédé pour simuler le comportement mécanique d’un corps, comportant les étapes consistant à : configurer à partir d’un jumeau numérique une maquette dynamique comportant une interface déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs, dont la course et la réponse mécanique sont ajustées pour reproduire avec l’interface la géométrie externe du corps et simuler son comportement mécanique, le jumeau numérique ayant été préalablement généré en faisant une acquisition de la géométrie externe d’une partie au moins dudit corps et de sa réponse locale à l’application d’une force. L’invention permet selon ce premier aspect de fournir à un opérateur humain, notamment un médecin, une interface dynamique explorable de façon naturelle présentant les mêmes caractéristiques haptiques qu’un corps à explorer . Cela peut faciliter le travail d’un téléopérateur et peut lui permettre d’explorer à distance le corps. Cela peut aussi aider à la formation d’un médecin notamment, en améliorant le réalisme de la simulation du déplacement d’un objet ou d’une main au contact d’une partie du corps humain. Le jumeau numérique peut être un modèle numérique « 4D » constitué d’un fichier informatique comprenant une cartographie 3D de la géométrie externe de la partie dudit corps dont on cherche à reproduire le comportement mécanique et une matrice représentative des résistances mécaniques dudit corps à différentes forces qui lui sont appliquées à différentes positions et/ou orientations géométriques. Des cas réels préenregistrés peuvent être stockés sous forme de jumeaux numériques, comportant le modèle 4D du corps en question. Lorsque le jumeau est généré, on peut également enregistrer des images de diagnostic générées au passage de l’outil dans le cas réel, et les restituer ensuite lors de la simulation. De préférence, le procédé pour simuler le comportement mécanique comporte la détection du positionnement et/ou de l’orientation relativement à la maquette dynamique d’une sonde manipulée par un opérateur humain, et la restitution à l’opérateur d’une information qui est fonction du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté(s) de la sonde. Il s’agit par exemple dans le cas de formation d’un opérateur d’images échographiques préenregistrées sur le cas réel à partir duquel le jumeau numérique a été généré. Ainsi, l’information délivrée à l’opérateur est préférentiellement représentative de celle que délivre la sonde lorsque positionnée et/ou orientée de manière identique sur le corps. L’invention a encore pour objet de répondre au besoin mentionné plus haut de perfectionner les procédés et systèmes d’exploration haptique à distance, notamment en termes de confort pour l’opérateur, d’efficacité et de rapidité, afin de faciliter le développement du télédiagnostic, notamment dans le domaine médical, et plus généralement de la télé-opération. Procédé de contrôle à distance à retour haptique L’invention a ainsi pour objet, selon un deuxième de ses aspects, un procédé de contrôle à distance à retour haptique, comportant les étapes consistant à : générer dans une phase initiale un jumeau numérique d’au moins une partie d’un corps en faisant une acquisition de sa géométrie externe et de sa réponse locale à l’application d’une force, configurer à partir du jumeau numérique ainsi généré une maquette distante dynamique comportant une interface déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs dont la course et la réponse mécanique sont ajustées pour reproduire avec l’interface la géométrie externe du corps et simuler son comportement mécanique, détecter, dans une phase d’action à distance sur le corps, le positionnement et/ou l’orientation relativement à la maquette dynamique d’un objet maître manipulé par un opérateur humain, piloter à partir du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté(s) un bras robotisé portant un objet esclave pour recopier, avec l’objet esclave sur le corps, le positionnement et/ou l’orientation de l’objet maître sur l’interface déformable. Ce procédé permet une interaction plus naturelle à distance entre l’opérateur humain et le corps étudié et plus proche de l’exploration habituelle. L’invention permet à l’opérateur humain de disposer d’une maquette représentative de la géométrie et de la résistance du corps à distance, permettant un diagnostic plus efficace et plus fin que ce qui est possible avec les systèmes actuels. L’invention offre la possibilité de prendre en compte les délais temporels dans les communications inhérents à un diagnostic à distance, grâce au jumeau numérique généré dans la phase initiale, pour restituer des résistances mécaniques prévisionnelles même avant d’avoir complété la boucle maître – esclave – maître. Ceci permet de mieux gérer les délais de communication qui existent la plupart du temps dans le diagnostic à distance, en ayant une interface qui réagit aux mouvements de l’opérateur humain quasiment en temps réel, plutôt que d’attendre le retour de l’objet esclave à chaque fois, comme c’est le cas pour le système proposé par l’Université de Catania cité ci-avant. L’invention permet d’adapter la géométrie et la résistance de l’interface au corps exact en cours de diagnostic, plutôt que de disposer d’un moyen générique mal adapté au corps à explorer. L’étape consistant à détecter sur l’interface le positionnement et/ou l’orientation relativement à la maquette dynamique de l’objet maître peut être effectuée à travers des capteurs propres (par exemple capteurs magnétiques, odométriques, etc.) qui permettent de détecter et quantifier le mouvement de l’objet maître dans l’espace, ou par rapport à la maquette dynamique. L’étape consistant à détecter sur l’interface le positionnement et/ou l’orientation relativement à la maquette dynamique de l’objet maître peut encore être effectuée alternativement à travers des méthodes de suivi par vision (suivi caméra avec ou sans cible visuelle sur l’objet maître). La mesure de la pression appliquée par l’objet maître sur l’interface peut être effectuée à travers des signaux récupérés dans les éléments de support actifs. Le suivi du déplacement et/ou de la force de l’objet maître peut être réalisé avec une combinaison d’une partie ou de toutes ces techniques, afin d’assurer une identification précise de la position de l’objet maître et/ou de la force qu’il exerce sur l’interface. De préférence, l’objet maître reproduit au moins partiellement la forme de l’objet esclave, notamment celle de l’objet esclave venant au contact du corps. L’objet esclave et l’objet maître peuvent ainsi avoir la même forme, voire être identiques. Le procédé de contrôle à distance selon cet aspect de l’invention comporte préférentiellement l’acquisition d’une réponse mécanique lors d’un positionnement de l’objet esclave imposé par celui de l’objet maître, la mise à jour du jumeau numérique puis l’ajustement de la course des éléments de support actifs et/ou de leur réponse à partir de cette acquisition. Cette mise à jour en temps réel permet de prendre en compte des changements dans la résistance dudit corps à l’objet esclave, par exemple lors du déplacement d’un organe ou de la rencontre d’un os, et permet ainsi de garder une maquette dynamique dont les propriétés restent fidèles le plus possible à celles du corps distant à explorer. Cela peut permettre également d’enrichir le jumeau numérique au cours de l’exploration, et ainsi d’améliorer la précision de la simulation du comportement au cours de l’examen ; cela peut aussi permettre si on le souhaite de démarrer avec un plus faible volume de données acquises dans la phase initiale, donc de raccourcir la durée de celle-ci. De préférence, l’acquisition de la réponse locale du corps à l’application d’une force est effectuée lors de la phase initiale en plusieurs points à l’aide de l’objet esclave, notamment en lui faisant effectuer avec le bras robotisé une trajectoire prédéfinie. Lors de la phase initiale, la géométrie du corps à explorer peut être déterminée par tout moyen adapté, par exemple en utilisant une ou plusieurs caméras, par exemple stéréoscopiques, un ou plusieurs lasers ou LIDAR, un bras palpeur, ou tout capteur permettant d’obtenir la cartographie 3D recherchée. Le procédé de contrôle à distance selon l’invention peut comporter une phase de calibration entre la géométrie externe du corps et la position du bras robotisé. Cette calibration peut s’effectuer par tout moyen, et par exemple en incluant le bras avec une position et/ou une orientation connue(s) dans le champ d’acquisition initiale de la topologie du corps. L’objet esclave peut être une sonde émettrice de signaux, notamment une sonde à ultrasons, en particulier une sonde échographique portée par le bras robotisé. L’objet maître peut encore être une main haptique et l’objet esclave un effecteur représentatif, tel qu’une main robotique. Les éléments de support actifs comportent de préférence des actionneurs, qui sont préférentiellement linéaires, de préférence des vérins électromécaniques, et permettent d’adapter la topologie de départ de l’interface déformable à la géométrie du corps. Les éléments de support actifs comportent de préférence chacun un frein magnétorhéologique permettant de modifier la réponse de l’élément de support actif à une sollicitation mécanique, ce frein étant piloté en fonction du jumeau numérique. Le frein permet de contrôler de façon fine et très rapide la résistance opposée par l’élément de support actif lorsque l’opérateur humain exerce une poussée sur l’interface déformable. Le frein peut comporter une enceinte contenant un fluide magnétorhéologique. Un frein magnétorhéologique permet d’imposer un frottement visqueux contrôlable à l’aide d’un champ magnétique dont l’intensité dépend de celle du courant électrique servant à générer le champ. En effet, les fluides magnétorhéologiques sont des suspensions de particules magnétiques micrométriques dans des liquides amagnétiques. Lorsqu’un tel liquide est exposé à un champ magnétique, les particules s’agrègent sous la forme de chaînes qui augmentent de façon importante la résistance à l’écoulement. Le champ magnétique nécessaire pour piloter la viscosité du fluide est fourni par un électro-aimant. Chaque élément de support actif peut être muni d’un organe de rappel, notamment un ressort, déformable sous l’effet d’une force exercée par l’objet maître. Le pilotage de la course du vérin précité permet de reproduire la géométrie du corps à explorer ; le vérin peut être bloqué à la course correspondant à cette géométrie. La présence de l’organe de rappel permet au vérin de pouvoir s’enfoncer lorsqu’une force est exercée sur la maquette par l’opérateur, et donc à la maquette de s’enfoncer localement. La présence du frein permet de moduler la course d’enfoncement, en bloquant par exemple l’enfoncement à partir d’une certaine course, ou de faire varier la force à exercer pour provoquer cet enfoncement, pour simuler par exemple un durcissement du tissu ou la présence d’un obstacle qui empêche la poursuite du mouvement. Ainsi, dans le cas de l’utilisation d’un frein magnétorhéologique, le procédé peut comporter le pilotage de l’intensité d’un courant envoyé dans le frein pour modifier la viscosité du fluide magnétorhéologique en fonction d’une part du déplacement d’une tige de l’élément de support actif sous l’effet d’une force exercée sur l’interface par l’opérateur et d’autre part de la réponse mécanique enregistrée dans le jumeau numérique ; par exemple, pour simuler un enfoncement sans résistance mécanique notable, le frein n’est pas activé ou peu activé, ce qui permet à la tige de l’élément de support actif de s’enfoncer en réponse à une force exercée par l’opérateur, l’organe de rappel étant comprimé lors de cet enfoncement ; si après une certaine course d’enfoncement, il convient de simuler une butée, liée par exemple à la présence d’un os sous-jacent dans les tissus explorés, le courant dans le frein est augmenté, ce qui bloque la descente de la tige de l’élément de support actif et donc l’enfoncement de la maquette dynamique localement ; lorsque l’opérateur relâche la pression, ce relâchement peut être détecté, et le courant dans le frein diminué, pour permettre à la tige de l’élément de support actif de reprendre sa configuration initiale sous l’effet de l’organe de rappel. L’interface comporte de préférence une couche en un matériau viscoélastique, qui peut définir la surface que l’opérateur humain explore. Ceci contribue à la flexibilité de l’interface déformable et peut permettre d’avoir un retour haptique plus proche de la réalité lorsque l’on explore grâce à l’invention un corps humain. Système pour simuler le comportement mécanique d’un corps L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système pour simuler le comportement mécanique d’un corps, notamment pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, comportant : une maquette dynamique comportant une interface déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs dont la course et la réponse mécanique sont ajustables, un système de commande pour contrôler la course et la réponse mécanique des éléments de support actifs en fonction d’un jumeau numérique d’au moins une partie dudit corps, ce jumeau numérique comportant des données relatives à la géométrie externe dudit corps et à sa réponse locale à l’application d’une force, le contrôle des éléments de support actifs s’effectuant de façon à reproduire avec l’interface la géométrie externe du corps et simuler son comportement mécanique. De préférence, le système selon l’invention comporte un système de détection du positionnement et/ou de l’orientation relativement à la maquette dynamique d’un objet maître manipulé par un opérateur humain. Cette information peut être transmise à distance pour contrôler un robot porteur d’un objet esclave, comme dans le cas du procédé défini plus haut. L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de contrôle à distance à retour haptique, comportant outre le système selon l’invention décrit ci-dessus, un système de commande d’un bras robotisé pour piloter, à partir du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté(s), un bras robotisé portant un objet esclave et recopier, avec l’objet esclave sur le corps, le positionnement et/ou l’orientation de l’objet maître sur l’interface déformable. L’invention porte aussi sur un système de télé-exploration à retour haptique, comportant outre le système de contrôle selon l’invention, le bras robotisé portant l’objet esclave. Cet objet esclave peut avantageusement être une sonde échographique, comme indiqué plus haut. Tout type de sonde échographique peut être utilisé dans le cadre de la présente invention, y compris les sondes linéaires et convexes, voire endocavitaires. Le bras robotisé peut être un bras robotisé collaboratif, ou « cobot ». Utilisations du système L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, l’utilisation du système de télé-exploration à retour haptique selon l’invention pour le télédiagnostic médical, notamment à ultrasons. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, l’utilisation du système de contrôle à distance à retour haptique selon l’invention pour le contrôle non-destructif de composants ou structures flexibles ou semi-rigides. L’invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, l’utilisation du système pour simuler le comportement mécanique d’un corps à des fins d’enregistrement de cas d’étude et leur reproduction sur la maquette dynamique pour former de nouveaux opérateurs. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : La est un schéma en blocs d’un exemple de système de télé-exploration à retour haptique selon l’invention ; la représente schématiquement les composants du système illustré à la ; et la illustre schématiquement un exemple d’actionneur utilisé dans le système de la . Procédé pour simuler le comportement mécanique d’un corps (200), comportant les étapes consistant à : configurer à partir d’un jumeau numérique (231) une maquette dynamique (100) comportant une interface (101) déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs (103) dont la course et la réponse mécanique sont ajustées pour reproduire avec l’interface (101) la géométrie externe du corps (200) et simuler son comportement mécanique, le jumeau numérique (231) ayant été préalablement généré en faisant une acquisition de la géométrie externe d’une partie au moins dudit corps (200) et de sa réponse locale à l’application d’une force (F1, F2, F3, F1’, F2’, F3’). Procédé selon la revendication précédente, comportant la détection du positionnement et/ou de l’orientation relativement à la maquette dynamique d’une sonde (110) manipulée par un opérateur humain (120), et la restitution à l’opérateur (120) d’une information qui est fonction du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté(s) de la sonde (110). Procédé selon la revendication précédente, l’information délivrée à l’opérateur (120) étant représentative de celle que délivre la sonde (110) lorsque positionnée et/ou orientée de manière identique sur le corps (200). Procédé de contrôle à distance à retour haptique non chirurgical, comportant les étapes consistant à : générer dans une phase initiale un jumeau numérique (231) d’au moins une partie d’un corps (200) en faisant une acquisition de sa géométrie externe et de sa réponse locale à l’application d’une force (F1, F2, F3, F1’, F2’, F3’), configurer à partir du jumeau numérique (231) ainsi généré une maquette dynamique distante (100) comportant une interface (101) déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs (103) dont la course et la réponse mécanique sont ajustées pour reproduire avec l’interface (101) la géométrie externe du corps (200) et simuler son comportement mécanique, détecter, dans une phase d’action à distance sur le corps (200), le positionnement et/ou l’orientation relativement à la maquette dynamique (100) d’un objet maître (110) manipulé par un opérateur humain (120), piloter à partir du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté un bras robotisé (220) portant un objet esclave (210) pour recopier, avec l’objet esclave (210) sur le corps (200), le positionnement et/ou l’orientation de l’objet maître (110) sur l’interface (101) déformable. Procédé selon la revendication précédente, l’objet maître (110) reproduisant au moins partiellement la forme de l’objet esclave (210), notamment celle de l’objet esclave (210) venant au contact du corps (200). Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, l’objet esclave (210) et l’objet maître (110) ayant la même forme, voire étant identiques. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, comportant l’acquisition d’une réponse mécanique lors d’un positionnement de l’objet esclave (210) imposé par celui de l’objet maître (110), la mise à jour du jumeau numérique (231) puis l’ajustement de la course des éléments de support actifs (103) et/ou de leur réponse à partir de cette acquisition. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, l’acquisition de la réponse locale à l’application d’une force (F1, F2, F3, F1’, F2’, F3’) étant effectuée lors de la phase initiale en plusieurs points à l’aide de l’objet esclave (210), notamment en lui faisant effectuer avec le bras robotisé (220) une trajectoire prédéfinie. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, l’objet esclave (210) étant une sonde émettrice de signaux, notamment une sonde à ultrasons, en particulier une sonde échographique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les éléments de support actifs (103) comportant chacun un frein magnétorhéologique (1034) permettant de modifier la réponse de l’élément de support actif (103) à une sollicitation mécanique, ce frein (1034) étant piloté en fonction du jumeau numérique (231). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les éléments de support actifs (103) comportant des actionneurs (1035) linéaires. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’interface (101) comportant une couche en un matériau viscoélastique. Système (1) pour simuler le comportement mécanique d’un corps (200), notamment pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant : une maquette dynamique (100) comportant une interface (101) déformable liée à une pluralité d’éléments de support actifs (103) dont la course et la réponse mécanique sont ajustables, un système de commande (106) pour contrôler la course et la réponse mécanique des éléments de support actifs en fonction d’un jumeau numérique (231) d’au moins une partie dudit corps (200), ce jumeau numérique (231) comportant des données relatives à la géométrie externe dudit corps (200) et à sa réponse locale à l’application d’une force (F1, F2, F3, F1’, F2’, F3’), le contrôle des éléments de support actifs (103) s’effectuant de façon à reproduire avec l’interface (101) la géométrie externe du corps (200) et simuler son comportement mécanique. Système selon la revendication 13, comportant un système de détection (111) du positionnement et/ou de l’orientation relativement à la maquette (100) d’un objet maître (110) manipulé par un opérateur humain (120). Système de contrôle à distance à retour haptique, comportant outre le système selon la revendication 14, un système de commande (211) d’un bras robotisé (220) pour piloter, à partir du positionnement et/ou de l’orientation ainsi détecté(s), un bras robotisé (220) portant un objet esclave (210) et recopier, avec l’objet esclave (210) sur le corps (200), le positionnement et/ou l’orientation de l’objet maître (110) sur l’interface (101) déformable. Système de télé-exploration à retour haptique, comportant outre le système de contrôle selon la revendication 15, le bras robotisé (220) portant l’objet esclave (210). Système selon la revendication précédente, l’objet esclave étant une sonde échographique.