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En vedette - Dr Robot, neurochirurgien

Des chercheurs de l'UE ont inventé un robot qui assisterait les neurochirurgiens lors d'opérations très délicates et pointues qu'ils sont appelés à mener sur le cerveau humain. La recherche, impliquant les interactions complexes de commandes précises, de capteurs de retours d'informations et d'intelligence machine, aura un impact considérable sur la robotique et la médecine de manière générale.

Économie numérique

En théorie, les robots sont les candidats parfaits pour assister les chirurgiens dans le cadre d'une opération cérébrale. Ils peuvent réaliser des manœuvres précises, possèdent de prodigieuses mémoires et pensent rapidement. En outre, ils n'ont pas besoin qu'on leur éponge le front dans les contextes les plus difficiles. Ils permettraient d'augmenter rapidement le nombre d'opérations chirurgicales réalisées dans les cliniques et centres médicaux. Et si seulement cela pouvait être aussi simple. «Le développement d'un assistant en chirurgie robotisé est une gageure extrêmement complexe», commente Giancarlo Ferrigno, coordinateur du projet Robocast («Robot and sensors integration for computer assisted surgery and therapy»). «La conception doit prendre en compte un grand nombre de variables et la procédure exige une précision extrême; en effet, la marge d'erreur est minime.» Le projet Robocast, qui a reçu 3,45 millions d'euros de son budget total de 4,55 millions de l'UE, s'est concentré sur une tâche bien précise, notamment la neurochirurgie endoscopique (de type «trou de serrure») robotisée, une technique réalisée par un petit trou dans le crâne que l'on appelle le trou de trépan. Ce type d'opération est utilisé pour de nombreuses interventions cérébrales. En endoscopie, le chirurgien utilise une ouverture pour insérer une caméra lui permettant d'examiner directement l'organe, tandis qu'une biopsie est réalisée en prélevant des tissus suspects par l'ouverture. Cette technique peut être utilisée pour placer des aiguilles dans le but de prélever du sang ou tout autre fluide, ainsi que pour l'ablation cryogénique et électrolytique, qui supprime des tissus en utilisant un courant électrique direct ou extrêmement froid. La curiethérapie implique le positionnement d'une source de radiation à proximité du site à traiter tandis que la stimulation cérébrale profonde inclut l'installation d'un stimulateur cérébral à électrodes. Ces techniques ont considérablement contribué à la progression de traitement de tumeurs, d'hydrocéphalie (une condition dans laquelle le liquide cérébral s'accumule dans le cerveau), de dystonie (un trouble neurologique du mouvement), de tremblement essentiel, de la maladie de Parkinson, du syndrome de la Tourette, de dépression clinique, de la douleur du membre fantôme, d'algie vasculaire de la face et même de l'épilepsie. Il s'agit d'un domaine vaste et en pleine expansion, extrêmement exigent. Il requiert une intelligence élevée, une dextérité extrême et beaucoup de sang-froid. «Les procédures neurochirurgicales sont actuellement à la limite des capacités humaines, aussi seule une nouvelle technologie permettra aux chirurgiens de se surpasser», explique le Dr Ferrigno. «Les fonctions vitales telles que le toucher, le mouvement, le langage et la mémoire peuvent se cacher dans des tissus cérébraux d'une épaisseur d'un dixième de millimètre, et le moindre dommage peut mener à une lésion permanente.» Le développement d'un assistant robotisé sûr, fiable et efficace permettrait de renforcer la sécurité et d'augmenter le nombre d'opérations pouvant être réalisées. Cela sera encore plus important dans les 20 années à venir au vu du vieillissement de la population européenne et de l'augmentation de l'incidence des troubles cérébraux. L'intelligence mécatronique L'équipe de Robocast a développé un logiciel et du matériel informatique. Le matériel a été baptisé «mécatronique en robotique» car il consiste en pièces mécaniques et circuits électroniques. La mécatronique constitue le corps et le système nerveux du robot, et le logiciel est responsable de l'intelligence. Le système complet est composé d'une interface homme/machine pour une communication intelligente sensible au contexte et un mécanisme de commande haptique (retour d'effort). Il comportait également une unité de robotique multiple, un planificateur de trajectoire autonome, un contrôleur de haute performance et un ensemble de capteurs. La phase mécatronique du projet a vu le développement d'un système modulaire assurant un encombrement minime, avec deux robots et une sonde biomimétique active. Les systèmes biomimétiques utilisent des modèles biologiques pour inspirer la conception d'ingénierie. Ces trois éléments coopèrent dans un cadre intégré sensoriel et moteur pour agir en tant qu'unité simple. Le premier robot peut positionner son compagnon miniature par six degrés de liberté. Les degrés de liberté définissent les directions de mouvement d'un objet dans un espace tridimensionnel et ces directions représentent la gamme de mouvements la plus complète. En termes réels, ces six degrés de mouvements de liberté signifient que le robot peut réaliser trois mouvements linéaires de haut en bas, de gauche à droite et d'avant en arrière; il peut également réaliser des rotations de roulis (en avant et en arrière, de tangage sur les côtés ou de lacet (mouvement horizontal selon un axe vertical). Le robot peut combiner ces mouvements simultanément pour positionner son compagnon n'importe où dans un espace en 3D. Il peut également le positionner à n'importe quel point dans le champ opératoire. Le robot miniature est équipé de la sonde à introduire dans le trou de trépan. Des traqueurs optiques suivent l'extrémité de la sonde et le patient. Le robot peut contrôler la position et la force appliquée en utilisant une combinaison de capteurs. Les chercheurs de Robocast ont également développé l'intelligence du robot pour qu'il puisse définir la trajectoire de l'implémentation chirurgicale, une partie essentielle du travail. La trajectoire est souvent considérée comme allant de soi mais il s'agit réellement d'un problème en robotique. Instinctivement, notre cerveau réalise des calculs complexes pour localiser des objets dans un espace en 3D, et il peut le faire même lorsque l'objet est en mouvement, littéralement «en plein vol», en temps réel. Lorsque quelqu'un nous lance une balle, la plupart du temps, nous l'attrapons sans problème. Il s'agit pourtant d'un processus très complexe. Robocast a développé un système de commande capable de fournir une planification de la trajectoire externe et interne au corps du patient, en analysant les informations diagnostiques préopératoires. La trajectoire dans le cerveau est planifiée sur la base d'un «atlas du risque». Cet atlas reproduit une représentation floue d'un atlas cérébral qui associe les structures cérébrales à un «niveau de danger». Le flou provient de la vaste variabilité inhérente individuelle, définissant le danger en niveaux pouvant aller de très élevé à très faible. La construction de l'atlas s'appuie sur l'apprentissage cognitif et le système peut offrir au chirurgien des explications pour toute action suggérée. Le robot peut actualiser de manière semi-autonome le plan pour adapter tout changement imprévu au cours de l'opération. Ces actualisations se basent sur les informations rassemblées et traitées au cours de l'opération grâce aux technologies telles que l'imagerie ultrasonique. Le chirurgien, bien entendu, maintient le contrôle général et la responsabilité de l'opération et peut spécifier toute contrainte au planificateur de trajectoire. Ainsi, le plan final à l'intérieur et à l'extérieur du corps provient de l'interaction entre le chirurgien et le noyau intelligent du système. L'interface entre le système et l'utilisateur ne nécessite qu'une interaction minimale, mais offre toutes les informations nécessaires à l'aide d'une conception intuitive basée sur l'interprétation du contexte des ordres du chirurgiens. Lors d'une démonstration qui s'est tenue en février 2011, l'équipe de Robocast a présenté le robot en action, réalisant une opération sur un mannequin dans un vrai bloc opératoire. La technologie fonctionne et le projet a mené à bien tous ses objectifs. Il ne lui reste plus qu'à être affinée et validée pour être appliquée dans un contexte réel. «Le projet était extrêmement difficile, particulièrement lorsqu'il a fallu intégrer les travaux des scientifiques répartis dans toute l'Europe et en Israël», fait remarquer le Dr Ferrigno. «C'était un peu comme gérer un orchestre de solistes extrêmement talentueux. Nous avons surmonté ce problème grâce à une solide coordination et coopération entre tous les partenaires. Nous avons également procédé aux échanges entre scientifiques d'institutions différentes pendants plusieurs semaines, ce qui a été très utile.» Le projet de suivi, ACTIVE, examinera les recherches en neurochirurgie robotique sur des patients éveillés pendant l'opération. La sonde biomimétique a également reçu un financement du Conseil européen de la recherche (CER) pour un développement plus approfondi, tandis que le planificateur de trajectoire est utilisé dans certaines institutions cliniques. Il s'agit d'un réel progrès en ingénierie robotique et, grâce à Robocast, il ne faudra plus attendre longtemps avant que les centres médicaux ne fassent appel au Dr Robot, le neurochirurgien. Le projet Robocast a reçu un financement au titre du sous-programme «Systèmes cognitifs, interaction et robotique» du septième programme-cadre (7e PC) de l'UE. Liens utiles: - «Robot and sensors integration for computer assisted surgery and therapy» - Archives des données du projet Robocast sur CORDIS Articles connexes: - Une main robotique plus vraie que nature - Roadmap for robot helpers - Real-life robots obey Asimov's laws