Les interventions chirurgicales intraluminales sont celles qui ont lieu à l’intérieur des parois d’un organe, en particulier tubulaire. Dans un article intitulé « Rolling-Joint Design Optimization for Tendon Driven Snake-like Surgical Robots », un groupe de chercheurs explique comment ils ont utilisé l’impression 3D pour optimiser la conception d’un robot en forme de serpent à utiliser dans les opérations intraluminales.

Les robots en forme de serpent présentent plusieurs avantages par rapport aux procédures chirurgicales. Ils ont une forme longue et étroite qui leur permet d’atteindre des espaces confinés et des blessures profondes, et ils ont des corps flexibles qui peuvent suivre des chemins naturels dans le corps humain. Ils nécessitent également moins de coupes, voire aucune coupure. Selon les chercheurs, les robots serpents chirurgicaux doivent avoir plusieurs fonctions importantes. Ils doivent avoir un corps étroit qui peut naviguer à travers de petites incisions ou des ouvertures naturelles, et ils doivent avoir « un mouvement qui est sensible aux limitations anatomiques locales, telles que le suivi de chemin et la navigation dans un volume de travail prescrit. »

Coupe transversale d’un joint roulant

Ces robots doivent également être équipés d’une vision haute fidélité ou d’une vision stéréo ainsi que d’un éclairage. Ils doivent avoir plusieurs canaux internes et avoir des outils interchangeables pour la préhension, la cautérisation, etc. Ils doivent avoir une puissance suffisante pour la manipulation des tissus et des fonctions telles qu’un canal de canalisation d’aspiration et une détection et une imagerie intégrées. Idéalement, ils devraient également être spécifiques au patient pour un ajustement personnalisé pour des anatomies inhabituelles.

Dans cet article, les chercheurs décrivent comment ils ont conçu un nouveau robot multifonctionnel semblable à un serpent, appelé i2 Snake (Intuitive Imaging Sensing Navigated and Kinematically Enhanced Robot) pour une chirurgie mini-invasive. Ils ont opté pour une architecture axée sur les tendons avec des liaisons série pour garantir que l’appareil puisse accueillir plus d’outils ainsi que des «forces suffisamment élevées pour manipuler le tissu en vrac». Plus précisément, ils ont utilisé une conception de joint roulant, un mécanisme bio-inspiré composé de deux surfaces circulaires roulant l’une vers l’autre. Ce type d’articulation peut être trouvé dans de nombreuses espèces, y compris les humains, dans des parties telles que les genoux et les phalanges.

Les joints roulants standard présentent un inconvénient: ils peuvent glisser, entraînant des imprécisions de contrôle ou un joint décalé. Il existe trois types différents de glissement qui peuvent se produire: un glissement latéral où la partie supérieure de roulement roule trop loin et glisse de la partie inférieure; un glissement longitudinal qui se produit lorsque des forces latérales externes sont exercées; et un glissement de roulement où les deux surfaces glissent l’une contre l’autre.

«Pour surmonter ces limitations, une nouvelle conception de joint à rouleaux synchrone bistable est proposée», déclarent les chercheurs. «La solution consiste à utiliser un engrenage serré entre deux surfaces de roulement combinées à quatre câbles. La roue de piste peut surmonter les étapes de glissement longitudinal et de roulement, tandis que les quatre tendons en plus de l’engrenage peuvent empêcher le glissement latéral. « 

Les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D Mlab de Concept Laser pour produire un prototype du joint de rouleau optimisé. L’assemblage a ensuite été caractérisé en termes de précision et de forces de manipulation.

« Les résultats montrent des forces de manipulation allant jusqu’à 5,6 N, mais doivent être davantage caractérisés dans un scénario clinique avec une gaine externe et des outils fonctionnant à l’intérieur du robot », concluent les chercheurs. «Les travaux futurs examineront le contrôle non linéaire des marges de recul et la compensation de l’extension dans le cadre de la navigation autonome. Des outils chirurgicaux flexibles et interchangeables seront intégrés et testés lors de tâches chirurgicales ex vivo et finalement in vivo. « 

En plus de l’ensemble de roulement, la conception du robot consistait également en «un algorithme d’optimisation similaire qui prend également en compte les collisions et une architecture de la moelle épinière avec des tendons acheminés au centre du robot pour réduire la diaphonie des tendons».

Les auteurs du journal sont Pierre Berthet-Rayne, Konrad Leibrandt, Kiyoung Kim, Carlo A. Seneci, Jianzhong Shang et Guang-Zhong Yang.

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