Système de navigation d’un microrobot neurochirurgical

Abstract

Les outils neurochirurgicaux actuels sont limités par leur structure rigide, qui les contraint à des trajectoires en ligne droite, rendant difficile l'accès aux régions profondes du cerveau. Pour répondre à cette limitation, Robeauté a développé un microrobot minimalement invasif, capable de naviguer le long d'une trajectoire 3D. Cette thèse vise à concevoir, fabriquer et intégrer un système de navigation au bout du microrobot pour permettre cette navigation 3D.Le cahier des charges pour le développement du système de navigation inclut une invasivité minimale, une force suffisante pour orienter le microrobot dans le cerveau, un rayon de courbure adapté, des dommages tissulaires minimaux, la biocompatibilité et la compatibilité avec l'IRM. Les alliages à mémoire de forme (AMF) ont été choisis comme technologie idéale en raison de leur grande densité de travail, leur force d'actionnement, leur conception simple, leur résistance à la corrosion, leur biocompatibilité, l'absence de friction et leur longue durée de vie.Les principales contributions de cette thèse sont divisées en quatre axes : (i) Développement de modèle : un modèle électro-thermomécanique réaliste a été développé, posant les bases de l'utilisation des AMF comme actionneurs, essentiel pour l'optimisation de la conception. (ii) Conception innovante du système de navigation : une nouvelle plateforme micro-parallèle continue a été mise en place, avec trois actionneurs AMF permettant d'obtenir les angles de tangage et de lacet nécessaires à la navigation 3D. Cette conception garantit une rigidité pour l'auto-alignement. Elle utilise des fils AMF de petit diamètre pour des temps de réponse plus rapides, améliorant ainsi l'efficacité. Le prototype a atteint un angle de 20°, avec un rayon de courbure théorique de 44 mm et une force latérale de 530 mN, suffisante pour la navigation dans le cerveau, atteignant ainsi les objectifs à moyen terme. (iii) Mise en œuvre du système de contrôle : une boucle de contrôle de l'orientation de la pointe, utilisant la résistance électrique de l'AMF comme rétroaction, a permis d'éliminer le besoin de capteurs externes. Un modèle multivariable relie la déformation à la puissance et à la résistance électrique, traitant l'hystérésis de l'AMF et améliorant la robustesse du contrôle pendant l'actionnement cyclique. Nous avons également réalisé un contrôle du déplacement continu avec une erreur de régime permanent inférieure à 5 % et un temps de stabilisation de 7 secondes. (iv) Validation préclinique : le système de navigation développé dans cette thèse a été validé par quatre tests précliniques. Une version non intégrée testée sur un modèle humain post-mortem a atteint un angle de 19°. Ensuite, une version intégrée au reste du microrobot, testée sur deux modèles équins post-mortem, a atteint 17°. Enfin, un test in vivo sur une brebis a démontré une fonctionnalité opérationnelle avec un angle de 31°. Ces résultats ont validé les niveaux de maturité technologique (TRL) du système, allant de 1 à 5.Fort de ce succès, les recherches futures se concentreront sur quatre axes d'optimisation : (i) augmenter l'angle pour réduire le rayon de courbure et permettre des trajectoires plus complexes, (ii) réduire l'échelle du système pour le rendre moins invasif, (iii) passer du contrôle de position au contrôle de trajectoire pour obtenir une trajectoire 3D précise, et (iv) inclure les variations de température et de contrainte dans la caractérisation du modèle de contrôle afin de se rapprocher des conditions réelles lors des essais cliniques.