Robot coelioscopique porte-endoscope miniaturisé LER (light endoscope robot) : développement pré-clinique

21 avril 2006

Mots clés : Robot, porte-endoscope, laparoscopie.
Auteurs : LONG J.A., CINQUIN P., TROCCAZ J., RAMBEAUD J.J., SKOWRON O., BERKELMAN P., LETOUBLON C., CADI P., BOCQUERAZ F., VOROS S., DESCOTES J.L
Référence : Prog Urol, 2006, 16, 45-51
Introduction: Notre rôle a été de participer au développement d'un robot porte-endoscope en chirurgie laparoscopique de conception innovante crée par le laboratoire TIMC-GMCAO amenant une solution aux inconvénients des systèmes déjà existants que sont leur coût et leur encombrement importants. Matériel et méthodes: Un robot de structure compacte posé sur la peau du malade (LER), utilisable en décubitus latéral et dorsal a été testé sur sujet anatomique et cochon de laboratoire afin de permettre des évolutions successives. Le système de commande actuel repose sur la reconnaissance vocale. L'amplitude de vision est de 360° et l'inclinaison est de 160°. 23 interventions ont été effectuées (2 prostatectomis radicales, 4 curages ilio-obturateurs, 6 nephrectomies, 2 surrénalectomies, 3 cholecystectomies, 1 résection-anastomose du grèle, 1 cystectomie, 1 splénectomie, 3 appendicectomies).
Résultats : Parmi les différents systèmes de commande testés, nous avons retenu la reconnaissance vocale pour son caractère intuitif et la possibilité de libérer une main. Les tests ont permis de faire évoluer le prototype sur différents points de fiabilité, de fixation, d'ergonomie et d'encombrement. La simplicité d'installation, possible en 5 minutes et le maniement facile du robot ont permis de conclure 21 procédures laparoscopiques sur 23 en supprimant un aide.
Conclusion : Le robot LER est un robot porte-optique guidé par la voix du chirurgien permettant de supprimer l'aide tenant la caméra en chirurgie laparoscopique tant en décubitus dorsal que latéral. La simplicité d'installation et de fabrication devrait en faire un système efficace et peu onéreux. Le gain en temps d'intervention n'a pas pu être évalué sur ces essais sur sujets anatomiques et cochons en raison des différentes évolutions testées et de quelques problèmes de fiabilité en cours de résolution. Des essais cliniques au cours d'une étude prospective randomisée doivent débuter prochainement pour validation avant commercialisation.



Le nombre de interventions laparoscopiques en chirurgie digestive, urologique et gynécologique augmente du fait de l'expérience croissante des chirurgiens et de la conscience que la chirurgie mini-invasive profite au patient qui en est demandeur. Les indications sont de plus en plus larges [9].

Des systèmes porte-optique ont vu le jour, répondant à un besoin du chirurgien qui a besoin d'une image stable. Les aides opératoires manipulateurs de la caméra sont habituellement efficaces mais cette tâche devient rapidement fastidieuse lorsque la durée d'intervention augmente. La qualité de l'image se dégrade, l'optique se souille, les gestes deviennent plus laborieux, la fatigue et l'énervement s'installent. Des bras porte-optique statiques existent sur le marché : Endoboy® (Geyser), Robotrac®, Iron Intern® (Automated Medical Products corp.), Bookwalter® (Codman), Omnitract® (Minnesota Scientific), mais ceux-ci ne répondent pas aux besoins de mobilité du champ opératoire, en particulier pour les mouvements de zoom qui sont fréquents [9]. Des robots porte-endoscope sont alors apparus permettant de supprimer l'aide tenant la caméra. AESOP® (computer motion), EndoAssist® (Armstrong Healthcare) et LapMan® (MedSys) sont des exemples de systèmes commercialisés. Leur efficacité a été démontrée en particulier sur la stabilité de l'image et la réduction des durées opératoires [7, 8] mais leur diffusion se heurte aux problèmes d'encombrement dans la salle d'opération et dans le champ opératoire ainsi qu'aux coûts du matériel [1, 2]. L'objectif du laboratoire TIMC-GMCAO de Grenoble a été de créer un robot porte-endoscope miniaturisé, de coût réduit. Nous présentons les résultats des essais effectués avant l'évaluation au cours d'essais cliniques.

Matériel et méthodes

Présentation et caractéristiques techniques du robot porte-endoscope LER

Le système LER (light endoscope robot) développé par le laboratoire TIMC-GMCAO de Grenoble est composé d'un robot compact porte-optique (Figures 1 et 2), qui est fixé au contact du ventre du malade, et d'un boïtier électronique contenant l'alimentation et les contrôleurs du robot [3-5].

Figure 1 : Le robot LER (light endoscope robot).
Figure 2 : Schéma de l'architecture du robot LER.

Le robot mobilise le trocart optique (diamètre testé 10 mm) afin de permettre son orientation et mobilise également l'endoscope afin de contrôler l'insertion de ce dernier dans le sens de la profondeur (zoom). Trois moteurs, miniaturisés et débrayables, intégrés au robot sont utilisés. Un moteur permet le déplacement en profondeur de l'endoscope (moteur 1) (Figure 3), un deuxième permet un mouvement de rotation du trocart sur son axe (moteur 2) (Figure 4), le troisième permet l'inclinaison de l'endoscope (moteur 3) (Figure 5).

Figure 3 : Action du moteur 1 permettant les mouvements de zoom par enroulement d'un câble. Le retour à la position la plus haute est effectué par le ressort.
Figure 4 : Mouvements de rotation de l'endoscope sur l'axe du trocart (moteur 2).
Figure 5 : Mouvements haut-bas (move up-move down) par l'action du moteur 3.

Il est possible de déplacer le robot à la main avec les moteurs coupés. Des pignons et des roues dentées sont utilisés pour les mouvements en orientation et un câble s'enroulant autour d'une poulie contre une résistance par un ressort permet les mouvements en profondeur de l'endoscope (Figure 2). Il possède 3 degrés de liberté avec une rotation de 360° autour de la verticale, une inclinaison de 80° par rapport à la verticale et une translation de l'endoscope de 20 cm le long de son axe. Le mouvement de rotation sur l'axe de l'endoscope permettant l'orientation de la caméra n'est pas contrôlé par le robot. Cet inconvénient ne constitue pas un problème en cas d'utilisation d'une optique 0°, mais rend impossible l'utilisation d'une optique à vision angulée à 30°. Le robot a fait l'objet d'un brevet déposé en mai 2002.

Une pédale, un PC portable équipé d'un microphone et d'un logiciel de reconnaissance vocale (microsoft SpeechStudio) sont connectés au boïtier de contrôle. A la demande du chirurgien, la commande vocale peut être remplacée par une interface digitale au moyen d'un mini-clavier de 6 boutons clippé sur un instrument de travail. Le robot est lui-même connecté au boïtier de contrôle au moyen de 2 câbles.

L'intérêt du robot est son caractère compact dont l'architecture a été créée afin de ne pas gêner les mouvements du chirurgien et permettre une installation rapide tout en gardant un coût de fabrication acceptable. La solution d'un robot intégralement stérilisable et posé sur le ventre du malade a semblé une solution aux problèmes d'encombrement et d'habillage stérile des robots porte-optique déjà existants.

La taille du robot est de 110 mm de diamètre au niveau de sa base et 75 mm de haut. Son poids est de 625 g sans l'optique et la caméra. Trois prototypes ont été réalisés. Le matériau utilisé est de l'acier inoxydable. Un prototype en titane et en aluminium ont été également utilisés. L'architecture basée sur un cercle rotatif a été la base du développement. Différentes évolutions des moteurs ont été appliquées. Des modifications du robot et des câblages ont été nécessaires pour les interventions de nettoyage et de stérilisation.

Interventions réalisées au cours des essais du robot

De septembre 2003 à janvier 2005, nous avons étudié la faisabilité d'utilisation du robot LER au cours d'interventions laparoscopiques sur cadavre et sur animal de laboratoire (cochon).

Différentes évolutions du LER ont été testées au fur et à mesure des interventions (3 prototypes). Les essais ont été effectués par 8 chirurgiens (6 urologues et 2 chirurgiens digestifs). Il y avait 3 chirurgiens expérimentés et 5 chirurgiens en cours de formation

Sur le cadavre, ont été effectués : En chirurgie urologique: 4 curages ilio-obturateurs, 2 néphrectomies droites, 2 néphrectomies gauches, 1 surrénalectomie droite, 1 surrénalectomie gauche, 2 prostatectomies. En chirurgie digestive: 2 cholécystectomies, 1 résection-anastomose de l'intestin grêle, 3 appendicectomies.

Sur cochon de laboratoire, ont été effectuées 1 cholécystectomie, 1 splénectomie, 1 néphrectomie droite, 1 néphrectomie gauche, 1 cystectomie. Au total 23 interventions ont été effectuées sur 10 sujets anatomiques et 2 cochons.

Résultats

Deux interventions ont nécessité l'arrêt du robot et la reprise par l'aide du contrôle de la caméra en raison de dysfonctionnements. Les 2 pannes du robot ont été liées à une désadaptation du socle de la crémaillère et à une surchauffe d'un moteur. Ces pannes ont été corrigées sur une version suivante du LER.

Fixation du robot

Le robot a du être fixé à la table d'opération par l'intermédiaire d'un bras articulé (Figure 6).

Figure 6 : Fixation rigide du robot.

En effet, les essais sur pelvi-trainer auguraient de la possibilité de laisser reposer le robot sur la paroi du malade, mais le poids du robot, de l'optique et de la caméra, après plusieurs heures d'intervention ont laissé des traces sur la peau des animaux de laboratoire pouvant aller jusqu'à des escarres. La fixation du robot a permis de remédier à ces problèmes tout en améliorant la stabilité de l'image au cours des mouvements de l'endoscope. En effet, si le robot n'était pas fixé rigidement, il existait un mouvement de balancier de l'endoscope à l'arrêt et à l'initiation d'un mouvement. La fixation par sangles s'est avérée inappropriée en raison des problèmes de champage occasionnés et de l'impossibilité d'introduire des trocarts sur les lieux de passage de la sangle (Figure 7). Grâce à la fixation par un bras articulé, le robot avait des mouvements précis assurant la stabilité de l'image au cours des changements de position. Les inconvénients de l'utilisation du bras articulé ont été liés au passage du bras à proximité du champ opératoire nécessitant une réflexion sur le positionnement du LER avant l'incision afin que l'installation ne gène pas les mouvements des instruments.

Figure 7 : Fixation par sangles.

L'interface de commande

L'interface habituellement utilisée a été la commande vocale car celle-ci s'était avérée particulièrement fiable dans la reconnaissance des ordres même avec des chirurgiens n'ayant pas l'expérience du robot. Le logiciel utilisé était Microsoft Speech Studio®. L'environnement sonore, particulièrement bruyant à certains moments, n'a pas posé de problèmes comme cela avait été décrit pour d'autre systèmes [2]. Un entraïnement du logiciel à la reconnaissance d'une voix était préférable avant utilisation pour que la reconnaissance soit effective. Les données de la voix pouvaient être enregistrées (Figure 8).

Figure 8 : Commande du robot à la voix.

Ce mode de commande a été unanimement plébiscité par tous les chirurgiens ayant testé le robot.

Une commande manuelle par mini-clavier clippé sur un instrument peut être utilisée avec une grande précision et une bonne ergonomie (Figure 9). Toutefois la nécessité de désadapter la commande et de la réadapter sur un autre instrument lors d'un changement d'outil est devenu rapidement une contrainte.

Figure 9 : Télécommande.

Temps d'installation et de retrait

La facilité et la rapidité d'installation du robot ont beaucoup varié (de 5 à 40 minutes) en raison des différents systèmes testés et de notre inexpérience en début d'utilisation. Au cours, des dernières interventions les temps d'installation ont été les plus courts. Le positionnement du bras articulé fixant le robot a du être réfléchi avant l'intervention afin qu'il ne gêne pas le positionnement des trocarts, ce qui est arrivé au cours de nos essais sur cadavre. La désinstallation a été très rapide et un test de conversion en laparotomie chez le cochon après plaie du pédicule splénique au cours d'une splénectomie a permis de mettre en évidence la facilité du système à être ôté en 30 secondes.

Amplitude du champ de vision intra-abdominal

Le mouvement à 360° permettait une exploration de l'intégralité de la cavité abdominale sans difficulté. La vitesse de déplacement du robot était tout à fait satisfaisante (75° par seconde, 80 mm/s) permettant en mode continu de se porter rapidement sur un point d'intérêt. La fonction de mouvement discontinu permettait de modifier de quelques degrés seulement l'axe de vision permettant des petits mouvements fins de réajustement au cours de gestes minutieux en particulier lorsque l'optique se trouve très près de l'organe visé. Nous avons été gênés par l'insuffisance d'introduction en profondeur de l'endoscope au cours d'une anastomose urétro-vésicale au cours d'une prostatectomie radicale. Le manque de zoom au fond du pelvis était lié à la longueur du ressort compacté qui diminuait la possibilité de mouvement en profondeur de l'endoscope (Figure 10). Différentes solutions sont à l'étude pour compenser cette insuffisance de zoom dans les situations où l'espace de travail est très éloigné du point d'introduction du trocart. En effet la solution d'un repositionnement du trocart, quelques centimètres en-dessous en cours d'intervention, paraït peu acceptable car la situation est rarement prédite avant l'incision.

Figure 10 : Zoom (ressort et câble).

Confort d'utilisation

Les conditions d'utilisation du robot sur cadavre ne se rapprochaient pas des conditions réelles en raison de l'absence de saignement et de mouvements respiratoires. Sur cochon, les conditions étaient plus réalistes.

Les chirurgiens utilisant le robot ont globalement été satisfaits de l'ergonomie et du confort lié au LER.

Les projections et les souillures ont certainement été moins nombreuses qu'avec l'aide d'un assistant caméraman mais les mouvements de retrait de l'endoscope pour nettoyage de l'optique nécessitaient de décrocher le câble de l'optique obligeant à une manoeuvre supplémentaire occupant quelques secondes de plus par manoeuvre.

Un progrès dans l'ergonomie a été réalisé grâce à l'utilisation d'un casque "blue-tooth" permettant la suppression d'un câble gênant les mouvements en salle.

Encombrement du robot et positionnement des trocarts

L'avantage manifeste du LER repose sur son caractère compact, n'occupant pas une place importante dans la salle d'opération. Les aides n'ont pas été gênés dans leur installation et leurs mouvements par le robot. Le bras de fixation n'entravait pas non plus les mouvements du chirurgien.

Concernant le positionnement des trocarts, la base de 11 cm de diamètre n'a fait modifier aucune implantation des trocarts au cours des interventions que nous avons effectuées. Par contre, en décubitus latéral, au cours de notre première intervention, nous avons été gêné par la patte et le bras de fixation qui étaient placés sur le site d'insertion prévu d'un trocart.

Figure 11 : Positionnement des trocarts.

Position du malade

Le robot initial avait été crée pour les conditions du décubitus dorsal (Figure 12). La nécessité de fixation du robot a étendu les positions d'installation du malade vers le décubitus latéral (Figure 13). La stabilité de l'ensemble était bonne. Le diamètre de la base du robot a rendu malaisée l'introduction des trocarts au cours d'une lomboscopie, mais par voie transpéritonéale, nous n'avons pas rencontré de problèmes particuliers en dehors de l'obligation, au cours d'une intervention, de repositionnement complet du robot en raison de la gêne occasionnée par la patte et le bras de fixation qui étaient mal placés et empêchaient l'introduction d'un trocart. Les essais sur animal et sujets anatomiques ont été convaincants dans cette position.

L'installation en décubitus dorsal n'a pas posé de problèmes particuliers.

Figure 12 : Décubitus dorsal.
Figure 13 : Décubitus latéral gauche

Effet du courant électrique appliqué sur le robot : cette situation ne peut être qu'accidentelle

Deux aspects ont été évoqués :

- Brûlures cutanées : l'application du bistouri électrique sur le robot entraïnait une brûlure cutanée si le point d'application sur la peau était de faible surface (condition difficilement réalisable en pratique). Si le robot reposait sur la peau, la surface de contact du robot avec la peau était importante et aucune brûlure n'a été mise en évidence.

- Détérioration du robot : l'application prolongée du bistouri électrique a entraïné la détérioration de deux moteurs qui ont été grillés et ont nécessité un changement.

Fiabilité du système

La fiabilité des 3 prototypes a été le problème principal au cours des essais.

Deux moteurs ont dû être changés en raison de leur détérioration suite à un essai électrique.

Les câbles étaient de qualité médiocre sur les premiers modèles nécessitant leur changement pour des câbles avec gaine de silicone, plus résistants mais plus encombrants.

La crémaillère de rotation du socle s'est détachée à plusieurs reprises nécessitant la modification du système.

Le câble de commande de zoom a présenté des problèmes récurrents qui ont nécessité une modification.

Les premiers tests de stérilisation du robot ont montré une fragilité des gaïnes du câblage qui ont dû être remplacées par des gaïnes en silicone. La méthode de stérilisation employée a été la méthode appliquée aux dispositifs médicaux (trempage dans un bain détergent sans aldéhyde pendant 15 minutes puis stérilisation en autoclave à 134° pendant 18 minutes).

Au cours des derniers tests, c'est la commande vocale, insuffisamment entraïnée, qui a occasionné des ralentissements dans les interventions.

Discussion

Les utilisations du robot LER dans les versions peu à peu modifiées ont montré que l'usage de ce robot était faisable sur le cadavre et le cochon. Peu de problèmes de fiabilité du système ont été rencontrés au cours des dernières utilisations. Les problèmes persistants étaient surtout en rapport avec une reconnaissance vocale mal configurée. Les aspects concernant la sécurité du malade semblent résolus et l'application au malade sans lui faire courir de risque supplémentaire est envisageable. Les gestes chirurgicaux effectués n'ont jamais été modifiés par rapport à la coelioscopie conventionnelle. Les avantages notables sont la stabilité de l'image très utile au cours de la réalisation d'anastomoses et la possibilité d'opérer seul. Ceci étant au prix d'une installation du robot prenant un temps compris entre 5 et 40 minutes en fonction de l'expérience de l'équipe.

Parmi les robots utilisés en chirurgie laparoscopique, les robots porte-endoscope, malgré leurs avantages certains, ont eu du mal à être diffusés. Les avantages reconnus de ces robots sont l'économie d'un aide, la stabilité de l'image, la diminution de fatigue du chirurgien et la diminution de la fréquence des souillures de l'optique [6]. Toutefois, leur caractère volumineux et surtout leur prix sont des freins à leur diffusion. En France deux situations se présentent. Dans les grosses structures publiques qui bénéficient de chirurgiens en formation comme aides opératoires, l'investissement pour cette technologie serait financièrement possible, mais leur besoin d'un tel robot n'est pour le moment pas présent. Cette situation pourrait se modifier à l'avenir en raison de l'appauvrissement de la population chirurgicale. Dans les petites structures privées où la restriction du personnel est obligatoire, un tel système trouverait un terrain idéal à son développement. Mais ces structures pourront difficilement, pour la plupart, se permettre un investissement et des dépenses d'entretien additionnelles. Un des objectifs est de réaliser un système abordable financièrement qui puisse être rentable par la suppression d'un aide opératoire et par la rapidité du geste. Il est donc nécessaire que le système soit installé rapidement car il parait difficile que le robot puisse procurer un gain de durée d'intervention par rapport à un aide entraïné même si la littérature fait objet d'une diminution de durée avec EndoAssist [1] et AESOP [6].

Il est difficile d'estimer d'avance le prix du LER lorsqu'il sera commercialisé car le prix d'un prototype ne comporte pas les coûts de développement et de marketing.

L'apport du robot LER par rapport aux systèmes existants est surtout sa compacité qui permet de ne pas encombrer les abords de la table d'opération et la salle. La structure posée au contact du malade permet de s'affranchir d'une architecture encombrante gênant les mouvements de l'aide. Au cours de l'expérimentation préclinique, l'encombrement dans le champ opératoire du robot n'a pas été une contrainte suffisamment importante pour renoncer à son utilisation. La position des trocarts en laparoscopie n'a pas été gênée par le diamètre de la base du robot.

La faisabilité a été affirmée par les tests précliniques et de nombreuses modifications ont eu lieu. L'élément déterminant sera la fiabilité au cours de son utilisation clinique. En effet, si les pannes du système sur cadavre et sur animal pouvaient être réparées, il n'en sera pas de même sur le vivant. La longévité du système sera conditionnée par sa tolérance à long terme de la stérilisation. La structure compacte du robot étant en effet obtenue en intégrant les moteurs dans la partie stérilisable, la résistance de ces derniers aux contraintes thermiques et chimiques est un élément encore inconnu. Si le robot s'avère suffisamment résistant à long terme, sa compacité et sa facilité d'utilisation en comparaison aux systèmes existants en feront un robot porte-endoscope possédant les arguments pour une diffusion à large échelle.

Conclusion

Le robot LER est un robot porte-endoscope de conception innovante dont l'architecture miniaturisée est posée contre la peau du ventre du malade dans l'objectif de rendre le système moins encombrant que les robots actuellement commercialisés.

Les essais précliniques ont démontré la faisabilité de l'utilisation du LER en chirurgie laparoscopique digestive et urologique sur le cadavre et l'animal de laboratoire.

Le système est prêt à l'utilisation sur le vivant.

Les essais cliniques répondront à la question de l'adaptation en pratique clinique courante.

Références

1. Aiono S., Gilbert M., Soin B., FINLAY P.A., GORDON A. Controlled trial of the introduction of a robotic camera assistant (EndoAssist) for laparoscopic cholecystectomy. Proc. of the 11th Annual scientific meeting of the society for minimally invasive therapy, Boston, USA., 1999

2. Ballester P., Jain Y., Haylett K.R., McCLOY R.F. Comparison of task performance of robotic camera holders EndoAssist and AESOP. Computer Assisted Radiology and Surgery, proc. of the 15th Intl. congress and exhibition. Elsevier science. 1071, 2001

3. Berkelman J., Cinquin P., Troccaz J., AYOUBI J.M., LETOUBLON C. Development of a compact-cable driven laparoscopic endoscope manipulator. Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI), Lectures notes in computer science, Sepember 2002 ; 17 : 2002.

4. Berkelman J., Cinquin P., Troccaz J., AYOUBI J.M., LETOUBLON C., BOUCHARD F. A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator. International conference on robotics and automation, IEEE : 1870 ; 2002.

5. Berkelman P.J., Cinquin P., Boidard E., TROCCAZ J., LETOUBLON C., AYOUBI J.M. Design, Control and Testing of a Novel Compact Laparoscopic Endoscope Manipulator. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I : Journal of SSystems and Control Engineering, 2003 ; 217 : 329.

6. Franco D., Abbou C.C., Fagniez P.L. : Bras robotisé à commande vocale pour la chirurgie endoscopique. Recommandations du CEDIT (Comité d'Evaluation et de Diffusion des Innovations Technologiques. cedit.aphp.fr, 2002

7. Kavoussi L.R., Moore R.G., Adams J.B., PARTIN A.W. Comparison of robotic versus human laparoscopic camera control. J. Urol., 195 ; 154 : 2134.

8. Mettler L., Ibrahim M., Jonat W. : One year of experience working with the aid of a robotic assistant (the voice-controlled optic holder AESOP) in gynaecological endoscopic surgery. Hum Reprod, 1998 ; 13 : 2748.

9. Moran M.E. : Robotic surgery : urologic implications. J Endourol, 2003 , 17: 695.