Assistant robotisé la TMS

Les premières stimulations magnétiques transcrâniennes ont été réalisées par le médecin et physicien Jacques-Arsène d'Arsonval à la fin du XIXème siècle au Collège de France à Paris. En 1985, Anthony Barker en a conçu la variante moderne à l'Université de Sheffield, avec des bobines nettement plus petites qui ne stimulent qu'un point du cortex cérébral afin d'obtenir de meilleurs résultats. De nos jours, les stimulations magnétiques du cortex cérébral se pratiquent quasiment sans désagrément pour la personne examinée ou le patient. Cependant, les petites bobines requièrent un positionnement précis de la source du champ magnétique. Le principe est simple : une bobine de TMS, reliée à un stimulateur, et disposée à la tangente du crâne délivre un champ magnétique d'une intensité pouvant atteindre 3 tesla, pendant quelques millisecondes. Le changement de potentiel électrique qui en résulte dans le cortex cérébral provoque la dépolarisation de neurones et le déclenchement de potentiels d'action. La puissance de ce champ électrique diminue exponentiellement à mesure que la distance par rapport à la bobine augmente. Cette décroissance est une raison supplémentaire pour disposer la bobine le plus près possible de la zone du cerveau à stimuler, donc au contact du crâne, tout en conservant la précision de positionnement.

Compte tenu de ces exigences, les experts français ont développé un robot capable de positionner la bobine de TMS autour de la tête du patient avec une grande précision et répétabilité. Pendant l'examen, le patient est assis dans un siège confortable avec réglage électrique et appuie-tête afin de minimiser les mouvements de la tête. Le robot est piloté par un système de neuronavigation, dont le système de suivi optique permet de détecter et de compenser les éventuels mouvements de la tête. La bobine munie d‘un capteur de contact reste ainsi en face de sa cible puis est mise en contact avec le crâne en toute sécurité.

Le bras du robot fonctionne selon une architecture hémisphérique avec sept axes pour garantir une grande accessibilité. Les transmissions et les actionneurs sont placés au plus près des axes et les variateurs de puissance sont également situés près des actionneurs afin de réduire au maximum la liaison avec le moteur et le codeur. Les variateurs de puissance disposent également d'une alimentation électrique et d'une liaison de communication par bus vers le système de contrôle-commande (unité centrale avec processeur). Le système de contrôle commande se charge en outre de la gestion de la sécurité, notamment pour les arrêts d'urgence, ainsi que de toutes les tâches de commande haut-niveau telles que le calcul de la cinématique du bras, la gestion du capteur de contact, etc.

Les motoréducteurs et leurs variateurs doivent remplir des critères particulièrement exigeants en raison des contraintes technologiques et médicales. Les champs magnétiques pulsés émis localement par la bobine de TMS requièrent un degré très élevé d'immunité électromagnétique au niveau du bras du robot, et le système électronique doit globalement générer un très faible niveau d’émission rayonnée pour ne pas perturber les dispositifs médicaux à proximité. Ainsi, les câbles doivent être blindés et le plus court possible afin d'éviter que les champs magnétiques thérapeutiques ne provoquent des erreurs de transmission. Par ailleurs, le blindage des câbles est nécessaire afin qu‘ils ne deviennent pas des antennes émettant des parasites pour les autres équipements. Pour compenser rapidement les mouvements de la tête, les moteurs doivent fournir un couple de démarrage très important tout en limitant l'échauffement thermique. La précision de positionnement doit être assurée par des codeurs à haute résolution et des réducteurs à jeux réduits.

Dans la pratique, les spécialistes en robotique emploient dans le bras différents moteurs sans balais dimensionnés selon le couple nécessaire et sélectionnés en fonction de leur compacité. Ainsi, deux moteurs de 44 mm et quatre de 32 mm sont installés dans le bras. Ils sont accompagnés d'un motoréducteur de 22 mm composé d'un moteur et d'un réducteur planétaire de diamètre approprié. Ce minimoteur à quatre pôles fournit environ 9 W de puissance en sortie et le codeur dont il est équipé génère 1024 impulsions par tour, soit une résolution de 4 096 points par tour. Ceci, conjugué à la réduction de 86:1 du réducteur planétaire à trois niveaux, garantit une très haute résolution en rotation pour l’axe, et permet un positionnement extrêmement précis de la bobine. Les six moteurs de plus grande taille fournissent 33 ou 210 W de puissance en sortie et sont également munis de codeurs à haute résolution. Des roulements à bille précontraints et sans entretien assurent une longue durée de vie et un fonctionnement sans jeu. Outre les exigences spéciales de la TMS, les entraînements remplissent tous les conditions pour un emploi en milieu médical d’un point de vue sécurité et normatif.

Afin d'adapter au mieux les entraînements à ces conditions particulières, les ingénieurs d'Axilum ont travaillé en étroite collaboration avec les spécialistes de FAULHABER pour régler rapidement les problèmes de compatibilité électromagnétique, les longueurs et les blindages des câbles et pour intégrer des connecteurs spéciaux. De cette manière, le développement et les essais du robot de TMS ont été accélérés sans compromettre la sécurité ni la fiabilité.