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[Translate to Français:]

Guidé par des signaux de retour en temps réel, le robot peut positionner avec précision une sonde échographique interstitielle de haute énergie sur la tumeur, contribuant à des résultats chirurgicaux optimaux et à un aboutissement idéal pour le patient. Il va sans dire que la construction d'un robot capable de fonctionner dans les champs magnétiques intenses que génère une unité d'IRM n'a pas été chose facile. Néanmoins, à l'aide de techniques de commande sophistiquées et de positionneurs piézoélectriques de FAULHABER MICROMO, l'équipe du WPI a élaboré un système qui promet de révolutionner les possibilités de traitement avec l'IRM.

La conception d'appareils chirurgicaux est un processus semé d'embûches. Les systèmes doivent être précis, offrir une exactitude reproductible et une résolution extrêmement élevée, leurs composants électriques doivent être silencieux, et, surtout, ils doivent être fiables. Dans le cas du robot d'IRM, l'équipe de Fischer s'est trouvée face à un autre défi de taille : rassembler toutes ces caractéristiques dans un système qui soit également capable de fonctionner dans des champs magnétiques de plusieurs teslas.

La puissance du champ magnétique généré par un appareil d'IRM rend tous les objets ferromagnétiques dangereux, même les plus petits comme les vis, et c'est sans parler des dispositifs de mouvement tels que les moteurs à aimant permanent, les réducteurs et les actionneurs. Dès le début, il était évident que le robot d'IRM devait se baser sur un actionnement non conventionnel. Un dispositif piézoélectrique s'est révélé être la solution adéquate.

PiezoMotors puissance en MRI Robot
PiezoMotors puissance en MRI Robot

Le mouvement en environnement magnétique

Les actionneurs piézoélectriques se servent d'une céramique piézoélectrique qui s'étend lorsqu'une tension est appliquée. Le problème est que le déplacement généré par l'effet piézoélectrique équivaut à une fraction de seulement un pour cent de la taille du composant, alors que le robot d'IRM nécessitait un déplacement linéaire de jusqu'à environ 100 mm ou une rotation continue sur 360 degrés. L'équipe du WPI a trouvé la solution parmi les moteurs Piezo LEGS de FAULHABER. 

Ces unités sont constituées d'un jeu d'éléments d'entraînement bimorphiques construits pour se fléchir légèrement et s'étendre quand une tension est appliquée.

Dans la pratique, ces éléments sont entraînés par paires en alternance. Leur « marche » permet de faire avancer une tige d'actionnement (ou de faire tourner un disque dans le cas d'un mouvement rotatif) par pas de l'ordre du nanomètre et à des vitesses allant jusqu'à 15 mm/s. Le fait qu'un jeu d'éléments soit toujours en contact avec l'actionneur confère à ces actionneurs une sûreté inhérente (ils génèrent un effet de freinage hors tension) tandis que les moteurs disposent d'une force à l'arrêt (force de maintien) de jusqu'à 10 N. 

PiezoMotors puissance en MRI Robot
PiezoMotors puissance en MRI Robot
À l'application d'une tension, les éléments biomorphiques se fléchissent et s'étendent ou se rétractent, faisant avancer une tige d'entraînement.
PiezoMotors puissance en MRI Robot
PiezoMotors puissance en MRI Robot

Le robot du WPI est composé d'un module pour les translations selon les axes X, Y et Z et de deux modules pour les rotations correspondant aux radians du cadre. Les futures conceptions offriront un plus grand degré de liberté et permettront l'insertion et la rotation d'une canule et d'un stylet. 

Pour générer le mouvement linéaire, l'équipe du WPI utilise une combinaison de moteurs linéaires Piezo LEGS dans un entraînement direct pour l'insertion d'aiguille et de moteurs rotatifs Piezo LEGS pour entraîner des vis-mère en aluminium. Pour le mouvement rotatif, elle utilise des poulies personnalisées imprimées en 3D et des courroies de distribution renforcées au caoutchouc ou à la fibre de verre.

Bien que les masses impliquées soient petites, les matériaux génèrent une friction plus importante que les systèmes conventionnels, d'où la nécessité d'un couple plus élevé pour produire le mouvement, couple que fournissent les moteurs piézoélectriques. « Dans un grand nombre d'applications, on peut se permettre de combiner un moteur piézoélectrique à un entraînement direct ou une réduction de poulie importante, explique Fischer. On n'a pas besoin d'un rapport de réduction de 100:1 comme avec un petit moteur C.C. » 

Les moteurs Piezo LEGS se sont révélés être la bonne solution pour le projet du WPI. « Certains actionneurs piézoélectriques vous fourniront des mouvements d'à peine 1 mm, continue Fischer. Pour des mouvements plus grands, les fabricants sont plus rares. Les sociétés vous proposent souvent des moteurs rotatifs ou des modules qui appuient sur la tige d'entraînement, mais en réalité vous devez concevoir vous-même tout un dispositif personnalisé dans lequel intégrer ces composants. En termes de moteurs compacts et autonomes, je n'ai vraiment trouvé aucune concurrence aux appareils FAULHABER. » 

PiezoMotors puissance en MRI Robot

Les défis posés par la commande

L'actionneur piézoélectrique a seulement besoin de toutes petites électrodes conductrices en matériau à la fois non magnétique et non ferrique. Cela rend son utilisation sûre dans l'environnement de l'IRM. Cependant, la sécurité ne suffit pas dans cette application. En effet, le bruit électrique généré par l'alimentation électrique ou les électroniques de commande est susceptible de fausser l'image et donc d'aller à l'encontre de l'objectif poursuivi. « Souvent, des artefacts similaires aux décharges statiques se produisent, explique Fischer. Le bruit électrique, couplé à des matériaux non compatibles à l'IRM, peut déformer l'image d'une telle manière que les éléments n'apparaissent pas à l'endroit attendu. Ce problème peut s'avérer extrêmement grave quand on est en train d'essayer d'orienter une intervention en se basant sur ces images. »

De toute évidence, l'application nécessitait une électronique spécialisée. En même temps, la nature du moteur piézoélectrique exigeait un signal d'entraînement avec une forme d'onde sophistiquée. En réponse à ces exigences, l'équipe de Fischer a développé un lot de commande personnalisé pour faire marcher des moteurs piézoélectriques dans le scanner d'IRM. Elle a programmé un FPGA (Field-Programmable Gate Array) pour réguler la fréquence et la phase relatives des formes d'onde du signal d'entraînement. Des convertisseurs numérique-analogique à grande vitesse veillent à la commande temporelle précise de la forme d'onde, tandis que des amplificateurs linéaires haute tension à large bande passante permettent au contrôleur de synthétiser exactement le signal d'entraînement nécessaire pour produire le mouvement. Des filtres externes éliminent le bruit et les retours de codeur permettent la régulation de la position ou de la vitesse en boucle fermée depuis un microcontrôleur monocarte avec boucle de régulation en temps réel. Un fond de panier modulaire pouvant contenir jusqu'à huit de ces cartes dans un boîtier blindé est logé dans la salle de scanner d'IRM avec le robot. Un faisceau de câbles personnalisé connecte le contrôleur au robot, permettant jusqu'à huit axes de commande.

S'il fallait avoir les nerfs solides pour affronter le défi posé par la commande, le projet a toutefois été simplifié par l'existence d'un moteur piézoélectrique autonome. « Qu'il soit linéaire ou rotatif, le simple fait d'avoir un actionneur fermé fiable et prêt à l'emploi nous a procuré un énorme avantage, explique Fischer. Cela a permis aux étudiants de se concentrer réellement sur la conception mécanique et celle du contrôleur. »

Néanmoins, le projet voit bien au-delà du robot chirurgical. L'objectif de Fischer est de développer un ensemble d'outils permettant d'élaborer des robots compatibles à l'IRM qui incorporeraient capteurs, actionneurs, contrôleurs et amplificateurs, le tout avec prise en charge des protocoles de communication avancés. « Dans ce milieu industriel, on peut acheter un API, un moteur, un codeur et les brancher les uns aux autres pour obtenir immédiatement un appareil qui fonctionne. Cela n'est pas vraiment possible pour les appareils médicaux, voire complètement impossible pour les IRM. »

Pour exposer son approche, l'équipe travaille sur des variations du robot d'IRM destinées à différentes applications, comme l'ablation thermique des tumeurs profondes du cerveau, l'installation d'électrodes de stimulation cérébrale profonde pour traiter la maladie de Parkinson et la biopsie et le traitement local ciblé du cancer de la prostate guidés par IRM. « Les solutions que nous visons sont très compactes, très spécifiques aux applications et toutes basées sur ces moteurs. Dans mon laboratoire, j'ai pratiquement tous les moteurs piézoélectriques qui existent sur le marché. On a même essayé d'en fabriquer un. Pour nous, les actionneurs FAULHABER MICROMO avaient une très bonne taille avec de bonnes plages de force et de très bons couples. Globalement, ils font preuve d'une très grande efficacité. »

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