Développer un robot médical portable de ponction veineuse autonome guidé par la vision 3D

Alvin Chen , VascuLogic

"La plate-forme NI a fourni à notre start-up la souplesse nécessaire pour mener à bien nos recherches en ingénierie de pointe, et s'est avérée suffisamment fiable pour nous permettre de franchir chaque étapes du développement en temps et en heure. Les produits NI nous ont permis de développer et de tester rapidement une technologie médicale de rupture."

- Alvin Chen , VascuLogic

Le défi

Développer un robot médical portable guidé par l'image, capable d'effectuer des prélèvements sanguins et autres interventions intraveineuses de manière autonome lorsque le personnel médical n'est pas en mesure d'accéder à une veine.

La solution​

Combiner les performances du matériel CompactRIO à la souplesse du logiciel de conception graphique LabVIEW et aux bibliothèques complètes de NI dédiées à la vision industrielle et à la robotique pour aboutir à un dispositif médical portable et sûr en vue de démarrer un premier essai sur l'homme.

À la fois laboratoire de recherche et start-up spécialisée dans les dispositifs médicaux, VascuLogic est une structure hybride implantée dans le New Jersey (États-Unis). Fondée en 2010, notre entreprise a pour mission de développer et de commercialiser des technologies médicales guidées par l'image, innovantes et capables d'améliorer radicalement les soins cliniques. Notre produit phare, le système VenousPro, améliore la précision et la sûreté de la procédure de ponction veineuse en effectuant des prélèvements sanguins et autres interventions intraveineuses de manière autonome, avec un taux de réussite de positionnement et d'introduction de l'aiguille dès le premier essai proche de 100 %, en moins de deux minutes (Figure 1).

 

La problématique technique

Plus d'1,4 milliard de ponctions veineuses sont effectuées chaque année, ce qui en fait l'intervention clinique invasive la plus répandue aux États-Unis. Son taux de réussite varie énormément d'un hôpital à un autre, notamment lorsque des conditions difficiles – liées à la physiologie du patient ou à l'expérience du praticien – compromettent la réussite de la ponction à la première tentative. Ces problématiques ont récemment inspiré le développement de dispositifs d'imagerie standard conçus pour améliorer la visibilité des veines ; cependant, ils ne dispensent pas les membres du personnel médical de procéder eux-mêmes à l'insertion de l'aiguille. Le système VenousPro de VascuLogic comble cette lacune en procédant à une ponction veineuse rapide et précise dès le premier essai, de sorte que le praticien n'a aucun contact avec l'aiguille.

 

Relever les défis liés à la conception avec les technologies NI

VenousPro s'appuie sur la création d'image et le mappage temps réel de coordonnées spatiales 3D à partir des veines périphériques de l'avant-bras pour procéder au guidage robotisé d'une aiguille dans une veine sélectionnée. Le développement d'un prototype avancé pouvant être utilisé dans le cadre d'un premier essai sur l'homme dépendait de la résolution de trois problématiques principales. Avant toute chose, notre dispositif devait être sûr – il nous fallait donc garantir la répétabilité et le déterminisme de son exécution. Ensuite, il devait être facilement transportable, afin de pouvoir être utilisé dans toutes sortes d'environnements cliniques. Enfin, notre système devait répondre à des critères rigoureux imposés par l'Agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux (FDA). Nous avons étudié différents environnements de programmation et plusieurs interfaces matérielles avant de sélectionner les technologies NI.

 

Compte tenu de la complexité de notre conception et de l'augmentation de l'effectif de notre équipe d'ingénieurs, nous avons pris conscience de la nécessité d'opter pour une plate-forme de développement intégrée fiable. Nous avons soumis notre candidature au programme de subvention de NI pour les applications médicales et avons obtenu un soutien financier qui nous a permis de bénéficier de solutions matérielles NI personnalisées, de LabVIEW, et du programme de formation et de certification NI. Notre prototype de deuxième génération repose sur le matériel CompactRIO, qui constitue une plate-forme hautes performances, embarquée et durcie, capable de contrôler le dispositif robotique. Nous avons également converti notre code MATLAB® de MathWorks en code LabVIEW pour aboutir à une interface utilisateur intuitive. Alors que nous avions initialement estimé la durée de ce projet à trois mois, la souplesse et la modularité de l'environnement LabVIEW nous ont permis de l'achever en trois semaines seulement. Ainsi, nous avons établi la preuve de concept préclinique par test in vitro plus tôt que prévu.

 

Le cœur du dispositif (Figure 2) se compose de cinq modules d'E/S intégrés aux contrôleurs temps réel cRIO-9025, dont quatre modules NI 9514 de la Série C qui guident un bras robotique miniature à quatre degrés de liberté, et un module d'E/S numérique NI 9401 de la Série C qui fournit huit canaux de communication bidirectionnelle. On trouve également dans le système CompactRIO trois platines de positionnement linéaire qui se connectent au port RS232 et permettent un déplacement sur trois axes orthogonaux, deux caméras GigE Vision à sensibilité améliorée dans le proche infrarouge qui se connectent via un hub Ethernet, ainsi qu'une sonde échographique portable connectée à un port USB. Le "cerveau" du système VenousPro a été construit à partir de la bibliothèque complète d'outils mathématiques, de robotique et de vision disponible sous LabVIEW. Nous avons utilisé une architecture de machine à états avec file d'attente pour contrôler de manière déterministe les capteurs/actuateurs du contrôleur CompactRIO et l'interface utilisateur (Figure 3) de la machine hôte.

 

Pendant l'exécution temps réel, les caméras GigE Vision et la sonde échographique acquièrent des images. Le processus de traitement exploite des algorithmes avancés issus du module NI Vision Development, et les informations relatives à la rapidité et à la position 3D extraites à partir des images acquises sont communiquées aux modules de commande d'axes du contrôleur CompactRIO à hauteur de 20 images par seconde. Le système CompactRIO guide ensuite le manipulateur robotique d'aiguille. Le dispositif utilise des VIs de cinématique, de contrôle PID et de planification de parcours présents dans le module NI LabVIEW Robotics, notamment pour les fonctions de corrélation des angles d'articulation du bras robotique avec les coordonnées cartésiennes 3D de la pointe de l'aiguille. Il utilise également le module NI LabVIEW Control Design and Simulation pour prévoir les positions suivantes en fonction des profils de vitesse courants à l'aide d'un filtre de Kalman. Le toolkit NI LabVIEW Multicore Analysis and Sparse Matrix permet quant à lui d'accélérer les opérations mathématiques complexes dans de grands tableaux.

 

 

 

Résultats

À ce jour, nos nombreux essais in vitro ont montré un taux de réussite de placement et d'introduction de l'aiguille dès la première tentative supérieur à 98 %. Nous avons l'intention d'améliorer notre système avec un matériel CompactRIO multicœur et de développer son interface utilisateur sur un écran tactile NI afin de pouvoir nous passer de la machine hôte. Une fois que ces changements auront été mis en œuvre, et avec l'approbation du comité d'examen institutionnel, nous pourrons débuter des essais cliniques chez l'homme en vue de soumettre notre dossier à l'Agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux (FDA). En développant sur la plate-forme NI, nous avons mis au point un dispositif prêt pour les essais cliniques pour 50 000 dollars de moins que le budget prévu, et cinq mois avant la date butoir du projet.

MATLAB® est une marque déposée de The MathWorks, Inc.

 

Informations sur l’auteur

Alvin Chen
VascuLogic

Figure 2. Le système VenousPro guidé par le matériel CompactRIO et le logiciel LabVIEW
Figure 3. L'interface utilisateur graphique de la face-avant LabVIEW