VascuLogic développe un robot portable de ponction veineuse autonome guidé par la vision 3D

Alvin Chen, VascuLogic

« La plate-forme NI a fourni à notre start-up la flexibilité nécessaire pour poursuivre des recherches en ingénierie de pointe, ainsi que la fiabilité requise pour franchir les étapes de développement urgentes. Les produits NI ont permis à notre société de développer et de tester rapidement une technologie médicale perturbatrice. »

- Alvin Chen, VascuLogic

Le défi :

Développement d’un robot médical portable, guidé par l’image, qui effectue de manière autonome des prélèvements sanguins et d’autres procédures IV lorsque les professionnels de la santé ne parviennent pas à accéder aux veines.

La solution :

Combiner les performances du matériel NI CompactRIO, la flexibilité du logiciel de conception de systèmes NI LabVIEW et les vastes bibliothèques de robotique et de vision industrielle NI pour fournir un dispositif médical portable sûr pour les premiers essais sur l’homme.

VascuLogic est une start-up de dispositifs médicaux hybrides et un laboratoire de recherche basé dans le New Jersey. Depuis 2010, notre mission consiste à développer et à commercialiser de nouvelles technologies médicales guidées par l’image qui améliorent considérablement les soins cliniques. Notre dispositif vedette, VenousPro, améliore la précision et la sécurité de la procédure de ponction veineuse en effectuant de manière autonome des prélèvements sanguins et d’autres procédures IV avec une précision proche de 100 % à la première piqûre en moins de deux minutes (Figure 1).

 

Le problème d’ingénierie

Effectuée plus de 1,4 milliard de fois par an, la ponction veineuse est la procédure clinique invasive la plus répandue aux États-Unis. Le taux de réussite varie considérablement d’un hôpital à l’autre, en particulier dans les environnements difficiles où la précision de la première piqûre dépend fortement de la physiologie du patient et de l’expérience du professionnel de santé. Ces défis ont récemment conduit au développement de dispositifs d’imagerie visant à améliorer la visibilité des veines. Cependant, le professionnel de santé reste responsable de l’insertion de l’aiguille. Le VenousPro de VascuLogic corrige ces problèmes en garantissant un accès veineux rapide, en une seule piqûre, et en supprimant complètement le contact du professionnel de santé avec l’aiguille.

 

Relever les défis de conception grâce à la technologie NI

VenousPro fonctionne par imagerie et cartographie en temps réel des coordonnées spatiales 3D des veines périphériques de l’avant-bras pour y insérer automatiquement une aiguille dans la veine en question. Pour développer un prototype avancé destiné aux premiers essais sur l’homme, nous devions relever trois grands défis. Tout d’abord, notre dispositif devait être sûr. Nous avions donc besoin d’une répétabilité et d’une exécution déterministe. Ensuite, le dispositif devait être hautement portable pour fonctionner dans une pléthore d’environnements cliniques. Enfin, le système était soumis à une évaluation rigoureuse de la FDA. Avant de choisir la technologie NI, nous avons examiné plusieurs environnements de programmation et interfaces matérielles différents.

 

Alors que la complexité de notre conception et la taille de notre équipe d’ingénieurs augmentaient, nous nous sommes rendu compte que nous avions besoin d’une plate-forme de développement intégrée fiable. Nous avons demandé et obtenu une subvention NI pour l’innovation dans le domaine des dispositifs médicaux, ce qui nous a permis de bénéficier de solutions matérielles NI personnalisées, de LabVIEW et du programme de formations et certifications NI. Nous avons construit notre prototype de deuxième génération à l’aide de CompactRIO pour une plate-forme robuste, embarquée et hautes performances pour contrôler le dispositif robotique. Nous avons converti notre code MATLAB® de The MathWorks, Inc. en LabVIEW et développé une interface utilisateur intuitive. Nous pensions que le processus prendrait trois mois, mais celui-ci n’a duré que trois semaines en raison de la flexibilité et de la conception modulaire de l’environnement LabVIEW. Nous avons donc terminé nos preuves de concept in vitro plus tôt que prévu.

 

Le cœur du dispositif (Figure 2) comprend cinq modules d’E/S sur les contrôleurs temps réel NI cRIO-9025, dont quatre modules de la Série C NI 9514 qui dirigent un bras robotique miniature à quatre DoF et un module d’E/S numériques de la Série C NI 9401 qui fournit huit voies de communication bidirectionnelle. Au cœur du système CompactRIO se trouvent également trois étages linéaires qui se connectent au port RS232 pour fournir un positionnement XYZ, deux caméras GigE Vision avec une sensibilité améliorée dans le proche infrarouge qui se connectent via un concentrateur Ethernet et une sonde à ultrasons portable qui se connecte par USB. Nous avons construit le « cerveau » du VenousPro à partir de la vaste bibliothèque d’outils mathématiques, robotiques et de vision industrielle disponibles dans LabVIEW. Nous avons utilisé une architecture de machine à états en file d’attente pour le contrôle déterministe des capteurs/effecteurs sur le contrôleur CompactRIO, ainsi que l’interface utilisateur (Figure 3) sur la machine hôte.

 

Pendant l’exécution en temps réel, les images sont acquises à partir des caméras GigE Vision et de la sonde à ultrasons. Le pipeline de traitement utilise des algorithmes avancés du module NI Vision Development et les informations de position et de vitesse 3D extraites des images sont communiquées aux modules de commande d’axes CompactRIO à raison de 20 images par seconde. Le système CompactRIO dirige ensuite le manipulateur d’aiguilles robotisé. Le dispositif utilise des VIs de cinématique, de PID et de planification de chemin dans le module NI LabVIEW Robotics pour des fonctions telles que la 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 prédire les positions futures en fonction des profils de vitesse actuels via un filtre de Kalman. Les opérations mathématiques complexes sur de grands tableaux sont accélérées à l’aide du toolkit NI LabVIEW Multicore Analysis and Sparse Matrix.

 

 

 

Résultats

À ce jour, nous avons démontré une précision de plus de 98 % pour la première piqûre dans plusieurs études in vitro. Nous prévoyons de passer à un nouveau matériel CompactRIO multicœur et de développer l’interface utilisateur sur un écran tactile NI, afin de pouvoir supprimer la machine hôte. Une fois ces modifications finales apportées à la conception, nous pouvons commencer par les essais cliniques sur l’homme, approuvés par l’IRB (Institutional Review Board), en vue du dépôt initial auprès de la FDA. Grâce au développement sur la plate-forme NI, nous avons fourni un dispositif prêt pour les essais cliniques pour un coût inférieur de 50 000 $ au budget et avec cinq mois d’avance.

 

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

 

Informations sur l’auteur :

Alvin Chen
VascuLogic

Figure 2. Le système VenousPro piloté par le matériel CompactRIO et le logiciel LabVIEW.
Figure 3. La GUI (Graphical User Interface) de la face-avant de LabVIEW.