Robotique avancée et traitement des signaux pour l’amélioration de positionnement de vis pédiculaire

À mesure que les systèmes robotiques font leur apparition dans les salles d’opération, on attend d’eux qu’ils offrent une précision millimétrique dans la mise en place des vis pédiculaires. Cependant, la précision de positionnement ne garantit pas à elle seule la bonne exécution de l’intervention, car les plans chirurgicaux préopératoires représentent une version idéalisée de la réalité peropératoire, soumise aux mouvements du patient, à la déformation des tissus et à d’autres facteurs dynamiques. Dans la pratique, le chirurgien abandonne temporairement le plan initial et s’appuie sur ses sens et son expérience pour prendre des décisions tactiques concernant le point d’entrée et la trajectoire de forage.

Cette thèse aborde le défi que représente le guidage de l’insertion des vis pédiculaires en toute sécurité et en temps réel en proposant un système coopératif qui intègre un transducteur ultrason mono-élément à un bras robotique chirurgical. L’hypothèse centrale est que lorsqu’une impulsion d’un transducteur ultrason est alignée avec le canal pédiculaire, elle se propage à travers l’os spongieux et produit un écho caractéristique à l’interface spongieuse-corticale ; la détection de cet écho permet d’identifier la trajectoire de forage optimale.

Afin de valider cette méthodologie, une procédure complète a été développée, comprenant une modélisation bidimensionnelle de la propagation des ondes ultrasonores dans les vertèbres ainsi que la conception d’un changeur d’outils permettant de changer d’instrument sur la plateforme robotique. Dans le cadre de ces travaux, une interface graphique a été mise en place pour l’acquisition, la visualisation et le traitement en temps réel des signaux ultrasonores; en plus un algorithme de balayage a été intégré au contrôleur du robot afin d’estimer l’angle de forage optimal.

La viabilité et l’efficacité du système ont été évaluées de manière séquentielle : Tout d’abord, à travers des expérimentations sur des modèles vertébraux simplifiés, puis dans des expérimentations ex-vivo utilisant des vertèbres porcines qui ont démontré un protocole chirurgical intégré dans lequel le robot scanne, sélectionne l’orientation du forage et exécute le forage, suivi d’une évaluation post-mesure de la trajectoire résultante.

Les résultats démontrent la faisabilité d’une plateforme robotique qui effectue des mesures ultrasonores angulaires et le calcul des angles de forage optimaux. Ces travaux confirment le potentiel du guidage par ultrasons comme alternative efficace et non ionisante aux techniques conventionnelles, faisant progresser l’état de l’art en matière de chirurgie robotisée de la colonne vertébrale.

Advanced robotics and signal processing approaches to improve the pedicle screw placement

As robotic systems are introduced into operating rooms, they are expected to provide millimetric accuracy in pedicle screw placement. However, positioning accuracy alone does not guarantee the successful execution of the procedure, since preoperative surgical plans represent an idealized version of the intraoperative reality, which is subject to patient motion, tissue deformation, and other dynamic factors. In practice, the surgeon temporarily abandons the initial plan and relies on their senses and experience to make tactical decisions regarding the entry point and drilling trajectory.

This thesis addresses the challenge of safely and in real time guiding pedicle screw insertion by proposing a cooperative system that integrates a single-element ultrasound transducer into a surgical robotic arm. The central hypothesis is that when a pulse from an ultrasound transducer is aligned with the pedicle canal, it propagates through the cancellous bone and produces a characteristic echo at the cancellous–cortical interface; detecting this echo makes it possible to identify the optimal drilling trajectory.

To validate this methodology, a complete procedure was developed, comprising a two-dimensional model of ultrasound wave propagation in the vertebrae as well as the design of a tool changer enabling instrument exchange on the robotic platform. As part of this work, a graphical user interface was implemented for the acquisition, visualization, and real-time processing of ultrasound signals; in addition, a scanning algorithm was integrated into the robot controller to estimate the optimal drilling angle.

The viability and effectiveness of the system were evaluated sequentially: first through experiments on simplified vertebral models, then through ex vivo experiments using porcine vertebrae, which demonstrated an integrated surgical protocol in which the robot scans, selects the drilling orientation, and performs the drilling, followed by a post-measurement assessment of the resulting trajectory.

The results demonstrate the feasibility of a robotic platform that performs angular ultrasound measurements and computes optimal drilling angles. This work confirms the potential of ultrasound guidance as an effective and non-ionizing alternative to conventional techniques, advancing the state of the art in robot-assisted spine surgery.