Preceyes accélère le développement du premier robot de chirurgie ophtalmologique au monde avec l'approche Model-Based Design
« MATLAB et Simulink ont fourni une plateforme unique qui a supporté l'intégralité de notre workflow et tous les composants et protocoles dont nous avions besoin pour notre système robotique. Cela nous a permis de développer rapidement un dispositif temps réel fiable, prêt pour l'investigation clinique. »
Challenge
Développer un système de contrôle temps réel pour les procédures chirurgicales assistées par robot dans l'œil humain
Solution
Utiliser l'approche Model-Based Design avec MATLAB et Simulink pour modéliser et simuler le système de contrôle et utiliser Simulink Coder et Simulink Real-Time pour le déployer sur une cible temps réel
Résultats
- Contrôleur central développé par un seul ingénieur
- Sécurité des patients assurée
- Définition de la feuille de route pour l'industrialisation
Le système chirurgical PRECEYES. Le système manipule l'instrument qui pénètre dans l'œil et est contrôlé à l'aide du contrôleur de mouvement situé à gauche. Le chirurgien opère manuellement avec l'autre main. Image sous copyright et reproduite avec l'aimable autorisation de Preceyes.
Les chirurgies vitréo-rétiniennes, qui sont pratiquées à l'intérieur de l'œil, exigent un degré de précision et de stabilité qu'une main humaine a beaucoup de mal à maintenir. Une forte augmentation des maladies vitréo-rétiniennes, fortement liée au vieillissement de la population, exige le développement de nouveaux traitements nécessitant des niveaux de précision encore plus importants. Un nouveau traitement potentiel des occlusions veineuses rétiniennes, par exemple, impliquerait d'insérer une aiguille dans une veine aussi fine qu'un cheveu humain et de la maintenir immobile pendant environ 10 minutes, une tâche qui serait virtuellement impossible même pour les chirurgiens les plus habiles.
Des chirurgiens du John Radcliffe Hospital d'Oxford, en Angleterre, ont réalisé en 2016 la première chirurgie vitréo-rétinienne assistée par robot dans le monde. Ils ont utilisé le système chirurgical PRECEYES, un assistant robotique qui adapte les mouvements du chirurgien et filtre les tremblements de la main pour permettre une stabilité et une précision inégalées.
Plus récemment, Preceyes a commencé des essais cliniques au Rotterdam Eye Hospital. Ses ingénieurs ont intégré avec succès leur nouveau capteur de distance dans le robot et ont validé la combinaison robot-capteur. Le capteur mesure la distance entre un instrument et la rétine à l'intérieur de l'œil. En offrant une sécurité et un guidage basés sur des capteurs, cette approche apporte des avantages significatifs en termes de sécurité et de performances lors d'interventions chirurgicales complexes au niveau de la rétine. En outre, elle constituera une source précieuse de données pour la formation et l'évaluation. Les ingénieurs de Preceyes ont conçu et implémenté le système de contrôle du robot en utilisant l'approche Model-Based Design avec MATLAB®, Simulink® et Simulink Real-Time™.
« En tant que lean startup, il était important pour nous d'obtenir rapidement une première version sans compromettre la sécurité, afin d'obtenir des retours cliniques et d'accumuler des données probantes, avant de concevoir un produit final » explique Maarten Beelen, cofondateur et responsable de l'intégration chez Preceyes. « Simulink et Simulink Real-Time nous ont permis de concevoir rapidement notre contrôleur, de le vérifier, de l'implémenter sur un système temps réel et de le tester avec des utilisateurs. Un workflow traditionnel de développement de logiciel aurait probablement allongé notre planning de projet de manière conséquente. »
Challenge
Preceyes s'est fixé des objectifs ambitieux pour son système chirurgical. La précision accrue permettrait non seulement de réaliser de nouvelles procédures, mais aussi d'améliorer les procédures existantes, telles que le décollement des membranes de la rétine ou le remplacement du liquide oculaire. Pour atteindre ces objectifs, l'équipe de Preceyes avait deux priorités : assurer la sécurité des patients et produire un dispositif d'investigation clinique fonctionnel le plus efficacement possible.
Pour atteindre leurs objectifs de design dans le respect du calendrier de développement et des contraintes de sécurité, les ingénieurs de Preceyes ont dû exploiter la technologie de modélisation et de simulation qui avait été utilisée dans d'autres applications critiques pour la sécurité, dans de nombreuses industries. Plus précisément, ils ont dû modéliser une logique de contrôle complexe et procéder à une vérification fonctionnelle de leur design, d'abord par simulation, puis par des tests temps réel sur le robot réel. En plus du logiciel de contrôle temps réel, l'équipe a dû développer une application non-temps réel avec une interface fonctionnant sur un PC que les médecins pouvaient utiliser pour configurer les paramètres avant et pendant les procédures chirurgicales.
Solution
Preceyes a utilisé l'approche Model-Based Design avec MATLAB, Simulink et Simulink Real-Time pour accélérer le développement d'un système de contrôle temps réel pour son système chirurgical PRECEYES.
Tout en construisant un modèle de base de la cinématique et de la dynamique du robot, les ingénieurs de Preceyes ont effectué des tests d'identification de système dans lesquels ils ont utilisé Simulink Real-Time pour produire les signaux d'excitation pour les 11 électromoteurs du robot et ont ensuite mesuré les réponses à travers chacun de ses 11 degrés de liberté.
Après avoir analysé et ajusté les données mesurées dans MATLAB, ils ont utilisé les résultats pour développer un modèle de système physique Simulink qui décrit comment le robot se déplace en réponse aux forces appliquées.
L'équipe a développé un modèle de contrôleur qui traite les données provenant du joystick et d'environ 60 capteurs du système, dont des encodeurs optiques et magnétiques, et génère les signaux de moteur nécessaires pour déplacer la pointe de l'outil en réponse aux mouvements du chirurgien. Dans ce modèle, ils ont intégré des blocs EtherCAT de Simulink Real-Time pour assurer l'interface avec les nœuds du réseau EtherCAT du robot.
Avec Stateflow®, l'équipe a modélisé la logique séquentielle des différents modes de fonctionnement du système, notamment le calibrage, l'initialisation et l'auto-vérification.
Après avoir vérifié le fonctionnement élémentaire du contrôleur et de la logique de contrôle par simulation, les ingénieurs ont généré du code à partir de leur modèle à l'aide de Simulink Coder™ et ont déployé le code compilé sur un ordinateur cible temps réel exécutant Simulink Real-Time. Cet ordinateur était connecté aux capteurs et aux moteurs du robot via le réseau EtherCAT.
Pour affiner et améliorer le contrôleur, l'équipe a amélioré le modèle, l'a vérifié par simulation, puis l'a testé sur le robot réel en utilisant la configuration Simulink Real-Time.
Les ingénieurs ont utilisé GUIDE, un outil de développement d'UI MATLAB, afin de développer le logiciel d'application à écran tactile que les chirurgiens utilisent pour modifier les paramètres chirurgicaux et recevoir un feedback visuel et sonore pendant l'opération.
La sûreté et l'efficacité du système chirurgical PRECEYES ont été démontrées dans 14 procédures chirurgicales. D'autres démonstrations sont prévues dans des sites chirurgicaux de premier plan, notamment dans le cadre d'une collaboration de deux ans avec le Rotterdam Eye Hospital. L'entreprise travaille également à la certification CE et à la production en série de la prochaine génération.
Le système chirurgical PRECEYES, avant une opération, au Rotterdam Eye Hospital. Image sous copyright et reproduite avec l'aimable autorisation de Preceyes.
Résultats
- Contrôleur central développé par un seul ingénieur. « Grâce à MATLAB et Simulink, je n'ai pas eu à programmer moi-même une architecture de bas niveau pour le contrôleur. En tant que seul ingénieur logiciel en charge de la première version, cela a été un énorme avantage ; je doute même qu'un seul ingénieur ait pu accomplir une telle tâche sans MATLB et Simulink » déclare M. Beelen. « Le logiciel a été évalué en profondeur par des consultants, ce qui a été assez facile en raison de la lisibilité, de la traçabilité des exigences et des capacités de génération de rapports des produits Simulink. »
- Sécurité des patients assurée. « J'ai toujours dit que je ne commercialiserais jamais un équipement si je n'étais pas totalement convaincu de pouvoir l'utiliser sur moi-même ou sur un proche », souligne M. Beelen. « Avec les mécanismes de sécurité que nous avions implémentés dans Simulink, j’étais entièrement sûr qu'il n'y aurait pas de problèmes avec le logiciel. »
- Définition de la feuille de route pour l'industrialisation. « Pour le développement de la version industrialisée de notre système, nous allons gagner du temps en générant du code à partir de notre modèle de contrôleur existant, en utilisant Embedded Coder pour cibler un processeur embarqué », explique M. Beelen. « Nous allons suivre un workflow de développement et de test plus formel, avec un meilleur contrôle des révisions et une équipe de développement plus importante, en utilisant les fonctionnalités de test, de vérification et de validation basées sur des modèles de Simulink. »
