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Un robot médical utilise des pièces imprimées en 3D

Un robot médical utilise des pièces imprimées en 3D


« L'impression en dépôt de fils a réduit considérablement le coût et le temps nécessaires pour fabriquer ces composants, tandis que le processus de fabrication additive offre une flexibilité de conception presque illimitée. Nous considérons cette approche moins comme le prototypage rapide et plus comme une méthode de fabrication flexible »
Gregory Fischer, Laboratoire d’automatique et de médecine interventionnelle, WPI

Le cancer de la prostate est le type de cancer le plus fréquent chez les hommes et le deuxième chez les êtres humains. L’échographie transrectale (ETR) est la référence en matière de biopsies permettant de détecter le cancer de la prostate, et de traitement par brachythérapie (curiethérapie). Ce dernier consiste à implanter dans la prostate, à proximité des tumeurs, des graines radioactives. Toutefois, la résolution limitée de l’imagerie transrectale réduit le taux de détection par biopsie d’environ 25%. Elle rend également les graines de brachythérapie presque invisibles. Ce qui rend difficile leur implantation de façon précise.

Observer les biopsies de la prostate et la curiethérapie sous la qualité d’image supérieure de l’IRM (imagerie par résonance magnétique) améliorerait sensiblement ces procédures de diagnostic et thérapeutiques. L’IRM permet aux médecins de mieux voir les tumeurs potentielles afin qu’ils puissent déterminer avec précision l’endroit où prélever les échantillons de tissus et apporter un traitement. L’IRM affiche également de manière claire les graines radioactives sur ses images. Ce qui permet un positionnement plus précis et une plus grande chance d’éliminer le cancer avec moins de dommages sur les tissus sains.

Mieux que le métal

Toutefois, l’espace confiné et la puissance des champs magnétiques (environ 100 000 fois plus puissants que le champ magnétique de la Terre) à l’intérieur du système IRM posent des soucis majeurs dans le placement des aiguilles avec précision. L’acier et les autres matériaux ferreux ne conviennent pas, car les puissants aimants de l’IRM les attireraient. Même les métaux non ferreux doivent être réduits au minimum, parce que les champs électromagnétiques à l’intérieur d’une IRM génèrent des courants de Foucault qui pourraient produire une chaleur excessive ou fausser les résultats. Par conséquent, les capteurs traditionnels, les actionneurs et les matériaux qui ne conviennent pas à un robot de placement de l’aiguille qui fonctionnera dans cet environnement seront éliminés.

Une équipe de chercheurs au sein de l’Institut Polytechnique de Worcester a relevé ce défi en concevant et en construisant un robot de placement d’aiguille compatible avec l’IRM. Celui-ci est fait principalement de plastique ainsi que de quelques composants métalliques non ferreux. Le robot est composé d’un module de positionnement cartésien de 3 degrés de liberté (ddl) permettant d’aligner l’aiguille et d’un module pilote pour placer l’aiguille et administrer le traitement. Des moteurs piézoélectriques en céramique et des boucliers sur-mesure, des pilotes électroniques à faible bruit actionnent le robot. « Dans les premières versions, nous avons fabriqué le robot en usinant diverses matières plastiques », a déclaré Gregory Fischer, professeur adjoint Génie mécanique et Génie robotique au sein du WPI. « Le coût et le temps nécessaires pour la production de ces pièces sont élevés. Ce qui a été un problème, car il est clair que nous avons besoin de produire de nombreux prototypes pour parfaire la conception. L’usinage a également limité notre flexibilité de conception, vu que nous devions nous préoccuper de la façon dont la pièce serait fixée durant l’usinage. Il restreint les designs à ceux qui sont facilement usinables. »

La flexibilité de conception

A la place de l’usinage, WPI a donc choisi la fabrication additive. Des pièces avec une géométrie complexe, qui constituent la majorité du robot, sont fabriquées à l’aide du FDM. La technologie FDM est un procédé de fabrication additive qui construit des pièces en plastique couche par couche, à partir des données de fichiers CAO. La plupart des pièces sont réalisées en plastique ABS. Les pièces qui pourraient entrer en contact avec la peau du patient sont faites avec de l’ULTEM 9085 en raison de sa bio-compatibilité. Les pièces avec des géométries droites plus simples sont produites par découpe au laser. Les roulements en plastique et guides linéaires sont des composants achetés sur le marché.

« Le FDM a réduit considérablement le coût et le temps nécessaires pour fabriquer ces composants, tandis que le processus de fabrication additive offre une flexibilité de conception presque illimitée. Nous considérons cette approche moins comme le prototypage rapide et plus comme une méthode de fabrication flexible », a déclaré Fischer. « Cette nouvelle approche a le potentiel d’améliorer le taux de détection de la biopsie et la performance de la brachythérapie. » Le robot de placement des aiguilles se prépare actuellement pour les essais cliniques au sein de l’Université Johns Hopkins.

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