Integration of functions for endoscopy by designing multistable mechanisms produced by additive manufacturing - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Integration of functions for endoscopy by designing multistable mechanisms produced by additive manufacturing

Intégration de fonctions pour l’endoscopie par conception de mécanismes multistables produits par fabrication additive

Résumé

By definition, surgery is an invasive procedure because it requires from the surgeon to make an incision in the patient's body to gain access to the surgical site. Minimally invasive surgery (MIS) strives to reduce trauma and recovery time by minimising the size and number of incisions. Access and the use of appropriate tools play a major role in the success of this objective.The tools currently in use are either straight and rigid elements, allowing a linear trajectory, or flexible, allowing complex curved or multi-curved trajectories. The flexible instruments used, such as flexible endoscopes, extend the scope of surgery and are particularly useful in less accessible areas. They also allow the incision to be made as close to the area of interest as possible.In the same way that a snake continually adapts the shape of the body as it moves forward, the shape of the instruments must evolve within the human body and therefore be fully controllable.A serial robotic design based on the use of compliant mechanisms with monolithic structures and shape-memory alloy actuators has proven to be an interesting way to built such architecture. The use of compliant mechanisms has allowed the design of elementary modules to meet the constraints of dimensioning and downscaling, where memory alloys are suited for their small size and high energy density. The designed modules have three stable states and are extremely repeatable and mechanically robust. Their supperposition allowed for high precision discrete displacements without the need for sensors (open loop control).In order to optimise the elementary modules a design of a new version of the flexible mechanisms was carried out and an approach using electroactive polymers to replace shape memory alloys was considered to minimise the assembly phase.The complex geometry of the mechanisms and their monolithic nature make additive manufacturing, and in particular 3D printing, a suitable manufacturing process. This parsimonious manufacturing process is part of an approach to manufacturing affordable and patient-specific robots. A prototype has been designed to validate the proposed approach.
Par définition, la chirurgie est une procédure invasive car elle nécessite que le chirurgien fasse une incision dans le corps du patient pour accéder au site opératoire. La chirurgie mini-invasive (MIS) s'efforce de réduire le traumatisme subi et le temps de convalescence en minimisant la taille et le nombre d'incisions. La disponibilité et l'utilisation d'outils adaptés jouent un rôle prépondérant dans la réussite de cet objectif.Les outils actuellement utilisés sont soit des éléments rigides, permettant une trajectoire linéaire, soit des structures flexibles, permettant le suivi de trajectoires complexes. Les instruments flexibles utilisés, tel que les endoscopes flexibles, étendent la portée de la chirurgie et sont particulièrement utiles dans les zones moins accessibles. Ils permettent également de réaliser l'incision au plus prêt de la zone d'intérêt. La forme des instruments doit évoluer dans le corps et être contrôlable à la manière d'un serpent qui adapte continuellement la forme de son corps en avançant.Une conception robotique sérielle fondée sur l’emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d’actionneurs en alliage à mémoire de forme s'est avérée être un moyen intéressant d'y parvenir. L'utilisation de mécanismes compliants a permis de concevoir des modules élémentaires pour répondre aux contraintes de dimensionnement et de réduction d'échelle. Les alliages à mémoire de forme se distinguent par leur petite taille et leur haute densité énergétique permettant l'actionnement des modules. Les modules conçus présentent trois états stables et sont extrêmement répétables et mécaniquement robustes. Leur superposition permet de générer un déplacement discret de haute précision sans avoir besoin de capteurs (contrôle en boucle ouverte).Afin d'optimiser les modules élémentaires, une nouvelle version du module a été réalisée et une approche utilisant des polymères électroactifs a été envisagée pour remplacer les alliages à mémoire de forme afin de minimiser la phase d'assemblage.La géométrie complexe des mécanismes et leur nature monolithique font de la fabrication additive, et plus particulièrement de l'impression 3D, un procédé de fabrication adapté à la réalisation de notre robot. Cette approche de fabrication parcimonieuse s'inscrit dans une démarche de fabrication de robots à faible coût et spécifiques à l'anatomie de chaque patients. Un prototype a été conçu et analysé pour valider l'approche proposée.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04231779 , version 1 (06-10-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04231779 , version 1

Citer

Benjamin Calme. Integration of functions for endoscopy by designing multistable mechanisms produced by additive manufacturing. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Montpellier, 2023. English. ⟨NNT : 2023UMONS016⟩. ⟨tel-04231779⟩
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