[APPLICATION ANALOG DEVICES] Grâce aux progrès réalisés en matière de sécurité des patients et de résultats opératoires, les outils chirurgicaux sont passés du statut d’instruments basiques à celui de dispositifs intelligents assistant les chirurgiens. L’intégration de capteurs, d’actionneurs ou d’une alimentation électrique sans bruit parasitaire dans ces outils de nouvelle génération représente un défi, notamment lorsque l’espace est restreint et qu’il est impératif de garantir la sécurité et la fiabilité.
Auteur : Ben Ferrara et Harsha Devaraj
Staff Systems Applications Engineer etnSenior Systems Applications Engineer
Analog Devices
Aujourd’hui, nous bénéficions d’une meilleure compréhension de la médecine et d’un accès à des outils sophistiqués pour traiter les maladies avec une efficacité sans précédent.
Chaque année, les interventions chirurgicales sauvent d’innombrables vies, et les outils chirurgicaux intelligents contribuent à leur succès. Qu’il s’agisse de retirer, réparer ou reconstruire des tissus, la convergence de recherches et technologies pluridisciplinaires ont permis de créer des équipements ultra-spécifiques pour chaque acte opératoire.
Le présent article décrit certaines des avancées les plus récentes de la technologie des semiconducteurs qui ont permis de créer des outils chirurgicaux plus sûrs, plus intelligents et plus petits.
Dans ce cadee, Analog Devices fabrique plusieurs capteurs et modules frontaux de capteurs pour répondre à ces besoins. Dans le contexte d’un bloc opératoire, il est ainsi possible d’utiliser un capteur pour différentes fonctions, comme le contrôle de l’éclairage ou la localisation d’un instrument chirurgical. Les outils chirurgicaux utilisent les capteurs pour activer, surveiller et/ou vérifier un traitement.
Dans les robots chirurgicaux et les interventions à distance, notamment, ils permettent d’affiner les mouvements et de mettre en place des protocoles de sécurité. Ils s’utilisent aussi pour obtenir des informations en temps réel et améliorer les sensations du chirurgien ou de la machine, par exemple en procurant des indications sur l’état des tissus.
Capteurs pour l’outillage chirurgical
Disposer d’un outil chirurgical doté d’un capteur de température précis s’avère souvent vital. Dans les outils de thérapie par la chaleur ou le refroidissement, un capteur de température permet de vérifier l’efficacité du traitement.
Dans d’autres applications, il joue le rôle de "chien de garde" pour signaler tout dysfonctionnement des équipements. Dans tous les cas, la haute précision est un facteur de sécurité du patient. Les capteurs de température et modules frontaux analogiques (AFE) de température d’ADI mesurent avec précision et exactitude, ce qui se traduit par de meilleurs résultats pour le patient.
Les capteurs intégrés tels que le MAX30210 ou son cousin 1-Wire, le MAX30207, numérisent directement la température avec une précision de ± 0,1 °C.
Avec le LTM2985, un concepteur peut connecter virtuellement tout thermocouple standard (type B, E, J, K, N, S, R, T) ou personnalisé et obtenir une précision de ± 0,1 °C avec une résolution de ± 0,001 °C.
Il dispose en outre d’une puissance isolée RMS de 5000 V, d’une interface SPI avec rejet 50Hz/60Hz et d’une mémoire Eeprom sur puce pour la configuration et les coefficients.
Schéma fonctionnel du LTM2985.
Les accéléromètres et les gyroscopes sont des appareils relativement faciles à intégrer dans un outil chirurgical et ils s’utilisent de différentes façons. Ils peuvent être employés pour les entrées utilisateur "stériles" telles que les clics/double-clics, en détectant les dommages survenus pendant un transport afin d’éviter l’utilisation d’un équipement endommagé, pour tracer les responsabilités en cas de dysfonctionnement, pour la reconnaissance de gestes, pour les économies d’énergie et bien plus.
Dans le cadre de ses innovations en technologie MEMS, ADI propose des accéléromètres tels que l’ADXL362 ou l’ADXL367, encore plus petit.
L’ADXL367 présente une haute résolution de 0,25 mg/LSB, un faible bruit de 170 μg/√ Hz et il peut fonctionner avec 0,89 μA seulement. La consommation d’énergie en mode veille ou mode mouvement activé est encore plus faible : seulement 40 nA et 180 nA, respectivement.
Le petit format du boîtier (2,2 mm × 2,3 mm) permet de le monter dans les conceptions où l’espace est extrêmement restreint.
Les capteurs magnétorésistifs sont un excellent choix pour les appareils mécaniques tels que les agrafeuses chirurgicales qui exigent des données d’angle et de rotation absolues. L’ADA4571 ou l’ADA4571-2 indique un angle avec une précision de ± 0,1°, et il peut être intégré dans un système permettant un codage de rotation extrêmement précis.
Grâce à ses principes de fonctionnement, ils peuvent être indépendants de leur emplacement physique (type air-gap), ce qui augmente la flexibilité de conception.
Système de capteur ADA4571 AMR.
Capteurs pour robots et automatisation en recherche opérationnelle
Et si nous avions la possibilité de fonctionner sans énergie ? .C’est la question que se sont posée nos ingénieurs lors du développement de la technologie de capteur multitour ADI MagIC1. Avec trois éléments de mesure utilisant les technologies de magnétorésistance géante (GMR) et anisotrope (AMR), l’ADMT4000 est le premier produit de ce type atteignant une précision de ± 0,25° avec jusqu’à 46 tours.
Dans les robots chirurgicaux et d’autres technologies d’automatisation OR, le codage absolu est une nécessité vitale pour contrôler précisément les mouvements. L’ADMT4000 comptabilise les tours et les angles, même sans alimentation.
Ceci permet de suivre les articulations rotatives sans alimentation, notamment dans des situations telles que le transport d’une OR à une autre, le stockage et le démarrage, ou même dans des cas de coupure de courant inattendues.
Schéma fonctionnel de l’ADMT4000 et intégration de système d’articulation robotique montrant six ADMT4000 – un à chaque articulation
Les unités de mesure inertielle (IMU) présentent à ce niveau des avantages importants pour la conception de systèmes cinématiques de robots en permettant la vérification et la redondance du codage pour articulations rotatives. Avec ses processus iMEMS de pointe, ADI propose des IMU qui détectent et traitent avec fiabilité différents degrés de liberté incluant l’étalonnage en usine, la compensation intégrée et le traitement de capteur.
Ces IMU vont du mini ADIS16470, module BGA 44-ball de 11 mm × 15 mm × 11 mm permettant un assemblage simple, à l’ADIS16550 de niveau autonome avec une stabilité de biais de 1°/heure permettant une résistance à la dérive extrême.
En général, dans les systèmes de téléchirurgie où le chirurgien à la console ne se tient pas près du patient, le chirurgien ne reçoit pas d’indications sur la force qu’il exerce sur le tissu. Les mesures de force, de pression et de couple peuvent combler cette absence de sensation du toucher en communiquant des données de force au système de commande du chirurgien.
Dans des applications telles que l’agrafage chirurgical, les indications de force peuvent être utiles pour la sélection des paramètres d’agrafage.
Dans ce cadee, le cifcuit MAX40109 est un module frontal analogique (AFE) de capteur de force/pression hautement intégré qui peut se connecter à divers types de capteurs de charge courants, offrant ainsi un choix de sortie analogique ou numérique.
Il intègre des interfaces 1-Wire et PLC (Power Line Communication) et la compensation de décalage zéro pression pour éviter la découpe au laser des résistances lors de l’étalonnage, pendant le processus de fabrication. Il inclut une mémoire d’étalonnage intégrée avec un polynôme de troisième degré pour la compensation de température, qu’il peut éventuellement mesurer directement depuis le pont résistif.
Il s’agit d’un circuit intégré polyvalent proposé dans un boîtier optionnel à l’échelle des puces de 1,988 mm × 1,988 mm. Un système robotique capable de percevoir le monde qui l’entoure est plus flexible et sûr qu’un système qui ignore son environnement.
L’ADTF3175 de son côté est un module temps de vol (TOF) offrant une perception 3D avec une précision de profondeur de ±5 mm sur une plage complète de 0,4 m à 4 m.
Capteurs pour le chirurgien
Il est possible d’étudier les propriétés électriques passives, qui varient avec la fréquence, au moyen d’un analyseur d’impédance ou d’une mesure d’inductance-capacité-résistance (LCR). Les analyseurs d’impédance sont en général des LCR-mètres capables de mesurer une vaste plage de fréquences.
ADI fabrique des analyseurs d’impédance à l’échelle d’un circuit intégré et d’un module. Les analyseurs d’impédance à l’échelle d’un circuit intégré tels que l’AD5940 ou la famille MAX300xx sont compacts et peuvent être placés plus près du lieu de mesure, ce qui permet d’éviter les parasites fréquents sur une connexion filaire longue.
Les analyseurs d’impédance à l’échelle d’un module tels que l’AD-IMP2501-SL ou l’ADMX2001 sont plus grands et dotés de nombreuses fonctions. Ils peuvent mesurer des fréquences plus élevées, jusqu’à 1,5 MHz et 10 MHz, respectivement. Il est possible d’utiliser ces modules compacts pour obtenir des réactions expérimentales initiales, en tant que conceptions de référence ou, dans certains cas, directement intégrés aux équipements pour accélérer le prototypage.
La mesure d'impédance requiert un contact électrique humide ou sec avec le tissu examiné, ce qui permet de l’intégrer facilement aux outils chirurgicaux existants sans transducteur spécial. La spectroscopie d’impédance électrique (EIS) fournit au chirurgien des indications péropératoires pendant une intervention sur le tissu que l’outil chirurgical touche.
Il peut s’agir d’informations comme l’identification du tissu, l’identification d’une maladie, la mesure d’une marge de lésion, l’orientation de l’outil chirurgical ou la mesure de la proximité d’un tissu. L’impédance est un exemple de méthode parmi d’autres.
D’autres méthodes, comme celles basées sur la température, la déformation des tissus ou l’imagerie péropératoire, apportent au chirurgien des informations utiles sur les tissus. Figure 8. Schéma fonctionnel de l’AD7386.
Mesures précises en toute sécurité
Utiliser davantage de capteurs signifie qu’il y a davantage de données à mesurer, traduire, traiter et protéger. ADI fournit la technologie nécessaire à une intégration complète des chaînes de signaux. Numérisation plus rapide des données à haute résolution Les systèmes chirurgicaux actuels utilisent des mesures de capteur précises pour fermer les boucles de contrôle et procurer aux chirurgiens des informations en temps réel.
Le convertisseur analogique/numérique 24-bits et 8 canaux AD7771 assure un échantillonnage simultané pour plusieurs entrées de capteurs. Avec sa résolution de 24 bits et son faible bruit, il peut détecter les moindres variations dans les relevés des capteurs susceptibles d’avoir un effet critique sur les procédures chirurgicales.
Pour les chaînes de signaux exigeant des vitesses d’échantillonnage plus élevées, le CAN 4 canaux et 4 MSPS AD7386 offre la vitesse nécessaire pour les boucles de contrôle en temps réel, telles que les mesures d’impédance à haute fréquence ou les informations de positionnement de contrôle de mouvement.
Schéma fonctionnel de l’ADuM7704 et de l’ADuM6020
Son architecture d’échantillonnage simultané garantit la synchronisation de multiples entrées de capteur ou de positionnement, ce qui permet d’obtenir des données spatiales précises pendant la manipulation d’un outil ou d’un tissu.
Convertisseurs isolés pour la sécurité des patients
Presque toutes les applications chirurgicales exigent un isolement pour protéger le patient et les capteurs intégrés du système. Le CAN isolé ADuM7704 procure offre une résolution de 16 bits et des vitesses de données jusqu’à 21 MHz, et il fonctionne avec une tension de 4,5 V à 20 V.
Les concepteurs peuvent par conséquent placer les CAN près des capteurs, là où l’intégrité du signal est la plus élevée, tout en renvoyant les données numériques en toute sécurité au contrôleur.
L’isolement RMS de 5 kV permet d’éliminer des composants d’isolement coûteux ou volumineux dans certaines applications. Le convertisseur CC-CC isolé et isolateur de données ADuM6020 intègre dans un même boîtier l’alimentation et l’isolement du signal.
En apportant à la fois une alimentation isolée (jusqu’à 0,5 W) et des canaux de communication numérique isolés, il assure l’isolement sans la complexité des transformateurs d’isolement et optocoupleurs classiques.
Ceci peut constituer un avantage précieux pour les instruments chirurgicaux manuels ou d’autres systèmes dont le poids et la taille sont un problème.
Déplacement de précision, tout simplement
Les robots chirurgicaux doivent effectuer des mouvements précis et répétables sur différents axes pour manipuler en toute sécurité des instruments à l’intérieur et autour du corps humain. La commande de grille TMC9660 70V avec contrôleur à champ orienté (FOC) permet d’utiliser des algorithmes de commande de moteur produisant des mouvements précis, pour les procédures chirurgicales difficiles.
Contrôleur de courant à champ orienté
Sa fonctionnalité haute tension lui permet de piloter la plupart des moteurs nécessaires aux instruments chirurgicaux, tandis que les algorithmes FOC assurent le contrôle du couple lors des mouvements délicats.
Conçus pour le contrôle de vannes, les fonctions d’outils à commande ou les relais d’urgence, le MAX22216 et la famille de modules de commande d’électrovannes MAX222xx offrent un contrôleur de courant et des diagnostics intégrés.
Ces modules permettent de créer des instruments chirurgicaux plus intelligents, capables de détecter des anomalies mécaniques, de vérifier le bon déclenchement et d’envoyer des informations au système de commande.
Le boîtier intégré et les composants de sécurité offrent des fonctionnalités plus évoluées et dans moins d’espace que la plupart des systèmes discrets classiques.
Dans ce cade, la soluiton MAX22216EVKIT permet aux concepteurs de lancer un développement avec très peu voire aucun temps de conception, et leur donne la possibilité d’évaluer tout ce que le MAX22216 peut leur délivrer.
Dans les robots chirurgicaux peu invasifs, à l’intérieur desquels l’espace se fait rare, le pilote GaN (nitrure de gallium) à demi-pont LT8418 permet des conceptions plus petites et plus efficaces. Les modules GaN commutent plus vite et plus efficacement que les MOSFET classiques, ce qui entraîne une réduction des composants magnétiques et de la dissipation thermique.
Ceci se traduit directement par des instruments chirurgicaux plus petits et légers qui peuvent accéder à des zones opératoires confinées, tout en conservant la puissance requise pour piloter le robot chirurgical.
Mise en œuvre compacte d’une alimentation efficace
Tandis que les appareils chirurgicaux deviennent de plus en plus complexes, il devient indispensable d’intégrer un plus grand nombre de capteurs dans des systèmes plus petits pour disposer d’une alimentation efficace dans un minimum d’espace.
Le régulateur LTM4644 μModule transforme l’alimentation des appareils chirurgicaux en réunissant sur un seul boîtier le contrôleur de commutation, les FET, l’inducteur et les composants passifs.
Ce régulateur basse tension à 4 sorties peut fournir plusieurs rails d’alimentation (de 5,5 V en descendant jusqu’à 0,6 V) pour tous les besoins de capteur et de traitement. Il mesure 9 mm × 15 mm × 5 mm seulement.
Les économies d’espace permettent ainsi aux concepteurs de réduire la surface de carte et d’inclure davantage de fonctionnalités. La conception intégrée élimine de nombreux problèmes courants d’interférences électromagnétiques (EMI) dont souffrent les régulateurs de commutation classiques, ce qui réduit le risque de bruit et d’interférence sur les signaux analogiques sensibles.
La conception thermique du module dissipe efficacement la chaleur, avec jusqu’à 5,5 W sans dissipation de chaleur. Le caractère compact et intégré des régulateurs μModule d’ADI permet de créer des appareils chirurgicaux de formats inédits.
Protéger les patients, protéger l’activité
Protéger les entreprises et les clients des contrefaçons et de la mauvaise utilisation des appareils devient également une préoccupation majeure. Les contrefaçons d’appareils médicaux représentent des risques pour la sécurité des patients et les activités des hôpitaux.
Des contrefaçons d’outils chirurgicaux ou des appareils reconditionnés peuvent tomber en panne de manière inattendue pendant des interventions ou ne pas fournir la performance requise.
La famille d’identificateurs sécurisés DS28E garantit une authentification basée sur le matériel qui permet aux fabricants d’équipements médicaux de protéger leurs produits, leur marque et leurs patients.
Capteurs 1-Wire intégrés pour protéger les outils et équipements chirurgicaux
Ces dispositifs utilisent des algorithmes cryptographiques et le stockage de clés sécurisées pour générer des signatures numériques protégées qui vérifient l’authenticité des instruments chirurgicaux, des composants jetables et des consommables.
Les pièces DS28E simplifient la mise en œuvre via l’interface 1-Wire, ce qui permet la communication via de longs câbles ou des connecteurs mécaniques. Ces pièces sécurisées permettent notamment de suivre les cycles d’utilisation d’instruments chirurgicaux susceptibles d’exiger un étalonnage ou un remplacement après un certain nombre de procédures.
Les modules de stockage mémoire sécurisé tels que le DS28E36 ou le DS28E84 avec tolérance au rayonnement peuvent conserver les données d’étalonnage, les informations de fabrication ou des paramètres spécifiques qui activent un comportement spécifique de l’outil chirurgical.
Des consommables aux packs de batteries en passant par les outils intégrés aux équipements, la famille d’identificateurs DS28E contribue à la protection des équipements chirurgicaux de précision.
L’intégration du contrôle de mouvement, de l’isolement, des solutions de puissance compactes et de la sécurité matérielle avec un nombre croissant de capteurs permet aux concepteurs de créer des produits qui sont non seulement plus intelligents, plus petits et plus efficaces, mais aussi mieux protégés.
Ces technologies de pointe d’ADI aident les utilisarteurs à concevoir des appareils chirurgicaux produisant de meilleurs résultats pour les patients. Les technologies présentées dans cet article mettent en lumière certaines des meilleures recommandations du portefeuille d’ADI, mais ce dernier peut offrir encore bien davantage dans le domaine de la chirurgie.
Suite de technologies de robots chirurgicaux d’ADI
