Alors que l'essor industriel de la chirurgie robotisée reste encore freiné notamment par des robots américains, les chercheurs japonais s'engagent hors des sentiers battus en mixant biologie et microtechnologies.
Cet article a été préparé par Arnaud Queyrel, à partir du rap-port "Robotique chirurgicale au Japon" réalisé par Etienne Dombre, Jacques Gangloff, Guillaume Morel et Marie- Christine Pouchelle, en liaison avec le service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France au Japon ; nous les remercions pour leur collaboration.
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Bien que les chercheurs japonais poursuivent encore leurs travaux sur des consoles robotisées aux développements bridés par des brevets américains, ils préparent déjà leur essor vers leurs domaines de spécialité : la micro- et la nanochirurgie. Là, l'association de leurs grandes compétences de mécaniciens et biologistes pourront, enfin, produire leurs fruits : des solutions industrialisables au travers, peut-être, de collaborations avec la France.
Six axes de recherche concentrent l'essentiel des travaux de R&D japonais dans des domaines d'applications ciblés sur la robotique chirurgicale. Le premier axe concerne la mise au point d'un dispositif concurrent du robot chirurgical américain Da Vinci. Ainsi, six laboratoires japonais au moins travaillent avec des dispositifs comprenant une console de téléopération à bras porte-endoscope et à instruments à mobilité distale pour la laparoscopie et la neurochirurgie. Des laboratoires se concentrent ensuite sur les instruments de coelioscopie manuels motorisés, destinés à passer à travers des incisions millimétriques, tandis que d'autres encore s'attèlent au développement de cathéters actifs, sans articulation, souvent formés d'alliages à mémoire de forme (spécialité japonaise).
D'autre part, les chercheurs japonais se positionnement dans le domaine de l'instrumentation active multicanaux où des instruments ultraminiaturisés sortent de l'extrémité de leur tube de transport pour pratiquer une chirurgie fine. Finalement, des équipes de recherche japonaise concentrent leurs travaux sur la réalité augmentée et la micromécanique, débouchant notamment sur des microrobots de manipulation cellulaire.
Les simulateurs en première ligne
Sur le campus de médecine de l'université de Kyushu, le Pr Hashizume dirige le Center for the integration of Advanced Medecine and Innovative Technology (CAMIT). Ses objectifs : la recherche clinique, la recherche sur les nouvelles technologies pour la chirurgie et la formation. Sur le plan des formations, ce centre a jusqu'à présent formé aux technologies médicales émergentes environ cinq cents étudiants. Ceux-ci disposent en particulier, pour leur entraînement, d'un simulateur de chirurgie laparoscopique (auquel une salle entière est consacrée). Ce simulateur dispose d'un dispositif d'apprentissage qui offre à l'instructeur la possibilité d'expliquer le geste aux étudiants par un système de prise de contrôle à distance du retour vidéo de chaque poste.
Par ailleurs, le Pr Hashizume développe, en collaboration avec l'université de Tokyo, une version japonaise du robot laparoscopique Da Vinci. Cette version, qui exploite des technologies légèrement différentes (en particulier pour des raisons de propriété intellectuelle) de celles du Da Vinci - dont il reprend cependant toutes les fonctionnalités -, constitue toutefois un système "ouvert à l'interfaçage bas niveau" qui a ainsi spécialement permis de mener une expérience de téléchirurgie avec la Corée. Ce robot est en cours d'agrément au Japon alors que Da Vinci lui-même ne dispose pas encore de certification pour sa commercialisation dans ce pays. Et, quoique le laboratoire envisage de tester le retour d'effort sur ce robot, le Pr Hashizume estime cette fonctionnalité secondaire pour la qualité du geste. En revanche, le robot "clone" du Da Vinci développé au laboratoire du Pr Mitsuishi, à l'université de Tokyo, associe déjà le retour d'effort en complément de toutes les fonctionnalités qu'il partage avec son modèle américain. Bien que ce dernier robot soit assez proche d'une version commerciale, la difficulté réside désormais dans l'identification d'une entreprise disposée à assumer les risques de son industrialisation.
Un autre robot du laboratoire, cette fois-ci dédié à l'usinage des os, présente un degré de finition similaire à celui du modèle de Da Vinci. Ce robot a bénéficié de développements, en lien avec la planification du geste, assurant son plus faible caractère invasif possible couplé à la minimisation de l'échauffement lors de la découpe. Ce laboratoire, outre ses travaux en chirurgie du cerveau par télémanipulation (qui présente un degré de maturité de réalisation similaire aux autres robots), vise à explorer les nouvelles thérapies du futur avec l'ambition de créer des nanomachines aptes à tenir un rôle fonctionnel. Cette activité, codirigée par le Pr Mitsuishi, est hébergée dans le très récent Center for NanoBio Integration de l'université de Toyo.
Suivi et sécurité des interventions
Sur le site de l'université médicale pour les femmes de Tokyo, le professeur Iseki, neurochirurgien, dirige la Faculty of Advanced Techno-Surgery (FATS) de l'Institute of Advanced Biomedical Engineering and Science. Créé en 2000, le laboratoire du Pr Iseki accueille une équipe pluridisciplinaire associant l'ingénierie aux compétences médicales.
D'ailleurs, il dispose, dans des locaux neufs de grande superficie, d'une imagerie par résonance magnétique (IRM) pour les besoins des ses propres recherches et de moyens d'usinage de microsystèmes, eux aussi dédiés à ses recherches.
'autre part, ce laboratoire, qui dispose donc d'importants moyens, a établi de multiples collaborations avec des équipes situées sur d'autres sites japonais. En tenant aussi compte de la moyenne d'âge plutôt faible de ses membres, le FATS affiche un très fort potentiel de développement. Celui-ci s'articule autour de quatre axes de recherche : la salle d'opération intelligente, la radiothérapie, la robotique chirurgicale et le suivi du geste chirurgical.
Le premier axe de recherche s'appuie sur un ensemble de trois systèmes accompagnant les interventions. L'IRM interventionnelle constitue la clé de voûte de cet ensemble et repose sur l'exploitation d'une IRM à champ ouvert (de marque Hitachi), pour la recherche. Gravite ensuite autour de cette IRM un système de navigation peropératoire et un système de supervision de la résection de gliome (menée sur un patient éveillé). Pour leur part, les recherches en radiothérapie se concentrent sur la mise au point d'un système exploitant le rayonnement gamma, le "Gamma knife". Ensuite, en matière de robotique chirurgicale, les travaux de l'équipe reposent sur une palette d'outils complémentaires permettant d'assurer une intervention la plus fiable et sécurisée possible : un système maître-esclave pour la neurochirurgie, un scalpel laser et un robot IRM miniature pour la radiologie interventionnelle. Finalement, le dernier axe de recherche concerne le développement d'un système de monitoring pour l'assistance à la sécurisation du geste chirurgical.
Simulation et guidage des aiguilles
Sur cette question de la préparation aux gestes chirurgicaux invasifs, le laboratoire du Pr Yamamoto travaille, pour sa part, au développement d'un simulateur pour l'interaction avec des tissus souples. Objectif : coupler une interface haptique (commercialisée par la société américaine SensAble Technologies) avec un modèle capable de tourner en temps réel (le logiciel est conçu au laboratoire). Plus fondamentales, les recherches menées par le Pr Kikuuwe s'attèlent à la modélisation mécanique pour la simulation interactive. Au départ de ses travaux sur l'intégration de frottements secs dans la simulation de systèmes mécaniques, le Pr Kikuuwe a développé en particulier une application médicale originale : la simulation interactive d'une insertion d'aiguille. Que permet alors de restituer le simulateur ? Des comportements non linéaires complexes comme les broutements tangentiels et les discontinuités d'efforts lors de la pénétration de l'aiguille.
Pour sa part, à l'université Waseda (Tokyo), le Fujie Lab développe des solutions mécatroniques très évoluées parmi lesquelles, justement, un système de guidage automatique d'aiguille par retour échographique avec transmission par tige dentée. Et, également à l'instar d'autres équipes japonaises, le Fujie Lab développe des forceps miniatures, à plusieurs degrés de liberté, pour la microchirurgie (foetale et neurochirurgie). A notez que seuls des ingénieurs mécaniciens, collaborant ponctuellement avec des automaticiens pour des questions spécifiques, travaillent dans ce laboratoire. En matière de degrés de liberté, le Pr Ikuta a développé un outil de chirurgie laparoscopique, l'"hyper-finger", doté de sept degrés de liberté pour un diamètre externe de 10 mm et, dernièrement, un cathéter actif à cinq degrés de liberté (pour un diamètre extérieur de 3 mm). Le principe d'actionnement de ce dernier, réalisé en stéréolithographie hybride (procédé propre au laboratoire), repose sur un mécanisme original : le gonflement sélectif de ballonnets répartis le long d'une structure polyarticulée sérielle. L'ensemble, éventuellement monobloc, est entièrement en matière plastique. Le prochain modèle présentera un diamètre de... 300 microns.
De modélisation 3D en localisation d'organes
De son côté, à l'université d'Osaka, le professeur Sato consacre ses recherches essentiellement au recalage temps réel peropératoire avec l'utilisation de modèles 3D déformables. Il travaille ainsi à l'identification de la déformation de deux organes, celle du foie en fonction de la respiration et du rein durant une résection en complément de l'étude de l'affaissement du poumon. Grâce à des systèmes de localisation magnétique, les modèles déformables sont recalés en temps réel. Pour la réalité augmentée du foie, la sonde échographique endoscopique en contact avec l'organe est localisée par les informations apportées par des sondes magnétiques. Comment est ensuite estimé le champ de déformation de cet organe? Par reconstruction peropératoire du réseau vasculaire du foie sachant que, pour l'étalonnage, un localisateur optique compense la forte distorsion de la mesure du localisateur magnétique. D'autre part, le Pr Sato exploite également des marqueurs magnétiques sans fil miniatures (d'un diamètre inférieur à 2 mm pour 8,5 mm de longueur) pour repérer la position de structures anatomiques à l'intérieur des organes.
La précision de localisation que permet d'atteindre ces implants est submillimétrique.
A l'université de Nagoya, le laboratoire du professeur Fukuda, le "Fukud Lab", développe ses activités dans de nombreuses branches de la robotique et des systèmes connexes comme, outre la robotique médicale, la biomicromanipulation, ainsi que les capteurs et actionneurs piézoélectriques. En robotique médicale, le laboratoire se distingue spécialement par la réalisation d'un simulateur du réseau vasculaire cérébral d'un patient, fabriqué par prototypage rapide sur mesure (dans un matériau polymère). Ce "clone" en polymère du patient vise à préparer le chirurgien à la cathétérisation opérée en préinterventionnel sur une maquette reproduisant, dans la zone d'intervention, le réseau vasculaire spécifique du patient.
Atouts et freins au développement industriel
Il n'existe actuellement aucune collaboration franco-japonaise en chirurgie robotisée. Toutefois, la différence elle-même dans la nature et l'organisation des recherches en robotique chirurgicale, entre la France et le Japon, dénote une complémentarité logique entre les deux pays. Pour sa mise en oeuvre, elle demanderait d'organiser des actions de recherche coopératives. Concrètement, il s'agirait d'articuler les compétences mécatroniques des laboratoires japonais du domaine, bien supérieures à celles des laboratoires français, avec les compétences françaises dans le domaine de la commande (incluant ou non l'image), qui semblent pour leur part plus avancées qu'au Japon. D'où le projet d'organiser, au Japon, un atelier rassemblant les chercheurs en robotique médicale japonais et leurs homologues français. Cet atelier aurait pour objectif en particulier d'identifier, à travers une dynamique d'échanges, les futurs partenaires potentiels de projets coopératifs et de cristalliser les volontés de rapprochement. L'atelier pourrait aussi s'inscrire dans la perspective d'étudier de futurs développements industriels colatéraux à l'aune de l'émergence, actuellement toujours très timide, d'activités entrepreneuriales en chirurgie robotisée au Japon. Car, à l'instar d'ailleurs de la France et de l'Europe, aucune société japonaise d'un certain poids ne semble aujourd'hui disposée à investir dans des développements en robotique chirurgicale. A fortiori dans le sillage du Da Vinci, ce robot qu'Intuitive Surgical protège par une très solide propriété intellectuelle. D'autre part, il faut également déplorer la pauvreté des transferts technologiques et de la création de jeunes entreprises spécialisées car, malgré le nombre élevé de prototypes élaborés en laboratoires, seules deux jeunes pousses ont percé au Japon : FAIN-Biomedical et MEMSAS Inc.
Quels éléments clés permettent d'expliquer cette absence de dynamique industrielle en chirurgie robotisée ? D'abord, d'après le Pr Hashizume, les procédures d'homologation des équipements médicaux sont bien plus longues au Japon qu'en Europe et qu'aux Etats-Unis. Ensuite, la batterie de brevets pris par Intuitive Surgical sur les dispositifs à câbles a conduit les industriels japonais au réalisme. D'autre part, il existe au Japon des réticences pour l'expérimentation tant humaine qu'animale. Finalement, une anticipation technologique marquée joue en défaveur de l'essor des robots actuels calqués sur Da Vinci spécialement : en effet, les Japonais développent une vision stratégique davantage tournée vers les micro- et nanotechnologies. Dès lors, avant même d'obtenir leur validation, les prototypes d'équipements robotisés médicaux sont déjà obsolètes.
A noter que les financements des travaux de recherche proviennent de deux sources : l'industrie et le Gouvernement. Toutefois, alors que l'obtention de fonds d'industriels ne peut se faire que par les réseaux personnels de relations, les fonds gouvernementaux s'acquièrent pour leur part dans un contexte fortement compétitif entre équipes.
