par Blanc, Loic 
Président du jury Francois, Bertrand
Promoteur Lambert, Pierre
Co-Promoteur Delchambre, Alain
Publication Non publié, 2019-12-18
Président du jury Francois, Bertrand
Promoteur Lambert, Pierre
Co-Promoteur Delchambre, Alain
Publication Non publié, 2019-12-18
Thèse de doctorat
| Résumé : | Ce projet vise l’étude de mécanismes à rigidité variable pour des cathéters utilisés en endoscopie ainsi que pour d’autres outils médicaux intelligents ou de robotique flexible. Les principaux domaines ciblés sont la bronchoscopie et la cardiologie (par exemple en cas d’occlusion vasculaire puisque des cathéters et guides à rigidité variable sont nécessaires). En effet, certains outils doivent alterner entre un état flexible (par exemple pour suivre une trajectoire) et un état rigide (par exemple pour transmettre une force ou se bloquer dans une certaine forme). Ces instruments doivent dépasser l’état de l’art actuel avec des spécifications telles que la miniaturisation (diamètre inférieur à 2.8 mm pour s’insérer dans la majorité des canaux opérateurs d’endo- et bronchoscopes), des rigidités, des temps d’activation et une courbure compatibles avec les contraintes anatomiques. Afin de contrôler la rigidité, la littérature mentionne déjà différents principes (comme l’utilisation de matériaux spécifiques ou de mécanismes de blocage) qui nécessitent d’être comparés quantitativement et dont les limites doivent être évaluées pour les exigences mentionnées ci-dessus. De plus, les questions scientifiques concernent les performances (rigidité, temps de réponse, déformation, . . . ), le stimulus d’actionnement et les règles de conception. Pour cela, le projet de recherche consiste à étudier le « granular jamming », blocage d’un milieu granulaire par différence de pression (caractérisation mécanique de la solution et une modélisation validée pour les résultats expérimentaux), ainsi qu’à étudier différents matériaux actionnés thermiquement (principalement des polymères à mémoire de forme). La solution à base de milieu granulaire peut changer rapidement de rigidité mais ce changement dépend du choix de la membrane. Des prototypes de faibles dimensions ont été fabriqués, mais présentent des performances limitées. Les polymères à mémoire de forme présentent un grand changement de rigidité autour de leur température de transition et leur capacité de fabrication est très prometteuse puisque des prototypes de formes complexes et de taille réduite ont été fabriqués par impression 3D et moulage. La valorisation de cette recherche consiste à définir des exigences pour différentes applications médicales, à évaluer les performances des solutions selon ces critères et à développer des preuves de concept fonctionnelles. Le principal objectif est de fournir des lois d’échelle et de conception pour la communauté scientifique afin de faciliter de futurs développements dans ce domaine. Cette thèse est supervisée par prof. Pierre Lambert dans le département TIPs et prof. Alain Delchambre dans le département BEAMS (ULB). Ces environnements fournissent une expertise pluridisciplinaire en termes de miniaturisation et de caractérisation de solutions et en termes de développement d’instruments médicaux. |
| This research project aims at studying controllable stiffness mechanisms for catheters to be used in endoscopy and for other smart medical or soft robotics tools. The main targeted fields are the bronchoscopy and the cardiology (e.g. in the case of vascular occlusions, adaptive catheters and guidewires are required). Some applications indeed require to alternate between a flexible state (e.g. to follow a path) and a rigid state (e.g. force transmission, shape-locking). These devices require to go beyond the available state of the art with specifications such as miniaturization (diameter smaller than 2.8mm for insertion in most of the working channels of endo- and bronchoscopes), bending curvature compatible with anatomic constraints, range of stiffness and activation time suitable for medical use. In order to control the stiffness, the literature already mentioned different principles (e.g. specific materials, jamming systems) which still need to be quantitatively compared and whose limits must be carefully detailed with respect to the above-mentioned requirements. Moreover, the research topics focus on the performances (stiffness range, response time, hysteresis, deformation range, etc.), the control stimuli and the design rules. First two promising solutions are selected after a literature review. The research project consists in studying the granular jamming solution (through a complete mechanical characterization and a model validated by the experiments) and in studying different smart materials thermally activated (mainly shape memory polymers). The granular jamming solutions shows a fast stiffness change, but is impacted by the choice of the membrane. Low-dimension prototypes have been developed, but presented a limited stiffness change. The shape memory polymers present a very large stiffness change around their transition temperature and their manufacturability is very promising. Complex shape and downscaled prototypes have been fabricated by 3D printing and molding. The valorization of this research consists in defining the specifications for different medical applications, in evaluating the performances of the solutions with respect to these criteria and in building functional proofs of concept to demonstrate the proper use of the selected solutions. The main goal of this project is to provide scaling rules and design laws to the scientific community in order to ease further developments in this field. This thesis is supervised by prof. Pierre Lambert in the TIPs department and prof. Alain Delchambre in the BEAMS department (ULB). These environments provide the multidisciplinary expertise in terms of miniaturization and characterization of systems and in terms of development of biomedical devices. |
