Imaginez que vous avez deux ballons. L'un est rempli d'eau et l'autre d'air. Ils semblent identiques, mais si vous les appuyez, chacun se sentira très différent. C'est comme ça que les organes se sentent chez un médecin. Lorsqu'un patient a besoin d'une biopsie à l'aiguille, d'un drain de la vésicule biliaire, d'une injection de cortisone dans la colonne vertébrale ou d'un cathéter veineux, le médecin qui insère une aiguille doit pouvoir sentir l'accumulation et la libération de pression lorsque cette aiguille s'enfonce, et finit par perforer chaque tissu successif.
«Le caractère du tissu vous donne un retour de force et votre cerveau le comprend et peut l'utiliser pour interpréter de nombreuses choses différentes», explique David Han, professeur de chirurgie et de radiologie à Penn State. "Si vous avez touché beaucoup de foies et beaucoup de rates, parfois les yeux fermés, vous pouvez dire lequel est lequel."
Mais ce n'est vraiment pas facile. Des recherches menées au cours des 30 dernières années ou plus ont montré des taux de complications allant de 5 à 21% du cathétérisme veineux central. Les retombées sont une infection, une augmentation du temps et des coûts d’hospitalisation, voire la mort. Les médecins expérimentés sont bien meilleurs, en partie parce que cela demande beaucoup de pratique. (Dans de nombreux cas, le guidage par échographie aide, mais même avec un repère visuel, il est facile d'aller un peu trop loin et dans le mauvais tissu.)
Comment les étudiants en médecine apprennent-ils cette technique? Dans certains cas, un mannequin construit pour ressembler à des tissus particuliers fournit des informations en retour, mais le plus souvent, les étudiants consultent un médecin expérimenté, puis ils l'essaient. «Je suis vraiment bon à ça, dit Han. "Il y a donc quelqu'un à côté de moi qui veut apprendre à le faire, et je me penche en quelque sorte sur leur épaule pour lui dire d'essayer ceci ou cela."
Une équipe de chercheurs de la Penn State University avait une idée différente. Sous la direction de Han, en 2017, ils ont publié une étude décrivant un robot capable de tenir le bout d'une aiguille et de fournir un retour d'informations mécanique. Lorsque l'élève enfonce l'aiguille dans un morceau de silicium, le bras du robot repousse. Contrairement à un mannequin, il peut être programmé pour suivre différentes courbes de force, conçues pour correspondre au profil de pression d'une aiguille glissant dans différents tissus, et représentant même différents types de corps. «Ce que vous voulez être capable de faire est de demander aux personnes de prouver leurs compétences dans un environnement simulé avant de leur remettre les commandes», a déclaré Han.
Mais certains des autres chercheurs avec lesquels Han travaillait avaient une idée plus précise: ils pourraient créer un outil qui ferait la même chose, sans robot, pour beaucoup moins cher. Au lieu d'un bras de robot, le retour de force serait fourni par un mécanisme logé dans une seringue simulée. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet provisoire cette année et ont reçu une subvention du Penn State College of Engineering pour développer l'appareil en tant qu'entreprise.
«Nous pourrions créer ces forces de manière un peu plus simpliste en ayant cela. En effet, la fracturation matérielle à l'intérieur de ces cartouches crée notre force haptique», explique Jason Moore, professeur agrégé de génie mécanique à la tête de l'équipe. "Nous pourrions également fournir à l'utilisateur de nombreuses informations sur la manière dont il a inséré l'aiguille."
Bien que la demande de brevet provisoire décrit plusieurs moyens de simuler une pression (électromagnétique, aimants, friction, hydraulique, etc.), le groupe a choisi de privilégier une version actionnée par une série de membranes logées dans le corps de la seringue. En poussant contre une surface, l'aiguille se rétracte dans le corps de la seringue. Comme il le fait, il touche les membranes en séquence. Chacun se déforme et finit par se rompre, exactement comme un tissu humain. En faisant varier la configuration, l'épaisseur et le matériau des membranes, le dispositif simule différents profils de force sans recourir à un bras de robot coûteux.
Les collaborateurs de Han, Moore et de Moore, le professeur associé en conception technique, Scarlett Miller, et le professeur associé en anesthésiologie, Sanjib Adhikary, ne sont pas les seuls à travailler sur des dispositifs de formation des étudiants aux injections guidées par ultrasons. «Tout le monde essaie de trouver différents moyens d'améliorer son apparence ou de le rendre plus convivial», dit Adhikary. "Mais personne n'a le Saint Graal."
En 2015, une société appelée Blue Phantom a publié un modèle de formation sophistiqué pour les injections articulaires du genou, complet avec simulations de fémur, tibia, rotule et bourse. Il existe même des solutions de bricolage comportant des ballons remplis de gélatine, avec des vaisseaux tubulaires en caoutchouc. David Gaba, professeur d'anesthésiologie à Stanford, construit des simulateurs d'injection de seringues depuis plus de 30 ans, y compris des formateurs en plastique pour les injections lombaires. Il utilise même du tissu d'épaule de porc comme substitut à l'homme.
«Le simple fait que quelque chose puisse être simulé par une combinaison ordinateur / matériel pour représenter les haptiques ne signifie pas nécessairement que cela produira des miracles d'apprentissage ou d'habileté», explique Gaba. «À moins qu'il ne soit clairement établi qu'un dispositif particulier fait une grande différence, ce sera finalement le marché qui déterminera si une avancée d'ingénierie particulière a des jambes par rapport à d'autres approches.»
Il doit encore y avoir un équilibre, souligne Han. Enlevez trop de réalisme et les étudiants ne relieront pas correctement l'outil de pratique à la réalité. Mais tout appareil informatisé peut fournir un retour d'information précieux et quantitatif - un bulletin de notes en quelque sorte - sur la performance des étudiants apprenant la technique.
Moore, Miller et Adhikary construisent un accéléromètre dans la cartouche, qui s’associera à un logiciel personnalisé pour donner des informations similaires sur l’angle d’insertion et le profil de force. Leur prototype, comprenant un capteur et une cartouche remplaçable, leur a coûté environ 100 dollars.
"L'idée mérite d'être poursuivie, surtout si elle peut être vendue 100 dollars", déclare Paul Bigeleisen, professeur d'anesthésiologie à l'Université du Maryland. Mais le moulage par injection et une large distribution, éventuellement dans les écoles et les hôpitaux de formation, pourraient réduire encore le coût unitaire.
«Si nous pouvons faire en sorte que ces nouveaux étudiants en médecine ou très jeunes futurs médecins soient très doués pour les mouvements de leurs mains, soyez très stables, cela pourrait-il avoir un impact positif sur leurs compétences beaucoup plus tard?», Déclare Moore.
C'est l'espoir, ajoute-t-il.
