Exercice Sous-partie 1 - Analyse fonctionnelle et exigences · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2021 (sujet 1)

Partie 1: Sciences de l'ingénieur

Système de télé-échographie robotisé: « MELODY »

Mise en situation

Une échographie médicale est un acte permettant de contrôler le bon fonctionnement d'organes (ou d'observer la croissance d'un fœtus lors d'une échographie obstétricale, photo ci-contre) et le cas échéant de déceler certaines pathologies. Cette observation « non invasive » et sans danger pour le patient est réalisée à l'aide d'une sonde échographique ultrasonore manipulée par un médecin « au plus près » du patient.

Cette proximité nécessite une manipulation précise de la sonde par le praticien afin de procéder à une exploration la plus complète possible de l'organe observé (ou de la zone à observer).

Le système d'échographie télé-robotisée à distance MELODY permet à un médecin ou praticien « expert » de réaliser un diagnostic en temps réel et à distance d'un patient.

Ce système repose sur l'architecture innovante suivante:

Un centre « expert » distant du lieu d'examen réel, avec un médecin « imageur » manipulant une « sonde fictive » similaire à une sonde réelle d'échographie, permet une prise de contrôle rapide et ergonomique à distance du robot.

L'ensemble est complété par un système de visioconférence permettant au médecin « imageur » distant de voir, de dialoguer et d'interagir avec son patient ainsi rassuré. En outre, l'ensemble des sites « experts » sont connectables aux sites « patients » existants, autorisant la mutualisation des diagnostics et la télé-expertise entre praticiens.

À l'autre extrémité, un professionnel de santé ne connaissant pas l'échographie (médecin généraliste, infirmier, aide-soignant, etc.) accompagne le patient et assiste le médecin « imageur » en positionnant le robot équipé d'une sonde réelle échographique sur le patient.

Dès lors, et après une procédure spécifique de prise de repères (synchronisation entre la position de la sonde fictive et celle réelle du bras par rapport au positionnement du patient distant), ce robot va reproduire avec précision tous les mouvements initiés par le médecin « imageur ».

Le système d'échographie à distance MELODY permet donc de répondre à une double problématique grandissante: celle de la désertification médicale, et celle du manque de médecins experts en échographie contraignant les patients à des déplacements importants pouvant entraîner des surcoûts en frais médicaux.

Partant de ce constat, ce « robot échographique » permet d'atteindre n'importe quel patient à proximité de son domicile. Son adaptation à des territoires isolés, reculés, à des populations éloignées, n'ayant pas accès au diagnostic médical échographique, lui confère une grande attractivité.

À noter également qu'en cas de pandémies (maladies infectieuses à grande échelle géographique), ces praticiens ne sont pas exposés aux patients et peuvent ainsi poursuivre leurs diagnostics en toute sécurité.

La figure ci-dessous représente le diagramme SysML de « cas d'utilisation » du robot Melody. Ce diagramme montre les services et interactions fonctionnelles proposés par ce produit.

Sous-Partie 1: Analyser la transmission d'information entre la sonde fictive et la sonde réelle

L'objectif de cette sous-partie est de vérifier la pertinence des informations émises par la sonde fictive lors de ses déplacements en regard de ceux attendus au niveau de la sonde réelle distante et de s'assurer de la robustesse des protocoles (I²C et UDP) de transmission des données associées.

Question 1.1

À partir de la présentation précédente, donner deux avantages (en les argumentant) de la solution d'échographie robotisée MELODY.

La figure 2 représente le diagramme SysML partiel des « exigences ». Ce diagramme recense quelques contraintes techniques essentielles du produit MELODY.

Performances et efficacité de l'acte échographique réalisé

La qualité de l'examen échographique dépendra donc du positionnement des deux sondes dans l'espace, de la qualité de l'image et de l'expérience utilisateur de l'expert distant. Le positionnement des deux sondes et l'analyse de l'image ne peuvent être effectués que par la même personne.

Analyse du fonctionnement de la sonde fictive dans son espace d'orientation ($\\psi$, $\\theta$ et $\\varphi$)

La matrice d'orientation 3D permettant de calculer les commandes de positionnement du bras robotisé MELODY est basée sur le formalisme d'Euler. Cette méthode permet de quantifier l'orientation d'un solide (en l'occurrence la sonde fictive du médecin/praticien expert), par rapport à un système de coordonnées fixes, en utilisant trois angles spécifiques ou angles d'Euler (figure 3) obtenus lors de 3 rotations particulières successives.

$\\psi$: angle de rotation autour de l'axe $Oz_0$ initial.

$\\theta$: angle de rotation autour de l'axe $Ox_i$.

$\\varphi$: angle de rotation autour de l'axe $Oz_n$.

Cette matrice est élaborée par rapport aux changements de position de la sonde fictive du praticien. Cette sonde intègre exclusivement une unité de mesure inertielle (U1) composée pour chaque axe ($X_n$, $Y_n$ et $Z_n$) d'un accéléromètre (pour la mesure de l'accélération en g), d'un gyromètre (pour la mesure de la vitesse angulaire en $\\text{degré}\\cdot\\text{s}^{-1}$), et enfin d'un magnétomètre (pour l'orientation « absolue » par rapport au champ magnétique terrestre en gauss). Les orientations spécifiques des axes $X_n$, $Y_n$ et $Z_n$ sont précisées sur les figures 4 et 5.

Ces 9 grandeurs, permettant de quantifier avec précision la nature du mouvement de la sonde fictive dans son espace tridimensionnel (appelé également « espace opérationnel »), sont délivrées par (U1) à la fois sous une forme « analogique », mais également « numérique » pour son exploitation directe par l'unité de traitement.

Question 1.2

Justifier l'importance de l'exigence « contrainte d'étalonnage initiale du système (id = 1.4) », dans le diagramme SysML d'exigences figure 2. En déduire, parmi les trois groupes de grandeurs physiques acquises par la centrale inertielle, celle permettant l'obtention d'un repère absolu.