Η χειρουργική δια μέσου φυσικών οπών ή NOTES (Natural Orifice Transluminal Endocopic Surgery) αποτελεί σήμερα ίσως το πιο ενδιαφέρον επίτευγμα της χειρουργικής από πλευράς τεχνικής. Η ανάπτυξη της τεχνολογία των υπολογιστών και της ρομποτικής αποτελεί ένα δυνατό εργαλείο για το σύγχρονο χειρουργό. Η πρόοδος της μικρο-ρομποτικής στις μέρες μας είναι αλματώδης. Συνεχώς κατασκευάζονται από ομάδες επιστημόνων όλο και μικρότερα σε μέγεθος ρομπότ με όλο και περισσότερες δυνατότητες κίνησης και επεξεργασίας σήματος ικανά να εισέλθουν στο ανθρώπινο σώμα δια μέσου των φυσικών οπών του, στην περιτοναϊκή κοιλότητα. Η τεχνική NOTES είναι ίσως η ιδανική για χρήση μικρο-ρομποτικής. Ο συνδυασμός αυτός ίσως φέρει επανάσταση και στην τηλεχειρουργική. Σκοπός τις εργασίας μας είναι να αναδείξουμε το ρόλο της ιατρικής πληροφορικής κατά τη χρήση μικρο-ρομποτ στη χειρουργική δια μέσου φυσικών οπών. Σχεδιάσαμε και εξομοιώσαμε ένα μοντέλο αρθρωτού μικρο-ρομποτ αποτελούμενου από υπομονάδες (modular robot) που θα μπορεί να εισέλθει δια μέσω των φυσικών οπών στο γαστρεντερικό σωλήνα ή και στην περιτοναϊκή κοιλότητα και θα έχει δυνατότητα κίνησης και χειρουργικών χειρισμών εξ αποστάσεως καθώς και παροχή πληροφοριών στο χρήστη από αισθητήρες. / Natural Orifice Transluminal Endocopic Surgery (NOTES) is perhaps the most interesting achievement of today’s surgery in terms of technique. The development of computer technology and robotics is a powerful tool for the modern surgeon. The progress of micro-robotics today is remarkable. Robotic working teams continuously produce smaller in size robots with more potential motion and signal processing that can enter into the peritoneal cavity through the body’s natural orifices. NOTES surgery is perhaps ideal for use of micro-robots. This combination could be a revolution for the Telesurgery. The aim of our work is to highlight the role of medical informatics in the use of micro-robots in NOTES surgery. We designed and simulated a model of an articulated micro-robot composed of subunits (modular robot) that can enter the gastrointestinal tract or the peritoneal cavity through the body’s natural orifices. It is capable of motion and surgical manipulations and can also provide sensor information to the user.-

Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός λαπαροσκοπικού εργαλείου με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας (ΒΕ). Ο βραχίονας αποτελείται από συνδεδεμένα τμήματα ή «σπονδύλους» που ενεργοποιούνται από καλώδια Ni-Ti, γνωστά και ως Shape Memory Alloys, που λειτουργούν ως δυαδικοί ενεργοποιητές με 2 καταστάσεις. Έτσι, εξασφαλίζεται η επαναληψιμότητα στις κινήσεις του βραχίονα και δεν απαιτούνται αισθητήρες για τη θέση των αρθρώσεων. Κάθε σπόνδυλος αποτελείται από 3 ενεργούς πρισματικούς ενεργοποιητές (SMA) τοποθετημένους έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα τρίποδο, το οποίο παρέχει 3 ΒΕ σε κάθε άρθρωση (δύο περιστροφικούς και ένα μεταφορικό). Η ανεξάρτητη ενεργοποίηση κάθε άρθρωσης γίνεται από μικροελεγκτές που επικοινωνούν με το πρωτόκολλο I2C και είναι τοποθετημένοι στο εσωτερικό κάθε συνδέσμου. Θα παρουσιαστούν διάφορα ζητήματα σχεδιασμού, η κινηματική και η προσομοίωση του εργαλείου, καθώς και ένα αρχικό πείραμα. / The subject of this work is the development of a prototype hyper-redundant laparoscopic tool. The manipulator consists of cascaded modules which are powered by Shape Memory Alloy wires (NiTi), acting as binary actuators with two stable states. As a result, the repeatability of the manipulator’s movement is ensured, alleviating the need for sensing of the manipulator’s joint-positions. Each module is composed of three active prismatic actuators in a tripod configuration providing a 3-DOF (two rotational and one translational) maneuverability for each joint. I2C-networked microcontrollers activate the individual tendon in each joint. Certain design aspects as well as the kinematics of the binary manipulator are presented followed by simulation and experimental studies on the laparoscopic tool prototype.

Ce travail de thèse suit une logique exposée dans trois chapitres, pour terminer par un exposé sur des applications futures. La première partie fait l’inventaire des difficultés de l’apprentissage des habiletés de base de la chirurgie robotique, notamment dans ses aspects de l’exploitation des avantages ergonomiques. Elle se fonde notamment les travaux de master 2 des Docteurs N. Hubert et C. Perrenot auxquels l’auteur a participé. On conclut ainsi à la nécessité de développer un outil de monitoring de l’ergonomie plus efficace que celui existant sur les logiciels du simulateur dV-Trainer®. La deuxième partie décrit la conception et la validation d’un système de capteurs de pression des avant-bras sur les appuis-bras de la console du robot et/ou des simulateurs (Système de Surveillance de Pression - SSP-). Il est créé le concept d’Armrest Load, formule plus efficace d’évaluation des performances des stagiaires en matière d’ergonomie que l’évaluation automatique par le simulateur. La troisième partie décrit l’amélioration du système SSP via l’ajout de fonctions supplémentaires et leurs évaluations : - une alarme informant l’étudiant des mauvaises positions. Ce système crée un réflexe conditionné, accélère l’utilisation ergonomique des appuis-bras du simulateur, mais également améliore les performances globales. - des caméras et une interface, « Contrôleur d’Évènement en Simulation Robotique » (CESIR), permettant au stagiaire de visionner à volonté et pour chaque exercice les vidéos de référence, celles avec les erreurs à éviter et ses propres performances. Ces techniques vidéo, largement répandues dans le milieu sportif sont utilisées pour la première fois en chirurgie et prouvent ici leur efficacité. La partie « conclusion » synthétise les résultats de tout le travail de thèse et expose des perspectives d’amélioration du système CESIR et de son utilisation dans la poursuite de la collaboration franco-chinoise en formation robotique. / This thesis is logically split into three chapters, concluding with a discussion on future applications. The first part makes an inventory of the difficulties in learning the basic skills in robotic surgery, especially in the aspects of exploiting the ergonomic benefits. It relies in particular on the master degrees of Drs N. Hubert and C.Perrenot to which the author participated. It is concluded that there is a need to develop a more efficient monitoring tool for ergonomics than the existing software on the dV-Trainer® simulator. The second part describes the design and validation of a system of forearms pressure sensors attached on the robot’s console and/or simulator’s armrests (SSP- Pressure Surveillance System). The concept of Armrest Load is created, a more effective formula for evaluating the trainees’ performance in ergonomics than the automatic evaluation provided by the simulator. The third part describes the improvement of the SSP system by adding additional functions and their evaluation: - An alarm informing the student of bad positions. This system creates a conditioned reflex, speeds up the ergonomic use of armrests on the simulator, and also improves the overall performance. - Cameras and a "Controller of Event in Robotic Simulation " (CESIR) interface, allowing the participant to view at will the reference video, the one with mistakes to avoid and the video of their own performances. This video technique is widely used in sports but is applied for the first time in surgery and proves its effectiveness. The conclusion part summarizes the results of the whole thesis and outlines the possibilities for CESIR’s improvement and its development in the French-Chinese collaboration in robotic training.

Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να αποκτήσουμε μία βασική γνώση όλων των διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων που πρέπει να εξεταστούν για να είναι εφικτή η κατασκευή και ο έλεγχος ενός πολυαρθρωτού εργαλείου. Επιπλέον, όλες οι αναλυτικές μέθοδοι ελέγχου που βασίζονται στις ιδιαιτερότητες των SMA παρουσιάζονται λεπτομερώς, ώστε να παραχθεί μία ικανοποιητική λύση βασιζόμενη στις μεταβολές κατάστασης των κραμάτων και του συγκεκριμένου βραχίονα. Με άλλα λόγια, μία πλήρης γνώση του πώς σχεδιάζουμε, κατασκευάζουμε, προσομοιώνουμε, ελέγχουμε και απεικονίζουμε ένα λειτουργικό μικροσκοπικό πολυαρθρωτό βραχίονα, με τένοντες βασισμένους σε SMA για ελάχιστα επεμβατική χειρουργική είναι ο στόχος της παρούσας εργασίας. / The purpose of this work is to acquire a fundamental knowledge of all the different design parameters, which must be evaluated in order to be able to fabricate and control a multi-DOF manipulator. Moreover, all the analytical control techniques based on the particularities of the shape memory alloys will be shown in details, in order to provide an efficient solution based on the variations of the alloys and the specific manipulator. In other words, the knowhow of building, evaluating, controlling and displaying a functional tiny multi- DOF SMA-based manipulator for minimally invasive surgery is the purpose of this work.