La chirurgie laparoscopique conventionnelle apporte des avantages aux patients mais pose des défis aux chirurgiens. Utiliser le robot permet de surmonter certaines des difficultés. Nous utilisons ici le concept de comanipulation, où un bras robotique sert de comanipulateur et génère des champs de force pour aider les chirurgiens. Pour implémenter des fonctions telles que la compensation de la gravité de l’instrument, il est utile de connaître la position du trocart en temps réel par rapport à la base du robot. Nous proposons un algorithme de détection et localisation de trocarts, basé sur la méthode du moins carré. Des expériences in vitro et in vivo valident son efficacité. Considérant des caractéristiques de la chirurgie laparoscopique, i.e., de l’espace de travail grand et de la difficulté de planifier le geste, des champs visqueux sont utilisés. Afin de s’adapter aux mouvements différents, nous utilisons une loi de commande de viscosité variable. Cependant, elle rencontre un problème d’instabilité, qui est analysé théoriquement et expérimentalement. Une solution d’ajout d’un filtre passe-bas de premier ordre est proposée, dont l’efficacité est mise en évidence par une expérience de ciblage point à point. Avec la position du trocart connue, nous pouvons établir «le modèle de levier», une formule décrivant la relation entre les vitesses et les forces appliquées à différents points de l’instrument. Ceci permet de mettre en œuvre une loi de commande de viscosité sans utiliser de signaux bruités, au point de centre de la poignée ou la pointe de l’instrument. Une expérience est menée pour comparer l’influence de la loi de commande sur les comportements de mouvement humain. / Traditional laparoscopic surgery brings advantages to patients but poses challenges to surgeons. The introduction of robots into surgical procedures overcomes some of the difficulties. In this work, we use the concept of comanipulation, where a 7-joint serial robotic arm serves as a comanipulator and generates force fields to assist surgeons.In order to implement functions like instrument gravity compensation, identifying real-time trocar position with respect to robot base is a prerequisite. Instead of obtaining trocar information from the registration step, we propose a robust trocar detection and localization algorithm based on least square method. Both in-vitro and in-vivo experiments validate its efficiency.Considering the characteristics of laparoscopic surgery, i.e., relatively large workspace and flexible operating objects, viscous fields are employed. To better adapt to different motion, we use a variable viscosity controller. However, this controller encounters an instability problem, which is analyzed both theoretically and experimentally. A solution of adding a first order low pass filter is proposed to slow down the variation of the viscosity coefficient, whose efficiency is evidenced by a point-to-point targeting experiment.With real-time trocar position known, the “lever model”, a formula describing therelationship of the velocities and forces of different instrument points, can be established. This allows implementing viscosity controller without using noisy signals at the center points of instrument handle and tip. Another point-to-point movement experiment is conducted to compare the features of the controller influence on human motion behaviors.

Au cours des dernières décennies, la chirurgie mini invasive a progressivement gagné en popularité face à la chirurgie ouverte, grâce à de meilleurs bénéfices cliniques. Cependant, ce type d'intervention introduit une perte de vision directe sur la scène pour le chirurgien. L'introduction de la réalité augmentée en chirurgie mini invasive semble être une solution viable afin de remédier à ce problème et a donc été activement considérée par la recherche. Néanmoins, augmenter correctement une scène laparoscopique reste difficile à cause de la non-rigidité des tissus et organes abdominaux. En conséquence, la littérature ne fournit pas d'approche satisfaisante à la réalité augmentée en laparoscopie, car de telles méthodes manquent de précision ou requièrent un équipement supplémentaire, contraignant et onéreux. Dans ce contexte, nous présentons un nouveau paradigme à la réalité augmentée en chirurgie laparoscopique. Se reposant uniquement sur l'équipement standard d'une salle opératoire hybride, notre approche peut fournir la relation statique entre l'endoscope et un scan intraopératoire 3D. De nombreuses expériences sur un motif radio-opaque montrent quantitativement que nos augmentations sont exactes à moins d'un millimètre près. Des tests sur des données in vivo consolident la démonstration du potentiel clinique de notre approche dans plusieurs cas chirurgicaux réalistes. / Over the past decades, minimally invasive surgery has progressively become more popular than open surgery thanks to greater clinical benefits. However, this kind of intervention introduced a loss of direct vision upon the scene for the surgeon. Introducing augmented reality to minimally invasive surgery appears to be a viable solution to alleviate this drawback and has thus been an attractive topic for the research community. Yet, correctly augmenting a laparoscopic scene remains challenging, due to the non-rigidity of abdominal tissues and organs. Therefore, the literature does not report a satisfactory approach to laparoscopic augmented reality, as such methods lack accuracy or require expensive and impractical additional equipment. In light of this, we present a novel paradigm to augmented reality in abdominal minimally invasive surgery. Based only on standard hybrid operating room equipment, our approach can provide the static relationship between the endoscope and an intraoperative 3D scan. Extensive experiments on a radio-opaque pattern quantitatively show that the accuracy of our augmentations is less than one millimeter. Tests on in vivo data further demonstrates the clinical potential of our approach in several realistic surgical cases.

En chirurgie laparoscopique, les chirurgiens doivent prendre des décisions appropriées en se basant sur une image qui leur offre un point de vue unique du site opératoire. Cette tâche est difficile à réaliser compte tenu du champ de vue limité de l'endoscope et du fait que l'endoscope rigide doit passer par un point d'insertion unique. Ces contraintes obligent les chirurgiens à réaliser des mouvements d'aller-retour avec l'endoscope, alternant entre des vues détaillées et des vues globales de la scène, qui leur permettent de se repérer plus facilement. Dans le but d'observer les parties cachées d'un organe, les chirurgiens aimeraient bien pouvoir changer le point de vue, sans avoir à insérer l'endoscope dans un nouveau point d'insertion. Pour répondre à cette problématique, nous proposons au chirurgien de visualiser une image virtuelle de la cavité abdominale, synthétisée selon un point de vue quelconque. Notre approche est basée sur l'insertion d'un commando de caméras miniatures au sein de la cavité abdominale. Ces caméras sont fixées à la paroi abdominale, aux trocarts ou aux outils chirurgicaux, de sorte qu'au moins l'une d'entre elles soit en mesure de percevoir une information pertinente pour le chirurgien. Les caméras sont regroupées en paires stéréoscopiques pour reconstruire des modèles 3D du site opératoire. Ces modèles fournissent un cadre de référence qui permet la fusion de toutes les images perçues par les caméras, restituée sous forme d'une image stable synthétisée selon tout point de vue. L'image virtuelle est rendue selon le point de vue désiré par le chirurgien, ce qui lui permet d'explorer la cavité abdominale sans intervenir sur les caméras réelles.

Il y a une trentaine d'années, l'apparition de la technologie endoscopique a ouvert la voie à la chirurgie mini-invasive. Cette nouvelle approche permet de diminuer fortement la taille des incisions et des cicatrices, réduisant le traumatisme per- et post-opératoire et le risque d'infection. Les avantages en termes de douleur et d'esthétique ont contribué à l'expansion rapide de la laparoscopie en urologie, gynécologie et chirurgie digestive. Mais si cette technique offre de nombreux avantages au patient, elle complique les gestes chirurgicaux. En particulier, la manipulation manuelle du laparoscope pose de nombreux problèmes ergonomiques. Notre objectif est de concevoir un dispositif porte-laparoscope robotisé permettant au chirurgien de télécommander celui-ci. Partant de cette demande initiale, cette thèse s'attache tout d'abord à étudier en détail la chirurgie laparoscopique, en collaboration avec des praticiens. Par la clarification des problèmes auxquels ils sont confrontés, un cahier des charges de dispositif est construit. Ensuite, les choix fondamentaux de la structure du robot sont posés. La conception des différents sous-ensembles de la solution suit une démarche rationnelle, jusqu'à la réalisation d'un prototype. Une attention particulière est portée à l'ergonomie générale du système et de son interface de commande. Un essai clinique expérimental clôture ce travail et valide le principe de solution retenu. Nous proposons enfin quelques pistes d'amélioration du robot et une série d'études et d'essais complémentaires, et revenons sur les objectifs initialement identifiés, à la lumière des résultats engrangés et de l'expérience acquise au long de cette recherche.

La chirurgie laparoscopique reproduit fidèlement les principes de la chirurgie conventionnelle avec une agressioncorporelle minimale. Si cette chirurgie apparaît comme étant très avantageuse pour le patient, il s’agit d’une interventionchirurgicale difficile où la complexité du geste chirurgical est accrue, en comparaison avec la chirurgie conventionnelle.Cette complexité réside en partie dans la manipulation des instruments chirurgicaux et la visualisation dela scène chirurgicale (notamment le champ de visualisation restreint d’un endoscope classique). La prise de décisionsdu chirurgien pourrait être améliorée en identifiant des zones critiques ou d’intérêts non visibles dans la scènechirurgicale.Mes travaux de recherche visent à combiner la robotique, la vision par ordinateur et la fluorescence pour apporterune réponse à ces difficultés : l’imagerie de fluorescence fournira une information visuelle supplémentaire pour aiderle chirurgien dans la détermination des zones à opérer ou à éviter (par exemple, visualisation du canal cystique lorsd’une cholécystectomie). La robotique assurera la précision et l’efficience du geste du chirurgien ainsi qu’une visualisationet un suivi "plus intuitif" de la scène chirurgicale. L’association de ces deux technologies permettra de guideret sécuriser le geste chirurgical.Une première partie de ce travail a consisté en l’extraction d’informations visuelles dans les deux modalités d’imagerie(laparoscopie/fluorescence). Des méthodes de localisation 2D/3D en temps réel d’instruments chirurgicaux dansl’image laparoscopique et de cibles anatomiques dans l’image de fluorescence ont été conçues et développées.Une seconde partie a consisté en l’exploitation de l’information visuelle bimodale pour l’élaboration de lois de commandepour des robots porte-endoscope et porte-instrument. Des commandes par asservissement visuel d’un robotporte-endoscope pour suivre un ou plusieurs instruments dans l’image laparoscopique ou une cible d’intérêt dansl’image de fluorescence ont été mises en oeuvre.Dans l’objectif de pouvoir commander un robot porte-instrument, enfonction des informations visuelles fournies par le système d’imagerie, une méthode de calibrage basée sur l’exploitationde l’information 3D de la localisation d’instruments chirurgicaux a également été élaborée. Cet environnementmultimodal a été évalué quantitativement sur banc d’essai puis sur spécimens anatomiques.À terme ce travail pourra s’intégrer au sein d’architectures robotisées légères, non-rigidement liées, utilisant des robotsde comanipulation avec des commandes plus élaborées tel que le retour d’effort. Une telle "augmentation" descapacités de visualisation et d’action du chirurgien pourraient l’aider à optimiser la prise en charge de son patient. / Laparoscopic surgery faithfully reproduce the principles of conventional surgery with minimal physical aggression.If this surgery appears to be very beneficial for the patient, it is a difficult surgery where the complexity of surgicalact is increased, compared with conventional surgery. This complexity is partly due to the manipulation of surgicalinstruments and viewing the surgical scene (including the restricted field of view of a conventional endoscope). Thedecisions of the surgeon could be improved by identifying critical or not visible areas of interest in the surgical scene.My research aimed to combine robotics, computer vision and fluorescence to provide an answer to these problems :fluorescence imaging provides additional visual information to assist the surgeon in determining areas to operate or tobe avoided (for example, visualization of the cystic duct during cholecystectomy). Robotics will provide the accuracyand efficiency of the surgeon’s gesture as well as a visualization and a "more intuitive" tracking of the surgical scene.The combination of these two technologies will help guide and secure the surgical gesture.A first part of this work consisted in extracting visual information in both imagingmodalities (laparoscopy/fluorescence).Localization methods for 2D/3D real-time of laparoscopic surgical instruments in the laparoscopic image and anatomicaltargets in the fluorescence image have been designed and developed. A second part consisted in the exploitationof the bimodal visual information for developing control laws for robotics endoscope holder and the instrument holder.Visual servoing controls of a robotic endoscope holder to track one or more instruments in laparoscopic image ora target of interest in the fluorescence image were implemented. In order to control a robotic instrument holder withthe visual information provided by the imaging system, a calibration method based on the use of 3D information of thelocalization of surgical instruments was also developed. This multimodal environment was evaluated quantitativelyon the test bench and on anatomical specimens.Ultimately this work will be integrated within lightweight robotic architectures, not rigidly linked, using comanipulationrobots with more sophisticated controls such as force feedback. Such an "increase" viewing capabilities andsurgeon’s action could help to optimize the management of the patient.

La réalité augmentée permet d'aider les chirurgiens à localiser pendant l'opération la position des structures d'intérêt, comme les vaisseaux sanguins. Dans le cadre de la chirurgie laparoscopique, les modèles 3D affichés durant l'intervention ne correspondent pas à la réalité à cause des déformations dues au pneumopéritoine. Cette thèse a pour objectif de corriger ces déformations afin de fournir un modèle du foie réaliste. Nous proposons de déformer le modèle préopératoire du foie à partir d'une acquisition intraopératoire de la surface antérieure du foie. Un champ de déformations entre les modèles préopératoire et intraopératoire est calculé à partir de la distance géodésique à des repères anatomiques. De plus, une simulation biomécanique du pneumopéritoine est réalisée pour prédire la position de la cavité abdomino-thoracique qui est utilisée comme condition limite. L'évaluation de cette méthode montre que l'erreur de position du foie et de ses structures internes est réduite à 1cm. / Augmented reality can provide to surgeons during intervention the positions of critical structures like vessels. The 3D models displayed during a laparoscopic surgery intervention do not fit to reality due to pneumperitoneum deformations. This thesis aim is to correct these deformations to provide a realistic liver model during intervention. We propose to deform the preoperative liver model according to an intraoperative acquisition of the liver anterior surface. A deformation field between the preoperative and intraoperative models is computed according to the geodesic distance to anatomical landmarks. Moreover, a biomechanical simulation is realised to predict the position of the abdomino-thoracic cavity which is used as boundary conditions. This method evaluation shows that the position error of the liver and its vessels is reduced to 1cm.

La problématique de l’obésité a progressé au cours des dernières décennies et elle est aujourd’hui un enjeu important de santé publique à travers le monde. Un fait plus inquiétant encore; de plus en plus d’individus présentent une forme plus sévère de l’obésité s’exposant ainsi aux complications physiques et psychologiques qui en découlent. Pour une majorité de ces individus qui souffrent d’obésité sévère (Indice de masse corporelle : IMC > 40 kg/m²), les traitements conventionnels de perte de poids s’avèrent la plupart du temps inefficaces. Pour cette raison, plusieurs se tournent vers la chirurgie bariatrique pour améliorer leur condition. Depuis 2013, la gastrectomie verticale par laparoscopie (GL) est la technique chirurgicale la plus pratiquée dans le domaine bariatrique au Canada et au Québec. Bien qu’elle occasionne de faibles taux de complications et de bons résultats de perte de poids à court terme, il semble qu’elle s’accompagne d’une reprise de poids chez certains patients après deux ans post-chirurgie. Selon certains chercheurs, ce regain de poids serait en partie expliqué par les comportements alimentaires adoptés par les patients en période postopératoire. La présente étude avait donc pour objectif principal d’approfondir la compréhension de l’effet de la GL sur certains comportements et attitudes alimentaires à huit mois post-chirurgie. Pour ce faire, 76 individus ayant reçu la GL (55 femmes et 21 hommes), présentant un âge moyen de 41 ans et un IMC moyen de 48.1 kg/m², ont été recrutés à l’Institut universitaire de cardiologie et de pneumologie de Québec (IUCPQ) et invités à remplir des questionnaires évaluant les comportements alimentaires avant et huit mois après la chirurgie. Les résultats des analyses de corrélation indiquent que les comportements alimentaires que présentent les participants avant et après la chirurgie ne seraient pas liés au pourcentage d’excès de poids perdu (PEP) à huit mois. Des analyses de corrélation montrent néanmoins un changement intéressant dans les patrons de relation qui lient la dépendance alimentaire (DA), la susceptibilité à la faim et la restriction; la DA et la susceptibilité à la faim étant associées négativement à la restriction en période préopératoire, alors qu’elles le sont positivement huit mois postopératoires. Les analyses de variances à mesures répétées (ANOVAS) montrent une diminution significative de la dépendance alimentaire (DA), de la désinhibition, de la restriction et de la susceptibilité à la faim huit mois après la chirurgie, alors que la préoccupation par rapport au poids demeure inchangée. Cela suggère que la perte de poids engendrée par la chirurgie ne modifie pas, du moins à court terme, les préoccupations que les patients entretiennent par rapport à leur corps et à leur poids. Une perception de soi profondément ancrée, ou encore la crainte éventuelle de reprendre du poids pourraient être en lien avec ces préoccupations, ce qui évoque l’importance d’offrir un soutien aux patients en période postopératoire.

Les robots à tubes concentriques deviennent de plus en plus populaires dans la communauté de la robotique médicale. Dans cette thèse, un état de l’art général des travaux existants et qui couvre les thématiques de recherche en robots à tubes concentriques (RTC) est présenté dans un premier temps. Les modélisations géométrique (directe et inverse) et cinématique des RTC sont détaillées car elles servent de base pour les contributions de cette thèse. La première contribution consiste en une étude de concept d’utilisation des RTCs pour la résection des tumeurs profondes situées au niveau du lobe frontal du cérveau. ‘Grid searching’a été utilisée comme méthode d’optimisation pour la conception des tubes des RTCs. Cette méthode permet d’éviter le problème crucial de présélection des coefficients de pondération, cette pondération étant nécessaire dans toutes les méthodes de scalarisation existantes dans la litérature. La méthode de ‘grid searching’ utilisée dans ce travail permet la sélection des paramères optimaux avec l’aide d’une illustration graphique de la distribution des résultats de calcul concernant les critères de séléction. La stabilité élastique due aux interactions destubes en flexion et en torsion est incluse dans les critères de séléction et est évaluée avec une nouvelle approche introduite dans ce travail. La deuxième contribution de cette thèse repose sur la synthèse d’une loi de commande qui permet de faire face aux incertitudes cinématiques dans le contrôle de mouvement des RTCs. L’étude réalisée a montré qu’un contrôle au niveau des couples moteurs avec un retour dans l’espace opérationnel et une matrice Jacobienne approchée, ce contrôle assure une robustesse en présence des incertitudes cinématiques au niveau de la matrice Jacobienne et permet d’obtenir des bonnes performances de contrôle en terme d’erreur de poursuite. / Concentric Tube Robots (CTR) are becoming more and more popular in medical robotics community. In this thesis, a general literature survey on existing works covering the research topics of CTR is first presented. The kinematics of CTR is more specifically detailed since it is the basics of the main contributions of this thesis. The first contribution is a concept study of exploiting CTR for resection of deep brain tumors located at the frontal lobe. Grid searching has been used as the optimization method for the CTR tubes design. This method allows to avoid the crucial problem of weights preselection which is required in all scalarizationmethods existing in literature. Instead, the grid searching method used in this work allows to choose the optimal parameters with the help of graphical illustration of calculation results distribution with respect to the selection criteria. The elastic stability dues to the bending and torsion interaction between tubes is considered and evaluated with a new approach introduced in this work. The second contribution then is to deal with the kinematic uncertainties in motion control of CTR. The proposed control method designed at the actuator level shows that the control design of actuator input with task-space feedback and approximate Jacobian matrix provides robustness in handling inaccuracy in kinematic model and maintains good control performance at the same time.

Teleoperation systems have been used in the operating rooms for more than a decade. However, the lack of force feedback in commercially available systems still raises safety issues and forbids surgical gestures like palpation. Although force feedback has already been implemented in experimental setups, a systematic methodology is still lacking to design the control laws.<p><p>The approach developed in this thesis is a contribution towards such a systematic<p>methodology: it combines the use of disturbance observers with the use of a structured fixed-order controller. This approach is validated by experiments performed on a one degree of freedom teleoperation system. A physical model of this system is proposed and validated experimentally.<p><p>Disturbance observers allow to compensate friction, which is responsible for performance degradation in teleoperation. Contrary to alternative approaches,they are based on a model of the frictionless mechanical system. This allows to compensate friction with a time varying behavior, which occurs in laparoscopy.<p><p>Parametric uncertainties in this model may lead to an unstable closed-loop. A kind of "separation principle" is provided to decouple the design of the closed-loop system from the design of the observer. It relies on a modified problem statement and on the use of available robust design and analysis tools.<p><p>A new metric is proposed to evaluate the performance of friction compensation systems experimentally. This metric evaluates the ability of a compensation system to linearize a motion system, irrespective of the task and as a function of frequency. The observer-based friction compensation is evaluated with respect to this new metric and to a task-based metric. It correctly attenuates the friction in the bandwidth of interest and significantly improves position and force tracking during a palpation task.<p><p>Structured fixed-order controllers are optimized numerically to achieve robust closed-loop performance despite modeling uncertainty. The structure is chosen among classical teleoperation structures. An efficient algorithm is selected and implemented to design such a controller, which is evaluated for a palpation task. It is compared to a full-order unstructured controller, representative of the design approach that has been used in the teleoperation literature up to now. The comparison highlights the advantages of our new approach: order-reduction steps and counter-intuitive behaviors are avoided. <p><p>A structured fixed-order controller combined with a disturbance observer is implemented during a needle insertion experiment and allowed to obtain excellent performance. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished